Innovative Biomassefeuerungstechnologie aus Österreich für den Einsatz im Geschoßwohnbau, in Mikronetzen und in der Objektwärmeversorgung

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1 Innovative Biomassefeuerungstechnologie aus Österreich für den Einsatz im Geschoßwohnbau, in Mikronetzen und in der Objektwärmeversorgung DI Dr. Alexander Weissinger*, DI Kurt Jauschnegg*, DI Dr. Robert Scharler** *KWB KRAFT & WÄRME AUS BIOMASSE GMBH, Industriestrasse 235, A-8321 St. Margarethen an der Raab, Tel.: +43 (0) , Fax: +43 (0) , Internet: **Bios Bioenergiesysteme GmbH, Graz Marktsituation Der Brennstoff feste Biomasse - speziell Holzpellets - hat in den vergangenen Jahren einen rasanten Aufstieg am Brennstoffmarkt hinter sich und der Aufwärtstrend dieses regenerativen Brennstoffes scheint kein Ende zu nehmen. In Zeiten von schwankenden Öl- und steigenden Gaspreisen sowie einer starken Stromlobby haben sich die kleinen Presslinge aus Säge- und Hobelspänen durch eine stabile und berechenbare Preispolitik gegenüber den fossilen Energieträgern behaupten ja sogar durchsetzen können. Wurden sie am Anfang vor allem in Skandinavien in großen zentralen Heizkraftwerken, welche ganze Städte mit Strom und Wärme versorgen, verfeuert, begann im deutschsprachigen Mitteleuropa und hier vor allem in Österreich die Erfolgsgeschichte Holzpellets Mitte der Neunzigerjahre des letzten Jahrtausends. In Mitteleuropa ist der Markt im speziellen der Wärmemarkt allerdings anders strukturiert als in Skandinavien. Hier findet man im ländlichen Raum zum überwiegenden Teil den normalen Hausbrand im Einfamilienhausbereich bzw. kleinere dezentrale Wärmeversorgungen vor. Holzpellets finden vor allem im normalen Hausbrand in Einfamilienhäusern mit Heizlasten in der Größenordnung von kw ihren Einsatz. Neben der Pelletsqualität ist hauptsächlich die mittlerweile längst ausgereifte und von sehr hohem technologischem Standard geprägte Kleinfeuerungstechnologie aus Österreich für den Siegeszug der Pellets verantwortlich. Im Bereich kleiner dezentraler Wärmeversorgungen kommen neben Hackgutheizanlagen vor allem auch für den Brennstoff Pellets adaptierte Hackgutheizungen zum Einsatz. Der Nennleistungsbereich all dieser Kessel liegt dabei im Bereich kleiner 100 kw. Große Städte werden meist mit Fernwärme, die aus fossil befeuerten Kraftwerken ausgekoppelt wird, versorgt. Eine lange Tradition haben in Österreich und den angrenzenden Nachbarländern auch zentrale Biomassefernheizwerke, die kleine Städte und Gemeinden mit Wärme versorgen und mit Hackschnitzel befeuert werden. Ein großes Handicap aller Fernwärmeversorgungen sind jedoch die hohen Investitions- und Erhaltungskosten für das Fernwärmenetz, die sich natürlich auch im Wärmepreis und den Anschlusskosten für die Kunden widerspiegeln. Vor diesem Hintergrund haben sich weitere für den Brennstoff Biomasse speziell Pellets - zukunftsträchtige Wärmeversorgungsmärkte herauskristallisiert. Neben dem Geschoßwohnbau sind das vor allem Mikronetze im Siedlungsbaubereich, mit im Vergleich zu Fernwärmenetzen kurzen und kostengünstigen Wärmeleitungen, aber auch die Objektwärmeversorgung (Firmengebäude, Gemeindezentren, ). Typische Heizlasten in diesen Bereichen liegen zwischen 80 und 500 kw. Mangels interessanter Verkaufszahlen für die Biomasse-Kesselindustrie gab es bisher jedoch nur sehr wenige Kesselanbieter, die mit ihrem Produktsortiment den Anforderungen in den genannten Teilmärkten gerecht werden wollten und konnten. Der Großteil der Kesselhersteller blieb mit ihren Leistungsgrößen unter 80 kw. Darüber wurden erst wieder Leistungsgrößen ab ca. 500 kw aufwärts angeboten, wobei diese Kessel bereits in den Bereich Anlagenbau fallen. Aus einer wachsenden Nachfrage am Markt nach Kesseln im Leistungsbereich von kw heraus, hat sich KWB entschlossen, ein entsprechendes Produkt zu entwickeln und auf den Markt zu bringen. 1

2 Das Ergebnis dieser Entwicklungsarbeit ist die Kesselserie TDS Powerfire (die Abkürzung TDS steht für Turbo Drehrost mit Selbstreinigung), mit der sich KWB neben den vollautomatischen Pellets- und Hackgutheizanlagen in Leistungsgrößen von kw sowie den Holzvergaserkesseln von kw ein weiters Standbein geschaffen hat.. TDS Powerfire: Innovative Biomassefeuerungstechnologie im Leistungsbereich bis 300 kw Der TDS ist konzipiert für den Einsatz im Geschoßwohnbau, im Siedlungsbaubereich (Mikronetze) und in der Objektwärmeversorgung (Firmengebäude, Gemeindezentren, Landwirtschaft,...). Mit Kesselleistungsgrößen zwischen kw deckt er genau jenen Heizlastbereich ab, der für diese Einsatzfälle typisch ist. Bei Ausführung als Doppelkesselanlage können sogar größere Wärmeversorgungen (bis 600 kw) realisiert werden (Abbildung 1). Abbildung 1: TDS Powerfire 150 kw Die Entwicklungsvorgabe für den Kessel war, den Bedienungskomfort einer Kleinanlage und den Verbrennungsregelungs- und Emissionsstandard einer Großanlage bei optimalem Wirkungsgrad zu erzielen. Das im TDS Powerfire verfeuerbare Brennstoffspektrum reicht von Holzpellets (nach ÖNORM M 7135 und DIN 51731) über Industriepellets und Hackgut (B1 und B2 nach CEN TC 335) bis hin zu Pellets aus alternativen festen Biomassen aus der Landwirtschaft. Das Herz des TDS sind zwei im Hause KWB neu entwickelte Technologien die mittlerweile zum Patent angemeldet wurden. Das innovative Drehrostbrennsystem mit Luftstufung sowie die nachgeschaltete senkrecht stehende Zyklonbrennkammer mit tangentialem Rauchgaseintritt als Nachverbrennungseinheit. Zusammen mit dem modularen Wärmetauscherkonzept und der KWB Comfort 3.0 Regelung setzt der TDS Powerfire somit in vier Bereichen neue technologische Akzente im Leistungssegment bis 300 kw. Auch in der Entwicklung wurden neue Wege beschritten. Unter Zuhilfenahme von Strömungssimulationsrechnung (CFD - Computational Fluid Dynamics) wurde für diesen Leistungsbereich erstmalig eine Feuerung vor dem Bau des ersten Prototypens optimiert. Begleitet und unterstützt wurde die Entwicklung und Optimierung des Feuerraums, speziell der Rotationsbrennkammer des TDS-Brennsystems durch CFD-Simulationen in Zusammenarbeit mit einem externen Forschungspartner, der Firma BIOS Bioenergiesysteme GmbH in Graz [1]. Patentiertes Drehrostbrennsystem Das Drehrostbrennsystem besteht aus dem Einschub, ausgeführt als Seiteneinschub, dem eigentlichen Drehrost und dem Entaschungssystem. Der Drehrost setzt sich dabei aus sich drehenden und konzentrisch um die Drehachse angeordneten Ringrostelementen zusammen. Der Brennstoff wird dabei mittels einer Rostdrehung um ca. 270 durch den Brennraum transportiert, 2

3 bevor er über eine Rostabräumschnecke auf den Aschenring abgeworfen wird. Durch ein spezielles Luftverteilungssystem wird gewährleistet, dass immer die für das momentane Verbrennungsstadium erforderliche Luftmenge zugeführt wird. Das Entaschungssystem sorgt einerseits für die effiziente Entaschung des Drehrostes und sammelt andererseits die in der nachgeschalteten Zyklonbrennkammer abgeschiedene Flugaschenfraktion. Beide Aschefraktionen werden gemeinsam entweder in einen angebauten Aschebehälter oder in einen Aschecontainer gefördert (Abbildung 2). Das Drehrostbrennsystem macht den TDS Powerfire aufgrund eines neu entwickelten und mit minimaler Sensorik ausgestatteten Brennstofferkennungssystems flexibel für die Verfeuerung eines breiten Brennstoffbandes, sowohl hinsichtlich Wassergehalt und Korngröße als auch Energieinhalt, und bewährt sich auch bei Brennstoffen mit hohen Aschegehalten, wie sie bei alternativen festen Biomassebrennstoffen aus der Landwirtschaft vorkommen. Die neu entwickelte intelligente und berührungslose Füllstandsregelung in Kombination mit einer ebenfalls neu entwickelten innovativen Abbrandregelung am Rost gewährleisten einerseits optimale Vergasungsbedingungen in der Rostzone und ermöglichen andererseits einen Low-NOx-Betrieb für niedrige Stickoxidemissionen. Über eine Kaskade von PID Reglern werden die Parameter der Feuerraumtemperatur, Abgastemperatur, Kesseltemperatur, O 2 -Gehalt, Glutbetttemperatur überwacht und die Luftzufuhr, der Brennstoffeinschub, die Rostgeschwindigkeit auf den jeweiligen Wassergehalt und die Schüttdichte des Brennstoffs optimiert. Damit kann eine gleichbleibende Verbrennungsqualität gewährleistet werden. Zum Schutz vor einer Überfüllung, oder bei Versagen eines Sensors überwacht eine Lichtschranke die Glutbetthöhe. Patentierte stehende Rotationsbrennkammer mit tangentialer Rauchgaseinströmung Der Übergang von der Primärverbrennungszone zur Nachverbrennungszone in Form der Zyklonbrennkammer ist als speziell ausgeformte Düse ausgebildet, an der die Sekundärluft eingebracht wird. Die Brenngase münden tangential in die stehende Rotationsbrennkammer und werden durch die spezielle Geometrie der Düse von Sekundärluft umströmt und anschliessend in eine nach oben gerichtete Rotationsströmung gezwungen (Abbildung 3). Abbildung 2: Brennsystem Patentiertes KWB Drehrost Abbildung 3: Patentierte Stehende Rotationsbrennkammer mit tangetialerrauchgaseindüsung 3

4 CFD-Gestützte Feuerraumoptimierung im Entwurfsstadium Die Geometrie dieser Sekundärluftdüse wurde gemeinsam mit der Brennraumgeometrie anhand von CFD-Simulationen dahingehend optimiert, dass eine vollständige und raschest mögliche Durchmischung von Rauchgas und Sekundärluft in der Nachverbrennungszone erreicht wird. Dadurch ist ein vollständiger Ausbrand der Rauchgase in Form von minimalsten CO- und CxHy- Emissionen garantiert (Abbildung 4, Abbildung 5:). Durch die CFD-Simulationen war es möglich die Feuerraumgeometrie dahingehend zu optimieren, dass eine möglichst hohe und rasche Durchmischung von unverbrannten Verbrennungsgasen mit rezirkuliertem Rauchgas erreicht wird. Dies hat eine effiziente Vermeidung von Temperaturspitzen und Verschlackungen in der Primärverbrennungszone und einen verbesserten CO-Ausbrand zur Folge. Durch diese Massnahme war es möglich, die innovative Feuerraumgeometrie bereits vor dem Prototypenstadium zu evaluieren und zu optimieren. Abbildung 4: Isoflächen der CO-Konzentrationen im Rauchgas [ppmv] in horizontalen Schnittebenen durch die Feuerung Brennstoff Hackgut Abbildung 5: Isoflächen der O2-Konzentration [Vol%] in horizontalen Schnittebenen durch die Feuerung Brennstoff Hackgut 4

5 Mit Hilfe der CFD-unterstützten Optimierung war es überdies möglich die Feuerraumgeometrie dahingehend zu optimieren, dass eine bestmögliche Ausnutzung und eine Minimierung der Feuerraumvolumina erreicht wurden. Trotz dieser überaus kompakten Bauweise können daher die für einen effektiven CO-Ausbrand genügend langen Verweilzeiten in der Primär- und Sekundärverbrennungszone gewährleistet werden. Totzonen im Strömungsbild konnten wirkungsvoll verhindert werden. Das Strömungsbild bleibt für alle berechneten Lastfälle stabil. Die Geometrie und die sich in Drallform ausbildende Strömung in der Zyklonbrennkammer sorgen weiters für eine äußerst wirkungsvolle Abscheidung von Flugaschepartikeln. Modulares Wärmetauscherkonzept und hocheffiziente Wärmetauscherreinigung Die dritte technologische Neuerung ist das Modulare Wärmetauscherkonzept (Abbildung 6). Das Rohrbündel ist mit einer neu entwickelten innovativen und vollautomatischen Wärmetauscher ausgestattet, die für eine regelmäßige effiziente Reinigung der Rauchrohre sorgt. Die abgereinigte und in den Wendekammern gesammelte Aschefraktion wird vom Reinigungssystem aus dem Kessel herausgefördert und in einen angebauten separaten Aschebehälter bzw. in einen Aschecontainer transportiert. Die in der Zyklonbrennkammer ausgebrannten Rauchgase strömen anschließend durch den Wärmetauscher. Dieser besteht aus stehenden Rauchrohrbündeln, die in nebeneinander angeordneten Modulen zusammengefasst sind. Durch diese Anordnung wird der Rauchgasstrom in den Wendekammern mehrmals zu Richtungsänderungen gezwungen, wodurch eine bestmögliche Abscheidung von Flug- und Feinstaub (Aerosole) im Wärmetauscher erreicht wird. Um eine optimale Wartung und Service zu garantieren wurde das System so gestaltet, dass der gesamte wassergekühlte Brenner ausgefahren werden kann. Abbildung 6: Schnittansicht modulares Wärmetauscherkonzept KWB TDS Powerfire 150 5

6 Comfort Zukunftsweisende Regelungs- und Bedienungsplattform Als besonderes Highlight des TDS ist das von KWB neu entwickelte und mittlerweile bei allen KWB-Kesseltypen implementierte Regel- und Bedienkonzept Comfort 3.0. Diese neue Regelungsplattform basiert auf einem modular erweiterbaren Baukastensystem und umfasst die Feuerungsregelung und ein umfangreiches Wärmemanagement für Heizkreise, Pufferspeicher und Brauchwasserboiler. In der Grundausstattung besteht die Comfort 3.0 aus der Basis I/O-Platine und der Bedieneinheit. Je nach Kundenanforderung kann diese Grundausstattung durch analoge und digitale Fernbediengeräte sowie maximal 16 Heizkreiserweiterungsmodule ergänzt werden. Mit einem Heizkreis-erweiterungsmodul können zudem zwei Heizkreise und wiederum je ein Pufferspeicher und Warmwasserboiler angesteuert werden. In der Maximalkonfiguration kann somit das Wärmemanagement von 32 Heizkreisen und je 16 Pufferspeicher und Warmwasserboiler betrieben werden. Abbildung 7: Bedieneinheit KWB Comfort 3.0 Die Bedienung der Anlage über die Bedieneinheit sowie der digitalen Fernbedienung erfolgt nur mehr durch ein Drehrad und zwei Bedienknöpfe. Sämtliche Einstellungen für das Mikronetz und die Betriebsparameter der Feuerung können menügeführt an einem großzügigen Grafikdisplay vorgenommen bzw. abgelesen werden. Die Kommunikation unter den einzelnen Regelungsteilnehmern erfolgt mittels Bussystem (Abbildung 8). Weiters besteht die Möglichkeit der PC-Anbindung zwecks Fernwartung und Anlagenvisualisierung. Zusätzlich zur generell kompakten Ausführung des TDS wurde auch auf einen externen Schaltschrank verzichtet dies stellt in diesem Leistungsbereich ebenfalls eine Neuheit dar. Die Regelungsplatine (inklusive sämtlicher Klemmleisten) und die Bedieneinheit konnten, von Hitzeeinfluss abgeschirmt und zum Vorteil für das Kesseldesign, in die Verkleidung integriert werden, wodurch die Kompaktheit des TDS zusätzlich unterstrichen wird. 6

7 Abbildung 8: Beispiele für der Heizkreissteuerung mit der KWB Comfort 3.0 Steuerung Mikronetze mit dem TDS Powerfire: Abgestimmt auf den Anlagenbetreiber und den Kunden als Wärmekonsumenten, Betriebserfahrungen Der TDS wurde für den Einsatz im Geschoßwohnbaubereich, in Mikronetzen und in der Objektwärmeversorgung konzipiert. Durch die modulare Erweiterbarkeit und das Bedienkonzept der Regelungsplattform Comfort 3.0, der Unempfindlichkeit des Brennsystems hinsichtlich unterschiedlicher Brennstoffqualitäten sowie der hohen Energieeffizienz der Anlage und deren Kompaktheit kann den Anforderungen in den genannten Einsatzbereichen voll entsprochen werden. Aufgrund der modularen Erweiterbarkeit und der Vielzahl an Ausstattungs- und Ausführungsvarianten der Comfort 3.0 ist die Planung und Realisierung von Wärmeversorgungskonzepten - genau abgestimmt auf die Bedürfnisse der Kunden - möglich. Mit dem neuen Bedienkonzept der Comfort 3.0 erlebt der Anlagenbetreiber und der Kunde als Wärmebezieher zudem einen in der Branche der Biomasseheizungen und im speziellen in diesem Leistungsbereich - nie da gewesenen Bedienkomfort. Ein Beispiel wie so eine Mikronetzanwendung aussehen könnte ist in Abbildung 9 ersichtlich. 7

8 Abbildung 9: Beispiel einer Mikronetzanwendung TDS Powerfire mit KWB Comfort 3.0 Die Betriebserfahrungen der ersten Jahre zeigten eine sehr hohe Stabilität der guten Emissionswerte. Test am Prüfstand mit alternativen landwirtschaftlichen Brennstoffen zeigten ebenfalls bereits sehr gute Emissionen, ohne dass die Analge speziell auf die entsprechenden Brennstoffe abgestimmmt wurde [3]. Die Messungen zeigten insbesondere für diese Brennstoffe sehr geringe Werte an Feinstaubemissionen. Ebenso zeigten Feldmessungen, sowie unabhängige Messungen an einer Strohpelletsversuchsfeuerung sehr gute Emissionswerte [2]. Ein Auszug der Ergebnisse kann hier gegeben werden (Abbildung 11 und 12) O2 Gehalt (Vol.%) Wirkungsgrad (%, berechnet) NOx (mg/nm? bei 13 Vol% O2 trrg) CO (mg/nm? bei 13 Vol% O2 trrg) Tgas ( C) Abbildung 10: Beispiel einer Kennlinienerfassung bei der Inbetriebnahme 8

9 Staub (mg/nm bei 13 Vol% O2 trrg) Pellets Feinstaub Gesamtstaub Gesamtstaub (min. Messwert) Hackgut Giant Reed Switchgrass Pellets Miscanthus Abbildung 11: Staubemissionen und Feinstaubemissionen bei verschiedenen Brennstoffsortimenten; Hackgut und Pellets: Messung TÜV Österreich, Giant Reed, Switchgrasspellets, Miscanthus [3]; Gesetzlicher Grenzwert 150 mg/nm_ bei 13 Vol% O2 tr. RG Zusammenfassung Durch die kompakte Ausführung des TDS ergibt sich ein geringerer Platzbedarf der Feuerung im Heizhaus und infolgedessen auch niedrigere spezifische Kosten für das nötige umbaute Raumvolumen. Die implementierte automatische Brennstofferkennung macht den TDS unempfindlich gegen schwankende Brennstoffqualitäten und sortimente. Aufgrund des erlaubten breiten Brennstoffbandes hat der Betreiber sogar die Möglichkeit, aus einer Vielzahl an Brennstoffen auszuwählen und die Anlage so noch kostenorientierter zu betreiben. Darüber hinaus garantiert die hinsichtlich Energieeffizienz und Emissionsreduktion durchgeführte Entwicklung und Optimierung des TDS Powerfire dem Anlagenbetreiber beste Brennstoffausnutzung und in weiterer Folge geringere Brennstoffkosten sowie minimalste Emissionen. Ausgeführt als Doppelkesselanlage können in Zukunft mit dem TDS Powerfire Wärmeversorgungen bis zu 600 kw realisiert werden. Doppelkesselanlagen haben gegenüber Einzelanlagen vor allem den Vorteil der effizienteren Teillastregelbarkeit, was sich in einer besseren Brennstoffausnutzung und einer höheren Anlagenlebensdauer auswirkt. Der TDS Powerfire wurde vom Bundesministerium für Land- und Forstwirtschaft, Umwelt- und Wasserwirtschaft in Kooperation mit dem Oberösterreichischen Energiesparverband mit dem Innovationspreis Energie Genie 2004 ausgezeichnet. und erhielt den Energy Globe Styria Award 2004 in der Sonderkategorie Innovativstes Produkt. 9

10 Danksagung FFF Forschungsförderungsfonds der Gewerblichen Wirtschaft für die finanzielle Unterstützung des Projektes. BIOS Bioenergiesysteme GmbH, Graz für die gute und erfolgreiche Zusammenarbeit. Literatur 1. OBERNBERGER, I., SCHARLER, R., WEISSINGER, A., SCHMIDT, W.: CFD-GESTÜTZTE ENTWICKLUNG UND OPTIMIERUNG VON PELLETS- UND HACKGUTFEUERUNGEN FÜR DEN KLEINEN UND MITTLEREN LEISTUNGSBEREICH, Fachbeitrag zur Europäischen Pelletskonferenz im März 2005 in Wels, Österreich, Oktober 2004, 2. HASLINGER, W., EDER, G., WÖRGETTER, M., 2004: IMPROVEMENT OF STRAW PELLETS FUEL QUALITY THROUGH ADDITIVES; 2 nd World Conference on Biomass for Energy, Industry and Climate Protection, May 2004, Rome, Italy 3. DAHL, J., OBERNBERGER I.: EVALUATION OF THE COMBUSTION CHARACTERISTICS OF FOUR PERENNIAL ENERGY CROPS (ARUNDO DONAX, CYNARA CARDUNCULUS, MISCANTHUS X GIGANTEUS AND PANICUM VIRGATUM), 2 nd World Conference on Biomass for Energy, Industry and Climate Protection, May 2004, Rome, Italy 10