Prof. Dr. Ingwald Obernberger BIOS-Energiesysteme, Graz (A)

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1 Altholz-Heizkraftwerk mit ORC-Prozess und Fernwärmeund -kältekunden in Fussach / Vorarlberg (A) Prof. Dr. Ingwald Obernberger BIOS-Energiesysteme, Graz (A) Technischer Überblick Innovative Komponenten Feuerungsanlage, Thermoölkessel, RG-Reinigung ORC-Prozess Absorptionskältemaschine Energiebilanz Investitionen, Subventionen, Wärme und Kältetarif P A U L S C H E R R E R I N S T I T U T

2 Altholz-Heizkraftwerk mit ORC-Prozess und Fernwärmeund Kältekunden in Fussach/Vorarlberg (A) PROF.DIPL.-ING.DR. INGWALD OBERNBERGER BIOS BIOENERGIESYSTEME GmbH Graz, Inffeldgasse 21b, 8010 Graz, AUSTRIA Tel.: ; Fax: ; Homepage: Kurzfassung Im Rahmen eines nationalen Demonstrationsprojektes wurde im März 2002 durch die Firma BIOSTROM Erzeugungs GmbH in Fussach (Vorarlberg, Österreich) eine innovative Biomasse-Kraft-Wärme-Kälte-Kopplungsanlage auf Basis des ORC-Prozesses in Betrieb genommen. Die Anlage, die ausschließlich mit qualitätssortiertem Altholz befeuert wird, stellt eine erstmals in dieser Form realisierte Anlagenkombination von Biomasse-Feuerung, ORC (Organic Rankine Cycle)-Prozess und Niedertemperatur-Absorptionskältemaschine dar. Durch den Betrieb der Anlage mit einer elektrischen Nennleistung von kw können jährlich rund MWh Strom aus erneuerbaren Energieträgern ins öffentliche Netz eingespeist werden. Darüber hinaus versorgt die Anlage einen nahe gelegenen Kälteabnehmer mit Prozesswärme (thermische Energie zum Antrieb der Absorptionskältemaschine: rund MWh/a). Die restliche nutzbare Energie (rund MWh/a) steht für weitere Prozess- und Fernwärmeabnehmer zur Verfügung (zukünftiger Ausbau). Die Biomasse-Kraft-Wärme-Kälte-Kopplungsanlage besteht im wesentlichen aus einer Low- NO x -Feuerungsanlage, einem Thermoölkessel mit nachgeschaltetem Thermoöl-ECO (Nennleistung: kw th ), einem Warmwasser-Economiser (Nennleistung: kw th ), einer umfangreichen Rauchgasreinigung, dem ORC-Modul sowie einer Niedertemperatur-Absorptionskältemaschine. Durch die optimierte Verschaltung der einzelnen Anlagenteile und die damit verbundene Minimierung der Rauchgasverluste ist eine effiziente Betriebsweise der Gesamtanlage gegeben (feuerungstechnischer Wirkungsgrad rund 92%). Der elektrische Wirkungsgrad des ORC- Prozesses (= produzierte Strommenge / zugeführte thermische Energie) liegt bei rund 19%, die Leistungszahl der Niedertemperatur-Absorptionskältemaschine (=produzierte Kälteleistung / zugeführte thermische Leistung) beträgt 0,75. Um eine möglichst hohe Verfügbarkeit der Feuerungsanlage zu gewährleisten, wird der Brennstoff (qualitätssortiertes Altholz der Qualitätsklassen Q1 bis Q4 laut Österreichischem Branchenkonzept Holz) einer mehrstufigen Aufbereitung unterzogen. Nach einer optischen Eingangskontrolle wird das Altholz in einem Mehrschrittverfahren zerkleinert, sortiert und von Eisen- sowie auch von Nicht-Eisen-Metallen und anderen Störstoffen befreit. Durch die Verringerung des Anteils an Störstoffen (Sand, Glas, Kunststoff) sowie leicht schmelzenden Metallen (insbesondere Aluminium) kann die Gefahr der Verschlackung der Brennkammer und des Thermoölkessels durch Auftreten von Asche- bzw. Metallschmelzen erheblich reduziert werden. Die Low-NO x -Feuerungsanlage weist eine speziell für Altholzfeuerungen konzipierte Feuerraumgeometrie mit lokal thermoölgekühlten Flächen auf. Um das durch den Einsatz von Altholz erhöhte Risiko zur Bildung von Ascheschmelzen und Depositionen im Kessel zu mini-

3 mieren, basiert die Anlage auf einem innovativen und erstmals für Biomasse-Feuerungen realisierten Konzept eines Thermoölkessels mit getrennten Strahlungs- und Konvektionsheizflächen sowie einer integrierten Regelung der Rauchgaseintrittstemperatur in den Konvektionsteil durch Rauchgasrezirkulation. Das Kernstück der Anlage stellt das ORC-Modul mit einer elektrischen Nennleistung von kw el dar. Das Prinzip der Stromerzeugung mittels ORC-Prozess entspricht dem des konventionellen Wasser-Dampf-Prozesses, mit dem wesentlichen Unterschied, dass statt Wasser ein organisches Arbeitsmittel mit speziell abgestimmten thermodynamischen Eigenschaften verwendet wird - daher der Name Organic Rankine Cycle. Der ORC-Prozess ist ein in sich geschlossener Prozess, der über Wärmeaustausch zum einen mit dem Thermoölkreislauf (Input an thermischer Energie bei Nennlast: kw) und zum anderen mit dem Fernwärmenetz (Output an thermischer Energie bei Nennlast: kw) verbunden ist. Die speziellen Vorteile der ORC-Technologie liegen in ihrer Robustheit (hohe Lebensdauer, geringe Instandhaltungskosten), in der vollautomatischen und unbemannten Betriebsweise (Personalbedarf nur 3 bis 5 Stunden pro Woche), dem praktisch drucklosen Kesselbetrieb (kein Dampfkesselwärter erforderlich), in ihrem ausgezeichnetem Teillastverhalten und dem vergleichsweise hohen elektrischen Wirkungsgrad. Neben dem ORC-Prozess stellt die Niedertemperatur-Absorptionskältemaschine die zweite wesentliche Komponente der Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung dar. Die im Heizkraftwerk über den ORC-Kondensator und den Warmwasser-Economiser ausgekoppelte Wärme dient als Antriebsenergie für die Absorptionskältemaschine und wird dieser in Form von Fernwärme zugeführt. Die installierte Kältemaschine (Kältemittel: schwache Lithiumbromid-Wasser-Lösung) weist eine Kälteleistung von kw th auf und liefert über das gesamte Jahr kontinuierlich hochwertige Niedertemperaturkälte von konstant 5 C Kaltwassertemperatur. Trotz der sehr geringen Vorlauftemperatur von C (wesentlich für den effizienten Betrieb des ORC-Prozesses) erreicht die Kältemaschine eine hohe Leistungszahl von 0,75. Diese Daten belegen die im Heizkraftwerk realisierte optimierte Kopplung von Strom- und Kälteproduktion. Die Anlage ist mit einer umfassenden Rauchgasreinigung und einer kontinuierlichen Emissionsmessanlage ausgestattet, um die sehr strengen Grenzwerte der neuen EU-Richtlinie 2000/76/EG für Abfallverbrennungsanlagen gesichert einzuhalten. Nach Vorentstaubung des Rauchgases in einem Multizyklon erfolgt in einem Gewebefilter mit integrierter Trockensorption (zur effizienten HCl-, HF- und SO 2 -Reduktion) die Feinentstaubung und Schwermetallabscheidung. Die von der BIOSTROM Erzeugungs GmbH betriebene Anlage stellt weltweit die erste Biomasse-Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung auf ORC-Basis dar. Biomasse-Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen auf ORC-Basis haben in den letzten Jahren die Marktreife erreicht. Gegenwärtig werden in Österreich, Deutschland, Italien, der Schweiz, Tschechien und den Niederlanden bereits rund 50 ORC-Anlagen mit elektrischen Nennleistungen zwischen 200 und kw el auf Biomasse-Basis betrieben, ca. 20 Anlagen befinden sich derzeit in Planung bzw. in Bau. Das größte Einsatzpotenzial für Biomasse-Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen auf ORC-Basis liegt in mittelgroßen holzbe- und holzverarbeitenden Betrieben, in dezentralen Altholzfeuerungen sowie in Biomasse-Fernheiz(kraft)werken (Neubau oder Umrüstung bestehender Anlagen).

4 Altholz-Heizkraftwerk mit ORC-Prozess und Fernwärme- und Kältekunden in Fussach / Vorarlberg (A) Prof.Dipl.-Ing.Dr. Ingwald Obernberger BIOS BIOENERGIESYSTEME GmbH Inffeldgasse 21b, A-8010 Graz, Austria TEL.: +43 (316) ; FAX: +43 (316) Fernwärmetagung Januar 2007 Gliederung 2 Konzeption der Kraft-Wärme-Kälte-Kopplungsanlage Technische Daten und Energiebilanz Innovative Komponenten Einbindung des ORC-Prozesses in die KWKK-Anlage Beschreibung der Absorptionskältemaschine Wirtschaftliche Eckdaten Zusammenfassung und Schlussfolgerungen 6. Fernwärmetagung Januar

5 Projektträger Projekttitel: Projektträger: Gesellschafter: Innovative Biomasse-Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung auf Altholzbasis BIOSTROM Erzeugungs GmbH, Hard MAWERA Holding GmbH, Hard Ing. Günther Lehner, Hard Hubert Häusle Ges.m.b.H. & Co KG, Lustenau BIOS BIOENERGIESYSTEME GmbH, Graz Gefördert als innovatives nationales Demonstrationsprojekt durch Mittel des Bundesministeriums für Land- und Forstwirtschaft, Umwelt und Wasserwirtschaft, Abwicklung durch die Kommunalkredit Public Consulting GmbH, sowie durch Mittel der österr. Forschungsförderungsgesellschaft mbh (FFG) Fernwärmetagung vom 18. Januar 2007 Schema Gesamtanlage Biomassefeuerung & Thermoölkessel Thermoölkreislauf T VL=300 C Thermoöl/Wasser- Wärmetauscher ORC-Prozess Turbine Kälteerzeugung Thermoöl-ECO Thermoölkessel Verbrennungsluft Verdampfer ORC- Prozess G Generator (direkt betrieben) P=1.150 kw el Trockenkühler Regenerator Kompressionskältemaschine (Stand-By) Kühlturm T Feuerung FR=900 C Arbeitsmittelpumpe Kondensator Absorptionskältemaschine Kühlwasser Biomasseaufbereitung Rauchgas Rauchgas Gewebefilter mit Trockensorption Warmwasser Economiser Multizyklon T RL=55-75 C T VL=75-95 C Warmwasserkreislauf Kaltwasser AUSTREIBER VERDAMPFER VERFLÜSSIGER ABSORBER Kälteverbraucher P=2.400 kw th T RG=170 C Gewebefilterasche Zyklonasche 2

6 Technische Daten (I) Elektrische Leistung ORC: kw Nennleistung Thermoölkessel und -ECO: kw Nennleistung Warmwasser-Economiser: kw Thermische Antriebsleistung - Absorptionskältemaschine: kw Nutzbare Leistung Fernwärme: kw Inbetriebnahme KWKK: 03/2002 Standort: Fussach, Vorarlberg / Österreich 5 6. Fernwärmetagung Januar 2007 Technische Daten (II) Eingesetzter Brennstoff: MWh/a aufbereitetes Altholz (Qualitätsklasse Q1 bis Q4 laut österr. Branchenkonzept Holz), Wassergehalt: ca. 25 Gew% Erzeugter Strom aus Biomasse: MWh/a Erzeugte Wärme aus Biomasse: MWh/a Thermische Energie zum Antrieb der Absorptionskältemaschine: MWh/a Erzeugte Kältemenge: MWh/a Restliche nutzbare thermische Energie (Fern- und Prozesswärme ab Heizkraftwerk): MWh/a Rauchgas- und Wärmeverluste: MWh/a 6 6. Fernwärmetagung Januar

7 Energieflussbild Heizkraftwerk Kältezentrale Biomasse Hu MWh/a kw Brennstoffmenge: t FS/a Warmwasser- Economiser Rostkühlung TÖ/Wasser-WT Rauchgasverluste MWh/a Leitungsverluste MWh/a Thermische Energie zur Absorptionskältemaschine MWh/a kw Kühlturm Thermoölkessel + Thermoöl-ECO Thermoöl ORC- Prozess el. Strom MWh/a kw Umwandlungsverluste 600 MWh/a Nutzbare thermische Energie (Potential für Fernwärme- und Prozesswärmenutzung) MWh/a kw produzierte Kälte MWh/a kw 7 6. Fernwärmetagung Januar 2007 Heizkraftwerk 8 6. Fernwärmetagung vom 18. Januar

8 Technologische Innovationen Erste Biomasse-Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung auf ORC-Basis weltweit Altholzaufbereitungsanlage mit Eisen- und Nicht-Eisen- Metallabscheidung Low-NO x -Altholzfeuerung mit CFD-optimierter Geometrie Thermoölkessel mit getrennten Strahlungs- und Konvektionsheizflächen und automatischer Kugelregen-Abreinigungsanlage Hocheffizienter Gewebefilter mit integrierter Trockensorption Energetisch optimierte Verschaltung des ORC-Prozess mit einer Niedertemperatur-Absorptionskältemaschine 9 6. Fernwärmetagung Januar 2007 Altholzqualität Qualitätssortiertes Altholz der Klassen Q1 bis Q4 laut österreichischem Branchenkonzept Holz Q1... Naturbelassene Rest- und Althölzer Q2... Rinde Q3... Bindemittelhaltige und halogenfrei beschichtete Rest- und Althölzer Q4... Oberflächenbehandelte Rest- und Althölzer Fernwärmetagung Januar

9 Brennstoffaufbereitung (I) Qualitätssortierung Qualitätssicherung Vorsortierung bei Brennstoffannahme Störstoffaussortierung am Sturzplatz Zweistufige Zerkleinerung Zweistufige Eisen-Metallabscheidung Nicht-Eisen-Metallabscheidung Fernwärmetagung Januar 2007 Brennstoffaufbereitung (II) Hersteller Altholzaufbereitung: Vecoplan Maschinenfabrik GmbH & Co KG Fernwärmetagung Januar

10 Brennstoff vor/nach Aufbereitung Fernwärmetagung Januar 2007 Low-NO x Feuerung mit CFD-optimierter Geometrie Sekundärverbrennungszone Übergang zum Thermoölkessel Temperatur- Profil Thermoölgekühlte Wandflächen Brennstoffzufuhr Primärverbrennungszone Flachschubrost mit Brennstoffbett Bau und Errichtung der Feuerungsanlage: MAWERA Holzfeuerungsanlagen GmbH Fernwärmetagung Januar

11 Flachschubrost Fernwärmetagung Januar 2007 Altholzfeuerung + Thermoölkessel Rauchgasrezirkulation Feuerung Thermoölkessel Strahlungsteil Konvektionssteil Rauchgas II II II thermoölgekühlte Zone Multizyklon Sekundärluft Thermoöl Vorlauf Thermoöl- ECO Thermoöl Rücklauf Zyklonasche I Warmwasser- Economiser Kesselasche Flachschubrost Kesselasche Primärluftventilatoren Feuerraumasche (Grobasche) I Primärverbrennungszone II Sekundärverbrennungszone Fernwärmetagung Januar

12 Automatische Kugelregen-Abreinigungsanlage Thermoölkessel Konvektionsteil Thermoöl- ECO Warmwasser- Economiser Rauchgas 1. Kugelabscheider 2. Verteiler 3. Förderleitung 4. Siebmaschine 5. Staubtrichter 6. Kugelsammelbehälter 7. Dosierventil mit Injektor 8. Gebläse 9. Luftüberschuss Rauchgas Hersteller Thermoölkessel inkl. Kugelregen- Abreinigungsanlage: maxxtec AG Fernwärmetagung Januar 2007 Rauchgasreinigung Vorentstaubung Trockensorption Feinentstaubung Filter-Bypass Rauchgaskanal Bypass- Klappe Kontinuierliche Emissionsmessanlage (Staub, NOx, CO,CO2) Saugzug Reingas Zyklonasche Injektor Gewebefilterasche Multizyklon Sorbenssilo Hersteller Rauchgasreinigung: Scheuch GmbH Fernwärmetagung Januar 2007 Gewebefilter Kamin 9

13 Ergebnisse durchgeführter Emissionsmessungen Komponente Messwert Grenzwert Einhaltung Ges. Staub mg/m 3 1,9 10 ja org. C mg/m 3 < 5 10 ja NO x (NO 2) mg/m ja CO mg/m 3 < ja HCl mg/m 3 4,8 10 ja HF mg/m 3 < 0,3 0,7 ja SO 2 mg/m 3 27,5 50 ja Schwermetalle - Hg g/m 3 10,7 50 ja - Cd + Tl g/m 3 < ja - Sb + As + Pb + Cr + Co + Cu + Mn + Ni + V g/m 3 0, ja PCDD/F ng/m 3 < 0,01 0,1 ja Sämtliche Vorgaben laut EU-Richtlinie 2000/76/EG und laut österreichischer Abfallverbrennungsverordnung werden eingehalten Fernwärmetagung Januar 2007 ORC-Prozess Anlagenschema Turbine Thermoöl- ECO Thermoölkreislauf G Generator (direkt betrieben) Thermoölkessel Biomasse Verdampfer ORC- Prozess Regenerator Verbrennungsluft Feuerung Arbeitsmittelpumpe Kondensator Rauchgas Warmwasser Economiser Absorptionskältemaschine Warmwasserkreislauf Kälteverbraucher Fernwärmetagung Januar

14 ORC-Prozess Komponenten Quelle: Fa. Turboden, Brescia (I) 1 Regenerator 2 Kondensator 3 Turbine 4 Elektrischer Generator 5 Umwälzpumpe 6 Vorwärmer 7 Verdampfer 8 Fernwärme-Vorlauf 9 Fernwärme-Rücklauf 10 Thermoöl-Vorlauf 11 Thermoöl-Rücklauf Fernwärmetagung Januar 2007 ORC-Prozess - technische Daten Thermische Leistung Input (Thermoöl) kw Heizmedium Thermoöl Eintrittstemperatur (Nennbetriebspunkt) 300 C Austrittstemperatur (Nennbetriebspunkt) 250 C Arbeitsmittel Silikonöl Thermische Leistung Output (Kondensator) ca kw Kühlmedium Wasser Eintrittstemperatur (Nennbetriebspunkt) 69 C Austrittstemperatur (Nennbetriebspunkt) 83 C Elektrische Nettoleistung bei Nennlast kw Elektrischer Nettowirkungsgrad bei Nennlast 18,9 % Fernwärmetagung Januar

15 Absorptionskältemaschine - Prinzip Warmwasser Austreiber Verflüssiger Kühlwasser Verdampfer Wärmetauscher Absorber Kühlwasser Starke Lösung Schwache Lösung Mischlösung Kältemittel Kaltwasser Kühlwasser Warmwasser Fernwärmetagung Januar 2007 Absorptionskältemaschine technische Daten Thermische Antriebsleistung kw Heizmedium Heißwasser Erforderliche Wassertemperatur (Vorlauf) C Kälteleistung kw Kaltwassertemperatur - Vorlauf 5 C Kaltwassertemperatur - Rücklauf 8 C Kältemittel Lithiumbromid/Wasser Leistungszahl 0, Fernwärmetagung Januar

16 Absorptionskältemaschine Hersteller Absorptionskältemaschine: WEIR ENTROPIE Gmbh Fernwärmetagung Januar 2007 Wirtschaftliche Eckdaten Investitionskosten Heizkraftwerk 6,1 Mio. Investitionskosten Kältezentrale 1,4 Mio. Investitionskosten Fernwärmetrasse zur Kältezentrale 0,5 Mio. Gesamtinvestitionskosten 8,0 Mio. Subvention 30 % (der Investitionskosten) Altholzpreis* -5,5 /to Stromeinspeisetarif* 110 /MWh Kältepreis* 17,64 /MWh * Bezugsbasis: Fernwärmetagung vom 18. Januar

17 Schlussfolgerungen und Empfehlungen (I) Die umweltfreundliche thermische Verwertung von qualitätssortiertem Altholz ist gesichert möglich Der Qualität des Brennstoffes (Altholzaufbereitung, Klassen Q1 bis Q4) und einer entsprechenden Qualitätskontrolle kommen große Bedeutung zu Die Anlagentechnik (Feuerung, Kessel, Rauchgasreinigung) muss speziell auf den Brennstoff Altholz abgestimmt sein Absorptionskältemaschinen können sinnvoll in Biomasse-KWK-Anlagen eingebunden werden und eröffnen große industrielle Anwendungspotentiale und mehr Flexibilität bzgl. Wärmenutzung Fernwärmetagung Januar 2007 Schlussfolgerungen und Empfehlungen (II) ORC-Anlagen lassen sich mit Niedertemperatur- Absorptionskältemaschinen sehr gut kombinieren und fast vollautomatisiert betreiben Ein wirtschaftlicher Betrieb derartiger Anlagen erscheint ab Kesselnennleistungen größer gleich 5,0 MW th sinnvoll Ein weitgehend wärme- bzw. kältegeführter Betrieb und eine hohe Anzahl von Jahresvolllaststunden (> h/a) stellen wichtige wirtschaftliche Rahmenbedingungen dar Fernwärmetagung Januar

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