DE3242903C2

DE3242903C2 -

Info

Publication number: DE3242903C2
Application number: DE3242903A
Authority: DE
Inventors: Ralph E. Hise; Paul F. Shaker Hts. Ohio Us Swenson
Original assignee: Consolidated Natural Gas Service Co Inc
Current assignee: Consolidated Natural Gas Service Co Inc
Priority date: 1981-11-20
Filing date: 1982-11-20
Publication date: 1993-06-03
Also published as: DE3242903A1; JPH0608701B2; US4510756A; JPS58501965A; WO1983001759A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Kraftwerk zum Erzeugen elektrischer Energie für Spitzenlasten mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 1. Ferner betrifft die Erfindung ein Kraftwerk zum Erzeugen elektrischer Energie für Spitzenlasten mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 5.

Da Spitzenlasten des Elektrizitätsnetzes nur vorübergehend und nur zu bestimmten Tageszeiten auftreten, braucht ein Kraftwerk zum Erzeugen elektrischer Energie für Spitzenlasten nur zeitweilig und nur während begrenzter Zeiten eingeschaltet zu werden, beispielsweise nur einmal oder zweimal pro Tag, und steht zu den anderen Zeiten still.

Kraftwerke zum Erzeugen elektrischer Energie arbeiten mit einem verhältnismäßig hohen thermodynamischen Wirkungsgrad, jedoch läßt sich der größte Teil der dabei anfallenden Wärme niedrigerer Temperatur nicht verwerten, weil sich gewöhnlich nicht genügend Wärmeverbraucher in der unmittelbaren Nähe des Kraftwerkes befinden. Dies trifft sowohl für den ganzen Tag laufende Kraftwerke als auch für zeitweilig laufende Kraftwerke für Spitzenlasten zu. Dementsprechend geht bei der Erzeugung elektrischer Energie viel Wärme verloren.

Während der Stromverbrauch eines öffentlichen Netzes täglich zu mehr oder weniger vorbekannten kurzen Zeiten Spitzenwerte erreicht, die abgedeckt werden müssen, trifft dies für den Wärmebedarf von Wärmeverbrauchern wie Heizbedarf in Gebäuden und auch Kühlbedarf weniger zu. Vielmehr sind in Gebäuden befindliche Räume durchgehend mehr oder weniger gleichmäßig zu beheizen bzw. zu kühlen, ebenso wie Warmwasser für Wasch- und Reinigungszwecke fortlaufend zur Verfügung stehen muß.

Es ist bekannt (US-PS 36 78 284), bei der Stromerzeugung anfallende Abwärme für Heizzwecke zu nutzen und dabei einen Wassertank als Wärmeverbraucher jederzeit mit Heizenergie zu versorgen, damit in den Tank nachgefülltes kaltes Wasser schnell auf die gewünschte Temperatur gebracht wird. Ist die Wassertemperatur hingegen ausreichend, wird die bei der Stromerzeugung anfallende Abwärme in die Atmospäre abgelassen. Diese Wärme wird daher nur begrenzt und wenig wirtschaftlich genutzt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bei einem Kraftwerk zum Erzeugen elektrischer Energie für Spitzenlasten anfallende Abwärme wirtschaftlich nutzen zu können.

Diese Aufgabe wird mit einem Kraftwerk gemäß Patentanspruch 1 oder Patentanspruch 5 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.

Erfindungsgemäß wird das für Spitzenlasten bestimmte Kraftwerk in der Nähe eines Ortes aufgestellt, der einen bestimmbaren Wärmebedarf hat und an dem täglich eine bestimmte Menge Wärmeenergie verbraucht wird. Die bei der elektrischen Stromerzeugung anfallende Abwärme des Kraftwerkes wird in einen Speicher eingeleitet, der in seiner Kapazität dem am Aufstellungsort des Kraftwerkes täglich anfallenden Wärmebedarf entspricht. Somit kann die während des intermittierenden Betriebes des Kraftwerkes jeweils anfallende Abwärme über einen längeren Zeitraum gestreckt genutzt werden. Selbst wenn das Kraftwerk nur einmal am Tag läuft, kann erfindungsgemäß eine ausreichende Menge der Abwärme gespeichert werden, um diese nach Bedarf an Endverbraucher abzugeben. Das Kraftwerk kann dabei in seiner Leistung so ausgelegt sein, daß über die während der kurzen Betriebszeiten anfallende Abwärme der am Aufstellungsort des Kraftwerkes täglich anfallende Wärmebedarf gedeckt wird.

Das erfindungsgemäße Kraftwerk zum Abdecken von Spitzenlasten kann eine Wärmekraftmaschine und einen Generator zum Erzeugen elektrischer Energie aufweisen, jedoch ist es auch möglich, das Kraftwerk mit einer Brennstoffzelle auszurüsten, welche chemische Energie von Erdgas oder ähnlichen Brennstoffen direkt in Elektrizität umsetzt. In beiden Fällen ist der Wärmeerzeuger größenmäßig derart ausgelegt, daß die bei der Erzeugung von elektrischer Energie freiwerdende Wärme dem zu erwartenden mittleren täglichen Wärmebedarf der am Aufstellungsort des Kraftwerkes angeschlossenen Gebäude entspricht.

Die Erfindung wird weiterhin anhand der Zeichnung erläutert, welche zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung darstellt, und zwar zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Zusatzkraftwerkes, das in der Nähe eines Wohnhauses liegt und sowohl zur Raumbeheizung als auch zur Erwärmung des Brauchwassers dieses Gebäudes dient,

Fig. 2 eine graphische Darstellung der prozentualen Verteilung des normalen jährlichen Heizbedarfes des Wohnhauses gemäß Fig. 1 gegenüber der Außenluft,

Fig. 3 eine graphische Darstellung des Prozentsatzes des jährlichen Wärmebedarfs gegenüber Temperaturbereichen,

Fig. 4 eine empirisch gewonnene graphische Darstellung des Heizenergiebedarfes gegenüber der Außentemperatur des Wohnhauses gemäß Fig. 1,

Fig. 5 ein schematisches Luftbild einer energieintegrierten bzw. zentral mit Energie versorgten Gemeinde nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 6 ein Blockdiagramm des Zusatzkraftwerkes, das für das Energiesystem gemäß Fig. 5 benutzt wird und

Fig. 6a eine Einzelheit eines Wärmespeichers aus Fig. 6.

In Fig. 1 ist ein Wohnhaus 10 in Form eines Einfamilienhauses dargestellt, das einen täglichen Wärmebedarf hat, der im wesentlichen auf die Raumbeheizung und die Warmwassererzeugung zurückzuführen ist. Diese Bestandteile der Wärmelast bzw. des Wärmebedarfes sind als Warmluft-Heizsystem 11 mit Zwangsumwälzung der Warmluft durch das Wohnhaus 10 und als Warmwasser-Tank 12 angedeutet. Am Ort des Wohnhauses 10 ist eine Wärmekraftmaschine 16 und ein Elektrizitäts-Generator 17, der von der Wärmekraftmaschine 16 angetrieben wird, vorgesehen. Die Wärmekraftmaschine 16 und der Generator 17 sind als Baueinheit dargestellt und bilden als Baueinheit ein Zusatzkraftwerk 18 mit einem Fundament 19. Das Fundament 19 ruht direkt auf einem Wärmespeicher 22, so daß es eine thermische Verbindung zwischen dem aus Wärmekraftmaschine 16 und Generator 17 bestehenden Zusatzkraftwerk 18 und dem Wärmespeicher 22 herstellt. Obwohl das Zusatzkraftwerk 18 und der Wärmespeicher 22 in Fig. 1 außerhalb des Wohnhauses 10 dargestellt sind, können diese Elemente auch einzeln oder zusammen im Wohnhaus 10 angeordnet werden, wenn dies gewünscht und zweckmäßig ist. In jedem Falle steht das Zusatzkraftwerk 18 in thermischer Verbindung mit dem Wärmespeicher 22. Der Wärmespeicher 22 enthält ein Wärmespeichermedium wie Wasser, Wasser und Steine oder ein geschmolzenes Salz. Die im Wärmespeicher befindliche Wärmemenge wird überwacht, beispielsweise mittels eines Temperaturmeß- und Steuergerätes 23, das ein Thermostat oder ein anderes hierfür geeignetes Gerät ist.

Durch eine Erdgas-Leitung 26 wird der Wärmekraftmaschine Brennstoff zugeführt. Die Wärmekraftmaschine 16 kann ein Verbrennungsmotor mit hin- und hergehendem Kolben, ein Stirling-Motor, eine Dampfmaschine oder eine Turbine sein. Der Elektrizitäts-Generator 17 ist bekannter Konstruktion und auf die Wärmekraftmaschine 16 abgestimmt, so daß er von der Wärmekraftmaschine 16 erzeugte mechanische Energie in Elektrizität umwandelt. Ferner steht ein Hilfs-Verbrennungs-Heizgerät 29, beispielsweise in Form eines üblichen Boilers, in thermischer Verbindung mit dem Wärmespeicher 22. Das Heizgerät 29 wird mit Erdgas aus der Leitung 26 beheizt.

Das Wohnhaus 10 ist an das Netz eines elektrischen Kraftwerkes angeschlossen. Das Netz dieses Kraftwerkes umfaßt Überlandleitungen 31, die von Leitungsmasten 32 gehalten sind. Die Überlandleitungen 31 sind über Leitungen 34 an einen Verteilerkasten 33 angeschlossen, der sich am Wohnhaus 10 befindet. Der durch die Leitungen 34 zum Wohnhaus 10 oder von diesem weg fließende Strom wird von einem Stromzähler 36 gemessen, der am Verteilerkasten 33 angebracht ist. Der Generator 17 des Zusatzkraftwerkes 18 ist mittels Leitungen 37 an den Verteilerkasten 33 und den Stromzähler 36 angeschlossen. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Zusatzkraftwerk 18 mit einem Radioempfänger versehen, der eine Antenne 38 aufweist, um Steuersignale vom Elektrizitätswerk zu empfangen.

Wenn die Wärmekraftmaschine 16 über den Generator 17 Elektrizität erzeugt, kann zusätzlich Energie nutzbar gemacht werden, und zwar durch Verwendung der unvermeidbaren Abwärme der Wärmekraftmaschine. Daraus folgt, daß das Zusatzkraftwerk 18, das aus der Wärmekraftmaschine 16, dem Generator 17, dem Wärmespeicher 22 und Zusatzeinrichtungen besteht, in der Lage ist, Elektrizität mit besserem Wirkungsgrad als übliche Kraftwerke, bei denen die Abwärme nicht ausgenutzt wird, zu erzeugen. Die Wirtschaftlichkeit des Zusatzkraftwerkes 18 kann optimiert werden, wenn man sowohl die Kapazität des Wärmespeichers 22 als auch die Größe der Wärmekraftmaschine 16 und des Generators 17 richtig bemißt. Wie unten näher erläutert, werden sowohl der Wärmespeicher 22 als auch die aus Wärmekraftmaschine 16 und Generator 17 bestehende Einheit in Relation zum erwarteten täglichen Wärmebedarf am zu versorgenden Ort und der Spitzenlastzeit des Elektrizitätswerkes bemessen. Gewöhnlich fällt die Spitzenlastzeit des Elektrizitätswerkes mit der Spitzenbedarfszeit der Verbraucher zusammen. Für die vorliegende Beschreibung wird daher unterstellt, daß diese beiden Zeiten gleich sind. Als Idealfall ist die aus Wärmekraftmaschine 16 und Generator 17 bestehende Einheit so dimensioniert und ausgelegt, daß sie kontinuierlich während der Spitzenlastzeit arbeitet und während dieser Zeit eine brauchbare Abwärmemenge liefert, die dem täglichen Wärmebedarf des zu versorgenden Ortes, beispielsweise des Wohnhauses 10, entspricht.

Eine Methode zum Bestimmen des Wärmebedarfes dieses Ortes ist folgende: Der Raumheizbedarf schwankt über das Jahr entsprechend den Jahreszeiten. Eine Schätzung des täglichen Wärmebedarfs für Raumheizung kann vorgenommen werden, indem man in der Vergangenheit aufgezeichnete Wetterdaten für den bestimmten Ort studiert. Für die vorliegende Erläuterung wird angenommen, daß der Ort, an dem sich das Wohnhaus 10 befindet, die Stadt Bedford, Massachusetts, USA, ist. Fig. 2 und 3 zeigen die Verteilung des Raumheizbedarfes über das Jahr in Bedford, Massachusetts, als Funktion der Außentemperatur. Fig. 4 zeigt die lineare Beziehung zwischen der Außentemperatur und des Wärmeverbrauches für die Raumheizung des Wohnhauses 10.

Aus Fig. 2 und 3 geht hervor, daß 90% des Raumheizbedarfes bei Außentemperaturen über 15°F (-9°C) auftritt. Das Wohnhaus benötigt 820.000 BTU pro Tag (865×10⁶ Joule pro Tag) Heizenergie bei einer Außentemperatur von +15°F (-9°C) und von 1.450.000 BTU pro Tag (1.530×10⁶ Joule pro Tag) bei einer Außentemperatur von -15°F (-26°C), welche für den Standort des Wohnhauses der kälteste Tag oder die kälteste Tagestemperatur ist. Daher können 90% des jährlichen Raumheizbedarfes mit (820.000/1.450,000)×100% oder 57% der täglichen Bedarfsspitze gedeckt werden. Dies zeigt, daß die zusätzliche Investition für eine Erhöhung der Speicherkapazität von +15°F (-9°C) auf -15°F (-26°C) nicht attraktiv ist. Beispielsweise erhält man einen 10%igen Anstieg des jährlichen Verbrauches durch einen Anstieg von (1,45 Mio.-820,000/820,000)×100% oder 77% der Kapazitätsinvestition. In der Praxis zahlt sich eine Vergrößerung der Speicherkapazität über 60% des von der Konstruktion bedingten täglichen Bedarfes selten aus. Die Wirtschaftlichkeitsberechnung zwischen erhöhtem Verbrauch und der erforderlichen Investition führt im allgemeinen dazu, daß man eine Wärmespeicherkapazität von 50 bis 60% des von der Konstruktion bedingten täglichen Wärmebedarfs vorsieht. Zu diesem Zweck bedeutet die Bezeichnung "abgewandelter, durch die Konstruktion bedingter täglicher Wärmebedarf" den Teil (d. h. 60%, wie oben angegeben) oder den gesamten durch die Konstruktion bedingten täglichen Wärmebedarf, der auf einer wirtschaftlichen und/oder durch die Umgebung bestimmten Grundlage gewählt wird.

Um ein Beispiel für die Bestimmungen der Elektrizitätserzeugung und der Wärmespeicherkapazität zu geben, werden die folgenden Annahmen vorausgesetzt:

Die Erzeugungskapazität ist so ausgelegt, daß die gesamte vom Zusatzkraftwerk 18 während der Spitzenlastzeit erzeugte Wärmeenergie 60% des durch die Konstruktion bedingten täglichen Wärmebedarfs des Hauses entspricht, und zwar wie folgt:

(1) ^Qth-total
=^QSH-Konstruktion × .6 + ^QWH
	=1,450,000 × .6 + 75,000=945,000 BTU/Tag
(2) ^Qth	=^Qth-total ÷ tägliche Betriebszeit
	=945,000 BTU/Tag ÷ 10 Stunden/Tag
	=94,500 BTU/h
(3)^Ee	=ⁿe/ⁿth × ^Qth × .00029 h/BTU
	=.18/.155 × 95,400 BTU/h × .00029 kW h/BTU
	=9.2 kW

Die Gleichung (1) ist ein algebraischer Ausdruck für einen modifizierten, von der Konstruktion bedingten täglichen Wärmebedarf. Sie umfaßt die Raumheizung ^QSH-Konstruktion und die Warmwasserzeugung ^QWH. Der Wärmebedarf für die Warmwassererzeugung ^QWH kann für jeden Tag des Jahres als gleich angenommen werden, so daß ein Faktor von 60% oder dergleichen nicht angebracht ist. Daher ist bei diesem Beispiel 100% des durchschnittlichen Wasserheizbedarfes ^QWH vorzusehen.

Die Gleichung (3) zeigt, daß ein ideales Zusatzkraftwerk 18 in diesem Falle elektrische Energie in der Größe von 9,2 Kilowatt erzeugt. Von dem Zusatzkraftwerk 18 erzeugte und nicht sogleich im Wohnhaus 10 verbrauchte elektrische Energie wird durch den Stromzähler 36 in das öffentliche Netz eingespeist, so daß der Besitzer des Wohnhauses 10 für seine während der Spitzenlastzeiten erfolgten Stromlieferungen eine Gutschrift erhalten kann.

Die Wärmespeicherkapazität des Wärmespeichers 22 ist so ausgelegt, daß die vom Zusatzkraftwerk 18 im Betrieb während der Spitzenlastzeit zusätzlich erzeugte Abwärme wie folgt berechnet werden kann:

(4) ^QSpeicher = ^Qth-total - ^Qcons. = ^Qth-total (1-10/24 = 945,000 (1-10/24) = 550,000 BTU

Gleichung (4) gibt als ideale Speicherkapazität der Anlage einen Wert von 550,000 BTU (580×10⁶ Joule) an. Während eines ungewöhnlich kalten Tages, d. h. eines Tages, bei dem die Temperatur dem für die Konstruktion vorgesehenen untersten Wert von -15°F (-26°C) nahe kommt, wird das zusätzliche Heizgerät 29 betrieben, um allen zusätzlichen Wärmebedarf zu decken.

Wie in den obigen Gleichungen gezeigt, ist die Wärmespeicherkapazität (^QSpeicher) vollständig wie folgt zu bestimmen:

(1) Elektrische Stromerzeugungskapazität am Ort des Wohnhauses (E_e),
(2) ⁿe/ⁿth für das verwendete Zusatzkraftwerk
(3) Länge der Spitzenlastzeit.

Wenn die Kapazität der elektrischen Stromerzeugung (E_e) nach einigen willkürlichen oder wirtschaftlichen Kriterien bestimmt wird, kann eine optimale Wärmespeicherkapazität auch nach der folgenden Methode erzielt werden. Wenn E_e kleiner als das Optimum ist, wird ^QSpeicher nur von ⁿe/ⁿth und der Länge der Spitzenlastzeit bestimmt, und zwar gemäß Gleichung (4). Wenn E_e größer als das Optimum ist, wird ^QSpeicher gemäß den Gleichungen (1) und (4) bestimmt, wodurch tatsächlich ^QSpeicher so bestimmt wird, als ob E_e optimal ist. Wenn E_e größer als das Optimum ist, wird das Zusatzkraftwerk im Sinne der Gleichung (3) für einen umgekehrt proportionalen Teil der vollen Dauer der Spitzenlastzeit betrieben.

Zum Zwecke der Erläuterung ist das in Fig. 1 gezeigte Zusatzkraftwerk in Form und Funktion verhältnismäßig einfach. Wenn der tatsächliche Raumheizbedarf eines bestimmten Tages die gespeicherte Wärmemenge nicht voll verbraucht, verzögert oder verhindert das Steuergerät 23 den Betrieb des Zusatzkraftwerkes 18. Wärmeverluste durch Leitung, Strahlung usw. vom Wärmespeicher 22 können als Teil des Wärmebedarfs betrachtet werden und müssen, wenn sie nicht vernachlässigbar klein sind, als Faktor in den obigen Gleichungen berücksichtigt werden.

Das Wohnhaus 10 kann auch mit einer mit Wärme betriebenen Klimaanlage versehen sein, die beispielsweise als Absorber arbeitet. Der Wärmebedarf einer solchen Klimaanlage erstreckt die Nutzung des Zusatzkraftwerkes 18 auch auf den Sommer. Ein nicht dargestellter, außen anzubringender Wärmetauscher kann wahlweise direkt oder durch den Wärmespeicher 22 an das Zusatzkraftwerk 18 angeschlossen werden, wenn das Zusatzkraftwerk während Zeiten betrieben werden soll, während denen der Wärmespeicher 22 auf seine Kapazität aufgeheizt wird. Diese Situtation kann eintreten, wenn das Kraftwerk Reservekapazitäten vom Zusatzkraftwerk 18 und gewöhnlich einer Mehrzahl derartiger Anlagen aufnehmen will. Das Zusatzkraftwerk 18 wird bei derartigen Situationen durch Übermittlung von entsprechenden Signalen an die Antenne 38 eingeschaltet, wodurch das Steuergerät 23 überfahren wird. Unter diesen Umständen kann angenommen werden, daß das Kraftwerk eine Vergütung für die so angeforderte und erzeugte Elektrizität bezahlt. Falls erwünscht, kann das Zusatzkraftwerk 18 von einer Zeitsteueruhr gesteuert werden, welche es ermöglicht, daß die Anlage in Abhängigkeit von dem Zustand des Steuergerätes 23 während Spitzenlastzeiten arbeitet und hierfür kein Einschaltsignal vom Kraftwerk gesendet wird.

Obwohl hier angenommen wurde, daß der Wärmebedarf am Standort des Zusatzkraftwerkes 18 für Raumheizung und Warmwassererzeugung eines Einfamilienhauses bestimmt ist, läßt sich das Zusatzkraftwerk auch für andere Zwecke oder Aufstellungsorte, sowohl kommerzielle als auch industrielle, nutzen. Einige Merkmale können auch dann angewendet werden, wenn der gesamt zu erwartende tägliche Wärmebedarf nicht mit der Spitzenlastzeit zusammenfällt, beispielsweise wenn er phasenverschoben und/oder bedeutend länger als die Spitzenlastzeit des Kraftwerkes ist.

Fig. 5 zeigt eine andere Ausführungsform der zusätzlichen Energieerzeugung in einen wesentlich größeren Maßstab als in Fig. 1. Fig. 5 ist ein schematisches Luftbild bzw. eine schematische Ansicht aus der Vogelperspektive einer kombinierten Geschäfts- und Wohngemeinde, die von einem integrierten gemeinsamen Energiesystem 51 versorgt wird. Die Gemeinde 50 umfaßt ein Einkaufszentrum 52, ein Bürohaus 53, Wohn-Hochhäuser 54, Wohnhäuser 55 mit weniger Etagen und Reihenhäuser 56. Im dargestellten Fall werden alle Gebäude von einem zentralen Kraftwerk 51 beheizt und einige von diesem auch gekühlt. Fig. 6 ist ein Blockdiagramm der wichtigsten Teile dieses Kraftwerkes 51.

Das Kraftwerk 51 umfaßt eine Brennstoff-Zelle 57 mit daran angeschlossenen Wärmespeichern 61 und 62. Die Brennstoff-Zelle 57 enthält beispielsweise einen Brennstoff-Vorverarbeiter 63, einen Brennstoff-Verarbeiter 64, einen Energieerzeugung 66 mit Wärmebetrieb und Wärmeregelung und eine geeignete Steuerung 67. Ferner sind Wärmetauscher 68 und 69 vorgesehen. Vom Energieerzeuger 66 erzeugter Gleichstrom wird von einem Wechselrichter 71 in Wechselstrom umgewandelt.

Brennstoff, beispielsweise Erdgas, gelangt in den Brennstoff-Vorverarbeiter 63, der ein Voroxidiermittel und ein Hydrosulphiermittel enthält, um den Brennstoff aufzuarbeiten. Das Brennstoff-Gemisch strömt zusammen mit schon aufbereitetem, rückgeführtem Brennstoff durch den Voroxidierabschnitt des Vorverarbeiters 63 , wo Sauerstoff, falls vorhanden, entfernt wird, und dann durch den Hydrosulfphierabschnitt, wo Schwefel entfernt wird. Der entschwefelte und mit Dampf vermischte Brennstoff gelangt in den Brennstoff-Verarbeiter 64, wo Brennstoff und Dampf katalytisch in ein wasserstoffreiches Gas umgewandelt werden. Das wasserstoffreiche Gas wird gekühlt und gefiltert und strömt zum Energieerzeuger 66. Der Energieerzeuger 66 verbindet elektrochemisch Wasserstoff des wasserstoffreichen Gases und Sauerstoff von vorverarbeiteter Luft und erzeugt daraus direkt elektrischen Strom. Wasser wird als Nebenprodukt des elektrochemischen Prozesses erzeugt. Der aus dem Wechselrichter 71 entnommene Wechselstrom wird in das elektrische Netz, das die Gemeinde 50 versorgt, in analoger Weise wie oben in Verbindung mit Fig. 1 beschrieben eingespeist.

Die thermische Steuerung des Energieerzeugers 66 überwacht die Temperatur des Energieerzeugers mit Hilfe von zirkulierendem Wasser. Die bei der Erzeugung der elektrischen Energie anfallende Wärme wird aus dem Energieerzeuger 66 dadurch abgeführt, daß man das zirkulierende Wasser in ein Zweiphasen-Gemisch aus Dampf und Wasser umwandelt. Der Dampf wird vom Energieerzeuger 66 abgezogen und im Brennstoff-Vorverarbeiter 63 benutzt. Die Wasserkomponente des Zweiphasen-Gemisches wird durch eine Kühlschlange zurückgeführt, die mit dem für hohe Temperaturen vorgesehenen Wärmetauscher 69 verbunden ist.

Hohe Temperatur aufweisende Abwärme wird dadurch zurückgewonnen, daß man das Kühlmittel des Energieerzeugers 66 durch den Wärmetauscher 69 leitet, wo Wasser oder ein anderes Medium des für hohe Temperaturen vorgesehenen Wärmespeichers 62 auf eine maximale Temperatur von beispielsweise 275°F (135°C) aufheizt. Die eine geringere Temperatur aufweisende Wärme wird dadurch rückgewonnen, daß man die Abgase des Energieerzeugers 66 und des Brennstoff-Verarbeiters 64 durch den für niedrigere Temperaturen vorgesehenen Wärmetauscher 68 leitet, wo die Wärme auf ein Speichermedium wie Wasser oder dergleichen des für niedrigere Temperaturen vorgesehenen Wärmespeichers 61 übertragen wird. Wenn, wie gewünscht oder notwendig, entweder die Erzeugung von Wärme hoher oder niedriger Temperatur die Kapazität des entsprechenden Wärmespeichers 61 bzw. 62 übersteigt, können luftgekühlte Wärmetauscher in den diesen Wärmespeichern zugeordneten Kreisläufen vorgesehen sein, um eine ausreichende Kühlung zu erzielen, damit das Kraftwerk kontinuierlich laufen kann.

Die in Fig. 6 dargestellte Brennstoff-Zelle 57 erzeugt, wenn sie bei oder nahe der durch ihre Konstruktion bedingten Kapazität arbeitet, etwa zwei Mal so viel Wärme niedriger Temperatur wie Wärme hoher Temperatur. Allgemein ausgedrückt kann gesagt werden, daß die Brennstoff-Zelle 57, wenn sie bei 100% ihrer vorgesehenen Energie arbeitet, grob gesprochen 40% der Brennstoffenergie in Elektrizität und weitere 40% in Wärme niedriger und Wärme hoher Temperatur umwandelt. Die Rückgewinnung von Abwärme bei zwei unterschiedlichen Temperaturpegeln, Temperatur niedriger Wärme bei beispielsweise 100° bis 120°F (37 bis 50°C) im Wärmespeicher 61 für Wärme niedriger Temperatur und bei beispielsweise 220° bis 275°F (105° bis 135°C) im Wärmespeicher 62 für Wärme hoher Temperatur, ist ein Vorteil des energieintegrierten Systems der dargestellten und erläuterten Art. Der normale Wärmebedarf für Raumheizung und Warmwassererzeugung wird gewöhnlich mit Wärme niedriger Temperatur gedeckt, jedoch ist es derzeit im allgemeinen unpraktisch, Wärme niedriger Temperatur für die Raumkühlung zu verwenden. Hingegen kann Wärme hoher Temperatur bei 220°F (etwa 105°C) erfolgreich in Klimaanlagen, die nach dem Absorptionsprinzip arbeiten, benutzt werden.

Der für Wärme hoher Temperatur vorgesehene Wärmespeicher 62 ist so ausgelegt und angeordnet, daß er mit Wärme betriebene Absorptions-Klimaanlagen der kommerziellen Gebäude 52 und 53 betreiben kann. Die in dem Wärmespeicher 61 gespeicherte und rückgewonnene Wärme niedriger Temperatur wird vornehmlich für die Raumbeheizung der übrigen Gebäude der Gemeinde 50 und für die Warmwassererzeugung benutzt. Jeder Wärmespeicher 61 und 62 ist so bemessen, daß er eine Wärmemenge speichern kann, die dem entsprechenden, von der Konstruktion bestimmten täglichen Wärmebedarf weniger des Teiles des täglichen Wärmebedarfes, der während des Betriebes des Kraftwerkes 51 während Spitzenlastzeiten des öffentlichen Netzes erzeugt wird, gleich ist. Geeignete Kontrollgeräte wie Thermostate überwachen den Zustand der Wärmespeicher 61 und 62 und wirken mit der Steuerung 67 zusammen, um normalerweise einen Betrieb des zusätzlich vorgesehenen Kraftwerkes 51 zu verhindern, wenn die Wärmespeicher 61 und 62 die ihrer Kapazität entsprechende Wärmemenge enthalten. Die Bemessung der Wärmespeicher 61 und 62 beruht auf Berechnungen entsprechend dem modifizierten, durch die Konstruktion bedingten täglichen Wärmebedarf ähnlich wie in Verbindung mit Fig. 1 erläutert. Auch bei dieser zweiten Ausführungsform wird davon ausgegangen, daß das mit Brennstoff-Zellen arbeitende zusätzliche Kraftwerk 51 normalerweise nur während der Spitzenlastzeiten des die Gemeinde 50 versorgenden Kraftwerkes bzw. Netzes arbeitet, so daß der Wert der von der Brennstoff-Zelle 57 erzeugten elektrischen Energie auf ein Maximum gebracht werden kann. Geeignete Steuerungen zum Betreiben des Kraftwerkes 51 während Spitzenlastzeiten oder anderen Zeiten, falls erwünscht oder notwendig, können vorgesehen sein, und zwar analog wie in Verbindung mit Fig. 1 bereits beschrieben.

Wie in Fig. 5 schematisch gezeigt, sind die mit dem zusätzlichen Kraftwerk 51 verbundenen Wärmespeicher 61 und 62 zentral zu den zu versorgenden Gebäuden angeordnet und liegen nicht mehr als wenige hundert Meter von jedem Gebäude entfernt. Die Wärmespeicher 61 und 62 sind mit den einzelnen Gebäuden über Versorgungsleitungen 76 bzw. 77 verbunden. Die Versorgungsleitungen 76 und 77 bilden Kreisläufe aus parallelen Leitungen, nämlich den in Fig. 6 angedeuteten Vorlaufleitungen 76a und 77a und Rücklaufleitungen 76b und 77b für ein zirkulierendes Medium wie Wasser. Diese Leitungen können aus Heizrohren bestehen. Die Versorgungsleitungen 76 und 77 umfassen Hauptleitungen und zu den einzelnen Gebäuden führende Zweigleitungen. Einige Gebäude, beispielsweise die kommerziellen Gebäude des Einkaufzentrums 52 und die Bürogebäude 53 können, wie aus Fig. 5 und 6 hervorgeht, getrennte Versorgungsleitungen 76 und 77 aufweisen, die mit dem Wärmespeicher 61 für niedrige Temperatur bzw. dem Wärmespeicher 62 für hohe Temperatur verbunden sind.

Wärme mit hoher Temperatur kann benutzt werden, um die zur Verfügung stehende Wärme niedriger Temperatur zu ergänzen. Aus Fig. 6 geht hervor, daß ein Wärmeübertragungskreis 81 mit in Reihe geschalteter Zufuhrleitung 82, Wärmetauschschlange 83 und Rücklaufleitung 84 vorgesehen ist. Die Zufuhrleitung 82 wird gezielt an die als Hauptleitung dienende Vorlaufleitung 77 des für hohe Temperatur vorgesehenen Wärmespeichers 62 über ein umschaltbares Dreiwege-Ventil 86 angeschlossen, während die Rücklaufleitung 84 dauernd mit der Rücklaufleitung 77b in Verbindung steht. Die Wärmetauschschlange 83 steht in thermischer Verbindung mit einer Wärmetauschschlange 87, die in der Vorlaufleitung 76a des Wärmespeichers 61 für niedrige Temperatur liegt. Die Wärmeträgermedien fließen im Gegenstrom durch die Wärmetauschschlange 83 und 87.

Fig. 6a zeigt schematisch ein Beispiel eines Wärmespeichers für hohe Temperatur. Ein aus Feststoffen oder Flüssigkeit bestehendes Wärmespeichermedium 91 ist in einem isolierten Tank 92 untergebracht. Wärmetauschschlangen 93 und 94 sind vorgesehen, von denen die eine mit dem Wärmetauscher 69 und die andere mit der Vorlaufleitung 77a und der Rücklaufleitung 77b in Verbindung steht. Die Anordnung gemäß Fig. 6a gestattet es, daß die in den Leitungen des Wärmespeichers 69 und in der Versorgungsleitung 77 zirkulierenden Strömungsmittel voneinander getrennt sind, so daß sie unterschiedlicher Natur sein und unter verschiedenen Drücken stehen können usw. Eine oder auch beide Wärmetauschschlangen 93 und 94 können wegfallen, beispielsweise wenn die Strömungsmittel, Drücke, Reinheiten und dergleichen in diesen Elementen zusammenpassen. Der Wärmeübertragungskreis 81 ist besonders dann nützlich, wenn zuviel nutzbare Wärme hoher Temperatur vorhanden ist. Dies könnte beispielsweise in der Wintersaison der Fall sein, wenn der Heizbedarf maximal und der Kühlbedarf gering ist. Unter diesen Umständen wird verhältnismäßig wenig Wärme hoher Temperatur für Kühlzwecke benötigt.

Das in Fig. 6 angedeutete Kraftwerk 51 hat eine ausreichende Kapazität, um die Elektrizitätserzeugung mit Hilfe von Brennstoff-Zellen praktisch durchführen zu können. Ein derartiges Kraftwerk hat einen verhältnismäßig hohen Wirkungsgrad bei der Erzeugung von Elektrizität aus Erdgas oder ähnlichem Brennstoff im Vergleich zu konventionelleren Systemen, die eine Wärmekraftmaschine als Antrieb für einen Elektrizitäts-Generator verwenden. Dieser Wirkungsgrad verbessert die Wirtschaftlichkeit des Kraftwerkes 51 derart, daß eine verhältnismäßig große Menge verhältnismäßig teurer Elektrizität aus einer bestimmten verbrauchten Brennstoffmenge erzeugt wird, wobei man zusätzlich nutzbare Wärme erhält. Die beschriebene Brennstoff-Zelle 57 ist ein Beispiel verschiedener bekannter Brennstoff-Zellen, die für die Durchführung der vorstehend beschriebenen Arbeitsweise geeignet sind.

Ein zusätzliches Kraftwerk, ob es nun mit einer Brennstoff-Zelle oder einer Wärmekraftmaschine zur Erzeugung von Elektrizität arbeitet, kann, wenn es auf die Versorgung einer örtlichen Gemeinde dimensioniert wird, sowohl bezüglich der Installationskosten als auch der Betriebskosten sehr wirtschaftlich sein. Die Bauteile dieses zusätzlichen Kraftwerkes 51 können so ausgelegt und bemessen werden, daß sie dem durchschnittlichen gemeinsamen Wärmebedarf aller Gebäude dieser Gemeinde entsprechen. Die Geschäftsgebäude, die kommerziellen Gebäude und die Wohngebäude haben jeweils einen unterschiedlichen täglichen und wöchentlichen Wärmebedarf. Wenn man diesen unterschiedlichen Wärmebedarf insgesamt mittelt, kann man die täglichen Bedarfsspitzen im allgemeinen noch weiter herabdrücken, so daß der modifizierte, von der Konstruktion abhängige tägliche Wärmebedarf verringert wird. Aus den Beispielen bzw. Gleichungen 1 bis 4 kann man beispielsweise sehen, daß die Größe der zahlreichen Komponenten zu verringern ist.

Claims

1. Kraftwerk zum Erzeugen elektrischer Energie für Spitzenlasten, mit einer Wärmekraftmaschine (16), einer Brennstoffquelle (26) für die Wärmekraftmaschine, einem Generator (17) zum Umwandeln mechanischer Energie der Wärmekraftmaschine in elektrische Energie und mit Einrichtungen (37) zum Anschließen des Generators an ein elektrisches Stromnetz (31), dadurch gekennzeichnet, daß an die Wärmekraftmaschine (16) ein Wärmespeicher (22), dessen Kapazität auf den täglichen Wärmebedarf eines Ortes, an dem das Kraftwerk errichtet ist, abgestimmt ist, über eine Einrichtung (19), welche die Wärmekraftmaschine mit dem Wärmespeicher thermisch verbindet, um Abwärme der Wärmekraftmaschine dem Wärmespeicher zuzuleiten, angeschlossen ist und daß der Wärmespeicher mit Wärmeverbrauchern (11, 12) thermisch verbunden ist, wobei Steuereinrichtungen zum Einschalten der Wärmekraftmaschine und des Generators während der Spitzenlastzeiten des Stromnetzes und ein Fühler (23), der den im Wärmespeicher gespeicherten Wärmewert überwacht und so ausgebildet ist, daß er die Steuereinrichtungen übersteuert, wenn der Wärmespeicher eine gewünschte Wärmemenge enthält, um dadurch die Wärmekraftmaschine und den Generator abzuschalten, vorgesehen sind.

2. Kraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmekraftmaschine (16) und der Generator (17) eine Anlage (18) bilden, die so ausgelegt ist, daß sie, wenn sie während Spitzenlastzeiten des Stromnetzes (31) läuft, Abwärme in einer Menge erzeugt, die dem täglichen Wärmebedarf der an den Wärmespeicher (22) angeschlossenen Wärmeverbraucher (11, 12) eines mit dieser Anlage ausgerüsteten Gebietes oder Gebäudes entspricht.

3. Kraftwerk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Speicherkapazität des Wärmespeichers (22) dem täglichen Wärmebedarf der Wärmeverbraucher (11, 12) abzüglich der bei normaler Wärmelast bei vollem Betrieb der Wärmekraftmaschine (16) und des Generators (17) in Spitzenbedarfszeiten anfallenden Abwärme entspricht.

4. Kraftwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Wärmeverbraucher (11) eine Raumheizung von Gebäuden ist und der Wärmespeicher (22) etwa 50 bis 60% des täglichen Wärmebedarfs für die Beheizung der Gebäuderäume deckt.

5. Kraftwerk zum Erzeugen elektrischer Energie für Spitzenlasten, mit einer Quelle für oxidierbaren Brennstoff, einem Elektrizitäts-Generator (66), in dem der Brennstoff zum Erzeugen elektrischer Energie unter Entwicklung einer größeren Menge nicht verbrauchter Abwärme oxidiert wird, und mit Einrichtungen zum Anschließen des Generators an ein elektrisches Stromnetz, an dem eine Last hängt, deren Größe sich während eines Zeitraumes von 24 Stunden gewöhnlich sehr bedeutend, ändert und eine Spitzenlastzeit einschließt, die wesentlich kürzer als 24 Stunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß an den Elektizitäts-Generator (66) ein Wärmespeicher (61, 62) dessen Kapazität auf den täglichen Wärmebedarf eines Ortes, an dem das Kraftwerk errichtet ist, abgestimmt ist, über Einrichtungen (68, 69) zum thermischen Verbinden des Elektrizitäts-Generators mit dem Wärmespeicher zum Überleiten von Abwärme des Generators zum Wärmespeicher angeschlossen ist und daß der Wärmespeicher (61, 62) mit Wärmeverbrauchern thermisch verbunden ist, wobei eine Steuereinrichtung (67) zum Einschalten des Elektrizitäts-Generators während der Spitzenlastzeiten des Stromnetzes und ein Fühler, der den im Wärmespeicher gespeicherten Wärmewert überwacht und so ausgebildet ist, daß er die Steuereinrichtung übersteuert, wenn der Wärmespeicher eine gewünschte Wärmemenge enthält, um den Elektrizitätsgenerator abzuschalten, vorgesehen sind.

6. Kraftwerk nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmespeicher (61, 62) an eine Mehrzahl verschiedener Gebäude (52 bis 56) eines Ortes (50) angeschlossen ist.

7. Kraftwerk nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrizitäts-Generator (66) eine Brennstoff-Zelle (57) umfaßt, die elektrochemisch Elektrizität und Abwärme durch Oxidation des Brennstoffes erzeugt.

8. Kraftwerk nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoff-Zelle (57) Abwärme mit zwei getrennten Temperaturpegeln abgibt und der Wärmespeicher zwei voneinander getrennte Abschnitte (61 und 62) für jeden der beiden Temperaturpegel umfaßt.

9. Kraftwerk nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß einer der beiden Abschnitte (61) des Wärmespeichers für die Raumbeheizung bestimmte Wärme niedrigerer Temperatur speichert und der andere Abschnitt (62) für die Raumkühlung durch einen Absorptionsprozeß bestimmte Wärme höherer Temperatur speichert.

10. Kraftwerk nach Anspruch 8 ober 9, dadurch gekennzeichnet, daß er Einrichtungen (81) zum wahlweisen Überleiten von Wärme höherer Temperatur aus dem einen Abschnitt (62) in den Kreislauf, dem normalerweise Wärme des anderen Abschnittes (61) zugeleitet wird, aufweist.