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WO2001055577A2 - Verfahren und vorrichtung zur strom- und wärmeerzeugung - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur strom- und wärmeerzeugung Download PDF

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WO2001055577A2
WO2001055577A2 PCT/EP2001/000762 EP0100762W WO0155577A2 WO 2001055577 A2 WO2001055577 A2 WO 2001055577A2 EP 0100762 W EP0100762 W EP 0100762W WO 0155577 A2 WO0155577 A2 WO 0155577A2
Authority
WO
WIPO (PCT)
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heat
heating
electrical energy
motor
electricity
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/EP2001/000762
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English (en)
French (fr)
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WO2001055577A3 (de
Inventor
Günter BAUKNECHT
Reich Joachim
Hermann W. Sommer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
BHKW BETREIBER GmbH
Original Assignee
BHKW BETREIBER GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by BHKW BETREIBER GmbH filed Critical BHKW BETREIBER GmbH
Priority to AU31691/01A priority Critical patent/AU3169101A/en
Publication of WO2001055577A2 publication Critical patent/WO2001055577A2/de
Publication of WO2001055577A3 publication Critical patent/WO2001055577A3/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J3/00—Circuit arrangements for AC mains or AC distribution networks
    • H02J3/28—Arrangements for balancing of the load in a network by storage of energy
    • H02J3/32—Arrangements for balancing of the load in a network by storage of energy using batteries with converting means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G5/00—Profiting from waste heat of combustion engines, not otherwise provided for
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E20/00—Combustion technologies with mitigation potential
    • Y02E20/14—Combined heat and power generation [CHP]
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the invention relates to a method for operating a system for the combined generation of electricity and heat with a motor, a generator driven by this and means for using the waste heat of the system for heating domestic water and for heating purposes, wherein at least part of the electrical energy generated in a battery storage cached, the DC voltage with the aid einös "" converter converted to a certain AC voltage and the waste heat stored in a heat storage medium and for heating domestic water and / or heating is used in a building. Furthermore, the invention relates to a device for performing such a method.
  • the combined generation of electricity and heat is mainly used in small to medium-sized power plants, whereby the focus is on electricity generation and the waste heat generated is used as district heating for heating and domestic water heating. It is assumed that there is always an excess of heat.
  • the solution is problematic not only for larger power plants because of the difficult heat transfer, but also for very small plants that work in the two to three-digit kilowatt range, since there is often a selective demand for heat or electricity in so-called island operation, so that when in doubt, heat or electricity is unnecessarily produced, with a corresponding deterioration in overall efficiency.
  • BESTATIGUNGSKOPIE to save the large storage tank, convert the DC voltage into a specific AC voltage with the help of a converter and store the waste heat in a heat storage tank and use it for heating and heating domestic water.
  • Another example of this type is described in DE 298 12 982 U1, while US Pat. No. 4,686,378 and DE 27 23 144 show systems without electrical battery storage.
  • Such a method offers the advantage that both the heat and the electrical energy can be buffered, so that, for example when there is an increased current, the heat which is inevitably required and vice versa when there is an increased heat requirement, electrical energy can be stored, so that at a later point in time The stored heat or the stored electricity can be accessed without restarting the system.
  • the resulting balance between electricity and heat enables the system to be operated in areas with low efficiency.
  • requirement profiles are conceivable which, when the motor is activated as a function of the instantaneous requirement, lead to an overall energy balance that is not optimized, namely when the demand situation changes very rapidly in the short term.
  • the object of the present invention is therefore to provide a method which enables a further improved overall efficiency in a combined system for generating electricity and heat.
  • the object is achieved by a method of the type described at the outset, in which the average requirement of the building in question for electricity and heat as a collective over a certain period of time, for example a day course, determined and the engine is operated accordingly in this recurring period, so that with the aid of the storage capacities of electricity and heat the total demand for electricity and heat is covered with minimal energy input.
  • the system can be operated with foresight, for example the demand for electricity and heat of a hotel is to be mentioned: where there is a very high demand for heat in the morning hours, while in the rest of the day the The focus is on the need for electrical energy.
  • Such events can be taken into account in the method according to the invention, 'while recording the current consumption situation u. U. to an overall less favorable
  • Another advantage of a method in which the generator generates only direct current, for example by connecting a rectifier, is that the motor and the generator can be operated at different speeds, which is current is not possible due to the constant frequency of the mains.
  • the motor is preferably operated in different load and speed states and, as a result, electrical energy is generated in a specific ratio to the heat energy generated in accordance with the requirement. So it can be advantageous to operate the system in a low-efficiency area when there is a low need for electrical energy and high heat requirements, while when there is a high demand for electrical energy, efforts will be made to approach the areas with the highest mechanical efficiency of the system.
  • Another preferred variant of the implementation of the method consists in operating the motor depending on the load requirement along a certain characteristic curve from load to speed. So with an overall lower demand for electricity and heat, not only the load, but at the same time the speed of the motor can be reduced, so that it can be operated in a range that is more efficient, so that as little waste heat is generated if it is not or can only be used to a limited extent.
  • Further refinements of the method can consist in the fact that the proportion of electrical energy generated by the generator in the total instantaneous electrical energy requirement is selected as a function of the monitored state of charge of the batteries, that if the electrical energy requirement is low, this is preferably covered by the memory and / or that it increases Energy requirement and / or the generator is switched on as the electrical storage progressively discharges.
  • the proportion of electrical energy generated by the generator in the total instantaneous electrical energy requirement is selected as a function of the monitored state of charge of the batteries, that if the electrical energy requirement is low, this is preferably covered by the memory and / or that it increases Energy requirement and / or the generator is switched on as the electrical storage progressively discharges.
  • excess electrical energy can be converted into heat.
  • the limits of the efficiency of the system are determined by the fact that the heat which is inevitably generated to cover the need for electrical energy can no longer be used.
  • the total energy balance of such a system can be in the range of a condensing heating system if the waste heat is used carefully.
  • a very good overall efficiency of the system can also be achieved with an engine that is rather unfavorable in terms of efficiency, while with a rather low heat requirement, an engine that is as efficient as possible in efficiency, e.g. B.
  • a supercharged diesel engine with direct injection should be used to generate electrical energy with the lowest possible waste heat.
  • a shift towards greater heat generation can then still be achieved by operating the engine in load states in which it has a poorer efficiency, or by the aforementioned possibility of converting electrical energy into heat.
  • the present invention also relates to a device for carrying out the method according to the invention described above.
  • a system is provided with a motor, a generator driven by the latter and a heat accumulator, which uses the waste heat generated for use. water heating and for heating purposes, whereby a direct current generator as a generator charges an electrical storage device which, via an inverter, outputs the alternating current brought to mains voltage and mains frequency into a mains and furthermore control electronics determine the operation of the motor in different load and speed figures according to one Demand collective for electricity and heat over a longer period of time and additionally in special cases depending on the current demand for heat and electricity and / or the state of charge of the storage enables ...
  • the demand collective stored in a storage can be determined during the installation of the system and a storage can be stored, but the need is preferred by a. suitable sensors are continuously determined in order to be able to react to changes in user behavior.
  • the control can intervene in the event of unforeseen events if the actual demand profile deviates to a greater extent from the previously determined average load spectrum, e.g. B. with very high current drain and impending complete discharge of the battery.
  • the device according to the invention can operate as a so-called island solution independently of the large power supply networks, although due to the lack of buffering of voltage peaks by the power network in the system, corresponding precautions must be taken, for example in the area of the inverter, the voltage peaks when the generator is switched on and off or when the generator is disconnected Remove load.
  • Such a system can also be operated in areas with low efficiency in terms of efficiency when the maximum demand for heat or electricity is offset over time.
  • a hot water supply with an integrated heat exchanger for heating heating water is preferably used as the heat store. This variant is simple and inexpensive, since a domestic water supply is required anyway and water also has very favorable properties for storing heat. It is also conceivable ⁇ to use heat stores with other media, for example with changing physical states, although the heat then still has to be transferred to the process water and the heating water.
  • Battery stores with centered grounding are preferably used as the electrical store in order to achieve the highest possible DC voltage and correspondingly lower currents.
  • FIG. 1 shows a block diagram of a system for the combined generation of heat
  • FIG. 2 shows a diagram of the operating characteristic of the motor of the system according to FIG. 1.
  • a system 10 for the combined generation of electricity and heat is shown as a block diagram.
  • a diesel engine 12 is provided as the primary converter and is supplied with fuel via a storage tank 14.
  • the advantage of a diesel engine 12 is its high mechanical efficiency, its good availability and the possibility of being able to operate it with the widespread light heating oil,
  • the use of other primary energy sources such as biodiesel or natural gas is also conceivable.
  • the diesel engine 12 which sucks in air via an intake duct 16, drives a generator 18, which is designed as a permanent magnet-excited, self-exciting synchronous generator, a bridge rectifier (not shown in more detail) being provided for generating direct current.
  • the diesel engine 12 is designed to be encapsulated, on the one hand to reduce the noise emission and on the other hand for one if possible. to ensure low heat emission to the outside.
  • the rectifier is arranged directly in the generator 18 and connected to a switching unit 20.
  • the switching unit 20 also has a recuperative three-phase inverter, which converts the 72 volt direct current into 55 volt alternating current with 150 amperes, with quartz-regulated voltage control, including exact replication of the local grid sine (EVU) with apex flattening, being provided.
  • the ripple control takes place every millisecond including automatic. achregelung.
  • a three-phase transformer in Z-connection also provided in the switching unit 20 transforms the 55 volt output voltage of the inverter to 230 volts and 400 Volt for single-phase or three-phase loads.
  • the Z circuit ensures an equivalent stability of the island network 23 even with respect to supply networks with a single-phase unbalanced load.
  • the system 10 is also suitable for covering the heat requirement existing in a building.
  • one or more heat exchangers are provided in the system 10, which serve to heat a service water supply 24, which has a service water inlet 26 and a service water outlet 28.
  • a heating heat exchanger 30 is provided, which is integrated in the circulation 32 of a heating system and ensures heating of the heating water.
  • An example of heat generation are a cooling water heat exchanger 34, which extracts the heat from the cooling water which is used to cool the diesel engine 12 and the generator 18 and which circulates in a cooling water circuit 35 and delivers it to the service water supply 24, and an exhaust gas heat exchanger 36 which provides the exhaust gas withdraws as much heat from the diesel engine as possible and also releases it to the service water supply 24.
  • Additional heat exchangers to improve the overall efficiency can be provided at points in the system 10 where additional waste heat is generated, for example in the area of the inverter and / or the transformer in the switching unit 20.
  • a ceramic exhaust gas condenser 38 possibly in combination with the exhaust gas heat exchanger 36, is used to cool and purify the exhaust gases to about 30-40 ° C., with condensed water triggering CO, CO 2 , NO X , SO x , oil and soot. -washed and the acidic condensate is then neutralized and cleaned over activated carbon and dolomite filter. The lukewarm, clean exhaust air is led outside via plastic exhaust pipes 40, so that no fireplace is necessary. Since the heat of condensation is also used, the system 10 runs as a condensing boiler.
  • the system With the help of the hot water supply 24 serving as a heat store and the electrochemical store 22, the system enables a better adaptation of the operation of the diesel engine 12 to different requirements. In the event of a currently increased heat requirement, electricity can be produced in reserve, which can later be removed without having to operate the diesel engine 12 again. This results in considerable savings potential.
  • the diesel engine 12 is operated depending on the load requirement along a normalized characteristic curve shown in FIG. 2, which represents a function of the load over the speed, i.e. with a decreasing load requirement, the speed of the diesel engine 12 is simultaneously reduced, which the
  • the aim of this measure is to always operate the diesel engine 12 in the range of the highest possible mechanical efficiency in order to generate electricity with the lowest possible waste heat.
  • the overall efficiency of the system 10 which is calculated from the ratio of heat and electrical energy generated in relation to the calorific value of the The primary energy source that is set is only reduced to a significant extent if, given a certain need for electrical energy, the waste heat that is inevitably no longer usable can be used sensibly and must be released to the environment, for example with the help of a heat exchanger, in order to overheat the system 10 to avoid.
  • the total heating and electricity requirement of a building as a function of the time of day is stored as a mean value in control electronics (not shown), these requirement profiles being taken into account when operating the diesel engine 12.
  • the regulation also influences the extent to which the current electrical demand is covered directly from the generated generator current or from the electrochemical memory 22, on the one hand to prevent deep discharge of the batteries and, on the other hand, under certain circumstances completely on the operation in the case of filled batteries and relatively small electrical requirements to be able to do without the diesel engine 12. For example, it is conceivable that To operate the diesel engine 12 only in the morning and evening hours to cover the then increased need for heat, and to cover the low electrical requirement exclusively from the batteries 22 during the day when the diesel engine 12 is switched off.
  • the system 10 can also be provided with remote monitoring, which includes a remote control option.
  • Electronic heat and electricity meters can be used for billing purposes, but also for the continuous determination of the demand profile for heat and electricity, in order to be able to adapt the operation of the diesel engine 12 to the changed requirements, if necessary.
  • An electronic fuel consumption measurement which must be carried out with a differential measurement chamber because of the diesel return, can also be provided, as can an electronic level control of the fuel tank, again with the option of remote monitoring, so that all maintenance and monitoring activities, e.g. B. on the Internet, through which service providers can take place and the user is largely relieved of maintenance tasks.

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Abstract

Das Verfahren dient zum Betreiben einer Anlage zur kombinierten Erzeugung von Strom und Wärme mit einem Motor (12), einem Generator (18) und Mitteln (24, 30, 34, 36) zur Nutzung der Abwärme. Um den theoretisch möglichen Gesamtwirkungsgrad der Anlage (10) besser ausnutzen zu können, wird wenigstens ein Teil der elektrischen Energie in einem Batteriespeicher (22) gespeichert und mit Hilfe eines Umformers, in eine geforderte Wechselspannung umgewandelt sowie die anfallende Wärme in einem Wärmespeicher (24) gespeichert. Um vorausschauend und damit wirkungsgradoptimiert arbeiten zu können, wird das Bedarfskollectiv an Wärme und Strom über einen entsprechenden Zeitraum ermittelt und der Motor unter Ausnutzung der Speicherkapazitäten vorausschauend betrieben.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Strom- und Wärmeerzeugung
Die Erfindung befaßt sich mit einem Verfahren zum Betreiben einer Anlage zur kombinierten Erzeugung von Strom und Wärme mit einem Motor, einem von diesem angetriebenen Generator und Mitteln zur Nutzung der Abwärme der Anlage zur Brauchwassererwärmung und zu Heizzwecken, wobei wenigstens ein Teil der erzeugten elektrischen Energie in einem Batteriespeicher zwischengespeichert, die Gleichspannung mit Hilfe einös""Umformers in eine bestimmte Wechselspannung umgewandelt und die anfallende Abwärme in einem Wärmespeicher gespeichert und zur Brauchwassererwärmung und/oder Beheizung in einem Gebäude herangezogen wird. Ferner betrifft die Erfindung eine Vor- richtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens.
Die kombinierte Erzeugung von Strom und Wärme wird vor allem bei kleinen bis mittleren Kraftwerken angewendet, wobei die Stromerzeugung im Vordergrund steht und die anfallende Abwär- me als Fernwärme zum Heizen und zur Brauchwassererwärmung genutzt wird. Dabei ist von einem stets vorhandenen Überschuß an Wärme auszugehen. Die Lösung ist nicht nur bei größeren Kraftwerken wegen des schwierigen Wärmetransports problematisch, sondern auch bei sehr kleinen Anlagen, die im zwei- bis dreistelligen Kilowattbereich arbeiten, da bei diesen im sog. Inselbetrieb ein oftmals punktueller Bedarf an Wärme bzw. Strom besteht, so daß im Zweifel unnötig Wärme oder Strom produziert wird, mit der entsprechenden Verschlechterung des Gesamtwirkungsgrades.
Aus der DE 41 02 636 C2 ist es bereits bekannt, wenigstens einen Teil der erzeugten elektrischen Energie in einem Batte-
BESTATIGUNGSKOPIE riespeicher zu speichern, die Gleichspannung mit Hilfe eines Umformers in eine bestimmte Wechselspannung umzuwandeln und die anfallende Abwärme in einem Wärmespeicher zu speichern und zur Brauchwassererwärmung und -Beheizung heranzuziehen. Ein weiteres Beispiel dieser Art ist in dem DE 298 12 982 Ul beschrieben, während die US 4,686,378 und die DE 27 23 144 Anlagen ohne elektrischen Batteriespeicher zeigen.
Ein solches Verfahren bietet den Vorteil, daß sowohl die Wär- me als auch die elektrische Energie gepuffert werden können, so daß beispielsweise bei erhöhtem Stro bedarf die zwangsläufig anfallende Wärme und umgekehrt bei erhöhtem Wärmebedarf elektrische Energie gespeichert werden kann, so daß zu einem späteren Zeitpunkt ohne erneutes Hochfahren der Anlage auf die gespeicherte Wärme bzw. den gespeicherten Strom zurückgegriffen werden kann. Der hierdurch ermöglichte Ausgleich zwischen Strom und Wärme erlaubt ein Betreiben der Anlage in wirkungsgradgünstigen Bereichen. Allerdings sind Anforderungsprofile denkbar, die bei einer Ansteuerung des Motors in Abhängigkeit von dem Momentanbedarf zu einer insgesamt nicht optimierten Energiebilanz führen, nämlich dann, wenn sich kurzfristig die Bedarfssituation sehr stark verändert.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht folglich dar- in, ein Verfahren zu schaffen, das bei einer kombinierten Anlage zur Erzeugung von Strom und Wärme einen weiter verbesserten Gesamtwirkungsgrad ermöglicht.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren der ein- gangs beschriebenen Art gelöst, bei welchem der mittlere Bedarf des betreffenden Gebäues an Strom und Wärme als Kollektiv über einen bestimmten Zeitraum, beispielsweise einen Ta- gesverlauf, ermittelt und der Motor in diesem wiederkehrenden Zeitraum entsprechend betrieben wird, so daß unter Zuhilfenahme der Speicherkapazitäten von Strom und Wärme der Gesamtbedarf an Strom und Wärme mit minimalen Energieeinsatz ge- deckt wird.
Mit Hilfe der Erfassung des Gesamtbedarfes an Strom und Wärme läßt sich die Anlage vorausschauend betreiben, wobei als Beispiel der Bedarf an Strom und Wärme eines Hotels zu nennen ist:, wo in den Morgenstunden ein sehr hoher Bedarf an Wärme besteht, während im übrigen Tagesablauf der Bedarf an elektrischer Energie im Vordergrund steht. Derartige Ereignisse können bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vorhersehend berücksichtigt werden,' während eine Erfassung der momentanen Verbrauchssituation u. U. zu einer insgesamt ungünstigeren
Energiebilanz führt, da eventuell eine momentan zwar günstig erscheinende Betriebssituation eingestellt wird, im. achhinein gesehen jedoch beispielsweise zuviel Wärme erzeugt worden ist, für die später kein Bedarf besteht. Selbstverständlich können auch verschiedene Bedarfskollektive erfaßt und zur Steuerung der Anlage herangezogen werden, um z . B. unterschiedliche Bedürfnisse an verschiedenen Wochentagen und insbesondere auch zu verschiedenen Jahreszeiten berücksichtigen zu können. Die permanente Überwachung erlaubt auch eine Kor- rektur der gespeicherten Bedarfswerte, wenn sich ein anfangs festgelegter Bedarf in der Praxis als unzutreffend erweist.
Ein weiterer Vorteil eines Verfahrens, bei welchem der Generator ausschließlich Gleichstrom erzeugt, beispielsweise durch Nachschalten eines Gleichrichters, besteht darin, daß der Motor und der Generator mit unterschiedlichen Drehzahlen betrieben werden können, was bei der Erzeugung von Wechsel- ström aufgrund der konstant zu haltenden Netzfrequenz nicht möglich ist. Vorzugsweise wird der Motor in unterschiedlichen Last- und Drehzahlzuständen betrieben und dadurch entsprechend dem Bedarf elektrische Energie in einem bestimmten Ver- hältnis zur anfallenden Wärmeenergie erzeugt. So kann es durchaus vorteilhaft sein, bei geringem Bedarf an elektrischer Energie und hohem Wärmebedarf die Anlage in einem wirkungsgradungünstigen Bereich zu betreiben, während man bei großem Bedarf an elektrischer Energie bestrebt sein wird, die Bereiche des höchsten mechanischen Wirkungsgrades der Anlage anzufahren.
Eine weitere bevorzugte Variante der Durchführung des Verfahrens besteht darin, den Motor je nach Lastanforderung entlang einer bestimmten Kennlinie von Last zu Drehzahl zu betreiben. So kann bei einem insgesamt niedrigeren Bedarf an Strom und Wärme nicht nur die Last, sondern gleichzeitig auch die Drehzahl des Motors reduziert werden, wodurch dieser in einem vom Wirkungsgrad günstiger liegenden Bereich betrieben werden kann, so daß möglichst wenig Abwärme entsteht, wenn diese nicht oder nur begrenzt verwendet werden kann.
Weitere Ausgestaltungen des Verfahrens können darin bestehen, daß der Anteil vom Generator erzeugter elektrischer Energie an dem gesamten momentanen elektrischen Energiebedarf in Abhängigkeit vom überwachten Ladezustand der Batterien gewählt wird, daß bei geringem elektrischem Energiebedarf dieser bevorzugt aus dem Speicher gedeckt wird und/oder daß bei zunehmendem Energiebedarf und/oder bei fortschreitender Entladung des elektrischen Speichers der Generator zugeschaltet wird. Außerdem kann im Bedarfsfall mit Hilfe einer elektrischen Heizpatrone überschüssige elektrische Energie in Wärme umgewandelt werden.
Die Grenzen des Wirkungsgrades der Anlage werden bei Anwen- düng des erfindungsgemäßen Verfahrens, dadurch bestimmt, daß ' die zur Deckung des Bedarfes an elektrischer Energie zwangsläufig anfallende Wärme nicht mehr genutzt werden kann. Umgekehrt ist durch die Umwandlung von elektrischer Energie in Wärmeenergie oder eventuell eine Abgabe überschüssiger elek- trischer Energie an ein Versorgernetz keine wesentliche Einschränkung des Wirkungsgrades zu befürchten, da die Gesamtenergiebilanz einer derartigen Anlage bei sorgfältiger Ausnutzung der Abwärme durchaus im Bereich einer Brennwertheizanlage liegen kann. Besteht folglich ein grundsätzlich sehr hoher Bedarf an Wärme, kann ein sehr guter Gesamtwirkungsgrad der Anlage auch mit einem im Wirkungsgrad eher ungünstigen Motor erreicht werden, während bei einem eher geringen Wärmebedarf ein im Wirkungsgrad möglichst optimierter Motor, wie z. B. ein aufgeladener Dieselmotor mit Direkteinstritzung, Verwendung finden sollte, um elektrische Energie mit möglichst geringer Abwärme erzeugen zu können. Eine Verlagerung hin zur stärkeren Wärmeerzeugung läßt sich dann immer noch durch Betreiben des Motors in Lastzuständen erreichen, in welchen er einen schlechteren Wirkungsgrad aufweist, oder durch die zuvor genannte Möglichkeit der Umwandlung elektrischer Energie in Wärme.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch eine Vorrichtung zur Durchführung des zuvor beschriebenen erfindungsge ä- ßen Verfahrens. Erfindungsgemäß ist eine Anlage mit einem Motor, einem von diesem angetriebenen Generator und einem Wärmespeicher vorgesehen, der die anfallende Abwärme zur Brauch- wassererwärmung und für Heizzwecke speichert, wobei ein Gleichstromgenerator als Generator einen elektrischen Speicher auflädt, der über einen Wechselrichter den auf Netzspannung und Netzfrequenz gebrachten Wechselstrom in ein Strom- netz abgibt und weiterhin eine Steuerelektronik das Betreiben des Motors in unterschiedlichen Last- und Drehzahlzahlständen entsprechend einem ermittelten Bedarfskollektiv an Strom und Wärme über einen längeren Zeitraum und ergänzend in besonderen Fällen in Abhängigkeit vom momentanen Bedarf an Wärme und Strom und/oder dem Ladezustand der Speicher ermöglicht ...Das in einem Speicher hinterlegte Bedarfskollektiv kann bei der Errichtung der Anlage ermittelt und einem Speicher hinterlegt werden, vorzugsweise wird jedoch der Bedarf durch eine . geeignete Sensorik fortlaufend ermittelt, um bei Änderung des Nut- zerverhaltens reagieren zu können. Selbstverständlich sind Eingriffe der Steuerung bei unverhergesehenen Ereignissen möglich, wenn das tatsächliche Bedarfsprofil von dem zuvor ermittelten durchschnittlichen Lastkollektiv in stärkerem Maße abweicht, z. B. bei sehr hoher Stromentnahme und drohender vollständiger Entladung der Batterie.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann als sog. Insellösung unabhängig von den großen Stromversorgernetzen arbeiten, wobei allerdings wegen der fehlenden Puffermöglichkeit von Spannungsspitzen durch das Stromnetz in der Anlage entsprechende Vorkehrungen beispielsweise im Bereich des Wechselrichters vorzusehen sind, die Spannungsspitzen beim Einschalten und Ausschalten des Generators oder Trennen der Last abbauen. Eine solche Anlage läßt sich auch bei zeitlich ver- setztem Maximalbedarf an Wärme bzw. Strom in wirkungsgradgünstigen Bereichen betreiben. Als Wärmespeicher dient vorzugsweise ein Brauchwasservorrat mit einem integrierten Wärmetauscher zur Erwärmung von Heizwasser. Diese Variante ist einfach und kostengünstig, da ein Brauchwasservorrat ohnehin benötigt wird und Wasser auch sehr günstige Eigenschaften zur Speicherung von Wärme besitzt. Denkbar ■ ist auch der Einsatz von- Wärmespeichern mit anderen Medien, beispielsweise mit sich ändernden Aggregatzuständen, wobei allerdings die Wärme dann noch auf das Brauchwasser und das Heizwasser übertragen werden muß.
Als elektrischer Speicher finden bevorzugt Batteriespeicher mit zentrierter Erdung Verwendung, um eine möglichst hohe Gleichspannung und entsprechend niedrigere Ströme zu erreichen.
Nachfolgend wird anhand der beigefügten Zeichnungen näher auf ein Ausführungsbeispiel der Erfindung eingegangen. Es zeigen:
Fig. 1 ein Blockdiagramm einer Anlage zur kom- binierten Erzeugung von Wärme und
Strom;
Fig. 2 ein Diagramm der Betriebskennlinie des Motors der Anlage nach Fig. 1.
In Fig. 1 ist eine Anlage 10 zur kombinierten Erzeugung von Strom und Wärme als Blockdiagramm dargestellt. Als Primärwandler ist ein Dieselmotor 12 vorgesehen, der über einen Vorratstank 14 mit Brennstoff versorgt wird. Der Vorteil ei- nes Dieselmotors 12 besteht in seinem hohen mechanischen Wirkungsgrad, seiner guten Verfügbarkeit und der Möglichkeit, ihn mit dem verbreiteten leichten Heizöl betreiben zu können, Auch der Einsatz weiterer Primärenergieträger, wie z.B. Biodiesel oder Erdgas ist denkbar.
Der Dieselmotor 12, der über einen Ansaugkanal 16 Luft an- saugt, treibt einen Generator 18 an, der als permanentmagneterregter, selbsterregender Synchrongenerator ausgeführt ist, wobei zur Erzeugung von Gleichstrom ein Brückengleichrichter (nicht näher gezeigt) vorgesehen ist. Der Dieselmotor 12 ist gekapselt ausgeführt, um einerseits die Geräuschemision zu senken und andererseits für eine möglichst. geringe Wärmeabgabe nach außen zu sorgen.
Der Gleichrichter ist unmittelbar in dem Generator 18 angeordnet und mit einer Schalteinheit 20 verbunden. Ein elektro- chemischer Speicher 22, der aus sechs zentriert geerdeten, herkömmlichen . Fahrzeugbatterien besteht, ist zur Speicherung elektrischer Energie vorgesehen. Der Ladezustand der Batterien wird überwacht, um unterschiedliche Lade-/Entladezustände zu vermeiden, wobei zur Vermeidung von Vollzyklen eine Lade- spielsteuerung mit Lastmagnet vorgesehen ist.
Die Schalteinheit 20 verfügt ferner über einen rekuperativen Dreiphasenwechselrichter, der die 72 Volt Gleichstrom in 55 Volt Wechselstrom mit 150 Ampere umformt, wobei eine quarzge- regelte Spannungskonstanthaltung einschließlich exakter Nachbildung des örtlichen Netz-Sinus (EVU) mit Scheitelabflachung vorgesehen ist. Die Welligkeitskontrolle erfolgt im Millisekundentakt einschließlich automatischer . achregelung.
Ein ebenfalls in der Schalteinheit 20 vorgesehener Dreiphasentransformator in Z-Schaltung transformiert die 55 Volt Ausgangsspannung des Wechselrichters auf 230 Volt und 400 Volt für einphasige bzw. dreiphasige Lasten. Die Z-Schaltung gewährleistet eine gleichwertige Stabilität des Inselnetzes 23 auch gegenüber Versorgernetzen bei einphasiger Schieflast.
Neben der Erzeugung von elektrischer Energie ist die Anlage 10 auch zur Deckung des in einem Gebäude bestehenden Bedarfes an Wärme geeignet. Hierzu sind ein Oder mehrere Wärmetauscher in der Anlage 10 vorgesehen, die zur Erwärmung eines Brauchwasservorrates 24 dienen, der über ein Brauchwassereinlaß 26 und einen Brauchwasserauslaß 28 verfügt. In dem Brauchwasservorrat 24 ist ein Heizungswärmetauscher 30 vorgesehen, der in den Umlauf 32 einer Heizanlage eingebunden ist und für eine Erwärmung des Heizwassers sorgt. Beispielhaft für die Wärmegewinnung sind ein Kühlwasserwärmetauscher 34, der dem zur Kühlung des Dieselmotors 12 und des Generators 18 dienenden Kühlwassers, das in einem Kühlwasserkreislauf 35 zirkuliert, die Wärme entzieht und sie an den Brauchwasservorrat 24 abgibt, und ein Abgaswärmetauscher 36 vorgesehen, der dem Abgas des Dieselmotors möglichst viel Wärme entzieht und diese ebenfalls an den Brauchwasservorrat 24 abgibt. Weitere Wärmetauscher zur Verbesserung des Gesamtwirkungsgrades können an Stellen der Anlage 10 vorgesehen sein, an denen weitere Abwärme entsteht, beispielsweise im Bereich des Wechselrichters und/oder des Transformators in der Schalteinheit 20.
Ein Keramik-Abgaskondensator 38, eventuell in Kombination mit dem Abgaswärmetauscher 36, dient zur Kühlung und Reinigung der Abgase auf ca. 30 - 40° C, wobei auskondensiertes Wasser CO, C02, N0X, SOx, Öl und Ruß auslöst bzw. -wäscht und das saure Kondensat anschließt über Aktivkohle und Dolomitfilter neutralisiert und gereinigt wird. Die handwarme, saubere Abluft wird über Kunststoff-Abluftrohre 40 ins Freie geleitet, so daß kein Kamin notwendig ist. Da die Kondensationswärme ebenfalls genutzt wird, läuft die Anlage 10 als Brennwertgerät .
Mit Hilfe des als Wärmespeicher dienenden Brauchwasservorrats 24 und des elektrochemischen Speichers 22 ermöglicht die Anlage eine bessere Anpassung des Betriebs des Dieselmotors 12 an verschiedene Bedarfszustände . So kann bei einem momentan erhöhten Wärmebedarf Strom auf Vorrat produziert werden, der später ohne erneutes Betreiben des Dieselmotors 12 entnommen werden kann. Hierdurch ergeben sich beträchtliche Einsparpotentiale .
Dank der Erzeugung einer Gleichspannung ist es auch möglich, den Generator 18 mit unterschiedlichen Drehzahlen zu betreiben, während bei bisherigen Anlagen mit Rücksicht auf die Netzfrequenz eine konstante Generatordrehzahl eingehalten werden mußte, wodurch der Antriebsmotor in zum Teil sehr ungünstigen Lastzuständen betrieben werden mußte, beispielswei- se nahezu ohne Last bei Nenndrehzahl. Bei der abgebildeten Anlage wird der Dieselmotor 12 je nach Lastanforderung entlang einer in Fig. 2 gezeigten normierten Kennlinie, die eine Funktion der Last über die Drehzahl darstellt, betrieben, d.h. bei sich verringernder Lastanforderung wird gleichzeitig auch die Drehzahl des Dieselmotors 12 gesenkt, wodurch das
Anfahren im Wirkungsgrad günstiger liegender Kennfeldbereiche des Dieselmotors 12 möglich ist. Ziel dieser Maßnahme ist es, den Dieselmotor 12 immer im Bereich eines möglichst hohen mechanischen Wirkungsgrades zu betreiben, um mit möglichst ge- ringer Abwärme Strom zu erzeugen. Der Gesamtwirkungsgrad der Anlage 10, der sich aus dem Verhältnis von erzeugter Wärme und elektrischer Energie im Verhältnis zum Brennwert des ein- gesetzten Primärenergieträgers bestimmt, reduziert sich nämlich erst dann in wesentlichem Ausmaß, wenn bei einem bestimmten Bedarf an elektrischer Energie die zwangsläufig entstehende Abwärme nicht mehr sinnvoll genutzt werden kann und beispielsweise mit Hilfe eines Wärmetauschers an die Umgebung abgegeben werden muß, um eine Überhitzung der Anlage 10 zu vermeiden. Andererseits läßt sich bei einem bestimmten Wärmebedarf erzeugte elektrische Energie problemlos, beispielsweise mit Hilfe einer Heizpatrone in dem Brauchwasservorrat 24, in Wärme umwandeln oder an ein Versorgernetz abgeben, so daß eine Überschußproduktion an Strom im Gegensatz zu einer Überschußproduktion von Wärme als für den Gesamtwirkungsgrad unschädlich anzusehen ist.
Um einen optimalen Betrieb der Anlage 10 zu ermöglichen, ist der Gesamtbedarf eines Gebäudes an Wärme und Strom in Abhängigkeit von der Tageszeit als mittlerer Wert in einer Steuerelektronik (nicht gezeigt) hinterlegt, wobei diese Anforderungsprofile beim Betreiben des Dieselmotors 12 berücksich- tigt werden. Hierdurch ist es möglich, überraschende Be- triebszustände zu vermeiden, wobei aus Sicht des Gesamtwirkungsgrades der kritischste Zustand ein leerer elektrochemischer Speicher 22 bei hohem Bedarf an elektrischer Energie und maximal erwärmtem Brauchwasservorrat 24 ohne momentanem Bedarf an Wärme darstellt. Die Regelung nimmt auch Einfluß darauf, inwieweit der momentane elektrische Bedarf unmittelbar aus erzeugtem Generatorstrom oder aus dem elektrochemischen Speicher 22 gedeckt wird, um einerseits einer Tiefentladung der Batterien vorzubeugen und andererseits bei gefüll- ten Batterien und relativ kleinem elektrischen Bedarf unter Umständen vollständig auf den Betrieb des Dieselmotors 12 verzichten zu können. So ist es beispielsweise denkbar, den Dieselmotor 12 nur in den Morgen- und Abendstunden zur Dek- kung des dann erhöhten Bedarfs an Wärme zu betreiben, und im Tagesverlauf bei ausgeschaltetem Dieselmotor 12 den geringen elektrischen Bedarf ausschließlich aus den Batterien 22 zu decken.
Selbstverständlich ist es möglich, die zuvor beschriebene Anlage 10 durch Solarelemente oder auch eine Windenergieanlage zur zusätzlichen Stromerzeugung zu ergänzen, um den Einsatz von Primärenergie weiter reduzieren; zu können.
Die Anlage 10 kann ferner mit einer Fernüberwachung versehen sein, die eine Fernwirkmöglichkeit einschließt. Elektronische Wärme- und Stromzähler können zu Abrechnungszwecken genutzt werden, aber auch zur stetigen Ermittlung des Bedarfsprofils an Wärme und Strom, um ggf. das Betreiben des Dieselmotors 12 den geänderten Anforderungen anpassen zu können.
Eine elektronische Treibstoffverbrauchsmessung, die wegen des Dieselrücklaufs mit einer Differenzmeßkammer erfolgen muß, kann ebenso vorgesehen sein, wie eine elektronische Füllstandskontrolle des Treibstofftanks, wiederum mit der Option einer Fernüberwachung, so daß sämtliche Wartungs- und Überwachungstätigkeit, z. B. über das Internet, durch den Dienst- leister erfolgen können und der Nutzer von Wartungsaufgaben weitestgehend entlastet wird.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Betreiben einer Anlage zur kombinierten Er- zeugung von Strom und Wärme mit einem Motor (12) , einem von diesem angetriebenen Generator (18) und Mitteln (24, 30, 34, 36) zur Nutzung der Abwärme der Anlage (10) zur Brauchwassererwärmung und zu Heizzwecken, wobei wenigstens ein Teil der erzeugten elektrischen Energie in ei- nem Batteriespeicher (22) zwischengespeichert, • die
Gleichspannung mit Hilfe eines Umformers in eine bestimmte Wechselspannung umgewandelt und die anfallende Abwärme in einem Wärmespeicher (24) gespeichert und zur Brauchwassererwärmung und Beheizung in einem Gebäude herangezo- gen wird, dadurch gekennzeichnet, daß der mittlere Bedarf des betreffenden Gebäudes an Strom und Wärme als Kollektiv über wenigstens einen bestimmten Zeitraum ermittelt und der Motor in diesem wiederkehrenden Zeitraum entsprechend betrieben wird, so daß unter Zuhilfenahme der Spei- cherkapazitäten von Strom und Wärme deren Gesamtbedarf mit minimalem Energieeinsatz erzeugt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor (12) in unterschiedlichen Last- und/oder Dreh- zahlzuständen betrieben und dadurch entsprechend dem Bedarf elektrische Energie in einem bestimmten Verhältnis zur anfallenden Wärmeenergie erzeugt wird, wobei vorzugsweise der Motor (12) je nach Lastanforderung entlang einer bestimmten Kennlinie von Last zu Drehzahl betrieben wird.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil vom Generator (18) erzeugter elektrische Energie an dem gesamten momentanen elektrischen Energiebedarf in Abhängigkeit von dem über- wachten Ladezustand des Batteriespeichers (22) gewählt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei geringem elektrischen Ener- giebedarf dieser bevorzugt aus dem Speicher (22) gedeckt wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei zunehmendem elektrischem Energiebedarf und/oder bei fortschreitender Entladung des elektrischen Speichers (22) der Generator (18) zugeschaltet wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da- durch gekennzeichnet, daß mit Hilfe einer elektrischen
Heizpatrone im Bedarfsfall überschüssige elektrische Energie in Wärme umgewandelt wird und/oder überschüssige elektrische Energie in ein Versorgerstromnetz abgegeben wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Brauchwasservorrat (24) als Wärmespeicher erwärmt wird und eine Heizanlage über einen Heizwärmetauscher (30) in dem Brauchwasservorrat (24) mit Wärme versorgt wird.
8. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einem Motor (12), einem von diesem angetriebenen Generator (18) und einem Wärmespeicher (24), der die anfallende Abwärme zur Brauchwas- sererwärmung und für Heizzwecke speichert, wobei der
Gleichstrom, welchen der Generator (18) erzeugt, einen elektrischen Speicher (22) auflädt, der über einen Wechselrichter/Transformator den auf Netzspannung und Netzfrequenz gebrachten Wechselstrom an ein Stromnetz abgibt, -- dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektronik den Motor (12) entsprechend einem über einen längeren Zeitraum ermittelten Bedarfskollektiv des Gebäudes an Strom und Wärme in variablen Last- und Drehzahlzuständen und nur ergänzend in besonderen Lastfällen entsprechend dem mo- mentanen Bedarf an Wärme und Strom und/oder dem Ladezustand des Batteriespeichers (22) betreibt.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuerelektronik vorgesehen ist, die den Motor in unterschiedlichen Last- und Drehzahlzuständen betreibt.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Wärmespeicher ein Brauchwasservorrat (24) mit einem integrierten Wärmetauscher (30) zur Erwärmung von Heizwasser vorgesehen ist.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß als Motor ein Dieselmotor (12) , vorzugsweise ein direkteinspritzender, aufgeladener Diesel- motor vorgesehen ist.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine Heizpatrone in dem Brauchwasservorrat (24) und/oder ein Anschluß an ein externes Versorgerstromnetz zur Umwandlung bzw. Abgabe überschüssig er- zeugter elektrischer Energie vorgesehen ist.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Batteriespeicher (22) über eine zentrierte Erdung verfügt und vorzugsweise aus sechs 12 Volt-Fahrzeugbatterien besteht.
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