DE9302802U1 - Energy converter with thermal machine and heat storage system - Google Patents
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Description
Anmelder: Dr. Robert Fleischman
Danziger Str. 1 Applicant: Dr. Robert Fleischman
Danziger Str. 1
8752 Laufach-Frohnhofen8752 Laufach-Frohnhofen
Bezeichnung des Gegenstandes: Description of the item :
Energiekonverter (EKW) mit thermischer Maschine, vorzugszweise interner Verbrennungsmaschine (Diesel- oder Gasmotor) und Wärmespeichersystem zur optimierten Energienutzung in einem Nahwärmenetz durch Anpassung der Wärmeenergie über den Speicher an den Verbrauch und bevorzugter Bereitstellung elektrischen Energie zu den täglichen Spitzenverbrauchszeiten .Energy converter (EKW) with thermal engine, preferably internal combustion engine (diesel or gas engine) and heat storage system for optimized energy use in a district heating network by adapting the heat energy to consumption via the storage and preferentially providing electrical energy at daily peak consumption times.
Energie wird bereitgestellt mit Hilfe von Verbrennungsprozessen, die Primärenergieträger wie Biomasse, Holz, Erdgas, Kohle und Erdöl zu Kohlendioxid und Wasser umsetzen. Ein Materiekreislauf kann geschlossen werden durch die sonnenenergieinduzierte Assimilation der Pflanzen.Energy is provided by means of combustion processes that convert primary energy sources such as biomass, wood, natural gas, coal and petroleum into carbon dioxide and water. A material cycle can be closed by the solar energy-induced assimilation of plants.
Der derzeitige hohe Energieverbrauch und eine zukünftige gleichmäßigere weltweite Energieverteilung stören diesen natürlichen Kreislauf erheblich.The current high energy consumption and a future more even global energy distribution significantly disrupt this natural cycle.
Obgleich global weitaus mehr Energie als benötigt in Form von Wärme, Abwärme, solarer Direktstrahlung, Wind- und Wasserkraft vorhanden ist, gelingt es noch nicht, den abgas- und schadstoffbelastenden Anteil des Verbrennungsprozeß auf das absolut notwendige Maß zu begrenzen.Although there is far more energy available globally than is needed in the form of heat, waste heat, direct solar radiation, wind and hydropower, it is not yet possible to limit the exhaust gas and pollutant-producing portion of the combustion process to the absolutely necessary level.
Einen Ausweg bietet die Technik der bestehenden Kernkraftwerke mit nachgeschalteter Brennstabaufbereitung. Diese Verfahren würden eine weltumfassende Versorgung mit elektrischer Energie aus Großkraftwerken ohne Kohlendioxidbelastung ermöglichen. Die Konzentration großer Energiemengen in Form stark strahlenden Materials macht diesen Ausweg nur gangbar unter heute nicht mehr absehbaren Sicherheits- und Vorsorgeverpflichtungen.One solution is the technology of existing nuclear power plants with downstream fuel rod processing. These processes would enable a global supply of electrical energy from large power plants without carbon dioxide pollution. The concentration of large amounts of energy in the form of highly radioactive material makes this solution only feasible under safety and precautionary obligations that can no longer be foreseen today.
Die Forderung nach einer weit verästelten Bereitstellungen an Wärmeenergie und hochwertigerer mechanischer Energie bedarf allerdings gerade bei Großkraftwerken eines aufwendigen und weitreichenden Netzes. Dies behindert die Versorgung ausgedehnter Siedlungsgebiete mit Fernwärme.However, the demand for a widely ramified supply of thermal energy and higher-quality mechanical energy requires a complex and extensive network, especially for large power plants. This hinders the supply of district heating to large residential areas.
Geeigneter sind sogenannte Blockheizkraftwerke, die beide Energiearten (Wärme und unbegrenzt transformierbare elektrische Energie) aus einem Brennstoff erzeugen und damit Knotenpunkte einer einheitlichen Brennstofflogistik darstellen können. Diese Technik ist ebenfalls bekannt.More suitable are so-called combined heat and power plants, which generate both types of energy (heat and infinitely transformable electrical energy) from one fuel and can therefore represent hubs of a uniform fuel logistics system. This technology is also well known.
Eine erhebliche Problemstellung ergibt sich aber aus der saisonalen und tageszeitlich unterschiedlichen Forderung nach elektrischer und Wärmeenergie.However, a significant problem arises from the seasonal and time-of-day differences in demand for electrical and thermal energy.
Die vorliegende Gebrauchsmusteranmeldung hat daher die Erweiterung des Blockheizkraftwerkes (BHKW) auf einen Energiekonverter mit Wärmespeicher (EKW) zum Ziel. Kleinkraftwerke können bei geringem Mehraufwand mit entsprechenden Speichersystemen vor Ort kombiniert werden. Auf diese Weise wird der Brennstoffverbrauch, bezogen auf die heutige Technik der Großkraftwerke und Blockheizkraftwerke weiter reduziert. Der Einsatz neuester Entwicklungen auf den Gebieten der Elektronik, Sensor- und Speichertechnik hilft mit, dieses Ziel zu erreichen.The aim of this utility model application is therefore to expand the combined heat and power plant (CHP) to an energy converter with heat storage (EKP). Small power plants can be combined with corresponding storage systems on site at little additional cost. In this way, fuel consumption is further reduced compared to the current technology of large power plants and combined heat and power plants. The use of the latest developments in the fields of electronics, sensor and storage technology helps to achieve this goal.
Ausführungsbeispiele werden anhand der Figuren 1 bis 4 erläutert. Es zeigen: Examples of embodiments are explained using Figures 1 to 4. They show :
Fig. 1 Grundausführung eines EKW als Blockschaltbild Fig. 2. Wärmetausch- und GassensorikFig. 1 Basic design of an EKW as a block diagram Fig. 2. Heat exchange and gas sensors
Fig. 3. BrennstofflogistikFig. 3. Fuel logistics
Fig. 4. Nahwärmenetzwerk mit Fernüberwachung und thermischen Speichern zum Energieausgleich (load levelling)Fig. 4. District heating network with remote monitoring and thermal storage for energy balancing (load levelling)
Eine modulare Basis besteht aus thermischer Maschine(3), Generator (4), Abgaswärmetauscher (7/7a) mit internem Wärmespeicher (WSP) (2) und Abgaskamin (8), Steuereinheit (9) mit Anschlüssen für die Ladesensorik im WSP bzw. Füllstandssensorik im Tank (1), internem Überwachungssensor (10), Übergabeanschlüssen für Warmwasser (12a) und elektrische Energie (12b). Diese Einheit kann in eigenen Kleingebäuden vorzugsweise aus Fertigelementen, Containern, Kellerräumen usw. untergebracht sein.A modular base consists of a thermal machine (3), generator (4), exhaust gas heat exchanger (7/7a) with internal heat storage (WSP) (2) and exhaust gas chimney (8), control unit (9) with connections for the charging sensors in the WSP or fill level sensors in the tank (1), internal monitoring sensor (10), transfer connections for hot water (12a) and electrical energy (12b). This unit can be housed in its own small buildings, preferably made of prefabricated elements, containers, basements, etc.
Eine Versorgung mit chemischen Energie in Form von Brennstoff sollte aus Tanks (1), Silos (13) mit Förderbereich für Holz oder
Biomasse außerhalb des EKW (20) durchgeführt werden.
Ein Basisbetrieb der EKW über Gasnetze (13) würde der Vorstellung einer sicheren Nahenergiebereitstellung vorzugsweise am nächsten
kommen. Die besonders korrosionsgefährdeten Hausabzweige der Gaszuleitungen fallen weg und der Innenraumsensor (10) des EKW (20)
erkennt sowohl defekte Gaszuführungen wie auch Abgasbelastungen. Eine zukünftige Energieversorgung über Wasserstoff oder Synthesegas
fügt sich in dieses Konzept nahtlos ein.A supply of chemical energy in the form of fuel should be carried out from tanks (1), silos (13) with conveying area for wood or biomass outside the power plant (20).
A basic operation of the power plant via gas networks (13) would preferably come closest to the idea of a secure local energy supply. The house branches of the gas supply lines, which are particularly susceptible to corrosion, are eliminated and the interior sensor (10) of the power plant (20) detects both defective gas supplies and exhaust gas pollution. A future energy supply via hydrogen or synthesis gas fits seamlessly into this concept.
Die Steuereinheit (9) überwacht und reguliert den Betriebszustand der thermischen Maschine (3), erhält Informationen über Brennstoffvorrat (1, 12, 13), Wärmeenergiespeicher (WSP) (2), elektrische Kenndaten Generator. Bedarfsweise kann eine Datenfernübertragung (11) mit Dokumentation hinzugefügt werden.The control unit (9) monitors and regulates the operating state of the thermal machine (3), receives information about the fuel supply (1, 12, 13), thermal energy storage (WSP) (2), electrical characteristics of the generator. If necessary, a remote data transmission (11) with documentation can be added.
Die Wärmespeicher (2) sind bei größeren Anlagen wie die Tanks (1) außerhalb des MEK (20) vorzugsweise im Bereich der Übergabestationen für die Verbrauchereinheiten (14) untergebracht. In larger systems, the heat storage units (2) are located like the tanks (1) outside the MEK (20), preferably in the area of the transfer stations for the consumer units (14).
Das Energienetz erlaubt die individuelle Anpassung an die Zahl der Endverbraucher (14) und eine erhebliche Speicherung an Wärmenergie. Damit ist mittels Fernüberwachung (11) und einer zentralen Warte (15) der Betrieb mehrerer Einheiten und eine bis dato schwierige Anpassung der Erzeugung elektrischer Energie bzw. eine Entlastung der Großkraftwerke möglich.The energy network allows individual adaptation to the number of end users (14) and a significant amount of thermal energy to be stored. This means that remote monitoring (11) and a central control room (15) enable the operation of several units and a previously difficult adjustment of the generation of electrical energy or a reduction in the load on large power plants.
Das Gebrauchsmuster EKW wird sowohl in der Größe von 10 - 100 kWh, 100 - 1000 kWh und über 1000 kWh als auch in der Verknüpfung von Generatoren, Speicher und Steuerung modular aufgebaut. Damit sind ein rascher und kostenkünstiger Aufbau sowie ein preisgünstiger Einstieg vorgegeben.The EKW utility model is modular in size (10 - 100 kWh, 100 - 1000 kWh and over 1000 kWh) as well as in the connection of generators, storage and control. This allows for quick and cost-effective construction and a low-cost entry.
Grundmodell ANlO:Basic model ANlO:
10 kW-Gas- oder Heizölmotor, Generator für 220V Wechselspannung, 1000 1 Warmwasserspeicher, Gasversorgung oder 2000 - 10000 1 Öltank. 10 kW gas or heating oil engine, generator for 220V AC, 1000 1 hot water tank, gas supply or 2000 - 10000 1 oil tank.
Steuerung: Füllstandsensor Tank, Temperatursensor
Warmwasserspeicher, 24h-Verbrauchsmessung elektrische Energie,
Vorwärmung: Motor. Steuerung vorbereitet auf solarelektrische und
solarthermische Einspeisung Control: Tank level sensor, temperature sensor
Hot water tank, 24h consumption measurement of electrical energy,
Preheating: Engine. Control system prepared for solar electric and
solar thermal feed-in
Modularer Aufbau AN50/AN100/AN 500 mit 50, 250, 500 und 1000 kWModular design AN50/AN100/AN 500 with 50, 250, 500 and 1000 kW
Wärmespeicher, angepaßt an Verhältnisse: Module aus 10.000 1 Erdtanks oder ErdwärmespeicherHeat storage, adapted to conditions: Modules made of 10,000 1 underground tanks or geothermal storage
Grundmodell AS05:Basic model AS05:
Brenner für Biomasse, Holz, Kohle öl usw.Burners for biomass, wood, coal oil etc.
5 kW Stirlingmotor, Generator für 220V Wechselspannung, 1000 1 Warmwasserspeicher, 5 kWh-Bleibatterie Lager für Holz oder Biomasse, Gasversorgung oder 2000 - 10000 Heizöltank.5 kW Stirling engine, generator for 220V AC, 1000 1 hot water tank, 5 kWh lead battery storage for wood or biomass, gas supply or 2000 - 10000 heating oil tank.
Steuerung: Füllstandsensor Tank, Temperatursensor Warmwasserspeicher, 24h-Verbrauchsmessung elektrische Energie, Ladezustand der Batterie Control: Tank level sensor, hot water tank temperature sensor, 24-hour consumption measurement of electrical energy, battery charge level
Steuerung vorbereitet auf solarelektrische und solarthermische EinspeisungControl system prepared for solar-electric and solar-thermal feed-in
Modularer Aufbau AS20/AS50/AS100 mit 20, 50, 100 kW LeistungModular design AS20/AS50/AS100 with 20, 50, 100 kW output
Wärmespeicher, angepaßt an Verhältnisse: Module aus 20001 Kunststoffbehälter oder 5000 - 10.000 1 ErdtanksHeat storage, adapted to conditions: Modules made of 20001 plastic containers or 5000 - 10,000 1 underground tanks
Grundmodell ATlOO:Basic model ATlOO:
Brenner für Biomasse, Holz, Kohle öl usw.Burners for biomass, wood, coal oil etc.
100 kW-Gasturbine bzw. Dampfturbine Generator für 220/380V Wechselspannung, 10000 1 Erdtank als Warmwasserspeicher, Steuerung: Temperatursensor Warmwasserspeicher, 24h-Verbrauchsmessung elektrische Energie, Vorwärmung Turbine, Ladezustand der Batterie100 kW gas turbine or steam turbine generator for 220/380V AC, 10000 1 underground tank as hot water storage, Control: temperature sensor hot water storage, 24h consumption measurement electrical energy, preheating turbine, charge level of the battery
Modularer Aufbau AT500/AT1000 mit 500 und 1000 kW LeistungModular design AT500/AT1000 with 500 and 1000 kW output
Wärmespeicher, angepaßt an Verhältnisse: Module aus 10.000 1 Erdtanks oder ErdwärmespeicherHeat storage, adapted to conditions: Modules made of 10,000 1 underground tanks or geothermal storage
Die Steuerung der EKW ist auf einen vollautomatischen Betrieb mit Eigen- bzw. Option Fernüberwachung ausgerichtet. Übergeordneter Parameter ist der drehzahloptimierte Betrieb der Verbrennungsmaschine, sie wird über den Wärmespeicher oder eine Zusatzheizung vor dem Start auf eine untere Betriebstemperatur vorgewärmt und auf konstante Belastung eingefahren. Von diesen Belastungszuständen dienen zwei als Hochlast bzw. Niedriglast zum Ausgleich von Extremfällen. Ein Dritter stellt den Standardbetrieb dar und ist vorgegeben durch ein optimales Brennstoff-Luft-Gemisch, das den Stickoxid- und Kohlenmonoxidgehalt der Abgase minimiert.The control of the EKW is designed for fully automatic operation with internal or optional remote monitoring. The overriding parameter is the speed-optimized operation of the combustion engine; it is preheated to a lower operating temperature via the heat storage unit or an additional heater before starting and is brought to a constant load. Of these load conditions, two serve as high load or low load to compensate for extreme cases. A third represents standard operation and is specified by an optimal fuel-air mixture that minimizes the nitrogen oxide and carbon monoxide content of the exhaust gases.
Die erheblichen Anfahrverluste und der hohe Verschleiß einer thermischen
Maschine durch Wechselbetrieb werden durch zusammenhängende Laufzeiten von 3 bis 24 h pro 24-Stundenzyklus verringert.
Hierzu werden interaktiv jahres- und tageszeitliche Kennfelder des
Energieumsatzes erarbeitet und mit der Temperaturkurve des Wärmespeichers bzw. der Lade- und Entladekurve des Batteriespeichers
verglichen.The considerable start-up losses and the high wear of a thermal machine due to alternating operation are reduced by continuous running times of 3 to 24 hours per 24-hour cycle.
For this purpose, seasonal and daily characteristic maps of energy turnover are developed interactively and compared with the temperature curve of the heat storage or the charging and discharging curve of the battery storage.
Dadurch ergibt sich ebenfalls ein modularer Aufbau der Steuerung:This also results in a modular structure of the control system:
Grundmodul STOl:Basic module STOl:
Start und Abschaltung der thermischen Maschine oder des Brenners, aufgrund einer Grenztemperatur des Warmwasserspeichers bzw. eines Temperaturgradienten oder der Anforderung nach elektrischer Energie. Vorwärmung des Systems, Regelung des Lastbetriebes und Messung des Abgases.Starting and stopping the thermal machine or burner due to a limit temperature of the hot water tank or a temperature gradient or the requirement for electrical energy. Preheating of the system, control of the load operation and measurement of the exhaust gas.
Überwachung des BrennstoffSpeichers. Alarmgeber für erhöhte Brenngaskonzentration .Monitoring of the fuel storage. Alarm for increased fuel gas concentration.
Aufbaumodul ST02Extension module ST02
Kennfeldrechner mit AußenparametereingabeMap calculator with external parameter input
Aufbaumodul ST03Extension module ST03
Fernüberwachung, Video- und TransientenaufnähmeRemote monitoring, video and transient recording
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE29714867U1 (en) | 1997-02-26 | 1998-04-30 | Schluchter, Wolfgang, Prof. Dr., 67280 Ebertsheim | Upgrade unit to expand the functionality of a motor vehicle with an internal combustion engine for cogeneration and to the cogeneration plant |
| EP1281856A1 (en) | 2001-08-03 | 2003-02-05 | ELZET ELEKTROTECHNIK GmbH | Process for producing electrical energy |
| EP1541811A2 (en) * | 2003-09-18 | 2005-06-15 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Cogeneration system |
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- 1993-02-26 DE DE9302802U patent/DE9302802U1/en not_active Expired - Lifetime
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