DE3609702A1 - Anlage zur kombinierten strom-, waerme- und kaelteerzeugung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anlage zur kombinierten Strom- Wärme- und Kälteerzeugung unter Ausnutzung des Wärmeinhaltes und des Heizwertes eines aus einem vorgeschalteten Gaserzeugungsprozesses gewonnenen Gases.

Die Konzeption dieses Energieverbundsystems zielt darauf ab, die in Entwicklungs- und landwirtschaftlich orientierten Ländern reichlich vorhandenen Energieroh­ stoff - wie Braunkohle, Kohle, Biomassen sowie Ernte- bzw. Produktionsabfälle z.B. in der Nahrungsmittel verarbeitenden Industrie umweltfreundlich z.B. durch Vergasung und sinnvolle Kopplung von Energieumwandlungs­ systemen mit hohem Wirkungsgrad und deshalb sehr wirt­ schaftlich in die jeweilige Energieform direkt und ohne Umwandlungsverluste am Ort des Energiebedarfes zu erzeugen und zu verbrauchen.

Es handelt sich bei diesen Anlagen um ein Block-Kühl-Heiz-Kraft-Werk mit der für den jeweiligen Anwendungsfall ausgelegten Kraft-Kälte-Wärme-Kopplung. Diese speziellen Kleinkraftwerke mit dem Energiever­ bundsystem und hoher Umweltverträglichkeit haben einen weiten Anwendungsbereich in der Kälteerzeugung für Kühl-, Tiefkühl-, Eis- und Klimaanlagen bei gleichzei­ tiger Wärmeausnutzung aus der Wärmerückgewinnung für Trocknung, Heizung bzw. Warmwassererzeugung wie sie in der Fleisch- und Lebensmittel verarbeitenden Industrie, Kühlhäusern, Eis- und Milchfabriken, Krankenhäusern, Hotels, Textil- und chemischer Industrie und vielen anderen Bereichen vorkommen, wo dieses Energieverbund­ system bei gleichzeitigem Bedarf an Kälte, Wärme, Kraft und Elektrizität diese Energieformen mit dem höchsten Wirkungsgrad erzeugt und eine hohe Wirtschaftlichkeit bietet.

Der vorgeschaltete Gaserzeugungsgrad soll so gesteuert werden, daß als Nebenprodukte rauchlose Brennstoffe wie Koks und/oder Aktivkohle zur Filterung von Trinkwasser und anderen Stoffen erzeugt werden, wobei der Aschanfall als Zuschlagstoff in der Baustoffindustrie bzw. Betonherstellung verwendet werden kann.

Diese Nebenprodukte stellen neben der Umweltfreundlich­ keit des Vergasungsprozesses selbst - denn es werden nur trockene und vollkommen teer- und kondensatfreie Gase und rieselfähige Asche als fester Rückstand erzeugt - einen wesentlichen aktiven Umweltschutz dar - nicht in Betracht gezogen den volkswirtschaftlichen Nutzen, der durch die fast kostenlose Erzeugung dieser kapitalinten­ siven Nebenprodukte Koks und Aktivkohle entsteht.

Das erfindungsgemäße Energieverbundsystem stellt genau die Energieformen zur Verfügung, die in landwirtschaft­ lichen Gebieten mit industrieller Entwicklung benötigt werden: denn neben der erforderlichen Energieversorgung der verschiedensten Industrie- und Gewerbebetriebe mit Elektro-, Wärme- und Kälteenergie verlangt die Versorgung der wachsenden Bevölkerung mit Nahrungsmitteln einen stetig wachsenden Einsatz von Kühl- und Trocknungstechnologie, um die erzeugten Nahrungsmittel für einen bestimmten Zeitraum frisch zu halten und vor dem Verderben zu schützen.

Dies gilt für alle Bereiche der Kälteerzeugung wie Tief­ kühl-, Kühltechnik, Gefriertrocknung, Eiserzeugung, Kaltwasser- und Soleerzeugung für die Klima- und Verfahrenstechnik sowie Prozeßkühlung. Die Kühl- und Kältetechnik sorgt für die Frischhaltung aller Arten von Nahrungsmitteln und organischen Stoffen.

Ebenso wichtig ist für die Lagerfähigkeit aller Getrei­ desorten wie z.B. Reis, Weizen, Hafer, Gerste, Korn, Hirse, Mais, Tabak, Tee etc. die Trocknungstechnologie. Da das Erntegut in den seltensten Fällen mit der lagerfähigen Feuchte von 14% geerntet wird, ist es zwingend erforderlich, auch und gerade in tropischen und subtropischen Klimazonen die Ernte zu trocknen. Denn bei höherem Feuchtigkeitsgehalt fermentieren die Getreide­ arten und werden für Mensch und Tier völlig ungenießbar. Deshalb müssen die frisch geernteten Getreidearten schnellstmöglich getrocknet werden. Hierfür ist eine erhebliche Energie in Form von Wärme sowie ein geringerer Teil an Elektroenergie für die Antriebe erforderlich.

Durch das erfindungsgemäße Energieverbundsystem wird man in die Lage versetzt, die für die Trocknung erforder­ liche Wärmeenergie als Wärmerückgewinnung fast kostenlos zur Verfügung zu stellen. Die Kälteerzeugung ist thermo­ dynamisch ein Kreisprozeß und stellt eine nutzbare Wärmeenergie zur Verfügung, die ca. gleich der Summe aus erzeugter Kälteleistung sowie aufgewandter Antriebs­ leistung für den Kälteverdichter ist. Diese Wärmeenergie wird in dem Energieverbundsystem noch um die Beträge aus der Abkühlung des Brenngases, der Gasmotor sowie der Abgaskühlung erhöht.

In Zeiten, wenn die Trocknung nicht benötigt wird, wird die vorhandene Wärme zur Wohnungs- und Gebäudeheizung bzw. Warmwasserbereitung verwendet. Da jede Energieumwandlung mit Verlusten behaftet ist, soll die jeweilig erforderliche Energieform möglichst direkt ohne erhebliche Umwandlungsverluste erzeugt werden.

Zur Gaserzeugung wird daher vorteilhaft ein Vergasungs­ prozeß gewählt, der aus den örtlich reichlich und preiswert vorhandenen Brennstoffen unter Zuführung von atmosphärischer Luft bei autothermen Betrieb das Brenn­ gas zum Antrieb der Verbrennungskraftmaschine - Gasmotor oder bei höheren Leistungen Gasturbine - sehr umwelt­ freundlich und mit hoher spezifischer Gasproduktion und hohem Gesamtwirkungsgrad erzeugt. Die Verbrennungskraft­ maschine stellt einen idealen Antrieb durch direkte Kopplung für die Kälteverdichter dar und kann relativ einfach mittels dem zu regelnden Gasreaktor in der Drehzahl und Leistung dem jeweiligen Teillastbedarf angepaßt werden. Weitergehende Leilstungsregelungen in der Kälteerzeugung lassen sich durch Zylinderabschaltung beim Kolbenverdichter bzw. Leitschaufelverstellung beim Turboverdichter erzielen, so daß keinerlei Probleme in der jeweiligen Leistungsanpassung bestehen. Durch den direkten Antrieb des Kälteverdichters werden die Verluste, die z.B. beim Antrieb durch einen Elektromotor entstehen, Minimum um 20-25% verringert. Durch Opti­ mierung des Kältemittels und des Kälteverdichters für den jeweiligen Kühleinsatz sowie dem einstufigen Verdichtungsprozeß - auch bei tiefen Verdampfungstemperaturen - erreicht man eine weitere Energieeinsparung in der Größenordnung von 15%, so daß allein aus diesen beiden Gründen bei der Kälteerzeugung ca. 30-35% weniger Energie verbraucht wird und deshalb erheblich weniger Brenstoff benötigt wird als bei konventionell elektrisch angetriebenen Kältesystemen. Durch eigen entwickelte Steuersysteme kann man in der normalen Kühltechnik für Fleisch- und Fischkühlung die Verdampfungstemperatur so fahren, daß gleichzeitig noch Blockeis zur externen Kühlung und Frischhaltung erzeugt werden kann. Auf der gleichen Antriebswelle wird ein Elektrogenerator zur Erzeugung von Dreh- oder Wechselstrom von der Verbrennungskraft­ maschine angetrieben, so daß alle Nebenantriebe wie Fördereinrichtungen, Gebläse, Pumpen etc. mit den erfor­ derlichen elektrischen Antriebsleistungen durch ein kleines internes Stromleitungsnetz versorgt werden. Gleichzeitig kann mit Hilfe einer Netzsynchronisation in bestehende kommunale bzw. industrielle Stromverbund­ netze eingespeist werden, d.h. Inselbetrieb sowie Verbundbetrieb in der elektrischen Versorgung sind möglich.

Die erfindungsgemäße Anlage soll anhand einer schema­ tischen Darstellung näher erläutert werden. In dieser Figur ist als vorgeschalteter Gaserzeugungsprozeß eine Anlage symbolisch dargestellt, die nach dem Vergasungs­ prinzip arbeitet, wobei diese z.B. einen Einsatzbunker für den Brennstoff wie Kohle, Braunkohle, Biomasse oder Abfälle aufweist, an den sich ein Förderband 2, ein Trockner 3, ein Zyklonabscheider 4, ein Silo 5, ein Förderer 6 und ein Vergaser-Luftgebläse 7 anschließt. Mit 8 ist der eigentliche Gasreaktor bezeichnet, während 9 noch einen Heißgaszyklon darstellen soll.

Diese Gaserzeugungsanlage ist allerdings nur bspw. ange­ geben, weil es für die nachgeschaltete Anlage nicht von Bedeutung ist, mit welchem Gas gearbeitet wird.

Die erfindungsgemäße Anlage besteht aus einem Wärmekreislauf und einem Kältekreislauf sowie einem Gas­ motor 10, der zunächst von dem Gas der vorgeschalteten Gaserzeugungsanlage beaufschlagt wird. Dieser Gasmotor 10 ist direkt mit einem Kälteverdichter 12 gekoppelt. Das heiße Gas aus der Gaserzeugungsanlage wird zunächst in einem Wärmetauscher 19 abgekühlt, gelangt dann in den Gasmotor, und hierin wird elektrische Energie erzeugt, die bspw. für einen Elektrogenerator 11 ausgenutzt werden kann, der zum Antrieb der einzelnen Aggregate dient. Der Wärmekreislauf beinhaltet außer diesem Wärme­ tauscher 19 einen Wärmetauscher 16, der das Abgas aus dem Gasmotor 10 weiter abkühlt und einem Wärmetauscher 15, der das Kühlmedium des Gasmotors abkühlt. Mit 18 ist in diesem Wärmekreislauf ein Wärmeverbraucher angedeu­ tet, wobei dies bspw. eine Trockenanlage für Getreide, Reis o. dgl. sein kann. Zum Wärmekreislauf gehört schließlich noch ein Kondensator 17, der seinerseits Teil des Kältekreislaufes ist. Der Kältekreislauf bein­ haltet außerdem diesen Kondensator 17 und dem bereits erwähnten Kälteverdichter 12 einen Verdampfer, so bspw. einen Kühlraum zur Lagerung von Lebensmitteln o. dgl. Außer diesem Kühlraum 13 kann zusätzlich noch ein Wärmetauscher 14 in den Kreislauf eingeschaltet werden, um bspw. Eis zu erzeugen, eine Klimaanlage zu betätigen oder eine Prozeßkühlung durchzuführen.

Insgesamt ergeben sich durch die erfindungsgemäße kombinierte Anlage wesentliche Vorteile, weil einerseits durch eine sehr umweltfreundliche Vergasung ein Antriebsmedium hergestellt wird wie ein Gas, ohne daß dabei in wesentlichen Mengen umweltbelastende Stoffe anfallen, insbesondere ist dies der Fall, wenn man eben nicht von einer Verbrennungsanlage ausgeht.

Die dezentrale Energieerzeugung mittels modular aufgebauter Energieverbundsysteme ergibt eine hohe Redundanz und die große Standby-Reserve großer Energieblöcke sowie das relativ teure Verbundnetz mit hohen Leistungsreserven bei zentraler Energieversorgung erübrigt sich, wodurch die Bindung volkswirtschaftlich großer Kapitalsummen stark reduziert werden kann.

Die dezentralen Energieerzeugungsanlagen speisen direkt in Verbrauchernähe in das Verteilungsnetz ein. Dadurch erniedrigen sich die Stromtransportkosten sehr stark - bis zu ca. 600,00 DM/KW - die die Mehrkosten der dezentralen Energieverbundsysteme für Reservehaltung, Wartung etc. gegenüber den zentralen Kraftwerken bei weitem aufwiegen.

Schließlich ist ein weiterer Vorteil darin zu sehen, daß diese Anlage sehr flexibel ist und in unmittelbarer Ver­ brauchernähe je nach den Erfordernissen bzw. den dortigen Bedingungen ausgebildet sein kann. Schließlich werden durch diese Anlage dann, wenn bspw. eine Ver­ gasung eingesetzt wird, auch nützliche Nebenprodukte erzeugt, wie Aktivkohle wiederum gleich zur Trinkwasser­ filterung eingesetzt werden kann oder andere Anwendungsfälle findet.

Claims (2)

1. Anlage zur kombinierten Strom-, Wärme- und Kälteer­ zeugung unter Ausnutzung des Wärmeinhaltes und des Heiz­ wertes eines aus einem vorgeschalteten Gaserzeugungsprozeß gewonnenen Gases, gekennzeichnet durch einen Gasmotor (10), der direkt mit einem Kältever­ dichter (12) gekoppelt ist, wobei der Kälteverdichter (12) zu einem Kältekreislauf gehört, der einen Verdampfer (13) und einen Kondensator (17) enthält und durch einen Wärmekreislauf, der einerseits Teil des Ver­ dampfers (13) ist und der weiterhin einen Wärmetauscher (15) für das Kühlwasser des Gasmotors (10), einen Wärme­ tauscher (16) für das Abgas vom Gasmotor und einen Wärmetauscher (19) für das aus dem vorgeschalteten Gaserzeugungsprozeß entnommene Gas aufweist.

2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Kältekreislauf zusätzlich ein Wärmetauscher (14) für eine Eiserzeugung, eine Klimaanlage oder eine Prozeßkühlung angeordnet ist.