EP1673522A2 - Brennstoffkleinkraftwerk und verwendung davon in einem verbundsystem sowie gegenkolbenmotor dafür - Google Patents

Brennstoffkleinkraftwerk und verwendung davon in einem verbundsystem sowie gegenkolbenmotor dafür

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EP1673522A2
EP1673522A2 EP04786784A EP04786784A EP1673522A2 EP 1673522 A2 EP1673522 A2 EP 1673522A2 EP 04786784 A EP04786784 A EP 04786784A EP 04786784 A EP04786784 A EP 04786784A EP 1673522 A2 EP1673522 A2 EP 1673522A2
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EP
European Patent Office
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small fuel
power plant
fuel power
counter
heat
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP04786784A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Otto Daude
Joachim Pfund
Joachim Simon
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Individual
Original Assignee
Individual
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Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N5/00—Exhaust or silencing apparatus combined or associated with devices profiting from exhaust energy
    • F01N5/02—Exhaust or silencing apparatus combined or associated with devices profiting from exhaust energy the devices using heat
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B41/00—Engines characterised by special means for improving conversion of heat or pressure energy into mechanical power
    • F02B41/02—Engines with prolonged expansion
    • F02B41/06—Engines with prolonged expansion in compound cylinders
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B75/00—Other engines
    • F02B75/28—Engines with two or more pistons reciprocating within same cylinder or within essentially coaxial cylinders
    • F02B75/282—Engines with two or more pistons reciprocating within same cylinder or within essentially coaxial cylinders the pistons having equal strokes
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G5/00—Profiting from waste heat of combustion engines, not otherwise provided for
    • F02G5/02—Profiting from waste heat of exhaust gases
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N2240/00—Combination or association of two or more different exhaust treating devices, or of at least one such device with an auxiliary device, not covered by indexing codes F01N2230/00 or F01N2250/00, one of the devices being
    • F01N2240/14—Combination or association of two or more different exhaust treating devices, or of at least one such device with an auxiliary device, not covered by indexing codes F01N2230/00 or F01N2250/00, one of the devices being a fuel burner
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23J—REMOVAL OR TREATMENT OF COMBUSTION PRODUCTS OR COMBUSTION RESIDUES; FLUES 
    • F23J2900/00—Special arrangements for conducting or purifying combustion fumes; Treatment of fumes or ashes
    • F23J2900/15081—Reheating of flue gases
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E20/00—Combustion technologies with mitigation potential
    • Y02E20/14—Combined heat and power generation [CHP]
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the present invention relates to a small fuel power plant for use in stand-alone operation or in a composite system.
  • the present invention relates to a counter-piston engine for preferred use in such a small fuel power plant.
  • greenhouse gases such as carbon dioxide, methane, nitrogen oxide, fluorocarbon and the like.
  • the term combined heat and power plant stands for decentralized power generation systems driven by internal combustion engines with simultaneous use of waste heat. In contrast to HKWs, the waste heat and at least parts of the electricity generated are consumed directly on site.
  • Proven internal combustion engines such as gasoline and diesel engines are primarily used as internal combustion engines in the known combined heat and power plants.
  • the ratio between the heat generated and the electricity generated is a fixed quantity and cannot be easily adapted to the respective needs. It is therefore necessary to decide which of the two forms of energy generated should be used as a control variable for the operation.
  • a heat-controlled mode of operation is mostly used, ie the need for heat from the consumer decides whether and with what output the internal combustion engine is operated.
  • electricity and heat fall always at the same time (coupled), whereby the heat removal is decisive in order not to thermally overload the internal combustion engine or the heat engine.
  • the invention has for its object to provide a small fuel power plant that can be used flexibly.
  • the invention relates to a small fuel power plant with flexibly coupled power and heat generation and the use of one or more of these
  • Small-scale fuel power plants in a network system that is flexible in its control and regulation, allows economical CO 2 -reduced power generation and at the same time can cover a correspondingly necessary heat requirement.
  • the subject of the invention is to propose and optimize an internal combustion engine which is particularly suitable for use in a small fuel power plant according to the invention.
  • the present invention describes a
  • Small fuel power plant comprising an internal combustion engine that has a mechanical efficiency of at least 50%.
  • the internal combustion engine is ' directly or indirectly coupled to at least one generator for power generation.
  • Direct is to be understood to mean that the generator is connected directly to a crankshaft of the internal combustion engine.
  • Both synchronous generators and asynchronous generators can be used as generators.
  • the small fuel power plant has at least one active heat exchanger, by means of which heat can be extracted from the exhaust gas.
  • the exhaust gas routing is integrated in the active heat exchanger.
  • a heating device is integrated into the active heat exchanger, by means of which heat can be supplied to the exhaust gas. This makes it possible to cover a possibly increased heat requirement for which the temperature of the exhaust gas would not be sufficient after leaving the internal combustion engine.
  • the present invention makes it possible, owing to the use of an internal combustion engine with a mechanical efficiency of over 50%, to create a small fuel-fired power plant with flexibly coupled power and heat generation which, even with little or no heat requirement, achieves an electrical efficiency which is economical Operation with environmentally friendly power generation guaranteed.
  • the waste heat generated during the combustion which is predominantly contained in the exhaust gas, can be used, which further improves the overall energy efficiency. If the heat requirement cannot be met by the waste heat, the exhaust gas can be heated further economically by means of the heating device.
  • the internal combustion engine is a counter-piston engine.
  • the counter-piston engine is characterized by a high mechanical efficiency, ie in the counter-piston engine a large part of the heat generated during combustion is converted into mechanical energy, which is why the exhaust gas temperature is low compared to a conventional diesel or gasoline engine.
  • This automatically leads to an improved mechanical efficiency, which in turn has a direct influence on the electrical efficiency.
  • the electrical efficiency in the case in which there is no or only a low heat requirement, ie only electricity is to be generated is higher in comparison to the conventional combined heat and power plant and the economy of the Small fuel power plant with essentially exclusive electricity production is improved.
  • the principle of the counter-piston engine requires two external crankshafts. Each of the two crankshafts can be equipped with its own separate generator.
  • the internal combustion engine can be technically designed for operation with gaseous, liquid or powdered fuels.
  • Liquid fuels are, for example, petroleum or other fuels of biogenic origin, such as vegetable oils (rapeseed, palm, mustard oil and used fat) or esterified forms thereof (vegetable fat or used fat methyl ester).
  • Gaseous fuels are, for example, natural gas, biogas or synthesis gas. Wood flour or coal dust could also be used as solid or powdered fuels. However, natural gas is preferably used, which is favorable in terms of the undesirable CO2 emissions.
  • the active heat exchanger is integrated in a buffer store (for heat / steam).
  • a buffer tank is to be understood as a kind of hot water boiler, for example.
  • the term is also intended to include a steam generator / store.
  • the integral design enables a compact unit to be created that can be set up in a space-saving manner in residential buildings or other buildings.
  • the heating device in the active heat exchanger is preferably a combustion chamber which is connected to the exhaust pipe, so that the exhaust gas can flow into the combustion chamber.
  • a fuel is supplied to this combustion chamber, which can be the same as the fuel of the internal combustion engine or also different.
  • a combustion in the combustion chamber turns the exhaust gas into heat fed.
  • the amount of fuel is regulated according to the heat requirement.
  • the heating device as a combustion chamber, any residual fuels which are still present in the exhaust gas and which have not been completely burned in the internal combustion engine can be burned almost completely, which in turn increases the overall energy efficiency of the system and reduces undesirable ones Emissions.
  • a by-pass line which leads the exhaust gas past the active heat exchanger and directs it directly into the chimney, enables flexible operation. In this case, the waste heat is not used.
  • the small fuel power plant of the present invention may include a control device that controls the performance of the internal combustion engine depending on the power requirement.
  • the excellent mechanical efficiency of the internal combustion engine makes it possible for the power with which the internal combustion engine is operated to be regulated solely on the basis of the electricity requirement.
  • the same or a separate control device advantageously controls the flow of the exhaust gas and the operation of the heating device depending on the heat requirement.
  • Small fuel power plants in power-consuming plants with other power plants and power feed-in points can be understood via a central control room or control in a supply area.
  • the power demand can be covered almost slidably.
  • voltage fluctuations can be smoothed out, so that liability " for voltage fluctuations and power failures can be reduced.
  • the small fuel power plants are operated in the network system under full load or in standby, so that in the network a higher electrical efficiency and a reduced fuel consumption
  • the standby operation is the result of the buffer storage (heat / steam) and the power supply from the low-voltage network.
  • the small fuel power plants provide in a network system small building blocks with low electrical power of 10kW and 200kW, which an almost sliding, needs-based capacity building / reduction without capacity check Revision and maintenance can be organized in an economically advantageous manner through a large number of small fuel power plants according to the invention in a network.
  • the network system includes (as mentioned above) small fuel power plants in electricity consumption plants, regional power plants and the national electricity supply, which are monitored and controlled / regulated by a control room.
  • the control room monitors and regulates the feeding of electricity into the network according to the electricity requirement, taking into account the specific parameters of the electricity supplying facilities.
  • the specific parameters include, for example, the current electricity generation and purchase costs as well as the network characteristic.
  • the small fuel power plants according to the invention are advantageously used to cover peak loads.
  • the network system has the task of to cover the peak loads. Among other things, can be achieved that the expensive peak load current can be provided almost sliding from the region in which the peak load occurs, at comparatively lower prices.
  • the network system can be, for example, an internal, a regional (supply area of municipal utilities) or a national network system.
  • a counter-piston engine is also proposed, which is particularly suitable for use in small fuel power plants according to the invention.
  • the counter-piston engine is designed in such a way that the two crankshafts running in synchronism with speed are coupled to one another via a transmission which is designed in such a way that at least one crankshaft deliberately deviates from a uniform rotary movement.
  • the advantage of this measure is that the small angular range of the crankshafts present in a conventional counter-piston engine (piston position just before / after TDC) within which there is approximately "synchronism" between the leading and trailing pistons can be specifically changed.
  • the transmission is preferably designed in such a way that the crankshaft of the leading / trailing piston or both is accelerated and decelerated twice during a rotation through 360 °. This measure significantly increases the angular range within which the pistons are "synchronized”.
  • Both crankshafts run according to the same speed as before, but the transmission is preferably designed by introducing one or two special intermediate gear pairs with oval (e.g. elliptical) wheels so that on the one hand the synchronous speed of the two crankshafts is maintained, the angular speed of the crankshaft over 360 ° of the leading / trailing piston or both is deliberately inconsistent.
  • FIG. 1 shows the block diagram of a small fuel power plant according to the invention with the possibility of flexibly coupled power and heat generation;
  • Fig. 2 shows the block diagram of the composite control is decentralized ⁇ ..stallierter, according to the invention fuel-small power plants;
  • FIG. 3 shows a schematic illustration of a counter-piston engine preferably used in a small fuel power plant according to the invention.
  • FIG. 4 shows a schematic illustration of an alternative counter-piston engine, which is preferably used in a small fuel power plant according to the invention. Ways of Carrying Out the Invention
  • the small fuel power plant which is generally designated by reference number 10, with flexibly coupled power and heat generation will also be referred to below as a small power plant.
  • the small power plant 10 has an internal combustion engine which is designed as a counter-piston engine 12.
  • the counter-piston engine drives one or both generators 20 and 22, which according to a preferred embodiment are asynchronous generators.
  • the generators 20 and 22 are flanged directly to the crankshafts of the counter-piston engine 12.
  • the electrical energy generated by the generators 20 and 22 is fed into the power grid in a suitable manner.
  • the power grid can be any suitable manner.
  • Small fuel power plant 10 may only be provided locally if the small fuel power plant is operated as a so-called isolated solution, or else it is the public power grid. Depending on the manner in which the small fuel power plant 10 shown in FIG. 1 is to be operated, in addition to suitable devices for feeding into the network, network monitoring can also take place in the structural unit 24.
  • the exhaust gas 18 of the counter-piston engine 12 Due to the very high mechanical efficiency of the engine, the exhaust gas 18 of the counter-piston engine 12 has a relatively low temperature which can be released directly into the atmosphere when there is no need for heat. This means that, in contrast to conventional CHP plants, the small fuel-fired power plant shown in FIG. 10 can only be operated in accordance with power requirements. If heat is requested, the exhaust gas 18 can be an active heat exchanger 26 run by heating the exhaust gas to a temperature which is economical for the heat exchange and then supplying the heat yield to the buffer store 28. By using the waste heat generated in the exhaust gas 18 during combustion in the counter-piston engine 12, the overall energy efficiency of the small power plant 10 is improved.
  • Small fuel power plant 10 can either be operated as an isolated unit as a so-called island solution, or else can be integrated into a network system, for which purpose the correspondingly required communication interfaces must be provided.
  • a communication interface 34 can also be provided, which can be controlled by means of remote data transmission 36 and enables the integration of the small fuel power plant 10 into a network system as described below.
  • FIG. 2 shows a schematic block diagram of a network control of many decentrally installed small fuel power plants 10, which are shown schematically with 10a-n and each provide electricity 32a-n and useful heat 30a-n.
  • the small fuel power plants lOa-n can be installed in individual buildings of different customers 40a-n and supply the respective customers with electricity and heat as required.
  • the heat that can be generated by the small fuel power plant 10 is not rigidly coupled to the electricity generated because the useful heat generated can be controlled separately by the use of the active heat exchanger. If a heating requirement is reported to a small fuel power plant that is at a standstill, it is started up automatically and operated with optimum electrical efficiency until the heating requirement is met.
  • both the small power plants lOa-n and the Customers 40a-n are coupled to the low-voltage network 36 of the public power supply of a regional electricity supplier 38. It is possible that electricity 34 from the small fuel power plants (the current 34a from the small power plant 10a is shown in FIG. 2) is fed into the low-voltage network 36 or that the customer obtains electricity 42 exclusively or additionally from the low-voltage network (in FIG 2, the power supply 42a of the customer 40a from the low-voltage network 36 is shown).
  • the regional electricity supplier 38 as operator of the low-voltage network 36, can also feed the low-voltage network via its own power generation 44 as well as via external power supply 46.
  • the respective small fuel power plants are exchanging information from a central system control room 48, which also communicates with the regional electricity supplier 38, so that the power demand can be covered almost smoothly in the power plant network formed thereby. Due to the availability of many small fuel power plants, voltage fluctuations can also be smoothed out.
  • the small fuel power plants 10 represent power plant capacities with low electrical power from 10 kW to 200 kW. In particular, the increasingly realized use of solar and wind energy increases the voltage fluctuations in regional networks, which are increasingly difficult to achieve through the connection of a few large power plants are mastered.
  • FIG. 3 schematically shows a preferred exemplary embodiment of the counter-piston engine 12, which is preferably used in the small power plant.
  • the counter-piston engine 12 has two external crankshafts 15, the angular position of which is matched to one another. This is achieved via a transverse shaft 11, which connects the two crankshafts with the aid of bevel gear drives 9 in synchronism with the speed.
  • the counter-piston engine is operated with a fuel-air mixture 16 and can be designed for gaseous, liquid and pulverized fuels.
  • the counter-piston engine 12 is operated with excess air, ie with an increased oxygen content than is necessary for the complete combustion of the fuel.
  • two pistons 7 each run in opposite directions in one or more cylinder tubes 8, "flushing" slots in the cylinder jacket for sucking in the fuel-air mixture and exhaust slots for blowing out the exhaust gas being opened or closed per revolution by the movement of the pistons.
  • the pistons are connected to crankshafts 15 via crank arms 17.
  • the two outer crankshafts 15 run at a synchronous speed, the respective top dead centers OT of the two pistons working against one another being offset in terms of angle, ie the crankshaft of the leading piston has a certain angular projection in front of the following piston.
  • the TDC position of the two plunger bases overlaps in this area. If the pistons entered their TDC at the same time, their collision would destroy the pistons and the entire engine.
  • the angular position of the crankshafts 15 is coordinated with one another such that for a short angular range, after which the leading piston has passed its TDC, the following piston enters its TDC.
  • the pistons are largely synchronized, within which the combustion of the fuel mixture from one to the other Piston bottoms introduced troughs formed quasi "closed combustion chamber" and thus provides the basis for the high mechanical efficiency of the counter-piston engine.
  • the angular range of the synchronism is substantially increased in the counter-piston engine according to FIG. 3.
  • the wheels forming the intermediate wheel pair 13 are designed as oval wheels (eg elliptical), the mean diameter of which corresponds exactly to that of the drive wheel of the second crankshaft.
  • the scope of engagement of the oval wheel is equal to that of the drive wheel of the second crankshaft, so that after each complete 360 ° rotation, both wheels are again in an identical position to one another.
  • the ratio of the large to the small oval diameter can be adjusted such that the angular range can be preselected in which the piston movements take place synchronously, i.e. with the combustion chamber closed at the same time.
  • Fig. 4 shows a preferred embodiment of a counter-piston engine with improved efficiency.
  • the stroke movements of the two pistons 7 are controlled by a two-roller system 4 running in the groove 3 via connecting rods 5 guided on the outside.
  • the two-roller system 4 ensures that the rollers in the groove 3 serving as a guideway basically cover the wall of the groove 3 in each case with the same direction of rotation during compression or Contact the blow-out stroke and therefore not be subject to wear from a single-roller guide that changes its direction of rotation depending on the stroke reversal. This principle also ensures the endurance stability of the engine.

Abstract

Ein Brennstoff-Kleinkraftwerk (10) umfasst einen Verbrennungsmotor (12), der ein bei der Verbrennung entstehendes Abgas (18) ausgibt, wobei der Verbrennungsmotor (12) einen mechanischen Wirkungsgrad von mindestens 50% aufweist. Das Brennstoff-Kleinkraftwerk umfasst weiterhin mindestens einen mit dem Verbrennungsmotor (12) gekoppelten Generator (20, 22) zur Stromerzeugung sowie einen aktiven Wärmetauscher (26) integriert in einem Pufferspeicher. Das Abgas wird entweder über einen By-Pass am Wärmeaustauscher vorbei oder durch die im Wärmetauscher enthaltene Heizeinrichtung geführt. Durch Zuführung von Brennstoff in die Heizeinrichtung kann die dem Pufferspeicher zugeführte thermische Leistung erhöht werden.

Description

Brennstoff-Kleinkraftwerk und Verwendung eines oder mehrerer dieser Brennstoff-Kleinkraftwerke in einem Verbundsystem sowie Gegenkolbenmotor für ein derartiges Brennstoff-Kleinkraftwerk
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Brennstoff-Kleinkraftwerk zur Verwendung im Inselbetrieb oder im Verbundsystem. Darüber hinaus bezieht sich die vorliegende Erfindung auf einen Gegenkolbenmotor zum bevorzugten Einsatz in einem derartigen Brennstoff-Kleinkraftwerk.
Stand der Technik
Aus Gründen des Klimaschutzes ist eine deutliche Reduzierung der für den Klimaschutz relevanten Emissionen erforderlich. Bei diesen relevanten Emissionen handelt es sich insbesondere um sog. Klimagase wie Kohlendioxid, Methan, Stickoxid, Fluorkohlenwasserstoff und ähnliche.
Ein bedeutender Teil der Treibhausgase resultiert aus der Verbrennung fossiler Energieträger wie Kohle, Öl und Erdgas. Um die weltweit angestrebte Verminderung der CO2 -Emissionen zu erreichen, müssen daher vor allem auf dem Energiesektor emissionsmindernde Maßnahmen getroffen werden. Als eine Möglichkeit die CO2 -Emissionen zu reduzieren galt lange Zeit die Kernkraft, weil sie im Vergleich zu anderen Kraftwerkstypen kaum CO2 produziert . Auf Grundlage der derzeitigen Entwicklung ist jedoch in vielen Ländern mit einem Ende der Kernkraftnutzung innerhalb der nächsten Jahrzehnte zu rechnen, so dass diese Lösung keine zukunftsorientierte Möglichkeit bietet.
Vor diesem Hintergrund ist man bestrebt, die CO2 -Belastungen durch Kraftwerke mit höheren elektrischen Wirkungsgraden, Kraft-Wärme-Kopplungen, CO2 -freie Stromerzeugungen und durch Einsatz erneuerbarer Energien zu vermindern.
Zu diesen Maßnahmen zählt auch die effizientere Umwandlung von Primärenergien (Kohle, Erdöl, Ergas) in Sekundärenergie (Strom, Wärme) . In diesem Zusammenhang sind Blockheizkraftwerke (BHKW) bekannt, die durch die Kraft-Wärme-Kopplung einen deutlich höheren energetischen Gesamtwirkungsgrad aufweisen als konventionelle Kraftwerke oder auch Heizkraftwerke (HKW) .
Der Begriff Blockheizkraftwerk steht in diesem Zusammenhang für dezentrale, mit Verbrennungsmaschinen angetriebene Stromerzeugungsanlagen mit gleichzeitiger Abwärmenutzung. Im Gegensatz zu HKWs werden die Abwärme und auch zumindest Teile des erzeugten Stroms direkt Vorort verbraucht.
Als Verbrennungskraftmaschinen kommen bei den bekannten Blockheizkraftwerken vor allem bewährte Verbrennungsmotoren wie Otto- und Dieselmotoren zum Einsatz. Bei derartigen Anlagen ist das Verhältnis zwischen erzeugter Wärme und erzeugtem Strom eine feste Größe und kann nicht ohne weiteres dem jeweiligen Bedarf angepasst werden. Man muss sich daher entscheiden, welche der beiden erzeugten Energieformen als Steuergröße für den Betrieb verwendet werden sollen. Bei den bekannten Blockheizkraftwerken kommt zumeist eine wärmegeführte Betriebsweise zum Einsatz, d. h. der Bedarf an Wärme des Verbrauchers entscheidet darüber, ob und mit welcher Leistung der Verbrennungsmotor betrieben wird. So fallen bei den bekannten Blockheizkraftwerken Strom und Wärme immer gleichzeitig (gekoppelt) an, wobei die Wärmeabnahme entscheidend ist, um den Verbrennungsmotor bzw. die Wärmekraftmaschine thermisch nicht zu überlasten.
Bei bekannten Blockheizkraftwerken ist der Betrieb der Anlage aus wirtschaftlicher Sicht nur dann zufrieden stellend, wenn über die Heizperiode hinaus ein ausreichender Wärmebedarf besteht . Da die Verbrennungsmotoren der bekannten Blockheizkraftwerke einen vergleichsweise geringen mechanischen Wirkungsgrad haben und die Wärmeverluste, d. h. die nutzbare Abwärme, relativ groß sind, ergibt sich die hohe Wirtschaftlichkeit hauptsächlich durch die Nutzung dieser Abwärme. Zur reinen Stromerzeugung ist dieser Kraf werkstyp in seiner bisherigen Ausgestaltung im Vergleich zu konventionellen Kraftwerken eher unwirtschaftlich.
Zusammenfassung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Brennstoff-Kleinkraftwerk zu schaffen, das flexible einsetzbar ist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Brennstoff-Kleinkraftwerk gemäß Patentanspruch 1, sowie dessen Verwendung nach Patentanspruch 13 und durch einen Gegenkolbenmotor gemäß Patentanspruch 19. Bevorzugte Ausführungsformen folgen aus den übrigen Ansprüchen.
Die Erfindung betrifft ein Brennstof -Kleinkraftwerk mit flexibel gekoppelter Strom- und Wärmeerzeugung und die Verwendung eines oder mehrerer dieser
Brennstoff-Kleinkraftwerke in einem Verbundsystem, das in seiner Steuerung und Regelung flexibel ist, eine wirtschaftliche CO2 -geminderte Stromerzeugung zulässt und zugleich einen entsprechend nötigen Wärmebedarf abdecken kann. Darüber hinaus ist Gegenstand der Erfindung einen Verbrennungsmotor vorzuschlagen und zu optimieren, der insbesondere für den Einsatz in einem erfindungsgemäßen Brennstoff-Kleinkraftwerk geeignet ist.
Die vorliegende Erfindung beschreibt ein
Brennstoff-Kleinkraftwerk umfassend einen Verbrennungsmotor, der einen mechanischen Wirkungsgrad von mindestens 50% aufweist .
Der Verbrennungsmotor ist zur ' Stromerzeugung mit mindestens einem Generator direkt oder indirekt gekoppelt . Unter direkt ist zu verstehen, dass der Generator unmittelbar mit einer Kurbelwelle des Verbrennungsmotors verbunden ist. Als Generatoren können sowohl Synchrongeneratoren, als auch Asynchrongeneratoren zum Einsatz kommen.
Ferner umfasst. das Brennstoff-Kleinkraftwerk mindestens einen aktiven Wärmetauscher, mittels dessen dem Abgas Wärme entzogen werden kann. Die Abgasführung ist in den aktiven Wärmetauscher integriert .
Darüber hinaus ist dem aktiven Wärmetauscher eine Heizeinrichtung integriert, mittels derer dem Abgas Wärme zuführbar ist. Dadurch wird ermöglicht, einen eventuell erhöhten Wärmebedarf zu decken, für den die Temperatur des Abgases nach dem Austritt aus dem Verbrennungsmotor nicht ausreichen würde.
Die produzierbare elektrische Leistung und damit der elektrische Wirkungsgrad des Brennstoff-Kleinkraftwerk hängt direkt von dem mechanische Wirkungsgrad des
Verbrennungsmotors ab. Ist der mechanische Wirkungsgrad hoch, so kann relativ zu der eingebrachten Energiemenge auch eine hohe elektrische Leistung erzielt werden. Bei Blockheizkraftwerken im Stand der Technik kommen wie zuvor erwähnt bewährte Motoren zum Einsatz, die jedoch einen vergleichsweise geringeren mechanischen Wirkungsgrad aufweisen. Der hohe energetische Gesamtwirkungsgrad bekannter Blockheizkraftwerke kommt durch die Kraft-Wärme-Kopplung zu Stande, also durch die möglichst vollständige Nutzung der Abwärme. Besteht kein oder nur ein geringer Wärmebedarf, können derartige Blockheizkraftwerke nur unwirtschaftlich Strom erzeugen. Im Gegensatz dazu ermöglicht die vorliegend Erfindung, aufgrund des Einsatzes eines Verbrennungsmotors mit mechanischem Wirkungsgrad von über 50% ein Brennstoff-Kleinkraftwerk mit flexibel gekoppelter Strom- und Wärmeerzeugung zu schaffen, das auch bei geringem oder keinem Wärmebedarf, einen elektrischen Wirkungsgrad erreicht, der einen wirtschaftlichen Betrieb unter umweltentlastender Stromerzeugung gewährleistet.
Besteht zusätzlich zum Strombedarf ein Wärmebedarf, so kann die bei der Verbrennung entstehende Abwärme, die überwiegend im Abgas enthalten ist, genutzt werden, wodurch sich der energetische Gesamtwirkungsgrad weiter verbessert. Kann der Wärmebedarf nicht durch die Abwärme gedeckt werden, so kann das Abgas mittels der Heizeinrichtung auf wirtschaftliche Weise weiter erwärmt werden.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Verbrennungsmotor ein Gegenkolbenmotor. Der Gegenkolbenmotor zeichnet sich durch einen hohen mechanischen Wirkungsgrad aus, d.h. beim Gegenkolbenmotor wird ein Großteil der bei der Verbrennung erzeugten Wärme in mechanische Energie umgesetzt, daher ist die Abgastemperatur vergleichsweise zu einem herkömmlichen Dieselmotor oder Ottomotor niedrig. Dies führt automatisch zu einem verbesserten mechanischen Wirkungsgrad, welcher wiederum direkten Einfluss auf den elektrischen Wirkungsgrad hat. Dadurch fällt der elektrische Wirkungsgrad in dem Fall, in dem kein oder nur ein geringer Wärmebedarf besteht, d.h. nur Strom erzeugt werden soll, im Vergleich zum konventionellen Blockheizkraftwerk höher aus und die Wirtschaftlichkeit des Brennstoff-Kleinkraftwerks bei im wesentlichen ausschließlicher Stromproduktion wird verbessert.
Das Prinzip des Gegenkolbenmotors bedingt zwei außenliegende Kurbelwellen. Jede der beiden Kurbelwellen kann dabei mit einem "eigenen" separaten Generator ausgerüstet sein.
Der Verbrennungsmotor kann für das Betreiben mit gasförmigen, flüssigen oder pulverförmigen Brennstoffen technisch ausgelegt werden. Flüssige Brennstoffe sind beispielsweise Erdöl oder andere Brennstoffe biogenen Ursprungs, wie pflanzliche Öle (Raps-, Palm-, Senföl und Altfett) oder veresterte Formen davon (Pflanzenfett- oder Altfettmethylester) . Gasförmige Brennstoffe sind beispielsweise Erdgas, Biogas oder Synthesegas. Auch Holzmehl oder Kohlestaub könnten als feste bzw. pulverförmige Brennstoffe zum Einsatz kommen. Vorzugsweise wird jedoch Erdgas verwendet, welches in Bezug auf die unerwünschten CO2-Emissionen günstig ist.
Bei einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der aktive Wärmetauscher in einem Pufferspeicher (für Wärme/Dampf) integriert. In diesem Zusammenhang ist unter einem Pufferspeicher beispielsweise eine Art Warmwasserboiler zu verstehen. Der Begriff soll ferner auch einen Dampferzeuger/-speicher einschließen. Durch die integrale Ausbildung kann eine kompakte Einheit geschaffen werden, die platzsparend in Wohnhäusern oder anderen Gebäuden aufstellbar ist .
Bei der Heizeinrichtung im aktiven Wärmetauscher handelt es sich vorzugsweise um einen Brennraum, der mit der Abgasleitung verbunden ist, so dass das Abgas in den Brennraum strömen kann. Zur Erwärmung wird diesem Brennraum ein Brennstoff zugeführt, der gleich dem Brennstoff des Verbrennungsmotors sein kann oder auch unterschiedlich. Durch eine Verbrennung in dem Brennraum wird dem Abgas Wärme zugeführt. Die Brennstoffmenge wird dabei entsprechend dem Wärmebedarf geregelt. Durch eine derartige Ausgestaltung wird ein hoher energetischer Wirkungsgrad erreicht. Dies ist dadurch begründet, dass dem Brennraum gemeinsam mit dem Abgas vorgewärmter Sauerstoff zugeführt wird, der die Verbrennung entsprechend fördert. Dieser Vorteil kommt zum Tragen, weil das Antriebsaggregat (Verbrennungsmotor) mit Luftüberschuss gefahren wird. Darüber hinaus kann durch Ausgestaltung der Heizeinrichtung als Brennraum erreicht werden, dass eventuell noch in dem Abgas vorhandene Rest-Brennstoffe, die im Verbrennungsmotor nicht vollständig verbrannt wurden, nahezu restlos verbrannt werden, was wiederum zu einer Steigerung des energetischen Gesamtwirkungsgrades der Anlage und zur Verminderung unerwünschter Emissionen beiträgt.
Durch eine By-Pass-Leitung, die das Abgas an dem aktiven Wärmetauscher vorbeiführt und direkt in den Kamin leitet, kann eine flexible Betriebsführung erreicht werden. In diesem Fall wird die Abwärme nicht genutzt.
Das Brennstoff-Kleinkraftwerk der vorliegenden Erfindung kann eine Regelungseinrichtung umfassen, welche die Leistung des Verbrennungsmotors abhängig vom Strombedarf regelt. Der hervorragende mechanische Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors macht es möglich, dass die Leistung, mit welcher der Verbrennungsmotor gefahren wird, ausschließlich auf Grundlage des Strombedarfs geregelt werden kann.
Vorteilhafterweise regelt die gleiche oder eine separate Regelungseinrichtung die Strömung des Abgases und den Betrieb der Heizeinrichtung abhängig vom Wärmebedarf. Durch diese und die vorstehende Regelungseinrichtung lässt sich ein weitgehend vom Wärmebedarf entkoppelter Betrieb des Brennstoff-Kleinkraftwerks verwirkliche .
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ferner die Verwendung eines zuvor beschriebenen Brennstoff-Kleinkraftwerks in einem Verbund bzw. Verbundsystem vorgeschlagen. Unter einem Verbundsystem soll der Zusammenschluss von
Brennstoff-Kleinkraftwerken in stromverbrauchenden Anlagen mit anderen Kraftwerken und Stromeinspeisungspunkten über eine zentrale Warte bzw. Steuerung in einem Versorgungsgebiet verstanden werden. Durch die Verwendung mehrerer erfindungsgemäßer Brennstoff-Kleinkraftwerke in einem ■ Verbundsystem kann die Stromnachfrage nahezu gleitend gedeckt werden. Gleichzeitig können SpannungsSchwankungen geglättet werden, so dass damit Haftungsfälle" für SpannungsSchwankungen und Stromausfall gesenkt werden können. Die Brennstoff-Kleinkraftwerke werden im Verbundsystem unter Volllast gefahren oder im Stand-by gehalten, so dass sich im Verbund ein höherer elektrischer Wirkungsgrad und ein verminderter Brennstoffverbrauch bei entsprechend geringerer Cθ2-Emission als im Inselbetrieb der erfindungsgemäßen Klein-Kraftwerke ergibt. Der Stand-by Betrieb ist Resultat des Pufferspeichers (Wärme/Dampf) und der Stromversorgung aus dem Niederspannungsnetz. Ferner ist vorteilhaft, dass bei Steuerung und Überwachung der Brennstoff-Kleinkraftwerke im Verbund weniger Kraftwerks- und Netzkapazitäten gebaut werden müssen. Die Brennstoff-Kleinkraftwerke stellen in einem Verbundsystem kleine Bausteine mit geringer elektrischer Leistung von 10kW und 200kW bereit, die einen nahezu gleitenden, bedarfsgerechten Kapazitätsauf/-abbau ohne Kapazitätssprünge zulassen. Durch eine Vielzahl an erfindungsgemäßen Brennstoff-Kleinkraftwerken im Verbund können Revision und Instandhaltung wirtschaftlich vorteilhaft organisiert werden.
Das Verbundsystem umfasst dabei (wie oben erwähnt) stromliefernde Brennstoff-Kleinkraftwerke in Stromverbrauchsanlagen, regionale Kraftwerke und den überregionalen Strombezug, die über eine Warte überwacht und gesteuert/geregelt werden. Die Warte überwacht und regelt Stromeinspeisung ins Netz entsprechend dem Strombedarf unter Berücksichtigung der spezifischen Parameter der stromliefernden Einrichtungen. Die spezifischen Parameter umfassen beispielsweise die aktuellen Stromerzeugungs- und Strombezugskosten sowie die Netzkennlinie.
Vorteilhafterweise werden die erfindungsgemäßen Brennstoff-Kleinkraftwerke zur Abdeckung von Spitzenlasten verwendet. Das Verbundsystem hat die Aufgabe, den Strombedarf incl . der Spitzenlasten abzudecken. Damit kann u.a. erreicht werden, dass in der Regel der teure Spitzenlaststrom nahezu gleitend aus derjenigen Region, in der die Spitzenlast auftritt, zu vergleichsweise niedrigeren Preisen bereitgestellt werden kann.
Das Verbundsystem kann beispielsweise ein unternehmensinternes, ein regionales (Versorgungsbereich von Stadtwerken) oder ein überregionales Verbundsystem sein.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ferner ein Gegenkolbenmotor vorgeschlagen, der insbesondere für den Einsatz in erfindungsgemäßen Brennstoff-Kleinkraftwerken geeignet ist. Der Gegenkolbenmotor ist nach einer bevorzugten Ausführungsform so ausgestaltet, dass die beiden drehzahlsynchron laufenden Kurbelwellen über ein Getriebe miteinander gekoppelt sind, das so ausgestaltet ist, dass mindestens eine -Kurbelwelle gezielt von einer gleichförmigen Drehbewegung abweicht. Der Vorteil dieser Maßnahme besteht darin, dass der bei einem üblichen Gegenkolbenmotor vorhandene kleine Winkelbereich der Kurbelwellen (Kolbenposition kurz vor/nach OT) innerhalb dessen annähernd "Gleichlauf" zwischen dem vorlaufenden und dem nachlaufenden Kolben besteht, gezielt verändert werden kann. Innerhalb dieses Winkelbereichs des "Gleichlaufs" läuft die Verbrennung des Kraftstoffes in der/den in die Kolbenböden eingebrachten Mulden ab. Durch gezielte Beeinflussung des Zeitraumes, innerhalb dessen die Verbrennung stattfindet, lässt sich der Wirkungsgrad des Gegenkolbenmotors erhöhen. Vorzugsweise ist das Getriebe so gestaltet, dass die Kurbelwelle des vor-/nachlaufenden Kolbens oder beider während einer Drehung um 360° gezielt zweimal beschleunigt und verzögert wird. Durch diese Maßnahme wird der Winkelbereich, innerhalb dessen ein "Gleichlauf" der Kolben vorliegt, wesentlich vergrößert. Beide Kurbelwellen laufen nach -wie vor drehzahlsynchron, doch wird das Getriebe vorzugsweise durch das Einbringen eines oder zweier spezieller Zwischenräder-Paares mit ovalen (z.B. elliptischen) Rädern so ausgestaltet, dass einerseits die Synchrondrehzahl der beiden Kurbelwellen aufrechterhalten wird, die Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle über 360° des vor-/nachlaufenden Kolbens oder beider jedoch gezielt inkonstant ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Nachfolgend wird die Erfindung rein beispielhaft anhand der beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in- denen
Fig. 1 das Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Brennstoff-Kleinkraftwerks mit der Möglichkeit einer flexibel gekoppelten Kraft-Wärme-Erzeugung darstellt;
Fig. 2 das Blockschaltbild der VerbundSteuerung dezentral ^..stallierter, erfindungsgemäßer Brennstoff-Kleinkraftwerke zeigt; und
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines bevorzugt bei einem erfindungsgemäßen Brennstoff-Kleinkraftwerk eingesetzten Gegenkolbenmotors zeigt; und
Fig. 4 eine schematische Darstellung eines alternativen, bevorzugt bei einem erfindungsgemäßen Brennstoff-Kleinkraftwerk eingesetzten Gegenkolbenmotors zeigt. Wege zur Ausführung der Erfindung
In den nachfolgenden Figuren werden jeweils dieselben Elemente mit identischen Referenzziffern bezeichnet.
In Fig. 1 ist das Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Brennstoff-Kleinkraftwerks gezeigt. Das allgemein mit Referenzziffer 10 bezeichnete Brennstoff-Kleinkraftwerk mit flexibel gekoppelten Kraft-Wärme-Erzeugung wird im folgenden auch als Kleinkraftwerk bezeichnet werden. Das Kleinkraftwerk 10 weist einen Verbrennungsmotor auf, der als Gegenkolbenmotor 12 ausgeführt ist.
Der Gegenkolbenmotor treibt einen oder beide Generatoren 20 und 22 an, die nach einer bevorzugten Ausführungsform Asynchrongeneratoren sind. Die Generatoren 20 und 22 sind direkt an die Kurbelwellen des Gegenkolbenmotors 12 angeflanscht. Die von den Generatoren 20 und 22 erzeugte elektrische Energie wird in geeigneter Weise in das Stromnetz eingespeist. Das Stromnetz kann bei dem
Brennstoff-Kleinkraftwerk 10 nur lokal vorgesehen sein, wenn das Brennstoff-Kleinkraftwerk als sogenannte Insellösung betrieben wird, oder aber auch das öffentliche Stromnetz sein. Je nachdem, auf welche Weise das in Fig. 1 dargestellte Brennstoff-Kleinkraftwerk 10 betrieben werden soll, kann in der Baueinheit 24 neben geeigneten Einrichtungen zur Netzeinspeisung auch eine Netzüberwachung stattfinden.
Das Abgas 18 des Gegenkolbenmotors 12 besitzt aufgrund des sehr hohen mechanischen Wirkungsgrades des Motors eine relativ geringe Temperatur, die direkt an die Atmosphäre abgegeben werden kann, wenn kein Wärmebedarf besteht. Dies bedeutet, dass im Unterschied zu herkömmlichen BHKW, das in Fig. 10 dargestellte Brennstoff-Kleinkraftwerk ausschließlich strombedarfs-orientiert betrieben werden kann. Wird Wärme angefordert, so kann das Abgas 18 einen aktiven Wärmetauscher 26 durchlaufen, indem das Abgas auf eine für den Wärmeaustausch wirtschaftliche Temperatur aufgeheizt und anschließend die Wärmeausbeute dem Pufferspeicher 28 zuführt wird. Indem die bei der Verbrennung im Gegenkolbenmotor 12 entstehende Abwärme im Abgas 18 genutzt wird, wird der energetische Gesamtwirkungsgrad des Kleinkraftwerkes 10 verbessert .
Wie oben bereits dargelegt wurde, kann das
Brennstoff-Kleinkraftwerk 10 entweder als isolierte Einheit als sogenannte Insellösung betrieben werden, oder aber in ein Verbundsystem eingebunden sein, wozu die entsprechend benötigten Kommunikationsschnittstellen bereitgestellt werden müssen. Somit kann neben der ohnehin vorzusehenden Steuerung und Überwachung 32 des Brennstoff-Kleinkraftwerkes 10 auch eine Kommunikationsschnittstelle 34 vorgesehen sein, die mittels einer Datenfernübertragung 36 ansteuerbar ist und die nachfolgend geschilderte Einbindung des Brennstoff-Kleinkraftwerks 10 in ein Verbundsystem ermöglicht.
Fig. 2 zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer Verbundsteuerung vieler dezentral installierter Brennstoff-Kleinkraftwerke 10, die schematisch mit lOa-n dargestellt sind und jeweils Strom 32a-n und Nutzwärme 30a-n bereitstellen. Die Brennstoff-Kleinkraftwerke lOa-n können dabei in einzelnen Gebäuden der unterschiedlichen Kunden 40a-n installiert sein und die jeweiligen Kunden mit Strom und Wärme bedarfsgerecht versorgen. Wie oben erwähnt, ist die mit dem Brennstoff-Kleinkraftwerk 10 erzeugbare Wärme nicht starr an den erzeugten Strom gekoppelt, weil durch die Verwendung des aktiven Wärmetauschers die erzeugte Nutzwärme separat steuerbar ist . Wird einem im Stillstand befindlichen Brennstoff-Kleinkraftwerk ein Wärmebedarf gemeldet, wird es automatische angefahren und mit elektrisch optimalen Wirkungsgrad bis zur Deckung des Wärmebedarfs betrieben. Daher sind sowohl die Kleinkraftwerke lOa-n wie auch die Kunden 40a-n mit dem Niederspannungsnetz 36 der öffentlichen Stromversorgung eines regionalen Stromversorgers 38 gekoppelt. Es ist sowohl möglich, dass von dem Brennstoff-Kleinkraftwerken Strom 34 (in Fig. 2 ist der Strom 34a aus dem Kleinkraftwerk 10a dargestellt) in das Niederspannungsnetz 36 eingespeist wird oder aber der Kunde ausschließlich oder zusätzlich Strom 42 aus dem Niederspannungsnetz bezieht (in Fig. 2 ist der Strombezug 42a des Kunden 40a aus dem Niederspannungsnetz 36 dargestellt) . Der regionale Stromversorger 38 als Betreiber des Niederspannungsnetzes 36 kann darüber hinaus das Niederspannungsnetz über eigene Stromerzeugung 44 als auch über Fremdstrombezug 46 speisen.
Um die gesamte Verbundsteuerung sinnvoll betreiben zu können, sind ein geeigneter Informationsfluss sowie Regel- und Steuerbefehle erforderlich, die in Fig. 2 durch unterbrochene Pfeillinien zur Abgrenzung gegen die mit durchgezogenen Pfeilen dargestellten Energieflüsse an Strom und Wärme gezeichnet sind. Von einer zentralen Systemwarte 48 aus, die auch mit dem regionalen Stromversorger 38 kommuniziert, sind die jeweiligen Brennstoff-Kleinkraftwerke im Informationsaustausch, so dass in dem dadurch gebildeten Kraftwerksverbund die Stromnachfrage nahezu gleitend gedeckt werden kann. Aufgrund der Verfügbarkeit vieler Brennstoff-Kleinkraftwerke können zudem SpannungsSchwankungen geglättet werden. Die Brennstoff-Kleinkraftwerke 10 stellen in dem dargestellten Verbundsystem Kraftwerkskapazitäten mit geringer elektrischer Leistung von 10kW bis 200kW dar. Insbesondere der in zunehmendem Maße realisierte Einsatz von Sonnen- und Windenergie erhöht die Spannungsschwankungen in regionalen Netzen, die über den Verbund einiger weniger Großkraftwerke zunehmend schwerer zu beherrschen sind. Durch die Einbindung der erfindungsgemäßen
Brennstoff-Kleinkraftwerke mit der Verbundsteuerung wird die Beseitigung der NetzSchwankungen deutlich vereinfacht. Fig. 3 zeigt schematisch ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des vorzugsweise im Kleinkraftwerk verwendeten Gegenkolbenmotors 12. Der Gegenkolbenmotor 12 weist zwei außenliegende Kurbelwellen 15 auf, die in ihrer Winkelstellung aufeinander abgestimmt sind. Dies wird über eine Querwelle 11 erreicht, welche die beiden Kurbelwellen mit Hilfe von Kegelradgetrieben 9 drehzahlsynchron verbindet. Der Gegenkolbenmotor wird mit einem Treibstoff-Luftgemisch 16 betrieben und kann für gasförmige, flüssige und pulverisierte Brennstoffe ausgelegt werden. Der Gegenkolbenmotor 12 wird mit Luftüberschuss betrieben, d.h. mit einem erhöhten Sauerstoffgehalt als dies für die vollständige Verbrennung des Treibstoffes nötig ist.
In einem Gegenkolbenmotor laufen in einem oder mehreren Zylinderrohren 8 je zwei Kolben 7 gegenläufig, wobei im Zylindermantel vorhandene "Spül"schlitze zum Ansaugen des Brennstoff-Luftgemisches und Auspuffschlitze zum Ausblasen des Abgases durch die Bewegung der Kolben jeweils pro Umdrehung geöffnet bzw. geschlossen werden. Die Kolben sind über Kurbelschwingen 17 mit den Kurbelwellen 15 verbunden. Die beiden außenliegenden Kurbelwellen 15 laufen mit synchroner Drehzahl, wobei die jeweiligen oberen Totpunkte OT der beiden gegeneinander arbeitenden Kolben winkelversetzt sind, d.h. die Kurbelwelle des vorlaufenden Kolbens hat einen gewissen Winkelvorsprung vor dem nachfolgenden Kolben. Die OT-Lage der beiden Kplbenböden überschneidet sich in diesem Bereich. Bei einem gleichzeitigen Einlaufen der Kolben in ihren OT würde ihre Kollision zu einer Zerstörung der Kolben und des gesamten Motors führen. Aus diesem Grund ist die Winkelstellung der Kurbelwellen 15 zueinander so abgestimmt, dass für einen kurzen Winkelbereich, nach dem der vorlaufende Kolben seinen OT durchlaufen hat, der nachfolgende Kolben in seinen OT einläuft. Damit ergibt sich für diesen kleinen Winkelbereich unter größter Annäherung der Kolben ein weitestgehender Gleichlauf der Kolben, innerhalb dessen die Verbrennung des Kraftstoffgemischs in einer aus in die Kolbenböden eingebrachten Mulden gebildeten quasi "geschlossenen Brennkammer" abläuft und so die Grundlage für den hohen mechanischem Wirkungsgrad des Gegenkolbenmotors erbringt .
Um den Wirkungsgrad zu erhöhen, ist bei dem Gegenkolbenmotor nach Fig. 3 der Winkelbereich des Gleichlaufs wesentlich vergrößert. Durch das Einbringen mindestens eines speziellen Zwischenräder-Paares 13 in das die Kurbelwellen 15 synchron verbindende Getriebe 9 wird einerseits während einer 360° Drehung zweimal je eine Beschleunigung wie auch eine Verzögerung der bisher stets gleichförmigen
Drehgeschwindigkeit der den vorlaufenden Kolben antreibenden Kurbelwelle erreicht. Da gleichzeitig aber die synchrone Drehfrequenz beider Kurbelwellen über 360° sicherzustellen ist, werden die das Zwischenräder-Paar 13 bildenden Räder als Oval-Räder (z.B. elliptisch) ausgebildet, deren mittlerer Durchmesser exakt dem des Antriebsrades der zweiten Kurbelwelle entspricht. Mit anderen Worten ist der Eingriffsumfang des Oval-Rades gleich dem des Antriebsrades der zweiten Kurbelwelle, so dass beide Räder nach einer jeweiligen vollständigen 360° Drehung wieder in identischer Position zueinander stehen.- Das Verhältnis des großen zum kleinen Ovaldurchmesser ist dabei so einstellbar, dass der Winkelbereich vorgewählt werden kann, in dem die Kolbenbewegungen synchron, also mit gleichsam geschlossener Brennkammer, ablaufen. Die Lage der Hauptachsen des ovalen Räderpaares in Bezug auf den OT des vorlaufenden Kolbens für den gewünschten Winkelbereich der "Gleichlaufphase" der beiden Kolben ist festzulegen. Dabei ist die Wahl der Relation großer zu kleinem Ovaldurchmesser nicht beliebig, weil durch die Kinematik des Kurbelwellenant iebs wie auch durch mechanische Restriktionen einer entsprechenden Vergrößerung des gewollten Winkelbereichs Grenzen gesetzt sind. Fig. 4 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines Gegenkolbenmotors mit verbessertem Wirkungsgrad. Der oben beschriebene Effekt einer Vergrößerung des Winkelbereichs, in welchem beide Kolben 7 quasi im Gleichlauf bei größtmöglicher Annäherung zueinander eine geschlossene Brennkammer bilden, wird durch eine jeweils auf die Außen liegenden Wellen 15 drehstarr montierte Kurvenscheibe 1, 2 mit eingearbeiteter Nut 3 erreicht. Hierzu werden die Hubbewegungen der beiden Kolben 7 durch jeweils ein in der Nut 3 laufendes Zwei-Rollen-System 4 über Außen geführte Pleuel 5 gesteuert. Das Außen im Außenlager 6 verdrehsicher geführte, zentrisch mit dem Kolben 7 verbundene Pleuel 5 verhindert das Auftreten von Querkräften, respektive das bei der üblichen Anbindung Kolben/Pleuel/Kurbelwelle nicht zu vermeidende Kippmoment des Kolbens im jeweiligen Umkehrpunkt des Kolbenhubes und steigert damit die Dauerlauf-Standfestigkeit des Motors.
Das Zwei-Rollen-System 4 sichert, dass die Rollen in der als Führungsbahn dienenden Nut 3 die Wandung der Nut 3 grundsätzlich jeweils drehrichtungsgleich bei Verdichtungsbzw. Ausblashub kontaktieren und damit nicht dem Verschleiß einer Ein-Rollen-Führung unterliegen, die je Hubumkehr jeweils ihre Drehrichtung ändert. Dieses Prinzip sichert ebenfalls die Dauerlauf-Standfestigkeit des Motors.
Fertigungstechnisch und hinsichtlich der Möglichkeit, die Phase des Gleichlaufs der Kolben 7 mit quasi geschlossener Brennkammer in Bezug auf eine Optimierung des erreichbaren mechanischen Wirkungsgrades bestmöglich zu gestalten, ist diese technische Lösung der vorstehend beschriebenen unter Verwendung eines Oval-Räder-Paares im Getriebestrang sogar noch überlegen. Wie bei der voranstehenden Ausführungsform sind die beiden Außen liegenden, die Kurvenscheiben 1, 2 tragenden Wellen 15 untereinander beispielsweise über Kegelräder 9 und eine Querwelle 11 synchron verbunden. Durch das voranstehend im Detail beschriebene Brennstoff-Kleinkraftwerk lässt sich aufgrund des hohen mechanischen Wirkungsgrades des verwendeten Gegenkolbenmotors ein strombedarfsorientiertes, äußerst variables Betreiben der Anlage realisieren, das bei Einbindung des erfindungsgemäßen Brennstoff-Kleinkraftwerks in eine Verbundsteuerung beträchtliche Vorteile für den Versörgungsverantwortlichen mit sich bringt .

Claims

P A T E N T AN S P R Ü C H E
1. Brennstoff-Kleinkraftwerk (10) umfassend einen Verbrennungsmotor (12) , der ein bei der Verbrennung entstehendes Abgas (18) ausgibt, wobei der Verbrennungsmotor (12) einen mechanischen Wirkungsgrad von mindestens 50% aufweist, mindestens einen mit dem Verbrennungsmotor (12) gekoppelten Generator (20, 22) zur Stromerzeugung, mindestens einen aktiven Wärmetauscher (26) , mittels dessen dem Abgas Wärme entziehbar ist, und der mindestens eine Heizeinrichtung aufweist.
2. Brennstoff-Kleinkraftwerk nach Anspruch 1, wobei der Verbrennungsmotor ein Gegenkolbenmotor (12) ist.
3. Brennstoff-Kleinkraftwerk nach Anspruch 2, wobei der Gegenkolbenmotor (12) ein oder Generatoren aufweist, die je einzeln an eine der beiden Kurbelwellen gekoppelt sind.
4. Brennstoff-Kleinkraftwerk nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Verbrennungsmotor (12) für das Betreiben mit gasförmigen oder flüssigen oder pulverförmigen Brennstoffen ausgelegt ist.
5. Brennstoff-Kleinkraftwerk nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei ein zweiter Wärmetauscher in einen Kühlkreislauf des Verbrennungsmotors integriert ist.
6. Brennstoff-Kleinkraftwerk nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der aktive Wärmetauscher (26) Wärme/Dampf erzeugt und in einen Pufferspeicher integriert ist .
7. Brennstoff-Kleinkraftwerk nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Heizeinrichtung des aktiven Wärmetauschers (26) eine Brennraum ist, durch den das Abgas strömt und in den zur Leistungssteigerung für die Wärme- und Dampferzeugung Brennstoff zur Verbrennung zuführbar ist.
8. Brennstoff-Kleinkraftwerk nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Brennstoff-Kleinkraftwerk eine elektrische Leistung von 10kW bis 200kW liefert.
9. Brennstoff-Kleinkraftwerk nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Brennstoff-Kleinkraftwerk eine By-Pass-Leitung umfasst, die das Abgas an dem aktiven Wärmetauscher (26) vorbeiführt.
10. Brennstoff-Kleinkraftwerk nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Brennstoff-Kleinkraftwerk eine Regeleinrichtung umfasst, die die Leistung des Verbrennungsmotors abhängig vom Strombedarf regelt .
11. Brennstoff-Kleinkraftwerk nach Anspruch 9, wobei die Regeleinrichtung die Strömung des Abgases und den Betrieb der Heizeinrichtung abhängig vom Wärmebedarf regelt .
12. Verwendung eines oder mehrerer der Brennstoff-Kleinkraftwerke (10a, 10b, ... lOn) nach einem der vorstehenden Ansprüche in einem Verbundsystem.
13. Verwendung nach Anspruch 12 , wobei das Verbundsystem stromliefernde Einrichtungen (44, 46, 10a, 10b, ... lOn) und stromverbrauchende Anlagen (40a, 40b, ... 40n) aufweist, sowie eine zentrale Steuerung/Regelung (48) hat, die auf Grundlage des Strombedarfs der stromverbrauchenden Einrichtungen (40a, 40b, ... 40n) im Versorgungsgebiet unter Berücksichtung spezifischer Parameter der stromliefernden Einrichtungen die Leistung dieser individuell steuert, um den Strombedarf zu decken.
14. Verwendung nach Anspruch 12 oder 13, wobei die Brennstoff-Kleinkraftwerke zur Abdeckung von Spitzenlasten verwendet werden.
15. Verwendung nach Anspruch 13, wobei die spezifischen Parameter der stromliefernden Einrichtungen technische und wirtschaftliche Steuer- und Regeldaten sind.
16. Verwendung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, wobei das Verbundsystem ein unternehmensinternes Verbundsystem ist; insbesondere für Prozesswärme/-dampf mit unterschiedlichen Temperaturen, Drücken und Wärmeleistungen.
17. Verwendung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, wobei das Verbundsystem ein regionales Verbundsystems ist.
18. Verwendung nach Anspruch 16, wobei das Verbundsystem ein Teil eines überregionalen Verbundsystems ist.
19. Gegenkolbenmotor, insbesondere für ein Brennstoff-Kleinkraftwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden drehzahlsynchron betriebenen Kurbelwellen (15) so miteinander gekoppelt sind, dass mindestens eine Kurbelwelle gezielt von einer gleichförmigen Drehbewegung bei gleichbleibender Drehfrequenz abweicht.
20. Gegenkolbenmotor nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Kurbelwellen (15) über ein Getriebe (9) miteinander gekoppelt sind, dass so gestaltet ist, dass die Kurbelwelle des vorlaufenden Kolbens während einer Drehung um 360° gezielt zweimal beschleunigt und verzögert wird.
21. Gegenkolbenmotor nach Anspruch 19 oder Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe (9) mindestens ein ovales (z.B. elliptisches) Zwischenräder-Paar (13) aufweist .
22. Gegenkolbenmotor nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass auf beiden Kurbelwellen (15) Kurvenscheiben (1, 2) drehstarr montiert sind, welche die Bewegung von Pleueln (5) steuern.
23. Gegenkolbenmotor nach Anspruch 22, weiter umfassend ein Zwei-Rollen-System (4) , das jeweils an den Pleueln (5) montiert ist und in einer Nut (3) der Kurvenscheiben (1, 2) angeordnet ist.
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Families Citing this family (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102005042817B3 (de) * 2005-09-09 2006-12-14 Eads Deutschland Gmbh Verfahren zum Betrieb einer kombiniertem Energieversorgungs- und Klimaanlage
NL1035584C2 (nl) * 2008-06-16 2009-12-17 Oost Holding B V Inrichting en werkwijze voor het reinigen van rookgassen.
DE102011087790B4 (de) * 2011-12-06 2014-11-27 Siemens Ag Vorrichtung und Verfahren zur Stromerzeugung
DE102013218781A1 (de) * 2013-09-19 2015-03-19 Siemens Aktiengesellschaft Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung mit einem Gegenkolbenmotor und zwei elektrischen Maschinen
US10337452B2 (en) * 2016-06-13 2019-07-02 Warren Engine Company, Inc. Energy recovery system
US11193694B2 (en) 2016-06-13 2021-12-07 Enginuity Power Systems Combination systems and related methods for providing power, heat and cooling
US10955168B2 (en) 2017-06-13 2021-03-23 Enginuity Power Systems, Inc. Methods systems and devices for controlling temperature and humidity using excess energy from a combined heat and power system
DE102017128184B4 (de) * 2017-11-28 2021-06-24 Bdr Thermea Group B.V. Verfahren zur Steuerung einer einen Generator antreibenden Brennkraftmaschine und Blockheizkraftwerk
US11352930B2 (en) 2019-02-21 2022-06-07 Enginuity Power Systems, Inc. Muffler and catalytic converters for combined heating and power systems
DE102021003977A1 (de) * 2021-08-03 2023-02-09 Wolfram Emde Synergie-Tribrid-Energiewandler in einer autonomen Baugruppe (Kurzbezeichnung: Radhybrid)

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2401188A (en) * 1943-03-01 1946-05-28 Gen Electric Internal-combustion engine with variable compression ratio
FI753224A (de) * 1975-11-17 1977-05-18 Waertsilae Oy Ab
US4380909A (en) * 1981-07-17 1983-04-26 Chevron Research Company Method and apparatus for co-generation of electrical power and absorption-type heat pump air conditioning
US4752697A (en) * 1987-04-10 1988-06-21 International Cogeneration Corporation Cogeneration system and method
US4925092A (en) * 1988-05-23 1990-05-15 Shinko Electric Co., Ltd. Hot water supply system utilizing exhaust gas of engine
DE4000376A1 (de) * 1990-01-09 1991-07-11 Anton Grehl Verfahren zum betreiben von mit stromenergie arbeitenden vorrichtungen
GB9114301D0 (en) * 1991-07-02 1991-08-21 Tilehouse Group Plc Combined heat & power system
DE4223664A1 (de) * 1992-07-17 1994-01-27 Olaf Bethke Wärme- und Stromerzeugungsanlage
DE29606608U1 (de) * 1996-04-11 1996-06-27 Tsai Hui Yang Heißwasser- und Elektrizitätsgenerator
FR2837530B1 (fr) * 2002-03-21 2004-07-16 Mdi Motor Dev Internat Groupe de cogeneration individuel et reseau de proximite

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
None *

Also Published As

Publication number Publication date
WO2005026511A2 (de) 2005-03-24
DE10343192A1 (de) 2005-04-28
WO2005026511A3 (de) 2006-05-18

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