BHKW mit Feststoffvergaser für biologisch schwer abbaubare Biomasse. Technologie, Entwicklungsstand Marktreife, Funktionsprinzip, Leistungsdaten, Brennstoffe.

Letzte Bearbeitung: 13.12.2011 19:33 IBS HEIZUNG/ KRAFT-WÄRME-ANLAGEN/ BIOMASSE-BHKW

Technologie, Entwicklungsstand Marktreife, Funktionsprinzip, Leistungsdaten, Brennstoffe.

BHKW mit Feststoffvergaser für biologisch schwer abbaubare Biomasse
Technologie
Bei der üblichen Festbettvergasung wird Biomasse i. d. R. autotherm unter Einsatz von Luft vergast (thermochemischen Vergasung). Der Brennstoff ist dabei in einer Schüttschicht dem Vergasungsmittel ausgesetzt. Die Gasgeneratoren sind in d. R. als stehende Schachtöfen konzipiert. Mit dieser Technologie (s. Holzgas-BHKW) konnte bisher mit mehr oder weniger Problemen (Gasreinheit und instabiler Vergasungsprozess) in d. R. nur Holzhackschnitzel vergast werden. Diese Technologie ist in letzter Zeit etwas in Verruf gekommen, weil einige Hersteller unausgereifte Anlagen ausgeliefert haben. Innovative Neuentwicklung (Innovationspreis der FEE 2007) Die Neuentwicklung, der bioampere® Feststoffvergaser, wandelt Festbrennstoffe biologischen Ursprungs (also zusätzlich zu Holzbrennstoffen auch Pflanzenbrennstoffe, Pferdemist, Klärschlamm etc.) bei Temperaturen von bis zu 1.000 °C fast vollständig in ein Synthesegas um. Der Vergaser ist ein Tunnelvergaser, der sowohl über eine zirkulierende Wirbelschicht als auch über ein Festbett verfügt. Der Entgasungsprozess ist vom Vergasungsprozess getrennt, aber räumlich so angeordnet, dass die notwendige Wärmeübertragung gut funktioniert. Es entsteht ein Nutzgas mit einer spezifischen Leistung von 0,9 bis 1,3 kWh/Normkubikmeter je nach Feuchte- und Aschegehalt. Dieses Gas wird nach der Abkühlung und Reinigung zur Stromerzeugung in einem Blockheizkraftwerk genutzt. Die anfallende Prozessabwärme kann für Wärme- oder Kühlungszwecke* ausgekoppelt werden. *) z. B. mit Hilfe einer Absorptionskälteanlage kann Wärme in Kälte umgewandelt werden. Durch eine geregelte Zufeuerung von Bioöl können Schwankungen in der Gasqualität (bei der Festbettvergasung) ausgeglichen werden.	Anlagenaufbau Die modulare Konzeption der Bioampere-Anlagen bestehen aus einem zweigeschossigen Spezialcontainer mit dem Vergaser, sowie einem weiteren Container mit dem BHKW als kompakte Einheit. Dank der kompakten Container-Bauweise lassen sich die Anlagen ohne großen Flächenbedarf und baulichen Aufwand auch nahe den potenziellen Energieabnehmern platzieren. Komplettiert wird das System durch eine standort- und projektangepasste Rohstofflogistik. (z. B. ein Schubboden-Container, der mittels Radlader befüllt werden kann oder auch vollautomatische Beschickungssysteme mit befahrbaren Schubboden). Vorteile: - Sehr hoher Gesamtwirkungsgrad (Wärmekosten ca. 20% billiger als bei Verwendung von fossilen Brennstoffen) - Verwendung einer Vielzahl von Einsatzstoffen (Biomasse oder Abfallstoffe) - Einsatzstoffe (Brennstoffe) kombinier- und austauschbar - Wartungsarmer, weitgehend vollautomatischer Betrieb - Stabile Prozessabläufe - Keine Geruchsbelästigung - Geringer Platzbedarf - Die Reststoffe sind in der Landwirtschaft einsetzbar (z. B. als Dünger) Wirtschaftlichkeit Für einen rentablen Betrieb sind ca.7.000 h/a (Betriebsstunden) der Anlage anzustreben. Entwicklungsstand und Marktreife (Stand 2008) Aktuell wurden bis jetzt fünf bioampere-Anlagen installiert (u. a. in Artern/Thür). Bis 2010 soll die Serienproduktion laufen, dann sind nach Unternehmensangaben 15 bis 20 Anlagen pro Jahr ein realistisches Ziel.
1. Bioampere®-Feststoffvergaser - Funktionsprinzip
Brennstofflager und Eintragung Die Biomasse wird wie üblich z. B. aus dem Brennstofflager entnommen oder auch in einem Schubbodencontainer in Form von Hackschnitzeln oder geschreddertem Material angeliefert und von diesem in den Doseur eingegeben. Feststoffvergaser Über eine Dosierschnecke und eine Zellradschleuse gelangt das Brennmaterial in die Pyrolyseschnecke. Diese ist teilweise im Inneren des heißen Reaktors angeordnet. Dadurch wird die Pyrolyseschnecke von außen beheizt, die Biomasse trocknet und entgast. Bei dieser Abgabe gasförmiger Substanzen verliert der Restfeststoff der Biomasse einen Großteil der Festigkeit. Das Ergebnis ist eine holzkohleartigen Substanz mit einer Körnung < 10 mm. Über einen Fallschacht und eine Eintragsschnecke werden die gasförmigen und festen Pyrolyseprodukte mit einer Temperatur von ca. 350 bis 400 °C in die heiße Reaktionszone eingetragen und bei Temperaturen im Bereich von 950 °C mit einem Wasserdampf-Luftgemisch umgesetzt. Die heiße Reaktionszone verlässt einerseits ein ascheartiger Feststoff mit einem Restkohlenstoffgehalt von etwa 20 %, andererseits entweicht ein energiereiches Gas, das zu jeweils etwa 20 % aus Kohlenmonoxyd und Wasserstoff besteht. Dieses energiereiche Gas gibt einen Großteil der fühlbaren Wärme an das Pyrolyserohr (Reaktor) ab, wo die Wärme auf einem Temperaturniveau von etwa 350 °C für den Prozess genutzt wird. Durch die Anordnung des Pyrolysereaktors unmittelbar oberhalb der Hauptreaktionszone, gibt es auf diesem Weg praktisch keine Wärmeverluste. In der Gaskühlung wird die Wärme des so auf etwa 600 °C abgekühlten Gases zur Aufwärmung des Vergasungsmittels auf ca. 200 °C genutzt.	Gasreinigung und Kühlung Danach werden in der Gasreinigung und Kühlung die für den Motor schädlichen Teer- und kondensierbaren Kohlenwasserbestandteile weitestgehend entfernt. Die Gasreinigung ist neben den Vergaser das schwierigste Bauteil und bisher die Ursache für viele Probleme und Störungen. Mit genauen Angaben über Konstruktion und Funktion halten sich die Hersteller sehr zurück. Gasmotor und Generator Das gereinigte und abgekühlte Gas wird dann einem Zündstrahlmotor (Dieselprinzip, Wirkungsgrad bis 40 %) mit extrem hohem Hubraum und geringer Nenndrehzahl zugeführt. Die Zündstrahlmenge wird so geregelt, dass eine intensive und schnelle chemische Umsetzung des Gases erfolgen kann und somit zündverzugbedingte Wirkungsgradverringerungen vermieden werden. Der Motor läuft mit Pflanzenöl und auch mit Synthesegas aus dem Vergasungsprozess. Pflanzenöl wird als in der Anfahrphase des Vergasers auch als Zündöl verwendet. Danach wird z. Z. mit ca. 20% Pflanzenöl und 80% Synthesegas gefahren. Zukünftig solle lt. Hersteller ein Anteil von ca. 10 % Pflanzenöl angestrebt werden. Leistungsdaten Feststoffvergaser - Thermische Eingangsleistung ab 600 kW - Thermisch nutzbare Abwärme bis zu 300 kW - Elektrische Eckleistung als Netzparalleleinspeisung bis zu 240 kW - Zündstrahlleistung des BHKW ab 10,6 l/h - Flächenbedarf Anlage ca. 400 m² - Gesamtwirkungsgrad bis zu 90 % Einsatzstoffbedarf (Beispiel) - Stroh ab 1.000 t/Jahr - Holz ab 1.200 t/Jahr Quelle: bioenergy systems GmbH, www.be-sys.com
2. BHKW
Die optimalen Einsatzgebiete für bioampere® P-240 sind vorrangig dort, wo Wärme auf niedrigem Temperaturniveau (< 100 °C) zur Deckung des Brauchwasser-, Heiz– oder Prozesswärmebedarfs benötigt wird. Die bioampere® Blockheizkraftwerke von bioenergy systems sind mit einer speziell entwickelten Technik (Zündstrahlmotor, Generator) und einer Spezialsteuerung ausgestattet. Zündstrahlmotor Der eingesetzte Zündstrahlmotor besitzt eine variable Zündstrahlleistung von 8–100 % und kann auch mit dem Synthesegas des bioampere® Feststoffvergasers betrieben werden (bei einem Anteil von 10-20 % Pflanzenöl).	Das bioampere ® P-240 ist für den Einsatz verschiedener Pflanzenöle optimiert, um den Betrieb unabhängig von der Kostenentwicklung fossiler Brennstoffe wirtschaftlich attraktiv zu ermöglichen. Eine nachträgliche Erweiterung um die Komponente der Feststoffvergasung ist hierbei jederzeit möglich. Leistungsdaten des Blockheizkraftwerkes - Eingangsleistung 600 kW - Elektrische Leistung 235 kW - Thermisch nutzbare Abwärme 250 kW - Hubraum 22,0 l - Verbrauch an Pflanzenöl 0,285 l/kWh
Mögliche Einsatzstoffe (Brennstoffe)
Es können fast alle biogene Feststoffe zur Vergasung verwendet werden. Neben Holzhackschnitzel auch geschredderte Biomasse. Die Besonderheit dieser Feststoffvergaser-Anlage ist, dass Einsatzgebiet auf Rohstoffe zu erweitern, für die es bisher keinen energetisch sinnvollen Verwendungszweck gab. Mit minimalen Anpassungen an den Eintragungssystemen und der Steuerung können die Anlagen auch auf den Betrieb mit minderwertigen und damit kostengünstigen Roh- oder Abfallstoffen, wie etwa Pferdemist oder Klärschlamm etc., umgestellt werden. Hackschnitzel aus Kiefer, Pappel, Weide etc. Heizwert Hu 18,4-18,8 MJ/kg TS, Wassergehalt 10-53 %, Aschegehalt 0,3-1,0 Masse% (Masse-Prozent) Minderwertige Holz- und Pflanzenabfälle auch solche, die sich z. B. für Biogasanlagen nicht eignen (Astwerk etc.). Grünschnitt Verwendung von Rasenschnitt aus der Landschaftspflege oder Landwirtschaft	Pferdemist Hu 20 MJ/kg TS, Wassergehalt 52 %, Aschegehalt ca. 2 Masse% Stroh von Weizen und Raps (ab 2010 möglich) Hu 17.1-17,4 MJ/kg TS, Wassergehalt 17,4-18 %, Aschegehalt 4-6 Masse% Heupellets Hu 17,3-17,9 MJ/kg TS, Wassergehalt 10-12 %, Aschegehalt 5,4-6,3 Masse% Miscanthus Hu 17,6 MJ/kg TS, Wassergehalt 20 %, Aschegehalt 2,8-3,9 Masse% Getreide Roggen, Weizen, Hafer, Mais Hu 17-18,9 MJ/kg TS, Wassergehalt 10-12 %, Aschegehalt 2,0-2,6 Masse% Klärschlamm Hu 17,6 MJ/kg TS, Wassergehalt 30 %, Aschegehalt 23 Masse% Pflanzenöle Raps-, Soja- und Palmöl
Vergleich zwischen thermochemischer Holzvergasung und Verbrennung mit Dampfkraftprozess
Der Zweck entscheidet Je nach Ziel der energetischen Nutzung sollte geprüft werden, ob die Installation eines thermochemischen Vergasers die strategisch günstigste Variante ist. Besteht nur die Absicht, aus biologisch schwer abbaubarer Biomasse (also ungeeignet für Biogasanlagen) möglichst viel Elektroenergie zu gewinnen, so ist eine mit einem Dampfkraftprozess gekoppelte Verbrennungsanlage die bessere Alternative. Beispielrechnung 1: Bei der Verbrennung von 1 kg Holz (angenommener Heizwert 16 MJ/kg) sind im Abgas 16 MJ Wärme enthalten. Verbrennungsanlagen haben etwa 10 % Abgasverluste und 10 % Wärmeverluste über Kesselwandung, Rohre und Roste. A) Verbrennung mit Dampferzeugung Ist diese Verbrennung mit einem Dampfkraftprozess gekoppelt, blieben also nunmehr 12,8 MJ für den Dampfkraftprozess. Bei einem Wirkungsgrad von im günstigsten Fall 40 % könnte man somit 5,12 MJ Elektroenergie erzeugen. Etwa 5 % dieser Elektroenergie werden für den Betrieb des Kessels benötigt. Es können also etwa 4,86 MJ ins Netz eingespeist werden. B) Vergasungsanlage Würde die gleiche Holzmenge dagegen einer Vergasungsanlage zugeführt werden, könnten wieder 16 MJ ins Gas überführt werden. Bei einem Kaltgaswirkungsgrad von 70 % wären das 11,2 MJ, die an den Motor übergeben würden. Dieser wiederum wandelt bei einem Wirkungsgrad von ca. 40 % das Gas in 4,48 MJ Elektroenergie um. Weitere 10 % davon werden aber für den Betrieb der Vergasungsanlage benötigt, so dass letztlich nur 4 MJ Elektroenergie eingespeist würden.	Ergebnis und Zusammenfassung: Für die Erzeugung der maximalen Menge an Elektroenergie ist die Verbrennung effizienter. Vergasungsanlagen hingegen sind überall dort sinnvoller eingesetzt, wo auch ein Wärmebedarf gedeckt werden muss. Aber auch hier muss sich die thermochemische Vergasertechnologie dem Vergleich mit Alternativen stellen: Beispielrechnung 2 (thermodynamisches Vergleichskriterium) Als typischer Anwendungsfall soll ein durchschnittlicher Wärmebedarf von 500 kW über einen Zeitraum von 3.000 h/a gedeckt werden. A) Vergasungsanlage Bei Verwendung einer bioampere-Anlage (Festbettvergasung) werden 857 t Holz pro Jahr benötigt. Gleichzeitig können pro Jahr etwa 1000 MWh Elektroenergie bereitgestellt werden. B) Holzhackschnitzelheizung Würde der gleiche Wärmebedarf mit einer Holzhackschnitzelheizung gedeckt werden, wären 375 t/a Holz für die Heizung bereit zu stellen. Die im Vergleich zur Vergasungsanlage verbleibenden 482 t/a Holz könnten in einem Kraftwerk zu etwa 770 MWh Elektroenergie pro Jahr umgewandelt werden. Davon wiederum werden etwa 20 MWh/a für den Betrieb der Holzhackschnitzelheizung benötigt, so dass mit derselben Menge Holz bei einer Teilverbrennung nur 750 MWh Elektroenergie zur Verfügung gestellt werden können. Ergebnis und Zusammenfassung: Bei Substitution der Verbrennung durch die Vergasung können also aus derselben Brennstoffmenge bei Erfüllung einer Heizaufgabe etwa 30 % mehr Elektroenergie gewonnen werden – ein nicht unerheblicher Vorteil der Vergasungstechnologie! Quelle: erneuerbare energien \| Mai 2008
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