DE19714824A1 - Verfahren zum Betrieb einer Block-Heizkraftwerksanlage - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Block-Heizkraftwerksanlage für die Bereitstellung elektrischer und thermischer Energie sowie eine derartige Block-Heizkraftwerksanlage zur Durchführung des Verfahrens.

Als Blockheizkraftwerke bezeichnete Kraftwerksanlagen sind allgemein bekannt. Hierbei handelt es sich definitionsgemäß um kompakte Kraftwerksanlagen, die zur dezentralen Versorgung von Gebäudekomplexen, zum Beispiel Wohnsiedlungen, mit elektrische Strom und mit thermischer Energie zu Heizzwecken dienen und demgemäß ausgelegt sind. Hierbei handelt es sich meistens um einen Verbraucher mit einer relativ festen Bedarfsmenge an elektrischer und thermischer Energie. Im allgemeinen werden derartige Block-Heizkraftwerksanlagen im Inselbetrieb gefah­ ren, das heißt unabhängig von einem anderen Versorgungsnetz.

Üblicherweise bestehen die Block-Heizkraftwerksanlagen aus einem von einer Gasturbine beaufschlagten elektrischen Generator für die Stromerzeugung und einem nachgeschaltetem Abgaswärmetauscher für die Bereitstellung der erforderli­ chen Heizleistung. Hierbei ist zu beachten, daß für den technisch und wirtschaftlich sinnvollen Einsatz von Gasturbinen bestimmte Untergrenzen gelten, die bei etwa 8 bis 10 MW liegen. Diese beruhen einerseits darauf, daß sich der Wirkungsgrad bei Gasturbinen bei instationärem Betrieb erheblich verschlechtert gegenüber dem Vollastbetrieb. Andererseits ist der technisch-konstruktive Aufwand bei kleinen Gasturbinen unterhalb der genannten Grenzen überproportional groß, so daß sich schon aus diesem Grunde bei kleineren Anlagen der Einsatz von Gasturbinen nicht rechtfertigt.

Bei kleineren Anlagen, das heißt solchen mit geringerem Energiebedarf als z. B. 10 MW, können auch Verbrennungsmotoren nach dem Otto- oder dem Dieselprozeß zum Einsatz kommen. Hierbei handelt es sich im allgemeinen um an die besonde­ ren Betriebsbedingungen angepaßte Antriebsaggregate, deren Stromerzeugungs­ kosten häufig deutlich über denen von Großanlagen liegen, weil sie nicht mit dem bestmöglichen Wirkungsgrad betrieben werden, oder aber weil ihre Anforderungen an die Brennstoffqualität den Einsatz von minderwertigem und damit billigem Brennstoff verhindern.

Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, ein Ver­ fahren der eingangs genannten Art anzugeben, das bei flexibler Brennstoffwahl sowohl die Anpassung der bereitgestellten elektrischen Energie an den Wärmelei­ stungsbedarf bei möglichst günstigen Bedingungen für die Stromerzeugung als auch die Einhaltung einer ökologisch und ökonomisch günstigen Energiebilanz er­ möglicht. Ferner soll eine nach diesem Verfahren arbeitende Block-Heizkraftwerksanlage angegeben werden, in welcher die vorgenannten Grundsätze beachtet sind.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 1, 4 oder 5 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen behandelt.

Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren ist daher vorgesehen, daß die kineti­ sche Energie eines Motors zum Antrieb eines Generators ausgenutzt wird, welcher Motor mit Wärme aus einer externen, vorzugsweise vielstofftauglichen Wärmequel­ le beaufschlagt wird, die außerdem zur Bereitstellung von Heizwärme dient, wobei in der externen Wärmequelle alternative Energie genutzt wird.

Als Antriebsmotor dient demgemäß nicht ein herkömmlicher Verbrennungsmotor, der nach dem bekannten Ottoprozeß oder dem Dieselprozeß arbeitet, sondern ein Motor mit einer außerhalb des Motors angeordneten Wärmequelle, der jedoch im Unterschied zum ebenfalls bekannten Stirling-Heißgasmotor keinen geschlossenen Arbeitsgas-Kreislauf aufweist und überdies auch Wärmeenergie zu Heizzwecken liefert.

Vorteilhafterweise kann das erfindungsgemäße Verfahren mit unterschiedlichsten Energieträgern als Brennstoff betrieben werden, so beispielsweise durch Einsatz von Erdgas, Erdöl beziehungsweise Kohlevergasung. Ebenso ist es aber auch möglich, daß das Verfahren unter Verwendung von alternativer Energie, wie aus Biomasse, aus Müll oder aus Deponien gewonnenes Brenngas, oder von Sonnen-, Erd- oder Abwärme stattfindet, so daß edle Energieressourcen, wie Mineralöl oder Kohle geschont werden.

Diese Verfahrensweise kann insbesondere dadurch verbessert werden, daß die zuzuführende Verbrennungswärme in einer kontinuierlichen Verbrennung gewon­ nen wird und daß so eine gleichmäßige Temperaturbelastung der beteiligten Bau­ teile gewährleistet ist. Hiermit wird erreicht, daß die thermische Beanspruchung der eingesetzten Werkstoffe limitiert ist, so daß sich gegenüber herkömmlichen Aggre­ gaten ein beachtlicher Lebensdauervorteil ergibt. Darüber hinaus ist durch die gleichförmige Verbrennung auch eine reduzierte Schadstoffemission gewährleistet, da hierfür ungünstige Lastwechsel unterbleiben.

Eine erfindungsgemäße Block-Heizkraftwerksanlage zur Durchführung des zuvor beschriebenen Verfahrens für die Bereitstellung elektrischer und thermischer Energie ist in an sich bekannter Weise mit einem elektrischen Generator und mit einer Energiequelle ausgerüstet, welche zur Bereitstellung der Antriebsenergie für den elektrischen Generator sowie zur Bereitstellung von Heizenergie dient.

Um die zugrundeliegende Aufgabe zu lösen, ist erfindungsgemäß als Antrieb für den Generator ein Motor mit einer außerhalb des Motors angeordneten Wärme­ quelle vorgesehen, wobei die Wärmequelle zur Bereitstellung von Wärmeenergie für die Beaufschlagung des Motors sowie auch für Heizzwecke als Wärmetauscher für Sonnenwärme, für Erdwärme oder für Abwärme eines wärmebildenden Prozes­ ses ausgebildet ist.

Infolge kontinuierlicher Verbrennung im Inneren sind Probleme infolge unzurei­ chender Zündeigenschaften von minderwertigen Brennstoffen nicht zu besorgen. Ebenso kann ein Getriebe zur Kraftübertragung auf den anzutreibenden Generator entfallen, da die Regelung der Leistung der Anlage über einen Turbolader die Drehzahl der Anlage über dem gesamten Lastbereich konstant hält. (Mit einer Netzfrequenz von 50 Hz oder 60 Hz bzw 50 Hz.1/2 oder 60 Hz.1/2 abhängig vom Generator).

Durch die Aufladung mittels Turbolader wird ein Temperaturunterschied zur Umge­ bung hergestellt, so daß bei dem relativ geringen Verdichtungsverhältnis der Anla­ ge ein Wärmeaustausch im Kühler erst möglich wird.

Gemäß einer alternativen Lösungsvariante ist die zugrundeliegende Block-Heizkraftwerksanlage erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß als Antrieb für den Generator ein gasbetriebener Motor mit einer außerhalb des Motors ange­ ordneten Wärmequelle vorgesehen ist und daß die Wärmequelle zur Beaufschla­ gung des Kolbenmotors als vielstofftaugliche Verbrennungseinrichtung ausgebildet ist, deren Verbrennungswärme auch zur Bereitstellung von Heizenergie dient.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann als Motor ein ventilgesteuerter 2×2-Zylinder Viertakt-Kolbenmotor mit zwei sich gegenläufig zueinander bewegen­ den doppeltwirkenden Kolbenpaaren vorgesehen sein, der mit einer Gasbrenn­ kammer als Wärmequelle sowie mit einem Rekuperator für den internen Wärme­ austausch und weiteren Wärmetauschern zur Abwärmenutzung zusammenarbeitet und so eine quasikontinuierliche Durchströmung der Brennkammer zu gewährlei­ stet.

Der Kühler weist drei Bereiche auf, nämlich einen ersten Bereich zur Abgaswärme­ nutzung, einen zweiten zur Kompressionswärmenutzung hinter dem Verdichter so­ wie einen dritten zur Kompressionswärmenutzung bei der Kompression in der Ma­ schine, wobei die hier gewonnene Wärme ausgekoppelt wird.

Hierbei erweist es sich als vorteilhaft, daß die Gasbrennkammer das zugeführte aus Biomasse oder Müll oder ähnlichem gewonnene Brenngas verbrennt und gleichzeitig entspannt, so daß im Idealfall ein isothermer Prozeßschritt zustandekommt.

Eine weitere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Block-Heizkraftwerksanlage zeichnet sich dadurch aus, daß dem Motor ein Verdichter, zum Beispiel Turbolader, für die Verbrennungsluft zugeordnet ist, welcher die Verbrennungsluft mit erhöhtem Vordruck der Verbrennung zuführt und so eine überstöchiometrische Verbrennung des Brenngases ermöglicht.

Ferner kann in zweckmäßiger Weiterbildung der Erfindung vorgesehen sein, daß der weitere Wärmetauscher als Kühler ausgebildet ist, der dem Arbeitsgas die darin enthaltene Restwärme nach Austritt aus dem Motor entzieht.

Diese und weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Anhand eines in der schematischen Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels sollen die Erfindung, vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen sowie be­ sondere Vorteile der Erfindung näher erläutert und beschrieben werden.

Es zeigt:

die einzige Figur eine schematische Schaltungsanordnung für eine erfindungs­ gemäße Block-Heizkraftwerksanlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

In der einzigen Figur ist eine auszugsweise Schaltungsanordnung für eine Block- Heizkraftwerksanlage dargestellt, welche aus einem Antriebsaggregat 10 mit vier Zylindern 12, 14, 16, 18 sowie einem hier nicht näher gezeigten elektrischen Genera­ tor zur Stromerzeugung gebildet ist. In den Zylindern 12, 14, 16, 18 sind jeweils Kolben 13, 15, 17, 19 gleitbeweglich geführt, die als Doppelkolben ausgebildet sind.

An jeweils beiden Enden jedes Zylinders 12, 14, 16, 18 sind mit Ventilen 22 versehe­ ne Zylinderköpfe angeordnet, über welche das zum Betrieb erforderliche Heißgas von einer aus der Gasturbinentechnik an sich bekannten Brennkammer 20 zugeführt wird welche aus einer Brennstoffzuführung 21 mit Brennstoff versorgt wird.

Für die wechselweise Beaufschlagung der Zylinderköpfe mit dem heißen Arbeitsgas ist ein parallel zu den Zylindern 12, 14, 16, 18 angeordneter Rekuperator oder Ge­ genstrom-Wärmetauscher 24 vorgesehen, der die Abwärme aufnimmt. Das hierdurch erwärmte Restgas wird in einer nachgeschalteten Turbine 26 entspannt, die mit einem Verdichter 28 zur Bereitstellung von Frischluft für die Verbrennung gekoppelt ist. Die dann noch vorhandene Restwärme wird in einem nachgeschalteten Kühler 30 entzo­ gen.

Die zur Verbrennung benötigte Frischluft wird vom Verdichter 28 zunächst einem Kühler 32 und von diesem einem der Zylindern 12 oder 14 zugeführt. Die Regelung erfolgt über die Ventile 22.

Im Unterschied zu dem an sich, beispielsweise aus der DE-OS 21 48 842, bekannten geschlossenen Stirling-Prozeß wird das erfindungsgemäße Verfahren als offener Prozeß betrieben, weil das erhitzte Arbeitsgas nach geleisteter Arbeit abgeführt und durch neues Arbeitsgas ersetzt wird. Überdies dokumentiert sich der Unterschied des erfindungsgemäßen offenen Verfahrens in geringeren Ladedrücken.

Bisher wurde noch keine Stirling-Maschine gebaut, die eine Ventilsteuerung besitzt, und bei der eine räumliche Trennung der Wärmetauscher: Erhitzer, Regenerator und Kühler ausgeführt wurde. Folglich konnte bisher nicht so klar, wie es von OTTO- und Diesel-Maschinen bekannt ist, eine Trennlinie der Prozeßschritte voneinander gezo­ gen werden.

Der Brennstoff wird vorzugsweise als Brenngas zugeführt. Hierdurch ist es möglich, auch minderwertige Energieträger, zum Beispiel Biogas oder Deponiegas, das heißt eben solche Energieträger mit geringem Brennwert, zu verwenden.

Der Druckspeicher 34 unter den Zylindern 12, 14, 16, 18 dient zur Bevorratung von Kühl und Sperrluft für alle Dichtbereiche, wie z. B. die Sperrluftabdichtung an den Durchführungen der Ventile 22. Dieser Druck ist selbstverständlich höher als der höchste im Verfahren auftretende Druck. Versorgt wird der Druckspeicher 34 über einen zusätzlichen Kompressor 34, der jedoch im Vergleich zum Aufladesystem nur geringe Mengen fördert und daher in der Energiebilanz vernachlässigbar ist.

Über ein Vier-Wege-Ventil 36 ist eine Regelung des Ladedrucks sowie der zuge­ führten Menge an Frischluft möglich.

In der erfindungsgemäßen Anlage sind mit den vier Zylindern 12, 14, 16, 18 vier Arbeitsgasbereiche vorgesehen, wodurch ein sehr gleichmäßiger Lauf resultiert, da alle Arbeitstakte jederzeit in der Anlage, das heißt bei jedem Phasenwinkel, vorlie­ gen.

Um Strömungsabrisse in der Brennkammer während der Schaltpunkte der Ventile zu vermeiden, ist vorgesehen, daß der Brenner mit einer Mindestluftmenge gefah­ ren wird, so daß die Flamme kontinuierlich mit Luft versorgt wird.

Im folgenden wird nochmals ausführlich auf die Arbeitsweise des erfindungsgemä­ ßen Verfahrens und die hierbei vorgesehenen Arbeitstakte des thermischen Prozes­ ses eingegangen.

Zur Verdichtung des Arbeitsgases wird es von den Kolben 13,15 über den Kühler 31 unter die Kolben 17, 19 verschoben. Im Idealfall erfolgt die Verdichtung iso­ therm.

Eine isochore Erwärmung des Arbeitsgases erfolgt durch dessen Verschieben von der Unterseite der Kolben 17, 19 über den Rekuperator 24 auf deren Kolbenober­ seite. Die Entspannung des Arbeitsgases erfolgt durch Verschieben von der Ober­ seite der Kolben 17, 19 über die Brennkammer 20 auf die Kolbenoberseite 12, 14.

Ferner findet eine isochore Abkühlung des Arbeitsgases durch Verschieben von Kolbenoberseite 13, 15 über den Rekuperator 24 auf die Kolbenunterseite 13, 15 statt. Hier ist der Prozeß geöffnet, indem Frischluft ausgetauscht wird und der Druck geregelt ist.

Die Zylinder sind jeweils einander zugeordnet, nämlich Zylinder 12 zu Zylinder 18 und Zylinder 14 zu Zylinder 16 bzw. Umgekehrt, wobei vorzugsweise die Zylinder 12 und 14 einen größeren Durchmesser als die Zylinder 16 und 18 aufweisen.

Bei der erfindungsgemäß vorgesehenen Maschine handelt es sich um einen 4- Takt-Motor mit doppeltwirkenden Kolben. An den Kolben sind Kolbenringe als Dichtungen vorgesehen, welche den Zylinderraum jeweils in zwei voneinander ge­ trennte Arbeitsbereiche aufteilen. Dabei ist jedem Kolbenbereich quasi ein Ar­ beitstakt zugeordnet, nämlich die Bereiche
unter den Zylindern 13 und 15: Entspannung und Kühlung des Arbeitsgases
unter den Zylindern 17 und 19: Verdichtung und Kühlung des Arbeitsgases
über den Zylindern 17 und 19: Verdichtung und Erwärmung des Arbeitsgases
über den Zylindern 13 und 15: Entspannung und Erwärmung des Arbeitsgases.

Claims (9)

1. Verfahren zum Betrieb einer Block-Heizkraftwerksanlage für die Bereit­ stellung elektrischer und thermischer Energie, dadurch gekennzeichnet, daß die kinetische Energie eines Kolbenmotors zum Antrieb eines Generators ausgenutzt wird, welcher Motor mit Verbrennungswärme aus einer externen, vorzugsweise vielstofftauglichen Wärmequelle beaufschlagt wird, die außerdem zur Bereitstellung von Heizwärme dient und die Nutzung von alternativer Energie erlaubt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der exter­ nen Wärmequelle Brenngas genutzt wird, das aus Biomasse oder Müll gewonne­ nen wird und ungleichmäßige Gasqualität besitzt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zuzuführende Verbrennungswärme in einer kontinuierlichen Verbrennung gewon­ nen wird und daß so eine gleichmäßige Temperaturbelastung der beteiligten Bau­ teile gewährleistet ist.

4. Block-Heizkraftwerksanlage für die Bereitstellung elektrischer und ther­ mischer Energie zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorherigen An­ sprüche mit einem elektrischen Generator, mit einer Energiequelle zur Bereitstel­ lung der Antriebsenergie für den elektrischen Generator sowie zur Bereitstellung von Heizenergie, dadurch gekennzeichnet, daß als Antrieb für den Generator ein Kolbenmotor mit einer außerhalb des Kolbenmotors angeordneten Wärmequelle vorgesehen ist.

5. Block-Heizkraftwerksanlage mit den oberbegrifflichen Merkmalen nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Antrieb für den Generator ein gasbe­ triebener Motor mit einer außerhalb des Motors angeordneten Wärmequelle vorge­ sehen ist und daß die Wärmequelle zur Beaufschlagung des Kolbenmotors als vielstofftaugliche Verbrennungseinrichtung ausgebildet ist, deren Verbrennungs­ wärme auch zur Bereitstellung von Heizenergie dient.

6. Block-Heizkraftwerksanlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Motor ein ventilgesteuerter Vierzylinder-Viertakt-Kolbenmotor mit zwei zuein­ ander sich gegenläufig bewegenden Kolbenpaaren vorgesehen ist, der mit einer Gasbrennkammer als Wärmequelle sowie mit einem Rekuperator und weiteren Wär­ metauschern zusammenarbeitet.

7. Block-Heizkraftwerksanlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasbrennkammer das zugeführte aus Biomasse oder Müll oder ähnlichem gewonnene Brenngas verbrennt und gleichzeitig entspannt, so daß im Idealfall ein isothermer Prozeßschritt zustandekommt.

8. Block-Heizkraftwerksanlage nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß dem Motor ein Verdichter, zum Beispiel Turbolader, für die Verbrennungsluft zugeordnet ist, welcher die Verbrennungsluft liefert.

9. Block-Heizkraftwerksanlage nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß weitere Wärmetauscher (30, 31, 32) als Kühler ausgebildet sind die die Heizwärme liefern.