Pflanzenöl als Kraftstoff in Klein-BHKW-Systemen

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1 Pflanzenöl als Kraftstoff in Klein-BHKW-Systemen 13. C.A.R.M.E.N-Symposium am 4./5. Juli 2005 in Straubing Dipl.-Ing. Raphael Lechner Techn. Thermodynamik / Erneuerbare Energien / Technikfolgenabschätzung Prof. Dr.-Ing. Markus Brautsch Fachhochschule Amberg-Weiden Studiengang Maschinenbau/Umwelttechnik Kaiser-Wilhelm-Ring Amberg r.lechner@fh-amberg-weiden.de

2 I. Vorstellung II. III. IV. Einführung Pflanzenöl als Kraftstoff in Motorsystemen Aufbau und die Funktionsweise von BHKW-Systemen V. Motorische Modifikationen für die Nutzung von Pflanzenölen VI. VII. VIII. IX. Stand der Technik Zukünftige Entwicklungen Der Holzgas-Pflanzenöl dual fuel Betrieb Projektbeispiele X. Zusammenfassung

3 I. Vorstellung Pflanzenölbetriebene Blockheizkraftwerke Hybride Inselnetze Stirling-Motoren Photovoltaik Biomasse

4 I. Vorstellung Planung Entwicklung Machbarkeitsstudien, Konzepte Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen

5 II. Einführung Que source: lle: Deutsche German Shell Shell world energy consumption [10 J] 18 Weltenergieverbrauch [10 18 J] 1500 Erneuerbare renewable Energien energy still Noch open offen geo Geothermie / ocean / energy Gezeite nkraft solar Sola rene energy rgie new Neue biomass Biomasse wind Windenergie energy waterpower Wasser kraf t trad. Trad. biomass Biomasse nuclear Kernene rgie Erdgas oil Erdöl coal Kohle

6 III. Pflanzenöl als Kraftstoff in Motorsystemen Molekularstruktur von Pflanzenöl

7 III. Pflanzenöl als Kraftstoff in Motorsystemen Physikalisch-chemische Kraftstoffeigenschaften im Vergleich mit Diesel und Biodiesel Einheit Diesel Rapsöl Biodiesel Dichte g/cm 3 0,83 0,900-0,930 0,875-0,900 Kinematische Viskosität (40 C) mm 2 /s 2-4 < 38 3,5-5 Heizwert MJ/kg 42 > 35 > 36 Flammpunkt C 60 > 220 > 100

8 III. Pflanzenöl als Kraftstoff in Motorsystemen Viskositätsverlauf von Pflanzenöl Quelle: Menrad, H. et. al.: Rapsöl als Motorenkraftstoff?

9 III. Pflanzenöl als Kraftstoff in Motorsystemen RK-Qualitätsstandard für Rapsöl als Kraftstoff

10 III. Pflanzenöl als Kraftstoff in Motorsystemen Energetische Bewertungskriterien für biogene Flüssigkraftstoffe Kumulierter Bereitstellungsenergieaufwand KEA H : Primärenergieaufwand zur Herstellung eines biogenen Flüssigkraftstoffs Bereitstellungsnutzungsgrad g: Verhältnis des Energieinhalts eines Brennstoffs zum Primärenergieaufwand für seine Bereitstellung g = Heizwert KEA Heizwert H +

11 III. Pflanzenöl als Kraftstoff in Motorsystemen Kumulierter Bereitstellungsenergieaufwand für biogene Flüssigkraftstoffe Kumulierter Energieaufwand zur Bereitstellung kea ges [MJ/kg] ,2 9, ,5 16,8 17,5 21,5 26, dezentral kaltgepresstes Rapsöl, Wirtschaftsdünger Schweinemast 4 zentral gepresstes Rapsölvollraffinat, Wirtschaftsdünger Schweinemast 7 zentral gepresstes Rapsölvollraffinat, Mineraldünger 2 3 dezentral kaltgepresstes Rapsöl, Wirtschaftsdünger Rinderhaltung dezentral kaltgepresstes Rapsöl, Mineraldünger 5 6 zentral gepresstes Rapsölvollraffinat, Wirtschaftsdünger Rinderhaltung Biodiesel - günstigste Variante 8 Biodiesel - ungünstigste Variante Quelle: Brautsch, M: Eine vergleichende Gesamtenergiebilanz für Photovoltaik Module und Pflanzenölblockheizkraftwerke

12 III. Pflanzenöl als Kraftstoff in Motorsystemen Bereitstellungsnutzungsgrade biogener Flüssigkraftstoffe 90,0 80,0 81,7 79,2 Bereitstellungsnutzungsgrad [%] 70,0 60,0 50,0 40,0 30,0 20,0 10,0 71,0 70,3 68,7 67,9 63,1 58,6 0, dezentral kaltgepresstes Rapsöl, Wirtschaftsdünger Schweinemast 4 zentral gepresstes Rapsölvollraffinat, Wirtschaftsdünger Schweinemast 7 zentral gepresstes Rapsölvollraffinat, Mineraldünger 2 3 dezentral kaltgepresstes Rapsöl, Wirtschaftsdünger Rinderhaltung dezentral kaltgepresstes Rapsöl, Mineraldünger 5 6 zentral gepresstes Rapsölvollraffinat, Wirtschaftsdünger Rinderhaltung Biodiesel - günstigste Variante 8 Biodiesel - ungünstigste Variante Quelle: Brautsch, M: Eine vergleichende Gesamtenergiebilanz für Photovoltaik Module und Pflanzenölblockheizkraftwerke

13 IV. Aufbau und Funktionsweise von BHKW-Systemen Schematischer Aufbau einer BHKW-Anlage Quelle: KW Energietechnik

14 IV. Aufbau und Funktionsweise von BHKW-Systemen Beispiel für ein Pflanzenöl-BHKW Generator Dieselmotor Abgaswärmetauscher Abgasschalldämpfer

15 IV. Aufbau und Funktionsweise von BHKW-Systemen Schema eines BHKW-Prüfstands an der FH Amberg Kaltgepresstes Rapsöl Rapsölvollraffinat Biodiesel Motor Start/Stop Schaltschrank Ausgleichsgefäß 5) Abgas 1) 2) 3) 4) 5) Motor Generator Abgaswärmetauscher Plattenwärmetauscher Abgasschalldämpfer 3) T Motor T Abgas Pufferspeicher 1) 4) Kraftstoffwaage T G 2) T L3 L2 L1 N Messrechner Durchflussmengenzähler Wärmemengenzähler

16 IV. Aufbau und Funktionsweise von BHKW-Systemen Kenngrößen von BHKW-Systemen Wirkungsgrad / Stromkennzahl in % Spezifischer Verbrauch in g / kwh el Elektrische Leistung in kw elektrischer Wirkungsgrad thermischer Wirkungsgrad Stromkennzahl Gesamtwirkungsgrad spezifischer Verbrauch 0

17 V. Motorische Modifikationen für die Nutzung von Pflanzenölen - Vergrößerung des Querschnitts der Kraftstoffleitungen - Kraftstoffvorwärmung - Externe Kraftstoffvorförderpumpe - Anpassung des Krafstofffiltersystems - Kontinuierlicher Schmierölaustausch (Plantotronic-Verfahren) - Glühkerzenmodifikation zur Verbesserung des Kaltstartverhaltens - Zylinderkopfvorwärmung zur Verbesserung des Kaltstartverhaltens - Modifikation der Einspritzdüsen - Änderung der Einspritzdrücke - Optimierung der motorischen Verbrennung (Zylinderdruckindizierung) - Oberflächenbehandlung von Kolben und Zylindern - Kaltstart im Elektromotorbetrieb über das Netz

18 V. Motorische Modifikationen für die Nutzung von Pflanzenölen Zylinderdruckindizierung in Abhängigkeit des Kurbelwellenwinkels Wirbelkammer Einspritzdüse Drucksensor mit Glühkerzenadapter Hauptbrennraum

19 V. Motorische Modifikationen für die Nutzung von Pflanzenölen Zylinderdruckindizierung in Abhängigkeit des Kurbelwellenwinkels Zündpunkt Zündpunkt Druck in bar Kurbelwellenwinkel 20 kw Pöl, 13,4 vot 20 kw Pöl, 8,8 vot unbefeuert

20 VI. Stand der Technik Stand der Technik - Zuverlässige Vor- und Wirbelkammertechnik - Erfahrungen bis ca Betriebsstunden im Netzparallelbetrieb - Leistungsspektrum von 5-80 kw elektrische Leistung - Geringfügig erhöhte Wartung gegenüber Heizölbetrieb - Erfahrung mit ca. 50 Anlagen im Netzparallelbetrieb - Erfahrung mit ca. 20 Anlagen im Inselbetrieb Voraussetzungen für störungsfreien Betrieb - Kontinuierlich gute Kraftstoffqualität (RK-Qualitätsstandard)! - Geeignete Kraftstofflagerung! - Geeignete Kraftstoffperipherie (keine Kupferleitungen)!

21 VI. Stand der Technik Beispiele für Pflanzenöl-BHKW-Module verschiedener Anbieter Giese Energator Völkl Multi-Fuel-Modul KW Energietechnik

22 VII. Zukünftige Entwicklungen - Übergang von Kammermotoren zu Direkteinspritzern - Nutzung moderner Hochdruckeinspritsysteme (Pumpe-Düse, Common-Rail) - Konsequente Optimierung der Pflanzenölverbrennung durch Nutzung der Möglichkeiten moderner Einspritzsysteme - Steigerung von elektrischem Wirkungsgrad und Stromkennzahl durch Applikation von Turboladern und modernen Einspritzsystemen - Reduzierung der Schallemissionen durch Voreinspritzungen - Reduktion der Abgasemissionen durch innermotorische Maßnahmen und Maßnahmen zur Abgasnachbehandlung (z.b. Rußpartikelfilter für Pflanzenöl) - Nutzung neuer Materialien und Beschichtungsmethoden - Nutzung anderer Pflanzenöle neben Rapsöl (z.b. Palmöl, Purgiernussöl) - Nutzung von Pflanzenölen in Kombination mit anderen Brennstoffen (z.b. Holzgas) im dual-fuel Betrieb

23 VIII. Der Holzgas-Pflanzenöl dual fuel Betrieb Schema eines dual fuel Motors (Zündstrahlmotor) Quelle: Spitz, Markus, Dissertation 1999

24 VIII. Der Holzgas-Pflanzenöl dual fuel Betrieb Die Versuchsanlage an der FH Amberg

27 VIII. Der Holzgas-Pflanzenöl dual fuel Betrieb Zylinderdruckverlauf im dual fuel Betrieb bei verschiedenen Einspritzzeitpunkten Zylinderdruckverlauf im Brennraum des Motors bei 1500 min Zylinderdruck absolut in bar OT Kurbelwellenwinkel in vor / nach OT 14kW HG, 13,4 vot 14kW HG, 12,1 vot 30 vot 30 not OT unbefeuert 14kW HG, 8,8 vot

28 IX. Projektbeispiele Glorer Hütte Glorer Hütte (Großglockner) - Sektion Eichstätt des DAV

29 IX. Projektbeispiele Glorer Hütte Pflanzenöltank Solargenerator (800 W p ) BHKW (19 kw el. ) /14 Solarladeregler 7 Lade- Gleichrichter 8 Batterie Puffer V 12V Wechselrichter 12 DC-Hausnetz 1~AC - Verbraucher 3~AC - Verbraucher (Lastenaufzug) Kraftstoffzähler Wärmemengenzähler Einstrahlungssensor 3~Drehstromzähler DC-Stromzähler Spannungsmesser AC-Stromzähler Einschaltzeitmessung

30 IX. Projektbeispiele Hütten des DAV Pflanzenöl BHKW-Systeme auf Hütten des DAV Glorer Hütte 20 kva el 45 kw th Mindelheimer Hütte 28 kva el 54 kw th Coburger Hütte 25 kva el 50 kw th Karl v. Edel Hütte 10 kva el 19 kw th Riemann Haus 28 kva el 54 kw th Brunnsteinhütte Lastenaufzug Sudetend. Hütte 22 kva el 42 kw th Kölner Haus 50 kva el 100 kw th Stüdl Hütte 6 kva el 12 kw th Staufen Haus 12 kva el 22 kw th Priener Hütte 22 kva el 42 kw th Neue Magdeburger 12 kva el 22 kw th Kaiserjochhaus 10 kva el 19 kw th Schiestelhaus 12 kva el 22 kw th Ingolstädter Haus 28 kva el 54 kw th Kärlinger Haus 28 kva el 54 kw th

31 IX. Projektbeispiele Studentenwerk Oberfranken, Wohnheim Amberg Standardvariante 280 kw Gasbrennwerttechnik Variante 1.1 Variante 1.2 Variante kw therm. Gas-BHKW im Netzparallelbetrieb mit Spitzenlastkessel 60 kw therm. Gas-BHKW im Netzparallelbetrieb mit Spitzenlastkessel 2 x 40 kw therm. Gas-BHKW im Netzparallelbetrieb mit Spitzenlastkessel Variante 2.1 Variante 2.2 Variante kw therm. Gas-BHKW / 50 % Eigenstromnutzung 60 kw therm. Gas-BHKW / 50 % Eigenstromnutzung 2 x 40 kw therm. Gas-BHKW / 50 % Eigenstromnutzung Variante 3.1 Variante kw therm. Pflanzenöl-BHKW im Netzparallelbetrieb mit Spitzenlastkessel 2 x 40 kw therm. Pflanzenöl-BHKW im Netzparallelbetrieb mit Spitzenlastkessel Variante kw therm. Biomassefeuerung Variante kw therm. Gasbrennwerttechnik mit Solarthermie

32 IX. Projektbeispiele Studentenwerk Oberfranken, Wohnheim Amberg Standardvariante: Gasbrennwertkessel therm. Leistungsbedarf in [kw] Gasbrennw ert (280 kw) Jahresstunden in [h]

33 IX. Projektbeispiele Studentenwerk Oberfranken, Wohnheim Amberg KWK-Variante: Pflanzenöl-BHKW + Gasbrennwertkessel therm. Leistungsbedarf in [kw] Gaskessel (250 kw) Pflanzenöl-BHKW (44 kw) Jahresstunden in [h]

34 IX. Projektbeispiele Studentenwerk Oberfranken, Wohnheim Amberg KWK-Variante: 2 x Pflanzenöl-BHKW + Gasbrennwertkessel therm. Leistungsbedarf in [kw] Gaskessel (200 kw) Pflanzenöl-BHKW (2 x 44 kw) Jahresstunden in [h]

35 Ausgaben in [ /a] Standardvariante Variante 1.1 Variante 1.2 Variante 1.3 Variante 2.1 Variante 2.2 Variante 2.3 Variante 3.1 Variante 3.2 Variante 4 Variante 5 IX. Projektbeispiele Studentenwerk Oberfranken, Wohnheim Amberg Jahresgesamtkosten Summe Kapitalgebundener Kosten Summe verbrauchsgebundener Kosten Summe betriebsgebundener Kosten Summe sonstiger Kosten Varianten

36 IX. Projektbeispiele Studentenwerk Oberfranken, Wohnheim Amberg Einnahmen aus der Stromproduktion Steuerrückerstattung Vermiedene Stromkosten Stromgutschrift Einnahmen in [ /a] Varianten

37 IX. Projektbeispiele Studentenwerk Oberfranken, Wohnheim Amberg Spezifische Wärmegestehungskosten 7,00 5,17 5,87 6,32 6,51 4,49 4,34 4,46 4,68 4,66 6,55 6,61 6,00 5,00 4,00 3,00 2,00 1,00 spez. Wärmegestehungskosten in [cent/kwh] 0,00 Standardvariante Variante 1.1 Variante 1.2 Variante 1.3 Variante 2.1 Variante 2.2 Variante 2.3 Variante 3.1 Variante 3.2 Variante 4 Variante 5 Varianten

38 IX. Projektbeispiele Studentenwerk Oberfranken, Wohnheim Amberg CO 2 -Emissionen CO2-Jahresemissionen in [t/a] -200 Absolute Jahresemissionen Relative Einsparungen gegenüber Standardvariante -250 Standardvariante Variante 1.1 Variante 1.2 Variante 1.3 Variante 2.1 Variante 2.2 Variante 2.3 Variante 3.1 Variante 3.2 Variante 4 Variante 5

39 X. Zusammenfassung - Kaltgepresste Pflanzenöle werden als eine Form erneuerbarer Energien uneingeschränkt den Forderungen einer nachhaltigen Energiequelle gerecht - Die kombinierte Strom- und Wärmebereitstellung in Blockheizkraftwerken ist hocheffizient und spart ca. 40 % Primärenergie gegenüber der konventionellen Energieversorgung - Konventionelle stationäre Seriendieselmotoren können an den Betrieb mit Pflanzenöl angepasst werden. - Technisch zuverlässige Systeme im Leistungsspektrum von 5-80 kw elektrisch - Neue technologische Ansätze im dual-fuel Betrieb und in der Modifikation direkteinspritzender Motoren - Ideale Energiequelle in ökologisch sensiblen Gebieten und Inselnetzen - Nach EEG-Novelle ist wirtschaftlicher Betrieb im Netzparallelbetrieb möglich

40 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!