DE10151121B4

DE10151121B4 - Kraft-Wärme-gekoppelte Einrichtung

Info

Publication number: DE10151121B4
Application number: DE10151121A
Authority: DE
Inventors: Reimund Stelzer
Original assignee: Individual
Current assignee: VNG Verbuhdbetz Gas AG
Priority date: 2001-10-20
Filing date: 2001-10-20
Publication date: 2006-04-06
Anticipated expiration: 2021-10-21
Also published as: DE10151121A1

Abstract

Kraft-Wärme-gekoppelte Einrichtung zur Versorgung von Gebäuden und Einrichtungen mit thermischer und elektrischer Energie unter Verwendung fossiler und/oder regenerativer Primärenergie, bestehend aus einer gegebenenfalls luftgekühlten Brennkraftmaschine (1) und einem an diese angekoppelten vorzugshalber luftgekühlten Generator (2), die in eine wärme- und schallisolierte luftdichte Einhausung (1) einbezogen sind, wobei die Brennkraftmaschine (1) an einen Frischluftkanal (6) und einen Abgaskanal (7) und der Generator (2) an das Elektronetz des Gebäudes und/oder der öffentlichen Versorgung (3) angeschlossen und Mittel zur Ausnutzung der Abwärme (4; 5) der Brennkraftmaschine (1) und des luftgekühlten Generators (2) vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Frischluftkanal (6) im Gegenstrom über einen in den Abgaskanal (7) integrierten Luftvorwärmer (12) geführt wird und weiter an den Ansaugstutzen des Lüfterrades (16) des von der Brennkraftmaschine (1) angetriebenen luftgekühlten Generators (2) angeschlossen ist, und dass die wärme- und schallisolierte luftdichte Einhausung (11) des Generators (2) und/oder der Brennkraftmaschine (1) ferner beständig für einen...

Description

Die Erfindung betrifft eine weiter verbesserte Kraft-Wärme-gekoppelte Einrichtung (BHKW) zur thermischen und elektrischen Energieversorgung von Gebäuden und Einrichtungen unter Verwendung fossiler bzw. regenerativer Primärenergie

Kraft-Wärme-gekoppelte Einrichtung der eingangs genannten Gattung sind beispielsweise aus DE 4 203 491 A1
DE 3 044 666 A1
DE 4 102 636 A1
DE 3 912 114 A1
DE 198 228 80 A1
bereits allgemein bekannt. Diese Anlagen basieren auf Brennkraftmaschinen die mit Generatoren gekoppelt sind und in Einhausungen betrieben werden, ohne dabei insbesondere die Motor- bzw. Generatorgehäuseabwärme vollständig zu nutzen.

Aus DE 4 237 532 A1 ist ferner eine Lösung bekannt, in der eine zusätzliche Kühlung der Einhausung der Brennkraftmaschine und des Generators vorgesehen ist. Der wesentliche Nachteil dieser Lösung besteht jedoch darin, dass die Gehäuseabwärme der Brennkraftmaschine und die zur Kühlung des BHKW verwendete Luft unter Nutzung eines externen Ventilators und eines Rohrleitungssystems aus der Kapsel herausgeleitet und in einen Boiler bzw. Heizkörper zur Abkühlung geleitet werden muss. Neben dem hohen Installationsaufwand und den damit verbundenen Kosten entstehen zusätzliche Wärmeverluste, insbesondere dann, wenn die Kühlluft direkt nach außen abgeleitet wird. Dies ist immer dann der Fall, wenn die Kapazität der Wärmeabnahme der nachgeschalteten Verbraucher zu gering ist. Ein weiterer Nachteil ergibt sich dadurch, dass die Wärmeenergie der Abgase unter dem Gesichtspunkt der Nutzung des Brennwerteffektes völlig unzureichend ist.

Mittels Luft werden nach DE 197 403 98 ebenfalls die in einer Einhausung befindliche Brennkraftmaschine und der Generator gekühlt. Der Nachteil dieser Applikation besteht jedoch darin, dass die Gehäuseabwärme nicht direkt in einen Heizkreislauf eingekoppelt wird. Die Abwärmenutzung des BHKW erfolgt durch die Integration eines Zusatzspeichers, welcher auf thermisch niedrigem Niveau arbeitet. Mittels Wärmepumpe erfolgt die Anhebung des geringen Temperaturpotentials auf ein nutzbares Niveau. Dabei wird ein Teil der im BHKW produzierten Elektroenergie verbraucht bzw. umgesetzt, was zu einer deutlichen Reduzierung des elektrischen Gesamtwirkungsgrades des Systems führt.

In DE 198 291 92 A1 wird eine Lösung vorgeschlagen, deren Nachteil darin besteht, dass die Kühlung der Motoren- und Generatorkapselung keinen intern geschlossenen Kühlkreislauf besitzt, wodurch signifikante Wärmeenergieverluste entstehen.. Die Verluste werden grundsätzlich dadurch verursacht, dass infolge der mittels Ventilator nach außen abgeführten Abluft ungenutzte Restwärme des BHKW an die Umgebung abgegeben wird.

In DE 9 405 466 U1 wird die Kühlung eines BHKW mittels eines flüssigkeitsdurchströmten Metallmantels vorgeschlagen. Neben dem hohen Gewicht ergeben sich sehr hohe Fertigungsaufwendungen und Kosten, insbesondere infolge der notwendigen Druckfestigkeit des Mantelgehäuses sowie der notwendigen Durchführungen für die Primärenergie, das Kühlwasser, das Abgas und für die Leistungs- und Steuerkabeldurchführungen.

Die Motorkühlung mittels thermoelektrischem Kühlsystem, wie in DE 4 208 358 A1 vorgeschlagen, verursacht ebenfalls hohe Kosten und nutzt die anfallende Abwärme nicht vollständig aus.

Weitere Kraft-Wärme gekoppelte Einrichtungen, die unterschiedliche konstruktive Maßnahmen zur effektiven Nutzung der eingesetzten Primärenergie und zur möglichst umfassenden Nutzung der in der Abwärme enthaltenen Energie vorsehen, sind aus DE 33 33 828 A1 , DE 25 00 641 C2 , DE 31 16 624 C2 , DE 38 16 483 A1 und DE 39 12 256 C2 bekannt. Eine elektrisch steuerbare Einrichtung zum Heizen und zur Elektroenergieerzeugung für Gebäude und Einrichtungen, die mit minimalen Investitionen und Betriebskosten realisierbar und betreibbar ist und dabei die eingesetzte Primärenergie bestmöglich nutzt, ist aus diesen bekannten Lösungsvorschlägen in naheliegender Weise nicht ableitbar.

Mit dem Ziel der teilweisen Auskopplung der Abwärme auf sehr hohem Temperaturniveau von bis zu 160 °C, um diese dann als Prozesswärme nutzen zu können, schlägt beispielsweise DE 33 33 828 A1 eine relativ sehr aufwendige Anlage mit zum Teil hydraulisch in Reihe geschalteten Wärmeüberträgern, zusätzlichen Ventilatoren mit den entsprechenden elektrischen Antriebsmotoren und ineinander geschachtelten geschlossenen schall- und wärmeisolierten Gehäusen einschließlich der erforderlichen Luftleiteinrichtungen vor. Ein inneres Gehäuse umschließt im wesentlichen den Zylinderbereich, während ein äußeres Gehäuse das innere Gehäuse und die übrigen Bereiche der Verbrennungskraftmaschine umgibt. In jedem Gehäuse sind zumindest ein von der Luft beaufschlagter Wärmeüberträger und ein den Luftkreislauf erzeugender Ventilator und im inneren Gehäuse gegebenenfalls auch Luftleiteinrichtungen angeordnet, die eine Zwangsführung des umgewälzten Luftstromes zumindest im Bereich zwischen den Kühlflächen der Verbrennungskraftmaschine und wenigstens einem Wärmeüberträger bewirken. Die Abwärme des Generators wird bei dieser Lösung auf einem für dessen Lebensdauer und Wirkungsgrad schädlichen Temperaturniveau von etwa 85 °C genutzt. Da die Lösung nach DE 33 33 828 A1 sehr aufwendig gestaltet ist, entstehen hohe Investitions- und später auch hohe Instandhaltungskosten.

DE 25 00 641 C2 beschreibt eine Wärme- und Stromerzeugungsanlage, bestehend aus Maschinen-Generator-Blöcken, die gemeinsam mit Wärmespeichern in einer luftdichten Schallschutzkapsel angeordnet sind. Die für den Verbrennungsvorgang erforderliche Luft wird möglichst weiträumig durch den Innenraum und anschließend zusätzlich durch einen Wärmeüberträger geleitet und nimmt die Verlustwärme der Motor-Generator-Blöcke auf, wobei sie sich relativ stark erwärmt, bevor sie an die thermische Maschine herangeführt wird. Es aber bekannt, dass insbesondere hohe Verbrennungslufteintrittstemperaturen den Ladungsgrad von Verbrennungskraftmaschinen, ob in Kolben- oder Turbinenbauart, stark reduzieren, was zu verringerter Leistung und zu niedrigerem Wirkungsgrad führt. Die in DE 25 00 641 C2 beschriebene Wärme- und Stromerzeugungsanlage ist zwar einfacher gestaltet, aber auf kostspieligere flüssigkeitsgekühlte Verbrennungskraftmaschinen angewiesen, deren mechanische Leistung und Wirkungsgrad durch geringe Ladungsgrade als Folge hoher Verbrennungsluftansaugtemperaturen und -Druckverluste unnötig gesenkt werden. Der Brennwert der eingesetzten Primärenergie bleibt bei DE 33 33 828 A1 und DE 25 00 641 C2 in jedem Fall ungenutzt.

Mit diesem Nachteil sind auch die Lösungen nach, DE 31 16 624 C2 , DE 38 16 483 A1 und DE 39 12 256 C2 . behaftet.

DE 31 16 624 C2 betrifft ein Energieversorgungssystem für Wärme und Elektrizität in schall- und/oder wärmeisolierend verkleideten Gestellen. Es geht um die Kombination mehrerer zum Teil unterschiedlich ausgestatteter Einheiten zur möglichst optimalen Bedarfsdeckung dezentraler Elektroenergie- und Wärmebedarfe mit unterschiedlichen Verhältnissen zueinander. Brennstoff und Verbrennungsluft werden über getrennte Leitungen zugeführt. Die Gehäusewandungen sind wärme- und/oder schallisolierend ausgebildet, um die Abwärme möglichst vollständig nutzen zu können und um die Schallemissionen möglichst gering zu halten. Die Wärmeüberträger sind hydraulisch in Reihe geschaltet.

DE 38 16 483 A1 betrifft eine Einheit aus Verbrennungsmaschine und einem mit dieser gekoppelten Generator. Die anfallende Abwärme der Verbrennungsmaschine wird wahlweise in einem zum Teil beliebigen Verhältnis über einen Luft-/Flüssigkeitswärmeüberträger oder einen Kühlmittel/Flüssigkeitswärmeüberträger, die auch in Reihe geschaltet sein können, an einen Verbraucher abgeführt, was in verschiedenen Belastungssituationen von Vorteil sein kann. Durch eine wenigstens teilweise Kapselung der Einheit sind sowohl Wärme- als auch Schallschutzmaßnahmen erreichbar. Die zwangsweise Umwälzung der Luft in der Einheit erfolgt mit Ventilatoren, die vorzugsweise elektrisch angetrieben werden.

DE 39 12 256 C2 betrifft eine schalldichte motorgetriebene Arbeitsmaschine mit Abhitzerückgewinnungseinrichtung. Es geht bei dieser Lösung insbesondere um die rationelle Anordnung der Komponenten auf möglichst kompakte und trotzdem wartungsfreundliche Art und Weise. Zwei zusätzliche Kühler und deren Einbindung in das Gesamtsystem erlauben die optimale Anpassung der Abhitzeleistung an die geforderte elektrische Leistung.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine elektrisch steuerbare Einrichtung der eingangs erwähnten Art zum Heizen und zur Elektroenergieerzeugung von Gebäuden und Einrichtungen zu entwickeln, die mit minimalen Investitionen und Betriebskosten realisierbar und betreibbar ist und dabei die eingesetzte Primärenergie bestmöglich ausnutzt.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine weiter verbesserte Kraft-Wärme gekoppelte Einrichtung nach den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Weitere vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 bis 8

Das Kernstück der erfindungsgemäßen Kraft-Wärme gekoppelten Einrichtung ist eine, mit einem Generator gekoppelte Brennkraftmaschine, die nicht nur in einer schall- und wärmeisolierten Einhausung, wie aus dem Stand der Technik bekannt, sonder in einer schall- und wärmeisolierten und zusätzlich gegenüber der freien Atmosphäre hin luftdicht abgeschlossenen Einhausung angeordnet ist. Der luftdichte Abschluss der Einhausung nach außen hin gemäß der vorgeschlagenen Lösung bedeutet, dass Frischluft ausschließlich über einen einzigen Frischluftkanal mit Hilfe des Lüfterrades des Generators zugeführt und der Frischluftkanal im Gegenstrom über einen in den Abgaskanal integrierten Luftvorwärmer geführt und weiter an den Ansaugstutzen des Lüfterrades des von der Brennkraftmaschine angetriebenen luftgekühlten Generators angeschlossen ist und die wärme- und schallisolierte luftdichte Einhausung des Generators und/oder der Brennkraftmaschine ferner beständig für einen erhöhten Innendruck ausgeführt ist.

Die luftdichte Einhausung und die zwangsweise Zuführung der Frischluft mit Hilfe des Lüfterrades des Generators führen zu einer Anhebung des Innendruckes in der Einhausung und lösen so einen Turboladereffekt aus, durch den der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine verbessert und gleichzeitig die Leistung des BHKW erhöht wird.

Nach der erfindungsgemäßen Lösung werden mit nur drei gesonderten Wärmeüberträgern und zwei maschineneigenen Ventilatoren Gesamtumwandlungsgrade von über 100 % des Heizwertes der verbrauchten Primärenergie bei hohen spezifischen elektrischen Leistungen erreicht und hierzu erfindungsgemäß ein aus dem Brennwertkessel-Bereich an sich bekannter Wärmeübertrager zur Verbrennungsluftführung und -vorwärmung und Abgasunterkühlung bei gleichzeitiger Brennwertrestnutzung, ein einhausungsinterner Luft-Wasser-Wärmeübertrager zur Nutzung der Abwärme der gegebenenfalls luftgekühlten Brennkraftmaschine und ein im Abgaskanal der Brennkraftmaschine angeordneter Wärmeübertrager zur Nutzung der Abgaswärme bis in den Brennwertbereich eingesetzt, die in einem geschlossenen Gehäuse angeordnet sind, das gegenüber der Druck der umgebenden Atmosphäre unter einen ständig höheren Innendruck steht.

Für die Rückgewinnung der in der Einhausung entstehenden Abwärme ist erfindungsgemäß ein entsprechend dimensionierter Luft-Flüssigkeits-Wärmeübertrager vorgesehen, der vom relativ kühlen Heizungsrücklauf gespeist wird und über einen einhausungsinternen Wärme-Kühl-Kreislauf direkt in das Heizsystem eingekoppelt ist.

Zur Absenkung der Heizungsrücklauftemperatur sind insbesondere Flächenheizungen wie z. B. Fußboden- bzw. Wandheizungen oder getaktete/drehzahlgesteuerte Umwälzpumpen geeignet.

Durch die Wärme- und Schallisolation und den vollständigen Abschluss der Einhausung nach außen hin kann keine Luft aus der Einhausung unkontrolliert, d.h. ohne Rückgewinnung der mit geführten Wärmemengen nach außen entweichen. Auf diese Weise wird Abwärme der Brennkraftmaschine und des Generators nahezu vollständig thermisch genutzt und kann beispielsweise einem Heizsystem verlustminimiert zugeführt werden.

Die Vorteile, die sich aus dieser Anlagenkonfiguration ergeben, bestehen somit im wesentlichen darin, dass die Abwärme verlustminimiert genutzt, die Schallemission reduziert und gleichzeitig die Leistung der Brennkraftmaschine gesteigert werden kann.

Ein weiterer entscheidender Vorteil der thermischen und luftdichten Einhausung des BHKW besteht darin, dass eine hohe Schallisolation gewährleistet ist. Die einzige Koppelstelle zum Aufstellraum ist lediglich der Ansaugluftkanal, welcher gut schallisoliert werden kann.

Die erfindungsgemäße Anlage kann überall dort eingesetzt und damit der Primärverbrauch sowie der CO₂ Ausstoß reduziert werden, wo gegenwärtig noch konventionelle Gas-Öl- oder Feststoffheizungen installiert sind.

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Die dazugehörige Zeichnung zeigt eine schematische Darstellung der Kraft-Wärme gekoppelten Einrichtung.

Wie aus der Zeichnung hervorgeht, wird die zum Heizen und der Erzeugung von Elektroenergie einzusetzende Primärenergie in an sich bekannter Weise einer Brennkraftmaschine 1, beispielsweise einem Gas- oder Dieselmotor bzw. einer Mikroturbine zugeführt, die einen Generator 2 zur Erzeugung von Elektroenergie antreibt. Anstelle der Brennkraftmaschine und des Generators kann auch eine Brennstoffzelle eingesetzt werden.

Die Brennkraftmaschine 1 und der Generator 2 sind in einer wärme-, schall- und nach außen hin luftdicht abgeschlossenen Einhausung 11 angeordnet, die lediglich über den Ringspaltwärmeübertrager 12 und den Frischluftkanal 6 für die Zuführung von Frischluft zur Kühlung des Generators 2 und zur Versorgung der Brennkraftmaschine 1 mit Verbrennungsluft 13 mit der freien Atmosphäre verbunden ist.

Der Generator 2 ist in an sich bekannter Weise über den Elektroenergiezähler 3 mit dem Hausnetz und dem öffentlichen Versorgungsnetz für Elektroenergie verbunden.

Die Abwärme der Brennkraftmaschine 1 und des Generators 2 wird vom Lüfterrad 14 der Brennkraftmaschine 1 angesaugt und zum Luft- Flüssigkeits-Wärmeübertrager 4 geleitet. In diesem Wärmeübertrager 4 erfolgt die Rückkühlung der angesaugten Luft und somit eine Kühlung des Innenraumes der Einhausung 11. Die rückgekühlte Luft 9 wird wiederum über den Kühlluftkanal 10 vom Lüfterrad 14 der Brennkraftmaschine 1 angesaugt und verdichtet zum Wärmeübertrager 4 geleitet, womit sich der einhausungsinterne Kühlkreislauf schließt und eine Überhitzung der Einhausung und damit des BHKW verhindert wird.

Die heißen Verbrennungsabgase der Brennkraftmaschine 1 werden in bekannter Weise einem Brennwertkühler 5 zugeführt, der beispielsweise in den Vorlauf eines Heizkreises eingekoppelt und bei 15 mit dem Luft- Wasser-Wärmeübertrager 4 thermisch verbunden ist. Die gesamte thermische Energie aus der Wärmerückgewinnung kann so nahezu vollständig dem Heizkreislauf zugeführt werden.

Indem alle BHKW – Systemelemente in der wärme- und schallisolierten und luftdichten Einhausung integriert sind, ergeben sich minimale Wärmeverluste. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Anlage ergibt sich dadurch, dass infolge der Wirkung des Lüfterrades 16 des Elektrogenerators 2 bzw. eines zusätzlichen Ventilators im Zusammenwirken mit der luftdichten Einhausung 11 ein leichter Luftüberdruck in der Einhausung 11 entsteht. Dieser erhöhte Innerdruck löst einen Turboladereffekt aus, der zu einer Erhöhung der Leistung der Brennkraftmaschine 1 führt.

Die thermische und die elektrische Leistung des BHKW kann durch die Dosierung der Primärenergiezufuhr dem Wärme- bzw. Strombedarf in bekannter Weise angepasst werden.

Die erfindungsgemäße Anlage unterscheidet sich somit durch die vollständige, nach außen hin luftdicht abgeschlossene Einhausung und die damit verbundene hochgradige Nutzung der Abwärme und die durch den Turboladereffekt ausgelöste Leistungssteigerung der Brennkraftmaschine wesentlich von BHKW herkömmlicher Bauart.

1: Brennkraftmaschine
2: Generator
3: Elektrozähler
4: Luft-Wasser-Wärmeübertrager
5: Abgaskühler
6: Frischluftkanal
7: Abgaskanal
8: erwärmte Motorkühlluft
9: rückgekühlte Motorkühlluft
10: Kühlluftkanal
11: Einhausung
12: Ringspaltwärmeübertrager
13: Ansaugluftfilter
14: Lüfterrad
15: thermische Verbindung
16: Lüfterrad

Claims

Kraft-Wärme-gekoppelte Einrichtung zur Versorgung von Gebäuden und Einrichtungen mit thermischer und elektrischer Energie unter Verwendung fossiler und/oder regenerativer Primärenergie, bestehend aus einer gegebenenfalls luftgekühlten Brennkraftmaschine (1) und einem an diese angekoppelten vorzugshalber luftgekühlten Generator (2), die in eine wärme- und schallisolierte luftdichte Einhausung (1) einbezogen sind, wobei die Brennkraftmaschine (1) an einen Frischluftkanal (6) und einen Abgaskanal (7) und der Generator (2) an das Elektronetz des Gebäudes und/oder der öffentlichen Versorgung (3) angeschlossen und Mittel zur Ausnutzung der Abwärme (4; 5) der Brennkraftmaschine (1) und des luftgekühlten Generators (2) vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Frischluftkanal (6) im Gegenstrom über einen in den Abgaskanal (7) integrierten Luftvorwärmer (12) geführt wird und weiter an den Ansaugstutzen des Lüfterrades (16) des von der Brennkraftmaschine (1) angetriebenen luftgekühlten Generators (2) angeschlossen ist, und dass die wärme- und schallisolierte luftdichte Einhausung (11) des Generators (2) und/oder der Brennkraftmaschine (1) ferner beständig für einen erhöhten Innendruck ausgeführt ist.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mit der über das Lüfterrad (16) angesogenen Frischluft ein erhöhter Innendruck in der luftdicht abgeschlossenen Einhausung (11) aufgebaut wird.
Einrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der einhausungsinterne, geschlossene Kühlkreislauf aus einem, im Abgaskanal der Brennkraftmaschine (1) integrierten Wärmeübertrager (5), einem Luft-Wassser-Wärmeübertrager (4) und einem Kühlkanal (10) besteht, die zur Nutzung der thermischen Energie der Abgase, der Abwärme der Brennkraftmaschine und des Generators direkt in ein Heizsystem eingekoppelt sind, wobei der Heizungsvorlauf an den Wärmeübertrager (5) und der Heizungsrücklauf an den Luft-Wasser-Wärmeübertrager (4) angeschlossen ist und zwischen dem Wärmeübertrager (5) und dem Luft-Wassser-Wärmeübertrager (4) eine thermische und hydraulische Verbindung (15) besteht.
Einrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die durch den Heizungsrücklauf rückgekühlte Luft (9) für die Kühlung der Brennkraftmaschine (1) eingesetzt und vom Lüfterrad (14) angesaugt wird, das über den Kühlluftkanal (10) mit dem Luft-Wasser-Wärmeübertrager (4) verbunden ist.
Einrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet dass die Brennkraftmaschine (1) als luftgekühlter Verbrennungsmotor ausgeführt ist.
Einrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass nur die Brennkraftmaschine (1) in der isolierten und nach außen hin luftdicht abgeschlossenen Einhausung (11) angeordnet ist.