Dezentrale Biomasse-Kraft-Wärme-Kopplungstechnologien für Biomasse - Stand und Entwicklung

Typische Anwendungsfälle

Bericht 22.9.04/ aktualisiert 8.4.05

- Zufeuerung von Biomasse in in bestehenden Kohlekraftwerken

Zur dezentralen Stromerzeugung aus Biomasse (Kraft-Wärme-Kopplung) gibt es z. Z. folgende marktreife Technologien:

A. Für feste Bioenergieträger:

Dampfturbinenprozess

Verfahren: Dampfturbine

Leistungsbereich elektrisch: 0,5 bis > 20 MWel

Elektrischer Wirkungsgrad: 12 - 20%

Dampfkolbenmotorprozess

Verfahren: Dampfkolbenmotor

Leistungsbereich elektrisch: 0,2 bis 1,5 MWel

Elektrischer Wirkungsgrad: 10 - 20%

Kurz vor der Markteinführung stehen u. a. folgende innovative Technologien

Dampfschraubenmotorprozess

Verfahren: Dampfschraubenmotor

Leistungsbereich elektrisch: 0,1 bis 2,5 MWel

Elektrischer Wirkungsgrad: 10 - 20%

Stirlingmotorprozess

Verfahren: Stirlingmotor

Leistungsbereich elektrisch: 0,01 bis 0,15 MWel

Elektrischer Wirkungsgrad: 8 - 22%

B. Für flüssige/ gasförmige Bioenergieträger:

Elektrischer Wirkungsgrad: 30 - 43%

Gasturbine

Leistungsbereich elektrisch: 0,02 bis 1 MWel

Brennstoffzelle

Als neue, aber noch nicht marktreife Technologie u. a. für die Nutzung der Kraft-Wärme-Kopplung, wird die Brennstoffzelle angesehen.

ORC-Prozess (Organic Rankine Cycles)

Beim ORC-Prozess wird anstelle von Wasser ein organisches Arbeitsfluid (Silikonöl, nicht toxisch, kein Treibhausgas) in einem geschlossenen Kreislauf eingesetzt.

Dieser Prozess ermöglicht, aus Wärmeenergie auf niedrigen Temperaturniveau elektrische Energie zu erzeugen.

Das Verfahren kommt vor allem dann zum Einsatz, wenn das zur Verfügung stehende Temperaturgefälle zwischen Wärmequelle und -senke zu niedrig für den Betrieb einer von Wasserdampf angetriebenen Turbine ist.

Dies ist vor allem bei der Stromerzeugung mit Hilfe der Geothermie, der Kraft-Wärme-Kopplung sowie bei Solarkraftwerken und Meereswärmekraftwerken der Fall.

Die Turbinen werden beispielsweise mit R134a betrieben, das mit 100 °C warmem Tiefenwasser aufgeheizt wird und seine überschüssige Wärme an einen 18 °C kalten Kondensator abgeben kann.

ORC-Kreislauf (Beispiel KWK mit Biomasse)

- Biomasse wird in einem Biomassekessel verbrannt,

(Hackgut, Holzspäne, Energiegetreide, Getreideabfälle, Staub etc.)

- das Rauchgas durchströmt einen Thermoölkessel

- Über Thermoölkreislauf wird dem Verdampfer Wärme zugeführt

- Silikonöl verdampft, Dampf treibt Turbine an

- Turbine ist mit Generator gekoppelt, Generator erzeugt Strom

- entspannter Dampf gelangt über Rekuperator in einen Kondensator

- abgeführte Wärme wird für Heißwassererzeugung oder

   Prozesswärme genutzt

- Kondensat wird über Pumpe wieder auf Betriebsdruck gebracht und

  über den Rekuperator in den Verdampfer geleitet.

- Wirtschaftlich durch staatliche Förderung

BHKW mit Holzvergaser

Biomassepyrolyse und -vergasung

Die Biomassepyrolyse und auch -vergasung befindet sich noch überwiegend im Entwicklungsstadium.

Neben der Vergasung von Holz ist auch die Vergasung von Stroh möglich.

Probleme bei Pyrolyse und Vergasung bereitet derzeit noch der relativ hohe Teergehalt.

Für die Vergasung sind drei Systeme möglich:

- Festbettvergasung

A) Gleichstromvefahren

Brennstoff und Luft in Richtung Ascheabzug und Gasaustritt

B) Gegenstromvefahren

Gasaustritt bei Brennstoffzufuhr und Lufteintritt bei Ascheabzug

C) Kombination aus Gleich- und Gegenstromvefahren

- Wirbelschichtvergasung

Brennstoff und Luft räumlich getrennt von Gasaustritt und Ascheabzug

- Flugstromvergasung

Brennstoff und Luft

BHKW mit Feststoffvergaser für biologisch schwer abbaubare Biomasse

Die anfallende Prozessabwärme kann für Wärme- oder Kühlungszwecke ausgekoppelt werden.

Dabei besteht auch die Möglichkeit, die Wärme z.B. mit Hilfe einer Absorptionskälteanlage in Kälte umzuwandeln.

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Biomasse-BHKW mit Dampf-Schraubenmotor

Prinzip Dampf-Schraubenmotor

Das Prinzip der Stromerzeugung mittels Schraubenmotor (Schraubenexpansionsmaschine) entspricht dem des konventionellen Ranking-Wasser-Dampf-Prozesses, mit dem Unterschied, dass der Dampf statt in einer Turbine in einem Schraubenmotor entspannt wird.

Der Schraubenmotor treibt einen Generator an, mit dem elektrischer Strom erzeugt wird.

Schraubenmotoren gehören zur Gruppe der mehrwelligen Verdrängermaschinen.

Diese besitzen einen geschlossenen Arbeitsraum, dessen Größe sich während eines Arbeitsspiels zyklisch verändert und stellen die Umkehrung zum Schraubenkompressor dar, der in vielen Industriezweigen seit Jahrzehnten verwendet wird.

Einsatz

Schraubenmotoren können mit Frischdampfzuständen von 10 bis 30 bar sinnvoll betrieben werden und sind ab einer Nennleistung von 100 kW_el bis ca. 2.500 kW_el einsetzbar.
 

Arbeitsprinzip

Die Arbeitsweise eines Schraubenmotors erinnert an die eines Zweitakt-Kolbenmotors, wenn man die oszillierende Bewegung des Hubkolbens durch eine rotierende ersetzt.

In einem Gehäuse rotieren zwei, im Eingriff stehende, schraubenförmig verwundene Rotoren.

Der V-förmige Arbeitsraum (Hubvolumen) wird von den beiden Schraubenrotoren (Hauptrotor und Nebenrotor) mit der eng anliegenden Gehäuseinnenseite gebildet (> Funktionsschema).

Der Wasserdampf gelangt durch die Gehäuseeinlassöffnung in das dahinter liegende Zahnlückenvolumen. Bei fortschreitender Rotordrehung wächst das Volumen der Profillücke.

Der Füllvorgang ist beendet, wenn dieser Raum bei weiterer Rotordrehung vom Einlassquerschnitt des Gehäuses vollständig getrennt wird.

Während der Expansionsphase vergrößert sich der Arbeitsraum kontinuierlich, wobei das Arbeitsfluid einen Teil seiner Energie auf den Rotor überträgt.

Ist das Arbeitsvolumen maximal, überfahren die Rotorzahnköpfe den Auslassquerschnitt im Gehäuse und der Expansionsvorgang mit dem Ausschieben, also mit dem Verdrängen des energieärmeren Arbeitsfluids, beginnt.

Je nach Anzahl der verwendeten Profillückenräume läuft das beschriebene Arbeitsspiel mehrmals pro Rotorumdrehung ab.

Brennstoffe für die Dampferzeugung

Bio-Brennstoffe:

Verbrennung von Holzpellets, Stückholz, Hackschnitzel, Biogas etc.

Fossile Brennstoffe:

Natürlich können auch klassisch  Heizöl, Erdgas, Kohle etc. genutzt werden.

Vorteile

Dampfschraubenmotoren sind sehr robust, sie können sowohl überhitzten Dampf als auch Sattdampf und Nassdampf abarbeiten (keine Tropfenschlagsgefahr), was den flexiblen Einsatz dieser Technologie unterstreicht.

> Beispiel Dampf-Schraubenmotor-Prozesses in einen Biomasse-Heizkraftwerk

Quelle: Bioenergiesysteme, Graz

Klein-BHKW mit biomassebefeuerten Stirlingmotor

Funktion und Technik

Mikro-BHKW für Holzpellets

Bei der Nutzung von Biomasse ist dem Erhitzer (Rohrbündel-WT) des Stirlingmotors eine adiabat ausgeführte Biomassefeuerung vorgeschaltet.

Die relativ hohe Restwärme der Rauchgase (> 700°C) kann zur Luftvorwärmung oder zur Nutzwärmeerzeugung verwendet werden.

Brennstoffe

Holzpellets (DINplus!),

theoretisch aber auch Stückholz, Hackschnitzel, Biogas etc. möglich

Leistung (Beispiel)

Elektrische Leistung ca. 1 bis 3 kWel (bei 220-240 V)

Thermische Leistung ca. 7,5 bis 14 kWth

Wirkungsgrad

Elektrischer Wirkungsgrad max. bis zu 25%

Gesamtwirkungsgrad ca. 85-90%

Vorteile

- geringe Anforderungen an Brennstoffqualität

- wartungsarm (theoretisch bis zu 8.000 h)

- schadstoffarm

- geräuscharm

Nachteile

- relativ hohe Investkosten

  (z. Z. geringe Stückzahlen, Gerät ca. 23.000 €, Gesamtsystem mit Puffer

  ca. 34.000 bis 35.000 €)

- hohe thermische Belastung des Erhitzers sowie Korrosionsgefahr

  durch aschebeladene Rauchgase (Alkalien, Cl-Verbindungen)

- vergleichsweise niedriger elektrischer Wirkungsgrad

  (ca. 25% bei 1000°C Rauchgastemperatur)

Bzgl. Ascheschmelzpunkt sind nur Rauchgastemperaturen < 1000°C erzielbar.

Durch sehr hohe erforderliche Rauchgastemperatur am Austritt des Erhitzers von >700°C, kann nur 20-30% der Rauchgaswärme an den Motor übertragen werden.

Derzeitige Probleme (Stand bis 2008)

Z. Z. sind als Biobrennstoff nur Holzpellets nach DINplus möglich

(ansonsten gibt es Probleme mit zu viel Asche im Verbrennungsraum)

Probleme bei ausgelieferten Anlagen gab es auch mit unterschiedlichen Anschlüssen an Abgasanlagen bzgl. wechselnder Druckverhältnisse.

Das Problem bei der der Auslegung und Skalierung des Stirlings sind letztlich seine nicht berechenbaren und sehr schwer kontrollierbaren Wärme- und Transportvorgänge im verkapselten Druckraum, die mathematisch und analytisch noch nicht beschrieben werden können.

Grundlagen zum Stirlingmotor s. a. hier.

Entwicklungsstand & Entwicklungsbedarf

Der mit Biomasse befeuerte Stirlingmotor befindet sich z. Z. noch im Demonstrationsstadium bzw. als Pilotanlage.

Derzeitige Problembereiche

- Abdichtung des unter Druck stehenden Schadraumes des

  Arbeitsgases

- Hohe thermische Belastung des Erhitzers

Erforderliche Lösungen bei Biomasse

- kostengünstige Rauchgassenstaubung

- Weiterentwicklung der adiabaten Brennkammern unter

  Berücksichtigung der hohen Rauchgastemperaturen und einer

  exergetisch sinnvollen Abwärmenutzung durch Luftvorwärmung

  zur Erhöhung des Wirkungsgrades.

BHKW mit Pflanzenöl

Mini-BHKW mit Pflanzenöl im Leistungsbereich von 4 bis 50 kWel

Hauptbestandteile sind ein modifizierter Industriedieselmotor und ein Generator.

Geeignet für Netzparallel- oder Inselbetrieb.

Kraftstoff

Für einen reibungslosen Betrieb ist in d. R. Pflanzenöl, im Speziellen Rapsöl, von hoher und gesicherter Qualität (E DIN 51605  oder mindestens Normen des RK-Qualitätsstandards 05/2000) erforderlich.

Die E DIN 51605 ersetzte im Oktober 2005 den bisherigen Weihenstephan RK-Qualitätsstandard 05/2000.

Lagerungsbedingungen für Pflanzenöl

Pflanzenöl bzw. Rapsöl als Kraftstoff kann nach Herstellerangaben und unabhängigen Untersuchungen zufolge bei guten Lagerungsbedingungen bis zu 12 Monaten gelagert werden.

Dabei sollten folgende Richtlinien eingehalten werden:

- Lagerung bei konstanten Temperaturen zwischen 5 und 10 °C

- Lagerung in lichtundurchlässigen Tanks oder dunkler Umgebung

- Lagerung in Tanks aus beschichtetem Stahl, Edelstahl oder

Kunststoff

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BHKW mit Mikrogasturbine

Mikroturbinen > Bild sind neu entwickelte Produkte, welche sich u. a. zum Einsatz in der dezentralen Stromversorgung und der Kraft-Wärme-Kopplung eignen und im Leistungsbereich unterhalb von 500 kW_el angesiedelt sind.

Funktion

Bei Heiz-Kraft-Werken (HKW) mit einer Mikrogasturbine ist ohne Zwischenschaltung eines Getriebes der Permanentmagnet des Generators direkt an die Turbine geflanscht, so dass der Generator mit der sehr hohen Drehzahl der Turbine läuft.

Der erzeugte hochfrequente Wechselstrom (max. 1600 Hz) wird zunächst gleichgerichtet und dann in Wechselstrom 400 V/ 50 Hz umgewandelt. Zum Start dient der Generator als Motor.

Zum Betreiben kann Erd-/ Flüssiggas, Heizöl, Klärgas, Grubengas und Erdölbegleitgas verwendet werden.

Die anfallende Abwärme muss für Heizzwecke etc. immer abgenommen oder gepuffert werden.

Nachteile

Die Nachteile der Turbine ist der schlechte elektrische Wirkungsgrad von 12% und mit Rekuperator 26%, also schlechter als bei den klassischen BHKWs.

Ein Rekuperator nutzt die Wärmeenergie aus den Turbinenabgasen und wärmt damit die Verdichteraustrittsluft auf, bevor diese in die Brennkammer gelangt. Dadurch vermindert sich der benötigte Brennstoffeinsatz und es können höhere elektrische Wirkungsgrade erzielt werden. Trotzdem fallen die Wirkungsgrade von Motorenanlage derselben Größenklasse noch um einige Prozentpunkte höher aus.

Vorteile

Die Vorteile liegen in den langen Wartungsintervallen (alle 8000 h oder einmal im Jahr.) Die Otto- oder Dieselmotoren bei den klassischen BHKWs müssen im Vergleich ca. alle 2000 h gewartet werden.

Anwendung

Aufgrund der gasturbinenspezifischen Abwärmecharakteristik, bei der das gesamte Abwärmepotential auf einem hohen Temperaturniveau von rund 275°C anfällt, eignet sich die Mikrogasturbine vor allem für kleinere Industriebetriebe mit Prozesswärmebedarf in Verbindung mit einer Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung, für Trocknungsprozesse sowie als Aggregat zur Klimakälteerzeugung mittels Absorptionskältemaschine.

Denkbar wäre aber z. B. ein verstärkter Einsatz im Contracting-Bereich, da in diesem Fall die Vorteile der Mikrogasturbinen aufgrund des geringeren Wartungsaufwandes besonders zum Tragen kämen.

Kosten

Aufgrund des hohen Investitionsvolumens von rund  62.000 € für ein Aggregat mit 28 kW_el und dem gegenüber Motoren gleicher Leistungsgröße um einige Prozentpunkte geringeren elektrischen Wirkungsgrad erscheint ein wirtschaftlicher Betrieb aber nur bei wenigen Anwendungsfeldern möglich.

Auf diesem interessanten Gebiet gibt es also noch viel zu tun.

Brennstoffzellen

Wasserstoff verbrennt im Gegensatz zu Öl und Gas ohne umweltbelastende Emissionen zu reinen Wasser.

Entscheidend für die Ökobilanz ist, wie er hergestellt wird. Mit Hilfe von Wasserstoff lässt sich Strom aus regenerativen Quellen speichern.

Um diese so gebundene Energie wieder nutzbar zumachen, bietet die Brennstoffzelle mit hohen Wirkungsgraden eine sehr effiziente Lösung.

Brennstoffzellen-Typen

Zur Zeit werden 5 Brennstoffzellen-Typen mit ihren unterschiedlichen Eigenschaften und Anwendungen erforscht:

1. Alkalische-Brennstoffzelle (AFC)

Hat schon Serienreife erlangt. Betriebstemperatur <100°C. Liefert bei einen Wirkungsgrad von 70% sehr gute Ergebnisse in der Stromerzeugung.

2. Phosphorsäure-Brennstoffzelle (PAFC)

Betriebstemperatur 160-220°C, fast gleich großer Anteil an elektrischer und thermischer Energie.

Muss auf eine bestimmte Arbeitstemperatur vor Inbetriebnahme aufgeheizt werden. Da das mehrere Stunden dauert, eignet sie sich für die Deckung der Grundlast. Z. Z. alternative zur klassischen motorgetriebenen Kraft- Wärme- Kopplung.

3. Karbonatschmelzen-Brennstoffzelle (MCFC)

Hochtemperatur- Brennstoffzelle, 600-1000°C.

Muss auf eine bestimmte Arbeitstemperatur vor Inbetriebnahme aufgeheizt werden. Da das mehrere Stunden dauert, eignet sie sich für die Deckung der Grundlast.

Kann als Blockheizkraftwerk in Großanlagen ein ganzes Wohngebiet versorgen.

4. Festelektrolyt-Brennstoffzelle (SOFC)

Gleiche Anwendung wie MCFC

5. Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle (PEMFC)

Die bekannteste Brennstoffzelle mit relativ geringen Kosten.

Geeignet für Versorgung von Ein- bis Zweifamilienhäusern.

Da sie sich auch kalt starten lässt, ist sie auch für den Einsatz im Fahrzeugbereich geeignet.

Einsatz

Der Einsatz von Brennstoffzellen reicht vom Batterieersatz über den Einsatz in Fahrzeugen bis zur Kraft-Wärme-Kopplung.

Einige arbeiten in einen hohen Temperaturbereich.

Durch die damit verbundene Abwärme ist der Einsatz in der Gebäudeheizung als Kraft-Wärme-Kopplung gegeben.

(Quelle: BHKW-Infozentrum)

Ersatz konventioneller BHKWs durch Brennstoffzellen?

Sofern die spezifischen Investitionssummen von Brennstoffzellen-Anlagen aufgrund der Verwendung neuer (billigerer) Materialien sowie den Eintritt in die Serienproduktion gesenkt werden können, könnte es in einigen Bereichen auch zu einer Verdrängung konventioneller BHKW-Technologien (Motor, Gasturbine) kommen.

Dies kann z. B. in Bereichen stattfinden, in denen gleichzeitig eine Notstromversorgung durch die BHKW-Anlage realisiert werden soll, wie dies z. B. in Krankenhäusern der Fall ist. Solche Funktionen können durch Brennstoffzellen einfacher realisiert werden.

Teilweise werden aber auch neue Anwendungsfelder durch die Brennstoffzellen-Technologie erschlossen.

Der Ersatz konventioneller BHKW-Anlagen  durch Brennstoffzellen ist in naher Zukunft eher unwahrscheinlich!

Die Marktchancen von Brennstoffzellen-Anlagen werden aber aufgrund der höheren elektrischen Wirkungsgrade (gegenüber einer konventionellern KWK-Anlage) in einem noch stärkeren Maße von der Höhe der Stromeinspeise-Vergütungen abhängen.

Die Marktreife wird wegen der technischen Probleme (Schnittstellen zwischen Brennstoffaufbereitung und Zelle, zwischen Zelle und Gasführung, zwischen Steuersystem und Strommanagement) wesentlich länger dauern, als bisher angenommen.

Außerdem, was wird sein, wenn in 20 Jahren das Ergas knapp wird?

Ist dann eine Umstellung auf Biogas möglich, oder streiken dann Reformer und Membran?

Aufbau und Funktionsprinzip der Brennstoffzelle (PEM)

Die Brennstoffzelle ist der Umkehrprozess zur Elektrolyse, also ein elektrochemischer Wandler, der Wasserstoff mit Sauerstoff in einem kontrollierten elektrochemischen Prozess verbindet. Dabei entsteht neben Strom auch Wärme.

Aufbau

Die Brennstoffzelle besteht im Wesentlichen aus einer sandwichartig angeordneten Dreierschicht: Anode-Elektrolyt-Kathode.

Diese wird auf der Anodenseite durch die reduktive Gasatmosphäre (Brennstoff) und auf der Kathodenseite durch die oxydative Atmosphäre (Luftsauerstoff) umspült.

Funktion

Der Brennstoff Wasserstoff wird kontinuierlich der Anode zugeführt. Dort wird er in Anwesenheit eines Katalysators in Elektronen und Ionen aufgespaltet, wobei die Ionen durch den Elektrolyten zur Kathode transportiert werden.

Bedingt durch Potenzialdifferenz zwischen Brenngas (Anodenseite) und Sauerstoff (Katodenseite) fließen die Elektronen über einen externen Stromkreis (elektrischer Verbraucher) zur Katode und verrichten dabei elektrische Arbeit.

An der Kathode verbinden sich die Ionen und Elektronen mit dem der Katode zugeführten Sauerstoff zu Wasser, welches als Wasserdampf abgeführt wird.

Der von der Brennstoffzelle erzeugte Gleichstrom kann in einem Wechselrichter in Wechselstrom umgewandelt werden.

Die Potentialdifferenz einer einzelnen Brennstoffzelle beträgt nur ca. 0,7 V, so dass für eine höhere Spannung mehrere Zellen in Reihe geschaltet werden müssen.

Die Abwärme einer Brennstoffzelle wird über einen Kühlkreislauf ausgekoppelt (BHKW) und kann zu Heizzwecken an einen Verbraucher abgegeben werden.

Das notwendige Brenngas Wasserstoff ist kein Primärenergieträger und muss bei Niedertemperatur-Brennstoffzellen eigens erzeugt werden.

Dies geschieht in einem Reformer durch Abspalten des Wasserstoffes aus wasserstoffhaltigen Brennstoffen (Methan, Methanol).

Der Reformierungsprozess benötigt ca. 20% der eingesetzten Energie.

Bei Hochtemperatur-Brennstoffzellen ist eine Direktreformierung möglich.

(Quelle:www.bhkw.portal.de)

Ökostromtarife aus Biomasse - EEG  vom 1.8. 2004

*) Technologiebonus nur bei Holzgas-BHKW, Stirling etc.

Für wesentlich mehr Informationen stehen wir Ihnen mit einer persönlichen Fachberatung jederzeit gerne zur Verfügung.

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