RENEWABLE ENERGY NETWORK AUSTRIA. Technik und Möglichkeiten des Einsatzes von Holzgas zur Produktion von Strom und Wärme

Transkript

1 Technik und Möglichkeiten des Einsatzes von Holzgas zur Produktion von Strom und Wärme ARGE Kompetenznetzwerk Energie aus Biomasse mit den beiden Kompetenzknoten Güssing und Wr.Neustadt Sprecher und wissenschaftliche Leitung: Univ.-Prof. Dr. Hermann Hofbauer Institut f. Verfahrens-, Brennstoff- u. Umwelttechnik der TU Wien A-1060 Wien Getreidemarkt 9 Tel.: +43 (1) Fax: +43 (1) hhofba@mail.zserv.tuwien.ac.at Internet: Partner: EVN Güssinger Fernwärme GE Jenbacher REPOTEC TU Wien, Institut für Verfahrenstechnik, Umwelttechnik und techn. Biowissenschaften (Sitz der ARGE)

2 Inhalt der Präsentation 1. Gaserzeugung aus Biomasse - Fermentation - Thermische Vergasung 2. Gasreinigung 3. Gasnutzung 4. Emissionen 5. Anlagenbeispiele

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6 Überblick Biomasse Therm. Vergasung Gasreinigung Biolog. Vergasung Gasreinigung Gasmotor GuD, GuORC Brennstoffzelle Flüssige Brennst. SNG

7 Biologische Vergasung (Vergärung) Definition: Abbau von biogenem Material bei Temperaturen von 35 bis 55 C durch Mikroorganismen unter Abwesenheit von Sauerstoff Biomasse: Alle biogenen Materialien (Abfällen aus der Tierproduktion, Ernterückstände, Altfett, Inhalt der Biotonne, etc) mit Ausnahme von Holz Reaktionsweg: Die organische Substanz wird in einem ersten Schritt in ihre molekularen Bausteine (Zucker, Aminosäuren, Glycerin und Fettsäuren) zerlegt. Diese Zwischenprodukte werden durch mikrobiell zu Wasserstoff und Kohlendioxid umgewandelt, die dann nach der Gleichung 4H 2 + CO 2 CH 4 + H 2 O zu Methan und Wasser umgesetzt werden

8 Hauptbestandteile des Gases: Methan 40-75% Kohlendioxid 25-55% Wasserstoff 0-1% Stickstoff 0-5% Sauerstoff 0-2% Schwefelwasserstoff 0-1% Diverse Spurenstoffe (Silikone etc.)

9 Thermische Vergasung Definition: Vergasung ist die Umwandlung eines festen Brennstoffes in einen gasförmigen Brennstoff durch Zufuhr eines Vergasungsmittels wie Luft, Sauerstoff, Wasserdampf, Kohlendioxid u. a. bei Temperaturen größer 700 C. Je nach Menge des Vergasungsmittels wird ein gewisser Teil der in der Biomasse vorhandenen Kohlenwasserstoffe oxidiert. Hauptreaktionen: Entgasung der Biomasse: C, CH 4, CO, CO 2, H 2, H 2 O C + ½O CO C + H 2 O H 2 + CO CO + H 2 O H2 + CO 2 CH 4 + H2O CO+ 3H 2

10 η % Warum? Fuel Cells SOFC SOFC+ turbine 40 PAFC MCFC IGCC 20 Micro turb. Gas engine Gas turbine Wr. Neustadt Güssing Power in kwel

11 Wirtschaftlichkeit Electricity production costs [ /MWh] Steam engine Fixed bed gasification ORC-Process Back pressure steam turbine Fluidised bed gasification No investment subsidies 6 % p.a for 13 years Fuel costs: 14 /MWh Full load capacity heat: 4000 h Full load capacity electricity: 6000 h Incoming heat leads : 20 /MWh Fuel power [MW th ]

12 Learning curve

13 Windkraft Euro cent per kwh Costs pr. kwh reduced to ¼ (by 75 %) from 1973 to 2003

14 Verfahren thermischer Vergasung Reaktortyp, der u. a. definiert wird durch die Art des Kontakts zwischen dem Oxidationsmittel und der Biomasse (Festbettvergaser, Wirbelschichtvergaser, Flugstromvergaser), Art der Wärmebereitstellung (allotherme bzw. externe Wärmezufuhr oder autotherme Vergasung durch interne Wärmezufuhr aus einer Teilverbrennung des Einsatzmaterials), eingesetztes Vergasungsmedium (z. B. Luft, Sauerstoff, Wasserdampf) und Druckverhältnisse im Vergasungsreaktor (atmosphärischer oder erhöhter Druck).

15 Einteilung hinsichtlich des fluiddynamischen Verhaltens

16 Einflussgrößen auf das Produktgas Art und Form des Brennstoffs (z. B. Stückgröße, spezifische Oberfläche der Brennstoffteilchen, Feuchtigkeit, chemische Zusammensetzung) Art und Menge des Vergasungsmittels (z. B. Luft, Sauerstoff, Wasserdampf, Kohlenstoffdioxid, Mischungen davon) Bauart des Vergasungsreaktors (Mischungsintensität von Brennstoff und Vergasungsmittel, Verweilzeit des Brennstoffs und des Produktgases im Reaktor usw.) Vergasungstemperatur Anwesenheit eines Katalysators Druckverhältnisse im Vergasungsreaktor.

17 Gaszusammensetzung

18 Gasreinigung Partikel Halogene Teer Substanzen Schwefelverbindungen Alkali- und andere Metalle Stickstoffverbindungen

19 Methoden zu Gasreinigung Trockene Methoden: Zyklon Staub >10µm Schlauchfilter Staub, (Teer, Saure Verbindungen, bei Zugabe von Additiven) Festbettfilter Staub, Teer Elektrofilter Staub, Teer, (Ammoniak bei Nasselektrofilter) Adsorber Teer, Saure Verbindungen, Ammoniak Nasse Methoden: Venturiwäscher Staub, Teer, Ammoniak, Chlor, Schwefelwasserstoff Kolonnenwäscher Teer, Ammoniak, Chlor, Schwefelwasserstoff

20 Typische Abscheidegrade

21 Anforderungen an die Gasreinheit

22 Gasnutzung 1. Zur Stromerzeugung - Mitverbrennung in Kraftwerken - Gasmotor - Gasturbine - Brennstoffzelle 2. In der Industrie - Zur Direktreduktion von Eisenerzen - Zur Wasserstoffherstellung - In der chemischen Industrie (z.b. Oxosynthese) 3. Zur Herstellung von Treibstoffen - Methanol / DME - Fischer Tropsch Treibstoffe - Synthetisches Erdgas

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25 Brennstoffzellen Name Elektrolyt Arbeitstemperatur Verwendete Gase in C Alkalische Alkalilauge H2 Brennstoffzelle (AFC) Membranbrennstoffzelle Polymermembran H2 (PEM) Phosphorsaure BSZ (PAFC) Stabilisierte Phosphorsäure H2 (reformiert aus Erdgas) Schmelzkarbonat- BSZ (MCFC) Schmelzkarbonatlösung 650 H2 und CO (interne Reformierung v. Erdgas) Festoxid-BSZ (SOFC) Festkeramischer Elektrolyt H2 und CO (interne Reformierung v. Erdgas)

26 Synthesegas Natural Gas Oil Coal Biomass Electricity Gasification Electrolysis Synthesis gas H 2 / CO Hydrogen Methane FT-fuel Methanol DME Ammonia

27 Derzeitige Verwendung

28 Emissionen Gasförmige Emissionen Ein Gasmotor hat ca. 1-1,5% Brennstoffschlupf; da CO im Brenngas enthalten ist, kommt es zu hohen CO-Emissionen Bei der Verbrennung im Zylinder entstehen thermische NO x -Emissionen Aus dem Ammoniak im Brenngas entstehen ebenfalls NO x -Emissionen Flüssige Emissionen Im Prinzip gibt es zwei verschiedene Ansätze die Wasserproblematik zu behandeln: Der Brennstoff wird soweit getrocknet, dass das gesamte überschüssige Wasser die Anlage über den Gasmotor verlässt und kein Abwasser anfällt Das überschüssige Wasser im Produktgas wird auskondensiert und das anfallende Abwasser entsprechend behandelt und entsorgt Feste Abfälle Die Asche aus Vergasungsanlagen enthält meist noch 5-80% Kohlenstoff und muss nachbehandelt werden

29 Wasserproblematik

30 Sicherheit Medium Kurzbezeichnung CAS Nr. Gefahrensymbol *) MAK- Wert **) Ammoniak NH mg/m 3 Phenol C 6 H 6 O ,8 mg/m³ Benzol C 6 H Toluol C 7 H mg/m³ Xylol C 8 H mg/m³ Naphthalin C 10 H mg/m³ Polyaromaten PAH - - ***) ***) - *) gemäß Stoffliste nach Anhang I der RL 67/548/EWG **) Grenzwerteverordnung, als Tagesmittelwert ***) entsprechend Sicherheitsdatenblatt der jeweiligen Substanz

31 Bestehende Anlagen Demonstration Umsicht (Batelle Ferco) (Staged reforming) Viking Carbo V Värnamo (ARBRE) Cofiring Lahti Amer (Zeltweg) CHP Guessing Civitas Nova (Wr. Neustadt) Harboore Pyroforce Kokemaki

32 Der FICFB-Vergasungsprozess

33 BHKW Güssing

34 Vorgewärmte Luft (vom Biomassekessel) BHKW Wr. Neustadt Trocknungrohr Trocknerabluft (zum Biomassekessel) Siebung Tages Bunker Biomasse Schneckenfördersystem Fackel Luft Festbettvergaser Luftvorwärmer Produktgas Luft Quench Kühler Wasser Nass E-Filter Produktgas Verdichter Produktgas Kühler Gasmotor G Asche Verbrennungsluft Partikel + Teer Filter Bestehender 5 MW Biomassekessel Abgas Kühler Vorgewärmte Luft (zum Trocknungsrohr) Abgas Trocknerabluft (vom Trocknungsrohr)

35 Danke für die Aufmerksamkeit und weitere Information gibt es unter: