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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kraft-Wärme-Kopplung,
ein Kraft-Wärme-Kopplungs-System, ein Anschlusssystem für
das Kraft-Wärme-Kopplungs-System, ein Fahrzeug für das
Kraft-Wärme-Kopplungs-System und einen Wärmespeicher.
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Kraftfahrzeuge
werden derzeit bevorzugt mit flüssigen Kraftstoffen betrieben.
Diese Kraftstoffe besitzen einen vergleichsweise hohen spezifischen Heizwert,
sind einfach zu lagern, abzufüllen und zu transportieren.
Flüssige Kraftstoffe fossilen Ursprungs sind jedoch endlich
und unterliegen großen preislichen Schwankungen. Die in
Kraftfahrzeugen verwendeten Verbrennungskraftmaschinen haben einen
vergleichsweise niedrigen Wirkungsgrad. Bei dem Betrieb der Kraftfahrzeuge
entstehen Abgas- und Abwärmeemissionen. Die CO-, NOx-, Kohlenwasserstoff- und Ruß-Bestandteile
können bereits mit Katalysatoren und Filtern weitestgehend
schadfrei gemacht werden. Das CO2 ist jedoch
weiter besonders klimarelevant. Seine schädliche Wirkung
in der Atmosphäre kann wirksam nur durch eine Reduzierung
des Brennstoffverbrauchs selbst gemindert werden.
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Es
wird deshalb verstärkt nach alternativen Kraftstoffen und
Antriebskonzepten gesucht.
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Alternative
flüssige Kraftstoffe nicht fossilen Ursprungs wie Bioalkohole,
Bioöle oder Biodiesel haben neben dem Vorteil hoher spezifischer
Energiedichten eine geringe Klimarelevanz. Zur vollständigen
Verbrennung wird dem Pflanzenölkraftstoff in bestimmten
Betriebszuständen Dieselkraftstoff beigemischt. Es wird
partiell landwirtschaftliche Nutzfläche in Anspruch genommen.
Der stoffliche wie energetische Inhalt der alternativen Kraftstoffe
wird ebenso wenig genutzt wie der fossiler Kraftstoffe.
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Auch
gasförmige Kraftstoffe wie (Erd)gas oder Wasserstoff werden
intensiv erprobt. Die Leistung optimal auf (Erd)gas angepasster
Benzinmotoren ist meist geringer, als die der Original-Benzinmotoren.
Kraftfahrzeug-Dieselmotoren werden nur selten auf gasförmige
Brennstoffe umgestellt, obwohl sie eine höhere Effizienz
haben. Sie benötigen als Zündstrahlmotoren zusätzlichen
Dieselkraftstoff.
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Gasförmige
Kraftstoffe sind aufwendiger in derselben Energiemenge zu speichern
als flüssige. Der Transport und die Lagerung in Hochdruckleitungen
und -speichern erfordern stets eine nicht unbedeutende Verdichtungsarbeit,
die bei der Drosselung ungenutzt verloren geht. Hochdruckspeicher
bergen ein erhöhtes Gefahrenpotential, insbesondere in
Verkehrsmitteln. Wegen der noch geringen Reichweite der gasförmigen
Tankinhalte sind häufige Tankstopps und ein zusätzlicher
herkömmlicher Brennstofftank notwendig, um jederzeit auf
Benzin umstellen zu können.
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Die
erforderliche (Erd)gas-Tankstellen-Infrastruktur ist noch nicht
ausreichend vorhanden und beansprucht immense Mittel zu ihrer Entwicklung. Häufig
wird der Ausbau dadurch erschwert, dass sich in der Nähe
vorhandener Tankstellen, insbesondere an Autobahnen keine Gasleitungen
befinden. Tankstellen innerhalb von Ortschaften haben wiederum nur
Anschluss an Gasleitungen niedrigen Druckniveaus. Entsprechend hoch
ist der Aufwand für die Gasverdichtung auf Drücke
bis über 300 bar. Aus diesem Grunde werden (Erd)gas-Abfüllstationen
oft unabhängig von gewöhnlichen Tankstellen platziert
und sind verkehrstechnisch entsprechend ungünstig gelegen,
zum Teil in Versorgungsunternehmen befindlich und haben nur begrenzte Öffnungszeiten.
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Wasserstoff
bietet neben der Möglichkeit der Anwendung in seriennahen
Verbrennungsmotoren bei der Nutzung in s. g. Brennstoffzellen den
Vorteil eines vergleichsweise hohen Wirkungsgrads der direkten Umwandlung
der chemischen in elektrische Energie. Dabei entsteht im wesentlichen
Wasserdampf, der sich in der Atmosphäre allerdings ebenfalls
klimarelevant auswirkt. Wasserstoff muss zur Erreichung einer Fahrstrecke
von 500 km bei Drücken von ca. 700 bar gespeichert werden.
Dabei entsteht ein WTT-(well-to-tank-)-Wirkungsgrad von nur ca. 54%
(Quelle: R K. Ahluwalia et al.: Fuel cell efficiencies of
different automotive an-board hydrogen storage options. Int'I J.
Hydrogen Energy 32, 2007, 3592–3602). Die niedrige
Molekülgröße macht Wasserstoff entsprechend
flüchtig und erzeugt ein höheres Gefahrenpotential
als Benzin oder (Erd)gas. Zudem haben Brennstoffzellen derzeit noch
eine geringe Lebensdauer und einen sehr hohen Preis.
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Als
der sauberste Antrieb überhaupt, da im Fahrzeug völlig
emissionsfrei, scheint der elektrische. Die Erzeugung der elektrischen
Energie kann vollständig regenerativ erfolgen und wäre
damit klimaneutral. Ein Problem des Elektroantriebs ist derzeit
jedoch neben der fehlenden Infrastruktur und den langen Beladungszeiten
der bekannten Akkumulatorentypen noch die Möglichkeit der
zuverlässigen und preiswerten Speicherung größerer
Energiemengen für längere Fahrdistanzen. Zur Überbrückung
einer Wegstrecke von 100 km wird ein ca. 150 Kilogramm schwerer
Akkupack nötig (Quelle: PHOTON – das Solarstrom-Magazin,
April 2007). Aus diesem Grund werden vorerst vor allem
Hybridantriebe aus gekoppelten Elektro- und Verbrennungskraftmaschinen
für die Großserie favorisiert. Dabei wird ein
Optimum aus Mehrgewicht, Mehrpreis und Kraftstoffeinsparung angestrebt,
was derzeit noch zu einem eher geringen elektrischen Anteil an den
beiden Antriebsformen und somit zu einem geringen Einsparpotential an
fossilen Energieträgern führt. Außerdem
dient die Hybridkomponente der Rückgewinnung von Antriebsenergie
beim Bremsen. Die Nutzung der elektrischen Speicherbatterie im Kraftfahrzeug
für die Akkumulierung extern möglichst sauber
gewonnener Elektroenergie steht mit so genannten plug-in-Hybrid-Fahrzeugen
erst bevor. Der derzeit noch relativ geringe Anteil regenerativer
Energien am so genannten Strom-Mix von beispielsweise ca. 15% in Deutschland
im Jahr 2008 behaftet diese Antriebsform in den kommenden Jahren
noch mit einer bedeutenden Klimarelevanz.
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Im
Interesse der Reduzierung der klimarelevanten Emissionen und der
Steigerung der Unabhängigkeit von fossilen Brennstoffen
besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, mit vergleichsweise
einfachen Mitteln den Verbrauch dieser Energieträger auch
im Verkehr kurzfristig bedeutend zu senken. Insbesondere soll das allgemein
anerkannte Ziel berücksichtigt werden, eine Reduzierung
der CO2-Emissionen um 20 bis 40% bis zum
Jahr 2020 gegenüber 1990 zu erreichen. Dazu soll ein Verfahren
sowie ein System zur Kraft-Wärme-Kopplung bereitgestellt
werden und auch ein Fahrzeug, ein Anschlusssystem sowie ein Wärmespeicher
dafür.
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Diese
Aufgabe wird gelöst mit dem Verfahren zur Kraft-Wärme-Kopplung
gemäß Anspruch 1, dem Kraft-Wärme-Kopplungs-System
nach Anspruch 23, dem Anschlusssystem nach den Ansprüchen
31, 32 und 33, dem Fahrzeug nach Anspruch 34 und dem Wärmespeicher
nach den Ansprüchen 40 und 41.
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Die
Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass durch die Nutzung von
(Ab)wärme von Kraftfahrzeugen in externen Einrichtungen
(d. h. gezielt erzeugter Wärme und/oder während
des Betriebs des Fahrzeugs anfallender Wärme) bzw. durch
die Nutzung von in externen Einrichtungen anfallender Fremdwärme
in Kraftfahrzeugen (also von Wärme, die dem Kraftfahrzeug
zugeführt wird), also von (mindestens) einem Kraft-Wärme-Kopplungs-Prozess, insbesondere
mit zeitlichem Versatz, ein enormes Energie-Einsparpotenzial besteht.
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„Kraft-Wärme-Kopplung” bedeutet
im Sinne der vorliegenden Erfindung, dass die bei der „Herstellung” oder
der Nutzung einer Exergie (Kraft, Elektroenergie etc.) anfallende
(Ab)wärme genutzt wird. Diese Nutzung kann insbesondere
zeitlich versetzt mit Hilfe eines Wärmespeichers, der die
Wärme erst später abgibt, erfolgen. Beispielsweise
kann es sich um im Fahrzeug mittels eines Verbrennungsprozesses
erzeugte Kraft handeln, wobei in einem Wärmespeicher des
Fahrzeugs Wärme zur späteren Abgabe und Nutzung
an externe Wärmesenken oder teilweise im Fahrzeug aufgefangen
und bereitgehalten wird. Kraft-Wärme-Kopplung heißt
auch, extern ggf. bei Kraft-Wärme-Kopplung angefallene
(Niedertemperatur-) bzw. (Ab)wärme für die Nutzung
im Fahrzeug bereitzustellen, um z. B. die Exergie Elektroenergie
zur Fortbewegung aufzubewahren und nicht für die Heizung
oder Kühlung, also für thermische Prozesse zu
vergeuden. Kraft-Wärme-Kopplung heißt ebenfalls,
die Prozesse der Fortbewegung mit externer oder interner (Ab)wärme
effizienter zu gestalten, z. B. indem die Druckluft für
einen pneumatischen Motor vor der Entspannung vorgewärmt
wird und somit die Fortbewegung begünstigt.
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Im
Rahmen der vorliegenden Erfindung wird von Wärme stets
dann im weitesten physikalischen Sinne gesprochen, wenn gegenüber
einem bestimmten Bezugsniveau eine positive oder negative Wärmedifferenz
besteht. Es kann sich bei „Wärme” also sowohl
um Wärme (positive Wärmedifferenz) also auch um
Kälte (negative Wärmedifferenz) handeln und es
wird zwischen Wärme und Kälte nicht speziell unterschieden.
Auch wird im Rahmen der Erfindung nicht zwischen Abwärme
und Wärme unterschieden, sondern im Folgenden einheitlich
von Wärme gesprochen.
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Weiterhin
wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung gleichbedeutend von Fahrzeugen
und Kraftfahrzeugen gesprochen, wobei stets Kraftfahrzeuge gemeint
sind, also alle Arten von Fahrzeugen, die einen eigenen Antrieb
besitzen. Diese können Straßenfahrzeuge sein oder
Schienen gebundene Fahrzeuge, oder deren Anhänger. Es kann
sich allerdings auch um Wasserfahrzeuge oder Luftfahrzeuge handeln.
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Zwar
ist es bereits bekannt, Wärme in Kraftfahrzeugen insbesondere
für die Beheizung des Motors beim Kaltstart zu speichern
(z. B.
WO 96/31694 A1 ).
Dies verkürzt die verschleißrelevante Kaltstartphase,
erhöht die Lebensdauer des Motors, verringert den Kraftstoffverbrauch
und verbessert den Komfort der Insassen in der kalten Jahreszeit ähnlich einer
Standheizung, jedoch ohne den Bedarf zusätzlichen Kraftstoffes.
Dafür genügt ein kleiner mit Vakuum sehr gut gedämmter
Wärmespeicher, gefüllt mit dem Kühlmedium
selbst, oder, zur Erhöhung der Speicherdichte, mit einem
Latentwärmespeichermedium, wie es z. B. aus
DE 393 12 05 A1 und
DE 402 08 60 A1 bekannt
ist. Es handelt sich hierbei jedoch erkennbar um eine reine Eigennutzung
der Wärme. An eine über das Fahrzeug hinausgehende
Nutzung der gespeicherten Wärme in Kraft-Wärme-Kopplung wurde
dabei bisher nicht gedacht.
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Weiterhin
ist bereits bekannt, Wärme eines externen Anbieters, die
am Anfallort nicht verwendet werden kann und daher entsorgt werden
müsste, mittels eines Fahrzeugs zu einem Drittnutzer zu
transportieren, wovon die vorliegende Erfindung als nächstliegendem
Stand der Technik ausgeht. Dabei sind bisher Container mit einem
latenten Wärmespeicher oder Kesselwaggons für
fühlbare Wärme vorgesehen, um die Wärme
vom Anfallort zum Nutzer zu transportieren. Allerdings wird die
gespeicherte Wärme weder in dem Kraftfahrzeug, das den
Container transportiert, noch in dem dem Kesselwaggon vorgespannten
Schienenfahrzeug genutzt oder erzeugt. Außerdem kam es
bisher wegen des erhöhten Transportaufwandes nicht zu einer
breiten Anwendung.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch
aus, dass Wärme zwischen zumindest einem Fahrzeug, insbesondere
Kraftfahrzeug oder dgl., das insbesondere zumindest einen Speicher
für latente und/oder fühlbare Wärme aufweist,
und zumindest einem Distributionspunkt für Wärme
ausgetauscht wird, wobei zumindest ein Teil der Wärme in dem
Fahrzeug angefallene Wärme und/oder in dem Fahrzeug zu
nutzende Wärme ist, wobei zumindest ein Teil der zu nutzenden
Wärme nicht direkt der Fortbewegung dient, sondern diese
höchstens begünstigt.
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Zwingend
vorgesehen ist also der Wärmeaustausch zwischen dem Fahrzeug
und einem Distributionspunkt für Wärme. Die Wärme
kann dann von dem Distributionspunkt bzw. einer den Distributionspunkt
versorgenden Einrichtung bereitgestellt und in dem Fahrzeug selbst
genutzt werden oder/und von dem Fahrzeug bereitgestellt und in dem
Distributionspunkt bzw. einer von dem Distributionspunkt versorgten
Einrichtung genutzt werden. Dabei soll bei der Kraft-Wärme-Kopplung
im Fahrzeug zumindest ein Teil der Wärme nicht direkt der
Fortbewegung dienen, wie es beispielsweise mit Dampfmaschinen oder
Stirling-Motoren möglich wäre. Durch dieses neue
Kraft-Wärme-Kopplungsverfahren bestehen einerseits keine
Transportprobleme hinsichtlich der Wärme und andererseits
wird die Wärme sehr effektiv genutzt.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird der Wärmespeicher
des Fahrzeugs gespeist mit Wärme für den Betrieb
und/oder mit Wärme aus dem Betrieb des Fahrzeugs, direkt
oder indirekt über ein Wärmeträgermedium.
Dabei meint Betrieb den allgemeinen Unterhalt des Kraftfahrzeugs und
nicht nur dessen Fortbewegung, allerdings kann das Fahrzeug im Betrieb
natürlich auch fortbewegt werden. Zweckmäßig
kann es sich dann um Wärme für die Temperierung
von
- – elektrischen Akkumulatoren oder
Batterien oder anderweitigen Speichern von Fortbewegungsenergie,
insbesondere in Form von Wasserstoff, Erdgas, Druckluft oder anderen
energiereichen Brennstoffen, Energieträgern, Medien und/oder Hilfsstoffen,
- – den Antriebsaggregaten des Fahrzeugs selbst, insbesondere
aus der Kühlung eines insbesondere elektrischen, elektrochemischen
(z. B. einer Brennstoffzelle), hydraulischen, pneumatischen, mechanischen
(z. B. ein Schwungrad) und/oder thermischen Antriebs (z. B. Verbrennungsmotor, Gasturbine,
Stirling etc.), oder dergleichen, bevorzugt
- – aus dem Kühlwasser (mit oder ohne Frostschutzmittel),
Schmieröl, Verbrennungsluft (z. B. unverdichtet beim Start,
verdichtet beim Betrieb) und/oder anderer Arbeits- und Hilfsstoffe und/oder
- – aus den Abgasen, insbesondere vor dem Katalysator
(durch Vorwärmung beim Start) und/oder nach dem Katalysator,
mit oder ohne Nutzung der Kondensationswärme (Brennwert/Heizwert),
- – dem mechanischen, hydraulischen, pneumatischen oder
elektrischen Antriebsstrang und/oder dem Verteilsystem, dem Steuer-
bzw. Regelungssystem oder den Verbrauchern dieser Energie selbst,
insbesondere dem Getriebe, den Lagern (z. B. Kugellagern, Wälzlagern
etc.), der Leistungselektronik, den Hochspannungskabeln, den Leuchtmitteln
etc.,
- – den mechanischen, hydraulischen, pneumatischen oder
elektrischen Bremsen zur beschleunigten Verzögerung des
Fahrzeugs, insbesondere Generator-, Druckluft- (u. a. Retarder),
Trommel-, Scheiben- und/oder Wasserbremsen, und/oder
- – der Kabine, dem Fahrgast-, dem Transportraum des
Fahrzeugs und/oder den transportierten Gütern selbst (z.
B. der Beheizung, Klimatisierung und/oder dem gekühlten/gefrosteten
Transport)
und dgl. handeln. Auf diese Weise wird eine
möglichst vollständige Nutzung der Wärme
im Zusammenhang mit der Fortbewegung des Kraftfahrzeugs erreicht.
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Besonders
bevorzugt wird die Größe des Wärmespeichers
des Fahrzeugs nach der nutzbar gemachten Wärmemenge, also
der Wärme und Abwärme, aus dem Betrieb des Fahrzeugs
und/oder nach der zu nutzenden Wärmemenge bei dem Betrieb
des Fahrzeugs oder der Differenz daraus bemessen. Dabei kann sowohl
eine vorherige Bemessung dadurch erfolgen, dass die beispielsweise
an einem Tag zu erwartende Wärmemenge bestimmt und die
Größe des Wärmespeichers darauf abgestimmt wird.
Andererseits kann auch dem Fahrzeug eine durchschnittliche zu erwartende
Wärmemenge – die sich aus den geplanten Betriebsbedingungen
ergibt – zugeordnet und die Größe des
Wärmespeichers darauf abgestimmt werden.
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Zweckmäßig
wird zwischen dem Fahrzeug mit Wärmespeicher und dem zumindest
einen Distributionspunkt Wärme vor Fahrtantritt, unterwegs und/oder
nach einer Fahrt ausgetauscht. „Unterwegs” meint
hierbei, dass eine Unterbrechung der Fahrt des Fahrzeugs, jedoch
nicht dessen Abbruch erfolgt.
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Weiterhin
zweckmäßig wird die Größe des Wärmespeichers
des Fahrzeugs nach der durchschnittlichen Fahrstrecke des Fahrzeugs
bemessen. Auch hierdurch kann eine bedeutende Optimierung erfolgen,
da dadurch das im Fahrzeug mitgeführte Gewicht minimal
gehalten und somit der Verbrauch minimiert werden. Dabei soll das
Fahrzeug mit Wärmespeicher vorzugsweise mindestens 2 km,
bevorzugt mindestens 4 km, insbesondere mindestens 6 km zurücklegen.
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Andererseits
ist es zweckmäßig, wenn sich die durchschnittlich
zurückgelegte Fahrstrecke des Fahrzeugs nach der maximalen
Größe des Wärmespeichers des Fahrzeugs
richtet. Dabei soll das Fahrzeug mit Wärmespeicher vorzugsweise
bis zu einem Distributionspunkt für Wärme höchstens
100 km, bevorzugt höchstens 80 km, insbesondere höchstens 60
km zurücklegen.
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Insbesondere
falls das Fahrzeug längere Strecken zurücklegt,
sollte das Fahrzeug zwischen mindestens zwei Distributionspunkten
verkehren und mit einem jeden Distributionspunkt Wärme
austauschen. So verbleibt keine überschüssige
Wärme im Fahrzeug oder bleibt durch Kühlung ungenutzt,
sondern alle Wärme kann Distributionspunkten zugeführt werden.
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Der
Austausch der Wärme erfolgt bevorzugt besonders einfach
dadurch, dass zwischen dem Fahrzeug und dem Distributionspunkt ein
Wärmeträgermedium zumindest teilweise direkt ausgetauscht wird.
Alternativ oder zusätzlich kann der Wärmeaustausch
auch dadurch erfolgen, dass die Wärme zwischen dem Fahrzeug
und dem Distributionspunkt über zumindest einen Wärmeübertrager
ausgetauscht wird, wobei der Wärmeübertrager bevorzugt außerhalb
des Fahrzeugs angeordnet wird.
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Wenn
der Wärmespeicher des Fahrzeugs und/oder ein Wärmespeicher
des Distributionspunktes zumindest teilweise austauschbar ausgebildet sind,
lässt sich zum einen die Größe variabel
gestalten und der jeweils erwarteten Wärmemenge anpassen.
Desweiteren kann beim Wärmeaustausch auch einfach ein Austausch
des Wärmespeichers erfolgen.
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Eine
besonders vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass
in dem Wärmespeicher des Fahrzeugs Kälte für
den Betrieb des Fahrzeugs (z. B. für die Klimatisierung
des Fahrzeugs im Betrieb) gespeichert wird und diese Kälte
durch im Betrieb des Fahrzeugs erzeugte Wärme, insbesondere
Wärme eines Verbrennungsprozesses und/oder der Bremsen,
zumindest teilweise ersetzt wird. Auf diese Weise ist der Wärmespeicher
besonders effektiv einsetzbar.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass
Wärme zwischen dem Fahrzeug, bevorzugt dem Wärmespeicher
des Fahrzeugs, über den Distributionspunkt zumindest mit
einer fahrzeugunabhängigen externen Wärmesenke, bevorzugt
mit einem Heiz-, Warmwasserbereitungs- oder Klimatisierungssystem,
einer (Erd)gasentspannung, insbesondere von Hochdruck(erd)gasbetankungsanlagen,
oder mit zumindest einem anderen Fahrzeug mit Wärmespeicher
ausgetauscht wird. Dadurch wird die im Fahrzeug angefallene Wärme bevorzugt
einer direkten Nutzung zugeführt, was den Wirkungsgrad
erhöht. Eine Zwischenspeicherung der Wärme am
Distributionspunkt in einem Zeit- und/oder saisonalen Wärmespeicher,
insbesondere einem Erdwärmespeicher oder dgl. kann dadurch umgangen
werden, ist allerdings dennoch zusätzlich möglich,
beispielsweise für eine zeitlich versetzte Nutzung der
Wärme.
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Sehr
vorteilhaft ist es, wenn zumindest ein Distributionspunkt Wärme
von zumindest einer fahrzeugunabhängigen externen Quelle,
bevorzugt von Gasverdichtern, insbesondere von Hochdruck(erd)gasbetankungsanlagen,
von Industriebetrieben, Solaranlagen, Zeit- und/oder saisonalen Wärmespeichern,
insbesondere einem Erdwärmespeicher oder dgl., oder von
einem oder mehreren Fahrzeugen mit Wärmespeicher für
Fahrzeuge mit Wärmespeicher vorrätig hält.
Dann stellt der Distributionspunkt eine Art Tankstelle für
den Wärmebedarf von Fahrzeugen beispielsweise für
deren Klimatisierung dar, die von externen Quellen gespeist wird,
die ein großes Wärmeaufkommen aufweisen.
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Alternativ
oder zusätzlich kann zumindest ein Distributionspunkt Wärme
(oder Kälte) für zumindest ein Fahrzeug mit Wärmespeicher
zur Verfügung stellen, insbesondere mittels Wärme
von zumindest einem Fahrzeug und/oder einer fahrzeugunabhängigen,
von externer Quelle getriebenen Kältemaschine oder Wärmepumpe.
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Zweckmäßig
ist es vorgesehen, dass der Wärmespeicher des Fahrzeugs
hinsichtlich der Wärmespeichermenge variabel gehalten wird.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass neben der Wärme
(bei einem Austausch über einen Wärmeübertrager)
und/oder dem Wärmeträgermedium auch Elektroenergie,
Signale, Informationen, Brennstoff, Energieträger, Hilfsmedien,
Abgas- und/oder Zuluftkondensat und/oder dgl. zwischen dem Fahrzeug
und dem Distributionspunkt ausgetauscht werden. Dann lässt
sich der Wärmeaustausch zeitlich sehr effektiv verwirklichen.
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Vorzugsweise
ist vorgesehen, dass das Antriebsaggregat des Fahrzeugs insbesondere
im Stillstand als Blockheizkraftwerk betrieben wird, insbesondere
wenn die gespeicherte Wärmemenge für externe Prozesse
nicht ausreichen sollte. (Erd)gas aus dem örtlichen Gasnetz
ist hierfür ein besonders geeigneter Brennstoff.
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Zweckmäßig
wird ein Teil der Wärmemenge der Verbesserung des Kaltstartverhaltens
des Fahrzeugs zugewiesen. Dadurch wird der Verbrauch des Fahrzeugs
im Betrieb gesenkt. Der Nutzen kann bis zu 0,5 Ltr./100 km betragen,
was höher wäre, als die dafür zugewiesene
Wärmeenergie.
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Eine
andere Verbesserung sieht vor, dass bei oder nach einer Außerbetriebnahme
des Fahrzeugs zuerst die in dem Fahrzeug gespeicherte Restwärme,
insbesondere Wärme der Antriebsaggregate, wie Motor, Getriebe
und dgl., und/oder Wärme der Wärmeübertrager,
bevorzugt der Wärmeübertrager in Heizung, Wasserbremse,
Abgaskühler und dgl., und danach erst die in den fahrzeuginternen
Wärmespeichern gesammelte Wärme an eine externe
Wärmesenke abgeführt wird.
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Schließlich
ist es vorteilhaft, wenn die konditionierte Luft am Austritt aus
dem Fahrgastraum im Wesentlichen wieder in den Urzustand versetzt
wird, wobei indirekt mit einem Wärmeübertrager
(also einem Rekuperator) unmittelbar oder in einem Verbundsystem
mittelbar, oder mit einem oder mehreren Regeneratoren direkt Wärme
(oder Kälte) an die Zuluft weitestgehend übertragen
und/oder zeitweilig in den Wärmespeicher eingelagert wird.
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Alle
Merkmale des erfindungsgemäßen Kraft-Wärme-Kopplungs-Verfahrens
lassen sich natürlich kombinieren.
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Selbständiger
Schutz wird beansprucht für das erfindungsgemäße
System für die Kraft-Wärme-Kopplung, insbesondere
für das Verfahren zur Kraft-Wärme-Kopplung nach
einem der vorherigen Ansprüche, umfassend zumindest ein
Fahrzeug, insbesondere Kraftfahrzeug oder dgl., das bevorzugt zumindest
einen Speicher für latente und/oder fühlbare Wärme
aufweist, und zumindest einen Distributionspunkt für Wärme,
wobei das Fahrzeug mit dem Distributionspunkt zumindest zum teilweisen
Austausch von in dem Fahrzeug angefallener Wärme und/oder
in dem Fahrzeug zu nutzender Wärme verbindbar ist, wobei
zumindest ein Teil der zu nutzenden Wärme nicht direkt
der Fortbewegung dient, wobei zur Verbindung miteinander koppelbare
fahrzeug- und distributionspunktseitige Anschlüsse vorgesehen
sind.
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Bevorzugt
ist der Speicher angepasst, zumindest einen Teil der im Fahrzeug
anfallenden Wärme und/oder der im Fahrzeug nicht direkt
für die Fortbewegung zu nutzenden Wärme und/oder
der Differenz daraus zu speichern.
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Besonders
vorteilhaft ist der Distributionspunkt ein Gebäude, eine
Einrichtung, ein anderes Fahrzeug oder dgl., wobei der Distributionspunkt
insbesondere ein Wohngebäude, ein Geschäfts- oder Verwaltungsgebäude,
ein Industriebetrieb, eine Garage, insbesondere eine Tiefgarage
oder ein Parkhaus, ein Parkplatz, eine Tankstelle oder dgl. ist. Dann
lassen sich das erfindungsgemäße Verfahren und
System besonders einfach in bestehende Verkehrskonzepte einbinden.
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Vorzugsweise
weist der Distributionspunkt zumindest eine Ersatzwärmequelle
auf. Dann kann Wärme auch dann an Fahrzeuge abgegeben werden,
wenn diese nicht in ausreichender Menge von Fahrzeugen bereitgestellt
wird.
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In
einer bevorzugten Weiterbildung weist der Distributionspunkt zumindest
einen Wärmespeicher, insbesondere einen ober- oder unterirdischen,
insbesondere einen Behälter- und/oder einen Erdwärmespeicher
auf.
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Zweckmäßig
sind der Wärmespeicher des Fahrzeugs und/oder der Wärmespeicher
des Distributionspunktes zumindest teilweise austauschbar ausgebildet.
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Außerdem
weist der Distributionspunkt in einer besonderen Ausgestaltung zumindest
eine Kältemaschine oder eine Wärmepumpe auf.
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Um
ohne Frostschutzmittel auszukommen, sind der Wärmespeicher,
die Wärmeträgermedienleitungen und/oder die Wärmeübertrager
etc. frostsicher ausgebildet.
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Alle
Merkmale des erfindungsgemäßen Kraft-Wärme-Kopplungs-Systems
lassen sich natürlich kombinieren.
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Weiterhin
wird selbständiger Schutz für das erfindungsgemäße
Anschlusssystem für das erfindungsgemäße
Kraft-Wärme-Kopplungs-System beansprucht, wobei der fahrzeug-
und/oder der distributionspunktseitige Anschluss an einem Doppelschlauch
angeordnet sind, wobei der Doppelschlauch bevorzugt wärmeisoliert
ausgebildet ist und insbesondere eine parallele oder koaxiale Bauweise aufweist.
Dadurch können Wärmeverluste beim Wärmeaustausch
minimiert werden.
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Zusätzlicher
Schutz wird beansprucht für das erfindungsgemäße
Anschlusssystem für das erfindungsgemäße
Kraft-Wärme-Kopplungs-System, wobei der fahrzeug- und der
distributionspunktseitige Anschluss steckbar koppelbar ausgebildet
sind, wobei bevorzugt die Kupplung gegenüber einer unbeabsichtigten
Trennung der Anschlüsse mit einer Sicherung versehen ist
und bevorzugt als flüssigkeitsdichte, insbesondere als
hermetisch dichte Kupplung ausgebildet ist. Dadurch lassen sich
die Anschlüsse besonders einfach und sicher verbinden.
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Weiterer
selbständiger Schutz wird beansprucht für das
erfindungsgemäße Anschlusssystem für
das erfindungsgemäße Kraft-Wärme-Kopplungs-System,
wobei die Kupplung mit der Startanlage, wie Zündung und
dgl., des Fahrzeugs in Verbindung steht und so ausgebildet ist,
dass im eingekoppelten Zustand der Anschlüsse ein Starten
des Fahrzeugs verhindert ist. Hierdurch wird die Sicherheit zusätzlich
erhöht.
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Die
vorgenannten erfindungsgemäßen Anschlusssysteme
lassen sich in ihren Merkmalen natürlich kombinieren, so
dass sich weitere Verbesserungen ergeben.
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Außerdem
wird selbständiger Schutz beansprucht für das
erfindungsgemäße Fahrzeug für das erfindungsgemäße
Kraft-Wärme-Kopplungs-System und/oder das erfindungsgemäße
Verfahren, wobei das Fahrzeug bevorzugt mindestens einen Speicher für
latente und/oder fühlbare Wärme aufweist. Dieses erfindungsgemäße
Fahrzeug weist einen fahrzeugseitigen Anschluss zum Austausch zumindest
von einem Teil von im Fahrzeug anfallender Wärme und/oder
im Fahrzeug zu nutzender Wärme mit einem Distributionspunkt
auf, wobei zumindest ein Teil der zu nutzenden Wärme nicht
direkt der Fortbewegung dient, sondern diese höchstens
begünstigt.
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Vorteilhaft
ist der Speicher angepasst, zumindest einen Teil der im Fahrzeug
anfallenden Wärme und/oder der im Fahrzeug zu nutzenden
Wärme und/oder der Differenz daraus zu speichern.
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Besonders
zweckmäßig steht der Wärmespeicher des
Fahrzeugs in Wärme kommunizierender Verbindung mit
- – elektrischen Akkumulatoren bzw.
Batterien oder anderweitigen Speichern von Fortbewegungsenergie,
insbesondere in Form von Wasserstoff, Erdgas, Druckluft oder anderen
energiereichen Brennstoffen, Energieträgern, Medien und/oder Hilfsstoffen,
- – dem Antriebsaggregat des Fahrzeugs selbst, bevorzugt
einem elektrischen, elektrochemischen (z. B. einer Brennstoffzelle),
hydraulischen, pneumatischen, mechanischen (z. B. einem Schwungrad)
und/oder thermischen Antrieb (z. B. Verbrennungsmotor, Gasturbine,
Stirling etc.), oder dergleichen, insbesondere
- – dem Kühlwasser (mit oder ohne Frostschutzmittel),
dem Schmieröl, der Verbrennungsluft (z. B. unverdichtet
beim Start, verdichtet beim Betrieb) und/oder anderen Arbeits- und
Hilfsstoffen und/oder
- – den Abgasen, insbesondere vor dem Katalysator (z.
B. durch Vorwärmung beim Start) und/oder nach dem Katalysator,
mit oder ohne Nutzung der Kondensationswärme (Brennwert/Heizwert),
- – dem mechanischen, hydraulischen, pneumatischen oder
elektrischen Antriebsstrang und/oder dem Verteilsystem, den Steuer-
bzw. Regelungssystemen oder den Verbrauchern dieser Energie selbst,
insbesondere dem Getriebe, den Lagern (z. B. Kugellagern, Wälzlagern
etc.), der Leistungselektronik, den Hochspannungskabeln, den Leuchtmitteln
etc.,
- – den mechanischen, hydraulischen, pneumatischen oder
elektrischen Bremsen zur beschleunigten Verzögerung des
Fahrzeugs, insbesondere Generator-, Druckluft- (u. a. Retarder),
Trommel-, Scheiben- und/oder Wasserbremsen, und/oder
- – der Kabine, dem Fahrgast-, dem Transportraum des
Fahrzeugs und/oder den transportierten Gütern selbst (für
die Beheizung, Klimatisierung und/oder den gekühlten/gefrosteten
Transport)
und dgl.
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Bevorzugt
ist das Fahrzeug ein Elektrofahrzeug. Bei diesem wird aufgrund des
Fehlens von anfallender Verbrennungswärme für
eine gesonderte Wärmeversorgung für die Klimatisierung
ohne die Nutzung der wertvollen Exergie gesorgt.
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Besonders
wünschenswert ist es, wenn der fahrzeugseitige Anschluss
gemeinsam mit einem Anschluss für Elektroenergie, Signale,
Informationen, Brennstoff, Energieträger, Hilfsmedien,
Abgas- und/oder Zuluftkondensat oder dgl. unter einem gemeinsamen
Abdeckelement, insbesondere einem Tank- oder Servicedeckel, angeordnet
ist. Dann kann mit der Wärme zugleich auch ein weiterer
Austausch, beispielsweise über einen gemeinsamen genormten Anschluss
erfolgen, so dass der Nutzer nur einen einzigen Anschluss betätigen
muss.
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Zweckmäßig
weist das erfindungsgemäße Fahrzeug und/oder der
Distributionspunkt des erfindungsgemäßen Kraft-Wärme-Kopplungs-Systems wenigstens
eine Wärmesenke auf, wobei die Wärmesenke bevorzugt
ein Heiz-, Warmwasserbereitungs- oder Klimatisierungssystem, eine
(Erd)gasentspannung, insbesondere von Hochdruck(erd)gasbetankungsanlagen,
ein Zeit- und/oder saisonaler Wärmespeicher, insbesondere
ein Erdwärmespeicher oder dgl. oder zumindest ein anderes
Fahrzeug mit Wärmespeicher ist.
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Schließlich
wird selbständiger Schutz beansprucht für den
erfindungsgemäßen Wärmespeicher für
das erfindungsgemäße Fahrzeug und/oder das erfindungsgemäße
Kraft-Wärme-Kopplungs-System, wobei der Wärmespeicher
des Fahrzeugs und/oder des Distributionspunktes Schichtleiteinrichtungen
für das Wärmeträgermedium aufweist wobei
die Schichtleiteinrichtungen bevorzugt einen das Wärmespeichervolumen zumindest
teilweise ausfüllenden offenporigen Körper, insbesondere
schwammartigen Körper insbesondere niedriger Wärmeleitfähigkeit,
aufweist..
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Weiterer
selbständiger Schutz wird beansprucht für den
erfindungsgemäßen Wärmespeicher für
das erfindungsgemäße Fahrzeug und/oder das erfindungsgemäße
Kraft-Wärme-Kopplungs-System, wobei der Wärmespeicher
des Fahrzeugs und/oder des Distributionspunktes modular aufgebaut
ist und mindestens zwei Speicherpatronen aufweist. In dieser Ausgestaltung
können die Speicherpatronen natürlich vorteilhaft
auch Schichtleiteinrichtungen aufweisen.
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Vorteilhaft
kann bei dem modularen Aufbau vorgesehen sein, dass die Speicherpatronen
untereinander über Steckverbindungen verbindbar sind. Alternativ
oder zusätzlich ist es bevorzugt, wenn die Speicherpatronen
in ein oder mehreren insbesondere stapelbaren Speicherpatronenbehältern
anordenbar sind.
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Für
den modularen Aufbau hat es sich als zweckmäßig
erwiesen, wenn die Speicherpatronen bzgl. des Flusses des Wärmeträgermediums
in Reihe und/oder parallel nach Tichelmann verschaltet sind.
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Der
erfindungsgemäße Wärmespeicher weist
bevorzugt eine frostsichere Ausführung auf.
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Vorzugsweise
ist der erfindungsgemäße Wärmespeicher
so ausgebildet, dass zumindest ein Teil der Wärme über
Veränderungen der chemischen Bindungen des Wärmeträgers
speicherbar ist.
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Auch
ist es besonders vorteilhaft, wenn der Wärmespeicher so
ausgebildet ist, dass ein Wärmeträgermedium mit
Beimengungen in gekapselter Form, insbesondere mit Eiskristallen,
PCM-Modulen oder dgl.. anreicherbar ist.
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Weiterhin
ist es von Vorteil, wenn der Wärmespeicher in Bezug auf
das Wärmespeichervolumen weniger Wärmespeichermedium
enthält und das verbleibende Volumen insbesondere durch
ein druckloses oder unter Druck stehendes gasförmiges Medium
ausgefüllt ist.
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Ferner
kann in den Wärmespeicherpatronen zumindest eine Zwischenwand,
insbesondere eine Membran oder dgl., vorgesehen sein, die das Wärmespeichervolumen
unterteilt, wobei bevorzugt ein abgeteilter Teil des Wärmespeichervolumens
mit einem gasförmigen Medium gefüllt ist.
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Schließlich
kann der Wärmespeicher vorteilhaft angepasst sein, Kondensat
aus dem Abgas oder der Zuluft des Fahrzeugs als Wärmeträgermedium aufzunehmen.
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Im
Folgenden wird nun die erfindungsgemäße Kraft-Wärme-Kopplung
anhand detaillierter Darstellungen verdeutlicht, wobei es vor allem
um Fragen der detaillierten Umsetzung, die die Erfindung allerdings
nicht beschränkt, und der Wirtschaftlichkeit geht.
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Für
die Sammlung der bei dem üblichen Betrieb eines Kraftfahrzeugs
mit Verbrennungsmotor entstehenden Wärme auf den in der
Praxis meist anzutreffenden Kurzstrecken sind vergleichsweise kleine
Speichergrößen erforderlich. Die Wärme
kann auf einem relativ hohen Temperaturniveau von ca. 90°C oder
auch darüber über längere Zeit gespeichert
werden, was es problemlos mit verfügbaren Technologien
möglich macht, im täglichen Leben erforderliche Niedertemperaturprozesse
wie z. B. die Heizung, Warmwasserbereitung und Klimatisierung von
Gebäuden usw. zu betreiben.
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In
dieser Betriebsart der vorliegenden Erfindung, wenn die bei der
Fortbewegung des Kraftfahrzeugs anfallende Wärme zur Nutzung
durch einen Dritten verwendet wird, handelt es sich also um eine Kraft-Wärme-Kopplung.
Alternativ kann der Antrieb auch ohne Fortbewegung des Fahrzeugs
betrieben werden. Beispielsweise kann das Fahrzeug im Stillstand
als Blockheizkraftwerk betrieben werden, wobei dann aufgrund der
Erzeugung von Elektroenergie ebenfalls eine Kraft-Wärme-Kopplung
vorliegt.
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Die
Vorteile der erfindungsgemäßen Lösungen
einer solchen Form der örtlich und zeitlich getrennten
Speicher-gebundenen Kraft-Wärme-Kopplung sind die volkswirtschaftlich
erzielbaren Energieeinsparungen von bis zu ca. 40% gegenüber
getrennten Prozessen, ein bedeutender Anstieg des Kraftstoffnutzungsgrades
im Kraftfahrzeug mit Ottomotor von derzeit nur ca. 26%, und des
Energienutzungsgrades von maximal ca. 54% bei getrennter Umwandlung
der Energieträger in Fortbewegungs- und Wärmeenergie,
auf bis zu ca. 90% (bei Brennwertnutzung aus den Abgasen) bei gekoppelter
Nutzung, sowie die entsprechende Verringerung oder Eliminierung
intern wie extern erforderlicher Komponenten wie Autokühler,
Heizkessel, Wärmespeicher, Wärmeübertrager
etc., der damit verbundenen Wärmeverluste, klimarelevanten
Emissionen etc.
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Bei
in Deutschland zu ca. 50% üblichen Fahrstrecken von maximal
6 km (Quelle: Mobilität in Deutschland 2002; www.kontiv2002.de)
fällt in verbrennungsmotorisch angetriebenen Fahrzeugen
relativ wenig Wärme für eine Wärmespeicherung
für externe Prozesse an. Hier wird sich voraussichtlich vorrangig
die Elektromobilität durchsetzen.
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Bei
Entfernungen von 6 bis 15 km sind je nach Wärmenutzungsgrad
und Verbrennungsverfahren im Kraftfahrzeug zwischen 7 und 16 handelsübliche
Wärmespeicherpatronen in Form von Thermoskannen ähnlichen
Behältern mit einem Inhalt von ca. 5,2 kg und einem Wärmeinhalt
von ca. 600 Wh bei einer Spreizung von –20°C auf
90°C erforderlich, um die anfallende Wärme vollständig
aufzunehmen. Hier werden ca. 24% der täglichen Wegstrecken
mit dem motorisierten Individualverkehr (MIV) zurückgelegt.
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Bei
den statistisch ca. 26% über 15 km Entfernung hinaus anfallenden
Fahrten kann – je nach Wärmenutzungsgrad und Verbrennungsverfahren
im Kraftfahrzeug – bis ca. 60 km Entfernung sämtliche anfallende
Wärme in bis zu ca. 25 serienmäßigen Wärmespeicherpatronen
sinnvoll gespeichert und genutzt werden.
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Mit
den Wegstrecken zwischen 6 und 60 km Entfernung können
somit über 45% der täglich allein mit dem MIV
anfallenden Wegstrecken wirtschaftlich für eine Kraft-Wärme-Kopplung
im Kraftfahrzeug zugänglich gemacht werden. Dies entspricht über 735.437.000
km/d. Dabei entsteht eine Energieeinsparung von ca. 16 bis 40%,
der Energienutzungsgrad erreicht 65 bis 90%. Der für die
Fortbewegung erforderliche Brennstoffverbrauch sinkt auf 70 bis 39%.
So können täglich maximal knapp 259.900 MWh/d
an Energie eingespart werden. Bei einer Nutzung an ca. 200 Tagen
im Jahr wären somit in Deutschland maximal ca. 51,9 Mrd.
kWh/a entspr. 6,38 Mio. t SKE/a an Brennstoff oder 5,18 Mrd. m3/a an (Erd)gas allein mit der Kraft-Wärme-Kopplung
im MIV einzusparen. Dies entspricht etwa 8,5% der im Jahr 2007 in
deutschen Haushalten verbrauchten Energie (Energieflussbild 2007
für die Bundesrepublik Deutschland; Arbeitsgemeinschaft
Energiebilanzen AGEB), bzw. ca. 50% der für die Warmwasserbereitung
normengerecht erforderlichen Wärme (18 kWh/m2a;
ohne Zirkulationsverluste). Damit wäre die Energieeinsparung
mit der Kraft-Wärme-Kopplung im MIV z. B. um ca. das 9,8
fache höher, als die mit der Solarthermie im Jahr 2008
in Deutschland erreichte Substitution herkömmlicher Energieträger (Bund
Erneuerbare Energie e. V.; Pressemitteilung 01/09; www.bee-ev.de).
Geht man davon aus, dass mit der Wärme im Wesentlichen
(Erd)gas als bevorzugter Energieträger im Neubau verdrängt
wird, so entsteht eine maximale Minderung der CO2-Emissionen
um ca. 11,5 Mio. t CO2/a.
-
Um
hier eine optimale Anpassung an die Wegstrecken zu erreichen, wird
die im Kraftfahrzeug zu installierende Wärmespeichergröße
nach der durchschnittlichen Fahrstrecke des jeweiligen Fahrzeugs
und dem Umfang der Auskopplung der anfallenden Wärme bemessen.
Die Wärmenutzung kann durch Zirkulation des in den Wärmespeichern
befindlichen Wärmeträgermediums mit im Fahrzeug
oder extern befindlichen Zirkulationspumpen direkt oder über
Wärmeübertrager und die Wärmeabgabe an
geeignete Wärmesenken wie die Heiz-, Warmwasserbereitungs-
oder Klimatisierungssysteme von Gebäuden wie dem Wohnhaus
oder Arbeitsort des Kraftfahrzeugführers selbst oder dritter
Wärmeverbraucher erfolgen. Dazu wird zwischen der Wärmesenke
und dem im Kraftfahrzeug befindlichen Wärmespeicher temporär
eine wärmegedämmte vorzugsweise steckbar koppelbare
Doppelschlauchverbindung gespannt.
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Um über
eine Entfernung von 60 km hinaus mit Wärmespeichern auf
sensibler Funktionsweise sämtliche anfallende Wärme
wirtschaftlich auffangen zu können, sind bereits unterwegs
Wärmesenken zu bedienen. Hierfür ist es erforderlich,
Wärmeentladungsstellen (Distributionspunkte) zu schaffen,
vorzugsweise z. B. an vorhandenen Tank- und/oder Raststellen oder
an anderen öffentlich zugänglichen Orten, wo ggf.
gegen Entgelt die bereits gespeicherte Wärme übernommen
wird. Bei Entgeltzahlung für die abgelieferte Wärme
können die Brennstoffkosten in gleicher Höhe gesenkt
werden.
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Die
Wärmeabgabe kann in kürzester Zeit durch Abkühlung
des Speichermediums über interne oder externe Wärmeübertrager,
oder einfacher durch direkten Austausch des warmen Wärmeträgermediums
gegen kaltes erfolgen. Die Wärmeentladungsstellen können
dann die übernommene Wärme sinnvoll direkt selbst
nutzen oder an Dritte abgeben. Das neue Wärmeangebot können
z. B. die Fahrzeugführer nutzen, die an diesem Tag gerade
nicht die erforderliche Wegstrecke zurückgelegt haben,
um die eigenen Wärmespeicher vollständig zu laden.
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Die
Distribution von Wärme an Tankstellen ermöglicht
weiterhin die Abgabe von Wärme an Dritte, die an der Tankstelle
oder in deren Umgebung angefallen ist, z. B. in Form von Wärme
an Gasverdichtern von Hochdruck(erd)gasbetankungsanlagen, aus in
der Nähe befindlichen Industriebetrieben, von Solaranlagen
auf dem Tankstellendach etc.
-
Desweiteren
können Elektrofahrzeuge ihren Bedarf an Heizwärme
für die eigene Fahrgastraumbeheizung oder externen Verbrauch
an Tankstellen von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor übernehmen
und in ebensolche fahrzeuginternen Wärmespeicher tanken.
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Auch
kann der fahrzeuginterne Wärmespeicher im Sommer auch als
Kältespeicher für die Klimatisierung des Fahrgastraums
oder für externen Verbrauch genutzt werden. Dies kommt
wiederum Elektrofahrzeugen besonders zugute, da die Klimatisierung
des Fahrgastraums die Kapazität des elektrischen Akkumulators
schmälern und die überbrückbare Wegstrecke
weiter beschränken würde. An den Tankstellen kann
mittels der aufgekauften Wärme zentralisiert Kälte
produziert und abgegeben werden, z. B. mit Absorptions- oder Adsorptionswärmepumpen.
Im Kraftfahrzeug entfallen auf diese Weise die individuelle Klimaanlage,
die damit verbundenen Kosten für Anschaffung, Betrieb und
Wartung, die Emission von Kältemitteln in die Umwelt etc.
Diese Art der Klimatisierung ist natürlich auch für
Fahrzeuge mit Verbrennungsmotoren nutzbar.
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Die
Distribution von Kälte ermöglicht ebenso die Abgabe
von Kalte, die an der Tankstelle oder in deren Umgebung angefallen
ist, z. B. in Form von (Ab)kälte aus der (Erd)gasentspannung
an Hochdruck(erd)gasbetankungsanlagen, aus in der Nähe befindlichen
Industriebetrieben, von saisonalen Kältespeichern oder
Erdbohrungen auf dem Tankstellengelände etc.
-
Da
Wärme wegen der Dissipation in die Umwelt nicht unbegrenzt
gelagert werden kann und das Temperaturniveau des Wärmeträgers
sich beständig dem der Umgebung annähert, ist
möglichst für eine unmittelbare Nutzung zu sorgen.
Analoges gilt für die gespeicherte Kälte. Ist
dies nicht möglich, so kann über eine latente
Speicherung eine längere Zeit ohne Temperaturabsenkung überbrückt
werden. So ist die Kältespeicherung mittels Eis aus Wasser
oder anderen Medien seit langem üblich. Auch Wärme
wird mit Latentwärmespeichermedien auf festen Temperaturniveaus
eingespeichert, gelagert und wieder freigegeben. Chemische Speicher
ermöglichen die verlustfreie Speicherung von Wärme.
Es besteht die Möglichkeit, die latent oder chemisch gebundene
Energie dem Wärmeträgermedium in gekapselter Form
beizugeben. Damit bleibt der Wärmeträger bei höherer Wärmekapazität
pumpbar. Ein Beispiel hierfür ist flüssiger Eisbrei.
-
Beispiele der Kraft-Wärme-Kopplung
in Kraftfahrzeugen und deren Wirtschaftlichkeit
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Bei
- – einer in Deutschland durchschnittlichen
täglichen Wegstrecke von ca. 15 km mit dem MIV (Mobilität
in Deutschland 2002; www.kontiv2002.de),
- – einem Kraftfahrzeug mit Ottomotor mit einem durchschnittlichen
Verbrauch in Höhe von ca. 7 Ltr./100 km,
- – der Nutzung von 100% der Wärme des Kühlwassers,
des Schmieröls und des Abgases (Heizwert-bezogen),
- – einer Benutzung des Kraftfahrzeugs an ca. 200 Tagen
im Jahr,
- – einem Benzinpreis von ca. 1,54 Euro/Ltr., entspr.
ca. 0,17 Euro/kWh,
- – einem Mehrpreis der zusätzlichen Ausrüstungen im
Kraftfahrzeug wie den 13 Wärmespeicherpatronen in Höhe
von ca. 530,- EUR,
- – wird eine Rückflussdauer einer Anlage zur
Wärmespeicherung im Kraftfahrzeug von ca. 3,2 Jahren entspr.
einer Gesamtfahrstrecke von ca. 9.800 km möglich.
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Mit
den ca. 1.000 kWh nutzbar gemachter Wärme jährlich
lässt sich ein durchschnittliches Wohnhaus mit einer Wohnfläche
von ca. 102 m2 normgerecht mit Warmwasser
versorgen (18 kWh/m2a; ohne Zirkulationsverluste).
Dies entspricht ca. 129 Ltr./d Warmwasser mit 10/45°C (Kalt-/Warmwassertemperatur)
täglich.
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Die
Energieeinsparung gegenüber der getrennten Energieumwandlung
im Kraftfahrzeug und in einem Heizkessel mit ca. 90% Nutzungsgrad
beträgt ca. 32,3%, der Gesamtenergienutzungsgrad steigt
um ca. 26%, von ca. 54% auf ca. 80% (Heizwert- Nutzung aus den Abgasen),
der für die Fortbewegung erforderliche Benzinverbrauch
sinkt um ca. 50% auf ca. 3,5 Ltr./100 km, das Gewicht der zusätzlichen
Ausrüstungen im Kraftfahrzeug beträgt ca. 87 kg
entspr. ca. 66 Litern Wärmeträgermedium, und der für
den Transport der zusätzlichen Masse entstehende Mehrverbrauch
in Höhe von ca. 1,7% wurde bei den Betrachtungen berücksichtigt.
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Bei
einem Kraftfahrzeug mit Dieselmotor mit einem durchschnittlichen
Brennstoffverbrauch von ca. 5,3 Ltr./100 km müssen täglich
ca. 19,5 km zurückgelegt werden, um denselben Wärmespeicher aus
13 Patronen vollständig mit Wärme aus Kühlwasser,
Schmieröl und Abgas (Heizwert-bezogen) zu befüllen.
Der für die Fortbewegung erforderliche Brennstoffverbrauch
sinkt um ca. 53% auf ca. 2,8 Ltr./100 km. Die Rückflussdauer
einer Anlage zur Wärmespeicherung steigt geringfügig
auf ca. 3,6 Jahre.
-
Die
kürzeste Rückflussdauer von ca. 2,5 bzw. 2,8 Jahren
und damit ein wirtschaftliches Optimum werden bei ca. 25 Wärmespeicherpatronen
und einer Fahrstrecke von 28,6 bzw. 36,1 km/d erreicht. Eine kürzere
Wegstrecke zur Befüllung derselben Wärmespeichergröße
wird möglich, wenn nicht nur die heizwertbezogene Wärme
der Abgase genutzt wird, sondern auch der Brennwert. Gelingt es
nicht, die entstehende Wärme zu 100% aufzufangen, sondern
entstehen größere Verluste in die Umwelt, so wirkt
sich dies erhöhend auf die erforderliche Wegstrecke zur
vollständigen Befüllung der Wärmespeicherpatronen
aus. Gleiches gilt im Winter, wo eine nicht unbedeutende Wärmemenge
bereits für die Beheizung des Fahrgastraumes erforderlich
wird.
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An
den Tagen, an denen das Kraftfahrzeug weniger genutzt wird oder
steht – in dem angeführten Beispiel an 165 Tagen
im Jahr, ist eine Ersatzwärmequelle (im Haus oder an der
Tankstelle) erforderlich. Dies kann umgangen werden, wenn die Warmwassernutzung
dem Betrieb des Kraftfahrzeuges weitestgehend angepasst wird (oder
ggf. auch umgekehrt), man also zu diesbezüglichen Kompromissen
in der Lage und bereit ist.
-
Ebenfalls
besteht die Möglichkeit, das Antriebsaggregat des Kraftfahrzeugs
an diesen Tagen als Blockheizkraftwerk zu betreiben (d. h. dass
das Fahrzeug zwar nicht gefahren wird, der Antriebsstrang jedoch
als Elektro- und Wärmegenerator in der Garage sinnvoll
betrieben wird, wobei man zwar keine Fahrstrecke zurückgelegt
hat, aber die in Kraft- Wärme-Kopplung genutzte Energie
und damit der Gesamtenergienutzungsgrad weiter steigen), also mit
diesem Elektroenergie zu erzeugen, diese selbst zu verbrauchen,
in einen Akkumulator oder ggf. in ein Niederspannungsnetz einzuspeisen
und die freiwerdende Wärme im zugeordneten Haushalt zu
nutzen. Die besten Voraussetzungen hierfür bieten (Voll-)Hybridfahrzeuge.
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In
der Zeit der Abwesenheit des Fahrzeugs von dem mit Wärme
zu versorgenden Haushalt kann dieser – sofern erforderlich – aus
einem Zwischenspeicher bedient werden. In diesen wird die Wärme aus
dem Kraftfahrzeug eingespeist, indirekt über einen Wärmeübertrager
oder besser direkt durch den Austausch des Wärmeträgers.
Wenn der Zwischenspeicher in seiner Kapazität größer
ausgelegt wird, als der im Kraftfahrzeug enthaltene Speicher, so kann
die in der Woche ggf. nicht genutzte Wärme in Form der
in dem betrachteten Beispiel maximal bereitstehenden ca. 645 Ltr.
warmen Wassers für das Wochenende aufgespart werden.
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Bei
täglich stark schwankenden zurückzulegenden Wegstrecken
besteht die Möglichkeit, den Wärmeträger-Inhalt
des Wärmespeichers oder aber die Anzahl der im Fahrzeug
platzierten Wärmespeicherpatronen zu ändern. Hierfür
können die Wärmespeicherpatronen in leichte, stabile,
gut handhabbare und bei Bedarf stapelbare Flaschenkästen
integriert und mit Steckverbindungen untereinander verbunden werden.
Diese Flaschenkästen werden dann bevorzugt im Kofferraum
oder unter dem Fahrzeugboden platziert und fixiert. Wenn einmal
dieser Platz für anderweitiges Gepäck benötigt
wird, z. B. für sperrige Güter oder bei einer
Urlaubsreise, können die Wärmespeicherpatronen
zeitweilig entfernt und eingelagert werden.
-
Eine
andere Möglichkeit der bedarfsgerechten Anpassung der speicherbaren
Wärmemenge besteht in der Anpassung des Wärmespeicherinhalts bei
konstantem Wärmespeichervolumen. So kann das Wärmespeichermedium
bedarfsgerecht getankt oder abgelassen werden. Der freie Raum im
Wärmespeicher wird zum Beispiel durch drucklose oder unter
Druck stehende Luft ersetzt.
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Die
Wärmespeicher können auch als Membrangefäße
ausgeführt sein. Die Membran teilt das Gefäß in
zwei Bereiche, wobei der eine mit Wärmespeichermedium,
der andere mit einem Gas wie Luft, Stickstoff oder ähnlichem
gefüllt ist. Je nach Füllungsstand variiert der
Druck im gasförmigen Medium. Auf diese Art werden nun auch
die Ausdehnung des Wärmespeichermediums bei der Erwärmung und
die Kontraktion bei der Abkühlung kompensiert.
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Eine
weitere sehr effiziente Möglichkeit der Befüllung
des Wärmespeichers mit Wärmespeichermedium während
der Fahrt besteht in der Aufnahme von bei der Brennwertnutzung aus
dem Abgas frei werdendem Kondensat in einen gesonderten Behälter
oder direkt in den Wärmespeicher. So wird die Umwelt gleichzeitig
vor dem leicht saueren Kondensat geschützt. Das Kondensat
kann noch im Fahrzeug oder später im Distributionspunkt
selbst oder in dem an diesen angeschlossenen Kanalisationssystem
in der Mischung mit basischen Medien neutralisiert werden.
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Die
Wärme wird dem Speicher im Kraftfahrzeug entnommen, indem
ein leichter isolierter Doppelschlauch in paralleler oder koaxialer
Bauweise mit einer Sicherheits-Kupplung an ein am Kraftfahrzeug vorhandenes
Gegenstück gekoppelt wird. Diese Kupplung wird optimal
unter dem Tankdeckel angeordnet. Beim Einkuppeln entsteht eine tropfenfreie hermetische
Verbindung, über die kein Wärmeträger in
die Umwelt und keine Luft in das geschlossene Flüssigkeitssystem
gelangt. Eine möglichst internationale Standardisierung
der Kupplungen, Wärmespeicher, Flaschenkästen
etc. ist anzustreben. Dann können die Wärmespeicher
in verschiedenen Fahrzeugen eingesetzt und auch später
bzw. alternativ nachgenutzt werden. Um ein versehentliches Abfahren
ohne Trennung der Kupplung zu verhindern, sollte sich an der Steckdose
ein Kontakt befinden, der z. B. die Zündung im verbundenen
Zustand unterbricht.
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Neben
den medienführenden Schläuchen kann die Kupplung
auch eine Steckdose für parallel geführte elektrische
Kabel enthalten, um Signale und/oder elektrische Spannung aus und
in das Kraftfahrzeug zu leiten. So kann die im Akkumulator gespeicherte
in Kraft-Wärme-Kopplung erzeugte elektrische Energie z.
B. auch zum Antrieb der erforderlichen Umwälzpumpe für
das Wärmeträgermedium genutzt werden. Ein Signal über
den Füllungsgrad des Wärmespeichers kann dazu
genutzt werden, auf eine alternative Wärmequelle umzuschalten
oder vor Fahrtbeginn die Restwärme aus dem Wärmespeicher
im Kraftfahrzeug in den externen Wärmespeicher gezielt
umzuladen, oder dem entgegen vor Fahrtbeginn Wärme aus
dem Hauseigenen Wärmespeicher in den externen Wärmespeicher
des Kraftfahrzeugs umzuladen, um das Kaltstartverhalten zu verbessern
oder den Fahrgastraum angenehm zu temperieren.
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Durch
die geringen Wärmeverluste der mit Vakuum optimal gedämmten
Wärmespeicherpatronen besteht die Möglichkeit,
Wasser als Wärmeträger einzusetzen. Wasser ist
umweltneutral, hat die besten Stoffkennwerte bzgl. Wärmekapazität,
Pumpfähigkeit und Wärmeübergang. Es würden
je nach Umgebungstemperatur mehrere Tage vergehen, bis dieses sich
von ca. 80°C bis auf den Gefrierpunkt abkühlt.
Bei Gefahr des Einfrierens kann das Kraftfahrzeug in einer frostsicheren
Garage untergestellt oder der Wärmespeicher aus dem Kraftfahrzeug
entnommen und frostsicher eingelagert werden, oder ggf. das Wasser
kurzzeitig mit elektrischer Energie aus dem Akkumulator temperiert
werden. Weitere Alternativen wären, das Wasser ggf. zu
entleeren oder besser den Wärmespeicher, die Anschlussleitungen und
Wärmeübertrager frostsicher auszuführen.
Eine technische Lehre hierfür ist u. a. in
DE 100 39 111 B4 gegeben.
Sie würden dann bei einem eventuellen Einfrieren und erneuten
Auftauen des Wasserinhalts nicht beschädigt werden. Frostschutzmittel
werden dagegen nicht bevorzugt, da sie sehr kostenintensiv sind,
schlechtere Stoffkennwerte haben als Wasser und nicht umweltneutral
sind.
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Eine
Erweiterung der Kraft-Wärme-Kopplung im Kraftfahrzeug kann
z. B. auch dadurch erreicht werden, dass die beim Bremsen des Kraftfahrzeugs frei
werdende Wärmeenergie in den Wärmespeicher eingebracht
wird. Diese Form der Rückgewinnung der Bewegungsenergie
ist z. B. mit wassergekühlten Bremsen oder so genannten
hydraulischen bzw. Wasserbremsen möglich.
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Sofern
eine Solaranlage in dem zu versorgenden Haushalt vorhanden ist,
lässt sich die gespeicherte Wärme aus dem Kraftfahrzeug
besonders einfach nutzen, indem die beiden Wärmeträgerkreisläufe
miteinander direkt gekoppelt werden. Der Wärmespeicher
des Kraftfahrzeugs kann dann wie eine gesonderte Kollektorbank behandelt
werden, was in vielen Solarregelungen bereits vorgesehen ist. Befindet
sich hingegen im Haushalt eine Wärmepumpe, so kann mit
dieser das Wärmeträgermedium im kraftfahrzeuginternen
Wärmespeicher besonders tief ausgekühlt werden
und so zur Klimatisierung oder zur Erhöhung des Nutzungsgrads
(wenn eine im Haus befindliche Wärmepumpe genutzt wird,
um den Fahrzeugspeicher auszukühlen, damit dieser Speicher
bei Fahrt mehr Wärme aufnehmen kann, erhöht sich
die nutzbare Wärmemenge im Fahrzeug, und im Gesamtverbund
mit dem Haus erhöht sich die in Kraft-Wärme-Kopplung
genutzte Energiemenge) der Wärme und des Speichers dienen.
Beide Nutzungsmöglichkeiten lassen sich besonders vorteilhaft
auch kombinieren.
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Die
Beheizung bzw. Kühlung des Fahrgastraumes ist energieintensiv,
da der Fahrgastraum meist nicht gezielt gegen Wärmeverluste
gedämmt ist, ein sehr guter Wärmeübergang
an der Fahrtwind umströmten Karosserie erfolgt und eine
große Aufheizung durch die direkte Sonneneinstrahlung entsteht.
Andererseits wird nur ein geringer Teil der Fahrgastraum-Beaufschlagung
im Umluftbetrieb durchströmt. Die meiste konditionierte
Luft verlässt diesen bei hohen Luftwechselraten sofort
wieder. Mit dem Wärmeträgerkreislauf und den darin
eingebundenen Wärme- bzw. Kältespeichern besteht
nun die Möglichkeit, die konditionierte Luft am Austritt
aus dem Fahrgastraum wieder nahezu in den Urzustand der Umgebungsluft
zu versetzen, indem indirekt mit einem Wärmeübertrager,
also einem Rekuperator unmittelbar oder in einem Verbundsystem (aus
zwei Wärmeübertragern, verbunden mit zwei Rohrleitungen
und einer Umwälzpumpe) mittelbar, oder mit einem bzw. zwei
Regeneratoren (aus einer Speichermasse, z. B. aus Keramik, Aluminium,
Guss etc., die wechselweise mit den beiden Luftströmen
erwärmt und abgekühlt werden) direkt die Wärme
bzw. Kälte an die Zuluft weitestgehend übertragen
oder zeitweilig in den Wärmespeicher eingelagert wird.
Dabei ist wesentlich, dass konditionierte Luft im Fahrgastraum für
den Fahrgast angenehme Parameter (t, rH) hat, die sich vom Urzustand
der Umgebungsluft zum Teil sehr stark unterscheiden. Wenn die Abluft
wiederum nahezu in diesen Urzustand versetzt wird, kann die für
die Konditionierung erforderlich gewesene Energie für die
Erwärmung, Kühlung bzw. für die Lufttrocknung
mit hohem Rückgewinnungsgrad der Zuluft zugeführt
und damit erhalten werden.
-
Durch
eine Serienschaltung der einzelnen Speicherpatronen kann die gespeicherte
Kälte durch die im Betrieb gesammelte Wärme des
Verbrennungsprozesses, der Abluft des Fahrgastraumes und der Bremsen
etc. verdrängt bzw. ersetzt werden. So sind stets alle
Speicherpatronen sinnvoll genutzt. Hierzu sind die Speicherpatronen
mit entsprechenden Schichteinrichtungen speziell ausgelegt. Hier soll
also in den Patronen vor Fahrtantritt Kälte gespeichert
sein zur Klimatisierung und diese Kälte wird verbraucht
und kann sukzessive durch Wärme ersetzt werden, die wiederum
an dritte Verbraucher abgegeben wird. Hierfür gibt es verschiedene
bereits bekannte Schichteinrichtungen, z. B. Lochbleche, Siebgewebe
etc. Bevorzugt umfasst die Schichteinrichtung in den Wärmespeicherpatronen
einen das Innere teilweise oder vollständig ausfüllenden
offenporigen Körper, insbesondere Schwammkörper,
bevorzugt aus Material niedriger Wärmeleitfähigkeit, der
die Schichtung weiter verbessert.
-
Es
soll nicht unerwähnt bleiben, dass die vorgeschlagene Schichtleiteinrichtung
auch außerhalb des Fahrzeugs in Wärmespeichern
vorteilhaft genutzt werden kann. Ferner sind die einzelnen aufgezeigten
Elemente auch einzeln nutzbar und müssen nur bei Bedarf
und Wirtschaftlichkeit zu einem Gesamtsystem ausgebaut werden. Auch
der Wirtschafts- und der öffentliche Verkehr können
mit Wärme-Kälte-Speichern besonders sinnvoll und
wirtschaftlich zu Systemen der Kraft-Wärme-Kopplung ausgerüstet
werden. Hier ist es überdies egal, ob die vorgeschlagenen
Einrichtungen sich im Triebfahrzeug oder einem von diesem gezogenen
Anhänger befinden.
-
Zusammenfassend
bestehen bei der vorliegenden Erfindung folgende Vorteile:
- – die große mögliche
Energie- und CO2-Einsparung von maximal
ca. 40% im Verkehr und Haushalt durch den maximal möglichen
Energienutzungsgrad von ca. 90%,
- – die Möglichkeit der sofortigen Umsetzung
durch die Nutzung erprobter und bewährter Systeme und Komponenten,
also von Verbrennungsmotor getriebenen Kraftfahrzeugen, handelsüblichen Wärmespeichern,
Wärmeübergabestationen etc.,
- – die geringen Zusatzkosten für die Ausrüstung
eines Kraftfahrzeugs mit den erforderlichen Komponenten – es
handelt sich beim Automobilbau um Großserienproduktion
- – die Möglichkeit der preiswerten Nachrüstung
in bereits in Gebrauch befindlichen Kraftfahrzeugen,
- – die Universalität der gespeicherten Wärmeenergie
durch das hohe mögliche Temperaturniveau des Wärmeträgers,
da im Kraftfahrzeug im Durchschnitt ein Kühlwassertemperaturniveau
von mindestens 80°C ansteht, und mit der Abgaswärme theoretisch
ein noch wesentlich höheres Temperaturniveau erreicht werden
kann, mit dem man jeder Zeit heizen oder hygienisch Warmwasser bereiten,
oder die man in Kälte umwandeln kann, was z. B. bei einer
Solaranlage nur bei ausreichender Sonneneinstrahlung und meist nur
von April bis Oktober möglich ist,
- – die hohe Flexibilität bei der Nutzung des
Systems – der Fahrer des Kraftfahrzeugs kann den Umfang
der Wärmenutzung frei bestimmen, obwohl es im persönlichen
wie im öffentlichen Interesse natürlich geboten
ist, diesen zu maximieren, steht die Mobilität weiter im
Vordergrund – auch über weitere Strecken, als
z. B. mit derzeit verfügbaren elektrischen Akkumulatoren
oder Gasspeicherflaschen möglich ist,
- – der geringe Aufwand und die kurze Zeitdauer, um die
Wärme den Speichern im Fahrzeug zu entnehmen oder diese
von extern zu beladen,
- – die hohe Sicherheit der Technologie – wie
bei Kraftstofftanks, Wärmespeichern etc. ist die Technik
der Flüssigkeitsspeicherung im Kraftfahrzeug erprobt, der
Wärmeträger kann nur bei sehr schweren Unfällen
ggf. in die Umwelt entweichen, ist aber meist biologisch abbaubar,
brennt und explodiert nicht, wäre bei Wasser völlig
umweltneutral und könnte lediglich mit seiner hohen Temperatur
ein Gefahrenpotential darstellen, was durch die Platzierung im Fahrzeugboden
oder Kofferraum jedoch gering ist und
- – die Zukunftstauglichkeit/Nachhaltigkeit
- – auch bei der Verbrennung von alternativen Kraftstoffen
entsteht durch die Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung
ein zusätzlicher Nutzen,
- – Elektrofahrzeuge sind im Winter beheizbar und im
Sommer klimatisierbar – die zur Verfügung stehende
Energiemenge für die Fortbewegung wird durch die Entnahme
von wertvoller Exergie aus dem elektrischen Akkumulator – im
Winter für die Beheizung und im Sommer für die
Klimatisierung des Fahrgastraumes nicht mehr reduziert, eine Zusatzheizung
mit Benzin oder Diesel oder eine elektrische Klimaanlage werden überflüssig;
die Wärme- bzw. Kältespeicherung kann also umgekehrt
auch zu einer zeitlich versetzten Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung
mit Wärmequellen außerhalb von Elektromobilen
dienen,
- – die lange Lebensdauer und die Nach- bzw. Umnutzbarkeit
der Wärme- bzw.
- Kältespeicherpatronen und
- – die allmähliche Umnutzung der bereits vorhandenen
verkehrstechnisch gut gelegenen Infrastruktur der öffentlichen
Tankstellen für die Distribution von Wärme und
Kälte; während durch das Laden von elektrischen
Akkumulatoren an heimischen oder öffentlichen Steckdosen
die Tankstellen zunehmend bedeutungslos würden, können sie
durch den ansteigenden Handel mit Wärme und Kälte
weiter bestehen und eine sinnvolle neue Funktion übernehmen.
-
Dabei
sind folgende Besonderheiten für eine optimale Anpassung
zu berücksichtigen:
- – es
ist in den meisten Fällen die erforderliche Infrastruktur
auf der Seite der Wärmenutzung noch zu schaffen, die vorhandene
anzupassen oder auszutauschen, dies betrifft die individuelle wie die öffentliche
Nutzung der gespeicherten Wärme bzw. Kälte,
- – der Stellplatz des Kraftfahrzeugs ist nicht immer optimal
für die Wärmenutzung gelegen – größere Abstände
führen zu entsprechenden Wärmeverlusten. Einfamilien-
und Reihenhäuser sowie Tiefgaragen und Parkhäuser
bieten hierfür die besten Voraussetzungen und
- – bei 50% der durchschnittlich zurückgelegten Entfernungen
bis ca. 6 km ist eine Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung
voraussichtlich erst mit Elektromobilen sinnvoll.
-
Um
die Merkmale und Vorteile der Erfindung weiter zu verdeutlichen,
werden nun bevorzugte Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung
erläutert. Dabei zeigen:
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1 das
erfindungsgemäße Fahrzeug in einer ersten Ausgestaltung,
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2 das
erfindungsgemäße Fahrzeug in einer zweiten Ausgestaltung,
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3 eine
erste Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Kraft-Wärme-Kopplungs-Systems mit
dem erfindungsgemäßen Distributionspunkt in einer
ersten Ausgestaltung in Zusammenwirkung mit dem erfindungsgemäßen
Fahrzeug nach 1,
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4 eine
zweite Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Kraft-Wärme-Kopplungs-Systems mit
dem erfindungsgemäßen Distributionspunkt in einer
zweiten Ausgestaltung in Zusammenwirkung mit dem erfindungsgemäßen
Fahrzeug nach 1,
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5 eine
dritte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Kraft-Wärme-Kopplungs-Systems mit
dem erfindungsgemäßen Distributionspunkt in einer
dritten Ausgestaltung in Zusammenwirkung mit dem erfindungsgemäßen
Fahrzeug nach 1, und
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6 das
erfindungsgemäße Fahrzeug in einer dritten Ausgestaltung.
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In
den 1 bis 6 sind rein schematisch bevorzugte
Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung dargestellt. Dabei sind
gleiche oder ähnliche Teile mit gleichen oder ähnlichen
Bezugszeichen versehen und teilweise wurde auf die wiederholte Angabe
von Bezugszeichen verzichtet.
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1 zeigt
das erfindungsgemäße Fahrzeug 1 in einer
ersten bevorzugten Ausgestaltung. Das Fahrzeug 1 weist
ein Antriebsaggregat 2, üblicherweise einen Verbrennungsmotor
für Benzin- oder Dieselkraftstoff auf, und einen Wärmespeicher 3,
der sowohl mit dem Kühlkreislauf des Antriebsaggregats 2 als
auch mit einem Anschluss 4 in Wärme leitender Verbindung
steht, wobei die Verbindung über ein Wärmeträgermedium
bereit gestellt wird, das in speziellen, bevorzugt wärmegedämmten
Leitungen 5 geführt wird. Der fahrzeugseitige
Anschluss 4 zum Austausch von Wärme mit einem
Distributionspunkt (nicht gezeigt) liegt zusammen mit dem Anschluss 6 für
die Kraftstoffzufuhr unter einem gemeinsamen Tankdeckel (nicht gezeigt).
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2 zeigt
mit dem Fahrzeug 1' eine alternative Ausgestaltung des
Fahrzeugs 1 nach 1, wobei
hier zusätzlich eine Wasserbremse 7 und zur Heiz-
bzw. Brennwertnutzung ein Abgaswärmeübertrager 8 in
den Kühl- und Heizkreislauf des Antriebsaggregats 2 unter
Zwischenschaltung eines Wärmeübertragers zur Rückgewinnung
der (Ab)wärme aus der Abluft des Fahrgastraumes 9 des
Fahrzeugs 1' eingebunden sind.
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Die
Größe und Anzahl der Wärmespeicher 3 ist
nach der täglich im Durchschnitt zurückzulegenden
Fahrstrecke ausgelegt. Damit wird der Inhalt des Wärmespeichers
während der Fahrt etwa einmal vollständig umgewälzt.
Die einzelnen Wärmespeicher 3 sind in Reihe geschaltet.
Das Wärmeträgermedium wird dem äußeren
Wärmespeicher 3 mit einer Temperatur von ca. 12°C
entnommen und dem Wärmeübertrager zur Rückgewinnung
der (Ab)wärme aus der Abluft des Fahrgastraumes 9 des
Fahrzeugs 1' zugeführt, wo er der ca. 22°C
warmen Abluft Wärme entzieht, indem er sich auf ca. 20°C
erwärmt und die Abluft auf ca. 14°C abgekühlt
in die Umgebung entlässt. Das ca. 20°C warme Wärmeträgermedium
gelangt nun über eine der Leitungen 5 zur Wasserbremse 7. Bei
einem Bremsvorgang wird das Wärmeträgermedium
hier auf ca. 35°C aufgewärmt. Ansonsten bleibt seine
Temperatur unverändert und das Wärmeträgermedium
tritt in den Kühlkreislauf des Antriebsaggregates 2 ein.
Dort herrscht durch die Kühlung des Motorblocks und des
Schmieröls des Antriebsaggregates, ggf. auch des Getriebes
thermostatisch geregelt durchschnittlich eine Temperatur von ca.
80°C.
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Ein
Teil der Wärme wird an die Zuluft des Fahrgastraumes des
Fahrzeugs 1' abgegeben, der Rest an das zirkulierende Wärmeträgermedium.
Damit bleiben der serienmäßig vorgesehene Luftkühler des
Antriebsaggregates 2 und sein Ventilator die gesamte Zeit über
außer Betrieb. Die Kühlung wird damit unabhängig
von der Umgebungslufttemperatur. Der serienmäßige
Kühler und sein Ventilator können kleiner ausgelegt
werden oder ggf. ganz entfallen. Eine Notkühlfunktion kann
ggf. der Wärmeübertrager zur Rückgewinnung
der (Ab)wärme aus der Abluft des Fahrgastraumes 9 des
Fahrzeugs 1' übernehmen, wenn die zurückzulegende
Wegstrecke einmal größer sein sollte, als die
Wärmespeicherkapazität des Wärmespeichers 3. Über
die zweite der Leitungen 5 wird das Wärmeträgermedium
mit ca. 80°C dem Abgaswärmeübertrager 8 zur
Heizwertnutzung zugeführt. Dort erfolgt eine Abkühlung
der Abgase von über 500°C auf ca. 90°C.
Das Wärmeträgermedium erwärmt sich auf
ca. 95°C und tritt in den gegenüberliegenden äußeren
Wärmespeicher 3 ein und verdrängt das
noch kalte Wärmeträgermedium der Reihe nach durch
alle Wärmespeicher 3, bis es am entgegen gesetzten
Austritt anliegt und die Fahrt zum Zwecke der Wärmeabgabe
an einem Distributionspunkt unterbrochen oder z. B. zu Hause beendet wird.
Damit sich das warme und das kalte Wärmeträgermedium
in den Wärmespeichern 3 bei der Fahrt nicht vermischen,
sind die Wärmespeicher 3 mit einem offenporigen
Schwamm aus Kunststoff oder anderen durchlässigen Materialien
niedriger Wärmeleitfähigkeit gefüllt
(nicht gezeigt).
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Um
auch den Brennwert der Abgase zu nutzen, wird der Abgaswärmeübertrager 8 wärmeträgermedienseitig
in zwei separate Abschnitte unterteilt (nicht gezeigt). Die Heizwertnutzung
erfolgt wie beschrieben, die Brennwertnutzung erfolgt mit dem im Wärmeübertrager
zur Rückgewinnung der (Ab)wärme aus der Abluft
des Fahrgastraumes 9 des Fahrzeugs 1' auf ca.
20°C vorgewärmten Wärmeträgermedium,
oder unmittelbar mit zumindest einem Teil des kalten Wärmeträgermediums
direkt aus dem Wärmespeicher 3. So kann das Abgas
in einer zweiten Sektion des Abgaskühlers 8 abschließend
unter den Taupunkt auf ca. 30°C abgekühlt werden.
Weiterhin kann das ca. 45°C warme, dabei in großer
Menge anfallende Abgaskondensat aufgefangen und ggf. neutralisiert
in einen gesonderten Behälter oder direkt dem Wärmeträgerkreislauf
und letztendlich dem Wärmespeicher 3 zugeführt
werden (nicht gezeigt). Dort komprimiert es Luft oder Stickstoff,
die sich ggf. hinter einer flexiblen Membran befinden (nicht gezeigt).
Damit wird es physisch wie auch mit seinem noch vorhandenen Wärmeinhalt
genutzt und gelangt nicht in die Umwelt. Dies ist vorteilhaft, da
das Abgaskondensat leicht sauer ist und sich ggf. negativ auf die
Fahrbahnen, andere Fahrzeuge, die Umwelt etc. auswirken könnte.
Gleichzeitig muss nicht die gesamte Wegstrecke ein vollständig
gefüllter Wärmespeicher 3 transportiert
werden, da sich dieser nur allmählich unterwegs füllt.
Und schlussendlich wird so gleichzeitig die thermisch bedingte Volumenänderung
des Wärmeträgermediums kompensiert.
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Es
soll nicht unerwähnt bleiben, dass im Sommer zur Klimatisierung
des Fahrgastraumes des Fahrzeugs 1' speziell gekühltes
Wärmeträgermedium aus dem Wärmespeicher 3 direkt
dem Wärmeübertrager am Lufteintritt in den Fahrgastraum
zugeführt wird, um erst im Anschluss ggf. die kalte Luft
im Wärmeübertrager zur Rückgewinnung
der (Ab)wärme aus der Abluft des Fahrgastraumes 9 des
Fahrzeugs 1' wieder zu erwärmen und/oder dem Wärmeübertrager
zur Brennwertnutzung (nicht gezeigt) und/oder der Wasserbremse 7 und
dem Kühlkreislauf des Antriebsaggregates 2 und
ggf. abschließend dem Heizwertkühler 8 des
Abgases und dann erst wieder dem Wärmespeicher 3 zugeführt
zu werden. Auf diese Weise können die im Fahrzeug 1' anfallende
Wärme (bzw. genutzte Kälte) noch effektiver genutzt
und die Umwelt noch besser geschützt werden.
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In 3 ist
eine erste Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Kraft-Wärme-Kopplungs-Systems 10 mit dem erfindungsgemäßen
Distributionspunkt 11 in einer ersten Ausgestaltung in
Zusammenwirkung mit dem erfindungsgemäßen Fahrzeug 1 nach 1 dargestellt.
Es ist zu erkennen, dass der Distributionspunkt 11 einen
Anschluss 12 aufweist, der als koaxialer Doppelschlauch
ausgebildet ist und mit einer Entnahme- bzw. Einfülleinrichtung 13 ähnlich
einer Zapfsäule verbunden ist. Diese Einrichtung 13 weist
eine Zähleinrichtung auf, um die mit dem Fahrzeug 1 ausgetauschte
Wärmemenge zu Verrechungszwecken zu bestimmen. Im dargestellten
Beispiel wird das Wärmeträgermedium ausgetauscht, wobei
dieses direkt einem Wärmespeicher 14 des Distributionspunktes 11 entnommen
bzw. diesem zugeführt wird. Bei der Abführung
einer positiven Wärmemenge aus dem Fahrzeug 1 wird
beispielsweise kaltes Wärmeträgermedium aus dem
Wärmespeicher 14 des Distributionspunktes 11 dem
Wärmespeicher 3 des Fahrzeugs 1 zugeführt
und warmes Wärmeträgermedium dem Wärmespeicher 3 des Fahrzeugs 1 entnommen
und in den Wärmespeicher 14 des Distributionspunktes 11 eingeleitet.
Der Distributionspunkt 11 ist dabei vorteilhaft eine gewöhnliche Tankstelle,
so dass gleichzeitig auch Kraftstoff aufgenommen werden kann und
so kein Zeitverzug entsteht. Die Einfülleinrichtung 13 misst
in diesem Fall eine positive Wärmemenge, die dem Fahrzeugführer entsprechend
zu vergüten oder mit dem gleichzeitig gezapften Brennstoff
zu verrechnen ist. Ebenso besteht die Möglichkeit, das
in einem Fahrzeug 1' aufgefangene Abgaskondensat zu übernehmen
und einer Neutralisation und weiteren Nutzung oder der Kanalisation
zuzuführen (nicht gezeigt).
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In 4 ist
eine zweite Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Kraft-Wärme-Kopplungs-Systems 10' mit dem erfindungsgemäßen
Distributionspunkt 11' in einer zweiten Ausgestaltung in
Zusammenwirkung mit dem erfindungsgemäßen Fahrzeug 1 nach 1 dargestellt.
Hier ist der Distributionspunkt 11' eine Garage eines beispielsweise
Wohnhauses. Der Distributionspunkt 11' weist einen Wärmespeicher 14' auf,
der wiederum Wärme über den Anschluss 12 mit
dem Fahrzeug 1 austauschen kann.
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Nach
einer Außerbetriebnahme des Fahrzeugs wird zuerst die in
dem Fahrzeug 1 gespeicherte Restwärme, insbesondere
Wärme des Antriebsaggregates 2, wie Motor, Getriebe
und dgl., und/oder Wärme der Wärmeübertrager,
bevorzugt der Wärmeübertrager in Heizung, Wasserbremse 7,
Abgaskühler 8 und dgl., und danach erst die im
Wärmespeicher 3 des Fahrzeugs 1 gesammelte
Wärme an die externe Wärmesenke 14' abgeführt
(nicht gezeigt). Der Wärmespeicher 14' ist mit
den Systemen des Wärmehaushalts des Wohnhauses verbunden.
Auf diese Weise kann das Fahrzeug 1 auf Fahrstrecken angefallene
Wärme zur Verwendung in dem Wohnhaus abgeben.
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Falls
diese Wärme nicht ausreicht, kann das Fahrzeug 1 auch
als Blockheizkraftwerk, also im Stillstand betrieben werden, um
benötigte Wärme zu erzeugen. Die dabei in Kraft-Wärme-Kopplung
entstehende Elektroenergie wird entweder im Haushalt direkt genutzt,
im Akkumulator (nicht gezeigt) des Fahrzeugs 1 gespeichert
oder in das Niederspannungsnetz (nicht gezeigt) abgegeben. Der Energienutzungsgrad
des Brennstoffes steigt so auf nahezu 100%. Wenn das Fahrzeug 1 mehrere
Tage nicht genutzt wurde, besteht auch die Möglichkeit,
Wärme aus dem hauseigenen Wärmespeicher 14' über
den Anschluss 12 und den fahrzeugseitigen Anschluss 4 in
einen Teil des Wärmespeichers 3 des Fahrzeugs 1 überzuleiten,
um das Kaltstartverhalten zu verbessern, den Brennstoffverbrauch
in dieser Zeit zu reduzieren und den Fahrkomfort anzuheben. Der
fahrzeug- und der distributionspunktseitige Anschluss 4 und 12 sind
steckbar koppelbar ausgebildet, wobei die Kupplung gegenüber
einer unbeabsichtigten Trennung der Anschlüsse mit einer
Sicherung versehen ist und als flüssigkeitsdichte, hermetisch
dichte Kupplung ausgebildet ist. Die Kupplung 4 steht mit der
Startanlage, wie Zündung und dgl., des Fahrzeugs 1 in
Verbindung (nicht gezeigt) und ist so ausgebildet, dass im eingekoppelten
Zustand der Anschlüsse 4 und 12 ein Starten
des Fahrzeugs 1 verhindert ist.
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In 5 ist
eine dritte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Kraft-Wärme-Kopplungs-Systems 10'' mit dem erfindungsgemäßen
Distributionspunkt 11'' in einer dritten Ausgestaltung
in Zusammenwirkung mit dem erfindungsgemäßen Fahrzeug 1 nach 1 gezeigt.
Bei dem Distributionspunkt 11'' gemäß 5 handelt
es sich prinzipiell um einen solchen ähnlich 3,
wobei jedoch zusätzlich der Wärmespeicher 14'' des
Distributionspunktes 11'' eine Wärmepumpe 15 zur
Auskühlung eines Teils des Wärmeträgermediums
durch Aufwärmung eines anderen Teils des Wärmeträgermediums
im Wärmespeicher 14'' aufweist. Dadurch wird nicht
normengerecht vom Kraftfahrzeug 1 übernommenes
oder durch Wärmeverluste abgekühltes Wärmeträgermedium
mit z. B. 40°C auf die erforderliche Temperatur transformiert,
z. B. auf höchstens 12°C für kaltes Wärmeträgermedium
und auf mindestens 60°C für warmes Wärmeträgermedium.
Mit diesen Parametern kann die Wärme (bzw. Kälte)
dann an interessierte Verbraucher gegen Entgelt abgegeben werden.
Große Wärmepumpen 15 mit einem geringen Temperaturhub
haben eine besonders hohe Effizienz und benötigen wenig
Antriebsenergie. Als Antriebsenergie kann auch vom Fahrzeug 1 bereitgestellte Hochtemperaturwärme
mit z. B. mehr als 70°C in Absorptions- oder Adsorptionswärmepumpen 15 genutzt
werden (nicht gezeigt).
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Zur
besseren Schichtung kann auch der Wärmespeicher 14'' aus
mehreren hydraulisch in Reihe geschalteten Behältern bestehen
und/oder mit einem offenporigen Schwamm aus Kunststoff oder anderen
durchlässigen Materialien niedriger Wärmeleitfähigkeit
zumindest teilweise gefüllt sein (nicht gezeigt). Ebenso
besteht die Möglichkeit, die Wärme (bzw. Kälte) über
Erdsonden oder Aquifere im Untergrund des Territoriums des Distributionspunktes 11'' zum
Teil über längere Zeiträume bis hin zwischen Sommer
und Winter saisonal zu speichern (nicht gezeigt).
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Außerdem
ist eine Solar(wärme)anlage 16 auf dem Dach 17 des
Distributionspunkts 11'' vorgesehen, die mit dem Wärmespeicher 14'' in
Verbindung steht. Diese Solaranlage 16 nutzt somit die
freie Dachfläche 17 der Tankstelle 11'' und
stellt eine zusätzliche Versorgung mit Wärme (und
ggf. auch Elektroenergie) sicher, um Fahrzeug 1 oder eine
Wärmepumpe 15 auch dann mit Wärme (und
ggf. auch Elektroenergie) versorgen zu können, wenn zuvor
Fahrzeuge 1 oder 1' oder andere externe Quellen
(nicht gezeigt) nicht ausreichend Wärme (und ggf. auch Elektroenergie)
in den Wärmespeicher 14'' (oder einen elektrischen
Akkumulator – nicht gezeigt) abgegeben haben.
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6 zeigt
schließlich ein Elektrofahrzeug 1''. Hier wird
der elektrische Antrieb 2' mit elektrischer Energie aus
einem Akkumulator 18 betrieben, der über einen
genormten Stecker 6' gespeist wird. Ein zusätzlicher
Wärmeübertrager 19 zur Vorkühlung bzw.
-heizung der Umgebungsluft vor dem Eintritt in den eigentlichen
Wärmeübertrager zur Konditionierung der Luft für
den Fahrgastraum bildet zusammen mit dem Wärmeübertrager
zur Rückgewinnung der (Ab)wärme aus der Abluft
des Fahrgastraumes 9 des Fahrzeugs 1'' und der
separaten Ringleitung 5' ein gesondertes Kreislaufsystem
zur Wärmerückgewinnung.
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Die
Größe und Anzahl der Wärmespeicher 3 ist
nach der täglich im Durchschnitt zurückzulegenden
Fahrstrecke ausgelegt. Damit wird der Inhalt des Wärmespeichers
während der Fahrt etwa einmal vollständig umgewälzt.
Die einzelnen Wärmespeicher 3 sind in Reihe geschaltet.
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Das
Wärmeträgermedium wird dem äußeren Wärmespeicher 3 mit
einer Temperatur von ca. 0°C als Eisbrei entnommen und
dem eigentlichen Wärmeübertrager zur Konditionierung
der Luft für den Fahrgastraum des Fahrzeugs 1'' zugeführt,
wo er der auf ca. 28°C vorgekühlten Zuluft Wärme
entzieht, indem er sich auf ca. 18°C erwärmt und
die Zuluft auf ca. 22°C abgekühlt und in den Fahrgastraum
leitet. Das mit ca. 18°C immer noch kalte Wärmeträgermedium
gelangt nun über eine der Leitungen 5 zum elektrischen
Antriebsaggregat 2'. Bei der Fortbewegung wird das Wärmeträgermedium
hier auf ca. 35°C aufgewärmt. Ansonsten bleibt
seine Temperatur unverändert und das Wärmeträgermedium
tritt weiter in den elektrischen Akkumulator 18 ein. Dort
herrscht durch die Kühlung thermostatisch geregelt durchschnittlich
eine Temperatur von ca. 320°C (Hochtemperaturbatterie).
Die frei werdende Wärme wird an das zirkulierende Wärmeträgermedium
abgegeben. Damit bleiben der serienmäßig vorgesehene
Luftkühler des Akkumulators 18 und sein Ventilator
die gesamte Zeit über außer Betrieb. Die Kühlung
wird damit unabhängig von der Umgebungslufttemperatur. Der
serienmäßige Kühler und sein Ventilator
können kleiner ausgelegt werden oder ggf. ganz entfallen.
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Über
die zweite der Leitungen 5 wird das Wärmeträgermedium
mit ca. 95°C dem gegenüberliegenden äußeren
Wärmespeicher 3 zugeführt und verdrängt
das gekühlte Wärmeträgermedium der Reihe
nach durch alle Wärmespeicher 3, bis es am entgegen gesetzten
Austritt anliegt und die Fahrt zum Zwecke der Wärmeabgabe/Kälteaufnahme
an einem Distributionspunkt unterbrochen oder z. B. zu Hause beendet
wird.
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Damit
sich das erwärmte und das gekühlte Wärmeträgermedium
in den Wärmespeichern 3 bei der Fahrt nicht vermischen,
sind die Wärmespeicher 3 mit einem offenporigen
Schwamm aus Kunststoff oder anderen durchlässigen Materialien
niedriger Wärmeleitfähigkeit gefüllt,
die den Eisbrei zumindest teilweise passieren lassen (nicht gezeigt).
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Eine
Vorkühlung der Umgebungsluft vor dem Eintritt in den Wärmeübertrager
zur eigentlichen Konditionierung der Luft für den Fahrgastraum
erfolgt über ein gesondertes Kreislaufsystem zur Wärmerückgewinnung,
das aus dem Wärmeübertrager 19 zusammen
mit dem Wärmeübertrager zur Rückgewinnung
der (Ab)wärme aus der Abluft des Fahrgastraumes 9 des
Fahrzeugs 1'' und einer separaten Ringleitung 5' gebildet
wird. Die Abluft des Fahrgastraumes mit ca. 24°C wird mit
dem Wärmeübertrager zur Rückgewinnung
der (Ab)wärme aus der Abluft des Fahrgastraumes 9 mit
dem im geschlossenen Kreislauf zirkulierenden Wärmeträgermedium
auf ca. 29°C erwärmt und in die Umgebung entlassen.
Das auf ca. 26°C abgekühlte Kreislaufmedium strömt
zum Wärmeübertrager 19 und kühlt
die Umgebungsluft von 33°C auf ca. 28°C vor. Die
vorgekühlte Luft muss nun im Wärmeübertrager
zur eigentlichen Konditionierung der Luft für den Fahrgastraum
nur noch von 28°C auf 22°C um 6 Kelvin gekühlt
werden. Dies reduziert den Kühlaufwand von normal 11 Kelvin
auf nur noch knapp 55%. Das Wärmeträgermedium
zirkuliert mit 31°C in der separaten Ringleitung 5' erneut im
Kreislaufsystem zur Wärmerückgewinnung. Eine dafür
ggf. erforderliche Umwälzpumpe, Ventile und Regeleinrichtungen
sind wie in den anderen Fällen nicht gesondert gezeigt.
Ggf. genügt aber auch der sich selbst regelnde natürliche
Umtrieb durch Dichteunterschiede des unterschiedlich temperierten
Wärmeträgermediums.
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Weiterhin
kann das ca. 25°C kalte, dabei in großen Mengen
aus der Zuluft anfallende Kondensat aufgefangen und ggf. in einen
gesonderten Behälter oder direkt dem Wärmeträgerkreislauf
und letztendlich dem Wärmespeicher 3 zugeführt
werden (nicht gezeigt). Dort komprimiert es Luft oder Stickstoff,
die sich ggf. hinter einer flexiblen Membran befinden (nicht gezeigt).
Damit wird es physisch wie auch mit seinem noch vorhandenen Kälteinhalt
genutzt. Gleichzeitig muss nicht die gesamte Wegstrecke ein vollständig
gefüllter Wärmespeicher 3 transportiert werden,
da sich dieser nur allmählich unterwegs füllt. Und
schlussendlich wird so gleichzeitig die thermisch bedingte Volumenänderung
des Wärmeträgermediums kompensiert. Die Überhitzung
des Zuluft-Kondensats im elektrischen Akkumulator 18 auf
mindestens 95°C tötet ggf. vorhandene Keime zuverlässig ab.
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Es
soll nicht unerwähnt bleiben, dass im Winter zur Beheizung
des Fahrgastraumes des Fahrzeugs 1'' extern auf mindestens
ca. 24°C erwärmtes Wärmeträgermedium
aus dem Wärmespeicher 3 direkt dem Wärmeübertrager
am Lufteintritt in den Fahrgastraum zugeführt wird, um
erst im Anschluss ggf. das elektrische Antriebsaggregat 2' und/oder den
elektrischen Akkumulator 18 zu temperieren und erst dann
wieder dem Wärmespeicher 3 mit ca. 95°C zugeführt
zu werden. Auf diese Weise können die im Fahrzeug 1'' benötigte
und die anfallende Wärme (bzw. Kälte) noch effektiver
genutzt werden, ohne die wertvolle Exergie für thermische
Prozesse aufzubrauchen. Außerdem wird der Prozess der Fortbewegung
mittelbar begünstigt, indem der elektrische Antrieb 2' und
ggf. auch das Steuer- bzw. Regelungssystem, die Leistungselektronik,
die Hochspannungskabel, die elektrischen Kabel und die Steuerungselektronik
(nicht gezeigt) stets maximal gekühlt und der elektrische
Akkumulator 18 stets auf der optimalen Temperatur gehalten
werden. So können die mögliche zurückzulegende
Fahrstrecke und die erreichbare Lebensdauer des elektrischen Antriebsaggregates 2' und
des Akkumulators 18 des Elektrofahrzeugs 1'' maximiert
werden.
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Aus
dem vorstehenden ist klar geworden, dass die erfindungsgemäße
Kraft-Wärme-Kopplung sehr große Vorteile bietet.
Dabei wird sie allerdings mit dem Kraftfahrzeug bei herkömmlichen,
Verbrennungsmotor getriebenen Fahrzeugen auf maximal ca. 45% der
zurückgelegten Wegstrecken beschränkt bleiben.
Mit Elektrofahrzeugen kann sie weiter bis auf maximal ca. 95% ausgebaut
werden. Die erfindungsgemäße Kraft-Wärme-Kopplung
kann damit einen nachhaltigen Beitrag zur Dezentralisierung der
gekoppelten Energieumwandlung, zu einer beachtlichen Erhöhung
der Energienutzungsgrade, zu einer entsprechenden Reduzierung der CO2-Emissionen und somit zu einem Schutz der
Umwelt und zu einer Aufrechterhaltung der gewohnten Mobilität
leisten.
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- 1,
1', 1''
- Fahrzeug
- 2
- Antriebsaggregat
mit Verbrennungsmotor
- 2'
- elektrischer
Antrieb
- 3
- Wärmespeicher
des Fahrzeugs
- 4
- Anschluss
des Fahrzeugs
- 5
- Leitungen
- 5'
- Leitungen
- 6
- Anschluss
für Kraftstoff
- 6'
- Anschluss
für Elektroenergie
- 7
- Wasserbremse
- 8
- Abgaswärmeübertrager
- 9
- Wärmeübertrager
zur Rückgewinnung der (Ab)wärme aus der Abluft des
Fahrgastraumes
- 10,
10', 10''
- Kraft-Wärme-Kopplungs-System
- 11,
11', 11''
- Distributionspunkt,
u. a. für Wärme
- 12
- Anschluss
des Distributionspunktes
- 13,
13'
- Entnahme-
bzw. Einfülleinrichtung, u. a. für Wärme/Kälte
- 14',
14', 14''
- Wärmespeicher
des Distributionspunktes
- 15
- Wärmepumpe
- 16
- Solar(wärme)anlage
- 17
- Dach
des Distributionspunktes
- 18
- elektrischer
Akkumulator
- 19
- Wärmeübertrager
zur Vorkühlung bzw. -heizung der Umgebungsluft.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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-
Zitierte Patentliteratur
-
- - WO 96/31694
A1 [0016]
- - DE 3931205 A1 [0016]
- - DE 4020860 A1 [0016]
- - DE 10039111 B4 [0098]
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - R K. Ahluwalia
et al.: Fuel cell efficiencies of different automotive an-board
hydrogen storage options. Int'I J. Hydrogen Energy 32, 2007, 3592–3602 [0008]
- - PHOTON – das Solarstrom-Magazin, April 2007 [0009]