DE19623874A1 - Verfahren und Einrichtung zur Ausnutzung der in einem flüssigen oder gasförmigen Primärenergieträger enthaltenen und durch Verbrennung freigesetzten Wärmeenergie mittels einer Kraft-Wärme-Kopplungseinrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur wirtschaftlichen Ver­ wertung von bei der Kraft-Wärme-Kopplung im Betrieb von Block­ heizkraftwerken anfallenden Abwärmemengen bei einem möglichst hohen Anteil von Elektroenergie und wird in dezentralisierten Heizzentralen zur Wärme- und Stromversorgung eingesetzt.

Die allgemein bekannte Umweltproblematik führt dazu, daß in allen Bereichen der Wirtschaft zunehmend Initiativen zur Energieeinsparung ergriffen werden. Eine der wichtigsten Maßnahmen ist dabei in der Energiewirtschaft der Einsatz der Wärmekraftkopplung, insbesondere der der Blockheizkraftwerke, da diese Technik eine wirtschaftliche und ökologisch sinnvolle Umwandlung von Primärenergieträgern in sekundäre Energieformen, wie Wärme und Elektrizität ermöglicht.

Die Kraft-Wärme-Kopplung wird mit Blockheizkraftwerken reali­ siert, wobei Verbrennungskraftmaschinen oder Gasturbinen zum Einsatz kommen, die gleichzeitig Strom und nutzbare Wärme er­ zeugen. Die von diesen Verbrennungskraftmaschinen erzeugte mechanische Energie wird über Generatoren in elektrische Energie umgewandelt, während die thermische Energie für Heizzwecke ge­ nutzt wird.

Bekannt sind Einrichtungen, bei denen die in Verbrennungskraft­ maschinen anfallende thermische Energie (die Kühlwasserwärme, die Auspuffwärme, die Abgaswärme) zu Wärmeaustauschern geführt wird. Die dabei anfallende, bzw. erzeugte Nutzwärme dient der Wärmeversorgung.

Obgleich Heizkraftwerke mit einer Kraft-Wärme-Kopplung große Vorteile gegenüber herkömmlichen Kraftwerken in bezug auf die Wärmeausnutzung der verfügbaren Einsatzenergie besitzen, fanden derartige Heizkraftwerke wegen der Nachteile, z. B. Standortpro­ bleme, hohe Investitionen, Verluste in der Wärmefernleitung, keine Anpassungsmöglichkeiten an ein zeitlich gedehntes Rea­ lisieren der Wärmenutzungsobjekte, nur beschränkte Verwendung. Bestimmte Nachteile dieser zentralen Heizkraftwerke können durch den Einsatz dezentraler Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen vermieden werden. Allerdings besitzen derartige dezentrale Anlagen einen ungünstigeren Wirkungsgrad.

Zur Erhöhung der Effektivität solcher Wärme-Kraft-Kopplungs­ anlagen, d. h. von Blockheizkraftwerken wird die nicht vor Ort verbrauchte Elektroenergie in das Netz der Energieversorgungs­ betriebe eingespeist und, sofern die anfallende thermische Ener­ gie für Heizzwecke und dergleichen nicht im vollen Umfange be­ nötigt wird, wird diese Wärmerspeichern zugeführt.

Zur Erhöhung des Wirkungsgrades derartiger Blockheizkraftwerke ist es nach der DE 30 24 673 bekannt geworden, daß die Verbren­ nungskraftmaschine bei erhöhtem Wärmebedarf von dem Strom­ generator getrennt und als Antriebsmaschine für eine Wärmepumpe verwendet wird. Dazu kann der Generator auch im Leerlauf be­ trieben und an einem zweiten Wellenende über eine Kupplung mit dem Kompressor einer Wärmepumpe verbunden werden.

Diese vorgeschlagene Lösung dient ausnahmslos zur Abdeckung von Lastspitzen. Ein Beitrag zur Erhöhung des Gesamtwirkungsgrades von Blockheizkraftwerken ist mit dieser Lösung nicht gefunden worden.

Nach der DE 25 00 641 ist eine kombinierte Wärme- und Stromer­ zeugungsanlage, die kompakt ausgebildet und den Schallschutz­ normen genügt und einfach vor Ort, nahe dem mit Strom und Wärme zu versorgenden Verbraucher installierbar ist, einfach bedienbar ist und gleichzeitig einen höheren Wirkungsgrad aufweist, be­ kannt geworden. Diese Anlage verfügt als Wärmeerzeuger über eine Verbrennungskraftmaschine, die mit einem Generator gekoppelt ist, wobei die erzeugte Elektroenergie in das jeweils vorhandene Nieder- oder Mittelspannungsnetz der örtlichen Versorgungsträger abgegeben wird. Die als Wärmeerzeuger dienende Verbrennungs­ kraftmaschine und der Generator sind zu einem Motor-Generator-Block zusammengefaßt. Die Wärmequellen des Wärmeerzeugers, die Verbrennungskraftmaschine, wie die Kühlwasserwärme, die Abgas­ wärme, die Schmierölwärme und die Strahlungswärme der Bauteile werden innerhalb der Wärme- und Stromerzeugungsanlage ausgenutzt für die Erzeugung von Wärmeenergie, die den zu versorgenden Ob­ jekten über Wärmeübertragungsleitungen durch ein darin einge­ schlossenes Wärmetransportmedium, z. B. Wasser oder Dampf, zuge­ führt wird. Der Wärmeaustausch zwischen den vorgenannten Wärme­ trägern erfolgt über Wärmetauscher. Weiterhin sind Wärmespeicher vorgesehen, damit diese Kraft-Wärme-Kopplungsanlage in Betrieb dem tages- und jahreszeitlichen Wärme- bzw. Strombedarf besser angepaßt werden kann. Weiterhin ist bei dieser bekannt gewor­ denen Anlage vorgesehen, die angesaugte und für den Verbren­ nungsvorgang erforderliche Luft über entsprechende Einrichtungen anzusaugen und unter Nutzung aller Abwärmeströme des Motor- Generator-Blockes zu erwärmen.

Mit diesem Vorschlag ist eine Lösung bekannt geworden, die der Erhöhung des Gesamtwirkungsgrades dient. Allerdings besitzt diese vorgeschlagene Kraft-Wärme-Kopplungsanlage den Nachteil, daß keine optimale Prozeßsteuerung unter Ausnutzung aller anfallenden Wärmeenergien genutzt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Erhöhung des Ausnutzungsquotienten von zum Einsatz kommenden Primärenergieträgern zu den genutzten Anteilen der aus Wärme­ energie und Elektroenergie bestehenden Sekundärenergie, wobei das Verhältnis zwischen Wärmeenergie und Elektroenergie zu Gunsten der Elektroenergie gestaltet ist, und einer Einrichtung zur Umsetzung des Verfahrens zu entwickeln.

Diese Aufgabe wurde dadurch gelöst, daß ein Verfahren zur Aus­ nutzung der in einem flüssigen oder gasförmigen Primär­ energieträger und durch Verbrennung freigesetzten Wärmeenergie mittels einer Wärmekraftkopplungseinrichtung entwickelt wurde, bei dem erfindungsgemäß der durch einen Verbrennungsvorgang in einer Verbrennungskraftmaschine in mechanische Energie umge­ setzte Anteil durch einen Generator in Elektroenergie umge­ wandelt wird, und daß das bei der Verbrennung in einer Verbren­ nungskraftmaschine nicht in mechanische Energie umgesetzte Wärmeäquivalent, den diese Wärmeäquivalente tragenden Medien, Kühlwasser, Schmieröl, Ladeluft und Raumluft sowie das im Generator durch Reibung verursachte mechanische Wärmeäquivalent sowie das durch Hystereseverluste begründete elektrische Wärme­ äquivalent und die in der das aus Verbrennungskraftmaschine und Elektrogenerator bestehende Blockheizkraftwerk umgebenden Raum­ luft enthaltene Strahlungswärme durch Wärmeaustausch und Wärme­ übertragung entzogen und in einem nachgeschalteten Vollbrenn­ wertkessel auf ein Heizmedium übertragen wird, und daß die Ver­ brennungskraftmaschine mit einem Ladeluftstrom konstanter Ansaugtemperatur betrieben wird und die bei der Aufladung der Verbrennungsluft durch einen Turbolader auf die Ladeluft über­ tragene Verdichtungswärme nachfolgend wieder entzogen und über eine Wärmeübertragungseinrichtung über eine Wärmepumpe (Luft- Wasser-Kältesatz) auf das Heizmedium übertragen wird.

Bei dem erfindungsgemäß gestalteten Verfahren, wird durch die Wärmepumpe die Temperatur über das Niveau der des Puffermediums im Pufferspeicher angehoben.

Weiterhin ist nach dem erfindungsgemäß ausgebildeten Verfahren auch vorgesehen, daß die Öltanks mit dem Abgasstrom des Voll­ brennwertkessel beheizt werden, soweit eine Primärenergie­ versorgung mit Heizöl oder Naturöl erfolgt.

Die Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens sieht vor, daß dem Blockheizkraftwerk ein Vollbrennwertkessel zugeordnet ist, wobei in diesem Wärmeaustauscher für die Wärmeübertragung auf das Heizmedium vorgesehen sind, wobei dieser eine zusätzliche Brennereinheit aufweist und dem Vollbrennwertkessel ein Puffer­ speicher nachgeschaltet ist.

Die erfindungsgemäße Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens verfügt über eine Wärmepumpe zur Wärmerückgewinnung der in der Ladeluft der Verbrennungskraftmaschine des durch Aufladung ent­ haltenen Wärmeäquivalents und diese Wärmepumpe steht mit einem in einem Wärmetauscherkreislauf eines in einem Pufferspeicher vorgesehenen Nachheizwärmetauschers in Verbindung.

Die Erfindung soll nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigen

Fig. 1 den Aufbau einer aus einem Blockheizkraftwerk (BHKW) bestehenden Heizzentrale mit einer Erdwärmetauscher­ anlage und Tankbeheizung

Fig. 2 den Aufbau der Restwärmenutzung zur Tankbeheizung bei Ölbetrieb

Fig. 3 eine Heizzentrale nach Fig. 1 mit Anschluß an eine Solarkollektoranlage mit einer Überwechselautomatik für den als Verbrennungskraftmaschine ausgebildeten Wärmeerzeuger.

Zur Wärme- und Elektroenergieerzeugung dient eine Verbrennungs­ kraftmaschine 1. Diese wird wahlweise mit Öl oder mit Gas als Primärenergieträger betrieben. Zur Elektroenergieerzeugung ist diese Verbrennungskraftmaschine 1 mit einem Elektrogenerator 2 mechanisch verbunden. Das aus Verbrennungskraftmaschine 1 und Generator 2 bestehende Aggregat ist räumlich gekapselt. Als Wärmeerzeuger dient die Verbrennungskraftmaschine 1.

Dem Verbrennungskraftmaschinen-Generator-Satz 1; 2 ist ein Voll­ brennwertkessel 3 nachgeschaltet. Der Vollbrennwertkessel 3 ist mit einer zusätzlichen Brenneranlage 4 zwecks Betreibung des Vollbrennwertkessels 3 mittels Öl oder Gas ausgerüstet.

Zur wirtschaftlichen Betriebsgestaltung der Heizzentrale wird die Verbrennungskraftmaschine 1 mit einer Aufladung betrieben. Die bei der Aufladung entstehende Verdichtungswärme wird der Ladeluft wieder insoweit entzogen, wie diese über der optimalen Betriebstemperatur der Ladeluft für die verwendete Verbrennungs­ kraftmaschine liegt. Die Bereitstellung der Ladeluft erfolgt über einen Abgasturbolator 5. Zur Herstellung eines optimalen und konstanten Ansaugdruckes am Ansaugstutzen des Turboladers ist ein Gebläse 6 vorgesehen, das drehzahlgeregelt ist und für einen optimalen Ansaugdruck sorgt. Das Ansaugen der Ladeluft erfolgt über ein kombiniertes Abgas- und Zuluftsystem 7. Im Gegenstrom zu den Abgasen wird Frischluft sowohl für den Vollbrennwertkessel 3, als auch für den Ladeluftstrom angesaugt. Dabei tritt eine Erwärmung der Zuluft zum Gebläse 6 ein. Die Verdichtungswärme nach dem Austritt aus dem Turbolader wird der aufgeladenen Verbrennungsluft für die Verbrennungskraftmaschine 1 wieder entzogen. Zweckmäßig hat es sich erwiesen, dafür eine Wärmepumpe 8 einzusetzen. Durch diese Wärmepumpe wird die Lade­ lufttemperatur auf einen Idealwert heruntergekühlt, der bei ca. 25°C liegt. Die aus der Verbrennungskraftmaschine 1, austretende Abgasmenge wird nach Arbeitsleistung im Abgasturbolator dem Vollbrennwertkessel 3 zugeführt, wo der Wärmeinhalt über Wärme­ tauscherflächen auf das Heizmedium, z. B. Wasser, übertragen wird.

Ferner wird die dem Ladeluftstrom entzogene Wärmemenge zur Nutzwärmeverwendung, entweder einem Pufferspeicher 9 bekannter Bauart zugeführt oder in einem Erdwärmespeicher 13 gespeichert.

Das Wärmeäquivalent, das in der Verbrennungskraftmaschine 1 nicht in mechanische Energie umgesetzt worden ist und sich als Wärmeenergiemenge im Kühlwasserstrom dieser selben befindet, wird einem Wärmeaustauscher in dem Vollbrennwertkessel 3 zugeführt.

Alle Wärmeaustauscher, d. h. der der primärseitig mit dem Abgas­ strom der Verbrennungskraftmaschine 1 beaufschlagt wird und der der primärseitig im Kühlwasserstrom der Verbrennungskraft­ maschine liegt, liegen in Reihe des Heizkreislaufes im Voll­ brennwertkessel.

Bei einem Wärmeüberschuß aus der Stromerzeugung - d. h. wenn die durch die Verbrennungskraftmaschine 1 erzeugte Wärme im sekun­ dären Heizkreis nicht abgenommen wird - wird von der zentralen Regelung der 3-Wege-Hahn 10 umgeschalten in Richtung Wärme­ tauscher 11. Die Wärme des Kühlwassers der Verbrennungskraft­ maschine 1 wird nun solange über den Wärmetauscher 11 und die Umwälzpumpe 12 an den Solekreis 14 - bestehend aus Erdsonden, einem Solespeicher oder einem Groß-Wasser-Speicher - abgeführt, bis der sekundäre Heizkreis wieder Wärme abnimmt. Die Temperatur im Solekreis 14 wird dadurch angehoben.

Wenn der sekundäre Wärmebedarf größer als die Wärme der Ver­ brennungskraftmaschine 1 bei der Stromerzeugung ist, so wird über die Solepumpe 16 die Sole-/Wasser-Wärmepumpe 15 zugeschal­ tet und entzieht dem Solekreis (oder -Speicher) Wärme, bringt sie auf ein Temperaturniveau von 50 bis 60°C und gibt sie über die Speicherladepumpe 17 an den Pufferspeicher 9 ab. Durch dieses Verfahren wird also Überschußwärme sowie - z.G. bei Aus­ führung der Soleanlage mit Erdsonden - im Erdreich enthaltene Umweltwärme in den sekundären Heizkreis eingespeist.

Für den Fall, daß im Sommer bzw. in der Übergangszeit bei ausreichender Sonneneinstrahlung sekundärseitig mehr Wärme benö­ tigt wird, als die Verbrennungskraftmaschine 1 erzeugt, wird die Solaranlage 18 zur Aufladung des Pufferspeichers 9 und damit zur Einspeisung direkter Solarenergie in den Heizkreis genutzt.

Mit der vorgeschlagenen Lösung wird ein hoher Gesamtwirkungsgrad des Blockheizkraftwerkes erreicht und die Ausbeute an Elektro­ energie gegenüber der anfallenden Wärmeenergie erhöht. Diese Er­ höhung des Gesamtwirkungsgrades basiert darauf, daß die Zuluft für die Verbrennungskraftmaschine aufbereitet wird und dadurch diese ständig mit einer Ladeluft mit konstanten Parametern be­ aufschlagt wird und damit unter Idealbedingungen betrieben werden kann.

Bezugszeichenliste

1 Verbrennungskraftmaschine
2 Generator
3 Vollbrennwertkessel
4 Brenner
5 Abgasturbolader
6 Gebläse
7 Abgas- und Zuluftsystem
8 Wärmepumpe
9 Pufferspeicher
10 3-Wege-Hahn
11 Wärmetauscher
12 Umwälzpumpe
13 Erdwärmespeicher
14 Solekreis
15 Sole-/Wasser-Wärmpumpe
16 Solepumpe
17 Speicherladepumpe
18 Solaranlage

Claims (8)

1. Verfahren zur Ausnutzung .der in einem flüssigen oder gas­ förmigen Primärenergieträger enthaltenen und durch Ver­ brennung freigesetzten Wärmeenergie mittels einer Wärme- Kraft-Kopplungseinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß der durch einen Verbrennungsvorgang in einer Verbrennungskraft­ maschine (1) in mechanische Energie umgesetzte Energiean­ teil durch einen Generator (2) in Elektroenergie umge­ wandelt wird und daß das bei der Verbrennung in einer Ver­ brennungskraftmaschine (1) nicht in mechanische Energie um­ gesetzte Wärmeäquivalent den diese Wärmeäquivalente tra­ genden Medien, Kühlwasser, Schmieröl, Ladeluft, und Raum­ luft sowie das im Generator (2) durch Reibung verursachte mechanische Wärmeäquivalent sowie das durch Hysteresever­ luste begründete elektrische Wärmeäquivalent und die in der das aus Verbrennungskraftmaschine (1) und Elektrogenerator (2) bestehende Blockheizkraftwerk umgebende Raumluft ent­ haltene Strahlungswärme durch Wärmeaustausch und Wärmeüber­ tragung entzogen und in einem nachgeschalteten Vollbrenn­ wertkessel (3) auf ein Heizmedium übertragen wird und die Verbrennungskraftmaschine mit einem Ladeluftstrom konstanter Ansaugtemperatur betrieben wird und die bei der Aufladung der Verbrennungsluft durch einen Turbolader auf die Lade­ luftübertragene Verdichtungswärme nachfolgend wieder ent­ zogen und über eine Wärmeübertragungseinrichtung über eine Wärmepumpe auf das Heizmedium übertragen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Wärmepumpe die Temperatur über das Niveau der des Puffermediums im Pufferspeicher angehoben wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, daß die Öltanks mit dem Abgas­ strom des Vollbrennwertkessel (3) beheizt werden.

4. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Blockheizkraftwerk ein Vollbrennwertkessel (3) zugeordnet ist, wobei in diesem Wärmeaustauscher für die Wärmeübertragung auf das Heiz­ medium vorgesehen sind und dieser eine zusätzliche Brenner­ einheit (4) aufweist und dem Vollbrennwertkessel (3) ein Pufferspeicher (3) nachgeschaltet ist.

5. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Wärmepumpe (8) zur Wärmerückgewinnung des in der Ladeluft der Verbrennungs­ kraftmaschine (1) durch Aufladung enthaltenen Wärmeäqui­ valents vorgesehen ist und die Wärmepumpe (8) mit einem Wärmetauscherkreislauf (14) eines in dem Pufferspeicher (9) vorgesehenen Nachheizwärmetauschers in Verbindung steht.

6. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1-4 zur Herstellung eines konstanten genau definierten optimalen Ansaugdruckes der Zuluft am Eingang des Turbola­ ders (entsprechend bei Saugmotorausführung am Ansaugstut­ zen des Motors) mittels eines elektronisch geregelten Ge­ bläses.

7. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1-4 zur Nutzung von Überschußwärme des BHKW. Diese wird über einen Wärmetauscher an die Sole-Anlage der Wärmepum­ penanlage abgeführt und sorgt so für eine Erhöhung der Wär­ mequellentemperatur und kann zumindest teilweise (je nach Geologie) oder ganz (bei Verwendung eines isolierten ent­ sprechend dimensionierten Sole- oder Großwasserspeichers s saisonal genutzt werden durch entsprechende Zuschaltung der Wärmepumpe(n).

8. Einrichtung zur Nutzung der Restwärme des Abgases hinter dem Vollbrennwertkessel zur Beheizung der Tankanlage mit­ tels Rohrführung der Abgasrohre 1 durch den Tankraum in Nähe der Öltanks 2 und Wiedereinbindung in die Abgasanlage.