Biomasse KWK-Anlagen. DI (FH) Gerald Peischl
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- Samuel Kästner
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Transkript
1 Biomasse KWK-Anlagen DI (FH) Gerald Peischl
2 Biomasse KWK-Anlagen Programm Allgemeines KWK-Technologien Dampfkreislauf ORC Stirling Vergasungs-KWK Biogas-KWK
3 - Allgemeines Kraft-Wärme-Kopplung Kopplung Bei der Stromproduktion aus Wärmekraftmaschinen fällt zwangsweise Abwärme an Gleichzeitige Nutzung von Strom und Wärme ist anzustreben
4 - Allgemeines Kraft-Wärme-Kopplung Kopplung
5 - Allgemeines Kraft-Wärme-Kopplung Kopplung Wirkungsgrad der Stromproduktion eher gering Steigerung des Gesamtwirkungsgrades (Gesamtnutzungsgrad) durch Wärmenutzung
6 - Allgemeines Kraft-Wärme-Kopplung Kopplung Problematik: o Wärmeproduktion ist an Stromproduktion gekoppelt o Wärmebedarf i.a. stark schwankend o Große Stromproduktion ergibt große Abwärmemengen
7 - Allgemeines Kraft-Wärme-Kopplung Kopplung wärmegeführter Betrieb: Anlage wird entsprechend dem Wärmebedarf der Abnehmer gefahren Der parallel erzeugte Strom wird dann meist zur Deckung des elektrischen Eigenbedarfs des Betreibers verwendet oder in das Netz der öffentlichen Versorgung g eingespeist.
8 - Allgemeines Kraft-Wärme-Kopplung Kopplung stromgeführter Betrieb: maximale Stromproduktion Bei hoher h Vergütung für den in das Netz eingespeisten Strom ( ÖKO-Strom-Tarife ) dabei anfallende Wärme kann dabei nicht immer genutzt werden und ist gegeben-g enfalls an die Umgebung abzuführen.
9 - Allgemeines Energieumwandlung Technologien zur energetische Nutzung von Biomasse Heißwasser, Dampf Wärme Verbrennung Dampf Dampfkraftwerk (Dampfturbine, Dampfmotor) BRENNSTOFF Abgas Brenngas Stirlingmotor Gasturbine/ GuD-Anlage Wärme und Strom Vergasung Brenngas Gas-Motor (BHKW) Brenngas Brennstoffzelle DP0401_08
10 - Allgemeines Erreichbare Wirkungsgrade
11 - KWK-Technologien Dampfkreislauf (Prinzip)
12 - KWK-Technologien Dampfkreislauf
13 - KWK-Technologien Wärmekraftprozess Effektivität steigt, wenn: Temperatur bei Wärmezufuhr möglichst hochh Temperatur bei Wärmeabfuhr möglichst gering
14 s = konst t. s = konst. Biomasse-KWK-Anlagen - KWK-Technologien Wärmekraftprozess (Carnot) T CARNOT - PROZESS T 2 = T 3 = konst. 2 3 T 4 =T 1 = konst. 1 4 η C = T 2 T1 T1 1 T T 2 = 2 s GY0609_01
15 - KWK-Technologien Wärmekraftprozess (Carnot) Nicolas Léonard Sadi Carnot (* 1. Juni 1796 in Paris; 24. August 1832 in Paris) theoretischen Betrachtung der Dampfmaschine (Carnot-Prozess)
16 Beispiel: Biomasse-KWK-Anlagen Wärmekraftprozess (Carnot) t1= 100 C, t2= 400 C η C = η C T = T 673,15 373,15 673,15 2 T1 T1 1 T 2 = = 2 0,445 t1= 50 C, t2= 500 C η C = 773,15 323,15 773,15 = 0,582
17 Dampf-Heizkraftwerk: 40 bar, 420 C Gegendruckturbine Generator G Biomasse Verbrennungsluft Biomasse kessel Rauchgase 0,846 bar 105 C Speisewasser pumpe Wärmeverbraucher Heizkondensator 90 C Speisewasser- behälter 95 C 70 C GY0609_02
18 Dampf-Heizkraftwerk: Gegendruckbetrieb - Wärmeabnahme definiert die Stromproduktion - Nur bei konstanter Wärmeabnahme sinnvoll (Bandlastbetrieb t b!!)
19 Dampf-Heizkraftwerk: Entnahme- Kondensationsbetrieb Entspannung bis zum notwendigen Gegendruck Entnahme (Anzapfung) des Heizdampfes Entspannung des Restdampfes bis auf niedrigst mögliches Niveau
20 Dampf-Heizkraftwerk: 30 bar, 440 C Entnahme- Kondensationsturbine 2,5 bar, 125 C Generator G Biomasse Verbrennungsluft Biomasse kessel Rauchgase 0,13 bar 100 C Wärmeverbraucher Speisewasser pumpe Luftkondensator Heizkondensator 70 C 0,13 bar, 52 C 1,2 bar 105 C Speisewasserbehälter GY0609_03
21 Dampf-Heizkraftwerk: Entnahme- Kondensationsbetrieb + Stromproduktion ohne Wärmebedarf möglich (ganzjährig, hohe Laufzeiten) + höhere el. Leistung und höherer el. Wirkungsgrad - geringerer Gesamtwirkungsgrad (Abwärme im Kondensator = Verlust)
22 Dampf-Heizkraftwerk: Entnahme- Kondensationsbetrieb - Leistungsminderung an der Turbine bei Wärmeauskopplung - aufwändiger Anlagenaufbau
23 Dampf-Heizkraftwerk: Wärmeauskopplung annual load line: DH-system total heating energy demand: MWh heat supply from peak load boiler: MWh (4,1%) heat supply from CHP-plant: MWh (95,9%) hea at load [kw] energy surplus: MWh hours renet Güssing GmbH
24 Dampf-Heizkraftwerk: Wärmeauskopplung annual load line: DH-system total heating energy demand: MWh heat supply from peak load boiler: MWh (6,7%) heat supply from CHP-plant: MWh (93,3%) he eat load [kw] energy surplus: MWh hours renet Güssing GmbH
25 Dampf-Heizkraftwerk: Wärmeauskopplung annual load line: DH-system total heating energy demand: MWh heat supply from peak load boiler: MWh (22,7%) heat supply from CHP-plant: MWh (77,3%) he eat load [kw] energy surplus: MWh hours renet Güssing GmbH
26 Dampf-Heizkraftwerk:
27 Dampf-Heizkraftwerk:
28 Dampf-Heizkraftwerk: Feuerungen, Kessel bis ca. 10 MW Feuerungsleistung Rostfeuerung Rauchrohrkessel + Überhitzer
29 Dampf-Heizkraftwerk: Rauchgas Wärmeübertrager Brennstoffzufuhr Sekundärluft Vorschubrost Primärluft Ascheaustragung GY0609_04
30 Dampf-Heizkraftwerk: Zweizug - Rauchrohrkessel Rauchgasaustritt Wasser Dampf Rauchgaseintritt Wendekammer GY0609_05
31 Dampf-Heizkraftwerk: Feuerungen, Kessel ab ca. 10 MW Feuerungsleistung Rostfeuerung Wirbelschichtfeuerung Wasserrohrkessel
32 Dampf-Heizkraftwerk: Dampf Wasserrohrkessel: Naturumlaufkessel Trommel Überhitzer Abgas Speisewasservorwärmer Luft- vorwärmer Brennstoff Verdampfer Speisewasser GY0609_06
33 Dampf-Heizkraftwerk: stationäre Wirbelschicht
34 Dampf-Heizkraftwerk: zirkulierende Wirbelschicht Zyklon Wärmeübertrager Bettmaterialrückführung Brennstoff Syphon Rauchgas Fluidisierungsluft Wirbelbett GY0609_07
35 Dampf-Heizkraftwerk: Arbeitsmaschinen Dampfturbine Dampfmotor (Kolbendampfmaschine) Schraubenexpander (Schraubenmotor)
36 Dampf-Heizkraftwerk: Dampfturbine Strömungsmaschine für mittlere bis große Leistungen ab ca. 2 MW einstufig oder mehrstufig
37 Dampf-Heizkraftwerk: Dampfturbine
38 Dampf-Heizkraftwerk: Dampfturbine
39 Dampf-Heizkraftwerk: Dampfmotor Weiterentwicklung der Kolbendampfmaschine für kleinere Leistungen (bis 2 MW) gutes Teillastverhalten - Wartungsaufwand - Öl im Dampf
40 Dampf-Heizkraftwerk: Dampfmotor
41 Dampf-Heizkraftwerk: Schraubenexpander Umkehrung des Schraubenverdichterprinzips für kleinere Leistungen (ähnlich h Dampfmotor) unempfindlich gegen Nassdampf ölfreier Betrieb möglich
42 Dampf-Heizkraftwerk: Schraubenexpander
43 Dampf-Heizkraftwerk: Schraubenexpander Sattdampf (26 bar, 225 C) Generator G Fernwärme- netz Heizkondensator Prozesswärmeabnehmer Dampftrommel Getriebe Überhitzer Biomasse- kessel Einspritzkühlung Economiser Hochdruckstufe Niederdruckstufe Biomasse Rauchgas Rostfeuerung Asche Speisewasserpumpe GY0609_09
44 ORC - Anlagen Organic g Rankine Cycle y (ORC) Organisches Arbeitsmedium mit niedriger Verdampfungstemperatur an Stelle von Wasser William John Macquorn Rankine (* 1820; 1872, schottischer Physiker und Ingenieur)
45 ORC - Anlagen thermodynamisch gleich wie Dampfkreislauf Arbeitsmedium: organischer Stoff ursprünglich bei Geothermieanlagen verwendet günstigere Drücke als Wasserdampf bei niedrigen Drücken vollkommen geschlossener Arbeitsmittelkreislauf keine Wasseraufbereitung notwendig
46 ORC - Anlagen ORC-Medien Silikonöl Toluol Iso-Pentan Iso-Oktan..
47 ORC - Anlage Biomasse-KWK-Anlagen Thermoölkreislauf Turbine G Generator Verdampfer Biomasse Verbrennungsluft Biomassekessel Rauchgase ORC - Prozess Regenerator Kondensator Wärmeverbraucher Economiser GY0609_10
48 ORC - Anlagen Leistungsdaten von ORC-Anlagen (Turboden)
49 ORC - Anlagen ORC-Anlage (Turboden)
50 ORC - Anlagen ORC-Anlage (Turboden)
51 ORC - Anlagen Zwischenkreislauf mit Thermoöl (drucklos!) automatischer Betrieb ohne Personal guter Regelbarkeit der Turbine gutes Teillastverhalten wärmegeführter Betrieb möglich (Volllaststunden für Wirtschaftlichkeit > h, abhängig von Brennstoffkosten)
52 Stirling - Anlagen Wärmekraftmaschine mit äußerer Verbrennung geschlossener Kreislauf, Arbeitsmedien: Luft, Stickstoff, Helium, Wasserstoff theoretisch hohe Wirkungsgrade erreichbar 10 kw el bis 100 kw el
53 Stirling Motor (Prinzip) 1 kg 1 kg 1 kg t, p, v t, p, v t, p, v GY0609_11 GY0609_12 GY0609_13
54 Biomasse KWK-Anlagen - KWK-Technik Stirling Motor (Prinzip) GY0613_01
55 Biomasse KWK-Anlagen - KWK-Technik Stirling Motor (Prinzip) GY0613_02
56 Biomasse KWK-Anlagen - KWK-Technik Stirling Motor (Prinzip) GY0613_03
57 Biomasse KWK-Anlagen - KWK-Technik Stirling Motor (Prinzip) GY0613_04
58 Biomasse KWK-Anlagen - KWK-Technik Stirling Anlagen (Prinzip) GY0613_05
59 Stirling - Motor
60 Stirling Anlage Erhitzer Luftvorwärmer Frischluft Economiser Rauchgase G Biomasse Generator Wärmeverbraucher Stirling- Motor Kühler Verbrennungsluft Biomassefeuerung GY0609_16
61 Stirling - Anlagen reale Wirkungsgrade gg (6 20 %) hohe Verbrennungstemperaturen erforderlich für gute Wirkungsgrade Verschmutzungsproblematik (Asche) keine Langzeiterfahrungen vorhanden
62 Vergasungs- KWK-Anlagen Erzeugung g eines brennbaren Gases aus Biomasse Verstromung in Gasmotor Nutzung der Abwärme
63 Vergasungs- KWK-Anlagen Autotherme Vergasung g (am häufigsten) Allotherme Vergasung
64 Vergasungs- KWK-Anlagen Autotherme Vergasung unterstöchiometrische Menge an Oxidationsmittel (Luft oder Sauerstoff) ein Teil der Biomasse verbrennt dabei frei werdende Wärme wird für die thermische Zersetzung der restlichen Biomasse verwendet
65 Vergasungs- KWK-Anlagen Autotherme Vergasung im Vergaser verschiedene Reaktionszonen (Trocknung, Pyrolyse, Oxidation und Reduktion) Endprodukte der Vergasung: - Schwachgas (vorwiegend bestehend aus CO, CO 2 2, H 2 2, CH 4 und N 2 2) - Teerverbindungen und Flugaschepartikeln - Asche und Restkohlenstoff
66 Vergasungs- KWK-Anlagen Autotherme Vergasung wird Sauerstoff als Oxidationsmittel eingesetzt stickstoffarmes Produktgas mit entsprechend höheren Heizwert kür kleiner Anlagen
67 Vergasungs- KWK-Anlagen Allotherme Vergasung Dampf bzw. Mischungen von Dampf und rezirkuliertem Rauchgas als Vergasungsmedium erforderliche Energie zur Vergasung muss von außen zugeführt werden Vorteil: im Vergleich zu Luft-Vergasungsverfahren g rund doppelt so hohe Heizwert des Produktgases (10 14 MJ/Nm³); Stickstoffanteil der Luft entfällt deutlich niedrigerer Teergehalt des Produktgases, da Wasserdampf die Aufspaltung von Kohlenwasserstoff- verbindungen beschleunigt.
68 Vergasungs- KWK-Anlagen Allotherme Vergasung Nachteile: - höhere Betriebskosten - komplexere Anlagentechnik (Investitionskosten) eher für Großanlagen wirtschaftlich bevorzugt in Kombination mit Wirbelschichtvergasern eingesetzt.
69 Vergasungs KWK-Anlagen Generelle Herausforderung Gasreinigung: - Teergehalt - Staubgehalt (Asche) aufwändige Gasreinigung erforderlich stabiler automatisierter Anlagenbetrieb + höhere el. Wirkungsgrade erreichbar als bei Biomasse Dampfkraftanlagen
70 Vergasungs- KWK-Anlagen kleinere Anlagen: Festbettvergaser große Anlagen: Wirbelschichtvergaser
71 Vergasungs- KWK Anlage BRENNSTOFF Gegenstrom- PRODUKTGAS Trocknung (200 C) Pyrolyse (500 C) Vergasung (900 C) vergaser VERGASUNGS- MITTEL Verbrennung (1200 C) ASCHE GY0609_17
72 Vergasungs- KWK Anlage Gleichstromvergaser BRENNSTOFF Trocknungszone Pyrolysezone VERGASUNGS- MITTEL Oxydationszone PRODUKTGAS Reduktionszone ASCHE GY0609_18
73 Vergasungs- KWK Anlage BRENNSTOFF Doppelfeuer- Trocknungszone Pyrolysezone Oxydationszone 1 PRODUKTGAS Reduktionszone vergaser VERGASUNGS- MITTEL VERGASUNGS- MITTEL Oxydationszone 2 ASCHE GY0609_19
74 Vergasungs- KWK Anlage Querstromvergaser BRENNSTOFF VERGASUNGS- MITTEL PRODUKTGAS ASCHE GY0609_20
75 Vergasungs- KWK Anlage PRODUKTGAS Wirbelschicht- vergaser Zyklon BRENNSTOFF Asche, Staub stationäre Wirbelschicht VERGASUNGS- MITTEL Asche GY0609_21
76 Vergasungs- KWK Anlage PRODUKTGAS Bettmaterial + Koks + Asche Wirbelschicht- vergaser Rückführzyklon BRENNSTOFF zirkulierende Wirbelschicht VERGASUNGS- MITTEL Asche, Staub Asche GY0609_22
77 Vergasungs- KWK Anlage Druck-Wirbelschichtvergaser ht mit GUD-Prozess Produktgaskühler Heißgasfilter BRENN- GAS Abgas Asche, Staub BRENNSTOFF Brennkammer Druck- Wirbelschichtvergaser Abhitzekessel G Dampfkreislauf Vergasungsluft Beschickungssystem Gasturbine G Luft GY0609_23
78 Vergasungs- KWK Anlage Wirbelschichtvergasungsanlage Güssing
79 Biogas- KWK-Anlagen Erzeugung g eines brennbaren Gases aus Biomasse (Vergärung) Verstromung in Gasmotor Nutzung der Abwärme
80 Biogas- KWK-Anlagen
81 Biogas- KWK-Anlagen Erträge (FNR)
82 Biogas- KWK-Anlagen Biogasausbeute
83 Biogas- KWK-Anlagen
84 Biogas- KWK-Anlagen
85 Biogas- KWK-Anlagen Typische Planungswerte für Biogasanlagen (FNA-Handreichung Biogasgewinnung und -nutzung) P el kwh el /Jahr kwh therm /Jahr kwh el /kwh therm , , , , , ,849 kwh therm /kwh el 1,33 1,23 1,16 1,12 1,14 1,18
86 Biogas- KWK-Anlagen Beispiel: KWK-Leistung [kw th ] KWK-Leistung [kw el ] spez. Flächenbedarf (Silomais) 0,5 [ha/kw el ] Flächenbedarf (Maisanbau) ca. 500 [ha] Flächenbedarf (Fahrsilo) ca [m²] Flächenbedarf (Anlage) ca [m²]
87 Biogas- KWK-Anlagen Ausgereifte Technik Abfallverwertung NAWARO (geschlossener Mineralkreislauf) Kofermentation Wärmenutzung erhöht Wirtschaftlichkeit
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