WO2021204314A1 - Stromerzeugungsanlage und verfahren zur drehzahlregelung einer antriebseinheit in einer stromversorgungsanlage - Google Patents

Stromerzeugungsanlage und verfahren zur drehzahlregelung einer antriebseinheit in einer stromversorgungsanlage Download PDF

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Martin Steiner
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Wissenschaftlich-Technisches Zentrum für Motoren- und Maschinenforschung Roßlau gGmbH
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Definitions

  • the invention relates to a power generation plant which has an electric generator and a drive unit for driving the electric generator.
  • the invention also relates to a method for regulating the speed of a drive unit in a power supply system, which is provided with an electric generator for generating electricity and in which an actual speed of the electric generator or the drive unit is determined and in which the actual speed is regulated to a predetermined value Target speed takes place.
  • Power generation systems are known, for example for the decentralized generation of electrical energy, in various sizes or with various electrical powers.
  • Such power generation systems comprise at least one drive unit and an electrical generator driven by the drive unit, in which the mechanical energy supplied by the drive unit is converted into electrical energy and output by the generator.
  • This delivery of electrical energy is usually carried out to an energy transmission network, which is also referred to as a power supply network, or to directly connected electrical consumers.
  • So-called conventional internal combustion engines or internal combustion engines which are operated, for example, with gasoline, diesel fuel or gas fuel, usually work as drive units in such power generation systems.
  • a major disadvantage of such internal combustion engines is that during the combustion, for example, of a fuel-air mixture in the combustion chamber or a combustion chamber of an internal combustion engine, pollutants such as nitrogen oxides (NOx), hydrocarbons (HC), carbon monoxide (CO) and others are produced and in the environment are emitted or emitted.
  • pollutants such as nitrogen oxides (NOx), hydrocarbons (HC), carbon monoxide (CO) and others are produced and in the environment are emitted or emitted.
  • the climate-damaging exhaust gas carbon dioxide (C02) which is classified as particularly problematic, is emitted.
  • This type of engine differs from known internal combustion engines in that these engines have a so-called circulation path.
  • the circulation path is formed by connecting an exhaust passage of the high-efficiency engine through which exhaust gas generated after combustion flows and an intake passage of the high-efficiency engine through which a gas to be introduced into the combustion chamber flows.
  • Such a hydrogen engine is known from WO2007 / 100115, which is operated using a circulating working medium, hydrogen, oxygen and the working medium consisting of a monatomic gas being fed to a combustion chamber in order to supply the hydrogen burn, and wherein the working medium is contained in an exhaust gas, which is returned to the combustion chamber.
  • Lubricating oil which is used to operate the engine, gets into the combustion chamber and inevitably leads to the formation of carbon dioxide in the combustion chamber, which thus gets into the circulation path of the engine and has a negative effect on the operation of the engine.
  • the problem to be solved is to remove such contaminants.
  • the hydrogen engine comprises a product removal means which is arranged in the circulation duct and which removes such unwanted impurities.
  • a product removal means which is arranged in the circulation duct and which removes such unwanted impurities.
  • any carbon dioxide produced in the combustion chamber is removed.
  • a speed or target speed dependent on the network frequency and number of generator poles must be set in order to establish synchronicity between the power supply network and the generator driven by a drive unit.
  • a drive unit such as a hydrogen motor
  • an exact speed control of the hydrogen motor is required.
  • the object of the invention now consists in specifying a power generation plant and a method for regulating the speed of a drive unit in a power generating plant, with a network frequency-dependent regulation of the speed of a generator coupled to the drive unit to a predetermined target speed.
  • a high-efficiency engine that is free of gas emissions i.e. a hydrogen engine with operating gas circulation, is used to generate the electric current by a rotating electric generator or synchronous generator in a power generation system instead of a conventional internal combustion engine.
  • both units are directly coupled to one another by means of a connecting shaft.
  • the speed of a crankshaft of the hydrogen engine is equal to the speed of the generator to be driven.
  • Alternatives with a speed change or speed adjustment by means of a gearbox are possible, but will not be discussed further here.
  • the method according to the invention for speed control of a drive unit such as a hydrogen engine with operating gas circulation in a power generation system solves the problem of speed control in that the amount of oxygen and / or hydrogen introduced or blown into the combustion chamber of the hydrogen engine with operating gas circulation is determined and based on a predetermined target speed is regulated.
  • This target speed is determined depending on the required network frequency of the power supply network, i.e. depending on the frequency of the voltage to be generated to be provided by the synchronous generator of the power generation system, in order to achieve synchronism of the frequency of the voltage generated with the network frequency of the power supply network.
  • This network frequency is in Europe, Asia, Australia and in other areas, for example 50 Hz.
  • the number of pairs of magnetic poles within a rotating electrical machine such as a synchronous generator can vary.
  • a person skilled in the art can determine the speed or the set speed required for the synchronous generator.
  • the speed of the crankshaft of the hydrogen engine is changed until the crankshaft has the target speed, the crankshaft transmitting its rotary motion, for example via a connecting shaft, to a shaft of the generator and driving it at the same speed.
  • a tolerance range for the target speed to be achieved is formed with a lower speed limit N u and an upper speed limit N 0 . The formation of such a tolerance range allows slight deviations from the specified target speed without a control intervention, i.e. without changing the dosage of the amounts of oxygen and / or hydrogen in the operating gas-oxygen-
  • the hydrogen engine operates at a speed which is sufficient to meet the standard of a required network frequency of 50 Hz, for example, and there is no need to intervene in the ongoing operation of the hydrogen engine. Provision is made for the comparison of the actual speed with the target speed to be carried out continuously in order to achieve continuous operation of the power supply system with the required network frequency.
  • the comparison of the actual speed with the target speed can take place at defined times or be repeated within defined time units. It is also provided that the comparison of the actual speed with the setpoint
  • Speed only in the event that the hydrogen engine is in an operating phase se is. In the event that the hydrogen engine is in a resting phase, the method according to the invention for speed control is interrupted.
  • the method according to the invention is also interrupted in the event that the hydrogen engine is to be switched off, that is, when a so-called end sequence for ending an operating phase of the hydrogen engine with operating gas circulation is to run.
  • a speed comparison of an actual speed Nj S t of the electrical generator with a predetermined target speed N S0 n takes place and that if the actual speed Nj S t differs from the target speed Nsoii in a subsequent step it is determined whether the actual speed Nj st is above a fixed upper limit N 0 or below a fixed lower limit N u .
  • the limits N 0 and N u are defined limits of a selected tolerance range, which ensures that the network frequency of a connected generator fluctuates only within the specified tolerance range.
  • the speed control according to the method for the hydrogen engine with operating gas circulation ensures a speed in the range of the limits N 0 and N u of the specified tolerance range and thus a network frequency of, for example, 50 Hz ⁇ 0.05 Hz.
  • Fig. 1 a schematic diagram of the power generation plant according to the invention
  • Fig. 2 a schematic diagram of the method according to the invention for
  • FIG. 1 shows a basic illustration of the power generation plant 1 according to the invention.
  • the hydrogen engine 2 with operating gas circulation as an internal combustion engine is used to convert the chemical energy supplied, in the form of an operating gas-oxygen-hydrogen mixture, into released mechanical energy, while an electrical generator 3 or a synchronous generator converts this mechanical energy into a desired electrical energy, which from Generator 3 is output via electrical lines 4, for example, into a power supply network 5.
  • the hydrogen engine 2 is connected directly to the generator 3 via a connecting shaft 6 for transmitting a torque 7.
  • a three-phase power supply network 5 is shown.
  • An operating gas-oxygen mixture which for example has argon as the operating gas, is sucked in by the hydrogen engine 2 via the respective operating gas feed device 8 through a piston moving downwards in the combustion chamber 9 of the hydrogen engine 2.
  • a downward movement is characterized in that the piston in the combustion chamber 9 moves from its so-called top dead center to its so-called bottom dead center, regardless of the exact alignment or installation position of the combustion chamber 9 or a cylinder in the hydrogen engine 2 surrounding the combustion chamber 9.
  • a glow plug can be used instead of a spark plug 11.
  • crankshaft of the hydrogen engine 2 which, as usual, is connected to the pistons of the hydrogen engine 2 by means of a connecting rod or a connecting rod, is at least indirectly connected to the connecting shaft 6.
  • the crankshaft, the connecting rods and the pistons are not shown in the schematic diagram in FIG. Via the connecting shaft 6, the torque generated by the hydrogen motor 2 7 or a rotary movement to the generator 3 is transmitted.
  • the resulting mechanical energy is transferred to the crankshaft, which is set in rotation.
  • This exhaust gas mainly comprises the operating gas and the water vapor produced during combustion.
  • the water vapor produced by the combustion and the heated operating gas then circulate via the operating gas circulation path 13 to the operating gas supply devices 8 to the combustion chamber 9 and the working cycle of the hydrogen engine 2 starts again from the beginning.
  • a hydrogen engine with operating gas circulation according to the four-stroke Otto process a hydrogen engine with operating gas circulation according to the two-stroke Otto process can also be used instead, the speed of which can be used with the inventive method for speed control a drive unit in a power supply system.
  • a hydrogen engine with operating gas circulation based on the four-stroke diesel method a hydrogen engine with operating gas circulation based on the two-stroke diesel method, or a hydrogen engine with operating gas circulation in an embodiment as a rotary piston engine or Wankel engine.
  • the operating gas or the circulating working medium also passes at least one operating gas cooler 14, which is arranged in the operating gas circulation path 13 to separate water from the operating gas.
  • the condensate formed when water is separated from the operating gas reaches a corresponding condensate collecting container 16 via a condensate line 15.
  • the electrical generator 3 is designed, for example, so that a speed of 1500 1 / min corresponds to the typical network frequency of the power supply network of 50 Hz and thus represents the target speed to be achieved. It is pointed out at this point that, of course, a different generator design (number of pole pairs) or a different network frequency results in different speeds.
  • the hydrogen engine 2 can generate a speed corresponding to the target speed with operating gas circulation
  • hydrogen which is supplied from a hydrogen supply device 20 via a hydrogen supply line 21 in an amount that is required to generate the target speed, must be fed into the combustion Rooms 9 are supplied and burned in these.
  • the amount of hydrogen that is burned in the respective combustion chamber 9 is controlled by the method according to the invention for regulating the speed of a hydrogen engine 2 in a power generation system 1.
  • both the amount of hydrogen fed to the respective combustion chamber 9 and the amount of oxygen fed to the respective combustion chamber 9 are regulated according to the method.
  • the specified setpoint speed of 1500 rpm is a reference variable and the actual speed of the crankshaft of the hydrogen engine 2 or the actual speed of the generator 3 is a control variable.
  • a control deviation or control difference thus results from a difference between the target speed and the actual speed.
  • This control deviation which can assume a positive or a negative value, is used to determine whether the amount of hydrogen and / or oxygen to be metered, for example, has to be increased, maintained or decreased in order to achieve the specified target speed.
  • the target speed and the actual speed match exactly and the previously metered amount of hydrogen and / or oxygen is retained.
  • the target speed is greater than the actual speed.
  • the amount of hydrogen and / or oxygen that has been dosed up to now must therefore be increased.
  • the target speed is lower than the actual speed. In this case, the previously metered amount of hydrogen and / or oxygen must be reduced.
  • the amount of hydrogen and / or oxygen to be dosed is determined.
  • the required amount of hydrogen is made from taken from the hydrogen supply device 20 and metered into the respective combustion chamber 9 via the hydrogen supply line 21 and the respective hydrogen supply device 10.
  • the required amount of oxygen is taken from the oxygen supply device 22 and metered into the operating gas circulation path 13 via the oxygen supply line 23 and the second valve 24.
  • the hydrogen motor 2 or the generator 3 respectively reaches the setpoint speed.
  • the electrical power generated by the generator 3 can be tapped via the electrical lines 4 and fed into the power supply network 5 in a frequency-synchronous and phase-synchronous manner.
  • phase synchronization As usual, an interconnection of synchronous AC voltage sources such as the electrical generator 3 and the power grid 5 only takes place after phase synchronization has taken place. Customary procedures or methods known from the prior art can be used for this. For this reason, the implementation of phase synchronization is not discussed in detail.
  • FIG. 2 shows a basic illustration of the method according to the invention for regulating the speed of a drive unit in a power generation plant.
  • the flowchart shows the control of the hydrogen and / or oxygen supply as a function of the instantaneous speed or the actual speed Nj S t of the hydrogen engine 2 with operating gas circulation.
  • step 25 the method for regulating the speed of a drive unit, such as a hydrogen engine 2, in a power generation plant 1 starts.
  • a status check is carried out to determine whether the hydrogen engine 2 is in operation or in a so-called operating phase, or whether the hydrogen engine 2 is not in operation or in a so-called idle phase.
  • the method is continued or terminated with step 32.
  • the method can be ended or continued in a loop, the method then being able to be continued in step 26 with a new status check, which is not shown in FIG.
  • such methods can be processed in a recurring loop, with both the number of repetitions and their chronological sequence, such as a repetition rate or sampling rate, being able to be defined as required.
  • step 27 a check for an end sequence is carried out and it is determined whether an end sequence for ending the operating phase of the hydrogen engine 2 has already been triggered.
  • step 28 the speed control according to the method is continued in step 28.
  • step 28 a speed comparison of the actual speed is the hydrogen engine 2 and the actual speed N is the generator 3 with the predetermined target rotational speed N S0 n instead.
  • a tolerance range is set, for example for this test, in which the actual speed N is to be located for a Trim normal operation of the generator. 3 This tolerance range is formed by a lower speed limit N u and an upper speed limit N 0 .
  • step 28 Is determined at the speed test at step 28 that the actual speed N is the target rotational speed N corresponds to n or in that the actual speed N is located in the specified tolerance range, the dosed amount of hydrogen and / or oxygen not changed and the method ended in step 32.
  • a deviation check in the following step 29 determines whether the actual speed N is above the upper limit N 0 or below the lower limit N u .
  • step 30 If the actual speed N is t above the upper limit N 0 , the method is continued in step 30 with a reduction in the dosage and the supply of hydrogen and / or oxygen is reduced.
  • step 31 If the actual speed Nj St is below the lower limit N u , the method is continued in step 31 with an increase in the dosage and the supply of hydrogen and / or oxygen is increased.
  • only the supply of hydrogen or only the supply of oxygen is reduced or increased according to the method.
  • the corresponding associated dosage of the respective other substance can be carried out by means of a method that is independent of the method according to the invention. This method, which is independent of the method according to the invention, doses the respective other substance as a function of a mixing ratio necessary for proper combustion in the combustion chamber 9.
  • the decrease in step 30 and the increase in step 31 are carried out, for example, in predetermined steps.
  • values can be stored in a table.
  • such a change in the dosage of hydrogen and / or oxygen can take place in steps between 0.5% and 25%.
  • steps smaller than 0.5% are also possible.
  • step 29 it is not only possible to check whether the actual speed Nj St is outside the tolerance range, but what absolute deviation is currently occurring between the actual speed N and the required target speed N SO II.
  • This absolute deviation can be used to select possible steps for changing the dosage of hydrogen and / or oxygen.
  • a larger step of changing the metering of hydrogen and / or oxygen is selected for the case that the absolute deviation between the actual speed N is t and the required target speed N SO II is greater and vice versa.
  • the actual speed Nj St is measured by means of a conventional method for speed measurement known from the prior art, which, for example, can also be implemented as a contactless method for speed measurement.

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Abstract

Der Erfindung, welche eine Stromerzeugungsanlage (1) und ein Verfahren zur Drehzahlregelung einer Antriebseinheit in einer Stromerzeugungsanlage (1) betrifft, liegt die Aufgabe zugrunde, eine Lösung anzugeben, womit eine netzfrequenzabhängige Regelung der Drehzahl eines mit der Antriebseinheit gekoppelten Generators (3) auf eine vorgegebene Soll-Drehzahl erreicht wird. Diese Aufgabe wird anordnungsseitig dadurch gelöst, dass die Antriebseinheit ein drehzahlgeregelter Wasserstoffmotor (2) mit Betriebsgaszirkulation ist und dass der Wasserstoffmotor (2) mit Betriebsgaszirkulation und der elektrische Generator (3) direkt mit einer Verbindungswelle zur Übertragung einer vom Wasserstoffmotor (2) mit Betriebsgaszirkulation erzeugten Drehbewegung auf den elektrischen Generator (3) verbunden sind.

Description

Stromerzeugungsanlage und Verfahren zur Drehzahlregelung einer Antriebseinheit in einer Stromversorgungsanlage
Die Erfindung betrifft eine Stromerzeugungsanlage, welche einen elektrischen Generator und eine Antriebseinheit zum Antreiben des elektrischen Generators aufweist.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Drehzahlregelung einer Antriebseinheit in einer Stromversorgungsanlage, welche mit einem elektrischen Generator zur Stromerzeugung bereitgestellt wird und bei welchem eine Ist-Drehzahl des elektrischen Generators oder der Antriebseinheit bestimmt wird und bei welchem eine Regelung der Ist-Drehzahl auf eine vorgegebene Soll-Drehzahl erfolgt.
Bekannt sind Stromerzeugungsanlagen, beispielsweise für eine dezentrale Erzeugung von elektrischer Energie, in verschiedenen Größen beziehungsweise mit verschiedenen elektrischen Leistungen. Derartige Stromerzeugungsanlagen umfassen mindestens eine Antriebseinheit und einen von der Antriebseinheit ange- triebenen elektrischen Generator, in welchem die von der Antriebseinheit gelieferte mechanische Energie in elektrische Energie umgewandelt und vom Generator abgegeben wird. Diese Abgabe der elektrischen Energie erfolgt üblicherweise an ein Energieübertragungsnetz, welches auch als Stromversorgungsnetz bezeichnet wird, oder an direkt angeschlossene elektrische Verbraucher. In derartigen Stromerzeugungsanlagen arbeiten üblicherweise sogenannte konventionelle Verbrennungskraftmaschinen beziehungsweise Brennkraftmaschinen als Antriebseinheit, welche beispielsweise mit Benzin, Dieselkraftstoff oder Gasbrennstoff betrieben werden. Ein wesentlicher Nachteil derartiger Brennkraftmaschinen besteht darin, dass bei der Verbrennung beispielsweise eines Kraftstoff- Luft-Gemischs im Brennraum beziehungsweise einer Brennkammer einer Brenn- kraftmaschine Schadstoffe wie beispielsweise Stickoxide (NOx), Kohlenwasserstoffe (HC), Kohlenmonoxid (CO) und andere entstehen und in die Umwelt emittiert beziehungsweise ausgestoßen werden. Zusätzlich wird auch das als besonders problematisch eingestufte klimaschädliche Abgas Kohlendioxid (C02) emit- tiert. Somit weist dieser bekannte Stand der Technik erhebliche Nachteile für die Um welt und die Gesundheit auf.
Aus dem Stand der Technik sind auch sogenannte abgasemissionsfreie Hocheffizienzmotoren bekannt.
Diese Art von Motoren unterscheiden sich von bekannten Brennkraftmaschinen dadurch, dass diese Motoren einen sogenannten Zirkulationsweg aufweisen. Der Zirkulationsweg wird durch das Verbinden eines Auslasskanals des Hocheffizienzmotors, durch den nach der Verbrennung erzeugtes Abgas strömt, und eines Einlasskanals des Hocheffizienzmotors, durch den ein in den Brennraum einzulei tendes Gas strömt, gebildet.
In solchen Hocheffizienzmotoren werden beispielsweise Wasserstoff, der als Kraftstoff verwendet wird, und Sauerstoff, der den Wasserstoff oxidiert, dem Brennraum zugeführt. Zusätzlich wird beispielsweise Argon, das als Arbeitsgas beziehungsweise Betriebsgas über den Auslasskanal und über den Zirkulations weg zum Einlasskanal zirkuliert, dem Brennraum zurückgeführt. Es handelt sich hierbei um einen geschlossenen Kreislauf, welcher eine Verbrennung ohne Umgebungsluft realisiert. Durch die Verwendung von Argon als Arbeitsgas beziehungsweise Betriebsgas wird ein besserer thermischer Wirkungsgrad im Vergleich zu konventionellen Brennkraftmaschinen erreicht. Nachfolgen wird ein derartiger Hocheffizienzmotor mit einem Zirkulationsweg als Wasserstoffmotor mit Betriebsgaszirkulation oder mit einem umlaufenden Arbeitsmedium oder kürzer nur als Wasserstoffmotor bezeichnet.
Bei derartigen Wasserstoffmotoren mit Betriebsgaszirkulation entsteht Wasser bei der Verbrennung von Wasserstoff. Dieses Wasser wird in einem im Zirkulations weg vorgesehenen Kondensator kondensiert und vom Arbeitsgas Argon getrennt. Infolgedessen wird nur das Arbeitsgas über den Zirkulationsweg in den Brennraum des Wasserstoffmotors zurückgeführt.
Aus der W02007/100115 ist ein derartiger Wasserstoffmotor bekannt, welcher unter Verwendung eines umlaufenden Arbeitsmediums betrieben wird, wobei Wasserstoff, Sauerstoff und das aus einem einatomigen Gas bestehende Arbeitsmedium einer Brennkammer zugeführt werden, um den Wasserstoff zu verbrennen, und wobei das Arbeitsmedium in einem Abgas enthalten ist, welches in die Brennkammer zurückgeführt wird.
Schmieröl, welches zum Betrieb des Motors verwendet wird, gelangt in die Brennkammer und führt unvermeidlich zu einer Bildung von Kohlendioxid in der Brennkammer, welches somit in den Zirkulationsweg des Motors gelangt und die Betriebsweise des Motors negativ beeinflusst. Somit besteht die zu lösende Aufgabe darin, derartige Verunreinigungen zu beseitigen.
Zur Lösung ist es angegeben, dass der Wasserstoffmotor ein Produktentfer nungsmittel umfasst, welches in dem Umwälzkanal angeordnet ist und welches derartige, ungewollte Verunreinigungen beseitigt. Insbesondere wird in der Brennkammer entstehendes Kohlendioxid entfernt.
In Stromerzeugungsanlagen muss zur Herstellung einer Synchronität zwischen dem Stromversorgungsnetz und dem durch eine Antriebseinheit angetriebenen Generator eine netzfrequenz- und generatorpolanzahlabhängige Drehzahl bezie hungsweise Soll-Drehzahl eingestellt werden. Für die korrekte Einstellung der Drehzahl einer Antriebseinheit, wie beispielsweise eines Wasserstoffmotors sowie einer korrekten Phasenlage ist eine exakte Drehzahlregelung des Wasserstoffmotors erforderlich.
Aus der EP 1929144 ist ein Verbrennungsmotor vom Betriebsgaszirkulationstyp mit einem geschlossenen Kreislauf bekannt, welcher Wasserstoff in einer Brennkammer verbrennt. Beschrieben wird auch ein Steuerverfahren, um eine Dreh momentregelung bei einer Verbrennungskraftmaschine mit Zirkulationsweg umzusetzen, welche vorzugsweise im automobilen Bereich Anwendung findet. Die Menge an eingeblasenem Wasserstoff, Sauerstoff und dem zugeführten Betriebsgas soll laut dieser Beschreibung so groß sein, dass ein Drehmoment erzeugt wird, welches einem erforderlichen Drehmoment entspricht. Dieses Steuerverfahren eignet sich für den Einsatz in einem Fahrzeug, bei welchem beispielsweise ein Fahrzeugführer durch eine Betätigung eines entsprechenden Pedals ein erforderliches Drehmoment vorgibt. Eine Drehzahlregelung ist nicht vorgesehen und derart auch nicht möglich. Der bisherige Stand der Technik ermöglicht somit keinen ordnungsgemäßen Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine mit Betriebsgaszirkulation wie einem Wasserstoffmotor als Antriebseinheit in einer Stromerzeugungsanlage mit einem Synchrongenerator, bei welchem eine netzfrequenz- und generatorpolanzahlabhängige Regelung der Drehzahl erfolgen muss.
Auf der Grundlage dieses Standes der Technik besteht ein Bedarf nach einer Drehzahlregelung für einen Wasserstoffmotor als Antriebseinheit in einer Stromerzeugungsanlage.
Die Aufgabe der Erfindung besteht nunmehr darin, eine Stromerzeugungsanlage und ein Verfahren zur Drehzahlregelung einer Antriebseinheit in einer Stromerzeugungsanlage anzugeben, wobei eine netzfrequenzabhängige Regelung der Drehzahl eines mit der Antriebseinheit gekoppelten Generators auf eine vorgegebene Soll-Drehzahl erreicht wird.
Die Aufgabe wird durch eine Stromerzeugungsanlage mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 der selbstständigen Patentansprüche gelöst.
Die Aufgabe wird auch durch ein Verfahren zur Drehzahlregelung mit den Merk malen gemäß Patentanspruch 2 der selbstständigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Vorgesehen ist es, dass zur Erzeugung des elektrischen Stroms durch einen sich drehenden elektrischen Generator beziehungsweise Synchrongenerator in einer Stromerzeugungsanlage statt eines gewöhnlichen Verbrennungsmotors ein ab gasemissionsfreier Hocheffizienzmotor, also ein Wasserstoffmotor mit Betriebsgaszirkulation, eingesetzt wird.
Zur Übertragung einer vom Wasserstoffmotor erzeugten Drehbewegung auf den Generator sind beide Einheiten mittels einer Verbindungswelle direkt miteinander gekoppelt. Bei einer derartigen direkten Kopplung ist die Drehzahl einer Kurbelwelle des Wasserstoffmotors gleich der Drehzahl des anzutreibenden Generators. Alternativen mit einer Drehzahlveränderung beziehungsweise Drehzahlanpas sung durch ein Getriebe sind möglich, werden hier aber nicht weiter ausgeführt. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Drehzahlregelung einer Antriebseinheit wie einem Wasserstoffmotor mit Betriebsgaszirkulation in einer Stromerzeugungsan lage löst das Problem einer Drehzahlregelung dadurch, dass die in den Brennraum des Wasserstoffmotors mit Betriebsgaszirkulation eingeführte beziehungsweise eingeblasene Menge an Sauerstoff und/oder Wasserstoff anhand einer vorgegebenen Soll-Drehzahl bestimmt und geregelt wird.
Diese Soll-Drehzahl wird in Abhängigkeit der benötigten Netzfrequenz des Stromversorgungsnetzes bestimmt, also in Abhängigkeit der vom Synchrongenerator der Stromerzeugungsanlage bereitzustellenden Frequenz der zu erzeugenden Spannung, um eine Synchronität der Frequenz der erzeugten Spannung mit der Netzfrequenz des Stromversorgungsnetzes zu erreichen. Diese Netzfrequenz liegt in Europa, Asien, Australien und in weiteren Gebieten beispielsweise bei 50 Hz. Je nach Bauweise des Synchrongenerators der Stromerzeugungsanlage kann die Anzahl der Paare von magnetischen Polen innerhalb einer rotierenden elektrischen Maschine wie einem Synchrongenerator variieren. Auf der Grundlage des Wissens über die Bauweise des Synchrongenerators und der einzustellenden Netzfrequenz kann ein Fachmann die für den Synchrongenerator benötigte Drehzahl beziehungsweise Soll-Drehzahl bestimmen.
Diese Bestimmung ist nicht Teil der hier vorgestellten Stromerzeugungsanlage oder des Verfahrens zur Drehzahlregelung einer Antriebseinheit in einer Stromerzeugungsanlage und wird daher nicht weiter ausgeführt. Unter der Annahme, dass eine zur Übertragung des Drehmoments an den Synchrongenerator geeig nete Welle des Wasserstoffmotors ohne ein Getriebe, also beispielsweise über eine Verbindungswelle direkt mit der Welle des Synchrongenerators, verbunden ist, so sind die Drehzahlen der Wellen gleich. Die Drehzahlregelung kann somit auf die ein Drehmoment vom Wasserstoffmotor abgebende Welle, wie beispielsweise eine Kurbelwelle, erfolgen.
Vorgesehen ist es, dass ein Vergleich einer messtechnisch ermittelten Ist- Drehzahl des Generators oder der Kurbelwelle mit der vorgegebenen Soll- Drehzahl erfolgt, wobei für den Fall, dass die Ist-Drehzahl und die Soll-Drehzahl übereinstimmen, keine Veränderung des dem Wasserstoffmotor zugeführten Be- triebsgas-Sauerstoff-Wasserstoffgemischs erfolgt. Für den Fall, dass die Ist-Drehzahl kleiner als die Soll-Drehzahl ist, wird die zugeführte Menge an Sauerstoff und/oder an Wasserstoff im Betriebsgas-Sauerstoff- Wasserstoffgemisch erhöht. Für den Fall, dass die Ist-Drehzahl größer als die Soll-Drehzahl ist, wird die zugeführte Menge an Sauerstoff und/oder an Wasser- Stoff im Betriebsgas-Sauerstoff-Wasserstoffgemisch verringert. Somit wird die Drehzahl der Kurbelwelle des Wasserstoffmotors solange verändert, bis die Kurbelwelle die Soll-Drehzahl aufweist, wobei die Kurbelwelle ihre Drehbewegung beispielsweise über eine Verbindungswelle auf eine Welle des Generators überträgt und diesen mit der gleichen Drehzahl antreibt. Vorgesehen ist es auch, dass ein Toleranzbereich für die zu erreichende Soll- Drehzahl mit einer unteren Drehzahlgrenze Nu und einer obere Drehzahlgrenze N0 gebildet wird. Die Bildung eines derartigen Toleranzbereichs gestattet ein Zulassen von geringen Abweichungen von der vorgegebenen Soll-Drehzahl ohne einen Regeleingriff, also ohne eine Veränderung der Dosierung der Mengen an Sauerstoff und/oder an Wasserstoff im Betriebsgas-Sauerstoff-
Wasserstoffgemisch .
Ebenfalls vorgesehen ist es, dass nur für den Fall, dass die Ist-Drehzahl außerhalb des gebildeten Toleranzbereichs liegt, eine Veränderung der zugeführten Menge an Sauerstoff und/oder an Wasserstoff im Betriebsgas-Sauerstoff- Wasserstoffgemisch erfolgt. Liegt die Ist-Drehzahl innerhalb des gebildeten Toleranzbereichs, so arbeitet der Wasserstoffmotor mit einer Drehzahl, welche ausreichend ist, um die Norm einer geforderten Netzfrequenz von beispielsweise 50 Hz zu erfüllen und ein Eingriff in den laufenden Betrieb des Wasserstoffmotors ist nicht notwendig. Es ist vorgesehen, den Vergleich der Ist-Drehzahl mit der Soll-Drehzahl kontinuierlich durchzuführen, um eine kontinuierliche Arbeitsweise der Stromversorgungsanlage mit der geforderten Netzfrequenz zu erreichen.
Hierbei kann der Vergleich der Ist-Drehzahl mit der Soll-Drehzahl zu festgelegten Zeitpunkten erfolgen oder innerhalb festgelegter Zeiteinheiten wiederholt werden. Weiterhin vorgesehen ist es, dass der Vergleich der Ist-Drehzahl mit der Soll-
Drehzahl nur für den Fall erfolgt, dass der Wasserstoffmotor in einer Betriebspha- se ist. Für den Fall, dass der Wasserstoffmotor in einer Ruhephase ist, wird das erfindungsgemäße Verfahren zur Drehzahlregelung unterbrochen.
Ebenso wird das erfindungsgemäße Verfahren unterbrochen, für den Fall, dass der Wasserstoffmotor abgeschaltet werden soll, also wenn eine sogenannte End- Sequenz zum Beenden einer Betriebsphase des Wasserstoffmotors mit Betriebsgaszirkulation ablaufen soll.
Weiterhin ist vorgesehen, dass ein Drehzahlvergleich einer Ist-Drehzahl NjSt des elektrischen Generators mit einer vorgegebenen Soll-Drehzahl NS0n erfolgt und dass bei einer festgestellten Abweichung der Ist-Drehzahl NjSt von der Soll- Drehzahl Nsoii in einem nachfolgenden Schritt festgestellt wird, ob die Ist- Drehzahl Njst über einer festgelegten oberen Grenze N0 oder unterhalb einer fest gelegten unteren Grenze Nu liegt. Hierbei sind die Grenzen N0 und Nu festgelegte Grenzen eines gewählten Toleranzbereichs, welcher gewährleistet, dass die Netzfrequenz eines angeschlossenen Generators nur innerhalb des vorgegebe nen Toleranzbereichs schwankt.
Vorgesehen ist es, dass durch die Drehzahlregelung eine Soll-Drehzahl von beispielsweise 1500 1/min eingeregelt wird und dass somit eine Netzfrequenz von 50 Hz beim Einsatz eines entsprechend ausgelegten Generators erreicht wird. Mit dieser Netzfrequenz wird die vom Generator der Stromversorgungsanlage er zeugte Energie in das Stromversorgungsnetz eingespeist. In einer Alternative kann die vom Generator der Stromversorgungsanlage erzeugte Energie angeschlossenen elektrischen Verbrauchern direkt zur Verfügung gestellt werden. Die verfahrensgemäße Drehzahlregelung für den Wasserstoffmotor mit Betriebsgas zirkulation gewährleistet eine Drehzahl im Bereich der Grenzen N0 und Nu des festgelegten Toleranzbereichs und somit eine Netzfrequenz von beispielsweise 50 Hz ±0,05 Hz.
Die zuvor erläuterten Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sind nach sorgfältigem Studium der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung der hier bevorzugten, nicht einschränkenden Beispielausgestaltungen der Erfindung mit den zugehörigen Zeichnungen besser zu verstehen und zu bewerten, welche zeigen: Fig. 1 : eine Prinzipdarstellung der erfindungsgemäßen Stromerzeugungsanlage und
Fig. 2: eine Prinzipdarstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur
Drehzahlregelung.
Die Figur 1 zeigt eine Prinzipdarstellung der erfindungsgemäßen Stromerzeugungsanlage 1.
Der Wasserstoffmotor 2 mit Betriebsgaszirkulation als Verbrennungskraftmaschine dient der Umwandlung von zugeführter chemischer Energie, in Form eines Betriebsgas-Sauerstoff-Wasserstoffgemischs, in abgegebene mechanische Ener gie, während ein elektrischer Generator 3 beziehungsweise ein Synchrongenerator diese mechanische Energie in eine gewünschte elektrische Energie umwandelt, welche vom Generator 3 über elektrische Leitungen 4 beispielsweise in ein Stromversorgungsnetz 5 abgegeben wird. Zu diesem Zweck ist der Wasserstoff motor 2 über eine Verbindungswelle 6 zur Übertragung eines Drehmoments 7 direkt mit dem Generator 3 verbunden. Im Beispiel der Figur 1 ist ein drei Phasen aufweisendes Stromversorgungsnetz 5 dargestellt.
Durch den Wasserstoffmotor 2 wird ein Betriebsgas-Sauerstoffgemisch, welches beispielsweise Argon als Betriebsgas aufweist, über die jeweilige Betriebsgaszu führungseinrichtung 8 durch einen sich im Brennraum 9 des Wasserstoffmotors 2 abwärts bewegenden Kolben angesaugt. Eine derartige abwärts gerichtete Bewegung ist dadurch gekennzeichnet, dass sich der Kolben im Brennraum 9 von seinem sogenannten oberen Totpunktzu seinem sogenannten unteren Totpunkt bewegt, unabhängig von der genauen Ausrichtung beziehungsweise Einbaulage des Brennraums 9 beziehungsweise eines den Brennraum 9 umgebenden Zylin ders im Wasserstoffmotor 2.
Kurz nachdem der Kolben den unteren Totpunkt erreicht hat, bewegt sich der Kolben wieder in Richtung des oberen Totpunkts, wobei das Betriebsgas- Sauerstoffgemisch durch diese Bewegung des Kolbens im Brennraum 9 verdichtet wird. Diese Verdichtung wird dadurch ermöglicht, dass die jeweilige Betriebsgaszuführungseinrichtung 8 und die jeweilige Auslassvorrichtung 12 geschlossen sind. Vorgesehen ist es, dass zeitgleich zum Vorgang der Verdichtung Wasserstoff mit einem entsprechend hohem Druck in den Brennraum 9 über eine Wasserstoffzuführungseinrichtung 10 eindosiert wird. Das somit entstehende komprimierte Be- triebsgas-Sauerstoff-Wasserstoffgemisch wird kurz vor dem Erreichen des oberen Totpunktes des Kolbens durch eine Zündkerze 11 im Brennraum 9 gezündet und somit der Verbrennungsvorgang des Betriebsgas-Sauerstoff- Wasserstoffgemischs eingeleitet. Durch diese Verbrennung entsteht Wärme, wodurch das Betriebsgas, welches ein größeres spezifisches Wärmeverhältnis als Sauerstoff oder Luft besitzt, expandiert und damit den Kolben in eine Abwärtsbewegung, in Richtung des unteren Totpunkts des Kolbens, versetzt. In einer alternativen Ausführung eines Wasserstoffmotors 2 mit Betriebsgaszirkulation kann statt einer Zündkerze 11 eine Glühkerze zum Einsatz kommen.
Die Kurbelwelle des Wasserstoffmotors 2, welche wie üblich mittels eines Pleuels beziehungsweise einer Pleuelstange mit den Kolben des Wasserstoffmotors 2 verbunden ist, ist zumindest mittelbar mit der Verbindungswelle 6 verbunden. Die Kurbelwelle, die Pleuelstangen sowie die Kolben sind in der Prinzipdarstellung in der Figur 1 nicht dargestellt. Über die Verbindungswelle 6 wird das vom Wasser stoffmotor 2 erzeugte Drehmoment 7 beziehungsweise eine Drehbewegung zum Generator 3 übertragen. Insbesondere durch die Bewegung des Kolbens in Richtung des unteren Totpunkts bei der Verbrennung des Betriebsgas-Sauerstoff- Wasserstoffgemischs wird die entstehende mechanische Energie auf die Kurbel welle übertragen, welche in eine Drehbewegung versetzt wird.
Nachdem der Kolben den unteren Totpunkt erreicht hat, wird der Kolben durch die Massenträgheit der rotierenden Teile des Wasserstoffmotors 2 wieder in Richtung des oberen Totpunkts bewegt, wobei das bei der Verbrennung entstehende Ab gas über die jeweilige Auslassvorrichtung 12 aus dem Brennraum 9 des Wasserstoffmotors 2 ausgestoßen wird. Dieses Abgas umfasst hauptsächlich das Betriebsgas und den bei der Verbrennung entstehenden Wasserdampf.
Der durch die Verbrennung entstandene Wasserdampf und das erwärmte Betriebsgas zirkulieren anschließend über den Betriebsgaszirkulationsweg 13 bis zu den Betriebsgaszuführungseinrichtungen 8 zum Brennraum 9 und das Arbeitsspiel des Wasserstoffmotors 2 beginnt erneut von vorn. Auch wenn sich die vorliegende Beschreibung beispielhaft auf einen Wasserstoffmotor mit Betriebsgaszirkulation nach dem Viertakt-Otto-Verfahren bezieht, kann an dessen Stelle beispielsweise auch ein Wasserstoffmotor mit Betriebsgaszirkulation nach dem Zweitakt-Otto-Verfahren zum Einsatz kommen, dessen Drehzahl mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Drehzahlregelung einer Antriebseinheit in einer Stromversorgungsanlage geregelt wird. Weitere Alternativen sind ein Wasserstoffmotor mit Betriebsgaszirkulation nach dem Viertakt-Diesel- Verfahren, ein Wasserstoffmotor mit Betriebsgaszirkulation nach dem Zweitakt- Diesel-Verfahren oder ein Wasserstoffmotor mit Betriebsgaszirkulation in einer Ausführung als Rotationskolbenmotor beziehungsweise Wankelmotor.
Bei der Zirkulation des Betriebsgases innerhalb des Betriebsgaszirkulationswegs 13 passiert das Betriebsgas beziehungsweise das umlaufende Arbeitsmedium auch mindestens einen Betriebsgaskühler 14, welcher zur Abscheidung von Wasser aus dem Betriebsgas im Betriebsgaszirkulationsweg 13 angeordnet ist. Das bei der Abscheidung von Wasser aus dem Betriebsgas entstehende Kon densat gelangt über eine Kondensatleitung 15 in einen entsprechenden Konden- sat-Auffangbehälter 16.
Im Falle einer Undichtigkeit oder bei einer neuen Befüllung des Betriebsgaszirkulationsweges 13 wird neues Betriebsgas aus der Betriebsgasversorgungseinrichtung 17 über die Betriebsgaszuführungsleitung 18 und das entsprechende erste Ventil 19 in den Betriebsgaszirkulationsweg 13 zugeführt.
Der elektrische Generator 3 wird beispielsweise so ausgelegt, dass eine Drehzahl von 1500 1/min der typischen Netzfrequenz des Stromversorgungsnetzes von 50 Hz entspricht und somit die zu erreichende Soll-Drehzahl darstellt. Es wird an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass sich selbstverständlich bei einer anderen Generatorauslegung (Polpaaranzahl) oder einer anderen Netzfrequenz andere Drehzahlen ergeben.
Damit der Wasserstoffmotor 2 mit Betriebsgaszirkulation eine Drehzahl entsprechend der Solldrehzahl erzeugen kann, muss Wasserstoff, welcher aus einer Wasserstoffversorgungseinrichtung 20 über eine Wasserstoffzuführungsleitung 21 in einer Menge, die zur Erzeugung der Soll-Drehzahl erforderlich ist, in die Brenn- räume 9 zugeführt und in diesen verbrannt werden. Die Menge an Wasserstoff, die im jeweiligen Brennraum 9 verbrannt wird, wird durch das erfindungsgemäße Verfahren zur Drehzahlregelung eines Wasserstoffmotors 2 in einer Stromerzeu gungsanlage 1 gesteuert.
Hierfür ist es vorgesehen, dass entweder die Menge des dem jeweiligen Brennraum 9 zugeführten Wasserstoffs oder die Menge des dem jeweiligen Brennraum 9 zugeführten Sauerstoffs gesteuert und die Menge des jeweils anderen so geregelt wird, dass eine ausreichende Menge der Reaktanten im jeweiligen Brennraum 9 vorliegt, um diese durch eine Verbrennung miteinander zu verbinden. In einer alternativen Ausführung wird sowohl die Menge des dem jeweiligen Brennraum 9 zugeführten Wasserstoffs als auch die Menge des dem jeweiligen Brennraum 9 zugeführten Sauerstoffs verfahrensgemäß geregelt.
In einem derartigen Regelkreis ist die vorgegebene Soll-Drehzahl von beispielsweise 1500 1/min eine Führungsgröße und die Ist-Drehzahl der Kurbelwelle des Wasserstoffmotors 2 beziehungsweise die Ist-Drehzahl des Generators 3 eine Regelgröße. Eine Regelabweichung beziehungsweise Regeldifferenz ergibt sich somit aus einer Differenz der Soll-Drehzahl und der Ist-Drehzahl. Mittels dieser Regelabweichung, welche einen positiven oder einen negativen Wert annehmen kann, wird bestimmt, ob die zu dosierende Menge beispielsweise an Wasserstoff und/oder an Sauerstoff erhöht, beibehalten oder verringert werden muss, um die vorgegebene Soll-Drehzahl zu erreichen.
Für den Fall, dass die Regelabweichung Null ist, stimmen Soll-Drehzahl und Ist- Drehzahl genau überein und die bisher dosierte Menge an Wasserstoff und/oder an Sauerstoff wird beibehalten. Für den Fall, dass die Regelabweichung positiv ist, ist die Soll-Drehzahl größer als die Ist-Drehzahl. Somit muss die bisher dosierte Menge an Wasserstoff und/oder an Sauerstoff erhöht werden. Für den Fall, dass die Regelabweichung negativ ist, ist die Soll-Drehzahl kleiner als die Ist- Drehzahl. In diesem Fall muss die bisher dosierte Menge an Wasserstoff und/oder an Sauerstoff verringert werden.
Basierend auf diesem Konzept wird die zu dosierende Menge an Wasserstoff und/oder an Sauerstoff bestimmt. Die benötigte Menge an Wasserstoff wird aus der Wasserstoffversorgungseinrichtung 20 entnommen und über die Wasserstoffzuführungsleitung 21 und die jeweilige Wasserstoffzuführungseinrichtung 10 in den jeweiligen Brennraum 9 eindosiert. Die benötigte Menge an Sauerstoff wird aus der Sauerstoffversorgungseinrichtung 22 entnommen und über die Sauerstoffzuführungsleitung 23 und das zweite Ventil 24 in den Betriebsgaszirkulati onsweg 13 eindosiert.
Werden somit die benötigten Mengen an Wasserstoff im Brennraum 9 und an Sauerstoff im Betriebsgaszirkulationsweg 13 zur Verfügung gestellt, erreicht der Wasserstoffmotor 2 beziehungsweise der Generator 3 die Soll-Drehzahl.
Die vom Generator 3 erzeugte elektrische Leistung kann über die elektrischen Leitungen 4 abgegriffen und in das Stromversorgungsnetz 5 frequenzsynchron und phasensynchron eingespeist werden.
Wie üblich, erfolgt ein Zusammenschalten von synchronen Wechselspannungsquellen wie dem elektrischen Generator 3 und dem Stromnetz 5 erst nach erfolg ter Phasensynchronisation. Hierfür können übliche Vorgehensweisen beziehungsweise aus dem Stand der Technik bekannte Verfahren zum Einsatz kommen. Aus diesem Grund wird auf die Umsetzung der Phasensynchronisation nicht ausführlich eingegangen.
Die Figur 2 zeigt eine Prinzipdarstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Drehzahlregelung einer Antriebseinheit in einer Stromerzeugungsanlage. Das Flussdiagramm zeigt die Steuerung der Wasserstoff- und/oder Sauerstoffzufuhr in Abhängigkeit von der Momentandrehzahl beziehungsweise der Ist-Drehzahl NjSt des Wasserstoffmotors 2 mit Betriebsgaszirkulation.
Im Schritt 25 startet das Verfahren zur Drehzahlregelung einer Antriebseinheit, wie beispielsweise einem Wasserstoffmotor 2, in einer Stromerzeugungsanlage 1.
In einem nachfolgenden Schritt 26 erfolgt eine Zustandsprüfung, ob sich der Wasserstoffmotor 2 im Betrieb beziehungsweise in einer sogenannten Betriebsphase befindet oder ob sich der Wasserstoffmotor 2 nicht im Betrieb beziehungsweise in einer sogenannten Ruhephase befindet. Der Zustand der Betriebsphase wird beispielhaft durch den Zusammenhang MIB=1 und der Zustand der Ruhephase durch MIB=0 abgebildet.
Befindet sich der Wasserstoffmotor 2 in seiner Ruhephase, wobei gilt MIB=0, wird das Verfahren mit dem Schritt 32 fortgesetzt beziehungsweise beendet. An dieser Stelle kann das Verfahren beendet werden oder in einer Schleife fortgesetzt werden, wobei das Verfahren dann im Schritt 26 mit einer erneuten Zustandsprüfung fortgesetzt werden kann, was in der Figur 2 nicht dargestellt ist. Wie üblich können derartige Verfahren in einer wiederkehrenden Schleife abgearbeitet werden, wobei sowohl die Anzahl der Wiederholungen sowie auch ihre zeitliche Abfolge wie eine Wiederholrate beziehungsweise Abtastrate bedarfsgerecht festgelegt werden können.
Befindet sich der Wasserstoffmotor 2 in seiner Betriebsphase, wobei gilt M I B= 1 , wird das Verfahren mit dem Schritt 27 fortgesetzt. In diesem Schritt 27 wird eine Prüfung auf eine End-Sequenz durchgeführt und festgestellt, ob bereits eine End sequenz zum Beenden der Betriebsphase des Wasserstoffmotors 2 ausgelöst worden ist.
Für den Fall, dass eine aktuelle Betriebsphase des Wasserstoffmotors 2 beendet werden soll und der Wasserstoffmotors 2 in seine Ruhephase überführt werden soll, ist eine verfahrensgemäße Drehzahlregelung nicht mehr notwendig und das Verfahren wird im Schritt 32 beendet.
Für den Fall, dass die aktuelle Betriebsphase des Wasserstoffmotors 2 fortgesetzt werden soll, wird mit der verfahrensgemäßen Drehzahlregelung im Schritt 28 fort gesetzt.
Im Schritt 28 findet eine Drehzahlvergleich der Ist-Drehzahl des Wasserstoffmotors 2 beziehungsweise der Ist-Drehzahl Nist des Generators 3 mit der vorgegebenen Soll-Drehzahl NS0n statt. Für diese Prüfung wird beispielsweise ein Toleranzbereich festgelegt, in welchem sich die Ist-Drehzahl Nist für einen ordnungs gemäßen Betrieb des Generators 3 befinden soll. Dieser Toleranzbereich wird durch eine untere Drehzahlgrenze Nu und eine obere Drehzahlgrenze N0 gebildet. Somit gilt für den ordnungsgemäßem Betrieb des Wasserstoffmotors 2 bezie hungsweise des Generators 3
Nu < Nist < No.
Wird bei der Drehzahlprüfung im Schritt 28 festgestellt, dass die Ist-Drehzahl Nist der Soll-Drehzahl Nson entspricht oder dass die Ist-Drehzahl Nist in dem festgelegten Toleranzbereich liegt, wird die zu dosierende Menge an Wasserstoff und/oder an Sauerstoff nicht verändert und das Verfahren im Schritt 32 beendet.
Wird bei der Drehzahlprüfung im Schritt 28 festgestellt, dass die Ist-Drehzahl NiSt nicht der Soll-Drehzahl NS0n entspricht, wird im nachfolgenden Schritt 29 in einer Abweichungsprüfung festgestellt, ob die Ist-Drehzahl Nist über der oberen Grenze N0 oder unterhalb der unteren Grenze Nu liegt.
Ist die Ist-Drehzahl Nist über der oberen Grenze N0, wird das Verfahren im Schritt 30 mit einer Verringerung der Dosierung fortgesetzt und die Zufuhr von Wasserstoff und/oder an Sauerstoff verringert.
Ist die Ist-Drehzahl NjSt unter der unteren Grenze Nu, wird das Verfahren im Schritt 31 mit einer Erhöhung der Dosierung fortgesetzt und die Zufuhr von Wasserstoff und/oder Sauerstoff wird erhöht.
Alternativ wird nur die Zufuhr von Wasserstoff oder nur die Zufuhr von Sauerstoff verfahrensgemäß verringert oder erhöht. Die entsprechende zugehörige Dosierung des jeweiligen andere Stoffs kann mittels eines vom erfindungsgemäßen Verfahren unabhängigen Verfahren erfolgen. Dieses vom erfindungsgemäßen Verfahren unabhängigen Verfahren dosiert den jeweiligen anderen Stoff in Abhängigkeit eines für eine ordnungsgemäße Verbrennung im Brennraum 9 notwendigen Mischungsverhältnis.
Die Verringerung im Schritt 30 sowie die Erhöhung im Schritt 31 wird beispielsweise in vorgegebenen Schritten durchgeführt. Hierfür können Werte in einer Tabelle hinterlegt werden. Beispielsweise kann eine derartige Änderung der Dosierung von Wasserstoff und/oder Sauerstoff in Schritten zwischen 0,5 % und 25 % erfolgen. Für den Fall, dass die Abtastrate entsprechend klein ist und somit die Häufigkeit der Vergleiche der Ist-Drehzahl mit der Soll-Drehzahl in sehr kleinen Zeitabschnitten wiederholt wird, sind auch Schritte kleiner 0,5 % möglich.
In einer Alternative kann im Schritt 29 nicht nur geprüft werden, ob sich die Ist- Drehzahl NjSt außerhalb des Toleranzbereichs befindet, sondern welche absolute Abweichung zwischen der Ist-Drehzahl Nist und der geforderten Soll-Drehzahl NSOII aktuell auftritt. Mittels dieser absoluten Abweichung kann eine Auswahl von mög lichen Schritten zur Änderung der Dosierung von Wasserstoff und/oder Sauerstoff erfolgen. So wird ein größerer Schritt der Änderung der Dosierung von Wasserstoff und/oder Sauerstoff für den Fall gewählt, dass die absolute Abweichung zwi- sehen der Ist-Drehzahl Nist und der geforderten Soll-Drehzahl NSOII größer ist und umgekehrt.
Die Messung der Ist-Drehzahl NjSt erfolgt mittels eines aus dem Stand der Technik bekannten üblichen Verfahrens zur Drehzahlmessung, welches beispielsweise auch als ein berührungslos arbeitendes Verfahren zur Drehzahlmessung ausgeführt sein kann.
Liste der Bezugszeichen
1 Stromversorgungsaniage
2 Wasserstoffmotor
3 Generator
4 elektrische Leitung
5 Stromversorgungsnetz
6 Verbindungswelle
7 Drehmoment
8 Betriebsgaszuführungseinrichtung
9 Brennraum
10 Wasserstoffzuführungseinrichtung
11 Zündkerze / Glühkerze
12 Auslassvorrichtung
13 Betriebsgaszirkulationsweg für das umlaufende Arbeitsmedium
14 Betriebsgaskühler
15 Kondensatleitung
16 Kondensat-Auffangbehälter
17 Betriebsgasversorgungseinrichtung
18 Betriebsgaszuführungsleitung
19 erstes Ventil
20 Wasserstoffversorgungseinrichtung
21 Wasserstoffzuführungsleitung 2 Sauerstoffversorgungseinrichtung
23 Sauerstoffzuführungsleitung
24 zweites Ventil 5 Start 6 Zustandsprüfung 7 Prüfung Endsequenz 8 Drehzahlvergleich 9 Abweichungsprüfung 0 Verringerung der Dosierung 1 Erhöhung der Dosierung 2 Ende

Claims

Patentansprüche
1. Stromerzeugungsanlage (1), welche einen elektrischen Generator (3) und eine Antriebseinheit zum Antreiben des elektrischen Generators (3) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinheit ein drehzahlgeregelter Wasserstoffmotor (2) mit Betriebsgaszirkulation ist und dass der Wasserstoffmotor (2) mit Betriebsgaszirkulation und der elektrische Generator (3) direkt mit einer Verbindungswelle zur Übertragung einer vom Wasserstoffmotor (2) mit Betriebsgaszirkulation erzeugten Drehbewegung auf den elektrischen Generator (3) verbunden sind.
2. Verfahren zur Drehzahlregelung einer Antriebseinheit in einer Stromversorgungsanlage (1), welche mit einem elektrischen Generator (3) zur Stromerzeugung bereitgestellt wird, bei welchem eine Ist-Drehzahl des elektrischen Generators (3) oder der Antriebseinheit bestimmt wird und bei welchem eine Regelung der Ist-Drehzahl auf eine vorgegebene Soll- Drehzahl erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass als Antriebseinheit ein den elektrischen Generator (3) antreibender drehzahlgeregelter Wasser stoffmotor (2) mit Betriebsgaszirkulation bereitgestellt wird, dass zur Rege lung auf die vorgegebene Soll-Drehzahl eine Veränderung des dem Was serstoffmotor (2) mit Betriebsgaszirkulation zugeführten Betriebsgas- Sauerstoff-Wasserstoffgemischs erfolgt, wobei die Regelung auf die vorgegebene Soll-Drehzahl derart erfolgt, dass in einem Schritt (27) eine Prüfung auf eine End-Sequenz zum Beenden einer Betriebsphase des Wasserstoffmotors (2) mit Betriebsgaszirkulation erfolgt, bevor im nachfolgen den Schritt (28) ein Drehzahlvergleich einer Ist-Drehzahl NjSt des elektrischen Generators (3) mit einer vorgegebenen Soll-Drehzahl NS0n erfolgt und dass bei einer Abweichung der Ist-Drehzahl NjSt von der Soll-Drehzahl Nsoii im Schritt (29) festgestellt wird, ob die Ist-Drehzahl NjSt über einer oberen Grenze N0 oder unterhalb einer unteren Grenze Nu liegt, wobei die Grenzen N0 und Nu Grenzen eines festgelegten Toleranzbereichs sind.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Vergleich der Ist-Drehzahl mit der Soll-Drehzahl erfolgt, dass für den Fall, dass die Ist-Drehzahl und die Soll-Drehzahl übereinstimmen, keine Veränderung des dem Wasserstoffmotor (2) mit Betriebsgaszirkulation zugeführten Be- triebsgas-Sauerstoff-Wasserstoffgemischs erfolgt, dass für den Fall, dass die Ist-Drehzahl kleiner als die Soll-Drehzahl ist, die zugeführte Menge an Sauerstoff und/oder an Wasserstoff erhöht wird und dass für den Fall, dass die Ist-Drehzahl größer als die Soll-Drehzahl ist, die zugeführte Menge an Sauerstoff und/oder an Wasserstoff verringert wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Toleranzbereich für die Soll-Drehzahl mit einer unteren Drehzahlgrenze Nu und einer obere Drehzahlgrenze N0 gebildet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass nur für den Fall, dass die Ist-Drehzahl außerhalb des gebildeten Toleranzbereichs liegt, eine Veränderung der zugeführten Menge an Sauerstoff und/oder an Wasserstoff erfolgt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Vergleich der Ist-Drehzahl mit der Soll-Drehzahl kontinuierlich in festgelegten Zeiteinheiten erfolgt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Vergleich der Ist-Drehzahl mit der Soll-Drehzahl nur für den Fall erfolgt, dass der Wasserstoffmotor (2) mit Betriebsgaszirkulation in einer Betriebsphase ist.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Soll-Drehzahl des elektrischen Generators (3) 1500 1/min beträgt und dass der elektrische Generator (3) bei dieser Soll-Drehzahl seine elektrische Energie mit einer Netzfrequenz von 50 Hz erzeugt.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die vom elektrischen Generator (3) erzeugte elektrische Energie in ein Stromversorgungsnetz (5) eingespeist wird.
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