Bewertung der Effizienzsteigerung durch Abgasnachverstromung an Biogas-BHKW auf Basis einer Datenerhebung an 6 real ausgeführten Anlagen
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- Kai Bergmann
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1 Bewertung der Effizienzsteigerung durch Abgasnachverstromung an Biogas-BHKW auf Basis einer Datenerhebung an 6 real ausgeführten Anlagen Prof. Dr.-Ing. Bernd Thomas Reutlinger Energiezentrum REZ bernd.thomas@reutlingen-university.de Einführung Technologien zur Abgasnachverstromung 6 ausgeführte Anlagen Ergebnisse Fazit Prof. Dr.-Ing. Bernd Thomas, wiss. Leiter RRI, Fak. Technik,, Alteburgstraße 150, Reutlingen, Tel. +49 (0) , Fax +49 (0) , bernd.thomas@reutlingen-university.de, Prof. Dr.-Ing. Bernd Thomas
2 Einführung, Prof. Dr.-Ing. Bernd Thomas
3 Einführung Reutlinger Energiezentrum Wertprodukt: elektr. Strom 2013 ARCANUM Energy Ziel: möglichst hoher Anteil Stromerzeugung Wärme Nutzung?, Prof. Dr.-Ing. Bernd Thomas
4 Einführung Reutlinger Energiezentrum => Zusätzliche Stromerzeugung aus der Abwärme des BHKWs (Nachverstromung oder Abgasnach- / Abwärmeverstromung) Im Rahmen des Bioenergiewettbewerbs wurde die Umsetzung dieser Technologie an 6 praktischen Anlagen in Baden-Württemberg vom Ministerium für Umwelt, Klima und Energiewirtschaft gefördert. => Ergebnisse in einer Studie der zusammengefasst., Prof. Dr.-Ing. Bernd Thomas
5 Technologien zur Abgasnachverstromung an BHKW, Prof. Dr.-Ing. Bernd Thomas
6 Abgasnachverstromung ORC-Anlage Nutzung der Abgasenergie durch Einkopplung in einen ORC-Prozess Reutlinger Energiezentrum => HT-Anlagen: elektrischer Wirkungsgrad bis 22%, Abwärmenutzung möglich => NT-Anlagen mit Wärmeentnahme aus dem Motorkühlwasser erreichen ηel = 7-10% Abwärmenutzung nicht mehr möglich Quelle: ORC-Fachverband e.v. => Hoher Anlagenaufwand => am Markt verfügbar, mehrere Anbieter Quelle: GMK GmbH, Prof. Dr.-Ing. Bernd Thomas
7 Abgasnachverstromung - Dampfmotor Nutzung der Abgasenergie durch Einkopplung in einen Dampfkraftprozess Reutlinger Energiezentrum => Dampfmotor mit ca. 30 kw Leistung, elektrischer Wirkungsgrad ca. 15% => unbedenkliches Arbeitsmedium, hohe Drücke (max. 60 bar) => Abwärmenutzung möglich => SteamTrac oder SteamDrive => Direktverdampfung Quelle: SteamDrive GmbH, Prof. Dr.-Ing. Bernd Thomas
8 Abgasnachverstromung - Gasturbine Nutzung der Abgasenergie in separater Turbine mit eigenem Generator => Abgasgegendruck erforderlich bislang nur für Zündstrahlmotoren, mittlerweile auch für hochaufgeladene Gas-Ottomotoren => Steigerung des elektr. Wirkungsgrades um bis zu 4 Prozentpunkte => vergleichsweise einfaches System => auf BHKW-Motor abzustimmen => am Markt verfügbar Quelle: Schnell Motoren AG, Prof. Dr.-Ing. Bernd Thomas
9 Ausgeführte Anlagen, Prof. Dr.-Ing. Bernd Thomas
10 Ausgeführte Anlagen: Übersicht Reutlinger Energiezentrum Anlage BHKW-Typ Abgasnachverstromungsanlage Biogasanlage Grundsheim Biogasanlage Riedlingen-Bechingen Kläranlage Heidenheim-Mergelstetten Biogasanlage Bräunlingen Biogasanlage Dentingen Biogasanlage Kornwestheim Biogas- Ottomotor Biogas- Ottomotor Klärgas- Ottomotor Biogas- Ottomotor Biogas- Ottomotor Biogas- Ottomotor Dampfmotor, Fa. SteamDrive, Typ SteamTrac Dampfmotor, Fa. SteamDrive, Typ SteamDrive Dampfmotor, Fa. SteamDrive, Typ SteamTrac ORC-Anlage, Fa. LTi ADATURB ORC-Anlage, Fa. Bosch KWK Systeme ORC-Anlage, Fa. Dürr, Prof. Dr.-Ing. Bernd Thomas
11 Ausgeführte Anlagen: Biogasanlage Grundsheim Dampfmotor SteamTrac (zum Zeitpunkt der Besichtigung demontiert) Daten BHKW-Anlage BHKW-Typ MAN V 12 elektr. Leistung / Wirkungsgrad therm. Leistung / Wirkungsgrad Brennstoffleistung 360 kw / 39 % 432 kw / 46,8 % 923 kw Dampfmotor SteamTrac 30 Mechan. Bruttoleistung Dampfmotor (Nennwert) 30 kw Wärmenutzung (unvollständig): Beheizung des Stalls im Sommer Holztrocknung, Prof. Dr.-Ing. Bernd Thomas
12 Ausgeführte Anlagen: Biogasanlage Riedlingen Dampfmotor SteamDrive Daten BHKW-Anlage BHKW-Typ elektr. Leistung / Wirkungsgrad therm. Leistung / Wirkungsgrad Brennstoffleistung MAN BGW 210 MAN BGW kw / 38,5 % 191 kw / 38,5 % 222 kw / 40,7 % 216 kw / 43,6 % 545 kw 495 kw Dampfmotor SteamDrive 30 elektrische Bruttoleistung Dampfmotor (Messwert, nur 1 BHKW angeschl.) 16,7 kw Wärmenutzung (vollständig): Wärmenetz zur Beheizung umliegender Wohngebäude und des Stalls im Sommer: Holztrocknung, Prof. Dr.-Ing. Bernd Thomas
13 Ausgeführte Anlagen: Kläranlage Heidenheim Reutlinger Energiezentrum Dampfmotor SteamTrac Daten BHKW-Anlage BHKW-Typ elektr. Leistung / Wirkungsgrad therm. Leistung / Wirkungsgrad Brennstoffleistung LIEBHERR G kw / 40,1 % 270 kw / 46,1% 585,9 kw Dampfmotor SteamTrac 30 Mechan. Bruttoleistung Dampfmotor (Messwert) 10,7 kw Wärmenutzung (unvollständig): an der Kläranlage, Prof. Dr.-Ing. Bernd Thomas
14 Ausgeführte Anlagen: Biogasanlage Bräunlingen ORC-Anlage LTi ADATURB TG30+ (HT/NT-Anlage) (zum Zeitpunkt der Besichtigung demontiert) Daten BHKW-Anlage BHKW-Typ MAN2842LE 312 elektr. Leistung / Wirkungsgrad therm. Leistung / Wirkungsgrad Brennstoffleistung ORC-Anlage (HT/NT) elektrische Bruttoleistung ORC-Anlage (Messwert) 355 kw / 38,5 % 432 kw / 46,8 % 923kW LTi ADATURB 25,5 kw Wärmenutzung: (unvollständig) Beheizung des Wohnhauses, Prof. Dr.-Ing. Bernd Thomas
15 Ausgeführte Anlagen: Biogasanlage Dentingen ORC-Anlage Bosch KWK Syteme (NT-Anlage) Daten BHKW-Anlage BHKW-Typ Jenbacher J 312 elektr. Leistung / Wirkungsgrad therm. Leistung / Wirkungsgrad Brennstoffleistung 526 kw / 40,4 % 558 kw / 42,9 % 1301 kw ORC-Anlage (NT) WHR OR 75 elektrische Bruttoleistung ORC-Anlage (Messwert) 40,8 kw Wärmenutzung: (unvollständig) Beheizung des Wohnhauses, Prof. Dr.-Ing. Bernd Thomas
16 Ausgeführte Anlagen: Biogasanlage Kornwestheim ORC-Anlage Dürr Cyplan (HT-Anlage mit Direktverdampfung) Daten BHKW-Anlage BHKW-Typ Jenbacher J 312 elektr. Leistung / Wirkungsgrad therm. Leistung / Wirkungsgrad Brennstoffleistung ORC-Anlage (HT, Direktverdampfung) elektrische Bruttoleistung ORC-Anlage (Messwert) 625 kw / 39,7 % 646 kw / 41,1 % 1572 kw ORC 70 HT KWK 57 kw Wärmenutzung: (vollständig) Anschluss an ein Wärmenetz, Versorgung einer Schule und eines Industriebetriebs, Prof. Dr.-Ing. Bernd Thomas
17 Ergebnisse, Prof. Dr.-Ing. Bernd Thomas
18 Ergebnisse: elektrische Hilfsenergie Reutlinger Energiezentrum, Prof. Dr.-Ing. Bernd Thomas
19 Ergebnisse: Wirkungsgrad Abgasnachvertr.anlage 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% Wirkungsgrade Abgasnachverstr. (ANVA) thermisch elektrisch (netto) 79,9% 80,0% 79,9% 75,6% 13,7% 14,9% 12,4% 0,0% 0,0% 10,3% 9,3% 15,6%, Prof. Dr.-Ing. Bernd Thomas
20 Ergebnisse: Wirkungsgrad BHKW BHKW + ANVA Wirkungsgrade BHKW Wirkungsgrade BHKW+ANVA 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% thermisch elektrisch 46,8% 41,3% 46,0% 46,8% 42,9% 41,1% 39,0% 38,5% 40,1% 38,1% 40,4% 39,8% 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% thermisch elektrisch (netto) 42,9% 37,2% 43,4% 36,2% 31,1% 17,2% 41,7% 41,5% 41,7% 39,8% 42,8% 42,9% => Zunahme elektr. Wirkungsgrad um 1,6 3,1 Prozentpunkte => Abnahme thermischer Wirkungsgrad, Prof. Dr.-Ing. Bernd Thomas
21 Ergebnisse: Primärenergieeinsparung Primärenergieeinsparung BHKW ohne WN 75% 70% 65% 60% 55% 50% 45% 40% 35% 30% 25% BHKW+ ANVA ohne WN BHKW mit WN BHKW+ ANVA mit WN Berechnung der Primärenergieeinsparung nach EU-Effizienzrichtlinie 2012/27/EU 20% 15% 10% 5% Mit den Primärenergiefaktoren nach DIN V : Erdgas: f p = 1,1 Biogas: f p = 0,5 0%, Prof. Dr.-Ing. Bernd Thomas
22 Ergebnisse: Verminderung CO 2 -Emissionen BHKW ohne WN 180% 160% 140% BHKW+ ANVA ohne WN BHKW mit WN BHKW+ ANVA mit WN Spez. CO 2 -Vermeidungsfaktor Biogas-BHKW-Strom 400,28 g/kwhel Klärgas-BHKW-Strom 787,44 g/kwhel Biogas-BHKW-Wärme 202,9 g/kwhth Klärgas-BHKW-Wärme 202,9 g/kwhth (Studie Umweltbundesamt Climate Change 15/2013) Vermeidung von CO2-Emissionen 120% 100% 80% 60% 40% CO 2 -Äquivalente Strommix in D. Erdgas H 562 g/kwh 242 g/kwh 20% 0%, Prof. Dr.-Ing. Bernd Thomas
23 Ergebnisse: Strom- & Wärmeerlöse BHKW ohne WN 240% 220% 200% BHKW+ ANVA ohne WN BHKW mit WN BHKW+ ANVA mit WN Strom- und Wärmeerlöse 180% 160% 140% 120% 100% 80% BiogasStrom bis 500 KW: 11,78 ct/kwhel BiogasStrom bis 5 MW: 10,55 ct/kwhel KlärgasStrom bis 500 KW: 6,69 ct/kwhel (nach EEG 2014) BHKW-Wärme: 7,3 ct/kwhth (repräsentativer Mittelwert) 60% 40% 20% 0%, Prof. Dr.-Ing. Bernd Thomas
24 Fazit, Prof. Dr.-Ing. Bernd Thomas
25 Fazit An den betrachteten Anlagen reichte die Bandbreite der Funktionalität von nicht vorhanden bis sehr gut. Mittlerweile ist die Technologie ausgereifter Kleine/mittlere BHKW mit kwel: Dampfmotor große BHKW >500 kwel: ORC-Anlage Primärenergieeinsparung, CO2-Emissionen, Strom/Wärmeerlöse: => keine oder unvollständige Wärmenutzung: ANVA vorteilhaft => vollständige Wärmenutzung: - Verwendung eines Dampfmotors oder einer ORC-HT-Anlage mit Wärmenutzung zwingend erforderlich - insgesamt verminderte Vorteilhaftigkeit der ANVA, Prof. Dr.-Ing. Bernd Thomas
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