-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine an einem Stromnetz und eine Leistungserzeugungsanordnung zum Betrieb an einem Stromnetz sowie zur Durchführung eines solchen Verfahrens.
-
Soll eine Brennkraftmaschine zur Bereitstellung elektrischer Leistung an einem Stromnetz betrieben werden - beispielsweise als Notstromaggregat, zur Bereitstellung von Regelenergie, als Kleinkraftwert oder Teil eines Kraftwerks -, muss zu Beginn des Betriebs eine leistungsübertragende Verbindung der Brennkraftmaschine mit dem Stromnetz hergestellt werden. Hierzu wird die Brennkraftmaschine zunächst in von dem Stromnetz getrenntem Zustand von einer Startdrehzahl auf eine Synchrondrehzahl hochgefahren, wobei die Brennkraftmaschine mit dem Stromnetz leistungsübertragend verbunden wird, wenn die Brennkraftmaschine die Synchrondrehzahl erreicht hat. Erst nach der Synchronisation und Verbindung der Brennkraftmaschine mit dem Stromnetz kann Leistung von der Brennkraftmaschine an das Stromnetz abgegeben werden. Insbesondere bei Brennkraftmaschinen, bei denen wenigstens einem Brennraum über einen Ladepfad ein - insbesondere vorgemischtes - Verbrennungsluft-Brennstoff-Gemisch zugeführt wird, beispielsweise bei Gasmotoren, ergibt sich das Problem einer vergleichsweise geringen Dynamik, insbesondere im Vergleich zu direkteinspritzenden Brennkraftmaschinen wie beispielsweise Dieselmotoren, sodass die Verbindung mit dem Stromnetz und insbesondere die Bereitstellung der Nennleistung verzögert ist. Dies liegt zum einen an der Aufbereitung des Verbrennungsluft-Brennstoff-Gemischs in dem Ladepfad stromaufwärts des wenigstens einen Brennraums, sowie - bei Gasmotoren - zum anderen an der Physik des Brennverfahrens an sich, welches durch Klopfen einerseits und Aussetzer andererseits sehr stark in seiner Bandbreite des darstellbaren Verbrennungsluft-Brennstoff-Verhältnisses limitiert ist. Daher sind Einsatzmöglichkeiten solcher Brennkraftmaschinen speziell für Notstromanwendungen sowie für den Regelenergiemarkt stark begrenzt.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine an einem Stromnetz sowie eine Leistungserzeugungsanordnung zum Betrieb an einem Stromnetz und zur Durchführung eines solchen Verfahrens zu schaffen, wobei die genannten Nachteile nicht auftreten.
-
Aus
DE 10 2015 207 051 A1 geht ein Verfahren zum Synchronisieren einer Synchronmaschine mit einem Stromnetz hervor, wobei eine Antriebseinrichtung zum Antrieb der Synchronmaschine von einer Ausgangsdrehzahl auf eine Zieldrehzahl beschleunigt wird, wobei die Antriebseinrichtung in einem ersten, niedrigeren Drehzahlbereich mit einer ersten, größeren Drehbeschleunigung beschleunigt wird, wobei die Antriebseinrichtung in einem zweiten, höheren Drehzahlbereich mit einer zweiten, geringeren Drehbeschleunigung beschleunigt wird, und wobei die Antriebseinrichtung in dem zweiten, höheren Drehzahlbereich auf die Zieldrehzahl beschleunigt wird. Eine Leistungsverbindung der Synchronmaschine mit dem Stromnetz wird bei einem ersten Erfüllen vorbestimmter Synchronisierbedingungen zur Synchronisierung der Synchronmaschine mit dem Stromnetz geschlossen.
-
Die Aufgabe wird gelöst, indem die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche geschaffen werden. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
-
Die Aufgabe wird insbesondere gelöst, indem ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine an einem Stromnetz geschaffen wird, wobei eine leistungsübertragende Verbindung der Brennkraftmaschine mit dem Stromnetz auf folgende Weise hergestellt wird: Wenigstens einem Brennraum der Brennkraftmaschine wird über einen Ladepfad ein Verbrennungsluft-Brennstoff-Gemisch zugeführt. Die Brennkraftmaschine wird demgemäß insbesondere mit einer Vormischung betrieben, wobei der Brennstoff der Verbrennungsluft stromaufwärts des wenigstens einen Brennraums, insbesondere in dem Ladepfad, beigemischt wird. Die Brennkraftmaschine wird in von dem Stromnetz getrenntem Zustand von einer Startdrehzahl auf eine Synchrondrehzahl hochgefahren, wobei die Brennkraftmaschine mit dem Stromnetz verbunden wird, wenn die Brennkraftmaschine die Synchrondrehzahl erreicht hat. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass eine in dem Ladepfad angeordnete Drosseleinrichtung beim Hochfahren von der Startdrehzahl auf die Synchrondrehzahl der Brennkraftmaschine mindestens zu 50 % - bezogen auf den Strömungsquerschnitt - geöffnet wird, wobei beim Hochfahren der Brennkraftmaschine und/oder beim Verbinden der Brennkraftmaschine mit dem Stromnetz Leistung der Brennkraftmaschine einem Schwungrad zugeführt wird. Eine Leistungsabgabe der Brennkraftmaschine wird ausgehend von dem Verbinden der Brennkraftmaschine mit dem Stromnetz bis auf eine Nennleistung erhöht, während Leistung aus dem Schwungrad dem Stromnetz zugeführt wird. Gemäß der Erfindung ist insoweit erkannt worden, dass ein Aspekt der verringerten Dynamik darin zu sehen ist, dass die Drosseleinrichtung typischerweise während des Hochlaufs der Brennkraftmaschine von der Startdrehzahl auf die Synchrondrehzahl nur zu einem geringen Teil, typischerweise höchstens zu 20 %, geöffnet ist, um zu vermeiden, dass die Brennkraftmaschine über die Synchrondrehzahl überschießt. Erst nach der Synchronisation und der Herstellung der leistungsübertragenden Verbindung mit dem Stromnetz wird die Drosseleinrichtung weiter geöffnet, sodass die Nennleistung der Brennkraftmaschine nur verzögert bereitgestellt wird. Indem nun erfindungsgemäß dem Schwungrad beim Hochfahren und/oder beim Verbinden mit dem Stromnetz Leistung der Brennkraftmaschine zugeführt wird, kann überschüssige Leistung, die ansonsten zu einem Überschießen über die Synchrondrehzahl hinaus führen würde, dem Schwungrad zugeführt werden. Dies wiederum erlaubt es, die Drosseleinrichtung deutlich weiter zu öffnen, als dies bisher üblich ist, insbesondere mindestens zu 50 %, vorzugsweise zu mehr als 50 %. Somit wird der Hochlauf der Brennkraftmaschine dynamischer ausgestaltet, und die Nennleistung kann nach der Verbindung mit dem Stromnetz schneller bereitgestellt werden.
-
Insbesondere durch die weitgehende Öffnung der Drosseleinrichtung kann die Zeit bis zum Erreichen der Nennleistung bei Nenndrehzahl verringert werden. Dadurch steigt die Verwendbarkeit einer solchen Brennkraftmaschine für den schnellen Strommarkt, beispielsweise für den Notstrombedarf und/oder den Regelenergiemarkt.
-
Das hier vorgeschlagene Verfahren ist insbesondere ein Verfahren zum Verbinden der Brennkraftmaschine mit dem Stromnetz.
-
Unter einem Verbinden der Brennkraftmaschine mit dem Stromnetz wird insbesondere das Herstellen einer leistungsübertragenden Verbindung verstanden. Hierzu ist die Brennkraftmaschine insbesondere mit einer elektrischen Maschine antriebswirkverbunden, die als Generator betrieben werden kann, wobei die elektrische Maschine durch die Brennkraftmaschine antreibbar ist. Um die Brennkraftmaschine mit dem Stromnetz leistungsübertragend zu verbinden, wird insbesondere die elektrische Maschine mit dem Stromnetz leistungsübertragend, insbesondere elektrisch, verbunden, sodass von der Brennkraftmaschine erzeugte Leistung durch die elektrische Maschine in elektrische Leistung gewandelt und anschließend über eine elektrische Verbindung der elektrischen Maschine mit dem Stromnetz diesem zugeführt werden kann. Unter dem Verbinden der Brennkraftmaschine mit dem Stromnetz ist somit insbesondere ein elektrisches Verbinden der elektrischen Maschine mit dem Stromnetz zu verstehen.
-
Das Stromnetz ist bevorzugt ein öffentliches Netz, insbesondere ein überregionales Stromnetz, ein regionales Stromnetz, oder ein Inselnetz, beispielsweise ein separates Stromnetz einer Fabrikationsanlage, eines Krankenhauses, ein Bordnetz eines Fahrzeugs, insbesondere eines Schifffahrzeugs, oder ein anderes Stromnetz.
-
Als Brennstoff für die Brennkraftmaschine wird vorzugsweise ein Brenngas verwendet. Unter einem Brenngas wird dabei insbesondere ein brennbarer Stoff oder ein brennbares Stoffgemisch verstanden, welcher/welches unter Normalbedingungen, insbesondere bei 25 °C und 1013 mbar gasförmig ist. Bei dem Brenngas kann es sich insbesondere um ein methanhaltiges Brenngas handeln, besonders bevorzugt um Erdgas, verflüssigtes Erdgas (Liquefied Natural Gas - LNG), komprimiertes Erdgas (Compressed Natural Gas - CNG), Biogas, Deponiegas, Kokereigas, ein Prozessgas der chemischen Industrie, Sondergas, Schwachgas, oder ein anderes geeignetes Gas oder Gasgemisch.
-
Unter einer Synchrondrehzahl wird insbesondere eine Drehzahl der Brennkraftmaschine verstanden, bei welcher eine leistungsübertragende Verbindung mit dem Stromnetz insbesondere beschädigungsfrei möglich ist. Dabei handelt es sich insbesondere um eine Drehzahl, bei welcher die elektrische Maschine durch die Brennkraftmaschine mit einer Drehzahl betrieben wird, die an die Netzfrequenz des Stromnetzes angepasst ist, wobei die Drehzahl der elektrischen Maschine beispielsweise der Netzfrequenz dividiert durch die Polpaarzahl der elektrischen Maschine entspricht. Die Synchrondrehzahl kann dabei die entsprechend angepasste Drehzahl der elektrischen Maschine sein. Es ist aber auch möglich, dass die Synchrondrehzahl von der entsprechend angepassten Drehzahl der elektrischen Maschine abweicht, wenn die Brennkraftmaschine mit der elektrischen Maschine über eine Drehzahlumsetzungseinrichtung, insbesondere ein Getriebe oder dergleichen, verbunden ist.
-
Unter einer Drosseleinrichtung wird insbesondere eine Einrichtung verstanden, mittels derer ein Strömungsquerschnitt des Ladepfads veränderbar ist. Bevorzugt ist die Drosseleinrichtung als Drosselklappe ausgebildet. Dass die Drosseleinrichtung zu mindestens 50 % geöffnet wird, bedeutet insbesondere, dass der durch die derart geöffnete Drosseleinrichtung freigegebene Strömungsquerschnitt durch den Ladepfad im Verhältnis zu dem Strömungsquerschnitt im Ladepfad bei vollständiger Öffnung der Drosseleinrichtung mindestens 50 % beträgt.
-
Vorzugsweise wird die Drosseleinrichtung beim Hochfahren unmittelbar ausgehend von der Startdrehzahl zu mindestens 50 % geöffnet.
-
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass nach dem Verbinden der Brennkraftmaschine mit dem Stromnetz Leistung aus dem Schwungrad dem Stromnetz zugeführt wird. Besonders bevorzugt wird unmittelbar nach dem Verbinden der Brennkraftmaschine mit dem Stromnetz Leistung aus dem Schwungrad dem Stromnetz zugeführt. Somit kann die zuvor in dem Schwungrad gespeicherte, für das Hochlaufen bis zur Synchrondrehzahl quasi überschüssige Leistung direkt nach dem Synchronisieren und Verbinden in das Stromnetz eingespeist werden. Dadurch ergibt sich eine besonders dynamische Leistungsbereitstellung, wobei bereits Leistung in das Stromnetz eingespeist werden kann, bevor die Brennkraftmaschine ihre Nennleistung erreicht. Insbesondere kann mehr Leistung bereitgestellt werden, als die Brennkraftmaschine für sich genommen - ohne das Schwungrad - zu dem entsprechenden Zeitpunkt bereitstellen kann.
-
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Leistungsabgabe der Brennkraftmaschine ausgehend von dem Verbinden der Brennkraftmaschine mit dem Stromnetz bis auf eine Nennleistung erhöht wird, während Leistung aus dem Schwungrad dem Stromnetz zugeführt wird. Insbesondere bei einer Brennkraftmaschine, bei der wenigstens einem Brennraum über einen Ladepfad ein Verbrennungsluft-Brennstoff-Gemisch zugeführt wird, erreicht die Leistungsabgabe nicht bereits unmittelbar nach dem Verbinden der Brennkraftmaschine mit dem Stromnetz die Nennleistung. Dies liegt insbesondere daran, dass der Aufbau eines Ladedrucks in dem Ladepfad verzögert erfolgt. Die Zeit bis zum Erreichen der Nennleistung kann in vorteilhafter Weise mithilfe des hier vorgeschlagenen Verfahrens überbrückt werden, indem dem Schwungrad Leistung entnommen wird, die dem Stromnetz zugeführt wird. Die Leistungsabgabe der Brennkraftmaschine wird bevorzugt erhöht, indem der Ladedruck in dem Ladepfad erhöht wird, besonders bevorzugt dadurch, dass eine Verdichtungsleistung eines Verdichters erhöht wird, insbesondere indem die Verdichterdrehzahl erhöht wird. Besonders bevorzugt wird die Drehzahl eines Kompressors oder eines Abgasturboladers erhöht. Es ist möglich, dass die Brennkraftmaschine entlang des Ladepfads eine Mehrzahl von Verdichtern für eine mehrstufige Aufladung, insbesondere eine Mehrzahl von Kompressoren oder Abgasturboladern, aufweist. Insbesondere kann eine zwei- oder dreistufige Aufladung vorgesehen sein.
-
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Leistungsabgabe der Brennkraftmaschine im Dauerbetrieb am Stromnetz mittels der Drosseleinrichtung als Stellglied geregelt wird. Die Drosseleinrichtung, insbesondere die Drosselklappe, wird demnach als Stellglied verwendet, um die Leistungsabgabe der Brennkraftmaschine zu regeln. Ein Verbrennungsluft-Brennstoff-Verhältnis, das auch als Lambdawert bezeichnet wird, wird bevorzugt in Abhängigkeit von einer momentanen Leistungsanforderung oder Leistungsabgabe der Brennkraftmaschine eingestellt, wobei das entsprechende Verbrennungsluft-Brennstoff-Verhältnis bevorzugt in Abhängigkeit von der momentanen Leistungsanforderung oder Leistungsabgabe in einem Kennfeld hinterlegt ist.
-
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Drosseleinrichtung beim Hochfahren der Brennkraftmaschine von der Startdrehzahl auf die Synchrondrehzahl mindestens zu 60 %, vorzugsweise mindestens zu 70 %, vorzugsweise mindestens zu 80 %, vorzugsweise mindestens zu 90 %, vorzugsweise mindestens zu 95 %, vorzugsweise vollständig geöffnet wird. Ein vollständiges Öffnen bedeutet insbesondere, dass die Drosseleinrichtung zu 100 % geöffnet wird. Insbesondere wird die Drosseleinrichtung beim Hochfahren unmittelbar bei der Startdrehzahl vollständig geöffnet, sodass sie während des Hochfahrens vollständig geöffnet ist. Auf diese Weise kann in besonders großem Umfang die Dynamik der Brennkraftmaschine erhöht werden.
-
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Drehzahl der Brennkraftmaschine beim Verbinden der Brennkraftmaschine mit dem Stromnetz mittels einer ansteuerbaren Koppeleinrichtung auf die Synchrondrehzahl geregelt wird, wobei die Brennkraftmaschine mit dem Schwungrad über die ansteuerbare Koppeleinrichtung gekoppelt ist. Somit kann die Brennkraftmaschine auf der Synchrondrehzahl gehalten werden, während überschüssige Leistung dem Schwungrad zugeführt wird.
-
Die ansteuerbare Koppeleinrichtung ist vorzugsweise eingerichtet, um das Schwungrad mit der Brennkraftmaschine - in einem ersten Betriebszustand - vorzugsweise mit variablen Kopplungswirkungsgrad und/oder variablem Drehzahlverhältnis antriebswirksam zu verbinden, sowie - in einem zweiten Betriebszustand - die Brennkraftmaschine von dem Schwungrad zu entkoppeln.
-
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Leistungsfluss zwischen der Brennkraftmaschine und dem Schwungrad mittels der ansteuerbaren Koppeleinrichtung eingestellt, vorzugsweise geregelt wird. Auf diese Weise kann insbesondere eingestellt werden, ob Leistung der Brennkraftmaschine in das Schwungrad eingespeist wird, oder ob Leistung aus dem Schwungrad entnommen und der Brennkraftmaschine und somit letztlich dem Stromnetz zugeführt wird.
-
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das Schwungrad im Dauerbetrieb der Brennkraftmaschine verwendet wird, um Lastsprünge der Brennkraftmaschine, insbesondere Lastsprünge in der Lastanforderung des Stromnetzes, durch das Schwungrad auszugleichen. So kann das Schwungrad überschießende Leistung aufnehmen, oder im Fall fehlender Leistung solche abgeben. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn das Stromnetz ein Inselnetz ist, die Brennkraftmaschine an dem Stromnetz also im Inselbetrieb, beispielsweise zur Notstromversorgung eines Krankenhauses, einer Fabrikationsanlage oder eines Bordnetzes eines Fahrzeugs, insbesondere eines Schifffahrzeugs, verwendet wird.
-
Alternativ ist es möglich, dass das Schwungrad nach Erreichen der Nennleistung der Brennkraftmaschine von dieser entkoppelt wird. In diesem Fall wird das Schwungrad lediglich verwendet, um den Hochlauf und das Verbinden der Brennkraftmaschine sowie die nachfolgende Leistungsabgabe an das Stromnetz dynamischer auszugestalten.
-
Die Aufgabe wird auch gelöst, indem eine Leistungserzeugungsanordnung zum Betrieb an einem Stromnetz geschaffen wird, wobei die Leistungserzeugungsanordnung eine Brennkraftmaschine aufweist, die ihrerseits wenigstens einen Brennraum aufweist, dem über einen Ladepfad ein Verbrennungsluft-Brennstoff-Gemisch zuführbar ist. Die Leistungserzeugungsanordnung weist außerdem eine elektrische Maschine auf, die mit der Brennkraftmaschine antriebswirkverbunden ist. Die elektrische Maschine ist insbesondere als Generator betreibbar und mit einem Stromnetz verbindbar. Die Leistungserzeugungsanordnung weist außerdem eine Drosseleinrichtung in dem Ladepfad auf, sowie ein Schwungrad, das über eine Koppeleinrichtung mit der Brennkraftmaschine antriebswirkverbindbar ist. Dabei ist ein Steuergerät vorgesehen, das mit der Drosseleinrichtung einerseits und mit der Koppeleinrichtung andererseits wirkverbunden ist, um die Drosseleinrichtung einerseits und die Koppeleinrichtung andererseits anzusteuern, wobei das Steuergerät eingerichtet ist, um ein erfindungsgemäßes Verfahren oder ein Verfahren nach einem der zuvor beschriebenen Ausführungsformen durchzuführen. Dabei verwirklichen sich in Zusammenhang mit der Leistungserzeugungsanordnung insbesondere die Vorteile, die zuvor bereits in Zusammenhang mit dem Verfahren erläutert wurden.
-
Das Steuergerät ist insbesondere eingerichtet, um die Drosseleinrichtung in dem Ladepfad beim Hochfahren der Brennkraftmaschine von der Startdrehzahl auf die Synchrondrehzahl mindestens zu 50 %, vorzugsweise mindestens zu 60 %, vorzugsweise mindestens zu 70 %, vorzugsweise mindestens zu 80 %, vorzugsweise mindestens zu 90 %, vorzugsweise mindestens zu 95 %, vorzugsweise vollständig zu öffnen, und um beim Hochfahren der Brennkraftmaschine und/oder beim Verbinden der Brennkraftmaschine mit dem Stromnetz Leistung der Brennkraftmaschine dem Schwungrad zuzuführen.
-
Das Steuergerät ist außerdem bevorzugt eingerichtet, um - insbesondere unmittelbar - nach dem Verbinden der Brennkraftmaschine mit dem Stromnetz Leistung aus dem Schwungrad dem Stromnetz zuzuführen.
-
Bei dem Steuergerät kann es sich insbesondere um ein zentrales Steuergerät der Brennkraftmaschine handeln. Es ist aber auch möglich, dass ein separates Steuergerät oder eine Anordnung verschiedener, miteinander zusammenwirkender Steuereinrichtungen vorgesehen ist/sind, um das Verfahren durchzuführen.
-
Die Leistungserzeugungsanordnung weist vorzugsweise eine elektrische Schalteinrichtung auf, die eingerichtet ist, um die elektrische Maschine mit dem Stromnetz elektrisch zu verbinden. Mittels der Schalteinrichtung wird dann mittelbar auch die Brennkraftmaschine mit dem Stromnetz leistungsverbunden. Die Schalteinrichtung ist vorzugsweise als Leistungsschalter, insbesondere als mehrphasiger Leistungsschalter, insbesondere als dreiphasiger Leistungsschalter, ausgebildet.
-
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Koppeleinrichtung als elektrische Koppeleinrichtung ausgebildet ist. Eine solche Koppeleinrichtung ist in besonders einfacher Weise und sehr flexibel ansteuerbar.
-
Die elektrische Koppeleinrichtung kann insbesondere eine mit der Brennkraftmaschine antriebswirkverbundene, erste elektrische Maschine aufweisen, sowie eine zweite, mit dem Schwungrad antriebswirkverbundene elektrische Maschine, wobei die erste elektrische Maschine mit der zweiten elektrischen Maschine elektrisch verbunden ist. Je nach Richtung des Leistungsflusses zwischen dem Schwungrad und der Brennkraftmaschine kann die erste elektrische Maschine als Generator und die zweite elektrische Maschine als Motor, oder umgekehrt die erste elektrische Maschine als Motor und die zweite elektrische Maschine als Generator betrieben werden. Dabei können ohne weiteres definierte Drehzahlverhältnisse zwischen der Brennkraftmaschine einerseits und dem Schwungrad andererseits - insbesondere auch variabel - eingestellt werden.
-
Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass die Koppeleinrichtung als elektromagnetische Koppeleinrichtung ausgebildet ist.
-
Weiter alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass die Koppeleinrichtung als mechanische Koppeleinrichtung ausgebildet ist. Eine solche Koppeleinrichtung kann sehr einfach und robust ausgebildet sein. Insbesondere kann eine mechanische Koppeleinrichtung eine Reibkupplung aufweisen.
-
Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass die Koppeleinrichtung ein Planetengetriebe in Kombination mit einer elektrischen Hilfsmaschine aufweist. Die elektrische Hilfsmaschine, die Brennkraftmaschine und das Schwungrad sind jeweils mit verschiedenen Wellen/Rädern des Planetengetriebes verbunden. Durch Ansteuerung der elektrischen Hilfsmaschine ist es dann in für sich genommen bekannter Weise möglich, nicht nur den Leistungsfluss zwischen der Brennkraftmaschine und dem Schwungrad, sondern auch das Drehzahlverhältnis zwischen der Brennkraftmaschine und dem Schwungrad variabel einzustellen. Eine derartige Koppeleinrichtung ist besonders flexibel einsetzbar.
-
Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass die Koppeleinrichtung als hydraulische Koppeleinrichtung ausgebildet ist. Eine solche Koppeleinrichtung ist sehr funktionssicher betreibbar.
-
Die Brennkraftmaschine ist vorzugsweise als Hubkolbenmotor ausgebildet. Es ist möglich, dass die Brennkraftmaschine zum Antrieb eines Personenkraftwagens, eines Lastkraftwagens oder eines Nutzfahrzeugs eingerichtet ist. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel dient die Brennkraftmaschine dem Antrieb insbesondere schwerer Land- oder Wasserfahrzeuge, beispielsweise von Minenfahrzeugen, Zügen, wobei die Brennkraftmaschine in einer Lokomotive oder einem Triebwagen eingesetzt wird, oder von Schiffen. Auch ein Einsatz der Brennkraftmaschine zum Antrieb eines der Verteidigung dienenden Fahrzeugs, beispielsweise eines Panzers, ist möglich. Ein Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine wird vorzugsweise auch stationär, beispielsweise zur stationären Energieversorgung im Notstrombetrieb, Dauerlastbetrieb oder Spitzenlastbetrieb eingesetzt, wobei die Brennkraftmaschine in diesem Fall vorzugsweise einen Generator antreibt. Auch eine stationäre Anwendung der Brennkraftmaschine zum Antrieb von Hilfsaggregaten, beispielsweise von Feuerlöschpumpen auf Bohrinseln, ist möglich. Weiterhin ist eine Anwendung der Brennkraftmaschine im Bereich der Förderung fossiler Roh- und insbesondere Brennstoffe, beispielswiese Öl und/oder Gas, möglich. Auch eine Verwendung der Brennkraftmaschine im industriellen Bereich oder im Konstruktionsbereich, beispielsweise in einer Konstruktions- oder Baumaschine, zum Beispiel in einem Kran oder einem Bagger, ist möglich. Die Brennkraftmaschine ist vorzugsweise als Benzinmotor oder als Gasmotor zum Betrieb mit Erdgas, Biogas, Sondergas oder einem anderen geeigneten Gas, ausgebildet. Insbesondere wenn die Brennkraftmaschine als Gasmotor ausgebildet ist, ist sie für den Einsatz in einem Blockheizkraftwerk zur stationären Energieerzeugung geeignet.
-
Besonders bevorzugt ist die Brennkraftmaschine als Gasmotor, insbesondere als gemischverdichtender Gasmotor, ausgebildet. Unter einem Gasmotor wird dabei eine Brennkraftmaschine verstanden, die eingerichtet ist zum Betrieb mit einem Brenngas in dem oben genannten Sinn. Unter „gemischverdichtend“ wird verstanden, dass mittels eines in dem Ladepfad angeordneten Verdichters ein stromaufwärts des Verdichters erzeugtes Verbrennungsluft-Brennstoff-Gemisch verdichtet und in verdichteter Form dem wenigstens einen Brennraum zugeführt wird. Insbesondere bei einer solchen Brennkraftmaschine verwirklichen sich die Vorteile, die in Zusammenhang mit dem Verfahren erläutert wurden.
-
Das Schwungrad wird vorzugsweise beim Start des Synchronisierungsvorgangs der elektrischen Maschine mit dem Stromnetz zugeschaltet, insbesondere wenn die Brennkraftmaschine bereits auf die Synchrondrehzahl hochgelaufen ist. Auf diese Weise wird eine Verzögerung des Hochlaufs der Brennkraftmaschine vermieden, indem das Schwungrad dabei nicht mitgeschleppt werden muss, sondern erst zugeschaltet wird, nachdem die Brennkraftmaschine bereits die Synchrondrehzahl erreicht hat.
-
Die Leistungserzeugungsanordnung ist vorzugsweise modular ausgebildet, wobei insbesondere das Schwungrad und die Koppeleinrichtung als Module zu der Brennkraftmaschine hinzugefügt und/oder von der Brennkraftmaschine getrennt werden können. Insbesondere können das Schwungrad und die Koppeleinrichtung als separates Zusatzmodul zu der Brennkraftmaschine vorgesehen sein und damit nachgerüstet werden. Somit kann je nach Anwendungsfall das Schwungrad mit der Koppeleinrichtung hinzugekauft oder nachgerüstet, aber auch weggelassen werden.
-
Die Beschreibung des Verfahrens einerseits und der Leistungserzeugungsanordnung andererseits sind komplementär zueinander zu verstehen. Merkmale der Leistungserzeugungsanordnung, die explizit oder implizit in Zusammenhang mit dem Verfahren erläutert wurden, sind bevorzugt einzeln oder miteinander kombiniert Merkmale eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Leistungserzeugungsanordnung. Verfahrensschritte, die explizit oder implizit in Zusammenhang mit der Leistungserzeugungsanordnung erläutert wurden, sind bevorzugt einzeln oder miteinander kombiniert Schritte einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens. Dieses zeichnet sich bevorzugt durch wenigstens einen Schritt aus, der durch wenigstens ein Merkmal eines erfindungsgemäßen oder bevorzugten Ausführungsbeispiels der Leistungserzeugungsanordnung bedingt ist. Die Leistungserzeugungsanordnung zeichnet sich bevorzugt durch wenigstens ein Merkmal aus, welches durch wenigstens einen Schritt einer erfindungsgemäßen oder bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens bedingt ist.
-
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Leistungserzeugungsanordnung, und
- 2 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Verfahrens zum Betreiben einer solchen Leistungserzeugungsanordnung an einem Stromnetz in Form eines Flussdiagramms.
-
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Leistungserzeugungsanordnung 1 zum Betrieb an einem Stromnetz 3. Das Stromnetz 3 kann dabei insbesondere ein überregionales oder regionales, öffentliches Stromnetz oder ein Inselnetz, insbesondere ein Netz einer Fabrikationsanlage, eines Krankenhauses, einer Bohrinsel, eines Fahrzeugs, insbesondere ein Bordnetz eines Schifffahrzeugs, oder ein anderes Stromnetz sein.
-
Die Leistungserzeugungsanordnung 1 weist eine Brennkraftmaschine 5 auf, die ihrerseits wenigstens einen Brennraum 7 aufweist. Die Brennkraftmaschine 5 ist hier als Hubkolbenmotor ausgebildet.
-
Vorzugsweise weist die Brennkraftmaschine 5 eine Mehrzahl von Brennräumen 7, insbesondere von identisch zueinander ausgebildeten Brennräumen 7 auf. Insbesondere ist es möglich, dass die Brennkraftmaschine 5 vier, sechs, acht, zehn, zwölf, vierzehn, sechzehn, achtzehn, zwanzig, zweiundzwanzig oder vierundzwanzig Brennräume 7 aufweist. Auch eine andere, kleinere oder größere Anzahl von Brennräumen 7 ist selbstverständlich möglich.
-
Dem wenigstens einen Brennraum 7 ist über einen Ladepfad 9 ein Verbrennungsluft-Brennstoff-Gemisch zuführbar. Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Brennkraftmaschine 5 als gemischverdichtender Gasmotor ausgebildet. In dem Ladepfad 9 ist ein Gasmischer 11 angeordnet, durch den ein Brenngas 13 mit Verbrennungsluft 15 vermischt wird. Ein auch als Lambdawert bezeichnetes Verbrennungsluft-Brennstoff-Verhältnis ist dabei vorzugsweise mittels des Gasmischers 11 variabel einstellbar.
-
In dem Ladepfad 9 ist - hier stromabwärts des Gasmischers 11 - eine Drosseleinrichtung 17 angeordnet, die vorzugsweise als Drosselklappe ausgebildet ist.
-
Stromaufwärts der Drosseleinrichtung 17 und insbesondere stromabwärts des Gasmischers 11 ist in dem Ladepfad 9 ein Verdichter 19 eines Abgasturboladers 21 angeordnet, der mit einer in einem Abgaspfad 23 der Brennkraftmaschine 5 angeordneten Turbine 25 antriebswirkverbunden ist. Das vorgemischte Verbrennungsluft-Brenngas-Gemisch wird stromaufwärts des Brennraums 7 durch den Verdichter 19 verdichtet. Die Brennkraftmaschine 5 ist insoweit insbesondere als gemischverdichtende Brennkraftmaschine ausgebildet.
-
Es ist auch möglich, dass eine zwei- oder mehrstufige Verdichtung stromaufwärts des Brennraums 7 vorgesehen ist.
-
Die Leistungserzeugungsanordnung 1 weist eine elektrische Maschine 27 auf, die - hier insbesondere über eine Kurbelwelle 29 - mit der Brennkraftmaschine 5 antriebswirkverbunden ist. Die elektrische Maschine 27 ist insbesondere als Generator betreibbar und über eine elektrische Schalteinrichtung 31 mit dem Stromnetz 3 verbindbar, um von der Brennkraftmaschine 5 abgegebene Leistung in elektrische Leistung zu wandeln und dem Stromnetz 3 zuzuführen.
-
Die Leistungserzeugungsanordnung 1 weist außerdem ein Schwungrad 33 auf, das über eine Koppeleinrichtung 35 mit der Brennkraftmaschine 5, hier insbesondere mit der Kurbelwelle 29, antriebswirkverbindbar ist, wobei die Koppeleinrichtung 35 insbesondere ansteuerbar, insbesondere öffen- und schließbar ist, sodass das Schwungrad 33 mit der Brennkraftmaschine 5 antriebswirkverbunden sowie von der Brennkraftmaschine 5 getrennt werden kann. Außerdem ist eine Kopplung und insbesondere ein Drehzahlverhältnis zwischen dem Schwungrad 33 und der Brennkraftmaschine 5 mittels der Koppeleinrichtung 35 variabel.
-
Die Leistungserzeugungsanordnung 1 weist schließlich ein Steuergerät 37 auf, das zumindest mit der Drosseleinrichtung 17 einerseits und der Koppeleinrichtung 35 andererseits verbunden ist, um die Drosseleinrichtung 17 einerseits und die Koppeleinrichtung 35 andererseits betätigen zu können. Das Steuergerät 37 ist insbesondere eingerichtet zur Durchführung eines im Folgenden noch näher erläuterten Verfahrens.
-
Vorzugsweise ist das Steuergerät 37 außerdem mit dem Gasmischer 11 zur Einstellung und/oder Vorgabe des Verbrennungsluft-Brennstoff-Verhältnisses, sowie mit der Schalteinrichtung 31 zum Verbinden oder Trennen der elektrischen Maschine 27 und damit zugleich der Brennkraftmaschine 5 mit dem Stromnetz 3 oder von dem Stromnetz 3 wirkverbunden.
-
Im Rahmen des hier vorgeschlagenen Verfahrens wird eine leistungsübertragende Verbindung der Brennkraftmaschine 5 mit dem Stromnetz 3 hergestellt, indem dem Brennraum 7 über den Ladepfad 9 ein Verbrennungsluft-Brennstoff-Gemisch zugeführt wird, wobei die Brennkraftmaschine 5 in von dem Stromnetz getrenntem Zustand von einer Startdrehzahl auf eine Synchrondrehzahl hochgefahren wird, wobei die Brennkraftmaschine 5 mit dem Stromnetz 3 verbunden wird, wenn die Brennkraftmaschine 5 die Synchrondrehzahl erreicht hat. Dabei wird die Drosseleinrichtung 17 beim Hochfahren der Brennkraftmaschine 5 von der Startdrehzahl - insbesondere unmittelbar ausgehend von der Startdrehzahl - auf die Synchrondrehzahl zu mindestens 50 %, vorzugsweise mindestens zu 60 %, vorzugsweise mindestens zu 70 %, vorzugsweise mindestens zu 80 %, vorzugsweise mindestens zu 90 %, vorzugsweise mindestens zu 95 %, vorzugsweise vollständig, geöffnet, wobei beim Hochfahren der Brennkraftmaschine 5 und/oder beim Verbinden derselben mit dem Stromnetz 3 Leistung der Brennkraftmaschine 5 dem Schwungrad 33 - vermittelt über die Koppeleinrichtung 35 - zugeführt wird. Dadurch ist es möglich, die Brennkraftmaschine 5 dynamisch hochzufahren und rasch Leistung in das Stromnetz 3 einzuspeisen, wobei zugleich überschüssige Leistung der Brennkraftmaschine 5 in dem Schwungrad 33 zwischengespeichert werden kann.
-
Vorzugsweise wird - insbesondere unmittelbar - nach dem Verbinden der Brennkraftmaschine 5 mit dem Stromnetz 3 Leistung aus dem Schwungrad 33 - vermittelt über die Koppeleinrichtung 35 - der elektrischen Maschine 27 und damit auch dem Stromnetz 3 zugeführt.
-
Die Leistungsabgabe der Brennkraftmaschine 5 wird ausgehend von dem Verbinden der Brennkraftmaschine 5 mit dem Stromnetz 3 bis auf eine Nennleistung erhöht, während Leistung aus dem Schwungrad 33 dem Stromnetz 3 zugeführt wird. Die Leistungsabgabe der Brennkraftmaschine wird dabei insbesondere erhöht, indem die Drehzahl des Abgasturboladers 21 erhöht wird. Durch die Steigerung der Drehzahl insbesondere des Verdichters 19 steigt der Ladedruck in dem Ladepfad 9, wodurch auch die Leistungsabgabe der Brennkraftmaschine 5 steigt.
-
Während des Verbindens der Brennkraftmaschine 5 mit dem Stromnetz 3 wird die Synchrondrehzahl bevorzugt mittels der ansteuerbaren Koppeleinrichtung 35 eingeregelt. Außerdem wird der Leistungsfluss zwischen der Brennkraftmaschine 5 und dem Schwungrad 33 ebenfalls mittels der ansteuerbaren Koppeleinrichtung 35 geregelt.
-
Die Leistung der Brennkraftmaschine 5 im Dauerbetrieb an dem Stromnetz 3 wird bevorzugt mittels der Drosseleinrichtung 17 als Stellglied geregelt.
-
Die Koppeleinrichtung 35 ist bevorzugt als elektrische Koppeleinrichtung, als elektromagnetische Koppeleinrichtung, als hydraulische Koppeleinrichtung, oder als mechanische Koppeleinrichtung ausgebildet.
-
Besonders bevorzugt ist die Koppeleinrichtung 35 als Planetengetriebe ausgebildet, wobei ein erstes Rad oder eine erste Welle der Koppeleinrichtung 35 mit der Brennkraftmaschine 5, ein zweites Rad oder eine zweite Welle der Koppeleinrichtung 35 mit dem Schwungrad 33, und ein drittes Rad oder eine dritte Welle der Koppeleinrichtung 35 mit einer hier gestrichelt dargestellten elektrischen Hilfsmaschine 39 antriebswirkverbunden ist. Über die elektrische Hilfsmaschine 39 kann dann der Leistungsfluss und/oder ein Drehzahlverhältnis zwischen der Brennkraftmaschine 5, insbesondere der Kurbelwelle 29, und dem Schwungrad 33 variabel eingestellt werden.
-
2 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des Verfahrens zum Betreiben der Brennkraftmaschine 5 an dem Stromnetz 3 in Form eines Flussdiagramms:
-
Dabei wird in einem ersten Schritt S1 dem wenigstens einen Brennraum 7 ein Verbrennungsluft-Brennstoff-Gemisch - insbesondere ein Verbrennungsluft-Brenngas-Gemisch - über den Ladepfad 9 zugeführt.
-
In einem zweiten Schritt S2 wird die Drosseleinrichtung 17 zu mindestens 50 %, vorzugsweise mindestens zu 60 %, vorzugsweise mindestens zu 70 %, vorzugsweise mindestens zu 80 %, vorzugsweise mindestens zu 90 %, vorzugsweise mindestens zu 95 %, vorzugsweise vollständig geöffnet.
-
In einem dritten Schritt S3 wird die Brennkraftmaschine in von dem Stromnetz 3 getrenntem Zustand von der Startdrehzahl auf die Synchrondrehzahl hochgefahren.
-
In einem vierten Schritt S4 wird die Drehzahl der Brennkraftmaschine 5 auf die Synchrondrehzahl geregelt, indem die ansteuerbare Koppeleinrichtung 35 angesteuert wird.
-
Dabei wird überschüssige Leistung der Brennkraftmaschine 5 in dem Schwungrad 33 zwischengespeichert.
-
In einem fünften Schritt S5 wird die Brennkraftmaschine 5 mit dem Stromnetz 3 verbunden, insbesondere indem die elektrische Maschine 27 über die Schalteinrichtung 31 mit dem Stromnetz 3 elektrisch verbunden wird.
-
In einem sechsten Schritt S6 wird Leistung aus dem Schwungrad 33 in das Stromnetz 3 eingespeist.
-
In einem siebten Schritt S7 wird die Leistungsabgabe der Brennkraftmaschine 5 auf die Nennleistung hochgefahren.
-
In einem achten Schritt S8 erfolgt schließlich ein Dauerbetrieb der Brennkraftmaschine 5 an dem Stromnetz 3. Dabei wird die Leistungsabgabe der Brennkraftmaschine 5 insbesondere durch Ansteuern der Drosseleinrichtung 17 als Stellglied geregelt.
-
Mit dem hier vorgeschlagenen Verfahren und der Leistungserzeugungsanordnung 1 kann die Zeit bis zum Erreichen der Nennleistung bei Nenndrehzahl verringert werden. Dadurch steigt die Eignung der Brennkraftmaschine 5 zum Einsatz für den schnellen Strommarkt, beispielsweise den Regelenergiemarkt, wodurch letztlich ein wertvoller Absatzmarkt erstmals insbesondere auch für Gasmotoren erschlossen wird.
-
Die hier vorgeschlagene Lösung, insbesondere der Aufbau der Leistungserzeugungsanordnung 1 mit dem Schwungrad 33, ist vorzugsweise modular ausgebildet, wobei das Schwungrad 33 - vorzugsweise mit der Koppeleinrichtung 35 - als separates Zusatzmodul zu der Brennkraftmaschine 5 vorgesehen ist und damit nachgerüstet werden kann. Somit kann je nach Anwendungsfall das Schwungrad 33 mit der Koppeleinrichtung 35 hinzugekauft oder nachgerüstet, aber auch weggelassen werden.
-
Das Schwungrad 33 kann im Übrigen in dem Dauerbetrieb der Brennkraftmaschine 5 am Stromnetz 3 zum Abfedern von starken Lastsprüngen genutzt werden, oder es kann im Dauerbetrieb mittels der Koppeleinrichtung 35 von der Brennkraftmaschine 5 entkoppelt werden.
