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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anlage zur Verbesserung der Effizienz von Blockheizkraftwerken, insbesondere eine Anlage zur verbesserten Ausnutzung entstehender Wärmeenergie.
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Blockheizkraftwerke sind Anlagen, die zur gleichzeitigen Gewinnung von elektrischem Strom als auch Heiz- bzw. Wärmeenergie eingesetzt werden. Diese Anlagen werden bevorzugt dezentral angeordnet, damit die erzeugte Wärmeenergie möglichst direkt vor Ort genutzt werden kann. Ein großer Vorteil solcher Blockheizkraftwerke ist der hohe Gesamtwirkungsgrad, da sowohl die elektrische Energie als auch die bei anderen Anlagen häufig als ungenutztes Abfallprodukt entstehende Wärmeenergie genutzt werden. Durch Verbrauch der erzeugten elektrischen und Wärmeenergie meist relativ direkt vor Ort, werden (Weiter-)Leitungsverluste verringert.
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Häufig werden Blockheizkraftwerke mit Verbrennungsmotoren ähnlich denen in Fahrzeugen betrieben, also etwa Benzin-, Gas- oder Dieselmotoren, oder auch Gasturbinen Die Kühlung erfolgt in herkömmlicher Weise, meist mittels Wasserkühlung. Während die Verbrennungstemperaturen über 1000°C erreichen können, wird das Kühlmittel Wasser normalerweise nicht mehr als 115°C erreichen (unter leichtem Überdruck), meistens deutlich unter 100°C.
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Der heutige Standard bei Blockheizkraftwerken basiert im Allgemeinen darauf, Strom zu produzieren, und zusätzlich durch Wärmerückkopplung von Abwärme, die als Nebenprodukt durch die Motorkühlung entsteht, Heizenergie zu produzieren. Im Allgemeinen wird davon ausgegangen, dass hierbei aus dem Kühlbereich des Motors unter 100°C – bedingt durch deren Wasserkühlsystem – zusätzliche Energie gewonnen wird, um lediglich Wärme zu produzieren.
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Der Anteil der entstehenden Betriebskosten spielt bei diesen Anlagen auf Basis von Öl, Gas oder andere Treibstoffe eine wesentliche Rolle, bei der Berechnung der Effizienz. Grundsätzlich stellt sich bei diesen Systemen die Frage, ob es rein physikalisch betrachtet wirklich sinnvoll ist, die im Verbrennungsraum von Motoren auftretenden Temperaturen von beispielsweise 1200°C kontinuierlich – bedingt durch die Wasserkühlung – auf einen Temperaturbereich von weniger als 100°C herunterzukühlen. Dies bedeutet zuerst nämlich einen Verlust von ca. 65% bis zu 90% der bereits gewonnenen Energie durch das Herunterkühlen des Motors. Dieser Anteil wird ungenutzt verschenkt und führt auch zu einer unerwünschten Beschleunigung der Erwärmung der Erdatmosphäre.
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Zusätzlich wird – durch die Art der Kühlung – ein künstlicher Alterungsstress auf das eingesetzte Material durch Wechseln von Erhitzen und Abkühlen dieser Anlagen erzeugt, der sich negativ auf die Betriebslaufzeiten dieser Anlagen auswirkt. Weiterhin wird dabei in Kauf genommen, dass bei Undichtigkeiten etwa im Bereich der Zylinderkopfdichtung oder anderen Isolationsproblemen das Kühlmittel Wasser mit einer typischen Temperatur von beispielsweise 90°C in den Verbrennungsraum, der typische Temperaturen von beispielsweise 1200°C aufweist, eindringt. Ein solches Eindringen von Wasser führt in der Regel zur mindestens teilweisen Zerstörung des betreffenden Motors.
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Die folgende Beschreibung der vorliegenden Erfindung wird nachweisen, dass mit der vorliegenden Erfindung nicht nur wesentlich materialschonender gearbeitet werden kann, sondern durch intelligente Verknüpfung im thermodynamischen Bereich von Verbrennungsmotoren mehr Energie genutzt werden kann als bei heutigen Standards.
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Grundsätzlich handelt es sich bei Blockheizkraftwerken um Anlagen, die Energie produzieren und durch die Art ihrer Funktion festen, flüssigen und gasförmigen Aggregatzuständen unterworfen sind. Bezüglich des Bereichs Kühlung eines darin verwendeten Standard-Verbrennungsmotors soll erfindungsgemäß anstelle von Wasser (Siedepunkt bei Normaldruck 100°C) ein Thermofluid mit einem deutlich höheren Siedepunkt, beispielsweise 400–500°C, genutzt werden. Dadurch bietet die Erfindung die Möglichkeit – sofern der obere Siedepunkt des Thermofluids nicht überschritten wird – dass der Motor weiterhin gut gekühlt wird, aber zusätzlich eine neue thermische Energiequelle vorliegt. Diese kann zur Produktion von Prozesswärme zum Antrieb von Turbinen oder Dampfmaschinen etc. eingesetzt werden. Der mechanische Betrieb des Verbrennungsmotors wird dabei nicht negativ beeinflusst.
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Die anfallenden Prozesstemperaturen von beispielsweise 400–500°C können durch einen Temperaturabsorber aus dem Kühl- bzw. Abgasbereich des Motors mit einem Wirkungsgrad über 80% als zusätzliche Energiequelle genutzt werden, durch die intelligente Lösung mittels einer Feststoffspeichereinheit. Eine solche Feststoffspeichereinheit ist in der Lage, thermische Energie über mehrere Tage anzusammeln, um diese im Bedarfsfall in Form von Prozesswärme für den Dampfbereich zur Verfügung zu stellen.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine Wärme- und Stromerzeugungsanlage bereitgestellt, umfassend:
- – einen Verbrennungsmotor;
- – einen Stromgenerator, der von dem Verbrennungsmotor angetrieben wird;
- – eine Abgasanlage, die mit dem Verbrennungsmotor und einem Temperaturabsorber gekoppelt ist;
- – ein Kühlsystem für den Verbrennungsmotor, das an den Temperaturabsorber gekoppelt ist, wobei das Kühlsystem ein Thermofluid als Kühlmittel aufweist, dessen Siedepunkt (wesentlich) höher als der von Wasser ist; und
- – einen Feststoff-Wärmespeicher, der mit dem Kühlsystem gekoppelt ist.
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Bei dem Verbrennungsmotor kann es sich um einen Gas- oder Benzin-Motor, einen Dieselmotor, eine Gasturbine oder dergleichen handeln. Das Thermofluid weist einen wesentlich höheren Siedepunkt als Wasser auf, beispielsweise 400–500°C. Der Feststoff-Wärmespeicher ist – beispielsweise über Wärmetauscherleitungen – an das Kühlsystem gekoppelt, um die entstehende Prozesswärme zu sammeln.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Wärme- und Stromerzeugungsanlage weiter:
- – eine elektrothermische Einheit, die in dem Temperaturabsorber angeordnet ist, um eintretende Abgase zu erhitzen.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Wärme- und Stromerzeugungsanlage weiter:
- – eine Wärmetauschereinheit, die mit dem Feststoff-Wärmespeicher und dem Temperaturabsorber verbunden ist, um Frischluft zu erwärmen und dem Temperaturabsorber zuzuleiten.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Wärme- und Stromerzeugungsanlage weiter:
- – ein Abluftgebläse, das mit dem Temperaturabsorber verbunden und angepasst ist, Unterdruck in Bezug auf die Abgasanlage in dem Temperaturabsorber zu erzeugen, um die erwärmte Frischluft in den Temperaturabsorber zu ziehen.
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Durch die Absauganlage wird ein Unterdruck in Bezug auf den Druck des einströmenden Abgases erzeugt. Durch diesen Unterdruck wird vorgewärmte Frischluft durch Diffusion in den Temperaturabsorber gezogen. Die eintretenden Abgase implodieren durch die elektrothermische Einheit und die angesaugte Diffusionsluft im Temperaturabsorber durch den vom Abluftgebläse erzeugten Unterdruck. Während dieses Prozesses werden durch starke Überhitzung die Abgasmoleküle aus dem Bereich, in dem Überdruck herrscht, in den Bereich, in dem Unterdruck herrscht, transportiert, wobei die Abgasmoleküle durch eintretende, sich stark ausdehnende Luftmoleküle aufgrund von Diffusion zu einem beschleunigten Oxidationsprozess angeregt werden.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Wärme- und Stromerzeugungsanlage weiter:
- – einen Dampferzeuger, der mit dem Feststoff-Wärmespeicher gekoppelt ist;
- – eine Dampfturbine, die von dem Dampferzeuger gespeist wird; und
- – einen Generator, der von der Dampfturbine angetrieben wird.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Wärme- und Stromerzeugungsanlage weiter:
- – eine Dampfmaschine, die mit der Dampfturbine und der Wärmetauschereinheit verbunden ist; und
- – einen Generator, der von der Dampfmaschine angetrieben wird.
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Mit diesen Ausführungsformen wird die im Feststoff-Wärmespeicher Wärmeenergie genutzt, um Strom zu erzeugen. Dampfturbine und Dampfmaschine können einzeln oder in Kombination eingesetzt werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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Im Folgenden wird die Betriebsweise einer erfindungsgemäßen Vorrichtung unter Bezug auf die Zeichnung erläutert, worin
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1 ein schematisches Diagramm einer erfindungsgemäßen Anlage ist.
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Detaillierte Beschreibung
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In 1 ist in Block 1 der thermische Fluss aus dem Abgasbereich eines Verbrennungsmotor (nicht gezeigt) zu einem Temperaturabsorber Block 4 und 5 gezeigt.
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Von Block 2 fließt das Kühlmittel zum Temperaturabsorber Block 4 und 5, über einen Wärmetauscher gibt es Wärmeenergie an den Feststoffspeicher Block 6 ab und fließt dann zurück zum Block 2.
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Die Feststoffspeichereinheit kann beispielsweise aus einem großvolumigen Hohlkörper insbesondere aus Beton bestehen, der mit stückigem Feststoff hoher Wärmespeicherkapazität, insbesondere mit Kies, und flüssigem Medium hoher Wärmespeicherkapazität und mit einem Siedepunkt oberhalb 100°C, insbesondere mit Öl, gefüllt ist. Ein solcher Betonhohlkörper kann beispielsweise in einer bei ihrer Herstellung abgewandelten Fertiggarage bestehen; als Füllgut zu verwendender Feststoff steht praktisch überall sehr preiswert zur Verfügung, so dass lediglich die zwischen den einzelnen Feststoffteilen verbleibenden Hohlräume mittels des flüssigen Mediums, das volumetrisch gesehen wesentlich teurer als der stückige Feststoff ist, aufzufüllen sind.
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Als zu verwendender Feststoff kommen neben Kies beispielsweise Recycling-Glas, Urgestein etc. in Betracht, die im übrigen einen verhältnismäßig geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten, darüber hinaus aber ein hohes Wärmespeichervermögen aufweisen. Damit ist die erfindungsgemäß ausgebildete Wärmetauscher/Wärmespeicher-Einheit ein Bauelement der Anlage, das in der Tat bei sehr geringen Herstellungskosten zugleich ein nahezu extrem großes Wärmespeichervermögen besitzt. Damit die Wärmetauscherelemente bzw. die Elektroheizung bei der einmaligen Einfüllung des stückigen Feststoffes in die Wärmetauscher/Wärmespeicher-Einheit nicht beschädigt werden, können diese Elemente beispielsweise durch perforierte Bleche mindestens oberseitig abgedeckt sein.
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Alternativ kann eine Ausbildung des Hohlkörpers als Zweikammer-Körper vorgesehen werden. Diese Ausbildung bietet die Möglichkeit, die Wärmetauscherelemente und die Elektroheizung beispielsweise in der einen Kammer und damit getrennt vom stückigen Feststoff unterzubringen, wobei die genannte eine Kammer nur mit dem flüssigen Medium und die andere Kammer mit stückigem Feststoff und flüssigem Medium gefüllt ist. Die nur mit flüssigem Medium zu füllende Kammer kann eine verhältnismäßig kleinvolumige Kammer sein. Sie muss mit der anderen Kammer in Verbindung stehen. Diese Verbindung kann beispielsweise dadurch bewirkt sein, dass die zwischen den beiden Kammern vorgesehene Trennwand in einem Abstand von der Oberseite des Hohlkörpers endet.
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In diesem Fall ist die dann mit stückigem Feststoff zu füllende Kammer nur bis höchstens zur Oberkante der Trennwand mit dem stückigen Feststoff zu füllen und sind im Übrigen beide Kammern bis zur Oberseite des Hohlraumes mit dem flüssigen Medium zu füllen. Schon aufgrund der unterschiedlichen Wärmeverhältnisse in den beiden Kammern kommt es zu einer gewissen Zirkulation des flüssigen Mediums, die noch durch eine entsprechend einzusetzende Umwälzpumpe unterstützt werden kann. Bei dieser Zirkulation strömt das flüssige Medium von der u. A. mit stückigem Feststoff gefüllten Kammer in die nur mit flüssigem Medium gefüllte Kammer.
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Bei entsprechender Anordnung der Druckseite und der Saugseite der zugehörigen Umwälzpumpe kann gewährleistet werden, dass auf den stückigen Feststoff zurückgehende Schwebstoffe im flüssigen Medium beim Überlauf über die Oberkante der Trennwand in der ausschliesslich mit flüssigem Medium gefüllten Kammer nach unten absinken, sich dort niedergeschlagen und so gesammelt werden können. Der untere Bereich dieser Kammer bildet dabei praktisch eine Art Schwebstoffsammelsumpf.
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Zur Ausschaltung jeglicher Gefährdung der Umwelt durch etwa auslaufendes flüssiges Medium, insbesondere durch auslaufendes Öl, bei irgendwie bedingter Leckage des Hohlkörpers empfiehlt sich die Vorsehung eines hierzu grundsätzlich bekannten Kunststoffsacks im Inneren des Hohlkörpers. Damit dieser Sack nicht punktuell durch den aufliegenden stückigen Feststoff in seiner Dichtwirkung beeinträchtigt wird, sollten im Inneren des Kunststoffsackes zumindest in dessen Bodenbereich Auskleidungselemente vorgesehen werden. Hierfür kommen beispielsweise Kunststoff-Hartschaumplatten in Betracht.
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In dem Temperaturabsorber Block 4 befindet sich eine elektrothermische Einheit, die eintretende Abgase vom Block 1 von etwa 400°C auf etwa 1200°C erhitzt.
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Block 12 stellt eine Wärmetauschereinheit dar, die über Block 13 Frischluft mittels Wärmeenergie aus dem Feststoffspeicher auf 300°C erhitzt.
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Block 14 ist eine Absauganlage, die im Bereich der Blöcke 4 und 5 einen Unterdruck in Bezug auf den Druck des einströmenden Abgases aus Block 1 erzeugt. Durch diesen Unterdruck wird die vorgeheizte Frischluft durch Diffusion in den Temperaturabsorber gezogen.
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Die eintretenden Abgase aus Block 1 implodieren durch die elektrothermische Einheit in Block 4 und die angesaugte Diffusionsluft aus Block 12 im Temperaturabsorber durch den vom Abluftgebläse Block 14 erzeugten Unterdruck. Während dieses Prozesses werden durch starke Überhitzung die Abgasmoleküle aus Block 1, in dem Überdruck herrscht, in den Block 4, in dem Unterdruck herrscht, transportiert, wobei die Abgasmoleküle durch eintretende, sich stark ausdehnende Luftmoleküle aufgrund von Diffusion zu einem beschleunigten Oxidationsprozess angeregt werden. Die zusätzlich elektromechanisch auf 1200°C erhitzten Moleküle im Abgasbereich Block 1 bewirken während dieses Vorgangs, dass die Bestimmungen der technischen Anleitung zur Reinhaltung der Luft (kurz: TA Luft) erreicht werden.
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Block 7 zeigt eine Dampfturbine, die aus Block 11 Dampf bezieht, der über den Feststoffspeicher Block 6 durch Wärmetauscher Prozesswärme bzw. induzierten Dampf produziert. Block 8 zeigt einen durch Block 7 angetriebenen Generator.
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Block 9 zeigt eine Dampfmaschine, die einen Generator (Block 10) antreibt. Die Abwärme aus Block 10 wird über Block 12, der durch Einströmen der Frischluft den Restdampf der Dampfmaschine Block 9 kondensiert und gleichzeitig die Luft für den Infusionsprozess vorwärmt, über Block 11 zurückgeleitet, um dort den Dampfkreislauf über Blöcke 11, 7 und 9 zu schließen. Im Kreislauf, der den Feststoff-Wärmespeicher 6 und die Blöcke 11 und 13 verbinden, kann eine Pumpe P angeordnet sein.
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Block 13 wird aus dem Feststoffspeicher 6 die nötige Energie zugeführt, um die Frischluft auf 300°C zu erhitzen, die in Block 4 für den beschleunigten Oxidationsprozess benötigt wird. Block 3 stellt einen Generator dar, der von Block 1 und 2 angetrieben wird.
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Die vorliegende Erfindung schlägt eine Anlage vor, die eine verbesserte Effizienz gegenüber herkömmlicher Technik aufweist, die aufgrund des abweichenden Kühl-Fluids eine höhere Betriebssicherheit bietet, und die weiterhin aufgrund der reduzierten Temperaturdifferenz bei der Kühlung die Lebensdauer der Anlage aufgrund materialschonenderen Betriebs erhöhen kann.
