DE19843002A1 - Energiestation mit Wärme-/Strom-Kopplung - Google Patents

Abstract

Eine Energiestation mit Wärme-/Strom-Kopplung, die vorzugsweise als kleine stationäre Einheit für die Verwertung örtlich anfallender Brennmaterialien dient, weist 2 Kreisläufe für wärmetragende Medien auf. Im 1. Kreislauf dient bei der Verbrennung der Brennmaterialien erzeugter Dampf dem Antrieb eines Druckentspannungsmotors, der seinerseits einen Stromgenerator treibt. Im 2. Kreislauf wird Wasser, welches aus dem Wärmekreislauf einer Hausheizung stammen kann, beim Durchlauf durch den Stromgenerator und durch den Kondensator des 1. Kreislaufs auf die Temperatur des kondensierenden Dampfes aus dem 1. Kreislauf erhitzt. Als Druckentspannungsmotor wird ein als Antriebseinheit laufender Spiralkompressor bevorzugt.

Description

Die Erfindung betrifft eine stationäre Einrichtung zur gleichzeitigen Erzeugung von Wärme und Strom durch die Kombination eines Dampferzeugers mit einem Stromge­ nerator. Sie ist im besonderen geeignet für kleine stationäre Einheiten, die dort zum Einsatz kommen, wo am Ort anfallende Brennmaterialien, wie Abfälle aus der Holzbe­ arbeitung oder der Waldwirtschaft, Holz-Hackschnitzel, Holz-, Torf-, Stroh oder ähn­ liche Presslinge, oder Biogase eingesetzt werden können und gleichzeitig ein nicht unerheblicher Bedarf an elektrischem Strom besteht bzw. elektrischer Strom in das öffentliche Versorgungsnetz eingeleitet werden kann. Die Einsatzfelder der erfin­ dungsgemäßen Geräte werden deshalb insbesondere in der Land- und Forstwirtschaft liegen oder aber dort, wo aus ökologischen oder ideellen Gründen eine Feuerung mit regenerativen Stoffen eingesetzt werden soll.

Es ist bekannt, Stoffe der genannten Art, die ohnehin verbrannt werden müssen, weil sie als Feststoffe nicht abgelagert oder als gasförmige Stoffe nicht in die Außenluft entlassen werden können, zur Erzeugung von Wärme oder Heißwasser zu verwenden. Es ist ferner bekannt brennbare Gase, wie Biogase aus Kläranlagen, in Blockheizkraftwerken zur Stromerzeugung einzusetzen. Die Verfahren haben erhebliche Nachteile. In den Grundstoffen enthaltene unerwünschte Stoffe und Beimengungen machen sich im Verfahrensverlauf nachteilig bemerkbar und erfordern entweder ständige Reinigungen der Anlagen oder führen zu deren Verschlechterung und schließlich zum Stillstand. Blockheizkraftwerke sind zudem nur als größere Einheiten (ab 10 KW elektrischer Leistung) wirtschaftlich. Insbesondere im Bereich der Verbrennungsanlagen hat dies zu Entwicklungen geführt, bei denen nach dem sog. Holzvergaserprinzip das bei der zunächst eintretenden Verschwelung entstehende brennbare Gas in den Generator wieder zurückgeführt und dort auf einem Glutbett einer abschließenden Hochtemperaturverbrennung unterworfen wird, so dass die austretenden Restabgase nur noch eine geringe Schadstoffmenge enthalten und die Ausnutzung des Brennwerts der eingesetzten Stoffe gesteigert wird. Derartige Verfahren leiden aber immer noch darunter, dass die gewonnene Energieform von relativ niederer Qualität ist. Es stellt sich deshalb die Aufgabe, die Nutzung brennbarer Stoffe am Ort des Anfalls so zu verbessern, dass schon in kleineren Anlageeinheiten eine höchstmögliche Energieausnutzung bei Unempfindlichkeit gegen Beimengungen der Verbrennungsgase und möglichst hochwertiger Energiequalität erreicht wird.

Die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe erfolgt mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1. Weitere Ausführungseinzelheiten sind in den abhängigen Patentansprüchen dargestellt.

Die bei der Verbrennung erzeugte Wärme wird erfindungsgemäß zweifach genutzt, einerseits zur Erwärmung von Wasser, andererseits zur Erzeugung von elektrischem Strom. Das erwärmte Wasser kann z. B. der Gebäudeheizung dienen, der erzeugte Strom an Ort und Stelle zum Antrieb von Geräten benutzt oder in die öffentliche Stromversorgung eingespeist werden. Es kann so eine Energienutzung von bis zu 95 % erreicht werden.

Das System ist dabei, abgesehen von der reinen Verbrennungseinheit, in sich abgeschlossen, so dass keine Flüssigkeiten austreten können und auch keine Flüssigkeiten zugeführt werden müssen. Der Einsatz ist infolgedessen auch in Gebieten möglich, in denen insbesondere auf die Reinhaltung des Bodens Rücksicht genommen werden muss. Die bei der Verbrennung entstehenden Gase schließlich stehen in keiner direkten Verbindung mit der stromerzeugenden Einheit.

Eine erfindungsgemäße Energiestation ist in ihrem prinzipiellen Aufbau in Fig. 1 dar­ gestellt. Die Darstellung dient lediglich der Verdeutlichung, aus welchen Bestandteilen sich die Station zusammensetzt und wie die Bestandteile zusammenwirken. In der praktischen Anwendung wird eine entsprechende Station als Kompakteinheit gebaut werden, die nur geringen Raum einnimmt, weil die verwendeten Bestandteile sich günstig miteinander kombinieren lassen. Verwendung finden können Aggregatteile, die sich bereits als Serienprodukte auf dem Markt befinden, nur geringer Veränderungen bedürfen und deshalb eine kostengünstige Herstellung der Station erlauben.

Nach Fig. 1 besteht eine erfindungsgemäße Station aus dem Verdampfer 1, dem Kondensator 2 und dem Druckentspannungsmotor 3, der mit dem Generator 4 in direkter Verbindung steht. Verdampfer 1, Druckentspannungsmotor 3 und Kondensator 2 bilden dabei einen ersten Kreislauf. Im Verdampfer 1 wird unter Einsatz von Ver­ brennungswärme Dampf erzeugt, der dem Druckentspannungsmotor zugeführt wird und diesen in drehende Bewegung setzt, wodurch der Generator als Stromerzeuger arbeitet und Strom an beliebige Verbraucher abgegeben werden kann. Der aus dem Druckentspannungsmotor 3 austretende Dampf wird dem Kondensator 2 zugeführt, in diesem gekühlt und damit zu Wasser kondensiert, welches dann mittels der Speisewasserpumpe 5 wieder in den Verdampfer 1 gefördert wird. Günstigerweise wird zur Erzielung leichteren Laufs des Druckentspannungsmotors 3 dem eingesetzten Wasser eine geringe Menge eines schwereren und spät siedenden Öles beigemengt, welches im Druckentspannungsmotor 3 schmierend wirkt.

Der Kondensator 2 ist zugleich als Wärmetauscher ausgebildet und steht mit dem Ge­ nerator 4 und einem Verbraucher, z. B. der Wasserheizung eines Wohnhauses 6, in einem zweiten Kreislauf. Das aus der Hausheizung mit relativ niedriger Temperatur anfallende Rücklaufwasser wird dem Generator 4 zugeführt und führt aus diesem die bei der Stromerzeugung zusätzlich anfallende Wärme ab. Der Generator 4 ist hierzu mit einem Wasserkühlmantel 1a versehen. Das auf diese Weise bereits in einer ersten Stufe erwärmte Rücklaufwasser gelangt sodann von dem Generator 4 in den Wärmetauscherteil des Kondensators 2. Dort übernimmt es zusätzlich die bei der Kondensation des Dampfes auftretende Wärme und wird auf diese Weise auf die Temperatur gebracht, die für die Hausheizung erforderlich ist. Das Wasser kann jetzt wieder, gefördert durch die, in der Fig. 1 nicht dargestellte, Umlaufpumpe des Hausheizungssystems, als Vorlaufwasser in diesem System verwendet werden.

Unabhängig von den beiden dargestellten Kreisläufen 1 und 2 steht am Ausgang des Generators 4 elektrischer Strom für die Verwendung bei weiteren Verbrauchern zur Verfügung.

Als Druckentspannungsmotor 3 können bekannte Geräte, wie Innenzahnradmotoren oder Drehkolbenmotoren Verwendung finden. Als besonders vorteilhaft hat sich der Einsatz von Spiral-Kompressoren erwiesen, die, wenn sie mit unter Druck geförder­ tem Dampf beaufschlagt werden, als angetriebene Motoren für den auf der gleichen Welle angeordneten Generator 4 arbeiten.

Ein derartiger Spiralkompressor mit Generator ist in Fig. 2 in prinzipieller Ausführung dargestellt. Im Gehäuse 7 befinden sich sowohl der Druckentspannungsmotor 8 als auch der Generator 9. Die Läufer beider Geräte werden von der zentralen Welle 10 getragen, auf der sie gegeneinander drehfest befestigt sind. Durch die Zuleitungsöff­ nung 11 tritt der Dampf aus dem Verdampfer ein, durchläuft die spiralförmigen Räume, die zwischen Rotor 12 und Stator 13 des Druckentspannungsmotors vorhanden sind und setzt den Rotor 12 in drehende Bewegung, so dass die Welle 10 entsprechend ge­ dreht wird. Nach Durchlaufen der Spiralräume tritt der Dampf aus der Austrittsöffnung 14 wieder aus und gelangt anschließend in den Kondensator 2. Evtl. sich bereits im Druckentspannungsmotor 8 bildendes Kondensat wird von dem immer noch unter Druck stehenden Dampf zum Kondensator 2 mitgefördert. Damit kein Dampf oder Kondensat in den Innenraum des Generators 9 gelangt, ist der Innenraum des Druckentspannungsmotors 8 gegen den Innenraum des Generators 9 durch geeignete Dichtungen 15 abgedichtet. Etwa doch durchdringendes Kondensat sammelt sich, je nach Temperatur des im Sumpf des Generators vorhandenen schweren Schmieröls 16, entweder auf diesem oder unter diesem an. Es wird dort im ersten Fall durch eine von unten kommende Stichleitung 17 oder im zweiten Fall über eine unter dem Öl liegende Syphonöffnung 18 abgeführt. Damit keine Druckdifferenz im System auftritt, sind diese Ableitungen mit dem Auslass des Kondensators 2 an einer Stelle verbunden, die tiefer liegt als der Ölstand im Generatorsumpf.

Der Generator 9 ist von dem Wasserkühlmantel 19 umgeben. In diesen tritt das Rücklaufwasser des Verbrauchers durch die Zuflußöffnung 20 ein, durchläuft diesen und tritt sodann aus der Austrittsöffnung 21 wieder aus. Diese steht in Verbindung mit dem Wärmetauscherteil des Kondensators 2. Auf die Einzelheiten der Stromerzeugung im Generator 9 und die Abführung des Stroms über den Anschluss 22 muss, da es sich hierbei um allgemein bekannte Einrichtungen und Vorgänge handelt, nicht eingegangen werden.

Es versteht sich, dass die Gesamteinrichtung in den beiden Kreisläufen aus Sicher­ heitsgründen mit den üblichen Überwachungs- und Sicherheitseinrichtungen, wie z. B. Manometer und Überdruckventilen, ausgestattet sein kann.

Claims (11)

1. Energiestation mit Wärme-Strom-Kopplung, bestehend im wesentlichen aus einer Verbrennungseinheit (1) und einer stromerzeugenden Einheit (3/4), dadurch gekennzeichnet, daß die Station 2 Kreisläufe für wärmetragende Medien aufweist, von denen der eine dem Antrieb der Stromerzeugungseinheit, der andere der Erwärmung eines wärmetragenden Mediums dient.

2. Energiestation gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das wärmetragende Medium im 1. Kreislauf Wasserdampf ist, der in der Verbrennungseinheit (1) erzeugt wird, in der Folge die Stromerzeugungseinheit (3/4) antreibt und anschließend, nach Verflüssigung in einem zwischengeschalteten Kondensator (2), dem Verdampfer (1) wieder zugeführt wird.

3. Energiestation gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeträger des 2. Kreislaufs Wasser ist, welches nacheinander den Generatorteil (4) des Stromerzeugers (3/4) und einen Wärmetauscherteil des Kondensators (2) durchströmt und dabei auf die Temperatur des kondensierenden Wasserdampfes aus dem 1. Kreislauf erhitzt wird.

4. Energiestation gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennungsanlage mit Verdampfer (3/4) nach dem Holzvergaserprinzip arbeitet und das zunächst bei der Verschwelung entstehende Gas sofort mit Sekundärluft verbrannt wird.

5. Energiestation gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromgenerator (4) von einem Druckentspannungsmotor (3) angetrieben wird, der mit dem Generator (4) auf gleicher Welle (10) drehfest verbunden ist.

6. Energiestation gemäß Ansprüchen 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckentspannungsmotor (3) ein als Antriebseinheit laufender Spiralkompressor ist.

7. Energiestation gemäß Ansprüchen 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromerzeugungseinheit (3/4) eine Abdichtung zwischen Druckentspannungsmotor (3) und Stromgenerator (4) aufweist, so daß der Übertritt von Dampf oder Kondensat aus dem Druckentspannungsmotor (3) in den Generatorbereich (4) gehindert wird.

8. Energiestation gemäß Ansprüchen 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromerzeugungseinheit (3/4) im Bereich des Druckentspannungsmotors (3) Anschlüsse für die Zuführung und die Abführung des Dampfes aufweist und im Bereich des Stromgenerators (4) Anschlüsse für den Wassereintritt und den Wasseraustritt.

9. Energiestation gemäß Ansprüchen 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Generatorteil (4) der Stromerzeugungseinheit (3/4) einen Wasserkühlmantel (19) aufweist.

10. Energiestation gemäß Ansprüchen 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Ölsumpf (16) des Generators (4) eine bis zum oberen Rand des Ölsumpfs (16) reichende Stichleitung (17) und eine am Boden des Ölsumpfs angeordnete Syphonöffnung (18) vorhanden sind, durch die sich oberhalb oder unterhalb des Schmieröls ansammelndes Kondensat abfließen kann.

11. Energiestation gemäß Ansprüchen 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Wasser des 2. Kreislaufs dem Warmwasserkreislauf einer Gebäudeheizung entstammt.