-
Die Erfindung betrifft eine Energieversorgungseinrichtung für ein Blockheizkraftwerk und/oder ein Fahrzeug mit elektrischem Antrieb, wobei die Energieversorgungseinrichtung eine Wärmequelle, einen Wärmetauscher, eine Turbine und eine der Turbine zugeordnete Elektromaschine aufweist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Energieversorgungseinrichtung.
-
Eine Energieversorgungseinrichtung der genannten Art ist aus der Druckschrift
DE 102 29 956 A1 bekannt. Diese zeigt eine Energieversorgungseinrichtung, bei der ein Medium durch Sonnenstrahlen oder eine Verbrennung erwärmt und verdampft wird. Dabei wird von dem dampfförmigen Medium eine Turbine angetrieben, welcher ein Generator zugeordnet ist
-
Es ist weiterhin durch die Druckschrift
DE 10 2008 006 705 A1 eine Energieversorgungseinrichtung für ein Fahrzeug bekannt, bei der die elektrische Energie mittels eines thermoelektrischen Generators erzeugt wird. Dabei wird die elektrische Spannung genutzt, die bei einem Temperaturunterschied zwischen zwei Punkten eines elektrischen Leiters entsteht.
-
Aus nicht vorveröffentlichtem Stand der Technik, der
DE 10 2009 053 379 , ist ein Brenner bekannt, der eine Brennkammer aufweist, in der ein Gemisch aus einem Sauerstoff enthaltenden Gas und Kraftstoff verbrennbar ist. Hierbei ist ein Hochdruckeinspritzventil vorgesehen, welches den Kraftstoff direkt in die Brennkammer einspritzt.
-
Weiterhin ist aus der Druckschrift
DE 10 2004 055 383 A1 ein Brenner für eine Energieversorgungseinrichtung bekannt.
-
In der Druckschrift
DE 196 02 330 C1 ist ein Blockheizkraftwerk als stationäre Energieversorgungseinrichtung mit einem stufenlos regelbaren Brenner beschrieben.
-
Stationäre Energieversorgungseinrichtungen wie Blockheizkraftwerke und mobile Energieversorgungseinrichtungen wie beispielsweise Hybridfahrzeuge nutzen in der Regel einen Hubkolbenmotor, um aus einem Verbrennungsprozess mechanische Energie zu generieren, welche dann in elektrische Energie umgewandelt wird. Die dabei als Abfallprodukt entstehende thermische Energie wird für Heizzwecke eingesetzt, um so den Wirkungsgrad der Energieversorgungseinrichtung zu verbessern. Ein Hubkolbenmotor ist eine Maschine mit komplexer Mechanik und einem relativ hohen Anschaffungspreis.
-
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Energieversorgungseinrichtung der eingangs genannten Art derart auszuführen, dass die Energieversorgungseinrichtung bei einem einfachen mechanischen Aufbau einen hohen Wirkungsgrad und zugleich einen geringen Anschaffungspreis aufweist.
-
Diese Aufgabe wird gelöst mit einer Energieversorgungseinrichtung gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Die Unteransprüche betreffen besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung.
-
Erfindungsgemäß ist also eine Energieversorgungseinrichtung vorgesehen, die einen Verdichter aufweist, der einer Luftleitung des Brenners zugeordnet ist. Durch den Einsatz eines hochdynamischen und in weiten Bereichen der Leistung und Luftzahl modellierbaren Brenners wird es möglich, eine Energieversorgungseinrichtung zu schaffen, die sehr einfach aufgebaut ist und somit die Herstellungskosten gegenüber einem klassischem Blockheizkraftwerk deutlich verringert. Dabei hat es sich als günstig erwiesen, dass der Brenner für feste, flüssige und/oder gasförmige Brennstoffe geeignet ist. Vorzugsweise werden als Brennstoff Fluide wie Gas, Öl, Diesel, Benzin oder regenerative Brennstoffe wie Pflanzenöl, Ethanol oder Biogas verwendet. Des Weiteren zeichnet sich eine solche Energieversorgungseinrichtung durch einen geringeren Wartungsaufwand gegenüber einem Hubkolbenmotor aus. Darüber hinaus wird es durch den Einsatz eines Abgasturboladers mit einem Verdichter in der Zuluftleitung des Brenners möglich, die zugeführte Frischluft und/oder das zugeführte Luft-Brennstoff-Gemisch mit Druck aufzuladen und so die Leistung des Brenners und dessen Wirkungsgrad zu verbessern.
-
Erfindungsgemäß wird die Turbine dabei von dem Enthalpiegefälle des ihr zur Verfügung gestellten Abgases des Brenners angetrieben.
-
Vorteilhaft ist es, dass die Elektromaschine, die Turbine und/oder der Verdichter auf einer gemeinsamen Welle angeordnet sind. Hierdurch wird eine nahezu verlustfreie Übertragung der Rotationsenergie gewährleistet. Darüber hinaus benötigt eine solche Anordnung nur geringen Bauraum und ist vor allem wegen der geringen Anzahl an Teilen für den Übertragungsweg äußerst wartungsarm.
-
Weiterhin ist es vorteilhaft, dass der Wärmetauscher einer Abgasleitung des Brenners zugeordnet ist. Hierdurch ist es möglich, die Wärme des Abgases als Nutzwärme zu verwenden. Bei einer stationären Energieversorgungseinrichtung wie einem Blockheizkraftwerk kann an den Wärmetauscher ein Standardhydraulikkreis einer Heizungsanlage zur Bereitstellung von Heiz- und Brauchwasser angeschlossen werden. Bei einer mobilen Energieversorgungseinrichtung, wie sie beispielsweise in einem Fahrzeug mit reinem Elektroantrieb Anwendung finden könnte, kann die Wärmeenergie zum Komfortheizen des Fahrgastraums verwendet werden. Darüber hinaus dient die Energieversorgungseinrichtung in einem solchen Fahrzeug als sogenannter Range Extender. Mit der von der Energieversorgungseinrichtung erzeugten elektrischen Energie kann ein Elektroantrieb eines Fahrzeugs direkt gespeist und/oder die Speicherbatterie des Fahrzeugs geladen werden.
-
Dabei ist es günstig, dass der Wärmetauscher eine Umgehung aufweist. Der Bypass des Wärmetauschers ermöglicht es, auf die gewünschte Betriebsstrategie der Energieversorgungseinrichtung Einfluss zu nehmen. Die Umgehung wird beispielsweise bei einem hohen Bedarf an Nutzwärme geschlossen und das Abgas über den Wärmetauscher geleitet, sodass dem Abgas Energie entzogen wird, welche dem Hydraulikkreis der Heiz- und Brauchwassererwärmung zugeführt oder zum Komfortheizen des Fahrgastraums genutzt wird. Wird keine Nutzwärme benötigt, wird das heiße Abgas über die Umgehung an dem Wärmetauscher vorbeigeführt und kann dann zum Beispiel der Temperierung einer Abgasnachbehandlungseinrichtung dienen. Die Abgasnachbehandlungseinrichtung umfasst zumindest einen Katalysator und/oder einen Partikelfilter.
-
Als Wärmeübertragungsmedium wird vorzugsweise Wasser oder ein Wasser-Glykol-Gemisch eingesetzt. Dies ist, insbesondere bei einer möglichen Leckage, unproblematisch und leicht zu ersetzen, da Wasser relativ preiswert und überall verfügbar ist.
-
Die Aufgabe wird weiterhin gelöst mit einem Verfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 5. Die Unteransprüche betreffen besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung.
-
Erfindungsgemäß ist also ein Verfahren zum Betrieb einer Energieversorgungseinrichtung vorgesehen, bei dem beim Betriebsstart der Energieversorgungseinrichtung die Elektromaschinemotorisch betrieben wird. Hierdurch ist es möglich, vor dem Start des Brenners mittels des nun elektrisch angetriebenen Verdichters komprimierte Luft für den Start des Brenners zur Verfügung zu stellen. Darüber hinaus wird die Abgasturbine bereits auf eine Grunddrehzahl gebracht. Für den Betrieb der Elektromaschine als Motor ist es günstig, dass die Elektromaschine als eine Vierquadranten-Elektromaschine ausgeführt ist.
-
Günstig ist es, dass bei Erreichen eines Regelbetriebs des Brenners die Elektromaschine generatorisch betrieben wird. So kann nach erfolgtem Start des Brenners die Elektromaschine in den Generatorbetrieb umgeschaltet werden und zur Umwandlung von thermischer Energie in elektrische Energie dienen. Die elektrische Energie kann je nach Verwendung der Energieversorgungseinrichtung ins Stromnetz eingespeist oder einem Elektroantrieb eines Fahrzeugs zur Verfügung gestellt werden.
-
Die nach dem Verlassen der Turbine noch vorhandene Abgasenergie wird nun über einen Wärmetauscher geführt. Dabei ist es vorteilhaft, dass in Abhängigkeit der Anforderung an Nutzwärme die Leistung des Wärmetauschers mittels einer Umgehung beeinflusst wird. So kann die dem Abgas entzogene Energie beispielsweise zur Erwärmung von Brauchwasser und Nutzwasser verwendet werden. Wird keine Nutzwärme benötigt, wird das heiße Abgas über die Umgehung an dem Wärmetauscher vorbeigeführt und kann dann zum Beispiel der Temperierung einer Abgasnachbehandlungseinrichtung dienen.
-
Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese zeigt eine Energieversorgungseinrichtung 1 für den mobilen und/oder stationären Einsatz. Die Energieversorgungseinrichtung 1 umfasst einen Brenner 2, einen Wärmetauscher 3, eine Elektromaschine 4 und einen Abgasturbolader mit einer Turbine 5 sowie einem Verdichter 6. Mit dem Verdichter 6 wird die durch eine Luftleitung 7 dem Brenner 2 zugeführte Frischluft 8 verdichtet. Weiterhin wird dem Brenner 2 ein Brennstoff 9 zugeführt. Die Regelung des Brenners 2, insbesondere die Zumessung des Brennstoffs 9, erfolgt mittels eines Steuergeräts 10. In einer Abgasleitung 12 ist in Strömungsrichtung des Abgases 13 nach dem Brenner 2 die Turbine 5 angeordnet, die von dem Abgas 13 des Brenners 2 angetrieben wird. Die Turbine 5 ist mit der Elektromaschine 4 und dem Verdichter 6 auf einer gemeinsamen Welle 11 angeordnet. In der Turbine 5 wird das Heißgas entspannt und dessen thermische Energie in Rotationsenergie umgewandelt. Die Rotationsenergie wird über die Welle 11 unmittelbar auf den Verdichter 6 und die Elektromaschine 4 übertragen. Die Elektromaschine 4 ist vorzugsweise eine Vierquadranten-Elektromaschine. Im Regelbetrieb der Energieversorgungseinrichtung 1 dient die Elektromaschine 4 als Generator. Die von der Elektromaschine 4 erzeugte elektrische Energie kann einem Speicher oder einem Verbraucher zugeführt oder in ein Netz gespeist werden. Letzteres bietet sich bei einer stationären Energieversorgungseinrichtung 1, ersteres bei einer mobilen Energieversorgungseinrichtung 1 an.
-
Das Steuergerät 10 dient der Ansteuerung des Brenners 2 und der Abgasnachbehandlung 16. Das Steuergerät 10, ein Wärmesteuergerät 17, beispielsweise einer Heizungsanlage eines Gebäudes, und eine Leistungselektronik 18 zur Einspeisung der erzeugten elektrischen Energie sind über eine Datenleitung 19, insbesondere einen Datenbus, miteinander verbunden.
-
Beim Betriebsstart der Energieversorgungseinrichtung 1 dient die Elektromaschine 4 als Motor, mittels dessen der Verdichter 6 Frischluft für den Start des Brenners 2 komprimiert. Weiterhin wird die Turbine 5 bereits auf eine Grunddrehzahl gebracht. Bei Erreichen eines Regelbetriebs des Brenners 2 dient die Elektromaschine 4 als Generator.
-
Nach dem Verlassen der Turbine 5 hat das Abgas 13 noch eine hohe Temperatur. Diese Wärme des Abgases 13 wird mittels des Wärmetauschers 3 nutzbar gemacht. Der in der Abgasleitung 12 angeordnete Wärmetauscher 3 überträgt die Wärmeenergie an einen Heizungskreis einer stationären oder mobilen Heizungsanlage. So kann die Wärmeenergie beispielsweise bei einer mobilen Energieversorgungseinrichtung 1 zum Komfortheizen in einem Fahrgastraum oder bei einer stationären Energieversorgungseinrichtung 1 zur Erwärmung von Nutzwasser und Brauchwasser genutzt werden.
-
Um beispielsweise eine Abgasnachbehandlungseinrichtung 16 mit Wärme versorgen zu können, hat der Wärmetauscher 3 eine Umgehung 14. In der dargestellten Ausführungsform sind die Umgehung 14 und der Wärmetauscher 3 als ein Bauelement mit einem gemeinsamen Gehäuse ausgeführt. Die Leitung des Abgases 13 zum Wärmetauscher 3 und/oder zur Umleitung 14 erfolgt mittels zumindest einer Umschaltklappe 15. In der dargestellten Figur ist, die Umschaltklappe 15 so positioniert, dass das Abgas 13 durch die Umgehung 14 an dem Wärmetauscher 3 vorbei geführt wird. So kann die Wärme des Abgases 13 für die Erwärmung der Abgasnachbehandlungseinrichtung 16 genutzt werden, insbesondere zum Erreichen und Halten einer Betriebstemperatur, einer Anspringtemperatur oder einer Regenerationstemperatur. In der hier nicht dargestellten entgegengesetzten Stellung der Umschaltklappe 15 wird das Abgas 13 ausschließlich über den Wärmetauscher 3 geführt. Die mittels des Wärmetauschers 3 dem Abgas 13 entzogene Wärme kann als Nutzwärme, beispielsweise zum Komfortheizen in einem Fahrzeug oder zur Erwärmung von Brauchwasser, verwendet werden. In einer Zwischenstellung der Umschaltklappe 15 ist ein Mischbetrieb möglich. Die Umschaltklappe 15 ist stufenlos motorisch verstellbar.
-
Die Energieversorgungseinrichtung 1 weist eine Ölpumpe 20 auf, mittels derer die Lager der Welle 11, des Verdichters 6, der Turbine 5 und der Elektromaschine 4 mit Schmierstoff versorgt werden. Die Ölpumpe 20 entnimmt einem Speicher 21 den Schmierstoff und verdichtet ihn. Die Ölpumpe 20 kann als separates Aggregat oder in einem gemeinsamen Gehäuse mit der Welle 11 vorgesehen sein.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Energieversorgungseinrichtung
- 2
- Brenner
- 3
- Wärmetauscher
- 4
- Elektromaschine
- 5
- Turbine
- 6
- Verdichter
- 7
- Luftleitung
- 8
- Frischluft
- 9
- Brennstoff
- 10
- Steuergerät
- 11
- Welle
- 12
- Abgasleitung
- 13
- Abgas
- 14
- Umgehung
- 15
- Umschaltklappe
- 16
- Abgasnachbehandlungseinrichtung
- 17
- Wärmesteuergerät
- 18
- Leistungselektronik
- 19
- Datenleitung
- 20
- Ölpumpe
- 21
- Speicher
-
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
-
- DE 10229956 A1 [0002]
- DE 102008006705 A1 [0003]
- DE 102009053379 [0004]
- DE 102004055383 A1 [0005]
- DE 19602330 C1 [0006]
