DE102010043844A1

DE102010043844A1 - System zur Kraft-Wärme-Kopplung

Info

Publication number: DE102010043844A1
Application number: DE102010043844A
Authority: DE
Inventors: Mario Kustosch
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2010-11-12
Filing date: 2010-11-12
Publication date: 2012-05-16

Abstract

System zur Kraft-Wärme-Kopplung mit einem Verbrennungsmotor und einem Wärmespeicher, wobei der Verbrennungsmotor in einem Kraftfahrzeug und der Wärmespeicher stationär angeordnet sind, und wobei der Verbrennungsmotor mit dem Wärmespeicher derart koppelbar ist, dass die Wärme der Abgase des Verbrennungsmotors dem Wärmespeicher zuführbar ist.

Description

Stand der Technik
Der Umstieg auf effiziente und nachhaltige Technologien ist mit hohen Kosten verbunden. Besonders, wenn gleichzeitig in Gebäudesanierungen und Automobile mit effizienter Antriebstechnik investiert werden muss. Die Kraft-Wärme-Kopplung in der Gebäudetechnik und die Hybrid- und Elektrofahrzeuge sind Lösungen mit hohem Einsparpotential. Dabei bleiben technische, energetische und monetäre Synergien zwischen diesen beiden Technologien heute noch ungenutzt. Dies liegt unter anderem daran, dass es sich um zwei grundverschiedene Industrien handelt.
Eine bekannte Möglichkeit zur Nutzung von Synergien stellt das Geschäftsmodell dar, welches auf Kostenvorteile durch Verwendung von Verbrennungsmotoren aus der Serienfertigung für die Verwendung in Mini-Blockheizkraftwerken setzt. Eine weitere Lösung beschreibt die Patentschrift JP 10159652 . Es handelt sich um ein Erdgas-Hybridfahrzeug mit Kraft-Wärme-Kopplung, wobei während der Fahrt ein Wassertank in dem Kraftfahrzeug aufgeheizt wird und das aufgeheizte Wasser mit einem Wärmespeicher in einer Immobilie ausgetauscht werden kann.
Offenbarung der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein System zur Kraft-Wärme-Kopplung bereitzustellen, welches Synergien zwischen den oben genannten Technologien nutzt. Ferner ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein System bereitzustellen, welches die eingesetzte Primärenergie effizienter und umweltschonender nutzt.
Diese und weitere Aufgaben werden durch die Gegenstände der jeweiligen unabhängigen Ansprüche gelöst. Weitere bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Im Allgemeinen weist ein System zur Kraft-Wärme-Kopplung einen Verbrennungsmotor und einen Wärmespeicher auf, wobei der Verbrennungsmotor in einem Kraftfahrzeug und der Wärmespeicher stationär angeordnet sind, und wobei der Verbrennungsmotor mit dem Wärmespeicher derart koppelbar ist, dass die Wärme der Abgase des Verbrennungsmotors dem Wärmespeicher zuführbar ist.
Der Verbrennungsmotor kann gemäß einer Ausführungsform der Erfindung über eine isolierte Gasleitung, wie etwa einen Schlauch, mit einem Wärmetauscher verbunden sein, wobei der Wärmetauscher wiederum mit dem Wärmespeicher verbunden ist. Auf diese Weise können die heißen Abgase des Verbrennungsmotors in dem Wärmetauscher eine Flüssigkeit aufheizen, die dann in einen Flüssigkeitsspeicher fließt, wie etwa einen Tank, sodass gebundene Wärme in Form von aufgeheizter Flüssigkeit in dem Tank gespeichert werden kann.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung kann der Wärmetauscher so ausgelegt sein, dass die heißen Abgase soweit heruntergekühlt werden können, dass sie verflüssigt den Wärmetauscher verlassen. Hierzu kann der Wärmetauscher einen Kondensator aufweisen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das System ferner einen Generator und einen Speicher für elektrische Energie auf, wobei der Generator in dem Kraftfahrzeug angeordnet ist und zur Erzeugung von elektrischer Energie mit dem Verbrennungsmotor gekoppelt ist und wobei der Speicher für elektrische Energie mit dem Generator verbunden ist, zum Speichern der von dem Generator erzeugten elektrischen Energie.
Es wird angemerkt, dass ein Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor, einem Generator und einem Speicher für elektrische Energie als ein Fahrzeug mit einem Hybrid-Antrieb bezeichnet werden kann. In einem Fahrzeug mit Hybrid-Antrieb kann der Generator auch als Elektromotor verwendet werden, so dass zum Antreiben des Fahrzeugs entweder der Verbrennungsmotor oder der Elektromotor genutzt werden kann. Der Speicher für elektrische Energie, das heißt die Batterie in dem Fahrzeug kann entweder bei Betrieb des Verbrennungsmotors über den dann als Generator funktionierenden Elektromotor aufgeladen werden oder kann mit einem externen Netz verbunden werden, sodass die gespeicherte elektrische Energie anderweitig zur Verfügung gestellt werden kann.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung kann der Generator einen Pulswechselrichter aufweisen, so dass die vom Generator erzeugte elektrische Energie derart gewandelt werden kann, dass sie je nach Bedarf entweder zum Aufladen der Batterie genutzt werden kann oder einem allgemeinen Stromnetz zugeführt werden kann.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann der Verbrennungsmotor mit einem Kraftstofftank in dem Kraftfahrzeug oder mit einem stationären Heizstofftank verbunden sein, um mit Brennstoff versorgt werden zu können.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann das Kraftfahrzeug einen Kraftstofftank und außerdem noch einen Heizstofftank aufweisen, wobei zwischen diesen umgeschaltet werden kann, zur Versorgung des Verbrennungsmotors mit Brennstoff.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann das System ferner eine Regelungseinheit aufweisen, welche in Abhängigkeit von der im Wärmespeicher gespeicherten Wärme den Verbrennungsmotor steuert. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass nur dann der Verbrennungsmotor gestartet wird, wenn die Temperatur in dem Wärmespeicher unter einen vorbestimmten Mindestwert gesunken ist.
Gemäß der Erfindung wird ein Kraftfahrzeug mit Verbrennungsmotor verwendet, um einen stationären Wärmespeicher mit Wärme zu füllen. Zur Übertragung der zu speichernden Wärme wird hierzu das Abgas des Verbrennungsmotors genutzt.
Das Kraftfahrzeug kann auch ein Kraftfahrzeug mit Hybrid-Antrieb sein, so dass das System nicht nur Wärme für einen Wärmespeicher bereitstellt, sondern auch gleichzeitig elektrische Energie erzeugt.
Die Erfindung steigert damit den Nutzen von Hybridfahrzeugen, sie ermöglicht eine effiziente und umweltschonende Primärenergienutzung durch Kraft-Wärme-Kopplung zwischen einem Fahrzeug und einem Gebäude und sie ermöglicht ferner ein schnelles Laden des Energiespeichers eines Hybridfahrzeugs. Außerdem bietet die Erfindung eine kostengünstige Alternative zu stationären Mini-Blockheizkraftwerken.
Da ein Verbrennungsmotor über das Abgas den größten Energieverlust hat (von etwa 40%), ist der Gesamtwirkungsgrad höher als bei einer Übertragung der Wärme aus einem Kühlkreislauf. Darüber hinaus vereinfacht sich die thermische Kopplung gegenüber einer Ausführung mit flüssigem Betriebsmittel. Außerdem ermöglicht die Erfindung den Betrieb in Garagen, da keine Abgasabführung, zum Beispiel über ein Schornstein, erforderlich ist.
Die oben beschriebenen Aspekte und weitere Aspekte, Merkmale und Vorteile der Erfindung können ebenfalls aus dem Beispiel einer Ausführungsform entnommen werden, welches im Folgenden beschrieben wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Systems zur Kraft-Wärme-Kopplung gemäß der Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt schematisch ein System zur Kraft-Wärme-Kopplung zwischen einem Fahrzeug 15 mit Hybrid-Antrieb und einer Immobilie 16 mit einem Wärmespeicher 3.
Das System zur Kraft-Wärme-Kopplung weist einen Verbrennungsmotor 17 und einen Wärmespeicher 3 auf. Die Abgase des Verbrennungsmotors 17 werden durch einen Katalysator 12 geleitet und anschließend durch eine Gasleitung 2. Die Gasleitung 2 kann ein isolierter Schlauch sein, der am Auspuffende eines Kraftfahrzeugs befestigbar ist. Die heißen Abgase des Verbrennungsmotors werden über den Schlauch 2 in die eine Seite eines Wärmetauschers 1 geführt, wobei der Wärmetauscher 1 einen Kondensator aufweisen kann, der geeignet ist, die heißen Abgase durch Abkühlen zu verflüssigen, so dass durch die Abflussleitung 4 im Wesentlichen eine Flüssigkeit abgeleitet werden kann. Es wird jedoch angemerkt, dass die Abgase auch gasförmig den Wärmetauscher 1 verlassen können.
Der Wärmetauscher 1 ist auf seiner anderen Seite mit einem Wärmespeicher 3 verbunden. Der Wärmespeicher 3 kann ein Flüssigkeitstank von beispielsweise 750–1000 l Wasser sein, welcher für die Warmwasser- und Heizwärmeversorgung eines Einfamilienhauses ausreichend wäre. Der Warmwasserspeicher 3 wäre dementsprechend sowohl mit einer Warmwasser-Nutzleitung 13 sowie mit Heizkörpern 14 verbunden.
In der Immobilie 16 können ferner ein Hausnetz bzw. eine Elektroinstallation 9 vorgesehen. Ferner kann ein Kraftstofftank 6 vorgesehen sein.
Das Fahrzeug 15 weist neben dem Verbrennungsmotor 17 einen Generator 11, einen Speicher für elektrische Energie, d. h. eine Batterie 8, einen Kraftstofftank 7 sowie optional einen Heizstofftank 6b auf. Kraftstoff aus dem Kraftstofftank 7 oder Heizstoff aus dem Heizstofftank 6b kann dem Verbrennungsmotor 17 zugeführt werden, so dass bei einem Betrieb des Verbrennungsmotors 17 der Generator 11 angetrieben wird, welcher wiederum die mechanische Energie des Verbrennungsmotors 17 in elektrische Energie umwandelt, wobei die elektrische Energie über einen Pulswechselrichter der Batterie 8 zum Aufladen derselben zuführen kann.
Zwischen dem Fahrzeug 15 und der Immobilie 16 können mehrere Verbindungen vorgesehen sein. Einerseits ist mit dem Bezugszeichen A die Verbindung zwischen dem Fahrzeug 15 und der Immobilie 16 bezeichnet, über welche heiße Abgase von dem Verbrennungsmotor 17 zu dem Wärmetauscher 1 geführt werden können.
Mit dem Bezugszeichen B ist schematisch ein Informationsfluss dargestellt. Beispielsweise kann ein Temperatursensor an dem Wärmetauscher 3 die in dem Wärmespeicher vorliegende Temperatur erfassen und diesen Wert zu einer Regelungseinheit 5 in dem Kraftfahrzeug übertragen. Basierend auf dem erfassten Wert kann dann die Regelungseinheit den Verbrennungsmotor 17 steuern, das heißt beispielsweise bei Unterschreitung eines Minimalwertes den Verbrennungsmotor starten, um Wärme zum Aufheizen der Flüssigkeit in dem Wärmespeicher 3 zu erzeugen.
Mit dem Bezugszeichen C ist eine Verbindung zwischen einem Hausnetz bzw. einer Elektroinstallation 9 in der Immobilie 16 und dem Generator 11 in dem Fahrzeug 15 dargestellt. Über eine derartige Verbindung kann entweder elektrische Energie aus der Batterie 8 in das Hausnetz 9 fließen oder, bei Betrieb des Verbrennungsmotors 17, elektrische Energie von dem Generator direkt zu dem Hausnetz geführt werden. Die elektrische Energie kann nun entweder in dem Hausnetz 9 selbst oder auch weitergeleitet in einem allgemeinen Stromnetz genutzt werden.
Schließlich ist in der Figur eine Verbindung mit dem Bezugszeichen D zwischen einem Heizstofftank 6a in der Immobilie 16 und dem Fahrzeug 15 dargestellt. Über diese Leitung kann der Verbrennungsmotor 17 mit Heizstoff aus dem stationären Heizstofftank 6a versorgt werden. Diese Brennstoffleitung kann zunächst mit einem Schalter 18 verbunden sein, so dass zwischen einer Brennstoffversorgung des Verbrennungsmotors 17 aus dem Kraftstofftank 7 des Fahrzeugs und dem stationären Heizstofftank 6a in der Immobilie umgeschaltet werden kann.
Wenn das Fahrzeug 15 zusätzlich mit einem Heizstofftank 6b ausgestattet ist, kann der Schalter 18 so gestaltet sein, dass der Verbrennungsmotor entweder aus dem Kraftstofftank 7 oder aus dem Heizstofftank 6b mit Brennstoff versorgt werden kann, oder alternativ aus dem stationären Heizstofftank 6a, wenn dieser mit dem Fahrzeug verbunden ist. Der Heizstoff kann sich vom Kraftstoff unterscheiden und bevorzugt im stationären Betrieb den Verbrennungsmotor antreiben. Ferner kann der Heizstoff als Brennstoff für beispielsweise eine Standheizung des Fahrzeugs eingesetzt werden.
Während die Erfindung illustriert und beschrieben wurde im Detail in der Zeichnung und der vorangegangenen Beschreibung, sollen solche Illustrationen und Beschreibungen lediglich illustrativ oder exemplarisch angesehen werden und nicht als restriktiv. Die Erfindung ist nicht auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt. Andere Variationen der offenbarten Ausführungsformen können verstanden und bewirkt werden durch einen Fachmann beim Umsetzen der beanspruchten Erfindung, aus dem Studium der Zeichnung, der Offenbarung und der anhängenden Ansprüche. In den Ansprüchen schließt das Wort „aufweisend” andere Elemente nicht aus und der unbestimmte Artikel „ein” schließt eine Mehrzahl nicht aus. Alleinig der Umstand, dass einzelne Merkmale in unterschiedlichen abhängigen Ansprüchen genannt sind, soll nicht bedeuten, dass eine Kombination dieser Merkmale nicht vorteilhaft eingesetzt werden kann. Die Bezugszeichen in den Ansprüchen sollen den Umfang derselben nicht beschränken.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 10159652 [0002]

Claims

Ein System zur Kraft-Wärme-Kopplung, aufweisend einen Verbrennungsmotor (17) und einen Wärmespeicher (3), wobei der Verbrennungsmotor (17) in einem Kraftfahrzeug (15) angeordnet ist, wobei der Wärmespeicher (3) stationär angeordnet ist, und wobei der Verbrennungsmotor (17) mit dem Wärmespeicher (3) koppelbar ist, so dass die Wärme der Abgase des Verbrennungsmotors dem Wärmespeicher zuführbar ist.
Das System nach Anspruch 1, ferner aufweisend einen Generator (11) und einen Speicher für elektrische Energie (8), wobei der Generator (11) in dem Kraftfahrzeug (15) angeordnet ist und zur Erzeugung von elektrischer Energie mit dem Verbrennungsmotor (17) gekoppelt ist, und wobei der Speicher für elektrische Energie (8) mit dem Generator (11) verbunden ist, zum Speichern der von dem Generator erzeugten elektrischen Energie.
Das System nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Verbrennungsmotor (17) über eine Gasleitung (2) und einen Wärmetauscher (1) mit dem Wärmespeicher (3) gekoppelt ist.
Das System nach Anspruch 3, wobei die Abgase in dem Wärmetauscher (1) verflüssigt werden.
Das System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Wärmespeicher (3) ein Flüssigkeitstank in einer Immobilie (16) ist.
Das System nach Anspruch 2, wobei der Generator (11) und/oder der Speicher für elektrische Energie (8) mit einem allgemeinen Stromnetz (10) koppelbar ist.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Verbrennungsmotor (17) wahlweise mit einem Kraftstofftank (7) der in dem Kraftfahrzeug angeordnet ist, oder mit einem stationären Heizstofftank (6a) verbindbar ist, zur Brennstoffversorgung des Verbrennungsmotors.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Verbrennungsmotor (17) wahlweise mit einem Kraftstofftank (7) oder mit einem Heizstofftank (6b) verbindbar ist, zur Brennstoffversorgung des Verbrennungsmotors, wobei der Kraftstofftank (7) und der Heizstofftank (6b) in dem Kraftfahrzeug angeordnet sind.
Das System nach einem der Ansprüche 1 bis 8, ferner eine Regelungseinheit (5) aufweisend, wobei die Regelungseinheit (5) in Abhängigkeit von der im Wärmespeicher (3) gespeicherten Energiemenge den Verbrennungsmotor (17) steuert.
Verwendung eines Kraftfahrzeugs (15) mit Verbrennungsmotor (17) zum Bereitstellen von Wärme für einen stationären Wärmespeicher (3), wobei die Abgase des Verbrennungsmotors (17) zur Übertragung der Wärme genutzt werden.
Die Verwendung nach Anspruch 10, wobei das Kraftfahrzeug (15) ferner einen Generator (11) aufweist, zum Bereitstellen von elektrischer Energie.