MINI-BIO-KWK. Spanner. 03KB076: Überführung eines Prototyps zur dezentralen Vergasung von Restholzpellets in die Serienreife

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1 Das Vorhaben wird bearbeitet von Technologie der Energierohstoffe Spanner Gefördert durch MINI-BIO-KWK Koordiniert vom 03KB076: Überführung eines Prototyps zur dezentralen Vergasung von Restholzpellets in die Serienreife Wissenschaftlich begleitet vom Workshop Best-Practice-Beispiele in der energetischen Biomassenutzung - Bioenergie effizient nutzen! Leipzig, den 1./ Dipl.-Ing Yves Noël, Technologie der Energierohstoffe, RWTH Aachen

2 Inhalt I. Forschungspartner und Projektidee II. Projektverlauf III. Stand der Arbeiten o Bilanzierung o Produktgascharakterisierung o CFD-Modellierung IV. Ausblick o Brennstoffkonfektionierung o Anlagendauerläufe V. Erfolgsindikatoren VI. Fazit 2 Dipl.-Ing Yves Noël, Leipzig, den

3 3 Dipl.-Ing Yves Noël, Leipzig, den I. Forschungsprojekt Mini-Bio-KWK

4 Beteiligte Partner Spanner RE ² Start des Geschäftsfeldes im Jahr 2005 als Teil der Otto-Spanner GmbH Hauptsitz: Neufahrn i. NB bei Landshut 120 Mitarbeiter Geschäftsbereiche Produktion und Vertrieb von Holz-Kraft-Anlagen o Leistungsbereich von 30/45 kwel o Herstellung von ca. 125 Anlagen im Jahr 2013 o über 350 Anlagen im Praxisbetrieb gemeinsam > Betriebsstunden Auftragsfertigung von Biomasse-Heizsystemen 4 Dipl.-Ing Yves Noël, Leipzig, den

5 Beteiligte Partner Spanner RE ² - Holz-Kraft-Anlage 5 Dipl.-Ing Yves Noël, Leipzig, den

6 Beteiligte Partner RWTH Aachen Technologie der Energierohstoffe ca. 25 Mitarbeiter Forschungsgebiete Konversion und Veredlung von o biogenen Abfälle o fossilen und o sekundären Energieträgern Biomasse Thermochemische Prozesse o Verbrennung o Vergasung Kohle o Pyrolyse Agglomerationsverfahren Abgasreinigung 6 Dipl.-Ing Yves Noël, Leipzig, den

7 Forschungsprojekt Mini-Bio-KW Motivation Herstellung und Vertrieb eines Biomassevergasers für den Einsatz in Wohnobjekten/Kleingewerbe Angestrebte Anlagenleistung ca. 15 kw el /30 kw th Übertragen in Serie produzierten Technik aus Holz-Kraft-Anlagen (Holzhackschnitzel) auf den Betrieb mit Biomassepellets Warum Pellets? o Quasi frei von Störstoffen und Überkorn o gute Förderbarkeit o gut Dosierbarkeit o hohe Energiedichte geringer Platzbedarf 7 Dipl.-Ing Yves Noël, Leipzig, den

8 Forschungsprojekt Mini-Bio-KW Projektziel und Lösungsansatz (I) Zielsetzung: zuverlässiger Anlagenbetrieb nach dem Technologietransfer o hohe Anlagenverfügbarkeit > h/a o Aufwand für die Anlagenwartung < 3 h/woche Lösungsansatz: Fertigung eines Prototypen auf Basis der Serienanlagen Iterative Verbesserung des Verfahrenstechnik und -steuerung in Versuchs- und Umbaukampagnen 8 Dipl.-Ing Yves Noël, Leipzig, den

9 Forschungsprojekt Mini-Bio-KW Projektziel und Lösungsansatz (II) Zielsetzung II: Reduzierung der Brennstoffbezugskosten o Diversifizierung des Brennstoffspektrums o Einsatz vom Pellets aus Restbiomasse (urspr. Einsatzstoffvergütungsklasse 2 BiomasseV ) Lösungsansätze: o Konfektionierung von Restholzpellets o Versuchskampagnen mit konfektioniertem Brennstoff Laub Landschaftspflegeholz Grünschnitt Straßenbegleitgrün 9 Dipl.-Ing Yves Noël, Leipzig, den

10 II. Projektverlauf 10 Dipl.-Ing Yves Noël, Leipzig, den

11 Projektverlauf Projektvorbereitung Fertigung eines Prototyps zur Vergasung von Holzpellets durch die Firma Spanner Re² 11 Dipl.-Ing Yves Noël, Leipzig, den

12 Projektverlauf Zeitplan Projektlaufzeit: (Verlängerung beantragt) > 75 Einzelversuche (Dauer 0,1-10 h) > kg Holzpellets Oktober 2012: Einrichtung Prototyp März 2014: Vollständige Inbetriebnahme Messtechnik Oktober 2014 Projektverlängerung? Februar 2014 Motortestläufe Oktober 2012: Projektstart März 2013 Optimierung Gesamtprozess >> 50 % der Gesamtlaufzeit Juli 2014 Bilanzierung + Optimierung Vergasungsprozess November 2014 Einsatz von Restbiomassen 12 Dipl.-Ing Yves Noël, Leipzig, den

13 Projektverlauf Optimierung des Gesamtprozesses Mechanische Verfahrenstechnik / Messtechnik /Regelalgorithmen P6 T7 T Luft Pellets S3 ST S4 ST S101 M Verdichter M S102 Nutzwärme P1 ST B1 M S2 ST Reformer Vorrat P8 T1 T2 T3 ST ST ST S1 ST M T4 ST M Saugzug F1 F2 M T9 P2 T10 T11 P3 T12 P5 P7 T13 ST ST ST T5 ST P4 ST T6 ST Wärmetauscher 1 T8 Wärmetauscher 2 Hauptfilter Notfilter S201 Fackel S202 Karbonisat Status Quo: Störungsfrei seit ca. 100 Betriebsstunden 13 Dipl.-Ing Yves Noël, Leipzig, den

14 14 Dipl.-Ing Yves Noël, Leipzig, den III. Stand der Arbeiten - Bilanzierung

15 Bilanzierung Grundgedanke Identifikation des Leistungsbereichs Bilanzierung über verschiedene Lastzustände Bestimmung versch. Wirkungsgrade Transfer der Brennstoffenergie in die Produktgruppen Durchsatz Energie Wärme Anlage zu kalt Gas Anlage zu heiß Karbonisat Vergasungsmittelstrom Vergasungsmittelstrom 15 Dipl.-Ing Yves Noël, Leipzig, den

16 Bilanzierung Datenerfassung 16 Dipl.-Ing Yves Noël, Leipzig, den

17 Bilanzierung Motivation Identifikation des Leistungsbereichs Bilanzierung über verschiedene Lastzustände Bestimmung versch. Wirkungsgrade Transfer der Brennstoffenergie in die Produktgruppen Energie Wärme Durchsatz Gas Anlage zu kalt Anlage zu heiß Karbonisat Vergasungsmittelstrom Vergasungsmittelstrom 17 Dipl.-Ing Yves Noël, Leipzig, den

18 Bilanzierung Energie und Massenbilanz 18 kg/h Vergasungsmittel 10,5 kg/h 52 kwh/h Brennstoff 3 kwh/h Wärme* * nur Gaskühlung 29 kg/h 43 kwh/h Holzgas Reststoff 0,1 kg/h 0,8 kwh/h Kaltgaswirkungsgrad: ~ 82 % 18 Dipl.-Ing Yves Noël, Leipzig, den

19 Bilanzierung Motivation Identifikation des Leistungsbereichs Bilanzierung über verschiedene Lastzustände Bestimmung versch. Wirkungsgrade Transfer der Brennstoffenergie in die Produktgruppen Durchsatz Anlage zu kalt Anlage zu heiß Energie Wärme Gas Karbonisat Vergasungsmittelstrom Vergasungsmittelstrom 19 Dipl.-Ing Yves Noël, Leipzig, den

20 Brennstoffleistung (%-rel.) Bilanzierung Brennstoffleistung über den Leistungsbereich 160% 140% 120% 100% 80% 60% 40% 20% 0% 50% 55% 60% 65% Leistungspunkt 20 Dipl.-Ing Yves Noël, Leipzig, den

21 Reststoffanteil (%-rel.) Bilanzierung Reststoffanteil über den Leistungsbereich 400% 350% 300% 250% 200% 150% 100% 50% 0% 50% 55% 60% 65% Leistungspunkt 21 Dipl.-Ing Yves Noël, Leipzig, den

22 Kaltgaswirkungsgrad (%-rel.) Bilanzierung Kaltgaswirkungsgrad im Reststoff über den Leistungsbereich 120% 100% 80% 60% 40% 20% 0% 50% 55% 60% 65% Leistungspunkt 22 Dipl.-Ing Yves Noël, Leipzig, den

23 23 Dipl.-Ing Yves Noël, Leipzig, den III. Stand der Arbeiten - Produktgascharakterisierung

24 Produktgascharakterisierung Schema Messtechnik 24 Dipl.-Ing Yves Noël, Leipzig, den

25 Produktgascharakterisierung Schema PAK-Messung Vakuumpumpe Manometer Filter (grob) Filter (fein) Kondensator geplant Vergaser GC-MS/MS Gaswaschflaschen Isopropanol Gasuhr Filter (grob) - 10 C 25 Dipl.-Ing Yves Noël, Leipzig, den

26 Konzentration im Rohlas (% -rel.) Produktgascharakterisierung PAK-Gehalt im Rohgas über den Leistungbereich (Probennahme nach TAR-Protocol, modifiziert) 1 0,9 0,8 0,7 0,6 Betriebspunkt 50 % Betriebspunkt 55 % Betriebspunkt 60 % Betriebspunkt 65 % 0,5 0,4 0,3 0,2 0, PAK nach EPA Zusammengefasst: Pyren und Fluoranthen Benzo(a) anthracen und Chrysen Benzo (b) und (k) fluoranthen. 26 Dipl.-Ing Yves Noël, Leipzig, den

27 27 Dipl.-Ing Yves Noël, Leipzig, den III. Stand der Arbeiten - CFD-Modellierung

28 CFD-Modellierung Geschwindigkeitsfeld im Vergasungsreaktor Strömungsgeschwindigkeiten auf einer Düsenebene in Abhängigkeit des Druckverlusts der Brennstoffschüttung 28 Dipl.-Ing Yves Noël, Leipzig, den

29 29 Dipl.-Ing Yves Noël, Leipzig, den IV. Ausblick - Brennstoffkonfektionierung aus Restbiomassen

30 Brennstoffkonfektionierung Brennstoffauswahl & Konfektionierung Baum- und Strauchschnitt Landschaftspflegematerial Kirsche Pappel Tanne Weide Erstellen von Testchargen zur Brennstoffcharakterisierung 30 Dipl.-Ing Yves Noël, Leipzig, den

31 Abrieb [%] Brennstoffkonfektionierung Brennstoffqualität W [%] A [%] AET [ C] Enplus-A1 < 10 < 0, Hackschn. 7,5 2,6 > Pappel 10,8 4,9 > Tanne 11,3 3,0 > Kirsche 9,1 2,1 > Weide 8,8 3,1 > Mischung 9,9 3,6 > AET: Ascheerweichungstemperatur Bestimmung des Konversionsverhaltens in praktischen Versuchen Schwerpunkte: Verifizierung Brennstoffeigenschaften Ascheverhalten im Vergasungsreaktor 31 Dipl.-Ing Yves Noël, Leipzig, den

32 32 Dipl.-Ing Yves Noël, Leipzig, den IV. Ausblick - Motortestläufe

33 Motortestläufe Wir haben viel gemessen aber funktoniert es wirklich? Langzeitversuche inklusive Verstromung des Holzgases! 2.2 l Vierzylinder Reihenmotor 33 Dipl.-Ing Yves Noël, Leipzig, den

34 34 Dipl.-Ing Yves Noël, Leipzig, den V. Erfolgsindikatoren

35 Erfolgsindikatoren Störungsfreier Dauerbetrieb der Pilotanlage Marktentwicklung für KWK im Kleinstmaßstab nach Umstrukturierung des EEG o Insellösungen? (Stromnutzugskonzept) 35 Name, Veranstaltung, Ort, Datum

36 Fazit Wir sind auf einem guten Weg Technologie der Energierohstoffe Spanner aber das Spannendste kommt noch! 36 Dipl.-Ing Yves Noël, Leipzig, den