DE10126384A1 - Einsatz von Verbrennungsmotoren für Biogasverbrennung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Umsetzeinrichtung für die Umsetzung von biologisch erzeugtem Gas in elektrischen Strom, welche Umsetzeinrichtung zumindest zwei Verbrennungsmotoren (10, 11) und einen elektrischen Generator (1) aufweist. Die Motoren (10, 11) sind mit mehreren um eine Antriebsachse (100) verteilt angeordneten Zylindern (10a, 11a) ausgestattet, die für eine Verbrennung des biologisch erzeugten Gases angepaßt sind. Der Generator (1) weist eine Antriebsachse (101) auf, entlang derer eine Welle (30) angeordnet ist, die einen Rotor (6) trägt. Der Generator ist über zwei Kupplungen (22, 21) an der Welle (30) mit den Motoren gekuppelt, wobei für jede Kupplung der Eingriff zur Drehmomentübertragung individuell lösbar ist.

Description

Energie aus Biogasanlagen zählt zu den erneuerbaren (regenerativen) Energien, da beim bakteriellen Abbau von Biomasse letztendlich Sonnenenergie, die in Pflanzen zwischengespeichert wurde, in Form des Energieträgers Biogas wieder frei wird. Der Prozeß ist in Bezug auf die CO₂-Bilanz der Erdatmosphäre neutral, da im Gegensatz zur Verbrennung von fossilen Brennstoffen (Kohle, Erdgas, Erdöl) höchstens nur die Menge an Kohlendioxid wieder frei gesetzt werden kann, die unmittelbar zuvor durch pflanzliche Photosynthese aus der Erdatmosphäre entnommen (assimiliert) wurde.

Konverter (sog. Biogasanlagen) bieten auch in der Abfallentsorgung bisher noch kaum genutzte Möglichkeiten. Aus einer Tonne Biomüll lassen sich etwa 130 m³ Biogas gewinnen. Daraus können ca. 250 kWh elektrischer Strom und 500 kwh Wärme gewonnen werden. Bei der Biogaserzeugung aus Biomüll entstehen keine lästigen oder schädlichen Emissionen.

Zur Biogasgewinnung kann jede organische oder biologische Substanz (Biomasse oder Biomüll) herangezogen werden, die durch Mikroorganismen verändert werden kann. Aufgrund extremer Vielfalt bakterieller Stoffwechselreaktionen ist auch das Spektrum an möglichen Substraten weitreichend. Manche Naturstoffe lassen sich wegen ihrer besonderen chemischen Struktur jedoch nur langsam abbauen, z. B. Lignin, die Gerüstsubstanz des Holzes. Auch die meisten synthetischen, organischen Polymere (Kunststoffe) sind nur langsam oder überhaupt nicht durch Bakterien beeinflußbar.

Bei Konvertern (den Biogasanlagen) macht man sich diesen natürlichen, biologischen Prozeß zunutze. Unter kontrollierten und optimierten Bedingungen entsteht aus organischen Abfallstoffen durch mehrstufige mikrobielle Abbaureaktionen aus Biomasse das sogenannte Biogas. Biogas besteht zu etwa 50% bis 70% aus Methan und zu etwa 30% bis 50% aus Kohlendioxid. Die biologische Methangasbildung ist ein Prozeß, der in der Natur überall dort stattfindet, wo organisches Material in feuchter Umgebung und unter Luftabschluß durch die Stoffwechselaktivität natürlicher Methanbakterien verrottet. Beispiele hierfür sind die Entstehung von Sumpfgas, die Methanbildung im Verdauungstrakt von Wiederkäuern, in nassen Kompostieranlagen und in überfluteten Reisfeldern.

Biogas kann zur Wärmeerzeugung verbrannt werden oder durch einen Gasmotor mit Wärmetauscher und angekoppeltem Generator (Blockheizkraftwerk) in Wärme und elektrische Energie umgewandelt werden. Heutige Gasmotoren sind oft dem relativ aggressiven Verhalten des Biogases nicht gewachsen. Wesentliche Bestandteile des Biogases greifen dabei Wände von Strömungswegen, bis hin zum Verbrennungsraum und vom Auslaßbereich aus dem Verbrennungsraum beginnend an, wodurch die Lebensdauer dieser Verbrennungsmotoren bei Betrieb mit Biogas herabgesetzt wird. Andererseits entstehen auch häufigere Wartungsanforderungen durch die höhere Anfälligkeit, so daß die Handhabbarkeit einer Kombination aus Generator und durch Biogas betriebenem Motor zu verbessern wäre.

Darin sieht die Erfindung ihre technische Aufgabe im Sinne einer Problemstellung, die zu lösen ist.

Gelöst wird die Problemstellung durch zwei Motoren, die gemeinsam einen Generator betreiben. Die beiden Motoren können gemeinsam Drehmoment übertragend mit dem Generator gekuppelt sein. Die beiden diesbezüglichen Kupplungen sind aber einzeln lösbar, so daß auch jeder Motor individuell den Generator anzutreiben vermag (Anspruch 1, Anspruch 11). Damit kann die Motorleistung jedes Motors summiert werden zu einer größeren Generatorleistung. Es kann aber auch Sorge dafür getragen werden, daß bei Ausfall eines der Motoren mit dem anderen Motor der Generator weiter betrieben werden kann. Der durch die Kupplung abgetrennte Motor ist dann nicht mehr an der Drehbewegung beteiligt und kann als solches unabhängig von dem anderen stromerzeugenden Gebilde gewartet werden.

Die Unabhängigkeit des Generatorbetriebs wird sichergestellt durch zwei eigenständige Motoren, die jeweils individuell und eigentlich unabhängig voneinander mit dem Generator gekuppelt werden können, zur Übertragung des Drehmoments, oder von dem Generator abgekuppelt werden zu können, um Wartungsarbeiten durchzuführen.

Bei einem Ausfall eines Motors ist der Generator nicht zwangsläufig mit ausgefallen, sondern kann bei reduzierter Leistung weiter betrieben werden. Weiter hergestelltes Biogas muß nicht in die Atmosphäre abgegeben (oder "abgeblasen") werden, sondern kann weiter zur Stromgewinnung eingesetzt werden.

An zwei Seiten des Generators ist bevorzugt jeweils ein Motor angebracht, so daß eine gradlinige oder langgestreckte Ausbildung des gesamten Stromaggregates entsteht (Anspruch 15).

Sind beide Motoren eingekuppelt, haben sie eine gemeinsame Drehrichtung, um den Generator gemeinsam anzutreiben.

Wird die Summe der Motorleistung der Generatorleistung angepaßt, so daß der Generator zumindest diese Leistung besitzt, kann die Leistung auch erhöht werden (Anspruch 14), gegenüber einer benötigten Nennleistung durch Antrieb mit einem Motor. Das kann kurzzeitige Lastspitzen zu überwinden helfen.

Eine vorteilhafte Gestaltung der Kupplung sind Magnetkupplungen oder mechanisch betätigte Kupplungen (Anspruch 12). Sie können im Gehäuse des Generators vorgesehen sein (Anspruch 16).

Haben die Motoren im wesentliche gleiche Leistungen, ist eine höchstmögliche Symmetrie gegeben. Die Austauschteile für beide Motoren können dabei in der Lagerhaltung reduziert sein, weil nicht für jeden Motor dasselbe Austauschteil doppelt vorgehalten werden muß.

Sämtliche Wartungsarbeiten, Montagearbeiten, Reinigungsarbeiten und sonstige Eingriffe am Motor, bis hin zum Wechsel von elektrischen Teilen oder Dichtungslagen sind damit vereinfacht. Es besteht eine leichte Zugänglichkeit zu den empfindlichen Teilen. Die Gesamtkombination kann leicht gehandhabt werden, also leicht umgesetzt werden und damit auch portabel, kann aber auch fest aufgestellt werden. Eine leichte Aufbaumöglichkeit und ein gänzliches Auswechseln eines Motors ist ebenso vereinfacht möglich, weil der Generator als Mittelstück unverändert stehen bleiben kann.

Gefährdete Teile eines Motors sind dabei insbesondere Zylinder, Kolben, Trennwandlager, die Zündung oder eventuelle Dichtungen (Kolbenringe).

Die Umsetzeinrichtung als Kombination aus Motor und Generator ist zusammengefügt durch einmal Flanschbereiche an den aneinanderliegenden Stirnseiten und zum anderen durch eine steuerbare Kupplung, die lösbar sein kann. Beide Lösbarkeiten erlauben ein leichtes Austauschen des bei Verwendung von Biogas in seiner Lebensdauer herabgesetzten Motors. Generatoren sind bekanntlich langlebig, die praktisch keinerlei Wartungszugriffe benötigen und bestehen in der Regel auch nicht aus einzeln schaltenden Teilen, wie Ventilen oder sonstigen Reibung verursachenden Elementen, nachdem zwischen dem Stator-Blechpaket und dem drehenden Rotor ein Luftspalt vorgesehen ist (Anspruch 10). Zumeist wird eine Synchronmaschine mit stationärer Erregung verwendet, wobei die stationäre Erregung aus Permanentmagneten oder einer über Schleifringläufer zugeführten Gleichstromerregung des Rotors gebildet sein kann. Auch eine umgekehrte Ausbildung eines Wechselstrom-Rotors mit drei Schleifringen für Drehstromerzeugung bei einem aufgebrachten magnetischen Statorfeld ist möglich.

Aufgrund entstehender Wärme im Generator können Kühleinrichtungen vorgesehen sein (Anspruch 6), die radiale Finnen sind. Ein Klemmenkasten führt den erzeugten elektrischen Strom aus dem Generator heraus.

Zur leichteren Zugänglichkeit zum Motor kann ein axialer Abstand zwischen der Stirnseite des Generators und den einzelnen Zylindern jedes Motors vorgesehen sein, was zur Umschreibung der Flanscheinrichtung beiträgt, die das Zentralteil des jeweiligen Motors mit dem Generator verbindet.

Die Ausbildung der einzelnen Zylinder bzw. der Kolben/Zylinder-Kombination des Motors können nach Art eines Boxermotors vorgesehen sein (Anspruch 8), wobei jeweils zwei Zylinder mit ihren fluchtend ausgerichteten Kolbenstangen entlang einer Querachse ausgerichtet orientiert sind. Sie arbeiten gemeinsam auf ein Kurbelschlaufen-Teil, das als solches nur axiale Bewegung ausübt und einen Gleitstein aufweist, der über ein Umsetzrad auf die gemeinsame Welle arbeitet. Nachdem die Kolbenstangen selbst keine schwenkende Bewegung ausführen, können sie mit axialen Dichtungen so abgedichtet werden, daß der Zentralraum frei von Biogas bleibt, um das darin benötigte Gleitmittel nicht zu belasten.

Werden mehrere Paare von Boxermotor-Zylindern verwendet, können sie axial voneinander Beabstandet sein, gleichzeitig umfänglich gegeneinander versetzt, um einen besseren Gleichlauf des Rotors des Generators für die Erzeugung von elektrischem Strom zu erhalten.

Ausführungsbeispiele der Figuren sollen das Verständnis der Erfindung ergänzen und erläutern.

Fig. 1 ist ein schematisch dargestelltes Beispiel.

Fig. 2 ist ein ausführlich beschriebenes Beispiel im Schnitt, mit einem innenliegenden Generator und an beiden Seiten dieses Generators angeordnetem Motor 10 bzw. 11.

Die Motoren 10 bzw. 11 sind mit Biogas betreibbare Motoren. Sie sind speziell für den Betrieb mit diesem Gas ausgebildet, was einerseits die Einstellung der Motoren und andererseits den strukturellen Aufbau betrifft. Die entsprechenden Gaskanäle sind so ausgebildet, daß sie der Korrosions-Aggressivität des Gases standhalten können. Die Motoren sind gemäß Fig. 2 als Kurbelschlaufen-Antriebe gestaltet, bei denen die Kolbenstange selbst keine Schwenkbewegung ausführt, sondern nur eine reine Axialbewegung, geführt von einem Trennwandlager.

Die Fig. 1 veranschaulicht in einer schematischen Seitenansicht die Kombination aus einem zentralen Generator 1 und einem links bzw. rechts liegenden gesonderten jeweiligen Motor 10, 11. Jeder Motor ist eigenständig über eine Kupplung 21 bzw. 22 mit einer Welle des Generators verbunden. Die Kupplung kann durch eine nicht dargestellte Steuerung in ihrem Eingriff gelöst werden, so daß eine Zuschaltung und Abschaltung eines jeweiligen Motors individuell möglich ist.

Eine zentrale Welle 30 in der Achse 100 des Generators ist beidseits verlängert in der Achse 101 des ersten Motors 10 und in der Achse 102 des zweiten Motors 11.

In dem Kurbelgehäuse des Motors ist eine Kurbelschlaufe 12 bzw. 13 vorgesehen, die in der Achse 103 bzw. 104 von einer Kolbenstange des Zylinders 10a bzw. 11a angetrieben wird. Mehrere Zylinder können umfänglich angeordnet sein, um über mehrere beabstandete Kurbelschlaufen dieselbe Welle in der Achse 101 bzw. 102 anzutreiben.

Ein Klemmenkasten 5 des Generators 1 deutet an, daß die in dem Generator erzeugte Energie von dem Rotor 6 (über Schleifringe) oder von dem durch einen Luftspalt 8 umfänglich beabstandeten Stator 7 aus abgegriffen und nach außen zur Verfügung gestellt wird.

Fig. 2 veranschaulicht die Details der Anordnung nach Fig. 1, allerdings mit einem anders aufgebauten Generator, der hier über zwei elektromagnetisch betätigbare Kupplungen 22, 21 einen zweigeteilten Aufbau 1a, 1b besitzt. Die Wicklungen sind hier nur abschnittsweise vorgesehen und jeweils beabstandet, wobei eine mechanische Kupplung zwischen beiden Generatorabschnitten zusätzlich vorgesehen ist, die aber auch gelöst werden kann. Dann besteht nur noch eine elektrische Kopplung zwischen beiden Generatorhälften 1a, 1b.

Die Funktion ist durch den linken bzw. rechten Motor 10 bzw. 11 gegeben. Einer der Motoren 10 kann ausreichen, um den gesamten Generator (bei mechanischer Kupplung der beiden Generatorhälften) anzutreiben. Der andere Motor kann zu Wartungszwecken abgeschaltet sein, wobei die Kupplung 21 gelöst ist und kein Drehmoment überträgt.

Der zweite Motor 11 kann aber auch in Reserve warten, also betriebsbereit, um für eine Lastspitze zusätzlich hinzugeschaltet zu werden.

Gleiches gilt für den anderen Motor 11, wenn dieser im Eingriff über die Kupplung 21 ist; dann ist die erste Kupplung 22 gelöst und der erste Motor 10 befindet sich im Ruhestand, bzw. ist Wartungszwecken zugänglich.

Die Kupplungen sind so gestaltet, daß sie einkuppeln können über mechanische, elektronisch gesteuerte oder magnetische Kräfte, oder entsprechend veranlaßt. Sie stellen Schwingungsfreiheit sicher.

Werden beide Motoren zum Betrieb des Generators eingekuppelt, kann eine höhere Leistung am Generator erzeugt werden. Die Leistung des Generators ist dann an der Summe der Motorleistungen ausgerichtet. Bevorzugte Leistungsbereiche dieser Motoren liegen oberhalb von 10 kW bis hin zu 100 kW, wobei der Bereich bis 50 kW bevorzugt ist und jeder Motor zumindest die Hälfte dieser Summenleistung aufbringt. Betroffen sind jeweils Nennleistungen, um einen Leistungsvergleich zu ermöglichen.

Claims (16)

1. Umsetzeinrichtung für die Umsetzung von biologisch erzeugtem Gas in elektrischen Strom, welche Umsetzeinrichtung zumindest zwei Verbrennungsmotoren (10, 11) und einen elektrischen Generator (1) aufweist, wobei

• a) die Motoren (10, 11) mit mehreren um eine Antriebsachse (100) verteilt angeordneten Zylindern (10a, 11a) ausgestattet sind, die für eine Verbrennung des biologisch erzeugten Gases angepaßt sind;
• b) der Generator (1) eine Antriebsachse (101) aufweist, entlang derer eine Welle (30) angeordnet ist, die einen Rotor (6) trägt;
• c) der Generator über zwei Kupplungen (22, 21) an der Welle (30) mit den Motoren gekuppelt ist, wobei für jede Kupplung der Eingriff zur Drehmomentübertragung individuell lösbar ist.

2. Umsetzeinrichtung nach Anspruch 1, wobei eine Standeinrichtung (2, 3, 4) vorgesehen ist, zum Aufstellen der Kombination aus zumindest zwei Motoren und Generator, in einer im wesentlichen horizontalen Orientierung.

3. Umsetzeinrichtung nach Anspruch 2, wobei die Standeinrichtung am Generator (10) angeordnet ist.

4. Umsetzeinrichtung nach Anspruch 1, wobei die Achsen von Generator und den Motoren über jeweils eine magnetische Kupplungseinrichtung (21, 22) drehstarr gekoppelt sind und jede Kupplung individuell einkuppelbar ist, zur Übertragung eines Drehmoments.

5. Umsetzeinrichtung nach Anspruch 1, wobei der Generator einen um den Rotor (6) zumindest abschnittsweise liegenden geblechten Stator (7) aufweist, der zwischen Rotor und Stator einen Luftspalt (8) beläßt, um durch Drehung des Rotors gegenüber Wicklungen des Stators bei Bestehen einer magnetischen Kopplung Spannung in einem Klemmenkasten (5) des Generators (1) zu erzeugen.

6. Umsetzeinrichtung nach Anspruch 1, wobei der Generator aus zwei Generatorabschnitten (1a, 1b) besteht, die zumindest elektrisch und auch mechanisch starr über ihre Wellenabschnitte gekoppelt sind.

7. Umsetzeinrichtung nach Anspruch 1, wobei die Motoren als Sternmotoren ausbildet sind, mit umfänglich verteilt angeordneten und im wesentlichen radial orientierten Zylindern (10a, 11a).

8. Umsetzeinrichtung nach Anspruch 7, wobei jeweils zwei Zylinder in einer Querachse (102), im wesentlichen senkrecht zu den Antriebsachsen (100, 101) von Generator und Motor (1, 10) orientiert sind, nach Art eines Boxermotors.

9. Umsetzeinrichtung nach Anspruch 8, wobei vier Zylinder in zwei Querachsen angeordnet sind, welche Querachsen einen axialen Abstand aufweisen.

10. Umsetzeinrichtung nach Anspruch 1, wobei beidseits des Generators je ein Motor (10, 11) angeordnet ist und die Antriebsachsen der Motoren im wesentlichen axial fluchtend ausgerichtet sind.

11. Umsetzeinrichtung für die Umsetzung von biologisch erzeugtem Gas (Biogas) in elektrischen Strom, welche Umsetzeinrichtung zumindest zwei Verbrennungsmotoren (10, 11) und einen elektrischen Generator (1) aufweist, wobei

• a) der Generator (1) über zumindest zwei betätigbare Kupplungen (21, 22) mit zumindest zwei mit Biogas betreibbaren Motoren (10, 11) kuppelbar ist;
• b) eine jeweilige Kupplung (21; 22) gelöst werden kann, um den drehmoment-übertragenden Eingriff zwischen dem jeweiligen Motor und dem Generator (1a, 1b; 1) zu lösen;

so daß der Generator von dem einem (10), dem anderen (11) oder von beiden Motoren (10, 11) antreibbar ist.

12. Umsetzeinrichtung nach Anspruch 1 oder 11, wobei die Kupplungen (21, 22) Magnetkupplungen sind.

13. Umsetzeinrichtung nach Anspruch 1 oder 11, wobei die Motoren im wesentlichen gleiche Leistung aufweisen.

14. Umsetzeinrichtung nach Anspruch 13, wobei der Generator mindestens eine Generatorleistung aufweist, die der Summe der Nennleistungen der beiden mit Biogas betriebenen Motoren (10, 11) im wesentlichen entspricht.

15. Umsetzeinrichtung nach Anspruch 1 oder 11, wobei die zumindest zwei Motoren und der Generator in einer Längsrichtung eine im wesentlichen gradlinige Ausrichtung und einen entsprechenden Aufbau besitzen.

16. Umsetzeinrichtung nach Anspruch 1 oder 11, wobei die Kupplungen im Gehäuse des Generators angeordnet sind und elektrisch von außen betätigbar sind.