DE19602330C1

DE19602330C1 - Blockheizkraftwerk sowie Verfahren zu dessen Betrieb

Info

Publication number: DE19602330C1
Application number: DE19602330A
Authority: DE
Inventors: Edeltraud Roeber; Heinz Hesse; Bernd Rosenau; Dieter Gros
Original assignee: Rud Otto Meyer GmbH and Co KG
Current assignee: Imtech Deutschland GmbH and Co KG
Priority date: 1996-01-24
Filing date: 1996-01-24
Publication date: 1997-06-26
Anticipated expiration: 2016-01-25

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Energieversorgung. Sie betrifft ein Blockheizkraftwerk (BHKW) zur wahlweisen Erzeugung von Strom und Abgabe von Wärme an einen oder mehrere Wärmeverbraucher, welche an das Blockheizkraftwerk angeschlossen sind, welches Block heizkraftwerk wenigstens ein Wärme abgebendes Stromer zeugungsmodul und wenigstens einen Spitzenlastkessel sowie wenigstens einen Regelspeicher zur Zwischenspeicherung überschüssiger Wärme und Regelung des Wärmeflusses umfaßt, wobei das wenigstens eine Stromerzeugungsmodul dem Regel speicher hydraulisch parallel geschaltet ist und mit ihm zusammen einen Wärmeerzeugerkreis bildet, und wobei der Regelspeicher mit dem oder den Wärmeverbraucher(n) hydrau lisch parallel oder in Reihe geschaltet ist und mit ihm zusammen einen Wärmeverbraucherkreis bildet, welcher durch den Regelspeicher vom Wärmeerzeugerkreis hydraulisch ent koppelt ist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Ver fahren zum Betrieb eines solchen Blockheizkraftwerkes.

Aus der DE-Z "TAB", BHKW-Zentrum der Stadt Velten ist eine aus mehreren BHKW-Modulen bestehende dieselbetriebene BHKW-Anlage bekannt. Diese dient vornehmlich zur Heizung von Wohngebäuden und zur Brauchwassererwärmung, wobei die Betriebsweise so umweltfreundlich wie möglich und mit hohem energetischen Wirkungsgrad verbunden sein soll. Um eine optimale Betriebsweise der Abgaswärmetauscher zu ermöglichen, ist vorgesehen, daß spezielle Temperatur grenzen für das Abgas und für das Heizwasser nicht unter schritten werden. Hierfür wurde eine spezielle Schaltung des Heizwasserkreises und ein spezielles An- und Abfahr protokoll konzipiert. Hierbei ist vorgesehen, daß ein einen Abgaswärmetauscher aufweisender Abhitzekesselkreis vom Heizkreisnetz getrennt und auf einem höheren Temperatur niveau gefahren wird.

Aus der DE 41 11 298 A1 ist es bekannt, bei einem Klein kraftwerk, das in Wärme-Kraft-Kopplung geschaltet ist und einen parallelen Gebläsebrenner aufweist, zur optimalen Ausnutzung der Wärme einen Mehrzweckwärmetauscher vor zu sehen, der eine als Kühler für das Kleinkraftwerk dienende Wärmetauscherbatterie, eine Brennkammer und eine Abgasein strömkammer beinhaltet. Hierdurch wird erreicht, daß vom Wärmetauscher die Kühlerfunktion mit übernommen wird und daß durch die Vereinigung von Kühler, Abgaseinströmkammer und Heizkessel die erforderlichen Rohrleitungen, die Oberflächen der Wärmeabstrahlung und die Installations kosten auf ein Minimum reduziert wird.

Ein BHKW umfaßt in der Regel eine Mehrzahl von Stromer zeugungsmodulen (Gasturbinen, Dieselaggregaten o. dgl. mit entsprechenden Generatoren), deren Abwärme an einen (oder mehrere) Abnehmer oder Wärmeverbraucher als Nutzwärme abgegeben wird. Da die Stromerzeugung und der Wärmebedarf der Abnehmer nicht immer miteinander in wünschenswerter Weise korreliert sind, ist es notwendig, für über längere Zeit erhöhten Wärmebedarf einen oder mehrere Spitzenlast kessel vorzusehen, in denen die von der Stromerzeugung her fehlende Wärme separat erzeugt wird. Andererseits kann bei über längere Zeit verringertem Wärmebedarf eine Notkühlein richtung zugeschaltet werden, welche die bei der Stromer zeugung anfallende überschüssige Wärme sicher an die Um welt abgibt. Ein solches BHKW ist aus der DE-Z "VDI-Berichte" Nr. 287, 1977, Hein, K.: "Betriebserfahrungen mit einer Mehrmotoren-BHKW-Anlage zur Beheizung eines Hallenbades" grundsätzlich bekannt.

Für kürzere zeitliche Schwankungen von Wärmeangebot und -nachfrage ist ein spezieller Regelspeicher vorgesehen, der überschüssige Wärme aus den Stromerzeugungsmodulen auf nehmen und bei Bedarf an die Wärmeverbraucher abgeben kann. Die Wirkungsweise und Steuerung eines derartigen Regelspeichers ist in der älteren nicht veröffentlichten deutschen Patentanmeldung 195 04 205.0 beschrieben, auf die hier ausdrücklich Bezug genommen wird.

Für den Betrieb des BHKW ist eine Folgeschaltung erforder lich. Eine derartige BHKW-Folgeschaltung muß sicherstellen, daß die Wärme, die bei der Stromerzeugung anfällt, ent weder den Verbrauchern zugeführt, im Regelspeicher ge speichert, oder gegebenenfalls über eine Notkühlein richtung an die Umwelt abgeführt wird. Eine Stromerzeugung ohne Abführung der anfallenden Wärmeenergie ist nicht möglich und für die Stromerzeugungsmodule des BHKW be triebsschädlich.

Bei BHKW-Anlagen werden zwei wesentliche Betriebsarten unterschieden, nämlich (a) der stromgeführte Betrieb und (b) der wärmegeführte Betrieb. Beim stromgeführten Betrieb muß die Folgeschaltung sicherstellen, daß die einzelnen BHKW-Stromerzeugungsmodule - so wie es der Strombezug fordert - an- oder abgewählt werden können. Die hierbei anfallende Wärme ist den Wärmeverbrauchern zuzuführen, bzw., wenn sie dort nicht abgenommen werden kann, in den Regelspeicher einzuspeichern. Ist dies auch nicht möglich - z. B. wenn der Regelspeicher gefüllt ist -, ist die Wärme über die Notkühleinrichtung an die Atmosphäre abzugeben.

Beim wärmegeführten Betrieb muß die Folgeschaltung dafür sorgen, daß die einzelnen Stromerzeugungsmodule - so wie es der Wärmebedarf der Wärmeverbraucher erfordert - an- oder abgewählt werden können. Kann der Wärmebedarf von der Abwärme der Module nicht gedeckt werden, müssen über die Folgeschaltung Spitzenlastkessel zugeschaltet werden. Zu diesem Zweck wird der Regelspeicher eingesetzt, der je nach Füllgrad über Impulse signalisiert, ob es erforder lich ist, Module und/oder Spitzenlastkessel an- oder abzu wählen. Der Regelspeicher wird dabei immer von oben nach unten geladen. Bei annähernd aufgeladenem Regelspeicher signalisieren Fühler aus der unteren Meßebene des Speichers das Abschalten und aus der oberen Meßebene heraus das Zuschalten von BHKW-Modulen und/oder Spitzenlastkesseln.

Die Nachteile dieser bisherigen hydraulischen Einbindung des Regelspeichers bestehen im wesentlichen in den beiden folgenden Punkten:

- Der Regelspeicher dient neben seiner Funktion als Speicher und Regelorgan gleichzeitig der Entkopplung des hydrau lischen Erzeuger- und Verbrauchernetzes. Zu diesem Zweck ist es erforderlich, neben den BHKW-Modulen auch die Spitzenlastkessel auf den Regelspeicher zu "fahren". Der Speicher kann hierbei in Abhängigkeit von den Leistungs verhältnissen BHKW-Module/Spitzenlastkessel sehr schnell "überfahren" werden, da die Leistung der Spitzenlast kessel häufig ein Vielfaches der thermischen Leistung der Module aufweist. Es kann auf diese Weise zu Regel störungen des gesamten hydraulischen Systems kommen mit der Folge einer nicht gewünschten Abschaltung von BHKW-Modulen.
- Wegen der parallelen Einbindung von Modulen und Spitzenlastkesseln kann nur ein Temperaturniveau "gefahren" werden.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein BHKW so weiterzuentwickeln, daß die aufgezeigten Nachteile sicher vermieden werden, sowie ein Verfahren zum Betrieb eines solchen BHKWs anzugeben.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 gekenn zeichneten Merkmale gelöst.

Hierbei ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß der wenigstens eine Spitzenlastkessel so in die beiden Kreise eingebunden ist, daß er seinerseits vom übrigen System des Blockheiz kraftwerks hydraulisch entkoppelt ist. Durch die hydrau lische Entkopplung der Spitzenlastkessel wird ein "Über fahren" des Regelspeichers sicher vermieden und eine Tem peraturerhöhung durch Nachschalten der Spitzenlastkessel hinter die Module ermöglicht.

Bei einer ersten Ausführungsform wird die insgesamt ausge koppelte Wärmemenge in einem 1-Kreissystem auf einem konstanten Temperaturniveau von z. B. 90°C zur Nutzung in wärmetechnischen Anlagen gehalten. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß der bzw. die Wärmever braucher 31 über eine erste Vorlaufleitung 28 und eine erste Rücklaufleitung 34 mit dem Blockheizkraftwerk 10 verbunden ist bzw. sind, daß das wenigstens eine Strom erzeugungsmodul M1 . . . Mn über eine zweite Vorlaufleitung 25 und eine zweite Rücklaufleitung 26 mit dem Regel speicher 41 verbunden ist, daß die zweite Rücklauf leitung 26 an die erste Rücklaufleitung 34 ange schlossen ist, daß der wenigstens eine Spitzenlastkessel K1 . . . Kn über eine dritte Vorlaufleitung 23 an die erste Vorlaufleitung 28 und über eine dritte Rücklauf leitung 24 an die zweite Vorlaufleitung 25 angeschlossen ist, und daß zwischen der dritten Vorlaufleitung 23 und der dritten Rücklaufleitung 24 eine hydraulische Weiche 42 zur hydraulischen Entkopplung des wenigstens einen Spitzenlastkessels K1 . . . Kn vom übrigen System angeordnet ist. Hierbei erfolgt die Auskopplung der Wärme von den Wärmeerzeugern, z. B. der Verbrennungskraftmaschine auf zwei unterschiedlichen Temperaturniveaus, und zwar einmal in der Regel bei Temperaturen größer 100°C und einmal bis maximal 70°C.

Das Hochtemperaturniveau wird im Winter genutzt u. a. für Heizzwecke und im Sommer ferner zur Kälteerzeugung mittels Absorptionskältemaschine. Bei einem aufgeladenen Gasver brennungsmotor wird der Niedertemperaturkreislauf versorgt von den hintereinander geschalteten Wärmeübertragern für die Brennstoff-/Luftgemisch- und/oder Ölkühlung. Der Hoch temperaturkreislauf wird andererseits versorgt von den hintereinander geschalteten Wärmeübertragern für die Kühl wasser- und die Abgaswärmekühlung. Hierbei beträgt die Wärmeleistung mit dem Hochtemperaturniveau ca. 85% der insgesamt ausgekoppelten Wärmeleistung. Das 2-Kreissystem erhält je Kreislauf eine Speichereinrichtung, die beide so eingebunden werden, daß ein "Überfahren" der Regelspeicher sicher vermieden wird.

Sollte sowohl im Winter - als auch im Sommerbetrieb dem Hochtemperaturkreis zu wenig Wärme entnommen werden - dies gilt insbesondere für den Sommerbetrieb - muß die Wärme anderen Verbrauchern zugeführt werden. Auf keinen Fall darf die Rücklauftemperatur am Eintritt in das oder die BHKW-Module < 70°C betragen. Ein Teil des Rücklaufmassen stroms, der nicht in dem BHKW-Modul benötigt wird, durch strömt dann den Niedertemperatur- und Hochtemperatur speicher hintereinander, und der Wärmeinhalt im Hoch temperaturspeicher wird über die hydraulische Weiche dem Fernheizvorlauf zugeführt.

Die Hochtemperatur- und Niedertemperaturspeicher dienen sowohl der Wärmespeicherung als auch der Nutzung als hydraulische Weiche zur Entkopplung des BHKW-Kreises von den Verbraucherkreisen. Der Hochtemperaturspeicher über nimmt hierbei zusätzlich die Aufgabe der An- und Abschal tung von BHKW-Modulen in Abhängigkeit der jeweiligen Last.

Bei dem 2-Kreissystem im Bereich der Wärmeauskopplung- und -speicherung sind keine zusätzlichen Regel- und/oder Umschaltorgane zur Lenkung der Wasserströme erforderlich. Selbsttätig ergeben sich bei allen Betriebsfällen die erforderlichen Massenströme.

Wird Netzersatz und Notstrombetrieb gefordert, ist im Hochtemperaturkreis zusätzlich eine Notkühleinrichtung vorzusehen, die die überschüssige Wärme unverzüglich an die Außenluft oder sonstige Verbraucher mit niedrigem Temperaturniveau überträgt.

Soll die Wärme in dem Niedertemperaturkreislauf ausschließ lich für Trinkwassererwärmungsanlagen genutzt werden, sind hydraulisch zwei getrennte Heizkreise vorzusehen. Zur Lenkung der Wasserströme sind Umschaltorgane erforderlich. Hiermit ist ein zusätzlicher regeltechnischer Aufwand notwendig, um z. B. bei nicht ausreichendem Wärmeangebot für die Trinkwassererwärmungsanlage zusätzlich Energie aus dem Hochtemperaturkreislauf zu nutzen.

Eine erste bevorzugte Ausführungsform des erfindungsge mäßen BHKW zeichnet sich dadurch aus, daß der bzw. die Wärmeverbraucher über eine erste Vorlaufleitung und eine erste Rücklaufleitung mit dem Blockheizkraftwerk verbunden ist bzw. sind, daß das wenigstens eine Stromerzeugungsmodul über eine zweite Vorlaufleitung und eine zweite Rücklauf leitung mit dem Regelspeicher verbunden ist, daß die zweite Rücklaufleitung an die erste Rücklaufleitung ange schlossen ist, daß der wenigstens eine Spitzenlastkessel über eine dritte Vorlaufleitung an die erste Vorlaufleitung und über eine dritte Rücklaufleitung an die zweite Vorlauf leitung angeschlossen ist, und daß zwischen der dritten Vorlaufleitung und der dritten Rücklaufleitung eine hy draulische Weiche zur hydraulischen Entkopplung des wenigstens einen Spitzenlastkessels vom übrigen System angeordnet ist. Hierdurch wird auf einfache Weise eine Entkopplung der Spitzenlastkessel im Sinne der Erfindung erreicht.

Die im stromgeführten Betrieb erzeugte Überschußwärme läßt sich leicht unschädlich machen, wenn gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des BHKW nach der Erfindung im Wärmeerzeugerkreis zur Abführung überschüssiger Wärme eine Notkühleinrichtung vorgesehen ist, und die Notkühlein richtung wahlweise zwischen dem wenigstens einen Stromer zeugungsmodul und dem Regelspeicher in die zweite Rücklauf leitung eingeschaltet werden kann.

Das erfindungsgemäße Betriebsverfahren zeichnet sich dadurch aus, daß im wärmegeführten Betrieb bei einer Wärmeabgabe an den Wärmeverbraucher mit einer konstanten ersten Vorlauftemperatur

a) die von den Stromerzeugungsmodulen erzeugte Wärme direkt an den Wärmeverbraucher abgegeben wird, wenn die Wärmeleistung der Stromerzeugungsmodule gleich der Verbrauchsleistung des Wärmeverbrauchers ist;
b) die von den Stromerzeugungsmodulen erzeugte Wärme teilweise an den Wärmeverbraucher abgegeben und teilweise zur Aufladung des Regelspeichers verwendet wird, wenn die Wärmeleistung der Stromerzeugungsmodule größer als die Verbrauchsleistung des Wärmeverbrauchers ist; und
c) zusätzlich zu der von den Stromerzeugungsmodulen erzeugten Wärme zunächst Wärme aus dem Regelspeicher entnommen und an den Wärmeverbraucher abgegeben wird, und nach Entleerung des Regelspeichers sukzessive Spitzenlastkessel in Reihe zugeschaltet werden, wenn die Wärmeleistung der Stromerzeugungsmodule kleiner als die Verbrauchsleistung des Wärmeverbrauchers ist.

Eine erste bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß zum Erreichen einer zweiten Vorlauftemperatur, welche größer ist als die erste Vorlauftemperatur, den Stromerzeugungsmodulen zwecks Temperaturerhöhung Spitzenlastkessel nachgeschaltet werden. Hierdurch lassen sich Vorlauftemperaturen erreichen, die gegenüber den Stromerzeugungsmodulen deutlich erhöht sind.

Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbei spielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1 das hydraulische Schema für ein erstes Aus führungsbeispiel eines BHKW nach der Erfindung mit mehreren Stromerzeugungsmodulen, Spitzen lastkesseln, einem Regelspeicher und einer Not kühleinrichtung,

Fig. 2 das hydraulische Schema für ein zweites Aus führungsbeispiel eines BHKW mit zwei Kreisen zur Wärmeauskopplung, und

Fig. 3 das hydraulische Schema für ein drittes Aus führungsbeispiel eines BHKW, bei dem zwei hydraulisch getrennte Heizkreise vorgesehen sind.

In Fig. 1 ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines BHKW nach der Erfindung mit seinem hydraulischen Schema wiedergegeben. Das Blockheizkraftwerk 10 umfaßt eine Mehr zahl von hydraulisch parallel geschalteten Stromerzeugungs modulen M1 . . . Mn, eine Mehrzahl von hydraulisch parallel geschalteten Spitzenlastkesseln K1 . . . Kn, einen von oben be- und entladbaren Regelspeicher 41 mit einer Mehrzahl von Temperatursensoren TC, die entsprechenden Beladungs niveaus T1 . . . T6 zugeordnet sind, und eine Notkühlein richtung mit einer Pumpe 37, einem Wärmetauscher 39 und einer Kühlvorrichtung 40. Das Blockheizkraftwerk 10 ist über eine erste Vorlaufleitung 28 mit einer Verteilleitung 29 und über eine erste Rücklaufleitung 34 mit einer Sammel leitung 33 verbunden. An die Verteilleitung 29 und Sammel leitung 33 können ein oder mehrere Wärmeverbraucher 31 angeschlossen sein, welche üblicherweise mit einer separaten Pumpe 30 ausgestattet sind und über ein tempe raturgesteuertes Regelventil 32 geregelt werden. Das er wärmte Wasser wird mit einer Vorlauftemperatur TV aus dem BHKW 10 über die erste Vorlaufleitung 28 mittels einer Pumpe 43 zum Wärmeverbraucher 31 transportiert (Strömungs richtung 51) und fließt über die erste Rücklaufleitung 34 mit einer Rücklauftemperatur TR zum BHKW 10 zurück (Strömungsrichtung 52). Die Steuerung der Kesselanlage erfolgt über Temperaturfühler TC in Abhängigkeit der Außen temperatur TA oder des Temperaturniveaus T7, die auf eine Folgeschaltung 44 für die Wärmeerzeuger arbeiten.

Innerhalb des BHKW 10 sind die Stromerzeugungsmodule M1 . . . Mn mit dem Regelspeicher 41 über eine zweite Vorlaufleitung 25 und eine zweite Rücklaufleitung 26 hydraulisch parallel geschaltet und bilden einen BHKW-Kreis. Gleichzeitig sind die Wärmeverbraucher 31 mit dem Regelspeicher 41 und einer hydraulischen Weiche 42 hydraulisch parallel oder in Reihe geschaltet und bilden einen Verbraucherkreis. Der Regelspeicher 41 befindet sich so im Rücklauf der Anlage vor dem Eintritt des rücklaufenden Wassers in die Stromer zeugungsmodule M1 . . . Mn. Er übernimmt bei dieser Einbindung die Funktion eines Wärmespeichers, aber auch die Funktion für die Folgeschaltung der Stromerzeugungsmodule M1 . . . Mn, ferner die Entkopplung des BHWK-Kreises von dem Wärmever braucherkreis in Form einer hydraulischen Weiche. Die Spitzenlastkessel k1 . . . Kn sind mittels einer dritten Vor laufleitung 23 und einer dritten Rücklaufleitung 24 über die hydraulische Weiche 42 so eingebunden, daß sie ihrer seits vom übrigen System hydraulisch entkoppelt sind.

Auf diese Weise ist sichergestellt, daß die Spitzenlast kessel K1 . . . Kn als Wärmeerzeuger nicht auf den Regel speicher 41 "fahren". Ein "Überfahren" des Regelspeichers 41 und die damit verbundene unerwünschte Abschaltung der Stromerzeugungsmodule M1 . . . Mn wird damit vermieden. Zusätz lich ist durch die spezielle Einbindung der Wärmeerzeuger wahlweise ein "niedriges" oder "hohes" Heizwasser-Temperaturniveau (Vorlauftemperatur TV) möglich. Die ge nannte Einbindung der Wärmeerzeuger ermöglicht durch die totale Entkopplung der hydraulischen Systeme bei ent sprechender Regelung den problemlosen und sicheren Betrieb aller beim BHKW-Einsatz möglichen Betriebsarten. Kritische Betriebszustände mit der Folge unerwünschten Abschaltens einzelner Module können damit sicher ausgeschlossen werden.

Sowohl die Spitzenlastkessel K1 . . . Kn als auch die Stromer zeugungsmodule M1 . . . Mn haben jeweils eigene Pumpen 11, 14 bzw. 17, 20, sowie 2-Wege-Ventile 12, 15 bzw. 18, 21 mit Bypassleitungen 13, 16 bzw. 19, 22, mittels derer die Kessel bzw. Module angefahren werden können.

Innerhalb des BHKW richten sich Funktion und Regelung der Anlagenteile nach den einzelnen Betriebsfällen, die nachfolgend beschrieben werden sollen:

1. Betriebsfall: Wärmevorrang

In diesem Betriebsfall wird eine erste konstante Vorlauf temperatur TV1 von z. B. 90°C gefordert. Die Zwischen temperatur TZ am Ausgang der Stromerzeugungsmodule beträgt dann ebenfalls 90°C, die Rücklauftemperatur TR dagegen z. B. 70°C. Die Wärme wird in diesem Fall von den Stromer zeugungsmodulen M1 . . . Mn erzeugt und über die Strömungs richtungen 48, 47 und 45 direkt an den Wärmeverbraucher 31 abgegeben. Entspricht die erzeugte Wärmeleistung der momentanen Verbraucherleistung (Wärmeleistung BHKW = Ver braucherleistung), wird der Regelspeicher 41 weder be- noch entladen, d. h., in den Strömungsrichtungen 49 findet kein Fluß statt.

2. Betriebsfall: Wärmevorrang

Auch hier gilt die Forderung TV1 = const. des Betriebs falls (1). Im Unterschied zum Betriebsfall (1) ist hier die in den Stromerzeugungsmodulen M1 . . . Mn erzeugte Wärme leistung größer als die momentane Verbraucherleistung (Wärmeleistung BHKW < Verbraucherleistung). Mit der über schüssigen Wärme wird nun der Regelspeicher 41 in der Strömungsrichtung 49 (Pfeil nach unten) beladen. Erreicht die Grenzschicht zwischen warmem und kaltem Wasser im Regelspeicher 41 das Niveau T6, schaltet ein Modul ab, bis die Grenzschicht das Niveau T1 wieder erreicht. Bei er höhtem Bedarf schaltet das Modul wieder zu.

3. Betriebsfall: Wärmevorrang

Auch hier gilt die Forderung TV1 = const. der Betriebs fälle (1) und (2). Im Unterschied zu diesen Betriebsfällen ist jedoch die in den Stromerzeugungsmodulen M1 . . . Mn er zeugte Wärmeleistung kleiner als die Verbraucherleistung (Wärmeleistung BHKW < Verbraucherleistung). Um das Defizit an erzeugter Wärme auszugleichen, wird zunächst der Regel speicher 41 entladen. Erreicht die Grenzschicht im Regel speicher das Niveau T1 (vollständige Entladung), wird der erste der Spitzenlastkessel K1 . . . Kn in Reihe zugeschaltet (Strömungsrichtung 46). Eine stufenlose Brennerregelung innerhalb des Kessels sorgt hierbei für das optimale An gebot an Wärmeleistung.

4. Betriebsfall: Wärmevorrang

Diesem Betriebsfall liegt eine Forderung nach einer zweiten Vorlauftemperatur TV2 zugrunde, welche deutlich größer ist als die übliche Vorlauftemperatur TV1 (TV2 < TV1), also z. B. 110°C statt 90°C beträgt. Die notwendige Temperaturerhöhung wird in diesem Fall durch eine Reihenschaltung der BHKW-Module M1 . . . Mn und der Spitzenlastkessel K1 . . . Kn erreicht, d. h. die Spitzenlastkessel K1 . . . Kn werden den Modulen M1 . . . Mn nachgeschaltet. Der Regelspeicher 41 wird hierbei "kalt" durchströmt. Die Zwischentemperatur TZ bleibt dabei auf dem Niveau der ersten Vorlauftemperatur TV1, d. h. auf den beispielhaften 90°C.

5. Betriebsfall: Stromvorrang

In diesem Fall werden ausschließlich die Stromerzeugungs module M1 . . . Mn nach Maßgabe der gewünschten elektrischen Leistung betrieben. Kann die dabei von den Modulen er zeugte Wärme nicht vollständig vom Wärmeverbraucher abge nommen werden, wird zunächst der Regelspeicher 41 beladen. Ist der Regelspeicher voll, muß die überschüssige Wärme über die Notkühleinrichtung 37, 39, 40 abgeführt werden, die mittels der temperaturgesteuerten Ventile 35 und 38 in die zweite Rücklaufleitung 26 eingeschaltet und über das Regelventil 36 gesteuert wird.

Insgesamt ergibt sich durch die erfindungsgemäße Art der Einbindung der Wärmeerzeuger in das BHKW-Gesamtsystem ein problemloser und sicherer Betrieb in allen beim BHKW-Einsatz vorkommenden Betriebsarten.

Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform, bei der im wesentlichen die gleichen Bezugszeichen verwendet wurden wie in Fig. 1, erfolgt die Auskopplung der Wärme aus dem Stromerzeugungsmodul Mn auf zwei unterschiedlichen Temperaturniveaus, und zwar über die Vorlaufleitung 25 in den Regelspeicher 41 als Niedertemperaturspeicher und über die Vorlaufleitung 53 in den Regelspeicher 54 als Hoch temperaturspeicher. Das Hochtemperaturniveau wird im Winter genutzt u. a. für Heizzwecke. Für den Sommerbetrieb ist eine Vorlaufleitung 55 zur Zuführung der Wärme zu einer Absorptionskältemaschine 56 vorgesehen.

Bei einem aufgeladenen Gasverbrennungsmotor wird der Niedertemperaturkreislauf versorgt von den hintereinander geschalteten Wärmeübertragern 57 für die Brennstoff-/Luft gemisch- und/oder Ölkühlung. Der Hochtemperaturkreislauf wird andererseits versorgt von den hintereinander ge schalteten Wärmeübertragern für die Kühlwasser- und die Abgaswärmekühlung 58, 59. Hierbei beträgt die Wärme leistung mit dem Hochtemperaturniveau ca. 85% der insge samt ausgekoppelten Wärmeleistung. Das 2-Kreissystem erhält je Kreislauf eine Speichereinrichtung 41, 54.

Sollte sowohl im Winter- als auch im Sommerbetrieb dem Hochtemperaturkreis zu wenig Wärme entnommen werden - dies gilt insbesondere für den Sommerbetrieb - muß die Wärme anderen Verbrauchern zugeführt werden. Auf keinen Fall darf die Rücklauftemperatur am Eintritt in das oder die Stromerzeugungsmodule Mn mehr als 70°C betragen. Ein Teil des Rücklaufmassenstroms, der nicht in dem Modul Mn be nötigt wird, durchströmt dann den Niedertemperaturspeicher und den Hochtemperaturspeicher 54 hintereinander, und der Wärmeinhalt im Hochtemperaturspeicher 54 wird über die hydraulische Weiche 42 dem Fernheizvorlauf 28 zugeführt.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß das BHKW in einer gleitenden Fahrweise betrieben wird. Hierzu verbindet für eine alternative Regelung optional die Bypassleitung 60 (nur gestrichelt eingezeichnet) die Vorlaufleitung 28 mit der Rücklaufleitung 34, wobei im Ankopplungspunkt an die Vorlaufleitung 28 ein 2-Wege-Ventil 61 vorgesehen ist.

Die Hochtemperatur- und Niedertemperaturspeicher 41, 54 dienen sowohl der Wärmespeicherung als auch der Nutzung als hydraulische Weiche zur Entkopplung des BHKW-Kreises (Wärmeerzeugerkreis) von den Wärmeverbraucherkreisen. Der Hochtemperaturspeicher 54 übernimmt hierbei zusätzlich die Aufgabe der An- und Abschaltung von BHKW-Modulen Mn in Abhängigkeit der jeweiligen Last.

Wird Netzersatz und Netzstrombetrieb gefordert, ist im Hochtemperaturkreis zusätzlich eine in der Zeichnung nicht dargestellte Notkühleinrichtung vorzusehen, die die überschüssige Wärme unverzüglich an die Außenluft oder sonstige Verbraucher mit niedrigerem Temperaturniveau überträgt.

Es ergeben sich bei dieser Ausführungsform des BHKW im wesentlichen folgende einzelne Betriebsfälle:

1. Betriebsfall: Wärmevorrang

Hier wird der Sommerfall mit Kältebedarf und Warmwasserbe reitung gesteuert. Es erfolgt dabei ein Betrieb der Strom erzeugungsmodule M1 . . . Mn so, daß die Wärmeleistung der Verbraucherleistung entspricht. Der Niedertemperaturspeicher 41 wird warm durchströmt, bei Bedarf erfolgt eine Niedertemperatur-Notkühlung; das Niedertemperatur-Niveau wird nicht genutzt. Der Hoch temperaturspeicher 54 wird weder be- noch entladen. In diesem Betriebsfall wird eine konstante Vorlauftemperatur TV1 von z. B. 110°C oder größer gefordert. Die Temperatur bei Austritt aus einem Verbraucherkreis beträgt dann z. B. zwischen 70°C und 30°C, so daß die Rücklauftemperatur TR dann z. B. 60°C beträgt. Die Wärme wird in diesem Fall von den Stromerzeugungsmodulen M1 . . . Mn erzeugt und an den Wärmeverbraucher 31 und an die Absorptionskältemaschine 56 mit TV1 (110°C) abgegeben. Dabei werden z. B. 4% der Wärme im Gemisch-Kühler und/oder Ölkühler mit z. B. 70°C erzeugt und dem Niedertemperaturkreis HT zugeführt, während 47% im Abgaswärmetauscher mit z. B. 110°C er zeugt und dem Hochtemperaturkreis HT zugeführt werden, so daß die Wärme dann dem Wärmeverbraucher 31 und der Absorp tionskältemaschine 56 zufließt.

2. Betriebsfall: Wärmevorrang

Hier wird der Sommerfall mit Kältebedarf und Warmwasserbe reitung gesteuert, wobei die Wärmeleistung der Stromer zeugungsmodule M1 . . . Mn größer ist als der Wärmeverbrauch. Hier erfolgt die Steuerung wie beim 1. Betriebsfall, je doch wird mit der überschüssigen Wärme der Hochtemperatur speicher 54 in Strömungsrichtung 62 beladen. Erreicht die Grenzschicht zwischen warmem und kaltem Wasser im Speicher 54 das Niveau T6, schaltet ein Modul M1 . . . Mn ab, bis die Grenzschicht das Niveau T1 wieder erreicht. Dann wird das Modul wieder zugeschaltet. Das Niedertemperaturniveau wird nicht genutzt.

3. Betriebsfall: Wärmevorrang

Hier wird der Winterfall mit Wärmebedarf gesteuert. Auch hier gilt die Forderung TV1 = konst. der Betriebsfälle 1. und 2. Dabei entspricht die Wärmeleistung der Stromerzeugungsmodule M1 . . . Mn der Verbraucherleistung. Das niedrige Temperaturniveau NT wird zur Vorwärmung des HT-Kreises genutzt. Der Hochtemperaturspeicher 54 wird weder be- noch entladen.

4. Betriebsfall: Wärmevorrang

Hier wird der Winterfall mit Wärmebedarf gesteuert, wobei die Wärmeleistung der Stromerzeugungsmodule M1 . . . Mn größer ist als die Verbraucherleistung. Mit der überschüssigen Wärme wird nur der Hochtemperaturspeicher 54 in Strömungs richtung 62 beladen. Erreicht die Grenzschicht zwischen warmem und kaltem Wasser in Speicher 54 das Niveau T6, schaltet wie in Betriebsfall 2 ein Modul ab und bei Er reichen von T1 wieder zu. Das niedrige Temperaturniveau NT wird teilweise genutzt.

5. Betriebsfall: Wärmevorrang

Hier wird der Winterfall mit Wärmebedarf gesteuert, wobei die Wärmeleistung der Stromerzeugungsmodule M1 . . . Mn geringer ist als die Verbraucherleistung (Wärmeleistung BHKW < Verbraucherleistung). Um das Defizit an erzeugter Wärme auszugleichen, werden zunächst die Regelspeicher 41, 54 entladen. Erreicht die Grenzschicht im Regelspeicher 54 das Niveau T1 (vollständige Entladung) und/oder sinkt die Temperatur T7 z. B. unter 110°C, wird der erste der Spitzenlastkessel K1 . . . Kn in Reihe zugeschaltet. Eine stufenlose Brennerregelung innerhalb des Kessels sorgt hierbei für das optimale Angebot an Wärmeleistung. Wenn das Niveau T2 im Hochtemperaturspeicher 54 erreicht wird, wird der zuletzt eingeschaltete Kessel wieder abgeschaltet (T2 liegt kurz unter T1). Wenn T7 wieder 110°C erreicht, werden alle Kessel abgeschaltet.

5. Betriebsfall: Stromvorrang

In diesem Fall werden ausschließlich die Stromerzeugungs module M1 . . . Mn nach Maßgabe der gewünschten elektrischen Leistung betrieben. Kann die dabei von den Modulen er zeugte Wärme nicht vollständig vom Wärmeverbraucher abge nommen werden, werden zunächst die Regelspeicher 41, 54 beladen. Sind die Regelspeicher voll, muß die über schüssige Wärme über die Notkühleinrichtung 37, 39, 40 abgeführt werden, die mittels der temperaturgesteuerten Ventile 35 und 38 in die zweite Rücklaufleitung 26 einge schaltet und über das Regelventil 36 gesteuert wird. Außer dem ist eine zusätzliche Notkühleinrichtung (nicht darge stellt) im Hochtemperaturkreis vorzusehen.

Bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ent spricht der grundsätzliche Aufbau und die Betriebsweise dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2. Um die Wärme in dem Niedertemperaturkreislauf ausschließlich für Trinkwasser erwärmungsanlagen zu nutzen, sind hydraulisch zwei ge trennte Heizkreise vorzusehen. Zur Lenkung der Wasser ströme sind Umschaltorgane erforderlich. Hiermit ist ein zusätzlicher regeltechnischer Aufwand notwendig, um z. B. bei nicht ausreichendem Wärmeangebot für die Trink wassererwärmungsanlage zusätzlich Energie aus dem Hoch temperaturkreislauf zu nutzen. Die Regelung auf der Ab nehmerseite muß so gestaltet sein, daß es zu keiner unzu lässigen Rücklauftemperaturanhebung kommt, z. B. Differenz druckloser Anschluß (Drosselregelung statt Bypassregelung).

Bezugszeichenliste

10 Blockheizkraftwerk (BHKW)
11, 14 Pumpe (Kessel)
12, 15 2-Wege-Ventil (Kessel)
13, 16 Bypassleitung (Kessel)
17, 20 Pumpe (Stromerzeugungsmodul)
18, 21 2-Wege-Ventil (Stromerzeugungsmodul)
19, 22 Bypassleitung (Stromerzeugungsmodul)
23 Vorlaufleitung (Kessel)
24 Rücklaufleitung (Kessel)
25 Vorlaufleitung (Stromerzeugungsmodul)
26 Rücklaufleitung (Stromerzeugungsmodul)
27 Verbindungsleitung
28 Vorlaufleitung (BHKW)
29 Verteilleitung (Vorlauf)
30 Pumpe (Wärmeverbraucher)
31 Wärmeverbraucher
32 Regelventil (Wärmeverbraucher)
33 Sammelleitung (Rücklauf)
34 Rücklaufleitung (BHKW)
35, 38 Ventil
36 Regelventil (Notkühleinrichtung)
37 Pumpe (Notkühleinrichtung)
39 Wärmetauscher
40 Kühlvorrichtung
41 Regelspeicher
42 hydraulische Weiche
43 Pumpe (Vorlaufleitung)
44 Folgeschaltung
45, 46, 47, 48, 49 Strömungsrichtung
50, 51, 52 Folgeschaltung
53 Vorlaufleitung
54 Regelspeicher
55 Vorlaufleitung
56 Absorptionskältemaschine
57, 58, 59 Wärmetauscher
60 Bypassleitung
61 2-Wege-Ventil
62 Strömungsrichtung
K1 . . . Kn Spitzenlastkessel
M1 . . . Mn Stromerzeugungsmodul
TR Rücklauftemperatur
TV Vorlauftemperatur
TZ Zwischentemperatur.

Claims

1. Blockheizkraftwerk (10) zur wahlweisen Erzeugung von Strom und Abgabe von Wärme an einen oder mehrere Wärme verbraucher (31), welche an das Blockheizkraftwerk (10) angeschlossen sind, welches Blockheizkraftwerk (10) wenigstens ein Wärme abgebendes Stromerzeugungsmodul M1 . . . Mn) und wenigstens einen Spitzenlastkessel K1 . . . Kn) sowie wenigstens einen Regelspeicher (41) zur Zwischenspeicherung überschüssiger Wärme und Regelung des Wärmeflusses umfaßt, wobei das wenigstens eine Stromerzeugungsmodul M1 . . . Mn) dem Regelspeicher (41) hydraulisch parallel geschaltet ist und mit ihm zusammen einen Wärmeerzeugerkreis bildet, und wobei der Regelspeicher (41) mit dem oder den Wärmeverbraucher(n) (31) hydraulisch parallel oder in Reihe geschaltet ist und mit ihm zusammen einen Wärmeverbraucherkreis bildet, welcher durch den Regelspeicher (41) vom Wärmeerzeugerkreis hydraulisch entkoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der wenigstens eine Spitzenlastkessel K1 . . . Kn) zur hydraulischen Entkopplung vom übrigen System des Blockheizkraftwerkes über eine hydraulische Weiche (42) in den Wärmeerzeugerkreis und den Wärmeverbraucher kreis hydraulisch parallel oder in Reihe einschaltbar ist.

2. Blockheizkraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Wärmeerzeugerkreis ein erster Regelspeicher (41) und im Wärmeverbraucherkreis ein zweiter Regelspeicher (54) eingebunden ist.

3. Blockheizkraftwerk nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeerzeuger (M1, . . . ,Mn) so mit dem ersten Regelspeicher (41) verschaltet sind, daß der Regel speicher (41) von deren Medium von oben nach unten durchströmt wird, daß die Wärmeverbraucher (31) so mit dem zweiten Regelspeicher (54) verschaltet sind, daß der Regelspeicher von deren Medium von unten nach oben durchströmt wird.

4. Blockheizkraftwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der bzw. die Wärmeverbraucher (31) über eine erste Vorlaufleitung (28) und eine erste Rücklaufleitung (34) mit dem Blockheizkraftwerk (10) verbunden ist bzw. sind, daß das wenigstens eine Stromerzeugungsmodul M1 . . . Mn) über eine zweite Vorlaufleitung (25) und eine zweite Rücklaufleitung (26) mit dem Regelspeicher (41) verbunden ist, daß die zweite Rücklaufleitung (26) an die erste Rücklaufleitung (34) angeschlossen ist, daß der wenigstens eine Spitzenlastkessel (K1 . . . Kn) über eine dritte Vorlaufleitung (23) an die erste Vorlauf leitung (28) und über eine dritte Rücklaufleitung (24) an die zweite Vorlaufleitung (25) angeschlossen ist, und daß zwischen der dritten Vorlaufleitung (23) und der dritten Rücklaufleitung (24) die hydraulische Weiche (42) zur hydraulischen Entkopplung des wenigstens einen Spitzenlastkessels (K1 . . . Kn) vom übrigen System angeordnet ist.

5. Blockheizkraftwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Regelspeicher (41) als Speicher ausgebildet ist, welcher von einer Seite her beladen und zu dieser Seite wieder entladen wird, und daß am Regelspeicher (41) Vorrichtungen vorgesehen sind, welchen den Beladungsgrad des Speichers messen und überwachen.

6. Blockheizkraftwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Wärmeerzeugerkreis zur Abführung überschüssiger Wärme eine Notkühleinrichtung (36, 37, 39, 40) vorgesehen ist.

7. Blockheizkraftwerk nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Notkühleinrichtung (36, 37, 39, 40) wahlweise zwischen dem wenigstens einen Stromerzeugungsmodul (M1 . . . Mn) und dem Regelspeicher (41) in die zweite Rücklaufleitung (26) eingeschaltet werden kann.

8. Blockheizkraftwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Spitzenlastkessel (K1 . . . Kn) und mehrere Stromerzeugungsmodule (M1 . . . Mn) vorgesehen sind, und daß die Spitzenlastkessel (K1 . . . Kn) und die Stromerzeugungsmodule (M1 . . . Mn) jeweils hydraulisch parallel oder in Reihe, hydraulisch jedoch entkoppelt, geschaltet sind.

9. Blockheizkraftwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Regelspeicher (41) ein Niedertemperatur speicher und der zweite Regelspeicher (54) ein Hoch temperaturspeicher mit einer Speichertemperatur von über 100°C ist.

10. Verfahren zum Betrieb eines Blockheizkraftwerkes (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß im wärmegeführten Betrieb bei einer Wärmeabgabe an den Wärmeverbraucher (31) mit einer konstanten ersten Vorlauftemperatur (TV1);

a) die von den Stromerzeugungsmodulen (M1 . . . Mn) er zeugte Wärme direkt an den Wärmeverbraucher (31) abgegeben wird, wenn die Wärmeleistung der Stromerzeugungsmodule (M1 . . . Mn) gleich der Verbrauchsleistung des Wärmeverbrauchers (31) ist;
b) die von den Stromerzeugungsmodulen (M1 . . . Mn) er zeugte Wärme teilweise an den Wärmeverbraucher (31) abgegeben und teilweise zur Aufladung des mindestens einen Regelspeichers (41) verwendet wird, wenn die Wärmeleistung der Stromerzeugungs module (M1 . . . Mn) größer als die Verbrauchsleistung des Wärmeverbrauchers (31) ist; und
c) zusätzlich zu der von den Stromerzeugungsmodulen (M1 . . . Mn) erzeugten Wärme zunächst Wärme aus dem mindestens einen Regelspeicher (41) entnommen und an den Wärmeverbraucher (31) abgegeben wird, und nach Entleerung des Regelspeichers (41) sukzessive Spitzenlastkessel (K1 . . . Kn) in Reihe zugeschaltet werden, wenn die Wärmeleistung der Stromerzeugungs module (M1 . . . Mn) kleiner als die Verbrauchs leistung des Wärmeverbrauchers (31) ist.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer die Verbrauchsleistung des Wärmeverbrauchers (31) übersteigenden Wärmeleistung der Stromerzeugungsmodule (M1 . . . Mn) wahlweise Stromer zeugungsmodule (M1 . . . Mn) abgeschaltet werden, wenn der oder die Regelspeicher (41) gefüllt ist bzw. sind, und zugeschaltet werden, wenn der Füllgrad des oder der Regelspeicher (41) wieder sinkt.

12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Zuschalten von Spitzenlastkesseln (K1 . . . Kn) die Wärmeleistung der zugeschalteten Spitzen lastkessel über eine stufenlose Brennerregelung auf den Bedarf eingeregelt wird.

13. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß zum Erreichen einer zweiten Vorlauftemperatur (TV2), welche größer ist als die erste Vorlauftemperatur (TV1), den Stromerzeugungsmodulen (M1 . . . Mn) zwecks Temperaturerhöhung Spitzenlastkessel (K1 . . . Kn) nachgeschaltet werden.

14. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß im stromgeführten Betrieb in den Stromerzeugungs modulen (M1 . . . Mn) erzeugte Wärme, welche vom Wärmever braucher (31) nicht abgenommen wird, zunächst zum Beladen des Regelspeichers (41) verwendet und bei vollem Regelspeicher (41) extern über eine Notkühlein richtung (36, 37, 39, 40) abgeführt wird.