WO2011134784A2 - Kopplungssystem für eine hybridenergieanlage - Google Patents

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WO2011134784A2
WO2011134784A2 PCT/EP2011/055704 EP2011055704W WO2011134784A2 WO 2011134784 A2 WO2011134784 A2 WO 2011134784A2 EP 2011055704 W EP2011055704 W EP 2011055704W WO 2011134784 A2 WO2011134784 A2 WO 2011134784A2
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heat
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heat pump
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Cornelius Munz
Ekkehard Laqua
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Robert Bosch Gmbh
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    • F24D2103/00—Thermal aspects of small-scale CHP systems
    • F24D2103/20—Additional heat sources for supporting thermal peak loads

Definitions

  • the invention relates to a coupling system for a hybrid energy system, comprising a heat pump device and a cogeneration device with at least one coupling device for coupling the heat pump device and the cogeneration device according to the preamble of claim 1.
  • the invention relates to an energy transformation system with a heat pump device for generating heat and / or cold and a combined heat and power device for generating electricity and / or heat according to the preamble of claim 10.
  • the invention relates to a method for energy transformation with A coupling system according to the preamble of claim 12.
  • Combined heat and power devices are well known in the domestic and utility engineering of buildings. These devices generate both power and heat by supplying a fuel, such as oil or wood.
  • heat pumps are well known. These are thermodynamic machines that are powered by an auxiliary power and can increase or decrease the temperature of a medium. Heat pumps are used both as so-called chillers, for example as refrigerators, for lowering a temperature level and as heat machines for raising a temperature level. Such heat pumps can raise or lower a large proportion of ambient heat to a usable temperature level with a small proportion of added drive energy.
  • heat pumps reversibly, that is, to use the drive energy both for raising a temperature level, for example for heating or hot water preparation, as well as for lowering a temperature level, for example for air conditioning or cooling. This is possible by switching over the refrigeration cycle, for example by means of a 4-way valve.
  • a direct combination of these two technologies ie a hybrid energy plant from a combined heat and power plant and a heat pump, which is simultaneously or in principle able to generate electricity, heat and cold, is not yet known.
  • the invention has for its object to provide a device and a method which realizes a coupling for a heat pump device and a combined heat and power device, with a high overall efficiency and low resource consumption should be guaranteed in relation to already known non-coupled systems. This should continue to be used not only the waste heat of the engine heat pump as efficient as possible, but above all the environmental heat can be raised to a usable temperature level and / or lowered.
  • the inventive coupling system for a hybrid power plant comprising a heat pump device and a combined heat and power device with at least one coupling device for coupling the heat pump device and the cogeneration device, is characterized in that the at least one coupling device, an electrical coupling unit and / or a hydraulic Coupling unit, which are designed to be switchable for coupling the heat pump device and the cogeneration device.
  • the coupling device comprises a fuel-powered engine.
  • the coupling device comprises a gearbox coupled to the engine.
  • the coupling device comprises an electric motor coupled to the transmission in order to transmit a translated force to or from the electric machine via the engine.
  • the coupling device comprises a compressor coupled to the transmission in order to transmit a translated force to the compressor.
  • the coupling device comprises a control device for switching the coupling system.
  • control device comprises a motor control unit for controlling the motor.
  • control device comprises a power electronics unit for power-dependent control of the coupling system.
  • control device comprises an interface unit in order to realize a connection to further components.
  • the energy transformation system according to the invention with a heat pump device for generating heat and / or cold and a combined heat and power device for generating electricity and / or heat is characterized in that the heat pump device and the combined heat and power device via at least one inventive coupling system with each other are coupled.
  • the heat pump device is switchably coupled to the engine and / or the electric motor via the compressor and / or the transmission.
  • the method according to the invention for energy transformation with a coupling system according to the invention comprising the steps of operating a heat pump device and operating a combined heat and power device, is characterized in that the heat pump device and the cogeneration device are switchably coupled together and energy of the one device for the each other device is optionally provided.
  • the switching comprises switching between different operating modes.
  • the switching of the operating modes comprises a switching over of the following operating modes selected from the following group: power generation and / or heat generation and / or refrigeration.
  • the coupling is performed electrically or electrically and hydraulically.
  • the coupling is carried out reversibly, so that switching is made from an energy-generating operating mode into an energy-consuming operating mode
  • the different operating modes are: Single operation of the combined heat and power plant with electricity and heat generation;
  • the focus can be placed on electricity, heat or cooling.
  • the power modulation and power addition of the motor and the electric motor is advantageous.
  • the electric motor can take over the motor drive of the compressor of the heat pump.
  • This principle would correspond to a vehicle hybrid.
  • E-machine is understood here as an electric machine that can be operated both as a motor and as a generator. Due to the addition of power, a peak load boiler, a so-called booster, can be omitted. This is interesting both in terms of the required installation space and in terms of investment costs, especially for private users.
  • the electrical coupling the system can be operated in the smallest space.
  • a compact outdoor unit combined with a wall-mounted micro-cogeneration unit can cover the energy needs of an entire building.
  • the exhaust gas cooled by a heat exchanger of the engine can still be used as an additional heat source for the heat pump.
  • FIG. 1 is a schematic block diagram of the coupling system of a hybrid energy plant according to the invention
  • FIG. 4 is a block diagram of a second mode of operation of the coupling operation of FIG.
  • FIG. 5 is a block diagram of a third mode of operation of the coupling operation of
  • FIG. 6 shows a block diagram of a fourth operating mode of the coupling operation of FIG.
  • FIG. 7 shows a block diagram of a fifth operating mode of the coupling operation of FIG.
  • FIG. 10 shows a circuit diagram of a first hydraulic coupling
  • FIG. 11 shows a circuit diagram of a second hydraulic coupling.
  • FIG. 1 shows a schematic block diagram of a coupling system 100 for a hybrid power plant comprising a heat pump device 1 10 and a combined heat and power device 120 with at least one coupling device 130 for coupling the heat pump device 1 10 and the cogeneration device 120.
  • the at least one coupling device 130, an electrical coupling unit and / or a hydraulic coupling unit, which is suitable for coupling the heat pump Penvorraum 1 10 and the power-heat coupling device 120 are designed switchable.
  • the electrical coupling unit or the hydraulic coupling unit are not explicitly shown here.
  • the hybrid energy system has, on the one hand, a fuel supply 40 and a power supply 41 and, on the other hand, a discharge for the generated heat 42, the generated refrigeration 43 and the generated current 44.
  • the coupling device 130 comprises a fuel-powered engine 20, a motor 20 coupled to the engine 20 Transmission 21 and coupled to the transmission 21 electric motor 22 which is driven by the motor 20 and transmits a translated force to or from the electric motor 22.
  • the transmission 21 may be designed, for example, as a planetary gear or as a differential gear.
  • a compressor 23 of the heat pump device 110 is also coupled to the transmission 21 for communicating a translated force to the compressor 23.
  • the coupling device 130 comprises a control device 30, which comprises, inter alia, a motor control unit 31 for controlling the motor 20, a power electronics unit 32 for power-dependent control of the coupling system 100 and an interface unit 33 for connection to realize other components.
  • the energy transformation system according to the invention which is designed as a hybrid energy plant according to FIG. 1, with a heat pump device 110 for generating heat 42 and / or cold 43 and a cogeneration device 120 for generating current 44 and / or heat 42 includes the Coupling of the réellepumpenvor- direction 1 10 with the cogeneration device 120 via at least the coupling system 100.
  • the heat pump device 1 10 via the compressor 23 and / or the transmission 21 with the motor 20 and / or the electric motor 22nd switchable coupled.
  • the small double arrows between gear 21 and motor 20 or electric motor 22 and compressor 23 indicate a generally existing connection between these components, via which energy transport is possible.
  • FIGS. 2 to 7 each show block diagrams of the various operating modes of the coupling system 100 according to FIG. 1.
  • the components can be coupled via a suitable gear 21, which enables power branching and addition.
  • the components of the hybrid giestrom are shown shaded deposited.
  • FIGS. 8 to 11 the various coupling possibilities of the coupling system 100 are described.
  • FIG. 2 shows a block diagram of the standard individual operation of the cogeneration device 120.
  • the electric motor 22 is driven by the motor 20.
  • the motor 20 and the electric motor 22 are connected to each other via the gear 21.
  • current 44 is generated and at the same time the waste heat of the motor 20 is used to generate heat 42.
  • the arrow 50 here indicates the direction of the main energy flow from the engine 20 to the electric motor 23. In such an operating mode, the overall efficiency of the hybrid power plant according to the invention is approximately 90%.
  • FIG 3 shows a block diagram of a first operating mode of the coupling operation of the cogeneration device 120 and the heat pump 1 10.
  • the compressor 23 of the heat pump 1 10 is driven via the motor 40 operated with the fuel 40.
  • the waste heat of the engine 20 is also used in this operating mode to generate heat 42.
  • the heat pump 1 10 can be reversibly used, thus, in principle, the generation of heat 42 and cold 43 is possible. Possible applications for this are the heating of hot water and the cooling of a house in summer.
  • the arrow 51 indicates the direction of the main energy flow from the motor 20 to the heat pump 1 10.
  • FIG 4 shows a block diagram of a second operating mode of the coupling operation of the cogeneration device 120 and the heat pump 1 10.
  • the compressor 23 of the heat pump 1 10 is driven by the power 41 operated electric machine 22.
  • the arrow 52 indicates the direction of the main energy flow from the E-machine 23 to the heat pump 1 10.
  • the heat pump 1 10 uses in this mode of operation, the regenerative environmental heat.
  • the heat pump 1 10 can also be reversibly operated here and then generate cold 43.
  • the current 41 for operating the electric machine 22 can be fed, for example, from the power grid or from regenerative sources, for example a photovoltaic system.
  • FIG. 5 shows a block diagram of a third operating mode of the coupling operation of the cogeneration device 120 and the heat pump 1 10.
  • this operating mode there is a power addition of the two drive sources - motor 20 and electric motor 22 - before.
  • the motor 20 and the electric motor 22 are coupled to each other via the gear 21.
  • the maximum power of the compressor 23 of the heat pump 1 10 can thus be increased by adding both drive sources.
  • Such a power-modulating operation of the heat pump 110 can be realized either by modulating the motor 20 or the electric machine 22.
  • the engine 20 is further driven by a fuel 40 and the electric motor 22 by current 41.
  • both heat 42 and cold 43 can be generated.
  • the arrows 51 and 52 respectively denote the directions of main energy flows from the drive sources 20 and 23 to the heat pump 110.
  • FIG. 6 is a block diagram showing a fourth operation mode of the coupling operation of the cogeneration device 120 and the heat pump 1 10.
  • This operation mode is a mixing operation that can be set as needed.
  • the engine 20 is operated with fuel 40. A portion of its drive power can be diverted to the electric motor 22 in this case. The remainder is used to drive the compressor 23 of the heat pump 110.
  • the need for heat 42 and power 44 or the need for heat 42, cold 43 and power 44 can be variably covered, for example for air conditioning, hot water and power generation.
  • Another advantage of this mode of operation is the separate power control for the generation of heat 42 and power 44. It can both the supply of heat and at the same time the supply of electricity are regulated. This is not the case with conventional cogeneration devices.
  • the arrows 50 and 51 indicate the direction of the flow of energy from the engine 20 to the heat pump 1 10 and the engine 20 via the transmission 21 to the electric motor 22nd
  • FIG. 7 shows a block diagram of a fifth mode of operation of the coupling operation of the cogeneration device 120 and the heat pump 120. This is the so-called startup operation.
  • the electric machine 22 can be used as a starter for the motor 20 while supplying current 41.
  • the arrow 53 indicates the direction of the flow of energy from the electric motor 22 via the gear 21 to the motor 20.
  • FIGS. 8 to 11 each show circuit diagrams of the different coupling possibilities of the coupling system 100 according to the invention on the basis of various embodiments.
  • the components can be coupled via the transmission 21, which enables power branching and addition.
  • FIG. 8 shows a circuit diagram of a first electrical coupling ,
  • the components of the hybrid power plant via the central power electronics unit 32 are coupled together, wherein the power electronics unit 32, the power flow between power grid 64, heat pump - not explicitly shown here - and cogeneration 120 controls.
  • the power electronics 32 could still assume the function of an inverter. If the heat pump 1 10 does not have an inverter control, the inverter could be integrated into the power electronics 32.
  • Fig. 9 shows a circuit diagram of a second electrical coupling.
  • the power-heat coupling device 120, the power electronics 32 and the electric motor 22 are coupled to each other via the power grid 64.
  • the power grid 64 serves as a memory and as a coupling element.
  • the mode control has an information interface - not shown here - to the individual components 120, 32 and 22 and thus controls the power flow through the network.
  • FIGS. 10 and 11 each show a circuit diagram with a hydraulic coupling.
  • the individual components are coupled via a heat transfer fluid network with constant pressure.
  • the consumers that is to say the heat pump 110 and the electric machine 22 or the motor 20, are coupled via so-called hydrostats and can be varied in their power via a variable volume flow.
  • the hydrostat can also work as a hydraulic pump and supply the pressure network. It is also possible to perform a power addition and to couple two suppliers to the heat transfer fluid network.
  • the heat pump 1 10 could in this case also be driven directly from the hydraulic network via a pressure booster.
  • FIG. 10 shows a circuit diagram of a first hydraulic coupling, in which the compressor 23 of the heat pump 110 is coupled directly to the hydraulics of the cogeneration device 120.
  • 1 1 shows a circuit diagram of a second hydraulic coupling in which the heat pump 110 is designed as a so-called "stand-alone" device, in which case the coupling takes place via the power electronics 32 with the combined heat and power device 120.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Kopplungssystem (100) für eine Hybridenergieanlage umfassend eine Wärmepumpenvorrichtung (110) und eine Kraft-Wärme-Kopplungsvorrichtung (120) mit mindestens einer Kopplungseinrichtung (130) zur Kopplung der Wärmepumpenvorrichtung (110) und der Kraft-Wärme-Kopplungsvorrichtung (120). Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zu schaffen, welche eine Kopplung für eine Wärmepumpenvorrichtung (110) und eine Kraft-Wärme-Kopplungsvorrichtung (120) realisiert, wobei im Verhältnis zu bereits bekannten nicht gekoppelten Anlagen ein möglichst hoher Gesamtwirkungsgrad und niedriger Ressourcenverbrauch gewährleistet werden soll. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die mindestens eine Kopplungseinrichtung (130) eine elektrische Kopplungseinheit und/oder eine hydraulische Kopplungseinheit aufweist, die für eine Kopplung der Wärmepumpenvorrichtung (110) und der Kraft-Wärme-Kopplungsvorrichtung (120) schaltbar ausgeführt sind. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Energietransformationssystem zur Erzeugung von Wärme und/oder Kälte und ein Verfahren zur Energietransformation mit einem Kopplungssystem (100).

Description

BESCHREIBUNG
Kopplunqssvstem für eine Hvbridenerqieanlaqe Die Erfindung betrifft ein Kopplungssystem für eine Hybridenergieanlage umfassend eine Wärmepumpenvorrichtung und eine Kraft-Wärme-Kopplungsvorrichtung mit mindestens einer Kopplungseinrichtung zur Kopplung der Wärmepumpenvorrichtung und der Kraft- Wärme-Kopplungsvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 . Zudem betrifft die Erfindung ein Energietransformationssystem mit einer Wärmepumpenvorrichtung zur Er- zeugung von Wärme und/oder Kälte und einer Kraft-Wärme-Kopplungsvorrichtung zur Erzeugung von Strom und/oder Wärme nach dem Oberbegriff des Anspruchs 10. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Energietransformation mit einem Kopplungssystem nach dem Oberbegriff des Anspruchs 12. Kraft-Wärme-Kopplungsvorrichtungen sind in der Haus- und Versorgungstechnik von Gebäuden allgemein bekannt. Diese Vorrichtungen erzeugen unter Zufuhr eines Brennstoffes, wie beispielsweise Öl oder Holz, sowohl Strom als auch Wärme. Dabei besitzen sie einen großen Gesamtwirkungsgrad, da die Wärme, die eigentlich als Nebenprodukt bei der Stromerzeugung entsteht, für die Wärmeversorgung des Gebäudes verwendet werden kann. Kraft-Wärme-Kopplungsvorrichtungen sind in einem breiten Leistungsbereich, von 1 kW bis 150MW elektrische Leistung, mit Gesamtwirkungsgraden von über 90% auf dem Markt vorhanden.
Weiterhin sind Wärmepumpen allgemein bekannt. Dabei handelt es sich um thermodyna- mische Maschinen, die mit einer Hilfsenergie angetrieben werden und eine Anhebung oder Absenkung der Temperatur eines Mediums realisieren können. Wärmepumpen werden sowohl als sogenannte Kältemaschinen, zum Beispiel als Kühlschrank, zur Absenkung eines Temperaturniveaus als auch als Wärmemaschinen zur Anhebung eines Temperaturniveaus verwendet. Derartige Wärmepumpen können mit einem kleinen Anteil von zuge- führter Antriebsenergie einen großen Anteil Umweltwärme auf ein nutzbares Temperaturniveau heben oder senken.
Es ist auch bekannt, Wärmepumpen reversibel einzusetzen, das heißt, die Antriebsenergie sowohl zur Anhebung eines Temperaturniveaus, beispielsweise zur Heizung oder Warm- wasser-Bereitung, als auch zur Absenkung eines Temperaturniveaus, beispielsweise zur Klimatisierung oder Kühlung, einzusetzen. Dies ist über eine Umschaltung des Kältekreislaufs, beispielsweise mittels eines 4-Wege-Ventils, möglich. Eine direkte Kombination dieser zwei Technologien, also eine Hybridenergieanlage aus einer Kraft-Wärme-Kopplungsvorrichtung und einer Wärmepumpe, welche gleichzeitig oder prinzipiell in der Lage ist Strom, Wärme und Kälte zu erzeugen, ist bisher nicht bekannt. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zu schaffen, welche eine Kopplung für eine Wärmepumpenvorrichtung und eine Kraft-Wärme- Kopplungsvorrichtung realisiert, wobei im Verhältnis zu bereits bekannten nicht gekoppelten Anlagen ein möglichst hoher Gesamtwirkungsgrad und niedriger Ressourcenverbrauch gewährleistet werden soll. Hierbei soll weiterhin nicht nur die Abwärme des Motors der Wärmepumpe möglichst effizient genutzt werden, sondern vor allem die Umweltwärme auf ein nutzbares Temperaturniveau gehoben und/oder gesenkt werden.
Erfindungsgemäß wird dies durch die Gegenstände mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 , des Patentanspruchs 10 und des Patentanspruchs 12 gelöst. Vorteilhafte Weiter- bildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Das erfindungsgemäße Kopplungssystem für eine Hybridenergieanlage, umfassend eine Wärmepumpenvorrichtung und eine Kraft-Wärme-Kopplungsvorrichtung mit mindestens einer Kopplungseinrichtung zur Kopplung der Wärmepumpenvorrichtung und der Kraft- Wärme-Kopplungsvorrichtung, ist dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Kopplungseinrichtung eine elektrische Kopplungseinheit und/oder eine hydraulische Kopplungseinheit aufweist, die für eine Kopplung der Wärmepumpenvorrichtung und der Kraft- Wärme-Kopplungsvorrichtung schaltbar ausgeführt sind. In einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kopplungssystems ist vorgesehen, dass die Kopplungseinrichtung einen brennstoffbetriebenen Motor umfasst.
In einer weiterhin vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kopplungssystems ist vorgesehen, dass die Kopplungseinrichtung ein mit dem Motor gekoppeltes Ge- triebe umfasst.
In noch einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kopplungssystems ist vorgesehen, dass die Kopplungseinrichtung eine mit dem Getriebe gekoppelte E-Maschine umfasst, um über den Motor angetrieben eine übersetzte Kraft an bzw. von der E-Maschine zu übertragen. In einer anderen vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kopplungssystems ist vorgesehen, dass die Kopplungseinrichtung einen mit dem Getriebe gekoppelten Kompressor umfasst, um eine übersetzte Kraft zu dem Kompressor zu übertragen.
In wiederum einer anderen vorteilhaften Ausführungsform des vorliegenden Kopplungssystems ist vorgesehen, dass die Kopplungseinrichtung eine Steuereinrichtung zum Schalten des Kopplungssystems umfasst.
Ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass die Steuereinrichtung eine Motorsteuereinheit zur Steuerung des Motors umfasst.
In einem anderen vorteilhaften Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kopplungssystems ist vorgesehen, dass die Steuereinrichtung eine Leistungselektronikeinheit zur leistungsabhängigen Regelung des Kopplungssystems umfasst.
Zudem ist in einer anderen vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kopplungssystems vorgesehen, dass die Steuereinrichtung eine Schnittstelleneinheit umfasst, um einen Anschluss an weitere Bauteile zu realisieren.
Das erfindungsgemäße Energietransformationssystem mit einer Wärmepumpenvorrichtung zur Erzeugung von Wärme und/oder Kälte und einer Kraft-Wärme-Kopplungsvorrichtung zur Erzeugung von Strom und/oder Wärme, ist dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmepumpenvorrichtung und die Kraft-Wärme-Kopplungsvorrichtung über mindestens ein erfindungsgemäßes Kopplungssystem miteinander gekoppelt sind.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des Energietransformationssystems ist vorgesehen, dass die Wärmepumpenvorrichtung über den Kompressor und/oder das Getriebe mit dem Motor und/oder der E-Maschine schaltbar gekoppelt ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Energietransformation mit einem erfindungsgemäßen Kopplungssystem, umfassend die Schritte Betreiben einer Wärmepumpenvorrichtung und Betreiben einer Kraft-Wärme-Kopplungsvorrichtung, ist dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmepumpenvorrichtung und die Kraft-Wärme-Kopplungsvorrichtung schaltbar miteinander gekoppelt sind und Energie der einen Vorrichtung für die jeweils andere Vorrichtung wahlweise bereitgestellt wird. In einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass das Schalten ein Umschalten zwischen unterschiedlichen Betriebsmodi umfasst.
In einer anderen vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass das Umschalten der Betriebsmodi ein Umschalten der folgenden Betriebsarten ausgewählt aus der folgenden Gruppe umfasst: Stromerzeugung und/oder Wärmeerzeugung und/oder Kälteerzeugung.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass das Koppeln elektrisch oder elektrisch und hydraulisch durchgeführt wird.
In einer noch weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass das Koppeln reversibel durchgeführt wird, sodass von einem energie- erzeugenden Betriebsmodus in einen energieverbrauchenden Betriebsmodus umgeschaltet wird
Mit dem erfindungsgemäßen Kopplungssystem, dem erfindungsgemäßen Energietransformationssystem und dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Energietransformation wer- den insbesondere die folgenden Vorteile realisiert:
Durch die Kombination eines Kompressors als Teil der Wärmepumpe, eines brennstoffangetriebenen Motors und einer E-Maschine, welche sowohl als Motor als auch als Generator nutzbar ist, werden die Vorteile beider Technologien - Wärmepumpe und Kraft-Wärme- Kopplungsvorrichtung - vereint. Mit einem als Hybridenergieanlage ausgebildetem Energietransformationssystem mit einem erfindungsgemäßen Kopplungssystem kann mit nur einem einzigen Gerät Wärme, Kälte, Strom und sogar die gleichzeitige Erzeugung von Wärme, Kälte und Strom erzeugt werden. Dabei erfolgt die Optimierung des Betriebes im Hinblick auf Zielgrößen wie Primärenergieverbrauch, C02-Ausstoß, Wirtschaftlichkeit, Angebot und Bedarf. Diese Flexibilität des Betriebes ist vorteilhaft für ein dezentrales Energiemanagement (DEM), um so Energieströme zu optimieren und an die Randbedingungen, beispielsweise einem sich verändernden Stromtarif, anzupassen. Dies kann gegebenenfalls auch für den Energieversorger wichtig sein.
Die verschiedenen Betriebsmodi sind hierbei: Einzelbetrieb der Kraft-Wärme-Kopplungsvorrichtung mit Strom- und Wärmeerzeugung;
Kopplungsbetrieb der Kraft-Wärme-Kopplungsvorrichtung und der brennstoffbetriebenen Wärmepumpe mit Wärme- und anteilig geringer Stromerzeugung;
- Kopplungsbetrieb der brennstoffbetriebenen Wärmepumpe mit Wärme- und Kälteerzeugung;
Kopplungsbetrieb der beispielsweise strombetriebenen Wärmepumpe mit Wärme- und Kälteerzeugung;
Gleichzeitiger Betrieb der Wärmepumpe mit Gas und Strom (Boosterfunktion)
Je nach Bedarf und Anwendungsfall kann der Fokus auf Strom-, Wärme- oder Kälteerzeugung gelegt werden.
Weiterhin ist die Leistungsmodulierung und Leistungsaddition des Motors und der E-Maschine vorteilhaft. Hierbei kann die E-Maschine den motorischen Antrieb des Kompressors der Wärmepumpe übernehmen. Dieses Prinzip würde einem Fahrzeughybrid entsprechen. Unter E-Maschine wird hier eine Elektromaschine verstanden, die sowohl als Motor als auch als Generator betrieben werden kann. Durch die Leistungsaddition kann ein Spitzenlastkessel, ein sogenannter Booster, entfallen. Dies ist sowohl bezüglich des benötigten Bauraumes als auch bezüglich der Investitionskosten, vor allem für private Nutzer, interessant. Bei der elektrischen Kopplung kann das System auf kleinstem Raum betrieben werden. Eine kompakte Außeneinheit kombiniert mit einer wandhängenden Mikro-Kraft-Wärme-Kopplungsvorrichtung kann den Ener- giebedarf eines gesamten Gebäudes abdecken. Weiterhin kann das über einen Wärmetauscher gekühlte Abgas des Motors noch als zusätzliche Wärmequelle für die Wärmepumpe verwendet werden.
Mechanisch oder elektrisch eingekoppelt werden kann in das erfindungsgemäße System außerdem auch ein Stirlingmotor, welcher mit einer externen Wärmequelle einen relativ günstigen thermischen Wirkungsgrad und zum Beispiel mit dem Brennstoff Holz auch einen guten Primärenergiefaktor erreicht. Weiterhin können eine Gasturbine und eine Brennstoffzelle elektrisch in das erfindungsgemäße System eingekoppelt werden. Insgesamt sind vor allem die Flexibilität und die Vielseitigkeit in der Anwendung einer derartigen Hybridenergieanlage von Vorteil. Die Zeichnungen stellen mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung dar und zeigen in den Figuren:
Fig. 1 prinzipielles Blockschaltbild des Kopplungssystems einer erfindungsgemä- ßen Hybridenergieanlage,
Fig. 2 Blockschaltbild eines Einzelbetriebs der Kraft-Wärme-Kopplungsvorrichtung,
Fig.3 Blockschaltbild eines ersten Betriebsmodus des Kopplungsbetriebs der
Kraft-Wärme-Kopplungsvorrichtung und Wärmepumpe,
Fig. 4: Blockschaltbild eines zweiten Betriebsmodus des Kopplungsbetriebs der
Kraft-Wärme-Kopplungsvorrichtung und Wärmepumpe, Fig. 5: Blockschaltbild eines dritten Betriebsmodus des Kopplungsbetriebs der
Kraft-Wärme-Kopplungsvorrichtung und Wärmepumpe,
Fig. 6: Blockschaltbild eines vierten Betriebsmodus des Kopplungsbetriebs der
Kraft-Wärme-Kopplungsvorrichtung und Wärmepumpe,
Fig. 7: Blockschaltbild eines fünften Betriebsmodus des Kopplungsbetriebs der
Kraft-Wärme-Kopplungsvorrichtung und Wärmepumpe,
Fig. 8: Schaltbild einer ersten elektrischen Kopplung,
Fig. 9: Schaltbild einer zweiten elektrischen Kopplung,
Fig. 10: Schaltbild einer ersten hydraulischen Kopplung, Fig. 1 1 : Schaltbild einer zweiten hydraulischen Kopplung.
Die Fig. 1 zeigt ein prinzipielles Blockschaltbild eines Kopplungssystems 100 für eine Hybridenergieanlage umfassend eine Wärmepumpenvorrichtung 1 10 und eine Kraft-Wärme- Kopplungsvorrichtung 120 mit mindestens einer Kopplungseinrichtung 130 zur Kopplung der Wärmepumpenvorrichtung 1 10 und der Kraft-Wärme-Kopplungsvorrichtung 120. Dabei weist die mindestens eine Kopplungseinrichtung 130 eine elektrische Kopplungseinheit und/oder eine hydraulische Kopplungseinheit auf, die für eine Kopplung der Wärmepum- penvorrichtung 1 10 und der Kraft-Wärme-Kopplungsvorrichtung 120 schaltbar ausgeführt sind. Die elektrische Kopplungseinheit beziehungsweise die hydraulische Kopplungseinheit sind hier nicht explizit dargestellt. Die Hybridenergieanlage weist zum einen eine Brennstoffzufuhr 40 und eine Stromzufuhr 41 auf und zum anderen eine Abfuhr für die erzeugte Wärme 42, die erzeugte Kälte 43 und den erzeugten Strom 44. Weiterhin umfasst die Kopplungseinrichtung 130 einen brennstoffbetriebenen Motor 20, ein mit dem Motor 20 gekoppeltes Getriebe 21 und eine mit dem Getriebe 21 gekoppelte E-Maschine 22, welche über den Motor 20 angetrieben wird und eine übersetzte Kraft an bzw. von der E-Maschine 22 überträgt. Das Getriebe 21 kann beispielsweise als Planetengetriebe oder als Differentialgetriebe ausgeführt sein. Mit dem Getriebe 21 ist auch ein Kompressor 23 der Wärmepumpenvorrichtung 1 10 gekoppelt, um eine übersetzte Kraft zu dem Kompressor 23 zu übertragen. Zum Steuern und Schalten des Kopplungssystems 100 umfasst die Kopplungseinrichtung 130 eine Steuereinrichtung 30, wobei diese unter anderem folgende Bauteile aufweist: eine Motorsteuereinheit 31 zur Steuerung des Motors 20, eine Leistungselektronikeinheit 32 zur leistungsabhängigen Regelung des Kopplungssystems 100 und eine Schnittstelleneinheit 33, um einen Anschluss an weitere Bauteile realisieren zu können.
Das erfindungsgemäße Energietransformationssystem, das gemäß der Fig. 1 als Hybridenergieanlage ausgebildet ist, mit einer Wärmepumpenvorrichtung 1 10 zur Erzeugung von Wärme 42 und/oder Kälte 43 und einer Kraft-Wärme-Kopplungsvorrichtung 120 zur Erzeugung von Strom 44 und/oder Wärme 42 beinhaltet die Kopplung der Wärmepumpenvor- richtung 1 10 mit der Kraft-Wärme-Kopplungsvorrichtung 120 über mindestens das Kopplungssystem 100. Dabei ist insbesondere die Wärmepumpenvorrichtung 1 10 über den Kompressor 23 und/oder das Getriebe 21 mit dem Motor 20 und/oder der E-Maschine 22 schaltbar gekoppelt. Die kleinen Doppelpfeile zwischen Getriebe 21 und Motor 20 beziehungsweise E-Maschine 22 beziehungsweise Kompressor 23 kennzeichnen eine allgemein bestehende Verbindung zwischen diesen Bauteilen, über die ein Energietransport möglich ist.
Die Fig. 2 bis 7 zeigen jeweils Blockschaltbilder der verschiedenen Betriebsmodi des Kopp- lungssystems 100 gemäß Fig. 1. Die Komponenten können hierbei über ein geeignetes Getriebe 21 , welches eine Leistungsverzweigung und -addition ermöglicht, gekoppelt werden. Die von den jeweiligen Betriebsmodi angesprochenen Komponenten der Hybridener- gieanlage sind schraffiert hinterlegt dargestellt. In den Fig. 8 bis 1 1 sind die verschiedenen Kopplungsmöglichkeiten des Kopplungssystems 100 beschrieben.
Die Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild des standardmäßigen Einzelbetriebs der Kraft-Wärme- Kopplungsvorrichtung 120. Hierbei wird unter Zufuhr eines Brennstoffs 40 die E-Maschine 22 über den Motor 20 angetrieben. Der Motor 20 und die E-Maschine 22 sind über das Getriebe 21 miteinander verbunden. Dabei wird Strom 44 erzeugt und gleichzeitig die Abwärme des Motors 20 zur Erzeugung von Wärme 42 genutzt. Der Pfeil 50 kennzeichnet hierbei die Richtung des Hauptenergieflusses vom Motor 20 zur E-Maschine 23. In einem derartigen Betriebsmodus liegt der Gesamtwirkungsgrad der erfindungsgemäßen Hybridenergieanlage bei ungefähr 90%.
Die Fig. 3 zeigt ein Blockschaltbild eines ersten Betriebsmodus des Kopplungsbetriebs der Kraft-Wärme-Kopplungsvorrichtung 120 und der Wärmepumpe 1 10. Hierbei wird der Kom- pressor 23 der Wärmepumpe 1 10 über den mit dem Brennstoff 40 betriebenen Motor 20 angetrieben. Die Abwärme des Motors 20 wird auch in diesem Betriebsmodus zur Erzeugung von Wärme 42 genutzt. Für den Kühlbedarf kann die Wärmepumpe 1 10 reversibel eingesetzt werden, somit ist prinzipiell die Erzeugung von Wärme 42 und Kälte 43 möglich. Etwaige Anwendungen hierfür sind die Warmwasserbereitung und das Kühlen einer Woh- nung im Sommer. Der Pfeil 51 kennzeichnet die Richtung des Hauptenergieflusses vom Motor 20 zur Wärmepumpe 1 10.
Die Fig. 4 zeigt ein Blockschaltbild eines zweiten Betriebsmodus des Kopplungsbetriebs der Kraft-Wärme-Kopplungsvorrichtung 120 und der Wärmepumpe 1 10. Hierbei wird der Kompressor 23 der Wärmepumpe 1 10 über die mit Strom 41 betriebene E-Maschine 22 angetrieben. Der Pfeil 52 kennzeichnet die Richtung des Hauptenergieflusses von der E- Maschine 23 zur Wärmepumpe 1 10. Die Wärmepumpe 1 10 nutzt in diesem Betriebsmodus die regenerative Umweltwärme. Für den Kühlbedarf kann die Wärmepumpe 1 10 auch hier reversibel betrieben werden und dann Kälte 43 erzeugen. Der Strom 41 zum Betrieb der E- Maschine 22 kann beispielsweise aus dem Stromnetz oder aus regenerativen Quellen, zum Beispiel einer Photovoltaikanlage, eingespeist werden.
Die Fig. 5 zeigt ein Blockschaltbild eines dritten Betriebsmodus des Kopplungsbetriebs der Kraft-Wärme-Kopplungsvorrichtung 120 und der Wärmepumpe 1 10. In diesem Betriebs- modus liegt eine Leistungsaddition der beiden Antriebsquellen - Motor 20 und E-Maschine 22 - vor. Dazu sind der Motor 20 und die E-Maschine 22 über das Getriebe 21 miteinander gekoppelt. Die Maximalleistung des Kompressors 23 der Wärmepumpe 1 10 kann somit durch Addition beider Antriebsquellen gesteigert werden. Ein derartiger leistungsmodulie- render Betrieb der Wärmepumpe 1 10 ist entweder durch Modulation des Motors 20 oder der E-Maschine 22 realisierbar. Dabei wird der Motor 20 weiterhin von einem Brennstoff 40 angetrieben und die E-Maschine 22 durch Strom 41. In diesem Betriebsmodus kann so- wohl Wärme 42 als auch Kälte 43 erzeugt werden. Die Pfeile 51 und 52 kennzeichnen jeweils die Richtungen der Hauptenergieflüsse von den Antriebsquellen 20 und 23 zur Wärmepumpe 1 10.
Die Fig. 6 zeigt ein Blockschaltbild eines vierten Betriebsmodus des Kopplungsbetriebs der Kraft-Wärme-Kopplungsvorrichtung 120 und der Wärmepumpe 1 10. Bei diesem Betriebsmodus handelt es sich um einen Mischbetrieb, der nach Bedarf eingestellt werden kann. Der Motor 20 wird mit Brennstoff 40 betrieben. Ein Teil seiner Antriebsleistung kann hierbei zur E-Maschine 22 abgezweigt werden. Der Rest wird für den Antrieb des Kompressors 23 der Wärmepumpe 1 10 verwendet. Hiermit kann der Bedarf an Wärme 42 und Strom 44 oder der Bedarf an Wärme 42, Kälte 43 und Strom 44 variabel gedeckt werden, beispielsweise zur Klimatisierung, der Warmwasserbereitung und der Stromerzeugung. Ein weiterer Vorteil dieses Betriebsmodus ist die getrennte Leistungsregelung für die Erzeugung von Wärme 42 und Strom 44. Es kann sowohl das Wärmeangebot als auch gleichzeitig das Stromangebot geregelt werden. Dies ist bei klassischen Kraft-Wärme- Kopplungsvorrichtungen nicht der Fall. Dort kann entweder nur wärmegeführt geregelt werden, beispielsweise bei einer Kraft-Wärme-Kopplungsvorrichtung mit einem Gasmotor, oder nur stromgeführt, beispielsweise bei einer Kraft-Wärme-Kopplungsvorrichtung mit einer Brennstoffzelle. Die Pfeile 50 und 51 kennzeichnen die Richtung des Energieflusses vom Motor 20 zur Wärmepumpe 1 10 beziehungsweise vom Motor 20 über das Getriebe 21 zur E-Maschine 22.
Die Fig. 7 zeigt ein Blockschaltbild eines fünften Betriebsmodus des Kopplungsbetriebs der Kraft-Wärme-Kopplungsvorrichtung 120 und der Wärmepumpe 120. Hierbei handelt es sich um den sogenannten Startbetrieb. Dabei kann unter Zufuhr von Strom 41 die E-Maschine 22 als Starter für den Motor 20 verwendet werden. Der Pfeil 53 kennzeichnet die Richtung des Energieflusses von der E-Maschine 22 über das Getriebe 21 zum Motor 20.
Die Fig. 8 bis 1 1 zeigen jeweils Schaltbilder der verschiedenen Kopplungsmöglichkeiten des erfindungsgemäßen Kopplungssystems 100 anhand verschiedener Ausführungsformen. Die Komponenten können hierbei über das Getriebe 21 , welches eine Leistungsverzweigung und -addition ermöglicht, gekoppelt werden. Zu sehen ist jeweils die Wärme- pumpe 1 10, ein Heizkreis 60, mindestens ein Wärmetauscher 61 , die Leistungselektronikeinheit 32, wenigstens ein Anschluss an das Stromnetz 64, die E-Maschine 22, eine Warmwasserabfuhr 62 und einen Kaltwasserzufuhr 63. Die Fig. 8 zeigt ein Schaltbild einer ersten elektrischen Kopplung. Hierbei sind die Komponenten der Hybridenergieanlage über die zentrale Leistungselektronikeinheit 32 miteinander gekoppelt, wobei die Leistungselektronikeinheit 32 den Leistungsfluss zwischen Stromnetz 64, Wärmepumpe - hier nicht explizit dargestellt - und Kraft-Wärme-Kopplung 120 regelt. Bei einem eventuell vorhandenen Anschluss an eine stromerzeugende Photo- voltaikanlage könnte die Leistungselektronik 32 noch die Funktion eines Wechselrichters übernehmen. Verfügt die Wärmepumpe 1 10 nicht über eine Inverterregelung, könnte der Inverter in die Leistungselektronik 32 mit integriert werden.
Die Fig. 9 zeigt ein Schaltbild einer zweiten elektrischen Kopplung. Dabei sind die Kraft- Wärme-Kopplungsvorrichtung 120, die Leistungselektronik 32 und die E-Maschine 22 über das Stromnetz 64 miteinander gekoppelt. Das Stromnetz 64 dient hierbei als Speicher und als Kopplungselement. Die Betriebsartensteuerung hat eine Informationsschnittstelle - hier nicht dargestellt - zu den einzelnen Komponenten 120, 32 und 22 und steuert so den Leistungsfluss über das Netz.
Die Fig. 10 und 1 1 zeigen jeweils ein Schaltbild mit einer hydraulischen Kopplung. Dabei werden die einzelnen Komponenten über ein Wärmeträgerfluid-Netz mit konstantem Druck gekoppelt. Die Verbraucher, das heißt die Wärmepumpe 1 10 und die E-Maschine 22 beziehungsweise der Motor 20, werden über sogenannte Hydrostaten angekoppelt und kön- nen über einen variablen Volumenstrom in ihrer Leistung variiert werden. In dem Betriebsmodus einer stromgetriebenen Wärmepumpe 1 10 gemäß der Fig. 4 kann der Hydrostat auch als Hydraulikpumpe arbeiten und das Drucknetz versorgen. Es ist hierbei auch möglich, eine Leistungsaddition durchzuführen und zwei Versorger an das Wärmeträgerfluid- Netz zu koppeln. Die Wärmepumpe 1 10 könnte hierbei auch über einen Druckübersetzer direkt aus dem Hydrauliknetz angetrieben werden.
Die Fig. 10 zeigt ein Schaltbild einer ersten hydraulischen Kopplung, bei der der Kompressor 23 der Wärmepumpe 1 10 direkt mit der Hydraulik der Kraft-Wärme- Kopplungsvorrichtung 120 gekoppelt ist. Die Fig. 1 1 zeigt ein Schaltbild einer zweiten hydraulischen Kopplung, bei der die Wärmepumpe 1 10 als sogenanntes „stand-alone"-Gerät ausgeführt ist. Die Ankopplung erfolgt hierbei über die Leistungselektronik 32 mit der Kraft-Wärme-Kopplungsvorrichtung 120.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Kopplungssystem (100) für eine Hybridenergieanlage umfassend eine Wärmepumpenvorrichtung (1 10) und eine Kraft-Wärme-Kopplungsvorrichtung (120) mit mindestens einer Kopplungseinrichtung (130) zur Kopplung der Wärmepumpenvorrichtung (1 10) und der Kraft-Wärme-Kopplungsvorrichtung (120),
dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Kopplungseinrichtung (130) eine elektrische Kopplungseinheit und/oder eine hydraulische Kopplungseinheit aufweist, die für eine Kopplung der Wärmepumpenvorrichtung (1 10) und der Kraft-Wärme- Kopplungsvorrichtung (120) schaltbar ausgeführt sind.
2. Kopplungssystem (100) nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass die Kopplungseinrichtung (130) einen brennstoffbetriebenen Motor (20) umfasst.
3. Kopplungssystem (100) nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass die Kopplungseinrichtung (130) ein mit dem Motor (20) gekoppeltes Getriebe (21 ) umfasst.
4. Kopplungssystem (100) nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass die Kopplungseinrichtung (130) eine mit dem Getriebe (21 ) gekoppelte E-Maschine (22) umfasst, um über den Motor (20) angetrieben eine übersetzte Kraft an bzw. von der E-Maschine (22) zu übertragen.
5. Kopplungssystem (100) nach Anspruch 3 oder 4,
dadurch gekennzeichnet, dass die Kopplungseinrichtung (130) einen mit dem Getriebe (21 ) gekoppelten Kompressor (23) umfasst, um eine übersetzte Kraft zu dem Kompressor (23) zu übertragen.
6. Kopplungssystem (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass die Kopplungseinrichtung (130) eine Steuereinrichtung (30) zum Schalten des Kopplungssystems (100) umfasst.
7. Kopplungssystem (100) nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (30) eine Motorsteuereinheit (31 ) zur Steuerung des Motors (20) umfasst.
8. Kopplungssystem (100) nach Anspruch 6 oder 7,
dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (30) eine Leistungselektronikeinheit (32) zur leistungsabhängigen Regelung des Kopplungssystems (100) umfasst.
9. Kopplungssystem (100) nach einem der Ansprüche 6 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (30) eine Schnittstelleneinheit (33) umfasst, um einen Anschluss an weitere Bauteile zu realisieren.
10. Energietransformationssystem mit einer Wärmepumpenvorrichtung (1 10) zur Er- zeugung von Wärme und/oder Kälte und einer Kraft-Wärme-Kopplungsvorrichtung (120) zur Erzeugung von Strom und/oder Wärme,
dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmepumpenvorrichtung (1 10) und die Kraft-Wärme- Kopplungsvorrichtung (120) über mindestens ein Kopplungssystem (100) nach Anspruch 1 miteinander gekoppelt sind.
1 1. Energietransformationssystem nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmepumpenvorrichtung (1 10) über den Kompressor (23) und/oder das Getriebe (21 ) mit dem Motor (20) und/oder der E-Maschine (22) schaltbar gekoppelt ist.
12. Verfahren zur Energietransformation mit einem Kopplungssystem (100) nach Anspruch 1 , umfassend die Schritte Betreiben einer Wärmepumpenvorrichtung (1 10) und Betreiben einer Kraft-Wärme-Kopplungsvorrichtung (120),
dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmepumpenvorrichtung (1 10) und die Kraft-Wärme- Kopplungsvorrichtung (120) schaltbar miteinander gekoppelt sind und Energie der einen Vorrichtung für die jeweils andere Vorrichtung wahlweise bereitgestellt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet, dass das Schalten ein Umschalten zwischen unterschiedlichen Betriebsmodi umfasst.
14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13,
dadurch gekennzeichnet, dass das Umschalten der Betriebsmodi ein Umschalten der folgenden Betriebsarten ausgewählt aus der folgenden Gruppe umfasst: Stromerzeugung und/oder Wärmeerzeugung und/oder Kälteerzeugung.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14,
dadurch gekennzeichnet, dass das Koppeln elektrisch oder elektrisch und hydraulisch durchgeführt wird.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15,
dadurch gekennzeichnet, dass das Koppeln reversibel durchgeführt wird, sodass von einem energieerzeugenden Betriebsmodus in einen energieverbrauchenden Betriebsmodus umgeschaltet wird.
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