DE102009010834A1

DE102009010834A1 - Mikro-Kraftwärmekopplungsanlage

Info

Publication number: DE102009010834A1
Application number: DE102009010834A
Authority: DE
Inventors: Hartwig Dr. Schwieger
Original assignee: PIPER ERIK JOHN WILLIAM
Current assignee: PIPER ERIK JOHN WILLIAM
Priority date: 2009-02-28
Filing date: 2009-02-28
Publication date: 2010-09-09

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Mikro-Kraftwärmekopplungsanlage zur Energieversorgung eines Gebäudes mit Wärme und elektrischem Strom mit einem Verbrennungsmotor (8), mit einem in einem wärmegedämmten Speicher-Gehäuse (3) angeordneten Wärmespeicher (1) und mit wenigstens einem elektrischen Gleichstromgenerator zur Stromerzeugung und/oder einem Wechselspannungsgenerator mit Gleichrichter zur Erzeugung speicherbarer Gleichspannung. Im Speicher-Gehäuse (3) ist eine Ansaugöffnung (28) ausgebildet, über die dem Verbrennungsmotor (8) Ansaugluft zugeführt wird, die vor Eintritt in den Verbrennungsmotor über und durch den im Speicher-Gehäuse angeordneten Generator (23) geführt wird und dabei die Abwärme des Generators aufnimmt, wobei der Generator in einem einen einfachen Bauraum bildenden Schacht (26) angeordnet ist, der sich innerhalb des wärmegedämmten Speicher-Gehäuses (3) befindet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Mikro-Kraftwärmekopplungsanlage gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.
Kraftwärmekopplungsanlagen sind an sich bekannt. Sie verbrennen Brennstoffe im Gegensatz zu Heizungen zu Wärme und Strom. Solche Kraftwärmekopplungsanlagen weisen in der Regel einen Verbrennungsmotor (nachfolgend Motor) und einen Generator auf, welcher vom Motor angetrieben wird und elektrische Energie erzeugt. Die bei diesem Prozess gleichzeitig abgegebene Wärme des Motors wird genutzt und direkt in das Wärmenetz eines Gebäudes eingespeist. Die Abgabe von ungenutzter Abwärme an die Umgebung wird durch solche Anlagen weitestgehend vermieden, da sie dezentral, das heißt direkt beim Verbraucher eingesetzt werden, womit eine direkte Wärmenutzung möglich ist. Bei Kraftwärmekopplungsanlagen wird durch die gleichzeitige Abgabe von Strom und Wärme ein sehr hoher Nutzungsgrad erreicht, insbesondere im Vergleich mit der herkömmlichen Energieerzeugung im Kraftwerk, ohne Nutzung der dort anfallenden Wärmeenergie. Solche Anlagen nutzen somit Brennstoffe sehr effizient und damit umweltschonend.
Es sind Mikro-Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen bekannt, die das unterste Leistungssegment der Kraftwärmekopplung abdecken. Sie sind vor allem für den gebäudeintegrierten Einsatz bei Ein- und Mehrfamilienhäusern und für Kleinbetriebe geeignet. Die Anlagen werden überwiegend objektorientiert installiert.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Mikro-Kraft-Wärmekopplungs-Anlage so weiter zu bilden, dass eine optimale Nut zung möglichst sämtlicher Abwärmeströme erreicht wird und damit ein optimaler Wirkungsgrad und ein geringer Kraftstoffverbrauch erzielt wird.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen der Aufgabenlösung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Erfindungsgemäß ist die Mikro-Kraftwärmekopplungsanlage (Mikro KWK-Anlage) aufgebaut aus einem Verbrennungsmotor, der weitgehend in ein Gehäuse integriert ist, welches vorzugsweise als wärmegedämmter Warmwasserspeicher ausgeführt ist und in dem ein vorzugsweise axial zur Kurbelwelle des Motors angeordneter Generator innerhalb eines schachtähnlichen Bauraumes des Gehäuses oder des Warmwasserspeichers angeordnet ist, wobei die kalte Ansaugluft des Motors definiert zur Kühlung des Generators in der sonst heißen (bis 100°C) Umgebung eingesetzt wird.
Durch die Integration des Generators in das Speichergehäuse nebst Wärmedämmung sowie die Führung der Ansaugluft des Verbrennungsmotors über und vorzugsweise durch den Generator zur Aufnahme der Generatorverlustwärme und zu dessen Kühlung, verbleibt diese Wärme im System. Insbesondere, wenn die Wärmeverluste am Ausgang, d. h. am Abgassystem der insgesamt wärmegedämmten, also abgeschlossenen Mikro-KWK-Anlage durch einen Abgaswärmetauscher auf einem (niedrigen) Temperaturniveau limitiert werden, kommt es zu dem gewünschten Effekt, die Verlustwärme des Generators zusätzlich zu der des Motors als Heizwärme zu gewinnen.
Durch den hohen Volumenstrom der Motor-Ansaugluft kann zudem auch die normalerweise mit mechanischen Verlusten behaftete eigene Ventilierung/Lüftung des Generators, d. h. der Durchmesser des Lüfterrades, minimiert werden. Durch die erfindungsgemäße Aufgabenlösung werden die sonst vorhandenen thermischen Verluste auf ein Minimum reduziert und der Wirkungsgrad wesentlich erhöht. Dies ist erreichbar mittels eines vergleichsweise einfachen luftgekühlten Generators. Ein teurerer, wassergekühlter Generator muss nicht eingesetzt werden, zumal dieser bei dem zeitweise hohen Wasser- und Luft-Temperaturniveau eine nur mangelhafte Kühlung erfahren würde.
Durch die erfindungsgemäße Ausbildung des Gehäuses in Form eines rechteckigen, runden oder anderweitig definierten Schachtes, in dem sich der luftgekühlte Generator befindet und eine elastische umlaufende Abdichtung des Generators bzw. der Generatorbefestigungskonsole gegenüber diesem Schacht wird sowohl eine definierte Führung der kalten Ansaugluft durch den Generator oder entlang seiner Oberfläche, als auch eine zusätzliche Schalldämmung erreicht. Die umlaufende Abdichtung gleicht dabei die Schwingungen des am Motor montierten und mit diesem schwingenden Generators aus.
Der vorgesehene Abgaswärmetauscher am Speicher-Gehäuse, innerhalb der Dämmmaterial-Auskleidung, kann die thermischen Systemverluste durch den Abgasstrom wesentlich minimieren, insbesondere, wenn er eine Auslegung auf unter 100°C Abgastemperatur aufweist (sogenannte Brennwerttechnik).
Zum Einsatz können sowohl Gleichstrom- als auch Wechselstrom Generatoren kommen, die je nach Nutzung unterschiedliche Vorteile bieten.
Zur Speicherung der elektrischen Energie ist ein integrierter oder externer elektrischer Energiespeicher vorgesehen, so dass nicht nur die thermische Energie sondern auch die elektrische Energie der Anlage gespeichert werden kann. Hier ist die Verwendung eines Gleichstromgenerators, oder die Verwendung eines Wechselstromgenerators mit Gleichrichter vorgesehen.
Mit einem elektronischen Umrichter, der beispielsweise in die Anlage integriert sein kann, ist es möglich eine Umwandlung der Gleichspannung in eine bedarfsgerechte, ein- oder mehrphasige Wechselspannung von 110/120/230/400 Volt vorzunehmen.
Gemäß einer anderen Weiterbildung der Erfindung ist es vorgesehen, den elektrischen Energiespeicher, beispielsweise einen Akku, mit der Ansaugluft des Verbrennungsmotors zu umlüften, womit erreicht wird, dass die Verluste des Energiespeichers (Akkus) im System der Anlage bleiben. Die Abwärme des elektrischen Energiespeichers und ggf. auch kleine Mengen entstehenden Knallgases werden vom Verbrennungsmotor bzw. Abgaswärmetauscher energetisch verwertet. Der Akku ist dazu vorteilhaft in das Gehäuse integriert oder besitzt eine eigene Einhausung mit einem Anschluss durch z. B. einen Luftschlauch.
Gemäß einer anderen vorteilhaften weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist eine elektrische Steuereinrichtung zum Einschalten des Verbrennungsmotors, ggf. auch Regelung von Motor und Generator, in Abhängigkeit von der Energieentnahme durch die Verbraucher und das Temperaturniveau im Wärmespeicher vorgesehen. Hierdurch ist der Gesamtwirkungsgrad weiter optimierbar.
Die Integration sämtlicher Systemkomponenten der Gebäudeheizung hat den Vorteil, dass diese nicht extern montiert zu werden brauchen.
Erfindungsgemäß ist gemäß einer Weiterbildung vorgesehen, die Abgasleitungen im Inneren des Speicher-Gehäuses zu führen. Dies hat den Vorteil, dass bei Undichtigkeiten das Abgas im Motorraum verbleibt und somit quasi mit verbrannt wird, wodurch die Sicherheit der Anlage wesentlich erhöht wird. Im Falle eines kompletten Bruchs der Abgasleitung „erstickt” der Motor an seinen Abgasen.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung, die ein Ausführungsbeispiel zeigt, näher erläutert werden.
Die Zeichnung zeigt eine Mikro-Kraft-Wärmekopplungsanlage zur Energieversorgung bspw. eines Gebäudes mit elektrischem Strom mit einem Verbrennungsmotor 8 zum Antrieb eines Generators 23, der ein elektrischer Gleichstromgenerator zur Stromerzeugung und/oder ein Wechselspannungsgenerator, vorzugsweise mit einem zusätzlichen Gleichrichter zur Erzeugung speicherbarer Gleichspannungen sein kann.
Der Verbrennungsmotor 8 und der Generator 23 befinden sich in einem wärmegedämmten Speicher-Gehäuse 3 mit Wärmespeicher 1, in dem sich ein Speichermedium 2 befindet. Das Speichergehäuse ist durch eine(n) weitgehend Luft- und wärmegedämmte(n), umlaufend gedichtete(n) Klappe, Haube oder Deckel verschließbar.
Der Generator 23 ist in einem Schacht 26 angeordnet, der sich innerhalb des wärmegedämmten Speicher-Gehäuses 3 befindet.
Im Speicher-Gehäuse 3 ist eine Ansaugöffnung 28 ausgebildet, über die dem Verbrennungsmotor 8 Ansaugluft zugeführt wird, die vor Eintritt in den Verbrennungsmotor über und durch entsprechende Öffnungen des Generator 23 geführt wird und dabei die Abwärme des Generators aufnimmt.
Der Schacht 26 wird durch einen im Speicher-Gehäuse 3, nahe der Ansaugöffnung 28 ausgebildeten Bauraum mit geometrisch einfachem Querschnitt gebildet, beispielsweise mit rechteckförmigem Querschnitt. In diesem Schacht 26 ist der Generator 23 direkt oder auf einer Haltekonsole, z. B. Blechkonsole 29 montiert.
Der Generator 23 und/oder die Konsole 29 sind mit einer umlaufenden, elastischen Dichtung 7 gegenüber dem Schacht 26 abgedichtet. Durch diese Ausbildung wird eine sehr gute, weitgehend interne Kühlung des Generators 23 durch die kalte Ansaugluft des Verbrennungsmotors 8 in der sonst bis über 100°C heißen Umgebung erzielt.
Das Speicher-Gehäuse 3 ist mit einem Dämmmaterial 5 ausgekleidet und ist vorzugsweise mit wesentlichen Teilen oberhalb des Motors (8) oder des Motorraumes angeordnet und/oder umgibt den Motor 8 mindestens teilweise. Durch die erfindungsgemäße Ausbildung verbleibt die Abwärme im System und die verlustbehaftete eigene Ventilierung bzw. Lüftung des Generators (23) kann minimiert werden. Durch verschiedenen Abdichtungen gegenüber dem Speichergehäuse (3) wird sowohl eine definierte Ansaugluftführung durch den Generator (23) als auch eine zusätzliche Schalldämmung erreicht.
Am Speicher-Gehäuse 3 innerhalb der Dämmmaterialauskleidung 5 ist ein Abgaswärmeaustauscher 13 angeordnet, durch den die Abgase des Verbrennungsmotors 8 geführt werden. Hierdurch werden die thermischen Systemverluste durch den Abgasstrom auf niedrigem Niveau gehalten.
Zur Speicherung der elektrischen Energie ist ein integrierter oder externer elektrischer Energiespeicher, bspw. ein Akku (nicht dargestellt) vorgesehen. Dieser integrierte oder extern angeordnete elektrische Energiespeicher ist direkt oder durch eine Schlauch- und/oder Rohrleitung mit dem Verbrennungsmotor-Ansaugsystem zur Umlüftung des Energiespeichers mit der Ansaugluft des Verbrennungsmotors (8) verbunden.
Zur Umwandlung der durch den Generator (23) erzeugten Gleichspannung in eine bedarfsgerechte, ein- oder mehrphasige Wechselspannung (110/120/230/400 Volt) oder zur Umwandlung von Wechselspannungen unterschiedlicher Frequenz und Spannung ist ein elektronischer Umrichter (nicht dargestellt) vorgesehen.
Es sind Sensoren für die Erfassung der Spannung des Energiespeichers, des nutzungsabhängigen Entnahmestromes und der Speichertemperatur vorgesehen, deren Ausgangssignale einer elektrischen Steuereinrichtung (nicht dargestellt) zugeführt sind, die das Einschalten des Verbrennungsmotors 8 in Abhängigkeit von den Sensorsignalen steuert, derart, dass der Verbrennungsmotor 8 eingeschaltet wird, wenn der Wärmespeicher (1) und/oder der elektrische Energiespeicher entleert sind und/oder wenn stoßweise großer Strombedarf besteht. Ein solcher hoher Strombedarf wird damit nicht aus dem verlustbehafteten Akku gedeckt, sondern über das Einschalten des Verbrennungsmotors (8), der den Generator (23) antreibt. Hierdurch wird der Gesamtwirkungsgrad der elektrischen Stromversorgung optimiert.
Die Steuereinrichtung kann drahtlos oder kabelgeführt fernsteuerbar ausgebildet sein.
Zur weiteren Optimierung der Mikro-Kraftwärmekopplungsanlage können Systemkomponenten der Gebäudeheizung, wie Warmwasserbereitung, Umwälzpumpen, Druckausgleichsbehälter, Luftfilter, die Sicherheitstechnik und Ventile in die Anlage integriert werden, so dass diese nicht extern montiert zu werden brauchen.
Zur Lärmdämmung ist eine weitgehend elastische Aufhängung der lärmbehafteten Komponenten innerhalb des Systems der Anlage vorgesehen. Der Motor 8 kann hierzu, wie dargestellt, mittels Schwingungsdämpfern 16 auf einer mittels weiterer Schwingungsdämpfer 16 im Wärmespeicher 1 gelagerten Tragplatte 15 angeordnet sein. Zu dieser innovativen Schwingungsdämpfung liegt bereits eine Patentanmeldung des gleichen Anmelders vor. Das Speicher-Gehäuse ist ergänzend mit elastischen Speicher-Gehäusefüßen als weitere Maßnahme zur Schall- und Schwingungsdämpfung ausgerüstet.
Der Motor 8 und der Generator 23 können überdies durch elastische, schwingungsisolierende Halte- und Kupplungselemente 24 miteinander ver bunden sein, wodurch ebenfalls eine weitere Schalldämmung und ein schonender, Betrieb der Generatorlagerung erreicht wird.
In vorteilhafter Weise sind die Abgasleitungen 12 des Verbrennungsmotors 8 im Inneren des Speicher-Gehäuses 3 geführt. Dies hat den Vorteil, dass bei Undichtigkeiten das Abgas im Motorraum verbleibt und sozusagen mit verbrannt wird, was unter dem Gesichtspunkt der Sicherheit von Bedeutung ist.
Mit dem Bezugszeichen 11 sind Kühlmittelschläuche, mit 6 ein Speicher-Gehäusedeckel oder eine Speicher-Gehäuseklappe, mit 22 ein Heißwasser-Wärmeaustauscher, mit 14 eine Abgasanschluß, mit 27 ein Luftfilter, mit 25 ein Motorschwungrad und mit 21 eine Ölstands-Meß- oder -anzeigeeinrichtung bezeichnet.

Claims

Mikro-Kraftwärmekopplungsanlage zur Energieversorgung bspw. eines Gebäudes mit Wärme und elektrischem Strom mit einem Verbrennungsmotor (8), mit einem in einem wärmegedämmten Speicher-Gehäuse (3) angeordneten Wärmespeicher (1) und mit wenigstens einem elektrischen Generator (23), dadurch gekennzeichnet, dass im Speicher-Gehäuse (3) eine Ansaugöffnung (28) ausgebildet ist, über die dem Verbrennungsmotor (8) Ansaugluft zugeführt wird, die vor Eintritt in den Verbrennungsmotor über und durch den im Speicher-Gehäuse angeordneten Generator (23) geführt wird und dabei die Abwärme des Generators aufnimmt, wobei der Generator (23) in einem Schacht (26) angeordnet ist, der sich innerhalb des wärmegedämmten Speicher-Gehäuses befindet.
Mikro-Kraftwärmekopplungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator (23) ein Gleichstromgenerator zur Stromerzeugung und/oder ein Wechselspannungsgenerator, vorzugsweise mit einem zusätzlichen Gleichrichter zur Erzeugung speicherbarer Gleichspannung ist.
Mikro-Kraftwärmekopplungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Speicher-Gehäuse (3) mit einem Dämmmaterial (5) ausgekleidet ist und den Motor (8) wenigstens teilweise umgibt.
Mikro-Kraftwärmekopplungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schacht (26) durch einen im Speicher-Gehäuse (3), nahe der Ansaugöffnung (28) ausgebildeten Bauraum mit geometrisch einfachem Querschnitt gebildet ist.
Mikro-Kraftwärmekopplungsanlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt rechteckig ist.
Mikro-Kraftwärmekopplungsanlage nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Speicher-Gehäuse (3) mit wesentlichen Teilen oberhalb des Motors (3) oder des Motorraumes angeordnet ist und/oder den Motor wenigstens teilweise umgibt.
Mikro-Kraftwärmekopplungsanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator (23) innerhalb des Schachtes (26) auf einer Konsole (29) befestigt ist und dass der Generator und/oder die Konsole mit einer umlaufenden, elastischen Dichtung gegenüber dem Schacht abgedichtet sind/ist.
Mikro-Kraftwärmekopplungsanlage nach Anspruch 1,2 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator (23) und/oder die Konsole (29) mit einer umlaufenden, elastischen Dichtung (7, 30) gegenüber dem Speicher-Gehäuse (3) abgedichtet sind/ist.
Mikro-Kraftwärmekopplungsanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abgaswärmeaustauscher (13) vorgesehen ist, durch den die Abgase des Verbrennungsmotors (8) geführt werden.
Mikro-Kraftwärmekopplungsanlage nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgaswärmetauscher (13) am Speicher-Gehäuse (3) innerhalb der Dämmmaterialauskleidung (5) angeordnet ist.
Mikro-Kraftwärmekopplungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein integrierter oder externer elektrischer Energiespeicher (Akku) zur Speicherung der elektrischen Energie, wie auch zur Versorgung eines Anlassers, vorgesehen ist.
Mikro-Kraftwärmekopplungsanlage nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der integrierte oder extern angeordnete elektrische Energiespeicher direkt oder durch eine Schlauch- und/oder eine Rohrleitung mit dem Verbrennungsmotor-Ansaugsystem verbunden ist zur Umlüftung des Energiespeichers mit der Ansaugluft des Verbrennungsmotors.
Mikro-Kraftwärmekopplungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein elektronischer Umrichter vorgesehen ist zur Umwandlung der Gleichspannung in eine bedarfsgerechte, ein- oder mehrphasige Wechselspannung oder alternativ zur Umrichtung von Wechselspannungen.
Mikro-Kraftwärmekopplungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine elektrische Steuereinrichtung und Sensoren für die Erfassung der Spannung des Energiespeichers, des nutzungsabhängigen Entnahmestromes und der Speichertemperatur vorgesehen sind, wobei die elektrische Steuereinrichtung das Einschalten des Verbrennungsmotors in Abhängigkeit von den Sensorausgangssignalen steuert, derart, dass der Verbrennungsmotor (23) eingeschaltet wird, wenn der Wärmespeicher und/oder der elektrische Energiespeicher entleert sind und/oder wenn stoßweise großer Strombedarf besteht.
Mikro-Kraftwärmekopplungsanlage nach Anspruch 1 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung drahtlos oder kabelgeführt fernsteuerbar ist.
Mikro-Kraftwärmekopplungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in die Anlage Systemkomponenten der Gebäudeheizung, wie Warmwasserbereitung, Umwälzpumpe, Druckausgleichsbehälter, Luftfilter, Sicherheitstechnik und Sicherheitsventile etc. integriert sind.
Mikro-Kraftwärmekopplungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für lärmbehaftete Komponenten innerhalb der Anlage Schwingungs-Dämpfungssysteme oder elastische Aufhängungen vorgesehen sind.
Mikro-Kraftwärmekopplungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor (8) und der Generator (23) durch elastische, schwingungsisolierende Halte- und/oder Kupplungselemente (24) miteinander verbunden sind.
Mikro-Kraftwärmekopplungsanlage nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasleitungen (12) weitestgehend im Inneren des Speicher-Gehäuses (3) geführt sind.
Mikro-Kraftwärmekopplungsanlage nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse 3 durch eine(n) weitgehend Luft- und wärmeisolierte Haube oder Klappe oder Deckel verschließbar ist.