DE2550899A1

DE2550899A1 - Verfahren zur hausheizung mit der abwaerme von verbrennungskraftmaschinen unter gleichzeitiger stromerzeugung

Info

Publication number: DE2550899A1
Application number: DE19752550899
Authority: DE
Inventors: Geb Gramer Dorothea Schmiedel
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1975-11-13
Filing date: 1975-11-13
Publication date: 1977-05-18

Description

Verfahren zur Hausheizung mit der Abwärme von Verbrennungs-
kraftmaschinen unter gleichzeitiger Stromerzeugung.
Stand der Technik der mengenmäßig bedeutendsten Energieumwandlungen ist, nebeneinander, 1. Thermische Erzeugung von Elektrizität mit einem Abwärmeanfall von ca. 65 % des Primarenergie-Einsatzes, der im Wesentlichen vernichtet wird, 2. Erzeugung von mechanischer Energie in Fahrzeugen mit Verbrennungskraftmaschinen mit einem Abwärmeanfall von ca.
60 - 70 %, der nur zeitweise und teilweise zur Fahrzeugheizung ausgenutzt, im Wesentlichen aber ebenfalls vernichtet wird, 3. Erzeugung von Verbrennungswärme zur Gebäudeheizung, im Wesentlichen auf dem Niveau von etwa 60 - 100 Grad um die Wärmatauscherfläche in Grenzen halten zu können angesichts des Verbrauchsniveaus bei 20 - 22 Grad.
Die Bemuhungen zur Verbesserung dieser Situation gehen in vielerlei Richtungen. Eine Hauptrichtung geht dahin, die Abwärme von Kraftwerken zur Gebäudeheizung einzusetzen.
Jedoch sind Fernheiznetze sehr teuer und werden um so teurer, Je größer die Kraftwerke werden, weil das zu heizende Gebiet desto größer wird. Zudem sind diese Netze mindestens im Sommerhalbjahr sehr schlecht genutzt, was außerdem bedeutet, daß die Einrichtungen zur Abwärmevernichtung des Kraftwerk in voller Kapazität trotzdem vorhanden sein müssen.
Eine weitere, in geringerem Maße übliche Heizmethode ist die mit Elektrowärme. Infolge des hohen Preises für die Elektroenergie kommt diese Methode im Wesentlichen nur zur besseren Auslastung der Eraftwerke in Schwachlastzeiten als sogenannte Elektrospeicherheizung infrage und ist daher von vornherein auf einen geringen Anteil am Gesamtwärmebedarf begrenzt.
Ferner ist, zur besseren Ausnutzung der Elektrizität zur Gebäudeheizung, die Verwendung elektrisch angetriebener Wärmepumpen verschiedentlich vorgeschlagen und vereinzelt angewendet worden. Einer breiten Nutzung steht neben der Schwierigkeit, ein geeignetes Wärmereservoir zu finden, vor allem die sehr geringe Primärenergie-Einsparung entgegen, die sich ergibt, wenn man die konventionelle Kesselheizung vergleicht mit dem Verbund aus Wärmekraftwerk ohne Abwärmenutzung und elektrisch betriebener Wärmepumpe.
Des weiteren ist vorgeschlagen worden, (Handelsblatt 28 Nr. 32 vom 13. 8. 1975, Seite 136 bzw. Technische Linie Seitel2), eine Wärmepumpe mittels Ottomotor zu betreiben, dessen Abwärme soweit als möglich zur Hausheizung beiträgt.
Für den restlichen Wärmebedarf kommt die Wärmepumpe auf.
Diese Anordnung ist in der Tat unter allen vorgenannten Methoden die wirtschaftlichste Einsatzweise von Primärenergie.
Jedoch besteht ihr Nachteil darin, daß dabei zwar hochwertige mechanische Energie gewomnen wird, aber mittels einer teuren Einrichtung zu einer Art Abwärme - Niveau unter loo Grad -umgesetzt wird, während gleichzeitig in Großkraftwerken mechanische Energie erzeugt wird, um den Strombedarf zu decken, wobei etwa doppelt soviel Energie als Abwärme anfällt und unter Kostenaufwand vernichtet bzw. abgeführt werden muß.
Im Folgenden wird eine Methode beschrieben, mit der unter Nutzung der bereits vorhandenen Energieverteilungsnetze eine wirtschaftlichere Ausnutzung von Brennstoffen möglich ist, d. h. eine bessere Nutzung der Primärenergie.
Statt Elektrizität nach Maßgabe des Bedarfs nur in großen Einheiten zu erzeugen und einen Absatz für die Abwärme zu suchen, soll gemäß der Erfindung Wärme in kleinen Einheiten nach Maßgabe des Heizbedarfs des betreffenden Hauses erzeugt werden unter Verwendung einer stationären Verbrennungskraftmaschine, die mittels eines angekoppelten Generators soviel Elektrizität wie möglich als Nebenprodukt erzeugt.
Wesentlich ist nun, daß diese Elektrizität in netzphasengleichen Wechsel- oder Drehstrom umgewandelt und dem Netz zugeführt wird und so die Kraftwerke und das Netz entlastet werden.
Dabei ist es wirtschaftlich, solche Hauswärmequellen intermittierend - ein oder aus - zu betreiben. Trotzdem ist eine quasi kontinuierliche Entlastung der Kraftwerke zu erwarten infolge der statistischen zeitlichen Verteilung der Einschaltperioden vieler Generator-Heizaggregate, wie umgekehrt auch der Gasverbrauch einer Stadt weit gleichmäßiger ist als der Verbrauch eines einzelnen Hauses.
Diese Erfindung betrifft alle Brennstoffe, die zum Betrieb von Motoren geeignet sind, vorzugsweise Mineralöle und Brenngase, insbesondere jedoch Erdgas. Für eine umfangreiche Verwirklichung bietet sich letzteres deswegen besonders an, weil es schwefelarm (Korrosion) und Wasserstoffreich ist. Bei geeigneter technischer Ausführung, nämlich Gegenstromführung von Motorabgas und beispielsweise Wasser als Heizwärmeträger kommt nämlich das im Abgas der Erdgaßverbrennung enthaltene Wasser zur Kondensation und erhöht den nutzbaren Wärmeinhalt um einige Prozent.
Da ferner das Abgas unter geringem tberdruck anfällt, ist die Verwendung eines dünnen Abgasrohres anstelle eines dickeren Schornsteins maglich. Der "Zug" eines Schornsteins, der für konventionelle Heizstellen unerläßlich ist, wird bekanntlich auf sehr unwirtschaftliche Weise durch Einleitung der noch ca. 200 Grad heißen Abgase in den Schornstein erzeugt. Die erfindungsgemäße Verwendung eines Motors mit Wasserkuhlmantel und mit nachgeschaltetem Wärmetauscher, z. B. aus Edelstahl oder Glas, ermöglicht die Kühlung der Abgase unter turbulenter Strömung - also flächesparend -bis auf etwa So bis 70 Grad herab.
Beispiel 1: Ein Nehrfamilienhaus hat einen Heizwärmebedarf von maximal 80 ooo kcal/h.
Bei Verwendung der üblichen Kesselheizung würde dies etwa einem Verbrauch von loo 000 kcal/h in Form von Erdgas (oder Heizöl) entsprechen. Die Abwärme beträgt entsprechend etwa 20 ooo keal/h.
Bei erfindungsgemäßer Verwendung eines Ottomotors ergibt sich bei einem Wirkungsgrad von 31 ß ein Erdgasverbrauch von 150 ooo kcal/h, wenn man mit der gewinnbaren Abwärme den Eeizbedarf in Höhe von 80 ooo kcal/h decken will.
Der verbleibende Rest der Abwärme, 23 ooo kcal/h, geht durch das Abgasrohr in die Atmosphäre, die damit etwa gleichstark belastet wird wie bei der konventionellen Heizmethode am selben Ort.
Es verbleiben 47 ooo kcal/h, die der Motor als mechanische Energie an den Stromerzeuger abgibt. Bei 95 % Wirkungsgrad werden daher 52 kW Strom erzeugt.
Im Vergleich mit der Kesselheizung ergibt sich, daß.ein Mehrverbrauch von 50 ooo kcal/h Erdgas eine Mehrerzeugung von 52 kW Strom ergibt Beispiel 2 Ein mittelgroßes Einfamilienhaus im Raum Frankfurt a. M.
benötigt mit konventionellem Heizkessel 8000 cbm Erdgas und insgesamt 6000 kWh Elektrizität jährlich und gibt dafür rund 2500 DM aus. Die Investkosten (1975) für Kessel und Schornstein betragen etwa 4000 DM ohne Gasanschluß, ohne Heizkreis und ohne Heizkreisregelung.
Bei einem Kesselwirkungsgrad von 82 % und einem (unteren) Heizwert des Erdgases von 7700 kcal/cbm entspricht das einem Aufwand von 61,6 Mio kcal/Jahr und einem Bedarf von 50,5 Mio kcal/Jahr für Heizung und Warmwasser.
Die erfindungsgemäße Einrichtung ist ein Erdgasmotor mit netzbetriebenem Starter und Wasserkühlung sowie Abgasnachkühler, Abgasrohr iiber Dach und Kondensatwasserabfluß in die Kanalisation. Der Motor treibt einen Drehstromgenerator mit Gleichrichter, der etwa 380 Volt abgibt. Wesentlicher Teil ist ein vom Netz beeinflußter Wechselrichter, der die Abgabe des erzeugten Stromes über Schütz und Zähler ins Netz ermöglicht. Dieser Wechselrichter kann mechanisch mittels Synchronmotor arbeiten oder elektronisch mittels Thyristoren. Im Übrigen bleiben Gasanschluß, Heizkreis mit Pumpe und Heizkreisregelung unverändert gegenüber der konventionellen Kesselheizung.
Die Investition für die erfindungsgemäße Einrichtung für obengenannte Leistung wird bei Serienfertigung auf 6000 DM geschätzt, d. h. sie sei 2000 DM teurer als die konventionelle Investition.
Die Energiebilanz bei Einsatz eines Ottomotors in der angegebenen Weise stellt sich wie folgt: 25 4d des Primärenergieeinsatzes erscheint als Elektrizität 60 % n n n n Heizwärme 15 " n n n n Verlust.
Bei einem Bedarf an Nutzwärme von 50,5 Mio kcal/a müssen 84,2 Mio kcal/a Primärenergie verbraucht werden, das sind 11 ooo cbm Erdgas pro Jahr. Dabei fallen als Nebenprodukt 24 Soo-kWh/a Elektrizität an, das ist etwa viermal so viel, als im Haus gebraucht wird.
Erstaunlich ist nun der Vergleich mit der Kesselheizung.
In der Differenz werden aus 3ooo cbm/a Erdgas-Mehrverbrauch bei gleicher Heizleistung 24 500 kWh/a Strom zusätzlich hergestellt. Das entspricht einem Differenz-Wirkungsgrad von 91 % für die Stromerzeugung gegenüber etwa 35 % bei Großkraftwerken ohne Abwärmenutzung.
Der Wirkungsgrad der erfindungsgemäßen Einrichtung ist mit 85 % höher als der des konventionellen Heizkessels mit seiner hohen Abgastemperatur und wesentlich höher als der Mischwirkungsgrad bei Kesselheizung und Kraftwerkstrom.
Natürlich ist ein größeres Gebäude besser geeignet für die erfindungsgemäße Einrichtung als ein Einfamilienhaus, aber ein großer Teil der Heizwärme wird im obigen Rahmen verbraucht.
Es ist aus dem Beispiel ersichtlich, daß die erfindungsgemäßen Vorteile erzielbar sind ohne Errichtung eines weiteren Verteilernetzes, etwa eines Fernheiznetzes, sondern daß die wirtschaftlichere Nutzung des Elektrizitätsnetzes diesen Effekt bringt, das bemißt die Zulassung vieler kleiner Einspeiser.
Im Übrigen sei folgender Vergleich angestellt: Ein in einem Privatwagen eingebauter Motor erbringt im statistischen Mittel 17 ooo km/Jahr. Nimmt man eine Durchschnittsgeschwindigkeit von 70 km/h an, so ist dieser Motor etwa 250 Stunden im Jahr in Benutzung. Demgegenüber ist die im Beispiel genannte Einrichtung immerhin 1600 Stunden jährlich in Betrieb.
Zur Abschätzung der Wirtschaftlichkeit dient folgende Rechnung. Setzt man die Kosten far den Gasmehrverbrauch mit 700 DM an, die Abschreibung auf 1o von den oben genannten 2000 DM Mehrinvestition, und die Verzinsung auf 6, so ergibt sich trotz der Kleinheit der Anlage, daß die Stromkosten nur 4 Dpf./kWh betragen.

Claims

Verfahren zur Hausheizung mit der Abwärme von Verbrennungskraftmaschinen unter gleichzeitiger Stromerzeugung.

Patentanspruch: 1. Verfahren zur Hausheizung mit der Abwärme von Verbrennungskraftmaschinen unter gleehzeitiger Stromerzeugung, dadurch ge1xennzeichnet, daß eine stationäre Verbrennungskraftmaschine so ausgelegt ist, daß ihre Abwärme einerseits so weit als möglich ausgenutzt wird zur Heizung eines Hauses bzw.

einer Gruppe benachbarter Hauser und anderersetis diesen Heizwärmebedarf vollstandig deckt. Die Wellenleistung dieser Verbrennungskraftmaschine dient zum Antrieb eines Stromerzeugers. Dieses "Nebenprodukt" wird unter Zuhilfenahme des öffentlichen Elek*rizitätsnetzes so geregelt, daß es nach Spannung, Frequenz und Phase dem Netz entspricht und über einen Zähler in dieses Netz eingespeist werden kann.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ottomotor und Erdgas eingesetzt werden und intermittierunder Betrieb je nach Heizwärmebedarf angewendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, däß ein Diezelmotor und Heizöl ES eingesetzt werden und intermittierender Betrieb angewendet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auch die Motorabgase in~einem korrosionsfesten Wärmetauscher durch das umlaufende Heizungswasser gekühlt werden und durch ein enges Abgasrohr iiber Dach geleitet werden, gegebenenfalls unter getrennter Ableitung ausgeschiedenen Kondenswassers, Hierdurch entfällt die Notwendigkeit für einen Schornstein.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffzufuhr und damit die Drehzahl des Aggregats durch die elektrische Spannung am Ausgang des Generators geregelt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator Gleichepannung abgibt.

S Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennezichnet, daß die Gleichspannung durch einen vom öffentlichen Netz geregelten Wechselrichter in eine solche Wechselspannung uagewandelt wird, die gleichphasig mit dem Netz schwingt.