Biomassevergasung im kleinen Leistungsbereich

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1 Biomassevergasung im kleinen Leistungsbereich KWK für die dezentrale Energiebereitstellung Peter Haselbacher IWT TU Graz TU Graz Seminar Klimaschutz und Erneuerbare Energien MU Leoben 1

2 Inhalt 1. Einleitung und Motivation Was ist Biomassevergasung? Vorteile und Nachteile der Technologie gegenüber S.d.T. 2. Rahmenbedingungen Wärmegeführte Grundlasteinordnung von KWK-Technologien Anforderungen an die marktreife Technologie 3. Übersicht über Vergasungstechnologien Wirbelschichtverfahren (großer Leistungsbereich) Festbettsysteme (kleiner Leistungsbereich) Gestufte Biomassevergasung (kleiner Leistungsbereich) 4. Gestufte Biomassevergasung am IWT Prozessbeschreibung Stand der Verfahrensentwicklung 5. Zusammenfassung & Ausblick Holzgasflamme - IWT 2

3 Was ist Biomassevergasung? Biomassevergasung ist die Umwandlung von einem festen in einen gasförmigen Brennstoff, der aus H 2, CO, CH 4, CO 2, N 2 und H 2 O besteht. Heizwertstrom Produktgas Kaltgaswirkungsgrad = = 70 bis 85% Brennstoffwärmeleistung Biomassevergasung wandelt den festen Brennstoff in einen Energieträger hoher Qualität (hoher Exergiegehalt) um. Kraft-Wärme-Kopplung mit deutlich höherem elektrischen Gesamtwirkungsgrad (25% - Potential auf 30%) (auch im kleinen Leistungsbereich < 500 kw el ) 3

4 Technische Möglichkeiten der KWK auf Biomassebasis VERBRENNUNG THERMISCHE VERGASUNG stationäre Wirbelschicht zirkulierende Wirbelschicht Unterschubfeuerung Rostfeuerung Einblasfeuerung Trommelfeuerung Zigarrenabbrand stationäre Wirbelschicht zirkulierende Wirbelschicht Flugstrom Festbett Gestufte Vergasung CO- COMBUSTION (6) WÄRMEERZEUGUNG (Raumwärme, Prozesswärme) DAMPFERZEUGER(2) Wasserrohrdampferzeuger Rauchrohrdampferzeuger THERMOÖL- KESSEL (1) HEISSWASSER- KESSEL (1) WARMWASSER- KESSEL (1) GASREINIGUNG trockene nasse Gasreinigung 2a Rauchgas/Luft Wärmeübertrager 9 7 2b 2c DAMPFTURBINE(2a) Gegendruck Entnahme- Kondensation DAMPF- KOLBENMOTOR (2b) DAMPF- SCHRAUBENMOTOR (2c) ORGANIC- RANKINE- CYCLE (3) STIRLING MOTOR (4) HEISSLUFT- TURBINE (5) INVERSER GASTURBINEN- PROZESS (9) STROMERZEUGUNG bzw. KRAFT-WÄRME-KOPPLUNG 8 10 HOLZGAS- MOTOR (7) GASTURBINE (8) BRENNSTOFF- ZELLE (10) Quelle: Lettner, F., Diplomarbeit

5 Exergetischer Vergleich von Biomasse-KWK-Anlagen im kleinen und mittleren Leistungsbereich Elektrische Effizienz 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% Pfad über Verbrennung: Dampfturbine Dampfschrauben ORC etc. Pfad über Vergasung: IGCC Gasturbine Nutzung in VKM 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% Exergetischer Umwandlungswirkungsgrad d. 2. Stufe Exergetische Effizienz der ersten Umwandlungsstufe 5

6 Prozesskette Biomassevergasung mit Gasreinigung, Rückstandsaufbereitung und Gasmotor-BHKW mit Funktion, Energie- und Stoffströme Hackschnitzel Nutzwärme Motorabgas Trocknung Vergasungsmittel Pyrolyse Partielle Oxidation Gaskühlung Gasreinigung- Entstaubung Gasreinigung- Teerbehandlung Entfeucht. Gasmotor Strom Asche Reduktion Ev. interne Wärmerückgewinnung Ev. Rückführung von Aufbereitungsrückständen Rückstandsaufbereitung Systemgrenze Nutzwärme Staub Abwasser Aufbereitungsrückstände 6

7 7

8 TU Graz Biomasse-Nah/Fernwärmenetze in der STMK Leistungsklassen: ca. 56%: Qth 500 kw ca. 35%: 500 < Qth 3000 kw ca. 9%: Qth 3000 kw KWK-Anlagen als wärmegeführte Grundlastanlagen Mittellastkessel Spitzenlastkessel [kwh th. / d] KWK-Modul [d] 0 8

9 Anforderungen an marktreife Technologien in der gesamten Prozesskette! Wirtschaftlichkeit Effizienz energetisch, exergetisch, gesamtenergetisch Einhaltung aller Standards: Sicherheit, Umwelt, Emissionen, Arbeitnehmerschutz - Genehmigbarkeit Verfügbarkeit Funktionalität der gesamten Anlage (verkettete Maschine) Funktionalität der Technologie 9

10 Wirbelschicht Güssing (TU Wien) 2 MW el Gekoppelte Zweiwirbelschicht-Vergasung (allotherme Dampfvergasung) Schwachstellen: Wärmeauskopplung Produktgas / Gaswäsche Untere wirtschaftliche Leistungsgrenze 2 MW el Problem d. Wärmeabnahme! 10

11 Brennstoff Vergasungsverfahren im Festbett Brennstoff Brennstoff Produktgas Luft Trocknung Trocknung Trocknung Pyrolyse Luft Pyrolyse Reduktion Oxidation Luft Produktgas Pyrolyse Oxidation Reduktion Luft Produktgas Luft Oxidation Reduktion Oxidation rel. Werte Temperatur/Gas Asche Asche Teergehalt Partikelgehalt Wirkungsgrad Gegenstrom Gleichstrom Zweizonen 11

12 Vergleich der Systeme hinsichtlich der Teerbeladung Reduktion der Teerbeladung auf 50mg/m³n Beispiel 1: Festbettvergaser konventionell Rohgasbeladung 1000 mg/m³n Teerreinigungsbedarf 10,8 kg/(24h, 100kWel) ], log Tar Content Raw Gas [mg/m 3 n Pyrolyse Misch- u. Rührkesselsyst. Festbett - Gegenstrom Festbett - Gleichstrom Festbett gestufte Syst. Limit Gasmotor 12

13 CleanStGas-Prototyp (Clean Staged Gasification) 2. Oxidation 1. Pyrolyse 3. Reduktion Hohe Gasqualität: 23% H 2, 18% CO, 1% CH 4 (Rest N 2, CO 2 ), Hu 5 MJ/Nm³ Niedrige Teerbeladung (< 25 mg/nm³) bereits im Rohgas! 13

14 Primärmaßnahmen warum? Erweiterung des einsetzbaren Brennstoffbandes (Feuchtigkeit, Stückigkeit, Porosität der Schüttung, etc.) Senkung der Produktgasbeladung mit Schadstoffen (Teere, Partikel) um die nachfolgende Gasreinigung weniger aufwendig in Investition, Betrieb und Wartung gestalten zu können. Durch die erreichte Anlagenkomplexität kann die untere wirtschaftliche Leistungsgrenze reduziert werden, wodurch die Realisierungsmöglichkeiten steigen. Dauerbetriebsfähigkeit wesentlich besser erreichbar Derzeitige Anlagenkonzeption erlaubt gezielte Beeinflussung hinsichtlich auftretender Anlagenemissionen mit guten Senkungspotentialen auf Basis hoher Produktgasreinheiten bzgl. teerartiger Verbindungen Erweiterung der Möglichkeiten des Gesamtprozesses hinsichtlich zukünftiger Anwendungen Stichwort Multifunktionales Energiezentrum - Neue Nutzungsmöglichkeiten für das Produktgas 14

15 Zusammenfassung und Ausblick Funktionstüchtigkeit des gestuften Vergasungskonzepts IWT, TU Graz ist erwiesen. Angestrebte Reinheit des Produktgases an Teeren nach der Gaserzeugung wurde erreicht. Gesamte Prozesskette reproduzierbar in vielen mehrtägigen Versuchen erfolgreich betrieben. Weitere Schritte hin zur Markteinführung: Durch die Problemlösung der organischen Schadstofffracht im Produktgas werden nun die Anorganika und deren Reduktion untersucht. Weitere Leistungssteigerungen möglich Verbesserung der Prozessautomatisierung Überprüfung der Dauerbetriebsfähigkeit (mannloser Betrieb über längere Zeit ) 15