DE102012017194A1 - Wirtschaftliche und energieefiziente Nutzung von Hybridmotoren und Wärmespeichern für den mobilen Einsatz in Kraftfahrzeugen und für den stationären Einsatz als Blockheizkraftwerk (BHKW) - Google Patents

Wirtschaftliche und energieefiziente Nutzung von Hybridmotoren und Wärmespeichern für den mobilen Einsatz in Kraftfahrzeugen und für den stationären Einsatz als Blockheizkraftwerk (BHKW) Download PDF

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Abstract

Fahrzeug mit einer Vorrichtung zur Aufnahme eines Powerblocks (22) in Form eines ein- und ausbaubaren Moduls umfasst, wobei der Powerblock (22) umfasst a) einen Verbrennungsmotor (2) und einen Elektromotor und/oder Elektrogenerator (3), oder b) einen Brennstoffzellenblock (5), ferner umfasst das Fahrzeug eine Wärmespeichereinheit (23) mit Wärmespeicher (10) in Form eines ein- und ausbaubaren Moduls (23), wobei der Wärmespeicher mit mindestens einem Wärmetauscher verbunden ist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung verbessert die Energieeffizienz als auch die wirtschaftliche Nutzung von Hybridmotoren und Wärmespeichern in Fahrzeugen. Zudem können die Hybridmotoren und Wärmespeicher als BHKW genutzt werden. Ein hier genannter „Powerblock”, umfasst zum Beispiel einen Verbrennungsmotor (Treibstoff z. B. Diesel, Gas, Benzin, Wasserstoff) mit elektrischem Generator zur Erzeugung elektrischen Stromes bzw. einer Brennstoffzelle zur direkten Wandlung von chemischer in elektrische Energie, und einem Wärmespeicher und kann mehrfach genutzt werden.
  • Stand der Technik
  • Hybrid- und Elektrofahrzeuge sind Trends in der Kraftfahrzeugindustrie zur Bereitstellung von alternativen Antrieben zur weiteren Reduzierung des Verbrauchs und der Emissionen sowie zur Erfüllung der künftigen gesetzlichen Auflagen. Durch die umfangreichen globalen Entwicklungs- und Forschungsaktivitäten wird in den nächsten Jahren das kommerzielle Produktportfolio von Hybrid- und Elektrofahrzeugen stark zunehmen. Die erhöhten Kosten durch die elektrischen Speichermedien sowie die bei Hybridfahrzeugen zusätzlich eingebaute Technologie von Verbrennungsmotor, Generator und elektrischem Antrieb sind kommerzielle Herausforderungen.
  • Bei der Umwandlung der chemischen in elektrische Energie durch Verbrennungsmotoren bzw. Brennstoffzellen wird ein großer Anteil der Energie in Wärme umgewandelt, die nur teilweise zur Beheizung des Fahrzeuges verwendet wird. Die effiziente Nutzung von Energie durch bislang ortsfeste BHKWs verbindet die Erzeugung elektrischer Energie mit der Nutzung der dabei entstehenden Abwärme zur Beheizung von Brauchwasser, Prozesswärme für die Industrie oder zum Beheizen von Gebäuden. Ein Nutzungsgrad der eingesetzten Energie von > 80% ist heute Stand der Technik. Die Installation von dieser BHKWs wird daher bezuschusst, um die Energieeffizienz zu steigern und die heute noch hohen Investitionskosten zu senken.
  • Der starke Ausbau der erneuerbaren Energiegewinnung durch Photovoltaikanlagen und Windkraftanlagen führt zu stark fluktuierender Energieerzeugung. Die elektrische Energie ist durch andere Energieformen nur sehr kostenintensiv speicherbar. Die Erzeugung und der Verbrauch von elektrischer Energie müssen zu jedem Zeitpunkt ausgeglichen sein, um eine starke Netzschwankung zu vermeiden. Zum einen aufgrund der sehr stark schwankenden Erzeugung von volatiler erneuerbarer Energie und zum anderen aufgrund der schwankenden Nachfrage werden immer häufiger konventionelle Kraftwerke als Reserveenergie bereitgestellt, um bei zu geringer Erzeugung von Strom elektrische Energie einzuspeisen bzw. bei Überangebot von Strom die Produktion zu reduzieren. Des Weiteren kann der Powerblock Regelleistung bereitstellen, die sogenannten Primär- und Sekundärregelung. Diese Aufgaben werden zurzeit von den Netzbetreibern bereitgestellt zur Sicherung der Netzstabilität und von den Kunden bezahlt. Diese Dienste könnten somit auch von den Besitzern des Powerblocks bereitgestellt und gegen End Geld honoriert werden.
  • Die DE 10 2008 021 879 A1 „Verfahren und Vorrichtung zur Beheizung und/oder Stromversorgung eines Gebäudes” ist bereits bekannt und betrifft allgemein die Beheizung und/oder Stromversorgung eines Gebäudes, insbesondere eines Wohnhauses. Die Erfindung betrifft dabei einerseits die Verwendung eines Kraftfahrzeugs hierfür sowie eine Kraftfahrzeug, das in geeigneter Weise ausgebildet ist, um zur Beheizung und/oder Stromversorgung eines Gebäudes verwendet werden zu können. Es wird vorgeschlagen, ein Kraftfahrzeug mit einem Hybridantrieb, der einen Verbrennungsmotor und einen Elektromotor/-generator umfasst, als Blockheizkraftwerk zur Beheizung und/oder Stromversorgung des Gebäudes zu verwenden. Die vom Verbrennungsmotor erzeugte Wärme kann zur Beheizung des Gebäudes genutzt werden, während der vom Elektromotor/-generator erzeugte Strom zur Stromversorgung des Gebäudes genutzt oder in das öffentliche Stromnetz eingespeist werden kann. Der Kühlmittelkreis des Hybridantriebs umfasst dabei eine verschließbare Anschlussvorrichtung zum Anschließen des Kühlmittelkreises an einen Gebäudeheizungswarmwasserkreis unter Umgehung des Fahrzeugkühlers.
  • Aus der DE 20 2004 019 863 U1 „Bivalentes Hybridfahrzeug als automobiles Blockheizkraftwerk” ist bekannt: ein Automobiles Blockheizkraftwerk mittels Hybridfahrzeug mit einer Vorrichtung zum alternativen Betrieb mit Benzin und Erdgas, umfassend einen Zuleitungsschlauch vom externen Gasanschluss und einer in den Ansaugkrümmer eingebauten, regulierbaren Mischdüse zur Gasaufbereitung für den Kraftwerksbetrieb. Vorrichtung zur Unterbrechung der Stromzufuhr zum elektrischen Fahrmotor und zur Verriegelung der Türen, solange der flexible Zuleitungsschlauch der Gaszufuhr unter Druck steht. Einbau einer Steckdose am Inverter, dem Steuerungsgerät der Stromverteilung im Fahrzeug. Die Verbindungskabel leiten den erzeugten Strom zum Wechselrichter in der stationären Einrichtung. In den Leitungen des Kühlwasserkreislaufs im Fahrzeug sind Abzweige mit Rohrleitungen zu Anschlüssen mit Schnellkupplungen und Absperrvorrichtungen eingebaut, über die eine Verbindungsleitung zur Abgabe der erzeugten Wärme an den Wärmetauscher für das Kühlwasser in der stationären Einrichtung hergestellt wird. DE 297 18 545 U1 offenbart ein Aufrüstungsaggregat zur Funktionserweiterung eines Kfz mit Verbrennungsmotor zur Kraft-Wärmekoppelung und zum Blockheizkraftwerk. G9212992.7 offenbart eine „Vorrichtung zum Erwärmen und/oder Heizen eines Wärmeverbrauchers, insbesondere eines Gebäudes”.
  • Die WO 01/55577 bzw. PCT/EP01/00762 zeigt ein Verfahren und Vorrichtung zur Strom- und Wärmeerzeugung. Das Verfahren dient zum Betreiben einer Anlage zur kombinierten Erzeugung von Strom und Wärme mit einem Motor, einem Generator und Mitteln zur Nutzung der Abwärme. Um den theoretischen möglichen Gesamtwirkungsgrad der Anlage besser ausnutzen zu können, wird wenigstens ein Teil der elektrischen Energie in einem Batteriespeicher gespeichert und mit Hilfe eines Umformers in eine geforderte Wechselspannung umgewandelt sowie die anfallende Wärme in einem Wärmespeicher gespeichert. Um vorausschauend und damit wirkungsgradoptimiert arbeiten zu können, wird das Bedarfskollektiv an Wärme und Strom über einen entsprechenden Zeitraum ermittelt und der Motor unter Ausnutzung der Speicherkapazitäten vorausschauend betrieben.
  • Aufgabe der vorliegend Erfindung war die weitere Steigerung der Energieeffizienz von Hybridmotoren und Wärmespeichern als auch eine wirtschaftlicheren Nutzung von Hybridmotoren und Wärmespeichern in Fahrzeugen und als BHKW. Zudem sollte der Einsatz und die Nutzung flexibilisiert werden.
  • So kann der erfindungsgemäße „Powerblock”, umfassend beispielsweise einen Verbrennungsmotor (Treibstoff z. B. Diesel, Gas, Benzin, Wasserstoff) mit elektrischem Generator zur Erzeugung elektrischen Stromes bzw. einer Brennstoffzelle zur direkten Wandlung von chemischer in elektrische Energie, und einem Wärmespeicher, mehrfach genutzt werden.
  • Der Powerblock kann hierbei in einem Fahrzeug mitgeführt werden, um zusätzlich zu dem elektrischen Speicher elektrische Energie bzw. mechanische Antriebsenergie zu erzeugen oder dieser kann aus dem Fahrzeug entnommen werden und zur Bereitstellung bzw. Erzeugung von elektrischer Energie für ein stationäres elektrisches Netz verwendet werden. Desweitern ist der Powerblock so ausgebildet, dass die während des Betriebs entstehende Abwärme in einem Wärmespeicher zwischengespeichert wird, um die überschüssig anfallende Wärme aus dem mobilen Einsatz zu speichern. Der Powerblock kann durch Schnellkupplungen und mechanische Hebevorrichtungen leicht aus dem Fahrzeug entnommen werden, um zur stationären Energieerzeugung bzw. als sogenannte Reserveleistung genutzt zu werden. Bei direkter Ankopplung an das elektrische Netz ist ein Ausbau des Powerblocks nicht notwendigerweise erforderlich.
  • Das Be- und Entladen des Wärmespeichers erfolgt bevorzugt durch den Betrieb des „Powerblocks”, kann jedoch auch zusätzlich extern erfolgen, um bspw. Wärmeenergie für die Klimatisierung des Fahrzeuges bereitzustellen, wenn z. B. für Kurzstrecken ein reiner elektrischer Betrieb des Fahrzeugs erfolgt bzw. der Powerblock aus dem Fahrzeug entnommen wurde.
  • Die bei Betrieb des „Powerblocks” im Fahrzeug gespeicherte Wärme kann nach Beendigung der Fahrt durch Ankoppeln einer Leitung mittels Schnellkupplungen an einen stationären Wärmespeicher entladen werden, um die Wärme z. B. zur Beheizung von Gebäuden, Brauchwasser bzw. Prozesswärme für Industrieprozesse zu nutzen.
  • Eine weitere Möglichkeit die Wärme zu entnehmen ist durch die mechanische Entnahme des Wärmespeichers aus dem Fahrzeug gegeben. Diese Option bietet die Möglichkeit, beispielsweise durch Verwenden zweier Wärmespeichermodule bei starkem Fahrbetrieb, die entstehende Abwärme zwischen zu speichern und Be- und Entladezyklen zeitlich zu entkoppeln.
  • Im stationären Betrieb ersetzt der Powerblock die heute bekannten BHKW-Anlagen, eine Doppelnutzung der Komponenten ist somit möglich.
  • Gegenstand der Erfindung ist ein Fahrzeug umfassend eine Vorrichtung zur Aufnahme eines Powerblocks (22) in Form eines ein- und ausbaubaren Moduls, wobei der Powerblock (22) umfasst a) einen Verbrennungsmotor (2) und einen Elektromotor und/oder Elektrogenerator (3), oder b) einen Brennstoffzellenblock (5), ferner umfasst das Fahrzeug eine Wärmespeichereinheit (23) mit Wärmespeicher (10) in Form eines ein- und ausbaubaren Moduls (23), wobei der Wärmespeicher mit mindestens einem Wärmetauscher verbunden ist.
  • Besonders bevorzugt ist ein Fahrzeug in dem der Powerblock (22) und/oder die Wärmespeichereinheit (23) mit mindestens einer Schnellkupplung lösbar im Fahrzeug festgelegt sind. Dabei kann die Wärmespeichereinheit (23) als Speichermedium Gas, ein Fluid oder Festkörper umfassen.
  • Weiter ist es bevorzugt, wenn der Powerblock (22) über Leitungen an ein ortsfestes elektrisches Netz anschließbar ist und/oder die Wärmespeichereinheit (23) über Leitungen an einen ortsfesten Wärmespeicher (26) anschließbar ist.
  • Ferner ist es bevorzugt, wenn in dem Fahrzeug umfassend die Wärmespeichereinheit (23) mit dem Generator (3), dem Verbrennungsmotor (2), mit der Abgasanlage oder einem Abgaswärmetauscher (6) derart verbunden ist, dass die dort während des Betriebs des Fahrzeuges anfallende Wärme in der Wärmespeichereinheit (23) gespeichert wird.
  • Nach einem weiteren Aspekt kann die Wärmespeichereinheit (23) sowohl im Fahrzeug als auch ausgebaut mit Wärme be- und entladen werden und/oder über den Powerblock (22) und/oder einen elektrischen Speicher (8) über mindestens eine Schalteinheit (7, 25) eine Einspeisung elektrischer Energie in das ortsfeste elektrische Netz möglich sein oder ein Beladen des elektrischen Speichers (8) aus dem ortsfesten elektrischen Netz ist möglich.
  • Ebenfalls Gegenstand der Erfindung ist ein Wärmespeicher (10), insbesodnere zur Nutzung in einem Fahrzeug wie vorstehend beschrieben, wobei der Wärmespeicher (10) in eine Wärmespeichereinheit (23) eines Kraftfahrzeuges lösbar eingebaut ist, insbesondere mittels mindestens einer Schnellkupplung.
  • Desweiteren ist Gegenstand der Erfindung eine Wärmespeichereinheit (23), insbesondere zur Nutzung in einem Fahrzeug, wobei die Wärmespeichereinheit (23) in einer Aufnahmevorrichtung eines Kraftfahrzeuges lösbar eingebaut ist oder eingebaut werden kann, insbesondere mittels mindestens einer Schnellkupplung.
  • Zudem ist Gegenstand der Erfindung ein Powerblock (22) in Form eines ein- und ausbaubaren Moduls umfassend, a) einen Verbrennungsmotor (2) und einen Elektromotor und/oder Elektrogenerator (3), oder b) einen Brennstoffzellenblock (5), wobei der Powerblock (22) lösbar in ein Kraftfahrzeug eingebaut ist oder eingebaut werden kann, insbesondere mittels mindestens einer Schnellkupplung.
  • Ebenso ist Gegenstand der Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eine Kraftfahrzeuges wobei die Wärmespeichereinheit (23) lösbar mit dem Kraftfahrzeug verbunden ist und während des Fahrbetriebes des Kraftfahrzeuges aufgeladen werden kann und im Nicht-Fahrbetrieb über Leitungen mit einem externen Wärmespeicher (26) verbindbar ist oder die aufgeladene Wärmespeichereinheit (23) kann gelöst werden und aus dem Fahrzeug entnommen werden außerhalb des Kraftfahrzeuges als Wärmequelle verwendet werden, und/oder der Powerblock (22) kann als BHKW (Blockheizkraftwerk) verwendet werden, um Strom in das öffentliche oder stationäre Netz einzuspeisen.
  • Die Erfindung umfasst die flexible modulare Nutzung von Kraft-Wärme-Kopplung-Komponenten für den mobilen sowie stationären Einsatz. Die hierzu notwendigen modularen Hauptkomponenten umfassend einen hier benannten Powerblock, gekennzeichnet durch z. B. einen Verbrennungsmotor, der durch Wandlung von chemischer Energie (Treibstoff z. B. Diesel, Gas, Benzin, Wasserstoff) mechanische Energie für einen Generator zur Erzeugung von elektrischer Energie bereitstellt oder einem Brennstoffzellenantrieb zur Stromerzeugung und einem zusätzlichen Wärmespeicher, der die Abwärme des Motors bzw. der Brennstoffzelle zwischenspeichert. Der modulare Aufbau ermöglicht hierbei die Nutzung der elektrischen Energie für den mobilen sowie den stationären Betrieb sowie die Möglichkeit der unabhängigen Nutzung der gespeicherten Wärme des Wärmespeichers für den stationären bzw. mobilen Einsatz, z. B. als Heizung oder, durch den Einsatz eines zusätzlichen Kreisprozesses, zur Klimatisierung.
  • Die weitere Nutzung der Abwärme von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor bzw. Brennstoffzellen stellt ein erhebliches Potenzial zur Verbesserung der Energieeffizienz dar. Die heutigen erzielbaren Motorwirkungsgrade liegen zwischen 35–45%. Aus dieser Wirkungsgradangabe wird deutlich, dass bis zu 65% der eingesetzten Energie als Verlust bzw. ca. 50–60% als Abwärme vorliegen. Dies entspricht bei einem heutigen Flottenverbrauch von ca. 7–8 Litern in etwa 3,5–4 Liter Diesel oder Benzin, die als reine Wärme pro Fahrzeug auf 100 km generiert werden und als Verluste in die Umgebung abgegeben wird. Für einen Vielfahrer von ca. 100 000 km würde dies bedeuten, dass ca. 3500–4000 Liter Diesel oder Benzin jährlich als Wärme ungenutzt verpuffen. Wird angenommen, dass im Winterbetrieb ca. 1/3 der Wärme zum Beheizen des Fahrzeuges Verwendung finden, könnte dennoch ein beträchtlicher Teil der Abwärme durch Wärmespeicherung und Verwendung in stationären Einrichtungen wieder genutzt werden. Bei kompletter Nutzung dieser Wärmemenge ist eine komplette Beheizung von einem Einfamilienhaus mit altem Renovierungsstand möglich.
  • Die heutigen sogenannten Hybridmotoren mit Verbrennungsmotor und Elektromotor/-generator kombiniert mit einem Wärmespeicher, der die Abwärme des Verbrennungsmotors speichern kann, ermöglicht eine Nutzung der Abwärme bzw., bei elektrischem Betrieb des Fahrzeuges, die Beheizung bzw. Klimatisierung des Fahrzeuges ohne die teuren elektrischen Speicher (Batterien) zu verwenden. Weiterhin kann durch diesen Wärmespeicher die überschüssige Wärme in eine stationäre Wärmespeichereinheit entladen werden.
  • Der modulare Aufbau von Powerblock und Wärmespeichereinheit ermöglicht es weiterhin diese Komponenten auch als BHKW zu verwenden. Bei geeigneter Ausführung und Ankopplung an das ortsfeste elektrische Netz kann das Fahrzeug bzw. der Powerblock zur Bereitstellung von Reserveenergie und Regelleistung wie z. B. für Primär- und Sekundärregelung dienen. Der Fahrzeugbesitzer kann somit durch seine Investition als Kraftwerksbetreiber fungieren oder diese an andere Dienstleister übertragen.
  • Durch den großflächigen Einsatz dieses modularen Aufbaues kann z. B. bei einer durchschnittlichen Leistungsgröße von heutigen Kraftfahrzeuge von mindestens 40–50 kW eine Regelenergie von 40–50 GWh bzw. Reserveleistung von ca. 40–50 GW bereitgestellt werden, wenn sich durchschnittlich 1 Millionen Fahrzeugen am Netz befinden. Eine deutliche Dezentralisierung und Verbesserung der Energieeffizienz ist mit dieser Technologie möglich. Die Bereitstellung von teuren Kraftwerksreserven würde langfristig entfallen sowie eine Verbesserung der Stromgestehungskosten durch die konkurrierende Technologie ermöglichen.
  • Die Fahrzeuginvestition sowie die notwendigen Zusatzaggregate zur Doppelnutzung als BHKW ermöglichen eine stärkere Auslastung der Fahrzeuginvestition und der Zusatzaggregate.
  • Nachfolgend wird anhand der beigefügten Abbildungen näher auf Ausführungsbeispiele der Erfindung eingegangen:
  • zeigt mittels eines Blockdiagramms den schematischen Aufbau/die Anordnung eines Fahrzeuges zur kombinierten Erzeugung von Strom und Wärme
  • zeigt schematischen den Aufbau/die Anordnung zur Nutzung der Komponenten für den mobilen Fahrzeug- und den stationären Einsatz
  • zeigt schematisch die möglichen Anordnungs-/Nutzungsoptionen durch den modularen Aufbau
  • In ist ein Hybridfahrzeug (1) zur kombinierten Erzeugung von Strom und Wärme als Blockdiagramm dargestellt. Als Primärwandler ist ein Verbrennungsmotor (2) vorgesehen, der über einen Energiespeicher (Tank) (4) mit Brennstoff versorgt wird. Der Verbrennungsmotor kann durch die Primärenergieträger, wie z. B. Diesel, Gas, Benzin, Wasserstoff, betrieben werden. Der Verbrennungsmotor (3), der über einen Ansaugkanal (20) Luft ansaugt, treibt einen Elektromotor/-generator (3) an, der direkt oder kuppelbar mit dem Verbrennungsmotor verbunden ist. Der Elektromotor/-generator (3) kann als permanentmagneterregter, selbsterregender Synchrongenerator/-motor bzw. Asynchrongenerator/-motor ausgebildet sein, der als Funktion ein reiner Generator oder als Funktion in Kombination ein Elektromotor und -generator ist. Die Schaltanlage (7) ist mit einer Verbindungsleitung (18) mit dem Elektromotor/-generator (3) verbunden. Die Schaltanlage (7) dient als Gleich- und Wechselrichter, um den erzeugten Strom für die elektrischen Speicher (8) bzw. Elektromotor (Fahrzeugantrieb, Bremsgenerator) (17), verbunden über den internen Stromanschluss (16) umzuwandeln.
  • Des Weiteren kann die Schaltanlage (7) aus den Elektromotor/en (17) beim Bremsen Geleichstrom zum Beladen des elektrischen Speichers (8) umwandeln. Für kombinierte Elektromotor/-Generator kann die Schaltanlage (7) auch Strom für den Elektrobetrieb aus dem elektrischen Speicher (8) bereitstellen. Der Ladezustand der elektrischen Speicher (8) wird weiterhin überwacht (hier nicht gezeigt). Des Weiteren kann die Schaltanlage (7) über einen externen Stromanschluss (15) elektrische Energie von einem ortsfestes elektrisches Netz in den elektrischen Speicher (8) ein- und auskoppeln. Weiterhin kann durch den externen Stromanschluss (15) von dem Elektromotor/-generator bei Betrieb des Verbrennungsmotors (2) in das ortsfeste elektrische Netz eingespeist werden.
  • Neben der Erzeugung von elektrischer Energie ist das Hybridfahrzeug (1) mit einem Wärmespeicher (10) ausgestattet, der es ermöglicht Wärme zu speichern. Beispielhaft für die Wärmegewinnung sind ein Wärmetauscher des Kühlwassers (9), der dem zur Kühlung des Verbrennungsmotors (2) und des Elektromotors/-generators (3) dienenden Kühlwasser, das in einem Kühlwasserkreislauf (11) zirkuliert, die Wärme entzieht und sie an den Wärmespeicher (10) durch den Wärmetransport zwischen Wärmetauscher des Kühlwassers und Wärmespeicher (24) überträgt. Weiterhin kann beispielhaft die Wärmegewinnung durch einen Abgaswärmetauscher (6), der dem Abgas des Verbrennungsmotors (2) möglichst viel Wärme entzieht und diese ebenfalls an den Wärmespeicher (10) durch Wärmetransport zwischen Abgaswärmetauscher und Wärmespeicher (14) überträgt, erfolgen. Weitere Wärmetauscher zur Verbesserung es Gesamtwirkungsgrades könne an Stellen des Hybridfahrzeuges vorgesehen sein, an denen weitere Abwärme entsteht, beispielsweise im Bereich des Wechselrichters in der Schalteinheit (7).
  • Der Wärmespeicher (10) ist so ausgebildet, dass dieser mit dem Heizkreislauf des Fahrzeuges (12) verbunden ist und dieses beheizen kann. Zudem kann der Wärmespeicher (10) als Wärmequelle zur Klimatisierung des Fahrzeuges (12) dienen, der durch einen gesonderten Kreisprozess (hier nicht gezeigt) verbunden ist. Zusätzlich kann der Wärmespeicher mit einer Verbindungsleitung zum Be- und Entladen der Wärme (13) ausgestatten sein, um von einem stationären Kreislauf ein- und ausspeisen zu können. Eine weitere Möglichkeit des Beladens von Wärme in den Wärmespeicher (10) ist durch eine elektrische Heizung (hier nicht eingezeichnet) möglich, die die elektrische Energie über die Verbindungsleitung (19) und die Schalteinheit (7) extern (ortsfestes elektrisches Netz) (15) oder intern (durch elektrische Speicher) (8) oder von dem Elektromotor/-generator (3) oder dem/n Elektromotor/en (Fahrzeugantrieb, Bremsgenerator) (17) einspeist.
  • Bei Brennstoffzellenfahrzeugen wird der Verbrennungsmotor (2) und der Elektromotor/-generator (3) durch einen Brennstoffzellenblock (5) ersetzt. Die Abwärme des Brennstoffzellenblocks (5) wird auch hierbei in den Wärmespeicher (10) mittels Wärmeübertragung (hier nicht gezeigt) durch Kühl- und Abgaskreisläufe gespeichert.
  • Der hier benannte Powerblock (22) ist mindestens durch einen Verbrennungsmotor (2), einen Elektromotor/-generator (3) definiert und kann weiterhin einen Kühlkreislauf (11), Wärmetauscher des Kühlwassers (9), Wärmetransport zwischen Wärmetauscher des Kühlwassers und Wärmespeicher (24), Verbindungsleitung zwischen Elektromotor/-generator (18), Ansaugkanal (20), Energiespeicher (Tank) 4, Abgaswärmetauscher (6), Wärmetransport zwischen Abgaswärmetauscher und Wärmespeicher (14) und Abgasrohr (21) und den hier nicht gezeigten Aggregaten wie Vergaser, Dieseleinspritzung, Turbolader, Katalysatoren und Auspuffanlage beinhalten. Der Powerblock (22) kann weiterhin so ausgestattet sein, dass dieser automatisch durch Schnellkupplungen und Arretierungsmechanismen eine schnelle Montage bzw. Demontage aus dem Fahrzeug ermöglicht.
  • Die in der eingezeichnete mobile Wärmespeichereinheit (23) umfasst mindestens einen Wärmespeicher (10). Die mobile Wärmespeichereinheit kann so ausgestattet sein, dass sie automatisch und durch Schnellkupplungen bzw. Arretierungsmechanismen eine schnelle Montage bzw. Demontage aus dem Fahrzeug ermöglicht.
  • In der ist das Hybridfahrzeug (1) mit den wichtigen Komponenten schematisch abgebildet. Zusätzlich sind schematisch die möglichen Komponenten im ortsfesten Umfeld (36) dargestellt. Durch die stationäre Schalteinheit (25) kann über die Verbindungsleitung „externer Stromanschluss zum Ein- und Auskoppeln von elektrischer Energie” (15) elektrische Energie in das Fahrzeug (1) zur Beladung des elektrischen Speichers (8) eingekoppelt werden bzw. Strom vom elektrischen Speicher (8) oder vom Powerblock (22.1) über die Verbindungsleitung (28) bidirektional vom oder ins öffentliche elektrische Netz (28) eingespeist werden. Optional kann auch ein stationärer elektrischer Speicher (27) eingebunden werden.
  • Der mobile Wärmespeicher (23.1) ist über die Verbindungsleitung (13) mit einem externen Wärmespeicher (Wohnhaus, Industrie, Nahwärmenetz) (26) verbunden. Über diese Wärmetransportleitung kann der Wärmespeicher (23.1) durch den externen Wärmespeicher (26) für den reinen elektrischen Fahrbetrieb beladen werden oder die überschüssige Wärme aus dem Fahrbetrieb in den externen Wärmespeicher (26) entladen werden. Durch den stationären Heizkreislauf (29) ist der externe Wärmespeicher (26) mit Verbrauchern zur Nutzung bzw. zum Beladen des externen Speichers verbunden.
  • Durch eine mechanische Hebeeinheit zur automatischen Montage und Demontage (33) kann die mobile Wärmespeichereinheit (23.1 oder 23.2) ins Fahrzeug (1) oder in das ortsfeste Umfeld (36) verschoben werden.
  • Durch eine mechanische Hebeeinheit zur automatischen Montage und Demontage (32) kann der Powerblock (22.1 oder 22.2) ins Fahrzeug (1) oder in das ortsfeste Umfeld (36) verschoben werden.
  • Schnellkupplungen und Verbindungsleitungen gewährleisten im ortsfesten Umfeld (36) wie im Hybridfahrzeug (1) eine schnelle Montage und Demontage. Der Powerblock (22.2) wird durch die Verbindungsleitung (31) zwischen Elektromotor/-generator und Schalteinheit (25) verbunden. Ein Einspeisen sowie Steuern, „SMART GIRD Funktionen” (hier nicht eingezeichnet) zum Starten des Powerblocks (22.2 bzw. 22.1) ist möglich. Über die Wärmetransportleitung (30) wird die Abwärme aus dem Powerblock (22.2) in den externen Wärmespeicher (26) transportiert. Ist die mobile Wärmespeichereinheit (23.2) im ortsfesten Umfeld (36) eingekoppelt, kann der Wärmetransport von dem Powerblock (22.2 in 23.2) durch die Verbindungsleitung (34) erfolgen. Weiterhin ist ein Be- oder Entladen der mobilen Wärmespeichereinheit (23.2) zum externen Wärmespeicher (26) über die Verbindungsleitung (35) möglich.
  • Die zeigt das modulare Auslegungskonzept des Powerblocks (22) und des mobilen Wärmespeichers (23). Die vier wichtigsten Positionierungen sind hier dargestellt:
    Die 1. Positionierung zeigt den Powerblock (22) und die mobile Wärmeeinheit (23) im Hybridfahrzeug (1). Über die stationäre Schalteinheit (25) und die Schalteinheit (7) kann wie in schon beschrieben elektrische Energie zwischen Hybridfahrzeug (1) und ortsfesten Umfeld (36) in beide Richtungen verschoben werden. Die stationäre Schalteinheit (25) kann zudem über SMART GRID Funktionen das geparkte Hybridfahrzeug (1) ansteuern zum Start und Stopp des Powerblocks (22). Der mobile Wärmespeicher (23) kann durch die Verbindungsleitung mit dem externen Wärmespeicher (26) mit Wärme be- und entladen werden.
  • Durch Trennen der elektrischen und Wärmetransportverbindung kann das Hybridfahrzeug (1) als Fahrzeug bewegt werden.
  • In der ersten Ausbauphase ist auch ein Hybridfahrzeug (1) ohne Montage und Demontage Möglichkeit des Powerblocks (22) bzw. mobilen Wärmespeichers (23) denkbar.
  • Die 2. Positionierung zeigt den Powerblock (22) im ortsfesten Umfeld (36) montiert. Das Hybridfahrzeug (1) kann für kurze Strecken rein elektrisch betrieben werden. Der Powerblock fungiert nun als ortsfestes BHKW. Die mobile Wärmespeichereinheit (23) ist im Fahrzeug montiert und die Verbindungsleitung übernimmt die schon in beschriebenen Funktionen. Durch Trennen der Verbindungsleitung kann das Hybridfahrzeug (1) rein elektrisch betrieben werden, der Wärmespeicher dient dazu die Beheizung und die Klimatisierung des Fahrzeuges zu speisen.
  • Bei der 3. Positionierung ist neben dem Powerblock (22) auch die mobile Wärmespeichereinheit (23) im ortsfesten Umfeld (36) montiert. Diese Schaltung dient neben dem Be- und Entladen des mobilen Wärmespeichers (23) dazu für Kurzstrecken weiteres Gewicht im Fahrzeug zu reduzieren.
  • Die 4. Positionierung mit Powerblock (22.1) und Powerblock (22.2) sowie den mobilen Wärmespeichereinheiten (23.1 und 23.2) soll das modulare Konzept veranschaulichen. Hierbei können der Powerblock (22.1) und Powerblock (22.2) getauscht werden und somit als flexibles Modul für unterschiedliche Fahrzeuge Verwendung finden. Das Gleiche ist mit dem mobilen Wärmespeicher (23.1) und dem mobilen Wärmespeicher (23.2) möglich. Somit ist ein sehr flexibler Einsatz dieser Module gewährleistet und ein Leasingkonzept könnte hier über neue Geschäftsmodelle eine weitere Kosten- sowie Energieoptimierung bei größeren Fahrzeugflotten ermöglichen.
  • Der Wärmespeicher (10) kann als Pufferspeicher durch z. B. Wasser oder metallische Verbindungen, Latentwärmespeicher, thermochemische Wärmespeicher oder als Sorptionsspeicher (z. B. Silicagel oder Zeolithe) oder als Kombination der genannten ausgeführt sein. Die Zielsetzung ist hierbei eine größtmögliche Wärmespeicherung bei geringem Gewicht und Investitionskosten zu erzielen, um einen kosteneffizienten mobilen Einsatz zu gewährleisten.
  • Der Wärmetransport zwischen den Wärmetauschern und dem Wärmespeicher (10) bzw. dem externen Wärmespeicher (26) kann mittels Fluid, Gas, Wärmeleitung durch Festkörper oder Partikel als Festkörper oder in Kombination erfolgen.
  • Zielsetzung der Erfindung:
  • Die Erfindung hat zum Ziel den hier benannten Powerblock (22) zur kombinierten Erzeugung von mechanischer Energie bzw. Strom und Wärme zu verwenden. Hierzu wird im Fahrzeug zusätzlich ein Wärmespeicher (23) eingebaut, der die anfallende Abwärme des Generators (3) und des Verbrennungsmotors (2) im Wärmetauscher des Kühlwassers (9) im Kühlwasserkreislauf (11) an den Wärmespeicher (10) durch den Wärmetransport zwischen Wärmetauscher des Kühlwassers und Wärmespeicher (24) abgibt. Des Weiteren wird die Abwärme im Abgas im Abgaswärmetauscher (6) durch den Abgaskühlkreislauf (14) an den Wärmespeicher (10) übertragen.
  • Die gespeicherte Wärme im Wärmespeicher (10) kann über den Heizkreislauf (12) zum Beheizen des Fahrzeuges verwendet werden. Dies kann somit auch bei elektrischem Betrieb des Fahrzeuges erfolgen. Der Wärmespeicher (10) kann weiterhin als Wärmequelle zur Klimatisierung des Fahrzeuges (12) über einen hier nicht dargestellten Kreisprozess verwendet werden, um die wertvolle elektrisch gespeicherte Energie bestmöglich für den Fahrbetrieb nutzen zu können.
  • Bei Überschuss von Wärmeenergie während des Fahrbetriebs mittels Powerblock (22) kann der Wärmespeicher (10), z. B. beim Parken in der Garage, durch eine Schnellkupplung und die Verbindungsleitung zur stationären Abwärmenutzung (13) an einen externen Wärmespeicher (26) verbunden werden. Die überschüssige Wärme kann in den externen Wärmespeicher (26) eingespeist werden. Eine Nutzung der Wärmeenergie erfolgt durch den stationären Heizkreislauf (29).
  • Ist es absehbar, dass ein rein elektrischer Fahrbetrieb bevorsteht, kann weiterhin durch die Verbindungsleitung (13) ein Beladen der mobilen Wärmespeichereinheit (23) über den externen Wärmespeicher (26) und den stationären Heizkreislauf (29) erfolgen. Hierdurch kann durch die mobile Wärmespeichereinheit (23) ein Beheizen sowie Klimatisieren (12) des Fahrzeuges während der Fahrt gewährleistet werden.
  • Das Hybridfahrzeug (1) kann durch die mitgeführten elektrischen Speicher (8) im Stadtbetrieb elektrisch betrieben werden. Bei der Anforderung nach größerer Reichweite und größerer Leistung kann der Powerblock (22, 22.1) zugeschaltet werden, um bei Vollhybrid zusätzliche elektrische Energie bzw. bei Hybridfahrzeugen zusätzliche mechanische Energie mittels Kupplung für den Fahrbetrieb bereitzustellen.
  • Bei geparktem Fahrzeug ist neben der Be- und Entladung des Wärmespeichers mittels Verbindungsleitung (13) zusätzlich ein externer Stromanschluss zum Ein- und Auskoppeln von elektrischer Energie (15) vorhanden. Folgende Betriebsweisen sind hierbei möglich:
    • 1) Laden der elektrischen Speicher (8) über die Schalteinheit (7), über den externen Stromanschluss (15) und die stationäre Schalteinheit (25) aus dem öffentlichen elektrischen Netz (28) oder optional stationärer elektrischer Speicher (27). Die zeitliche Auswahl der Beladung erfolgt durch „SMART-GRID” Funktion.
    • 2) Einspeisen von elektrischer Energie aus dem Powerblock (22.1) über die Verbindungsleitung (18) zur Schalteinheit (7), externer Stromanschluss (15) und stationäre Schalteinheit (25) in das öffentliche elektrische Netz (28) oder optional in den stationären elektrischen Speicher (27). Die zeitliche Auswahl der Einspeisung kann über „SMART-GRID” Funktionen erfolgen.
    • 3) Einspeisen von elektrischer Energie aus dem elektrischen Speicher (8) über die Schalteinheit (7), externer Stromanschluss (15) und stationäre Schalteinheit (25) in das öffentliche elektrische Netz (28) oder optional in den stationären elektrischen Speicher (27). Die zeitliche Auswahl der Einspeisung kann über „SMART-GRID” Funktionen erfolgen.
    • 4) Bei angekoppeltem externen Stromanschluss (15) kann durch eine zusätzliche Steuerleitung bzw. Steuerimpuls (hier nicht eingezeichnet) der Powerblock (22.1) eingeschaltet bzw. der elektrische Speicher (8) be- und/bzw. entladen werden, um als Regelreserve zum Ausgleich von Angebot und Nachfrage von elektrischer Energie bereit zu stehen. Die Regelenergie wird ins öffentliche elektrische Netz (28) eingespeist.
  • Ist der Powerblock (22) vom Fahrzeug abgekoppelt, speist er in das öffentliche Netz (28) ein. Hierbei dient der Powerblock (22) als BHKW, das zur Bereitstellung von Wärme oder elektrischem Strom verwendet werden kann. Durch das Abkoppeln vom Fahrzeug kann der Powerblock länger als sogenannte Regelreserve für das elektrische Netz dienen, um als Kraftwerksreserve zeitlich länger bereit zu stehen. Zudem kann der Wärmespeicher (23) auch vom Fahrzeug abgekoppelt werden und stationär beispielsweise an ein Heizungssystem eines Hauses angekoppelt werden.
  • Somit kann der mobile Wärmespeicher (23) folgende Aufgaben übernehmen:
    • 1) Speicherung der anfallenden Wärme bei Betrieb des Fahrzeuges (1) mittels Powerblock (22) und die spätere Ausspeicherung der Wärme in das Heizungssystem durch Abkoppeln des Mobilen Wärmespeichers (23) oder die Wärmeübertragung mittels Verbindungsleitung.
    • 2) Speicherung der anfallenden Wärme bei Betrieb des Fahrzeuges mittels Powerblock (22) und Ausspeichern der Wärme zum Heizen oder Klimatisieren des Fahrzeuges (1) bei reinem elektrischen fahren.
    • 3) Speicherung der anfallenden Wärme bei Betrieb des Powerblocks (22); 3. Positionierung; im stationären Betrieb und späteres Ankoppeln des Wärmespeichers für den reinen elektrischen Fahrbetrieb; 2. Positionierung.
    • 4) Beladen des Wärmespeichers für den Fahrbetrieb durch externe elektrische Beheizung oder mittels Wärmeübertragung aus dem Externen Wärmespeicher (26).
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Hybridfahrzeug
    2
    Verbrennungsmotor
    3
    Elektromotor/-generator
    4
    Energiespeicher (Tank)
    5
    Brennstoffzellenblock
    6
    Abgaswärmetauscher
    7
    Schalteinheit (Steuergerät; Wechselrichter AC/DC; SMART-GRID etc.)
    8
    Elektrischer Speicher (Batterie)
    9
    Wärmetauscher des Kühlwassers
    10
    Wärmespeicher
    11
    Kühlwasserkreislauf
    12
    Heizkreislauf Fahrzeug bzw. Wärmequelle Klimatisierung Fahrzeug
    13
    Verbindungsleitung zur stationären Abwärmenutzung bzw. Kreislauf zur Beladung des Wärmespeichers durch externe Wärme
    14
    Wärmetransport zwischen Abgaswärmetauscher und Wärmespeicher
    15
    Externer Stromanschluss zum Ein- und Auskoppeln von elektrischer Energie
    16
    Interner Stromanschluss für elektrischen Antrieb/Generator beim Bremsen
    17
    Elektromotor/en (Fahrzeugantrieb, Bremsgenerator)
    18
    Verbindungleitung zwischen Elektromotor/-generator und Schalteinheit
    19
    Verbindungleitung zur elektrischen Beheizung des Wärmespeichers (extern/intern)
    20
    Ansaugkanal
    21
    Abgasrohr (Auspuff)
    22
    Powerblock
    23
    Mobile Wärmespeichereinheit
    24
    Wärmetransport zwischen Wärmetauscher des Kühlwassers und Wärmespeicher
    25
    Stationäre Schalteinheit (Wechselrichter öffentliches Netz, Steuergerät (SMART-GRID) etc.)
    26
    Externer Wärmespeicher (Wohnhaus, Industrie, Nahwärmenetz)
    27
    Optional stationärer elektrischer Speicher (Batterie)
    28
    Öffentliches elektrisches Netz
    29
    Stationärer Heizkreislauf
    30
    Kühlwasserkreislauf und Abgaskühlkreislauf zum stationären Wärmespeicher (vgl. 14; 24) mit Schnellkupplungen
    31
    Verbindungsleitung zwischen Generator und Schalteinheit (25) mit Schnellkupplung
    32
    Mechanische Hebeeinheit zur automatischen Montage und Demontage des „Powerblocks” im Fahrzeug oder im stationären Umfeld
    33
    Mechanische Hebeeinheit zur automatischen Montage und Demontage der mobilen Wärmespeichereinheit im Fahrzeug oder im stationären Umfeld
    34
    Verbindungsleitungen zum Wärmetransport zwischen Powerblock und Wärmespeichereinheit im stationären Umfeld
    35
    Verbindungsleitungen zum Wärmetransport zwischen Wärmespeichereinheit und externem Wärmespeicher im stationären Umfeld
    36
    Ortsfestes Umfeld z. B. Haus, Garage, Industrie, Parkplatz
  • 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
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    • WO 01/55577 [0007]
    • EP 01/00762 [0007]

Claims (10)

  1. Fahrzeug dadurch gekennzeichnet, dass es eine Vorrichtung zur Aufnahme eines Powerblocks (22) in Form eines ein- und ausbaubaren Moduls umfasst, wobei der Powerblock (22) umfasst a) einen Verbrennungsmotor (2) und einen Elektromotor und/oder Elektrogenerator (3), oder b) einen Brennstoffzellenblock (5), ferner umfasst das Fahrzeug eine Wärmespeichereinheit (23) mit Wärmespeicher (10) in Form eines ein- und ausbaubaren Moduls (23), wobei der Wärmespeicher mit mindestens einem Wärmetauscher verbunden ist.
  2. Fahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Powerblock (22) und/oder die Wärmespeichereinheit (23) mit mindestens einer Schnellkupplung lösbar im Fahrzeug festgelegt sind.
  3. Fahrzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch kennzeichnet, dass die Wärmespeichereinheit (23) als Speichermedium Gas, ein Fluid oder Festkörper umfasst.
  4. Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Powerblock (22) über Leitungen an ein ortsfestes elektrisches Netz anschließbar ist und/oder die Wärmespeichereinheit (23) über Leitungen an einen ortsfesten Wärmespeicher (26) anschließbar ist.
  5. Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmespeichereinheit (23) mit dem Generator (3), dem Verbrennungsmotor (2), mit der Abgasanlage oder einem Abgaswärmetauscher (6) derart verbunden ist, dass die dort während des Betriebs des Fahrzeuges anfallende Wärme in der Wärmespeichereinheit (23) gespeichert wird.
  6. Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmespeichereinheit (23) sowohl im Fahrzeug als auch ausgebaut mit Wärme be- und entladbar ist und/oder über den Powerblock (22) und/oder einen elektrischen Speicher (8) über mindestens eine Schalteinheit (7, 25) eine Einspeisung elektrischer Energie in das ortsfeste elektrische Netz erlaubt oder ein Beladen des elektrischen Speichers (8) aus dem ortsfesten elektrischen Netz erlaubt.
  7. Wärmespeicher (10) zur Nutzung in einem Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmespeicher (10) in eine Wärmespeichereinheit (23) eines Kraftfahrzeuges lösbar eingebaut ist, insbesondere mittels mindestens einer Schnellkupplung.
  8. Wärmespeichereinheit (23) zur Nutzung in einem Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmespeichereinheit (23) in einer Aufnahmevorrichtung eines Kraftfahrzeuges lösbar eingebaut ist, insbesondere mittels mindestens einer Schnellkupplung.
  9. Powerblock (22) in Form eines ein- und ausbaubaren Moduls umfassend, a) einen Verbrennungsmotor (2) und einen Elektromotor und/oder Elektrogenerator (3), oder b) einen Brennstoffzellenblock (5), nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Powerblock (22) lösbar in ein Kraftfahrzeug eingebaut ist, insbesondere mit mittels mindestens einer Schnellkupplung.
  10. Verfahren zum Betrieb eine Kraftfahrzeuges nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmespeichereinheit (23) lösbar mit dem Kraftfahrzeug verbunden ist und während des Fahrbetriebes des Kraftfahrzeuges aufgeladen wird und im Nicht-Fahrbetrieb über Leitungen mit einem externen Wärmespeicher (26) verbindbar ist oder die aufgeladene Wärmespeichereinheit (23) wird gelöst und aus dem Fahrzeug genommen und wird außerhalb des Kraftfahrzeuges als Wärmequelle verwendet, und/oder der Powerblock (22) wird als BHKW verwendet, um Strom in das öffentliche oder stationäre Netz einzuspeisen.
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