Kombianlage und Verfahren zum Betreiben einer Kombianlage

Die Erfindung betri f ft eine Kombianlage umfassend einen Wärmepumpenkreislauf aufweisend einen Kältemittelverdampfer, der zum Verdampfen eines Kältemittels ausgebildet ist , ferner umfassend einen Verdichter, der zum Verdichten des Kältemittels ausgebildet ist , wobei der Verdichter strömungstechnisch mit dem Kältemittelverdampfer verbunden ist , ferner umfassend einen Kältemittelkondensator, der zum Kondensieren des Kältemittels ausgebildet ist , wobei der Kältemittelkondensator strömungstechnisch mit dem Verdichter verbunden ist , ferner umfassend eine Drosseleinrichtung, die zum Verringern der Temperatur und des Druckes des Kältemittels ausgebildet ist , wobei die Drosseleinrichtung mit dem Kältemittelkondensator verbunden ist , wobei der Kältemittelverdampfer strömungstech- nisch mit der Drosseleinrichtung verbunden ist .

Ferner betri f ft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Kombianlage , wobei die Kombianlage einen Wärmepumpenkreislauf aufweist , wobei in einem Kältemittelverdampfer ein Kältemittel verdampft wird, wobei das verdampfte Kältemittel einem Verdichter zugeführt wird, wobei im Verdichter die Temperatur und der Druck des Kältemittels erhöht wird, wobei das Kältemittel nach dem Verdichter einem Kältemittelkondensator zugeführt wird, wobei das Kältemittel im Kältemittelkondensator kondensiert , wobei das Kältemittel einer Drosseleinrichtung zugeführt wird, wobei in der Drosseleinrichtung die Temperatur und der Druck des Kältemittels verringert wird, wobei das Kältemittel nach der Drosseleinrichtung dem Kältemittelverdampfer zugeführt wird .

Die Erfindung betri f ft im Allgemeinen einen Kälte- und Wärmepumpenkreislauf für eine Elektrolyse und eine Dampf erzeugung für ein Direct Air Capture ( DAC ) - Verfahren und ein unter Druck stehendem Sauerstof f , der zur Stromerzeugung einsetzbar ist, wobei der Sauerstoff in einem Elektrolyseur erzeugt wur- de .

Durch Elektrolyse hergestellter grüner Wasserstoff wird als wichtiger Faktor für die Erreichung der weltweiten Dekarbonisierungsziele angesehen, da die gesamte Wertschöpfungskette von der Produktion über den Transport bis zur Umwandlung in Wärme- oder elektrische Energie CO2-frei sein kann. In einem Elektrolyseprozess wird elektrische, vorzugsweise so genannte grüne Energie aus Wind, Sonne oder Wasser genutzt, um ein Wassermolekül in Wasserstoff (H ₂ ) und Sauerstoff (O2) zu spalten. Allerdings werden bei diesem Prozess nur ca. 75% der zugeführten elektrischen Energie in Wasserstoff (H ₂ ) umgewandelt, die anderen 25% werden in Wärme umgewandelt.

Aus diesem Grund muss die Elektrolyse gekühlt werden. Dies kann besonders herausfordernd sein, wenn die Elektrolyse in Gebieten mit hohen Umgebungstemperaturen durchgeführt wird, z.B. in der Wüste, da eine entsprechende Menge an Kühlwasser bei einer bestimmten Temperatur erforderlich ist. Die Nichtverfügbarkeit von Kühlwasser könnte zu einer Gefährdung des Betriebes der Elektrolyse führen, da die Kühlung für den Betrieb des Systems unerlässlich ist.

Neben der großmaßstäblichen Produktion von grünem Wasserstoff wird auch die Direct Air Capture (DAC) als ein wichtiger Faktor für die Erreichung der Dekarbonisierungsziele angesehen, da negative Emissionen erzeugt werden können. Nach dem Netto- Null-Emissionsszenario der Internationalen Energieagentur (IEA) wird der Bedarf an Direct Air Capture auf 1 Gigatonne Kohlenstof fdioxid (CO2) pro Jahr ansteigen, um im Jahr 2050 Klimaneutralität zu erreichen. Aufgrund der relativ niedrigen Kohlenstof fdioxid (CO2) -Konzentration in der Umgebungsluft von durchschnittlich 400 ppm hat die DAC jedoch einen sehr hohen spezifischen Wärmeenergiebedarf pro Tonne abgeschiedenem Kohlenstof fdioxid (CO2) . Im schlimmsten Fall müssen fossile Brennstoffe verbrannt werden, um die Energie bereitzu- stellen, was zu zusätzlichen Kohlenstof fdioxid ( CO2 ) - Emissionen führt .

Die Produktion von grünem Wasserstof f in großem Maßstab ist eine Heraus forderung . Die meisten Anlagen zur Erzeugung von grünem Wasserstof f werden im Pilotmaßstab in der Nähe des Wasserstof fverbrauchers geplant und betrieben, da noch keine groß angelegte Infrastruktur für den Wasserstof f transport in der Regel vorhanden ist . Bei den Verbrauchern handelt es sich z . B . um Industriekunden, die üblicherweise über Kühlwasser mit der erforderlichen Temperatur verfügen . Außerdem benötigen viele dieser Prozesse einen Niederdruck- und einen Mitteldruck-Dampf , der mit einer Hochtemperatur-Wärmepumpe unter Nutzung des Abwärmestroms aus der Elektrolyse erzeugt werden kann . In heißen und abgelegenen Gebieten ist j edoch oft kein Kühlwasser in der erforderlichen Temperatur und Menge verfügbar und außerdem besteht in der Regel ein Mangel an einer potenziellen Senke für die in Frage kommende Wärme .

Andererseits wird DAC aufgrund des hohen spezi fischen Energiebedarfs pro Tonne abgeschiedenem Kohlenstof fdioxid ( CO2 ) immer noch als wirtschaftlich unattraktiv angesehen .

Es besteht hier ein Bedarf an einer Verbesserung .

Die Erfindung hat es sich zur Aufgabe gemacht , ein Kombianlage und ein Verfahren anzubieten, das einen Kostenvorteil bietet .

Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Kombianlage umfassend einen Wärmepumpenkreislauf aufweisend einen Kältemittelverdampfer, der zum Verdampfen eines Kältemittels ausgebildet ist , ferner umfassend einen Verdichter, der zum Verdichten des Kältemittels ausgebildet ist , wobei der Verdichter strömungstechnisch mit dem Kältemittelverdampfer verbunden ist , ferner umfassend einen Kältemittelkondensator, der zum Kondensieren des Kältemittels ausgebildet ist , wobei der Kältemittelkondensator strömungstechnisch mit dem Verdichter verbunden ist , ferner umfassend eine Drosseleinrichtung, die zum Verringern der Temperatur und des Druckes des Kältemittels ausgebildet ist , wobei die Drosseleinrichtung mit dem Kältemittelkondensator verbunden ist , wobei der Kältemittelverdampfer strömungstechnisch mit der Drosseleinrichtung verbunden ist , ferner umfassend eine Wärmeerzeugungsanlage aufweisend einen Kühlungskreislauf mit einem Kühlmedium, wobei die Wärmeerzeugungsanlage derart ausgebildet ist , dass während des Betriebes das Kühlmedium erwärmbar ist , wobei das Kühlmedium derart mit dem Kältemittelverdampfer strömungstechnisch verbunden ist , dass das Kältemittel in dem Kältemittelverdampfer erwärmbar ist .

Die Aufgabe wird auch gelöst durch ein Verfahren zum Betreiben einer Kombianlage , wobei die Kombianlage einen Wärmepumpenkreislauf aufweist , wobei in einem Kältemittelverdampfer ein Kältemittel verdampft wird, wobei das verdampfte Kältemittel einem Verdichter zugeführt wird, wobei im Verdichter die Temperatur und der Druck des Kältemittels erhöht wird, wobei das Kältemittel nach dem Verdichter einem Kältemittelkondensator zugeführt wird, wobei das Kältemittel im Kältemittelkondensator kondensiert , wobei das Kältemittel einer Drosseleinrichtung zugeführt wird, wobei in der Drosseleinrichtung die Temperatur und der Druck des Kältemittels verringert wird, wobei das Kältemittel nach der Drosseleinrichtung dem Kältemittelverdampfer zugeführt wird, wobei in einer Wärmeerzeugungsanlage ein Kühlmedium in einem Kühlungskreislauf strömt , wobei das Kühlmedium in der Wärmeerzeugungsanlage erwärmt wird, wobei das Kühlmedium derart dem Kältemittelverdampfer strömungstechnisch zugeführt wird, dass das Kältemittel erwärmt und das Kühlmedium abgekühlt wird .

Vorteilhafte Weiterbildungen werden in den Unteransprüchen angegeben .

Mit der Erfindung wird somit vorgeschlagen, einen Kältemittelkreislauf , der auch als linkslaufender Joule-Kreisprozess bezeichnet werden kann, zu verwenden, der einerseits als Käl- tekreislauf für die Elektrolyse und andererseits als Hochtemperatur-Wärmepumpe für die Sauerstof f erwärmung und Dampferzeugung eingesetzt werden kann .

Das Grundwirkprinzip der Erfindung ist wie nachfolgend beschrieben . Nachdem ein Kältemittel die Wärme aus dem warmen Wasser, das den Elektrolyseur verlässt , aufgenommen hat , wird das Kältemittel verdampft , während das Wasser abgekühlt wird und dem Elektrolyseur wieder zugeführt wird . Anschließend wird es in dem Verdichter, der auch als Kältemittelkompressor bezeichnet werden kann, auf ein höheres Druck- und Temperaturniveau verdichtet . Die Wärme wird dann zunächst zum Aufhei zen des unter Druck stehenden Sauerstof fs genutzt , der als Nebenprodukt bei der Elektrolyse entsteht , während die gesamte latente Wärme zur Erzeugung von Niederdruckdampf im Kondensator, der auch als Kältemittel-Kondensator bezeichnet werden kann, verwendet wird . Der heiße und unter Druck stehende Sauerstof f kann dann in einer Expansionsturbine zur Stromerzeugung entspannt und anschließend an die Luft abgegeben oder transportiert und für verschiedene Zwecke ( z . B . Stahlerzeugung, Oxyfuel-Verbrennung oder Sauerstof f anreiche- rung des Meeres ) genutzt werden, wenn die Transportentfernung mit der entsprechenden Menge angemessen ist .

Der im Kältemittelkondensator entstandene Niederdruckdampf kann zum Betrieb eines Direct Air Capture Systems verwendet werden, das große Mengen an Niederdruckdampf benötigt , um das Kohlenstof fdioxid ( CO2 ) aus der Luft zu filtern . Bei dieser Konfiguration ist keine externe Wärme- und Kältezufuhr erforderlich, da das Direct Air Capture System genau auf die Größe der Elektrolyse und der Wärmepumpe ausgelegt werden kann .

Die Vorteile der erfindungsgemäßen Anlage und des erfindungsgemäßen Verfahrens sind :

- Nutzung eines Kältemittelkreislaufs zur Kühlung der Elektrolyse und gleichzeitiges Aufhei zen von Sauerstof f zur Stromerzeugung und zur Erzeugung von Dampf für Direct Air Capture . - Die Niederdruck-Dampferzeugung in einem abgelegenen Gebiet würde den Bedarf von Direct air Capture durch Nutzung der Wärme der Wärmepumpe decken .

- Es ist kein externes Pumpen von Frischwasser erforderlich .

- Zuverlässiges Kühlsystem für die Elektrolyse in abgelegenen und heißen Gebieten .

- Nutzung des Sauerstof fs , der als Nebenprodukt der Elektrolyse anfällt , zur Stromerzeugung .

- Erzeugung negativer Kohlenstof fdioxid ( CO2 ) -Emissionen durch Direct Air Capture .

- Die bereits saubere und klimaneutrale Produktion von grünem Wasserstof f wird noch sauberer, indem sie nicht nur einen grünen Kraftstof f , sondern auch negative Kohlenstof fdioxid (CO2 ) -Emissionen liefert .

Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise , wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Aus führungsbeispiele , die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden .

Gleiche Bauteile oder Bauteile mit gleicher Funktion sind dabei mit gleichen Bezugs zeichen gekennzeichnet .

Aus führungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen beschrieben . Diese sollen die Aus führungsbeispiele nicht maßstäblich darstellen, vielmehr ist die Zeichnung, die zur Erläuterung dienlich ist , in schematisierter und/oder leicht verzerrter Form ausgeführt . Im Hinblick auf Ergänzungen der in der Zeichnung unmittelbar erkennbaren Lehren wird auf den einschlägigen Stand der Technik verwiesen . Es zeigen :

Figur 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Kombianlage

Die Figur 1 zeigt eine erfindungsgemäße Kombianlage 1 . Die Kombianlage 1 umfasst einen Wärmepumpenkreislauf , der nachfolgend beschrieben wird .

Ein in Zusammenhang mit Wärmepumpen bekanntes Kältemittel wird in der Kombianlage 1 in einem Kreislauf ( in der Figur gegen den Uhrzeigersinn) zirkuliert . Der Kreislauf wird nun beginnend mit einem Kältemittelverdampfer 2 beschrieben . In den Kältemittelverdampfer 2 strömt das Kältemittel und wird dort verdampft . Die für diesen Vorgang benötigte thermische Quelle kommt aus einer Wärmeerzeugungsanlage 3 .

Die Wärmeerzeugungsanlage 3 ist ein Electroli zer, der dazu ausgebildet ist aus Wasser unter Hinzufügung von Energie Wasserstof f (H ₂ ) und Sauerstof f ( 0 ₂ ) zu erzeugen . Die hinzugefügte Energie kann auf erneuerbaren Energieerzeugungseinheiten, wie z . B . Solar, Wind oder Wasser basieren . Der entstandene Wasserstof f (H ₂ ) wird über eine Leitung 4 abgeführt . Das hinzugefügte Wasser wird symbolisch mit der Leitung 5 dargestellt . Die hinzugefügte Energie wird symbolisch mit Leitung 6 dargestellt . Der entstandene Sauerstof f ( 0 ₂ ) wird symbolisch mit Leitung 7 dargestellt .

Die Wärmeerzeugungsanlage 3 benötigt ein Kühlmedium, hier Wasser, das über eine Leitung 8 der Wärmeerzeugungsanlage 3 hinzugefügt wird . Somit wird abgekühltes Wasser der Wärmerzeugungsanlage 3 hinzugefügt , dort erwärmt und über eine weitere Leitung 9 dem Kältemittelverdampfer 2 zurückgeführt .

Im Kältemittelverdampfer 2 wird die thermische Energie des erwärmten Wassers aus der Leitung 9 dazu verwendet , das Kältemittel zu verdampfen . Dabei kühlt sich das Wasser ab und strömt wieder über die Leitung 8 zu der Wärmeerzeugungsanlage

3 . Der Kältemittelverdampfer 2 kann demnach auch als Kühlung für das Kühlmedium im Electroli zer 3 bezeichnet werden .

Der Kältemittelverdampfer 2 ist somit zum Verdampfen des Kältemittels ausgebildet . Nach dem Kältemittelverdampfer 2 strömt das Kältemittel über eine Leitung 10 zu einem Verdichter 11 . Der Verdichter 11 ist zum Verdichten des Kältemittels ausgebildet ist , wobei der Verdichter 11 strömungstechnisch mit dem Kältemittelverdampfer 2 über die Leitung 10 verbunden ist .

In dem Verdichter 11 wird die Temperatur und der Druck des Kältemittels erhöht . Das erwärmte Kältemittel strömt über eine Leitung 12 durch einen Vorkühler 13 . Durch den Vorkühler 13 strömt ebenfalls der in der Wärmeerzeugungsanlage 3 erzeugte Sauerstof f ( O2 ) durch die Leitung 7 . Die thermische Energie des Kältemittels wird hierbei im Vorkühler 13 auf den Sauerstof f ( O2 ) übertragen, wodurch sich die Temperatur des Sauerstof fs ( O2 ) erhöht . Die erhöhte thermische Energie des Sauerstof fs ( O2 ) wird anschließend in einem Expander 14 in mechanische Energie umgewandelt , wobei anschließend die mechanische Energie mittels eines Generators 15 in elektrische Energie umgewandelt werden kann .

Das Kältemittel wird nach der Durchströmung durch den Vorkühler 13 einem Kältemittelkondensator 16 zugeführt . Im Kältemittelkondensator 16 kondensiert das Kältemittel . Das für die Kondensation benötigte Kondensat kommt aus einer Leitung 17 . Die Leitung 17 ist mit einer Kohlenstof fdioxidanlage 18 strömungstechnisch verbunden, wobei die Kohlenstof fdioxidanlage 18 zur Gewinnung von Kohlenstof fdioxid ( CO2 ) 21 direkt aus der Umgebungsluft 19 ausgebildet ist , wobei der im Kältemittelkondensator 16 erzeugbare Dampf 20 strömungstechnisch mit der Kohlenstof fdioxidanlage 18 verbunden ist .

Die Kombianlage 1 umfasst ferner eine Drosseleinrichtung 22 , die zum Verringern der Temperatur und des Druckes des Käl- temittels ausgebildet ist , wobei die Drosseleinrichtung mit dem Kältemittelkondensator 16 verbunden ist , wobei der Kältemittelverdampfer 2 strömungstechnisch mit der Drosseleinrichtung 22 verbunden ist . Die Drosseleinrichtung 22 kann ein Joule-Thomson-Ventil ( J-T-Ventil ) oder eine Expansionsturbine sein .

Der Wärmepumpenkreislauf ( symbolisch durch den Rahmen 23 dargestellt ) wird durch die Rückführung des Kältemittels in den Kältemittelverdampfer 2 wieder geschlossen .