DE102010022962A1

DE102010022962A1 - Kraft-Wärme-Kopplung

Info

Publication number: DE102010022962A1
Application number: DE102010022962A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-06-08
Filing date: 2010-06-08
Publication date: 2011-12-08

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kraft-Wärme-Kopplung, ein Kraft-Wärme-Kopplungs-System, ein Fahrzeug (111) für das Kraft-Wärme-Kopplungs-System und einen Wärmespeicher (112). Die erfindungsgemäße Kraft-Wärme-Kopplung kann einen nachhaltigen Beitrag zur Dezentralisierung der gekoppelten Energieumwandlung, zu einer beachtlichen Erhöhung der Energienutzungsgrade, zu einer entsprechenden Reduzierung der CO2-Emissionen und somit zu einem Schutz der Umwelt und zu einer Aufrechterhaltung der gewohnten Mobilität leisten.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Verbesserungen und weitere Ausgestaltungen der Erfindung DE 10 2009 024 497.2-13 , deren Inhalt vollumfänglich als Teil dieser Erfindung beansprucht wird.
Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Kraft-Wärme-Kopplung gemäß Anspruch 1, ein Kraft-Wärme-Kopplungs-System nach Anspruch 5, ein Fahrzeug nach Anspruch 7 und einen Wärmespeicher nach Anspruch 9. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen und dieser Beschreibung angegeben.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass Wärme zwischen zumindest einem Fahrzeug, insbesondere Kraftfahrzeug oder dgl., das zumindest einen Speicher für latente und/oder fühlbare Wärme aufweist, und zumindest einem Distributionspunkt für Wärme ausgetauscht wird, wobei zumindest ein Teil der Wärme in dem Fahrzeug angefallene Wärme und/oder in dem Fahrzeug zu nutzende Wärme ist, wobei zumindest ein Teil der zu nutzenden Wärme nicht direkt der Fortbewegung dient, sondern diese höchstens begünstigt.
Zwingend vorgesehen ist also der Wärmeaustausch zwischen dem Fahrzeug und einem Distributionspunkt für Wärme. Die Wärme kann dann von dem Distributionspunkt bzw. einer den Distributionspunkt versorgenden Einrichtung bereitgestellt und in dem Fahrzeug selbst genutzt werden oder/und von dem Fahrzeug bereitgestellt und in dem Distributionspunkt bzw. einer von dem Distributionspunkt versorgten Einrichtung genutzt werden. Dabei soll bei der Kraft-Wärme-Kopplung im Fahrzeug zumindest ein Teil der Wärme nicht direkt der Fortbewegung dienen, wie es beispielsweise mit Dampfmaschinen oder Stirling-Motoren möglich wäre. Durch dieses neue Kraft-Wärme-Kopplungsverfahren bestehen einerseits keine Transportprobleme hinsichtlich der Wärme und andererseits wird die Wärme sehr effektiv genutzt.
Dabei wird die Größe des Wärmespeichers des Fahrzeugs nach der nutzbar gemachten Wärmemenge, also der Wärme und Abwärme, aus dem Betrieb des Fahrzeugs und/oder nach der zu nutzenden Wärmemenge bei dem Betrieb des Fahrzeugs oder der Differenz daraus bemessen. Dazu kann sowohl eine vorherige Bemessung dadurch erfolgen, dass die beispielsweise an einem Tag zu erwartende Wärmemenge bestimmt und die Größe des Wärmespeichers darauf abgestimmt wird. Andererseits kann auch dem Fahrzeug eine durchschnittliche zu erwartende Wärmemenge – die sich aus den geplanten Betriebsbedingungen ergibt – zugeordnet und die Größe des Wärmespeichers darauf abgestimmt werden.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Distributionspunkt und/oder das Fahrzeug mit zumindest drei Temperaturzonen (w, m, c) für den Wärmeaustausch bereitgestellt wird, wobei bevorzugt eine erste Zone (w) mit einer Temperatur bis 120°C, insbesondere bis 110°C, eine zweite Zone (m) mit einer Temperatur geringer der Temperatur der ersten Zone (w) und von 10°C bis 60°C, insbesondere von 18°C bis 45°C, und eine dritte Zone (c) mit einer Temperatur geringer der Temperatur der zweiten Zone (m) und von Raumtemperatur bis zum Gefrierpunkt des Wärmeträgers, insbesondere 0°C, vorgesehen werden. Temperaturzone heißt in diesem Zusammenhang, dass Wärme in diese direkt mittels Austausch des Wärmeträgermediums (welches durchaus auch indirekt über einen Wärmeübertrager erwärmt oder abgekühlt sein kann) über Schichtleiteinrichtungen oder indirekt mit einem Wärmeübertrager vor Ort in diese Zone eingespeist oder aus dieser Zone entnommen werden kann. Diese Temperaturzonen sind bevorzugt in einem Wärmespeicher vorgesehen, wobei ihre Ausdehnung und Positionierung den Bedürfnissen und Anforderungen des jeweiligen Betriebsfalls angepasst sind.
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass in dem Wärmespeicher des Fahrzeugs Kälte für den Betrieb des Fahrzeugs (z. B. für die Klimatisierung des Fahrzeugs im Betrieb) gespeichert wird und diese Kälte durch im Betrieb des Fahrzeugs erzeugte Wärme, insbesondere Wärme eines Verbrennungsprozesses und/oder der Bremsen, zumindest teilweise ersetzt wird. Auf diese Weise ist der Wärmespeicher besonders effektiv einsetzbar.
Alternativ oder zusätzlich kann auch vorgesehen sein, dass in dem Wärmespeicher des Fahrzeugs saisonal und/oder zeitlich getrennt Wärme oder Kälte gespeichert wird. Saisonal getrennt bedeutet, dass z. B. für den Betrieb des Fahrzeugs im Winter Wärme zum Heizen eines Elektrofahrzeugs und im Sommer Kälte zum Betrieb der Klimaanlage eines Elektrofahrzeugs in dem Wärmespeicher des Fahrzeugs gespeichert wird oder dass für die Bereitstellung für externe Nutzer im Winter Kälte und im Sommer Wärme eingespeichert werden. Zeitlich getrennt. heißt dagegen, dass dies auch innerhalb eines Fahrtzyklus erfolgen kann.
Durch beide Alternativen wird erreicht, dass jede Wärme, nämlich Wärme oder Kälte, im Fahrzeug für den internen Betrieb bzw. die externe Nutzung gespeichert werden kann. Dadurch kann im Idealfall erreicht werden, dass weitere Aggregate wie beispielsweise Zusatzheizung, Kühlsystemkühler und dgl. nicht mehr erforderlich sind. Außerdem kann am Distributionspunkt im Idealfall verzichtet werden auf Aggregate, wie beispielsweise zusätzliche Wärmespeicher, (einfache nicht gekoppelte) Wärmequellen für die Warmwasserbereitung und dgl. Dies kann erreicht werden durch hocheffiziente Verbraucher, also z. B. durch einen minimalen Energieverbrauch für Heizung/Klimatisierung, und z. B. eine maximale Energierückgewinnung aus der Abluft sowie hilfsweise adiabatische Zusatzkühlung.
Damit wird eine ganzheitliche flächendeckende Speicher-gestützte Kraft-Wärme-Kopplungs-Lösung für alle Fahrzeugkonzepte (Verbrennungsmotor, Elektromotor, Hybridantriebe und dgl.) insbesondere der motorisierten individuellen Fortbewegung bereitgestellt. Abwärme entsteht damit praktisch nicht mehr bzw. wird weitestgehend genutzt, vor allem bei der Elektroenergieerzeugung für Elektrofahrzeuge, der verbrennungsmotorischen Fortbewegung oder der Beladung des (Kälte)speichers von internen oder externen Quellen. Damit entstehen ein minimaler (Gesamt)energieverbrauch, ein maximaler (Gesamt)energienutzungsgrad, minimale CO2-Emissionen und eine maximale (Elektro)fahrzeugreichweite.
Besonders bevorzugt gehören dabei die Fahrzeuge unterschiedlichen Fahrzeugkonzepten, wie Elektrofahrzeugen, Verbrennungsmotorfahrzeugen, Hybrid getriebenen Fahrzeugen und dgl. an.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die konditionierte Luft am Austritt aus dem Fahrgastraum im Wesentlichen wieder in den Urzustand versetzt wird, wobei indirekt mit einem Wärmeübertrager (also einem Rekuperator) unmittelbar oder in einem Verbundsystem mittelbar, oder mit einem oder mehreren Regeneratoren direkt Wärme (oder Kälte) an die Zuluft weitestgehend übertragen und/oder zeitweilig in den Wärmespeicher eingelagert wird.
Außerdem kann zweckmäßig vorgesehen werden, dass die konditionierte Luft vor dem Austritt aus dem Fahrgastraum und dem Eintritt in einen Wärmeübertrager zur Rückgewinnung der in der Kabinenluft enthaltenen Wärme zusätzlich adiabatisch befeuchtet wird.
Alle Merkmale des erfindungsgemäßen Kraft-Wärme-Kopplungs-Verfahrens lassen sich natürlich kombinieren.
Selbständiger Schutz wird beansprucht für das erfindungsgemäße System für die Kraft-Wärme-Kopplung, insbesondere für das Verfahren zur Kraft-Wärme-Kopplung nach einem der vorherigen Ansprüche, umfassend zumindest ein Fahrzeug, insbesondere Kraftfahrzeug oder dgl., das zumindest einen Speicher für latente und/oder fühlbare Wärme aufweist, und zumindest einen Distributionspunkt für Wärme, wobei das Fahrzeug mit dem Distributionspunkt zumindest zum teilweisen Austausch von in dem Fahrzeug angefallener Wärme und/oder in dem Fahrzeug zu nutzender Wärme verbindbar ist, wobei zumindest ein Teil der zu nutzenden Wärme nicht direkt der Fortbewegung dient, wobei zur Verbindung miteinander koppelbare fahrzeug- und distributionspunktseitige Anschlüsse vorgesehen sind. Dabei ist der Speicher angepasst, die im Fahrzeug anfallenden Wärme und/oder die im Fahrzeug nicht direkt für die Fortbewegung zu nutzenden Wärme und/oder die Differenz daraus zu speichern.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Distributionspunkt und/oder das Fahrzeug zumindest drei Temperaturzonen (w, m, c) für den Wärmeaustausch aufweisen, wobei bevorzugt eine erste Zone (w) mit einer Temperatur bis 120°C, insbesondere bis 110°C, eine zweite Zone (m) mit einer Temperatur geringer der Temperatur der ersten Zone (w) und von 10°C bis 60°C, insbesondere von 18°C bis 45°C, und eine dritte Zone (c) mit einer Temperatur geringer der Temperatur der zweiten Zone (m) und von Raumtemperatur bis zum Gefrierpunkt des Wärmeträgers, insbesondere 0°C, vorgesehen werden. Temperaturzone heißt in diesem Zusammenhang, dass Wärme in diese direkt mittels Austausch des Wärmeträgermediums (welches durchaus auch indirekt über einen Wärmeübertrager erwärmt oder abgekühlt sein kann) über Schichtleiteinrichtungen oder indirekt mit einem Wärmeübertrager vor Ort in diese Zone eingespeist oder aus dieser Zone entnommen werden kann. Diese Temperaturzonen sind bevorzugt in einem Wärmespeicher vorgesehen, wobei ihre Ausdehnung und Positionierung den Bedürfnissen und Anforderungen des jeweiligen Betriebsfalls angepasst sind.
In einer bevorzugten Weiterbildung weist der Distributionspunkt zumindest einen saisonalen Wärmespeicher, insbesondere einen ober- oder unterirdischen, insbesondere einen Behälter- und/oder einen Erdwärmespeicher auf.
Außerdem weist der Distributionspunkt in einer besonderen Ausgestaltung zumindest eine Kältemaschine oder eine Wärmepumpe auf, die vorzugsweise angetrieben wird mit einem Verbrennungsmotor oder gespeicherter Wärme, jeweils unter (Ab)wärmenutzung.
Alle Merkmale des erfindungsgemäßen Kraft-Wärme-Kopplungs-Systems lassen sich natürlich kombinieren, wobei das System insbesondere zur Durchführung der bevorzugt angegebenen Merkmale des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet ist.
Außerdem wird selbständiger Schutz beansprucht für das erfindungsgemäße Fahrzeug für das erfindungsgemäße Kraft-Wärme-Kopplungs-System und/oder das erfindungsgemäße Verfahren, wobei das Fahrzeug mindestens einen Speicher für latente und/oder fühlbare Wärme aufweist. Dieses erfindungsgemäße Fahrzeug weist einen fahrzeugseitigen Anschluss zum Austausch zumindest von einem Teil von im Fahrzeug anfallender Wärme und/oder im Fahrzeug zu nutzender Wärme mit einem Distributionspunkt auf, wobei zumindest ein Teil der zu nutzenden Wärme nicht direkt der Fortbewegung dient, sondern diese höchstens begünstigt. Dabei ist der Speicher angepasst, die im Fahrzeug anfallende Wärme und/oder die im Fahrzeug zu nutzenden Wärme und/oder die Differenz daraus zu speichern.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Fahrzeug zumindest drei Temperaturzonen (w, m, c) für den Wärmeaustausch aufweist, wobei bevorzugt eine erste Zone (w) mit einer Temperatur bis 120°C, insbesondere bis 110°C, eine zweite Zone (m) mit einer Temperatur geringer der Temperatur der ersten Zone (w) und von 10°C bis 60°C, insbesondere von 18°C bis 45°C, und eine dritte Zone (c) mit einer Temperatur geringer der Temperatur der zweiten Zone (m) und von Raumtemperatur bis zum Gefrierpunkt des Wärmeträgers, insbesondere 0°C, vorgesehen werden. Temperaturzone heißt in diesem Zusammenhang, dass Wärme in diese direkt mittels Austausch des Wärmeträgermediums (welches durchaus auch indirekt über einen Wärmeübertrager erwärmt oder abgekühlt sein kann) über Schichtleiteinrichtungen oder indirekt mit einem Wärmeübertrager vor Ort in diese Zone eingespeist oder aus dieser Zone entnommen werden kann. Diese Temperaturzonen sind bevorzugt in einem Wärmespeicher vorgesehen, wobei ihre Ausdehnung und Positionierung den Bedürfnissen und Anforderungen des jeweiligen Betriebsfalls angepasst sind.
Bevorzugt ist das Fahrzeug im weitesten Sinne ein Elektrofahrzeug, also beispielsweise auch ein Hybridfahrzeug mit Elektromotor. Bei diesem wird aufgrund des Fehlens von anfallender Verbrennungswärme für eine gesonderte Wärmeversorgung für die Klimatisierung ohne die Nutzung der wertvollen Exergie gesorgt.
Das Fahrzeug kann wiederum die das Fahrzeug betreffenden Merkmale des erfindungsgemäßen Systems aufweisen oder zur Durchführung der bevorzugt angegebenen Merkmale des erfindungsgemäßen Verfahrens – soweit sie das Fahrzeug betreffen – eingerichtet sein.
Besonders geeignet ist für das erfindungsgemäße Fahrzeug und/oder den Distributionspunkt des erfindungsgemäßen Kraft-Wärme-Kopplungs-Systems ein Wärmespeicher, der angepasst ist, sowohl Wärme als auch Kälte zu speichern.
Schließlich wird selbständiger Schutz beansprucht für den erfindungsgemäßen Wärmespeicher, der zumindest drei Temperaturzonen (w, m, c) für den Wärmeaustausch aufweist, wobei bevorzugt eine erste Zone (w) mit einer Temperatur bis 120°C, insbesondere bis 110°C, eine zweite Zone (m) mit einer Temperatur geringer der Temperatur der ersten Zone (w) und von 10°C bis 60°C, insbesondere von 18°C bis 45°C, und eine dritte Zone (c) mit einer Temperatur geringer der Temperatur der zweiten Zone (m) und von Raumtemperatur bis zum Gefrierpunkt des Wärmeträgers, insbesondere 0°C, vorgesehen werden. Temperaturzone heißt in diesem Zusammenhang, dass Wärme in diese direkt mittels Austausch des Wärmeträgermediums (welches durchaus auch indirekt über einen Wärmeübertrager erwärmt oder abgekühlt sein kann) über Schichtleiteinrichtungen oder indirekt mit einem Wärmeübertrager vor Ort in diese Zone eingespeist oder aus dieser Zone entnommen werden kann. Diese Temperaturzonen sind bevorzugt in einem Wärmespeicher vorgesehen, wobei ihre Ausdehnung und Positionierung den Bedürfnissen und Anforderungen des jeweiligen Betriebsfalls angepasst sind.
Der Wärmespeicher kann vorteilhaft angepasst sein, Kondensat aus dem Abgas oder der Zuluft des Fahrzeugs als Wärmeträgermedium aufzunehmen oder Wasser zur adiabatischen Befeuchtung der Zu- und/oder Abluft abzugeben.
Der Wärmespeicher kann wiederum die den Wärmespeicher betreffenden Merkmale des erfindungsgemäßen Systems oder Fahrzeugs aufweisen oder zur Durchführung der bevorzugt angegebenen Merkmale des erfindungsgemäßen Verfahrens – soweit sie den Wärmespeicher betreffen – eingerichtet sein.
Ein erfindungsgemäßer Wärmespeicherbehälter kann – ähnlich einem Zusatztank für Flüssiggas, besonders vorteilhaft in einer Reserveradmulde angeordnet sein, diese zusammen mit einer hochwirksamen Wärmedämmung weitestgehend ausfüllend.
Eine weitere sehr effiziente Möglichkeit der Befüllung des Wärmespeichers mit Wärmespeichermedium während der Fahrt besteht in der Aufnahme von bei der Brennwertnutzung aus dem Abgas frei werdendem Kondensat in einen gesonderten Behälter oder direkt in den Wärmespeicher. So wird die Umwelt gleichzeitig vor dem leicht saueren Kondensat geschützt. Das Kondensat kann noch im Fahrzeug oder später im Distributionspunkt selbst oder in dem an diesen angeschlossenen Kanalisationssystem in der Mischung mit basischen Medien neutralisiert werden.
Für die Brennwertnutzung kann der Abgaswärmeübertrager bevorzugt in zwei Abschnitte unterteilt sein, abgasseitig in einen ersten zur Heizwertnutzung und in einen zweiten zur Brennwertnutzung. Im Brennwertteil wird vorzugsweise kaltes Wärmeträgermedium direkt aus dem Speicher genutzt, welches weiter vom Verbrennungsmotor, dem Schmieröl etc. erwärmt und im Heizwertteil abschließend überhitzt und wieder in den Wärmespeicher eingeleitet wird. Zwischen beiden Teilen kann abgasseitig besonders vorteilhaft ein Abzweig für eine Rückführung von bereits gekühltem aber noch trockenem Abgas zum Verbrennungsmotoreintritt eingerichtet sein (nicht gezeigt). Der Heizwertteil kann zudem vorteilhaft mit einem thermoelektrischen Generator verbunden sein (nicht gezeigt), der gleichzeitig Elektroenergie in das Bordnetz abgibt. Nach dem Brennwertteil kann vorteilhaft eine Separationskammer für die Abtrennung und Sammlung des anfallenden Abgaskondensats mit einem Anschluss für dessen Ableitung, z. B. in einen gesonderten Kondensatspeicher, zu einem Befeuchter vor dem Abluftwärmeübertrager und/oder in den Wärmespeicher ausgebildet sein (nicht gezeigt).
Zuluft-/Abluftwärmeübertrager und/oder Abgasheizwert-/Brennwertkühler können besonders vorteilhaft als Mikrowärmeübertrager aus Metalldrahtgewebe, z. B. von der Firma Spörl KG aus Sigmaringendorf ausgeführt sein. Diese Wärmeübertrager erfüllen neben der Funktion der Wärmeübertragung auf der Seite des Metalldrahtgewebes gleichzeitig die Funktionen der Schalldämpfung und der Filterung sehr effektiv, was in einem Kraftfahrzeug sowohl in der Zuluft/Abluft als auch im Abgasstrang ebenfalls erforderlich und gewünscht ist (nicht gezeigt). Diese Multifunktionalität führt zu einer besonders effektiven Lösung. Besonders vorteilhaft kann die Abluft vor dem Abluftwärmeübertrager adiabatisch befeuchtet werden. Dann kühlt die Abluft auf natürliche Weise ab und gibt diese Kälte direkt oder über ein Verbundsystem indirekt an die Zuluft ab und nur ein unbedingt erforderlicher Rest an Abkühlung erfolgt in einem nachgelagerten Zuluftkühler mit Kälte aus dem Wärmespeicher und/oder einer bordeigenen Wärmepumpe. Das für die adiabatische Kühlung der Abluft erforderliche Wasser kann Kondensat aus der Zuluft oder aus dem Abgas sein, aus einem gesonderten Wasservorratsbehälter oder dem Wärmespeicher selbst entnommen werden. Ein Wärmeverbundsystem kann neben einer Pumpenförderung auch über natürliche Umtriebskräfte des Wärmeträgermediums, insbesondere aus Schwerkraft oder Verdampfung/Kondensation und/oder Kapillarkräften verfügen.
Die vorstehend vorteilhaft angegebenen Ausgestaltungen zum Verfahren, dem System, dem Fahrzeug und dem Wärmespeicher können auch allein für bestehende Verfahren und Systeme der Kraft-Wärme-Kopplung bzw. Fahrzeuge und Wärmespeicher eingesetzt werden, ohne dass drei verschiedene Temperaturzonen vorhanden sind und auch unabhängig vom Schutzumfang und der Offenbarung der DE 10 2009 024 497.2-13 , und insofern wird für diese Ausgestaltungen auch selbständiger Schutz beansprucht.
Um die Merkmale und Vorteile der Erfindung weiter zu verdeutlichen, werden nun bevorzugte Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung erläutert. Dabei zeigen:
1 bis 6 den Wärmeaustausch zwischen Distributionspunkt und Fahrzeug in verschiedenen Ausgestaltungen.
In den 1 bis 6 sind verschiedene Ausgestaltungen des Wärmeaustauschs zwischen einem Distributionspunkt 110 und einem Fahrzeug 111 rein schematisch dargestellt. Es ist jeweils zu erkennen, dass das Fahrzeug 111 einen Wärmespeicher 112 mit zwei Temperaturzonen w, m, c und Wärmeleitungen 113, 114, 115, 116 aufweist, wobei die Wärmeleitungen 113, 114 den Wärmespeicher 112 mit den Verbrauchern oder Erzeugern von Wärme verbinden. In dem fahrzeugseitigen Wärmespeicher 112 können dabei drei verschiedene Temperaturzonen ausgebildet sein, nämlich warm w, mittelwarm m oder kalt c. In Klammern sind jeweils Temperaturzonen angegeben, die sich in bestimmten Betriebszuständen ebenfalls ausbilden können. In diesem Zusammenhang soll nicht unerwähnt bleiben, dass sich je nach Einsatz jeweils auch mehr oder weniger große Mischzonen ausbilden können, deren mittelwarme Temperatur in einem Temperaturbereich von kalt bis warm übergehend liegen kann. Dabei umfasst der physikalische Begriff Wärme – wie durchgehend in der gesamten Beschreibung – immer Wärme und auch Kälte als Oberbegriff. Die Leitungen 115, 116 verbinden den Wärmespeicher 112 mit dem fahrzeugseitigen Anschluss 117. Der Distributionspunkt 110 weist einen nicht näher dargestellten Wärmespeicher auf, der drei unterschiedliche Temperaturzonen w, m, c besitzt. Der Wärmespeicher des Distributionspunktes ist über die Wärmeleitungen 118, 119, 120 mit dem distributionspunktseitigen Anschluss 121 verbunden, während die beiden Anschlüsse 117, 121 über die Leitungen 122, 123 miteinander gekoppelt sind. Die in den Leitungen 113, 114, 115, 116, 118, 119, 120, 122, 123 eingezeichneten Pfeile geben den in den Ausgestaltungen vorliegenden Wärmefluss an, wobei der Wärmefluss bevorzugt über einen Wärmemedienträgerfluss realisiert ist.
Die Leitungen 122, 123 zwischen den Anschlüssen 117, 121 sind jeweils so geschaltet, dass die Wärme zwischen dem Wärmespeicher 112 des Fahrzeugs 111 und den drei Temperaturzonen w, m, c des Wärmespeichers des Distributionspunktes 110 in vorgegebener Weise ausgetauscht wird. Dies kann durch drei verschiedene Zapfsäulen 110 (der Distributionspunkt selbst besteht also aus Zapfsäulen) erfolgen, wie in 1 bis 3 dargestellt, oder über eine einzige Zapfsäule 110 und drei verschiedene Wahlschalter (nicht gezeigt), wie in den 4 bis 6 dargestellt. Alternativ kann aber auch eine automatische Umschaltung beispielsweise per Ventil oder Thermostat oder dadurch erfolgen, dass eine Temperaturmessung im Speicher 112 oder der Außentemperatur vorgenommen wird und/oder eine Wetterprognose einbezogen wird oder dadurch, dass eine Differenzermittlung der Wärmeströme in den Leitungen 122, 123 vorgenommen wird.
Die 1 bis 3 zeigen den Distributionspunkt mit drei unterschiedlichen Zapfsäulen 110 bzw. Zapfpistolen 117, nämlich in 1 die Wärmebeladung, in 2 die Kältebeladung und in 3 die Wärmeentladung. Je nach Wunsch muss der Fahrer die richtige Zapfspistole 117 wählen. Dieses System gleicht dem derzeitiger unterschiedlicher Zapfsäulen bzw. Zapfsäulen mit mehreren Zapfpistolen für unterschiedliche Kraftstoffe, wo die Möglichkeit einer Verwechslung bekanntlich nicht ausgeschlossen ist.
Die 4 bis 6 zeigen ein System mit einer einzigen Zapfsäule 110, ggf. mit einer automatischen Umschaltung/Regelung der Wärmeströme in die/aus den einzelnen Temperaturzonen w, m, c des distributionspunktseitigen Speichers. Vom Nutzer ist vorzuwählen, was er wünscht, nämlich Wärme laden, Kälte laden oder Wärme entladen. Dieser Auswahlprozess kann auch automatisiert werden über eine Kommunikation zwischen dem Kfz 111 und dem Distributionspunkt 110 anhand von Parametern wie Kfz-Konzept (verbrennungsmotorischer oder E-Antrieb etc.), Umgebungstemperatur, Wetterprognose, Speicherladezustand/Temperatur etc. Die Parameter/Informationen können über Steckkontakte an der Wärmekupplung 117 ausgetauscht werden.
In den 1 und 4 ist der Fall einer Wärmebeladung des Wärmespeichers 112 des Fahrzeugs 111 zur Heizung des Fahrzeugs 111 gezeigt. Vom Distributionspunkt 110 wird für das Fahrzeug 111 eine genormte Warm-Temperatur von z. B. 90°C +/– 5 K bereitgestellt. Aus der mittelwarmen Temperaturzone m wird dem Wärmespeicher 112 des Kfz 111 eine beliebige Temperatur mit z. B. 35°C bis 45°C entnommen, um sie in die mittelwarme Temperaturzone m des distributionspunktseitigen Speichers einzuleiten. Da diese Temperatur höher liegt als die Temperatur in der kalten Temperaturzone c des Wärmespeichers des Distributionspunktes 110, wird im Distributionspunkt 110 bevorzugt ein Thermostastventil (nicht gezeigt) zur Umschaltung vorgesehen, um sie zuerst in einen mittleren Bereich m des Speichers einzuleiten, wo sie von 35°C bis 45°C abgekühlt wird auf –5 bis +5°C für die Klimatisierung und/oder aufgewärmt wird auf 85°C bis 95°C, vorteilhaft mit einer Wärmepumpe 15 nach 5 der DE 10 2009 024 497.2-13 . Die Umschaltung kann auch während des Zapfvorgangs erfolgen, so dass stets eine gute Schichtung innerhalb des Speichers gesichert ist. Falls bei besonderen Betriebsbedingungen sich im Wärmespeicher 112 eine kalte Temperaturzone c ausbildet, kann auch eine direkte Einspeisung in die kalte Temperaturzone c des distributionspunktseitigen Wärmespeichers erfolgen. Die Wärmepumpe 15 wird besonders vorteilhaft angetrieben mit einem Verbrennungsmotor mit (Ab)wärmenutzung und -einlagerung mit Warm-Temperatur in den distributionspunktseitigen Speicher und/oder mittels Wärme aus dem oberen Speicherbereich w des Speichers.
Im Fall der kombinierten Wärmebeladung/Kälteentladung zur Heizung im Kfz bei Kälterückgewinnung aus dem Kfz wird Wärmeträgermedium mit einer genormten Warm-Temperatur von z. B. 90°C +/– 5 K bereitgestellt, um es gegen genormtes Medium mit einer Kalt-Temperatur von z. B. –5°C bis +5°C auszutauschen. Diese Kälte kann unterwegs in den Speicher 112 eingelagert worden sein, z. B. mit einer Kfz-internen Wärmepumpe 15, die in dieser Zeit heizt, oder aus anderen Kältequellen, z. B. kalter Zuluft im Winter im Zuluftheizer.
Die am Distributionspunkt 110 entnommene Wärme muss bezahlt werden, die aus dem Fahrzeugwärmespeicher 112 entnommene Kälte wird vergütet, wobei beides verrechnet wird. Die Kälte kann ggf. an andere Fahrzeuge oder Kälte-Verbraucher abgegeben oder in (saisonalen) Kältespeichern, insbesondere Erdsonden zwischengespeichert werden.
Im Kfz-internen Speicher 112 sowie im distributionspunktseitigen Speicher herrscht eine besonders große Temperaturspreizung von min. –5°C auf max. +95°C, also über 100 Kelvin, was eine gute Schichtung/Trennung erfordert, z. B. mit einem porösen Füllmaterial möglichst geringer Wärmeleitfähigkeit und hoher Wärmekapazität, und/oder durch (mehrere) in Reihe geschaltete insbesondere vertikale Speicherbehälter 112 bzw. Speicherzonen w, m, c etc.
Die große Temperaturspreizung ermöglicht eine hohe spez. Wärmekapazität, also eine lange zurückzulegende Wegstrecke im Kfz 111, oder einen kleinen/leichten Wärmespeicher 112. Fahrzeuginterne Heizanlagen oder Zusatzheizer können entfallen oder minimiert werden.
In den 2 und 5 ist die Kältebeladung zur Klimatisierung im Kfz 111 dargestellt. Dabei wird eine genormte Kalt-Temperatur von z. B. –5°C bis +5°C aus der kalten Temperaturzone c des Wärmespeichers des Distributionspunktes 110 bereitgestellt. Aus der mittelwarmen Temperaturzone m des Wärmespeichers 112 des Kfz 111 wird eine beliebige Temperatur mit z. B. 20°C bis 35°C entnommen. Diese wird in einen mittleren Bereich des distributionspunktseitigen Speichers eingeleitet, wo sie von 20°C bis 35°C auf –5 bis +5°C für die Klimatisierung von Fahrzeugen 111 abgekühlt wird und/oder auf 85°C bis 95°C für die Beheizung von Fahrzeugen 111 aufgewärmt wird, vorteilhaft wiederum mit einer Wärmepumpe 15 nach 5 der DE 10 2009 024 497.2-13 .
Für die kombinierte Kältebeladung zur Klimatisierung mit gleichzeitiger Wärmeentladung zur Wärmerückgewinnung aus Kfz 111, insbesondere mit Verbrennungskraftmaschine, wird die unterwegs entstehende Wärme als Warm-Medium w mit einer genormten Warm-Temperatur von z. B. 90°C +/– 5 K aus dem Wärmespeicher 112 des Kfz 111 entnommen, um es gegen aus dem distributionspunktseitigen Speicher bereitgestelltes genormtes Kalt-Medium c mit einer Kalt-Temperatur von z. B. –5°C bis +5°C auszutauschen. Die Wärme kann unterwegs aus div. Wärmequellen in den Speicher 112 eingelagert werden, z. B. mit einer Kfz-internen Wärmepumpe 15, die in dieser Zeit kühlt, Batterien, Antriebsmotoren, etc.
Im Distributionspunkt 110 wird bevorzugt ein Thermostastventil (nicht gezeigt) zur Umschaltung genutzt. Die Umschaltung kann auch während des Zapfvorgangs erfolgen, so dass stets eine gute Schichtung innerhalb des Speichers gesichert ist. Die Wärme wird vergütet, die Kälte muss bezahlt werden, beides wird verrechnet.
Im Kfz-internen Speicher 112 herrscht eine besonders große Spreizung von min. –5°C auf max. +95°C, also über 100 K, was eine gute Schichtung/Trennung erfordert, z. B. mit einem porösen Füllmaterial möglichst geringer Wärmeleitfähigkeit und hoher Wärmekapazität, und/oder durch (mehrere) in Reihe geschaltete (vertikale) Speicherbehälter bzw. Speicherzonen etc. Die große Spreizung im Kfz-internen Speicher 112 ermöglicht eine hohe spez. Wärmekapazität, also eine lange zurückzulegende Wegstrecke, oder einen kleinen/leichten Wärmespeicher. Fahrzeuginterne Kühler oder Klimaanlagen können so entfallen oder minimiert werden. Die Wärme kann ggf. an andere Fahrzeuge 111 oder Wärme-Verbraucher abgegeben oder in (saisonalen) Wärmespeichern, insbesondere Erdsonden zwischengespeichert werden.
In den 3 und 6 ist Wärmeentladung zur Wärmerückgewinnung aus Kfz 111, insbesondere Kfz 111 mit Verbrennungskraftmaschine, gezeigt. Hier wird die unterwegs entstehende Wärme zwischengespeichert und am Distributionspunkt 110 abgegeben. Das Warm-Medium muss mit einer genormten Warm-Temperatur von z. B. 90°C +/– 5 K aus der warmen Temperaturzone w des Wärmespeichers 112 des Kfz 111 entnommen werden, um es in den oberen Warm-Bereich w des distributionspunktseitigen Speichers direkt einzuleiten. Aus dem mittleren Bereich m des Speichers des Distributionspunktes 110 wird eine genormte Mittel-Temperatur von z. B. 20°C bis 35°C bereitgestellt. Diese genügt zur Rückkühlung des Kfz 111, wobei das Wärmeträgermedium erneut auf 85 bis 95°C aufgewärmt wird. Die durch das Kfz 111 bereitgestellte Wärme wird vergütet.
Bei zu hoher Temperatur des Mitteltemperatur-Mediums in der mittelwarmen Temperaturzone m des Distributionspunktes 110 wird dieses mit Kalt-Medium aus dem unteren Speicherbereich c gemischt. Dazu wird im Distributionspunkt 110 bevorzugt ein Thermostatventil (nicht gezeigt) genutzt.
Für die Zapfpistolen 117 bzw. Zapfsäulen 110 bzw. Betriebsmodi-Wahlschalter werden drei entsprechende selbsterklärende international einsetzbare Signets vorgeschlagen (s. die jeweils in 1 bis 3 bzw. 4 bis 6 links gezeigten Signets).
Da das Wärmeträgermedium ausgetauscht wird, muss es in allen Fahrzeugen einer einheitlichen Qualität entsprechen, also genormt sein. Hier kann besonders vorteilhaft mit dem Wärmeträger „aufbereitetes Wasser” gearbeitet werden; die Systeme sind also frostsicher auszuführen. Eine andere Möglichkeit ist, mit einem Wärmeübertrager (nicht gezeigt) zu arbeiten, wobei die zusätzliche Temperaturdifferenz die Effizienz des Gesamtsystems verschlechtert. Außerdem ist eine Koordination der beiden Umwälzpumpen bei dem Wärmeaustausch vorzunehmen. Es besteht auch die Möglichkeit, an öffentlichen Tankstellen über Wärmeübertrager zu arbeiten, zu Hause hingegen direkt.
Mit einem Sensor (nicht gezeigt) an der Zapfpistolenspitze 117, z. B. für Trübung, Leitfähigkeit und/oder pH-Wert kann die Qualität des Wärmeträgermediums in jedem Fahrzeug 111 erfasst und reagiert werden, wenn diese nicht den Vorgaben entspricht. Dann kann der Prozess abgebrochen werden. Es kann angeboten werden, das Wärmeträgermedium – gegen entsprechende Bezahlung – gegen normgerechtes auszutauschen. Das ausgesonderte Wärmeträgermedium kann einer Wiederaufarbeitung zugeführt werden. Dies kann über dieselbe Zapfpistole als sechster Betriebsmodus über Verdrängung und ggf. zusätzliche Spülung erfolgen (nicht gezeigt). In einer Kfz-Werkstatt wäre es jedoch gründlicher vorzunehmen, da hier das System zunächst entleert, der Filter gewechselt und anschließend mit neuem Frostschutzmedium gespült/neu befüllt werden kann.
Bei indirektem Wärmeaustausch reduziert eine Temperaturdifferenz von jeweils nur 3 K bis 5 K auf der warmen und der kalten Seite des Wärmeübertragers die Speicherkapazität um ca. 4% bis 7%. Für PKW 111 sollte im Interesse kurzer Tankzeiten an zentralen Distributionspunkten 110 eine Zapfrate von ca. 100 Ltr./5 min realisiert werden können (was einem Querschnitt von etwa DN 15 entspricht), bei LKW 111 etc. etwa das 5-fache (DN 32), was bei Wasser bei einer Temperaturspreizung von 15°C/90°C einer thermischen Leistung von ca. 100 bzw. 500 kW entspricht. Dafür sind eher direkte Kühlmittelaustauschspeicher und weniger indirekte Latentwärmespeicher geeignet.
Nach Wahl der Zapfpistole 117 bzw. des Betriebsmodus kann über die Zapfschläuche 122, 123 in der Zapfpistole 117 vorübergehend eine Kurzschlussströmung erfolgen, um bereits beim Einkuppeln unmittelbar an der Kupplung das richtig temperierte Medium anstehen zu haben. Zur Regelung des Zapfprozesses ist es deshalb besonders von Vorteil, wenn in der Spitze der Zapfpistole 117 in beiden Strömungsräumen je ein Temperatursensor angeordnet ist (nicht gezeigt), deren Signale in die Zapfsäulensteuerung übertragen werden.
Aus dem vorstehenden ist klar geworden, dass die erfindungsgemäße Kraft-Wärme-Kopplung sehr große Vorteile bietet. Dabei wird sie allerdings mit herkömmlichen, Verbrennungsmotor getriebenen Fahrzeugen auf maximal ca. 45% der zurückgelegten Wegstrecken beschränkt bleiben. Mit Elektrofahrzeugen kann sie weiter bis auf maximal ca. 95% ausgebaut werden. Die erfindungsgemäße Kraft-Wärme-Kopplung kann damit einen nachhaltigen Beitrag zur Dezentralisierung der gekoppelten Energieumwandlung, zu einer beachtlichen Erhöhung der Energienutzungsgrade, zu einer entsprechenden Reduzierung der CO₂-Emissionen und somit zu einem Schutz der Umwelt und zu einer Aufrechterhaltung der gewohnten Mobilität leisten.
Bezugszeichenliste

110: Distributionspunkt/Zapfsäule
111: Fahrzeug
112: Wärmespeicher des Fahrzeugs
113, 114, 115, 116: fahrzeugseitige Wärmeleitungen
117: fahrzeugseitiger Anschluss/Zapfpistole
118, 119, 120: distributionspunktseitige Wärmeleitungen
121: distributionspunktseitiger Anschluss
122, 123: kopplungsseitige Wärmeleitungen.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009024497 [0001, 0032, 0039, 0044]

Claims

Verfahren zur Kraft-Wärme-Kopplung nach DE 10 2009 024 497.2-13 , wobei Wärme zwischen zumindest einem Fahrzeug (111), insbesondere Kraftfahrzeug oder dgl., das zumindest einen Speicher (112) für latente und/oder fühlbare Wärme aufweist, und zumindest einem Distributionspunkt (110) für Wärme ausgetauscht wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Distributionspunkt und/oder das Fahrzeug zumindest drei Temperaturzonen (w, m, c) für den Wärmeaustausch aufweisen, wobei bevorzugt eine erste Zone (w) mit einer Temperatur bis 120°C, insbesondere bis 110°C, eine zweite Zone (m) mit einer Temperatur geringer der Temperatur der ersten Zone (w) und von 10°C bis 60°C, insbesondere von 18°C bis 45°C, und eine dritte Zone (c) mit einer Temperatur geringer der Temperatur der zweiten Zone (m) und von Raumtemperatur bis zum Gefrierpunkt des Wärmeträgers, insbesondere 0°C, vorgesehen werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Wärmespeicher (112) des Fahrzeugs (111) Kälte für den Betrieb des Fahrzeugs (111) gespeichert wird und diese Kälte durch im Betrieb des Fahrzeugs (111) erzeugte Wärme, insbesondere Wärme eines Verbrennungsprozesses und/oder der Bremsen und/oder der Abluft des Fahrgastraumes und/oder eines elektrischen Antriebs oder Akkumulators oder dergleichen zumindest teilweise ersetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Wärmespeicher (112) des Fahrzeugs (111) saisonal und/oder zeitlich getrennt Wärme oder Kälte gespeichert wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die konditionierte Luft am Austritt aus dem Fahrgastraum im Wesentlichen wieder in den Urzustand der Umgebungsluft versetzt wird, wobei indirekt mit Wärmeübertragern in einem Verbundsystem mittelbar, oder mit einem oder mehreren Regeneratoren direkt Wärme an die Zuluft weitestgehend übertragen und/oder zeitweilig in den Wärmespeicher (112) eingelagert wird, wobei bevorzugt vorgesehen ist, dass die konditionierte Luft vor dem Austritt aus dem Fahrgastraum und dem Eintritt in einen Wärmeübertrager zur Rückgewinnung der in der Kabinenluft enthaltenen Wärme zusätzlich adiabatisch befeuchtet wird.
System für die Kraft-Wärme-Kopplung, nach DE 10 2009 024 497.2-13 , insbesondere für das Verfahren zur Kraft-Wärme-Kopplung nach einem der vorherigen Ansprüche, umfassend zumindest ein Fahrzeug (111), insbesondere Kraftfahrzeug oder dgl., das zumindest einen Speicher (112) für latente und/oder fühlbare Wärme aufweist, und zumindest einen Distributionspunkt (110) für Wärme, dadurch gekennzeichnet, dass der Distributionspunkt und/oder das Fahrzeug zumindest drei Temperaturzonen (w, m, c) für den Wärmeaustausch aufweisen, wobei bevorzugt eine erste Zone (w) mit einer Temperatur bis 120°C, insbesondere bis 110°C, eine zweite Zone (m) mit einer Temperatur geringer der Temperatur der ersten Zone (w) und von 10°C bis 60°C, insbesondere von 18°C bis 45°C, und eine dritte Zone (c) mit einer Temperatur geringer der Temperatur der zweiten Zone (m) und von Raumtemperatur bis zum Gefrierpunkt des Wärmeträgers, insbesondere 0°C, vorgesehen sind.
System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Abgaswärmeübertrager vorgesehen ist, der abgasseitig in zwei Abschnitte unterteilt ist, wobei der erste Abschnitt zur Heizwertnutzung und der zweite Abschnitt zur Brennwertnutzung vorgesehen sind.
Fahrzeug (111) nach dem Fahrzeug der DE 10 2009 024 497.2-13 für das Kraft-Wärme-Kopplungs-System nach Anspruch 5 oder 6 und/oder das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, das mindestens einen Speicher (112) für latente und/oder fühlbare Wärme aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeug zumindest drei Temperaturzonen (w, m, c) für den Wärmeaustausch aufweist, wobei bevorzugt eine erste Zone (w) mit einer Temperatur bis 120°C, insbesondere bis 110°C, eine zweite Zone (m) mit einer Temperatur geringer der Temperatur der ersten Zone (w) und von 10°C bis 60°C, insbesondere von 18°C bis 45°C, und eine dritte Zone (c) mit einer Temperatur geringer der Temperatur der zweiten Zone (m) und von Raumtemperatur bis zum Gefrierpunkt des Wärmeträgers, insbesondere 0°C, vorgesehen sind.
Fahrzeug und/oder Kraft-Wärme-Kopplungs-System nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmespeicher (112) des Fahrzeugs (111) oder der Wärmespeicher des Distributionspunktes angepasst ist, sowohl Wärme als auch Kälte zu speichern.
Wärmespeicher (112) nach DE 10 2009 024 497.2-13 für das Fahrzeug (111) und/oder das Kraft-Wärme-Kopplungs-System nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmespeicher zumindest drei Temperaturzonen (w, m, c) für den Wärmeaustausch aufweist, wobei bevorzugt eine erste Zone (w) mit einer Temperatur bis 120°C, insbesondere bis 110°C, eine zweite Zone (m) mit einer Temperatur geringer der Temperatur der ersten Zone (w) und von 10°C bis 60°C, insbesondere von 18°C bis 45°C, und eine dritte Zone (c) mit einer Temperatur geringer der Temperatur der zweiten Zone (m) und von Raumtemperatur bis zum Gefrierpunkt des Wärmeträgers, insbesondere 0°C, vorgesehen sind.
Wärmespeicher nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmespeicher (112) in Bezug auf das Wärmespeichervolumen weniger Wärmespeichermedium enthält und das verbleibende Volumen insbesondere durch ein druckloses oder unter Druck stehendes gasförmiges Medium aufgefüllt ist, wodurch der Wärmespeicher angepasst ist, Kondensat aus dem Abgas und/oder der Zuluft des Fahrzeugs (111) aufzunehmen oder Wasser zur adiabatischen Befeuchtung der Zu- und/oder Abluft abzugeben.