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Die Erfindung betrifft eine Energiezentrale und ein Verfahren zum Betreiben einer Energiezentrale.
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In Gebäuden, insbesondere in Wohngebäuden, besteht Energiebedarf in Form von elektrischer Energie zum Betreiben elektrischer Verbraucher und in Form von Wärmeenergie zur Raumheizung und zur Warmwasserbereitung. Allgemein übliche Energiequellen sind das öffentliche Energieversorgungsnetz für elektrische Energie und eine gebäudeeigene Zentralheizung, gegebenenfalls einschließlich eines Sonnenkollektors (Solarthermie), für Wärmeenergie.
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Aus der
DE 100 43 547 A1 ist eine Energie-Kompakt-Anlage mit zumindest einem Antriebsaggregat bekannt, dem wenigstens ein Generator zugeordnet ist, wobei das Antriebsaggregat zur Nutzung seiner Abwärme in einem Gehäuse angeordnet und ihm eine Wärmetauschereinrichtung zugeordnet ist. Die Wärmetauschereinrichtung soll mit einer Heizung zur Erzeugung von Dampf verbunden sein, der über eine Turbine einen Generator zur Stromerzeugung antreibt.
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Aus der
DE 10 2012 214 732 A1 ist ein Blockheizkraftwerk bekannt. Dieses umfasst eine Maschine, eine Motor/Generator-Einheit (MGU), die durch die Maschine mit Leistung beaufschlagt wird, einen Kompressor, der durch die MGU mit Leistung beaufschlagt wird, und einen Wärmespeichertank. Das Kraftwerk umfasst ferner einen Maschinenkühlmittelkreis, der die Maschine in thermischer Verbindung mit dem Tank setzt, und einen Dampfkreis, der Kühlmittel von dem Kompressor umwälzt. Eine Lüftungsanlage tauscht Wärme zwischen dem Maschinenkühlmittelkreis und dem Dampfkreis aus. Ein Controller ist ausgestaltet, um die Maschine, die MGU, den Kompressor und die Lüftungsanlage, alleine oder in Kombination, zu steuern und somit Luft, die einem Gebäude zugeführt wird, und Wasser in dem Tank zu erwärmen oder zu kühlen und zumindest eine zusätzliche Einrichtung, wie etwa eine Batterie eines Elektrofahrzeugs (EV), selektiv über die MGU zu laden. Das Kraftwerk kann zwei Kraftanlagen umfassen, wobei eine, zum Beispiel ein EV oder ein tragbares Modul, die Maschine und einen ersten Maschinenkühlmittelkreis aufweist.
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Aus der
DE 10 2009 011 475 A1 ist ein modulares Blockheizkraftwerk, insbesondere für Einfamilien- und Mehrfamilienhäuser, bekannt. Das Blockheizkraftwerk (BHKW) ist gekennzeichnet durch eine Modulbauweise. Ein modulares Blockheizkraftwerk (BHKW) weist mindestens die Bauteile auf: einen Verbrennungsmotor, einen elektrischen Generator und mindestens einen Kühlkreislauf, gekennzeichnet durch einen modularen Aufbau des BHKWs, mindestens aufweisend: den Verbrennungsmotor und/oder den Generator in einem ersten Modul, ein zweites Modul mit dem mindestens einen Kühlkreislauf, insbesondere des Verbrennungsmotors und/oder des Generators, eine Steuerungseinheit für mindestens eines der Bauteile, insbesondere für den Verbrennungsmotor und/oder den Generator, in einem dritten Modul, ein viertes Modul mit Elementen einer Abgasanlage und dem mindestens einen Kühlkreislauf, insbesondere der Abgasanlage, und Verbindungselemente, mit denen die Bauteile, insbesondere Bauteile unterschiedlicher Module, elektrisch und/oder hydraulisch verbindbar sind.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Energieversorgung in einem Gebäude zu verbessern.
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Die Aufgabe wird gelöst durch eine Energiezentrale gemäß Patentanspruch 1. Bevorzugte oder vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sowie anderer Erfindungskategorien ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den beigefügten Figuren.
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Die Energiezentrale enthält ein Blockheizkraftwerk. Das Blockheizkraftwerk dient zur Erzeugung von Wärmeenergie und zur Erzeugung von elektrischer Energie. Die Energiezentrale enthält einen Pufferspeicher. Der Pufferspeicher dient zur Aufnahme, Speicherung und Abgabe von Wärmeenergie. Übliche Pufferspeicher sind mit Wasser gefüllt. Bei der Aufnahme von Energie wird das Wasser im Pufferspeicher erhitzt. Das erhitzte Wasser dient zur Speicherung der Energie. Zur Abgabe von Energie wird dem Wasser Wärme entzogen und z.B. an einen Heizkreis oder einen Warmwasserwärmetauscher abgeführt. Die Energiezentrale enthält einen elektrischen Speicher. Der elektrische Speicher dient zur Aufnahme, Speicherung und Abgabe von elektrischer Energie. Ein derartiger elektrischer Speicher ist insbesondere ein Akkumulator. Die Energiezentrale weist einen elektrischen Verbraucherausgang auf. Der Verbraucherausgang dient zur Abgabe elektrischer Energie an einen elektrischen Verbraucher. Die Energiezentrale weist einen Netzeingang auf. Der Netzeingang dient zur Aufnahme von elektrischer Energie aus einem, insbesondere dem öffentlichen, Energieversorgungsnetz. Die Energiezentrale enthält einen elektrischen Verteiler. Der elektrische Verteiler dient zur wahlweisen Verteilung von elektrischer Energie in der Energiezentrale. Das Wort „in“ in diesem Zusammenhang bedeutet: innerhalb dieser und/oder in diese hinein und/oder aus dieser heraus. So wird beispielsweise elektrische Energie, welche vom Blockheizkraftwerk aufgenommen wird, wahlweise beziehungsweise teilweise an den Verbraucherausgang weitergegeben und/oder an den elektrischen Speicher weitergegeben oder elektrische Energie aus dem elektrischen Speicher an den elektrischen Verbraucherausgang weitergegeben.
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Die Energiezentrale enthält eine Steuer- und Auswerteeinheit. Diese dient zur Steuerung des Flusses von Wärmeenergie und zur Steuerung des Flusses von elektrischer Energie in der Energiezentrale. Das Wort „in“ ist hier im oben erläuterten Sinn zu verstehen. Die Energiezentrale ist dazu ausgebildet, Wärmeenergie in den Pufferspeicher ausschließlich in Form von Wärmeenergie, die vom Blockheizkraftwerk erzeugt ist oder in Form von Wärmeenergie, die aus elektrischer Energie, die in der Energiezentrale vorhanden ist, in Wärmeenergie umgesetzt wurde, einzubringen. Die elektrische Energie ist insbesondere ausschließlich eine solche, die vom Blockheizkraftwerk oder - falls vorhanden - von einem optionalen Photovoltaikmodul der Energiezentrale, erzeugt ist.
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Die Erfindung beruht auf folgenden Überlegungen und Erkenntnissen:
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Es soll eine Blockheizkraftwerksystemanlage für insbesondere Ein- und Zwei-Familien-Häuser geschaffen werden, die nicht ausschließlich erzeugten Strom in das Netz einspeist, sondern auf der Grundlage des Eigenverbrauchs aufbaut. Dies wird durch einen (speziellen) elektrischen Akkumulator erreicht und optional durch eine zusätzliche elektrische Speicherladung (Wärmeeintrag in den Pufferspeicher durch Heizelement mit elektrischer Energie des Blockheizkraftwerks). So wird Brauchwasser und Heizwasser erwärmt. Bekannte Blockheizkraftwerkanlagen laufen 365 Tage im Jahr, 24 Stunden pro Tag und somit rund um die Uhr und speisen den erzeugten Strom ins Netz. Die erzeugte Abwärme wird eigentlich nur im Winterbetrieb als Heizwärme sinnvoll genutzt. Im Sommerbetrieb wird die erzeugte Wärme kaum genutzt und geht so ungenutzt verloren, da das Brauchwasser eine derartige Wärmemenge nicht aufnehmen kann. Ein elektrischer Akkumulator ist in den üblichen Anlagen nicht vorhanden. Speziell durch einen elektrischen Akkumulator und eine Pufferspeicherlösung ist gemäß der Erfindung die Laufleistung des Blockheizkraftwerkmotors über das Jahr gesehen auf ca. sechs bis sieben Monate reduziert. Der Brennstoffbedarf ist dadurch wesentlich geringer und die Lebensdauer wird erheblich erweitert. Die Energiezentrale dient für den Verbraucher selbst und macht diesen zumindest weitgehend unabhängig von öffentlichen Energieversorgungsnetzen. Die Energiezentrale wird daher nicht auf Lasten der Allgemeinheit betrieben. Die Montage und Betreuung kann durch jeden Elektro- und Heizungsfachmann vor Ort erfolgen. Die Anlage kann steckerfertig verdrahtet und heizungstechnisch über Schnellverbindungen einfach und sicher angeschlossen werden. Die Einbringung und Aufstellung kann durch zwei Personen erfolgen, wenn die maximalen Einzelgewichte der Komponenten z.B. kleiner 95 Kilogramm gewählt sind.
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Im Blockheizkraftwerk wird die Wärme des Abgases eines Motors als auch die Wärme des Kühlwassers des Motors zur Erzeugung von Wärmeenergie benutzt. Die mechanische Leistung des Motors wird durch einen Generator in elektrische Energie umgesetzt.
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In der Energiezentrale wird also bewusst auf die Einbringung von Wärmeenergie in den Pufferspeicher aus einer anderen Wärmequelle, insbesondere aus einem Sonnenkollektor, verzichtet. Kosten und Aufwand in der Energiezentrale für eine zusätzliche Wärmequelle, insbesondere einen Sonnenkollektor, werden vermieden, indem eine weitere Wärmequelle nicht vorgesehen wird und auch das Systemdesign eine derartige Wärmequelle nicht einbeziehen muss.
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Die Energiezentrale verzichtet also bewusst auf den Einsatz von Solarthermie. Durch die Steuer- und Auswerteeinheit wird insbesondere z.B. bei einem Sommerbetrieb das Pufferwasser im Pufferspeicher auf einer Temperatur von 70°C gehalten. Wenn am Abend Strombedarf besteht und insbesondere das vorhandene Photovoltaikmodul keinen Strom mehr liefert, wird der Bedarf durch das Blockheizkraftwerk gedeckt. Die dabei abfallende Wärmeenergie kann im Pufferspeicher aufgenommen werden und geht somit nicht verloren. Zum Beispiel besteht Reserve für die Abwärme des Motors über einer Stunde Betriebszeit, um den Pufferspeicher dann auf 85 Grad Celsius aufzuheizen.
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Gemäß der Erfindung ergibt sich der überraschende Effekt, dass ein derartiger Verzicht auf eine Wärmequelle - insbesondere regenerativ in Form des Sonnenkollektors - eine insgesamt bessere Systemeffizienz bewirkt. Denn insbesondere in den Sommermonaten wird in der Energiezentrale elektrische Energie benötigt, welche durch das Blockheizkraftwerk erzeugt wird. Die entstehende Abwärme in Form von Wärmeenergie ist damit ohnehin vorhanden und steht ausreichend zur Erhitzung von Brauchwasser zur Verfügung. Wärme für eine Raumheizung wird dann nämlich nicht benötigt.
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Insbesondere weist die Energiezentrale auch keinen Anschluss oder lediglich einen unbelegten und ungenutzten und nicht ins Systemdesign integrierten Anschluss für einen Sonnenkollektor auf. Insbesondere ist die Energiezentrale hinsichtlich ihrer Steuer- und Auswerteeinheit auf den Betrieb ohne Solarthermie optimiert beziehungsweise alleine hierzu eingerichtet.
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Die Steuer- und Auswerteeinheit kann ein einziges zentrales Element in Form einer einzigen Zentralsteuerung sein oder auch ein verschalteter Verbund mehrerer Teilsteuerungen sein.
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In einer bevorzugten Ausführungsform enthält die Energiezentrale einen Wärmeverteiler zur wahlweisen Verteilung von Wärmeenergie in der Energiezentrale. Das Wort „in“ ist hier im oben erläuterten Sinn zu verstehen. Diese Ausführungsform schafft Möglichkeiten, neben dem Strom auch die Wärme in der Energiezentrale beliebig verteilen zu können. Z.B: kann die im Blockheizkraftwerk erzeugte Wärme teils direkt in einen Heizkreis und teils zum Pufferspeicher geführt werden. So kann beispielsweise eine Raumheizung oder Warmwasserbereitung auch ohne Umweg über den Pufferspeicher direkt aus dem Blockheizkraftwerk erfolgen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Energiezentrale einen elektrischen Ladeanschluss für ein Elektromobil auf. Derartige Elektromobile sind beispielsweise Fahrräder oder Motorräder. Insbesondere ist der elektrische Ladeanschluss ein solcher für ein Elektroauto, also ein handelsübliches Elektrokraftfahrzeug oder Plug-In-Hybrid-Kraftfahrzeug. So besteht die Möglichkeit, z.B. bei einem Überangebot von elektrischer Energie aus dem Blockheizkraftwerk im Winter bei benötigter hoher Heizleistung einen elektrischen Speicher in einem Elektromobil aufzuladen. Die Energie muss dann nicht im elektrischen Energiespeicher der Energiezentrale gespeichert werden. Hierdurch kann der elektrische Energiespeicher der Energiezentrale kleiner dimensioniert werden. Der Speicher im Elektromobil kann bei Bedarf auch zur Rückspeisung von elektrischer Energie in die Energiezentrale genutzt werden. Der Ladeanschluss ist dann auch als elektrischer Eingang in die Energiezentrale ausgelegt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Pufferspeicher eine erste Anschlussseite auf, an der ein Zulauf für Frischwasser und ein Ablauf für insbesondere erwärmtes Frischwasser angeordnet sind. Die erste Anschlussseite ist insbesondere eine Rückseite des Pufferspeichers, welche also dafür gedacht ist, bei der Installation in einem Heizraum oder ähnlichem einer entsprechenden Raumwand zugewandt zu sein. Der Pufferspeicher weist eine der ersten Anschlussseite gegenüberliegende zweite Anschlussseite auf. An der zweiten Anschlussseite sind alle Vor- und Rücklaufanschlüsse für mindestens einen Heizkreis angeordnet. Insbesondere sind zwei, insbesondere drei Heizkreise am Pufferspeicher vorgesehen. Somit ist es möglich, eine einfache Installation für viele bestehende Hausinstallationen durchzuführen: Lediglich die Frisch- und Warmwasseranschlüsse müssen rückseitig beziehungsweise wandseitig in einem Heizraum montiert werden. Sämtliche Verrohrungsanschlüsse für Heizkreise zur Raumheizung sind dann leicht zugänglich an der Vorderseite des Pufferspeichers anbringbar. Insbesondere weist der Pufferspeicher beziehungsweise die ihm zugeordnete Steuerung eine automatische Detektion der angeschlossenen Heizkreise auf. Insbesondere erfolgt eine automatische Konfiguration der Steuer- und Auswerteeinheit je nach Anzahl und Art der angeschlossenen Heizkreise. Die Heizkreise sind insbesondere ein Heizkreis mit 60°C Vorlauftemperatur für Heizkörper und/oder einer mit 35°C für Fußbodenheizung und einer mit 22°C bis 23°C für Wand-/Deckenheizungen. Letzterer kann auch mit einer Temperatur von 18°C als Kühlkreislauf verwendet werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Pufferspeicher ein elektrisches Heizelement auf. Dieses ist mit elektrischer Energie betrieben und dient zur Erzeugung von Wärmeenergie im Pufferspeicher. Somit ist die Möglichkeit gegeben, insbesondere im Winter, wenn viel Wärmeleistung vom Blockheizkraftwerk benötigt wird, die anfallende elektrische Energie des Blockheizkraftwerks nicht im elektrischen Speicher speichern zu müssen, sondern diese parallel zur Aufheizung des Pufferspeichers und damit zur Wärmeerzeugung zu nutzen. Somit ergibt sich eine insgesamt erhöhte Systemleistung bezüglich der Wärmeleistung, die über der Wärmeleistung des Blockheizkraftwerks liegt. Außerdem kann der elektrische Energiespeicher kleiner dimensioniert werden.
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Die Energiezentrale ist hinsichtlich des Netzeingangs einzig zur Aufnahme von elektrischer Energie aus einem Energieversorgungsnetz ausgebildet, jedoch nicht zur Rückspeisung in Gegenrichtung. Hier gelten sinngemäß die gleichen Aussagen wie bezüglich des bewussten Verzichts auf einen Sonnenkollektor. Eine Rückspeisung von elektrischer Energie aus der Energiezentrale in das Energieversorgungsnetz ist nicht möglich. Die Steuer- und Auswerteeinheit ist zur Nicht-Rückspeisung optimiert beziehungsweise zu dieser nicht ausgebildet. Die Energiezentrale ist somit als elektrisch möglichst autarke Energiezentrale ausgebildet, welche elektrische Energie ausschließlich zum Eigenbedarf in den entsprechenden Verbrauchern, jedoch nicht zur Netzrückspeisung erzeugt. Dies gilt vor allem auch - falls vorhanden - für ein optionales Photovoltaikmodul der Energiezentrale.
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In einer bevorzugten Ausführungsform enthält die Energiezentrale ein Photovoltaikmodul zur Erzeugung elektrischer Energie. Die elektrische Energie des Photovoltaikmoduls wird insbesondere in Verbindung mit der Nichtrückspeisung in das Energieversorgungsnetz ausschließlich zur Eigennutzung in der Energiezentrale, das heißt zur Versorgung der Verbraucher oder zur Zwischenspeicherung im elektrischen Speicher oder, falls vorgesehen, zur elektrischen Heizung des Pufferspeichers eingesetzt. Bezüglich Kosten/Nutzen ergibt sich in der Regel ein besseres Verhältnis, wenn photovoltaisch erzeugte elektrische Energie eigengenutzt wird, als wenn diese in ein Energieversorgungsnetz rückgespeist und dort entsprechend vergütet wird. Dies gilt insbesondere, wenn die Netzrückspeisung nicht finanziell subventioniert ist. Die Energiezentrale bietet damit die Möglichkeit, insbesondere bisher zur Netzrückspeisung verwendete und z.B. bisher, nun aber nicht weiter bezüglich Netzrückspeisung subventionierte Photovoltaikmodule in der autarken Energiezentrale zu nutzen, wenn die Netzrückspeisung gegenüber einer Eigennutzung unrentabel geworden ist. In einer bevorzugten Variante dieser Ausführungsform wird daher die Nutzung von Photovoltaik mit der Nichtrückspeisung ins Energieversorgungsnetz kombiniert.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Energiezentrale in einem Vormontagezustand eine Mehrzahl von vorgefertigten Modulen auf. Die Module sind einzig über elektrische Steckverbindungen und mechanische Schraubverbindungen verbindbar, um in einen Montagezustand zu gelangen. Die Schraubverbindungen sind vorzugsweise mit Zentrierhilfen versehen. Jedes der Module weist eine jeweilige Masse kleiner einer Grenzmasse auf. Die Grenzmasse beträgt insbesondere 130 Kilogramm, insbesondere 110 Kilogramm, insbesondere 90 Kilogramm. Eine derartige modulare Ausführung ermöglicht den Verkauf beziehungsweise Vertrieb der Energiezentrale über Onlinesysteme bzw. über das Internet. Die Anlagenkomponenten beziehungsweise Module sind dann leicht lieferbar und insbesondere von Einzelpersonen ohne Zuhilfenahme von weiteren Transportmaschinen, wie zum Beispiel Kränen, Flaschenzügen, Gabelstaplern usw. transportierbar. Somit ergibt sich ein vollständig vorgefertigter Bausatz, der lediglich noch „zusammengesteckt und verschraubt“ werden muss. Insbesondere in der Ausführungsform von maximal 90 Kilogramm sind entsprechende Pakete noch praktikabel von zwei Personen händisch transportierbar bzw. tragbar. Gegebenenfalls kann hier eine angepasste Tragehilfe für die Personen oder für Einzelpersonen vorgesehen sein. Die Module enthalten beispielsweise Trageösen, um mit einer Tragehilfe für Montagepersonal verbunden zu werden. Die Trageösen werden gegebenenfalls vor oder bei der Endmontage entfernt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform enthält das Blockheizkraftwerk einen Wärmetauscher, der zylinderförmig, insbesondere kreiszylinderförmig, ausgeführt ist. Die Mittellängsachse des Zylinders bzw. Wärmetauschers verläuft im Montagezustand senkrecht. Der Wärmetauscher bildet im Montagezustand ein Unterteil des Blockheizkraftwerkes, über dem im Montagezustand ein Motor des Blockheizkraftwerkes als dessen Oberteil montiert ist. Somit ergibt sich ein räumlich besonders kompaktes Blockheizkraftwerk, mit über dem Wärmetauscher z.B. für Wartungsarbeiten leicht zugänglichem Motor. Die Zylinderform ist insbesondere einbaugünstig, um verschiedensten Einbausituationen des Blockheizkraftwerks im Endmontagezustand, z.B. in einem Heizraum eines Gebäudes, gerecht zu werden.
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In einer bevorzugten Variante dieser Ausführungsform enthält der Wärmetauscher eine zylindermantelförmige Tauschkammer. In der Tauschkammer ist ein Kühlrohr für zu kühlendes Kühlmedium des Motors und ein Tauschrohr für zu erwärmendes Tauschmedium der Energiezentrale vorgesehen beziehungsweise verlaufen diese zumindest teilweise innerhalb der Tauschkammer. Die Tauschkammer ist außerdem von den zu kühlenden Abgasen des Motors durchströmt. Durch die zylindermantelförmige Tauschkammer kann die Tauschkammer selbst mit ausreichend geringem Volumen erzeugt werden, und dennoch ein ausreichend großes Volumen des gesamten Wärmetauschers zu erhalten. So kann z.B. eine ausreichende Mindesthöhe und ein ausreichender Mindestdurchmesser des Wärmetauschers erreicht werde, um den Motor des Blockheizkraftwerks ausreichend hoch auf der Tauschkammer montieren zu können und ausreichende Standfestigkeit für das Blockheizkraftwerk zu erreichen.
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In einer bevorzugten Variante der genannten Ausführungsformen umläuft das Kühlrohr für Kühlmedium die Tauschkammer in Umfangsrichtung bezüglich der Mittellängsachse auf einem Umfangsbereich von 45 Grad bis 180 Grad. Der Umfangsbereich beträgt insbesondere 60 Grad bis 120 Grad, insbesondere 90 Grad. Alternativ oder zusätzlich umläuft das Tauschrohr für zu erwärmendes Tauschmedium die Tauschkammer mehrfach schraubenlinienförmig. Alternativ oder zusätzlich sind dem Tauschrohr für zu erwärmendes Tauschmedium Leitbleche zugeordnet. Die Leitbleche dienen zur Führung der Abgase des Motors zumindest abschnittsweise entlang des Tauschrohres. Durch die nur verhältnismäßig kurze Führung des Kühlrohres für Kühlmedium durch die Tauschkammer wird sichergestellt, dass das Kühlmedium nicht zu stark abgekühlt wird. Hierdurch kann erreicht werden, dass der Motor nicht oder nur für kurze Zeit mit vergleichsweise kaltem Kühlmedium betrieben wird. Insbesondere kann hierbei ein vergleichsweise geringes Kühlmedium- bzw. -wasservolumen von ca. zwei bis drei Litern vorgesehen werden.
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Die Aufgabe der Erfindung wird auch gelöst durch ein Verfahren zum Betreiben der erfindungsgemäßen Energiezentrale. Die Energiezentrale enthält ein Blockheizkraftwerk, einen Pufferspeicher, einen elektrischen Speicher, einen elektrischen Verbraucherausgang, einen Wärmeausgang, einen Netzeingang und einen elektrischen Verteiler, wie sie oben im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Energiezentrale beschrieben wurden. Im Verfahren wird die Wärmeenergie in den Pufferspeicher ausschließlich in Form von Wärmeenergie, die vom Blockheizkraftwerk erzeugt wird oder in Form von Wärmeenergie, die aus elektrischer Energie, die in der Energiezentrale vorhanden ist, in Wärmeenergie umgesetzt wurde, eingebracht. Die elektrische Energie ist insbesondere ausschließlich eine solche, die vom Blockheizkraftwerk oder - falls vorhanden - von einem optionalen Photovoltaikmodul der Energiezentrale, erzeugt wird.
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Das Verfahren und dessen Ausführungsformen sowie die jeweiligen Vorteile wurden sinngemäß bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Energiezentrale erläutert.
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Am Netzeingang wird einzig elektrische Energie aus einem Energieversorgungsnetz aufgenommen und nicht in Gegenrichtung rückgespeist.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Energiezentrale in einem Vormontagezustand eine Mehrzahl von vorgefertigten Modulen auf. Um in einen Montagezustand der Energiezentrale zu gelangen, werden die Module einzig über elektrische Steckverbindungen und mechanische Schraubverbindungen verbunden. Die mechanischen Schraubverbindungen werden hierbei vorzugsweise unter Verwendung von Zentrierhilfen verbunden. Die Module weisen hierbei die oben in Verbindung mit der Energiezentrale genannten Grenzmassen auf.
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Ausführungsformen der Erfindung, auch in Kombination der oben genannten Ausführungsformen, gegebenenfalls auch bisher nicht erwähnte Ausführungsformen, werden wie folgt zusammengefasst:
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Im Wärmetauscher des Blockheizkraftwerks wird die Abgastemperatur des Motors von ca. 300°C auf etwa 76°C abgekühlt. Dies erfolgt durch einen Wärmeaustausch auf einer Gesamtlänge von ca. acht bis zehn Metern. Das Kühlwasser des Motors wird im Wärmetauscher von ca. 85°C auf ca. 45°C abgekühlt. Als Motoren des Blockheizkraftwerks können (Bio-)Diesel oder Gasmotoren eingesetzt werden, üblicherweise mit einer thermischen Leistung von 6,6kW - 17kW und einer elektrischen Leistung von 3,3kW - 8,5kW. Der elektrische Speicher weist beispielsweise eine Speicherkapazität von 5kWh - 8kWh auf. Der Pufferspeicher ist beispielsweise ein thermischer legionellenfreier Ladesystemspeicher.
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Gemäß der Erfindung ergibt sich ein Blockheizkraftwerk für Insellösungen, wobei eine zusätzliche Netzparallelität optional möglich ist. Die Energiezentrale ist einfach zu warten und benötigt lediglich preiswerte Ersatzteile, welche überall verfügbar sind. Zu Transportzwecken ist die Energiezentrale einfach und schnell zu zerlegen. Der Motor im Blockheizkraftwerk ist beispielsweise ein Zweizylindermotor, insbesondere der Fa. Kubota, mit optimiertem Verbrennungsverfahren, der Generator ein handelsüblicher Asynchronindustriegenerator, wie sich auch bei Feuerwehr, Technischem Hilfswerk und Militär in großer Stückzahl bewährt hat. Der Generator ist insbesondere ein dreiphasiger Generator ohne störanfällige Elektronik mit hoher Schieflastfestigkeit.
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Aufgrund des Wärmetauschers mit Huckepackmotor ergibt sich ein platzsparender Aufbau mit günstig platziertem Motor für bequeme Durchführung von Wartungen. Der Motor ist vom gesamten Umfangsbereich des Blockheizkraftwerks (360°) aus zugänglich. In der Energiezentrale können unter einem gemeinsamen Anlagen bzw. Systemkonzept Motoren/Generatoren mit vielen Leistungsstufen eingesetzt werden. Insgesamt ergibt sich für die Energiezentrale ein niedriger spezifischer Kraftstoffverbrauch. Es ergibt sich eine kompakte vormontierte Wärmespeichereinheit (Pufferspeicher) mit bis zu drei gemischten Heizkreisen. Eine hygienische Brauchwasserbereitung kann mittels Frischwasserstation erfolgen. Eine elektrische Pumpendrehzahlregelung der Frischwasserstation kann mit einem ultraschnellen Sensor erfolgen. Es ergibt sich ein konstruktiver Verkalkungsschutz der Frischwasserstation durch Montage im Fußbereich des Speichers. Der Pufferspeicher kann eine Zwei-Zonen-Technologie mit Rückschichtlanze aufweisen. Optional existiert ein Rücklauftemperatur-Anhebe-Set für Feststoffkessel zur Direktmontage am Pufferspeicher. Es ergibt sich eine praktisch unbegrenzte Lebensdauer des Speichersystems, da alle verschleißbehafteten Teile außerhalb des Puffers und damit für Reparaturen leicht zugänglich montiert sind. Die vorprogrammierte Regelung (Steuer- und Auswerteeinheit) ist steckerfertig und verfügt über ein optionales Kommunikationsmodul, um diese z.B. schnell und über Internet einfach mit Smartphone, Tablet oder PC zu verbinden. Si ist eine Visualisierung der Anlage und Fernparametrierung beziehungsweise Programmierung über das Kommunikationsmodul möglich. Die Energiezentrale ist herstellerunabhängig verwendbar für alle Arten von Wärmeerzeugern. Eine Einbindung von Blockheizkraftwerken oder Notstromaggregaten mit niedrigem Arbeitsdruck ist über einen optionalen Rippenrohrwärmetauscher möglich. Die Energiezentrale weist ein niedriges Einbringgewicht auf, ist individuell auf Anforderungen konfigurierbar und jederzeit mit Zusatzmodulen auf eine Maximalausstattung nachrüstbar.
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Bei einer modularen Auslieferung ist es entscheidend, dass die Energiezentrale technisch richtig konfiguriert und betrieben wird. Für die Energiezentrale ist es dann sinnvoll, dass diese ausschließlich durch das speziell ausgebildete Fachpersonal errichtet und gewartet wird. So kann sichergestellt werden, dass z.B. auch eine online vertriebene, in Modulen gelieferte Energiezentrale fachgerecht endmontiert und gewartet wird. Hier ist es z.B. denkbar, seitens des Herstellers zu fordern, dass die Anlage nur durch geschultes Personal errichtet und gewartet wird. Z.B. könnte regional, z.B. auf Landkreisebene, hierfür Fachpersonal herstellerseitig bestimmt werden. So könnten z.B. ein Elektrofachmann und ein Kaminkehrer oder Energieberater ausgewählt werden. Diese sind dann durch einen ausschließlichen Servicevertrag über z.B. fünf Jahre für Aufbau und Wartung der Anlage zuständig.
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Weitere Merkmale, Wirkungen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung sowie der beigefügten Figuren. Dabei zeigen in einer schematischen Prinzipskizze:
- 1 ein Einfamilienhaus mit Energiezentrale,
- 2 den Wärmetauscher des Blockheizkraftwerkes der Energiezentrale in a) Rückansicht und b) Draufsicht.
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1 zeigt eine Energiezentrale 2 in einem Gebäude 4, hier einem Einfamilienhaus. Die Energiezentrale 2 enthält ein Blockheizkraftwerk 6, einen Pufferspeicher 8, einen elektrischen Speicher 10, hier einen Akkumulator, einen elektrischen Verbraucherausgang 12, einen Wärmeausgang 14 und einen Netzeingang 16, einen elektrischen Verteiler 18 und eine Steuer- und Auswerteeinheit 20. Das Blockheizkraftwerk 6 dient zur Erzeugung von Wärmeenergie W und elektrischer Energie E. Der Pufferspeicher 8 dient zur Aufnahme, Speicherung und Abgabe von Wärmeenergie W. Der elektrische Speicher 10 dient zur Aufnahme, Speicherung und Abgabe von elektrischer Energie E. Der elektrischer Speicher 10 und die Steuer- und Auswerteeinheit 20 sind im Beispiel als eine bauliche Einheit zusammengefasst, was in 1 gestrichelt angedeutet ist. Das Haus 4 weist außerdem einen Kamin 28 aus, um Abgase aus dem Blockheizkraftwerk 6 über das Dach des Hauses 4 zu entsorgen.
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Das Blockheizkraftwerk 6 wird durch Biodiesel oder Gas angetrieben. Der Pufferspeicher 8 ist ein legionellenfreier Pufferspeicher. Der elektrische Verbraucherausgang 12 dient zur Abgabe elektrischer Energie E an elektrische Verbraucher 22, im Beispiel im Summ nur symbolisch dargestellt. Der Wärmeausgang 14 dient zur Ausgabe von Wärmeenergie W an Wärmeverbraucher 24, ebenfalls in Summe nur symbolisch dargestellt. Die Umschaltzeit des elektrischen Verteilers 18 zur Änderung der Verteilung bzw. des Flusses der Energie E beträgt unter einer Millisekunde.
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Der Netzeingang 16 dient zur Aufnahme elektrischer Energie E aus einem nur symbolisch angedeuteten Energieversorgungsnetz 26. Einspeisung elektrischer Energie E in die Energiezentrale 2 erfolgt ausschließlich in Richtung des Pfeils 32, das heißt vom Netzanschluss 16 in die Energiezentrale 2 hinein, jedoch nicht in Gegenrichtung als Rückspeisung in das Energieversorgungsnetz 26. Die Energiezentrale 2 ist also hinsichtlich des Netzeingangs 16 einzig zur Aufnahme von elektrischer Energie E aus dem Energieversorgungsnetz 26 ausgebildet, jedoch nicht zur Rückspeisung in Gegenrichtung des Pfeils 32. Der elektrische Verteiler 18 dient zur wahlweisen Verteilung von elektrischer Energie E in der Energiezentrale 2, das heißt in diese hinein, innerhalb dieser und aus dieser heraus. Die Steuer- und Auswerteeinheit 20 dient zur Steuerung des Flusses von Wärmeenergie W und elektrischer Energie E in der Energiezentrale 2, also ebenfalls in diese hinein, innerhalb dieser und aus dieser heraus. Die Energiezentrale 2 ist dazu ausgebildet, Wärmeenergie W in den Pufferspeicher 8 ausschließlich in Form von Wärmeenergie W des Blockheizkraftwerks 6 oder elektrischer Energie E der Energiezentrale 2 einzubringen. Elektrische Energie E der Energiezentrale 2 ist dabei solche, die in der Energiezentrale 2 vorliegt, also innerhalb dieser erzeugt wurde oder in diese eingespeist wurde.
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Die Energiezentrale 2 weist außerdem ein Photovoltaikmodul 30 auf, das zur Erzeugung von elektrischer Energie E dient, um diese der restlichen Energiezentrale 2 zur Verfügung zu stellen. Die Energiezentrale 2 enthält außerdem einen Wärmeverteiler 34, welcher nur symbolisch angedeutet ist und zur wahlweisen Verteilung von Wärmeenergie W in der Energiezentrale 2 dient. Die Energiezentrale 2 enthält einen elektrischen Ladeanschluss 36 für ein nicht dargestelltes Elektromobil beziehungsweise Elektroauto, um dieses mit elektrischer Energie E aus der Energiezentrale 2 zu versorgen oder gegebenenfalls elektrische Energie in die Energiezentrale 2 rückzuspeisen. Der Ladeanschluss 36 ist symbolisch als Teil der elektrischen Verbraucher 22 dargestellt.
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Der Pufferspeicher 8 weist eine erste Anschlussseite 38a auf, an der ein Zulauf 40a und ein Ablauf 40b für Frischwasser angeordnet sind. Der Ablauf 40b stellt gegebenenfalls erwärmtes Frischwasser zur Verfügung. Im dargestellten Montagezustand, wenn die Energiezentrale 2 fest im Gebäude 4 installiert ist, ist die erste Anschlussseite der Wand des Gebäudes 4 zugewandt. Eine zweite Anschlussseite 38b, welche der ersten Anschlussseite gegenüberliegt, stellt alle Anschlüsse 42 für Vor- und Rücklauf von mindestens einem, im Beispiel drei verschiedenen, in 1 nicht dargestellten Heizkreisen für die Raumheizung des Gebäudes 4 zur Verfügung. Der Pufferspeicher 8 beziehungsweise die Steuer- und Auswerteeinheit 20 sind derart eingerichtet, dass automatisch detektiert wird, welche der Vor- und Rücklaufanschlüsse 42 tatsächlich durch Heizkreise belegt sind und die Steuer- und Auswerteeinheit 20 entsprechend reagiert.
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Der Pufferspeicher 8 weist ein elektrisches Heizelement 44, hier einen Elektroheizstab auf, der zum Wärmeeintrag in den Pufferspeicher 8 dient und durch elektrische Energie E betrieben wird, d.h. diese in Wärmeenergie W umwandelt. Bei wenig Bedarf an elektrischer Energie E im Haus 4, jedoch hohem Bedarf an Wärmeenergie W wird so die vom Blockheizkraftwerk 6 als Beiprodukt bei der Wärmeerzeugung erzeugte elektrische Energie E zusätzlich zum Aufheizen des Pufferspeichers 8 benutzt.
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Die Energiezentrale 2 ist in einem in 1 nicht dargestellten Vormontagezustand in eine Mehrzahl von vorgefertigten Modulen aufgeteilt, von denen beispielhaft in 1 die Module M1-M5 angedeutet sind. M1 ist die Steuer- und Auswerteeinheit 20, M2 der elektrische Energiespeicher 10, M3 der Motor des Blockheizkraftwerks 6, M4 der Wärmetauscher des Blockheizkraftwerks 6, M5 der Pufferspeicher 8, ohne die entsprechende Verrohrung etc. Sämtliche Module M1-M5 weisen Grenzmassen kleiner 95 Kilogramm auf und sind einzig über elektrische Steckverbindungen und mechanische Schraubverbindungen verbindbar, um in den in 1 dargestellten Montagezustand zu gelangen.
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2 zeigt den Wärmetauscher 46 des Blockheizkraftwerks 6 im Detail, nämlich in einer Rückansicht gemäß 2a und in einer Draufsicht gemäß 2b. Der Wärmetauscher 46 ist zylinderförmig ausgeführt, wobei dessen Mittellängsachse 48 im in 2a gezeigten Montagezustand senkrecht verläuft. Der Wärmetauscher 46 bildet ein Unterteil des Blockheizkraftwerks 6, über dem der lediglich angedeutete Motor 49 des Blockheizkraftwerkes 6 als Oberteil des Blockheizkraftwerks 6 montiert ist. Der Wärmetauscher 46 enthält eine zylindermantelförmige Tauschkammer 50, die ein Kühlrohr 52 zur Abkühlung von Kühlmedium des Motors 49 enthält. Außerdem enthält er ein Tauschrohr 54, welches in 2 nur teilweise angedeutet ist und welches zur Erwärmung des Tauschmediums, beispielsweise Wasser, der Energiezentrale 2 dient, um zwischen dem Wärmetaucher 46 und dem Pufferspeicher 8 zu zirkulieren. Das Tauschmedium im Tauschrohr 54 dient allgemein dazu, die Abwärme des Blockheizkraftwerks 6 in die restlichen Elemente der Energiezentrale 2 zu transportieren. So wird der Pufferspeicher 8 bzw. dessen Inhalt vom Blockheizkraftwerk 6 erwärmt. Die Tauschkammer 50 ist von Abgasen des Motors 49 durchströmt, welche das Tauschrohr 54 erwärmen. Die Abgase werden dabei gekühlt. Das Kühlrohr 52 erwärmt zusätzlich das Tauschrohr 54.
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Das Kühlmedium des Motors 49 tritt an einem Einlass 53a in das Kühlrohr 52 ein und verlässt dieses abgekühlt wieder an einem Auslass 53b. Das Tauschmedium tritt an einem Einlass 55a in das Tauschrohr 54 ein und an einem Auslass 55b erwärmt aus diesem aus. Die Abgase des Motors 49 treten an einem Einlass 57a in die Tauschkammer 50 ein und an einem Auslass 57b abgekühlt aus dieser aus.
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In 2b ist zu erkennen, dass das Kühlrohr 52 für zu kühlendes Kühlmedium des Motors 49 lediglich in einem Umfangsbereich von 90° in der Tauschkammer 50 verläuft. Das Tauschrohr 54 für das zu erwärmende Tauschmedium dagegen umläuft innerhalb der Tauschkammer 50 die Mittellängsachse 48 mehrfach schraubenlinienförmig, wie in 2a angedeutet ist. Die Tauschkammer 50 enthält Leitbleche 56, die entlang des Tauschrohres 54 angeordnet sind und zur Führung der Abgase des Motors 49 dienen, damit die Abgase zumindest abschnittsweise entlang des Tauschrohres 54 für zu erwärmendes Tauschmedium verlaufen und ein Wärmeaustausch stattfindet.
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In 2b ist eine den Wärmetauscher 46 umhüllende Isolierung 56 angedeutet.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Energiezentrale
- 4
- Gebäude
- 6
- Blockheizkraftwerk
- 8
- Pufferspeicher
- 10
- elektrischer Speicher
- 12
- elektrischer Verbraucherausgang
- 14
- Wärmeausgang
- 16
- Netzeingang
- 18
- elektrischer Verteiler
- 20
- Steuer- und Auswerteeinheit
- 22
- elektrischer Verbraucher
- 24
- Wärmeverbraucher
- 26
- Energieversorgungsnetz
- 28
- Kamin
- 30
- Photovoltaikmodul
- 32
- Pfeil
- 34
- Wärmeverteiler
- 36
- elektrischer Ladeanschluss
- 38a, b
- Anschlussseite
- 40a
- Zulauf
- 40b
- Ablauf
- 42
- Anschluss
- 44
- Heizelement
- 46
- Wärmetauscher
- 48
- Mittellängsachse
- 49
- Motor
- 50
- Tauschkammer
- 52
- Kühlrohr
- 53a,b
- Ein-/Auslass
- 54
- Tauschrohr
- 55a,b
- Ein-/Auslass
- 56
- Isolierung
- 57a,b
- Ein-/Auslass
- E
- elektrische Energie
- W
- Wärmeenergie
- M1-M5
- Modul
