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Die Erfindung betrifft eine Leistungserzeugungseinrichtung zur Erzeugung elektrischer Leistung sowie ein Stromnetz mit einer solchen Leistungserzeugungseinrichtung.
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Im Zuge der stetigen Erhöhung der Energieeffizienz von Leistungserzeugern, insbesondere von Brennkraftmaschinen, finden Kreisprozesseinrichtungen zur Durchführung von thermodynamischen Kreisprozessen immer stärker verbreitete Anwendung, wobei die Kreisprozesseinrichtungen typischerweise eingesetzt werden, um Abwärme eines Leistungserzeugers, beispielsweise aus einer Verbrennung in einer Brennkraftmaschine, aufzunehmen und in mechanische Arbeit und/oder elektrische Leistung zu wandeln. Solche Kreisprozesseinrichtungen, die insbesondere eingerichtet sein können um einen sogenannten ORC-Kreisprozess durchzuführen (Organic Rankine Cycle), finden beispielsweise Anwendung zur Abwärmenutzung bei stationär eingesetzten Brennkraftmaschinen zur Stromerzeugung, beispielsweise in lokalen Gaskraftwerken, die Gasmotoren zum Antrieb von Generatoren aufweisen, oder an Bord von Schiffen zur Nutzung der Abwärme von Brennkraftmaschinen, die zum Antrieb der Schiffe oder zur Bordstromversorgung vorgesehen sind. Dabei können die Kreisprozesseinrichtungen ihrerseits der Bordstromversorgung dienen oder die Bordstromversorgung unterstützen. Solche Kreisprozesseinrichtungen weisen eine durch ein Kreisprozessmedium der Kreisprozesseinrichtung antreibbare Kraftmaschine mit einer Abtriebswelle auf, sowie eine elektrische Maschine, die typischerweise einen Stator und einen Läufer aufweist. Mit dem Läufer ist eine Läuferwelle wirkverbunden, über welche der Läufer drehantreibbar ist, wobei die elektrische Maschine an ein Stromnetz angeschlossen ist. Die Abtriebswelle und die Läuferwelle sind miteinander wirkverbunden, sodass die Läuferwelle durch die Abtriebswelle antreibbar ist. Bei bekannten Leistungserzeugungseinrichtungen sind die Abtriebswelle und die Läuferwelle starr miteinander gekoppelt, und zwischen der elektrischen Maschine und dem Stromnetz ist elektrisch ein Frequenzumrichter geschaltet, welcher eine Drehzahlvariabilität für die elektrische Maschine und damit auch für die Kraftmaschine bei konstanter Netzfrequenz des Stromnetzes gewährleistet. Betrachtet man insbesondere ein System, bei welchem die Kreisprozesseinrichtung Abwärme einer Brennkraftmaschine nutzt, welche ihrerseits zur Generierung elektrischer Leistung eingesetzt wird, ist die elektrische Leistung, die über die Kreisprozesseinrichtung generierbar ist, verglichen mit der elektrischen Leistung, welche über die Brennkraftmaschine generierbar ist, gering und damit spezifisch teuer. Dabei kann insbesondere der Frequenzumrichter als teures und damit für einen wesentlichen Teil der Kosten verantwortliches Bauteil identifiziert werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Leistungserzeugungseinrichtung zur Erzeugung elektrischer Leistung sowie ein Stromnetz mit einer solchen Leistungserzeugungseinrichtung zu schaffen, wobei die genannten Nachteile nicht auftreten.
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Die Aufgabe wird gelöst, indem die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche geschaffen werden. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die Aufgabe wird insbesondere gelöst, indem eine Leistungserzeugungseinrichtung, eingerichtet zur Erzeugung elektrischer Leistung mit einer Kreisprozesseinrichtung, eingerichet zur Durchführung eines thermodynamischen Kreisprozesses geschaffen wird, wobei die Kreisprozesseinrichtung eine Kraftmaschine mit einer Abtriebswelle aufweist. Die Leistungserzeugungseinrichtung weist außerdem eine erste elektrische Maschine auf, die bevorzugt einen Stator und einen Läufer sowie eine insbesondere mit dem Läufer zu dessen Drehantrieb wirkverbundene Läuferwelle aufweist, wobei die erste elektrische Maschine an ein Stromnetz anschließbar ist, und wobei die Abtriebswelle und die Läuferwelle miteinander wirkverbunden sind, sodass die Läuferwelle durch die Abtriebswelle antreibbar ist. Dabei ist vorgesehen, dass die Abtriebswelle und die Läuferwelle über eine Freilaufeinrichtung miteinander wirkverbunden sind. Die Freilaufeinrichtung ist eingerichtet, um a) die Abtriebswelle und die Läuferwelle in einem ersten Betriebszustand, wenn eine Drehzahl der Abtriebswelle - bei gleichem Drehsinn der Abtriebswelle und der Läuferwelle - größer ist als eine Netzdrehzahl der Läuferwelle, miteinander zu koppeln, sodass ein Drehmoment von der Abtriebswelle auf die Läuferwelle übertragbar ist; und die Freilaufeinrichtung ist weiter eingerichtet, um b) die Abtriebswelle und die Läuferwelle in einem zweiten Betriebszustand, wenn die Drehzahl der Abtriebswelle - bei gleichem Drehsinn der Abtriebswelle und der Läuferwelle - kleiner ist als die Netzdrehzahl der Läuferwelle, voneinander zu entkoppeln, sodass kein Drehmoment zwischen der Abtriebswelle und der Läuferwelle übertragbar ist.
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Die Leistungserzeugungseinrichtung weist Vorteile im Vergleich zum Stand der Technik auf. Zur Einspeisung der durch die erste elektrische Maschine erzeugten elektrischen Leistung in das Stromnetz bedarf es einer Drehzahl der Läuferwelle, die - innerhalb bestimmter Toleranzen - größer ist als die Netzdrehzahl, die sich rechnerisch aus der Netzfrequenz des Stromnetzes einerseits und der Polzahl der ersten elektrischen Maschine andererseits ergibt. In dem thermodynamischen Kreisprozess variieren allerdings Leistungsparameter, insbesondere Dampfparameter, in Abhängigkeit von der zur Verfügung stehenden Abwärme, insbesondere abhängig von einem Motorkennfeldbetrieb einer Brennkraftmaschine, deren Abwärme genutzt wird, wodurch eine drehzahlkonstante Regelung der Kraftmaschine und damit auch der ersten elektrischen Maschine primärseitig schwer realisierbar ist. Mittels der Freilaufeinrichtung ergibt sich nun eine drehmomentübertragende Kopplung zwischen der Abtriebswelle einerseits und der Läuferwelle andererseits nur dann, wenn deren Drehzahlverhältnisse so ausgestaltet sind, dass Leistung in das Stromnetz eingespeist werden kann. Insbesondere wird ein Drehmoment nur bei positiver Drehzahldifferenz zwischen der Abtriebswelle und der Netzdrehzahl übertragen, was bedeutet, dass die Abtriebswelle eine Drehzahl aufweist, die größer ist als die Netzdrehzahl. Fällt dagegen die Drehzahl der Abtriebswelle unter die Netzdrehzahl, wird die Abtriebswelle mechanisch über die Freilaufeinrichtung von der Läuferwelle entkoppelt, wodurch eine Rückspeisung von Leistung, das heißt eine Leistungsentnahme aus dem Stromnetz im motorischen Betrieb der ersten elektrischen Maschine - und somit ein Antrieb der Kraftmaschine über die elektrische Maschine - vermieden wird. Dadurch kann insbesondere eine Schleppbelastung bei Reduktion der Leistung des thermodynamischen Kreisprozesses vermieden werden, und es wird eine rückwirkungsfreie Einspeisung der Leistung des thermodynamischen Kreisprozesses in das Stromnetz durch Vermeidung des motorischen Betriebs der elektrischen Maschine, beispielsweise wenn die Leistung in dem thermodynamischen Kreisprozess abfällt oder ausfällt, vermieden.
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Die flexible Kopplung der Abtriebswelle mit der Läuferwelle über die Freilaufeinrichtung ermöglicht es, auf einen Frequenzumrichter vollständig zu verzichten. Dadurch kann ein wesentlich die Kosten der elektrischen Leistung aus dem thermodynamischen Kreisprozess bestimmendes Bauteil eingespart werden, sodass diese typischerweise spezifisch hohen Kosten drastisch gesenkt werden können. Damit steigt in relevanter Weise die wirtschaftliche Attraktivität der Verwendung eines solchen thermodynamischen Kreisprozesses zur Abwärmenutzung.
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Die erste elektrische Maschine ist insbesondere eingerichtet, um an ein Stromnetz angeschlossen zu werden. Sie weist also zumindest einen elektrischen Anschluss zum Anschließen an ein Stromnetz auf. Vorzugsweise weist die erste elektrische Maschine einen Drehstromanschluss, mithin einen dreiphasigen Anschluss, zum Verbinden mit dem Stromnetz auf.
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Besonders bevorzugt ist der ersten elektrischen Maschine - insbesondere zumindest außerhalb eines Fehlerfalls - dauerhaft an das Stromnetz angeschlossen. In diesem Fall laufen die Läuferwelle und bevorzugt der Läufer mit der Netzdrehzahl mit, solange keine Leistung von dem thermodynamischen Kreisprozess über die Abtriebswelle in das Stromnetz eingespeist wird. Insbesondere wenn die Leistung in dem thermodynamischen Kreisprozess ab- oder ausfällt, werden der Läufer und die Läuferwelle mit der Netzdrehzahl durch das Stromnetz weiter gedreht, was aber kaum Verlustleistung mit sich bringt, weil der Läufer und die Läuferwelle ein vernachlässigbares Trägheitsmoment aufweisen und - insbesondere durch die mechanische Entkopplung von der Abtriebswelle mittels der Freilaufeinrichtung - kein oder nur ein äußerst geringfügiges Bremsmoment, beispielsweise in Lagerstellen, erfahren.
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Die Freilaufeinrichtung ist insbesondere als mechanischer Freilauf ausgebildet, beispielsweise als Rollenfreilauf oder dergleichen. Solche Ausgestaltungen einer Freilaufeinrichtung sind für sich genommen bekannt, sodass hierauf nicht weiter im Detail eingegangen wird.
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Unter einer Kreisprozesseinrichtung wird insbesondere eine Einrichtung verstanden, die geeignet und eingerichtet ist zur Durchführung eines thermodynamischen Kreisprozesses. Eine solche Kreisprozesseinrichtung weist insbesondere eine Fördereinrichtung, vorzugsweise eine Pumpe, zur Förderung eines Kreisprozessmediums entlang eines Strömungspfads für das Kreisprozessmedium der Kreisprozesseinrichtung auf. Dabei sind entlang des Strömungspfads in Strömungsrichtung des Kreisprozessmediums gesehen - vorzugsweise in dieser Reihenfolge - die Fördereinrichtung, ein Verdampfer, die Kraftmaschine und ein Kondensator vorgesehen, wobei das Kreisprozessmedium in dem Verdampfer Wärme, beispielsweise Abwärme einer Brennkraftmaschine, aufnimmt, wobei zumindest ein Teil der aufgenommenen Wärme durch das Kreisprozessmedium in der Kraftmaschine abgegeben und in mechanische Arbeit gewandelt wird, wobei vorzugsweise ein verbleibender Teil der in dem Verdampfer aufgenommenen Wärme des Kreisprozessmediums stromabwärts der Kraftmaschine in dem Kondensator wieder an eine äußere Umgebung des Kreisprozesses abgegeben wird. Das Kreisprozessmedium wird dann zurück zum Verdampfer gefördert, wo der Kreisprozess von neuem beginnt.
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Unter einer Kraftmaschine wird insbesondere eine Einrichtung verstanden, welche eingerichtet ist, um Energie des Kreisprozessmediums, insbesondere thermische Energie, Druckenergie und/oder Strömungsenergie des Kreisprozessmediums, in mechanische Energie zu wandeln, wobei die mechanische Energie an der Abtriebswelle abgreifbar ist. Die Kraftmaschine ist insbesondere durch das Kreisprozessmedium antreibbar. Vorzugsweise ist die Kraftmaschine als Strömungsmaschine oder als Verdrängermaschine ausgebildet.
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Unter einer elektrischen Maschine wird insbesondere eine Einrichtung verstanden, die eingerichtet ist, um mechanische Energie, insbesondere Rotationsenergie, in elektrische Energie zu wandeln, sodass die elektrische Maschine letztlich eingerichtet ist, um elektrische Leistung zu erzeugen, wenn ihr mechanische Leistung zugeführt wird. Die elektrische Maschine ist also insbesondere als Generator ausgebildet. Grundsätzlich kann eine solche elektrische Maschine stets auch als Motor betrieben werden, wenn sich ein Leistungsfluss umkehrt, wobei dann elektrische Leistung in mechanische Leistung gewandelt wird.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Kreisprozesseinrichtung eingerichtet ist zur Durchführung eines thermodynamischen Kreisprozesses an einem organischen Kreisprozessmedium. Hierdurch ist es möglich, ein Kreisprozessmedium zu wählen, welches bereits bei einem vergleichsweise - insbesondere im Vergleich mit Wasser - geringeren Temperaturniveau eine für einen effizienten Betrieb des Kreisprozesses geeignete Wärmemenge aufnehmen kann, wobei das Kreisprozessmedium insbesondere einen im Vergleich zu Wasser niedrigeren Siedepunkt aufweisen kann. Es ist also insbesondere möglich, ein solches organisches Kreisprozessmedium bei einem vergleichsweise niedrigen Temperaturniveau zu verdampfen. Hierdurch ist ein solches organisches Kreisprozessmedium besonders geeignet, um Abwärme - insbesondere von Brennkraftmaschinen - zu nutzen. Besonders bevorzugt ist die Kreisprozesseinrichtung eingerichtet zur Durchführung eines organischen Rankine-Kreisprozesses (ORC - Organic Rankine Cycle). Ein solcher Kreisprozess ist in besonderer Weise geeignet, um Abwärme, insbesondere von Brennkraftmaschinen, zu nutzen.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die elektrische Maschine als Asynchronmaschine ausgebildet ist. Im Vergleich zu einer Synchronmaschine ergibt sich dadurch ein flexiblerer Differenzdrehzahlbereich zwischen der Drehzahl der Läuferwelle und der Netzdrehzahl, wobei die Differenzdrehzahl, welche auch als Schlupf bezeichnet wird, insbesondere abhängig ist von der in das Stromnetz eingespeisten Leistung. Die elektrische Maschine ist vorzugsweise - bis auf gegebenenfalls einen Fehlerfall und/oder ein vollständiges Herunterfahren, also eine Abschaltung - dauerhaft mit dem Stromnetz verbunden. Es ergibt sich dann insbesondere folgende Funktionsweise:
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Bei einem initialen Verbinden der ersten elektrischen Maschine mit dem Stromnetz wird diese durch das Stromnetz motorisch hochgefahren bis zur Netzdrehzahl. Im Vergleich zum motorischen Hochlaufen der Läuferwelle entwickeln sich die Dampfparameter in dem thermodynamischen Kreisprozess beim initialen Einschalten eher langsam, sodass insbesondere auch die Drehzahl der Abtriebswelle langsamer hochläuft. Beim Starten des thermodynamischen Kreisprozesses sind also die Läuferwelle und die Abtriebswelle über die Freilaufeinrichtung zunächst voneinander entkoppelt. Erreicht die Drehzahl der Abtriebswelle die Netzdrehzahl und übersteigt diese, erhöht sich ab diesem Punkt durch Drehmomentsteigerung die Leistungseinspeisung aus dem thermodynamischen Kreisprozess in das Stromnetz, insbesondere bis zum Erreichen einer Maximalleistung des thermodynamischen Kreisprozesses. Die hier vorgeschlagene konstruktive Anordnung erlaubt eine automatische Einregelung der Einspeiseleistung des thermodynamischen Kreisprozesses und ermöglicht die Umsetzung der Einspeisung ohne Frequenzumrichter.
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Insbesondere ist auch ein automatisierter Hochlauf des thermodynamischen Kreisprozesses bei Dampfaufschaltung bis leicht oberhalb der Netzdrehzahl möglich, ohne dass es hierzu einer gesonderten Startprozedur für den thermodynamischen Kreisprozess bedarf. Über die Freilaufeinrichtung wird eine mechanische Entkopplung des Kraftschlusses vom Stromnetz in Richtung der thermodynamischen Kreisprozesseinrichtung erzielt.
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Die Freilaufeinrichtung kann unabhängig von der Nennleistung der ersten elektrischen Maschine ausgelegt werden, sodass nicht für jede Nennleistung eine gesonderte Auslegung erforderlich ist. Insbesondere kann die Freilaufeinrichtung auf eine leistungsstärkste Kreisprozesseinrichtung einer Serie oder Baureihe abgestimmt werden, wobei sie dann nicht mehr auf eine konkrete Leistung abgestimmt werden muss. Die Freilaufeinrichtung ist dann zwar für mit kleinerer Nennleistung ausgelegte Systeme überdimensioniert, was aber aufgrund der rein mechanischen Ausgestaltung nur geringe Mehrkosten verursacht. Dagegen muss ein Frequenzumrichter teuer und aufwändig auf eine spezifisch verwendete elektrische Maschine parametriert werden.
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Dadurch, dass dann, wenn die Drehzahl der Abtriebswelle kleiner ist als die Netzdrehzahl der Läuferwelle, keine Leistung mehr aus dem thermodynamischen Kreisprozess in das Stromnetz eingespeist werden kann, ergibt sich, dass - im Vergleich zur Verwendung eines Frequenzumrichters - in bestimmten Lastpunkten des thermodynamischen Kreisprozesses keine Leistung mehr eingespeist werden kann, die insofern verloren ist. Solche Lastpunkte treten aber generell höchst selten und insbesondere nur beim Hochfahren des thermodynamischen Kreisprozesses auf, insbesondere wenn der thermodynamische Kreisprozess in Zusammenhang mit einer Abwärmequelle verwendet wird, die im Wesentlichen stationär, das heißt bei einem stationären Lastpunkt, und höchstens selten in einem transienten Betrieb gefahren wird. Die insoweit verlorengehende Leistung wird daher bei weitem aufgewogen durch die Kostenersparnisse, welche sich durch den Verzicht auf den Frequenzumrichter ergeben.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Kraftmaschine ausgewählt ist aus einer Gruppe bestehend aus einer Turbine, einem Scroll-Expander, einem Roots-Expander, einer Hubkolbenmaschine, und einer Flügelzellenmaschine. Die hier genannten Ausgestaltungen einer Kraftmaschine sind in besonderer Weise geeignet, in einem Kreisprozess, insbesondere einem organischen Rankine-Kreisprozess, als Kraftmaschine verwendet zu werden.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Leistungserzeugungseinrichtung eine Brennkraftmaschine aufweist, die thermisch mit der Kreisprozesseinrichtung verbunden ist, sodass Abwärme der Brennkraftmaschine der Kreisprozesseinrichtung zur Durchführung des Kreisprozesses zuführbar ist. Somit kann die gesamte Effizienz, insbesondere der Gesamtwirkungsgrad der Brennkraftmaschine und der mit dieser verbundenen Einrichtung gesteigert werden, weil die Abwärme nicht verloren ist, sondern zumindest teilweise in dem Kreisprozess genutzt werden kann. Vorzugsweise ist die Brennkraftmaschine thermisch mit dem Verdampfer der Kreisprozesseinrichtung verbunden. Dabei kann der Verdampfer mittelbar oder unmittelbar durch Abgas der Brennkraftmaschine beheizt werden, wobei insbesondere Abwärme aus dem Abgas der Brennkraftmaschine zum Betreiben des Kreisprozesses genutzt werden kann. Alternativ oder zusätzlich kann dem Kreisprozess Abwärme aus einem Kühlmittel der Brennkraftmaschine, insbesondere Kühlwasser, zugeführt werden, wobei vorzugsweise das Kühlwasser direkt oder indirekt thermisch mit dem Verdampfer des Kreisprozesses verbunden ist. Insbesondere ist es möglich, dass der Verdampfer direkt durch Abgas und/oder Kühlmittel der Brennkraftmaschine durchsetzt wird.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Leistungserzeugungseinrichtung eine zweite elektrische Maschine aufweist, die mit der Brennkraftmaschine antriebswirkverbunden ist. Die Brennkraftmaschine dient in diesem Fall ebenfalls der Erzeugung elektrischer Leistung, indem sie die zweite elektrische Maschine antreibt. Vorzugsweise ist die zweite elektrische Maschine mit demselben Stromnetz verbindbar, insbesondere verbunden, wie die erste elektrische Maschine. Dabei ist dem Stromnetz insbesondere ein Hauptteil der elektrischen Leistung durch die zweite elektrische Maschine, angetrieben von der Brennkraftmaschine, zuführbar, wobei ein kleinerer Teil der elektrischen Leistung aus der Abwärmenutzung über den thermodynamischen Kreisprozess und die zweite elektrische Maschine fließt.
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Es ist möglich, dass die Brennkraftmaschine und die zweite elektrische Maschine als sogenanntes Genset ausgebildet sind, wobei sie insbesondere zur lokalen, vorzugsweise stationären Stromerzeugung dienen. Es ist aber auch möglich, dass die Brennkraftmaschine und die zweite elektrische Maschine der Bereitstellung elektrischer Leistung an Bord eines Schiffes dienen, beispielsweise zum Antrieb des Schiffes und/oder zur Erzeugung elektrischer Leistung für ein Bordstromnetz.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Leistungserzeugungseinrichtung einen Leistungsschalter aufweist, über den die erste elektrische Maschine mit dem Stromnetz verbindbar ist. Der Leistungsschalter ist vorzugsweise - bis auf gegebenenfalls einen Fehlerfall oder eine Abschaltung der Leistungserzeugungseinrichtung - geschlossen, sodass die erste elektrische Maschine dauerhaft mit dem Stromnetz verbunden ist. Bei einem Starten der Leistungserzeugungseinrichtung wird bevorzugt der Leistungsschalter geschlossen, bevor der thermodynamische Kreisprozess seine Nennleistung erreicht, insbesondere bevor der thermodynamische Kreisprozess angeschaltet wird, sodass gewährleistet ist, dass die Läuferwelle die Netzdrehzahl erreicht, bevor die Abtriebswelle die Netzdrehzahl erreicht oder überschreitet.
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Vorzugsweise ist ein weiterer Leistungsschalter vorgesehen, über welchen die zweite elektrische Maschine mit dem Stromnetz verbindbar ist. Eine elektrische Verbindung zwischen der ersten elektrischen Maschine und der zweiten elektrischen Maschine ist vorzugsweise auf einer Seite der zweiten elektrischen Maschine vor dem weiteren Leistungsschalter vorgesehen, sodass die erste elektrische Maschine und die zweite elektrische Maschine - insbesondere über den ersten Leistungsschalter - miteinander verbunden werden können, auch wenn beide elektrische Maschinen über den zweiten Leistungsschalter vom Stromnetz getrennt sind. Diese Konfiguration ermöglicht es auch, dass die erste elektrische Maschine von dem Stromnetz getrennt wird, ohne dass zugleich die zweite elektrische Maschine vom Stromnetz getrennt werden muss. Vielmehr kann die zweite elektrische Maschine mit dem weiteren Leistungsschalter mit dem Stromnetz verbunden bleiben, auch wenn die erste elektrische Maschine über den Leistungsschalter von dem Stromnetz getrennt wird.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die elektrische Verbindung der ersten elektrischen Maschine mit dem Stromnetz frei ist von einem Frequenzumrichter. Dies bedeutet insbesondere, dass in der elektrischen Verbindung der ersten elektrischen Maschine mit dem Stromnetz kein Frequenzumrichter vorgesehen ist. Auf einen Frequenzumrichter wird also bevorzugt vollständig verzichtet. Wie bereits zuvor erläutert, führt dies zu einer wesentlichen Verringerung der spezifischen Kosten der durch den thermodynamischen Kreisprozess bereitgestellten elektrischen Leistung.
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Die Aufgabe wird schließlich auch gelöst, indem ein Stromnetz geschaffen wird, welches wenigstens eine Leistungserzeugungseinrichtung nach einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele aufweist. Dabei ist die erste elektrische Maschine mit dem Stromnetz elektrisch verbunden. In Zusammenhang mit dem Stromnetz verwirklichen sich insbesondere die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit der Leistungserzeugungseinrichtung erläutert wurden.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Stromnetz als Inselnetz, insbesondere als Bordnetz eines Fahrzeugs, insbesondere eines Schifffahrzeugs, ausgebildet ist. Die Brennkraftmaschine ist dabei bevorzugt eingerichtet zum Antrieb des Fahrzeugs, insbesondere des Schifffahrzeugs, und/oder zur Erzeugung von elektrischer Leistung für ein Bordnetz des Fahrzeugs, insbesondere des Schifffahrzeugs. Alternativ ist es möglich, dass das Stromnetz als regionales Stromnetz oder als überregionales Stromnetz ausgebildet ist. Die Brennkraftmaschine und die mit ihr wirkverbundene zweite elektrische Maschine können insbesondere als stationäres Genset, insbesondere in einem Gaskraftwerk, ausgebildet sein. Dabei ist die Brennkraftmaschine bevorzugt als Gasmotor ausgebildet.
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Die Brennkraftmaschine ist vorzugsweise als Hubkolbenmotor ausgebildet. Es ist möglich, dass die Brennkraftmaschine zum Antrieb eines Personenkraftwagens, eines Lastkraftwagens oder eines Nutzfahrzeugs eingerichtet ist. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel dient die Brennkraftmaschine dem Antrieb insbesondere schwerer Land- oder Wasserfahrzeuge, beispielsweise von Minenfahrzeugen, Zügen, wobei die Brennkraftmaschine in einer Lokomotive oder einem Triebwagen eingesetzt wird, oder von Schiffen. Auch ein Einsatz der Brennkraftmaschine zum Antrieb eines der Verteidigung dienenden Fahrzeugs, beispielsweise eines Panzers, ist möglich. Ein Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine wird vorzugsweise auch stationär, beispielsweise zur stationären Energieversorgung im Notstrombetrieb, Dauerlastbetrieb oder Spitzenlastbetrieb eingesetzt, wobei die Brennkraftmaschine in diesem Fall vorzugsweise einen Generator antreibt. Auch eine stationäre Anwendung der Brennkraftmaschine zum Antrieb von Hilfsaggregaten, beispielsweise von Feuerlöschpumpen auf Bohrinseln, ist möglich. Weiterhin ist eine Anwendung der Brennkraftmaschine im Bereich der Förderung fossiler Roh- und insbesondere Brennstoffe, beispielswiese Öl und/oder Gas, möglich. Auch eine Verwendung der Brennkraftmaschine im industriellen Bereich oder im Konstruktionsbereich, beispielsweise in einer Konstruktions- oder Baumaschine, zum Beispiel in einem Kran oder einem Bagger, ist möglich. Die Brennkraftmaschine ist vorzugsweise als Dieselmotor, als Benzinmotor, als Gasmotor zum Betrieb mit Erdgas, Biogas, Sondergas oder einem anderen geeigneten Gas, ausgebildet. Insbesondere wenn die Brennkraftmaschine als Gasmotor ausgebildet ist, ist sie für den Einsatz in einem Blockheizkraftwerk zur stationären Energieerzeugung geeignet.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt die einzige Figur eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Stromnetzes mit einem Ausführungsbeispiel einer Leistungserzeugungseinrichtung zur Erzeugung elektrischer Leistung.
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Die einzige Fig. zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Stromnetzes 1, welches mit wenigstens einer Leistungserzeugungseinrichtung 3 zur Erzeugung elektrischer Leistung elektrisch verbindbar ist. Die Leistungserzeugungseinrichtung 3 weist dabei eine hier nur schematisch angedeutete Kreisprozesseinrichtung 5 auf, die eingerichtet ist zur Durchführung eines thermodynamischen Kreisprozesses, insbesondere an einem organischen Kreisprozessmedium, besonders bevorzugt eines Organischen Rankine-Kreisprozesses. Die Kreisprozesseinrichtung 5 weist eine Kraftmaschine 7 auf, die ihrerseits eine Abtriebswelle 9 aufweist. Weiterhin weist die Leistungserzeugungseinrichtung 3 eine erste elektrische Maschine 11 auf, die einen hier nicht explizit dargestellten Stator sowie einen ebenfalls nicht explizit dargestellten Läufer und eine mit dem Läufer zu dessen Drehantrieb wirkverbundene Läuferwelle 13 aufweist, wobei die erste elektrische Maschine 11 an das Stromnetz 1 anschließbar, vorzugsweise an das Stromnetz 1 angeschlossen ist. Dabei sind die Abtriebswelle 9 und die Läuferwelle 13 miteinander wirkverbunden, sodass die Läuferwelle 13 durch die Abtriebswelle 9 antreibbar ist. Die Abtriebswelle 9 und die Läuferwelle 13 sind über eine Freilaufeinrichtung 15, die insbesondere als mechanischer Freilauf ausgebildet ist, miteinander wirkverbunden. Die Freilaufeinrichtung 15 ist dabei eingerichtet, um in einem ersten Betriebszustand, in welchem eine Drehzahl der Abtriebswelle 9 bei gleichem Drehsinn der Abtriebswelle 9 und der Läuferwelle 13 größer ist als eine Netzdrehzahl der Läuferwelle 13, die Abtriebswelle 9 und die Läuferwelle 13 miteinander zu koppeln, sodass ein Drehmoment von der Abtriebswelle 9 auf die Läuferwelle 13 übertragbar ist. Die Freilaufeinrichtung 15 ist weiter eingerichtet, um die Abtriebswelle 9 und die Läuferwelle 13 in einem zweiten Betriebszustand voneinander zu entkoppeln, sodass kein Drehmoment zwischen der Abtriebswelle 9 und der Läuferwelle 13 übertragbar ist, wobei der zweite Betriebszustand vorliegt, wenn die Drehzahl der Abtriebswelle 3 kleiner ist als die Netzdrehzahl der Läuferwelle 13. Durch die differenzdrehzahlabhängige, mechanische Kopplung der Abtriebswelle 9 mit der Läuferwelle 13 kann in vorteilhafter Weise auf einen Frequenzumrichter in der elektrischen Verbindung zwischen der ersten elektrischen Maschine 11 und dem Stromnetz 1 vollständig verzichtet werden, was die mit der Erzeugung der elektrischen Leistung über den thermodynamischen Kreisprozess verbunden Kosten drastisch senkt.
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Die erste elektrische Maschine 11 ist bevorzugt als Asynchronmaschine ausgebildet. Die Kraftmaschine 7 ist vorzugsweise als Turbine, als Scroll-Expander, als Roots-Expander, als Hubkolbenmaschine, oder als Flügelzellenmaschine ausgebildet.
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Die Leistungserzeugungseinrichtung 3 weist außerdem eine Brennkraftmaschine 17 auf, die thermisch mit der Kreisprozesseinrichtung 5 verbunden ist, was hier schematisch durch einen Pfeil P dargestellt ist. Die thermische Verbindung zwischen der Brennkraftmaschine 17 einerseits und der Kreisprozesseinrichtung 5 andererseits ist so ausgestaltet, dass Abwärme der Brennkraftmaschine 17 in der Kreisprozesseinrichtung 5 zur Durchführung des thermodynamischen Kreisprozesses genutzt werden kann, wobei die Abwärme der Brennkraftmaschine 17 zu diesem Zweck der Kreisprozesseinrichtung 5 zuführbar ist. Dabei kann insbesondere Abwärme aus dem Abgas der Brennkraftmaschine 17 oder aus einem Kühlmittel der Brennkraftmaschine 17 genutzt werden. Auch eine Kombination dieser Ausgestaltungen ist möglich.
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Die Leistungserzeugungseinrichtung 3 weist außerdem eine zweite elektrische Maschine 19 auf, die mit der Brennkraftmaschine 17 antriebswirkverbunden ist. Dabei ist hier die zweite elektrische Maschine 19 mit demselben Stromnetz 1 verbindbar wie die erste elektrische Maschine 11.
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Die Kombination der Brennkraftmaschine 17 und der zweiten elektrischen Maschine 19 ist vorzugsweise als sogenanntes Genset ausgebildet.
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Die Leistungserzeugungseinrichtung 3 weist außerdem einen ersten Leistungsschalter 21 auf, über den die erste elektrische Maschine 11 mit dem Stromnetz 1 verbindbar ist. Es ist ein zweiter Leistungsschalter 23 vorgesehen, über den die zweite elektrische Maschine 19 mit dem Stromnetz 1 verbindbar ist. Dabei ist hier ein elektrischer Anschluss 25 zwischen der ersten elektrischen Maschine 11 und der zweiten elektrischen Maschine 19 auf der Seite der zweiten elektrischen Maschine 19 des zweiten Leistungsschalters 23 vorgesehen, sodass die erste elektrische Maschine 11 und die zweite elektrische Maschine 19 gemeinsam von dem Stromnetz 1 über den zweiten Leistungsschalter 23 entkoppelt, aber miteinander elektrisch über den ersten Leistungsschalter 21 verbunden bleiben können. Diese Verschaltung gewährleistet es auch, dass die erste elektrische Maschine 11 durch Öffnen des ersten Leistungsschalters 21 von dem Stromnetz 1 getrennt werden kann, wobei zugleich die zweite elektrische Maschine 19 über den dann geschlossenen zweiten Leistungsschalter 23 mit dem Stromnetz 1 verbunden bleiben kann.
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Die elektrische Verbindung zwischen der ersten elektrischen Maschine 11 und dem Stromnetz 1 ist frei von einem Frequenzumrichter. Es ist also kein Frequenzumrichter in dieser elektrischen Verbindung angeordnet. Eine Drehzahlentkopplung der Kraftmaschine 7 von der Netzdrehzahl erfolgt also ausschließlich über die mechanische Freilaufeinrichtung 15.
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In der Figur ist auch noch eine Steuereinrichtung 27 dargestellt, welche einer Netzregelung der Brennkraftmaschine 17 und der zweiten elektrischen Maschine 19 abhängig von Parametern des Stromnetzes 1 dient.
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Das Stromnetz 1 ist bevorzugt als Inselnetz, insbesondere als Bordnetz eines Fahrzeugs, besonders bevorzugt eines Schifffahrzeugs, als regionales Stromnetz oder als überregionales Stromnetz ausgebildet.
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Insgesamt zeigt sich, dass mit der hier dargestellten Ausgestaltung einer Leistungserzeugungseinrichtung 3 und des Stromnetzes 1 Kosten für aus einer Abwärmenutzung resultierende elektrische Leistung deutlich reduziert werden können.