DE102006040147B4

DE102006040147B4 - Hausenergieversorgungsanlage

Info

Publication number: DE102006040147B4
Application number: DE102006040147A
Authority: DE
Inventors: Patentinhaber gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Karl Wohllaib De GmbH
Priority date: 2006-08-26
Filing date: 2006-08-26
Publication date: 2013-07-04
Anticipated expiration: 2026-08-27
Also published as: WO2008025334A3; AU2007291715A1; DE102006040147A1; WO2008025334A2; US20090205335A1; EP2115283A2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Hausenergieversorgungsanlage (1), wobei die Wärmeenergie der Temperaturdifferenz zwischen wenigstens einer Wärmequelle (2, 3, 4) und wenigstens einer Wärmesenke (5, 6, 7) durch eine Wärmekraftmaschine (8) in Arbeit umgesetzt wird, wobei die Wärmekraftmaschine einen Fluid-Kreislauf mit wenigstens zwei Reservoiren (9, 10) aufweist, die jeweils als ein zu kühlender Kondensator oder ein zu erwärmender Verdampfer thermisch mit der Wärmequelle oder der Wärmesenke verbunden werden, wobei eine Arbeitstemperaturdifferenz zwischen den Reservoiren von ca. 10° bis 200°, bei einer Arbeitstemperatur von 30° bis 280°C eingestellt wird, wobei die Wärmekraftmaschine einen Hybrid-Motor (11) in Form einer Kombination aus Druckmedienmotor und Verbrennungsmotor aufweist, in dem zum einen eine Druckdifferenz des Fluids aufgrund der Arbeitstemperaturdifferenz zum Antrieb verwendet wird und zum anderen Kraftstoff verbrannt und in Arbeit umgesetzt wird. Des weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Steuerung einer solchen Anlage.

Description

Die Erfindung betrifft eine Hausenergieversorgungsanlage, insbesondere zur Versorgung eines Hauses und/oder eines Fahrzeuges mit Strom und/oder Wärme und/oder Druckluft.
Zur Einsparung von Energie und zur Schonung der Ressourcen ist es wünschenswert für ein Haus eine möglichst effektive Energienutzung zu erzielen.
Aus der WO 2004 005676 A1 ist ein wärmetechnisches Kraftwerk bekannt geworden, bei dem eine Temperaturdifferenz zwischen einer Wärmequelle und einer Wärmesenke ausgenutzt wird, wobei ein innerer geschlossener Kreislauf vorgesehen ist, welcher Kreislauf wenigstens aus zwei zu einem Kreislauf verbundene Wärmetauscher aufweist, durch welche ein Medium zirkulieren kann, das insbesondere thermische Energie aufnehmen zu vermag, wobei die Wärmetauscher jeweils von außen im Inneren gekühlt oder beheizt werden können, wodurch diese wahlweise für das darin zirkulierende Medium als Verdampfer oder als Kondensator arbeiten können, wobei die Wärmequelle und die Wärmesenke jeweils entweder einem ersten Wärmetauscher oder einem zweiten Wärmetauscher zugeordnet werden können, wobei durch den durch die Wärmequelle und die Wärmesenke hervorgerufenen Temperaturunterschied der Wärmetauscher ein Transport vom Medium von einem Wärmetauscher zum anderen erfolgt.
Aufgabe der Erfindung ist es eine Hausenergieversorgungsanlage zur Verfügung zu stellen, bei der eine optimierte Energienutzung möglich ist, wobei insbesondere eine gegenüber dem Stand der Technik baulich bedingte Mehrfachnutzung der verwendbaren Energien ermöglicht ist.
Diese Aufgabe wird durch eine Hausenergieversorgungsanlage nach den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Hausenergieversorgungsanlage nach Anspruch 11 gelöst.
Erfindungsgemäß ist eine Hausenergieversorgungsanlage, insbesondere zur Versorgung eines Hauses und/oder eines Fahrzeuges mit Strom und/oder Wärme und/oder Druckluft, vorgeschlagen, bei der wenigstens eine der folgenden Wärmeenergiequellen vorgesehen ist:

– Sonnenlicht,
– Warmwasser aus dem Heiz- oder Warmwasserkreislauf einer bestehenden Öl-, Pellet- oder Gasfeuerungs-Heizung oder einem Kleinkraftwerk,
– Fernwärme,
– Abwärme von Verlustwärme erzeugenden Geräten, insbesondere einer Brennstoffzelle, und/oder einer bestehenden Öl-, Pellet- oder Gasfeuerungs-Heizung,
– Erdwärme oder Erdspeicher,

– das Erdreich und/oder
– die Außenluft und/oder
– ein Fliess- oder ein stehendes Gewässer und/oder
– dem Warmwasser- oder Heizungsvorlauf des Heiz- oder Warmwasserkreislauf der bestehenden Öl-, Pellet- oder Gasfeuerungs-Heizung und/oder
– einen Wärmespeicher

Im Sinne der Erfindung wird bei einer Hausenergieversorgungsanlage in Kombination bzw. in Zusammenwirkung mit einem Kleinkraftwerk der Hybrid-Motor nur als Druckmedienmotor zur Verfügung gestellt.
Die Erfindung ermöglicht eine Hausenergieversorgungsanlage beispielsweise in Form eines Solarblockheizkraftwerks welches mit unterschiedlichen Energiearten betrieben werden kann und unterschiedliche Energiearten zur Verfügung stellt.
Bevorzugterweise wird in dem Druckmedienmotor die Druckdifferenz zwischen jeweils dem als Verdampfer und als Kondensator geschalteten Reservoir in mechanische Arbeit umsetzt.
Nach einer ebenso bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass in dem Druckmedienmotor in einem hierzu vorgesehenen Druckluft-Speicher gespeicherte Druckluft zum Antrieb verwendet wird.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass ein Wärmespeicher, insbesondere ein Wassertank, vorgesehen ist, wobei der Wärmespeicher als Wärmesenke oder als Wärmequelle durch eine hierzu vorgesehene schaltbare thermische Kopplung mit den Reservoiren verwendet werden kann.
Eine weitere schaltbare thermische Verbindung des Wärmespeichers ist von Vorteil vorgesehen, vermittels welcher dieser mit einer der Wärmequellen verbindbar und erwärmbar ist.
Von Vorteil ist das Fluid Perfluorpentan oder eine Mischung aus Perfluorpentan und Propan oder eine Mischung aus Wasser und Ammoniak. Es können auch andere Stoffe mit ähnlichen Eigenschaften zum Einsatz kommen.
Bevorzugterweise ist die Mischung je nach gewünschter Arbeitstemperatur einstellbar, wobei das Mischungsverhältnis von einer Mischungsvorrichtung dosiert und verändert wird.
Gemäß einer besonders bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein Stromgenerator vorgesehen ist, an welchem die Wärmekraftmaschine Arbeit verrichtet.
Von Vorteil ist ein Druckluft-Kompressor vorgesehen, an welchem die Wärmekraftmaschine Arbeit verrichtet Dem folgend ist gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung vorgeschlagen, dass der Druckluft-Kompressor zum Befüllen des Druckluft-Speichers vorgesehen ist, welche Druckluft zum Betreiben des Hybrid-Motors oder zum Antrieb eines Fahrzeugs verwendet wird.
Eine Steuerung ist von Vorteil vorgesehen, die aufgrund der aktuellen Temperaturen in den Wärmesenken, den Wärmequellen und den Reservoiren eine optimale Verschaltung derselben errechnet.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Betrieb einer Hausenergieversorgungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 10 vorgeschlagen, das sich durch die folgenden Schritte auszeichnet:

– Messen der aktuellen Temperaturen in den Wärmesenken, den Wärmequellen, dem Wärmespeicher und den Reservoiren,
– je nach gemessenen Temperaturen Auswahl einer möglichst heißen Wärmequelle zur Prozessführung unter der Bevorzugung von Solarwärme als Wärmequelle,
– Verwendung des Wärmespeichers entweder zur Prozessführung mit einer Wärmequelle als driftende Wärmesenke, oder zur Prozessführung mit einer Wärmesenke als driftende Wärmequelle, wobei eine Prozessführung bevorzugt wird, bei der der Wärmespeicher zunächst erwärmt wird.

Durch die Verwendung des Wärmespeichers als Wärmequelle oder als Wärmesenke, wobei dieser aufgeheizt oder abgekühlt wird, kann eine optimale Prozessführung in der Wärmekraftmaschine erreicht werden, ohne, dass wertvolle Wärmeenergie bei aktuell heißer Wärmequelle verloren geht. In diesem Falle wird der kältere Wärmespeicher als Wärmesenke geschaltet. Kühlt sich die Wärmequelle wieder ab, beispielsweise nachts, so wird der Wärmespeicher selber als Wärmequelle verwendet.
Bevorzugerweise wird nach einer Ausgestaltung des Verfahrens die der Wärmekraftmaschine zugeführte Wärme vorrangig aus der Solarwärme gespeist.
Ohne zur Verfügung stehende Solarwärme wird nach einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens die der Wärmekraftmaschine zugeführte Wärme nach einer Alternative der Ausgestaltung der Erfindung aus der Erdwärme oder dem Erdwärmespeicher gespeist.
Eine weitere ebenso bevorzugte Alternative des Verfahrens sieht vor, dass ohne zur Verfügung stehende Solarwärme, und ohne Heizungsbedarf im Hause der vorgesehene Druckluft-Speicher zum Antrieb des Hybridmotors und somit zur Stromerzeugung genutzt wird.
Ohne zur Verfügung stehende Solarwärme und ohne Heizungsbedarf im Hause und zudem leerem Druckluft-Speicher wird der Hybridmotor nach einem vorteilhaften Verfahrensschritt zur Erzeugung von Strom mit Kraftstoff betrieben.
Ebenso kann von Vorteil ohne zur Verfügung stehende Solarwärme und während der normalen jahreszeitbedingten Heizperiode die Vorlaufwärme der Hausheizung als Wärmequelle verwendet werden.
Dem folgend kann vorgesehen sein, dass der Heizungsrücklauf einer konventionellen Heizungsanlage als Wärmesenke verwendet wird.
Im Betrieb der Wärmekraftmaschine mit Solarwärme ist von Vorteil als Wärmesenke das Erdreich ausgewählt.
Die beim Betrieb des Hybridmotors mit Kraftstoff auftretende Abwärme des Hybridmotors wird vorteilhafterweise im Wärmespeicher gespeichert.
Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass nach Erreichen einer vorgewählten maximalen Temperatur im Wärmespeicher dieser als Wärmequelle verwendet wird.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen weiter erläutert. Im Einzelnen zeigt die schematische Darstellung in:
1 ein schematisches Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Hausenergieversorgungsanlage.
Die einzige 1 zeigt einen schematischen Aufbau einer Hausenergieversorgungsanlage 1 zur Versorgung eines Hauses und eines Fahrzeuges mit Strom und Druckluft.
Eine Wärmekraftmaschine ist zwischen verschiednen Wärmeenergiequellen 2 (Solarwärme), 3 (Erdwärme) und 4 (Hausheizung) und Wärmesenken 5, 6 (Erdreich) und 7 (Heizungsrücklauf) geschaltet.
Dabei wird die Wärmeenergie der Temperaturdifferenz zwischen jeweils einer aufgeschalteten Wärmequelle (2, 3 oder 4) und jeweils einer Wärmesenke (5, 6 oder 7) durch die Wärmekraftmaschine 8 in Arbeit umgesetzt.
Die Wärmekraftmaschine weist hierzu einen Fluid-Kreislauf mit zwei Reservoiren 9 und 10 auf, die jeweils als ein zu kühlender Kondensator oder ein zu erwärmender Verdampfer thermisch mit der jeweils ausgewählten Wärmequelle oder Wärmesenke verbunden werden. Als Fluid kann beispielsweise Perfluorpentan oder eine Mischung aus Perfluorpentan und Propan oder eine Mischung aus Wasser und Ammoniak gewählt werden. Im gezeigten Beispiel ist zur möglich Anpassung der Prozesstemperaturen der Wärmekraftmaschine zudem eine Mischungssteuerung 22 vorgesehen, vermittels welcher die Mischung des zwischen den Reservoiren zirkulierenden Fluids je nach gewünschter Arbeitstemperatur einstellbar ist, wobei das Mischungsverhältnis von der Mischungssteuerung dosiert und verändert wird.
Die Arbeitstemperaturdifferenz zwischen den Reservoiren wird dabei von ca. 10° bis 200°, bei einer Arbeitstemperatur von 30° bis 280°C eingestellt.
Zur Arbeitsleistung ist in der Wärmekraftmaschine ein Hybrid-Motor 11 in Form einer Kombination aus Druckmedienmotor und Verbrennungsmotor vorgesehen. Hierdurch können zum einen eine Druckdifferenz des Fluids aufgrund der Arbeitstemperaturdifferenz zum Antrieb verwendet werden als auch Kraftstoff verbrannt und in Arbeit umgesetzt werden, falls die Wärmedifferenzen der Wärmesenken und Wärmequellen einmal nicht ausreichen sollten. In dem Druckmedienmotor wird die Druckdifferenz zwischen jeweils dem als Verdampfer und als Kondensator geschalteten Reservoir 9 und 10 in mechanische Arbeit umsetzt.
Als Antriebsenergie für die Hausenergieversorgungsanlage 1 könne daher Wärmeenergien vielerlei Art (Sonne, Erdwärme, Abwärme von Brennstoffzellen, Abwärme von Kraftwerken, Fernheizung, Erdspeicher, ...) dienen, die als Wärmequellen zur Verfügung stehen. Aber auch Brennstoffe aller Art können verwendet werden, im Beispiel Kraftstoff aus einem Kraftstofftank 12 sowie Druckenergie, welche durch gasförmige unter Druck stehende Stoffe aus einem Druckluft-Speicher 13 bereitgestellt wird. Möglich ist auch die Verwendung elektrischer Energie.
Ein Wärmespeicher 15 in Form eines Wassertanks ist vorgesehen, wobei der Wärmespeicher als Wärmesenke oder als Wärmequelle je nach aktueller Temperatur des Mediums in dem Wärmespeicher durch eine hierzu vorgesehene schaltbare thermische Kopplung mit den Reservoiren 9, 10 verwendet werden kann. Vermittels eine schaltbaren thermischen Verbindung des Wärmespeichers 15 kann dieser mit einer der Wärmequellen verbunden und getrennt vom Prozess erwärmt werden, falls Überschusstemperatur in einer der Wärmequellen vorliegt, die nicht für die Wärmekraftmaschine aktuell verwendet wird.
Eine Steuerung 17 ist vorgesehen, die aufgrund der aktuellen Temperaturen in den Wärmesenken 5, 6, 7, den Wärmequellen 2, 3, 4, dem Wärmespeicher 15 und den Reservoiren 9, 10 eine optimale Verschaltung derselben errechnet und durch entsprechende Auf- und Abschaltung der Komponenten steuert.
In der Hausenergieversorgungsanlage können elektrische Energie, Wärmeenergie sowie Druckenergie (gasförmige unter Druck stehenden Stoffe) produziert werden. Hierzu sind ein mit dem Hybridmotor gekoppelter Stromgenerator 16 und ein Druckluft-Kompressor 14 vorgesehen ist, an welchen die Wärmekraftmaschine 8 je nach Bedarf Arbeit verrichtet. Wird keine elektrische Energie benötigt, wird ein Druckluft-Speicher 13 befällt.
Als Verbraucher sind im Beispiel an die Hausenergieversorgungsanlage angeschlossen: ein Fahrzeug 17, das mit Druckluft zum Antrieb dessen Motors betankt wird, ein Fahrzeug 18, das mit elektrischer Energie zum Antrieb eines Elektromotors geladen wird, sowie weitere elektrische Verbraucher 19 und 20, die im oder am Haus vorhanden sind.
Die Hausenergieversorgungsanlage ist so konzipiert, dass sie an die unterschiedlichen Jahreszeiten (Frühling, Sommer, Herbst und Winter) und an die Tages-Energiegegebenheiten (Umwelt, Witterung, Temperatur, Sonne, Wind, Wolken, ... ) anpasst wird und in unterschiedlichen Betriebsmodifikationen bezüglich der zu verwendenden Wärmequelle und -senke oder der Auswahl der zu verwendenden Energieform durch entsprechende Aufschaltung vermittels einer Steuerung 21 arbeitet.
Mit Hilfe der Steuerung 21 und, sofern vorhanden, der Mischungssteuerung 22 zur Mischung des leicht verdampfenden Stoffgemisches werden die unterschiedlichen Tagesenergiegegebenheiten, die Außentemperatur, der aktuelle Betriebsmodus, und weitere Eventualitäten bei dem Mischvorgang von leicht verdampfenden Stoffgemischen, berücksichtigt.
Diese Steuerung ermittelt über die erfassbaren und bekannten Parameter die ideale Verdampfungstemperatur des Stoffgemisches für den zyklischen Dampferzeugungsprozess.
Das Mischungsverhältnis kann vor jedem Verdampfungszyklus neu berechnet und den Umwelt-Gegebenheiten entsprechend optimiert.
Thermische Solarenergie steht im Sommer mit ca. 1 kW/m² Einstrahlfläche reichlich zur Verfügung. Diese Wärmeenergie welche bis dato oftmals ungenutzt bleibt, wird zur Strom- oder Drucklufterzeugung verwendet. Diese Energieformen können dann gespeichert und zum Gebrauch im Wohnhaus oder Kfz. bzw. zur Stromeinspeisung verwendet werden.
Ein verbessertes Temperaturpotential für den Verdampfungsprozess, und/oder eine Nutzung zur Übergangsheizung, wird durch die Verwendung einer Erdwärmesonde, insbesondere zur Wärmeabfuhr in ca. 10–100 m Tiefe, erreicht.
Ein Teil der Wärme kann auch in Speichern, beispielsweise Erdwärmespeichern oder Wassertanks aufbewahrt werden oder über Erdwärme zugeführt werden.
Bei der Nutzung der Hausenergieversorgungsanlage z. B. in Ein- oder Mehrfamilienhäusern mit z. B. Kfz-Antriebsenergie-Einspeisung oder mit Einspeisung ins Elektro- und Wärmenetz wird die Größe eines hier benötigten Druckmedienmotors/Generators dem max. benötigten Energieverbrauch sowie der nutzbaren solaren Einstrahlfläche angepasst.
Durch die Erfindung kann erreicht werden, dass ein Hausstromanschluss ans öffentliche elektrische Netz nicht mehr erforderlich ist oder er wird zusätzlich auch zum Stromverkauf genutzt. Weiterhin kann ein Teil, der in der Hausenergieversorgungsanlage erzeugten Energie (Strom/Druckluft), für eine Kfz-Nutzung (z. B. bei Auto-Hybrid-Antriebstechnik) oder sonstiges zumindest zeitweise bereitgestellt werden.
A: Sommerbetrieb
Im Sommer bzw. immer bei Sonnenschein wird die Hausenergieversorgungsanlage hauptsächlich mit thermischer Solarenergie angetrieben.
Dabei wird zyklisch mit Hilfe eines Verdampfers ein leicht zu verdampfendes Stoffgemisch, welches von der „Mischvorrichtung”, den äußeren energetischen Gegebenheiten und den Betriebsmodi angemessenen, vorgemischt wurde (z. B. Perflourpentan/Alkohol), erhitzt, verdampft und überhitzt.
Das Dampfgemisch wird dann z. B. über einen Druckmedienhybridmotor(Hybridantrieb mit Brennstoffen und/oder Druckmedien), mit einer Dampfturbine oder ähnlichem, nach bekannten Verfahren, zyklisch zu elektrischer Energie/Druckluft und in Wärme umgewandelt.
Die elektrische Energie wird mit Hilfe eines an den Druckmedienhybridmotor gekoppelter Generators, die optionale Druckluft mit Hilfe eines gekoppelten Kompressors erzeugt.
Das entspannte Dampfgemisch gelangt danach in den zyklisch arbeitenden Kondensator.
Die „Mischungssteuerung” separiert das „erste” Kondensatgemisch sowie das „letzte” Kondensatgemisch nach dem Abkühlen im Kondensator in Zusatzbehälter. Dieses Kondensat besteht im ersten Behälter zu einem relativ großen Prozentsatz aus dem am leichtesten flüchtigen Stoff der Stoffmischung und im Behälter zwei zu einem sehr geringen Prozentsatz aus dem leicht flüchtigen Stoffgemisch.
Nach Abschluss des zyklischen Verdampfungsvorganges regelt die „Mischungssteuerung” über den im Moment arbeitenden Betriebsmodi, die Energiegegebenheiten (Bedarfe und Angebote) und die Außentemperatur (Wassertemperatur), den Mischungsgrad der aktuellen Verdampfungsmischung. Dabei wird vor jedem Zyklus das „erste” oder das „letzte” Kondensatgemisch zu einem definierten Teil in die zu verdampfende Flüssigkeit im Verdampfer gegeben um die ideale Verdampfungstemperatur zu erreichen.
Um das Kraftwerk übers ganze Jahr zu betreiben, verwenden wir vorrangig einen Druckmedienhybridmotor welcher mit Druckmedien (z. B. Dampfgemischen von Perflourpentan/Alkohol, Luft) oder auch mit Brennstoffen (z. B. Rapsöl) betrieben werden kann (Siehe z. B. Patente MDI France).
Alternativ kann im Sinne der Erfindung der Verbrennungsmotor oder die Hausheizung durch eine Gasturbine oder ein Kleinkraftwerk mit einem Tandem aus Holzvergaser und Stirlingmotor ersetzt werden um auch feste fossile Brennstoffe als Energiequelle zu verwenden.
Das überhitzte Dampfgemisch aus dem Verdampfer wird dem Druckmedienhybridmotor zugeführt.
Nach Antrieb des Druckmedienhybridmotor wird das entspannte Dampfgemisch mittels Kühlwasser einer Erdsonde/Erdspeicher und/oder mit dem abgekühlten Rücklaufwasser einer Wärmeheizung (z. B. Wohnhaus) oder mit Hilfe sonstiger Medien/Wärmespeichern kondensiert.
Ein Teil der zur Verfügung stehenden und erzeugten Energie wird in Druckmedienspeichern, Elektrospeichern oder Warmwasserspeichern zwischengespeichert, um während der Nachtstunden und der bewölkten Tage die Energieversorgung zu gewährleisten.
Der Druckmedienhybridmotor kann in dieser Betriebsart auch einen angekoppelten Druckluftkompressor antrieben, welcher wiederum Druckluft mit sehr hohen Drücken (z. B. 300 bar) erzeugt, welche z. B. zum Antrieb eines Kfz, ... verwendet werden kann.
In den Sommermonaten kann die Hausenergieversorgungsanlage hauptsächlich (außer an kühlen Tagen mit Bewölkung oder sonstiger Wärmezugang s. o.) mit thermischer Solarenergie betreiben werden.
Über die thermische Solarenergie fallen große Mengen an Wärmeenergie an, welche durch Umwandlung in Strom bzw. Druckluft auch zusätzlich außerhalb des Wohnhauses z. B. im Kfz oder zur Einspeisung ins Netz genutzt werden können. Die relativ große Menge an anfallender Kondensationswärme wird umweltfreundlich mit Erdsonden oder in Erdspeicher abgeführt.
Wird Strom/Brauchwasser während der Nacht oder bei Bewölkung benötigt, läuft der obige Prozess mit der Energie aus Wasser-Druckluft- oder Elektrospeichern, ... ab.
Übersteigt die angeforderte elektrische Energie die anfallende Wärmemenge die zur Stromerzeugung benötigt wird, z. B. an Solarwärme und sind die Wärmespeicher geleert, schaltet die Hausenergieversorgungsanlage in den Betriebsmodus Frühjahr/Herbstbetrieb (siehe unten).
B: Winterbetrieb
Im Winterbetrieb arbeitet die Hausenergieversorgungsanlage so, dass der Dampferzeugungsprozess mit dem Heizungsprozess oder einem Kleinkraftwerk gekoppelt ist.
Wärmezufuhr über Heizungsbrenneranlage (alternativ Solar, Erdwärme, Abwärme, Fernwärme, ...).
Wärmeabgabe im zyklisch arbeitenden Verdampfer zum Verdampfen von leicht verdampfbaren Stoffgemisch mit „aktueller” Zusammensetzung nach den Vorgaben der „Mischungssteuerung”.
Elektrische Energiegewinnung über Druckmedienmotor/Generator Wärmeabgabe zum Heizen/Warmwasser.
Wärmezufuhr zum Heizkreislauf beim Kondensieren von leicht verdampfbaren Stoffgemisch, in den Wasserrücklauf der Heizungsanlage.
Und Wärmezufuhr der Abwärme von Druckmedienhybridmotors/Generators in das Rücklaufwasser.
Somit verbleibt die komplette Abwärme des Verdampfungsprozesses im Heizsystem.
In dieser Betriebsart wird Wasser hauptsächlich (Unterstützung durch solare Wärme bei Sonnenschein oder Wärmespeicher) mit einer konventionellen Heizung stark erwärmt, welches dann zyklisch zum Verdampfen von einem leicht zu verdampfendem Stoffgemisches z. B. Perflourpentan/Alkohol, welches aktuell angemischt wurde, im Verdampfer eingesetzt wird.
Der erzeugte Dampf wird wiederum zur Erzeugung von elektrischer Energie über den Druckmedienhybridmotor/Generator verwendet. Wobei die Abwärme des Druckmedienhybridmotors ins Heizsystem zurückgeführt wird.
Das stark erwärmte Wasser gibt im Verdampfer zum Verdampfen von z. B. Perflourpentan-Alkohol-Gemisch Wärmeenergie ab und „kühlt” sich dabei auf die gewünschte Vorlauftemperatur der Raumheizung.
Mit dieser Vorlauftemperatur speist das Wasser die Heizungs- und Brauchwasserbedarfe im Haus.
Das abgekühlte Heizungsrücklaufwasser wird danach im Kondensator zum Kondensieren des leicht zu verdampfenden Stoffgemisches genutzt und erwärmt sich dabei.
Im Winterbetrieb wird maximal soviel Strom/Druckluft-Energie erzeugt wie Abwärmeenergie entsteht, welche zum Heizen und zur Warmwassererwärmung benötigt wird.
Jedoch mindestens soviel wie die aktuelle Hausstromversorgung benötigt.
Übersteigt die anfallende Wärmemenge den Heizungsbedarf und sind die Wärmespeicher aufgefüllt, schaltet die Hausenergieversorgungsanlage in den Betriebsmodus Frühjahr/Herbstbetrieb (siehe unten).
C: Frühjahr/Herbstbetrieb
Im Frühjahr und Herbstbetrieb, wenn keine oder nur wenig Wärmeenergie zur Hausheizung benötigt wird und keine oder wenig solare Einstrahlung entsteht, wird der Druckmedienhybridmotor zur Stromherstellung auch mit Brennstoffen (z. B. Rapsöl) als Energiequelle betrieben.
Die Betriebsart Frühjahr/Herbstbetrieb läuft erst dann an, wenn in den Speichern keine Energie mehr zur Verfügung steht und Strom benötigt wird.
Der Druckmedienhybridmotor erzeugt dabei über den angekoppelten Generator die benötigte elektrische Energie. Bei diesem Prozess fallen große Mengen an Abwärme an, welche mit Kühlwasser abgefangen und im Wärmespeicher aufbewahrt werden. Bei Bedarf wird diese Abwärme als Heizungsvorlauf- und Brauchwasser genutzt.
Ist der Wärmespeicher gefüllt, schaltet das Hausenergieversorgungsanlage in den Sommerbetrieb und nutzt die Wärmeenergie des Wärmespeichers als Antriebsquelle für den Verdampfungsprozess (siehe Sommerbetrieb).
Ist auch der Druckluftspeicher gefüllt, schaltet das Hausenergieversorgungsanlage in den Druckluftbetrieb und versorgt den Druckmedienhybridmotor mit komprimierter Antriebsluft zur Stromherstellung. Der Druckluftspeicher füllt sich insbesondere an Sonnenreichen und sehr kalten Tagen.
Bei Verwendung der Hausenergieversorgungsanlage in einem sehr gut isolierten Energiesparhaus (<11 Heizöl/qm) kann auf den Winterbetriebsmodus komplett verzichtet werden. Und somit auf die Investitionskosten einer gängigen Heizungsanlage.
D. h. Die benötigte Wärmeenergie für Heizung und Brauchwasser ist dann nicht größer als die anfallende Abwärme bei der Erzeugung von Strom für Haushalt und Kfz mit dem Druckmedienhybridmotor.
An sehr kalten Wintertagen kann mit elektrischer Energie hilfsweise auch geheizt werden.
Ein durchschnittlicher 4 Personen Haushalt benötigt ca. 3000 KWh Strom pro Jahr.
Mit einem Wirkungsgrad von ca. μ = 0,2, bei mehrfachem Wärmedurchlauf wie oben beschrieben, werden ca. 15.000 KWh Wärmeenergie übers Jahr zur Stromerzeugung benötigt.
An den ca. 80 Sonnentagen verwenden wir zur Stromherstellung solare Wärmeenergie.
Jeden weiteren Tag des Jahres benötigen wir ca. 40 KWh Energie in Form von Pellets, Öl, Fernheizung, ....
Die Kosten hierfür sind im Moment ungefähr so groß wie die Strombeschaffungskosten.
Die Kosten für die Wärmeerzeugung zum Heizen/Warmwasser entfallen, da die Abwärme des Druckmedienhybridmotor hierfür Verwendung findet. Und ca. 80% der eingesetzten Energie ist.
An Installationskosten sparen wir die Strombereitstellungskosten, Zählermiete, Anschlusskosten, ....
In gut isolierten Häusern auch noch die Heizungsanlagekosten (Brenner, Heizkessel, ...).
Es ist geplant, dass die Investitionskosten der Hausenergieversorgungsanlage in gut isolierten Häusern nicht höher sind, als die bisherigen Kosten für Stromanschluss und Heizungsanlage.
Ein wirtschaftlicher Nutzen fällt an sehr warmen Sommertagen mit einer Überproduktion an Strom an, sowie an sehr kalten Tagen, wenn die benötigte Heizwärme (Abwärme) eine sehr hohe Stromproduktion nach sich zieht.
D. h. die überschüssige elektrische Energie oder Druckluftenergie steht z. B. für eine Kfz-Nutzung zur Verfügung; jedoch nicht das ganze Jahr.
Es ist sinnvoll ein Elektro-Hybrid-Kfz oder ein Druckluft-Hybrid-Kfz zu Nutzen welches zum Teil auch mit fossilen Brennstoffen betrieben werden kann.
Bezugszeichenliste

1: Hausenergieversorgungsanlage
2: Wärmequelle, Solarwärme
3: Wärmequelle, Erdwärme
4: Wärmequelle, Hausheizung
5: Wärmesenke
6: Wärmesenke, Erdreich
7: Wärmesenke, Heizungsrücklauf
8: Wärmekraftmaschine
9: Reservoir
10: Reservoir
11: Hybrid-Motor
12: Kraftstofftank
13: Druckluft-Speicher
14: Druckluft-Kompressor
15: Wärmespeicher
16: Stromgenerator
17: Fahrzeug
18: Fahrzeug
19: Verbraucher
20: Verbraucher
21: Steuerung
22: Mischungssteuerung

Claims

Hausenergieversorgungsanlage (1), insbesondere zur Versorgung eines Hauses und/oder eines Fahrzeuges mit Strom und/oder Wärme und/oder Druckluft, wobei wenigstens eine der folgenden Wärmeenergiequellen (2, 3, 4) vorgesehen ist: – Sonnenlicht, – Warmwasser aus dem Heiz- oder Warmwasserkreislauf einer bestehenden Öl-, Pellet- oder Gasfeuerungs-Heizung, oder Kleinkraftwerk, – Fernwärme, – Abwärme von Verlustwärme erzeugenden Geräten, insbesondere einer Brennstoffzelle, und/oder einer bestehenden Öl-, Pellet- oder Gasfeuerungs-Heizung, – Erdwärme oder Erdspeicher, wobei wenigstens eine der folgenden Wärmesenken (5, 6, 7) vorgesehen ist: – das Erdreich und/oder – die Außenluft und/oder – ein Fliess- oder ein stehendes Gewässer und/oder – dem Warmwasser- oder Heizungsvorlauf des Heiz- oder Warmwasserkreislauf der bestehenden Öl-, Pellet- oder Gasfeuerungs-Heizung und/oder – einen Wärmespeicher wobei die Wärmeenergie der Temperaturdifferenz zwischen Wärmequelle (2, 3, 4) und Wärmesenke (5, 6, 7) durch eine Wärmekraftmaschine (8) in Arbeit umgesetzt wird, wobei die Wärmekraftmaschine einen Fluid-Kreislauf mit wenigstens zwei Reservoiren (9, 10) aufweist, die jeweils als ein zu kühlender Kondensator oder ein zu erwärmender Verdampfer thermisch mit der Wärmequelle oder der Wärmesenke verbunden werden, wobei eine Arbeitstemperaturdifferenz zwischen den Reservoiren von ca. 10° bis 200°, bei einer Arbeitstemperatur von 30° bis 280°C eingestellt wird, wobei die Wärmekraftmaschine einen Hybrid-Motor (11) in Form einer Kombination aus Druckmedienmotor und Verbrennungsmotor aufweist, in dem zum einen eine Druckdifferenz des Fluids aufgrund der Arbeitstemperaturdifferenz zum Antrieb verwendet wird und zum anderen Kraftstoff verbrannt und in Arbeit umgesetzt wird.
Hausenergieversorgungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Druckmedienmotor in einem hierzu vorgesehenen Druckluft-Speicher (13) gespeicherte Druckluft zum Antrieb verwendet wird.
Hausenergieversorgungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wärmespeicher (15), insbesondere ein Wassertank, vorgesehen ist, wobei der Wärmespeicher als Wärmesenke oder als Wärmequelle durch eine hierzu vorgesehene schaltbare thermische Kopplung mit den Reservoiren (9, 10) verwendet werden kann.
Hausenergieversorgungsanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine weitere schaltbare thermische Verbindung des Wärmespeichers (15) vorgesehen ist, vermittels welcher dieser mit einer der Wärmequellen verbindbar und erwärmbar ist.
Hausenergieversorgungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid Perfluorpentan oder eine Mischung aus Perfluorpentan und Propan oder eine Mischung aus Wasser und Ammoniak oder ähnliches ist.
Hausenergieversorgungsanlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischung je nach gewünschter Arbeitstemperatur einstellbar ist, wobei das Mischungsverhältnis von einer Mischungsvorrichtung dosiert und verändert wird.
Hausenergieversorgungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Stromgenerator (16) vorgesehen ist, an welchem die Wärmekraftmaschine (8) Arbeit verrichtet.
Hausenergieversorgungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Druckluft-Kompressor (14) vorgesehen ist, an welchem die Wärmekraftmaschine (8) Arbeit verrichtet.
Hausenergieversorgungsanlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckluft-Kompressor (14) zum Befüllen des Druckluft-Speichers (13) vorgesehen ist, wobei die Druckluft zum Betreiben des Hybrid-Motors (8) oder zum Antrieb eines Fahrzeugs (17) verwendet wird, das mit der Druckluft betankt wird.
Hausenergieversorgungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerung (17) vorgesehen ist, die aufgrund der aktuellen Temperaturen in den Wärmesenken (5, 6, 7), den Wärmequellen (2, 3, 4), des Wärmespeichers (15) und den Reservoiren (9, 10) eine optimale Verschaltung derselben errechnet und durch entsprechende Auf- und Abschaltung der Komponenten steuert.
Verfahren zum Betrieb einer Hausenergieversorgungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch die Schritte: – Messen der aktuellen Temperaturen in den Wärmesenken, den Wärmequellen, dem Wärmespeicher und den Reservoiren, – je nach gemessenen Temperaturen Auswahl einer möglichst heißen Wärmequelle zur Prozessführung unter der Bevorzugung von Solarwärme als Wärmequelle, – Verwendung des Wärmespeichers entweder zur Prozessführung mit einer Wärmequelle als driftende Wärmesenke, oder zur Prozessführung mit einer Wärmesenke als driftende Wärmequelle, wobei eine Prozessführung bevorzugt wird, bei der der Wärmespeicher zunächst erwärmt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die der Wärmekraftmaschine (8) zugeführte Wärme vorrangig aus Solarwärme als Wärmequelle (2) gespeist wird.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass ohne zur Verfügung stehende Solarwärme die der Wärmekraftmaschine (8) zugeführte Wärme alternativ aus der Erdwärme als Wärmequelle (3) oder einem Erdwärmespeicher gespeist wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass ohne zur Verfügung stehende Solarwärme, und ohne Heizungsbedarf im Hause der Druckluft-Speicher (13) zum Antrieb des Hybridmotors (11) und somit zur Stromerzeugung genutzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass ohne zur Verfügung stehende Solarwärme und ohne Heizungsbedarf im Hause und leerem Druckluft-Speicher (13) der Hybridmotor (11) zur Erzeugung von Strom mit Kraftstoff betrieben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass ohne zur Verfügung stehende Solarwärme und während der Heizperiode die Vorlaufwärme der Hausheizung als Wärmequelle (4) verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizungsrücklauf einer konventionellen Heizungsanlage als Wärmesenke (7) verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass im Betrieb der Wärmekraftmaschine mit Solarwärme als Wärmesenke (6) das Erdreich ausgewählt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass beim Betrieb des Hybridmotors (11) mit Kraftstoff die Abwärme des Hybridmotors im Wärmespeicher (15) gespeichert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass nach Erreichen einer vorgewählten maximalen Temperatur im Wärmespeicher (15) dieser als weitere Wärmequelle verwendet wird.