DE202007016024U1 - Hybrid plant with a biogas plant - Google Patents
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Abstract
Hybridanlage
zur Bereitstellung von elektrischer Energie aus regenerativen Energiequellen,
die folgendes aufweist: –
eine
Biogasanlage mit einem Generator (62), der elektrische Energie bereitstellt
und durch Verbrennung des von der Biogasanlage erzeugten Biogases
angetrieben wird, und –
mindestens
einen weiteren Energiewandler (64, 66), der elektrische Energie
bereitstellt und dessen abrufbare Leistung von externen Einflußfaktoren,
insbesondere dem Windangebot und/oder der Sonneneinstrahlung, abhängig ist, –
wobei
die elektrische Energie des Generators (62) und die elektrische
Energie des mindestens einen weiteren Energiewandlers (64, 66) in
ein gemeinsames Versorgungsnetz (76) eingespeist werden, dadurch
gekennzeichnet, daß –
ein
Wärmespeicher
(82), dem Wärme
aus dem Verbrennungsprozeß des
Biogases über
einen Wärmetauscher (26)
zuführbar
ist, und mindestens ein elektrisches Heizelement (48, 124, 126)
vorhanden ist, das mit elektrischer Energie des mindestens einen
weiteren Energiewandlers (64, 66) betrieben werden und der Biogasanlage
Wärme zuführen kann.Hybrid plant for the provision of electrical energy from regenerative energy sources, comprising:
a biogas plant having a generator (62) which provides electrical energy and is powered by combustion of the biogas produced by the biogas plant, and
at least one further energy converter (64, 66) which provides electrical energy and whose retrievable power is dependent on external influencing factors, in particular the wind supply and / or solar radiation,
wherein the electrical energy of the generator (62) and the electrical energy of the at least one further energy converter (64, 66) are fed into a common supply network (76), characterized in that
a heat accumulator (82), to which heat from the combustion process of the biogas can be supplied via a heat exchanger (26), and at least one electrical heating element (48, 124, 126) is present which is connected to electrical energy of the at least one further energy converter (64, 66 ) and can supply heat to the biogas plant.
Description
Die Erfindung betrifft eine Hybridanlage zur Bereitstellung von elektrischer Energie aus regenerativen Energiequellen, die eine Biogasanlage mit einem Generator, der elektrische Energie bereitstellt und durch Verbrennung des von der Biogasanlage erzeugten Biogases angetrieben wird, und mindestens einen weiteren Energiewandler aufweist, der elektrische Energie bereitstellt und dessen abrufbare Leistung von externen Einflußfaktoren, insbesondere dem Windangebot und/oder der Sonneneinstrahlung, abhängig ist, wobei die elektrische Energie des Generators und die elektrische Energie des mindestens einen weiteren Energiewandlers in ein gemeinsames Versorgungsnetz eingespeist werden.The The invention relates to a hybrid system for providing electrical Energy from renewable energy sources, which is a biogas plant with a generator that provides electrical energy and through Combustion of the biogas produced by the biogas plant driven is, and at least one further energy converter, the electrical Provides energy and its retrievable power from external sources Influencing factors, especially depending on the wind supply and / or solar radiation, the electric energy of the generator and the electric Energy of the at least one other energy converter in a common supply network be fed.
Biogasanlagen weisen einen sogenannten Fermenter auf, in dem biomassehaltige Reststoffe wie Klärschlamm, Bioabfall oder Speisereste, Gülle, Mist, Holz schnitzel oder auch gezielt angebaute Energiepflanzen wie beispielsweise Mais, Getreide und Gras in einem mehrstufigen Prozeß umgesetzt werden. Dabei entsteht Biogas, dessen wesentlicher energiereicher Bestandteil Methan ist. Das Biogas kann beispielsweise in einem Blockheizkraftwerk zum Antrieb eines Verbrennungsmotors verwendet werden, der einen Generator antreibt. Die bereitgestellte elektrische Energie kann in ein Versorgungsnetz eingespeist werden, während die Abwärme des Verbrennungsmotors für die Beheizung eines Gebäudes genutzt werden kann. Bedingt durch den zum Antrieb des Generators eingesetzten Verbrennungsprozeß entsteht beim Betrieb einer Biogasanlage immer elektrische Energie und Wärme zugleich, insbesondere ist es nicht möglich, elektrische Energie bereitzustellen, ohne zugleich Wärme zu erzeugen. Die thermische und elektrische Leistung einer Biogasanlage ist bis zu einem durch die Dimensionierung der Anlage bestimmten Maximalwert jederzeit abrufbar. Sofern ausreichend Biogas verfügbar ist, kann die Leistung der Anlage durch Steuerung des Verbrennungsmotors in kurzer Zeit bis zu ihrem Maximalwert gesteigert werden.biogas plants have a so-called fermenter, in the biomass-containing residues such sewage sludge, Biowaste or leftovers, manure, manure, Wood schnitzel or specifically grown energy crops such as Corn, cereals and grass are implemented in a multi-stage process. This produces biogas, its essential high-energy component Methane is. The biogas can, for example, in a combined heat and power plant for Drive an internal combustion engine used, which is a generator drives. The provided electrical energy can be in a supply network be fed while the waste heat of the internal combustion engine for the heating of a building can be used. Due to the drive of the generator used combustion process arises When operating a biogas plant always electrical energy and heat at the same time, especially it is not possible provide electrical energy without generating heat at the same time. The thermal and electrical power of a biogas plant is up at a maximum value determined by the sizing of the installation available at any time. If sufficient biogas is available, can the performance of the plant by controlling the internal combustion engine be increased in a short time to its maximum value.
Andere bekannte Energiewandler können unmittelbar elektrische Energie bereitstellen, ohne daß eine nennenswerte Abwärme entsteht. Hierzu zählen insbesondere Windenergie- und Photovoltaikanlagen. Allerdings ist die Verfügbarkeit der bereitgestellten elektrischen Energie derartiger Energiewandler von externen Einflußfaktoren abhängig, in den genannten Beispielen vom Windangebot bzw. der Sonneneinstrahlung. Unter Umständen kann über längere Zeiträume gar keine oder nur ein Bruchteil der Nennleistung derartiger Anlagen abrufbar sein.Other known energy converters can be immediate Provide electrical energy without a significant waste heat arises. Which includes in particular wind energy and photovoltaic systems. However, that is the availability the provided electrical energy of such energy converters from external influencing factors dependent, in the examples mentioned by the wind supply or solar radiation. In certain circumstances can over longer periods no or only a fraction of the rated output of such systems be available.
Hybridanlagen
zur Bereitstellung von elektrischer Energie aus regenerativen Energiequellen kombinieren
unterschiedliche Energiewandler. Eine derartige Hybridanlage ist
aus der deutschen Patentanmeldung
Davon ausgehend ist es die Aufgabe der Erfindung, eine Hybridanlage der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, die die eingesetzten Energiequellen unabhängig vom momentanen Bedarf des Versorgungsnetzes effizienter nutzt.From that Based on the object of the invention, a hybrid system of initially mentioned type available independent of the energy sources used current needs of the supply network uses more efficiently.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Hybridanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 1.These Task is solved by the hybrid system with the features of claim 1.
Die erfindungsgemäße Hybridanlage dient zur Bereitstellung von elektrischer Energie aus regenerativen Energiequellen und hat eine Biogasanlage mit einem Generator, der elektrische Energie bereitstellt und durch Verbrennung des von der Biogasanlage erzeugten Biogases angetrieben wird, und mindestens einen weiteren Energiewandler, der elektrische Energie bereitstellt und dessen abrufbare Leistung von externen Einflußfaktoren, insbesondere dem Windangebot und/oder der Sonneneinstrahlung, abhängig ist, wobei die elektrische Energie des Generators und die elektrische Energie des mindestens einen weiteren Energiewandlers in ein gemeinsames Versorgungsnetz eingespeist werden, und wobei ein Wärmespeicher, dem Wärme aus dem Verbrennungsprozeß des Biogases über einen Wärmetauscher zuführbar ist, und mindestens ein elektrisches Heizelement vorhanden ist, das mit elektrischer Energie des mindestens einen weiteren Energiewandlers betrieben werden kann. Die Abhängigkeit der abrufbaren Leistung des mindestens einen weiteren Energiewandlers kann sich auch auf die Verfügbarkeit sonstiger, letztlich solarer Brennstoffe beziehen, beispielsweise bei Geothermieanlagen oder Wasserkraftwerken. Das Versorgungsnetz kann ein öffentliches Stromnetz und/oder ein Inselnetz sein. Im Falle eines Inselnetzes ermöglicht die erfindungsgemäße Hybridanlage eine autarke Versorgung, was beispielsweise für abgelegene landwirtschaftliche Betriebe eine sinnvolle Alternative zum Anschluß an ein öffentliches Versorgungsnetz darstellt. Der Wärmespeicher kann eine beliebige Einrichtung zum Speichern von Wärme sein, beispielsweise ein thermisch isolierter Wassertank. Die im Verbrennungsprozeß des Biogases frei werdende Wärme, die nicht mit Hilfe des Generators in elektrische Energie umgewandelt werden kann, ist dem Wärmespeicher zuführbar, d. h. sie entweicht nicht ungenutzt, sondern kann zur späteren Nutzung gespeichert werden. Als zweite Möglichkeit der Wärmezufuhr dient das elektrische Heizelement, das mit elektrischer Energie von dem mindestens einen weiteren Energiewandler betrieben werden kann. Dadurch kann überschüssige elektrische Energie von einem oder mehreren der weiteren Energiewandler in Wärme umgesetzt und der Biogasanlage zugeführt werden. In der Regel muß die Biogasanlage zur Aufrechterhaltung der Methanproduktion konstant beheizt werden, je nach verfahrenstechnischer Auslegung auf zwischen 20° und 50°C Substrattemperatur. Die gefundene Lösung ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die weiteren Energiewandler mehr elektrische Energie erzeugen, als die an das Versorgungsnetz angeschlossenen Verbraucher benötigen. Sofern die elektrische Energie nicht anderweitig, etwa in einem elektrischen Energiespeicher, gespeichert werden kann, müßten die weiteren Energiewandler gegebenenfalls abgeschaltet werden. Dies ist jedoch ungünstig, weil es die Hybridanlage in eine ungünstige Arbeitsposition für den Gesamtbetrieb versetzt und eine vergleichsweise aufwendige Betriebsführung erfordert. Weiterhin kann sich beispielsweise im Falle einer Windenergieanlage die Beanspruchung der Komponenten der Windenergieanlage gegenüber einem gleichmäßigen Betrieb erhöhen. Alternativ zu einer Abschaltung ist es bekannt, die überschüssige elektrische Energie in Wärme umzusetzen und dem Erdboden zuzuführen. Hierzu ist jedoch eine aufwendige Vorrichtung erforderlich und die überschüssige Energie geht für eine spätere Nutzung verloren. Mit dem mindestens einen, auch über einen längeren Zeitraum bedarfsweise zuschaltbaren Heizelement wird die Hybridanlage mit einem zusätzlichen, regelbaren Verbraucher ausgestattet, der schwankende Nachfrage nach elektrischer Energie in dem Versorgungsnetz vergleichmäßigen kann.The hybrid system according to the invention serves to provide electrical energy from regenerative energy sources and has a biogas plant with a generator that provides electrical energy and is powered by combustion of the biogas produced by the biogas plant, and at least one other energy converter that provides electrical energy and its retrievable power is dependent on external influencing factors, in particular the wind supply and / or solar radiation, wherein the electrical energy of the generator and the electrical energy of the at least one further energy converter are fed into a common supply network, and wherein a heat storage, the heat from the combustion process of the biogas is supplied via a heat exchanger, and at least one electric heating element is provided which can be operated with electrical energy of the at least one further energy converter. The dependence of the Callable performance of at least one other energy converter may also relate to the availability of other, ultimately solar fuels, such as geothermal or hydropower plants. The supply network may be a public power grid and / or a stand-alone grid. In the case of an island network, the hybrid plant according to the invention allows a self-sufficient supply, which represents a sensible alternative for connection to a public supply network, for example, for remote farms. The heat storage may be any means for storing heat, such as a thermally insulated water tank. The heat released in the combustion process of the biogas, which can not be converted into electrical energy with the aid of the generator, can be supplied to the heat accumulator, ie it does not escape unused but can be stored for later use. As a second possibility of heat supply is the electric heating element, which can be operated with electrical energy from the at least one other energy converter. As a result, excess electrical energy can be converted into heat by one or more of the further energy converters and supplied to the biogas plant. As a rule, the biogas plant must be constantly heated to maintain methane production, depending on the process engineering design to between 20 ° and 50 ° C substrate temperature. The solution found is particularly advantageous if the other energy converters generate more electrical energy than the consumers connected to the supply network need. If the electrical energy can not otherwise be stored, for example in an electrical energy store, the other energy converters would have to be switched off if necessary. However, this is unfavorable because it puts the hybrid system in an unfavorable working position for the overall operation and requires a relatively complex operation. Furthermore, in the case of a wind turbine, for example, the load on the components of the wind turbine can increase compared to a steady operation. As an alternative to a shutdown, it is known to convert the excess electrical energy into heat and supply it to the ground. For this purpose, however, a complex device is required and the excess energy is lost for later use. The hybrid system is equipped with an additional, controllable consumer, which can even out fluctuating demand for electrical energy in the supply network with the at least one, if necessary switchable over a long period of time heating element.
Grundsätzlich kann das mindestens eine Heizelement zur Deckung des Wärmebedarfs der Biogasanlage auf beliebige Weise beitragen. In einer Ausgestaltung ist mindestens eines der elektrischen Heizelemente in dem Wärmespeicher angeordnet. Der Wärmespeicher ist ein Teil der Biogasanlage. Da in diesem Fall zur Speicherung der Abwärme aus dem Verbrennungsprozeß und der von dem elektrischen Heizelement bereitgestellten Wärme ein gemeinsamer Wärmespeicher verwendet wird, kann ein interner oder externer Wärmeverbraucher auf einfache Weise aus dem Wärmespeicher versorgt werden und so von beiden Wärmequellen profitieren.Basically the at least one heating element to meet the heat demand contribute to the biogas plant in any way. In one embodiment is at least one of the electrical heating elements in the heat accumulator arranged. The heat storage is part of the biogas plant. Because in this case for storage the waste heat from the combustion process and the heat provided by the electric heating element common heat storage can be used, an internal or external heat consumer in a simple way from the heat storage be supplied and thus benefit from both heat sources.
In einer weiteren Ausgestaltung ist mindestens eines der elektrischen Heizelemente in einem Fermenter der Biogasanlage, einem Heizkreislauf zur Beheizung eines Fermenters der Biogasanlage oder in einem Wärmetauscher zur Beheizung eines Fermenters der Biogasanlage angeordnet. In diesem Fall dient das elektrische Heizelement also ohne zwischengeschalteten Wärmespeicher direkt zur Bezeizung des Fermenters. Insbesondere bei der Anordnung eines Heizelements in dem Fermenter können Maßnahmen erforderlich sein, die eine lokale Überhitzung des Substrats verhindern, beispielsweise eine großflächige Ausführung der Heizelemente.In a further embodiment is at least one of the electrical Heating elements in a fermenter of the biogas plant, a heating circuit for Heating a fermenter of the biogas plant or in a heat exchanger arranged for heating a fermenter biogas plant. In this case So the electrical heating element is used without intermediate heat storage directly to the fermenter. In particular, in the arrangement a heating element in the fermenter may require action the one local overheating prevent the substrate, for example, a large-scale execution of Heating elements.
In einer weiteren Ausgestaltung ist mindestens eines der elektrischen Heizelemente in einem Vorlagebehälter der Biogasanlage angeordnet. Ein Vorlagebehälter dient zur Erwärmung von Frischsubstrat, das anschließend dem Fermenter zugeführt wird.In a further embodiment is at least one of the electrical Heating elements in a storage tank the biogas plant arranged. A storage tank is used to heat Fresh substrate, then the fermenter is supplied.
Der Antrieb des Generators kann grundsätzlich mit einer beliebigen Verbrennungskraftmaschine erfolgen, beispielsweise mit einem Kolbenmotor. In einer Ausgestaltung der Erfindung ist eine Gasturbine zum Antreiben des Generators vorgesehen. Eine Gasturbine zeichnet sich durch einen höheren Wirkungsgrad als ein herkömmlicher Verbrennungsmotor aus. Dadurch kann aus der gleichen Menge Biogas eine größere Menge elektrischer Energie gewonnen werden. Entsprechend reduziert sich die Wärmemenge, die bei der Verbrennung einer bestimmten Menge Biogas freigesetzt wird.Of the Drive of the generator can basically with any Internal combustion engine done, for example, with a piston engine. In one embodiment of the invention is a gas turbine for driving provided the generator. A gas turbine is characterized by a higher Efficiency as a conventional Internal combustion engine off. This can make biogas from the same amount a larger amount electrical energy can be obtained. Accordingly reduced the amount of heat which released when burning a certain amount of biogas becomes.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist Wärme dem Wärmespeicher zum Aufheizen eines Fermenters der Biogasanlage entnehmbar. Dadurch kann die Biogasanlage auf eine für die Biogasproduktion günstige Temperatur gebracht werden. Bevorzugt wird die im Verbrennungsprozeß freigesetzte Wärme dem Abgas mit einem Wärmetauscher entnommen und dem Fermenter der Biogasanlage über einen weiteren Wärmetauscher zugeführt. In Kombination mit einem in dem Wärmetauscher für die Wärmezufuhr zum Fermenter angeordneten Heizelement entsteht so ein „hybrider Wärmetauscher", der sowohl elektrisch als auch mit Wärme aus dem Wärmespeicher versorgt werden kann.According to one Another embodiment of the invention, heat is the heat storage for heating a Removable fermenter biogas plant. This allows the biogas plant on one for cheap biogas production Temperature be brought. Preferably, the liberated in the combustion process Heat the Exhaust gas with a heat exchanger taken and the fermenter biogas plant via another heat exchanger fed. In Combination with one in the heat exchanger for the heat to the fermenter arranged heating element is created as a "hybrid Heat exchanger ", both electrical as well as with heat from the heat storage can be supplied.
In einer Ausgestaltung der Erfindung weist die Biogasanlage einen Gastank zur Speicherung von Biogas auf. Dadurch kann ein ausreichender Vorrat an Biogas vorgehalten werden, um die Biogasanlage auch bei mangelnder Biogasproduktion, etwa in Folge von Wartungsarbeiten oder einer Rohstoffknappheit, für einen gewissen Zeitraum betreiben zu können. Weiterhin kann die Biogasproduktion durch die Pufferwirkung des Gastanks auch bei schwankender Leistung der Gasturbine auf einem gleichmäßigen, günstigen Niveau fortgeführt werden.In In one embodiment of the invention, the biogas plant has a gas tank for storing biogas. This can provide a sufficient supply be kept on biogas to the biogas plant even if lacking Biogas production, perhaps as a result of maintenance or a Resource shortages, for to be able to operate for a certain period of time. Furthermore, the biogas production due to the buffer effect of the gas tank even with fluctuating performance the gas turbine on a steady, cheap Level continued become.
In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Gasturbine eine
Mikrogasturbine mit einer elektrischen Leistung von 100 kW oder
weniger. Mikrogasturbinen sind speziell für den genannten, relativ niedrigen
Leistungsbereich optimiert und weisen einen hohen Wirkungsgrad auf.
Es kann daher eine Hybridanlage mit hohem Wirkungsgrad in einem
für viele
Anwendungen ausreichenden, relativ niedrigen Leistungsbereich angeboten
werden. Ein weiterer Vorteil ist, daß derartige Mikrogasturbinen
mit nicht aufbereitetem, insbesondere nicht entschwefeltem Biogas
betrieben werden können.
Ein Beispiel für eine
Mikrogasturbine ist aus
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung beträgt die elektrische Gesamtleistung des mindestens einen weiteren Energiewandlers maximal 50% der elektrischen Leistung des Generators. Die elektrische Gesamtleistung bezieht sich auf die elektrische Leistung aller angeschlossenen weiteren Energiewandler. Dadurch kann die insgesamt von der Hybridanlage bereitgestellte elektrische Leistung auch bei stark schwankender Leistung des mindestens einen weiteren Energiewandlers konstant gehalten werden. Insbesondere kann die Gasturbine in einem Arbeitspunkt betrieben werden, der ein schnelles Ausregeln von Leistungsschwankungen des mindestens einen weiteren Energiewandlers ermöglicht. Gleichzeitig kann die Gasturbine in einem hinsichtlich des Wirkungsgrads günstigen Leistungsbereich betrieben werden.In Another embodiment of the invention is the total electrical power of at least one other energy converter maximum 50% of electrical Power of the generator. The total electrical power relates on the electrical power of all connected others Energy converters. This allows the total of the hybrid system Provided electric power even in strongly fluctuating Power of the at least one other energy converter constant being held. In particular, the gas turbine at an operating point be operated, which is a quick balancing of power fluctuations the at least one other energy converter allows. simultaneously can the gas turbine in a favorable in terms of efficiency Power range to be operated.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist einer der mindestens einen weiteren Energiewandler eine Windenergieanlage. Ebenfalls bevorzugt ist die Verwendung einer Photovoltaikanlage. Beide Varianten sind bewährte, robuste Energiewandler, die unmittelbar elektrische Energie bereitstellen können.According to one Embodiment of the invention is one of at least one other Energy converter a wind turbine. Also preferred is the Use of a photovoltaic system. Both variants are proven, robust Energy converters that provide immediate electrical energy can.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind mehrere weitere Energiewandler vorgesehen, die unterschiedliche regenerative Energiequellen nutzen. Durch die Kombination unterschiedlicher regenerativer Energiequellen für die Bereitstellung elektrischer Energie mit einer Biogasanlage können Leistungsschwankungen der einzelnen Energiequellen teilweise kompensiert werden. Außerdem wird das verfügbare Energieangebot, beispielsweise in Form von Sonnen- und Windenergie, besser ausgenutzt. Die Kombination unterschiedlicher Energiequellen bietet auch eine erhöhte Betriebssicherheit im Falle technisch bedingter Ausfälle einzelner Energiewandler.In Another embodiment of the invention are several others Energy converters provided the different renewable energy sources use. By combining different regenerative energy sources for the Provision of electrical energy with a biogas plant can cause power fluctuations the individual energy sources are partially compensated. Besides, that will available Energy supply, for example in the form of solar and wind energy, better exploited. The combination of different energy sources also offers an increased Operational safety in the case of technical failures of individual Energy converters.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung sind die weiteren Energiewandler an einen gemeinsamen Gleichspannungskreis oder an einen gemeinsamen Wechselspannungskreis angeschlossen. Werden nur Energiewandler kombiniert, die naturgemäß eine Gleichspannung liefern, dann werden diese an einen gemeinsamen Gleichspannungskreis angeschlossen. Werden nur Energiewandler kombiniert, die naturgemäß eine Wechselspannung liefern, dann werden diese an einen gemeinsamen Wechselspannungskreis angeschlossen. Werden Energiewandler, die eine Gleichspannung liefern, mit Energiewandlern, die eine Wechselspannung liefern, kombiniert, kann die gelieferte Wechselspannung mit einem geeigneten Netzanschlußgerät in Gleichspannung umgewandelt werden. Alternativ können die Energiewandler, die eine Gleichspannung liefern, mit einem Wechselrichter kombiniert werden, der die Gleichspannung in eine Wechselspannung umwandelt. Netzanschlußgeräte bestehen im wesentlichen aus einem Gleichrichter und einem Siebglied und liefern bei Speisung mit Wechselstrom einen Gleichstrom mit einer nur geringen Restwelligkeit. Derartige Netzanschlußgeräte sind aus Geräten und Anlagen bekannt, die durch Netzwechselstrom gespeist werden. Sie können für unterschiedliche Spannungs- und Stromstärkebereiche gebaut werden. Ein Vorteil der Anwendung von Netzanschlußgeräten liegt in deren Robustheit gegenüber Lastschwankungen und Schwankungen der Eingangsspannung von beispielsweise bis zu +/– 10%. Bei einem Anschluß der weiteren Energiewandler an einen gemeinsamen Gleichspannungskreis werden alle Energiewandler, die naturgemäß eine Gleichspannung liefern, mit einem geeigneten Schutz gegen unerwünschte Rückwirkungen aus dem Gleichspannungskreis ausgestattet.According to one Embodiment of the invention are the other energy converter a common DC circuit or to a common DC circuit AC voltage circuit connected. If only energy converters are combined, the nature of a DC voltage supply, then they are connected to a common DC circuit connected. If only energy converters are combined, they naturally have an alternating voltage supply, then these are connected to a common AC circuit connected. Are energy converters delivering a DC voltage, with energy converters that supply an alternating voltage combined, can supply the supplied AC voltage with a suitable power supply unit in DC voltage being transformed. Alternatively you can the energy converters that supply a DC voltage with an inverter be combined, which converts the DC voltage into an AC voltage transforms. Mains connection devices exist essentially of a rectifier and a sieve member and supply a direct current with a supply of alternating current only slight residual ripple. Such power supply units are from devices and plants that are powered by AC mains. You can for different Voltage and current ranges be built. An advantage of using power supply units is in their robustness opposite Load fluctuations and variations in the input voltage of, for example up to +/- 10%. In a connection of the other Energy converter to a common DC voltage circuit all energy converters that naturally supply a DC voltage, with suitable protection against unwanted effects from the DC circuit fitted.
In einer Ausgestaltung der Erfindung ist der gemeinsame Gleichspannungskreis bzw. der gemeinsame Wechselspannungskreis an einen Energiespeicher angeschlossen. Der Energiespeicher kann elektrische Energie entweder direkt oder durch Energieumwandlung aus einem thermischen, chemischen oder mechanischen Energiespeicher bereitstellen. Die direkte Bereitstellung von elektrischer Energie kann beispielsweise über eine Kondensatorbatterie erfolgen, während die Bereitstellung von elektrischer Energie durch Energieumwandlung aus thermischer Energie beispielsweise aus einem Wärmespeicher erfolgen kann. Die Bereitstellung von elektrischer Energie aus chemischer Energie kann über einen Akkumulator, eine Batterie, eine galvanische Zelle oder eine Redox-Flow-Zelle erfolgen. Die Bereitstellung von elektrischer Energie aus mechanischer Energie kann entweder aus kinetischer Energie über ein Schwungrad oder aus potentieller Energie über eine Feder, einen Pumpspeicher, einen Druckluftspeicher, einen Gasspeicher oder ein Gewicht erfolgen. Die gespeicherte Energie kann zum Ausgleichen von Leistungsschwankungen der weiteren Energiewandler im Gleichspannungs- oder Wechselspannungskreis genutzt werden und somit den von den weiteren Energiewandlern unmittelbar bereitgestellten elektrischen Energiefluß verstetigen. Weiterhin kann die gespeicherte Energie genutzt werden, um die Hybridanlage nach einer Betriebspause unabhängig von einer externen Versorgungsspannung wieder anzufahren. Hierzu kann es beispielsweise erforderlich sein, Hilfsantriebe der Biogasanlage, der Gasturbine oder der weiteren Energiewandler wieder in Gang zu setzen oder in eine bestimmte Arbeitsposition zu verfahren oder nachzuführen. Außerdem kann über den Energiespeicher die Spannungsversorgung für die gesamte Überwachung, Steuerung und Regelung der Hybridanlage während einer Betriebspause sichergestellt werden. Mit der auch über einen längeren Zeitraum bedarfsweise zuschaltbaren elektrischen Energie aus dem Energiespeicher wird die Hybridanlage mit einer zusätzlichen, regelbaren Energiequelle ausgestattet.In one embodiment of the invention, the common DC voltage circuit or the common AC voltage circuit is connected to an energy store. The energy storage can provide electrical energy either directly or by energy conversion from a thermal, chemical or mechanical energy storage. The direct provision of electrical energy can be done for example via a capacitor bank, while the provision of electrical energy by energy conversion from thermal energy can be done for example from a heat storage. The provision of electrical energy from chemical energy can via a rechargeable battery, a battery, a galvanic cell or a redox flow cell. The provision of electrical energy from mechanical energy can be either from kinetic energy via a flywheel or from potential energy via a spring, a pumped storage, a compressed air reservoir, a gas storage or a weight. The stored energy can be used to compensate for power fluctuations of the other energy converters in the DC or AC voltage circuit and thus stabilize the electrical energy flow directly provided by the other energy converters. Furthermore, the stored energy can be used to restart the hybrid system after a break in operation independently of an external supply voltage. For this purpose, it may be necessary, for example, to restart auxiliary drives of the biogas plant, of the gas turbine or of the further energy converter or to move or track it in a specific working position. In addition, the power supply for the entire monitoring, control and regulation of the hybrid system during a break in operation can be ensured via the energy storage. The hybrid system is equipped with an additional, controllable energy source with the electrical energy from the energy store, which can be switched on as required over a relatively long period of time.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wandelt ein Wechselrichter elektrische Energie aus dem gemeinsamen Gleichspannungskreis in Wechselspannung um und speist diese in das Versorgungsnetz ein. Durch den Wechsel richter kann die in das Versorgungsnetz eingespeiste Leistung gesteuert werden. Weiterhin kann die von unterschiedlichen Energiewandlern bereitgestellte elektrische Energie an die Verhältnisse des jeweiligen Versorgungsnetzes angepaßt werden.In A further embodiment of the invention converts an inverter electrical energy from the common DC voltage circuit in AC voltage um and feeds them into the supply network. By the change judge can control the power fed into the utility grid become. Furthermore, that of different energy converters provided electrical energy to the conditions of the respective supply network customized become.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die elektrische Energie aus dem gemeinsamen Wechselspannungskreis über einen Transformator in das Versorgungsnetz eingespeist. Gegebenenfalls kann auch die einem gemeinsamen Gleichspannungskreis entnommene Energie nach Umwandlung in Wechselspannung mit Hilfe eines Wechselrichters mit einem Transformator zur Einspeisung in das Versorgungsnetz kombiniert werden.In In another embodiment of the invention, the electrical Energy from the common AC circuit via a Transformer fed into the supply network. Possibly can also be taken from a common DC circuit Energy after conversion to AC voltage with the help of an inverter combined with a transformer for feeding into the supply network become.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der Wärmetauscher über einen ersten Wärmemittelkreislauf mit dem Wärmespeicher verbunden. Die Wärme kann dem Wärmespeicher je nach Bedarf des Biogasproduktionsprozesses dann entnommen werden, wenn sie benötigt wird.According to one Another embodiment of the invention, the heat exchanger via a first heat circulation with the heat storage connected. The heat can the heat storage then be taken as needed by the biogas production process, if she needs becomes.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Wärme des Wärmespeichers über einen zweiten Wärmemittelkreislauf entnehmbar. Dadurch kann auch diejenige Wärmeenergie, die nicht für den Betrieb der Biogasanlage verwertbar ist, sinnvoll genutzt werden. Insbesondere kann ein Gebäude wie ein Wohnhaus oder ein Stall mit Wärme versorgt werden. Dadurch werden die eingesetzten Energieressourcen noch effizienter ausgenutzt. Die entnommene Wärme kann auch mit Hilfe einer geeigneten Kälteanlage, beispielsweise einer Adsorptionskältemaschine oder einer Wärmepumpe, für die Kühlung von Gebäuden beispielsweise in den Sommermonaten genutzt werden. Ebenfalls möglich ist es, die überschüssige Wärme nicht dem Wärmespeicher sondern mit Hilfe eines weiteren Wärmetauschers direkt dem ersten Wärmemittelkreislauf zu entnehmen.In a further embodiment of the invention is the heat of Heat storage over a second Heat medium circuit removable. This can also heat energy, not for the operation the biogas plant is recoverable, be used meaningfully. Especially can a building how a house or a stable is supplied with heat. Thereby the energy resources used are exploited even more efficiently. The extracted heat can also with the help of a suitable refrigeration system, such as a adsorption or a heat pump, for the cooling of buildings be used for example in the summer months. Also possible it does not, the excess heat the heat storage but with the help of another heat exchanger directly to the first Heat medium circuit refer to.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist die Biogasanlage einen Fermenter auf, der mit einem Heizkreislauf versehen ist, der über eine Ventilanordnung mit dem ersten Wärmemittelkreislauf verbindbar ist. Über den Heizkreislauf kann der Fermenter mit der in dem Wärmespeicher gespeicherten Wärme versorgt werden.According to one Another embodiment of the invention, the biogas plant a Fermenter, which is provided with a heating circuit, which has a Valve arrangement with the first heat medium circuit is connectable. about the heating circuit, the fermenter with the in the heat storage stored heat be supplied.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist eine Steuerung vorgesehen, die die den Antrieb des Generators in Abhängigkeit eines extern oder intern vorgegebenen Sollwerts für die elektrische Leistung der Hybridanlage und/oder in Abhängigkeit eines weiteren extern oder intern vorgegebenen Sollwerts für die thermische Leistung der Hybridanlage steuert. Die beiden Sollwerte können auf Grundlage der nachgefragten elektrischen und/oder thermischen Leistung festgelegt werden. Durch die Steuerung des Antriebs des Generators kann die Hybridanlage beispielsweise eine konstante elektrische Leistung bereitstellen, wobei Leistungsschwankungen der weiteren Energiewandler durch die Steuerung des Generatorantriebs kompensiert werden. Gegebenenfalls kann die Steuerung des Generatorantriebs nur dann eingreifen, wenn die Leistungsschwankungen der weiteren Energiewandler nicht oder nicht vollständig mit Hilfe des Energiespeichers oder durch Zuschaltung des Heizelements kompensiert werden. Ebenfalls möglich ist, einen Sollwert für die thermische Leistung der Hybridanlage vorzugeben und somit stets eine bestimmte Wärmemenge zur Verfügung zu stellen. Das Vorgeben eines Sollwerts für die elektrische oder die thermische Leistung ist im Bereich der Blockheizkraftwerke bekannt, die entsprechend als wärmegeführte oder stromgeführte Blockheizkraftwerke bezeichnet werden. Bei diesen bekannten Anlagen können jedoch nicht unabhängig voneinander Sollwerte für die elektrische und die thermische Leistung vorgegeben werden. Erfindungsgemäß ist dies möglich, weil die Bereitstellung der elektrischen Energie innerhalb gewisser Grenzen von der Bereitstellung von Wärme entkoppelt ist. Es ergeben sich damit neue Möglichkeiten für eine bedarfsgerechte Steuerung der Hybridanlage.In In another embodiment of the invention, a controller is provided, which the the drive of the generator in dependence of an externally or internally specified setpoint for the electrical power of the hybrid system and / or depending another externally or internally specified setpoint for the thermal Performance of the hybrid system controls. The two setpoints can be based on the requested electrical and / or thermal power set become. By controlling the drive of the generator, the Hybrid plant, for example, a constant electric power provide power fluctuations of the other energy converters be compensated by the control of the generator drive. Possibly the control of the generator drive can intervene only if the power fluctuations of the other energy converters are not or not completely with the help of energy storage or by switching on the heating element be compensated. Also possible is a setpoint for the specify thermal performance of the hybrid system and thus always a certain amount of heat to disposal to deliver. Specifying a setpoint for the electrical or the thermal power is known in the field of combined heat and power plants, the corresponding as heat-guided or current-controlled combined heat and power plants be designated. However, these known systems can not independent of each other Setpoints for the electrical and the thermal power are given. This is according to the invention possible, because the provision of electrical energy within certain Limits of the provision of heat is decoupled. It revealed This opens up new possibilities for one needs-based control of the hybrid system.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung erfaßt die Steuerung die elektrische Leistung des Generators und/oder die elektrische Leistung jedes der mindestens einen weiteren Energiewandler und/oder die dem Wärmespeicher entnommene thermische Leistung. Gegebenenfalls kann zusätzlich die in das Versorgungsnetz eingespeiste elektrische Leistung erfaßt werden. Die Erfassung der genannten Daten bildet die Grundlage für die Steuerung des Antriebs des Generators. Ebenfalls möglich ist eine Erfassung der von einem Wechselrichter oder einem Transformator in das elektrische Versorgungsnetz eingespeisten elektrischen Leistung und/oder der von dem Energiespeicher aufgenommenen oder abgegebenen elektrischen Leistung und/oder der von dem Heizelement bzw. den Heizelementen aufgenommenen elektrischen Leistung. Insbesondere kann die von einem elektrischen Heizelement aufgenommene elektrische Leistung auch in Abhängigkeit von der nachgefragten elektrischen Leistung im Versorgungsnetz und der von den weiteren Energiewandlern bereitgestellten elektrischen Energie geregelt werden.In In another embodiment of the invention, the controller detects the electrical Power of the generator and / or the electrical power of each the at least one further energy converter and / or the heat storage extracted thermal power. Optionally, in addition to the in the supply network fed electrical power to be detected. The collection of the mentioned data forms the basis for the control the drive of the generator. Also possible is a recording of from an inverter or a transformer into the electrical Supply network fed electrical power and / or of the electrical energy absorbed or discharged electrical Power and / or of the heating element or the heating elements absorbed electrical power. In particular, that of a electric heating element also absorbed electric power in dependence of the requested electrical power in the supply network and the from the other energy converters provided electrical energy be managed.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung steuert die Steuerung die elektrische Leistung eines der mindestens einen weiteren Energiewandler. Dadurch kann zusätzlich zu der Steuerung des Antriebs des Generators die von dem weiteren Energiewandler bereitgestellte elektrische Leistung gezielt beeinflußt werden. Dies ist beispielsweise bei entsprechend steuerbaren Windenergieanlagen möglich, deren Leistung z.B. im Interesse einer geringen Geräuschemission abgesenkt werden kann. Je nach Standort der Windenergieanlage kann dies insbesondere während der Nachtruhe vorteilhaft sein. Eine andere Motivation zur Leistungsabsenkung kann sich aus einer geringen Nachfrage nach elektrischer Energie ergeben. Ebenfalls vorgesehen ist, daß die Steuerung die Leistung der Heizelemente oder eines Heizelements steuert. Dadurch kann gezielt eine bestimmte elektrische Leistung in Wärme umgesetzt werden.According to one In another embodiment, the controller controls the electrical power one of the at least one further energy converter. This can additionally to the control of the drive of the generator that of the other Energy converter provided electrical power can be influenced. This is for example in accordance with controllable wind turbines possible, whose power is e.g. in the interest of low noise emission can be lowered. Depending on the location of the wind turbine can this particular during the night's sleep be beneficial. Another motivation for lowering performance may be due to low demand for electrical energy result. It is also envisaged that the controller will power the heating elements or a heating element controls. This can be targeted a certain electrical power is converted into heat.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind der mindestens eine weitere Energiewandler und/oder die Biogasanlage modular erweiterbar. Die Erweiterung kann beispielsweise in der Ergänzung weiterer Solarmodule, einer weiteren Windenergieanlage oder auch einer zusätzlichen Gasturbine für die Biogasanlage bestehen. Dadurch kann die Hybridanlage flexibel an eine sich verändernde Nachfrage nach elektrischer und/oder thermischer Leistung angepaßt werden. Bevorzugt ist die Hybridanlage bereits für die Ergänzung weiterer Module vorbereitet, beispielsweise durch entsprechende größere Dimensionierung elektrischer Verbindungen.In a further embodiment of the invention, the at least one Further energy converters and / or the biogas plant modular expandable. The Extension can be used, for example, to supplement other solar modules, another wind turbine or an additional wind turbine Gas turbine for the biogas plant exist. This makes the hybrid system flexible to a changing one Demand for electrical and / or thermal power to be adjusted. Preferably, the hybrid system is already prepared for the addition of additional modules, for example, by appropriate larger sizing electrical Links.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist eine Gasaufbereitungsanlage vorgesehen und aufbereitetes Biogas wird in ein Gasversorgungsnetz eingespeist. Die Gasaufbereitungsanlage kann beispielsweise eine Entschwefelung und Trocknung des erzeugten Biogases durchführen. Das Gasversorgungsnetz kann ein Rohrleitungsnetz sein, an das eine Vielzahl von Gasverbrauchern angeschlossen ist. Ebenfalls möglich ist jedoch, daß das Biogas zunächst in einem Gastank zwischengespeichert und per LKW oder Schiff an einen anderen Ort verbracht wird, an dem das aufbereitete Biogas in ein Rohrleitungsnetz eingespeist wird. Auf diese Weise wird das erzeugte und aufbereitete Biogas ebenfalls einer Vielzahl von Verbrauchern zugänglich gemacht. Dadurch kann auch eine größere Menge an Biogas sinnvoll genutzt werden, als lokal benötigt wird. Gerade bei größeren landwirtschaftlichen Betrieben stehen häufig zu große Mengen an Bio masse zur Verfügung, so daß das daraus erzeugbare Biogas nicht vollständig für den landwirtschaftlichen Betrieb verwertet werden kann.In Another embodiment of the invention is a gas treatment plant Provided and treated biogas will be in a gas supply network fed. The gas treatment plant, for example, a Desulfurization and drying of the biogas produced. The Gas supply network may be a pipeline network to which a variety connected by gas consumers. Also possible however, that that Biogas first cached in a gas tank and by truck or boat another place is spent on the processed biogas is fed into a pipeline network. In this way, the generated and processed biogas also a variety of consumers accessible made. This also makes a larger amount of biogas useful be used as needed locally becomes. Especially with larger agricultural Companies are often too big Quantities of biomass available, so that biogas that can not be produced from it completely for the agricultural Operation can be recycled.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung wird nur ein Teil des erzeugten Biogases als Brennstoff für den Antrieb des Generators eingesetzt, wobei der Teil so bemessen ist, daß die von der Hybridanlage bereitgestellte elektrische und/oder thermische Energie für den autonomen Betrieb der Biogas- und Gasaufbereitungsanlage ausreicht. In dieser Ausgestaltung dient die erfindungsgemäße Hybridanlage somit vornehmlich der Erzeugung und Aufbereitung von Biogas zur Einspeisung in ein Gasversorgungsnetz. Je nach Anteil der von den weiteren Energiewandlern bereitgestellten elektrischen Energie wird nur eine geringe Menge des erzeugten Biogases als Brennstoff eingesetzt.According to one Embodiment of the invention is only a part of the biogas produced as fuel for used the drive of the generator, the part being so dimensioned is that the provided by the hybrid electric and / or thermal Energy for the autonomous operation of the biogas and gas treatment plant is sufficient. In this embodiment, the hybrid system according to the invention thus serves primarily the production and treatment of biogas for feeding into a Gas supply network. Depending on the proportion of the other energy converters provided electrical energy is only a small amount used the generated biogas as fuel.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung stellt die Biogasanlage wesentlich mehr Biogas bereit als zur autonomen Energieversorgung, Biogas- und Gasaufbereitungsanlage erforderlich ist. Um die Menge des erzeugten Biogases zu steigern, kann entweder der Fermenter wesentlich größer dimensioniert werden, als zum Betrieb des Antriebs des Generators erforderlich. Ebenfalls möglich ist die Verwendung zusätzlicher Fermenter, deren Biogas ausschließlich der Gasaufbereitungsanlage zugeführt wird. Weiterhin kann die Menge des erzeugten Biogases auch dadurch maßgeblich gesteigert werden, daß der Biomasse ein energiereiches Co-Substrat, beispielsweise in Form energiereicher Pflanzen wie Mais, zugesetzt wird.According to one Another embodiment of the invention, the biogas plant essential more biogas ready than for the autonomous energy supply, biogas and gas treatment plant is required. To the amount of generated To increase biogas, either the fermenter can be dimensioned much larger be required to operate the drive of the generator. Also possible is the use of additional Fermenter whose biogas is exclusive to the gas treatment plant supplied becomes. Furthermore, the amount of biogas produced can also be characterized decisively be increased that the Biomass, a high-energy co-substrate, for example in shape high-energy plants such as corn, is added.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird dem Gasversorgungsnetz an beliebiger anderer Stelle Gas in Brennstoff- bzw. Wärmeäquivalent zum eingespeisten Biogas entnommen und dort einer Gasturbine, einem Verbrennungsmotor oder einer Gasentnahmestation zugeführt. Dadurch kann die in dem eingespeisten Biogas enthaltene Energie durch Entnahme einer energieäquivalenten Gasmenge aus dem Versorgungsnetz an einem beliebigen anderen Ort verwertet werden.In a further embodiment of the invention, the gas supply network is taken at any other point gas in fuel or heat equivalent to the injected biogas and fed there a gas turbine, an internal combustion engine or a gas extraction station. As a result, the energy contained in the injected biogas by removing an energy-equivalent amount of gas from the supply network at any be recycled elsewhere.
In
einer weiteren Ausgestaltung ist mindestens ein weiteres elektrisches
Heizelement vorgesehen, das mit elektrischer Energie des mindestens
einen weiteren Energiewandlers
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:The The invention will be described below with reference to exemplary embodiments illustrated in FIGS explained in more detail. It demonstrate:
Das
Biogas gelangt aus dem Gastank
Die
von dem Generator
Über eine
Ventilanordnung
Als
weitere Energiewandler verfügt
die Hybridanlage der
Die
das Biogas führende
Leitung vom Fermenter
Durch das Abfackeln des Biogases, das im wesentlichen aus Methan besteht, wird die Umweltverträglichkeit gegenüber einem Freisetzen des Methans in die Atmosphäre deutlich verbessert.By the flaring off of biogas, which consists essentially of methane, will the environmental impact across from a release of methane into the atmosphere significantly improved.
Die
in dem Wärmespeicher
Alternativ
kann benötigte
Wärmeenergie auch über einen
weiteren Wärmetauscher
Die
Leitung
In
dem Blockdiagramm der
Die
Steuerung
Eine
weitere Variante der Steuerung soll anhand der
In
der
Die
beiden weiteren elektrischen Heizelemente
Im
inneren Behälter
Ein
weiteres Paar zusätzlicher
Heizelemente
Claims (28)
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