[0001] 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.
[0002] Hochtemperaturwärme für industrielle Prozesse, wie zum Beispiel der Zementherstellung,
wird heute überwiegend durch CO
2-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.
[0003] 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.
[0004] 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.
[0005] 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 Mikrowellengeneratoreinheit, die Mikrowellen
zur Erhitzung der Absorberelemente erzeugt und eine oder mehrere Gaseintrittsöffnungen
sowie eine oder mehrere Gasaustrittsöffnungen umfasst.
[0006] 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 Mikrowellenstrahlung verwendeten kostengünstigen und umweltfreundlichen
Strom aus Windkraftanlagen, Photovoltaikanlagen oder anderen regenerativen Quellen.
[0007] Somit kann beispielsweise Strom genutzt und dessen Energieinhalt als Wärmeenergie
gespeichert werden, der in Zeiten von Stromüberschuss im Stromnetz vorhanden ist.
[0008] 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.
[0009] 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.
[0010] Unter "Mikrowellen" wird gewöhnlich der Bereich des elektromagnetischen Spektrums
mit Frequenzen von 100 MHz bis 1000 GHz, vorzugsweise 300 MHz bis 500 GHz, weiter
bevorzugt 1 GHz bis 300 GHz verstanden. "Mikrowellen" im Sinne der vorliegenden Erfindung
umfassen Mikrowellenstrahlung und elektromagnetische Felder mit Wellenlängen im Mikrowellenbereich.
[0011] In einer Ausführungsform der Erfindung ist die Mikrowellengeneratoreinheit außerhalb
des Gehäuses angeordnet und die darin erzeugte Mikrowellenstrahlung wird mittels Mikrowellendurchtrittselementen
in den Innenraum geführt.
[0012] Die Mikrowellengeneratoreinheit kann beispielsweise ein oder mehrere Magnetron(e)
umfassen oder von diesen gebildet werden.
[0013] Vorzugsweise umfassen die Mikrowellendurchtrittselemente Mikrowellenleiter oder sind
vollständig als solche ausgebildet.
[0014] Die Vorrichtung weist weiterhin vorzugsweise eine oder mehrere gegebenenfalls bewegliche
Ablenkeinheit(en) zur Lenkung der in den Innenraum geführten Mikrowellenstrahlung
auf.
[0015] Durch die Ablenkeinheit(en) kann die 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.
[0016] In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Mikrowellengeneratoreinheit
als Hohlraumresonator ausgebildet ist, wobei Deckel und Boden des Hohlraumresonators
von Plattenkondensatoren gebildet werden, die sich an gegenüberliegenden Seiten des
Innenraums befinden.
[0017] 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 Mikrowellen verschiedene Bereiche des mit Absorberelementen
bestückten Innenraums erreichen kann.
[0018] Dies kann beispielsweise durch eine Bewegung des gebildeten Hohlraumresonators erfolgen,
oder es können Absorberelemente an einem gebildeten, räumlich fixierten Hohlraumresonator
vorbeigeführt werden.
[0019] Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst ein oder mehrere Absorberelemente.
[0020] Die Absorption von Mikrowellen in einem Material und die Umwandlung von deren Energie
in Wärme ist durch den Verlustfaktor δ gemäß folgender Beziehung gekennzeichnet:

[0021] Das in der vorliegenden Erfindung für das oder die Absorberelemente eingesetzte Absorbermaterial
weist vorzugsweise einen Wert für ε" > 0,01, weiter bevorzugt ε" > 0,05, und noch
weiter bevorzugt ε" > 0,1 auf.
[0022] Da der Wert für ε" temperaturabhängig ist, werden die angegebenen Werte für ε" bevorzugt
in einem Temperaturbereich von 700 bis 900 °C erreicht.
[0023] Das für das oder die Absorberelemente verwendete Absorbermaterial hat vorzugsweise
eine Wärmekapazität von 500-2000 J/kgK.
[0024] Das für das oder die Absorberelemente eingesetzte keramische Material ist nichtoxidierbar,
und ist oder umfasst vorzugsweise eine Oxidkeramik.
[0025] Beispielsweise umfasst oder besteht das Keramikmaterial aus Al
2O
3, MgO, ZrO
2, Silikaten oder Mischungen/Mischoxiden davon.
[0026] 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.
[0027] 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 Al
2O
3 und MgO bestehen.
[0028] Diese Ausführungsform bietet den Vorteil, dass verschiedene Keramikmaterialien verschiedene
Verlustfaktoren in Abhängigkeit der Temperatur aufweisen, so dass die Absorption von
Mikrowellenstrahlung und die Umwandlung derselben in Wärme für verschiedene Temperaturbereiche
optimiert werden kann.
[0029] Das oder die Absorberelemente umfassen oder sind vorzugsweise entweder ortsfest im
Innenraum angeordnete Elemente oder lose geschüttete Elemente.
[0030] 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.
[0031] Die Absorberelemente können auch eine lose Schüttung von teilchenförmigen Elementen
mit regelmäßiger (beispielsweise runder) oder unregelmäßiger Form und Größe sein.
[0032] 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.
[0033] 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.
[0034] 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.
[0035] 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.
[0036] Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Erzeugung und Speicherung
von Wärme, optionalen 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 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.
[0037] Vorzugsweise wird in dem erfindungsgemäßen Verfahren eine erfindungsgemäße Vorrichtung
in einer der beschriebenen Ausführungsformen benutzt.
[0038] 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.
[0039] Vorzugsweise werden im erfindungsgemäßen Verfahren das oder die Absorberelemente
auf eine Temperatur von 900°C bis 2400 °C, weiter bevorzugt von 1300 °C bis 2400 °C
aufgeheizt.
[0040] Die Temperatur des Gases vor dem Wärmeaustausch mit dem oder den Absorberelementen
beträgt vorzugsweise 0 °C bis 1500 °C, weiter bevorzugt 10 °C bis 200 °C. Beispielsweise
kann das Gas vor dem Wärmeaustausch Raumtemperatur bzw. Umgebungstemperatur aufweisen,
z.B. 0 °C bis 40 °C.
[0041] Die Temperatur des vor dem Wärmeaustausch mit dem oder den Absorberelementen kälteren
Gases beträgt nach dem Wärmeaustausch mit dem oder den Absorberelementen vorzugsweise
900 °C bis 2400 °C, weiter bevorzugt 1200 °C bis 1900 °C.
[0042] Der Druck des Gases vor dem Wärmeaustausch mit dem oder den Absorberelementen beträgt
vorzugsweise annähernd Umgebungsdruck, z.B. 1 bis 2 bar.
[0043] Die Strömungsgeschwindigkeit des Gases durch den Innenraum beträgt vorzugsweise 5
bis 30 m/s.
[0044] Vorzugsweise wurde der Strom zur Erzeugung der Mikrowellenstrahlung durch regenerative
Energieerzeugung gewonnen.
[0045] 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.
[0046] In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird das erhitzte Gas zur Erwärmung
eines externen Wärmespeichers, wie z.B. eines Winderhitzers, verwendet.
[0047] In der vorliegenden Erfindung kann das zu erhitzende Gas zeitgleich mit der Beaufschlagung
der Absorberelemente mit 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.
[0048] 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 Mikrowellengenerators
zur Mikrowellenerzeugung,
Fig. 2: eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des Verfahrens
unter Nutzung eines beweglichen Plattenkondensators zur Mikrowellenerzeugung.
[0049] In Fig. 1 ist eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung (1) und
des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt, bei der die Mikrowellengeneratoreinheit
(nicht in der Figur gezeigt), beispielsweise ein Magnetron, außerhalb des Gehäuses
(4), das beispielsweise aus Metall besteht, angeordnet ist. Die von der Mikrowellengeneratoreinheit
erzeugten 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 Al
2O
3, MgO oder einer Mischung von Al
2O
3 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.
[0050] Es ist weiterhin ein bewegliches Mikrowellenablenkelement (9) im Innenraum (3) vorhanden,
das die aus den Mikrowellenleitern (8) in den Innenraum (3) vordringende Mikrowellenstrahlung
(ab)lenken kann. Somit kann Mikrowellenstrahlung gezielt auf bestimmte Absorberelemente
(2) beziehungsweise Teilbereiche des Innenraums (3) gelenkt werden.
[0051] Zum Aufheizen der Absorberelemente (2) wird die von der Mikrowellengeneratoreinheit
erzeugte 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.
[0052] 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.
[0053] 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.
[0054] 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).
[0055] 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.
[0056] 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 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.
[0057] Der so gebildete Hohlraumresonator ist entlang der Längsachse des Innenraums verschiebbar,
wodurch Mikrowellen in unterschiedlichen Bereichen des Innenraums (3) eingekoppelt
werden können. Somit können jeweils im Bereich des erzeugten Mikrowellenfeldes befindliche
Absorberelemente (2) aufgeheizt werden.
[0058] 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.
1. Vorrichtung zur Erzeugung und Speicherung von Wärme und Abgabe derselben an ein Gas,
dadurch gekennzeichnet, dass sie ein oder mehrere Absorberelemente (2), die keramisches Material umfassen oder
daraus gebildet sind und die im Innenraum (3) eines Gehäuses (4) so angeordnet sind,
dass sie von einem Gas durchströmt werden können, eine Mikrowellengeneratoreinheit
(5), die Mikrowellen zur Erhitzung der Absorberelemente (2) erzeugt und eine oder
mehrere Gaseintrittsöffnungen (6) sowie eine oder mehrere Gasaustrittsöffnungen (7)
umfasst.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Mikrowellengeneratoreinheit (5) außerhalb des
Gehäuses (4) angeordnet ist und die darin erzeugte Mikrowellenstrahlung mittels Mikrowellendurchtrittselementen
(8) in den Innenraum (3) geführt wird.
3. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung eine oder
mehrere gegebenenfalls bewegliche Ablenkeinheiten (9) zur Lenkung der in den Innenraum
geführten Mikrowellenstrahlung umfasst.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Mikrowellengeneratoreinheit (5) als Hohlraumresonator
ausgebildet ist, wobei Deckel und Boden des Hohlraumresonators von Plattenkondensatoren
(13, 13') gebildet werden, die sich an gegenüberliegenden Seiten des Innenraums (3)
befinden.
5. Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Plattenkondensatoren (13, 13') relativ zu dem
oder den Absorberelementen (2) bewegt werden können.
6. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das keramische Material eine
Oxidkeramik umfasst.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei das oder die Absorberelemente (2) zumindest zwei
verschiedene keramische Materialien umfassen.
8. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das oder die Absorberelemente
(2) ortsfest im Innenraum (3) angeordnete Elemente oder lose geschüttete Elemente
umfasst.
9. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, die einen externen Wärmespeicher
umfasst.
10. Verfahren zur Erzeugung von Wärme, optionalen Speicherung dieser Wärme, und Abgabe
derselben an ein Gas, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere Absorberelemente (2), die keramisches Material umfassen oder daraus
gebildet sind und die im Innenraum (3) eines Gehäuses (4) angeordnet sind, mittels
Mikrowellen erhitzt werden und ein Gas an dem oder den erhitzten Absorberelementen
(2) so vorbeigeführt wird, dass es sich durch Wärmetausch mit dem oder den Absorberelementen
(2) erwärmt.
11. Verfahren nach Anspruch 10, in dem eine Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis
9 verwendet wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11, wobei das oder die Absorberelemente
(2) auf eine Temperatur von 900 bis 2400 °C aufgeheizt werden.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei die Temperatur des Gases nach
dem Wärmeaustausch mit dem oder den Absorberelementen (2) 900 °C bis 2400 °C beträgt.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei der Strom zur Erzeugung der Mikrowellen
ganz oder teilweise durch regenerative Energieerzeugung gewonnen wurde.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, wobei das erhitzte Gas zur Erwärmung
eines externen Wärmespeichers verwendet wird.