DE102013006725B4

DE102013006725B4 - Verfahren zur Speicherung und Rückgewinnung von Elektroenergie, Wärme und Wasser durch Absorption und Desorption von Wasser

Info

Publication number: DE102013006725B4
Application number: DE102013006725.1A
Authority: DE
Inventors: Bodo M. Wolf
Original assignee: BW-ENERGIESYSTEME GmbH; BW Energiesysteme GmbH
Current assignee: BW-ENERGIESYSTEME GmbH; BW Energiesysteme GmbH
Priority date: 2013-04-19
Filing date: 2013-04-19
Publication date: 2015-05-28
Anticipated expiration: 2033-04-20
Also published as: DE102013006725A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen geschlossenen reversiblen thermo-chemischen Kreisprozess mit wässrigen Lösungen der Natron- oder Kalilauge, mit einem integrierten atmosphärischem Speicher für reiche Lauge und Wasser sowie arme Lauge, bestehend aus den Prozessstufen Desorption und Absorption, die beide von der Lauge im Druck gestuft durchfahren werden, wobei die Energie, vorzugsweise durch Dampfverdichtung und kondensierenden Wasserdampf, der ersten Desorptionsstufe, der auch die arme Lauge zugeführt wird und die unter erhöhtem Druck arbeitet, zugeführt wird und die Beheizung der anderen Desorptionsstufen durch Desorptionsdampf erfolgt, während die Rückgewinnung der Energie aus der ersten Absorptionsstufe, der die reiche Lösung und Absorptionsdampf, der in der nachfolgenden Absorptionsstufe unter Nutzung von Absorptionswärme unter erhöhtem Druck produziert wurde, zugeführt werden, über einen angekoppelten Dampfkraftprozess oder durch rekuperative Auskopplung von Wärme erfolgt. Das Verfahren ermöglicht die Absorption von Dampf aus bei Umgebungstemperatur unter Vakuum siedendem Wasser, z. B. Meerwasser, und die Abgabe des so zugeführten Wassers als Destillat für die Trink- und Nutzwasserversorgung mit niedrigem Energieaufwand. Das Verfahren ermöglicht die Speicherung von Elektroenergie und Wärme praktisch über unbegrenzte Zeit und deren geregelte, bedarfsgerechte Rückgewinnung in jeder erforderlichen Größenordnung mit Rückgewinnungsgraden um 80%.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Speicherung von Elektroenergie und Wärme, vorzugsweise aus solar-regenerativer Energie und Umweltpotenzialen und/oder Abwärme aus der Energieumwandlung, -anwendung oder aus Wasserdampf, der aus siedendem Meerwasser oder verschmutzten Abwässern gewonnen wurde, sowie zur geregelten Gewinnung von Elektroenergie, Heiz- und Prozesswärme sowie von Wasserdestillat für die Trink- und Nutzwasserversorgung.
Das Einsatzgebiet der Erfindung ist die Energie-, Nutz- und Abwasserwirtschaft sowie die Trinkwasserversorgung in Kommunen, Industrie, Gewerbe und Verkehrswesen sowie die Meerwasserentsalzung.
Die Hauptaufgabe der Energieversorgung im 21. Jahrhundert ist die Ablösung der fossilen und atomaren Brennstoffe durch solar-regenerative Energie sowie der effizientere Umgang mit Energie und Ressourcen. Der Begriff ”solar-regenerative Energie” soll vorliegend zur Abgrenzung von fossilen und atomaren Brennstoffen dienen, da derzeit auch wiederaufbereitete atomare Brennstoffe in einigen Fällen als ”regenerative” Energie bezeichnet werden. Die bekanntesten Anlagen zur Umwandlung von solar-regenerativer Energie in Elektroenergie sind derzeit Fotovoltaik-, Wind- und Wasserkraftanlagen. Im Rahmen der vorliegenden Anmeldung werden die Begriffe solar-regenerative Energie und regenerative Energie synonym im Sinne der obigen Abgrenzung eingesetzt. Die Realisierung dieser Substitution mit regenerativer Energie wird beim Stand der Technik durch unzureichende Technologien für die Energiespeicherung erschwert, obwohl es eine Vielzahl von technischen Lösungen und Vorschlägen gibt.
Die Notwendigkeit der Energiespeicherung in der heutigen Energiewirtschaft ergibt sich aus dem Nutzungsverhalten der Energieabnehmer, welches sich trotz aller Bemühungen auch in Zukunft nicht wesentlich ändern wird, und der nicht immer gegebenen Verfügbarkeit von solar-regenerativer Energie.
Gelöst wurde die Aufgabe der Energiespeicherung bisher im Wesentlichen durch Lagerung fossiler und atomarer Brennstoffe vor der Energieumwandlung und -anwendung und durch in ihrer Leistung regelbare Energieumwandlungsverfahren, die dem Lastgang (auch Lastprofil oder Lastkurve), d. h. dem zeitlichen Verlauf der abgenommenen Leistung (z. B. der elektrischen Leistung oder der Gas-Leistung) über eine zeitliche Periode, der Energieversorgungssysteme folgen können.
Energiespeicher zwischen der Umwandlung der fossilen und atomaren Brennstoffe und den Energieabnehmern, wie Pumpspeicherwerke, Wärmespeicher sowie elektrische Akkumulatoren und Batterien, haben demgegenüber gegenwärtig untergeordnete Bedeutung. Da die zukünftig bedeutenden Energiequellen der solar-regenerativen Energiewirtschaft, wie insbesondere Sonnenstrahlung und Windenergie, nur zeitweise zur Verfügung stehen und nicht gelagert werden können, werden im Gegensatz zur konventionellen Energiewirtschaft Speichermethoden, die zwischen der Umwandlung solar-regenerativer Energie und den Energieabnehmern angeordnet sind, das zukünftige Energieversorgungssystem bestimmen.
Beim Stand der Technik stehen dafür Verfahren und Technologien zur Verfügung, die die Aufgabe, insbesondere in Bezug auf die Kosten, Leistungsfähigkeit und Verfügbarkeit, nicht zufriedenstellend erfüllen können.
Die Ursachen liegen darin, dass bei der Speicherung von fühlbarer Wärme neben der Exergie auch Anergie gespeichert werden muss.
Mit der EP 1 987 299 A1 wurde ein reversibler Kreisprozess vorgeschlagen, bei dem durch eine Wärmepumpe Exergie mit Anergie zu fühlbarer Wärme mit Heizwärmeniveu „gemischt”, diese an Wasser übertragen und als heißes Wasser gespeichert wird, bevor die Exergie durch einen Kraftprozess bedarfsgerecht (gemäß Lastgang) wieder abgeschöpft wird. Bei der praktischen Umsetzung hat sich gezeigt, dass die zur Verfügung stehenden Wärmepumpenkompressoren und Expansionsmaschinen nur einen Rückgewinnungsgrad von ca. 50% ermöglichen. Eine Verbesserung wird aus der Entwicklung spezieller Turbomaschinen erwartet.
Zu ähnlichen Ergebnissen führen Druckluftspeicher, die letztlich auch fühlbare Wärme speichern, damit das aufgebaute Druckgefälle der Luft effektiv genutzt werden kann.
Die höchste Form der Exergiespeicherung kann durch Umwandlung von regenerativer Energie in chemische Energieträger erreicht werden, z. B. in Kohlenwasserstoffe, wie Methan, Benzin, Kerosin, Diesel- und Heizöl, sowie in Alkohole, wie Methanol und Ethanol, die kompatibel zur Infrastruktur sind, wie sie z. B. in der WO 2008/014854 A1 beschrieben wird. Demgegenüber ist die Speicherung von regenerativer Energie in Form von reinem Wasserstoff unzweckmäßig. Sie erfordert eine neue Infrastruktur bei niedrigem Rückgewinnungsgrad. Es ist bewiesen, dass die chemische Anbindung von Wasserstoff an Kohlenstoff die effektivste Methode zur Speicherung von Wasserstoff ist. So sind in 1 m³ Diesel 1.200 m³ Wasserstoff bei Umgebungsdruck stabil gebunden und lagerbar. Nach WO 2008/014854 A1 können solche Verfahren einen Rückgewinnungsgrad von bis zu 70% erreichen.
Die wahrscheinlich bekannteste Methode der Exergiespeicherung sind die Pumpspeicherwerke, die bei einer Fallhöhe von 400 m eine elektrische Arbeit von ca. 1 kWh/m³ Wasser verrichten können. Die Nachteile dieser Methode sind, dass nicht überall Standorte für Pumpspeicherkraftwerke gegeben sind, der hohe Erschließungsaufwand und die drastischen Eingriffe in die Natur.
Dieser Mangel wurde mit der EP 2 067 942 A2 behoben, indem die isotherme Änderung des Aggregatzustandes des Kohlendioxides bei Umgebungstemperatur für den Aufbau einer Druckdifferenz zum Umgebungsdruck unter Volumenzu- und -abnahme genutzt wird. Der Vorteil dieser Methode ist ihre Standortunabhängigkeit. Nachteilig ist der hohe Materialaufwand für die Speicherhaltung des Wassers unter Druck, bezogen auf das Arbeitsvermögen des gespeicherten Wassers, das bei Nutzung von Umgebungswärme für die Verdampfung und Kondensation des Kohlendioxides ebenfalls nur mit 1 kWh/m³ Wasser angegeben werden kann.
Die ETH Zürich berichtet über den Stand der Anwendung von Natronlauge zum Zwecke der saisonalen Wärmespeicherung, vorgestellt auf dem 15. Schweizerischen Status-Seminar „Energie- und Umweltforschung im Bauwesen” vom 11./12. September 2008. Beschrieben wird ein Verfahren, bei dem die Prozessstufen Absorption und Desorption von wässrigen Lösungen der Natronlauge unter Vakuum betrieben werden, die Kondensationswärme des Desorptionsdampfes ans Erdreich abgegeben wird und die so gespeicherte Wärme in der Heizsaison zur Verdampfung von Wasser genutzt werden soll, der Dampf mit niedrigem Druck und Umgebungstemperatur als Absorptionsdampf und die Absorptionswärme als Heizwärme verwendet wird. Die niedrigen Dampfdrücke bei der Desorption und Absorption erfordern nicht nur eine Prozessführung im Vakuum, sondern behindern auch den Prozessablauf, da unter diesen Bedingungen Feststoffbereiche des thermodynamischen Systems Natronlauge/Wasser tangiert oder durchfahren werden.
Bekannt ist auch das deutsche Patent DE 24993 (C) vom 8.5.1883 von Moritz Honigmann mit dem Titel „Verfahren zur Entwicklung gespannten Dampfes durch Absorption des abgehenden Maschinendampfes in Aetznatron oder Aetzkali”. Das Arbeitsvermögen des Wassers je m³ erreicht bei diesem Verfahren über 600 kWh thermisch und in Form von technischer Arbeit damals bereits mehr als 15 kWh pro t armer Lösung.
Honigmann nutzt für den Betrieb seiner „feuerlosen Lok” die Tatsache, dass die Siedetemperatur dieser Laugen über der des Wassers liegt und mit zunehmender Konzentration der wässrigen Lösung steigt und dass solche Lösungen Wasserdampf unter Freisetzung von Wärme absorbieren und durch Wärmezuführung desorbieren. Der Kreisprozess der Lok nach Honigmann hatte zwei Kessel, einen für angereicherte, heiße Lauge und einen für Wasser. Die heiße Lauge gab fühlbare Wärme bei Bildung von Wasserdampf unter Überdruck an den Dampfkessel ab, der nach verrichteter Arbeit in einer Expansionsmaschine mit atmosphärischem Druck in die Lauge geleitet und dort, unter Wiederabgabe von Wärme, absorbiert wurde, die wiederum an den Dampfkessel abgeführt wurde, was die Dampfproduktion fortsetzte und die Lösung abmagerte. Aufgeladen wurde die Lok durch eine konventionelle stationäre Feuerung, die die Desorptionswärme lieferte und die Lauge durch Zuführung von Wärme durch Desorption wieder anreicherte, bevor diese Lauge mit hoher Temperatur wieder in den Laugekessel der Lok gefüllt wurde. Die Lok bzw. Dampfmaschine wurde also im Batch-Betrieb gefahren.
Obwohl die von Honigmann vorgeschlagene Methode zur Schaffung einer Temperaturdifferenz durch Desorption und Absorption einer Lauge und deren Nutzung zur Verrichtung technischer Arbeit als genial bezeichnet werden kann, hat diese auch Nachteile. Der entscheidende Nachteil ist, dass die gesamte gespeicherte Natronlauge in einem ersten Schritt in die Absorption einbezogen wurde, was, wie jeder Mischvorgang, Exergieverlust zur Folge hat, und dass die Absorption und Desorption isobar durchgeführt wurden, sodass die Abgabe der Absorptionswärme an den Wasserdampfprozess über die Betriebszeit mit sinkender Temperatur erfolgte, was sinkende Dampfdrücke im Dampfkessel und damit sinkendes Leistungsvermögen des Wasserdampfes in der in den Prozess eingebundenen Dampfmaschine zur Folge hatte. Der für den Betrieb der Expansion erforderliche Mindestdampfdruck schränkte außerdem die Bandbreite des Desorptions- und Absorptionszyklusses ein, so dass nur ein Arbeitsbereich (Konzentrationsbereich) von 0,5 bis 0,8 kg Wasser pro kg Lauge zur Verfügung stand. Bei dieser Betriebsweise war eine Wassereinbindung und -abtrennung von nur 0,75 kg/kg Lauge und Zyklus möglich und bei diesem Prozess konnten bei niedriger Konzentration der Natronlauge nur niedrige und nur bei hoher Konzentrationen höhere Dampfdrücke im Dampfkessel erreicht werden, was keine guten Voraussetzungen für einen Dampfkraftprozess darstellt.
Mit DE 10 2012 021 909 A1 wurde ein Verfahren zur Speicherung von Energie vorgeschlagen, bei dem Desorption und Absorption einen geschlossenen Kreisprozess mit integrierten Speichern für arme Lauge, reiche Lauge und Wasser bilden, und diese Zwischenprodukte des Kreisprozesses unter Umgebungsdruck und -temperatur getrennt von einander gelagert werden.
Die Desorption erfolgt bei niedrigem Dampfdruck isobar und die erforderliche Wärme wird von einem Wärmeträger im Gegenstrom rekuperativ an die arme Lauge übertragen, sodass die Lauge nach Abschluss der Desorption mit hoher Konzentration und Siedetemperatur vorliegt und der Desorptionsdampf bei Umgebungstemperatur kondensiert werden kann.
Die Absorption erfolgt hier, indem reiche Lauge in Wasserdampfatmosphäre im Gegenstrom über einem Kühlwasserkreislauf versprüht wird, an den die Absorptionswärme rekuperativ so übertragen wird, dass das Wasser eine Temperatur erreichen kann, die nahe der isobaren Siedetemperatur der eingesprühten reichen Lauge liegt, während die arme Lauge die der niedrigen Konzentration entsprechende Siedetemperatur erreicht. Das heiße Wasser wird danach einer Flashverdampfung zugeführt, die die Wassertemperatur auf die Siedetemperatur der armen Lauge absenkt, sodass das Wasser erneut als Kühlmedium eingesetzt werden kann. Gegenüber der Technologie von Honigmann wird erreicht, dass die bevorratete reiche Lauge nicht gleichzeitig mit gleitender Temperatur, sondern partiell verwässert wird und der Prozess immer konstante Dampfparameter liefert, so dass eine Expansionsmaschine kontinuierlich mit ihrer installierten Leistung betrieben werden kann. Diese Fahrweise hat aber zur Folge, dass der Druck des Flashdampfes vom Dampfdruck im Absorber und der konzentrationsbedingten Siedetemperatur der armen Lauge abhängt und dementsprechend, bei einer technische Arbeit leistenden Expansion bis auf den Dampfdruck der Absorption, ein geringes spezifisches Arbeitsvermögen hat. Für die Energiespeicherung hat das, wie umfangreiche Berechnungen gezeigt haben, zu Folge, dass nur bis zu 40% der eingetragenen Energie zurück gewonnen werden kann.
Aus dem von Z. Rant erarbeiten Zustandsdiagramm des Systems H₂O-NaOH lässt sich ablesen, dass die wässrige Lösung der Natronlauge oberhalb eines Wasserdampfdruckes von 0,025 bar, was einer Siedetemperatur des Wassers von etwas über 25°C und im Konzentrationsbereich der Natronlauge von 0 bis 75% einer Siedetemperatur der Lauge von 25 bis 85°C entspricht, ohne Feststoffbildung bei unterschiedlichen Dampfdrücken desorbiert und absorbiert werden kann. Daraus ergibt sich, z. B., dass Erdreich als Wärmeqelle für die Bereitstellung von Absorptionsdampf nur bedingt geeignet ist.
Charakteristisch für einen bei Umgebungstemperatur geschlossenen Kreisprozess mit Natronlauge und Wasser ist, dass nur Exergie ein- und ausgekoppelt werden kann. Wird dem System an einer Stelle permanent oder einmalig Stoff entnommen, muss dieser an anderer Stelle dem Kreisprozess wieder zugeführt werden, sonst kommt der Prozess zum Erliegen und sein Zyklus ändert sich. Weiterhin ist charakteristisch, dass die Lauge durch Zugabe von Wasser unter Abgabe von Wärme verdünnt, aber eine Anreicherung der Konzentration nur über Abführung von Wasserdampf erreicht werden kann.
Die Zielstellung der vorliegenden Erfindung ist ein reversibler Kreisprozess, der jederzeit die Einkopplung von Energie aller Art in Form von Elektro- und/oder Wärmeenergie oberhalb Umgebungstemperatur, vorzugsweise aus solarregenerativen Energiequellen oder Wärmepumpenanlagen, aber auch von Abwärme aus der Energieumwandlung aus fossilen und atomaren Brennstoffen, und die bedarfsgerechte Auskopplung von Energie, in Form von technischer Arbeit oder Elektroenergie sowie Wärmeenergie, und Wasserdestillat bedarfsgerecht, also geregelt, und kontinuierlich mit hohem Rückgewinnungsgrad und niedrigem Materialaufwand ermöglicht.
Die Aufgabe der Erfindung besteht somit darin, einen Kreisprozess vorzuschlagen, der

• neben externer Wärme auch für die Einkopplung und Wiederfreisetzung von technischer Arbeit, die vorzugsweise durch Elektroenergie geleistet wird, geeignet ist,
• dabei sowohl oberhalb als auch unterhalb des Umgebungsdruckes über einem breiten Konzentrationsbereich bis zur Umgebungstemperatur betrieben werden kann,
• den Aufwand an Ausrüstungen, insbesondere an Druck- und Vakuumgefäßen, gegenüber dem Stand der Technik signifikant reduziert,
• kontinuierlich und geregelt unter rekuperativer Einkopplung von solarregenerativer Energie und/oder Abwärme und Wasserdampf, auch von solchem aus unter Vakuum bei Umgebungstemperatur siedendem Wasser, standortunabhängig und unabhängig von einem externen Wärmepotenzial, wie Erdreich, betrieben werden und
• bei Einkopplung von Wasserdampf aus unter Vakuum siedendem Wasser, insbesondere Salzwasser und anderen verschmutzten Wässern, Wärmeenergie und Destillat für die Trink- und Nutzwasserversorgung abgeben kann.

Die Erfindung betrifft einen geschlossenen reversiblen thermo-chemischen Kreisprozess mit wässrigen Lösungen der Natron- oder Kalilauge, mit einem integrierten atmosphärischem Speicher für reiche Lauge und Wasser sowie arme Lauge, bestehend aus den Prozessstufen Desorption und Absorption, die beide von der Lauge im Druck gestuft durchfahren werden, wobei die Energie, vorzugsweise durch Dampfverdichtung und kondensierenden Wasserdampf, der ersten Desorptionsstufe, der auch die arme Lauge zugeführt wird und die unter erhöhtem Druck arbeitet, zugeführt wird und die Beheizung der anderen Desorptionsstufen durch Desorptionsdampf erfolgt, während die Rückgewinnung der Energie aus der ersten Absorptionsstufe, der die reiche Lösung und Absorptionsdampf, der in der nachfolgenden Absorptionsstufe unter Nutzung von Absorptionswärme unter erhöhtem Druck produziert wurde, zugeführt werden, über einen angekoppelten Dampfkraftprozess oder durch rekuperative Auskopplung von Wärme erfolgt.
Das Verfahren ermöglicht die Absorption von Dampf aus bei Umgebungstemperatur unter Vakuum siedendem Wasser, z. B. Meerwasser, und die Abgabe des so zugeführten Wassers als Destillat für die Trink- und Nutzwasserversorgung mit niedrigem Energieaufwand.
Das Verfahren ermöglicht die Speicherung von Elektroenergie und Wärme praktisch über unbegrenzte Zeit und deren geregelte, bedarfsgerechte Rückgewinnung in jeder erforderlichen Größenordnung mit Rückgewinnungsgraden um 80%.
Erfindungsgemäß wird die technische Aufgabe gelöst, indem eine wässrige Lösung, vorzugsweise der Natron- oder Kalilauge, die in Form von armer Lösung mit definierter Konzentration einem thermochemischen Kreisprozess mit integrierten Speichern, zur partiellen Lagerung der Zwischenprodukte des Kreisprozesses, zugeführt wird, indem Lösung mit niedriger Konzentration als „arme Lauge” in einer endothermen Prozessstufe Desorption, durch Zuführung von Wärmeenergie unter Freisetzung von Wasserdampf, in Lösung mit höherer Konzentration, also in „reiche Lauge” umgewandelt, diese gespeichert und nachfolgend aus dem Speicher heraus in einer gegenläufigen exothermen Prozessstufe Absorption, durch Absorbieren von Wasserdampf, wieder auf das Konzentrationsnivau der armen Lösung zurückgeführt wird und dabei die in der Prozessstufe Desorption zugeführte Wärmeenergie wieder freisetzt, wobei die Prozessstufe Desorption aus mehreren in Reihe geschalteten Desorbern gebildet wird, die mit Kammern für die Desorption der Lösung und Kammern für Wasserdampf, in denen dieser kondensiert, ausgestattet sind, die über Heizflächen verbunden sind.
In dieser Prozessstufe wird der Desorptionsdampf in den Desorbern gleichlaufend zum Ansteigen der Konzentration in der Lösung, unter gestuft abfallenden Drücken kondensiert, während die Prozessstufe Absorption, die aus mehreren in Reihe geschalteten Absorbern besteht, deren Kammern für die Absorption von Wasserdampf mit denen zur Wasserverdampfung ebenfalls durch Heizflächen verbunden sind, in denen durch rekuperative Übertragung der Absorptionswärme an zugeführtes Wasser prozessinterner Wasserdampf gebildet wird, der in der jeweils folgenden Absorptionsstufe, gegenläufig zum Abbau der Konzentration in der Lösung, unter steigendem Druck von der Lösung absorbiert wird, so dass sich die Zwischenprodukte außerhalb der Prozessstufen Desorption und Absorption immer im flüssigen Zustand und annähernd bei Umgebungstemperatur befinden, so dem Speicher zugeführt und diesem zum Zwecke der erneuten Energieeinbindung der Prozessstufe Desorption und zum Zwecke der erneuten Energiefreisetzung der Prozessstufe Absorption, jederzeit entnommen und den Prozessstufen wieder zugeführt werden können.
Gestartet wird der Kreisprozess erfindungsgemäß, indem der ersten Stufe der Desorption Heizdampf aus dem prozessinternem Wasserdampfkreislauf oder externen Quellen zugeführt wird, der dort kondensiert und durch rekuperative Übertragung seiner Kondensationswärme an die Lösung die Desorption unter Abspaltung von Wasserdampf aus der Lösung (Desorptionsdampf) einleitet, der entstehende Desorptionsdampf der ersten Stufe als Heizdampf der nächsten Desorptionsstufe zugeführt wird, in der die Desorption der Lösung, also die Anreicherung, unter abgesenktem Druck fortgesetzt wird.
Es ist erfindungsgemäß, die Zuführung von Desorptionsdampf als Heizdampf zu unter niedrigerem Dampfdruck, aber höherer Konzentration der Lösung arbeitenden Desorptionskammern über mehrere Stufen bis zu einem Dampfdruck fortzusetzen, bei dem eine Kondensation des Desorptionsdampfes unter Umgebungstemperatur noch möglich ist und das Kondensat aus den im Druck gestuften Dampfkammern des Desorptionsprozesses prozessintern, z. B. zur Kühlung des Heizdampfes, durch Einspritzung bei mehrstufiger Verdichtung von Kreislaufdampf, oder zur Bereitstellung von Anfahrdampf für die Dampfverdichtung durch Flashverdampfung in einem Heißwasserspeicher oder Kondensatsammler direkt zu nutzen oder zu sammeln, nach Abkühlung durch prozessinterne thermische Nutzung, als Destillat dem Speicher zu zuführen und aus diesem heraus der Prozessstufe Absorption, zum Zwecke der Bereitstellung von Absorptionsdampf, wieder so zuzuführen, wie es für das zeitlich und leistungsmäßig unabhängige Betreiben der Prozessstufe Desorption und Absorption erforderlich ist.
Erfindungsgemäß wird die gestufte Beheizung der Desorptionstufen unterbrochen und die gestufte Absorption abgebrochen durch die Entnahme von Dampf für die Dampfkompression bzw. für eine technische Arbeit leistende Dampfexpansion, indem

• der Desorptionsstufe, die bei annähernd Umgebungsdruck arbeitet, Desorptionsdampf entnommen und einer, bevorzugt mehrstufigen, Dampfkompression, die den Heizdampf für die erste Desorptionsstufe liefert, zugeführt wird und die Desorption der angereicherten Lösung aus dieser Stufe in einer folgenden Stufe, mit oder ohne zusätzliche rekuperative Beheizung, über eine Flashverdampfung bis zu einem so niedrigem Dampfdruck fortgesetzt wird, dass der Dampf bei Umgebungstemperatur noch kondensiert werden kann,
• bei Zuführung von Heizdampf oder fühlbarer Wärme aus externen Quellen der dieser Desorptionsstufe entnommene Desorptionsdampf einer anderen Verwertung, z. B. einem unter Vakuum ablaufendem zusätzlichen Desorptionsprozess, einem Dampfkraftprozess oder einer Heiz- oder Warmwasserversorgung, zugeführt wird,
• der Dampf der ersten Absorptionsstufe, die bei höchster Konzentration der Lösung abläuft, nicht einer weiteren Absorption, sondern als Frischdampf einem technische Arbeit leistenden Expansionsprozess, z. B. in einer Gegendruckdampfturbine, zugeführt wird, der das Arbeitsvermögen des Dampfes bis zum Druckniveau der letzten Absorptionsstufe, aus der die arme Lösung dem Speicher zugeführt wird, nutzt und danach dieser Absorptionstufe als Absorptionsdampf zuleitet, oder
• bei Zuführung von Absorptionsdampf aus externen Quellen, der von der ersten Absorptionstufe gelieferte Frischdampf im Expansionsprozess so weit für technische Arbeit genutzt wird, dass der Abdampf noch bei Umgebungstemperatur kondensiert werden kann.

Der Kreisprozess wird erfindungsgemäß geschlossen durch die Prozessstufe Absorption, der aus dem Speicher reiche Lösung und Wasser zugeführt wird, wobei die reiche Lösung der ersten Absorptionsstufe zugeführt wird, die wie beschrieben unter dem höchsten Siededruck der Lösung und mit der gegenüber den anderen Absorptionsstufen höchsten Konzentration der Lösung arbeitet, und die Lösung nach dort erfolgter erster Abmagerung nacheinander den nachfolgenden Absorptionsstufen, die jeweils bei niedrigerer Konzentration arbeitend, zugeführt wird, bis sie mit der für den Kreisprozess signifikanten niedrigsten Konzentration aus der letzten Absorptionsstufe als arme Lösung entnommen und dem Speicher wieder zugeführt wird, während das Wasser den Dampfkammern aller Absorptionsstufen partiell aus dem Speicher zugeführt wird und der in den Absorptionsstufen in den Dampfkammern erzeugte Wasserdampf, mit Ausnahme des in der ersten Absorptionsstufe erzeugten, der jeweils vorgeschalteten Absorptionsstufe, die bei höherer Siedetemperatur der Lösung arbeitet, mit etwas höherem Druck, als Absorptionsdampf zugeführt und dort in die Lösung eingebunden wird, während das der ersten Absorptionsstufe zugeführte Wasser in dieser unter dem für den Kreisprozess höchstmöglichen Druck verdampft, der Dampf überhitzt und danach einem technische Arbeit verrichtenden Dampfkreislauf zugeführt wird, die den entspannten Dampf, bevorzugt unter geringem Überdruck der letzen Absorptionsstufe als Absorptionsdampf zuführt, sodass dieser ebenfalls in die Lösung eingebunden und als Bestandteil der armen Lösung dem Speicher zugeführt wird.
Zur Vermeidung von Leerraum bei der Speicherung der Zwischenprodukte des Kreisprozesses wird erfindungsgemäß ein Speicher vorgeschlagen, der in Schotts mit je zwei Kammern, deren Volumen dem Verhältnis der anfallenden reichen Lösung und des Wassers entspricht, aufgeteilt ist. Diese Aufteilung ermöglicht, bis auf zwei Schotts, die vollständige Be- und Entladung des Speichers mit reicher Lösung und Wasser oder mit armer Lösung, wenn ein Schott und die zwei Kammern des anderen Schotts nur so gefüllt werden, dass die Be- und Entladung des Speichers nach beiden Seiten solange erfolgen kann, bis sich ein leeres Schott an den Enden des Speicher befindet.
Die erfindungsgemäße Ausstattung des thermochemischen Kreisprozesses mit einem durch Kompression angetriebenen Wasserdampfkreislauf im Desorptionsprozess und einem Wasserdampfkraftprozess in der Prozessstufe Absorption ermöglicht die indirekte Einkopplung, Speicherung und Auskopplung von Elektroenergie.
Erfindungsgemäß wird bei direkter oder über Wasserdampf bei indirekter Einkopplung von Energie, mit ausreichend hohem Temperaturniveau für die Beheizung der ersten Desorptionsstufe, aus Abwärme, Sonnenkollektoren oder Wärmepumpenanlagen, die Umgebungswärme aufgenommen haben, insbesondere aber auch aus Verbrennungsmotoren, anstelle der Entnahme von Dampf für die Dampfkompression, Dampf aus dem Desorptionsprozess für die Beheizung eines parallel geschalteten Desorptionprozesses, der vorteilhaft unter Vakuum und rekuperativer Beheizung bis zum Umgebungstemperaturniveau arbeitet, entnommen.
Ebenfalls erfindungsgemäß ist die Zuführung von Wasserdampf, der aus unter Vakuum siedendem Wasser, insbesondere verschmutztem Industriewasser oder Salzwasser der Meere, gewonnen wurde, zur letzten Absorptionsstufe, wo dieser absorbiert wird, wobei die Absorptionstufen wie beschrieben geschaltet sind, sodass der Dampf aus der ersten Absorptionsstufe auch als Heiz- oder Prozessdampf oder dessen Kondenstionswärme für Wärme- oder Warmwasserversorgungsaufgaben und das als Dampf zugeführte Wasser als Destillat für die Nutz- und Trinkwasserbereitung aus dem Kreisprozess abgegeben und genutzt werden kann, wobei es erfindungsgemäß vorteilhaft ist, einen Kreisprozess mit Lösungen geringer Konzentration mit geringem Konzentrationsgefälle so zu betreiben, dass bei Vorhandensein einer Wärmesenke, die die Kondensation des Desorptionsdampfes unterhalb der Absorptiontemperatur ermöglicht, die Desorption des Dampfes bei niedrigerem Dampfdruck als die Absorption betrieben wird, so dass die Absorptionswärme an die Desorption rekuperativ übertragen werden kann. Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens gegenüber dem Stand der Technik sind die regelbare Ein- und Auskopplung von Elektroenergie und Wärmeenergie, in einer für die Ablösung der fossilen und atomaren Brennstoffe durch regenerative Energie erforderlichen Größenordnung, sowie deren energiesparende Verwendung zur Produktion von Destillat für die Trink- und Nutzwasserbereitstellung aus Meereswasser und anderen verschmutzten Wässern. Besonders effektiv ist diese Art der Wasseraufbereitung dann, wenn der Prozess zwischen zwei Umweltpotenzialen mit kleinen Temperaturdifferenzen, wie sie Bekannterweise zwischen Oberflächen- und Tiefenwasser der Meere vorliegen, integriert wird.
Ein weiterer besonderer Vorteil des Kreisprozesses ist, dass dieser sich bei Umgebungstemperatur öffnen und schließen lässt, so dass sich die Zwischenprodukte arme und reiche Lösung der Lauge und Wasser getrennt bei Umgebungstemperatur und -druck in einem Silo lagern lassen und von diesem geregelt und unabhängig von dessen Beladung für die Strom-, Wärme- und Wasserein- und -auskopplung entnommen werden können.
Bei dem im Ausführungsbeispiel gewählten Konzentrationsgefälle der wässrigen Lösung der Lauge zwischen 75 und 30% kann der Kreisprozess pro t Natronlauge ca. 2 m³ Wasser pro Zyklus aufnehmen und abgeben.
Die getrennte Lagerung von armer und reicher Lösung sowie von Wasser ermöglicht die zeitlich und örtlich unabhängige Nutzung des Verfahrens sowohl in der Energieversorgung als auch in der Mobilität.
Ein erfindungsgemäßer Speicher (Silo) mit den einer Tiefgarage mit 5 Etagen vergleichbaren Abmessungen von 30 × 100 × 20 m mit einem Speichervolumen von 60.000 m³ ist ausreichend für die Speicherung von 36.000 m³ Wasser und 24.000 m³ reicher Lösung mit einer Konzentration von 75% oder von 60.000 m³ armer Lösung mit einer Konzentration von 30%.
Dieses Potenzial reicht für die geregelte Abgabe von mehr als 12.000 MWh Heiz- und Prozesswärme oder von 1.400 MWh Elektroenergie, d. h. dieser Speicher kann die durchschnittliche Stromproduktion eines Windparks mit 15 Windkraftanlagen mit einer installierten Leistung von je 2,5 MW über zwei Wochen speichern oder 3.000 Haushalte über einen Wintermonat mit Heizwärme, bei einem Rückgewinnungsgrad von mehr als 80%, bezogen auf die in die Prozessstufe Desorption eingekoppelte Energie, versorgen.
Die Erfindung ermöglicht somit den Betrieb von Windkraft- und Fotovoltaikanlagen zur bedarfsgerechten Energieversorgung unabhängig von fossilen und atomaren Brennstoffen, d. h. sie macht solche Anlagen zu „Vollwertkraftwerken”.
Ein weiterer Vorteil ergibt sich für wärmegeführte Motorheizkraftwerke bei niedriger Auslastung wegen fehlendem Wärmebedarf, wenn die Kühl- und Abgaswärme bei fehlender Wärmeabgabe zur Produktion von reicher Lösung genutzt und diese zur zusätzlichen Stromproduktion eingesetzt wird. Solche Kraftwerke können so wesentlich höhere Benutzungsstunden bei einer Steigerung des elektrischen Wirkungsgrades von 35 auf bis zu 50% und damit eine deutlich verbesserte Ökonomie erreichen.
Ausführungsbeispiel
Die Erfindung wird mit Hilfe von 1 beschrieben und der Stoff- und Energieumsatz rechnerisch abgeschätzt. Der Prozesszyklus verläuft im Beispiel über ein Konzentrationsgefälle von 75 bis 30%. Der Prozessstufe Desorption (B) wird aus dem Speicher (1) arme Lösung (2) mit einer Konzentration von 30% zugeführt. Bei dieser Konzentration sind in der Lösung 2.333 kg Wasser an 1.000 kg Natronlauge gebunden.
Die arme Lösung (2) wird durch rekuperative Zuführung von Wärme in der Prozessstufe Desorption in Wasser (3) und reiche Lösung (4) mit einer Konzentration von 75% umgewandelt. In diesem Zustand sind noch 333 kg Wasser pro t Natronlauge gebunden. Durch Desorption müssen also 2.000 kg Wasser (3) aus der armen Lösung (2) ausgedampft werden.
Erfindungsgemäß werden im Beispiel 3.333 kg arme Lösung (2) dem Speicher (1) mit Umgebungstemperatur entnommen, im Druck erhöht und gegebenenfalls im Rekuperator (5) durch Heizdampfkondensat (6) bis auf 150°C vorgewärmt und der ersten Desorptionsstufe (7), in der 400 kg Wasser verdampft werden, zugeführt. Die erste Desorptionsstufe (7), die unter einem Siededruck der Lösung von 10 bar arbeitet, wird rekuperativ beheizt durch 500 kg kondensierenden Sattdampf (8), der durch mehrstufige Kompression (9) von 400 kg Desorptionsdampf (15) und Kondensateinspritzung (10) mit einem Druck von 16 bar bereitgestellt wird. Die unter einem Siededruck der Lösung von 10 bar arbeitende erste Desorptionsstufe (7) erhöht die Konzentration der Lösung auf 34%, wodurch die Masse der Lösung um 400 kg auf 2.933 kg reduziert wird. Die so angereicherte Lösung (11) wird der zweiten Desorptionstufe (12) zugeführt, die durch den 10 bar Desorptionsdampf (13) aus der ersten Desorptionsstufe (7) beheizt wird. Desorbiert werden in der zweiten Desorptionsstufe (12) 600 kg Wasserdampf bei einem Siededruck von ca. 4,5 bar. Der Desorptionsdampf (45) aus der zweiten Desorptionsstufe (12) beheizt die dritte Desorptionsstufe (14). Die Masse der angereicherten Lösung beträgt nach der zweiten Desorptionsstufe (12) noch 2.333 kg, bei einer Konzentration von ca. 43%.
Der für die Kompression erforderliche Dampf (15) wird im Beispiel der dritten Desorptionsstufe (14) mit einem Druck von 1 bar entnommen. Dieser Siededruck der Lösung wird bei einer Konzentration von ca. 52% und einer Desorptionstemperatur von 148°C erreicht. Somit ist es möglich, der dritten Desorptionsstufe (14) ca. 410 kg Dampf für die stufenweise Kompression in (9) zu entnehmen, was mit Kondensateinspritzung (10) für die Bereitstellung von 500 kg Heizdampf (8) ausreicht.
Der vierten Desorptionsstufe (16) wird die auf 52% angereicherte und 148°C heiße Lösung einer Flashverdampfung, bei eventuell gleichzeitiger rekuperativer Beheizung durch überschüssigen Desorptionsdampf aus der zweiten Desorptionsstufe (12), bis zu einem Dampfdruck von 0,025 bar zugeführt. Der Flashdampf (17) aus der vierten Desorptionsstufe (16) wird bei Umgebungstemperatur im Rekuperator (18) unter Abgabe der Kondensationswärme an die Umgebung (19) kondensiert.
Der Aufwand an Elektroenergie (20) für die Bereitstellung des Heizdampfes (8) zur Beheizung der ersten Stufe der Desorption (7) zum Zwecke der Abtrennung von insgesamt 2.000 kg Dampf aus 3.333 kg wässriger Lösung der Natronlauge mit einer Konzentration von 30%, die dadurch in 1.333 kg reiche Lösung (4) mit einer Konzentration von 75% umgewandelt wird, beträgt in diesem Ausführungsbeispiel ca. 287 MJ, entsprechend 80 kWh_el, bei theoretisch verlustfreier Prozessführung.
Zur Sicherstellung des Kompressionsdamfpes (15) im Anfahrbetrieb dient im Beispiel ein Heißwasserdruckspeicher (21), der mit 200°C heißem Wasser gefüllt ist und den Anfahrdampf (15) für die Kompression durch Flashverdampfung und das Einspritzwasser zur Dampfkühlung (10) nach den Kompressionsstufen liefert. Gespeist wird der Speicher (21) durch Kondensat (6) aus der ersten Desorptionsstufe (7).
Der Speicher (1) ist in Schotts (22) geteilt, die wiederum in je zwei Kammern (23, 24) geteilt sind. Die Schotts stehen für die Befüllung mit armer Lösung (2), die Reihe der Kammern (23) für Wasser (3) und die im Beispiel kleineren Kammern (24) für die Speicherung der reichen Lösung (4) zur Verfügung.
Die erfindungsgemäße Unterteilung des Speichers (1) in Schotts und Kammern dient der Vermeidung von Leerraum im Speicher. Der geringste Leerraum wird erreicht, wenn ein Schott (22) und zwei Kammern (23) und (24) nur so gefüllt sind, so dass der Speicher (1) jederzeit sowohl beladen als auch entladen werden kann.
Beim Betrieb der Prozessstufe Absorption (A) des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Zwecke der Rückgewinnung von Wärmeenergie oder technischer Arbeit mithilfe einer Expansionsmaschine (25) bzw. Elektroenergie über einen Generator (26) werden dem Speicher (1) reiche Lösung (4), die über den Rekuperator (27) vorgewärmt werden, und Wasser (3), das über den Rekuperator (28) vorgewärmt wird, entnommen und der Prozessstufe Absorption (A) zugeführt.
In diesem Ausführungsbeispiel wird die Prozesstufe Absorption durch die Dampfkessel (29, 30, 31), die je in einen Absorptions- und einen Siedewasserraum geteilt sind, und einen Dampfkessel (32), der zusätzlich mit einem oder zwei Dampfüberhitzern ausgestattet ist, gebildet, und versorgt eine ein- oder mehrstufige Gegendruck-Dampfturbine (25) oder Entnahme-Kondensations-Dampfturbine (33) mit Frischdampf, im Beispiel 16 bar und 340°C.
Dampferzeugung und -überhitzung erfolgen in den Kesseln (29) bis (32) durch rekuperative Übertragung von Wärme aus der Absorption von Wasserdampf durch reiche bzw. gestuft angereicherte Lösung an die Wasserteile der Kessel.
Der für die Inbetriebnahme der Prozessstufe Absorption erforderliche Dampf (46) wird dem Heißwasserspeicher (21) entnommen und dem Absorptionsraum des Dampfkessels (32) zugeführt. Nach Erreichen des stabilen Betriebszustandes wird die kontinuierliche Dampfversorgung (39) durch die Gegendruckdampfturbine (25) gesichert.
Die Kessel (29) bis (32) sind lösungsseitig und wasserseitig gegenläufig in Reihe geschaltet. Dabei wird die reiche Lösung (4) mit einer Konzentration von 75% dem Dampfkessel (32) zugeführt und von dort über die Dampfkessel (31) bis (29), in denen sie im Druckniveau fallend gestuft Wasserdampf absorbiert, stufenweise in arme Lösung (2) mit einer Konzentration von 30% umgewandelt.
Die Stufung der Absorption ergibt sich aus der Differenz der Konzentration, die es ermöglicht, 2 kg Wasserdampf pro kg Natronlauge durch Absorption zyklisch zu binden und durch Desorption wieder abzugeben. Die nach Kessel (29) vorliegende arme Lösung (2) wird aus der Prozessstufe Absorption über die Rekuperatoren (27) und (28) dem Speicher (1) zugeführt.
Die Stufung der Absorption ist im Beispiel durch folgenden Abfall der Konzentration der Lösung gekennzeichnet:
Dampfkessel (32): von 75,0 auf 49,7%
Dampfkessel (31): von 49,7 auf 39,8%
Dampfkessel (30): von 39,8 auf 34,1%
Dampfkessel (29): von 34,1 auf 30,0%
Das Wasser (3) wird über den Rekuperator (28) dem Siedewasserteil des Dampfkessels (29) zugeführt und dort durch rekuperative Zuführung von Absorptionswärme aus dem Absorptionsraum bei einem Druck von 1,7 bar verdampft. Dieser Dampf wird dem Kessel (30) als Absorptionsdampf (34) zugeführt und dort unter diesem Druck von bereits abgemagerter Lösung absorbiert. Unter diesem Siededruck kann der Dampfkessel (30) Wasserdampf mit einem Druck von ca. 3,1 bar (35) produzieren und zur Absorption an den Dampfkessel (31) abgeben, die in diesem wiederum eine Dampferzeugung unter einem Druck von 6,3 bar (36) ermöglicht. Die Absorption dieses Dampfes im Dampfkessel (32) ermöglicht eine, bezogen auf die dem Beispiel zugrunde liegende Absorption von 2.000 kg Wasser, zyklische Dampferzeugung von 440 kg bei 16 bar (37) und eine Überhitzung des Dampfes auf 340°C und danach in der Dampfturbinenanlage (25), bei einer Entspannung ins Naßdampfgebiet bei einem Druck von 1 bar, die Auskopplung von 287 MJ, entsprechend 80 kWh technischer Arbeit, bei theoretisch verlustfreier Prozessführung.
Bei thermodynamischer Optimierung erscheint bei in der Praxis verlustbehaftetem Betrieb, bezogen auf die in der Prozessstufe Desorption aufgewendete Elektroenergie (20) für die Dampfkompression (9), ein Elektroenergie-Rückgewinnungsgrad von mehr als 80% möglich.
Die in diesem Beispiel vorgestellte Prozesskombination ermöglicht erfindungsgemäß, alternativ zum Einsatz von Elektroenergie, als Antriebsenergie der Stoff- und Energieumwandlung zum Zwecke der Energiespeicherung und bedarfsgerechten Wiederfreisetzung auch Wärmeenergie einzusetzen.
Für diesen Fall ist der Heißwasserspeicher (21) mit einem Rekuperator (38) ausgestattet, der die Wärmeenergie heißer Abgase aus Industrieanlagen und anderen Wärmequellen, insbesondere der Abgas- und Kühlwasserabwärme von Verbrennungsmotoranlagen, an das Wasser im Heißwasserkessel (21) überträgt und Dampf erzeugt, der unter dem für die Desorptionsstufe (7) erforderlichen Heizdampfdruck zugeführt wird und die Prozesstufe Desorption wie beschrieben, anstelle von Elektroenergie, antreibt. Wird die Prozesstufe Absorption betrieben zum Zwecke der Auskopplung von Dampf, Heizwasser oder Warmwasser, dann kann die Wärmeenergie in Form von Dampf der Turbine (25) entnommen werden, oder die Kessel (29) bis (31) werden wasserseitig nicht wie bei der Stromerzeugung parallel, sondern in Reihe geschaltet, so dass sich das der Absorptionsstufe (29) zugeführte Wasser stufenweise erwärmt und aus der Absorptionsstufe (32) einer Heiz- und Warmwasserversorgung zugeführt werden kann. In dieser Prozessvariante kann die Absorptionstufe (29) auch mit Dampf aus unter Vakuum siedendem Wasser (40), insbesondere Kühlwasser oder Meerwasser, betrieben werden. Das so extern zugeführte dampfförmige Wasser muss im Zuge der folgenden Desorption aus dem Kreisprozess als Destillat abgeführt und zweckmäßiger Weise einer Verwertung in der Landwirtschaft oder Trinkwasserbereitung zugeführt werden.
Der Desorptionsdampf der Desorptionsstufe (14) wird dann allerdings nicht mit 1 bar dem Dampfkompressor (9), sondern einem zusätzlichen gestuften Desorptionsprozess, bei dem die Desorption in den Desorptionsstufen (41), (42), (43) und (44) unter Vakuum betrieben wird und der Desorptionsdampf der Stufe (44) bei Umgebungstemperatur in (18) kondensiert oder der Kondensationsturbine zugeführt.
Bei ausreichender Temperaturdifferenz zwischen der Vakuumverdampfung in (40) und der Kondensation in (18) ist es erfindungsgemäß, den in der Absorptionsstufe (32) erzeugten Dampf als Heizdampf in der Desorptionsstufe (41) einzusetzen und sowohl die Absorptionsstufe A als auch die Desorptionsstufe C wie beschrieben zu betreiben.
Die Erfindung soll anhand der folgenden Beispiele erläutert werden, ohne jedoch auf die speziell beschriebenen Ausführungsformen beschränkt zu sein. Soweit nichts anderes angegeben ist oder sich aus dem Zusammenhang zwingend anders ergibt, beziehen sich Prozentangaben auf das Gewicht, im Zweifel auf das Gesamtgewicht der Mischung.
Die Erfindung bezieht sich auch auf sämtliche Kombinationen von bevorzugten Ausgestaltungen, soweit diese sich nicht gegenseitig ausschließen. Die Angaben ”etwa” oder ”ca.” in Verbindung mit einer Zahlenangabe bedeuten, dass zumindest um 10% höhere oder niedrigere Werte oder um 5% höhere oder niedrigere Werte und in jedem Fall um 1% höhere oder niedrigere Werte eingeschlossen sind.
Bezugszeichenliste

A: Prozessstufe Absorption
B: Prozessstufe Druckdesorption
C: Prozessstufe Vakuumdesorption
1: Speicher
2: Arme Lösung
3: Wasser
4: Reiche Lösung
5: Rekuperator
6: Heizdampfkondensat
7: Erste Desorptionsstufe
8: Heizdampf
9: Mehrstufige Dampfkompression
10: Kondensateinspritzung
11: Angereicherte Lösung
12: Zweite Desorptionsstufe
13: Desorptionsdampf
14: Dritte Desorptionsstufe
15: Desorptionsdampf/Anfahrdampf 1 bar
16: Vierte Desorptionsstufe (Flashverdampfung)
17: Flashdampf
18: Rekuperator
19: Wärmesenke
20: Elektroenergie-Zuführung
21: Heißwasserdruckspeicher
22: Speicherschotts
23: Speicherkammern für Wasser
24: Speicherkammern für reiche Lösung
25: Erste Expansionsmaschine
26: Elektrogenerator
27: Rekuperator
28: Rekuperator
29: Dampfkessel
30: Dampfkessel
31: Dampfkessel
32: Dampfkessel und -überhitzer
33: Zweite Expansionsmaschine
34: Absorptionsdampf
35: Absorptionsdampf
36: Absorptionsdampf
37: Frischdampf
38: Abwärme-Rekuperator
39: Anfahrdampf Absorption aus Turbine
40: Dampf aus unter Vakuum siedendem Wasser
41: Vakuumdestillation
42: Vakuumdestillation
43: Vakuumdestillation
44: Vakuumdestillation
45: Desorptionsdampf
46: Anfahrdampf Absorption aus Speicher

Claims

Verfahren zur Speicherung und Rückgewinnung von Elektroenergie, Wärme und Wasser in bzw. aus einem Kreisprozess mit wässrigen Lösungen von Natron- oder Kalilauge, durch Desorption und Absorption von Wasserdampf über ein vorgegebenes Konzentrationsgefälle der Lösung mit den Zwischenprodukten reiche Lösung und Wasser sowie arme Lösung, dadurch gekennzeichnet, dass • in einem geschlossenen kontinuierlichen und reversiblen Kreisprozess, in dem ein Kreislauf mit wässriger Lösung der Natron- oder Kalilauge, mit Wasserdampfkreisprozessen stofflich direkt und thermisch durch gegenseitige rekuperative Wärmeübertragung so kombiniert ist, dass Wasser und Lösung als Reaktanten den Kreisprozess mit den Prozessstufen Desorption und Absorption zyklisch durchlaufen und die dabei entstehenden Zwischenprodukte reiche Lösung und Wasser einerseits und arme Lösung andererseits als Potenziale mit unterschiedlichem energetischen Niveau in einem Speicher unter Umgebungsdruck und -temperatur gelagert und von dort bedarfsgerecht dem Kreisprozess wieder zugeführt werden, • im Kreisprozess einerseits die Konzentration von armer Lösung, die aus einem Speicher zugeführt wird, durch stufenweise desorptive Freisetzung von Wasserdampf bis auf das Konzentrationsniveau der reichen Lösung angehoben wird, indem der armen Lösung in einer ersten Desorptionsstufe Wärmeenergie durch kondensierenden Wasserdampf aus einem elektrisch angetriebenen Wasserdampf-Wärmepumpenprozess, rekuperativ zugeführt wird, und der in dieser und den nachfolgenden Desorptionsstufen bei gestuft sinkendem Druck durch Desorption entstehende Wasserdampf in den jeweils nachfolgenden Desorptionsstufen unter rekuperativer Abgabe seiner Kondensationswärme an ebenfalls aus vorgeschalteten Desorptionsstufen zufließende angereicherte Lösung zu Wasser kondensiert wird, wobei ein Teil oder der ganze Desorptionsdampf der Desorptionsstufe, die unter einem Desorptionsdruck von ca. 1 bar arbeitet, nicht direkt als Heizdampf in der folgenden Desorptionsstufe verwendet wird, sondern einem Wasserdampf-Wärmepumpenprozess als Arbeitsmittel zugeführt, von diesem durch Kompression im Druck erhöht und danach der ersten Desorptionsstufe als Heizdampf mit einem Druck von bis zu ca. 20 bar zugeführt wird und damit den Kreisprozess schließt, und das Kondensat aus den rekuperativ beheizten Desorptionsstufen und die reiche Lösung aus der letzten, bis zum Umgebungstemperaturniveau arbeitenden Desorptionsstufe an einen unter Umgebungsdruck und -temperatur arbeitenden Speicher abgeführt werden, • andererseits im Kreisprozess die Konzentration der reichen Lösung durch Abführung von Wärmeenergie zyklisch schrittweise bis auf das Konzentrationsniveau der armen Lösung gesenkt wird, indem der aus einem Speicher einem Absorptionsprozess zugeführten reichen Lösung bei gestuft steigendem Druck schrittweise Wasserdampf zugeführt wird, der von dieser absorptiv gebunden wird und durch gestuft rekuperative Übertragung der Absorptionswärme an aus einem Speicher zugeführtes Wasser erzeugt wurde, wobei die Absorptionswärme der ersten Absorptionsstufe, der die reiche Lösung zufließt, nicht direkt als Absorptionsdampf, sondern für die Erzeugung von Frischdampf mit einem Druck bis zu ca. 20 bar und einer Temperatur von bis zu ca. 340°C genutzt wird, der über einen Wasserdampfkraftprozess die bei der Desorption zugeführte Exergie, in Form von Elektroenergie, wieder freisetzt und den Dampfprozess durch Zuführung von entspanntem Dampf als Absorptionsdampf zur letzten Absorptionsstufe schließt, während das zugeführte Wasser, gebunden an die Lösung, nach prozessinterner rekuperativer Nutzung ihrer fühlbaren Wärme zur Vorwärmung der zufließenden armen Lösung und des Wassers als arme Lösung mit annähernd Umgebungstemperatur zum Speicher zurückgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der ersten Stufe der Desorption von Wasserdampf bei im Kreisprozess niedrigster Konzentration der Lauge, Wärme mit so hoher Temperatur rekuperativ zugeführt wird, dass der Druck des sich über der Lösung bildenden Wasserdampfes für die Beheizung der nachfolgenden Stufe durch Kondensation ausreicht, wobei die zu beheizende zweite Desorptionsstufe gegenüber der ersten Desorptionsstufe bei höherer Konzentration der Lösung, aber durch Druckabsenkung niedrigerer Siedetemperatur abläuft und die dampfseitige Kopplung der Desorptionsstufen auch nachfolgende Desorptionsstufen kennzeichnet.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass Wärme mit so hoher Temperatur rekuperativ zugeführt wird, dass der Druck des sich über der Lösung bildenden Wasserdampfes höher als ca. 5 bar ist.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärme mit hoher Temperatur durch unter entsprechendem Druck kondensierenden Wasserdampf bereitgestellt wird, der durch Kompression von internem Dampf aus dem Kreisprozesses selbst oder extern produziert wurde.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Desorptionsstufen unter einem Dampfdruck von ca. 1 bar betrieben und mindestens ein Teil des dabei entstehenden Desorptionsdampfes einer Dampfkompression oder anderen externen Verwertungen zugeführt wird und danach die Desorption unter Vakuum bis zur gewünschten Konzentration der Lösung bei einem Dampfdruck so durchgeführt wird, dass der Desorptionsdampf bei Umgebungstemperatur kondensiert werden kann.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Stufe der Absorption durchgeführt wird, indem der Lösung bei im Kreisprozess höchster Konzentration, Wasserdampf mit hohem Druck zugeführt und in die Lösung eingebunden wird, der im Wasserdampfprozess der nachfolgenden zweiten Absorptionsstufe durch rekuperative Übertragung der Absorptionswärme, unter weiterer Absenkung der Konzentration der Lösung, und bei gegenüber der ersten Absorptionsstufe niedrigerem Druck und niedrigerer Temperatur, produziert wurde, und diese dampfseitige Kopplung auch nachfolgende Absorptionsstufen kennzeichnet.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Lösung bei im Kreisprozess höchster Konzentration Wasserdampf mit einem Druck über ca. 5 bar zugeführt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Konzentrationsgefälle der Lösung in der ersten Absorptionsstufe so festgelegt wird, dass die Absorptionswärme rekuperativ bei hoher Temperatur an den Wasserdampfprozess übertragen wird und der in dieser Stufe produzierte Dampf, gegebenenfalls nach Überhitzung, einer technische Arbeit verrichtende Expansion oder einer externen Nutzung als Prozess- oder Heizdampf zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass dem Expansionsprozess im Druck reduzierter Wasserdampf entnommen und einer der Absorptionsstufen als Absorptionsdampf zugeführt wird, die mit niedrigster Konzentration der Lösung im Kreisprozess arbeitet.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass dem Expansionsprozess im Druck reduzierter Wasserdampf bei ca. 1 bar entnommen wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die letzte Absorptionsstufe, die bei niedrigster Konzentration der Lösung im Kreisprozess arbeitet, Wasserdampf zugeführt wird, der durch Flashverdampfung von Abwasser, Meeres- oder Oberflächenwasser unter Vakuum, produziert wurde, und die dabei in der ersten Absorptionsstufe anfallende Absorptionswärme einer Nutzung zugeführt oder an die Umgebung abgegeben wird, und das mit dem Wasserdampf zugeführte Wasser aus der letzten Absorptionsstufe, gebunden an die Lauge, als arme Lösung dem Kreisprozess zugeführt und aus der Desorptionsstufe des Kreisprozesses als Destillat für eine Trink- oder Nutzwasserbereitung entnommen wird.
Verfahren nach Ansprch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Flashverdampfung von Abwasser, Meeres- oder Oberflächenwasser unter Vakuum bei Umgebungstemperatur erfolgt.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass, bei Einkopplung von Dampf aus unter Vakuum siedendem Wasser in die Prozessstufe Absorption, diese mit einer gegenläufigen Prozessstufe Desorption gekoppelt ist, die gegenüber der Absorption mit durchschnittlich niedrigerer Temperatur unter rekuperativer Zuführung der Absorptionswärme betrieben wird, und der entstehende Desorptionsdampf bei Umgebungstemperatur kondensiert und das Kondensat als Destillat an die Trink- und Nutzwasserbereitung abgegeben wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenprodukte des Kreisprozesses reiche Lösung und Wasser sowie arme Lösung bei Umgebungsdruck und -temperatur getrennt von einander in einem Speicher gelagert, aus diesem geregelt entnommen und den Prozessstufen des Kreisprozesses zugeführt werden, wobei der Speicher in Schotts und jedes Schott in zwei Kammern unterteilt ist, in den Kammern die Zwischenprodukte der Desorption, reiche Lösung und Wasser getrennt von einander gelagert werden und die Schotts über beide Kammern die arme Lösung aus der Prozessstufe Absorption aufnehmen.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass je eine Kammer für reiche Lösung und eine für Wasser und ein Schott mit armer Lösung nur teilweise gefüllt werden und der Speicher mit minimalem Leerraum betrieben wird.