DE19716299C1 - Blockheizkraftwerk - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Blockheizkraft­ werk, bestehend aus einem Verbrennungsmotor, einem Genera­ tor zur Umwandlung der mechanischen Energie in elektrische Energie und einem oder mehreren Wärmetauschern zur Übertra­ gung der im Abgas und im Kühlwasser des Motors anfallenden thermischen Energie an ein Heizsystem.

Der Einsatz von sogenannten Blockheizkraftwerken fin­ det verstärkt Interesse, insbesondere in Krankenhäusern oder Wohnanlagen, die mehr als 1 MW Heizleistung benötigen. Im mittleren elektrischen Leistungsbereich, hauptsächlich zwischen 300 kW und 500 kW, werden vermehrt Blockheizkraft­ werke eingesetzt, die nicht nur Wärme, sondern auch Strom liefern. Dies liegt in erster Linie darin, daß Blockheiz­ kraftwerke, bei denen Verbrennungsmotoren sowohl Strom als auch Wärme erzeugen, üblicherweise einen höheren Wirkungs­ grad aufweisen als die normale Energieerzeugung. Sie nutzen die Primärenergie bis zu 85% aus; dabei werden etwa 30% über den Generator in elektrische Leistung transformiert, während 55% als Heizungswärme aus Motorkühlung und Abgasen anfallen. Der dezentrale Standort hat gegenüber großen Heizkraftwerken erhebliche Vorteile.

Nachteilig sind meistens die Investitionskosten, wel­ che ein Vielfaches der Heizkesseltechnik betragen. Aus die­ sem Grunde sind Blockheizkraftwerke meist nur dann wirt­ schaftlich, wenn sie das ganze Jahr hindurch im Einsatz sind.

Die Spitzenlast, beispielsweise eines Krankenhauses, wird jedoch nur an wenigen Tagen des Jahres benötigt. Da jedoch die elektrische und die thermische durch das Block­ heizkraftwerk zur Verfügung gestellte Leistung für jeden Betriebspunkt des Motors in einem festen Verhältnis stehen, wird die Auslegung meistens derart vorgenommen, daß der maximale Wärmebedarf durch die thermische Verlustleistung des Motors abgedeckt werden kann. Dabei fällt zwangsläufig eine bestimmte elektrische Überschußleistung an, die in das Netz des zuständigen Energieversorgungsunternehmens einge­ speist wird, ohne daß jedoch diese Einspeisung zu einem kostendeckenden Betrieb des Blockheizkraftwerkes führt.

Dies bedeutet, daß die installierte Leistung für den Verbrennungsmotor immer höher liegt als die maximal benö­ tigte Gesamtleistung. So besteht im Sommer üblicherweise ein hoher Bedarf an elektrischer Energie, z. B. zum Betrieb von Klimaanlagen, und ein niedriger Bedarf an Wärmeenergie, während im Winter ein relativ hoher Bedarf an thermischer Energie, z. B. für Heizzwecke, besteht und ein niedrigerer Bedarf an elektrischer Energie.

Der gesamte Leistungsbereich der bekannten Blockheiz­ kraftwerke wird dabei aufgrund der Generatoranforderungen mit einer konstanten Motordrehzahl gefahren. Dies bedeutet wiederum zwangsläufig, daß der Motor teilweise in Kennfeld­ bereichen mit hohem spezifischen Kraftstoffverbrauch be­ trieben werden muß und daß der Motor teilweise in Betriebs­ punkten mit hohen Schadstoffemissionen gefahren wird.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Block­ heizkraftwerk zu schaffen, bei dem die oben genannten Nach­ teile vermieden sind, bei dem also der Verbrennungsmotor derart gesteuert wird, daß das Verhältnis der abgegebenen elektrischen Leistung zur abgegebenen thermischen Leistung in einem großen Bereich dem jeweiligen Bedarf angepaßt wer­ den kann.

Ausgehend von einem Blockheizkraftwerk der eingangs näher genannten Art erfolgt die Lösung dieser Aufgabe mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen; vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Un­ teransprüchen beschrieben.

Erfindungsgemäß wird also vorgeschlagen, daß zwischen dem Verbrennungsmotor und dem Generator ein Getriebe und ein Retarder geschaltet sind, wobei das Getriebe vorzugs­ weise ein stufenloses Getriebe und der Retarder vorzugswei­ se ein hydrodynamischer Retarder ist, welche durch eine geeignete elektronische Regelschaltung ansteuerbar sind.

Damit wird der Vorteil erzielt, daß dem Verbrennungs­ motor jeweils die Leistung abgefordert wird, welche der Summe aus abgegebener elektrischer und thermischer Leistung entspricht, wobei die jeweils abgeforderte mechanische Lei­ stung für den Generator und den Retarder bei konstanter Drehzahl vorhanden ist, während der Verbrennungsmotor je­ weils mit derjenigen Drehzahl gefahren werden kann, bei der die entsprechende Leistung dem minimalen spezifischen Kraftstoffverbrauch entspricht und/oder mit der eine mini­ male Schadstoffemission erzielt wird.

Das Verhältnis der abgegebenen elektrischen Leistung zur abgegebenen thermischen Leistung ist in einem großen Bereich durch unterschiedliche Ansteuerung des Retarders aufgrund der elektronischen Regelschaltung dem jeweiligen Bedarf entsprechend anpaßbar.

Das erfindungsgemäß ausgestaltete Blockheizkraftwerk weist einen hohen Gesamtwirkungsgrad über den vollen Lei­ stungsbereich auf; dies bedeutet auch, daß keine Einspei­ sung von nicht benötigter elektrischer Überschußenergie in das Netz der Versorgungsunternehmen erforderlich ist; die installierte Leistung kann kleiner sein als bei den her­ kömmlichen Blockheizkraftwerken, da die gesamte vom Ver­ brennungsmotor erzeugte mechanische Leistung bei Bedarf durch den Retarder verschleißfrei in thermische Leistung umgewandelt werden kann.

Da der erfindungsgemäß vorgesehene Retarder selbst als Pumpe wirkt, ist für den Heizkreislauf (Retarder-Wärmetauscher) keine weitere Pumpe notwendig.

Es ist leicht möglich, das Blockheizkraftwerk modular für die unterschiedlichsten Anforderungen und Anwendungen auszugestalten, d. h. entweder als einfaches Stromaggregat oder als umfangreiches für zahlreiche Wohnungen geeignetes Blockheizkraftwerk. Bei einer Ausgestaltung als kompaktes Power-Pack können Motor, Getriebe, Retarder, Generator, Wärmetauscher und Regelschaltung in Parallelanordnung oder in Längsanordnung platzsparend untergebracht werden.

Das erfindungsgemäße Blockheizkraftwerk eignet sich sowohl für den mittleren Leistungsbereich von 300 kW bis 500 kW, z. B. zur Anwendung in Krankenhäusern, Hotels, Fe­ rienanlagen oder Wohnvierteln, als auch als Einzelstromge­ nerator zur Versorgung von Einzelgehöften, Arztpraxen, Stellwerken etc.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert, in der ein vorteilhaftes Ausführungsbei­ spiel dargestellt ist; dabei zeigt die einzige Figur sche­ matisch ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Block­ heizkraftwerkes.

Dem üblichen in einem Blockheizkraftwerk vorhandenen Verbrennungsmotor ist hierbei ein stufenloses Getriebe, insbesondere ein SHL-Getriebe, nachgeschaltet, das wiederum über einen Retarder, der vorzugsweise ein hydrodynamischer Retarder ist, mit dem Generator verbunden ist.

Über ein mit dem Verbrennungsmotor und dem Getriebe sowie dem Retarder verbundenes Wärmetauschsystem wird die thermische Energie, z. B. für Heizzwecke, abgeführt. Der Generator gibt die elektrische Energie ab, wobei das Block­ heizkraftwerk über eine Regeleinheit in Form einer elektro­ nischen Schaltung entsprechend gesteuert wird.

Dem Verbrennungsmotor wird nun nur die Leistung abge­ fordert, welche der Summe aus abgegebener elektrischer und thermischer Leistung entspricht. Die Regeleinheit, d. h. eine elektronische Schaltung zur Motorleistungsregelung, zur Getriebeübersetzungssteuerung und zur Retardersteue­ rung, stellt dabei sicher, daß

• a) die jeweils abgeforderte mechanische Leistung für den Generator und für den Retarder bei konstanter Drehzahl vorhanden ist (Frequenz);
• b) der Verbrennungsmotor jeweils mit der Drehzahl gefah­ ren wird, bei der die entsprechende Leistung mit dem minimalen spezifischen Kraftstoffverbrauch und/oder mit der minimalen Schadstoffemission erreicht wird und
• c) das Verhältnis der abgegebenen elektrischen Leistung zur abgegebenen thermischen Leistung in einem großen Bereich durch unterschiedliche Ansteuerung des Retar­ ders dem jeweiligen Bedarf entsprechend angepaßt wird.

Die zu installierende elektrische Leistung ist beim erfindungsgemäßen Blockheizkraftwerk kleiner als bei den herkömmlichen Blockheizkraftwerken nach dem Stand der Tech­ nik, da die gesamte vom Verbrennungsmotor erzeugte mechani­ sche Leistung bei Bedarf durch den Retarder verschleißfrei in thermische Leistung umgewandelt werden kann. Der Retar­ der selbst wirkt dabei als Pumpe, so daß keine weitere Pum­ pe für den Heizkreislauf aus Retarder und Wärmetauscher erforderlich ist.

Claims (4)

1. Blockheizkraftwerk, bestehend aus einem Verbren­ nungsmotor, einem Generator zur Umwandlung der mechanischen Energie in elektrische Energie und einem oder mehreren Wär­ metauschern zur Übertragung der im Abgas und im Kühlwasser des Motors anfallenden thermischen Energie an ein Heizsy­ stem, dadurch gekennzeichnet, daß zwi­ schen dem Verbrennungsmotor und dem Generator ein Getriebe und ein sich daran anschließender Retarder eingeschaltet sind.

2. Blockheizkraftwerk nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Getriebe ein stufenlo­ ses Getriebe ist.

3. Blockheizkraftwerke nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Retarder ein hydrodyna­ mischer Retarder ist.

4. Blockheizkraftwerke nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbrennungsmotor, das Getriebe, der Retarder und der Generator mit einer elektronischen Regelschaltung verbunden sind, die die Motorleistung, die Getriebeübersetzung und die Retarderwirkung steuert.