DE202012104774U1 - Device and biomass power plant - Google Patents
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Abstract
Vorrichtung (50) mit einem Lastwiderstand (52) zur verlustarmen Leistungsregelung eines Biomassekraftwerks (10), wobei der Lastwiderstand (52) zur Variation einer in ein Versorgungsnetz (32) einzuspeisenden elektrischen Leistung (34) eines Stromerzeugers (24) des Biomassekraftwerks (10) mittels eines Empfängers, insbesondere mittels eines Rundsteuerempfängers (58), fernsteuerbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (50) mindestens einen Wärmetauscher (54) aufweist.Device (50) having a load resistor (52) for low-loss power control of a biomass power plant (10), wherein the load resistor (52) for varying an electrical power (34) of a power generator (24) of the biomass power plant (10) to be fed into a supply network (32). by means of a receiver, in particular by means of a ripple control receiver (58), remotely controllable, characterized in that the device (50) has at least one heat exchanger (54).
Description
Die Erfindung betrifft zunächst eine Vorrichtung mit einem Lastwiderstand zur verlustarmen Leistungsregelung eines Biomassekraftwerks, wobei der Lastwiderstand zur Variation einer in ein Versorgungsnetz einzuspeisenden elektrischen Leistung eines Stromerzeugers des Biomassekraftwerks mittels eines Empfängers, insbesondere mittels eines Rundsteuerempfängers, fernsteuerbar ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Biomassekraftwerk.The invention initially relates to a device with a load resistor for low-loss power control of a biomass power plant, wherein the load resistance for varying a fed into a supply network electrical power of a power generator of the biomass power plant by means of a receiver, in particular by means of a ripple control receiver, remotely controllable. Furthermore, the invention relates to a biomass power plant.
Zur regenerativen Stromerzeugung kommen neben Wasserkraft-, Windkraft- und Photovoltaikanlagen in zunehmendem Umfang auch Biomassekraftwerke zum Einsatz. Bei diesem Kraftwerkstyp wird in einem Bioreaktor Biomasse durch komplexe biologisch-chemische Prozesse unter Freisetzung von Biogas zersetzt. Das freiwerdende Biogas kann zum Beispiel in einem geeigneten Stromerzeuger verstromt und/oder in thermischen Verbrauchsstellen in Wärme umgewandelt werden. Eine aktuelle Herausforderung stellen die im Rahmen der regenerativen Stromerzeugung insbesondere mittels Photovoltaik und Windkraftanlagen naturgemäß auftretenden hohen Leistungsschwankungen dar. Diese unvermeidbaren und teilweise nur schwer vorhersagbaren Leistungsschwankungen werden beispielsweise durch Schwachwindphasen und Zeiten mit geringem Lichteinfall hervorgerufen. In die vorhandenen elektrischen Versorgungsnetze können derartig stark schwankende elektrische Leistungen nicht ohne weiteres eingespeist werden, da dies zu Überlastungen und hiermit einhergehend zu Stromausfällen führen könnte. Demzufolge muss die Leistungsabgabe zumindest eines Teils der regenerativen Stromerzeugungsanlagen geregelt werden, um zu jedem Zeitpunkt ein Gleichgewicht zwischen der in das Versorgungsnetz eingespeisten elektrischen Leistung und der von den angeschlossenen Verbrauchern aus diesem abgeforderten elektrischen Leistung zu gewährleisten.In addition to hydropower, wind power and photovoltaic systems, biomass power plants are increasingly being used for regenerative power generation. In this type of power plant biomass is decomposed in a bioreactor by complex biological-chemical processes with the release of biogas. The liberated biogas can, for example, be converted into electricity in a suitable power generator and / or converted into heat in thermal consumption points. One of the current challenges is the high power fluctuations naturally occurring in the context of regenerative power generation, in particular by means of photovoltaics and wind turbines. These unavoidable and sometimes difficult to predict power fluctuations are caused, for example, by weak-wind periods and times of low incidence of light. In the existing electrical grids such strong fluctuating electrical power can not be fed easily, as this could lead to overloads and concomitant power outages. Consequently, the power output of at least part of the regenerative power plants must be regulated in order to ensure at all times a balance between the electrical power fed into the grid and the electrical power requested by the connected consumers.
Insbesondere im Fall von Biomassekraftwerken kann die zur Verfügung gestellte elektrische Leistung – wenn überhaupt – nur schwer geregelt werden, da die im Bioreaktor ablaufenden komplexen chemisch-biologischen Prozesse eine hohe zeitliche Latenz aufweisen, die eine kurzfristige Anpassung der vom Biogasreaktor abgegebenen Biogasmenge und damit eine Variation der vom Biomassekraftwerkzeug erzeugten elektrischen Leistungen praktisch unmöglich machen. Eine technische Möglichkeit wäre eine Kompression und Zwischenspeicherung des aktuell nicht verstromten Biogases in geeigneten Druckbehältern, was jedoch aufgrund des hohen energetischen und konstruktiven Aufwandes nicht sinnvoll ist.Particularly in the case of biomass power plants, the electric power provided can be regulated only with difficulty, if at all, because the complex chemical-biological processes taking place in the bioreactor have a high temporal latency, which is a short-term adaptation of the amount of biogas released by the biogas reactor and thus a variation make the electrical power generated by the biomass power tool virtually impossible. A technical possibility would be a compression and caching of the currently non-catalysis biogas in suitable pressure vessels, which is not useful due to the high energy and design effort.
Aus der
Der Erfindung liegt nach alledem das Problem zugrunde, eine Vorrichtung zur möglichst energieeffizienten Anpassung der elektrischen Leistung eines Biomassekraftwerks an einen aktuellen Netzzustand eines öffentlichen Versorgungsnetzes anzugeben.The invention is after all the problem of specifying a device for the most energy-efficient adaptation of the electrical power of a biomass power plant to a current network state of a public utility network.
Die Erfindung löst dieses Problem mit einer Vorrichtung der eingangs genannten Art, wobei die Vorrichtung mindestens einen Wärmetauscher aufweist. Dadurch, dass die Vorrichtung mindestens einen Wärmetauscher aufweist, kann erforderlichenfalls zumindest ein Teil der vom Stromerzeuger abgegebenen elektrischen Leistung mittels des ohmschen Lastwiderstands in Wärme verwandelt werden, die über den Wärmetauscher jedoch wieder für das Biomassekraftwerk nutzbar, insbesondere zum Beheizen des Biogasreaktors eingesetzt werden kann. Infolge dieser aktiven Beheizung des Biogasreaktors erhöht sich die biologische Aktivität, was zu einer Steigerung der Gasausbeute führt. Der Lastwiderstand kann in Abhängigkeit von der elektrischen Leistung des Stromerzeugers und einer gegebenenfalls aus einem Versorgungsnetz zur Netzstabilisierung aufzunehmenden elektrischen Leistung eine thermische Verlustleistung von mehreren hundert Kilowatt aufweisen.The invention solves this problem with a device of the type mentioned, wherein the device has at least one heat exchanger. The fact that the device has at least one heat exchanger, if necessary, at least a portion of the electrical power output from the generator can be converted by the ohmic load resistance into heat, which can be used on the heat exchanger but again for the biomass power plant, in particular for heating the biogas reactor. As a result of this active heating of the biogas reactor increases the biological activity, which leads to an increase in the gas yield. The load resistance may have a thermal power loss of several hundred kilowatts, depending on the electrical power of the generator and an electrical power to be absorbed, if necessary, from a grid for grid stabilization.
Vorzugsweise sind mittels des Empfängers Steuersignale eines Netzbetreibers empfangbar, anhand derer eine thermische Verlustleistung des Lastwiderstands einstellbar ist. Hierdurch kann die elektrische Einspeiseleistung des Stromerzeugers entsprechend der Vorgaben eines Netzbetreibers unabhängig von der Biogaserzeugung im Biogasreaktor automatisiert bzw. von außen gesteuert angepasst werden. Bevorzugt ist die Verlustleistung des Lastwiderstands in Stufen einstellbar, so dass eine elektrische Einspeiseleistung verbleibt, die beispielsweise 100%, 70%, 40% (oder 30%) oder 0% einer maximalen elektrischen Leistung des Stromerzeugers entspricht.Preferably, by means of the receiver control signals of a network operator can be received, based on which a thermal power loss of the load resistance is adjustable. In this way, the electrical feed-in power of the power generator can be automated according to the specifications of a network operator regardless of the biogas production in the biogas reactor or adjusted from the outside. Preferably, the power loss of the load resistor is adjustable in stages, so that an electrical feed power remains, which corresponds for example to 100%, 70%, 40% (or 30%) or 0% of a maximum electric power of the power generator.
Vorteilhafterweise ist die Wärmeenergie eines vom Lastwiderstand abgegebenen Warmluftstroms mittels des mindestens einen Wärmetauschers einer thermischen Verbrauchsstelle, insbesondere einem Biogasreaktor des Biomassekraftwerks, zuführbar. Hierdurch gelingt eine zumindest teilweise energetische Rückgewinnung der im Lastwiderstand anfallenden Verlustwärme. Vorzugsweise durchströmt kalte Umgebungsluft den Lastwiderstand und wird hierbei erwärmt. Der Heiß- bzw. Warmluftstrom passiert bevorzugt einen (Luft-Wasser-)Wärmetauscher in dem Wasser zirkuliert und aufgeheizt wird. Der Warmwasserstrom beheizt direkt über eine einfache Rohrleitung oder indirekt über einen z.B. schlangenförmigen Wärmetauscher die Biomasse im Bioreaktor.Advantageously, the heat energy of a hot air flow emitted by the load resistance can be supplied by means of the at least one heat exchanger to a thermal point of consumption, in particular a biogas reactor of the biomass power station. This achieves an at least partially energetic recovery of the heat loss arising in the load resistor. Preferably, cold ambient air flows through the load resistor and is heated in this case. The hot or hot air stream preferably passes through an (air-water) heat exchanger in which water is circulated and heated. The hot water flow is heated directly via a simple pipeline or indirectly via a e.g. snake-shaped heat exchanger, the biomass in the bioreactor.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist mindestens ein Stellorgan, insbesondere mindestens eine Klappe, zur Aufteilung des Warmluftstroms zwischen dem Wärmetauscher und der Umgebung vorgesehen. Hierdurch können zwischen 0% und 100% des vom Lastwiderstand abgegebenen Heiß- bzw. Warmluftstroms über den Wärmetauscher und damit bis zur thermischen Abnahmestelle geführt oder in die Umgebung abgeleitet werden. Bevorzugt gestattet die Klappe eine stufenlose Aufteilung des Warmluftstroms.In an advantageous development, at least one actuator, in particular at least one flap, is provided for dividing the hot air flow between the heat exchanger and the environment. As a result, between 0% and 100% of the hot or warm air flow emitted by the load resistance can be routed via the heat exchanger and thus to the thermal delivery point or discharged into the environment. Preferably, the flap allows a continuous distribution of the hot air flow.
Vorzugsweise ist ein Modem, insbesondere ein GPRS-Modem, zum bidirektionalen Austausch von Kontrollsignalen mit einem virtuellen Kraftwerk vorgesehen, um insbesondere die thermische Verlustleistung des Lastwiderstands einzustellen. Hierdurch können Kontrollsignale eines virtuellen Kraftwerks zur geeigneten Einstellung der thermischen Verlustleistung des Lastwiderstands herangezogen werden. Anstelle eines GPRS-Modems können Funkmodems zum Einsatz kommen, die eine höhere Datenübertragungsrate, wie z.B. UMTS-Modems oder LTE-Modems, ermöglichen. Der Begriff eines virtuellen Kraftwerks definiert im Kontext der vorliegenden Beschreibung ein imaginäres Kraftwerk, das mit einer Vielzahl von untereinander vernetzten, jedoch voneinander unabhängigen, dezentralen Klein- und Kleinstkraftwerken aufgebaut ist. Ein solches virtuelles Kraftwerk kann eine Gesamtleistung bis hin zu mehreren 1.000 Megawatt aufweisen und bis zu 300.000 Kleinstkraftwerke umfassen.Preferably, a modem, in particular a GPRS modem, is provided for the bidirectional exchange of control signals with a virtual power plant in order in particular to set the thermal power loss of the load resistor. As a result, control signals of a virtual power plant can be used for the suitable adjustment of the thermal power loss of the load resistor. Instead of a GPRS modem, radio modems employing a higher data transmission rate, e.g. UMTS modems or LTE modems. The term "virtual power plant" in the context of the present specification defines an imaginary power plant constructed with a plurality of interconnected, but independent, distributed small and micro-power plants. Such a virtual power plant can have a total capacity of up to several 1,000 megawatts and can contain up to 300,000 micro-power plants.
Im Fall einer vorteilhaften Ausgestaltung ist mindestens eine Messstelle zur Erfassung physikalischer Größen vorgesehen. Hierdurch kann eine Vielzahl von unterschiedlichen Messwerten, wie z.B. Temperaturen, Drücke, mechanische Kräfte, Drehzahlen, Luftfeuchtigkeitswerte, Taupunkte, Leitfähigkeiten, elektrische Ströme und Spannungen, aufgenommen und z.B. mittels geeigneter Messaufnehmer einer digitalen Steuer- und/oder Regeleinrichtung zugleitet werden. In der Steuer- und/oder Regeleinrichtung, die bevorzugt mit einer digitalen Rechnereinheit aufgebaut ist, erfolgt die Auswertung und die Weiterverarbeitung der von den Messaufnehmer gelieferten Messwerte.In the case of an advantageous embodiment, at least one measuring point is provided for detecting physical quantities. Thereby, a multiplicity of different measured values, such as e.g. Temperatures, pressures, mechanical forces, rotational speeds, humidity values, dew points, conductivities, electrical currents and voltages, recorded and e.g. be zugleitet by means of suitable sensors of a digital control and / or regulating device. In the control and / or regulating device, which is preferably constructed with a digital computer unit, the evaluation and the further processing of the measured values supplied by the sensor take place.
In vorteilhafter Weise ist mittels mindestens einer Messstelle die vom Stromerzeuger in das angeschlossene Versorgungsnetz aktuell eingespeiste elektrische Leistung und/oder die aus diesem aufgenommene elektrische Leistung ermittelbar. Hierdurch kann die jeweils aktuelle, in das Versorgungsnetz eingespeiste elektrische Leistung oder gegebenenfalls die aus diesem aufgenommene elektrische Leistung gemessen werden und hieraus erforderlichenfalls eine Energiebilanz des Biomassekraftwerks als ein Teil des virtuellen Kraftwerks erstellt werden.Advantageously, by means of at least one measuring point, the electrical power currently fed into the connected supply network by the power generator and / or the electrical power absorbed therefrom can be determined. This makes it possible to measure the current electrical power fed into the supply network or, if appropriate, the electrical power absorbed therefrom, and, if necessary, to produce an energy balance of the biomass power plant as part of the virtual power plant.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist mittels mindestens einer Messstelle insbesondere eine Temperatur ϑ in dem Biogasreaktor des Biomassekraftwerks ermittelbar. Hierdurch kann die Temperaturentwicklung innerhalb des Biogasreaktors erfasst und z.B. die thermische Verlustleistung des Lastwiderstands entsprechend erhöht oder verringert werden, um insbesondere eine zu starke Auskühlung oder eine Überhitzung der Biomasse zu vermeiden.In an advantageous development, in particular a temperature θ in the biogas reactor of the biomass power plant can be determined by means of at least one measuring point. As a result, the temperature evolution within the biogas reactor can be detected and e.g. the thermal power loss of the load resistance can be correspondingly increased or decreased, in particular to avoid overcooling or overheating of the biomass.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist das Stellorgan insbesondere in Abhängigkeit von der Temperatur ϑ in dem Biogasreaktor ansteuerbar. Hierdurch kann die Überhitzung des Biogasreaktors und das Zusammenbrechen der Gaserzeugung verhindert werden, indem beim Überschreiten eines vorgegebenen Temperaturgrenzwertes für die chemisch-biologischen Prozesse im Biogasreaktor die im Lastwiderstand anfallende Verlustwärme zumindest teilweise in die Umgebung abgeführt wird.In an advantageous development, the actuator can be controlled in particular in dependence on the temperature θ in the biogas reactor. As a result, the overheating of the biogas reactor and the collapse of the gas generation can be prevented by the heat loss occurring in the load resistance is at least partially dissipated into the environment when exceeding a predetermined temperature limit for the chemical-biological processes in the biogas reactor.
In vorteilhafter Weise ist in Abhängigkeit der Kontrollsignale des virtuellen Kraftwerks die vom Stromerzeuger eingespeiste elektrische Leistung oder die aus dem Versorgungsnetz aufgenommene elektrische Leistung einstellbar. Hierdurch kann das Biomassekraftwerk im Fall eines Strommangels "positive" elektrische Leistung in das Versorgungsnetz einspeisen und im Fall eines Stromüberangebots jedoch auch "negative" elektrische Leistung aus diesem aufnehmen. Um diesen Zweck zu erreichen, verfügt der Lastwiderstand über eine zulässige thermische Verlustleistung, die ungefähr der maximalen elektrischen Leistung des Stromerzeugers zuzüglich einer aus dem Versorgungsnetz gegebenenfalls maximal abzuführenden, negativen elektrischen Leistung entspricht. Das Vorzeichen der elektrischen Leistung ist hierbei jeweils abhängig von der Richtung des Leistungs- bzw. Energieflusses. Advantageously, depending on the control signals of the virtual power plant, the electric power fed in by the power generator or the electrical power absorbed by the power grid can be adjusted. As a result, the biomass power plant in the case of a power failure "positive" electrical power fed into the grid and in the case of Stromüberangebots but also "negative" electrical power from this record. To achieve this purpose, the load resistor has a permissible thermal power loss, which corresponds approximately to the maximum electrical power of the power generator plus a possibly from the supply network optionally dissipated, negative electric power. The sign of the electrical power is in each case dependent on the direction of the power or energy flow.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung haben die vom Empfänger aufgenommenen Steuersignale des Netzbetreibers Priorität vor den Kontrollsignalen des virtuellen Kraftwerks. Hierdurch sind eine elektrische Überlastung infolge einer Stromeinspeisung bei einem zugleich bestehenden Stromüberschuss im Versorgungsnetz und damit die Gefahr von Stromausfällen weitgehend ausgeschlossen.In an advantageous embodiment, the control signals of the network operator received by the receiver have priority over the control signals of the virtual power plant. As a result, an electrical overload due to a power supply in a coexisting power surplus in the supply network and thus the risk of power outages are largely excluded.
Darüber hinaus wird die eingangs angegebene Aufgabe durch ein Biomassekraftwerk gelöst, bei dem zur verlustarmen elektrischen Leistungsregelung insbesondere die Vorrichtung nach Maßgabe mindestens eines der Ansprüche 1 bis 11 verwendet wird. Hierdurch kann die prinzipbedingt im Zuge der Leistungsanpassung des Biomassekraftwerks an die aktuelle Versorgungsnetzsituation im ohmschen Lastwiderstand entstehende Abwärme zumindest teilweise energetisch zurück gewonnen werden, indem die Abwärme mittels des Wärmetauschers zur Aufheizung der im Biogasreaktor enthaltenen Biomasse herangezogen wird.In addition, the object specified above is achieved by a biomass power plant in which, in particular, the device according to at least one of claims 1 to 11 is used for low-loss electrical power control. As a result, the waste heat arising as a result of power adjustment of the biomass power plant to the current supply network situation in ohmic load resistance can be recovered at least partially energetically by the waste heat is used by the heat exchanger for heating the biomass contained in the biogas reactor.
Weitere vorteilhafte Ausführungen ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus den anhand der Zeichnung näher erläuterten Ausführungsbeispielen. In der Zeichnung zeigen:Further advantageous embodiments will become apparent from the dependent claims and from the closer explained with reference to the drawings embodiments. In the drawing show:
Die vom elektrischen Generator
Mithilfe der Messstelle
Um die Stabilität und damit die Versorgungssicherheit des öffentlichen elektrischen Versorgungsnetzes
Die erfindungsgemäße Vorrichtung
Im Vollastbetrieb des Biomassekraftwerks
Herrscht im elektrischen Versorgungsnetz
Die überschüssige, d.h. die im Versorgungsnetz
Der Wärmetauscher
Durch den Wärmetauscher
Eine (Dreh-)Winkelstellung der Klappe
Für den Fall eines Stromüberangebots im Versorgungsnetz
Im Ergebnis gestattet die Vorrichtung
Die
In der in
Die
Die
Über den Lufteintritt
Alle in der vorgenannten Figurenbeschreibung, in den Ansprüchen und in der Beschreibungseinleitung genannten Merkmale sind sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander einsetzbar. Die Offenbarung der Erfindung ist somit nicht auf die beschriebenen bzw. beanspruchten Merkmalskombinationen beschränkt. Vielmehr sind alle Merkmalskombinationen als offenbart zu betrachten.All mentioned in the above description of the figures, in the claims and in the introduction of the description features can be used individually as well as in any combination with each other. The disclosure of the invention is therefore not limited to the described or claimed feature combinations. Rather, all feature combinations are to be regarded as disclosed.
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