Strom aus fester Biomasse Stand der Technik und künftige k

Transkript

1 Strom aus fester Biomasse Stand der Technik und künftige k Entwicklungen Prof. Dipl.-Ing. Dr. Ingwald Obernberger BIOS BIOENERGIESYSTEME GmbH Inffeldgasse 21b, A-8010 Graz, Austria TEL.: +43 (316) ; FAX: +43 (316) office@bios bios-bioenergy.at HOMEPAGE: bios-bioenergy.at

2 Gliederung Einleitung und Definitionen Biomasse-Kraft-Wärme-Kopplungstechnologien Überblick und zukünftige Entwicklungsziele Wirtschaftliche Aspekte Wichtige Rahmenbedingungen für Biomasse-Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen Zusammenfassung und Empfehlungen 2

3 Zielsetzungen bezüglich Stromproduktion aus erneuerbaren Energieträgern gern in der EU bis 2010 Gesamtziel für die EU bis 2010: 21% Anteil von Strom aus erneuerbaren Energieträgern an der Bruttostromproduktion der Mitgliedsstaaten Referenzjahr für die 10 neuen Mitgliedsstaaten:

4 Prinzipiell verfügbare KWK-Technologien Unterschiedliche Technologien für die Stromproduktion aus fester Biomasse stehen zur Verfügung Auf Basis Biomasse-Verbrennung: o Stirlingmotor o Dampfkolbenmotor o Dampfschraubenmotor o ORC-Prozess o Dampfturbine Auf Basis Biomasse-Vergasung: o Vergasung mit nachgeschaltetem Gasmotor o Vergasung mit nachgeschalteter Gasturbine 4

5 KWK-Technologien auf Biomassebasis Einteilung nach Leistungsbereichen Laut derzeitigem Stand der Technik eignen sich für Biomasse-KWK- Anlagen insbesondere: Kleiner Leistungsbereich (Anlagen bis 100 kw el ): Stirlingmotoren Mittlerer Leistungsbereich (Anlagen von kw el ): ORC-Prozess, Dampfmotoren, Dampfturbinenprozess Großer Leistungsbereich (Anlagen größer kw el ): Dampfturbinenprozess Vergasungstechnologien haben noch keine Marktreife erlangt, es gibt aber einige interessante Demonstrationsprojekte 5

6 Biomasse-KWK-Technologien im kleinen Leistungsbereich Verfügbare Technologie Stirlingmotor Entwicklungsstatus am Sprung von der Entwicklungs- in die Demonstrationsphase Anwendungsbereiche (Beispiele) Biomasse-Mikronetze kleine holzbe- und verarbeitende Betriebe große Hotels 6

7 Stirlingmotor Kühlerwärmetauscher Erhitzerwärmetauscher Biomasse-KWK auf Basis eines Stirlingmotors - prinzipielles Anlagenschema Rauchgas Luftvorwärmer Regenerator Luft Economiser Generator G Luft Biomasse Feuerung Wärmeabnehmer 7

8 Biomasse-KWK auf Basis des Stirlingmotor-Prozesses - Energiebilanz Biomasse Primärenergie = 100% Luftvorwärmer Economiser Rauchgasverluste 12,5% Feuerung 1,6% Wärmeverluste Stirlingmotor Generator Nutzbare Wärme 74,2% Elektrische Energie 11,7% 8

9 Stirlingmotor-Prozess - technologische Bewertung Stärken Kompakte Bauform Vollautomatischer Betrieb Hohe Flexibilität bezüglich Wassergehalt der eingesetzten Brennstoffe (10 55 Gew.% FS) Emissions- und geräuscharm Für Kleinanlagen gut geeignet Schwachstellen Erhitzer-Wärmetauscher - automatische Abreinigung Noch keine Langzeiterfahrungen für den Betrieb mit Biomassefeuerungen vorhanden Die Anwendung ist auf Hackgut, Sägespäne und Pellets beschränkt (asche- und chlorarme Brennstoffe) 9

10 Stirlingmotor-Prozess - Markteinführung und Entwicklungsziele Markteinführung Erste Demonstrationsanlage bereits h in Betrieb Kleinserie (10 Anlagen) für das Jahr 2005 geplant Entwicklungsziele Optimierung des Erhitzer-Wärmetauschers Erhöhung des elektrischen Wirkungsgrades Kopplung von Stirlingmotoren mit Festbettvergasern 10

11 Stirlingmotor - Technische Universität t Kopenhagen 35 kw el Pilotanlage MAWERA, Österreich 11

12 KWK-Anlage auf Basis Stirlingmotor - erste Pilotanlage in Österreich 35 kw el Pilotanlage MAWERA, Österreich 12

13 Biomasse-KWK-Technologien im mittleren Leistungsbereich Verfügbare Technologie ORC-Prozess Dampfturbinenprozess Dampfmotor Entwicklungsstatus marktreif viele Anwendungen Weiterentwicklungen und Optimierungen im Gange Anwendungsbereiche (Beispiele) Biomasse-Fernheizwerke mittelgroße holzbe- und -verarbeitende Betriebe 13

14 Biomasse-KWK auf Basis des ORC-Prozesses - prinzipielles Anlagenschema Arbeitsmittelpumpe Thermoölkessel Biomasse Feuerung Thermoölkreislauf Thermoöl-ECO Verdampfer ORC- Prozess Wärmeverbraucher Turbine G Generator (direkt betrieben) Regenerator Kondensator Luftvorwärmer Rauchgas Economiser Luft 14

15 ORC-Prozess Anlagenaufbau und Komponenten 1 Regenerator 2 Kondensator 3 Turbine 4 Elektrischer Generator 5 Umwälzpumpe 6 Vorwärmer 7 Verdampfer 8 Fernwärme-Vorlauf 9Fernwärme-Rücklauf 10Thermoöl-Vorlauf 11Thermoöl-Rücklauf Quelle: Fa. Turboden Srl, Brescia, Italien 15

16 Biomasse-KWK auf Basis des ORC-Prozesses - Energiebilanz Thermoölkessel - ORC-Prozess - Wärmerückgewinnung Thermoöl-ECO eta = 10 % Verbrennungsluftvorwärmer Heisswasser- ECO eta = 10 % Strahlungs- und Rauchgasverluste 8 % Thermische Nutzenergie 75 % Biomasse Input Hu = 100 % Thermoölkessel eta = 72 % ORC-Prozess Elektrische Nutzenergie % Thermische und elektrische Verluste ORC 2-3 % 16

17 ORC-Prozess Technologische Bewertung Stärken Ausgezeichnete Teillastfähigkeit und Lastwechselfähigkeit (wichtig für wärmegeführten Betrieb) Technologiereife Kein Dampfkesselwärter notwendig Hohe Automatisierbarkeit Robuste und langlebige Technik (geringe Instandhaltungskosten) Geringe Betriebskosten Schwachstellen Vergleichsweise hohe Investitionskosten (wird noch nicht in Serie produziert) Thermoölkreislauf erforderlich 17

18 ORC-Prozess Markteinführung und Entwicklungsziele Markteinführung Erste Demo-Anlage bereits seit über h in Betrieb Ca. 20 Anlagen mit Nennleistungen zwischen 200 und kw el in A, D, I und der CH in Betrieb Entwicklungsziele Entwicklung von Anlagen mit Nennleistungen kleiner 400 kw el ohne Thermoöl-Kreislauf Erhöhung des elektrischen Wirkungsgrades durch erhöhte Thermoöltemperaturen und verbesserte Verschaltungen Kopplung von Vergasungsanlagen mit ORC-Prozessen (GuORC) 18

19 Biomasse-KWK-Technologien im großen Leistungsbereich Verfügbare Technologie Dampfturbinenprozess Entwicklungsstatus marktreif viele Anwendungen Elektr. Anlagenwirkungsgrad (2 20 MW el ): 18 30% Weiterentwicklungen bzgl. Wirkungsgradoptimierung (Erhöhung der Dampfparameter) im Gange Anwendungsbereiche (Beispiele) große bestehende Fernwärmenetze (z.b. Linz, Wien) große holzbe- und -verarbeitende Betriebe 19

20 Vergasung von fester Biomasse - wichtige Rahmenbedingungen Die Biomassevergasung ist technologisch noch nicht so weit entwickelt wie die Biomasseverbrennung und besitzt noch keine Marktreife; erste Demonstrationsprojekte laufen Die Nutzung des Produktgases in nachgeschalteten Motoren, Turbinen oder Brennstoffzellen macht eine vorherige Gasreinigung erforderlich Probleme mit hohen Teer- und Staubgehalten sowie Stickstoff-, Schwefel-, Chlor- und Alkalimetallverbindungen im Produktgas Aufgrund der Komplexität der Anlagentechnologie eher nicht für Kleinanlagen geeignet 20

21 Wirbelschichtvergasung mit Gasmotor Demonstrationsanlage GüssingG Produktgaskühler Produktgasfilter Produktgaswäscher Gasmotor Katalysator G Rauchgasgebläse Verbrennungsluft Produktgasbrenner Vergaser Rauchgaskühler Rauchgasfilter Abgaskühler Kamin Biomasse Verbrennungsluft Rauchgasgebläse Wasserdampf Bettasche Flugasche Quelle: Renet, Austria 21

22 Demonstrationsanlage Güssing G Basisdaten der Anlage Baubeginn September 2000 Inbetriebnahme Dezember 2001 Brennstoff Industriehackgut, Waldhackgut Brennstoffwärmeleistung 8 MW Elektrische Leistung 2 MW Thermische Leistung 4,5 MW Elektrischer Wirkungsgrad 25 % Gesamtwirkungsgrad 80 % Gesamtinvestition Errichtung ca. 10 Mill. EURO Austrian Energy Quelle: Renet, Austria 22

23 Wirbelschichtvergasung mit nachgeschaltetem Gasmotor - technologische Bewertung Anlagenennleistungen: 10 MW th bis >100 MW th Vorteile: Gute elektrische Wirkungsgrade Produktgas mit hohem Heizwert erzielbar Produktgas vielseitig verwendbar Nachteile: Aufwendige Gasreinigung für Verstromung wird benötigt Schlechte Teillastfähigkeit Geringe Technologiereife Erhöhte Betriebskosten 23

24 Spezifische Mehr-Investitionskosten von KWK-Anlagen auf Basis fester Biomasse versus elektrischer Nennleistung spez. Mehr-Investitionskosten - Stromerzeugung [ /kwel] Stirlingmotorprozess ORC-Prozess Dampfturbinenprozess elektrische Nennleistung [kw] 24

25 Spez. Stromerzeugungskosten von Biomasse- KWK-Anlagen und Stromeinspeisetarife versus elektrischer Nennleistung Kosten bzw. Tarife [ /kwh el] 0,20 0,18 0,16 0,14 0,12 0,10 0,08 0,06 0,04 0,02 spez. Stromerzeugungskosten Stromeinspeisetarife für Waldhackgut Stromeinspeisetarife für Sägenebenprodukte Stromeinspeisetarife für Altholz t VL = bzw h/a, p Br = 0,5-2,5 Cent/kWh, Förderung 0%, Nutzungsdauer 10a, Verzinsung 6% 0, elektrische Nennleistung [kw] 25

26 Schlussfolgerungen und Empfehlungen (1) Die Ergebnisse zeigen, dass Technologien für Biomasse-KWK- Anlagen in verschiedenen Leistungsbereichen zur Verfügung stehen. Für Kleinanlagen (< 100 kw el ) erscheint insbesondere der Stirlingmotorprozess geeignet Für mittelgroße Anlagen (200 bis kw el ) bietet sich insbesondere die ORC-Technologie an. Für Großanlagen (größer 2 MW el ) stehen Dampfturbinenprozesse und eventuell zukünftig auch Biomasse-Vergasungsprozesse zur Verfügung Weiterentwicklungen konzentrieren sich insbesondere auf die Erhöhung des elektrischen Wirkungsgrades modulare und somit kostengünstige Bauweisen neue technologische Konzepte 26

27 Schlussfolgerungen und Empfehlungen (2) Langfristig gesicherte Stromeinspeisetarife in akzeptabler Höhe stellen eine wirtschaftliche Grundvoraussetzung für Biomasse- KWK-Anlagen dar Entsprechende Lieferverträge und Logistik für gesicherte Versorgung sehr wichtig; bei Großanlagen Just-in-time - Versorgung erforderlich (Lagerkapazität von 1-2 Wochen) Wärmegeführter Betrieb hat ökologisch Priorität - ein Mindestjahresnutzungsgrad für KWK-Anlagen sollte definiert werden und nicht unter 60 % liegen reine Verstromung ist ökologisch und volkswirtschaftlich nicht sinnvoll Standortwahl mit geeigneter Wärmesenke sehr wichtig richtige Anlagendimensionierung wichtig 27

28 Schlussfolgerungen und Empfehlungen für f Ö Eine Verlängerung der österr. Ökostromverordnung bezüglich Biomasseverstromung unter Berücksichtigung eines Effizienzkriteriums sowie ein weiterer Ausbau von BM-KWK- Anlagen ist wichtig und sinnvoll, da sowohl der Stromverbrauch als auch die CO 2 -Emissionen in Österreich steigen (großes CO 2 -Einsparungspotenzial durch BM-KWK-Anlagen) BM-KWK-Anlagen liefern ganzjährig und gesichert Strom (gute Netzausnutzung; keine Wetterabhängigkeit) BM-KWK-Technologien bieten für österreichische Anlagenbauer die Chance, große und wichtige Exportmärkte zu erschließen (Know-How Vorsprung und Referenzen sehr wichtig) dieses Potenzial sollte genützt und unterstützt werden 28

29 Danke für Ihre Aufmerksamkeit BIOS BIOENERGIESYSTEME GmbH Inffeldgasse 21b, A-8010 Graz, Austria TEL.: +43 (316) ; FAX: +43 (316) bios-bioenergy.at HOMEPAGE: bios-bioenergy.at