Dr. Christoph Unger. Fraunhofer-Institut

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1 Holzvergasung: Stand der Technik 2009 Dr. Christoph Unger Fraunhofer-Institut Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT, Oberhausen

2 BEWEGTES BRENNSTOFFBETT (gravimetrische Brennstoffbewegung) Trocknungszone Pyrolysezone Reduktionszone Oxidationszone Gas Luft Gegenstrom FLUIDISIERTES BRENNSTOFFBETT Brenn- Brenn- GG GL Kombi WS stoff stoff Asche Luft Gas Asche Gleichstrom Teergehalt /+ Teerinstabilität Kohlenstoffumsatz +/ Brennstofftoleranz 0/ Wirbelbett Freeboard Luft Gas Asche Siphonluft Primärluft Gas Asche Brennstoff Sekundärluft Brennstoff Wirbelschicht

3 Zeitraum 2004 bis Anlagen errichtet 15 Anbieter davon 12 Gleichstromfestbetten kw el Module ca kw el installiert davon ca kwel in 2008 Elektrische Gesamtarbeit in 2008 << kw * 7500 h? Zufriedene Betreiber Daten Kombiniert aus FNR Projekt: Schwachstellenanalyse BHKW-Holzvergaseranlagen März 2005 mit eigenen Erhebungen

4 Haupteinflussgrößen auf Minderung des Wirtschaftsertrages der Anlagen: -Störungen / Stillstände -Zu niedrige max. Leistung Stromproduktion -Zu hoher Holzverbrauch -Reparaturen /Verschleiß -Höhere Entsorgungskosten (schlechter Ausbrand, Teeranfall, Abwasser wenn kein kondensatfreier Betrieb möglich

5 Anforderungen an den Betreiber zum Erreichen hoher Verfügbarkeiten auch bei heutiger BAT der Holzvergasung: -Strickte Einhaltung der Brennstoffspezifikation Stückigkeit, Wassergehalt -Schnelle Verfügbarkeit des Bedienpersonals (<10 min) (auch bei hoher Regelungsautomatisierung) -Realer täglicher Arbeitsumfang min. 1-1,5 h -Eigenschulung aller Bediener über die begleitete Startphase hinaus => Trotz inzwischen ereichter Jahresbetriebsstunden > 7000 h keine plug and play Lösungen in Sicht

6 Sonstige Beeinträchtigung der Zufriedenheit: Geruchsbelästigung gegf. Gesundheitsgefährdung d insbesondere bei nicht gasdichter Hausung der Wäschersysteme und bei Wartungsarbeiten Rudimentäre Handbücher Unklare oder obsolete Warnmeldungen

7 Die Betreiber müssen auf die Bereitstellungsmenge und -qualität von Biomasse selbst Einfluss nehmen und die verfügbare Biomasse und das Vergasungsverfahren müssen unbedingt aufeinander abgestimmt sein. Das Vergasungs- und Gasreinigungsverfahren sowie der Motor müssen eine erprobte technologische Einheit bilden. Die interne und externe Wärmenutzung muss marktwirksam realisiert werden. D. Bräkow FEE Mai 2009

8 Prozessbeherrschung => stabiler Betrieb Lamdakontrolle eta max. Fenster Bei Festbetten auch indirekt durch Gasbildungsrate V Produktgas /V Luft GL / WS => T aus C Durchmischungsproblem: hohe Viskosität bei hoher Temperatur => begrenzte Eindringtiefe von Sekundärluft Verweilzeit: Annährung ans Chemische Gleichgewicht

9 H 2 + 0,5 O 2 H 2 O Δ R H 298 = kj/mol H 2 -Verbrennung / Oxidation CO + H 2 O CO 2 + H 2 Δ R H 298 = - 41 kj/mol homogene Wassergasr. / Shiftr. CO + 0,5 O CO 2 2 Δ R H 298 = kj/mol CO-Verbrennung / Oxidation CH 4 + 0,5 O 2 CO + 2 H 2 Δ R H 298 = kj/mol CH 4 -Verbrennung / partielle Oxida CH 4 + CO 2 CO + 2 H 2 2 Δ R H 298 = kj/mol trockene Reformierungs-Rkt CH 4 + H 2 O CO + 3 H 2 Δ R H 298 = kj/mol Steam Reforming / inverse Methanisierung C + O 2 CO 2 Δ R H 298 =-393 kj/mol (für ϕ = 1 (Partielle) Kohlenstoffoxidation C + CO 2 2 CO Δ R H 298 = kj/mol Boudouard-Reaktion C + H 2 O CO + H 2 Δ R H 298 = kj/mol Heterogene Wassergas-Rkt C + 2 H 2 CH Δ 4 R H 298 = - 75 kj/mol Hydrierende d Vergasung

10 10 8 C + 2H 2 CH 4 (2.13) CO + ½O 2 CO 2 (2.6) 6 4 CH 4 + H 2 O CO + 3H 2 (2.9) log 10 K CO + H 2 O CO 2 + H 2 (2.5) C+HO 2 CO + H 2 (2.12) C + CO 2 2CO (2.11) CH 4 + H 2 O 2CO + 2H 2 (2.8) (127) (327) (527) (727) (927) (1127) Temperatur [K], [( C)]

11 Einfluss der Luftzahl auf den Wirkungsgrad - Gleichgewichtbetrachtung Besser lamda (ER) etwas höher da vom GG vertretbar und Annäherung ans GG leichter möglich

12 Abweichung vom Gleichgewicht bei 2 s Verweilzeit ohne Katalysator

13 Gaskomponente unkatalysiert katalysiert Gleichgewicht Vol % 900 C H 2 7,4 14,1 15,5 CO 10,00 15,6 16,3 CO 2 14,6 11,4 10,8 CH 4 2,3 0,7 << 0,01 N 2 48,7 44,3 44,9 H 2 O 17,0 13,9 13,0

14 1,6 1,4 1,2 CO CO 2 H 2 H 2 O 2,0 1,8 1,6 1,4 CO CO 2 H 2 H 2 O c i / c i, GG 1,0 0,8 1,0 0,8 06 0,6 c i / c i, GG1,2 0,6 0,4 T= C 0,4 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 τ Kat [s] 0,2 T= C 0,0 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 τ Kat [s] Verhältnis der gemessenen Gaskonz. zu den GG-Konz. vs. Verweilzeit T = C T = C

15 Praktische Umsetzung und Problemreduktion: Neben Druck- und Temperatur- können günstige Volumenstrommessung die Regelungskonzepte verbessern und die Auswirkung periodischer Zwangsstörungen wie Brennstoffeintrag und Ascheaustrag aber auch Brückenbildung im Reaktor reduzieren

16 Weitere nicht Festbett Vergaserentwicklungen für den Bereich kleiner Leistung Heat-piper pp reformer allotherm Herausforderung : Materialbeständigkeit H 2 -Diffusion Stationäre autotherme Wirbelschichten mit katalytischer Gasbehandlung Herausforderung : lower size and prize Mechanisch zwangsbewegte Betten mit Schnecken und Drehtrommeln Herausforderung: Strähnen unterschiedlicher Gasqualität Temperaturgradienten räumlich und zeitlich an bewegten Teilen.

17 Vortragsende = Diskussionsbeginn auf geht s! Leider muss die Diskussion heute entfallen Rückfragen bitte per mail an christoph.unger@umsicht.fraunhofer.de