DE4407595A1

DE4407595A1 - Energieblock

Info

Publication number: DE4407595A1
Application number: DE4407595A
Authority: DE
Inventors: Adolf Dipl Ing Michel
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1994-03-08
Filing date: 1994-03-08
Publication date: 1995-09-14

Description

Die Erfindung beschreibt eine Anordnung zur Erzeugung sowohl von elektrischen Strom als auch von Wärme.

Kernstück der erfinderischen Überlegung ist eine Energie speicherung beim Endverbraucher bei gleichzeitiger Energie einsparung und Ausgleich der Energieverbrauchsspitzen, wie nachfolgend näher beschrieben ist.

Obwohl die einzelnen Komponenten der Anordnung Stand der Technik sind, ist das gegenseitige Zusammenwirken neu; ins besondere die Einsparung von mindestens 50% des Energie trägers.

Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß ein solcher Energieblock sowohl autark, als auch im Verbund mit den EVU′s (Elektro-Versorgungs-Unternehmen) betrieben werden kann. In letzterem Fall können durch den Speicher die Strom verbrauchsspitzen, z. B. im Haushalt, von ca. 1 : 10 gegenüber dem Mittelwert ausgeglichen werden, wodurch über Leitungen und Transformatoren ein Vielfaches an Energie übertragen werden kann und die Kraftwerke in Grundlast mit dem höchsten Wir kungsgrad arbeiten können.

Von den zahlreichen vorteilhaften Optionen, welche die er finderische Lösung bietet, sei hier beispielsweise die auf grund der Speicherwirkung mögliche Einspeisung von nur zeitlich anfallenden Energien genannt (Wasser, Wind, Solar strom . . . ).

In Fig. 1 ist schematisch das Grundprinzip der Erfindung anhand eines Energieblockes, geeignet für einen, oder mehrere Haushalte wiedergegeben.

Der Verbrennungemotor (1) treibt über das Koppelglied (2), welches eine Energieübertragung nur in Pfeilrichtung ermög licht, den Schwungkraftspeicher (3) an. Mit diesem ist wie derum über die gesteuerte Kupplung (4) die Wärmepumpe (5) verbunden. Der Schwungkraftspeicher (3) treibt seinerseits den Generator (6) an, der in weitem Drehzahlbereich elektri schen Strom gleicher Spannung liefert. Die Wärmepumpe (5) pumpt die Temperatur von Erdwärme oder Grundwasser, die im Wärmetauscher (10) noch durch die Restwärme des Abgases er wärmt ist, auf eine Temperatur, die im Wärmetauscher (9) die erste Stufe der Vorlauftemperatur bewirkt. Die Abgase des Motors erwärmen zunächst im Wärmetauscher (7) das Brauch wasser und im Wärmetauscher (8) die zweite Stufe der Vor lauftemperatur der Heizung und geben dann (wie schon gesagt) im Wärmetauscher (10) die Restwärme ab, so daß die Temperatur des Abgases am Auspuff (11) niedriger, als bei einer Geblä seheizung ist. Die Steuerung der Kupplungen (2) und (4), sowie der Pumpen ist hier nicht eingezeichnet.

Aus dieser Grundanordnung ergeben sich eine Reihe von Vor teilen:

1. Energieeinsparung

Im Normalfall liefert der Motor 0,35 Einheiten Kraft und 0,65 Einheiten Wärme. Aufgrund der geringen Temperaturdif ferenz zwischen der Temperatur des Wärmelieferanten (Grund wasser etc. ) und der Temperatur der ersten Stufe der Vor lauftemperatur ist in der Wärmepumpe mit einer Leistungs zahl von mindestens 4,5 zu rechnen. Dies ergibt (ohne Stromentnahme) eine Energieausbeute von 0,35 + 4,5 × 0,65 = 2,15.

2 . Umweltschonung

Bei einem Antrieb mit Verbrennungsmotor wird demnach gegen über einer Ölheizung nicht nur der CO2-Ausstoß auf etwa die Hälfte reduziert, sondern auch die Lärmbelastung ist nicht größer.

3. Einspeisungsmöglichkeiten

Der Energieblock bietet aufgrund der Energiespeicherung die Möglichkeit der Einspeisung von nur zeitlich anfallender Wärme und/oder Strom.

4. Universalität

Erfolgt der Antrieb anstatt durch Verbrennungsmotor, durch einen vom Stromnetz gespeisten Elektromotor, so bringt der Speicher, welcher den Strombedarf von 10 (Spitze) zu 1 (Durch schnitt über 24 Std.) ausgleicht, den Vorteil, daß

a) Transformatoren und Leitungen ein Vielfaches an Energie übertragen können und
b) daß mit einem nur zeitlichen Angebot pro Tag, Spitzen entnahmen an anderer Stelle ausgeglichen werden können, so daß die Stromerzeuger im günstigen Grundlastbereich ar beiten können und auf diese Weise auch kleinere Versorgungs bereiche wirtschaftlich arbeiten können.

Diese Vorteile werden in den nachfolgenden Beispielen näher erläutert.

In Fig. 2 ist eine der möglicher Ausführungsformen wiederge geben (Energieübertragungen durchgezogen, Steuerleitungen ge strichelt).

Auch hier treibt der Verbrennungsmotor (21) über die energie flußgerichtete Kupplung (22) den Schwungkraftspeicher (23) an, der seinerseits über die gesteuerte Kupplung (24) die Wärme pumpe (25) antreibt. Der Motor bezieht seine Energie aus dem Energiedepot (32), z. B. Öltank oder Gasanschluß, während die Wärmepumpe (25) die Energie vom Speicher (26) (Erde, Wasser . . . ) über die Pumpe (37) und den Wärmetauscher (31) bezieht, wobei dessen Temperatur durch die Restenergie der Abgase zusätzlich angehoben wird, bevor diese über den Auspuff (33) ausgestoßen werden. Da die Temperatur im Wärmetauscher (31) niedriger als im Tauscher für die Heizung (30) ist, ist die Abgastemperatur einer solchen Anlage im Auspuff (33) niedriger als bei einer normalen Gebläseheizung. Der günstigste Wirkungsgrad der gesam ten Anlage wird sowohl von den Wärmeübergängen der einzelnen Wärmetauscher, als auch der durch sie bewirkten Temperaturauf teilung bestimmt.

Der eine Energiekreislauf geht vom Tauscher (31) über die Wär mepumpe (25), weiter über den Kühlkreislauf des Verbrennungsmo tors (21), zum Wärmetauscher für das Brauchwasser (28), von dort weitgehend abgekühlt in den Wärmetauscher (29) der ersten Stu fe des Heizungsvorlaufes und von dort zurück in den Wärmetau scher (31).

Der zweite Energiekreislauf der Auspuffgase geht vom Motor (21) über den Wärmetauscher der zweiten Stufe des Heizungsvorlaufes (30) und über den Wärmetauscher (31) zum Auspuff (33). Mit dem Schalter (38) wird der Energieblock von Winter- auf Sommerbetrieb bzw. umgekehrt geschaltet.

Im Winterbetrieb schaltet der Sensor (40), der auf die Heizungs vorlauftemperatur anspricht, den Motor (21) ab, wenn die Tempera tur einen vorgegebenen Wert übersteigt. Da im Winterbetrieb wesentlich mehr Wärme als umgerechnet Strom benötigt wird, ist der Sensor (34), der die Kupplung (24) in Abgängigkeit von der Kühlwassertemperatur des Motors steuert, durch den Schalter (38) ausgeschaltet. Desgleichen wird durch denselben Schalter (38) der Sensor (39 ausgeschaltet und die Pumpe (35) eingeschaltet.

Im Sommerbetrieb ist im Sinne der Vereinfachung der ganzen An lage für die Erwärmung des Brauchwassers nur der Kühlkreislauf des Motors (21) vorgesehen. In diesem Falle wird über den Sen sor (34), der auf den Höchstwert der Kühlwassertemperatur an spricht, in der steuerbaren Kupplung (24) der Energiefluß vom Speicher (23) zur Wärmepumpe (25) unterbrochen, was in der Regel ständig ist. Gleichzeitig werden der Sensor (40) und die Pumpe (35) ausgeschaltet und der Sensor (39), welcher in Abhängigkeit der Höchstdrehzahl des Schwungkraftspeichers (23) den Motor ab schaltet, aktiviert. Dadurch wird der Motor (21) nur in Inter vallen eingeschaltet, nämlich dann, wenn die Drehzahl des Spei chers unter diejenige Drehzahl gesunken ist, die im Generator (41) noch die vorgesehene Spannung garantiert. Die Pumpen (36) und (37) sind während beider Betriebsarten immer eingeschaltet; damit wirkt bei dieser Betriebsart der Wärmetauscher (31) als Kühler für den Kühlkreislauf des Motors.

Welche vielfältigen Variationsmöglichkeiten die Erfindung bie tet, zeigen die Unterschiede im Beispiel nach Fig. 3:

Der Verbrennungsmotor (51) treibt über die gesteuerte Kupplung (52) den Generator (53) an, der seinerseits mechanisch mit dem Schwungkraftspeicher (54) verbunden ist. Auch hier liefert der Generator (53) in weitem Drehzahlbereich eine gleiche elektrische Spannung.

Über das geschlossene Schaltrelais (60) wird elektrische Ener gie dem Elektromotor (55) zugeführt, der seinerseits im Winter betrieb die Wärmepumpe (56) antreibt.

Sobald der Heizungsvorlauf die vorgegebene Temperatur erreicht hat, bewirkt der Sensor (58) über den Winter/Sommerschalter (59) die Trennung des Generators (53) vom Motor (51) und die Ab schaltung des Motors. Vom Winter/Sommerschalter wird gleichzei tig die Pumpe (62) aktiviert und das Schaltrelais (60) ge schlossen, das den Stromfluß zum Antrieb der Wärmepumpe (56) sicherstellt. Im Sommerbetrieb wird durch denselben Schalter (59) die Pumpe (62) ausgeschaltet, der Stromfluß im Relais (60) unterbrochen und das Schaltrelais (61) geschlossen, wodurch bei bei Erreichen der vorgegebenen Drehzahl des Schwungkraftspei chers die Kupplung (52) unterbrochen und der Motor (51) abge schaltet wird. In diesem Betriebszustand wird der Generator (53) vom Schwungkraftspeicher (54) angetrieben. Fällt dagegen die Drehzahl auf den unteren Grenzwert, so wird über den Sensor (57) die Kupplung (52) geschlossen, der Motor aktiviert und mit dem Restschwung des Schwungkraftspeichers der Motor angeworfen. Selbstverständlich ist es auch möglich die Wärmepumpe (56) mechanisch an den Speicher (54) anzukoppeln; dies hätte jedoch, wie im Beispiel nach Fig. 2, zur Folge, daß die Wärmepumpe mit der zeitweise unterschiedlichen Drehzahl des Speichers (54) arbeitet, sobald der Motor abgeschaltet ist.

Neben der örtlichen Unabhängigkeit der Wärmepumpe bietet der Vorschlag nach Fig. 3 den weiteren Vorteil, einen unterschied lichen Wärme- bzw. Strombedarf um mehr als den Faktor 2 dadurch auszugleichen, indem der feste Winter/Sommer-Schalter durch eine Steuerung ersetzt ist, welche in Abhängigkeit des jeweils unterschiedlichen Bedarfes an Strom oder Wärme das Schaltre lais (60) steuert.

In einem weiteren Beispiel Fig. 4 wird der Energieblock durch einen Elektromotor angetrieben.

Der Elektromotor (71) erhält seinen Strom vom Hausanschluß (79) über den Schaltschütz (78) und treibt über die energieflußge richtete Kupplung (72) den Generator (73), der seinerseits mit dem Schwungkraftspeicher mechanisch verbunden ist.

Der Generator (73), der auch hier wieder in einem weiten Dreh zahlbereich elektrischen Strom gleicher Spannung liefert, ver sorgt über das Schaltrelais (84) den Elektromotor (76), der seinerseits die Wärmepumpe (77) antreibt. Außerdem steuert eine Elektronik (80), an die der Sommer/Winterschalter (85) ange schlossen ist, den Energieblock folgendermaßen:

Im Winterbetrieb, wo (umgerechnet) wesentlich mehr Wärme als Strom benötigt wird, gibt der am Wärmespeicher (83) befindliche Sensor (82) "Wärmespeicher voll" an die Steuerelektronik (80), die ihrerseits den Stromfluß im Schaltrelais (84) unterbricht. Wenn gleichzeitig auch der Sensor (81) meldet, daß der Schwung kraftspeicher (74) seine höchste vorgesehene Drehzahl aufweist, wird auch der Elektromotor (71) abgeschaltet.

Im Sommerbetrieb wird durch den Sommer/Winterschalter (85) die Steuerelektronik (80) dahingehend umprogrammiert, daß der Strom fluß zum Motor (76) durch das Relais (84) ständig unterbrochen ist und der Schaltschütz (78) nurmehr vom, Sensor (81) über die Elektronik (80) gesteuert wird.

Auf den ersten Blick scheint es, daß mit einer Anlage nach Fig. 4 nichts gewonnen ist, denn dem Gewinn durch die Wärmepumpe steht der Verlust im EVU (Elektroversorgungsunternehmen) gegenüber.

Die Vorteile, wie vorstehend unter 4. beschrieben, kommen jetzt zum Tragen, wobei sich eine Reihe von weiteren Möglichkeiten ergeben.

So besteht beispielsweise in örtlichen Zentren die Möglichkeit den Überschußstrom von Industrieunternehmen mit hohem Wärme bedarf (Textil-, Leder-, Papier- . . . ) zu nutzen. In größeren Zent ren ergibt sich die Möglichkeit mittels einer über den jewei ligen Versorgungszweig gegebenen Kennung den Endkunden zu unterschiedlichen, für den Ausgleich der Gesamtenergiebilanz günstigen Zeiten, mit einem Maximalstrom zu bedienen und es ist nicht ausgeschlossen, daß auf diese Weise der Strom pau schal abgerechnet werden kann, auf der Basis der maximalen Stromentnahme, der Größe der Pausen und der Gesamtenergielie ferung über 24 Stunden, abgestuft nach Klima.

Claims

1. Verfahren zur Erzeugung von Strom und Wärme, sowie Aus gleich der Verbrauchsspitzen mittels Kraft-Wärme-Kupp lung im Zusammenwirken mit einer Wärmepumpe, dadurch gekennzeichnet, daß zum Ausgleich der Verbrauchsspitzen ein Schwungkraft speicher (3) vorgesehen ist , der über eine Kupplung (2), welche eine Energieübertragung nur in Pfeilrichtung zu läßt, mit dem Motor (1) verbunden ist und der Schwung kraftspeicher (3) über eine gesteuerte Kupplung (4) eine Wärmepumpe (5) antreibt. (Fig. 1)

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Stromerzeugung der Speicher (3) einen Generator (6) antreibt, der in weitem Drehzahlbereich Strom gleicher Spannung liefert.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Abgas des Verbrennungsmotors (1) im Wärmetauscher (7) das Brauchwasser und im Wärmetauscher (8) in einer zweiten Stufe den Heizungsvorlauf erwärmt, nachdem die Temperatur des Heizungsrücklaufes im Wärmetauscher (9) durch die von der Wärmepumpe (5) gelieferte Wärme angeho ben wurde. (Fig. 1)

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Restwärme der Auspuffgase in einem weiteren Wärmetauscher (10) die Basistemperatur in der Wärmepumpe erhöht wird und damit eine größtmögliche Nutzung der Ab gase stattfindet.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Kühlkreislauf des Verbrennungsmotors (21) im Ausgangskreislauf der Wärmepumpe (25) befindet. (Fig. 2)

6. Energieblock nach den Verfahren 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß ein am Ausgang des Kühlkreislaufes des Motors (21) be findlicher Sensor (34) über die gesteuerte Kupplung (24) die Wärmepumpe, (25) dann abschaltet, wenn eine vorgegebene Temperatur erreicht ist und dieser Sensor, mittels eines Sommer-Winter-Schalters (38) so programmiert werden kann, daß der Energiefluß zur Wärmepumpe (25) über die Kupplung (24) ständig unterbrochen ist (Sommerbetrieb). (Fig. 2).

7. Energieblock nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Sommer-Winter-Schalter (38) einen am Schwungkraft speicher (23) befindlichen Sensor (39) so aktiviert, daß er den Motor (21) dann abschaltet, wenn der Schwungkraftspei cher die vorgesehene Höchstdrehzahl erreicht hat. (Sommer betrieb). (Fig. 2)

8. Energieblock nach den vorstehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor (52) über eine gesteuerte Kupplung (52) mechanisch mit dem Generator (53) und mit dem Schwung kraftspeicher (54) mechanisch verbunden ist. Sobald der Heizungsvorlauf die vorgesehene Temperatur erreicht hat, bewirkt der Sensor (58) über den Sommer-Winter-Schalter (59) die Trennung des Generators (53) vom Motor (51) da durch, daß das Schaltrelais (61) geschlossen wird, wodurch bei Erreichen der Höchstdrehzahl des Schwungkraftspei chers (54) über den Sensor (57) die Kupplung (52) unter brochen und der Motor (51) abgeschaltet wird. Fällt dage gen die Drehzahl des Schwungkraftspeichers (54) auf den unteren Grenzwert, so wird der Motor (51) aktiviert, die Kupplung (52) geschlossen und der Motor mit dem Rest schwung des Schwungkraftspeichers angeworfen. Im Sommer betrieb wird dagegen durch den Schalter (59) über das Relais (60) die Stromzuführung zum Motor (55) unterbro chen und die Pumpe (62) angeschaltet. (Fig. 3)

9. Energieblock nach den vorstehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß statt eines Verbrennungsmotors ein vom Hausanschluß (79) über das Schaltrelais (78) gespeister Elektromotor (71) vorhanden ist. Der Elektromotor (71) treibt über die energieflußgerichtete Kupplung (72) einen Stromgenerator (73), der seinerseits mechanisch mit dem Schwungkraft speicher (74) verbunden ist. Der Stromgenerator (73) lie fert wieder in weitem Drehzahlbereich elektrischen Strom gleicher Spannung für den allgemeinen Strombedarf und über das Relais (84) für den Motor (76), welcher die Wär mepumpe (77) antreibt. Im Winterbetrieb gibt der am Wär mespeicher (83) befindliche Sensor (82) die Information "Wärmespeicher voll" an die Elektronik (80), welche so dann durch Umschaltung des Relais (84) den Stromfluß zum Elektromotor (76) unterbricht. Im Sommerbetrieb schaltet die Elektronik (80), welche durch den Schalter (85) auf Sommerbetrieb umprogrammiert wurde, über das Schaltrelais (84) den Motor (76) und damit die Wärmepumpe (77) ab, während der Motor (71) (wie im Winterbetrieb) über das Schaltrelais (78) dann abgeschaltet wird, wenn der Schwung kraftspeicher seine Höchstdrehzahl erreicht hat.