DE102011014531A1

DE102011014531A1 - Verfahren zur Integration von solar-regenerativer Energie in die Energieversorgung

Info

Publication number: DE102011014531A1
Application number: DE102011014531A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Wfk Haus und Energie Ug Haftungsbeschraenkt De
Priority date: 2011-03-18
Filing date: 2011-03-18
Publication date: 2012-09-20
Anticipated expiration: 2031-03-19
Also published as: DE102011014531B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Integration von regenerativer Energie in die Energieversorgung und damit eine Lastregelung in elektrischen Versorgungssystemen mithilfe von modernen elektrischen Wärmepumpen und Heizwasserschichtenspeichern sowie die Ablösung fossiler Brennstoffe in der Wärme- und Warmwasserversorgung.
Erfindungsgemäß wird zwischen den regenerativen Energiequellen und dem Wärme- und Warmwasserversorgungssystem ein Heizwärmeschichtenspeicher als Systemspeicher angeordnet, der durch eine elektrische Wärmepumpe je nach Verfügbarkeit von regenerativer Energie zyklisch aufgeladen und je nach Wärme- und Warmwasserbedarf entladen wird.
Die für den Wärmepumpeneinsatz optimalen thermodynamischen Voraussetzungen werden durch die Entnahme der Heizwärme sowie einen Warmwasserschichtenspeicher, die zwischen einer zweistufigen Aufwärmung von Trinkwasser zu Warmwasser angeordnet sind, erreicht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Integration von solar-regenerativer Energie, insbesondere von Sonnenstrahlung und Windenergie, in die Elektroenergieversorgung.
Das Anwendungsgebiet der Erfindung ist die private und öffentliche Energieversorgung in Kommunen, im Gewerbe und in der Industrie.
Beim Stand der Technik bestimmt das Verhalten der Kunden als Energieanwender weitestgehend die Auslastung der Anlagen zur Energieumwandlung, -fortleitung und -verteilung. Die bedarfsgerechte Versorgung der Kunden erfordert deshalb regelbare Anlagen zur Stromerzeugung mit installierten Leistungen, die dem Spitzenbedarf entsprechen, zuzüglich Reservekapazität. Die Flexibilität der Energieumwandlung ist in der konventionellen Energiewirtschaft gesichert durch die natürlichen Lagerstätten an Kohle, Öl und Gas und die Speicherung der Brennstoffe in Kohlehalden, Öltanks, Gasspeichern und Pipelines, die die Funktion der Energiespeicherung übernehmen.
Beim Stand der Technik können elektrische Batterien und Akkumulatoren keinen signifikanten Beitrag zur Speicherung von Energie und damit zum Lastausgleich leisten.
Zum Zwecke der Energiespeicherung wurden deshalb regelbare Massenspeicher (Pumpspeicherwerke und Stauseen) errichtet, die die vorteilhafte Speicherung von Wasser für die Bereitstellung von elektrischen Spitzenleistungen ermöglichen. Eine andere Möglichkeit, die elektrische Leistung zu regeln, bieten Anlagen, die nach dem Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung arbeiten und die eine regelbare Auskopplung von Wärme aus dem Kraftprozess ermöglichen. Durch Kopplung dieser Anlagen mit Heizwasserspeichern können diese in Zeiten des elektrischen Spitzenbedarfs im Kondensationsbetrieb und in Schwachlastzeiten mit optimaler Wärmeauskopplung betrieben werden. Der Nachteil dieses Standes der Technik der Kraft-Wärme-Kopplung in Heizkraftwerken ist, dass deren Betrieb den Einsatz von fossilen und gegebenenfalls atomaren Brennstoffen erfordert.
Trotz aller dieser Maßnahmen werden aufgrund des über den Tag, die Woche und die Jahreszeiten schwankenden Energiebedarfes die installierten Kapazitäten der Energieversorgung mit Elektroenergie im Jahresmittel meist nur mit ca. 60% ausgelastet, was das Vorhalten von Überkapazitäten in den Kraftwerken und den elektrischen Netzen erfordert, was die Wirtschaftlichkeit der Energieversorgung belastet.
Der Ausbau der regenerativen Energie verschärft die Diskrepanzen zwischen Energiebereitstellung und -bedarf, da solar-regenerative Energie in Form von Strahlungs- und Windenergie nicht wie Kohle, Öl und Gas gespeichert werden kann.
Sonne und Wind stehen unabhängig vom Energiebedarf der Abnehmer und nur zeitweise zur Verfügung. Vorgeschlagen werden derzeit deshalb u. a. Druckluftspeicher, die neben der Luft auch die bei der Kompression entstehende fühlbare Wärme speichern und die Umwandlung von solar-regenerativer Energie in chemische Energieträger wie Wasserstoff, Kohlenwasserstoffe und Alkohole.
Einen anderen Weg zeigen Vorschläge zum Einsatzmanagement von elektrischen Abnehmeranlagen (Kühlschränke u. a.), die eine Glättung des Lastganges in der Elektroenergieversorgung zum Ziel haben. Darunter fallen auch elektrische Wärmepumpen, die gegebenenfalls kombiniert mit Heizwasserspeichern, zu Zeiten des elektrischen Spitzenbedarfes nicht betrieben werden müssen.
Mit dem Ziel weitere Regelleistung in der Elektroenergieversorgung zu schaffen, wurden neuartige elektrische Wärmepumpen entwickelt, die als Alternative für konventionelle Heiz- und Heizkraftwerke eingesetzt werden sollen (siehe: www.thermea.de). Im Rahmen der Akquisition dafür zeigte sich aber, dass die für Heiz- und Heizkraftwerke ausgelegten und optimierten Wärmenetze aus thermodynamischen Gründen einen wirtschaftlichen Einsatz dieser Wärmepumpen wegen meist zu hoher Temperaturen des Heizwärmerücklaufes nicht ermöglichen.
Zusammengefasst ergibt sich, dass die zur Verfügung stehenden Möglichkeiten der Energiespeicherung und des Lastausgleiches in den elektrischen Netzen für die vollständige Umstellung der Energieversorgung von fossilen und atomaren Brennstoffen auf solar-regenerative Energie nicht ausreichen. Der weitere Ausbau der solarregenerativen Energie erfordert deshalb weitere neue Methoden der Energiespeicherung und der Lastregelung zwischen der solar-regenerativen Energiequelle und den Abnehmern.
Das Ziel der Erfindung ist ein Energiesystem zur weiteren Integration von solarregenerativer Energie in die bestehende Energieversorgung und die Ablösung der fossilen Brennstoffe aus dem Grundlastbetrieb, einschließlich derer, die für Kraft-Wärme-Prozesse in der Wärme- und Warmwasserversorgung eingesetzt werden, durch regenerative Energie.
Die technische Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung thermodynamisch besserer Voraussetzungen für die Integration abschaltbarer elektrischer Wärmepumpen in die Warmwasser- und Heizwärmeversorgung.
Das Ziel wird mithilfe von Heizwasserschichtenspeichern erreicht, die durch elektrische Wärmepumpen regelbar aufgeladen werden, und die Aufgabe wird durch Auskühlung des Rücklaufes in der bestehenden und zukünftigen Nah- und Fernwärmeversorgung erfindungsgemäß gelöst, indem zwischen die Anlagen zur Umwandlung von solar-regenerativer Energie in Elektroenergie (z. B. Photovoltaik- und Windkraftanlagen) und die Systeme der Heiz- und Warmwasserversorgung (Hausübergabestationen) ein Heizwasserschichtenspeicher des Standes der Technik als Systemspeicher integriert wird. Diesem Systemspeicher wird einerseits das aus dem System der Heiz- und Warmwasserversorgung zurück kommende ausgekühlte Heizwasser entsprechend Wärmelastgang von unten zugeführt und von dort zyklisch zum Zwecke der Wiederaufheizung wieder entnommen, im Heizkondensator mit einer elektrischen Wärmepumpe auf mindestens die Vorlauftemperatur des Heiz- und Warmwassersystems erhitzt und danach dem Systemspeicher von oben wieder zugeführt. Andererseits wird dem Systemspeicher von oben bedarfsgerecht Heizwasser entnommen, mindestens dreistufig durch indirekte Wärmeentnahme für die Warmwasserbereitung und die Wärmeversorgung ausgekühlt und danach von unten dem Systemspeicher wieder zugeführt, wobei die dritte und erste Stufe der Auskühlung der stufenweisen Aufwärmung von Frischwasser (Trinkwasser) zu Warmwasser dient und zwischen diesen Stufen dem Heizwasser die Wärme für die Heizwärmeversorgung entzogen wird und ein Schichtenspeicher angeordnet ist, dem Frischwasser (Trinkwasser) entsprechend Warmwasserbedarf von unten und in der dritten Stufe der Heizwasserauskühlung vorgewärmtes Warmwasser von oben und von dort der ersten Stufe der Heizwärmeversorgung zugeführt wird.
Erfindungsgemäß ist weiterhin, dass bei gleichzeitiger Warmwasser- und Wärmeversorgung die dem Warmwasserschichtenspeicher von unten zugeführte Frischwassermenge an die Wärmeabgabe in der zweiten Auskühlstufe angepasst ist und die Entnahme des vorgewärmten Frischwassers aus diesem von oben und die Zuführung zur ersten Auskühlstufe des Heizwassers dem Warmwasserbedarf entspricht.
Die Erfindung ermöglicht vorteilhaft die Umwandlung von Umgebungswärme mithilfe von regenerativer Energie in über mehrere Tage speicherbare Nutzenergie für die bedarfsgerechte Warmwasser- und Heizwärmeversorgung, weitgehend unabhängig von der Verfügbarkeit der regenerativen Energie. Sie ermöglicht damit die Integration der Wärme- und Warmwasserversorgung in das System der Elektroenergieversorgung als Regelgröße der elektrischen Leistung und damit indirekt einen Beitrag zur Energiespeicherung als Voraussetzung für den weiteren Ausbau der solarregenerativen Energie sowie die Ablösung der fossilen Brennstoffe aus der Wärme- und Warmwassererzeugung, einschließlich der Kraft-Wärme-Kopplung.
Beim heutigen Stand der Energieversorgung in Deutschland werden mehr als die Hälfte der fossilen Brennstoffe für die Wärme- und Warmwasserversorgung eingesetzt, also weit mehr als für die technische Arbeit zum Zwecke der Erzeugung von Elektroenergie oder Mobilität. Die Erfindung ermöglicht die Integration der Warmwasser- und Heizwärmeversorgung als regelbaren Großabnehmer für Elektroenergie und damit einen signifikanten Beitrag zur Ablösung von fossilen Brennstoffen durch regenerative Energie im volkswirtschaftlichen Maßstabe.
Ausführungsbeispiel:
Die Erfindung wird mithilfe von 1 wie folgt beschrieben:
Die solar regenerative Energie wird durch Photovoltaik- (1) und Windkraftanlagen (2) zyklisch in Elektroenergie umgewandelt, die den Elektromotor (4) des Verdichters (5) einer Wärmepumpe antreibt. Möglich ist auch ein direkter mechanischer Antrieb des Verdichters (5) durch die Windkraftanlage (2). Parallel zum Elektromotor (4) ist ein elektrischer Speicher (3) installiert, der bei niedriger Leistung der Stromerzeuger (1) und (2) Elektroenergie solange aufnimmt und speichert, bis die so gespeicherte elektrische Arbeit eine qualitätsgerechte Versorgung des Elektromotors der Wärmepumpe (4) oder anderer Elektroenergieverbraucher ermöglicht. Dieser Speicher (3) kann auch eine Batterie eines Elektroautos, -bootes oder anderen Gerätes sein.
Die Wärmepumpenanlage besteht mindestens aus dem Elektromotor (4), dem Verdichter (5), dem Heizkondensator (6), dem Drosselventil (9) und dem Verdampfer (10), dem die für die Verdampfung des Wärmepumpenarbeitsmittels erforderliche Wärme durch die Umgebungswärmequelle (11) zugeführt wird. Zwischen dem Heizkondensator (6) kann eine Strahlpumpe (7) angeordnet sein, die das gasförmige Arbeitsmittel der Wärmepumpe aus dem Verdampfer (10) ansaugt und vor dessen Ableitung in den Verdichter (5) im Druck erhöht, während das nach der Strahlpumpe (7) vorliegende flüssige Arbeitsmittel (8) wie bekannt über das Drosselventil (9) in den Verdampfer (10) eingespritzt wird. Die für die Warmwasser- und Heizwärmeversorgung erforderliche Energie liefern zu 65 bis 80% die Umgebungswärmequelle (11) und zu 20 bis 35% die regenerativen Energiequellen (1) und (2).
Zwischen der Wärmepumpenanlage und dem Heiz- und Warmwasserversorgungssystem, bestehend aus den der Warmwasserbereitung dienenden Rekuperatoren (13) und (15), zwischen denen ein Schichtenspeicher für vorgewärmtes Warmwasser (16) und der Rekuperator (14) zur bedarfsgerechten Auskopplung der Heizwärme für die Wärmesenke (19) angeordnet sind, ist der Heizwasserschichtenspeicher (12) als Systemspeicher angeordnet, dem einerseits von unten ausgekühltes Kreislaufwasser (23) aus dem Heiz- und Warmwasserversorgungssystem zugeführt oder entnommen und dem Heizkondensator (6) der Wärmepumpenanlage zugeführt und aus dem andererseits von oben aus dem Heizkondensator (6) heißes Wasser zugeführt und als Vorlaufwasser dem Rekuperator (13) des Heiz- und Warmwasserversorgungssystems zugeführt wird.
Moderne Wärmepumpen (www.thermea.de) ermöglichen die Beladung des Systemspeichers (12) mit Heizwasser aus dem Rekuperator (6) und einen Heizwasservorlauf für das Wärme- und Warmwassersystem mit einer Temperatur von über 100°C, ausreichend, um das aus dem Schichtenspeicher (16) dem Rekuperator (13) mit unter 40°C zufließende, vorgewärmte Wasser auf über 70°C zu erhitzen und damit zu entkeimen. Die für die Entkeimung erforderliche Verweilzeit wird mit dem Warmwasserspeicher (16) erreicht.
Das durch die Warmwasserbereitung im Rekuperator (13) um maximal 35 K ausgekühlte Heizwasser aus dem Systemspeicher (12) wird über den Bypass (24) auf die für die Wärmeversorgung der Wärmesenke (19) erforderliche Vorlauftemperatur angehoben, die beim Stand der Technik zwischen 50 und 90°C beträgt. Das so für die Wärmeversorgung zur Verfügung stehende Wasser wird dem Rekuperator (14) zugeführt, dort durch das Rücklaufwasser aus der Wärmesenke (19) durch Regelung der Rücklauftemperatur auf mindestens 45°C ausgekühlt. Das dem Rekuperator (15) aus Rekuperator (14) zufließende Wasser wird danach im Rekuperator (15) durch aus dem Warmwasserschichtenspeicher (16) zufließendes Trinkwasser, das über die Trinkwasserleitung (20) eingespeist wird, auf unter 35°C ausgekühlt und dem Systemspeicher (12) zugeleitet. Die Anordnung des Warmwasserschichtenspeichers (16) zwischen den Rekuperatoren (13) und (15) ermöglicht einerseits unabhängig von der Wärmeabgabe die bedarfsgerechte Versorgung der Warmwasserabnehmer (18) und andererseits die an die Abgabe von Wärme an die Wärmesenke (19) gekoppelte Zuführung von Trinkwasser über (20) und damit die geregelte Auskühlung des Heizwärmerücklaufes im Rekuperator (15) durch eine zum Heizwärmebedarf direktproportionale Regelung der Trinkwasserzuführung über (20). Der Warmwasserschichtenspeicher (16) sichert also die maximale Auskühlung des dem Systemspeicher (12) zufließenden Heizwärmerücklaufes und damit weitestgehend optimale Einsatzbedingungen für elektrischen Wärmepumpen in der Wärme- und Warmwassererzeugung und die Nutzung regenerativer Energie in den vorhandenen Energieversorgungssystemen.
Bezugszeichenliste

1: Photovoltaikanlage
2: Windkraftanlage
3: Elektrische Batterie
4: Elektromotor der Wärmepumpe
5: Wärmepumpenkompressor
6: Wärmepumpenheizkondensator
7: Strahlpumpe
8: Flüssiges Wärmepumpenarbeitsmittel
9: Drosselventil
10: Wärmepumpenverdampfer
11: Umgebungswärmequelle
12: Heizwärmeschichtenspeicher/Systemspeicher
13: 1. Stufe der Heizwasserauskühlung durch Trinkwasser
14: 2. Stufe der Heizwasserauskühlung durch Auskopplung von Heizwärme
15: 3. Stufe der Heizwärmeauskopplung durch Trinkwasser
16: Warmwasserschichtenspeicher
17: Warmwasserspeicher
18: Warmwasserabnehmer
19: Wärmesenke/Wärmeabnehmer
20: Trinkwasserzuführung
21: Abwasserleitung
22: Beladung Warmwasserschichtenspeicher
23: Be- und Entladung Systemspeicher
24: Heizwasserbypass

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 Nicht-Patentliteratur

www.thermea.de [0010]
www.thermea.de [0021]

Claims

Verfahren zur Integration von solar-regenerativer Energie in die Energieversorgung, dass die Umwandlung der regenerativen Energie in Elektroenergie mit einer elektrischen Wärmepumpe, einem Schichtenspeicher für Heizwasser und einer Übergabestation für Wärme und Warmwasser kombiniert, gekennzeichnet dadurch, dass zwischen die Anlagen zur Umwandlung von solarregenerative Energie in Elektroenergie (z. B. Photovoltaik- und Windkraftanlagen) und die Systeme der Heiz- und Warmwasserversorgung (Übergabestation) ein Heizwasserschichtenspeicher des Standes der Technik als Systemspeicher integriert wird. Diesem Systemspeicher wird einerseits das aus dem System der Heiz- und Warmwasserversorgung zurück kommende ausgekühlte Heizwasser entsprechend Lastgang von unten zugeführt und von dort zyklisch zum Zwecke der Wiederaufheizung wieder entnommen, im Heizkondensator mit einer elektrischen Wärmepumpe auf mindestens die Vorlauftemperatur des Heiz- und Warmwassersystems erhitzt und danach dem Systemspeicher von oben wieder zugeführt. Andererseits wird dem Systemspeicher von oben bedarfsgerecht Heizwasser entnommen, mindestens dreistufig durch indirekte Wärmeentnahme für die Warmwasserbereitung und die Wärmeversorgung ausgekühlt und danach von unten dem Systemspeicher wieder zugeführt, wobei die dritte und erste Stufe der Auskühlung der stufenweisen Aufwärmung von Frischwasser (Trinkwasser) zu Warmwasser dient und zwischen diesen Stufen dem Heizwasser die Wärme für die Heizwärmeversorgung entzogen wird und ein Schichtenspeicher angeordnet ist, dem Frischwasser (Trinkwasser) entsprechend Warmwasserbedarf von unten und in der dritten Stufe der Heizwasserauskühlung vorgewärmtes Warmwasser von oben und von dort der ersten Stufe der Heizwärmeversorgung zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei gleichzeitiger Warmwasser- und Wärmeversorgung, die dem Warmwasserschichtenspeicher von unten zugeführte Frischwassermenge an die Wärmeabgabe in der zweiten Auskühlstufe angepasst ist und die Entnahme des vorgewärmten Frischwassers aus diesem von oben und die Zuführung zur ersten Auskühlstufe des Heizwassers dem Warmwasserbedarf entspricht.