Steigerung der Effizienz von Biogas-BHKW durch Mini-ORC-Anlagen

Transkript

1 BKW durch Mini-ORC-Anlagen 3. Bayreuther Bioenergiesymposium, Dr.-Ing. Andreas Obermeier

2 Einführung Energieflußbild Biogas-BKW mechanische Energie Biogas Abgas Nutzwärme? Kühlwasser Strahlung Motoröl Wärmeverluste Motor Wärmeübertrager BKWs durch Mini-ORC-Anlagen Seite 2

3 Temperatur Einführung Optionen der BKW-Wärmenutzung Motorabgas Stromerzeugung Prozessdampferzeugung Motorkühlwasser Kälteerzeugung Trocknung eizung BKWs durch Mini-ORC-Anlagen Seite 3

4 Einführung Stromerzeugung mittels Dampfkraftprozess Wärmesenke Wärmequelle BKWs durch Mini-ORC-Anlagen Seite 4

5 Einführung Anwendungsgebiete Organic Rankine Cycle (ORC) Tiefen-Geothermie Quelle: Gammel Duvia Engineering Biomasse-eizkraftwerke Abwärmenutzung Biogas-BKW Quelle: ORMAT Industries Abwärmenutzung Industrie BKWs durch Mini-ORC-Anlagen Seite 5

6 Ziele der Studie Identifizierung geeigneter Biogas-BKW als Fallbeispiele Analyse und Bewertung von Möglichkeiten zur Nachverstromung der Abwärme mittels o einer neu entwickelten Mini-ORC-Anlage o weiterer Schaltungsvarianten Ableitung von Empfehlungen BKWs durch Mini-ORC-Anlagen Seite 6

7 Mini-ORC-Anlage Merkmale + Nutzung der Abgaswärme + Cyclopentan als Arbeitsmedium + Direktverdampfung ohne Thermoölkreislauf + Verzicht auf internen Rekuperator + 15 kw el Mikroexpansionsturbine BKWs durch Mini-ORC-Anlagen Seite 7

8 Mini-ORC-Anlage Anlagenschema BKWs durch Mini-ORC-Anlagen Seite 8

9 Mini-ORC-Anlage Ansicht Besichtigungsmöglichkeit im Anschluss an das Symposium BKWs durch Mini-ORC-Anlagen Seite 9

10 Fallbeispiele für die ORC-Nachverstromung Anlagendaten Anlage 1 Anlage 2 Anlage 3 Motortyp 1 Gas-Ottomotor 2 Gas-Ottomotoren 2 Gas-Ottomotoren Inbetriebnahme Brennstoffleistung 946 kw 1006 kw 1741 kw Elektrische Leistung 380 kw 370 ( ) kw 605( ) kw Thermische Leistung 486 kw 470 kw 859 kw Wärmenetz nein nein ja Volllaststunden Abgastemperatur 460 C 510 C 450 C Abwärmenutzung ca. 20 % eizung, Warmwasserbereitung ca. 30 % eizung, Getreidetrocknung ca. 40 % Industrie, öff. Einrichtungen BKWs durch Mini-ORC-Anlagen Seite 10

11 Anwendung Mini-ORC auf Fallbeispiele Ergebnisse Anlage 1 Anlage 2 Anlage 3 Bruttoleistung (Abgasauskühlung 180 C) 20,8 kw 26,4 kw 21,0 kw Nettoleistung (Abgasauskühlung 180 C) 17,6 kw 22,4 kw 17,7 kw Bruttoleistung (Abgasauskühlung 120 C) 25,1 kw 30,9 kw 25,4 kw Nettoleistung (Abgasauskühlung 120 C) 21,3 kw 26,4 kw 21,6 kw Abgasauskühlung für 15 kw Bruttoleistung 260 C 326 C 259 C BKWs durch Mini-ORC-Anlagen Seite 11

12 Schaltungsvarianten Erweiterungen des einfachen ORC Interner Rekuperator Zusätzliche Nutzung des Motorkühlwassers Fluidgemische Überkritischer Prozess Zweistufiger ORC Massenstromaufspaltung BKWs durch Mini-ORC-Anlagen Seite 12

13 Schaltungsvarianten Interner Rekuperator (IR) Abgas ORC-Fluid Luftkühlung 8 9 BKWs durch Mini-ORC-Anlagen Seite 13

14 Schaltungsvarianten Motorkühlwasser und interner Rekuperator (MKW+IR) Abgas ORC-Fluid Luftkühlung Wasser 8 9 BKWs durch Mini-ORC-Anlagen Seite 14

15 Schaltungsvarianten Motorkühlwasser und Druckwasserkreislauf (MKW+DWK) Abgas ORC-Fluid Luftkühlung Wasser BKWs durch Mini-ORC-Anlagen Seite 15

16 Anwendung Schaltungsvarianten auf Fallbeispiele Leistungssteigerung gegenüber Mini-ORC-Anlage BKWs durch Mini-ORC-Anlagen Seite 16

17 Forschung und Entwicklung Untersuchungen zur thermischen Zersetzung von ORC-Fluiden BKWs durch Mini-ORC-Anlagen Seite 17

18 Forschung und Entwicklung Aufbau eines ORC-Testfeldes als Teilprojekt im Kompetenzzentrum KWK Teststrecke Verdampfung Teststrecke Entspannung Teststrecke Kondensation BKWs durch Mini-ORC-Anlagen Seite 18

19 Forschung und Entwicklung Erarbeitung wirtschaftlicher Konzepte zur Verstromung von Abwärme Wesentliche Parameter: Temperatur der Wärmequelle Leistungsbereich spezifische Investitionen Stromvergütung BKWs durch Mini-ORC-Anlagen Seite 19

20 Fazit Umfassendes Wärmenutzungskonzept für Biogas-BKWs stets vorteilhaft, aber häufig nicht oder nur eingeschränkt realisierbar Zur Nachverstromung vorrangig Abgaswärme nutzen (z.b. einfache 15 kw el Mini-ORC-Anlage für BKWs ab ca. 220 kw el ) Direkte Einkopplung der Abgaswärme in den ORC Integration eines internen Rekuperators bei höheren Abgastemperaturen Komplexere Schaltungsvarianten nicht wirtschaftlich Standardisierung/Modularisierung zur Senkung der Kosten von ORC-Anlagen BKWs durch Mini-ORC-Anlagen Seite 20

21 Mitwirkung und Beiträge zur Präsentation Theresa Weith, M.Sc. Dipl.-Ing. Markus Preißinger Dr.-Ing. Florian eberle Prof. Dr.-Ing. Dieter Brüggemann Tobias Frank Benjamin Schmitt Matthias Daschner BKWs durch Mini-ORC-Anlagen Seite 21

22 Vielen Dank Dr.-Ing. Andreas Obermeier