Die kombinierte Erzeugung von Strom und Wärme wird vor allem bei kleinen bis mittleren Kraftwerken angewendet, wobei die Stromerzeugung im Vordergrund steht und die anfallende Abwär- me als Fernwärme zum Heizen und zur Brauchwassererwärmung ge- nutzt wird. Dabei ist von einem stets vorhandenen Überschu an Wärme auszugehen. Die Lösung ist nicht nur bei grö eren Kraftwerken wegen des schwierigen Wärmetransports problema- tisch, sondern auch bei sehr kleinen Anlagen, die im zwei- bis dreistelligen Kilowattbereich arbeiten, da bei diesen im sog. Inselbetrieb ein oftmals punktueller Bedarf an Wärme bzw. Strom besteht, so da im Zweifel unnötig Wärme oder Strom produziert wird, mit der entsprechenden Verschlechte- rung des Gesamtwirkungsgrades.

Aus der DE 41 02 636 C2 ist es bereits bekannt, wenigstens einen Teil der erzeugten elektrischen Energie in einem Batte-

riespeicher zu speichern, die Gleichspannung mit Hilfe eines Umformers in eine bestimmte Wechselspannung umzuwandeln und die anfallende Abwärme in einem Wärmespeicher zu speichern und zur Brauchwassererwärmung und-Beheizung heranzuziehen.

Ein weiteres Beispiel dieser Art ist in dem DE 298 12 982 U1 beschrieben, während die US 4,686,378 und die DE 27 23 144 Anlagen ohne elektrischen Batteriespeicher zeigen.

Ein solches Verfahren bietet den Vorteil, da sowohl die Wär- me als auch die elektrische Energie gepuffert werden können, so da beispielsweise bei erhöhtem Strombedarf die zwangsläu- fig anfallende Wärme und umgekehrt. bei erhöhtem Wärmebedarf elektrische Energie gespeichert werden kann, so da zu einem späteren Zeitpunkt ohne erneutes Hochfahren der Anlage auf die gespeicherte Wärme bzw. den gespeicherten Strom zurückge- griffen werden kann. Der hierdurch ermöglichte Ausgleich zwi- schen Strom und Wärme erlaubt ein Betreiben der Anlage in wirkungsgradgünstigen Bereichen. Allerdings sind Anforde- rungsprofile denkbar, die bei einer Ansteuerung des Motors in Abhängigkeit von dem Momentanbedarf zu einer insgesamt nicht optimierten Energiebilanz führen, nämlich dann, wenn sich kurzfristig die Bedarfssituation sehr stark verändert.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht folglich dar- in, ein Verfahren zu schaffen, das bei einer kombinierten An- lage zur Erzeugung von Strom und Wärme einen weiter verbes- serten Gesamtwirkungsgrad ermöglicht.

Erfindungsgemä wird die Aufgabe durch ein Verfahren der ein- gangs beschriebenen Art gelöst, bei welchem der mittlere Be- darf des betreffenden Gebäues an Strom und Wärme als Kollek- tiv über einen bestimmten Zeitraum, beispielsweise einen Ta-

gesverlauf, ermittelt und der Motor in diesem wiederkehrenden Zeitraum entsprechend betrieben wird, so da unter Zuhilfe- nahme der Speicherkapazitäten von Strom und Wärme der Gesamt- bedarf an Strom und Wärme mit minimalen Energieeinsatz ge- deckt wird.

Mit Hilfe der Erfassung des Gesamtbedarfes an Strom und Wärme lä t sich die Anlage vorausschauend betreiben, wobei als Bei- spiel der Bedarf an Strom und Wärme eines Hotels zu nennen ist : ; wo in den Morgenstunden ein sehr hoher Bedarf an Wärme besteht, während im übrigen Tagesablauf der Bedarf an elek- trischer Energie im Vordergrund steht. Derartige Ereignisse können bei dem erfindungsgemä en Verfahren vorhersehend be- rücksichtigt werden, eine Erfassung der momentanen Verbrauchssituation u. U. zu einer insgesamt ungünstigeren Energiebilanz führt, da eventuell eine momentan zwar günstig erscheinende Betriebssituation eingestellt wird, im. Nachhin- ein gesehen jedoch beispielsweise zuviel Wärme erzeugt worden ist, für die später kein Bedarf besteht. Selbstverständlich können auch verschiedene Bedarfskollektive erfa t und zur Steuerung der Anlage herangezogen werden, um z. B. unter- schiedliche Bedürfnisse an verschiedenen Wochentagen und ins- besondere auch zu verschiedenen Jahreszeiten berücksichtigen zu können. Die permanente Überwachung erlaubt auch eine Kor- rektur der gespeicherten Bedarfswerte, wenn sich ein anfangs festgelegter Bedarf in der Praxis als unzutreffend erweist.

Ein weiterer Vorteil eines Verfahrens, bei welchem der Gene- rator ausschlie lich Gleichstrom erzeugt, beispielsweise durch Nachschalten eines Gleichrichters, besteht darin, da der Motor und der Generator mit unterschiedlichen Drehzahlen betrieben werden können, was bei der Erzeugung von Wechsel-

strom aufgrund der konstant zu haltenden Netzfrequenz nicht möglich ist. Vorzugsweise wird der Motor in unterschiedlichen Last-und Drehzahlzuständen betrieben und dadurch entspre- chend dem Bedarf elektrische Energie in einem bestimmten Ver- hältnis zur anfallenden Wärmeenergie erzeugt. So kann es durchaus vorteilhaft sein, bei geringem Bedarf an elektri- scher Energie und hohem Wärmebedarf die Anlage in einem wir- kungsgradungünstigen Bereich zu betreiben, während man bei gro em Bedarf an elektrischer Energie bestrebt sein wird, die Bereiche des höchsten. mechanischen Wirkungsgrades der Anlage anzufahren.

Eine weitere bevorzugte Variante der Durchführung des Verfah- rens besteht darin, den Motor je nach Lastanforderung entlang einer bestimmten. Kennlinie von Last zu Drehzahl zu betreiben.

So kann bei einem insgesamt niedrigeren Bedarf an Strom und Wärme nicht nur die Last, sondern gleichzeitig auch die Dreh- zahl des Motors reduziert werden, wodurch dieser in einem vom Wirkungsgrad günstiger liegenden Bereich betrieben werden kann, so da möglichst wenig Abwärme entsteht, wenn diese nicht oder nur begrenzt verwendet werden kann.

Weitere Ausgestaltungen des Verfahrens können darin bestehen, da der Anteil vom Generator erzeugter elektrischer Energie an dem gesamten momentanen elektrischen Energiebedarf in Ab- hängigkeit vom überwachten Ladezustand der Batterien gewählt wird, da bei geringem elektrischem Energiebedarf dieser be- vorzugt aus dem Speicher gedeckt wird und/oder da bei zuneh- mendem Energiebedarf und/oder bei fortschreitender Entladung des elektrischen Speichers der Generator zugeschaltet wird.

Au erdem kann im Bedarfsfall mit Hilfe einer elektrischen

Heizpatrone überschüssige elektrische Energie in Wärme umge- wandelt werden.

Die Grenzen des Wirkungsgrades der Anlage werden bei Anwen- dung des erfindungsgemä en Verfahrens. dadurch bestimmt, da die zur Deckung des Bedarfs an elektrischer Energie zwangs- läufig anfallende Wärme nicht mehr genutzt werden kann. Umge- kehrt ist durch die Umwandlung von elektrischer Energie in Wärmeenergie oder eventuell eine Abgabe überschüssiger elek- tricher Energie an ein Versorgernetz keine wesentliche Ein- schränkung des Wirkungsgrades zu befürchten, da die Gesamt- energiebilanz einer derartigen Anlage bei sorgfältiger Aus- nutzung der Abwärme durchaus im Bereich einer Brennwertheiz- anlage liegen kann. Besteht folglich ein grundsätzlich sehr hoher Bedarf an Wärme, kann ein sehr guter Gesamtwirkungsgrad der Anlage auch mit einem im Wirkungsgrad eher ungünstigen Motor erreicht werden, während bei einem eher geringen Wärme- bedarf ein im Wirkungsgrad möglichst optimierter Motor, wie z. B. ein aufgeladener Dieselmotor mit Direkteinstritzung, Verwendung finden sollte, um elektrische Energie mit mög- lichst geringer Abwärme erzeugen zu können. Eine Verlagerung hin zur stärkeren Wärmeerzeugung lä t sich dann immer noch durch Betreiben des Motors in Lastzuständen erreichen, in welchen er einen schlechteren Wirkungsgrad aufweist, oder durch die zuvor genannte Möglichkeit der Umwandlung elektri- scher Energie in Wärme.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch eine Vorrich- tung zur Durchführung des zuvor beschriebenen erfindungsgemä- en Verfahrens. Erfindungsgemä ist eine Anlage mit einem Mo- tor, einem von diesem angetriebenen Generator und einem Wär- mespeicher vorgesehen, der die anfallende Abwärme zur Brauch-

wassererwärmung und für Heizzwecke speichert, wobei ein Gleichstromgenerator als Generator einen elektrischen Spei- cher auflädt, der über einen Wechselrichter den auf Netzspan- nung und Netzfrequenz gebrachten Wechselstrom in ein Strom- netz abgibt und weiterhin eine Steuerelektronik das Betreiben des Motors in unterschiedlichen Last-und Drehzahlzahlständen entsprechend einem ermittelten Bedarfskollektiv an Strom und Wärme über einen längeren Zeitraum und ergänzend in besonde- ren Fällen in Abhängigkeit vom momentanen Bedarf an Wärme und Strom und/oder dem Ladezustand der Speicher ermöglicht.-Das in einem Speicher hinterlegte Bedarfskollektiv kann bei der Errichtung der Anlage ermittelt und einem Speicher hinterlegt werden, vorzugsweise wird jedoch der Bedarf durch eine. geeig- nete Sensorik fortlaufend ermittelt, um bei Änderung des Nut- zerverhaltens reagieren zu können. Selbstverständlich sind Eingriffe der Steuerung bei unverhergesehenen Ereignissen möglich, wenn das tatsächliche Bedarfsprofil von dem zuvor ermittelten durchschnittlichen Lastkollektiv in stärkerem Ma- Be abweicht, z. B. bei sehr hoher Stromentnahme und drohender vollständiger Entladung der Batterie.

Die erfindungsgemä e Vorrichtung kann als sog. Insellösung unabhängig von den gro en Stromversorgernetzen arbeiten, wo- bei allerdings wegen der fehlenden Puffermöglichkeit von Spannungsspitzen durch das Stromnetz in der Anlage entspre- chende Vorkehrungen beispielsweise im Bereich des Wechsel- richters vorzusehen sind, die Spannungsspitzen beim Einschal- ten und Ausschalten des Generators oder Trennen der Last ab- bauen. Eine solche Anlage lä t sich auch bei zeitlich ver- setztem Maximalbedarf an Wärme bzw. Strom in wirkungsgradgün- stigen Bereichen betreiben.

Als Wärmespeicher dient vorzugsweise ein Brauchwasservorrat mit einem integrierten Wärmetauscher zur Erwärmung von Heizwasser. Diese Variante ist einfach und kostengünstig, da ein Brauchwasservorrat ohnehin benötigt wird und Wasser auch sehr günstige Eigenschaften zur Speicherung von Wärme be- sitzt. Denkbar ist auch der Einsatz von Wärmespeichern mit anderen Medien, beispielsweise mit sich ändernden Aggregatzu- ständen, wobei allerdings die Wärme dann noch auf das Brauch- wasser und das Heizwasser übertragen werden mu .

Als elektrischer Speicher finden bevorzugt Batteriespeicher mit zentrierter Erdung Verwendung, um eine möglichst hohe Gleichspannung und entsprechend niedrigere Ströme zu errei- chen.

Nachfolgend wird anhand der beigefügten Zeichnungen näher auf ein Ausführungsbeispiel der Erfindung eingegangen. Es zeigen : Fig. 1 ein Blockdiagramm einer Anlage zur kom- binierten Erzeugung von Wärme und Strom ; Fig. 2 ein Diagramm der Betriebskennlinie des Motors der Anlage nach Fig. 1.

In Fig. 1 ist eine Anlage 10 zur kombinierten Erzeugung von Strom und Wärme als Blockdiagramm dargestellt. Als Primär- wandler ist ein Dieselmotor 12 vorgesehen, der über einen Vorratstank 14 mit Brennstoff versorgt wird. Der Vorteil ei- nes Dieselmotors 12 besteht in seinem hohen mechanischen Wir- kungsgrad, seiner guten Verfügbarkeit und der Möglichkeit, ihn mit dem verbreiteten leichten Heizöl betreiben zu können.

Auch der Einsatz weiterer Primärenergieträger, wie z. B. Bio- diesel oder Erdgas ist denkbar.

Der Dieselmotor 12, der über einen Ansaugkanal 16 Luft an- saugt, treibt einen Generator 18 an, der als permanentmagne- terregter, selbsterregender Synchrongenerator ausgeführt ist, wobei zur Erzeugung von Gleichstrom ein Brückengleichrichter (nicht näher gezeigt) vorgesehen ist. Der Dieselmotor 12 ist gekapselt ausgeführt, um einerseits die Geräuschemision zu senken und andererseits für eine möglichst geringe Wärmeabga- be nach au en zu sorgen.

Der Gleichrichter ist unmittelbar in dem Generator 18 ange- ordnet und mit. einer Schalteinheit 20 verbunden. Ein elektro- chemischer Speicher 22, der aus sechs zentriert geerdeten, herkömmlichen Fahrzeugbatterien besteht, ist zur Speicherung elektrischer Energie vorgesehen. Der Ladezustand der Batteri- en wird überwacht, um unterschiedliche Lade-/Entladezustände zu vermeiden, wobei zur Vermeidung von Vollzyklen eine Lade- spielsteuerung mit Lastmagnet vorgesehen ist.

Die Schalteinheit 20 verfügt ferner über einen rekuperativen Dreiphasenwechselrichter, der die 72 Volt Gleichstrom in 55 Volt Wechselstrom mit 150 Ampere umformt, wobei eine quarzge- regelte Spannungskonstanthaltung einschlie lich exakter Nach- bildung des örtlichen Netz-Sinus (EVU) mit Scheitelabflachung vorgesehen ist. Die Welligkeitskontrolle erfolgt im Millise- kundentakt einschlie lich automatischer, Nachregelung.

Ein ebenfalls in der Schalteinheit 20 vorgesehener Dreipha- sentransformator in Z-Schaltung transformiert die 55 Volt Ausgangsspannung des Wechselrichters auf 230 Volt und 400

Volt für einphasige bzw. dreiphasige Lasten. Die Z-Schaltung gewährleistet eine gleichwertige Stabilität des Inselnetzes 23 auch gegenüber Versorgernetzen bei einphasiger Schieflast.

Neben der Erzeugung von elektrischer Energie ist die Anlage 10 auch zur Deckung des in einem Gebäude bestehenden Bedarfes an Wärme geeignet. Hierzu sind ein'oder mehrere Wärmetauscher in der Anlage 10 vorgesehen, die zur Erwärmung eines Brauch- wasservorrates 24 dienen, der über ein Brauchwassereinla 26 und einen Brauchwasserausla 28 verfügt. In dem Brauchwasser- vorrat 24 ist ein Heizungswärmetauscher 30 vorgesehen, der in den Umlauf 32 einer Heizanlage eingebunden ist und für eine Erwärmung des Heizwassers sorgt. Beispielhaft für die Wärme- gewinnung sind ein Kühlwasserwärmetauscher 34, der dem zur Kühlung des Dieselmotors 12 und des Generators 18 dienenden Kühlwassers, das in einem Kühlwasserkreislauf 35 zirkuliert, die Wärme entzieht und sie an den Brauchwasservorrat 24 ab- gibt, und ein Abgaswärmetauscher 36 vorgesehen, der dem Abgas des Dieselmotors möglichst viel Wärme entzieht und diese ebenfalls an den Brauchwasservorrat 24 abgibt. Weitere Wärme- tauscher zur Verbesserung des Gesamtwirkungsgrades können an Stellen der Anlage 10 vorgesehen sein, an denen weitere Ab- wärme entsteht, beispielsweise im Bereich des Wechselrichters und/oder des Transformators in der Schalteinheit 20.

Ein Keramik-Abgaskondensator 38, eventuell in Kombination mit dem Abgaswärmetauscher 36, dient zur Kühlung und Reinigung der Abgase auf ca. 30-40° C, wobei auskondensiertes Wasser CO, CO2, NOX, SOx, Öl und Ru auslöst bzw.-wäscht und das saure Kondensat anschlie t über Aktivkohle und Dolomitfilter neutralisiert und gereinigt wird. Die handwarme, saubere Ab- luft wird über Kunststoff-Abluftrohre 40 ins Freie geleitet,

so da kein Kamin notwendig ist. Da die Kondensationswärme ebenfalls genutzt wird, läuft die Anlage 10 als Brennwertge- rat.

Mit Hilfe des als Wärmespeicher dienenden Brauchwasservorrats 24 unddes elektrochemischen Speichers 22 ermöglicht die An- lage eine bessere Anpassung des Betriebs des Dieselmotors 12 an verschiedene Bedarfszustände. So kann bei einem momentan erhöhten Wärmebedarf Strom auf Vorrat produziert werden, der später ohne erneutes Betreiben des Dieselmotors 12 entnommen werden kann. Hierdurch ergeben sich beträchtliche Einsparpo- tentiale.

Dank der Erzeugung einer Gleichspannung ist es auch möglich, den Generator 18 mit unterschiedlichen Drehzahlen zu betrei- ben, während bei bisherigen Anlagen mit Rücksicht auf die Netzfrequenz eine konstante Generatordrehzahl eingehalten werden mu te, wodurch der Antriebsmotor in zum Teil sehr un- günstigen Lastzuständen betrieben werden mu te, beispielswei- se nahezu ohne Last bei Nenndrehzahl. Bei der abgebildeten Anlage wird der Dieselmotor 12 je nach Lastanforderung ent- lang einer in Fig. 2 gezeigten normierten Kennlinie, die eine Funktion der Last über die Drehzahl darstellt, betrieben, d. h. bei sich verringernder Lastanforderung wird gleichzeitig auch die Drehzahl des Dieselmotors 12 gesenkt, wodurch das Anfahren im Wirkungsgrad günstiger liegender Kennfeldbereiche des Dieselmotors 12 möglich ist. Ziel dieser Ma nahme ist es, den Dieselmotor 12 immer im Bereich einesmöglichst hohen me- chanischen Wirkungsgrades zu betreiben, um mit. möglichst ge- ringer Abwärme Strom zu erzeugen. Der Gesamtwirkungsgrad der Anlage 10, der sich aus dem Verhältnis von erzeugter Wärme und elektrischer Energie im Verhältnis zum Brennwert des ein-

gesetzten Primärenergieträgers bestimmt, reduziert sich näm- lich erst dann in wesentlichem Ausma , wenn bei einem be- stimmten Bedarf an elektrischer Energie die zwangsläufig ent- stehende Abwärme nicht mehr sinnvoll genutzt werden kann und beispielsweise mit Hilfe eines Wärmetauschers an die Umgebung abgegeben werden mu , um eine Überhitzung der Anlage 10 zu vermeiden. Andererseits lä t sich bei einem bestimmten Wärme- bedarf erzeugte elektrische Energie problemlos, beispielswei- se mit Hilfe einer Heizpatrone in dem Brauchwasservorrat 24, in Wärme umwandeln oder an ein Versorgernetz abgeben, so da eine Überschu produktion an Strom im Gegensatz zu einer Über- schu produktion von Wärme als für den Gesamtwirkungsgrad un- schädlich anzusehen ist.

Um einen optimalen Betrieb der Anlage 10 zu ermöglichen, ist der Gesamtbedarf eines Gebäudes an Wärme und Strom in Abhän- gigkeit von der Tageszeit als mittlerer Wert in einer Steuer- elektronik (nicht gezeigt) hinterlegt, wobei diese Anforde- rungsprofile beim Betreiben des Dieselmotors 12 berücksich- tigt werden. Hierdurch ist es möglich, überraschende Be- triebszustände zu vermeiden, wobei aus Sicht des Gesamtwir- kungsgrades der kritischste Zustand ein leerer elektrochemi- scher Speicher 22 bei hohem Bedarf an elektrischer Energie und maximal erwärmtem Brauchwasservorrat 24 ohne momentanem Bedarf an Wärme darstellt. Die Regelung nimmt auch Einflu darauf, inwieweit der momentane elektrische Bedarf unmittel- bar aus erzeugtem Generatorstrom oder aus dem elektrochemi- schen Speicher 22 gedeckt wird, um einerseits einer Tiefent- ladung der Batterien vorzubeugen und andererseits bei gefüll- ten Batterien und relativ kleinem elektrischen Bedarf unter Umständen vollständig auf den Betrieb des Dieselmotors 12 verzichten zu können. So ist es beispielsweise denkbar, den

Dieselmotor 12 nur in den Morgen-und Abendstunden zur Dek- kung des dann erhöhten Bedarfs an Wärme zu betreiben, und im Tagesverlauf bei ausgeschaltetem Dieselmotor 12 den geringen elektrischen Bedarf ausschlie lich aus den Batterien 22 zu decken.

Selbstverständlich ist es möglich, die zuvor beschriebene An- lage 10 durch Solarelemente oder auch eine Windenergieanlage zur zusätzlichen Stromerzeugung zu ergänzen, um den Einsatz von Primärenergie weiter reduzieren zu können.

Die Anlage 10 kann ferner mit einer Fernüberwachung versehen sein, die eine Fernwirkmöglichkeit einschlie t. Elektronische Wärme-und Stromzähler können zu Abrechnungszwecken genutzt werden, aber auch zur stetigen Ermittlung des Bedarfsprofils an Wärme und Strom, um ggf. das Betreiben des Dieselmotors 12 den geänderten Anforderungen anpassen zu können.

Eine elektronische Treibstoffverbrauchsmessung, die wegen des Dieselrücklaufs mit einer Differenzme kammer erfolgen mu , kann ebenso vorgesehen sein, wie eine elektronische Füll- standskontrolle des Treibstofftanks, wiederum mit der Option einer Fernüberwachung, so da sämtliche Wartungs-und Überwa- chungstätigkeit, z. B. über das Internet, durch den Dienst- leister erfolgen können und der Nutzer von Wartungsaufgaben weitestgehend entlastet wird.