DE4102636C2 - Energieversorgungsanlage mit einem Verbrennungsmotor und einem Generator - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Energieversorgungsanlage mit einem Verbrennungsmotor und einem mechanisch daran angekoppelten Ge­ nerator zur Bereitstellung von Wärmeenergie und elektrischer Energie.

In der Zeitschrift "Brennstoff-Wärme-Kraft" 34 (1982), Nr. 8 bis 9, August/September sind auf Seiten 404 bis 410 sog. Block­ heizkraftwerk-Kleinaggregate beschrieben. Damit kann auch für kleinere Objekte unabhängig vom öffentlichen elektrischen Netz sowohl elektrische als auch Wärmeenergie zur Verfügung ge­ stellt werden. Dabei besteht jedoch das Problem, daß nur in den seltensten Fällen der Wärme- und Strombedarf so zusammen­ paßt, daß das von der Motoren-Anlage produzierte Verhältnis von Strom und Wärme voll genutzt werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei den gattungsge­ mäßen Anlagen die Anpassung von Strom zu Wärmeproduktion zu verbessern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Überwachungs­ schaltung für den vom Generator abgegebenen Strom sowie eine Stufenschaltung gelöst, die fortlaufend Stufen einer elektrischen Heizeinrichtung zuschaltet, wenn eine Heizwärmeanforderung vorliegt und der Generatorstrom unterhalb eines vorgege­ benen Grenzwertes liegt.

Das von der Motoranlage produzierte Verhältnis von Strom und Wärme wird damit vollautomatisch dem Wärme- und Strombe­ darf des jeweiligen Objektes angepaßt. Außerdem wird der Ver­ brennungsmotor meistens im Bereich der Vollast betrieben, so daß sich höhere Wirkungsgrade, eine längere Lebensdauer sowie eine Verbesserung der Abgasqualität ergibt.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher beschrieben.

In den Zeichnungen sind die verwendeten Meß- und Regelglieder, die Schaltung der Steuereinheit sowie deren Einbau in die Elektrik der Hausenergieversorgung dargestellt.

Ein wassergekühlter Dieselmotor treibt über eine starre Welle einen Wechelstromgenerator an. Die Drehzahl des Motors ist über die Einspritzpumpe auf 3000 1/min stabilisiert. Das ergibt zusammen mit einen 4-kW-Generator stabile 50 Hz Wechselspannung mit bis zu ca. 18 A. Diese Spannung wird gleichgerichtet und dient zur Ladung einer Batterie, welche aus 18 Einzelbatterien mit je 12 V und 66 Ah besteht. 14 dieser Batterien liegen miteinander in Reihe und werden, während der Motor läuft, direkt mit 198,07 V Gleichspannung (entspr. mittlerer Gleichrichtwert von 220 V_eff) geladen. Das ergibt für jede Batterie eine gesunde Ladespannung von 14,14 V. Für die vier restlichen Batterien wird an die 220-V-Wechselspannung des Generators ein Transformator mit Primär 220 V und Sekundär 63 V, 20 A angeschaltet. Diese Spannung wird nun gleichgerichtet und an die unabhängigen vier, miteinander in Reihe geschalteten, Batterien gelegt, so daß auch diese mit 14,17 V geladen werden, solange der Motor läuft. Beide Batterieeinheiten sind auch miteinander in Serie geschaltet. Die Steuereinheit sorgt dafür, daß während der Motor läuft über 16 Batterien abgegriffen wird (entspr. 226,30 V), während der Motor steht, also nicht lädt, wird über 18 Batterien abgegriffen (entspr. 216 V). Ein Wechselrichter mit primär 220 V Gleichspannung und sekundär 220 V_eff Wechselspannung mit einer Maximalleistung von 11 kW und einer Frequenz von 50 Hz versorgt nun die Sicherungstafel auf der bei dieser Anlage bis zu 50 Ampere, je nach individuellem Bedarf, abgesichert werden und dem Haushalt zur Verfügung stehen.

Es ist für das gekoppelte Wärmesystem wichtig, daß der Generator belastet wird.

Dazu stehen zwei 2-kW-Elektrodirektheizgeräte mit einer 1-kW-Stufenschaltung zur Verfügung, die in den Räumen des Hauses, die bevorzugt beheizt werden sollen, neben den normalen Heizkörpern installiert werden.

Die Steuereinheit mißt die Vorlauftemperatur am Motor (s. u.) und den Strom des Haushalts.

Die Elektrodirektheizgeräte werden in vier 1-kW-Stufen nur dann eingeschaltet, wenn der Strom im Haushalt abgesunken ist, also der Haushaltsbedarf zu gering ist.

Natürlich werden diese Geräte direkt vom Generator mit 220 V Wechselspannung gespeist, und die Strommessung hinter diesem Abgriff vollzogen.

Im einzelnen sieht das so aus:
Wird der Haushaltsstrom mit mehr als 13,50 A gemessen, dann ist die Elektroheizung aus.

Sinkt der Strom unter 13,50 A, dann wird das erste Gerät mit 1 kW angeschaltet und dadurch der Generator mit 18,05 A belastet, wodurch er eine Gesamtleistung von 3970 W abgibt. Sinkt der Strom unter 9,00 A, dann wird das erste Gerät mit 2 kW angeschaltet und dadurch der Generator mit 18,09 A belastet, wodurch er also 3980 W leistet.

Sinkt der Strom unter 4,50 A, dann wird das erste Gerät mit 2 kW und das zweite Gerät mit 1 kW angeschaltet und dadurch der Generator mit 18,13 A belastet, wobei er 3990 W leistet.

Ist letztlich keine elektrische Belastung vorhanden, dann schaltet sich auch noch die letzte 1-kW-Stufe des zweiten Gerätes zu, wodurch also der Generator mit 4 kW voll belastet wäre.

Diese Zuschaltungsvorgänge finden (s. o.) nur dann statt, wenn die eingestellte Vorlauftemperatur unterschritten ist und die Außentemperatur weniger als 18°C beträgt.

Kommen wir nun zum zweiten Teil der Anlage, dem Heizsystem:
In den Räumen des Hauses sind nach Wärmebedarfsplanung konventionelle Heizkörper installiert. Bei dieser Anlage speziell bis zu 14 kW. (Das reicht für ein Ein- bis Zweifamilienhaus.) Alle Heizkörper sind mit Thermostatventilen ausgestattet, und wie bei allen Zentralheizungssystemen durch ein Rohrleitungssytem miteinander verbunden, so daß im Heizungsraum des Hauses Vor- und Rücklaufleitung ankommen. Zusätzlich zu dieser Installation hängen, wie oben erwähnt, in zwei bevorzugt beheizten Räumen je ein Elektrodirektheizgerät (s. o.), deren elektrische Anschlüsse bis in den Heizungsraum geführt werden.

Im Heizungsraum:
In der Vorlaufleitung wird ein Druckausgleichsbehälter, ein Manometer, ein Überdruckventil (1,5 Bar), eine elektrische Umwälzpumpe (min 80 W) und ein Temperaturfühler, der einen Thermostaten ansteuert, eingebaut. Der Thermostat ist stufenlos regelbar von 40°C bis 80°C und hat einen Schließerkontakt, der bei erreichter Temperatur, also der eingestellten Vorlauftemperatur schaltet. Sinkt die Temperatur wieder um 5°C, so schaltet er zurück, usw.

Ferner ist an Vor- und Rücklauf ein druckloser, handelsüblicher Wasserspeicher mit Wärmetauscher und Thermostatventil und ca. 150-200 l Inhalt angeschlossen. Er dient zur wohltemperierten Brauchwasserbereitstellung. Bei Platzmangel kann dieser auch in einem anderen Raum aufgestellt werden. Er ist jedoch für diese Anlage aus Gründen der Wirtschaftlichkeit unerläßlich.

Außerdem steht im Heizungsraum der Generator, der Wechselrichter, der Motor und die Steuereinheit.

Alle Glieder dieser Anlage sind speziell für den obengenannten Bedarf zusammengestellt, wobei diese Anlage die kleinste Variante darstellt. Der Größe sind jedoch keine Grenzen gesetzt. Es geht hier auch nur um die Verdeutlichung des Systems anhand einer speziellen Anlage.

Der Motor treibt über eine starre Welle den Generator direkt an. Um den Motor, wegen der hohen Temperatur jedoch nicht um den Generator, wird ein abnehmbares Gehäuse aus einer Schicht Blech, dann einer Schicht Steinwolle, Brandschutzklasse A1 100 mm dick, und außen noch einer Schicht Blech gebaut. Damit ist Lärm- und Brandschutz gegeben. Lagert man das System auch noch auf Gimetallsystemen, so werden auch keine Vibrationen über den Fußboden an das Gebäude übertragen.

Der Motor ist mit einem Elektrostarter und einem elektrischen Abschaltventil (selbstsperrend) ausgerüstet, die von der Steuereinheit betätigt werden können. Außerdem ist am Zylinderkopf ein Notthermostat angebracht, der notfalls auch ohne Wasser bei 95°C Kopftemperatur (unbedenklich) eine Notschaltung ansprechen läßt (s. u.).

Der Auspuff hat einen Schalldämpfer innerhalb der Schallschutzkammer. Von dort führt ein Stahlwellenrohr (Vibrationsdämpfer) zu einem Stahlrohr 50 mm ⌀, das die Abgase nach oben leitet. Kurz vor dessen Ende ist noch ein Endschalldämpfer angebracht. Damit herrscht am Rohrende nur noch ein leises Rauschen, das schon im Abstand weniger Meter nicht mehr hörbar ist.

Der von der Wasserpumpe des Motors kommende Anschluß wird über eine Gummimuffe direkt an den Vorlauf der Heizung angeschlossen. Der andere Stutzen wird ebenso mit dem Rücklauf verbunden. Damit ist der Wasserkreislauf geschlossen. Der Motorthermostat wird ausgebaut, um die Steuerung von außen nicht zu stören.

Die Elektroheizung wird im Sommer über den Außentemperaturfühler abgeschaltet.

Der Strombedarf des Haushalts wird zur Steuerung der Elektrodirektheizgeräte (s. o.) gemessen. Die oben dargestellte Vierstufenschaltung wird mit Zenerdioden und OP-Verstärkern realisiert (siehe Zeichnung).

Im Winter ist mit dieser Schaltung die Versorgung mit Strom und Wärme gedeckt, denn wenn dem Generator 4 kW entnommen werden, dieser einen Wirkungsgrad von 0,8 hat, dann muß der Dieselmotor 5 kW mechanische Leistung abgeben. Unterstellt man ihm einen realistischen Wirkungsgrad von 0,25, dann bedeutet dies, daß er 13,5 kW Wärme an sein Kühlsystem abgibt (auch Reibung wird zu Wärme, ca. 10% Abgasverluste). 8 kWh (elektrischer Energiebedarf einer Familie eines Tages) sind schon nach zwei Stunden Laufzeit in den Batterien enthalten, so daß, da der Motor ja viel länger läuft, der Strombedarf auch gut gedeckt sein dürfte.

Während der Heizperiode dürfte dies wohl die wirtschaftlichste, umweltverträglichste und vernünftigste Methode sein, sich mit Energie zu versorgen. Etwas schlechter, jedoch immer noch sehr gut, sieht das im Sommer aus, da hier wahrscheinlich zusätzlich gekühlt werden muß. Dies wird durch Ablassen heißen Wassers realisiert (s. o.).

Damit ist auch im Sommer die Versorgung mit warmem Wasser und elektrischer Energie gesichert. Das Ablassen des heißen Wassers wird wohl selten vorkommen, da einerseits der Strombedarf im Sommer viel niedriger ist, und die Batterien ja auch schon automatisch nach dem Duschen oder gar einem Vollbad aufgeladen werden.

Die Wirtschaftlichkeit dieser Anlage für den Benutzer rechnet sich so:

Bei einem Verbrauch des Motors von 2 l/h und einem Heizölpreis von 50 Pf/l kostet die kWh Strom ca. 25 Pf Endpreis (ungünstig gerechnet).

Das allein ist noch nicht so berauschend.

Dafür sind Warmwasserbereitung im Sommer wie im Winter kostenlos, und es entstehen bei dieser Rechnung nur sehr geringe Heizkosten, weil doch die Heizwärme ein Abfallprodukt der Stromerzeugung ist.

Abschließend bleibt noch zu erwähnen, daß man diese Anlage unter Verwendung eines Ottomotors auch mit Gas betreiben könnte, wobei sich die Leistungsbilanz etwas in Richtung der Wärmeerzeugung verschieben dürfte.

Claims (1)

1. Energieversorgungsanlage mit einem Verbrennungsmotor und einem mechanisch daran angekoppelten Generator zur Bereit­ stellung von Wärmeenergie und elektrischer Energie, gekenn­ zeichnet durch eine Überwachungsschaltung für den vom Gene­ rator abgegebenen Strom sowie eine Stufenschaltung, die fortlaufend Stufen einer elektrischen Heizeinrichtung zu­ schaltet, wenn eine Heizwärmeanforderung vorliegt, und der Generatorstrom unterhalb eines vorgegebenen Grenzwertes liegt.