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Dokumentenidentifikation DE10343192A1 28.04.2005
Titel Brennstoff-Kleinkraftwerk und Verwendung eines oder mehrerer dieser Brennstoff-Kleinkraftwerke in einem Verbundsystem sowie Gegenkolbenmotor für ein derartiges Brennstoff-Kleinkraftwerk
Anmelder Daude, Otto, Dr.-Ing., 01187 Dresden, DE;
Pfund, Joachim, 06846 Dessau, DE;
Simon, Joachim, 06886 Lutherstadt Wittenberg, DE
Erfinder Daude, Otto, Dr.-Ing., 01187 Dresden, DE;
Pfund, Joachim, 06846 Dessau, DE;
Simon, Joachim, 06886 Lutherstadt Wittenberg, DE
Vertreter HOFFMANN & EITLE, 81925 München
DE-Anmeldedatum 18.09.2003
DE-Aktenzeichen 10343192
Offenlegungstag 28.04.2005
Veröffentlichungstag im Patentblatt 28.04.2005
IPC-Hauptklasse F02G 5/02
Zusammenfassung Ein Brennstoff-Kleinkraftwerk (10) umfasst einen Verbrennungsmotor (12), der ein bei der Verbrennung entstehendes Abgas (18) ausgibt, wobei der Verbrennungsmotor (12) einen mechanischen Wirkungsgrad von mindestens 50% aufweist. Das Brennstoff-Kleinkraftwerk umfasst weiterhin mindestens einen mit dem Verbrennungsmotor (12) gekoppelten Generator (20, 22) zur Stromerzeugung sowie einen aktiven Wärmetauscher (26), integriert in einem Pufferspeicher. Das Abgas wird entweder über einen Bypass am Wärmeaustauscher vorbei oder durch die im Wärmetauscher enthaltene Heizeinrichtung geführt. Durch Zuführung von Brennstoff in die Heizeinrichtung kann die dem Pufferspeicher zugeführte thermische Leistung erhöht werden.

Beschreibung[de]
Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Brennstoff-Kleinkraftwerk zur Verwendung im Inselbetrieb oder im Verbundsystem. Darüber hinaus bezieht sich die vorliegende Erfindung auf einen Gegenkolbenmotor zum bevorzugten Einsatz in einem derartigen Brennstoff-Kleinkraftwerk.

Aus Gründen des Klimaschutzes ist eine deutliche Reduzierung der für den Klimaschutz relevanten Emissionen erforderlich. Bei diesen relevanten Emissionen handelt es sich insbesondere um sog. Klimagase wie Kohlendioxid, Methan, Stickoxid, Fluorkohlenwasserstoff und ähnliche.

Ein bedeutender Teil der Treibhausgase resultiert aus der Verbrennung fossiler Energieträger wie Kohle, Öl und Erdgas. Um die weltweit angestrebte Verminderung der CO2-Emissionen zu erreichen, müssen daher vor allem auf dem Energiesektor emissionsmindernde Maßnahmen getroffen werden. Als eine Möglichkeit die CO2-Emissionen zu reduzieren galt lange Zeit die Kernkraft, weil sie im Vergleich zu anderen Kraftwerkstypen kaum CO2 produziert. Auf Grundlage der derzeitigen Entwicklung ist jedoch in vielen Ländern mit einem Ende der Kernkraftnutzung innerhalb der nächsten Jahrzehnte zu rechnen, so dass diese Lösung keine zukunftsorientierte Möglichkeit bietet.

Vor diesem Hintergrund ist man bestrebt, die CO2-Belastungen durch Kraftwerke mit höheren elektrischen Wirkungsgraden, Kraft-Wärme-Kopplungen, CO2-freie Stromerzeugungen und durch Einsatz erneuerbarer Energien zu vermindern.

Zu diesen Maßnahmen zählt auch die effizientere Umwandlung von Primärenergien (Kohle, Erdöl, Ergas) in Sekundärenergie (Strom, Wärme). In diesem Zusammenhang sind Blockheizkraftwerke (BHKW) bekannt, die durch die Kraft-Wärme-Kopplung einen deutlich höheren energetischen Gesamtwirkungsgrad aufweisen als konventionelle Kraftwerke oder auch Heizkraftwerke (HKW).

Der Begriff Blockheizkraftwerk steht in diesem Zusammenhang für dezentrale, mit Verbrennungsmaschinen angetriebene Stromerzeugungsanlagen mit gleichzeitiger Abwärmenutzung. Im Gegensatz zu HKWs werden die Abwärme und auch zumindest Teile des erzeugten Stroms direkt Vorort verbraucht.

Als Verbrennungskraftmaschinen kommen bei den bekannten Blockheizkraftwerken vor allem bewährte Verbrennungsmotoren wie Otto- und Dieselmotoren zum Einsatz. Bei derartigen Anlagen ist das Verhältnis zwischen erzeugter Wärme und erzeugtem Strom eine feste Größe und kann nicht ohne weiteres dem jeweiligen Bedarf angepasst werden. Man muss sich daher entscheiden, welche der beiden erzeugten Energieformen als Steuergröße für den Betrieb verwendet werden sollen. Bei den bekannten Blockheizkraftwerken kommt zumeist eine wärmegeführte Betriebsweise zum Einsatz, d. h. der Bedarf an Wärme des Verbrauchers entscheidet darüber, ob und mit welcher Leistung der Verbrennungsmotor betrieben wird. So fallen bei den bekannten Blockheizkraftwerken Strom und Wärme immer gleichzeitig (gekoppelt) an, wobei die Wärmeabnahme entscheidend ist, um den Verbrennungsmotor bzw. die Wärmekraftmaschine thermisch nicht zu überlasten.

Bei bekannten Blockheizkraftwerken ist der Betrieb der Anlage aus wirtschaftlicher Sicht nur dann zufrieden stellend, wenn über die Heizperiode hinaus ein ausreichender Wärmebedarf besteht. Da die Verbrennungsmotoren der bekannten Blockheizkraftwerke einen vergleichsweise geringen mechanischen Wirkungsgrad haben und die Wärmeverluste, d. h. die nutzbare Abwärme, relativ groß sind, ergibt sich die hohe Wirtschaftlichkeit hauptsächlich durch die Nutzung dieser Abwärme. Zur reinen Stromerzeugung ist dieser Kraftwerkstyp in seiner bisherigen Ausgestaltung im Vergleich zu konventionellen Kraftwerken eher unwirtschaftlich.

Zusammenfassung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Brennstoff-Kleinkraftwerk zu schaffen, das flexible einsetzbar ist.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Brennstoff-Kleinkraftwerk gemäß Patentanspruch 1, sowie dessen Verwendung nach Patentanspruch 13 und durch einen Gegenkolbenmotor gemäß Patentanspruch 19. Bevorzugte Ausführungsformen folgen aus den übrigen Ansprüchen.

Die Erfindung betrifft ein Brennstoff-Kleinkraftwerk mit flexibel gekoppelter Strom- und Wärmeerzeugung und die Verwendung eines oder mehrerer dieser Brennstoff-Kleinkraftwerke in einem Verbundsystem, das in seiner Steuerung und Regelung flexibel ist, eine wirtschaftliche CO2-geminderte Stromerzeugung zulässt und zugleich einen entsprechend nötigen Wärmebedarf abdecken kann.

Darüber hinaus ist Gegenstand der Erfindung einen Verbrennungsmotor vorzuschlagen und zu optimieren, der insbesondere für den Einsatz in einem erfindungsgemäßen Brennstoff-Kleinkraftwerk geeignet ist.

Die vorliegende Erfindung beschreibt ein Brennstoff-Kleinkraftwerk umfassend einen Verbrennungsmotor, der einen mechanischen Wirkungsgrad von mindestens 50% aufweist.

Der Verbrennungsmotor ist zur Stromerzeugung mit mindestens einem Generator direkt oder indirekt gekoppelt. Unter direkt ist zu verstehen, dass der Generator unmittelbar mit einer Kurbelwelle des Verbrennungsmotors verbunden ist. Als Generatoren können sowohl Synchrongeneratoren, als auch Asynchrongeneratoren zum Einsatz kommen.

Ferner umfasst das Brennstoff-Kleinkraftwerk mindestens einen aktiven Wärmetauscher, mittels dessen dem Abgas Wärme entzogen werden kann. Die Abgasführung ist in den aktiven Wärmetauscher integriert.

Darüber hinaus ist dem aktiven Wärmetauscher eine Heizeinrichtung integriert, mittels derer dem Abgas Wärme zuführbar ist. Dadurch wird ermöglicht, einen eventuell erhöhten Wärmebedarf zu decken, für den die Temperatur des Abgases nach dem Austritt aus dem Verbrennungsmotor nicht ausreichen würde.

Die produzierbare elektrische Leistung und damit der elektrische Wirkungsgrad des Brennstoff-Kleinkraftwerk hängt direkt von dem mechanische Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors ab. Ist der mechanische Wirkungsgrad hoch, so kann relativ zu der eingebrachten Energiemenge auch eine hohe elektrische Leistung erzielt werden. Bei Blockheizkraftwerken im Stand der Technik kommen wie zuvor erwähnt bewährte Motoren zum Einsatz, die jedoch einen vergleichsweise geringeren mechanischen Wirkungsgrad aufweisen. Der hohe energetische Gesamtwirkungsgrad bekannter Blockheizkraftwerke kommt durch die Kraft-Wärme-Kopplung zu Stande, also durch die möglichst vollständige Nutzung der Abwärme. Besteht kein oder nur ein geringer Wärmebedarf, können derartige Blockheizkraftwerke nur unwirtschaftlich Strom erzeugen. Im Gegensatz dazu ermöglicht die vorliegend Erfindung, aufgrund des Einsatzes eines Verbrennungsmotors mit mechanischem Wirkungsgrad von über 50% ein Brennstoff-Kleinkraftwerk mit flexibel gekoppelter Strom- und Wärmeerzeugung zu schaffen, das auch bei geringem oder keinem Wärmebedarf, einen elektrischen Wirkungsgrad erreicht, der einen wirtschaftlichen Betrieb unter umweltentlastender Stromerzeugung gewährleistet.

Besteht zusätzlich zum Strombedarf ein Wärmebedarf, so kann die bei der Verbrennung entstehende Abwärme, die überwiegend im Abgas enthalten ist, genutzt werden, wodurch sich der energetische Gesamtwirkungsgrad weiter verbessert. Kann der Wärmebedarf nicht durch die Abwärme gedeckt werden, so kann das Abgas mittels der Heizeinrichtung auf wirtschaftliche Weise weiter erwärmt werden.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Verbrennungsmotor ein Gegenkolbenmotor. Der Gegenkolbenmotor zeichnet sich durch einen hohen mechanischen Wirkungsgrad aus, d.h. beim Gegenkolbenmotor wird ein Großteil der bei der Verbrennung erzeugten Wärme in mechanische Energie umgesetzt, daher ist die Abgastemperatur vergleichsweise zu einem herkömmlichen Dieselmotor oder Ottomotor niedrig. Dies führt automatisch zu einem verbesserten mechanischen Wirkungsgrad, welcher wiederum direkten Einfluss auf den elektrischen Wirkungsgrad hat. Dadurch fällt der elektrische Wirkungsgrad in dem Fall, in dem kein oder nur ein geringer Wärmebedarf besteht, d.h. nur Strom erzeugt werden soll, im Vergleich zum konventionellen Blockheizkraftwerk höher aus und die Wirtschaftlichkeit des Brennstoff-Kleinkraftwerks bei im wesentlichen ausschließlicher Stromproduktion wird verbessert.

Das Prinzip des Gegenkolbenmotors bedingt zwei außenliegende Kurbelwellen. Jede der beiden Kurbelwellen kann dabei mit einem "eigenen" separaten Generator ausgerüstet sein.

Der Verbrennungsmotor kann für das Betreiben mit gasförmigen, flüssigen oder pulverförmigen Brennstoffen technisch ausgelegt werden. Flüssige Brennstoffe sind beispielsweise Erdöl oder andere Brennstoffe biogenen Ursprungs, wie pflanzliche Öle (Raps-, Palm-, Senföl und Altfett) oder veresterte Formen davon (Pflanzenfett- oder Altfettmethylester). Gasförmige Brennstoffe sind beispielsweise Erdgas, Biogas oder Synthesegas. Auch Holzmehl oder Kohlestaub könnten als feste bzw. pulverförmige Brennstoffe zum Einsatz kommen. Vorzugsweise wird jedoch Erdgas verwendet, welches in Bezug auf die unerwünschten CO2-Emissionen günstig ist.

Bei einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der aktive Wärmetauscher in einem Pufferspeicher (für Wärme/Dampf) integriert. In diesem Zusammenhang ist unter einem Pufferspeicher beispielsweise eine Art Warmwasserboiler zu verstehen. Der Begriff soll ferner auch einen Dampferzeuger/-speicher einschließen. Durch die integrale Ausbildung kann eine kompakte Einheit geschaffen werden, die platzsparend in Wohnhäusern oder anderen Gebäuden aufstellbar ist.

Bei der Heizeinrichtung im aktiven Wärmetauscher handelt es sich vorzugsweise um einen Brennraum, der mit der Abgasleitung verbunden ist, so dass das Abgas in den Brennraum strömen kann. Zur Erwärmung wird diesem Brennraum ein Brennstoff zugeführt, der gleich dem Brennstoff des Verbrennungsmotors sein kann oder auch unterschiedlich. Durch eine Verbrennung in dem Brennraum wird dem Abgas Wärme zugeführt. Die Brennstoffmenge wird dabei entsprechend dem Wärmebedarf geregelt. Durch eine derartige Ausgestaltung wird ein hoher energetischer Wirkungsgrad erreicht. Dies ist dadurch begründet, dass dem Brennraum gemeinsam mit dem Abgas vorgewärmter Sauerstoff zugeführt wird, der die Verbrennung entsprechend fördert. Dieser Vorteil kommt zum Tragen, weil das Antriebsaggregat (Verbrennungsmotor) mit Luftüberschuss gefahren wird. Darüber hinaus kann durch Ausgestaltung der Heizeinrichtung als Brennraum erreicht werden, dass eventuell noch in dem Abgas vorhandene Rest-Brennstoffe, die im Verbrennungsmotor nicht vollständig verbrannt wurden, nahezu restlos verbrannt werden, was wiederum zu einer Steigerung des energetischen Gesamtwirkungsgrades der Anlage und zur Verminderung unerwünschter Emissionen beiträgt.

Durch eine By-Pass-Leitung, die das Abgas an dem aktiven Wärmetauscher vorbeiführt und direkt in den Kamin leitet, kann eine flexible Betriebsführung erreicht werden. In diesem Fall wird die Abwärme nicht genutzt.

Das Brennstoff-Kleinkraftwerk der vorliegenden Erfindung kann eine Regelungseinrichtung umfassen, welche die Leistung des Verbrennungsmotors abhängig vom Strombedarf regelt. Der hervorragende mechanische Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors macht es möglich, dass die Leistung, mit welcher der Verbrennungsmotor gefahren wird, ausschließlich auf Grundlage des Strombedarfs geregelt werden kann.

Vorteilhafterweise regelt die gleiche oder eine separate Regelungseinrichtung die Strömung des Abgases und den Betrieb der Heizeinrichtung abhängig vom Wärmebedarf. Durch diese und die vorstehende Regelungseinrichtung lässt sich ein weitgehend vom Wärmebedarf entkoppelter Betrieb des Brennstoff-Kleinkraftwerks verwirklichen.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ferner die Verwendung eines zuvor beschriebenen Brennstoff-Kleinkraftwerks in einem Verbund bzw. Verbundsystem vorgeschlagen. Unter einem Verbundsystem soll der Zusammenschluss von Brennstoff-Kleinkraftwerken in stromverbrauchenden Anlagen mit anderen Kraftwerken und Stromeinspeisungspunkten über eine zentrale Warte bzw. Steuerung in einem Versorgungsgebiet verstanden werden. Durch die Verwendung mehrerer erfindungsgemäßer Brennstoff-Kleinkraftwerke in einem Verbundsystem kann die Stromnachfrage nahezu gleitend gedeckt werden. Gleichzeitig können Spannungsschwankungen geglättet werden, so dass damit Haftungsfälle für Spannungsschwankungen und Stromausfall gesenkt werden können. Die Brennstoff-Kleinkraftwerke werden im Verbundsystem unter Volllast gefahren oder im Stand-by gehalten, so dass sich im Verbund ein höherer elektrischer Wirkungsgrad und ein verminderter Brennstoffverbrauch bei entsprechend geringerer CO2-Emission als im Inselbetrieb der erfindungsgemäßen Klein-Kraftwerke ergibt. Der Stand-by Betrieb ist Resultat des Pufferspeichers (Wärme/Dampf) und der Stromversorgung aus dem Niederspannungsnetz. Ferner ist vorteilhaft, dass bei Steuerung und Überwachung der Brennstoff-Kleinkraftwerke im Verbund weniger Kraftwerks- und Netzkapazitäten gebaut werden müssen. Die Brennstoff-Kleinkraftwerke stellen in einem Verbundsystem kleine Bausteine mit geringer elektrischer Leistung von 10 kW und 200 kW bereit, die einen nahezu gleitenden, bedarfsgerechten Kapazitätsauf/-abbau ohne Kapazitätssprünge zulassen. Durch eine Vielzahl an erfindungsgemäßen Brennstoff-Kleinkraftwerken im Verbund können Revision und Instandhaltung wirtschaftlich vorteilhaft organisiert werden.

Das Verbundsystem umfasst dabei (wie oben erwähnt) stromliefernde Brennstoff-Kleinkraftwerke in Stromverbrauchsanlagen, regionale Kraftwerke und den überregionalen Strombezug, die über eine Warte überwacht und gesteuert/geregelt werden. Die Warte überwacht und regelt Stromeinspeisung ins Netz entsprechend dem Strombedarf unter Berücksichtigung der spezifischen Parameter der stromliefernden Einrichtungen. Die spezifischen Parameter umfassen beispielsweise die aktuellen Stromerzeugungs- und Strombezugskosten sowie die Netzkennlinie.

Vorteilhafterweise werden die erfindungsgemäßen Brennstoff-Kleinkraftwerke zur Abdeckung von Spitzenlasten verwendet. Das Verbundsystem hat die Aufgabe, den Strombedarf incl. der Spitzenlasten abzudecken. Damit kann u.a. erreicht werden, dass in der Regel der teure Spitzenlaststrom nahezu gleitend aus derjenigen Region, in der die Spitzenlast auftritt, zu vergleichsweise niedrigeren Preisen bereitgestellt werden kann.

Das Verbundsystem kann beispielsweise ein unternehmensinternes, ein regionales (Versorgungsbereich von Stadtwerken) oder ein überregionales Verbundsystem sein.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ferner ein Gegenkolbenmotor vorgeschlagen, der insbesondere für den Einsatz in erfindungsgemäßen Brennstoff-Kleinkraftwerken geeignet ist. Der Gegenkolbenmotor ist nach einer bevorzugten Ausführungsform so ausgestaltet, dass die beiden drehzahlsynchron laufenden Kurbelwellen über ein Getriebe miteinander gekoppelt sind, das so ausgestaltet ist, dass mindestens eine Kurbelwelle gezielt von einer gleichförmigen Drehbewegung abweicht. Der Vorteil dieser Maßnahme besteht darin, dass der bei einem üblichen Gegenkolbenmotor vorhandene kleine Winkelbereich der Kurbelwellen (Kolbenposition kurz vor/nach OT) innerhalb dessen annähernd "Gleichlauf" zwischen dem vorlaufenden und dem nachlaufenden Kolben besteht, gezielt verändert werden kann. Innerhalb dieses Winkelbereichs des "Gleichlaufs" läuft die Verbrennung des Kraftstoffes in der/den in die Kolbenböden eingebrachten Mulden ab. Durch gezielte Beeinflussung des Zeitraumes, innerhalb dessen die Verbrennung stattfindet, lässt sich der Wirkungsgrad des Gegenkolbenmotors erhöhen.

Vorzugsweise ist das Getriebe so gestaltet, dass die Kurbelwelle des vor-/nachlaufenden Kolbens oder beider während einer Drehung um 360° gezielt zweimal beschleunigt und verzögert wird. Durch diese Maßnahme wird der Winkelbereich, innerhalb dessen ein "Gleichlauf" der Kolben vorliegt, wesentlich vergrößert. Beide Kurbelwellen laufen nach wie vor drehzahlsynchron, doch wird das Getriebe vorzugsweise durch das Einbringen eines oder zweier spezieller Zwischenräder-Paares mit ovalen (z.B. elliptischen) Rädern so ausgestaltet, dass einerseits die Synchrondrehzahl der beiden Kurbelwellen aufrechterhalten wird, die Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle über 360° des vor-/nachlaufenden Kolbens oder beider jedoch gezielt inkonstant ist.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Nachfolgend wird die Erfindung rein beispielhaft anhand der beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen

1 das Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Brennstoff-Kleinkraftwerks mit der Möglichkeit einer flexibel gekoppelten Kraft-Wärme-Erzeugung darstellt;

2 das Blockschaltbild der Verbundsteuerung dezentral installierter, erfindungsgemäßer Brennstoff-Kleinkraftwerke zeigt; und

3 eine schematische Darstellung eines bevorzugt bei einem erfindungsgemäßen Brennstoff-Kleinkraftwerk eingesetzten Gegenkolbenmotors zeigt; und

4 eine schematische Darstellung eines alternativen, bevorzugt bei einem erfindungsgemäßen Brennstoff-Kleinkraftwerk eingesetzten Gegenkolbenmotors zeigt.

Wege zur Ausführung der Erfindung

In den nachfolgenden Figuren werden jeweils dieselben Elemente mit identischen Referenzziffern bezeichnet.

In 1 ist das Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Brennstoff-Kleinkraftwerks gezeigt. Das allgemein mit Referenzziffer 10 bezeichnete Brennstoff-Kleinkraftwerk mit flexibel gekoppelten Kraft-Wärme-Erzeugung wird im folgenden auch als Kleinkraftwerk bezeichnet werden. Das Kleinkraftwerk 10 weist einen Verbrennungsmotor auf, der als Gegenkolbenmotor 12 ausgeführt ist.

Der Gegenkolbenmotor treibt einen oder beide Generatoren 20 und 22 an, die nach einer bevorzugten Ausführungsform Asynchrongeneratoren sind. Die Generatoren 20 und 22 sind direkt an die Kurbelwellen des Gegenkolbenmotors 12 angeflanscht. Die von den Generatoren 20 und 22 erzeugte elektrische Energie wird in geeigneter Weise in das Stromnetz eingespeist. Das Stromnetz kann bei dem Brennstoff-Kleinkraftwerk 10 nur lokal vorgesehen sein, wenn das Brennstoff-Kleinkraftwerk als sogenannte Insellösung betrieben wird, oder aber auch das öffentliche Stromnetz sein. Je nachdem, auf welche Weise das in 1 dargestellte Brennstoff-Kleinkraftwerk 10 betrieben werden soll, kann in der Baueinheit 24 neben geeigneten Einrichtungen zur Netzeinspeisung auch eine Netzüberwachung stattfinden.

Das Abgas 18 des Gegenkolbenmotors 12 besitzt aufgrund des sehr hohen mechanischen Wirkungsgrades des Motors eine relativ geringe Temperatur, die direkt an die Atmosphäre abgegeben werden kann, wenn kein Wärmebedarf besteht. Dies bedeutet, dass im Unterschied zu herkömmlichen BHKW, das in 10 dargestellte Brennstoff-Kleinkraftwerk ausschließlich strombedarfs-orientiert betrieben werden kann. Wird Wärme angefordert, so kann das Abgas 18 einen aktiven Wärmetauscher 26 durchlaufen, indem das Abgas auf eine für den Wärmeaustausch wirtschaftliche Temperatur aufgeheizt und anschließend die Wärmeausbeute dem Pufferspeicher 28 zuführt wird. Indem die bei der Verbrennung im Gegenkolbenmotor 12 entstehende Abwärme im Abgas 18 genutzt wird, wird der energetische Gesamtwirkungsgrad des Kleinkraftwerkes 10 verbessert.

Wie oben bereits dargelegt wurde, kann das Brennstoff-Kleinkraftwerk 10 entweder als isolierte Einheit als sogenannte Insellösung betrieben werden, oder aber in ein Verbundsystem eingebunden sein, wozu die entsprechend benötigten Kommunikationsschnittstellen bereitgestellt werden müssen. Somit kann neben der ohnehin vorzusehenden Steuerung und Überwachung 32 des Brennstoff-Kleinkraftwerkes 10 auch eine Kommunikationsschnittstelle 34 vorgesehen sein, die mittels einer Datenfernübertragung 36 ansteuerbar ist und die nachfolgend geschilderte Einbindung des Brennstoff-Kleinkraftwerks 10 in ein Verbundsystem ermöglicht.

2 zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer Verbundsteuerung vieler dezentral installierter Brennstoff-Kleinkraftwerke 10, die schematisch mit 10a–n dargestellt sind und jeweils Strom 32a–n und Nutzwärme 30a–n bereitstellen. Die Brennstoff-Kleinkraftwerke 10a–n können dabei in einzelnen Gebäuden der unterschiedlichen Kunden 40a–n installiert sein und die jeweiligen Kunden mit Strom und Wärme bedarfsgerecht versorgen. Wie oben erwähnt, ist die mit dem Brennstoff-Kleinkraftwerk 10 erzeugbare Wärme nicht starr an den erzeugten Strom gekoppelt, weil durch die Verwendung des aktiven Wärmetauschers die erzeugte Nutzwärme separat steuerbar ist. Wird einem im Stillstand befindlichen Brennstoff-Kleinkraftwerk ein Wärmebedarf gemeldet, wird es automatische angefahren und mit elektrisch optimalen Wirkungsgrad bis zur Deckung des Wärmebedarfs betrieben. Daher sind sowohl die Kleinkraftwerke 10a–n wie auch die Kunden 40a–n mit dem Niederspannungsnetz 36 der öffentlichen Stromversorgung eines regionalen Stromversorgers 38 gekoppelt. Es ist sowohl möglich, dass von dem Brennstoff-Kleinkraftwerken Strom 34 (in 2 ist der Strom 34a aus dem Kleinkraftwerk 10a dargestellt) in das Niederspannungsnetz 36 eingespeist wird oder aber der Kunde ausschließlich oder zusätzlich Strom 42 aus dem Niederspannungsnetz bezieht (in 2 ist der Strombezug 42a des Kunden 40a aus dem Niederspannungsnetz 36 dargestellt). Der regionale Stromversorger 38 als Betreiber des Niederspannungsnetzes 36 kann darüber hinaus das Niederspannungsnetz über eigene Stromerzeugung 44 als auch über Fremdstrombezug 46 speisen.

Um die gesamte Verbundsteuerung sinnvoll betreiben zu können, sind ein geeigneter Informationsfluss sowie Regel- und Steuerbefehle erforderlich, die in 2 durch unterbrochene Pfeillinien zur Abgrenzung gegen die mit durchgezogenen Pfeilen dargestellten Energieflüsse an Strom und Wärme gezeichnet sind. von einer zentralen Systemwarte 48 aus, die auch mit dem regionalen Stromversorger 38 kommuniziert, sind die jeweiligen Brennstoff-Kleinkraftwerke im Informationsaustausch, so dass in dem dadurch gebildeten Kraftwerksverbund die Stromnachfrage nahezu gleitend gedeckt werden kann. Aufgrund der Verfügbarkeit vieler Brennstoff-Kleinkraftwerke können zudem Spannungsschwankungen geglättet werden. Die Brennstoff-Kleinkraftwerke 10 stellen in dem dargestellten Verbundsystem Kraftwerkskapazitäten mit geringer elektrischer Leistung von 10 kW bis 200 kW dar. Insbesondere der in zunehmendem Maße realisierte Einsatz von Sonnen- und Windenergie erhöht die Spannungsschwankungen in regionalen Netzen, die über den Verbund einiger weniger Großkraftwerke zunehmend schwerer zu beherrschen sind. Durch die Einbindung der erfindungsgemäßen Brennstoff-Kleinkraftwerke mit der Verbundsteuerung wird die Beseitigung der Netzschwankungen deutlich vereinfacht.

3 zeigt schematisch ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des vorzugsweise im Kleinkraftwerk verwendeten Gegenkolbenmotors 12. Der Gegenkolbenmotor 12 weist zwei außenliegende Kurbelwellen 15 auf, die in ihrer Winkelstellung aufeinander abgestimmt sind. Dies wird über eine Querwelle 11 erreicht, welche die beiden Kurbelwellen mit Hilfe von Kegelradgetrieben 9 drehzahlsynchron verbindet. Der Gegenkolbenmotor wird mit einem Treibstoff-Luftgemisch 16 betrieben und kann für gasförmige, flüssige und pulverisierte Brennstoffe ausgelegt werden. Der Gegenkolbenmotor 12 wird mit Luftüberschuss betrieben, d.h. mit einem erhöhten Sauerstoffgehalt als dies für die vollständige Verbrennung des Treibstoffes nötig ist.

In einem Gegenkolbenmotor laufen in einem oder mehreren Zylinderrohren 8 je zwei Kolben 7 gegenläufig, wobei im Zylindermantel vorhandene "Spül"schlitze zum Ansaugen des Brennstoff-Luftgemisches und Auspuffschlitze zum Ausblasen des Abgases durch die Bewegung der Kolben jeweils pro Umdrehung geöffnet bzw. geschlossen werden. Die Kolben sind über Kurbelschwingen 17 mit den Kurbelwellen 15 verbunden. Die beiden außenliegenden Kurbelwellen 15 laufen mit synchroner Drehzahl, wobei die jeweiligen oberen Totpunkte OT der beiden gegeneinander arbeitenden Kolben winkelversetzt sind, d.h. die Kurbelwelle des vorlaufenden Kolbens hat einen gewissen Winkelvorsprung vor dem nachfolgenden Kolben. Die OT-Lage der beiden Kolbenböden überschneidet sich in diesem Bereich. Bei einem gleichzeitigen Einlaufen der Kolben in ihren OT würde ihre Kollision zu einer Zerstörung der Kolben und des gesamten Motors führen. Aus diesem Grund ist die Winkelstellung der Kurbelwellen 15 zueinander so abgestimmt, dass für einen kurzen Winkelbereich, nach dem der vorlaufende Kolben seinen OT durchlaufen hat, der nachfolgende Kolben in seinen OT einläuft. Damit ergibt sich für diesen kleinen Winkelbereich unter größter Annäherung der Kolben ein weitestgehender Gleichlauf der Kolben, innerhalb dessen die Verbrennung des Kraftstoffgemischs in einer aus in die Kolbenböden eingebrachten Mulden gebildeten quasi "geschlossenen Brennkammer" abläuft und so die Grundlage für den hohen mechanischem Wirkungsgrad des Gegenkolbenmotors erbringt.

Um den Wirkungsgrad zu erhöhen, ist bei dem Gegenkolbenmotor nach 3 der Winkelbereich des Gleichlaufs wesentlich vergrößert. Durch das Einbringen mindestens eines speziellen Zwischenräder-Paares 13 in das die Kurbelwellen 15 synchron verbindende Getriebe 9 wird einerseits während einer 360° Drehung zweimal je eine Beschleunigung wie auch eine Verzögerung der bisher stets gleichförmigen Drehgeschwindigkeit der den vorlaufenden Kolben antreibenden Kurbelwelle erreicht. Da gleichzeitig aber die synchrone Drehfrequenz beider Kurbelwellen über 360° sicherzustellen ist, werden die das Zwischenräder-Paar 13 bildenden Räder als Oval-Räder (z.B. elliptisch) ausgebildet, deren mittlerer Durchmesser exakt dem des Antriebsrades der zweiten Kurbelwelle entspricht. Mit anderen Worten ist der Eingriffsumfang des Oval-Rades gleich dem des Antriebsrades der zweiten Kurbelwelle, so dass beide Räder nach einer jeweiligen vollständigen 360° Drehung wieder in identischer Position zueinander stehen. Das Verhältnis des großen zum kleinen Ovaldurchmesser ist dabei so einstellbar, dass der Winkelbereich vorgewählt werden kann, in dem die Kolbenbewegungen synchron, also mit gleichsam geschlossener Brennkammer, ablaufen. Die Lage der Hauptachsen des ovalen Räderpaares in Bezug auf den OT des vorlaufenden Kolbens für den gewünschten Winkelbereich der "Gleichlaufphase" der beiden Kolben ist festzulegen. Dabei ist die Wahl der Relation großer zu kleinem Ovaldurchmesser nicht beliebig, weil durch die Kinematik des Kurbelwellenantriebs wie auch durch mechanische Restriktionen einer entsprechenden Vergrößerung des gewollten Winkelbereichs Grenzen gesetzt sind.

4 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines Gegenkolbenmotors mit verbessertem Wirkungsgrad. Der oben beschriebene Effekt einer Vergrößerung des Winkelbereichs, in welchem beide Kolben 7 quasi im Gleichlauf bei größtmöglicher Annäherung zueinander eine geschlossene Brennkammer bilden, wird durch eine jeweils auf die Außen liegenden Wellen 15 drehstarr montierte Kurvenscheibe 1, 2 mit eingearbeiteter Nut 3 erreicht. Hierzu werden die Hubbewegungen der beiden Kolben 7 durch jeweils ein in der Nut 3 laufendes Zwei-Rollen-System 4 über Außen geführte Pleuel 5 gesteuert. Das Außen im Außenlager 6 verdrehsicher geführte, zentrisch mit dem Kolben 7 verbundene Pleuel 5 verhindert das Auftreten von Querkräften, respektive das bei der üblichen Anbindung Kolben/Pleuel/Kurbelwelle nicht zu vermeidende Kippmoment des Kolbens im jeweiligen Umkehrpunkt des Kolbenhubes und steigert damit die Dauerlauf-Standfestigkeit des Motors.

Das Zwei-Rollen-System 4 sichert, dass die Rollen in der als Führungsbahn dienenden Nut 3 die Wandung der Nut 3 grundsätzlich jeweils drehrichtungsgleich bei Verdichtungs- bzw. Ausblashub kontaktieren und damit nicht dem Verschleiß einer Ein-Rollen-Führung unterliegen, die je Hubumkehr jeweils ihre Drehrichtung ändert. Dieses Prinzip sichert ebenfalls die Dauerlauf-Standfestigkeit des Motors.

Fertigungstechnisch und hinsichtlich der Möglichkeit, die Phase des Gleichlaufs der Kolben 7 mit quasi geschlossener Brennkammer in Bezug auf eine Optimierung des erreichbaren mechanischen Wirkungsgrades bestmöglich zu gestalten, ist diese technische Lösung der vorstehend beschriebenen unter Verwendung eines Oval-Räder-Paares im Getriebestrang sogar noch überlegen. Wie bei der voranstehenden Ausführungsform sind die beiden Außen liegenden, die Kurvenscheiben 1, 2 tragenden Wellen 15 untereinander beispielsweise über Kegelräder 9 und eine Querwelle 11 synchron verbunden.

Durch das voranstehend im Detail beschriebene Brennstoff-Kleinkraftwerk lässt sich aufgrund des hohen mechanischen Wirkungsgrades des verwendeten Gegenkolbenmotors ein strombedarfsorientiertes, äußerst variables Betreiben der Anlage realisieren, das bei Einbindung des erfindungsgemäßen Brennstoff-Kleinkraftwerks in eine Verbundsteuerung beträchtliche Vorteile für den Versorgungsverantwortlichen mit sich bringt.


Anspruch[de]
  1. Brennstoff-Kleinkraftwerk (10) umfassend

    einen Verbrennungsmotor (12), der ein bei der Verbrennung entstehendes Abgas (18) ausgibt, wobei der Verbrennungsmotor (12) einen mechanischen Wirkungsgrad von mindestens 50% aufweist,

    mindestens einen mit dem Verbrennungsmotor (12) gekoppelten Generator (20, 22) zur Stromerzeugung,

    mindestens einen aktiven Wärmetauscher (26), mittels dessen dem Abgas Wärme entziehbar ist, und der

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






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