Dezentrale Stromerzeugung auf Basis Biomasseverbrennung

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1 Dezentrale Stromerzeugung auf Basis Biomasseverbrennung Prof.Dipl.-Ing.Dr. Ingwald Obernberger BIOS Inffeldgasse 21b, A-8010 A Graz, Austria TEL.: +43 (316) ; FAX: +43 (316) office@bios bios-bioenergy.at HOMEPAGE: bios-bioenergy.at Inhalte Einleitung und Rahmenbedingungen Kraft-Wärme-Kopplungstechnologien auf Basis fester Biomasse Überblick und Vorstellung ausgewählter Technologien Zusammenfassung und Schlussfolgerungen 2

2 KWK-Technologien für feste Biomasse - Überblick Kraft-Wärme-Kopplungen auf Basis Biomasseverbrennung Dampfturbinen-Prozesse Dampf-Kolbenmotor-Prozesse Dampf-Schraubenmotor-Prozess ORC-Prozess Stirlingmotor-Prozess Heißgasturbinenprozess 3 Der ORC-Prozess und seine praktische Anwendung 4

3 Inbetriebnahmejahr Anlagenkonzeption Feuerungsanlage 1 Feuerungsanlage 2 Wärmerückgewinnung und Rauchgasreinigung Anlagennennleistungen Überblick Biomasse-KWK-Anlagen auf ORC-Basis: Lienz - Admont Lienz Admont Thermoölkessel mit Thermoöl- Economiser und Luftvorwärmer Heißwasserkessel mit Luftvorwärmer Economiser, Nasselektrofilter, Rauchgasentschwadung Thermoölkessel Heißwasserkessel Rauchgaskondensationsanlage mit Rauchgasentschwadung Thermoölkessel kw th kw th Thermoöl-Economiser 500 kw th Luftvorwärmung (Thermoölkessel) 490 kw th Heißwasserkessel kw th kw th Luftvorwärmung (Heißwasserkessel) 490 kw th Economiser / Rauchgaskondensationsanlage kw th kw th ORC-Prozess kw el 400 kw el eingesetzte Brennstoffe Wärmebereitstellung Art der Betriebsführung erreichte Betriebsstunden des ORC Hackgut, Sägespäne, Rinde Fernwärme wärmegeführt ca Holzstaub, Sägespäne, Hackgut Fernwärme und Prozesswärme wärmegeführt ca EU Demonstrationsprojekt Lienz Jahresdauerlinie Nennleistung ab Heizkraftwerk [kw] Solaranlage Spitzenlastkessel Wärmerückgewinnung Heißwasserkessel KWK-Einheit Stromproduktion Betriebsstunden [h] 6

4 ORC-Prozess Beschreibung der Technologie Verwendung eines organischen Arbeitsmittels anstelle von Wasser, daher der Name Organic Rankine Cycle (ORC) Die Biomassefeuerung wird mit einem nicht unter Druck stehenden Thermoölkessel ausgestattet es ist daher kein Kesselwärter erforderlich Notwendige Energie wird über einen Thermoölkreislauf zum Verdampfer des ORC-Moduls übertragen kein Kesselwärter für den Anlagenbetrieb erforderlich, keine Wasseraufbereitung Ein für Biomasse-Kraft-Wärme-Kopplungen geeignetes ORC- Verfahren (Arbeitsmittel: Silikonöl) wurde in Italien entwickelt 7 EU Demonstrationsprojekt Lienz ORC-Prozess prinzipielles Anlagenschema Turbine Thermoölkessel Biomasse Thermoölkreislauf Thermoöl-ECO Verdampfer ORC- Prozess G Generator (direkt betrieben) Regenerator Feuerung Arbeitsmittelpumpe Kondensator Luftvorwärmer Rauchgas Economiser Wärmeverbraucher Luft 8

5 EU Demonstrationsprojekt Lienz ORC-Prozess Komponenten Regenerator 2 Kondensator 3 Turbine 4 Elektrischer Generator 5 Umwälzpumpe 6 Vorwärmer 7 Verdampfer 8 Fernwärme-Vorlauf 9 Fernwärme-Rücklauf 10 Thermoöl-Vorlauf 11 Thermoöl-Rücklauf 9 EU Demonstrationsprojekt Admont 400 kw el -ORC-Modul in Containerbauweise 10

6 EU Demonstrationsprojekte Lienz und Admont Technische Daten Technische Daten des ORC-Prozesses Lienz Admont Thermische Leistung Input (Thermoöl) - Nennlast ORC kw kw Elektrische Nettoleistung - Nennlast ORC kw 400 kw Thermische Leistung Output (Kondensator) - Nennlast ORC kw kw Elektrischer Nettowirkungsgrad - Nennlast ORC 18,0 % 17,8 % Thermischer Wirkungsgrad - Nennlast 80,0 % 80,2 % Elektrische und thermische Verluste 2,0 % 2,0 % Heizmedium Thermoöl Thermoöl Eintrittstemperatur 300 C 300 C Austrittstemperatur 250 C 250 C Arbeitsmittel Silikonöl Silikonöl Kühlmedium Wasser Wasser Eintrittstemperatur 80 C 80 C Austrittstemperatur 60 C 60 C 11 ORC-Prozess Betriebsverhalten und Regelung Der ORC-Kreislauf ist mit einer langsam laufenden Turbine, die für Kleinanlagen optimiert ist, ausgestattet guter Wirkungsgrad und ausgezeichnetes Teillastverhalten Aufgrund der vorteilhaften thermodynamischen Eigenschaften des Arbeitsmittels ist ein Tropfenschlag an der Turbine ausgeschlossen ORC-Anlagen können zwischen 10 und 100 % ihrer Nennleistung betrieben werden und sind für sehr schnelle Lastwechsel gut geeignet Der Betrieb von ORC-Aggregaten erfolgt vollkommen automatisiert; es besteht keine Anwesenheitserfordernis eines Betreibers 12

7 ORC-Prozess T-s-Diagramm Verdampfer Temperatur [ C] Regenerator Vorwärmer Regenerator + Kondensator Turbine Entropie [kj / kg K] 13 EU Demonstrationsprojekt Lienz ORC-Prozess Teillastverhalten elektrischer Nettowirkungsgrad [%] 20,0% 18,0% 16,0% 14,0% 12,0% 10,0% 8,0% 6,0% 4,0% 2,0% Kühlwasseraustrittstemperatur 85 C 0,0% 0% 20% 40% 60% 80% 100% 120% elektrische Nettoleistung [%] 14

8 EU Demonstrationsprojekt Lienz ORC-Prozess Lastwechselverhalten im wärmegefw rmegeführten Betrieb elektrische Nettoleistung [kw] elektrische Nettoleistung ORC [kw] Nutzwärmeleistung ORC [kw] :00 04:00 05:00 06:00 07:00 08:00 09:00 10:00 11:00 12:00 Uhrzeit 15 Nutzwärmeleistung [kw] EU Demonstrationsprojekt Lienz Energiebilanz Thermoölkessel - ORC-Prozess - Wärmerückgewinnung Thermoöl-ECO eta = 10 % Verbrennungsluftvorwärmer Heisswasser- ECO eta = 10 % Strahlungs- und Rauchgasverluste 8 % Thermische Nutzenergie 75 % Biomasse Input Hu = 100 % Thermoölkessel eta = 72 % ORC-Prozess Elektrische Nutzenergie % Thermische und elektrische Verluste ORC 2-3 % 16

9 ORC-Prozess ökologische Aspekte ORC-Aggregate sind relativ leise (der lauteste Teil ist der Generator, der mit Abkapselung 85 dba auf 1 m Entfernung erzeugt) Silikonöl ist nicht toxisch, besitzt kein Ozonabbaupotential, ist aber leicht entflammbar mit einem Flammpunkt von 34 C, jedoch nicht explosiv An den Thermoölkreislauf und den ORC-Kreislauf sind hohe Dichtheitsanforderungen gestellt, welche durch entsprechende Sicherheitseinrichtungen und Leckageüberwachungssysteme gewährleistet werden Das Arbeitsmittel altert nicht und ist nicht korrosiv Für das Thermoöl wird eine Lebensdauergarantie von 10 Jahren gegeben (bei Einhaltung der definierten Betriebsparameter) 17 Methodik zur Ermittlung der Stromgestehungskosten (1) Nur die Mehr-Investitionskosten einer Biomasse-KWK im Vergleich zu einer konventionellen Biomassefeuerung mit Heißwasserkessel (mit gleicher Nutzwärmeleistung) werden betrachtet Die Vorgangsweise zur Ermittlung der Mehr-Betriebskosten erfolgt analog (Teilung in Wärme- und Stromgestehungskosten) Grund: der Wärmebedarf für das Prozess- oder Fernwärmenetz ist in den meisten Fällen die vorgegebene Größe für eine KWK-Anlage (die Wärmeerzeugung muss auf jeden Fall gewährleistet werden) Es stellt sich daher die Frage, ob sich die Mehrinvestitionen für eine Biomasse-KWK im Vergleich zu einer reinen Wärmeversorgung rentieren 18

10 Methodik zur Ermittlung der Stromgestehungskosten (2) Ermittlung der 4 Kostenarten nach der für Wärmeversorgungsanlagen gebräuchlichen VDI-Richtlinie 2067: Kapitalgebundene Kosten: beinhalten die Kapitalkosten (aus Investitionskosten, kalkulatorischem Zinssatz und kalkulatorischer Nutzungsdauer errechnet) Verbrauchsgebundene Kosten: beinhalten Brennstoffkosten, Kosten für Eigenstrombedarf und sonstige Betriebsmittelkosten (wie z.b. Schmierstoffe, Wasser, Hilfsenergie, etc.) Betriebsgebundene Kosten: beinhalten im wesentlichen Personalkosten sowie die Wartungs- und Instandhaltungskosten Sonstige Kosten: beinhalten Kosten für Versicherung, Verwaltung, Administration, Abgaben 19 0,18 ORC-Prozess (1.000 kw el ) spez. Stromgestehungskosten Spezifische Stromgestehungskosten [ /kwh el ] 0,16 0,14 0,12 0,10 0,08 0,06 0,04 0,02 0,1248 spezifische sonstige Kosten spezifische betriebsgebundene Kosten spezifische verbrauchsgebundene Kosten spezifische Kapitalkosten Einspeisetarif WHG Einspeisetarif SNP t VL =5.000 h/a p Br =0,015 /kwh Hu Förderung 0 % Nutzungsdauer 10 a Verzinsung 6 % 0,00 ORC - ORC kw el 20

11 0,6 ORC-Prozess (1.000 kw el ) spez. Stromgestehungskosten Einfluss der Jahresvolllaststunden Spezifische Stromgestehungskosten [ /kwh el ] 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 Einspeisetarif WHG Einspeisetarif SNP p Br =0,015 /kwh Hu Förderung 0 % Nutzungsdauer 10 a Verzinsung 6 % 0, Volllaststunden [h p.a.] 21 0,25 ORC-Prozess (1.000 kw el ) spez. Stromgestehungskosten Einfluss des Brennstoffpreises Spezifische Stromgestehungskosten [ /kwh el ] 0,20 0,15 0,10 0,05 0,00 0,000 0,005 0,010 0,015 0,020 0,025 0,030 Brennstoffpreis [ /kwh Hu ] spez. Stromgestehungskosten 1 spez. Stromgestehungskosten 2* Einspeisetarif WHG Einspeisetarif SNP t VL =5.000 h/a Förderung 0 % Nutzungsdauer 10 a Verzinsung 6 % *...unter Berücksichtigung der geänderten Wärmegestehungskosten aufgrund des geänderten Brennstoffpreises (Bezugsbrennstoffpreis 0,015 /MWh Hu ) 22

12 ORC-Prozess Stand und zukünftige Entwicklungen I Thermoöl- wie auch ORC-Prozesse werden seit vielen Jahren in der Industrie angewandt ORC-Module für Biomasse-KWK-Anlagen sind derzeit in Modulgrößen zwischen 200 und kw el erhältlich Hauptanwendungsgebiete: Biomasse-Fernheizwerke, holzbe- und verarbeitende Betriebe mit Prozesswärmebedarf (Trockenkammern) Biomasse-KWK-Anlagen auf ORC-Basis haben die Marktreife erreicht und befinden sich nun in der Marktdurchdringung Erste EU-Demo-Anlage: 400 kw el (STIA Admont, A) - mehr als Betriebsstunden Zweite EU-Demo-Anlage: kw el (Lienz, A) - mehr als Betriebsstunden Dritte Anlage: kw el (Fussach, A) - Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung (Kombination ORC-Absorptionskältemaschine) Weitere in Ö in Realisierung befindliche Projekte: Sägewerk Theurl, Lofer, Großarl, Siezenheim, Sägewerk Schachl, Leoben, Lienz II, Längenfeld, Hall CH: 2 ORC-Anlagen auf Biomassebasis (300 und 600 kw el ) in Betrieb I: 2 ORC-Anlagen auf Biomassebasis (1.100 und kw el ) in Betrieb erste Anlage mit 1,500 kwel: Biomasseheizkraftwerk Toblach, Südtirol D: ca. 6 ORC-Anlagen auf Biomassebasis (400 bis kw el ) in Betrieb 23 ORC-Prozess Stand und zukünftige Entwicklungen II Laufende und zukünftige Entwicklungen: Verbesserung des elektrischen Wirkungsgrades durch erhöhte Thermoöltemperaturen und neue Verschaltungskonzepte Kopplung von ORC-Anlagen mit Biomasse-Vergasungsanlagen (GuORC) Neuentwicklung einer ORC-Systems für kleine Leistungen ( kw el ) 24

13 Der Stirlingmotor-Prozess und seine praktische Anwendung 25 Einsatzgebiete für Biomasse- Klein-Kraft Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen auf Stirlingmotorbasis Elektrische Nennleistung von Biomasse Klein-Kraft-Wärme- Kopplungsanlagen: < 100 kw el Niedrige elektrische Wirkungsgrade nur wärmegeführter Betrieb wirtschaftlich sinnvoll Biomasse Klein-Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen für die Grundlastabdeckung in kleinen Fernwärmenetzen Biomasse Klein-Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen für kleine holzbe und verarbeitenden Betriebe (mit Prozesswärmebedarf) und für große Hotels Biomasse Klein-Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen für Gebiete ohne elektrische Versorgung (Insellösungen) 26

14 Stirlingmotor-Prozess Grundprinzip Auf einem geschlossenen Kreislauf basierender Heißgasmotor, bei dem das Arbeitsgas in einem periodischen Ablauf in einem kalten Volumen komprimiert und in einem heißen Volumen expandiert wird Arbeitsgas: Luft, Stickstoff, Helium oder Wasserstoff (dzt. wird meist Helium eingesetzt) Die Stirlingmotor-Technologie ist für Biomasse Klein-Kraft- Wärme-Kopplungsanlagen gut geeignet 27 Stirlingmotor-Prozess Arbeitstakte 1-2 (isochorer Heiztakt) 2-3 (isothermer Expansionstakt) 3-4 (isochorer Kühltakt) 4-1 (isothermer Kompressionstakt) 28

15 Stirlingmotor-Prozess Schema der Einbindung in eine Biomasse-KWK KWK-Anlage Stirlingmotor Kühlerwärmetauscher Rauchgas Luftvorwärmer Erhitzerwärmetauscher Regenerator Luft Economiser Generator G Luft Biomasse Feuerung Wärmeabnehmer 29 Stirlingmotor-Prozess Einbindung in ein Fernwärmesystem Leistung [kw] Wärmegeführter Betrieb und korrekte Anlagenauslegung sehr wichtig: Ziel: über Volllaststunden pro Jahr Spitzenlastkessel Biomassekessel 2 KWK-Modul Stromproduktion Betriebsstunden [h] 30

16 Stirlingmotor-Prozess Kenngrößen und Rahmenbedingungen Hohe Verbrennungstemperaturen für hohe Wirkungsgrade notwendig entsprechende Auslegung der Feuerung und Luftvorwärmung erforderlich Größenordnung der elektrischen Leistung von Stirlingmotoren liegt zwischen 1 kw el und 100 kw el, in Zukunft eventuell bis zu 150 kw el Der elektrische Wirkungsgrad der Gesamtanlage liegt zwischen 6 bis 20 % (abhängig von den Temperaturen des Rauchgases und des Kühlwassers) Sehr kompakte Bauform (Aufrüstung bestehender Anlagen möglich) 31 Stirlingmotor-Prozess Energieflussbild für f r eine Biomasse-KWK Biomasse Primärenergie = 100% Luftvorwärmer Economiser Rauchgasverluste 12,5% Feuerung 1,6% Wärmeverluste Stirlingmotor Generator Nutzbare Wärme 74,2% Elektrische Energie 11,7% 32

17 Stirlingmotor-Prozess ökologische Aspekte Geräuscharmer Betrieb (die Lärmbelastung ist um rund 90% niedriger als die von Dieselmotoren) Keine gesetzlichen Auflagen bzgl. des Einsatzes von Helium oder Luft als Arbeitsgas vorhanden 33 Entwicklung einer KWK-Technologie auf Basis Stirlingmotor Entwicklung des Stirlingmotors: Technische Universität Kopenhagen Entwicklung der gesamten Biomasse KWK-Technologie: BIOS in Zusammenarbeit mit MAWERA Holzfeuerungsanlagen GmbH Ziel: Entwicklung einer ausgereiften und marktfähigen Klein- Kraft-Wärme-Kopplungstechnologie auf Basis von Stirlingmotoren (elektrische Nennleistung 35 und 70 kw) 34

18 35 kw el Stirlingmotor - Entwicklungsziele - Pilotanlage Hohe Feuerraumtemperaturen (Ziel: C) Luftvorwärmer für Verbrennungslufttemperaturen von C Eingesetzter Brennstoff: chemisch unbehandelte holzartige Brennstoffe mit geringen Asche- und Chlorgehalten (Hackschnitzel, Sägespäne und Holzpellets) Elektrischer Anlagenwirkungsgrad 12% und hoher Gesamtwirkungsgrad (geplantes Ziel: 85-90%) Geringe Flugaschekonzentzrationen im Rauchgas zur Reduktion von Aschedepositionen im Erhitzerwärmetauscher Entwicklung eines automatischen Abreinigungssystems für den Erhitzerwärmetauscher des Stirlingmotors Stabiles und vollautomatisiertes Regelungsystem unter besonderer Berücksichtigung der Feuerraumtemperaturkontrolle 35 CFD-gestützte Feuerungsentwicklung Rauchgaseintritt in den Erhitzerwärmetauscher Sekundärluftdüsen Primärverbrennungszone Brennstoffbett Primärluft- und Rauchgasrezirkulationsdüsen Sekundärverbrennungszone 36

19 CFD-gestützte Feuerungsentwicklung Verlauf der CO-Emissionen in mg/nm 3 CO-Emissionen am Feuerungsaustritt ~15 mg/nm 3 (Luftüberschuss λ: 1,4, Brennstoffwassergehalt : 30 Gew.% FS) 37 CFD-gestützte Feuerungsentwicklung Verlauf der Wandtemperaturen in C (Luftüberschuss λ: 1,4, Brennstoffwassergehalt: 30 Gew.% FS) 38

20 35 kw el Stirlingmotor - technische Daten Speziell auf feste Biomasse abgestimmtes Design Elektrische Nennleistung: 35 kw Hermetischer 4-Zylindermotor Arbeitsmittel: Helium Mittlerer Druck: 45 bar Drehzahl: U/min Asynchrongenerator Motorgewicht: kg kw el Stirlingmotor Technische Universität Kopenhagen 40

21 35 kw el Pilotanlage auf Basis Stirlingmotor Übersicht kw el Pilotanlage auf Basis Stirlingmotor Feuerung 42

22 35 kw el Pilotanlage Testlaufergebnisse - Wirkungsgrade 100% 90% 80% Wirkungsgrad [%] 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% Elektr. Wirkungsgrad Stirlingmotor [%] Elektr. Anlagenwirkungsgrad [%] Gesamtanlagenwirkungsgrad [%] Erläuterung: Brennstoff: Hackschnitzel, mittlerer Wassergehalt: 52 Gew.% (FS), mittlerer Luftüberschuss λ: 1, kw el Pilotanlage Testlaufergebnisse - Emissionen Staubemissionen: <50 mg/nm Emissionen [Vol%] Emissionen [mg/nm 3 ] O2 [Vol% tr. RG] NOx [mg/nm³; tr. RG, 13%O2] CO [mg/nm³; tr. RG, 13%O2] Erläuterung: Brennstoff: Hackschnitzel, mittlerer Wassergehalt: 52 Gew.% (FS), mittlerer Luftüberschuss λ: 1,48 44

23 35 kw el Pilotanlage Depositionen am Erhitzerwärmetauscher rmetauscher SEM Bild Übersichtsbild der Depositionen, rohrzugewandte Seite SEM Bild Übersichtsbild der Depositionen, rohrabgewandte Seite Gehalt in atom% EDX Analyse Ca Si K S Na Mg EDX Analyse Stirlingmotor-Proze Prozess - Technologiebewertung Stärken Kompakte Bauform Vollautomatischer Betrieb Hohe Flexibilität bezüglich Wassergehalt der eingesetzten Brennstoffe (10 55 Gew.% FS) Emissions- und geräuscharm Für Kleinanlagen gut geeignet Schwachstellen Erhitzer-Wärmetauscher - automatische Abreinigung Noch keine Langzeiterfahrungen für den Betrieb mit Biomassefeuerungen vorhanden Die Anwendung ist auf Hackgut, Sägespäne und Pellets beschränkt (asche- und chlorarme Brennstoffe) 46

24 Stirlingmotor-Prozess Entwicklungsziele und Ausblick 2003/04: Betrieb von 2 Pilotanlagen (35 and 70 kw el ) Stunden Dauertests 35 kw el -Pilotanlage: mehr als Stunden in Betrieb 70 kw el - Pilotanlage: mehr als Stunden in Betrieb Optimierung der Technologie 2004/05/06: Fertigstellung der ersten Kleinserie von Stirlingmotoren und Einbau der Motoren in Demonstrationsanlagen Weiterentwicklungen in Richtung Wirkungsgrad- und Verfügbarkeitssteigerung 47 Generelle Schlussfolgerungen und Empfehlungen (I) Für dezentrale KWK-Systeme (P el < 2,0 MW) wichtige technische Rahmenbedingungen: Guter elektrischer Anlagenwirkungsgrad (12 bis 20%) Hohe Robustheit der Technologie (geringe Störanfälligkeit) und somit hohe Verfügbarkeit Gute Regelbarkeit und Automatisierbarkeit (unbemannter Betrieb) Geringer Wartungs- und Instandhaltungsaufwand Sehr gutes Teillastverhalten und Eignung für schnelle Lastwechsel (bei wärmegeführtem Betrieb) 48

25 Generelle Schlussfolgerungen und Empfehlungen (II) Für dezentrale KWK-Systeme (P el < 2,0 MW) wichtige wirtschaftliche Rahmenbedingungen: Hohe Anzahl an Jahresvolllaststunden (> h) richtige Anlagendimensionierung Hoher erreichbarer Gesamtwirkungsgrad (wärmegeführter Betrieb) Gesicherte Stromeinspeisetarife in akzeptabler Höhe (12 bis 16 cent / kwh) über einen Zeitraum von mindestens 10 Jahren 49 Danke für Ihre Aufmerksamkeit BIOS Inffeldgasse 21b, A-8010 A Graz, Austria TEL.: +43 (316) ; FAX: +43 (316) office@bios bios-bioenergy.at HOMEPAGE: bios-bioenergy.at