Kriterien zur Auslegung und Optimierung von Biomassefeuerungsanlagen in der Praxis

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1 Kriterien zur Auslegung und Optimierung von Biomassefeuerungsanlagen in der Praxis Kassel, Dipl. -Ing Nils Oldhafer Dipl. -Ing Daniel Depta umwelttechnik & ingenieure GmbH Wöhlerstraße Hannover

2 Gliederung 1. Einleitung 2. Auslegung von Biomassekraftwerken 3. Optimierungspotenziale Vergleich zu 4. Fazit und Ausblick Kriterien zur Auslegung und Optimierung von Biomassefeuerungsanlagen in der Praxis u&i Folie 1

3 1. Einleitung - Biomassefeuerungsanlagen heute Ziel der EU 27 (20% Erneuerbare Energien) Quelle: Eurostat Kriterien zur Auslegung und Optimierung von Biomassefeuerungsanlagen in der Praxis u&i Folie 2

4 1. Einleitung Biomassefeuerungsanlagen heute Rahmenbedingungen und Bilanzgrenze VERLUSTE UND ABGASE FIX DESIGN FIX BIOMASSEART BIOMASSEKRAFTWERK NUTZENERGIE Kriterien zur Auslegung und Optimierung von Biomassefeuerungsanlagen in der Praxis u&i Folie 3

5 1. Einleitung Biomassefeuerungsanlagen heute Biomassefeuerungen in Deutschland Größenordnung: Hausbeheizung ab 5 kw Kraftwerksbereich bis 50 MW th Wärmenutzung: Direkte Nutzung (z.b. Trocknung) Dampfprozess (Strom + Wärmeauskopplung) Wärmeauskopplung - Fernwärme - Prozesswärme für Industriebetriebe - Lebensmittelindustrie - Papierindustrie - Holzindustrie Kriterien zur Auslegung und Optimierung von Biomassefeuerungsanlagen in der Praxis u&i Folie 4

6 1. Einleitung Biomassefeuerungsanlagen heute Biomasse als Brennstoff Verwendung von: Holz, Waldholz, Restholz, Altholz Landschaftspflegebegleitgrün Kerne (Oliven- & Kirschkerne) Blätter, Pflanzen, Pflanzenbestandteile Verfügbarkeit Transport Brennstoffparameter Heizwert (H u ) Wassergehalt Aschegehalt 16,5 19 MJ/kg % auf Frischmasse 0,6 9 % (Trockenmasse) Kriterien zur Auslegung und Optimierung von Biomassefeuerungsanlagen in der Praxis u&i Folie 5

7 1. Einleitung Biomassefeuerungsanlagen heute Biomasse als Brennstoff Heizwert Wassergehalt Trocknung, abhängig von: Lagerung Feuerung Biomasseart (Heizwert trocken) Mehrwert der Energieerzeugung Quelle: FNR Kriterien zur Auslegung und Optimierung von Biomassefeuerungsanlagen in der Praxis u&i Folie 6

8 1. Einleitung Biomassefeuerungsanlagen heute Biomasse als Brennstoff Aschegehalt Höherer Aschegehalt Brennstoff Heizwert in MJ/kg Aschegehalt in % (Trockenmasse) Steinkohle 29,7 8,3 Fichtenholz (mit Rinde) 18,8 0,6 Pappelholz (Kurzumtrieb) 18,5 1,8 Weidenholz (Kurzumtrieb) 18,4 2,0 Landschaftspflegeheu 17,4 5,7 Weidelgras 16,5 8,8 Miscanthus (Gras) 17,6 2-3,9 Rohrschwingel Höhere Aufwendigere 16,4 8,5-11 Straßengrasschnitt Staubfracht 14,1 Entstaubung bis 23 Quelle: Kaltschmitt Kriterien zur Auslegung und Optimierung von Biomassefeuerungsanlagen in der Praxis u&i Folie 7

9 Gliederung 1. Einleitung 2.Auslegung von Biomassekraftwerken 3. Optimierungspotenziale Vergleich zu 4. Fazit und Ausblick Kriterien zur Auslegung und Optimierung von Biomassefeuerungsanlagen in der Praxis u&i Folie 8

10 2. Auslegung von Biomassefeuerungsanlage Wärmenutzung mit Wasserdampf-Kreislauf Entnahmediagramm Entnahmediagramm 1,9 MW elektrisch Dampfturbine 1,2 MW thermisch Wirkungsgrad bis 2 MW el η isentrop = 75% Wirkungsgrad bis 50 MW el η isentrop = 85% Je kleiner die Turbine, desto höher die spezifischen 3 t/h Verluste! Kriterien zur Auslegung und Optimierung von Biomassefeuerungsanlagen in der Praxis u&i Folie 9

11 2. Auslegung von Biomassefeuerungsanlage Rohgasemissionen einer Hackschnitzelverbrennung Entstaubung Schadstoffe Biomassefeuerung Typische Rohgasemissionen Grenzwerte für naturbelassenes Holz (TA-Luft) in mg/m³ in mg/m³ in mg/m³ in mg/m³ Mittelwert Bereich >5 MW < 5 MW < 2,5 MW SO Rohgas Zyklon Gewebefilter oder E-Filter NO x als NO Partikel i.d.r. Nur Entstaubung erforderlich Asche Quelle: FNR Kriterien zur Auslegung und Optimierung von Biomassefeuerungsanlagen in der Praxis u&i Folie 10

12 Gliederung 1. Einleitung 2. Auslegung von Biomassekraftwerken 3.Optimierungspotenziale Vergleich zu 4. Fazit und Ausblick Kriterien zur Auslegung und Optimierung von Biomassefeuerungsanlagen in der Praxis u&i Folie 11

13 3. Optimierungspotenziale - Vergleich zu Vergleich zu Kohlekraftwerke: Ähnlichkeiten zu Biomassekraftwerken in Feuerungen (Rostfeuerung) Technik (Dampferzeugung) Feste Brennstoffe Träges Regelverhalten Stahlwerkstoffe E- und Leittechnik Dampfparameter (Frischdampf) für Kohlekraftwerke: 250 bar bei 560 C bis maximal 350 bar bei 640 C (Eddystone, USA) Kriterien zur Auslegung und Optimierung von Biomassefeuerungsanlagen in der Praxis u&i Folie 12

14 3. Optimierungspotenziale - Vergleich zu Feuerungssysteme für Kohlekraftwerke nach steigender Gasgeschwindigkeit der Primärluft Quelle: Strauß Kriterien zur Auslegung und Optimierung von Biomassefeuerungsanlagen in der Praxis u&i Folie 13

15 3. Optimierungspotenziale - Vergleich zu Höhere Dampfdaten Verbesserungen des elektrischen Wirkungsgrades bei Dampfkraftwerken Verbesserungen des elektrischen Wirkungsgrades bei Dampfkraftwerken Quelle: Baehr, Ergänzungen Kriterien zur Auslegung und Optimierung von Biomassefeuerungsanlagen in der Praxis u&i Folie 14

16 3. Optimierungspotenziale - Vergleich zu Optimierungsmaßnahmen Nr. Maßnahme 1 Werkstoffe 2 Kühlung / Kondensatordruck 3 Zwischenüberhitzung 4 Größendegression 5 Trocknung 6 Kesselwirkungsgrad 7 Rauchgaskondensation 8 ORC (Organic Rankine Cycle) 9 Rauchgaskondensation + ORC 10 Strömungssimulationen CFD Kriterien zur Auslegung und Optimierung von Biomassefeuerungsanlagen in der Praxis u&i Folie 15

17 3. Optimierungspotenziale - Vergleich zu Optimierungsmaßnahmen 1. Werkstoffe Bessere Werkstoffe erlauben höhere Dampfparameter besserer Wirkungsgrad η Bei Biomassefeuerungen möglich, aber teurer! Ni 2. Kühlung Kondensatordruck Mit sinkendem Kondensatordruck steigt der Wirkungsgrad. Bsp: Senkung des Kondensatordrucks um 0,01 bar erhöht den elektrischen Wirkungsgrad um 0,2 %. Kriterien zur Auslegung und Optimierung von Biomassefeuerungsanlagen in der Praxis u&i Folie 16

18 3. Optimierungspotenziale - Vergleich zu Optimierungsmaßnahmen 3. Zwischenüberhitzung (ZÜ) ZÜ werden bereits gebaut i.d.r. als einfache ZÜ. Dampfnässe sinkt BK Turbine 4. Größendegression Mit zunehmender Anlagengröße sinken spezifische Verluste i.d.r. nicht möglich. Gründe: Einzugsradius & Verfügbarkeit der Biomasse Anlagen arbeiten häufig in Energie-Nischen Kriterien zur Auslegung und Optimierung von Biomassefeuerungsanlagen in der Praxis u&i Folie 17

19 3. Optimierungspotenziale - Vergleich zu Optimierungsmaßnahmen 5. Trocknung der Biomasse Deutliche Heizwerterhöhung Je geringer die Brennstofffeuchte, desto höher der Kesselwirkungsgrad, da die Rauchgasmenge und damit die Abgasverluste sinken. Sinnvoll, wenn durch die Trocknung ein energetischer Mehrwert erreicht wird. Abhängigkeit ist nicht linear und muss für jeden Fall neu untersucht werden. Beispiel: Trocknung eines Brennstoffmassenstrom (19 t/h, 55% Wassergehalt) um 10% Erforderlicher Energieaufwand Trocknung: ca. 3,3 MW 6. Kesselwirkungsgrad Kriterien zur Auslegung und Optimierung von Biomassefeuerungsanlagen in der Praxis u&i Folie 18

20 3. Optimierungspotenziale - Vergleich zu Optimierungsmaßnahmen 7. Rauchgaskondensation Sinnvoll bei feuchten Brennstoffen (Wassergehalt 30%) Kesselwirkungsgrad steigt deutlich aufgrund besserer Brennstoffnutzung (bis 5%) Wasserdampffahne am Kamin verschwindet Verfahren ist aufwendig und teuer! Wärmenutzung Vorlauf Rücklauf Rauchgas warm 130 C Rauchgaskanal 130 C 70 C Kondensat Kriterien zur Auslegung und Optimierung von Biomassefeuerungsanlagen in der Praxis u&i Rauchgas kondensiert Folie 19

21 3. Optimierungspotenziale - Vergleich zu Optimierungsmaßnahmen 8. ORC (Organic Rankine Cycle) Dampfprozess mit niedrigsiedendem Silikonöl oder Kältemittel Abwärmenutzung des Abgases aus der Biomasseverbrennung Optimale Anpassung an die Wärmesenke 9. Kombination: Rauchgaskondensation mit ORC Optimierte Wärmenutzung Höherer Stromertrag Besserer Gesamtwirkungsgrad Strom 27 % Kühlung 60 % BKW Abgas 13 % Strom 13 % Abgas 100 % Kriterien zur Auslegung und Optimierung von Biomassefeuerungsanlagen in der Praxis u&i ORC Abwärme 87 % Folie 20

22 3. Optimierungspotenziale - Vergleich zu Optimierungsmaßnahmen 10. Optimierung bestehender Anlagen durch Strömungssimulation (CFD) Beispiel einer Strömungssimulation an einem Rauchgaskanal. Eigenstromeinsparung durch die Verringerung der Druckverluste (Wirkungsgraderhöhung) Kriterien zur Auslegung und Optimierung von Biomassefeuerungsanlagen in der Praxis u&i Folie 21

23 Gliederung 1. Einleitung 2. Auslegung von Biomassekraftwerken 3. Optimierungspotenziale Vergleich zu 4. Fazit und Ausblick Kriterien zur Auslegung und Optimierung von Biomassefeuerungsanlagen in der Praxis u&i Folie 22

24 4. Fazit & Ausblick Die Biomassefeuerungsanlagen morgen Es zeigt sich im Alltag immer wieder ein sorgfältiges Design am Anfang bringt den "größten" Effizienzsprung Erst die Ökonomie der Größe würde direkte Ableitungen aus dem Bereich der Großkraftwerke ermöglichen Wir sehen ein großes Potenzial bei der optimalen Anpassung eines ORC Prozess an die Wärmesenke Die Frage ob eine Brennstofftrocknung gewinnbringend ist, kann nur im Einzelfall entschieden werden Die Wirkungsgraderhöhung mittels Rauchgaskondensation sehen wir durchaus bei neuen Konzepten, als auch bei Modernisierungen Kriterien zur Auslegung und Optimierung von Biomassefeuerungsanlagen in der Praxis u&i Folie 23

25 1. Einleitung Biomassefeuerungsanlagen heute Kriterien zur Auslegung und Optimierung von Biomassefeuerungsanlagen in der Praxis u&i Folie 24

26 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit umwelttechnik & ingenieure GmbH Wöhlerstraße 42, Hannover Tel.: 0511/ Kriterien zur Auslegung und Optimierung von Biomassefeuerungsanlagen in der Praxis u&i Folie 25