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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Heizkraftwerk mit einem
Ofen zur energetischen Nutzung von landwirtschaftlich erzeugten
Rohstoffen, einem Dampferzeuger zur Erzeugung von Frischdampf und
einer Dampfturbine zur Umwandlung eines Teils der im Frischdampf
enthaltenen Energie in eine andere Energieart sowie auf ein Verfahren
zur energetischen Nutzung von landwirtschaftlich erzeugten Rohstoffen
durch deren Verbrennung in einem Heizkraftwerk unter Erzeugung von
Frischdampf und dem anschließenden Entziehen eines Teils
der im Frischdampf enthaltenen Energie mittels einer Turbine.
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Aus
der Schrift
DE 32 11
249 A1 ist es bekannt, landwirtschaftlich oder forstwirtschaftlich
erzeugte Rohstoffe wie beispielsweise Stroh oder Holzhackschnitzel
in einem Ofen zur Erzeugung von Energie zu verbrennen. Es ist jedoch
wünschenswert, die dabei erzeugte Energie möglichst
effizient und vollständig zu nutzen.
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Aus
der Schrift
DE 103
46 099 A1 ist es bekannt, die gesamte Biomasse aus Ölpflanzen,
wie beispielsweise Raps, Sonnenblumen, Soja und dergleichen, und
Zuckerpflanzen wie Zuckerrüben, Zuckerrohr und dergleichen,
zur Stromerzeugung zu nutzen. Mit der „gesamten Biomasse"
ist dabei sowohl das Stroh beziehungsweise die Stengel als auch
das Korn sowie die Rübenschnitzel und die ausgepressten
Zu ckerrohrstengel gemeint. Die Biomasse, insbesondere auch das Stroh,
wird in einem Ofen verbrannt, um Dampf und aus dem Dampf mittels
einer Turbine elektrische Energie zu erzeugen. Es wird vorgeschlagen,
die Abwärme für den Eigenbedarf oder sonstige
Weiterverarbeitungsanlagen für Agrarprodukte zu nutzen.
Die bei der Verbrennung anfallende Asche wird als Düngemittel
an die Landwirte zurückgegeben. Als nachteilig hat sich
bei diesem Verfahren erwiesen, dass zunächst die landwirtschaftlich
erzeugten Rohstoffe getrennt geerntet und später wieder
miteinander zu einem Trockenbrennstoff vermischt werden, um als
Brennstoff zu dienen. Hierdurch werden die pflanzlichen Energiepotentiale nicht
vollständig ausgeschöpft. Es fehlen konkrete Vorschläge
für eine effiziente Nutzung der anfallenden Niederdruckdämpfe
sowie der Abwärme. Schließlich können
bei der Verbrennung von Getreide Rauchgasemissionen mit Inhaltsstoffen
anfallen, die wegen des höheren Stickstoffanteils im Korn
höhere Stickoxidanteile aufweisen und deshalb umweltbelastender
sind als die Abgase aus einer reinen Strohverbrennung
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Aus
der Schrift
DE 198
43 002 A1 ist es bekannt, bei der Verbrennung von örtlich
anfallenden Brennmaterialien in einem ersten Kreislauf durch Erzeugung
von Dampf und dem Einsatz einer Turbine elektrischen Strom zu erzeugen
und die Abwärme in einem zweiten Kreislauf zur Beheizung
von Häusern zu nutzen. Auch hier werden die phytologischen
Potentiale nicht voll genutzt.
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Nachfolgend
ist aus Vereinfachungsgründen nur von landwirtschaftlich
erzeugten Rohstoffen die Rede, wobei damit auch forstwirtschaftlich
erzeugte Rohstoffe gemeint sind.
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Die
vorgenannten Energieerzeugungsanlagen und Verfahren haben das Ziel
gemeinsam, Energie aus der Verbrennung von landwirtschaftlich erzeugten
Rohstoffen zu nutzen. Allerdings zeigen sich bei jedem vorbenannten
Vorschlag Defizite, durch die es nicht gelingt, das volle pflanzliche
Potential für eine effiziente Energieerzeugung zu nutzen.
Der Wirkungsgrad der aus dem Stand der Technik bekannten Anlagen
ist insgesamt nicht zufrieden stellend. Den bekannten Anlagen gelingt
allenfalls eine hälftige Nutzung der bei der Verbrennung
anfallenden Energie.
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Demgemäß ist
es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Heizkraftwerk und
ein Verfahren zur energetischen Nutzung von landwirtschaftlich erzeugten
Rohstoffen zu schaffen, bei dem die pflanzlichen Potentiale der
eingesetzten pflanzlichen Rohstoffe besser genutzt werden und ein
höherer Wirkungsgrad der bei der Verbrennung erzielten
Wärme erreicht wird.
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Die
Aufgabe wird für ein gattungsgemäßes Heizkraftwerk
gelöst, indem der Dampfturbine eine verfahrenstechnische
Anwendung nachgeschaltet ist, in der ein Teil der im Prozessdampf
enthaltenen Energie verbraucht wird, und für den Restdampf
eine Bioethanolanlage zur Erzeugung von Bioethanol nachgeschaltet
ist, für deren energetische Prozesse ein Teil der im Restdampf
enthaltenen Energie nutzbar ist. Die Aufgabe wird für ein
gattungsgemäßes Verfahren gelöst, indem
die in dem aus der Turbine ausströmenden Prozessdampf enthaltene
Energie teilweise in einer nachgeschalteten verfahrenstechnischen
Anwendung genutzt und die in dem Restdampf aus der verfahrenstechnischen
Anwendung enthaltene Energie teilweise in einer nachgeschalteten
Bioethanolanlage zur Herstellung von Bioethanol verwendet wird.
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Durch
die gestufte Nutzung der anfallenden Wärmeenergie können
die Energiepotentiale der eingesetzten Pflanzen optimal genutzt
werden. Der Frischdampf kann beispielsweise bei einer Strohverbrennung
in einer geeigneten Anlage Temperaturen von über 500°C
und Druckwerte von über 80 bar erreichen. Hochdruckdampf
kann dazu genutzt werden, elektrische Energie zu erzeugen, oder
er wird dazu genutzt, energieintensive Produktionsprozesse mit Energie
zu versorgen. Für die Strohverbrennung eignen sich grundsätzlich
alle Stroharten aus dem Getreidebau, wie beispielsweise Roggen,
Weizen, Triticale, Gerste und dergleichen.
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Durch
die Energieentnahme aus dem Frischdampf verringert sich der Dampfdruck
und die Temperatur des Dampfes, aufgrund der noch im Dampf enthaltenen
Restenergie verfügt der Prozessdampf aber auch bei einem
Restdruck von unter 10 bar und mit Temperaturen von um 200°C
aufgrund der noch vollständig enthaltenen Kondensationswärme über ein
hohes Wärmepotential. Für die Gesamtenergieeffizienz
ist es vorteilhaft, diesen Prozessdampf in wärmetechnischen
Anwendungen zu nutzen. Für eine vollständige Nutzung
der in den eingesetzten Pflanzen enthaltenen Energie bietet sich
die Kopplung mit einer nachgeschalteten verfahrenstechnischen Anwendung
an, für die eine erhebliche Menge an Wärmeenergie
benötigt wird und in der ein Teil der im Prozessdampf enthaltenen
Energie verbraucht werden kann. Nach einem Ausführungsbeispiel
kommt als eine verfahrenstechnische Anwendung die Nutzung als Prozesswärme
in einer Stärkefabrik in Betracht. Es ist aber auch möglich,
den Prozessdampf als Energiequelle in chemischen Anlagen oder in
anderen Produktionsanlagen mit hohem Wärmebedarf zu nutzen.
Durch die verfahrenstechnische Nutzung des Prozessdampfes reduziert
sich die Dampftemperatur im Restdampf auf 100–110°C.
Auch dieses Temperaturniveau ist noch so hoch, dass es weiter genutzt
werden kann.
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Erfindungsgemäß wird
der Restdampf als Wärmequelle in einer Bioethanolanlage
genutzt. In der Bioethanolanlage können die Getreidekörner, weiterverarbeitet
werden, die als Nebenfraktion des für die Strohverbrennung
angebauten Strohs bei der Ernte anfallen, aber auch Mais oder Kartoffeln.
Für die Aufarbeitung pflanzlicher Ausgangsstoffe wie beispielsweise
das bei der Stroherzeugung anfallende Getreide zu einem Bioethanol
sind erhebliche Energiemengen erforderlich. Um 1 Liter Ethanol aus
landwirtschaftlich erzeugten Ausgangsstoffen wie Getreide zu produzieren,
ist ein Energieäquivalent von 0,2 Litern Heizöl
erforderlich. Durch die Verarbeitung des Getreides zu Bioethanol
kann der im Heizkraftwerk anfallende Restdampf vollständig
ohne Verluste durch Fernwärmenetze und unabhängig
vom aktuellen realen Bedarf privater oder gewerblicher Abnehmer,
der bei anderen Konzepten niedriger ausfallen kann als die anfallende
Restdampfmenge, verwertet werden. Das erzeugte Bioethanol kann verlustfrei
gelagert und transportiert werden. Die aus dem landwirtschaftlichen
Anbau stammenden Getreidemengen werden ganzheitlich energetisch
genutzt, wobei die Aufteilung der Wärmenutzung des Frischdampfes in
einer Turbine zur Stromerzeugung, des Prozessdampfes in einer verfahrenstechnischen
Anwendung und des Restdampfes in einer Bioethanolerzeugung einen
sehr hohen Wirkungsgrad für die Ausnutzung der durch die
Strohverbrennung erzeugten Wärme ermöglicht. Der
Wirkungsgrad der beschriebenen Prozesskette liegt zwischen 70 und
80%.
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Neben
der Nutzung des im Heizkraftwerk erzeugten Dampfes verbleibt noch
eine Niedertemperaturwärme von unter 100°C sowie
die Abwärme aus dem Heizkraftwerk und den nachgeschalteten
Anlagen, die von Kraftwerksanlagen üblicher Art nicht mehr
wirtschaftlich nutzbar ist. In einer Anlage, in der landwirtschaftlich
erzeugte Rohstoffe genutzt werden, ist jedoch noch eine sinnvolle
Nutzung dieser Restenergie gemäß einer bevorzugten
Ausgestaltung der Erfindung möglich. So kann die Restwärme dazu
genutzt werden, die Maische in der Bioethanolanlage zur Destillation
aufzuheizen oder die Temperatur in einem Behälter zur Biogaserzeugung
auf einem höheren Niveau zu halten, insbesondere einem solchen,
bei dem die Gasbildungsprozesse optimal verlaufen. Ein solches Temperaturniveau
liegt bei etwa 35°C. Durch die Nutzung der Restwärme
kann auf den Einsatz anderer Energieträger verzichtet werden,
und die Effizienz der Biogaserzeugung verbessert sich.
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Bei
der Biogaserzeugung können neben pflanzlichen Primärrohstoffen,
wie beispielsweise Maispflanzen, auch geeignete biologische Reststoffe verwertet
werden, wie insbesondere die Schlempe aus der Bioethanolerzeugung.
Die Schlempe weist einen hohen Anteil organischer Stoffe auf. Daher
ist sie sehr gut für die Biogaserzeugung geeignet. Durch die
Verwertung der Schlempe zur Biogaserzeugung entfällt die
sonst notwendige Entsorgungslogistik. Die Schlempe aus der Bioethanolerzeugung
stellt zudem einen inhaltlich weitgehend homogenen und kontinuierlich
anfallenden Rohstoff dar, der in einer Biogasanlage für
eine gute Gasausbeute und einen sicheren Betrieb der Anlage sorgt.
Durch die Aufarbeitung der Schlempe zu Biogas wird die Energieeffizienz
der gesamten Anlage und die Ausnutzung des theoretisch nutzbaren
pflanzlichen Potentials insgesamt nochmals gesteigert. Die Schlempe
kann aber auch durch Verfütterung an Tiere sinnvoll verwertet werden.
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Das
nach einer bevorzugten Ausgestaltung in der Biogasanlage erzeugte
Biogas kann dazu benutzt werden, in einem Blockheizkraftwerk elektrischen
Strom zu erzeugen. Die dabei anfallende Abwärme kann wiederum
für die Biogaserzeugung, für die Vorwärmung
der Maische in der Bioethanolanlage oder als Prozesswärme
in nachgelagerten Nutzungen verwertet werden. Es ist jedoch auch
möglich, das Biogas in das Heizkraftwerk einzuleiten, um dort
die Brennprozesse zu unterstützen.
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Eine
sinnvolle Verwendung der Restwärme und der Abwärme
kann darin liegen, das Speisewasser für den Dampferzeuger
vorzuheizen, beispielsweise auf eine Temperatur von 60°C.
Die Restwärme und die Abwärme kann jedoch auch
für die Reststoffaufbereitung genutzt werden. An Reststoffen
fallen die Gärreste aus der Biogasanlage und die Asche aus
dem Heizkraftwerk an. Da die Gärreste nur noch einen geringen
Anteil an Trockensubstanz mit hohem Wasseranteil aufweisen, müssen
diese aufkonzentriert werden, um sinnvoll als Dünger abtransportiert und
auf den landwirtschaftlich genutzten Flächen verwertet
zu werden. Die Rest- und Abwärme kann als Prozesswärme
beim Aufkonzentrieren verwertet werden. Auch die Asche ist als Dünger
verwertbar.
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Durch
das erfindungsgemäße Heizkraftwerk mit den angeschlossenen
Anlagen und das erfindungsgemäße Verfahren wird
ein geschlossener Stoffkreislauf realisiert, bei dem landwirtschaftlich
erzeugtes Getreide vollständig mit hohem Wirkungsgrad zur
Energieerzeugung genutzt und die dabei anfallenden Reststoffe wieder
in den Stoffkreislauf zurück gegeben werden. Die Umweltbelastung
und insbesondere die aus dem Betrieb des Heizkraftwerks stammenden
Abgase werden möglichst niedrig gehalten, unnötige
Stickoxidemissionen werden vermieden. An zusätzlichen Einsatzstoffen
ist im Prinzip nur noch Wasser für den Dampfkreislauf und
Hefe für die Bioethanolanlage erforderlich. Das anfallende Abwasser
kann geklärt und/oder wieder aufbereitet werden.
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Nach
einer Ausgestaltung der Erfindung wird das erfindungsgemäße
Heizkraftwerk und das Verfahren dazu benutzt, Energie für
den Betrieb einer Stärkefabrik bereit zu stellen. In einer
Stärkefabrik werden landwirtschaftlich erzeugte Produkte
wie beispielsweise Kartoffeln und Erbsen unter einem erheblichen
Energieeinsatz zu Stärke verarbeitet. Es bietet sich an,
den Prozessdampf, der die Turbine verlässt, für
die Stärkeproduktion zu nutzen. Zudem kann die mit der
Dampfturbine erzeugte elektri sche Energie in der Stärkeproduktion
genutzt werden. Die Ab- und Restwärme aus dem Heizkraftwerk
und dem Blockheizkraftwerk kann dazu genutzt werden, Reaktions-
und Oxidationsbehälter für Zwischenprodukte der
Stärkeproduktion auf einer gewünschten Betriebstemperatur
von beispielsweise 60°C zu halten oder um Kälte
herzustellen, die zur Abkühlung von Prozesswässern
oder als Kühlwasser im Heizkraftwerk verwendbar ist.
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Weitere
Abwandlungen, Ergänzungen und bevorzugte Ausgestaltungen
der Erfindung lassen sich der nachfolgenden gegenständlichen
Beschreibung, der Zeichnung und den Merkmalen der Unteransprüche
entnehmen.
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Die
Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels
näher erläutert werden.
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In
der beigefügten Zeichnung ist ein Heizkraftwerk 2 zu
sehen, in dem landwirtschaftlich erzeugte Rohstoffe verfeuert werden
können. In dem Heizkraftwerk befindet sich ein Dampferzeuger,
in dem die durch die Verbrennung freigesetzte Energie genutzt wird,
Speisewasser in Frischdampf umzuwandeln. An das Heizkraftwerk 2 ist
eine zeichnerisch nicht näher dargestellte Dampfturbine
angeschlossen. In der Dampfturbine wird die im Dampf enthaltene
Energie zunächst durch die Rotation der Turbine in mechanische
und durch den daran angeschlossenen Dynamo in elektrische Energie
umgewandelt. Durch den Entzug von einem Teil der Energie aus dem
Frischdampf verringert sich der verfügbare Dampfdruck und
die Temperatur des Dampfes. Trotz dem Energieentzug hat der Dampf
immer noch eine Temperatur von über 100°C und
einen Druck von mehr als 1 bar, beispielsweise 2 bis 5 bar. Der Turbine
entweicht nach einer Entnahme der im Frischdampf enthaltenen Energie
ein energetisch noch weiter nutzbarer Prozessdampf.
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Der
Prozessdampf ist gut in verfahrenstechnischen Anwendungen nutzbar.
Nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung kann der Prozessdampf dazu
genutzt werden, eine Stärkefabrik 14 mit Energie,
insbesondere auch Prozessdampf, zu versorgen. In einer Stärkefabrik 14 wird
die in Pflanzen, insbesondere Kartoffeln oder Getreide, vorkommende Stärke
aus dem Zellverbund der Pflanzen herausgelöst. Über
die Hälfte der Herstellungskosten von Stärke entfallen
auf die Kosten für aufgewendete Energie. Da eine Stärkefabrik 14 auf
die Zulieferung von pflanzlichen Rohstoffen angewiesen ist, sind
derartige Anlagen häufig in ländlichen Gegenden
mit größerer landwirtschaftlich genutzter Fläche
um den Fabrikstandort herum angesiedelt. Für laufende Energiezulieferungen
sind derartige Standorte nicht immer optimal und bedeuten lange
Zulieferwege, die zu Leitungs- und Transportverlusten führen
können. Durch Zulieferungen an die Stärkefabrik 14 sind
die Landwirte aus der Umgebung darauf eingestellt, ihren landwirtschaftlichen
Anbau an die Bedürfnisse der Stärkefabrik 14 anzupassen.
Der zusätzliche Anbau von landwirtschaftlich erzeugten
Rohstoffen für die energetische Nutzung eröffnet
den Landwirten die Möglichkeit, zusätzliche Pflanzenarten
in die Fruchtfolgeplanung auf ihren landwirtschaftlich genutzten Flächen
einzuplanen. Durch den verwendungsnahen Anbau der energetisch genutzten
Rohstoffe bleiben die Liefer- und Entsorgungswege von Rohstoffen
und Reststoffen kurz. Wegen der vollständigen energetischen
Verwendung der eingesetzten Rohstoffe können für
deren Erzeugung Stilllegungsflächen genutzt werden, die
sonst nicht landwirtschaftlich genutzt werden könnten.
Wegen des Stoffkreislaufes können die beteiligten Landwirte
darauf vertrauen, die Reststoffe auf ihren Flächen als
Dünger verteilen zu können, ohne eine Kontamination
ihrer Flächen durch Verunreinigungen unbekannter Herkunft
befürchten zu müssen.
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Durch
die geschlossenen Stoffkreisläufe und eine standortnahe
Entsorgung bleiben die Entsorgungskosten der Stärkefabrik 14 niedrig.
Die Kombination des erfindungsgemäßen Heizkraftwerks
mit einer Stärkefabrik 14 bietet auch aus Sicht
einer Optimierung des Wasserverbrauchs Vorteile. In der Stärkefabrik 14 werden
große Wassermengen benötigt, um die Stärke
aus den Pflanzenbestandteilen auszuwaschen. Teile des in der Stärkefabrik 14 gebrauchten
Wassers können in aufbereiteter Form im Dampfkreislauf,
in der Bioethanolanlage 4 oder in der Biogasanlage 6 verwendet
werden, bevor es nochmals wieder in den Kreislauf eingespeist oder
als Abwasser entsorgt wird.
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Um
die im Restdampf aus der verfahrenstechnischen Anwendung noch enthaltene
Energie weiter zu nutzen, wird ein Teil der im Restdampf noch enthaltenen
Energie in eine Bioethanolanlage 4 zur Erzeugung von Bioethanol übertragen.
Dort wird der Dampf dazu genutzt, aus der Maische per Destillation das
erzeugte Bioethanol abzuscheiden. So können beispielsweise
aus 7,6 t Getreide unter Zugabe von 26 m3 Wasser
und einem Heizöläquivalent von 480 l in Gestalt
von Energie aus Dampf pro Stunde 2,8 m3 Ethanol
erzeugt werden, wobei zusätzlich 22,4 t Schlempe und ein
Abwasserrest zusätzlich anfallen.
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In
einem weiteren Verfahrensschritt kann die Absolutierung des Bioethanols
durchgeführt werden, um den Wasseranteil weiter zu verringern
und das gewonnene Bioethanol als Treibstoff verwenden zu können.
Die Absolutierung kann jedoch auch extern erfolgen.
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Die
in der Bioethanolanlage 4 erzeugte Schlempe kann in eine
Biogasanlage 6 eingeleitet werden. Dort wandeln Mikroorganismen
in einem Fermenter die in der Schlempe enthaltenen organischen Substanzen
im Rahmen von anaeroben Gär- und Fäulnisprozessen
in Biogas um, das je nach Ausgangsmaterial vor allem brennbares
Methangas enthält. Das gewonnene Biogas kann dazu genutzt werden,
in einem Blockheizkraftwerk 8 einen Verbrennungsmotor zu
betreiben, der mittels eines von ihm angetriebenen Generators Strom
erzeugt. Die im Abgas und im Kühlwasser des Verbrennungsmotors enthaltene
Wärme kann ebenfalls energetisch genutzt werden.
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In
der Biogasanlage 6 entstehen Gärreste und im Heizkraftwerk 2 entsteht
Asche, die jeweils einer Reststoffaufbereitung in einer Vorrichtung 10 bedürfen.
Dazu wird der Wasseranteil in den Gärresten vermindert,
so dass die Nährstoffe wie beispielsweise Phosphat, Stickstoff
und Kali dadurch in einem höheren Anteil angereichert sind
und mit einem verminderten Transportaufwand als Dünger
wieder auf einem landwirtschaftlichen Feld 12 ausgebracht
werden können. Auch in der Asche sind nur Stoffe enthalten,
die zuvor von den Pflanzen während ihres Wachstums vom Feld 12 aufgenommen
wurden, so dass auch die Asche wieder auf das Feld 12 zurück verbracht
werden kann. Das Abwasser kann, soweit erforderlich, in einer Kläranlage
regeneriert werden.
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Das
erfindungsgemäße Heizkraftwerk 2 verfügt über
einen Stoffkreislauf, bei dem die zur Energiegewinnung eingesetzten
landwirtschaftlichen Rohstoffe, insbesondere Getreide, vom Feld 12 geerntet,
in dem erfindungsgemäß ausgestalteten Heizkraftwerk 2 mit
den zusätzlichen Anlagen 4 bis 10 energetisch
verwertet und anschließend die Reststoffe aus der energetischen
Nutzung wieder auf das Feld 12 zurück verbracht
werden.
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Nach
einem Ausführungsbeispiel wird die im Frischdampf enthaltene
Energie etwa hälftig zur Erzeugung von elektrischer Energie
und zur anderen Hälfte als Wärme genutzt. Von
dem als Wärme genutzten Teil der im Frischdampf enthaltenen
Energie wird ein Teil als Hochdruckdampf mit einem Druck von über
10 bar, ein Teil als Niederdruckdampf mit einem Druck von unter
10 bar und ein letzter Teil als Restwärme oder Abwärme
genutzt.
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Anstelle
einer Stärkefabrik 14 können auch andere
Produktionsanlagen vom erfindungsgemäß gestalteten
Kraftwerk und gemäß dem erfindungsgemäßen
Verfahren mit Energie versorgt werden. Das vorstehend beschriebene
Ausführungsbeispiel dient nur der beispielhaften Erläuterung
der Erfindung; das Ausführungsbeispiel kann von einem Fachmann
auf eine ihm als geeignet erscheinende Weise auf einen bestimmten
Anwendungsfall hin abgewandelt und angepasst werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 3211249
A1 [0002]
- - DE 10346099 A1 [0003]
- - DE 19843002 A1 [0004]