DE3242903A1

DE3242903A1 - Kraftwerk zum abdecken von spitzenlasten

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Publication number: DE3242903A1
Application number: DE19823242903
Authority: DE
Inventors: Ralph E. Hise; Paul F. 44122 Shaker Hts. Ohio Swenson
Original assignee: Consolidated Natural Gas Service Co Inc
Current assignee: Consolidated Natural Gas Service Co Inc
Priority date: 1981-11-20
Filing date: 1982-11-20
Publication date: 1983-06-23
Also published as: JPH0608701B2; WO1983001759A1; US4510756A; JPS58501965A; DE3242903C2

Description

G53716

Consolidated Natural Gas Service Company, Inc., 11001 Cedar Avenue, Cleveland, Ohio 44106, USA

Kraftwerk zum Abdecken von Spitzenlasten

Die Erfindung befaßt sich mit Einrichtungen und Anlagen

,_ zum Einsparen von Energie und insbesondere mit einer Zu-

satzgeneratoranlage, die sich an einem Ort mit einer Wärmelast bzw. mit einem Wärmeverbraucher befindet.

Übliche elektrische Kraftwerke arbeiten mit einem ver-

hältnismäßig hohen thermodynamischen Wirkungsgrad, können jedoch den größten Teil der von ihnen abgegebenen Wärme niedrigerer Temperatur nicht verwerten, weil sich gewöhnlich nicht genügend Wärmeverbraucher in der unmittelbaren Nähe des Kraftwerkes befinden. Deshalb geht beim Betrieb der bekannten großen Elektrizitäts-Kraftwerke viel Wärme verloren.

Ein anderer sich im Betrieb von bekannten Elektrizitäts-Kraftwerken ergebender Faktor ist die Schwankung des Bedarfes bzw. der Last. Diese LastSchwankung kann über einen ganzen Tag betrachtet beispielsweise von 2:1 bis

3;1 zwischen Spitzenlastzeiten und anderen Zeiten liegen, 35

wobei die Spitzenlastzeiten im allgemeinen den normalen

Geschäftszeiten entsprechen. In der Praxis bestimmt die Wirtschaftlichkeit, daß die Kosten zur Energieerzeugung bei hohem Bedarf größer als bei niedrigerem Bedarf sind.

Beispielsweise muß ein Netzbetreiber, der während 5

Spitzenlastzeiten Energie von anderen angeschlossenen Firmen kaufen muß, um seine eigene Produktion zu ergänzen, hierfür mehr bezahlen als während normaler Lastzeiten, wenn die angeschlossenen anderen Energieerzeuger ausreichende Kapazitäten zur Verfügung haben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit einfachen Mitteln einen Spitzenenergiebedarf abdecken zu können.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, ein Spitzenbedarfskraftwerk an einem Ort aufzustellen, der einen täglichen Wärmebedarf hat, wobei dieses Spitzenbedarfskraftwerk so ausgelegt ist, daß es die Spitzenlast oder den Spitzenbedarf des von einem Kraftwerk bzx^„ dem öffentlichen versorgten Ortes deckt. Das Spitzenbedarfskraftxtferk ist so ausgelegt und wird so betrieben, daß es optimale wirtschaftliche Vorteile

bringt und eine bedeutende Menge der für Heizzwecke benötigten Energiemenge einspart. Die mit der Erfindung einzusparende Energie kann ein bedeutender Teil der Energiemenge sein, die andernfalls an dem bestimmten Ort verbraucht würde.

Die Erfindung berücksichtigt die täglich wiederkehrenden Spitzenbedarfslasten des elektrischen Netzes. Das Spitzenbedarfskraftwerk bzw. das zusätzliche Energie liefernde Kraftwerk" umfaßt bei einer Ausführungsform eine Quelle

von brennbarem Brennstoff, einen Maschinensatz aus einer Heizmaschine und einem Generator zum Erzeugen elektrischer Energie, einen Wärmespeicher, einen elektrischen Anschluß an das elektrische Netz und geeignete Steuerungen. Im

Idealfall hat der Wärmespeicher eine Speicherkapazität, die von dem zu erwartenden täglichen Wärmeverbrauch bestimmt ist, und der aus Maschine und Generator bestehende Satz ist so ausgelegt, daß er während der Spitzenlastzeiten des elektrischen Netzes arbeitet und genügend Abwärme erzeugt, um den Wärmespeicher damit voll zu versorgen und gleichzeitig während seiner Betriebszeit den Wärmebedarf zu decken,

Gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung weist das Zusatzkraftwerk eine Brennstoffzelle auf, welche die chemische Energie von Erdgas oder ähnlichen Brennstoffen

2Q direkt in Elektrizität umsetzt. Die Brennstoffzelle ist so angeordnet und ausgelegt, daß sie eine aus mehreren getrennten Gebäuden bestehende, energieintegrierte Ge^ meinde versorgen kann. Die Größe der Brennstoffzelle ist derart gewählt, daß die bei der chemischen Umwandlung

erzeugte und abgegebene Wärme dem zu erwartenden mittleren täglichen Wärmebedarf der an diesem Ort angesdiossenen Gebäude entspricht, wenn sie nur während der Spitzenlast zeiten des elektrischen Netzes arbeitet. Auf diese

^ Weise wird der von der Brennstoffzelle erzeugte Wert der Elektrizität auf ein Maximum gebracht. Es ist eine ausreichende Wärmespeicherkapazität vorhanden, um die während der begrenzten Betriebszeiten erzeugte Abwärme zu speichern, damit diese über einen ganzen Tag verteilt genutzt werden kann.

BAD ORiGiNAL

Die Erfindung wird weiterHin anhand der Zeichnung erläutert, welche zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung darstellt, und zwar zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Zusatzkraftwerkes, das in der Nähe eines Wohnhauses liegt und sowohl zur Raumbeheizung als auch zur Erwärmung des Brauchwassers dieses Gebäudes dient, ..

Fig. 2 eine graphische Darstellung der prozentualen Verteilung des normalen jährlichen Heizbedarfes des Wohnhauses gemäß Fig. 1 gegenüber der Außenluft _s 15

Fig. 3 eine graphische Darstellung des Prozentsatzes des jährlichen Wärniebedarfs gegenüber Temperaturbereichen,

Fig. 4 eine empirisch gewonnene graphische Darstellung

des Heizenergiebedarfes gegenüber der Außentemperatur des Wohnhauses gemäß Fig_e 1,

Fig. 5 " ein schematisches Luftbild einer energieintegrierten bzw« zentral mit Energie versorgten Ge-• meinde nach einer zweiten Ausführungsform der

Erfindung,
30

Fig. 6 ein Blockdiagramm des Zusatzkraftwerkes, das für das Energiesystem gemäß Fig. 5 benutzt wird und

Fig.6a eine Einzelheit eines Wärmespeichers aus Fig. 6.

In Fig. 1 ist ein Wohnhaus 10 in Form eines Einfamilienhauses dargestellt, das einen täglichen Wärmebedarf hat, der im wesentlichen auf die Raumbeheizung und die Warmer wassererzeugung zurückzuführen ist. Diese Bestandteile der Wärmelast bzw. des Wärmebedarfes sind als Warmluft« Heizsystem 11 mit Zwangsumwälzung der Warmluft durch das Wohnhaus 10 und als Warmwasser-Tank 12 angedeutet. Am Ort des Wohnhauses 10 ist eine Wärmekraftmaschine 16 und

ein Elektrizitäts-Generator 17, der von der Wärmekraftmaschine 16 angetrieben wird, vorgesehen. Die Wärmekraftmaschine 16 und der Generator 17 sind als Baueinheit dargestellt und bilden als Baueinheit ein Zusatzkraftwerk 18

¹^ mit einem Fundament 19. Das Fundament 19 ruht direkt auf einem Wärmespeicher 22, so daß es eine thermische Verbindung zwischen dem aus Wärmekraftmaschine 16 und Generator 17 bestehenden Zusatzkraftwerk 18 und dem Wärmespeicher 22 herstellt. Obwohl das Zusatzkraftwerk 18 und der Wärmespeicher 22 in Fig. 1 außerhalb des Wohnhauses 10 dargestellt sind, können diese Elemente auch einzeln oder zusammen im Wohnhaus 10 angeordnet werden, wenn dies

gewünscht und zweckmäßig ist. In jedem Falle steht das 25

Zusatzkraftwerk 18 in thermischer Verbindung mit dem Wärmespeicher 22. Der Wärmespeicher 22 enthält ein Wärmespeichermedium wie Wasser, Wasser und Steine oder ein geschmolzenes Salz. Die im Wärmespeicher befindliche

Wärmemenge wird überwacht, beispielsweise mittels eines Temperaturmeß- und Steuergerätes 23, das ein Thermostat oder ein anderes hierfür geeignetes Gerät ist.

BAD ORIGINAL'

32429Ö3

. AA-

Durch eine Erdgas-Leitung 26 wird der Wärmekraftmaschine Brennstoff zugeführt· Die Wärmekraftmaschine 16 kann ein Verbrennungsmotor mit hin- und hergehendem Kolben, ein Sterling-Motor, eine Dampfmaschine, eine Turbine oder dergleichen sein. Der Elektrizitäts-Generator 17 ist bekannter Konstruktion und auf die Wärmekraftmaschine 16 abgestimmt, so daß er von der Wärmekraftmaschine 16 erzeugte mechanische Energie in Elektrizität umwandelt. Ferner steht ein Hilfs-Verbrennungs-Heizgerät 29, beispielsweise in Form eines üblichen Boilers, in thermischer Verbindung mit dem Wärmespeicher 22. Das Heizgerät 29 wird mit Erdgas aus der Leitung 26 beheizt.

Das Wohnhaus 10 ist an das Netz eines elektrischen Kraftwerkes angeschlossen» Das Netz dieses Kraftwerkes umfaßt Überlandleitungen 31, die von Leitungsmasten 32 gehalten

2Q sind. Die Überlandleitungen 31 sind über Leitungen 34 an einen Verteilerkasten 33 angeschlossen, der sich am Wohnhaus 10 befindet. Der durch die Leitungen 34 zum Wohnhaus 10 oder von diesem weg fließende Strom wird von

einem Stromzähler 36 gemessen, der am Verteilerkasten 33 25

angebracht ist. Der Generator 17 des Zusatzkraftwerkes ist mittels Leitungen 37 an den Verteilerkasten 33 und den Stromzähler 36 angeschlossen. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Zusatzkraftwerk 18 mit einem Radioempfänger versehen, der eine Antenne 38 aufweist, um Steuersignale vom Elektrizitätswerk zu empfangen.

Wenn die Wärmekraftmaschine 16 über den Generator 17 Elektrizität erzeugt, kann zusätzlich Energie nutzbar gemacht werden, und zwar durch Verwendung der unvermeidbaren

Abwärme der Wärmekraftmaschine. Daraus folgt, daß das Zusatzkraftwerk 18, das aus der Wärmekraftmaschine 16, dem Generator 17, dem Wärmespeicher 22 und Zusatzeinrichtungen besteht, in der Lage ist, Elektrizität mit besserem Wirkungsgrad als übliche Kraftwerke, bei denen die Abwärme nicht ausgenutzt wird, zu erzeugen* Die Wirtschaftlichkeit des Zusatzkraftwerkes 18 kann opti~ miert werden, wenn man sowohl die Kapazität des Wärmespeichers 22 als auch die Größe der Wärmekraftmaschine und des Generators 17 richtig bemißt. Wie unten näher erläutert, werden sowohl der Wärmespeicher 22 als auch die aus Wärmekraftmaschine 16 und Generator 17 bestehende Einheit in Relation zum erwarteten täglichen Wärmebedarf am zu versorgenden Ort und der Spitzenlastzeit des Elektrizitätswerkes bemessen. Gewöhnlich fällt die Spitzenlastzeit des Elektrizitätswerkes mit der Spitzenbedarfszeit der Verbraucher zusammen. Für die vorliegende Beschreibung wird daher unterstellt, daß diese beiden Zeiten gleich sind» Als Idealfall ist die aus Wärmekraftmaschine 16 und Generator 17 bestehende Einheit so dimensioniert und ausgelegt, daß sie kontinuierlich während der Spitzenlastzeit arbeitet und während dieser Zeit eine brauchbare Abwärmemenge liefert, die dem täglichen Wärmebedarf des zu versorgenden Ortes, beispielsweise des Wohnhauses

10, entspricht.
30

Eine Methode zum Bestimmen des Wärmebedarfes dieses Ortes ist folgende: Der Raumheizbedarf schwankt über das Jahr entsprechend den Jahreszeiten. Eine Schätzung des tägliehen Wärmebedarfs für Raumheizung kann vorgenommen wer-

♦ /13 ·

den, indem man in der Vergangenheit aufgezeichnete Wetterdaten für den bestimmten Ort studiert. Für die vorliegende Erläuterung wird angenommen, daß der Ort, an dem sich

das Wohnhaus 10 befindet, die Stadt Bedford, Massachu-5

setts, USA, ist. Fig» 2 und 3 zeigen die Verteilung des Raumheizbedarfes über das Jahr in Bedford, Massachusetts, als Funktion der Außentemperatur. Fig. 4 zeigt die lineare Beziehung zwischen der Außentemperatur und des Wärmeverbrauches für die Raumheizung des Wohnhauses 10.

Aus Fig. 2 und 3 geht hervor, daß 90% des Raumheizbedarfes bei Außentemperaturen über 15°F (-9⁰C) auftritt. Das Wohnhaus benötigt 820.000 BTU pro Tag (865 χ 10 Joule pro Tag)Heizenergie bei einer Außentemperatur von + 15 F (- 9⁰C) und von 1.450.000 BTU pro Tag (1.530 χ 10* Joule pro Tag)bei einer Außentemperatur von - 15 F (- 26 C),

2Q welche für den Standort des Wohnhauses der kälteste Tag oder die kälteste Tagestemperatur ist. Daher können 90% des jährlichen Raumheizbedarfes mit (820.000/1.450,000) χ 100% oder 57% der täglichen Bedarfsspitze gedeckt werden. Dies zeigt, daß die zusätzliche Investition für

ο _o . "'

eine Erhöhung der Speicherkapazität von + 15 F (- 9 C) auf - 15 F (- 26 C) nicht attraktiv ist. Beispielsweise erhält man einen 10%igen; Anstieg des jährlichen Verbrauches durch einen Anstieg von (1,45Mio. - 820,000/ 820,000) χ 100% oder 77% der Kapazitätsinvestition. In der Praxis zahlt sich eine Vergrößerung der Speicherkapazität über 60% des von der Konstruktion bedingten täglichen Bedarfes selten aus® Die Wirtschaftslichkeitsberechnung zwischen erhöhtem Verbrauchend der erforderlichen Investition führt im allgemeinen dazu, daß man

-y-

eine Wärmespeicherkapazität von 50 bis 60% des von der Konstruktion bedingten täglichen "Wärmebedarfs vorsieht. Zu diesem Zweck bedeutet die Bezeichnung "abgewandelter, durch die Konstruktion bedingter täglicher Wärmebedarf" den Teil (d.h. 60%, wie oben angegeben) oder den gesamten durch die Konstruktion bedingten täglichen Wärmebedarf, der auf einer wirtschaftlichen und/oder durch
die Umgebung bestimmten Grundlage gewählt wird.

Um ein Beispiel für die Bestimmungen der Elektrizitätserzeugung und der Wärmespeicherkapazität zu geben, werden die folgenden Annahmen vorausgesetzt j

1. Lage eines Einfamilien

hauses:

2. Raumheizbedarf;

3. Warmwasser-Heizbedarf:

4. Elektrischer Wirkungsgrad des Zusatzkraftwerks

5. Thermischer Wirkungsgrad des Zusatzkraftwerks 18 :

6. Durchschnittliche tägliche Spitzenlastzeit des Elektrizitätswerks j

7. Wirtschaftlicher Grenzwert für tägliche Raum« heizbedarfskapazität :

Bedford, Massachusetts,

USA

wie in Fig. 6 (QSH)

90 Gallonen/Tag (340 l/Tag) 75.000 BTU/Tag (QWH)

18% ( n_e)- *

55% ( ⁿth) *
10 Stunden

geschätzt auf 60% des von der Konstruktion bedingten täglichen Bedarfs

Auf Grundlage der Heizenergie von Erdgas, mit dem das Zusatzkraftwerk 18 beheizt wird.

Die Erzeugungskapazität ist so aufgelegt, daß die gesamte vom Zusatzkraftwerk 18 während der Spitzenlastzeit erzeugte Wärmeenergie 60% des durch, die Konstruktion bedingten täglichen Wärmebedarfs des Hauses entspricht, und zwar wie folgts

^Qth-total -

= 1,450,000 χ ,6 .+ 75,000 = 945,000 Btü/

· * ■ . ^S

(2) Q_th . = Qth-total* tag!rcke Betriebszeit = 945,000 BTU/Ua-g' * 10 Stunden/Tag = 94,500 BTü/H

^E _e = \/ * _th.z Q_lh x ,00029

= .18/. 155 χ 9S₁.400 BTü/h. χ .00029 kW-

h/BTü
= 9.2 kW

Die Gleichung (1) ist ein algebraischer Ausdruck für einen modifizierten, von der Konstruktie-n. bedingten täglichen Wärmebedarf. Sie umfaßt die RauwHeiÄung SH-Konstruktion und die Warmwasser erzeugung WH* ¹P He Wärmebedarf für die Warmwassererzeugung WH kann für jeden Tag des Jahres als gleich angenommen werden, so daß ein Faktor von 60% oder dergleichen nicht angebracht »'st* Daher ist bei diesem Beispiel 100% des durchschnittlichen Wasserheizbedarfes WH vorzusehen.

Die Gleichung (3) zeigt, daß ein ideales Zusatzkraftwerk 18 in diesem Falle elektrische Energie in der Größe von

9,2 Kilowatt erzeugt. Von dem Zusofczkraftwerk 18 erzeugte 35

und nicht- sogleich im Wohnhaus 10 verbrauchte elektrische

Energie wird durch den Stromzähler 36 in das Öffentliche Netz eingespeist, so daß der Besitzer des Wohnhauses 10 für seine während der Spitzenlastzeiten erfolgten Stromlieferungen eine Gutschrift erhalten kann.

.

O-

Die Wärmespeicherkapazität des Wärmespeicher's 22 ist so ausgelegt, daß die vom Zusatzkraftwerk 18 im Betrieb während der Spitzenlastzeit zusätzlich erzeugte Abwärme wie folgt berechnet werden kann:

(4) speicher =Qth-total - Qcons. « Q*th-total (1-tjt

- 945,000 (1"1I) = 530>00Ό BTU

Gleichung (4) gibt als ideale Speicherkapazität der Anlage einen Wert von 550,000 BTU (580 χ 10 Joule) an. Während eines ungewöhnlich kalten Tages, d.h. eines Tages, bei dem die Temperatur dem für die Konstruktion ' vorgesehenen untersten Wert von - 15 F (- 26 G) nahe kommt, wird das zusätzliche Heizgerät 29 betrieben, um allen zusätzlichen Wärmebedarf zu decken.

Wie in den obigen Gleichungen gezeigt, ist die Wärmespeicherkapazität (^Speicher) vollständig wie folgt zu bestimmen:

(1) Elektrische Stromerzeugungskapazität am Ort des Wohnhauses (E ),

e'

η / η /.

(2) e/ /th für das verwendete Zusätzkraftwerk

·

(3) Länge der Spitzenlastzeit.

3 242303 . /If. ■ . .

Wenn die Kapazität der elektrischen Stromerzeugung (E ) nach einigen willkürlichen oder wirtschaftlichen Kriterien bestimmt wird, kann eine optimale Wärmespeicherkapazität auch nach der folgenden Methode erzielt werden.

Wenn E kleiner als das Optimum ist, wird ^Speicher nur

von ⁿe/ ⁿth und der Länge der Spitzenlastzeit bestimmt, und zwar gemäß Gleichung (4). Wenn E größer als das

0 ^e

Optimum ist, wird ^Speicher gemäß den Gleichungen (l) und (4) bestimmt,-wodurch tatsächlich ^Speicher so bestimmt wird, als ob E optimal ist. Wenn E größer als das Optimum ist, wird das Zusatzkraftwerk im Sinne der Gleichung (3) für einen umgekehrt proportionalen Teil der vollen Dauer der Spitzenlastzeit betrieben.

Zum Zwecke der Erläuterung ist das in Fig. 1 gezeigte Zusatzkraftwerk in Form und Funktion verhältnismäßig 2Q einfach» Wenn der tatsächliche Raumheizbedarf eines bestimmten Tages die gespeicherte Wärmemenge nicht voll verbraucht, verzögert oder verhindert das Steuergerät 23 den Betrieb des Zusatzkraftwerkes 18. Wärmeverluste

durch Leitung, Strahlung usw. vom Wärmespeicher 22 25

können als Teil des Wärmebedarfs betrachtet werden und müssen, wenn sie nicht vernachlässigbar klein sind, als Faktor in den obigen Gleichungen berücksichtigt werden..

Das Wohnhaus 10 kann auch mit einer mit Wärme betriebenen Klimaanlage versehen sein, die beispielsweise als Absorber arbeitet. Der Wärmebedarf einer solchen Klimaanlage erstreckt die Nutzung des Zusatzkraftwerkes 18 auch auf den Sommer. Ein nicht dargestellter, außen anzubringender

Wärmetauseher kann wahlweise direkt oder durch den Wärmespeicher 22 an das Zusatzkraftwerk 18 angeschlossen werden, wenn das Zusatzkraftwerk, während Zeiten betrieben werden soll, während denen der Wärmespeicher 22

auf seine Kapazität aufgeheizt wird. Diese Situation kann eintreten, wenn das Kraftwerk Reservekapazitäten vom Zusatzkraftwerk 18 und gewöhnlich einer Mehrzahl derartiger Anlagen aufnehmen will. Das Zusatzkraftwerk 18 wird bei derartigen Situationen durch Übermittlung von entsprechenden Signalen an die Antenne 38 eingeschaltet, wodurch das Steuergerät 23 überfahren wird. Unter diesen Umständen kann angenommen werden, daß das Kraftwerk eine Vergütung für die so angeforderte und erzeugte Elektrizität bezahlt. Falls erwünscht, kann das Zusatzkraftwerk 18 von einer Zeitsteueruhr gesteuert werden, welche es ermöglicht, daß die Anlage in Abhängigkeit von dem Zustand des Steuergerätes 23 während Spitzenlastzeiten arbeitet und hierfür kein Einschaltsignal· vom Kraftwerk, gesendet wird.

Obwohl hier angenommen wurde, daß der Wärmebedarf am

Standort des Zusatzkraftwerkes 18 für Raumheizung und 25

Warmwassererzeugung eines Einfamilienhauses bestimmt ist, läßt sich das Zusatzkraftwerk auch für andere Zwecke oder Aufstellungsorte, sowohl kommerzielle als auch industrielle_/ nutzen. Einige Merkmale können auch·dann angewendet werden, wenn der gesamt zu erwartende tägliche Wärmebedarf nicht mit der Spitzenlastzeit zusammenfällt, beispielsweise wenn er phasenverschoben und/oder bedeutend langer als die Spitzenlastzeit des Kraftwerkes ist.

Fig. 5 zeigt eine andere Ausführungsform der zusätzlichen Energieerzeugung in einem wesentlich größeren Maßstab als in Fig. 1. Fig. 5 ist ein schematisches Luftbild bzw. eins schematische Ansicht aus der Vogelperspektive einer kombinierten Geschäfts- und Wohngemeinde, die von einem integrierten gemeinsamen Energiesystem 51 versorgt wird. Die Gemeinde 50 umfaßt ein Einkaufszentrum 52, ein Bürohaus 53, Wohn-Hochhauser 54, Wohnhäuser 55 mit weniger Etagen und Reihenhäuser 56. Im dargestellten Fall werden alle Gebäude von einem zentralen Kraftwerk 51 beheizt und einige von diesem auch gekühlt. Fig. 6 ist ein Blockdiagramm der wichtigsten Teile dieses Kraftwerkes 51.

Das Kraftwerk 51 umfaßt eine Brennstoff-Zelle 57 mit daran angeschlossenen Wärmespeichern 61 und 62. Die Brennstoff-Zelle 57 enthält beispielsweise einen Brennstoff-

2Q Vorverarbeiter 63, einen Brennstoff-Verarbeiter 64, einen Energieerzeuger 66 mit Wärmebetrieb und Wärmeregelung und eine geeignete Steuerung 67. Ferner sind Wärmetauscher und 69 vorgesehen. Vom Energieerzeuger 66 erzeugter

Gleichstrom wird von einem Wechselrichter 71 in Wechsel-25

strom umgewandelt.

Brennstoff, beispielsweise Erdgas, gelangt in den Brennstoff -Vorverarbeiter 63, der ein Voroxidiermittel und ein Hydrosulphiermittel enthalt, um den Brennstoff aufzuarbeiten. Das Brennstoff-Gemisch strömt zusammen mit schon aufbereitetem rückgeführtem Brennstoff durch den Voroxidierabschnitt des Vorverarbeiters 63, wo Sauerstoff, falls vorhanden, entfernt wird.und dann durch den Hydro-

sulphierabschnitt, wo Schwefel entfernt wird. Der entschwefelte und mit Dampf vermischte Brennstoff gelangt in den Brennstoff-Verarbeiter 64, wo Brennstoff und Dampf

katalytisch in ein wasser st off reiches Gas umgewandelt wer-5

den. Das wasserstoffreiche Gas wird gekühlt und gefiltert und strömt zum Energieerzeuger 66. Der Energieerzeuger 66 verbindet elektrochemisch Wasserstoff des wasserstoffreichen Gases und Sauerstoff von vorverarbeiteter Luft und erzeugt daraus direkt elektrischen Strom. Wasser wird als Nebenprodukt des elektrochemischen Prozesses erzeugt. Der aus dem Wechselrichter 71 entnommene Wechselstrom wird in das elektrische Netz, das die Gemeinde 50 versorgt, in analoger Weise wie oben in Verbindung mit Fig. 1 beschrieben eingespeist.

Die thermische Steuerung des Energieerzeugers 66 überwacht die Temperatur des Energieerzeugers mit Hilfe von zirkulierendem Wasser. Die bei der Erzeugung der elektrischen Energie anfallende Wärme wird aus dem Energieerzeuger dadurch abgeführt, daß man das zirkulierende Wasser in ein Zweiphasen-Gemisch aus Dampf und Wasser umwandelt«

Der Dampf wird vom Energieerzeuger 66 abgezogen und im Brennstoff-Vorverarbeiter 63 benutzt. Die Wasserkomponente des Zweiphasen-Gemisches wird durch.eine Kühlschlange zurückgeführt, die mit dem für hohe Temperaturen vorgesehenen Wärmetauscher 69 verbunden ist.

Hohe Temperatur aufweisende Abwärme wird dadurch zurückgewonnen, daß man das Kühlmittel des Energieerzeugers durch den Wärmetauscher 69 leitet, wo Wasser oder ein

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anderes Medium des für hohe Temperaturen vorgesehenen Wärmespeichers 62 auf eine maximale Temperatur von beispielsweise 275⁰F (135°C) aufheizt. Die eine geringere Temperatur aufweisende Wärme wird dadurch rückgewonnen, daß man die Abgase des Energieerzeugers 66 und des Brennstoff-Verarbeiters 64 durch den für niedrigere Temperaturen vorgesehenen Wärmetauscher 68 leitet, wo die Wärme auf ein Speichermedium wie Wasser oder dergleichen des für niedrigere Temperaturen vorgesehenen Wärmespeichers 61 übertragen wird. Wenn, wie gewünscht oder notwendig, entweder die Erzeugung von Wärme hoher oder niedriger Temperatur die Kapazität des entsprechenden Wärmespeichers 61 bzw. 62 übersteigt, können luftgekühlte Wärmetauscher in den diesen Wärmespeichern zugeordneten Kreisläufen vorgesehen sein, um eine ausreichende Kühlung zu erzielen, damit.das Kraftwerk kontinuierlich laufen kann.

Die in Fig. 6 dargestellte Brennstoff-Zelle 57 erzeugt, wenn sie bei oder nahe der durch ihre Konstruktion bedingten Kapazität arbeitet, etwa zwei Mal so viel Wärme niedriger Temperatur wie Wärme hoher Temperatur. Allge-

mein ausgedrückt kann gesagt werden, daß die Brennstoff-Zelle 57, wenn sie bei 100% ihrer vorgesehenen Energie arbeitet, grob gesprochen 40% der Brennstoffenergie in Elektrizität und weitere 40% in Wärme niedriger und Wärme hoher Temperatur umwandelt. Die Rückgewinnung von Abwärme bei zwe i unterschiedlichen Temperaturpegeln, Temperatur niedriger Wärme bei beispielsweise 100 bis 120 F (37 bis 50 C) im Wärmespeicher 61 für Wärme niedriger Temperatur und bei beispielsweise 220° bis 275⁰F (105° bis 135°C) im Wärmespeicher 62 für Wärme hoher Temperatur,

ist ein Vorteil des energieintegrierten Systemsder dargestellten und erläuterten Art. Der normale Wärmebedarf für Raumheizung und Warmwassererzeugung wird gewöhnlich

mit Wärme niedriger Temperatur gedeckt, jedoch ist es 5

derzeit im allgemeinen unpraktisch, Wärme niedriger Temperatur für die Raumkühlung zu verwenden. Hingegen kann Wärme hoher Temperatur bei 220°F (etwa 105⁰C) erfolgreich in Klimaanlagen, die nach dem Absorptionsprin~ zip arbeiten, benutzt werden.

Der für Wärme hoher Temperatur vorgesehene Wärmespeicher 62 ist so ausgelegt und angeordnet, daß er mit Wärme betriebene Absorptions-Klimaanlagen der kommerziellen Gebäude 52 und 53 betreiben kann* Die in dem Wärmespeicher 61 gespeicherte und rückgewonnene Wärme niedriger Temperatur wird vornehmlich für die Raumbeheizung der übrigen

2Q Gebäude der Gemeinde 50 und für die Warmwassererzeugung benutzt. Jeder Wärmespeicher 61 und 62 ist so bemessen, daß er eine Wärmemenge speichern kann, die dem entsprechenden, von der Konstruktion bestimmten täglichen

Wärmebedarf weniger des Teiles des täglichen Wärmebe-25

darfes,- der während des Betriebes des Kraftwerkes 51 während Spitzenlastzeiten des öffentlichen Netzes er-

ele.ich
zeugt wird;/ ist. Geeignete Kontrollgeräte wie Thermostate überwachen den Zustand der Wärmespeicher 61 und 62 und wirken mit der Steuerung 67 zusammen, um normalerweise einen Betrieb des zusätzlich vorgesehenen Kraftwerkes zu verhindern, wenn die Wärmespeicher 61 und 62 die ihrer Kapazität entsprechende Wärmemenge enthalten. Die Bemessung der Wärmespeicher 61 und 62 beruht auf Berech-

nungen entsprechend dem modifizierten, durch die Konstruktion bedingten täglichen Wärmebedarf ähnlich wie in Verbindung mit Fig. 1 erläutert. Auch bei dieser

zweiten Ausführungsform wird davon ausgegangen, daß 5

das mit Brennstoff-Zellen arbeitende zusätzliche Kraftwerk 51 normalerweise nur während der Spitzenlastzeiten des die Gemeinde 50 versorgenden Kraftwerkes bzw. Netzes arbeitet, so daß der Wert der von der Brennstoff-Zelle 57 erzeugten elektrischen Energie auf ein Maximaum gebracht werden kann. Geeignete Steuerungen zum Betreiben des Kraftwerkes 51 während Spitzenlastzeiten oder anderen Zeiten, falls erwünscht oder notwendig, können vorgesehen sein, und zwar analog wie in Verbindung mit Figo bereits beschrfeben.,

Wie in Fig. 5 schematisch gezeigt_? sind die mit dem zusätzlichen Kraftwerk 51 verbundenen Wärmespeicher 61 und 62 zentral zu den zu versorgenden Gebäuden angeordnet und liegen nicht mehr als wenige hundert Meter von jedem Gebäude entfernt. Die Wärmespeicher 61 und 62 sind mit

den einzelnen Gebäuden über Versorgungsleitungen 76 bzw.77 25

verbunden. Die Versorgungsleitungen 76 und 77 bilden Kreisläufe aus parallelen Leitungen, nämlich den in Fig_o6 angedeuteten Vorlaufleitungen 76a und 77a und Rücklauf™ leitungen 76b und 77b für ein zirkulierendes Medium wie Wasser. Diese Leitungen können aus Heizrohren bestehen.

Die Versorgungsleitungen 76 und 77 umfassen Hauptleitungen und zu den einzelnen Gebäuden führende Zweigleitungen«, Einige Gebäude, beispielsweise die kommerziellen Gebäude des Einkaufszentrums 52 und die Bürogebäude 53 können, wie aus Fig. 5 und 6 hervorgeht, getrennte Versorgungsleitun-

32429Ό3.

3,k

gen 76 und 77 aufweisen, die mit dem Wärmespeicher 61 für niedrige Temperatur bzw. dem Wärmespeicher 62 für hohe Temperatur verbunden sind«

Wärme mit hoher Temperatur kann benutzt werden, um die zur Verfügung stehende Wärme niedriger Temperatur zu ergänzen. Aus Fig. 6 geht hervor, daß ein Wärmeüberti-a- . gungskreis 81 mit in Reihe geschalteter Zufuhrleitung 82_; Wärmetauschschlange 83 und Rücklaufleitung 84 vorgesehen ist. Die Zuführleitung 82 wird gezielt-an die als Haupt.-leitung dienende Vorlaufleitung 77 des für hohe Temperatur vorgesehenen Wärmespeichers 62 über ein umschaltbares Dreiwege-Ventil 86 angeschlossen, während die Rücklaufleitung 84 dauernd mit der Rücklaufleitung 77b in Verbindung steht. Die Wärmetauschsehlange 83 steht in thermische Verbindung mit einer Wärmetauschschlange 87, die in der Vorlaufleitung 76a des Wärmespeichers 61 für

niedrige Temperatur liegt. Die Wärmeträgermedien fließen im Gegenstrom durch die Wärmetauschschlangen 83 und 87.

Fig» 6a zeigt schematisch ein Beispiel eines Wärmespei«·

·

ehers für hohe Temperatur. Ein aus Feststoffen oder Flüssigkeit bestehendes Wärmespeichermedium 91"ist in einem isolierten Tank 92 untergebracht. Wärmetauschschlangen 93 und 94 sind vorgesehen, von denen die eine mit dem Wärmetauscher 69 und die andere mit der Vorlaufleitung 77a und der Rücklaufleitung 77b in Verbindung steht. Die Anordtiung gemäß Fig. 6a gestattet es, daß die in den Leitungen des Wämetaftschers 69 und in der Ver-

-■■ · ^:' -fi,-;"
sorgungsleitung 77 zirkulierenden Strömungsmittel von- ·

einander getrennt sind, so daß sie unterschiedlicher Natur sein und unter verschiedenen Drücken stehen können usw. Eine oder auch beide Wärmetauschschlangen 93 und 94

p. können wegfallen, beispielsweise wenn die Strömungsmittel, Drücke, Reinheiten und dergleichen in diesen Elementen zusammenpassen. Der Wärmeübertragungskreis 81 ist besonders dann nützlich, wenn zuviel nutzbare Wärme hoher Temperatur vorhanden ist. Dies könnte beispielsweise in

der Wintersaison der Fall sein, wenn der Heizbedarf maximal und der Kühlbedarf gering ist. Unter diesen Umständen wird verhältnismäßig wenig Wärme hoher Temperatur für Kühlzwecke benötigt,,

Das in Fig. 6 angedeutete Kraftwerk 51 hat eine ausreichende Kapazität, um die Elektrizitätserzeugung mit Hilfe von Brennstoff-Zellen praktisch durchführen zu können. Ein derartiges Kraftwerk hat einen verhältnismäßig hohen Wirkungsgrad bei der Erzeugung von Elektrizität aus Erdgas oder ähnlichem Brennstoff im Vergleich zu konventionelleren Systemen, die eine Wärmekraftmaschine

als Antrieb für einen Elektrizitäts-Generator verwenden. 25

Dieser Wirkungsgrad verbessert die Wirtschaftlichkeit des Kraftwerkes 51 derart, daß eine verhältnismäßig große Menge verhältnismäßig teurer Elektrizität aus einer bestimmten verbrauchten Brennstoffmenge erzeugt wird, wobei man zusätzlich nutzbare Wärme erhält. Die beschriebene Brennstoff-ZeIIe 57 ist ein Beispiel verschiedener bekannter Brennstoff-Zellen, die für die Durchführung der vorstehend beschriebenen Arbeitsweise geeignet sind. 35

Ein zusätzliches Kraftwerk, ob es nun mit einer Brennstoff-Zelle oder einer Wärmekraftmaschine zur Erzeugung von Elektrizität arbeitet, kann, wenn es auf die Versorgung

einer örtlichen Gemeinde dimensioniert wird, sowohl be-5

züglich der Installationskosten als auch der Betriebskosten sehr wirtschaftlich sein. Die Bauteile dieses zusätzlichen Kraftwerkes 51 können so ausgelegt und bemessen werden, daß sie dem durchschnittlichen gemeinsamen Wärmebedarf aller Gebäude dieser Gemeinde, entsprechen. Die Geschäftsgebäude, die kommerziellen Gebäude und die Wohngebäude haben jeweils einen unterschiedlichen täglichen und wöchentlichen Wärmebedarf. Wenn man diesen unterschiedlichen Wärmebedarf !insgesamt mittelt, kann man die täglichen Bedarfsspitzen im allgemeinen noch weiter herabdrücken, so daß der modifizierte, von der Konstruktion abhängige tägliche Wärmebedarf verringert wird. Aus den Beispielen bzw. Gleichungen 1 bis 4 kann man beispielsweise sehen, daß die Größe der zahlreichen Komponenten zu verringern ist«

Obwohl bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung darge-25

stellt und beschrieben worden sind, können zahlreiche andere Abwandlungen und Anordnungen der Teile vorgenommen werden, ohne damit die Erfindung zu verlassen.

G/uh

Claims

G53716

Patentansprüche;

/ I. J Kraftwerk zum Erzeugen von Heizenergie zum Abdecken von Spitzenlasten,für Orte mit einem voraussehbaren täglichen Wärmebedarf, dadurch gekennzeichnety daß es eine Wärmekraftmaschine (16), eine Brennstoff quelle (26) zum Betreiben der Wäsrmekraftmas chine,, einen Generator (17) zum Umwandeln mechanischer Energie der Wärmekraftmaschine in elektrische Energie«, Einrichtungen (37) zum Anschließen des Generators an ein . elektrisches Stromnetz (31),

das eine Belastung erfährt, die sich in der Größe gewöhnlich bedeutend innerhalb von 24 Stunden ändert und deren Spitzenwert deutlich kürzer als 24 Stunden auftritty einen Wärmespeicher (22), dessen Kapazitä-t auf den erwarteten täglichen Lastbedarf abgestimmt ist, eine erste Einrichtung (19), welche die Wärmekraftmaschine mit dem Wärmespeicher thermisch verbindet, um Abwärme der Wärmekraftmaschine dem Speicher zuzuleiten, eine zweite Einrichtung, welche den Wärmespeicher mit der Wärmelast bzw. dem Wärmeverbraucher (11, 12) thermisch verbindet, Steuereinrichtungen zum Einschalten der Wärmekraftmaschine und des Generators

während der Spitzenlastzeiten des Stromnetzes und 30

einen Fühler (23), der den im Speicher gespeicherten Wärmewert überwacht und so anordnet bzw. ausgebildet ist, daß er die Steuereinrichtung übersteuert, wenn der Speicher eine gewünschte Wärmemenge enthält, um dadurch die Wärmekraftmaschine und den Generator abzuschalten, aufweist«

BAD ORIGINAL'
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmekraftmaschine (16) und der Generator (17) eine Anlage (18) bilden, die so ausgelegt ist, daß sie vornehmlich während Spitzenlastzeiten des - Stromnetzes (31) läuft, um eine Menge Abwärme zu erzeugen, die dem modifizierten, von der Konstruktion des Verbrauchers bestimmten täglichen Wärmebedarf des mit dieser Anlage ausgerüsteten Gebietes oder Gebäudes entspricht.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet j daß der Wärmespeicher (22) eine derartige Kapazität aufweist, daß er eine Wärmemenge speichern kann, welche dem modifizierten, von der Konstruktion des Verbrauches bestimmten täglichen Wärmebedarf abzüglich der bei normaler Wärmelast bei vollem Betrieb der Wärmekraftmaschine (16) und des Generators (17) in Spitzenbedarfszeiten anfallenden Abwärme entspricht.
4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da-25

durch gekennzeichnet, daß die Wärmelast auch die Raumbeheizung von an dem Ort befindlichen Gebäuden umfaßt und der Wärmespeicher (22) so ausgelegt ist, daß er etwa 50 bis 60% des täglichen Wärmebedarfs der Ge- ^O bäuderäume deckt.
5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator (17) in seiner Größe so ausgelegt ist, daß er während der gesamten Dauer einer- normalen Spitzenlastzeit des Elektrizitätswerkes bzw. des Stromnetzes (31) läuft.
6„ Kraftwerk zum Erzeugen von Heizenergie zum Abdecken von Spitzenlasten,, für Orte mit einem voraussehbaren täglichen Wärmebedarf, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Quelle für oxidierbaren Brennstoff, einen Elektrizitäts-Generator (66) zum Oxidieren des Brennstoffes zum Erzeugen elektrischer Energie und einer größeren Menge nicht verbrauchter Abwärmej Einrichtungen zum Anschließen desGenerators an ein elektrisches Stromnetz, an dem eine Last hängt$ deren Größe sich während eines Zeitraumes von 24 Stunden gewöhnlich sehr bedeutend ändert und eine Spitzenlastzeit einschließt, die wesentlich kürzer als 24 Stunden ist, einen Wärmespeicher (61, 62), dessen Kapazität der sich ändernden Dimensionierung des täglichen Wärmebedarf angepaßt ist, erste . Einrichtungen (68 j 69) zum thermischen Verbinden des Generators mit den Wärmespeicher zum Überleiten von Abwärmeenergie des Generators zum Wärmespeicher, zweite Einrichtungen (76,77) zum thermischen Verbinden des Wärmespeichers mit der Wärmelast bzw, dem Wärmeverbraucher, eine Steuereinrichtung (67) zum Einschalten des Generators während der Spitzenlastzeiten des Stromnetzes und einen Fühler, der den im Wärmespeicher gespeicherten Wärmewert überwacht und so ausgebildet und angeordnet ist,·daß er normalerweise die Steuereinrichtung überfährt, wenn der Wärmespeicher eine gewünschte Wärmemenge enthält, um den Elektrizitätsgenerator abzuschalten, aufweist.
7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmespeicher (61, 62) an eine Mehrzahl verschiedener Gebäude (52 bis 56) der Anlage oder des Ortes (50) angeschlossen ist.
8. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrizitätsgenerator eine Brennstoff-Zelle (57) umfaßt, die elektrochemisch Elektrizität und

Abwärme durch Oxidation des Brennstoffes erzeugt. 5
9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoff-Zelle (57) so ausgebildet ist, daß sie Abwärme mit zwei getrennten Temperaturpegeln abgibt, wobei der Wärmespeicher zwei voneinander ge-· trennte Abschnitte (61 und 62) für jeden der beiden .Temperaturpagel umfaßt,
10* Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß einer der beiden Abschnitte (61) so ausgebildet ist, daß er für die Raumbeheizung geeignete Wärme niedrigerer Temperatur speichert, und der andere Abschnitt (62) so ausgebildet ist, daß er für die Raumkühlung durch einen Absorptionsprozess geeignete Wärme höherer Temperatur speicherte
11. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, 25

daß er Einrichtungen (81) zum wahlweisen Überleiten von Wärme höherer Temperatur aus einem der Abschnitte (62) in den Kreislauf, dem normalerweise Wärme des

anderen Abschnittes (61) zugeleitet wird, aufweist. 30
12. Einrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator (66) zum Erzeugen elektrischer Energie in der Größe ao ausgelegt ist, daß er eine Abwärmemenge erzeugt, die im wesentlichen

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gleich dem modifizierten, von der Konstruktion der Wärmelast bzw«, des Wärmeverbrauchers bedingten täglichen Wärmebedarf des Verbrauchers während normaler täglicher Betriebszeit ist und daß man den Generator normalerweise während Spitzenlastzeiten des Stromnetzes betreibt, wenn der Wärmespeicher (61«, 62) eine unter seiner Kapazität liegende Wärmemenge enthält«.

13« Einrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeverbraucher der Anlage eine Raumklimaanlage für eine Mehrzahl getrennter Gebäude (52, 53) aufweist und die Gebäude als gemeinsamer Wärmespeicher benutzt werden«

14o Einrichtung nach Anspruch 12_? dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmespeicher in der Größe so ausgelegt ist, daß er den gemeinsamen mittleren Wert einer täglichen Wärmelast bzw» des Wärmeverbrauches der zahlreichen getrennten Gebäude entspricht bzw. genügt.

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