Forschung und Entwicklung. Kurzinformation. BIOS BIOENERGIESYSTEME GmbH

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1 Frschung und Entwicklung Kurzinfrmatin BIOS BIOENERGIESYSTEME GmbH

2 Frschung und Entwicklung - Kurzinfrmatin 1 Technlgieentwicklung - Überblick Seit seiner Gründung hat sich BIOS als Technlgieentwicklungspartner heimischer wie auch internatinaler gewerblicher und industrieller Unternehmen etabliert. Davn zeugen mehr als 20 vn der FFG der der EU geförderte Prjekte, in denen BIOS als wissenschaftlicher Partner bei der Technlgieentwicklung tätig war bzw. ist, swie eine Vielzahl vn vn industriellen Kunden direkt erteilten Entwicklungsaufträgen. Zusätzlich hat BIOS in den vergangenen Jahren eine Reihe vn eigenfinanzierten Technlgieentwicklungsprjekten durchgeführt. Durch den hhen Ausbildungsstand der BIOS-Mitarbeiter (TU und FH-Abslventen) swie die engen Kntakte zu heimischen und ausländischen Frschungseinrichtungen und Universitäten sind ptimale Grundvraussetzungen für die Entwicklung neuer, innvativer Technlgien gegeben. Technlgieentwicklung bei BIOS erflgt auf Basis vn langfristig aufgebautem fachlichen Knw-Hw auf dem Gebiet der energetischen Bimassenutzung, der vrliegenden grßen praktischen Erfahrungen bezüglich Anlagenbetrieb aus durchgeführten Testläufen und Langzeitanlagenmnitring, der Mitarbeit gut ausgebildeter, erfahrener und kmpetenter Fachleute, dem letzten Stand der Frschung entsprechender analytischer und messtechnischer Ausrüstung für experimentelle F+E-Aufgaben, mdernster Simulatinswerkzeuge (z.b. CFD-Simulatinsrutinen, Prgramme zur thermdynamischen Hchtemperatur-Gleichgewichtsberechnung vn Aschenbildnern), im Haus entwickelten Experten-Prgrammen (z.b. zur Simulatin thermischer wie auch anaerber Knversinsprzesse vn Bimasse, zur Simulatin der Aersl- und Depsitinsbildung in Feuerungsprzessen) und im Haus entwickelten Datenbanken bezüglich der chemischen und physikalischen Charakteristika vn Bimasse-Brennstffen, Aschen, Substraten und Schlempen. Die Arbeiten vn BIOS am Sektr der Technlgieentwicklung knzentrieren sich dabei im Wesentlichen auf: Entwicklung vn Bimasse-Feuerungsanlagen im kleinen, mittleren und grßen Leistungsbereich Entwicklung vn Technlgien zur Emissinsreduktin in Bimassefeuerungsanlagen unter Anwendung vn Primär- und Sekundärmaßnahmen Entwicklungen vn neuen und innvativen Bimasse-Kraft-Wärme-Kpplungstechnlgien Regelungsentwicklung für Bimassefeuerungsanlagen Technlgien zur Minderung bzw. Vermeidung vn aschenbedingten Prblemen in Bimasse-Feuerungsanlagen Entwicklung vn Bigasanlagen Entwicklung vn Bimassevergasungsanlagen

3 Frschung und Entwicklung - Kurzinfrmatin 2 Brennstffcharakterisierung und brennstffspezifische Technlgieentwicklung Speziell wenn neue, bislang feuerungstechnisch nch unbekannte Bimasse-Brennstffe in einer Feuerungsanlage eingesetzt werden sllen, bildet die feuerungstechnische und emissinstechnische Beurteilung vn Brennstffen eine grundlegende Basis für die Wahl/Entwicklung des eingesetzten Feuerungssystems, die Auslegung und technische Knzeptin der Feuerungsanlage swie die Wahl der zur Abgasreinigung einzusetzenden Sekundärmaßnahmen. BIOS setzt zur Brennstffcharakterisierung eine 3-Schritt Methdik ein. Schritt 1: Brennstffbewertung auf Basis nasschemischer Analysen Schritt 2: Test bezüglich der thermischen Zersetzung swie des Abbrandverhaltens in einer TGA und in einem speziell dazu entwickelten Labrreaktr Schritt 3: Testläufe, wahlweise an einer 180 kw Piltfeuerungsanlage (Rstfeuerung mit Heißwasserkessel) der einer Bimassefeuerung die an eine Drp-Tube gekppelt ist. Auf Basis dieser Analysen und Tests werden grundlegende Daten zum Abbrandverhalten eines Bimasse-Brennstffes, zu den bei der Verbrennung auftretenden Emissinen (NO x, HCl, SO 2, PCDD/F etc.) swie zu aschenbedingten Prblemen (Depsitinsbildung, Verschlackung, Krrsin) erlangt, die direkt in die Knzeptin einer entsprechenden, für den jeweiligen Brennstff geeigneten, Feuerungsanlage einfließen. Baumwllabfälle Spuckstffe Olivenreste Miscanthus Switchgrass Strh Althlz Rapspresskuchen

4 Frschung und Entwicklung - Kurzinfrmatin 3 Entwicklung vn Bimasse-Feuerungsanlagen BIOS ist seit Jahren erflgreich als Entwicklungspartner für Feuerungshersteller tätig. Die Arbeiten vn BIOS reichen dabei vn der Optimierung bestehender Feuerungsknzepte hinsichtlich spezifischer Zielsetzungen (z.b. Wirkungsgradsteigerung, Emissinsminderung) über die Entwicklung vn Feuerungsanlagen für feuerungstechnisch prblematische Bimasse- Brennstffe (z.b. bigene Reststffe aus der Industrie, neue Energiepflanzen) bis zur Unterstützung bei der Entwicklung neuer Prduktserien. BIOS deckt dabei den gesamten Leistungsbereich beginnend bei Kleinfeuerungen zur Raumwärmebereitstellung bis hin zu industriellen Grßfeuerungsanlagen ab. Es werden swhl CFD-gestützte Entwicklungsansätze als auch experimentelle Frschung und Entwicklung dazu eingesetzt. Bimasse-Kleinfeuerungen F+E-Arbeiten bezüglich Pellet-, Hackgut- und Scheithlzkesselanlagen swie bezüglich Kaminöfen. Adaptierung und Optimierung vn bestehenden Bimasse-Kleinfeuerungsknzepten bezüglich Emissinsminderung, Wirkungsgradsteigerung und Verbreiterung des einsetzbaren Brennstffspektrums. Entwicklung vn neuen Feuerungstechnlgien für Pellets, Hackgut und Stückhlz. Entwicklung vn neuen Prduktserien für Bimasse-Kleinfeuerungshersteller. Serienentwicklung: KWB TDS Pwerfire 150

5 Frschung und Entwicklung - Kurzinfrmatin 4 Mittelgrße Feuerungen und Grßanlagen Feuerungsentwicklung für knventinelle Bimasse-Brennstffe (Hackgut, Rinde, Althlz, Strh), neue Bimasse-Brennstffe (landwirtschaftliche Brennstffe, Energiepflanzen) und Reststffe aus der landwirtschaftlichen und der Lebensmittelindustrie (Kerne, Schalen, Schlempen, etc.). Prblemstellenidentifikatin durch Anlagenmnitring und gezielte Testläufe mit begleitendem Messprgramm an bestehenden Feuerungsanlagen. Weiterentwicklung und Optimierung bestehender Feuerungsknzepte mit den Zielen Emissinsminderung, Wirkungsgradsteigerung und Reduktin aschebedingter Prbleme (Depsitinsbildung, Verschlackung Krrsin). CFD-gestützte Feuerungsentwicklung: CO-Prfile [ppmv] in der Symmetrieebene vn Feuerung und Kessel einer 20 MW th Bimassefeuerungsanlage Blick in den Feuerraum an der Pilt-Rstfeuerung während Verbrennungstests mit einem neuen Bimassebrennstff im Zuge der Feuerungsanlagenentwicklung

6 Frschung und Entwicklung - Kurzinfrmatin 5 Emissinsreduktin Optimierung bestehender Feuerungsknzepte und Entwicklung neuer Feuerungstechnlgien hinsichtlich Minderung vn CO-, rg.c-, NO x -, Staub- und Feinstaubemissinen mittels Primärmaßnahmen für alle Leistungsklassen vn Bimassefeuerungen. CFD-gestützte Technlgieentwicklung und ptimierung Experimentelle Frschung auf Basis vn Testläufen und Messungen an Prttypen, Piltanlagen und Grßanlagen Entwicklung und Optimierung vn Sekundärmaßnahmen zur Emissinsminderung swie deren Integratin in Feuerungsanlagen: Filterentwicklung zur Feinstaubemissinsminderung. SNCR-Anlagen zur Minderung der NOx-Emissinen. CFD-gestützte Optimierung der Strömung in einem Elektrfilter: Strmlinien der Luft, eingefärbt nach der Verweilzeit [s], beginnend am Eintritt in den Filter Simulierte Mlenbrüche vn NH 3 (rechts) und NO (links) in der vertikalen Symmetrieebene einer Rstfeuerungs-Piltanlage und Vergleich mit Emissinsmessungen am Kesselaustritt

7 Frschung und Entwicklung - Kurzinfrmatin 6 Regelungsentwicklung für Bimassefeuerungen Funktinsanalyse, Schwachstellensuche und Ausarbeitung vn Optimierungsvrschlägen für bestehende Regelungsknzepte. Entwicklung neuer Regelungsknzepte unter Einsatz innvativer Regelungstechnlgien wie Fuzzy-Lgic Bausteine der mdellbasierter Regelung für Hlzöfen, Bimasse-Kleinfeuerungen, Bimasse-Grßfeuerungsanlagen. w H O,Brst 2 Brst PL Brennstffbett (2.Ordnung) & n 2 H O, Verdampfung n& CHO,Abbau T RGrez RGrez SL m & ( + & ) PL m FL Verbrennung (Bilanz) (statisch) T adiabat x i,rg RG T adiabat x i,rg T RG,ein T RL RG Speicherwirkung (Schamtt) Wärmeübertrager T VL RG (1. Ordnung) W (1. Ordnung) Stellgrößen Berechnete Größen Gemessene Störgrößen Ungemessene Störgrößen Ausgangsgröße (jede berechnete Größe kann als weitere Ausgangsgröße gewählt werden, aber nicht jede davn kann auch gemessen werden (z.b. T adiabat ); mögliche weitere Ausgangsgrößen: T adiabat, T RG,ein, x O2,RG ) Struktur des mathematischen Mdells einer Bimasserstfeuerungsanlage, das als Ausgangsbasis zur Reglerentwicklung dient Evaluierung neuer, innvativer und kstengünstiger Sensren bzgl. ihres standardmäßigen Einsatzes in Bimassefeuerungen Teststrecke zur Ermittlung der Messgenauigkeit unterschiedlicher Sensren zur Bestimmung vn Luft- und Rauchgasvlumenströmen

8 Frschung und Entwicklung - Kurzinfrmatin 7 Entwicklungen vn neuen und innvativen Bimasse- Kraft-Wärme-Kpplungstechnlgien Im Rahmen vn natinalen und internatinalen Frschungs- und Entwicklungsprjekten werden innvative Kraft-Wärme-Kpplungstechnlgien für den Einsatz in dezentralen Bimassefeuerungen entwickelt und demnstriert. ORC-Przess Dampfschraubenmtr-Przess Stirlingmtr-Przess Mikrgasturbinenprzesse ORC Mdul in Cntainerbauweise (400 kw el ) bei der Einbringung in eine Bimasse-Kraft-Wärme- Kpplungsanlage Dampfschraubenmtr (730 kw el ) in der Bimasse KWK-Anlage Hartberg 35 kw el Piltanlage auf Basis Stirlingmtr Bimasse-KWK-Anlage bestehend aus einer direkt mit Erdgas und indirekt mit Bimasse befeuerten 100 kw el Mikrgasturbine (MGT)

9 Frschung und Entwicklung - Kurzinfrmatin 8 Aschenbedingte Prbleme in Bimasse-Feuerungsanlagen Erarbeitung vn Lösungen für brennstff- und/der anlagenspezifische Aufgabenstellungen: Ascheschmelzen und Verschlackungen Depsitinsbildung Krrsin Staub- und Feinstaubemissinsreduktin Dazu werden eingesetzt: Anlagenmnitring und Testläufe samt begleitendem Mess- und Analysenprgramm zur Prblemidentifikatin an bestehenden Feuerungsanlagen. Beurteilung und Charakterisierung vn Aschen, Schlacken und Depsitinen auf Basis vn nasschemischen und elektrnenmikrskpischen Analysen, Aschenschmelztests swie thermdynamischen Hchtemperatur-Gleichgewichtsberechnungen zur Untersuchung des Aschenschmelzverhaltens. Ausarbeitung maßgeschneiderter Lösungsknzepte auf Basis der s erlangten Daten. Schlackenablagerungen bei der Verbrennung halmgutartiger Bimasse Depsitinen an Überhitzerbündeln einer althlzbefeuerten Dampfkesselanlage Elektrnenmikrskpische Analyse einer geschmlzenen Überhitzerdepsitin (Element Mapping; Bildbreite: ca. 22 µm)

10 Frschung und Entwicklung - Kurzinfrmatin 9 Entwicklung vn Bigasanlagen Evaluierung neuer Substrate hinsichtlich deren Eignung für die anaerbe Vergärung. Entwicklung vn neuen Rühr- und Hchleistungsreaktrknzepten für spezielle Substrate. Technlgieentwicklung für Gasreinigungs- und Gasaufbereitungsanlagen. F+E-Arbeiten bezüglich Nutzungsstrategien für Gärreste. UASB Piltanlage (UASB: upflw unaerbic sludge blanket) CSTR Piltanlage (CSTR: cntinuusly stirred tank reactr) Entwicklung vn Bimassevergasungsanlagen Vergleich swie technische und wirtschaftliche Bewertung verschiedener Bimassevergasungstechnlgien als Grundlage für die richtige Technlgieauswahl. Evaluierung und Schwachstellenidentifikatin bestehender Vergaserknzepte swie Weiterentwicklung und technische Optimierung. Entwicklung neuer Vergasungstechnlgien auf Basis CFD-gestützter Mdellrechnungen und darauf aufbauenden Versuchsanlagen.

11 Frschung und Entwicklung - Kurzinfrmatin 10 Durchführung und Bewertung vn Testläufen Durchführung vn Anlagenmnitrings und Testläufen samt begleitenden Messungen und Analysen an Bimassefeuerungsanlagen (Versuchsanlagen, Piltanlagen und Grßanlagen) bezüglich unterschiedlicher feuerungstechnischer Fragestellungen wie Wirkungsgradptimierung Emissinsreduktin aschenbedingte Prblemstellungen als Vrbereitung für Optimierungsmaßnahmen im Rahmen einer Anlagenrevisin zur Risikabschätzung bei geplanten Erweiterungen des einsetzbaren Brennstffsrtiments Auswertung der Testläufe und, in Abhängigkeit der Fragestellung, CFD-gestützte Nachsimulatin und Bewertung des Testlaufbetriebes Durchführung vn Batch-Gärversuchen samt begleitenden Messungen und Analysen zur Beurteilung des Einsatzes neuer Substrate Durchführung vn Anlagenmnitrings und Testläufen samt begleitenden Messungen und Analysen an Bigasanlagen zur Evaluierung des Anlagenbetriebs Schwachstellenidentifikatin Betriebsptimierung Feldmesseinsatz an einer Bimasse- Kraft-Wärme-Kpplungs-Anlage Gasprbenahme während eines Testlaufs an einer Bimasse-Versuchsfeuerungsanlage