DE10206867C1 - Verfahren zur Wärmeversorgung - Google Patents

Verfahren zur Wärmeversorgung

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wärmeversorgung, bei dem beide in einer Wärme-Kraft-Kopplungsanlage (1) erzeugten Energieträger, nämlich Heizwasser und Heizstrom, ausschließlich zur Wärmeversorgung der angeschlossenen Wärmebedarfsträger verwendet werden, wobei zumindest eine Wärmepumpe (3) zum Einsatz kommt, die Wärmeversorgung autark ist, die Wärme-Kraft-Kopplungsanlage (1) die Deckung der Heizwassergrundlast des über das Heizwasser angeschlossenen Verbrauchers und eine Kesselanlage (2) die Deckung der Heizwasserspitzenlast dieses Verbrauchers übernimmt und dass zur Anpassung an die in Wärmegrundlast erzeugte Heizstromganglinie an allen Standorten der Wärmepumpen ebenfalls Anlagen zur Deckung der Wärmespitzenlast des oder der über den Heizstrom angeschlossenen Verbraucher zum Einsatz kommen, so dass der in Wärmegrundlast erzeugte Heizstrom vollständig zum Zwecke der Wärmeversorgung verbraucht wird.

Description

Die Erfindung betrifft das in der Patentschrift DE 197 08 164 A1 beschriebene Verfahren der Wärmeversorgung, bei dem beide in einer Wärme-Kraft-Kopplungsanlage (WKK- Anlage) erzeugten Energieträger Heizwasser und Heizstrom zur Wärmeversorgung eingesetzt werden. Dabei wird der Heizstrom über Wärmepumpen wieder in Wärme umgewandelt. Das Verfahren besitzt eine hohe energetische Effizienz und wird inzwischen als Verfahren der "Wärmetransformation" bezeichnet. Kennzeichnend für die energetische Effizienz des Verfahrens ist der Brennstoffnutzungsgrad.
Der Brennstoffnutzungsgrad bn ist wie folgt definiert:
bn = Q/B.100 (%)
darin sind:
Q = Wärmeerzeugung
B = Brennstoffeinsatz
Die Wärmetransformation erreicht Brennstoffnutzungsgrade von:
bn = 160. . .210%
Vergleichbar werden erreicht durch:
Kesselanlagen 90%
Brennwertkessel 105%
Wärmepumpen mit Strombezug aus dem Netz 144%
Es ist bekannt, über den Prozess der Wärme-Kraft-Kopplung in Gasturbinen- Kraftwerken, Heizkraftwerken, Kombikraftwerken, Blockheizkraftwerken (BHKW) und neuerdings Brennstoffzellen sowohl Elektroenergie wie auch Wärme gemeinsam herzustellen. Die erzeugte Elektroenergie wird dabei in das Elektroenergienetz (Elt-Netz) eingespeist und als solche dann dort von den angeschlossenen Elektroenergieverbrauchern abgenommen.
Die erzeugte Wärme dient der Wärmeversorgung. Es handelt sich um zwei völlig unabhängige Anwendungen von in einer Erzeugeranlage erzeugten Energieträgern (Munser, Herbert: Fernwärmeversorgung, 2. Auflage der Reihe "Wärmelehre und Wärmewirtschaft", Band 36, S. 118 bis 119; 2. überarbeitete Auflage, VEB Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig 1983).
Dabei ist es nicht sinnvoll, die Wärme-Kraft-Kopplungsanlagen zur gleichzeitigen Erzeugung von Strom und Wärme für die Wärmebedarfsspitzen auszulegen. So wird die Wärmebedarfsversorgung aufgeteilt in einen Teil der Wärme-Kraft-Kopplung im Bereich der Wärmegrundlast und in einen Wärmeversorgungsteil ohne gleichzeitige Stromerzeugung im Bereich der Wärmespitzenlast (Rolf Kehlhofer, Gasturbinenkraftwerke, Kombikraftwerke, Heizkraftwerke und Industriekraftwerke, Handbuchreihe "Energie", Band 7, S. 254 bis 256 Verlag TÜV Rheinland 1984). Die in der Wärmegrundlast erzeuge Elektroenergie wird teils selbst verbraucht, ansonsten in das Elt-Netz eingespeist. So ist die Ganglinie der erzeugten Elektroenergie relativ uninteressant.
Mit den Patenten DE 41 13 071 C2 und DE 197 08 164 A1 wird ein Verfahren der Wärmeversorgung (heute als "Wärmetransformation" bezeichnet) vorgestellt. Danach wird in einer BHKW-Anlage über den Koppelfaktor χ = 1 ein Heizstrom erzeugt, der eine direkt proportionale Ganglinie zum Wärmebedarf aufweist. Damit ist dieser Heizstrom wieder vollständig für die Wärmeversorgung einsetzbar. Es handelt sich also nicht mehr um zwei völlig unabhängige Anwendungen.
Für das patentierte Verfahren gilt generell, dass der erzeugte Heizstrom zeitgleich mit seiner Erzeugung auch verbraucht werden muss. Nur so arbeitet das Verfahren autark und bezieht noch liefert es Strom an das öffentliche Elt-Netz.
Beide Patente gehen davon aus, dass die parallele Erzeugung von Heizstrom und Wärme nach dem Verfahren der Wärmetransformation voraussetzt, dass die Wärmeerzeugungsanlage, also beispielsweise das BHKW oder eine andere Anlage der Wärme-Kraft-Kopplung, mit den niedrigen Benutzungsstunden der Wärmeversorgung, also in der Grundlast und in der Spitzenlast betrieben werden, weil nur so ein Heizstrom mit einer Ganglinie erzeugt wird, dass dieser wieder vollständig für die Wärmeversorgung genutzt werden kann. So ist in der Beispiellösung des DE 197 08 164 A1 für die Wärmeerzeugung nach dem Verfahren der Wärmetransformation nur ein BHKW vorgesehen. Ein entscheidender Nachteil dieses Standes der Technik ist, dass die Anlage der Wärmetransformation damit insgesamt unwirtschaftlich ist, wenn die teuren Anlagenteile, wie BHKW und Wärmepumpen, auch in der Spitzenlast betrieben und daher auch für diese hohe Leistung ausgelegt werden müssen. Das belastet entscheidend negativ die Investitionskosten der Wärmetransformation und damit über den Kapitaldienst auch die spezifischen Wärmeerzeugungskosten.
Aufgabe der Erfindung ist es ein Verfahren und eine Anlage bereitzustellen, die die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens der Wärmetransformation verbessert bzw. realisiert, wobei die Nachteile des Standes der Technik überwunden werden.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Wärme-Kraft-Kopplungsanlage die Deckung der Heizwassergrundlast des über das Heizwasser angeschlossenen Verbrauchers und eine Kesselanlage die Deckung der Heizwasserspitzenlast dieses Verbrauchers übernimmt, und dass zur Anpassung an die in Wärmegrundlast erzeugte Heizstromganglinie an allen Standorten der Wärmepumpen ebenfalls Anlagen zur Deckung der Wärmespitzenlast des oder der über den Heizstrom angeschlossenen Verbraucher zum Einsatz kommen, so dass der in Wärmegrundlast erzeugte Heizstrom vollständig zum Zwecke der Wärmeversorgung verbraucht wird.
Zur Verbesserung der Wirtschaftlichkeit der Wärmetransformation wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, die teuren Anlagen der Wärmetransformation wie BHKW und Wärmepumpe, nicht in der Grundlast und in der Spitzenlast zu betreiben, sondern die Spitzenlast Anlagen zur Deckung der Wärmespitzen, beispielsweise Spitzenkesseln, zu übertragen.
Wenn die Wärme-Kraft-Kopplungsanlage, beispielsweise ein Blockheizkraftwerk (BHKW) in Grundlast betrieben wird und die Spitzenkesselanlage die Deckung der Spitzenlast der Heizwassererzeugung übernimmt, erzeugt diese aber eine Heizstromganglinie, die nicht mehr der durch den Verbraucher vorgegebenen Ganglinie des Wärmebedarfes entspricht. So wäre das Verfahren der Wärmetransformation ohne die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung nicht anwendbar. Deshalb ist es erforderlich, auch bei allen Heizstromverbrauchern die Wärmebedarfsganglinie der Ganglinie des angebotenen Heizstromes anzupassen, wenn man die Wärmetransformation in Grundlast betreiben will. Nur dann ist es möglich, allen erzeugten Heizstrom wieder zu verbrauchen und das Verfahren der Wärmetransformation autark zu gestalten.
Die Wärme-Kraft-Kopplungsanlage wird erfindungsgemäß nur für eine Teilleistung des maximalen Wärmeverbrauches der Heizwasserverbraucher ausgelegt. Die verbleibende Leistung, die Spitzenleistung, übernimmt ein Spitzenkessel. So ist die Versorgung aller Heizwasserverbraucher im Bereich der Wärmetransformation abgesichert. In der Wärme- Kraft-Kopplungsanlage entsteht ein Heizstrom, der nicht mehr proportional zur Ganglinie des Wärmebedarfs der Abnehmer, sondern proportional zur Grundlastfahrweise der Wärme-Kraft-Kopplungsanlage ist. Dieser so erzeugte Heizstrom kann nur im vorgenannten Fall wieder vollständig von den Abnehmern des Heizstromes verbraucht werden, wenn auch bei diesen die Spitzenlast anderweitig abgedeckt wird. So wird überall dort, wo der Heizstrom wieder in Wärmeenergie umgewandelt wird, eine Anlage zur Deckung der Spitzenleistung, die Bestandteil des Verfahrens der Wärmetransformation ist, vorgesehen. Das wird mit aller Konsequenz bei allen Abnehmern des Heizstromes im gleichen Verhältnis von Grundlast zu Spitzenlast vorzugsweise so vorgenommen. Damit steht bei jedem Abnehmer des Heizstromes eine der Ganglinie des insgesamt angebotenen Heizstromes proportionale Grundlast an. Die Summe der Grundlasten aller Abnehmer ergibt den insgesamt in Grundlast angebotenen Heizstrom. Die Spitzenlastanlagen sind Bestandteil des Verfahrens der Wärmetransformation. Sie werden nach Bedarf dann eingesetzt, wenn die WKK-Anlage ausgelastet ist. Daraus ergibt sich die Notwendigkeit, den Einsatz der Anlagen zur Deckung der Spitzenlast zentral durch an sich bekannte Anlagen zu steuern und zu regeln.
Die Spitzenlastanlage kann sein
  • - eine Kesselanlage und/oder
  • - eine sonstige Wärmeerzeugungsanlage, wie beispielsweise eine Anlage mit Wärmetauscher, Kollektor und/oder Strahler.
Die Anlagen zur Deckung der Spitzenlast werden in einer bevorzugten Ausführung der Erfindung parallel zu den Wärmepumpen oder auch in Hintereinanderschaltung mit den Wärmepumpen betrieben. Bei der Hintereinanderschaltung durchläuft der Heizwasserrücklauf immer zuerst die Wärmepumpe und danach erst den Spitzenkessel. Das wird deshalb so vorgesehen, weil die Wärmepumpe bei den niedrigeren Rücklauftemperaturen die höheren Leistungszahlen erbringt. Der Spitzenkessel erbringt danach die höheren geforderten Vorlauftemperaturen.
Im folgenden soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden. Es zeigen:
Fig. 1 eine Wärmeversorgungsanlage mit einem über das Heizwasser angeschlossenen Verbraucher, in einer schematischen Darstellung und
Fig. 2 eine Wärmeversorgungsanlage mit zwei über den Heizstrom angeschlossenen Verbrauchern, in einer schematischen Darstellung.
In Fig. 1 wird eine Wärmeversorgungsanlage beschrieben, bei der der Abnehmer 6, der vier Unterabnehmer 6.1, 6.2, 6.3 und 6.4 besitzt, unweit der Wärmeerzeugungsanlage liegen, so dass die Wärmepumpe 3 zentral, d. h. insbesondere in räumlicher Nähe der WKK-Anlage angeordnet ist. Dementsprechend ist der Spitzenkessel 2 auch insgesamt in der zentralen Wärmeerzeugeranlage installiert. Die Heizstromleitung 5 verläuft von der Wärme-Kraft-Kopplungsanlage 1, die eine BHKW sein kann, zu der Wärmepumpe 3. Die Wärmepumpe 3, die Wärme-Kraft-Kopplungsanlage 1 und der Spitzenkessel 2 speisen in das Heizwassernetz 4, welches den Abnehmer 6 mit den Unterabnehmern 6.1, 6.2, 6.3 und 6.4 mit Wärme versorgt. Das Verhältnis von Spitzenkesselleistung zu Gesamtleistung ist grundsätzlich im Zusammenhang mit der Auslegung der gesamten Anlage wählbar, im Beispiel werden 50% angesetzt.
Der Wärmeabnehmer 6 hat einen Wärmeleistungsbedarf von 1000,0 kW
AL=L<Auslegung des BHKW 1
thermische Leistung 130,0 kW
elektrische Leistung 92,5 kW
AL=L<Auslegung der Wärmepumpe 3
AL=L CB=3<Leistungszahl α = 4@ elektrische Leistung 92,5 kW
thermische Leistung 370,0 kW
AL=L<Die Kesselleistung ergibt sich zu
Kesselleistung für die Spitzenbedarfsdeckung der Heizwasserleistung 130,0 kW
Kesselleistung für die Spitzenbedarfsdeckung der elektrischen/Wärmepumpenleistung 370,0 kW
Summe Kesselleistung 500,0 kW
Es werden folgende Leistungen maximal eingespeist:
thermische Leistung des BHKW 1 130 kW
thermische Leistung der Wärmepumpe 3 370 kW
Spitzenkessel 2 500 kW
1000 kW
Die Regelung ist unkompliziert. Der Spitzenkessel 2 geht in Betrieb wenn das BHKW 1 ausgelastet ist.
Anwendungsbeispiele sind:
  • - Krankenhäuser
  • - Schulen
  • - Erlebnisbäder u. a.
In Fig. 2 wird eine erfindungsgemäße Wärmeversorgungsanlage beschrieben, bei der die Abnehmer 8 und 9 entfernt von der Wärmeerzeugeranlage liegen und nur über die Heizstromleitung 5 miteinander und mit dem BHKW 1 verbunden sind. Der im BHKW 1 erzeugte Heizstrom wird über Heizstromleitungen 5 zu den Wärmepumpen 3.1 und 3.2 bei den Abnehmern 8 und 9, wobei der Abnehmer 9 die drei Unterabnehmer 9.1, 9.2 und 9.3 besitzt, transportiert.
Das BHKW 1 versorgt die Abnehmer 6.1 und 6.2 mit Heizwasser über das Heizwassernetz 4.1. Am Standort des BHKW 1 befindet sich der Spitzenkessel 2, der - hier wieder gewählt - für 50% der Wärmegesamtleistung an diesem Standort ausgelegt ist.
Die Spitzenkessel 7.1 und 7.2 sind dort installiert, wo der Heizstrom über die Wärmepumpen 3.1 bzw. 3.2 wieder in Wärme umgewandelt wird, und sind an diesen Standorten ebenfalls für 50% der dortigen Wärmeleistung ausgelegt.
Wärmeleistungsbedarf der Abnehmer:
Abnehmer 6.1 und 6.2 260 kW
Abnehmer 8 140 kW
Abnehmer 9 (9.1, 9.2 und 9.3) 600 kW
Summe 1000 kW
Auslegung des BHKW 1:
thermische Leistung 130,0 kW
elektrische Leistung 92,5 kW
Die Wärmepumpenleistungen ergeben sich zu
AL=L<Wärmepumpe 3.2
elektrische Leistung 17,5 kW
thermische Leistung 70,0 kW
AL=L<Wärmepumpe 3.1
elektrische Leistung 75,0 kW
thermische Leistung 300,0 kW
AL=L<Summe Wärmepumpenleistung:
elektrische Leistung 92,5 kW
thermische Leistung 370,0 kW
Die Kesselleistungen ergeben sich zu
Kessel 2 130 kW
Kessel 7.2 70 kW
Kessel 7.1 300 kW
Summe Kesselleistung 500 kW
Summe der Wärmeerzeugerleistung:
BHKW thermisch 130 kW
Wärmepumpen 370 kW
Spitzenkessel 500 kW
1000 kW
Anwendungsbeispiele sind:
  • - entfernte Wohngebiete
  • - Kur- und Erlebnisbäder.
Die Regelung der Wärmepumpen 3.1 und 3.2 und der entsprechenden Spitzenkessel 7.1 und 7.2 sowie des BHKW 1 und des Spitzenkessels 2 erfolgt vorzugsweise zentral. Im vorstehenden Beispiel wird vereinfachend nur der Parallelbetrieb von Wärmepumpe 3.1 und 3.2 und Spitzenkessel 7.1 bzw. 7.2 dargestellt.

Claims (4)

1. Verfahren zur Wärmeversorgung, bei dem beide in einer Wärme-Kraft- Kopplungsanlage (1) erzeugten Energieträger, nämlich Heizwasser und Heizstrom, ausschließlich zur Wärmeversorgung der angeschlossenen Wärmebedarfsträger verwendet werden, wobei zumindest eine Wärmepumpe (3) zum Einsatz kommt, und die Wärmeversorgung autark ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärme-Kraft-Kopplungsanlage (1) die Deckung der Heizwassergrundlast des über das Heizwasser angeschlossenen Verbrauchers und eine Kesselanlage (2) die Deckung der Heizwasserspitzenlast dieses Verbrauchers übernimmt und dass zur Anpassung an die in Wärmegrundlast erzeugte Heizstromganglinie an allen Standorten der Wärmepumpen ebenfalls Anlagen zur Deckung der Wärmespitzenlast des oder der über den Heizstrom angeschlossenen Verbraucher zum Einsatz kommen und der in Wärmegrundlast erzeugte Heizstrom vollständig zum Zwecke der Wärmeversorgung verbraucht wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlagen zur Deckung der Wärmespitzenlast des oder der über den Heizstrom angeschlossenen Verbraucher als Kesselanlagen (2; 7.1; 7.2) ausgeführt sind.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kesselanlagen (2; 7.1; 7.2) in Hintereinanderschaltung nach den Wärmepumpen (3, 3.1, 3.2) betrieben werden.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kesselanlagen (2; 7.1; 7.2) parallel zu den Wärmepumpen (3, 3.1, 3.2) betrieben werden.
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