DE102009049742B4

DE102009049742B4 - Kraft-Wärme-gekoppelte Einrichtung

Info

Publication number: DE102009049742B4
Application number: DE102009049742A
Authority: DE
Inventors: Patentinhaber gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-10-17
Filing date: 2009-10-17
Publication date: 2012-04-19
Anticipated expiration: 2029-10-18
Also published as: EP2488729A2; DE102009049742A1; WO2011044895A3; WO2011044895A2; US20120211998A1; US8729719B2

Abstract

Kraft-Wärme-gekoppelte Einrichtung zur Versorgung von Gebäuden und Einrichtungen mit thermischer und elektrischer Energie unter Verwendung fossiler Primärenergie und/oder regenerativer Energie, bestehend aus einer gegebenenfalls luftgekühlten Brennkraftmaschine (1) und einem an diese gekoppelten, vorzugsweise luftgekühlten Generator (2), die in einer geschlossenen, wärme- und schallisolierten Einhausung (12) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Einhausung (12) permanent mit einem gesteuerten, gegenüber dem Druck p1 der freien Atmosphäre reduzierten Innendruck p2 beaufschlagt ist und der reduzierte Innendruck p2 durch eine teilweise Abgasrückführung (4) und die Menge an zugeführter Frischluft zum Betrieb der Brennkraftmaschine (1) gesteuert wird, wobei die Frischluft über einen zusätzlichen, extern an der Einhausung (12) angeordneten Strömungswiderstand (6) zugeführt wird. ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kraft-Wärme- gekoppelte Einrichtung, basierend auf der Technologie eines Motor-Block-Heiz-Kraftwerkes zur thermischen und elektrischen Energieversorgung von Gebäuden und Einrichtungen unter Verwendung fossiler und oder regenerativer Primärenergie.
Blockheizkraftwerksanlagen (nachfolgend BHKW genannt) der eingangs genannten Art sind in unterschiedlichen Ausführungsvarianten beispielsweise aus den nachfolgend aufgeführten Druckschriften
DE 33 33 828 A1
DE 25 00 641 C2
DE 31 16 624 C2
DE 4 203 491 A1
DE 3 044 666 A1
bekannt. Diese Anlagen basieren auf Brennkraftmaschinen, die an Elektrogeneratoren gekoppelt sind und in Einhausungen betrieben werden, welche praktisch mit der sie umgebenden Atmosphäre kommunizieren und sich somit im Inneren auf dem atmosphärischen Druckniveau befinden.
Diese Einhausungen dienen dabei vorrangig zur Wärme- und Schallisolation des BHKW, um einen möglichst hohen Ausnutzungsgrad der eingesetzten Primärenergie und der Abwärme bei gleichzeitig möglichst geringer Schallemission zu erreichen.
Eine besonders effiziente Lösung für eine wärme- und schallisolierende Einhausung eines BHKW ist ferner aus der DE 101 51 121 B4 bekannt. Abweichend von den bereits allgemein bekannten Lösungen ist hier neben der Wärme- und Schallisolierung ein luftdichtes und gegen Überdruck beständiges Gehäuse vorgesehen. Dieses Gehäuse wird dann unter Nutzung des Generatorlüfterrades bzw. eines zusätzlichen Lüfters/Verdichters ständig mit einem erhöhten Innendruck beaufschlagt. Infolge der luftdichten Einhausung kann keine warme Innenluft aus der Einhausung entweichen. Damit können die thermischen Verluste in Verbindung mit der Wärmedämmung minimiert werden. Der Nachteil dieser Lösung besteht jedoch darin, dass infolge der erfindungsgemäßen Innendruckanhebung eine absolute Luftdichtheit des Gehäuses erreicht werden muss, da sonst permanent warme Innenluft in die umgebende Atmosphäre entweichen kann und somit zusätzliche thermische Verluste entstehen.
Für die Fertigung eines solchen luftdichten und überdruckbeständigen Gehäuses einschließlich der erforderlichen Rohrleitungsdurchführungen für die Primärenergie, Kühlwasservor- und -ücklaufleitungen, Abgasleitung, Elektrokabel und Steuerkabel bedeutet das einen hohen technologischen Aufwand, verbunden mit den entsprechenden Fertigungskosten.
Zum Stand der Technik gehört weiterhin ein aus der JP 11 200 951 A bekanntes Kraft-Wärme-Kopplungssystem mit einem schalldichten Gehäuse, in dem mithilfe eines zur Kühlung vorgesehenen Gebläses ein Unterdruck erzeugt wird. Bei einer in der US 4 736 111 A beschriebenen Einrichtung zur Kraft-Wärme-Kopplung ist das zur Schallisolierung vorgesehene Gehäuse mit Luft unter Vakuum oder mit einem inerten Gas von geringer Wärmeleitfähigkeit gefüllt, wobei der Innendruck zur Feststellung eines Druckabfalls überwacht wird.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zu Grunde, eine weiter verbesserte Einhausung für ein BHKW mit einer wirksameren wärme- und schallisolierenden Wirkung anzugeben, die eine bestmögliche Nutzung der eingesetzten Primärenergie und eine noch effizientere Ausnutzung der Abwärme des Verbrennungsmotors und des Generators sicherstellt und dabei mit minimalen Investitionen und Betriebskosten auskommt.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Einhausung nach den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 bis 7.
Das Kernstück der Erfindung ist ein BHKW, welches von einem wärme- und schallisolierenden sowie hermetisch gut, aber nicht notwendigerweise vollständig dichten Gehäuse umschlossen ist. Die erfindungsgemäße Lösung unterscheidet sich somit von bisher bekannten Einhausungen, insbesondere von der DE 101 51 121 B4 , u. a. dadurch, dass sie im Betriebszustand mit einem gegenüber der Umgebung relativ geringfügigen Unterdruck im Inneren der Einhausung arbeitet. Diese Betriebsart gewährleistet, dass die das BHKW umgebende Einhausung nicht zu 100% luftdicht und gleichzeitig gegen einen im Inneren herrschenden Überdruck stabil und beständig ausgeführt werden muss.
Erreicht wird die erfindungsgemäße Umsetzung, indem das BHKW respektive die Einhausung vorzugsweise in zylindrischer Form ausgeführt ist, wodurch eine einfache Fertigung bei gleichzeitiger effizienter Unterdruckbeständigkeit gewährleistet wird.
Wichtig dabei ist, dass das Gehäuse über eine Luftzuführungsöffnung mit einem integrierten Strömungswiderstand verfügt. Über diese vorzugsweise regulierbare Zuluftöffnung gelangt der Hauptanteil der für die Brennkraftmaschine notwendigen Verbrennungsluft in die Einhausung. Mit dieser Frischluft wird gleichzeitig der Generator gekühlt.
Da der Verbrennungsmotor grundsätzlich als Saugmotor arbeitet, kann der Strömungswiderstand, der beispielsweise als eine variable externe Drosselklappe ausgeführt ist, zur Einstellung und Regulierung des Unterdruckes im Gehäuse genutzt werden. Da die Einhausung resp. das Gehäuse erfindungsgemäß immer mit einem Unterdruck beaufschlagt ist, strömt somit keine warme Luft nach außen ab. Auf diese Weise können auch keine Wärmeverluste durch ungewollten Warmlufttransport nach außen entstehen.
Im Zusammenwirken der allgemein üblichen Motordrosselklappe des Vergasers mit dem zusätzlich vorgesehenen variablen Strömungswiderstand kann der jeweils gewünschte Unterdruck in der Einhausung genau eingestellt werden. Mittels der Einstellmöglichkeit des Verhältnisses des inneren Saugdruckes des Motors (Zylinderinnendruck während des Ansaugtaktes) zum Unterdruck im Gehäuse kann neben der Leistungssteuerung des Motors ebenfalls der Lambda-Wert als Gütemaß der Verbrennung sehr gut geregelt werden. Aufgrund des gegenüber dem Motorhubraum großen Volumens der Einhausung wirkt diese als Speicher und in Verbindung mit dem variablen Strömungswiderstand als Dämpfungsglied und verbessert damit die Regelergebnisse bezogen auf den Lambda-Wert nachhaltig.
Eine weitere vorteilhafte und effiziente Möglichkeit zur Steuerung der Unterdruckverhältnisse in der Einhausung und damit der Leistung der Brennkraftmaschine bei gleichzeitiger Verbesserung der Abgasqualität besteht weiterhin darin, zusätzlich eine Abgasrückführung unmittelbar hinter der Vergaserdrosselklappe und vor dem Motoreinlassventil anzuschließen. Mittels der extern angeordneten Drosselklappe der Einhausung, die nun praktisch als ausgelagerte Motordrosselklappe wirkt, kann im Zusammenspiel mit der Abgasrückführung die Absenkung des Innendruckes im Gehäuse für die gewünschte Regelung der Leistung der Brennkraftmaschine gezielt eingesetzt werden. Gleichzeitig wird dadurch der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine insbesondere im Teillastbetrieb erhöht und eine deutliche Reduzierung der CO-, HC- und NO_x-Werte bzw. der Rußbildung erreicht. Außerdem können auf diese Weise die Anforderungen an die mechanische Festigkeit der Einhausung gegenüber einem zu hohen inneren Unterdruck/Vakuum entscheidend reduziert werden.
Indem man die Brennkraftmaschine mit einem robusten und preisgünstigen Asynchrongenerator koppelt und an das erfindungsgemäß eingehauste BHKW zusätzlich einen netzparallelen und rückspeisefähigen Frequenzumrichter anschließt, lässt sich in Erweiterung zur Leistungssteuerung mittels Drosselklappe die Drehzahl des BHKW über den Frequenzumrichter regeln. Das führt letztlich zu einer wesentlich größeren Leistungsbandbreite gegenüber dem reinen Drosselbetrieb. Im Ergebnis entsteht ein hoch effizientes, in weiten Bereichen leistungsmodulierendes und durch die Abgasrückführung besonders schadstoffarmes BHKW. Ein weiterer Vorteil des Frequenzumrichters besteht darin, dass eine optimale Netzanpassung des Asynchrongenerators über die cos phi-Einstellbarkeit ermöglich wird. Damit kann die erfindungsgemäße BHKW-Anlage überall dort eingesetzt werden, wo gegenwärtig noch konventionelle Gas-, Öl- oder Feststoffheizungen installiert sind. Die erfindungsgemäße Lösung verringert die einzusetzende Menge an Primärenergie zur Erzeugung von Wärme und Strom nachhaltig und leistet damit einen wesentlichen Beitrag zur CO₂-Einsparung.
Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Die dazugehörige Zeichnung zeigt die schematische Darstellung der vorschlagsgemäßen Kraft-Wärme-gekoppelten Einrichtung.
Mittels dem Vergaser 15 und der Motordrosselklappe 5 werden der Brennkraftmaschine 1 die Primärenergie und die vorgewärmte Verbrennungsluft 8 in bekannter Weise zugeführt. Die Brennkraftmaschine kann dabei als Gas-, Benzin- oder Dieselmotor bzw. als Turbine ausgeführt sein. Der Einsatz einer Brennstoffzelle ist ebenfalls möglich.
Die Brennkraftmaschine 1 und der Generator 2 sind dabei in einer wärme- und schallisolierenden, aber nach außen hin nicht vollständig luftdicht abgeschlossenen Einhausung 12 angeordnet. Über die externe Drosselklappe 6, die Teil der Einhausung 12 ist, wird die zum Betrieb der Brennkraftmaschine notwendige Frischluft von außen zugeführt und gelangt über den Frischluftkanal 9, nachdem diese den Elektrogenerator 2 gekühlt hat, als vorgewärmte Ansaugluft 8 zum Vergaser 15.
Indem die zugeführte Menge an Frischluft mit Hilfe der externen Drosselklappe 6 reguliert wird, entsteht – bedingt durch den Saugeffektes des Verbrennungsmotors 1 – in der Einhausung 12 ein gegenüber der freien Atmosphäre p₁ reduzierter Innendruck p₂, wobei die Höhe dieses reduzierten Innendruckes mit Hilfe der externen Drosselklappe 6 gezielt beeinflusst und gesteuert wird. Durch den in der Einhausung 12 während des Betriebes permanent herrschenden reduzierten Innendruck p₂ kann die warme Innenluft nicht nach außen dringen, sondern vielmehr für eine effiziente Wärmerückgewinnung genutzt werden. Strömungsbedingte Wärmeverluste sind somit ausgeschlossen.
Neben der externen Drosselklappe 6 wird die Steuerung des reduzierten Innendruckes in der Einhausung 12 ferner über eine Abgasrückführung 4 realisiert, die an den Ansaugkanal der Brennkraftmaschine 1 angeschlossen ist. Dadurch wird gleichzeitig eine Reduzierung der Abgasschadstoffe und eine Verbesserung des Teillastwirkungsgrades der Brennkraftmaschine 1 erreicht.
Der Generator 2 ist über einen rückspeisefähigen Frequenzumrichter 10 und den Elektroenergiezähler 11 mit dem Hausnetz und dem öffentlichen Versorgungsnetz verbunden. Mittels Frequenzumrichter wird der vorzugsweise als Asynchronmaschine ausgeführte Generator auch zum Starten des BHKW genutzt.
Die durch die abgestrahlte Wärme der Brennkraftmaschine 1 erwärmte Luft wird vom Lüfterrad der Brennkraftmaschine 1 durch den Luft-Wasser-Kühler 13 im Kreislauf gefördert und dabei rückgekühlt, wodurch eine Überhitzung im Innern der Einhausung und damit die Abschaltung des BHKW verhindert wird.
Die heißen Verbrennungsabgase der Brennkraftmaschine 1 werden in bekannter Weise einem Brennwertkühler 3 zugeführt. Die dann stark abgekühlten Abgase gelangen mittels Auspuff ins Freie, wobei ein geringer Teil dieser Abgase mittels der Abgasrückführung 4 dem Gasluftgemisch nach der motorinternen Drosselklappe 5 zwecks Anhebung des Zylindersaugdruckes dosiert zugeführt wird. Bei Dieselmotoren wird das rückgeführte Abgas der Ansaugluft direkt zugemischt.
Zur Kühlung des BHKW durchströmt das Kühlwasser den Abgaskühler 3, den Verbrennungsmotor 1 und den Luft-Wasser-Kühler 13 und kann als heißer Kühlwasserrücklauf, z. B. zu Heizzwecken einsetzbar, entnommen werden.
Da alle BHKW Elemente in der thermisch isolierten Einhausung 12 eingeschlossen sind und keine warme Luft unkontrolliert nach außen entweichen kann, ergeben sich minimale thermische Verluste. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Einrichtung ergibt sich durch die Einführung der externen Drosselklappe 6 in Verbindung mit der Abgasrückführung 4 dahingehend, dass die Verbrennungsgüte des Motorabgases sehr gut geregelt werden kann.
Indem der Generator 2 mit einem rückspeisefähigen Frequenzumrichter 10 gekoppelt wird, kann in effizienter Weise, und zwar zusätzlich zur allgemein üblichen Leistungsbeeinflussung mittels Motordrosselung, eine Leistungsvariation über die nun möglichen variablen Drehzahlen des BHKW erreicht werden. Die allgemein bekannte starre Netzkopplung des Generators 2 kann so mittels Frequenzumrichter auf elektronischem Weg aufgehoben werden. Das BHKW kann damit drehzahlvariant und hocheffizient leistungsmodulierend sowie im optimalen cos phi-Bereich betrieben werden.
Die erfindungsgemäße Einrichtung unterscheidet sich von den bereits bekannten BHKW-Anlagen herkömmlicher Bauart durch die mit einem gesteuerten Unterdruck permanent beaufschlagte Einhausung. Hierdurch werden Wärmeverluste weitgehend minimiert, wobei in Kombination mit der Abgasrückführung und dem rückspeisefähigen Frequenzumrichter eine sehr hohe Leistungsmodulation bei gleichzeitiger Minimierung der Abgasschadstoffe wie CO, HC und NO_x erreicht wird.
Bezugszeichenliste

1: Brennkraftmaschine
2: Generator
3: Abgasbrennwertkühler
4: Abgasrückführung
5: Drosselklappe Verbrennungsmotor
6: externer Strömungswiderstand/Drosselklappe
7: Auspuff
8: warme Ansaugluft
9: Frischluftkanal
10: rückspeisefähiger Frequenzumrichter
11: Elektrozähler
12: Einhausung
13: Luft-Wasser-Wämeübertager
14: -()
15: Vergaser

Claims

Kraft-Wärme-gekoppelte Einrichtung zur Versorgung von Gebäuden und Einrichtungen mit thermischer und elektrischer Energie unter Verwendung fossiler Primärenergie und/oder regenerativer Energie, bestehend aus einer gegebenenfalls luftgekühlten Brennkraftmaschine (1) und einem an diese gekoppelten, vorzugsweise luftgekühlten Generator (2), die in einer geschlossenen, wärme- und schallisolierten Einhausung (12) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Einhausung (12) permanent mit einem gesteuerten, gegenüber dem Druck p₁ der freien Atmosphäre reduzierten Innendruck p₂ beaufschlagt ist und der reduzierte Innendruck p₂ durch eine teilweise Abgasrückführung (4) und die Menge an zugeführter Frischluft zum Betrieb der Brennkraftmaschine (1) gesteuert wird, wobei die Frischluft über einen zusätzlichen, extern an der Einhausung (12) angeordneten Strömungswiderstand (6) zugeführt wird. ist.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung zwischen dem Generator (2) und einem öffentlichen Elektronetz elektronisch entkoppelbar und der Generator (2) über einen rückspeisefähigen Frequenzumrichter (10) mit einem Hausnetz und dem öffentlichen Elektronetz verbunden ist.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasrückführung (4) an einen Ansaugkanal der Brennkraftmaschine (1) angeschlossen ist.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführung der Frischluft, die zunächst den Generator (2) kühlt und als vorgewärmte Verbrennungsluft zur Brennkraftmaschine (1) gelangt, über einen Frischluftkanal (9) erfolgt, der an den externen Strömungswiderstand (6) angeschlossen ist.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass nur die Brennkraftmaschine (1) in der isolierten und mit einem reduzierten Innendruck p₂ beaufschlagten Einhausung (12) angeordnet ist.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine (1) durch eine Brennstoffzelle ersetzt ist.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Einhausung (12) zylinderförmig ausgebildet ist.