KESSELANLAGE

Abstract

 Die Erfindung betrifft eine Kesselanlage (10), welche einen Kesselraum (16) für ein Wärmeträgermedium aufweist, welcher Kesselraum (16) von wenigstens einem Heizrohr (17a, 17b) durchsetzt ist, welches eingangsseitig mit einem Wärmeabgabeelement (20) eines thermischen Speichers (26) und mit dem Rauchgasrohr (15) einer fossilen oder biogenen Brennereinrichtung (14) verbunden ist.

Beschreibung

[0001] Eine der großen Herausforderungen der auf der Förderung von Ökostrom basierenden Energiewende ist die Speicherung von Energie, die von Ökostromanlagen wie Photovoltaikanlagen oder Windrädern nicht kontinuierlich, sondern immer nur zeitweise produziert wird. Dies führt zu einer Überproduktion zu bestimmten Zeiten, zum Beispiel bei starkem Sonnenschein oder bei starkem Wind, die entsprechende kurzfristige Schwankungen der Energieverfügbarkeit und der Energiepreise mit sich bringt. Energieeinbrüche gibt es dagegen nachts, insbesondere wenn auch noch eine Flaute vorherrscht.

[0002] Es besteht daher ein erhöhter Bedarf, die in Ökostromanlagen produzierte Elektrizität in geeigneter Weise zu speichern. Hierfür nutzt man in sogenannten Power-to-Heat-Modulen elektrische Heizelemente, um ein Heizmedium, wie zum Beispiel Wasser oder Thermoöl, zu erhitzen. Dieses Heizmedium wird dann in thermischen Speichern gespeichert, was gegenüber elektrischen Akkus den Vorteil hat, dass sie weniger Seltene Erden und Ressourcen verbrauchen und in der Herstellung sowie in der Anschaffung vergleichsweise günstig sind.

[0003] Bei den thermischen Speichern haben sich Hochtemperaturspeicher mit Heißgassystemen durchgesetzt. Der Hochtemperaturspeicher wird so durch Luft oder ein Heißgassystem gekoppelt, welches die gespeicherte Wärme von dem Hochtemperaturspeicher über ein Wärmeabgabeelement, zum Beispiel ein Heißgasrohr, abgibt. Das Heißgasrohr wird in der Regel mit einem Abhitzekessel verknüpft, welcher von dem Heißgasrohr des Hochtemperaturspeichers gespeist wird. Hierbei wird die benötigte Wärme zu gewünschten Zeiten erzeugt. Ein Nachteil dieses Systems besteht darin, dass an vielen Standorten mit einer bestehenden Anlage, zum Beispiel einer bestehenden Holzfeuerung, eine zweite Kesselanlage erforderlich wird.

[0004] Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Kesselanlage zur Nutzung der Wärme eines thermischen Speichers zu schaffen, die einfach und kostengünstig realisierbar ist.

[0005] Diese Aufgabe wird durch eine Kesselanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

[0006] Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind ebenfalls in der Beschreibung und in der Zeichnung offenbart.

[0007] Erfindungsgemäß wird der Kesselraum der Kesselanlage von wenigstens einem Heizrohr durchsetzt, welches eingangsseitig mit einem Wärmeabgabeelement eines thermischen Speichers als auch mit dem Rauchgasrohr einer fossilen oder biogenen Brennereinrichtung verbunden ist. Das den Kesselraum durchsetzende Heizrohr zur Aufheizung des im Kesselraum befindlichen Wärmeträgermediums, in der Regel Wasser oder Dampf oder auch Thermoöl, wird somit wahlweise oder auch sowohl als auch von der fossilen oder biogenen Brenneinrichtung als auch von dem Wärmeabgabeelement des thermischen Speichers gespeist. Es kann daher ein einziger Kessel verwendet werden, sowohl um in herkömmlicher Weise fossil zu heizen als auch die von in Verbindung mit dem thermischen Speicher erzeugte Hitze zu nutzen. Eine derartige Lösung ist kostengünstig und erübrigt die Anschaffung und den Unterhalt eines zweiten Kessels.

[0008] Vorzugsweise ist der thermische Speicher ein Hochtemperaturspeicher, der eine hohe Kapazität hat. In diesem Fall ist der Hochtemperaturspeicher vorzugsweise mit einem Heißgassystem zur Gewinnung von Wärme aus dem Hochtemperaturspeicher verbunden und das Wärmeabgabeelement des Hochtemperaturspeichers ist als Heißgasrohr des Heißgassystems ausgebildet. Dieses Heißgasrohr kann somit direkt mit dem wenigstens einen Heizrohr verbunden werden, welches den Kesselraum der Kesselanlage durchsetzt oder mit einem Rauchgasrohr eines fossilen Brenners, der das Heizrohr speist.

[0009] Für die Einbringung der beiden unterschiedlichen Heizenergien, nämlich dem Heißgasrohr vom Hochtemperaturspeicher und dem Rauchgasrohr von der fossilen oder biogenen Brenneinrichtung, gibt es insbesondere zwei vorteilhafte Alternativen.

[0010] Zum einen kann das wenigstens eine Heizrohr eingangsseitig mit einem Rauchgasrohr der fossilen oder biogenen Brennereinrichtung verbunden sein. Das Rauchgasrohr kann somit eine Einmündung aufweisen, die mit dem Wärmeabgabeelement des thermischen Speichers, insbesondere mit dem Heißgasrohr des Heißgassystems verbunden ist.

[0011] In diesem Fall weist die Einmündung vorzugsweise einen Selektionsmechanismus, z.B. eine Stellklappe auf, der ausgebildet ist, das Wärmeabgabeelement mit dem Rauchgasrohr - möglichst in unterschiedlichen Abstufungen - zu verbinden oder davon zu trennen.

[0012] Es könnte dann vorzugsweise auch noch eine Stellklappe im Rauchgasrohr angeordnet sein, so dass es möglich ist, auch die Wämezufuhr von dem Rauchgasrohr zu regeln, womit das Heizrohr im Kessel auch nur mit dem Heißgasrohr verbunden werden könnte.

[0013] In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird der Kesselraum von wenigstens einem ersten Heizrohr durchsetzt, welches mit dem Wärmeabgabeelement des thermischen Speichers verbunden ist, und von wenigstens einem zweiten Heizrohr, welches mit dem Rauchgasrohr der fossilen oder biogenen Brennereinrichtung verbunden ist. Es versteht sich, dass mehrere erste und zweite Heizrohre vorgesehen sein können. In diesem Fall spart man sich eine Zusammenführung von Rauchgasrohr und Heißgasrohr. Man führt das Heißgas und das Rauchgas durch separate Heizrohre, was es ermöglicht, diese unabhängiger voneinander zuzuführen. Wenn mehr als zwei Wärmeerzeugungsvorrichtungen vorgesehen sind, kann die Anzahl der unterschiedlichen Heizrohre im Kessel entsprechend erhöht werden. Wenn z.B. zwei unterschiedliche fossile oder biogene Brenner vorgesehen sind, können zwei Heizrohre oder Heizrohrgruppen für die beiden Brenner vorgesehen sein und ein drittes Heizrohr/ Heizrohrgruppe für das Heißgasrohr vom Hochtemperaturspeicher . In diesem Fall ist es selbstverständlich möglich, Klappenmechanismen zum Zu- und Abschalten der unterschiedlichen Heizrohre vorzusehen, so dass durch die Auswahl der entsprechenden Heizrohre wahlweise nur mit Heißgas von einem Hochtemperaturspeicher oder mit dem Rauchgas von der fossilen oder biogenen Brennereinrichtung geheizt werden kann. Im Falle, die Klappen in den Zuführungen geöffnet sind, wird der Kessel selbstverständlich von allen Einrichtungen geheizt.

[0014] In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann zusätzlich wenigstens eine elektrische Heizvorrichtung für das im Kesselraum befindliche Wärmeträgermedium vorgesehen sein, die vorzugsweise als Flanschheizkörper ausgebildet ist. Dies ermöglicht es bei kurzfristig verfügbarem Überschussstrom, die elektrische Heizvorrichtung zuzuschalten, um hierdurch das im Kesselraum befindliche Wärmeträgermedium aufzuheizen.

[0015] In diesem Zusammenhang sei angefügt, dass sich eine derartige Kesselanlage vorzugsweise für die Erzeugung von Prozesswärme, als Fernwärmeheizungseinrichtung oder für eine Kesselanlage in großen Häuserblöcken oder für gewerbliche größere Bauten eignet.

[0016] Um den Aufbau der Kesselanlage möglichst einfach zu halten, ist die wenigstens eine elektrische Heizvorrichtung vorzugsweise außerhalb des Kesselraums angeordnet, und die Kesselanlage hat dann eine in Verbindung mit der wenigstens einen Heizvorrichtung angeordnete Wärmeübertragungseinrichtung zur Übertragung der von der elektrischen Heizvorrichtung erzeugten Wärme in den Kesselraum. Auf diese Weise muss die elektrische Heizvorrichtung nicht im Kesselraum selbst angeordnet sein, sondern kann seitlich des Kessels angeordnet werden.

[0017] Vorzugsweise umfasst die wenigstens eine elektrische Heizvorrichtung in elektrisch isolierten Mantelrohren angeordnete elektrische Heizelemente, und die Wärmeübertragungseinrichtung ist als ein die Mantelrohre umgebender Flüssigkeitswärmetauscher ausgebildet, der über einen Zulauf und einen Ablauf mit dem Kesselraum verbunden ist. Auf diese Weise kann eine räumliche klare Entkopplung der elektrischen Heizvorrichtung und der zugeordneten Wärmeerzeugung von dem Kessel der Kesselanlage realisiert werden.

[0018] Wenn die Kesselanlage vorzugsweise wenigstens zwei elektrische Heizvorrichtungen aufweist, hat dies den Vorteil, dass je nach dem verfügbaren Überschussstrom entweder nur eine oder sogar beide elektrischen Heizvorrichtungen in Betrieb genommen werden können, um somit Stromspitzen sinnvoll in thermische Energie umzusetzen.

[0019] Vorzugsweise ist ein Heizelement des Hochtemperaturspeichers und/oder die elektrische Heizvorrichtung mit einer Photovoltaikanlage verbunden, um so im ersten Falle den aktuell erzeugten Strom in thermische Energie umzusetzen und abzuspeichern, um sie damit über einen längeren Zeitraum verfügbar zu machen. Alternativ oder zusätzlich kann der Strom der Photovoltaikanlage auch der elektrischen Heizvorrichtung zugeführt werden, um sofort das im Kesselraum befindliche Wärmeträgermedium aufzuheizen. Somit hat man sehr viele Optionen für ein optimales Heizmanagement. Das elektrische Heizelement des Hochtemperaturspeichers und/oder die wenigstens eine elektrische Heizvorrichtung können auch entweder direkt mit einer Windenergie- oder Photovoltaikanlage verbunden sein und/oder Überschußstrom aus dem öffentlichen Stromnetz beziehen, womit es immer möglich ist, Überschussenergie in sinnvoller Weise in thermische Energei umzusetzen.

[0020] Der Hochtemperaturspeicher ist vorzugsweise als ein aus mehreren Modulen zusammengesetzter erweiterbarer Speicher ausgebildet, der somit entsprechend dem Anteil des genutzten Ökostroms mitwachsen kann. Als Wärmeträgermedium sowohl des Hochtemperaturspeichers als auch des Kesselraums kann Wasser, Wasserdampf oder Thermoöl verwendet werden, die für solche Anwendungen bekannt und erprobt sind.

[0021] Es ist für den Fachmann offensichtlich, dass die obigen Ausführungsbeispiele beliebig miteinander kombiniert werden können, solange sich deren Merkmale nicht gegenseitig ausschließen.

Folgende Ausdrücke werden synonym verwendet: Brenner - Brennereinrichtung

[0022] Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel im Zusammenhang mit der beiliegenden Zeichnung beschrieben. In dieser zeigen:

Fig. 1

eine Seitenansicht auf eine Kesselanlage mit einem Hybridkessel und einem Hochtemperaturspeicher,

Fig. 2

eine Frontansicht der Kesselanlage aus Fig. 1, und

Fig. 3

eine Detailansicht des Kessels im oberen Teil der Kesselanlage mit dem Heizrohr.

[0023] Die Kesselanlage 10 aus Fig. 1 hat einen Hybridkessel 12, der mit einem fossilen Brenner 14 versehen ist, dessen Rauchgasrohr 15 in den Kesselraum 16 des Hybridkessels 12 führt und dort mit diesen durchsetzenden Heizrohren 17a, 17b verbunden ist (siehe Detailansicht Fig. 3), um auf diese Weise das im Kesselraum 16 befindliche Wasser, Wasserdampf oder Thermoöl aufzuheizen. Mit dem Rauchgasrohr 15 ist über eine Einmündung 18 ein Heißgasrohr 20 eines Heißgassystems 22 verbunden, welches wiederum mit einer Anzahl von Modulen 24 eines Hochtemperaturspeichers 26 verbunden ist.

[0024] Weiterhin weist der Hybridkessel 12 zwei elektrische Heizvorrichtungen in Form von Flanschheizkörpern 28 auf, die von Flüssigkeitswärmetauschern 30 umgeben sind, welche über einen Zulauf 32 und einen Ablauf 34 mit dem Kesselraum 16 verbunden sind. In dem Heißgasrohr 20 ist eine Stellkappe 36 angeordnet, so dass auf diese Weise der Anteil des dem Rauchgasrohr 15 zugefügten Heißgasanteils vom Heißgassystems 22 des Hochtemperaturspeichers 26 eingestellt werden kann. Die dargestellte Kesselanlage wird somit gespeist von dem Rauchgasrohr 15 des fossilen oder biogenen Brenners 14, von dem Heißgasrohr 20 des Heißgassystems 22 als auch von dem Flüssigkeitswärmetauscher 30 des Flanschheizkörpers 28, wovon, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist, zwei neben dem Hybridkessel 12 angeordnet sind. Die erfinderische Kesselanlage ist damit in der Lage, von unterschiedlichsten Wärmequellen gespeist zu werden und damit sehr kurzfristig auf ein zeitlich schwankendes Stromangebot zu reagieren.

[0025] Dadurch, dass der Hochtemperaturspeicher 26 aus mehreren zusammensetzbaren Modulen 24 besteht, ist er entsprechend dem Speicherungsbedarf ausbaufähig und kann quasi mit dem genutzten Ökostromanteil mitwachsen.

[0026] Die Detailansicht der Fig. 3 zeigt, wie das Rauchgasrohr 15, in welches zuvor das Heißgasrohr 20 des Heißgassystems 22 eingemündet ist, in eine erste Heizrohrgruppe 17a mündet, die den Kesselraum 16 horizontal durchsetzt. Die erste Heizrohrgruppe 17a ist über eine Umlenkung 21 mit einer zweiten Heizrohrgruppe 17b verbunden, die den Kesselraum 16 in entgegengesetzter Richtung durchläuft. Die zweite Heizrohrgruppe 17b mündet in einer Rauchgasabfuhr 19, die vorzugsweise mit einer Rauchgasreinigung verbunden ist.

[0027] Die Erfindung ist nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel begrenzt, sondern kann innerhalb des Schutzbereichs der beigefügten Ansprüche variiert werden. So ist es zum Beispiel nicht nötig, dass der genutzte Kessel ein Hybridkessel ist, der eine zusätzliche elektrische Heizvorrichtung aufweist.

Bezugszeichenliste:

[0028] 

10

Kesselanlage

12

Hybridkessel

14

fossiler oder biogener Brenner bzw. Brennereinrichtung

15

Rauchgasrohr des Brenners

16

Kesselraum mit Wasser, Wasserdampf oder Thermoöl als Wärmeträgermedium

17a

erstes Heizrohr/Heizrohrgruppe im Kesselraum

17b

zweites Heizrohr/Heizrohrgruppe im Kesselraum

18

Einmündung des Heißgasrohrs von dem Heißgassystem in das Rauchgasrohr

19

am Ende der zweiten Heizrohrgruppe angeschlossenes Rauchgasabfuhr, insbesondere zur Verbindung mit einer Rauchgasreinigung

20

Heißgasrohr für die Zufuhr der vom Heißgassystem erzeugten Wärme zum Hybridkessel

21

Umlenkung zwischen erster Heizrohrgruppe und zweiter Heizrohrgruppe

22

Heißgassystem zur Abfuhr der Nutzwärme vom thermischen Speicher, insbesondere Hochtemperaturspeicher

24

ein Modul eines Hochtemperaturspeichers

26

modular zusammengesetzter und ausbaubarer Hochtemperaturspeicher

28

elektrische Heizvorrichtung, insbesondere Flanschheizkörper

30

das Heizelement des Flanschheizkörpers umgebender Flüssigkeitswärmetauscher

32

Zulauf vom Flüssigkeitswärmetauscher in den Kesselraum

33

Standpodest für die beiden Flanschheizkörper beidseitig des Hybridkessels

34

Ablauf vom Kesselraum in den Flüssigkeitswärmetauscher

36

Stellklappe im Heißgasrohr

Ansprüche

1. Kesselanlage (10), welche einen Kesselraum (16) für ein Wärmeträgermedium aufweist, welcher Kesselraum (16) von wenigstens einem Heizrohr (17a, 17b) durchsetzt ist, welches eingangsseitig mit einem Wärmeabgabeelement (20) eines thermischen Speichers (26) und mit dem Rauchgasrohr (15) einer fossilen oder biogenen Brennereinrichtung (14) verbunden ist.

2. Kesselanlage (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der thermische Speicher (26) ein Hochtemperaturspeicher ist.

3. Kesselanlage (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochtemperaturspeicher (26) mit einem Heißgassystem (22) zur Gewinnung von Wärme aus dem Hochtemperaturspeicher (26) verbunden ist, und dass das Wärmeabgabeelement als Heißgasrohr (20) des Heißgassystems (22) ausgebildet ist.

4. Kesselanlage (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Heizrohr (17a, 17b) eingangsseitig mit einem Rauchgasrohr (15) der fossilen oder biogenen Brennereinrichtung verbunden ist und dass das Rauchgasrohr (15, 18) eine Einmündung (18) aufweist, die mit dem Wärmeabgabeelement (20) des thermischen Speichers (26) verbunden ist.

5. Kesselanlage (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Einmündung (18) einen Selektionsmechanismus (36) aufweist, der ausgebildet ist, das Wärmeabgabeelement (20) mit dem Rauchgasrohr (15) zu verbinden oder zu trennen.

6. Kesselanlage (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kesselraum (16) von wenigstens einem ersten Heizrohr durchsetzt ist, welches mit dem Wärmeabgabeelement des thermischen Speichers verbunden ist, und von einem zweiten Heizrohr (17a, 17b) durchsetzt ist, welches mit dem Rauchgasrohr der fossilen oder biogenen Brennereinrichtung verbunden ist.

7. Kesselanlage (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass vor und/oder nach dem ersten und/oder zweiten Heizrohr (17a, 17b) eine schaltbare Klappe angeordnet ist.

8. Kesselanlage (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie wenigstens eine elektrische Heizvorrichtung (28) für das in dem Kesselraum (16) befindliche Wärmeträgermedium aufweist, die vorzugsweise als Flanschheizkörper ausgebildet ist.

9. Kesselanlage (10) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine elektrische Heizvorrichtung (28) außerhalb des Kesselraums (16) angeordnet ist, und dass die Kesselanlage (10) eine in Verbindung mit der wenigstens einen Heizvorrichtung (28) angeordnete Wärmeübertragungseinrichtung (30) zur Übertragung der Wärme von der wenigstens einen elektrischen Heizvorrichtung (28) in den Kesselraum (16) aufweist.

10. Kesselanlage (10) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine elektrische Heizvorrichtung (28) in elektrisch isolierten Mantelrohren angeordnete elektrische Heizelemente umfasst, und dass die Wärmeübertragungseinrichtung als ein die Mantelrohre umgebender Flüssigkeitswärmetauscher (30) ausgebildet ist, der über einen Zulauf (32) und einen Ablauf (34) mit dem Kesselraum (16) verbunden ist.

11. Kesselanlage (10) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass sie wenigstens zwei elektrische Heizvorrichtungen (28) aufweist.

12. Kesselanlage (10) nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein elektrisches Heizelement des Hochtemperaturspeichers (26) und/oder die wenigstens eine elektrische Heizvorrichtung (28) entweder direkt mit einer Windenergie- oder Photovoltaikanlage verbunden ist und/oder Überschußstrom aus dem öffentlichen Stromnetz bezieht.

13. Kesselanlage (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochtemperaturspeicher (26) als ein aus mehreren Modulen (24) zusammengesetzter erweiterbarer Speicher ausgebildet ist.

14. Kesselanlage (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeträgermedium Wasser, Wasserdampf oder Thermoöl ist.

Zeichnung