DE102013004513A1

DE102013004513A1 - Blockheizkraftwerk für zwei Betriebsweisen mit thermischem Speicher und Kühleinrichtung

Info

Publication number: DE102013004513A1
Application number: DE102013004513.4A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-03-18
Filing date: 2013-03-18
Publication date: 2014-09-18

Abstract

Blockheizkraftwerke (BHKW) (1) erzeugen Wärmeenergie und elektrische Energie. Der Gesamtwirkungsgrad ist sehr hoch, da die Wärmeenergie dezentral anfällt und eine in nachfolgenden Prozessen brauchbare Temperatur hat und somit z. B. für Heizzwecke genutzt werden kann. Die von der Bundesrepublik Deutschland ausgerufene Energiewende wird zumindest in einem Zwischenschritt vermehrt BHKW (1) erfordern. Sollen BHKW (1) eingesetzt werden, um den elektrischen Netzbetrieb aufrecht zu halten, ist es, abweichend von den derzeitigen Zielsetzungen für BHKW (1), sinnvoll und erforderlich, BHKW (1) zeitweise so zu betreiben, dass vorrangig elektrische Energie erzeugt und die entstehende Abwärme ungenutzt in die Umwelt abgegeben wird. Hierzu ist es notwendig, das BHKW (1) zusätzlich zu den üblichen Einrichtungen zur Wärmenutzung (5) mit einer Kühleinrichtung (6) auszustatten, die es ermöglicht, das BHKW (1) zeitweise als Kraftwerk im klassischen Sinn zu betreiben und die entstehende Wärmeenergie ungenutzt in die Umwelt zu entlassen. Dies ist von einem thermischen Notbetrieb zu unterscheiden. Das BHKW (1) hat zwei Betriebsweisen: > von der thermischen Leistung geführt. > von der elektrischen Leistung geführt.

Description

Stand der Technik:
Nach allgemeiner Meinung ist eine ununterbrochene Versorgung mit elektrischer Energie für unsere Volkswirtschaft zwingend erforderlich.
Mit der Zielsetzung der Bundesrepublik Deutschland, den Ausbau der erneuerbaren Energien voranzutreiben und fossile Brennstoffe mittelfristig nicht mehr zu nutzen, nimmt der Anteil an elektrischer Energie aus Windenergie und Photovoltaik ständig zu. Das finale Szenario ist die Erzeugung aller elektrischen Energie aus erneuerbaren Energien. Da die Einspeisung der erneuerbaren Energie ins öffentliche Netz vorrangig erfolgt, erleiden die herkömmlichen Kraftwerke finanzielle Einbußen, die noch deutlich offensichtlicher wären, wären nicht viele der elektrischen Kraftwerke kaufmännisch schon lange abgeschrieben/bezahlt, wie es z. B. allen Kernkraftwerken unterstellt wird. Neue Gaskraftwerke nach altem Muster zu bauen und diese nur zu nutzen, wenn Wind und Sonne nicht ausreichend liefern, ist nach derzeitiger Meinung finanziell nicht sinnvoll. Dies sagten die Kraftwerksbetreiber Anfang März 2013 bei der Bundeskanzlerin klar und eindeutig.
Eine Versorgung mit elektrischer Energie aus erneuerbaren Energiequellen ist derzeit nicht ununterbrochen möglich.
Der Neubau herkömmlicher elektrischer Kraftwerke mit geringerem energetischen Wirkungsgrad ist seit Jahrzehnten nicht mehr sinnvoll, da das Prinzip des BHKW (1) sehr lange bekannt ist.
Energieversorgungsströme:
In der Bundesrepublik Deutschland gibt es min. drei große Energieversorgungsströme

> elektrische Energie, hauptsächlich zentralisiert: Endverbraucher werden von zentralen Energieversorgern versorgt.
> Erdgas oder Stadtgas, zentralisiert und gleicht damit der Versorgung mit elektrischer Energie: Endverbraucher werden von lokalen Stadtwerken versorgt.
> Heizenergie, meist dezentral, teilweise zentralisiert: Endverbraucher lagert den Brennstoff und erzeugt die Wärmeenergie mit eigenen Maschinen.

Die Speicher der Energieversorgungsströme unterscheiden sich:

> Die Brennstoffe für die Stromerzeugung lagern beim Energieversorger. Die Speicher fossiler Kraftwerke decken den Bedarf für wenige Tage.
> Für Strom aus erneuerbaren Energien gibt es derzeit keine sinnvolle Speichertechnik. Das Primärenergieangebot der erneuerbaren Energien (Wind u. Sonnenstrahlung) ist stark schwankend und zeitweise nicht vorhanden. Das Stromverteilungsnetz ist in Deutschland feinmaschig ausgebaut.
> Erdgas wird in Erdkavernen gespeichert und kann den Bedarf für Monate decken. Das Erdgasnetz ist in Deutschland feinmaschig ausgebaut.
> Die Brennstoffe für die Heizenergie lagern, wenn Öl oder Kohle verbrannt wird, beim Endverbraucher. Privathaushalte haben in der Regel einen Vorrat für ein Jahr. Öl und Kohle werden über das gut ausgebaute Straßennetz verteilt.

Physikalische Gegebenheiten in den Umwandlungsmaschinen:
In den Umwandlungsmaschinen kann der Energieinhalt im Brennstoff

> bei der Heizenergie zu einem sehr großen Anteil genutzt werden. Schlagwort „Brennwerttechnik”, die die Kondensationswärme in den Rauchgasen nutzt, indem die Rauchgase unter den Taupunkt abgekühlt werden. Eine weitere Optimierung des Prozesses bringt nur noch geringen Nutzen.
> bei der Herstellung von elektrischer Energie nur zu einem Teil (ca. 40%) in elektrische Energie gewandelt werden. Der Rest ist meist „Abfall” und wird bei Großkraftwerken als Abwärme ungenutzt in die Umwelt entlassen, was eine Energie- und Rohstoffverschwendung ist. Die herkömmlichen Prozesse sind, so wie sie sind, weitgehend optimiert. Die Abwärmetemperatur ist sehr nieder, so dass eine weitere Nutzung der Abwärme nicht sinnvoll ist, auch wenn die Energiemengen gigantisch sind.

Blockheizkraftwerk (1):
Wird bei der Herstellung von elektrischer Energie aus fossilen Brennstoffen in geringem Maße auf Wirkungsgrad verzichtet, kann Abwärme mit höheren und somit brauchbaren Temperaturen bereit gestellt werden, wodurch sich ein hoher Gesamtwirkungsgrad ergibt. Dies begründet den zunehmenden Einsatz von Blockheizkraftwerken (BHKW) (1). BHKW (1) erzeugen nutzbare Wärmeenergie und elektrischen Strom, Schlagwort „Kraft-Wärme-Kopplung”. BHKW (1) sind dezentral, wodurch die Verteilung der Wärmeenergie einfacher ist. Vorstellbar sind heute BHKW (1) mit wenigen KW (< 10 kW) thermischer Leistung, die Einfamilienhäuser mit Wärme versorgen und den entstehenden Strom ins öffentliche Netz einspeisen.
Verknüpfung Energiestrom „Heizenergie” mit Energiestrom „elektrische Energie”:
Die in der Bundesrepublik Deutschland in dem Energieversorgungszweig Heizenergie installierte Leistung übersteigt die Leistung aller Elektrizität erzeugenden Kraftwerke vielfach, was wiederum bedeutet, dass, wären dies alles BHKW (1), die ununterbrochene elektrische Vollversorgung ohne Großkraftwerke sichergestellt werden könnte.
Hausheizungen erzeugen häufig

> Wärme, um Räume zu beheizen
> warmes Brauchwasser

Da die notwendige Heizenergie starken jahreszeitlichen Schwankungen unterliegt und kurzzeitig immer eine große Leistung benötigt wird, um Brauchwasser zu erwärmen, haben Hausheizungen große Leistungsreserven bzw. stehen lange Zeit still.
Wird unterstellt, dass viele Hausheizungen zukünftig als BHKW (1) ausgeführt werden, so können diese genutzt werden, um elektrische Energie zu erzeugen, wenn z. B. die erneuerbaren Primärenergien nicht ausreichend zur Verfügung stehen oder die herkömmlichen elektrischen Kraftwerke nicht mehr vorhanden sind. Die Hausheizungen beziehen die Primärenergie aus den Öltanks im Haus oder aus dem Erdgasnetz. Die Vorräte und Kapazitäten in diesen Speichern sind sehr groß, da diese für starke jahreszeitliche Schwankungen ausgelegt sind. Um die Versorgungssicherheit mit elektrischer Energie zu gewährleisten, müssen bei vermehrtem Einsatz von BHKW (1) keine neuen fossilen, energetisch unwirtschaftlichen Spitzenlastkraftwerke mit einer geringen Nutzungsdauer gebaut werden.
Das derzeitige EEG
Das Erneuerbare Energien Gesetz (EEG) bzw. das Kraft-Wärme-Kopplungsgesetz regelt für BHKW (1) den Einspeisevorrang und die Einspeisevergütung in das öffentliche Netz. Ins öffentliche Netz darf soviel elektrische Energie eingespeist werden, wie bei der Herstellung der benötigten Wärme als elektrische Energie entsteht.
Ziel der Erfindung:
Die Funktion von BHKW (1) ist oben umrissen und hinreichend bekannt. Der lokale Energieversorger wird zukünftig die Möglichkeit haben, die Leistung auch privater BHKW (1) zu steuern, was hauptsächlich bedeutet, dass BHKW (1) um die Mittagszeit die Tagesspitzenlast decken helfen. Die BHKW (1) werden in diesem begrenzten Zeitraum die nicht unmittelbar benötigte Wärmeenergie in einen Wärmespeicher (5), z. B. für Brauchwasser einspeisen, bis dieser voll ist und dann nach derzeitiger Gesetzeslage abschalten. Sollen die BHKW (1) dazu genutzt werden, Zeiträume von mehreren Tagen mit schwachem Wind- und Solarenergieertrag zu überbrücken, können die BHKW (1) die unvermeidbar entstehende Wärmeenergie nicht mehr in Wärmespeichern (5) puffern, sondern müssen die Abwärmeenergie über einen Kühler (6) ungenutzt in die Umwelt abgeben, so wie es aktuell nahezu alle thermischen Großkraftwerke tun. Die in sehr großen Wärmespeichern (5) dauerhaft unvermeidbaren Wärmeverluste und die hohen Beschaffungskosten machen einen kurzzeitigen Betrieb eines Kühlers (6) energetisch und finanziell sinnvoll.
Beschreibung der Erfindung:
Die vorgestellte Erfindung wird in schematisch dargestellt.
Um die unvermeidbaren Lücken der erneuerbaren Energiequellen zu füllen, ist es sinnvoll, in vielen privaten Haushalten und kleineren Betrieben kleine BHKW (1) zu installieren und mit diesen den täglich wiederkehrenden Spitzenstrombedarf um die Mittagszeit decken zu helfen und, sollten die erneuerbaren Energiequellen witterungsbedingt vollständig ausfallen, die Versorgung mit elektrischer Energie vollständig zu übernehmen. Auf Grund der in der Regel trägen Wärmesysteme werden BHKW (1) gebaut, die im Normalbetrieb mit zeitlichen Unterbrechungen laufen, um nur die benötigte Wärmeenergie zu erzeugen, und bei kurzzeitigem elektrischem Spitzenlastbedarf die entstehende Wärme in einem Wärmspeicher (5) puffern.
Fällt die Versorgung der elektrische Energie aus erneuerbaren Energien oder herkömmlichen Kraftwerken über Tage aus und das BHKW (1) soll auf Anforderung des Netzbetreibers ununterbrochen elektrische Energie liefern, muss die entstehende überschüssige Wärmeenergie über eine Kühleinrichtung (6) ungenutzt abgeführt werden. Es ist nicht sinnvoll nur wegen diesem kurzen Betriebszustand überdimensionierte Wärmespeicher (5) zu installieren, die höhere Dauerverluste haben als sinnvollere kleinere Speicher (5). Ein zukünftiges BHKW (1) muss damit zwischen zwei Betriebsweisen unterscheiden können:

> Normalbetrieb im derzeitigen Sinne mit vorrangiger Wärmeenergieerzeugung, in dem die Laufzeit und die Leistung von der benötigten Wärmeenergie bestimmt werden. Die erzeugte Wärmeenergie und entstehende elektrische Energie werden vollständig genutzt.
> Betrieb mit vorrangiger elektrischer Energieerzeugung, in dem die Laufzeit und die Leistung von der benötigten elektrischen Energie bestimmt werden. Die erzeugte elektrische Energie wird vollständig genutzt. Die entstehende überschüssige Wärmeenergie wird ungenutzt in die Umwelt entlassen.

Bezugszeichenliste

1: Blockheizkraftwerk (BHKW)
2: thermische Antriebsmaschine
3: Steuereinrichtung
4: Generator
5: Wärmeenergieverbraucher (unmittelbare Verbraucher oder Speicher)
6: Kühleinrichtung für Abwärme bei leistungsgeführter Betriebsweise

Claims

Blockheizkraftwerk (1) mit thermischer Antriebsmaschine (2), um Wärmeenergie zu erzeugen und elektrische Energie in ein elektrisches Versorgungsnetz einzuspeisen, dadurch gekennzeichnet, dass die zu erzeugende Wärmeleistung eine seiner Betriebsweisen bestimmt und die dabei entstehende elektrische Energie in das elektrische Versorgungsnetz eingespeist wird und die zu erzeugende elektrische Leistung die zweite Betriebsweise bestimmt, indem auf Anforderung des Abnehmers der elektrischen Energie die angeforderte elektrische Leistung in das Netz eingespeist wird und die dabei entstehende Wärmeenergie entweder in die von dem Blockheizkraftwerk (1) versorgten thermischen Verbraucher oder Speicher (5) eingespeist wird oder, sollten die Verbraucher (5) keinen ausreichend großen Wärmeenergiebedarf haben oder die Speicher (5) voll sein, die Wärmeenergie über eine Kühleinrichtung (6) direkt in die Umwelt geleitet wird.
Blockheizkraftwerk (1) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass im von der elektrischen Leistung geführten Betrieb die angeschlossenen thermischen Verbraucher und Speicher (5) nicht vorrangig versorgt werden.
Blockheizkraftwerk (1) nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass es über Einrichtungen verfügt, die es ermöglichen, die angeforderte Betriebsweise „Vorrang Wärmeerzeugung” oder „Vorrang elektrische Energieerzeugung” zu erkennen, zu unterscheiden, einzustellen und über längere Zeit aufrecht zu halten und zwischen den beiden Betriebsweisen zu wechseln.
Blockheizkraftwerk (1) nach Anspruch 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Anforderung des Abnehmers der elektrischen Energie an die Betriebsweise auf jegliche erdenkliche Art erfolgen kann, z. B. einer dauerhaften Vereinbarung, einer schriftlichen Aufforderung, einem Telefonanruf bis zur automatischen Fernsteuerung durch den Abnehmer der elektrischen Energie ohne Zutun des Eigentümers des Blockheizkraftwerkes (1).