Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erzeugung und Speicherung von Wärme, insbesondere von Wärme mit hoher Temperatur, und Abgabe dieser Wärme an ein Gas.

Hochtemperaturwärme für industrielle Prozesse, wie zum Beispiel der Zementherstellung, wird heute überwiegend durch CO2-emittierende Verbrennungsprozesse bereit gestellt. Ebenfalls Anwendung zur Erzeugung von Hochtemperaturwärme finden Prozesse, bei denen diese Wärme mittels elektrischem Strom erzeugt wird, wie zum Beispiel bei der Verwendung von Graphitelektroden in Stahlwerken. Graphitelektroden werden durch Oxidation verbraucht und stellen bei der Stahlherstellung einen wesentlichen Kostenfaktor dar.

Ein Problem vieler dieser bekannten Prozesse zur Hochtemperaturwärmeerzeugung ist, dass die Wärme nicht (zwischen-)gespeichert werden kann, so dass, wo solche Wärme benötigt wird, sie unmittelbar durch Verbrennung von beispielsweise fossilen Brennstoffen oder mittels einer dauerhaft verfügbaren Stromquelle erzeugt werden muss.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine kostengünstige und langlebige Hochtemperaturwärmequelle zur Verfügung zu stellen, die die erwähnten Nachteile des Stands der Technik nicht aufweist.

Die Erfindung stellt daher eine Vorrichtung zur Erzeugung und Speicherung von Wärme und Abgabe derselben an ein Gas zur Verfügung, die dadurch gekennzeichnet ist, dass sie ein oder mehrere Absorberelemente, die keramisches Material umfassen oder daraus gebildet sind und die im Innenraum eines Gehäuses so angeordnet sind, dass sie von einem Gas durchströmt werden können, eine Radio/Mikrowellen- generatoreinheit, die Radio/Mikrowellen zur Erhitzung der Absorberelemente erzeugt und eine oder mehrere Gaseintrittsöffnungen sowie eine oder mehrere Gasaustrittsöffnungen umfasst, wobei die das oder die Absorberelemente der Vorrichtung so eingerichtet sind, dass sie auf eine Temperatur von mindestens 200 °C, vorzugsweise mindestens 300 °C aufgeheizt werden können.

Die Absorberelemente der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind so angeordnet, dass sie im Innenraum der Vorrichtung durchströmt werden können, d.h. das Gas strömt auf dem Weg von den Gaseintrittsöffnungen zu den Gasaustrittsöffnungen an den Absorberelementen vorbei bzw. umströmt diese, so dass ein Wärmeaustausch der Absorberelemente und dem Gas erfolgen kann.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren bieten den großen Vorteil, dass der Zeitpunkt der Wärmeerzeugung durch die Aufheizung der Absorberelemente von dem Zeitpunkt, an dem diese Wärme in einem beispielsweise industriellen chemischen Verfahren zur Verfügung gestellt werden muss, entkoppelt ist. Dies ermöglicht beispielsweise die Erzeugung und Speicherung von Hochtemperaturwärme in den Absorberelementen mittels zur Erzeugung der Radio/Mikrowellen verwendeten kostengünstigen und umweltfreundlichen Strom aus Windkraftanlagen, Photovoltaikanlagen oder anderen regenerativen Quellen.

Somit kann beispielsweise Strom genutzt und dessen Energieinhalt als Wärmeenergie gespeichert werden, der in Zeiten von Strom Überschuss im Stromnetz vorhanden ist.

Die in den Absorberelementen der erfindungsgemäßen Vorrichtung gespeicherte Wärme kann später z.B. an industrielle Prozesse mit einem hohen Wärmebedarf insbesondere bei hohen Temperaturen (z.B. in einer Gießerei, einem Stahlwerk, einer Zementfabrik oder einer Chemieanlage) abgegeben werden. Ebenso kann die gespeicherte Wärme zur Stromerzeugung und auch Kraft-Wärmekopplung mit einer Wärmekraftmaschine (z.B. einer Dampfturbine mit Dampfauskopplung für Prozesswärme) genutzt werden. Die Erfindung kann ebenso zur Erhitzung von anderen Medien (z.B. Luft, Stahlschrott, Zementrohmehl) dienen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. das Verfahren kann auch als Ergänzung in einen solarthermischen Kraftwerk eingesetzt werden, in dem der Speicher durch das Spiegelfeld aufgeheizt wird. In Wintermonaten mit viel Wind aber wenig Sonne ist z.B. eine elektrische Zusatzheizung von Vorteil.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung unterscheidet sich von vorbekannten Vorrichtungen und Verfahren zur Erzeugung von Wasserdampf/zur Befeuchtung von Gasströmen unter Verwendung von Mikrowellen dadurch, dass die Absorberelemente in der erfindungsgemäßen Vorrichtung so beschaffen sind, dass sie auf viel höhere Temperaturen von mindestens 200 °C aufgeheizt werden können.

Weiterhin unterscheidet sich die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren von den erwähnten vorbekannten VorrichtungenA/erfahren dadurch, dass die durch die Radio/Mikrowellen erzeugte Wärme gespeichert werden kann bzw. gespeichert wird.

Unter “Radio/Mikrowellen“ wird gewöhnlich und im Sinne der vorliegenden Erfindung der Bereich des elektromagnetischen Spektrums mit Frequenzen von 10 kHz bis 1000 GHz verstanden. Vorzugsweise weisen die Radio/Mikrowellen in der vorliegenden Erfindung Frequenzen von 30 kHz bis 500 GHz, weiter bevorzugt 100 kHz bis 300 GHz auf. So können beispielsweise Mikrowellen Frequenzen von 100 MHz bis 1000 GHz, vorzugsweise 300 MHz bis 500 GHz, weiter bevorzugt 1 GHz bis 300 GHz aufweisen.

„Radio/Mikrowellen“ im Sinne der vorliegenden Erfindung umfassen Radio/Mikrowellenstrahlung und elektromagnetische Felder mit Wellenlängen im Radio/Mikrowellenbereich.

Dementsprechend ist unter der „Radio/Mikrowellengeneratoreinheit“ eine Einheit zur Erzeugung von elektromagnetischen Wellen und/oder Feldern im Radio/Mikrowellen- Frequenzbereich zu verstehen.

In einer Ausführungsform der Erfindung ist die Radio/Mikrowellengeneratoreinheit außerhalb des Gehäuses angeordnet und die darin erzeugte Radio/Mikrowellenstrahlung wird mittels Radio/Mikrowellendurchtrittselementen in den Innenraum geführt.

Die Mikrowellengeneratoreinheit kann beispielsweise ein oder mehrere Magnetron(e) umfassen oder von diesen gebildet werden.

Vorzugsweise kann die außerhalb des Gehäuses angeordnete Radio/Mikro- wellengeneratoreinheit relativ zu dem/den Absorberelementen (2) bewegt werden. Damit kann die Position der Radio/Mikrowellenstrahlung relativ zu den Absorberelementen verändert werden, was beispielsweise eine homogenere und effizientere Aufheizung derselben ermöglicht.

Vorzugsweise umfassen die Radio/Mikrowellendurchtrittselemente Radio/Mikro- wellenleiter oder sind vollständig als solche ausgebildet.

Die Vorrichtung weist weiterhin vorzugsweise eine oder mehrere gegebenenfalls bewegliche Ablenkeinheit(en) zur Lenkung der in den Innenraum geführten Radio/Mikrowellenstrahlung auf.

Durch die Ablenkeinheit(en) kann die Radio/Mikrowellenstrahlung gezielt auf bestimmte Bereiche des Innenraums bzw. auf bestimmte Absorberelemente gerichtet werden und somit kann eine Homogenisierung der Erwärmung bzw. der Temperatur der im Innenraum vorhandenen Absorberelemente erreicht und/oder Hotspots durch Interferenz vermieden oder zumindest verringert werden.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Radio/Mikrowellen- generatoreinheit als Hohlraumresonator ausgebildet ist, wobei Deckel und Boden des Hohlraumresonators von Plattenkondensatoren gebildet werden, die sich an gegenüberliegenden Seiten des Innenraums befinden.

Vorzugsweise können die als Plattenkondensatoren ausgebildeten Deckel und Boden relativ zu dem oder den Absorberelementen bewegt werden, so dass die durch den durch die Plattenkondensatoren gebildeten Hohlraumresonator erzeugten Radio/Mikrowellenfelder verschiedene Bereiche des mit Absorberelementen bestückten Innenraums erreichen kann. Damit kann die Position der Radio/Mikrowellen relativ zu den Absorberelementen verändert werden, was beispielsweise eine homogenere und effizientere Aufheizung derselben ermöglicht.

Dies kann beispielsweise durch eine Bewegung des gebildeten Hohlraumresonators erfolgen, oder es können Absorberelemente an einem gebildeten, räumlich fixierten Hohlraumresonator vorbeigeführt werden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst ein oder mehrere Absorberelemente. Diese können porös oder nicht-porös (dicht) ausgeführt sein.

Die Absorption von Radio/Mikrowellen in einem Material und die Umwandlung von deren Energie in Wärme ist durch den Verlustfaktor 6 gemäß folgender Beziehung gekennzeichnet: tanö = s“/s'

Das in der vorliegenden Erfindung für das oder die Absorberelemente eingesetzte Absorbermaterial weist vorzugsweise einen Wert für s“ > 0,01 , weiter bevorzugt s“ > 0,05, und noch weiter bevorzugt s“ > 0,1 auf.

Da der Wert für s“ temperaturabhängig ist, werden die angegebenen Werte für s“ bevorzugt in einem Temperaturbereich von 700 bis 900 °C erreicht.

Das für das oder die Absorberelemente verwendete Absorbermaterial hat vorzugsweise eine Wärmekapazität von 500-2000 J/kgK.

Das für das oder die Absorberelemente eingesetzte keramische Material ist nichtoxidierbar, und ist oder umfasst vorzugsweise eine Oxidkeramik.

Beispielsweise umfasst oder besteht das Keramikmaterial aus AI2O3, MgO, ZrÜ2, Silikaten oder Mischungen/Mischoxiden davon.

Das für die Absorberelemente verwendete Absorbermaterial kann vorzugsweise auf Temperaturen bis zu 2400 °C reversibel aufgeheizt bzw. abgekühlt werden, ohne dass eine chemische Veränderung des Materials wie z. B. Oxidation auftritt. Weiter vorzugsweise umfassen oder bestehen das oder die Absorberelemente zumindest aus zwei verschiedenen, z.B. keramischen, Materialien in einer der beschriebenen Ausführungsformen. In dieser Ausführungsform können das oder die Absorberelemente beispielweise aus AI2O3 und MgO bestehen.

Diese Ausführungsform bietet den Vorteil, dass verschiedene Keramikmatenalien verschiedene Verlustfaktoren in Abhängigkeit der Temperatur aufweisen, so dass die Absorption von Radio/Mikrowellen und die Umwandlung derselben in Wärme für verschiedene Temperaturbereiche optimiert werden kann.

Das oder die Absorberelemente umfassen oder sind vorzugsweise entweder ortsfest im Innenraum angeordnete Elemente oder lose geschüttete Elemente.

Ortsfest im Innenraum angeordnete Absorberelemente können beispielweise Stabform aufweisen und voneinander gleichmäßig beabstandet im Innenraum angeordnet sein. Das/die Absorberelemente kann/können auch durch ein extrudiertes Profil, z.B. in Wabenform, gebildet werden.

Die Absorberelemente können auch eine lose Schüttung von teilchenförmigen Elementen mit regelmäßiger (beispielsweise runder) oder unregelmäßiger Form und Größe sein.

Der durchschnittliche mittlere Partikeldurchmesser, beispielsweise wiedergegeben als Gewichtsmittel der durch die größte Extension der Partikel in einer Dimension bestimmten Größe der Partikel, kann dabei beispielsweise von 1 mm bis 10 cm betragen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst weiterhin bevorzugt eine Isolierung zwischen dem Innenraum und dem sie umgebenden Gehäuse, um Verluste der in den Absorberelementen erzeugten/gespeicherten Hochtemperaturwärme möglichst zu minimieren. Diese Isolierung kann beispielsweise ein poröses Material mit geringer Absorption, wie z.B. Quarzkeramik, umfassen oder davon gebildet werden.

Im Bereich zwischen der Isolierung und dem Gehäuse der Vorrichtung kann ein Kanal zur Durchführung von kaltem Gas zur Kühlung der Isolierungsschicht vorhanden sein. Dieses Gas kann beispielsweise dasselbe Gas sein, wie es auch zur Erwärmung durch die Absorberelemente verwendet wird, und es kann auch dieselbe Temperatur wie dieses vor dem Wärmeaustausch aufweisen, also beispielsweise Raum- oder Umgebungstemperatur.

In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das erhitzte Gas zur Erwärmung eines externen Speichers verwendet wird. Dies kann beispielsweise ein Festbettspeicher wie z.B. ein Winderhitzer sein. Daher umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung in einer Ausführungsform einen externen Wärmespeicher.

In der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind üblicher- und vorteilhafterweise keine Vorrichtungen zur Zuführung von Wasser zu den Absorberelementen (2) vorhanden.

Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Erzeugung und Speicherung von Wärme und Speicherung dieser Wärme, und Abgabe derselben an ein Gas, das dadurch gekennzeichnet ist, dass ein oder mehrere Absorberelemente, die keramisches Material umfassen oder daraus gebildet sind und die im Innenraum eines Gehäuses angeordnet sind, mittels Radio/Mikrowellen erhitzt werden und ein Gas an dem oder den erhitzten Absorberelementen so vorbeigeführt wird, dass es sich durch Wärmetausch mit dem oder den Absorberelementen erwärmt.

Vorzugsweise wird in dem erfindungsgemäßen Verfahren eine erfindungsgemäße Vorrichtung in einer der beschriebenen Ausführungsformen benutzt.

Das Gas kann ein Sauerstoff-enthaltendes Gas, wie beispielsweise Luft sein. Das Gas kann auch ein Prozessgas, beispielsweise ein Sauerstoff-enthaltendes Prozessgas, eines industriellen chemischen Prozesses umfassen oder sein.

Vorzugsweise weisen die im erfindungsgemäßen Verfahren verwendeten Radio/Mikrowellen Frequenzen im Bereich von 10 kHz bis 1000 GHz auf, vorzugsweise im Bereich von 30 kHz bis 500 GHz, weiter bevorzugt 100 kHz bis 300 GHz auf. So können beispielsweise Mikrowellen Frequenzen von 100 MHz bis 1000 GHz, vorzugsweise 300 MHz bis 500 GHz, weiter bevorzugt 1 GHz bis 300 GHz aufweisen.

Vorzugsweise werden im erfindungsgemäßen Verfahren das oder die Absorberelemente zur Speicherung der Wärme auf eine Temperatur von mindestens 200 °C, vorzugsweise von mindestens 300 °C, weiter bevorzugt von mindestens 500 °C, weiter bevorzugt von 900 bis 2400 °C, und noch weiter bevorzugt von 1300 °C bis 2400 °C aufgeheizt.

Die Temperatur des Gases vor dem Wärmeaustausch mit dem oder den Absorberelementen beträgt vorzugsweise 0 °C bis 1500 °C, weiter bevorzugt 5 °C bis 200 °C, und noch weiter bevorzugt 10 bis 100°C. Beispielsweise kann das Gas vor dem Wärmeaustausch Raumtemperatur bzw. Umgebungstemperatur aufweisen, z.B. 0 °C bis 40 °C.

Die Temperatur des vor dem Wärmeaustausch mit dem oder den Absorberelementen kälteren Gases beträgt zur Abgabe der Wärme nach dem Wärmeaustausch mit dem oder den Absorberelementen vorzugsweise mindestens 200 °C, weiter bevorzugt mindestens 300 °C, weiter bevorzugt mindestens 500°C, weiter bevorzugt 900 °C bis 2400 °C, und noch weiter bevorzugt 1200 °C bis 1900 °C.

Der Druck des Gases vor dem Wärmeaustausch mit dem oder den Absorberelementen beträgt vorzugsweise annähernd Umgebungsdruck, z.B. 1 bis 2 bar.

Die Strömungsgeschwindigkeit des Gases durch den Innenraum beträgt vorzugsweise 5 bis 30 m/s.

Vorzugsweise erfolgt im erfindungsgemäßen Verfahren kein Stoffeintrag in das an den Absorberelementen vorbeigeführte Gas, wie beispielsweise Wasser. Somit ist die chemische Zusammensetzung des in die Vorrichtung einströmenden Gases und des aus der Vorrichtung strömenden Gases vorher wie nachher dieselbe.

Der Wärmetausch zwischen den Absorberelementen und dem an den Absorberelemente vorbeigeführten Gas erfolgt vorzugsweise direkt.

Vorzugsweise wurde der Strom zur Erzeugung der Radio/Mikrowellen durch regenerative Energieerzeugung gewonnen.

In einer Ausführungsform des Verfahrens kann ein kaltes Gas zur äußeren Kühlung einer zwischen dem Innenraum und dem Gehäuse vorhandenen Isolierungsschicht genutzt werden. Dieses Gas kann beispielsweise dasselbe Gas sein, wie es auch zur Erwärmung durch das oder die Absorberelemente verwendet wird, und es kann auch dieselbe Temperatur wie dieses vor dem Wärmeaustausch aufweisen, also beispielsweise Raum- oder Umgebungstemperatur. Umgebungsgas mit niederer Temperatur zur Kühlung der Isolierung eingesetzt.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird das erhitzte Gas zur Erwärmung eines externen Wärmespeichers, wie z.B. eines Winderhitzers, verwendet.

In der vorliegenden Erfindung kann das zu erhitzende Gas zeitgleich mit der Beaufschlagung der Absorberelemente mit Radio/Mikrowellen durch den Innenraum der Vorrichtung geführt werden, es kann dies aber auch erst nach Aufheizung der Absorberelemente auf eine gewünschte Temperatur erfolgen, oder die Hochtemperaturwärme wird zunächst mittels der Absorberelemente gespeichert, und das zu erhitzende Gas wird erst (lange) nach dem Aufheizen der Absorberelemente zum Erhitzen durch die Vorrichtung geführt.

Somit erfolgt die Erzeugung von Wärme und/oder die Speicherung dieser Wärme im erfindungsgemäßen Verfahren zumindest zeitweise zeitlich versetzt von der Abgabe derselben an ein Gas und/oder unterscheidet sich die erzeugte und/oder gespeicherte Wärme sich von der an das Gas abgegebenen Wärme vorzugsweise zumindest zeitweise im Betrag.

Die vorliegende Erfindung wird mittels der folgenden Beispiele weiter illustriert, unter Bezugnahme auf die Figuren, welche zeigen:

Fig. 1 : eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des Verfahrens unter Nutzung eines außerhalb der gezeigten Vorrichtung angeordneten Radio/Mikrowellengenerators zur Radio/Mikrowellenerzeugung,

Fig. 2: eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des Verfahrens unter Nutzung eines beweglichen Plattenkondensators zur Radio/Mikrowellenerzeugung.

In Fig. 1 ist eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung (1 ) und des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt, bei der die Radio/Mikrowellengeneratoreinheit (nicht in der Figur gezeigt), beispielsweise ein Magnetron, außerhalb des Gehäuses (4), das beispielsweise aus Metall besteht, angeordnet ist. Die von der Radio/Mikrowellengeneratoreinheit erzeugten Radio/Mikrowellen werden über Wellenleiter (8) in den Innenraum (3) eingekoppelt, in dem sich auch die Absorberelemente (2) befinden. Diese können in der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform aus AI2O3, MgO oder einer Mischung von AI2O3 und MgO bestehen und sind stabförmig ausgebildet. Sie sind mittels Halterungen (nicht gezeigt) so mit dem Gehäuse verbunden, dass sie mit ihrer langen Achse parallel zueinander sowie gleich beanstandet voneinander angeordnet sind.

Es ist weiterhin ein bewegliches Radio/Mikrowellenablenkelement (9) im Innenraum (3) vorhanden, das die aus den Radio/Mikrowellenleitern (8) in den Innenraum (3) vordringende Radio/Mikrowellenstrahlung (ab)lenken kann. Somit kann Radio/Mikrowellenstrahlung gezielt auf bestimmte Absorberelemente (2) beziehungsweise Teilbereiche des Innenraums (3) gelenkt werden.

Zum Aufheizen der Absorberelemente (2) wird die von der Radio/Mikrowellengeneratoreinheit erzeugte Radio/Mikrowellenstrahlung in den Innenraum (3) eingekoppelt und von den Absorberelementen (2) absorbiert, so dass deren Temperatur ansteigt. Beispielsweise kann können die Absorberelemente (2) auf Temperaturen im Bereich von 900-2000 °C aufgeheizt werden.

Zur Abgabe der in den Absorberelementen (2) erzeugten bzw. gespeicherten Wärme wird ein Gas wie beispielsweise Luft durch eine Gaseinlassöffnung (6, 6‘) der Vorrichtung (1 ) zum und durch den Innenraum (3) geführt wo es mit den Absorberelementen (2) direkt in Berührung kommt, so dass ein Wärmetausch stattfindet. Das erwärmte Gas wird dann durch eine Gasaustrittsöffnung (7) wieder aus dem Innenraum (3) bzw. der Vorrichtung (1 ) herausgeführt.

Weiterhin ist in der in der Fig. 1 dargestellten Ausführungsform auch eine poröse Isolierung (11 ) des Innenraums (3), beispielsweise aus poröser Quarzkeramik, zwischen dem Innenraum (3) und dem Gehäuse (4) vorhanden, um die Wärmeabgabe nach außen möglichst gering zu halten.

Zwischen der porösen Isolierung (11 ) und dem Gehäuse (4) ist ein Gasdurchführungskanal vorhanden, durch welchen Gas wie beispielsweise Luft mit geringer Temperatur, beispielsweise Raum- oder Umgebungstemperatur, außen an der Isolierung (11 ) vorbeigeführt wird um diese zu kühlen und die Isolierung damit zu verbessern. Das an der Isolierung (11 ) außen vorbeigeführte Gas wird dann mit dem erhitzten Gas zusammen geführt und verlässt die Vorrichtung durch die Gasaustrittsöffnung (7).

Weiterhin wird kaltes Gas zur äußeren Kühlung der zwischen dem Innenraum (3) und dem Gehäuse vorhandenen Isolierungsschicht (11 ) genutzt, das über Gaseintrittsöffnungen (12, 12‘) eintritt, an der Isolationsschicht (11 ) vorbeigeführt wird und zur Gasaustrittsöffnung (7) wieder austritt.

In der in Fig. 2 gezeigten zweiten Ausführungsform der Vorrichtung und des Verfahrens der vorliegenden Erfindung wird zur Erzeugung der in den Innenraum (3) zur Erwärmung der Absorberelemente (2) eingekoppelten Radio/Mikrowellen ein Hohlraumresonator verwendet, dessen Boden und Deckel von an gegenüberliegenden Seiten des Innenraums vorhandenen Platten (13, 13‘) gebildet wird, die mit Hochfrequenzwechselstrom beaufschlagt werden.

Der so gebildete Hohlraumresonator ist entlang der Längsachse des Innenraums verschiebbar, wodurch Radio/Mikrowellen in unterschiedlichen Bereichen des Innenraums (3) eingekoppelt werden können. Somit können jeweils im Bereich des erzeugten Radio/Mikrowellenfeldes befindliche Absorberelemente (2) aufgeheizt werden.

Zu erhitzenden Gas wird durch eine Gaseintrittsöffnung (6) in den Innenraum (3) geführt, an den Absorberelementen (2) vorbeigeführt, wodurch es sich erwärmt, und tritt durch eine Gasaustrittsöffnung (7) wieder aus.