Institut für Luft- und Kältetechnik Dresden ggmbh

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1 Institut für Luft- und Kältetechnik Dresden ggmbh Sächsischer Bionergietag 2015 Thermische Verwertung von KUP Kleinfeuerungsanlagen in Verbindung mit ORC - Technik Dipl.- Ing. (FH) T. Birnbaum

2 Inhalt des Vortrags 1. Thermische Verwertung von KUP 2. BioStrom KWK Anlage im kleinen Leistungsbereich 3. Potentiale Dipl.-Ing. (FH) T. Birnbaum - Sächsischer Bioenergietag

3 1. KUP Einordnung 1 Grüngut (z.b. Landschaftspflege) thermische Verwertung als Alternative zur Kompostierung und Vergasung 2 Hölzer aus KUP Substitution von Holz zur Bedarfsdeckung 1) 3 (Wald-),(Rest-)Holz, Industrierestholz Grundversorgung für Hackschnitzelheizungen, Referenzbrennstoff 4 Stroh Landwirtschaft 5 Weitere (z.b. Mischungen) Weg geöffnet nach 1. BImSchV 3 Nr. 13 1) 2010/11 wurde erstmalig mehr Holz energetisch als stofflich genutzt, [MANTAU 2012] Dipl.-Ing. (FH) T. Birnbaum - Sächsischer Bioenergietag

4 1. KUP - Emissionsgrenzwerte Als holzartiger Brennstoff wird KUP als naturbelassenes Holz gemäß 1. BImSchV 3 Nr. 4 gesehen Dipl.-Ing. (FH) T. Birnbaum - Sächsischer Bioenergietag

5 1. KUP - Emissionen Abbrandversuche im LVG Köllitzsch: KUP Pappel + Weide - nur geringe Nachteile im Heizverhalten und Verbrennungsqualität ggü. Waldrestholz Einflussparameter: Holzart: Wassergehalt: Rindenanteil, Stückigkeit: Verbrennungsverhalten (unterer) Heizwert, Wirkungsgrad Kombination Heizkessel Brennstoff Verbrennungsqualität, CO staubförmige Emissionen ggf. höherer Aschegehalt durch gesteigerten Rindenanteil möglich aber nicht zwingend [Wirkner, DBFZ 2015] ggf. höhere Staubemissionen Dipl.-Ing. (FH) T. Birnbaum - Sächsischer Bioenergietag

6 1. KUP Praxiserfahrungen Heizkessel Verbrennung optimieren (oftmals hohes Potential) Luftmengen falsch eingestellt, mit Pellets einfacher Hackschnitzel zu nass! 3500 CO - Konzentration [mg/m N ³ i.tr.abg. 13 Vol.-% O 2 ] Versuchszeit für die Erstellung der Stoffbilanzen Beurteilungszeitraum Emissionen stationärer Kesselbetrieb, Verbrennungsqualität deutlich Anfahren des Heizkessel 0 12:00 12:30 13:00 13:30 14:00 14:30 15:00 15:30 16:00 16:30 17:00 17:30 Messzeit [hh:mm] Dipl.-Ing. (FH) T. Birnbaum - Sächsischer Bioenergietag

7 1. KUP Zusammenwirken beim Einsatz Zusammenarbeit: Brennstoff Landwirtschaft Verbrennungsbedingungen Kesselhersteller Staubgehalte Hersteller von Abscheidetechnik Anwender Reinigung der Anlagen, Fahrweise Schnittstellen: Forschung und Entwicklung - Institute - Dipl.-Ing. (FH) T. Birnbaum - Sächsischer Bioenergietag

8 1. KUP - Beispielrechnung Anlage: Heizkessel 100 kw Durchschnittliche Brennstoffmenge (Pappel, w=20 %) : ca. 26 kg/h Jährlicher Brennstoffbedarf bei 2500 Volllaststunden/a: 65 t/a (52 t/a atro) KUP Plantage: Pappel, kurzer Umtrieb Ernte nach 4 Jahren, Ertrag ca. 40 t(atro) /ha Um die Biomasse-Anlage zu betreiben wären 65/40 ha/a x 4 a = 5,2 ha KUP nötig 2013: 271 ha KUP in Sachsen [Statistisches Landesamt Freistaat Sachsen, 2013] Hemmnisse in Form nicht ausgereifter Wertschöpfungsketten und Abnehmerstrukturen beseitigen 4) 4) Dipl.-Ing. (FH) T. Birnbaum - Sächsischer Bioenergietag

9 2. BioStrom Entwicklung des ILK Dresden Dipl.-Ing. (FH) T. Birnbaum - Sächsischer Bioenergietag

10 2. BioStrom Entwicklung des ILK Dresden FuE Projekt des BMWi 2) : BioStrom KWK Anlage kleiner Leistung Entwicklung Gesamtsystem als funktionsfähige Einheit, bestehend aus Biomasse-Spezialheizkessel (Fa. Ala Talkkari) und ORC-Kreislauf Einsatz: Wärmebedarf vorhanden! Grundbedarf Elektroenergie günstig Erprobte Brennstoffe: Holzhackschnitzel aufbereiteter Grasschnitt Holzpellets 2) Gefördert durch die EuroNorm GmbH, FKZ: MF Dipl.-Ing. (FH) T. Birnbaum - Sächsischer Bioenergietag

11 2. BioStrom - Kreislaufschema Kreislaufschema: Biomassekessel 1 4b G 2 ORC - Kreislauf Thermoölkreislauf 4a M 4R 2R K Heizwasser 3 M 4 Dipl.-Ing. (FH) T. Birnbaum - Sächsischer Bioenergietag

12 2. BioStrom Technische Parameter Grunddaten Heizkesselkreis: Spezialheizkessel Veto, Fa. Offener Thermoölkreislauf, drucklos einfaches Öl - FragolTherm Q-32-N (stabil bis ca. 300 C) Stabile Leistung von 80 kw bei 220 C realisierbar (Holzpellets) mit Zusatz-Wärmeübertrager Heizleistung auch ohne ORC auskoppelbar ORC Baugruppe: Druckniveau: Hochdruckseite 15,9 bar; Niederdruckseite: 2,5 bar Kältemittel: nicht brennbar, ungiftig Füllmenge: 50 Liter Umweltfreundliches Kältemittel - GWP: 1 Antrieb: Kolben-Membranpumpe Spezial-Turbine, Fa. ; Drehzahl: U/min Dipl.-Ing. (FH) T. Birnbaum - Sächsischer Bioenergietag

13 2. BioStrom Erreichte Leistungsparameter abgegebene thermische Leistung P th = 60 kw Temperaturniveau Vorlauf: 80 C, Rücklauf: 60 C (normales Heizungsniveau) abgegebene elektrische Leistung P el = 5 kw elektrischer Wirkungsgrad: 6 % 3) Auslegung: P el = 9 kw derzeit Projekt zur Erhöhung des elektrischen bzw. des Gesamtwirkungsgrades CO erfüllt Grenzwert 1. BImSchV (nach Optimierungen): 168 mg/m³ i.n.tr. 13 Vol.-% O 2 Staub: Abscheider notwendig - auch für Hackschnitzel! 3) ausgehend von der vom Kesselkreislauf zur Verfügung gestellten thermischen Energie Dipl.-Ing. (FH) T. Birnbaum - Sächsischer Bioenergietag

14 3. Potential - BioStrom - Einsatzfälle System auf Wärmebedarf von ca. 60 kw ausgelegt, möglichst Grundlast (Betriebsstunden optimieren) Anlage wärmegeführt Vor allem Eigenverbrauch Elektroenergie (Einspeisevergütung zu gering- EEG 2015) durch P el < 10 kw el Anlage grundlastfähig für Eigenbedarf Vorteile: System nutzt NaWaRo s auch landwirtschaftliche Brennstoffe erprobt Konkurrenzsituation: Erdgas BHKW Vorteile: Brennstoffkosten ca. 6,7 Cent/kWh ca. 2,8 Cent/kWh (KUP) Dipl.-Ing. (FH) T. Birnbaum - Sächsischer Bioenergietag

15 3. Potential Brennstoffpreis KUP Brennstoffmarktpreise: Holzhackschnitzel: KUP: /MWh 28 /MWh Quelle der Preise: CARMEN e.v. Dipl.-Ing. (FH) T. Birnbaum - Sächsischer Bioenergietag

16 3. Potential - BioStrom - Einsatz Optimal: Kommunale Nahwärmenetze Vorteil: beeinflussbare Stoffströme Kurze Wege, gute Abnahme Industrie Kleinbetriebe mit hohem Wärmebedarf (Galvanik, Möbelindustrie, ) Landwirtschaftliche Betriebe / Genossenschaften Stoffkreisläufe mit Reststoffen KUP aber auch Holzhackschnitzel Staubabscheider! Vor allem Auslegung auf Anlagenzustände wichtig Foto: Versuchsabscheider für Hackschnitzelkessel im ILK Dresden Dipl.-Ing. (FH) T. Birnbaum - Sächsischer Bioenergietag

17 3. Potentiale - BioStrom - Weiterentwicklung Erreichte Leistungen stimmen gut mit Auslegung überein Derzeit: Weiterentwicklung um elektrische Leistung auf Auslegungsniveau (9 kw) zu steigern, Einzelentwicklungen Baugruppen Projekt für Feldtest in Vorbereitung (Demoanlage) Dipl.-Ing. (FH) T. Birnbaum - Sächsischer Bioenergietag

18 Vielen Dank für ihre Aufmerksamkeit! Institut für Luft- und Kältetechnik gemeinnützige Gesellschaft mbh Bertolt-Brecht-Allee 20, Dresden Dipl.-Ing. (FH) Thomas Birnbaum Tel.: / thomas.birnbaum@ilkdresden.de Dipl.-Ing. (FH) T. Birnbaum - Sächsischer Bioenergietag