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Die
Erfindung betrifft eine Hybridanlage zur Bereitstellung von elektrischer
Energie aus regenerativen Energiequellen, die eine Biogasanlage,
die elektrische Energie bereitstellt, und mindestens einen weiteren
Energiewandler aufweist, der elektrische Energie bereitstellt und
dessen abrufbare Leistung von externen Einflußfaktoren,
insbesondere dem Windangebot und/oder der Sonneneinstrahlung, abhängig
ist, wobei die elektrische Energie der Biogasanlage und die elektrische
Energie des mindestens einen weiteren Energiewandlers in ein gemeinsames
Versorgungsnetz eingespeist werden.
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Biogasanlagen
weisen einen sogenannten Fermenter auf, in dem biomassehaltige Reststoffe wie
Klärschlamm, Bioabfall oder Speisereste, Gülle, Mist,
Holzschnitzel oder auch gezielt angebaute Energiepflanzen wie beispielsweise
Mais, Getreide und Gras in einem mehrstufigen Prozeß umgesetzt werden.
Dabei entsteht Biogas, dessen wesentlicher energiereicher Bestandteil
Methan ist. Das Biogas kann beispielsweise in einem Blockheizkraftwerk zum
Antrieb eines Verbrennungsmotors verwendet werden, der einen Generator
antreibt. Die bereitgestellte elektrische Energie kann in ein Versorgungsnetz
eingespeist werden, während die Abwärme des Verbrennungsmotors
für die Beheizung eines Gebäudes genutzt werden
kann. Bedingt durch den zum Antrieb des Generators eingesetzten
Verbrennungsprozeß entsteht beim Betrieb einer Biogasanlage
immer elektrische Energie und Wärme zugleich, insbesondere
ist es nicht möglich, elektrische Energie bereitzustellen,
ohne zugleich Wärme zu erzeugen. Die thermische und elektrische
Leistung einer Biogasanlage ist bis zu einem durch die Dimensionierung
der Anlage bestimmten Maximalwert jederzeit abrufbar. Sofern ausreichend
Biogas verfügbar ist, kann die Leistung der Anlage durch
Steuerung des Verbrennungsmotors in kurzer Zeit bis zu ihrem Maximalwert gesteigert
werden.
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Andere
bekannte Energiewandler können unmittelbar elektrische
Energie bereitstellen, ohne daß eine nennenswerte Abwärme
entsteht. Hierzu zählen insbesondere Windenergie- und Photovoltaikanlagen.
Allerdings ist die Verfügbarkeit der bereitgestellten elektrischen
Energie derartiger Energiewandler von externen Einflußfaktoren
abhängig, in den genannten Beispielen vom Windangebot bzw.
der Sonneneinstrahlung. Unter Umständen kann über
längere Zeiträume gar keine oder nur ein Bruchteil
der Nennleistung derartiger Anlagen abrufbar sein.
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Hybridanlagen
zur Bereitstellung von elektrischer Energie aus regenerativen Energiequellen kombinieren
unterschiedliche Energiewandler. Eine derartige Hybridanlage ist
aus der deutschen Patentanmeldung
DE 10 2004 046 701 A1 bekannt.
Sie wird als regeneratives Energiesystem bezeichnet und kombiniert
eine Windenergieanlage, die elektrische Energie erzeugt und in ein
Versorgungsnetz einspeist, mit einem Verbrennungsmotor, der mit
einem aus nachwachsenden Rohstoffen gewonnenem Brennstoff, beispielsweise
Rapsöl, betrieben wird. Der Verbrennungsmotor treibt einen
Generator an und erzeugt so elektrische Energie, die ebenfalls in das
Versorgungsnetz eingespeist wird. Im wesentlichen ist die bekannte
Hybridanlage für eine Versorgung von Inselnetzen gedacht.
Dabei ersetzt der mit Rapsöl angetriebene Verbrennungsmotor
einen herkömmlich eingesetzten Dieselgenerator und kann dadurch
die Umweltverträglichkeit verbessern. In einer Ausgestaltung
ist daran gedacht, den Verbrennungsmotor mit Biogas zu betreiben.
Die beim Betrieb des Verbrennungsmotors entstehende Wärme wird
bei der bekannten Hybridanlage nicht genutzt.
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Davon
ausgehend ist es die Aufgabe der Erfindung, eine Hybridanlage der
eingangsgenannten Art zur Verfügung zu stellen, die die
eingesetzten Energiequellen effizienter nutzt.
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Diese
Aufgabe wird gelöst durch die Hybridanlage mit den Merkmalen
des Anspruchs 1.
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Die
erfindungsgemäße Hybridanlage dient zur Bereitstellung
von elektrischer Energie aus regenerativen Energiequellen und hat
eine Biogasanlage, die elektrische Energie bereitstellt, und mindestens einen
weiteren Energiewandler, der elektrische Energie bereitstellt und
dessen abrufbare Leistung von externen Einflußfaktoren,
insbesondere dem Windangebot und/oder der Sonneneinstrahlung, abhängig ist,
wobei die elektrische Energie der Biogasanlage und die elektrische
Energie des mindestens einen weiteren Energiewandlers in ein gemeinsames
Versorgungsnetz eingespeist werden, wobei die Biogasanlage eine
Gasturbine mit einem elektrischen Generator aufweist, die mit dem
in der Biogasanlage erzeugten Biogas betrieben wird und deren Abwärme der
Biogasanlage über einen Wärmetauscher zuführbar
ist. Die Abhängigkeit der abrufbaren Leistung des mindestens
einen weiteren Energiewandlers kann sich auch auf die Verfügbarkeit
sonstiger, letztlich solarer Brennstoffe beziehen, beispielsweise
bei Geothermieanlagen oder Wasserkraftwerken. Die Gasturbine zeichnet
sich durch einen höheren Wirkungsgrad als ein herkömmlicher
Verbrennungsmotor aus. Dadurch kann aus der gleichen Menge Biogas
eine größere Menge elektrischer Energie gewonnen
werden. Entsprechend reduziert sich die Wärmemenge, die
bei der Verbrennung einer bestimmten Menge Biogas freigesetzt wird.
Diese Wärme geht jedoch nicht ungenutzt verloren, sondern
kann der Biogasanlage über einen Wärmetauscher
zugeführt werden. Dadurch kann die Biogasanlage auf eine
für die Biogasproduktion günstige Temperatur aufgeheizt
werden. Bevorzugt wird die von der Gasturbine freigesetzte Wärme
dem Abgas mit einem Wärmetauscher entnommen und dem Fermenter
der Biogasanlage über einen weiteren Wärmetauscher
zugeführt.
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Das
Versorgungsnetz kann ein öffentliches Stromnetz und/oder
ein Inselnetz sein. Im Falle eines Inselnetzes ermöglicht
die erfindungsgemäße Hybridanlage eine autarke
Versorgung, was beispielsweise für abgelegene landwirtschaftliche
Betriebe eine sinnvolle Alternative zum Anschluß an ein öffentliches
Versorgungsnetz darstellt.
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In
einer Ausgestaltung der Erfindung weist die Biogasanlage einen Gastank
zur Speicherung von Biogas auf. Dadurch kann ein ausreichender Vorrat
an Biogas vorgehalten werden, um die Biogasanlage auch bei mangelnder
Biogasproduktion, etwa in Folge von Wartungsarbeiten oder einer
Rohstoffknappheit, für einen gewissen Zeitraum betreiben
zu können. Weiterhin kann die Biogasproduktion durch die
Pufferwirkung des Gastanks auch bei schwankender Leistung der Gasturbine
auf einem gleichmäßigen, günstigen Niveau
fortgeführt werden.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Gasturbine eine
Mikrogasturbine mit einer elektrischen Leistung von 100 kW oder
weniger. Mikrogasturbinen sind speziell für den genannten,
relativ niedrigen Leistungsbereich optimiert und weisen einen hohen
Wirkungsgrad auf. Es kann daher eine Hybridanlage mit hohem Wirkungsgrad
in einem für viele Anwendungen ausreichenden, relativ niedrigen Leistungsbereich
angeboten werden. Ein weiterer Vorteil ist, daß derartige
Mikrogasturbinen mit nicht aufbereitetem, insbesondere nicht entschwefeltem Biogas
betrieben werden können. Ein Beispiel für eine
Mikrogasturbine ist aus
DE
202 20 621 U1 bekannt.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung beträgt die
elektrische Gesamtleistung des mindestens einen weiteren Energiewandlers
maximal 50% der elektrischen Leistung der Gasturbine. Die elektrische
Gesamtleistung bezieht sich auf die elektrische Leistung aller angeschlossenen
weiteren Energiewandler. Dadurch kann die insgesamt von der Hybridanlage
bereitgestellte elektrische Leistung auch bei stark schwankender
Leistung des mindestens einen weiteren Energiewandlers konstant
gehalten werden. Insbesondere kann die Gasturbine in einem Arbeitspunkt
betrieben werden, der ein schnelles Ausregeln von Leistungsschwankungen
des mindestens einen weiteren Energiewandlers ermöglicht. Gleichzeitig
kann die Gasturbine in einem hinsichtlich des Wirkungsgrads günstigen
Leistungsbereich betrieben werden.
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Gemäß einer
Ausgestaltung der Erfindung ist einer der mindestens einen weiteren
Energiewandler eine Windenergieanlage. Ebenfalls bevorzugt ist die
Verwendung einer Photovoltaikanlage. Beide Varianten sind bewährte,
robuste Energiewandler, die unmittelbar elektrische Energie bereitstellen
können.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind mehrere weitere
Energiewandler vorgesehen, die unterschiedliche regenerative Energiequellen
nutzen.
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Durch
die Kombination unterschiedlicher regenerativer Energiequellen für
die Bereitstellung elektrischer Energie mit einer Biogasanlage können Leistungsschwankungen
der einzelnen Energiequellen teilweise kompensiert werden. Außerdem
wird das verfügbare Energieangebot, beispielsweise in Form
von Sonnen- und Windenergie, besser ausgenutzt. Die Kombination
unterschiedlicher Energiequellen bietet auch eine erhöhte
Betriebssicherheit im Falle technisch bedingter Ausfälle
einzelner Energiewandler.
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Gemäß einer
Ausgestaltung der Erfindung sind die weiteren Energiewandler an
einen gemeinsamen Gleichspannungskreis oder an einen gemeinsamen
Wechselspannungskreis angeschlossen. Werden nur Energiewandler kombiniert,
die naturgemäß eine Gleichspannung liefern, dann
werden diese an einen gemeinsamen Gleichspannungskreis angeschlossen.
Werden nur Energiewandler kombiniert, die naturgemäß eine
Wechselspannung liefern, dann werden diese an einen gemeinsamen
Wechselspannungskreis angeschlossen. Werden Energiewandler, die
eine Gleichspannung liefern, mit Energiewandlern, die eine Wechselspannung
liefern, kombiniert, kann die gelieferte Wechselspannung mit einem
geeigneten Netzanschlußgerät in Gleichspannung
umgewandelt werden. Alternativ können die Energiewandler,
die eine Gleichspannung liefern, mit einem Wechselrichter kombiniert
werden, der die Gleichspannung in eine Wechselspannung umwandelt.
Netzanschlußgeräte bestehen im wesentlichen aus
einem Gleichrichter und einem Siebglied und liefern bei Speisung
mit Wechselstrom einen Gleichstrom mit einer nur geringen Restwelligkeit.
Derartige Netzanschlußgeräte sind aus Geräten
und Anlagen bekannt, die durch Netzwechselstrom gespeist werden.
Sie können für unterschiedliche Spannungs- und
Stromstärkebereiche gebaut werden. Ein Vorteil der Anwendung
von Netzanschlußgeräten liegt in deren Robustheit
gegenüber Lastschwankungen und Schwankungen der Eingangsspannung
von beispielsweise bis zu +/– 10%. Bei einem Anschluß der weiteren
Energiewandler an einen gemeinsamen Gleichspannungskreis werden
alle Energiewandler, die naturgemäß eine Gleichspannung
liefern, mit einem geeigneten Schutz gegen unerwünschte
Rückwirkungen aus dem Gleichspannungskreis ausgestattet.
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In
einer Ausgestaltung der Erfindung ist der gemeinsame Gleichspannungskreis
bzw. der gemeinsame Wechselspannungskreis an einen elektrischen
Energiespeicher angeschlossen. Der elektrische Energiespeicher kann
elektrische Energie entweder direkt oder durch Energieumwandlung
aus einem thermischen, chemischen oder mechanischen Energiespeicher
bereitstellen. Die direkte Bereitstellung von elektrischer Energie
kann beispielsweise über eine Kondensatorbatterie erfolgen,
während die Bereitstellung von elektrischer Energie durch
Energieumwandlung aus thermischer Energie beispielsweise aus einem
Wärmespeicher erfolgen kann. Die Bereitstellung von elektrischer
Energie aus chemischer Energie kann über einen Akkumulator,
eine Batterie, eine galvanische Zelle oder eine Redox-Flow-Zelle
erfolgen. Die Bereitstellung von elektrischer Energie aus mechanischer
Energie kann entweder aus kinetischer Energie über ein
Schwungrad oder aus potentieller Energie über eine Feder,
einen Pumpspeicher, einen Druckluftspeicher, einen Gasspeicher oder
ein Gewicht erfolgen. Die gespeicherte Energie kann zum Ausgleichen
von Leistungsschwankungen der weiteren Energiewandler im Gleichspannungs-
oder Wechselspannungskreis genutzt werden und somit den von den
weiteren Energiewandlern unmittelbar bereitgestellten elektrischen Energiefluß verstetigen.
Weiterhin kann die gespeicherte Energie genutzt werden, um die Hybridanlage nach
einer Betriebspause unabhängig von einer externen Versorgungsspannung
wieder anzufahren. Hierzu kann es beispielsweise erforderlich sein, Hilfsantriebe
der Biogasanlage, der Gasturbine oder der weiteren Energiewandler
wieder in Gang zu setzen oder in eine bestimmte Arbeitsposition
zu verfahren oder nachzuführen. Außerdem kann über
den Energiespeicher die Spannungsversorgung für die gesamte Überwachung,
Steuerung und Regelung der Hybridanlage während einer Betriebspause
sichergestellt werden. Mit der auch über einen längeren
Zeitraum bedarfsweise zuschaltbaren elektrischen Energie aus dem
Energiespeicher wird die Hybridanlage mit einer zusätzlichen,
regelbaren Energiequelle ausgestattet.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wandelt ein Wechselrichter
elektrische Energie aus dem gemeinsamen Gleichspannungskreis in Wechselspannung
um und speist diese in das Versorgungsnetz ein. Durch den Wechselrichter
kann die in das Versorgungsnetz eingespeiste Leistung gesteuert
werden. Weiterhin kann die von unterschiedlichen Energiewandlern
bereitgestellte elektrische Energie an die Verhältnisse
des jeweiligen Versorgungsnetzes angepaßt werden.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die elektrische
Energie aus dem gemeinsamen Wechselspannungskreis über
einen Transformator in das Versorgungsnetz eingespeist. Gegebenenfalls
kann auch die einem gemeinsamen Gleichspannungskreis entnommene
Energie nach Umwandlung in Wechselspannung mit Hilfe eines Wechselrichters
mit einem Transformator zur Einspeisung in das Versorgungsnetz kombiniert
werden.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der Wärmetauscher über
einen ersten Wärmemittelkreislauf mit einem Wärmespeicher
verbunden. Durch den Wärmespeicher kann beim Betrieb der
Gasturbine freigesetzte Wärme zwischengespeichert werden.
Die Wärme kann dem Wärmespeicher je nach Bedarf
des Biogasproduktionsprozesses dann entnommen werden, wenn sie benötigt wird.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Wärme
des Wärmespeichers über einen zweiten Wärmemittelkreislauf
entnehmbar. Dadurch kann auch diejenige Wärmeenergie, die
nicht für den Betrieb der Biogasanlage verwertbar ist,
sinnvoll genutzt werden. Insbesondere kann ein Gebäude
wie ein Wohnhaus oder ein Stall mit Wärme versorgt werden.
Dadurch werden die eingesetzten Energieressourcen noch effizienter
ausgenutzt. Die entnommene Wärme kann auch mit Hilfe einer
geeigneten Kälteanlage, beispielsweise einer Adsorptionskältemaschine
oder einer Wärmepumpe, für die Kühlung
von Gebäuden beispielsweise in den Sommermonaten genutzt
werden. Ebenfalls möglich ist es, die überschüssige
Wärme nicht dem Wärmespeicher sondern mit Hilfe
eines weiteren Wärmetauschers direkt dem ersten Wärmemittelkreislauf
zu entnehmen.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist die Biogasanlage einen
Fermenter auf, der mit einem Heizkreislauf versehen ist, der über eine
Ventilanordnung mit dem ersten Wärmemittelkreislauf verbindbar
ist. Über den Heizkreislauf kann der Fermenter mit der
in dem Wärmespeicher gespeicherten Wärme versorgt
werden. Durch die Verbindung über eine Ventilanordnung
kann ein weiterer Wärmetauscher und eine separate Umwälzpumpe für
den Heizkreislauf eingespart werden. Statt dessen sind der erste
Wärmemittelkreislauf und der Heizkreislauf unmittelbar
miteinander verbindbar. Über die vereinfachte Konstruktion
hinaus kann auch eine verlustfreiere Nutzung der Wärme
erzielt werden.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist der Wärmespeicher
ein Heizelement auf, das mit elektrischer Energie von dem mindestens
einen weiteren Energiewandler betrieben werden kann. Dadurch kann überschüssige
elektrische Energie von einem oder mehreren der weiteren Energiewandler
in Wärme umgesetzt und dem Wärmespeicher zugeführt
werden. Diese Lösung ist insbesondere dann vorteilhaft,
wenn die weiteren Energiewandler mehr elektrische Energie erzeugen,
als die an das Versorgungsnetz angeschlossenen Verbraucher benötigen.
Sofern die elektrische Energie nicht anderweitig, etwa in dem Energiespeicher,
gespeichert werden kann, müßten die weiteren Energiewandler gegebenenfalls
abgeschaltet werden. Dies ist jedoch ungünstig, weil es
die Hybridanlage in eine ungünstige Arbeitsposition für
den Gesamtbetrieb versetzt und eine vergleichsweise aufwendige Betriebsführung
erfordert. Weiterhin kann sich beispielsweise im Falle einer Windenergieanlage
die Beanspruchung der Komponenten der Windenergieanlage gegenüber
einem gleichmäßigen Betrieb erhöhen.
Alternativ zu einer Abschaltung ist es bekannt, die überschüssige
elektrische Energie in Wärme umzusetzen und dem Erdboden
zuzuführen. Hierzu ist jedoch eine aufwendige Vorrichtung
erforderlich und die überschüssige Energie geht
für eine spätere Nutzung verloren. Mit dem auch über
einen längeren Zeitraum bedarfsweise zuschaltbaren Heizelement
wird die Hybridanlage mit einem zusätzlichen, regelbaren Verbraucher
ausgestattet.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist eine Steuerung vorgesehen,
die die Gasturbine in Abhängigkeit eines extern oder intern
vorgegebenen Sollwerts für die elektrische Leistung der Hybridanlage
und/oder in Abhängigkeit eines weiteren extern oder intern
vorgegebenen Sollwerts für die thermische Leistung der
Hybridanlage steuert. Die beiden Sollwerte können auf Grundlage
der nachgefragten elektrischen und/oder thermischen Leistung festgelegt
werden. Durch die Steuerung der Gasturbine kann die Hybridanlage
beispielsweise eine konstante elektrische Leistung bereitstellen,
wobei Leistungsschwankungen der weiteren Energiewandler durch die
Steuerung der Gasturbine kompensiert werden. Gegebenenfalls kann
die Steuerung der Gasturbine nur dann eingreifen, wenn die Leistungsschwankungen
der weiteren Energiewandler nicht oder nicht vollständig
mit Hilfe des Energiespeichers oder durch Zuschaltung des Heizelements
kompensiert werden. Ebenfalls möglich ist, einen Sollwert
für die thermische Leistung der Hybridanlage vorzugeben
und somit stets eine bestimmte Wärmemenge zur Verfügung
zu stellen. Das Vorgeben eines Sollwerts für die elektrische
oder die thermische Leistung ist im Bereich der Blockheizkraftwerke
bekannt, die entsprechend als wärmegeführte oder
stromgeführte Blockheizkraftwerke bezeichnet werden. Bei
diesen bekannten Anlagen können jedoch nicht unabhängig voneinander
Sollwerte für die elektrische und die thermische Leistung
vorgegeben werden. Erfindungsgemäß ist dies möglich,
weil die Bereitstellung der elektrischen Energie innerhalb gewisser
Grenzen von der Bereitstellung von Wärme entkoppelt ist.
Es ergeben sich damit neue Möglichkeiten für eine
bedarfsgerechte Steuerung der Hybridanlage.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung erfaßt die Steuerung
die elektrische Leistung des Generators der Gasturbine und/oder
die elektrische Leistung jedes der mindestens einen weiteren Energiewandler
und/oder die dem Wärmespeicher entnommene thermische Leistung.
Gegebenenfalls kann zusätzlich die in das Versorgungsnetz
eingespeiste elektrische Leistung erfaßt werden. Die Erfassung
der genannten Daten bildet die Grundlage für die Steuerung
der Gasturbine. Ebenfalls möglich ist eine Erfassung der
von einem Wechselrichter oder einem Transformator in das elektrische
Versorgungsnetz eingespeisten elektrischen Leistung und/oder der
von dem Energiespeicher aufgenommenen oder abgegebenen elektrischen
Leistung und/oder der von dem Heizelement aufgenommenen elektrischen Leistung.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung steuert die Steuerung die elektrische Leistung
eines der mindestens einen weiteren Energiewandler. Dadurch kann
zusätzlich zu der Steuerung der Gasturbine die von denn
weiteren Energiewandler bereitgestellte elektrische Leistung gezielt
beeinflußt werden. Dies ist beispielsweise bei entsprechend
steuerbaren Windenergieanlagen möglich, deren Leistung
z. B. im Interesse einer geringen Geräuschemission abgesenkt
werden kann. Je nach Standort der Windenergieanlage kann dies insbesondere
während der Nachtruhe vorteilhaft sein. Eine andere Motivation zur
Leistungsabsenkung kann sich aus einer geringen Nachfrage nach elektrischer
Energie ergeben. Ebenfalls vorgesehen ist, daß die Steuerung
die Leistung des Heizelements steuert. Dadurch kann gezielt eine
bestimmte elektrische Leistung in Wärme umgesetzt werden.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind der mindestens eine
weitere Energiewandler und/oder die Biogasanlage modular erweiterbar. Die
Erweiterung kann beispielsweise in der Ergänzung weiterer
Solarmodule, einer weiteren Windenergieanlage oder auch einer zusätzlichen
Gasturbine für die Biogasanlage bestehen. Dadurch kann
die Hybridanlage flexibel an eine sich verändernde Nachfrage
nach elektrischer und/oder thermischer Leistung angepaßt
werden. Bevorzugt ist die Hybridanlage bereits für die
Ergänzung weiterer Module vorbereitet, beispielsweise durch
entsprechende größere Dimensionierung elektrischer
Verbindungen.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist eine Gasaufbereitungsanlage
vorgesehen und aufbereitetes Biogas wird in ein Gasversorgungsnetz
eingespeist. Die Gasaufbereitungsanlage kann beispielsweise eine
Entschwefelung und Trocknung des erzeugten Biogases durchführen.
Das Gasversorgungsnetz kann ein Rohrleitungsnetz sein, an das eine
Vielzahl von Gasverbrauchern angeschlossen ist. Ebenfalls möglich
ist jedoch, daß das Biogas zunächst in einem Gastank
zwischengespeichert und per LKW oder Schiff an einen anderen Ort
verbracht wird, an dem das aufbereitete Biogas in ein Rohrleitungsnetz
eingespeist wird. Auf diese Weise wird das erzeugte und aufbereitete
Biogas ebenfalls einer Vielzahl von Verbrauchern zugänglich
gemacht. Dadurch kann auch eine größere Menge
an Biogas sinnvoll genutzt werden, als lokal benötigt wird.
Gerade bei größeren landwirtschaftlichen Betrieben
stehen häufig zu große Mengen an Biomasse zur
Verfügung, so daß das daraus erzeugbare Biogas
nicht vollständig für den landwirtschaftlichen
Betrieb verwertet werden kann.
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Gemäß einer
Ausgestaltung der Erfindung wird nur ein Teil des erzeugten Biogases
als Brennstoff für die Gasturbine eingesetzt, wobei der
Teil so bemessen ist, daß die von der Hybridanlage bereitgestellte
elektrische und/oder thermische Energie für den autonomen
Betrieb der Gasaufbereitungsanlage ausreicht. In dieser Ausgestaltung
dient die erfindungsgemäße Hybridanlage somit
vornehmlich der Erzeugung und Aufbereitung von Biogas zur Einspeisung
in ein Gasversorgungsnetz. Nur die für den Betrieb der
Gasaufbereitungsanlage benötigte Energie wird von der Hybridanlage
zur Verfügung gestellt. Je nach Anteil der von den weiteren
Energiewandlern bereitgestellten elektrischen Energie wird nur eine geringe
Menge des erzeugten Biogases als Brennstoff eingesetzt.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung der Erfindung stellt die Biogasanlage wesentlich
mehr Biogas bereit als zum autonomen Betrieb der Gasaufbereitungsanlage
erforderlich ist. Um die Menge des erzeugten Biogases zu steigern,
kann entweder der Fermenter wesentlich größer
dimensioniert werden, als zum Betrieb der Gasturbine erforderlich.
Ebenfalls möglich ist die Verwendung zusätzlicher
Fermenter, deren Biogas ausschließlich der Gasaufbereitungsanlage
zugeführt wird. Weiterhin kann die Menge des erzeugten
Biogases auch dadurch maßgeblich gesteigert werden, daß der
Biomasse ein energiereiches Co-Substrat, beispielsweise in Form
energiereicher Pflanzen wie Mais, zugesetzt wird.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird dem Gasversorgungsnetz
an beliebiger anderer Stelle Gas in Brennstoff- bzw. Wärmeäquivalent
zum eingespeisten Biogas entnommen und dort einer Gasturbine, einem
Verbrennungsmotor oder einer Gasentnahmestation zugeführt.
Dadurch kann die in dem eingespeisten Biogas enthaltene Energie durch
Entnahme einer energieäquivalenten Gasmenge aus dem Versorgungsnetz
an einem beliebigen anderen Ort verwertet werden.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von in Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen
näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine
erfindungsgemäße Hybridanlage in einer stark vereinfachten,
schematischen Darstellung,
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2 ein
vereinfachtes Blockdiagramm zur Steuerung der Hybridanlage aus 1,
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3 ein
weiteres vereinfachtes Blockdiagramm zur Steuerung einer weiteren
erfindungsgemäßen Hybridanlage.
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1 zeigt
eine Hybridanlage mit einem Fermenter 10, in dem aus Reststoffen
Biogas erzeugt wird, das sich im oberen Bereich 12 des
Fermenters 10 ansammelt. Über ein Rohrleitungssystem
gelangt das Biogas in einen Gastank 14. Weitere Aufbereitungsschritte
des Biogases, wie beispielsweise eine Entschwefelung, Verdichtung
oder Trocknung des Gases sind in der vereinfachten Darstellung der 1 nicht
dargestellt, können jedoch gleichwohl vorgesehen sein.
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Das
Biogas gelangt aus dem Gastank 14 in eine Mikrogasturbine 60,
die durch Verbrennung des Biogases angetrieben wird. Der ebenfalls
zur Mikrogasturbine 60 führende Pfeil 44 deutet
die Frischluftzufuhr für den Verbrennungsprozeß an.
Die Mikrogasturbine 60 ist über eine Welle mit
einem Generator 62 verbunden, der eine elektrische Leistung
von vorzugsweise 100 kW oder weniger bereitstellen kann.
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Die
von dem Generator 62 bereitgestellte elektrische Leistung
wird über eine Leitung 72 in ein Versorgungsnetz 76 eingespeist.
Das Versorgungsnetz 76 versorgt mehrere nicht dargestellte
elektrische Verbraucher und weist keine Verbindung zum Netz eines
Energieversorgungsunternehmens auf. Alternativ zu diesem sogenannten
Inselbetrieb des Versorgungsnetzes 76 kann die von der
Hybridanlage bereitgestellte elektrische Energie auch in ein öffentliches
Netz ein gespeist werden. Die beim Verbrennungsprozeß des
Biogases anfallenden Abgase werden von der Mikrogasturbine 60 über
eine Leitung 36 einem Wärmetauscher 26 zugeführt.
Im Wärmetauscher 26 wird die Wärme des
Abgases von dem Wärmemittel eines ersten Wärmemittelkreislaufs 28 aufgenommen.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel dient Wasser als Wärmemittel.
Die Abgase werden von einem Ausgang des Wärmetauschers 26 über eine
Auspuffanlage 38 in die Umgebungsluft abgegeben. Der erste
Wärmemittelkreislauf 28 transportiert die dem
Abgas entnommene Wärme in einen Wärmespeicher 82,
der im dargestellten Ausführungsbeispiel von einem Wassertank
gebildet wird.
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Über
eine Ventilanordnung 30 ist es möglich, den ersten
Wärmemittelkreislauf 28 mit einem Heizkreislauf 32 zu
verbinden, der einen im Inneren des Fermenters 10 befindlichen
zweiten Wärmetauscher 34 durchströmt.
Auf diese Weise kann die dem Abgas entnommene Wärme dem
Biogasproduktionsprozeß innerhalb des Fermenters 10 zugeführt
werden. Dabei wird die Ventilanlage 30 vorzugsweise so gesteuert,
daß sich in dem Fermenter 10 eine konstante Temperatur
einstellt, je nach verfahrenstechnischer Auslegung.
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Als
weitere Energiewandler verfügt die Hybridanlage der 1 über
eine Windenergieanlage 66 und eine Photovoltaikanlage 64.
Die Windenergieanlage 66 erzeugt einen elektrischen Wechselstrom, der
mit Hilfe eines Gleichrichters 16 in Gleichstrom umgewandelt
wird. Über den Gleichrichter 16 ist die Windenergieanlage
mit einem Gleichspannungskreis 18 verbunden. Die Photovoltaikanlage 64 stellt
unmittelbar eine Gleichspannung zur Verfügung, die ebenfalls
dem Gleichspannungskreis 18 zugeführt wird. Zur
Stabilisierung der Gleichspannung ist der Gleichspannungskreis 18 zusätzlich
mit einem Akkumulator 20 verbunden, der elektrische Energie
speichert. Die in dem Akkumulator 20 gespeicherte elektrische
Energie kann auch zum Anfahren der Hybridanlage nach einer Betriebspause
(Schwarzstart) genutzt werden. Der Gleichspannungskreis 18 ist über einen Wechselrichter 22 an
das Versorgungsnetz 76 angebunden. Über den „Umweg"
des Gleichspannungskreises 18 kann die elektrische Energie
der unterschiedlichen Energiewandler 64 und 66 über
einen gemeinsamen Wechselrichter 22 dem Versorgungsnetz 76 zugeführt
werden.
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Die
das Biogas führende Leitung vom Fementer 10 zum
Gastank 14 ist mit einer weiteren Ventilanordnung 40 versehen, über
die überschüssiges Biogas, das weder vom Gastank 14 aufgenommen noch
von der Mikrogasturbine 60 verwertet werden kann, einem
Fackelkopf 42 zugeführt, wo es verbrannt werden
kann. Durch das Abfackeln des Biogases, das im wesentlichen aus
Methan besteht, wird die Umweltverträglichkeit gegenüber
einem Freisetzen des Methans in die Atmosphäre deutlich
verbessert.
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Die
in dem Wärmespeicher 82 gespeicherte Wärme
kann nicht nur zum Beheizen des Fermenters 10 genutzt werden,
sondern auch über einen in der Zeichnung nur angedeuteten
zweiten Wärmemittelkreislauf 46 für sonstige
Zwecke. Beispielsweise kann auf diese Weise ein mit der Hybridanlage
ausgestatteter landwirtschaftlicher Betrieb mit ausreichend Wärmeenergie
versorgt werden, welche sowohl zum Heizen als auch – mit
einer geeigneten Kältemaschine – zum Kühlen
eingesetzt werden kann.
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Alternativ
kann benötigte Wärmeenergie auch über
einen weiteren Wärmetauscher 24 direkt dem ersten
Wärmemittelkreislauf 28 entnommen werden. Im Ausführungsbeispiel
dient diese Wärmeenergieentnahme zum Betrieb einer Kältemaschine zur
Klimatisierung von landwirtschaftlichen Betriebsräumen.
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Die
Leitung 72 zum Versorgungsnetz 76 ist über
eine elektrische Leitung 50 mit einem Heizelement 48 verbunden,
das in den Wärmespeicher 82 eingesetzt ist. Das
Heizelement 48 wird mit der elektrischen Energie der weiteren Energiewandler 64 und 66 betrieben.
Dadurch kann das in dem Wärmespeicher 82 befindliche
Wasser zusätzlich aufgeheizt werden. Von den weiteren Energiewandlern 64, 66 bereitgestellte
elektrische Energie kann somit auch dann verwertet werden, wenn
keine Nachfrage nach elektrischer Energie im Versorgungsnetz 46 besteht und
der elektrische Energiespeicher 20 bereits gefüllt ist.
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In
dem Blockdiagramm der 2 ist die Steuerung der Hybridanlage
aus 1 schematisch und stark vereinfacht dargestellt.
Der Generator 62 ist über eine elektrische Leitung 72 mit
einem Knotenpunkt 74 verbunden. Der Knotenpunkt 74 ist ebenfalls über
eine elektrische Leitung 70 mit der Photovoltaikanlage 64 und über
eine elektrische Leitung 68 mit der Windenergieanlage 66 verbunden. Die
elektrische Energie wird über den Knotenpunkt 74 in
das Versorgungsnetz 76 eingespeist. Ebenfalls schematisch
angedeutet ist der Wärmetransport von der Mikrogasturbine 60,
die mit Biogas 78 versorgt wird, durch eine Leitung 80 zu
dem Wärmespeicher 82, von dem aus ein Verbraucher 84 mit
thermischer Energie versorgt wird.
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Die
Steuerung 86 erfaßt über die gepunktet dargestellten
Verbindungen die folgenden Größen: Über
die Verbindung 88 die von der Photovoltaikanlage 64 bereitgestellte
elektrische Leistung, über die Verbindung 90 die
von dem Generator 62 bereitgestellte elektrische Leistung, über
die Leitung 92 die von der Windenergieanlage 66 bereitgestellte
elektrische Leistung und über die Leitung 94 die
insgesamt in das Versorgungsnetz 76 eingespeiste elektrische Leistung.
Die Steuerung 86 wertet die erfaßten Daten aus
und vergleicht die bereitgestellte elektrische Leistung mit einem
extern oder intern vorgegebenen Sollwert 98, der die in
dem Versorgungsnetz 76 nachgefragte elektrische Leistung
beschreibt. Stellt die Steuerung 86 eine Abweichung vom
Sollwert fest, wird über die gestrichelt dargestellte Steuerverbindung 102 ein
Steuerbefehl an die Mikrogasturbine 60 ausgegeben, deren
Leistung daraufhin so angepaßt wird, daß die insgesamt
bereitgestellte elektrische Leistung dem Sollwert 98 entspricht.
Auf diese Weise kann stets die geforderte elektrische Leistung bereitgestellt
werden, auch wenn die elektrische Leistung der Photovoltaikanlage 64 oder
der Windenergieanlage 66 in Folge externer Einflüsse
stark schwankt. Durch die genannte Art der Steuerung wird die elektrische
Leistung der weiteren Energiewandler 64 und 66 gegenüber
der Biogasanlage priorisiert, so daß eine Verbrennung des
Biogases nur in dem erforderlichen Umfang erfolgt.
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Eine
weitere Variante der Steuerung soll anhand der 3 erläutert
werden. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist eine
Windenergieanlage 66 als einziger weiterer Energiewandler
vorgesehen. Die mit den gleichen Bezugsziffern versehenen Elemente
entsprechen denjenigen der 2. Im Unterschied
zur 2 erhält die Steuerung 86 der 3 eine
zweite Sollwertvorgabe 100, welche die nachgefragte thermische
Leistung des oder der Verbraucher 84 beschreibt. Weiterhin
erhält die Steuerung 86 über die Verbindung 96 Informationen über
die dem Wärmespeicher 82 entnommene thermische
Leistung. Bei erhöhter Nachfrage nach thermischer Leistung kann
die Steuerung 86 die Leistung der Mikrogasturbine 60 entsprechend
erhöhen, so daß dem Wärmespeicher 82 eine
ausreichende Wärmemenge zugeführt wird. Sollte
sich dadurch die elektrische Leistung des Generators 62 über
das in dem Versorgungsnetz 76 nachgefragte Maß erhöhen,
kann die überschüssige elektrische Leistung gegebenenfalls über
ein entsprechendes Heizelement ebenfalls dem Wärmespeicher 82 zugeführt
werden. Alternativ hat die Steuerung 86 über die
Steuerleitung 102 die Möglichkeit, die bereitgestellte
elektrische Leistung durch eine Leistungsabsenkung der Windenergieanlage 66 zu
beeinflussen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102004046701
A1 [0004]
- - DE 20220621 U1 [0010]