Neue Entwicklungsrichtungen im Bereich der Feuerungstechnik

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1 P Mg K Ca Neue Entwicklungsrichtungen im Bereich der Feuerungstechnik Prof.Univ.-Doz.Dipl.-Ing.Dr. Ingwald Obernberger N C E N E R G I E B L I I O M S S E G E W I R S C E S C F Überblick Überblick Marktentwicklung von Biomassefeuerungen in Europa F&E-Entwicklungsrichtungen Wichtige Entwicklungsschwerpunkte und beispielhafte Ergebnisse Zusammenfassung und Schlussfolgerungen 2 1

2 Primärenergieverbrauch und Umsatz durch Biomasseverbrennungsanlagen in der EU für 2008 und usblick bis Erwartetes jährliches Marktwachstum: 8.3% p.a. +261% Primärenergieverbrauch [PJ/a] Umsatz [Mio. /a] Gesamtumsatz - mittelgroße nlagen und Großanlagen [Mio. /a] Gesamtumsatz - Kleinanlagen [Mio. /a] Primärenergieverbrauch [PJ/a] +203% Erläuterungen: kleine, mittelgroße und große nlagen wurden berücksichtigt; die Berechnungen basieren auf aktuellen Marktdaten und dem möglichen Potential aufgrund der EU 2020 Ziele 3 Biomasse-Feuerungstechnik Entwicklungsrichtungen (I) Stand der Forschung Konventionelle Biomassebrennstoffe Moderne Biomasse- Verbrennungstechnologien Entwicklungsziele neue Biomassebrennstoffe Kurzumtriebspflanzen, biogene Reststoffe, torrefizierte Brennstoffe, Designer- Brennstoffe, etc. neue Brennstoffcharakterisierung Brennstoff-Indices, spezielle Laborreaktoren, Modellrechnungen Next Generation Biomasse- Verbrennungstechnologien Zero Emission echnologien, Systeme für hohe Brennstoffflexibilität, höhere Jahresnutzungsgrade, neue Regelungskonzepte 4 2

3 Biomasse-Feuerungstechnik Entwicklungsrichtungen (II) Stand der Forschung Konventionelle KWK-echnologien Entwicklungsziele Neue bzw. hoch effiziente Systeme Schwerpunkte: erhöhte Dampfparameter, verbesserte nlagenverfügbarkeit, neue Klein-KWK-echnologien CFD-Simulation der Gasphasenverbrennung Die virtuelle Biomassefeuerungs- und Kesselanlage 5 Neue Biomasse-Brennstoffe durch orrefizierung Niedertemperaturpyrolyse bei emperaturen zwischen 200 und 320 C Kontrollierte eilverkohlung Verbesserte Brennstoffeigenschaften (Wassergehalt, eizwert, Energiedichte, Mahlbarkeit, wasserabweisend) Rohstoff (Miscanthus) u : kj/kg S Schüttgewicht: 150 kg/m³ orrefiziertes Material u : kj/kg S Schüttgewicht : 200 kg/m³ orrefizierte Pellets u : kj/kg S Schüttgewicht : ~ 650 kg/m³ u eizwert; S rockensubstanz 6 3

4 2S/Cl-Verhältnis in erosolen [mol/mol] ,1 1 Neue Brennstoff- Charakterisierungsmethoden Brennstoff-Indizes Einsatz neuer Laborreaktoren zur Charakterisierung des Freisetzungsverhaltens von N- und sche-spezies Modellierung des Verhaltens von schebildnern Weichholz ltholz Graspellets Rinde Maisspindel Stroh hohes Korrosionsrisiko 2S/Cl <4 Rückstände aus der Stärkeproduktion Dekanter- und Raps-Presskuchen niedriges Korrosionsrisiko 2S/Cl >8 0, S/Cl-Verhältnis im Brennstoff [mol/mol] Schmelzphasen [Gew%] 100% 80% 60% 40% 20% 0% 15 Gew% geschmolzen Strohverbrennung Rindenverbrennung emperatur [ C] 7 Next Generation - Verbrennungstechnik erosolemissionen aus Biomasse-Kleinfeuerungsanlagen Charakterisierung der erosole aus Biomassefeuerungen und deren oxizität erosolemissionen reduzieren (Low-Dust-echnik auf Basis Primärmaßnahmen) Bewertung der Effizienz von Sekundärmaßnahmen zur erosolreduktion (großes Potential für Bestandsanlagen) neuer IE Bericht verfügbar ( erosolzusammensetzung in Gew% S 100% 80% 60% 40% 20% 0% Pelletkessel Scheitholz- Kaminofen Ruß (EC) org.c-verbindungen andere Oxide Schwermetall-Oxide lkalimetall-karbonate lkalimetall-chloride lkalimetall-sulfate Quelle: KELZ J. et al., Environmental Sciences Europe 2012, 24:11 PM1-Emissionen in mg/mj Pellet- Kessel Scheitholz- Kaminofen 8 4

5 Next Generation - Verbrennungstechnik NO x -Reduktion durch gezielte Luftstufung Primärmaßnahmen bestmöglich nutzen Wichtige Einflussfaktoren: Luftverhältnis in der Primärverbrennungszone, Verweilzeit und Falschluft NO-Emissionen [mg/nm³ (tr. Rauchgas, 13% O2)] Internationaler 50 Workshop zum hema Emissionsarme olzöfen am xx in Wien geplant (im Zuge der IE-Konf...) 0 Blau... große PVZ (lange Verweilzeit) Rot... kleine PVZ (kurze Verweilzeit) 0,3 0,5 0,7 0,9 1,1 1,3 1,5 Luftverhältnis PVZ PVZ Primärverbrennungszone, Vorschubrostfeuerung, Brennstoff Weide, _PVZ = C, Rauchgasrezirkulation über Rost, Volllastbetrieb (150 kw th ), ges = 1,4 9 Next Generation - Verbrennungstechnik Modellbasierte Regelung Modellbasierte Regelungssysteme bilden die Feuerungs- und Kesselanlage als Gesamtmodell ab und erkennen damit alle relevanten Zusammenhänge Entsprechende Basismodelle bereits entwickelt und getestet Wesentliche Vorteile bzgl. Brennstoffflexibilität, Lastwechsel, stabilen Nennund eillastzuständen, Wirkungsgrad, Emissionen Regelung laut Stand der echnik Modellbasierte Regelung Vorlauftemperatur [ C] Vorlauftemperatur [ C] Zeit [s] Zeit [s] 10 5

6 Neue KWK-Konzepte im kleinen Leistungsbereich Intensive F&E-ktivitäten im Bereich Klein-KWK-echnologien sind derzeit im Laufen echnologische nsätze: Stirlingmotor, thermoelektrischer Generator, Mikrodampfmotor, Klein-ORC und Mikrogasturbine echnologien befinden sich im Entwicklungsstadium und zum eil im frühen Demonstrationsstadium Links: Bild eines an eine Pelletfeuerung angekoppelten thermoelektrischen Generators (elektr. Nennleistung: ca. 0,2 kw) (Quelle: BE2020+, Wieselburg) Rechts: Bild der Biomassefeuerung und des ochtemperatur-wärmetauschers einer KWK-nlage auf Basis Mikrogasturbine (elektr. Nennleistung: ca. 100 kw) 11 ocheffiziente Biomasse-KWK-Systeme: Korrosionsminderung Neue Korrosionssonden für kontinuierliche Messungen verfügbar Wichtige Einflussparameter auf die ochtemperaturkorrosion: Rauchgastemperatur, Oberflächentemperatur der W-Rohre, Brennstoffchemie Neue Korrosionsdiagramme für Biomasse-Dampfkessel in Entwicklung Ziel: höhere elektrische Wirkungsgrade Gegenelektrode Referenzelektrode Messelektrode bstandhalter Keramik rägerrohr Masseverlustring Korrosionsleitwert [m/v] 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 Korrosionsleitwert Sondentemperatur emperatur [ C] 0, Datum

7 CFD-Simulation von Biomassefeuerungen [ C] Partikeltemperaturen laut Simulation Neue Simulationsmodelle zur Beschreibung des bbrandverhaltens von Partikeln und Brennstoffschüttungen in Entwicklung Neue NO x - und Feinstaubbildungsmodelle verfügbar Bild eines brennenden Partikels 13 CFD-Simulation von mit Biomasse befeuerten Kesseln Neue Modelle zur sche-depositionsbildung in Entwicklung Ziel: die virtuelle Biomasseverbrennungsanlage als Basis für eine sichere und gezielte echnologieentwicklung 4, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,0 0.0 Dicke der schedeposition [mm] Oberflächentemperatur [ C] 14 7

8 P Ca Mg K Zusammenfassung Die Verbrennung ist die bereits am besten entwickelte und marktrelevanteste Biomassekonversionstechnologie Zukünftige erausforderungen neue Biomasse-Brennstoffe, Brennstoffflexibilität und Brennstoffaufbereitung Neue Zero Emission Feuerungs- und Regelungstechnik Wirkungsgrad- und Nutzungsgradsteigerung Effiziente kombinierte Strom- und Wärmeerzeugung Einsatz von Modellierung zur effizienten Entwicklung (die virtuelle Biomassefeuerungs- und -kesselanlage) 15 ask-omepage: Danke für Ihre ufmerksamkeit N C E N E R G I E B L I I O M S S E G E W I R S C E S C F 8