Dipl.-Ing. Alfred Hammerschmid

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1 Aktuelle Möglichkeiten des Einsatzes von Biomasse-Kraft Kraft-Wärme-Kopplungstechnologien mit Nennleistungen kleiner 2 MWel in Österreich Dipl.-Ing. Alfred Hammerschmid TEL.: +43 (316) ; FAX: +43 (316) hammerschmid@bios-bioenergy.at HOMEPAGE:

2 Heimische Biomasse Spannungsfeld von dezentralen Biomasse-KWK KWK-Technologien Investitionen und Betriebskosten Unabhängigkeit Investitionsförderungen Small is beautiful Einspeisetarife Freier Strommarkt CO2-Reduktion EVU s Hohe Personalkosten --> Hoher Automatierungsgrad gewünscht

3 Grundlagen Gründe wieso sich dezentrale Biomasse-KWK-Anlagen in Österreich bisher nicht durchsetzen konnten: Fehlende Technologien zur wirtschaftlichen Stromerzeugung im kleinen Leistungsbereich und bei Anlagen mit niedrigen Jahresvollastbetriebsstunden Fehlende wirtschaftliche Anreize zur dezentralen Stromproduktion in Biomasse-Heizwerken durch zum Teil unter dem Wärmepreis liegende durchschnittliche Stromeinspeisetarife in das öffentliche Elektrizitätsnetz Zu wenig seriöses und auf dem derzeitigen Stand der Technik basierendes Informationsmaterial, das über die Möglichkeiten dezentraler KWK-Anlagen auf Biomassebasis Auskunft gibt

4 Stromproduktion in Österreich Endverbrauch von elektrischer Energie in Österreich GWh Anstieg des Endverbrauches von elektrischer Energie bis 2005 auf etwa GWh/a Die vorgegebenen 3% der Stromerzeugung mit erneuerbaren Energieträgern ergibt somit GWh/a im Jahr 2005

5 Einsatzgebiete für dezentrale Biomasse-KWK Zufeuerung von Biomasse in bestehenden und mit fossilen Brennstoffen betriebenen Wärmekraftwerken Biomasse-KWK-Anlagen zur Grundlastdeckung von Nah- bzw. Fernwärmeversorgungssystemen Biomasse-KWK-Anlagen in der holzbe- und verarbeitenden Industrie Biomasse-KWK-Anlagen in Industriebetrieben mit Prozeßwärmebedarf

6 KWK-Technologien Überblick ENERGETISCHE NUTZUNG VON BIOMASSE Anaerobe Vergasung Veredelung/ Verflüssigung Thermische Vergasung Verbrennung Gasmotor Dieselmotor Gasreinigung Rauchgas/Luft-Wärmeübertragung Dampferzeuger Kessel mit Thermoöl als Wärmeträger Heißwasserkessel Brennstoffzelle Gasmotor Gasturbine Heißluftturbine Stirlingmotor Dampfturbine Dampfkolbenmotor Dampfschraubenmotor ORC- Prozeß Kraft-Wärme-Kopplung Stromerzeugung Industrielle Prozeßwärme Fern/Nahwärme

7 Bewertungsfaktoren für KWK-Technologien Anlagedaten?el-Anl?Ges Betriebsverhalten Regelungstechnik Instandhaltung Ökologie Entwicklungsstand Kostenstruktur P el Komplexität der Anlage Anfahrverhalten Teillastverhalten Personalbedarf und Ausbildung Automatisierbarkeit Lauf. Instandhaltungsaufwand Personalbedarf zur Instandh. Störungsanfälligkeit Gefährl. Betriebsmittel / -mater. Lärm Technologiereife Kurzfr. Entwicklungspotential Kapitalkosten Personalkosten Instandhaltungskosten sonst. Betriebskosten

8 Dampf-Schraubenmotor Schraubenmotor-Prozeß - Schema Rauchgas Biomasse Luft Kessel Speisepumpe Drosselventil Druckminderventil Schrauben motor Getriebe G Generator Speisewasserbehälter Kondensationswärmetauscher Wärmeabnehmer Wasseraufbereit. Wasser Kondensathebepumpe Kondensattank

9 Dampf-Schraubenmotor Schraubenmotor-Prozeß - Entspannungsvorgang

10 Dampf-Schraubenmotor Schraubenmotor-Prozeß - Technologiebewertung I Stärken Nutzung von Naßdampf möglich Sehr hohe Robustheit (praktisch verschleißfrei) Sehr gutes Teillastverhalten Geringe Instandhaltungskosten EU-Demonstrationsprojekt in Österreich in 2001 Schwachstellen Geringer elektrischer Anlagenwirkungsgrad Geringe Betriebserfahrung Kesselwärter notwendig

11 ORC-Prozess - Schema 3 Turbine Thermoölkreislauf G Generator (direkt betrieben) Biomasse Luft Kessel Verdampfer 2 ORC- Prozess 4 Regenerator 1 Wärmeverbraucher Arbeitsmittel- Pumpe Kondensator Rauchgas Economiser

12 ORC-Prozess Prozess- Modul in Containerbauweise

13 ORC-Prozess - Betriebsparameter und -mittel Elektrischen Nennleistungen von 300 bis kw el (modular erweiterbar) ORC-Kreislauf ist vollständig geschlossen (das organische Arbeitsmittel verbraucht sich dadurch praktisch nicht) Wartungsaufwand (periodische Überprüfung der ORC-Anlage): etwa 3 Stunden pro Woche

14 ORC-Prozess - Energieflußbild 1.6% Wärmeverluste 100% 80.0% Thermoöl thermischer Wirkungsgrad 17.7% 0.7% elektrischer Wirkungsgrad elektrische Verluste

15 ORC-Prozess - Betriebsverhalten und Regelung Sehr gutes Teillastverhalten, ausgezeichnete Regelbarkeit (arbeitet vollautomatisch) Führungsgröße beim wärmegeführten Betrieb ist die Wärmeabnahme bei den Verbrauchern Der Betrieb von ORC-Aggregaten erfolgt vollkommen automatisiert. Es besteht keine Anwesenheitserfordernis eines Betreibers die ORC-Anlage kann innerhalb von etwa 5 Minuten an das elektrische Netz gekoppelt werden (nach Durchlaufen der Sicherheitsabfragen)

16 ORC-Prozeß - Entwicklungsstand Langjährige Betriebserfahrungen aus dem geothermischen Bereich Sowohl der Thermoöl- als auch der ORC-Kreislauf sind industriell erprobt Biomasse-KWK-Anlagen auf ORC-Basis haben das Demonstrationsstadium erreicht und stehen somit vor der Marktdurchdringung Erste EU-THERMIE-Demonstrationsanlage in Österreich (STIA, Admont) In der Schweiz zwei weitere Anlagen In Österreich drei weitere Anlagen (je ca kwel) in 2001

17 Biomasse-KWK KWK-Anlage Jahredauerlinie: ORC-Prozeß Admont/Österreich Leistung [kw] Spitzenlastkessel Kondensator Economizer BM-Heißwasserkessel BM-Thermoölkessel Stromproduktion Betriebsstunden [h]

18 Stirlingmotor-Prozeß - Schema Erhitzer- Wärmetauscher Regenerator Kessel Rauchgas Generator G Biomasse Luft Feuerraum Stirlingmotor Kühler- Wärmetauscher Wärmeabnehmer

19 Stirlingmotor-Prozeß - Betriebsparameter und -mittel Sehr kompakte Bauform (einfacher Zubau zu bestehenden Biomasse-Heizwerken möglich) Arbeitsmedium: Luft, Stickstoff, Helium oder Wasserstoff (dzt. wird meist Helium eingesetzt) Größenordnung der elektrischen Leistung von Stirlingmotoren liegt zwischen 10 kw el und 40 kw el, in naher Zukunft bis zu 150 kw el Der elektrische Wirkungsgrad liegt mit 15 bis 28 % sehr hoch

20 Stirlingmotor - Joanneum Research 30 kwel Demonstrationsanlage in bestehendem Heizwerk für 2001 erwartet

21 Stirlingmotor - TU Dänemark 30 kwel Demonstrationsanlage seit zwei Heizperioden in Betrieb weitere Anlagen in Planung

22 Vergasung - Einleitung Die Biomassevergasung ist technologisch noch nicht so weit entwickelt wie die Biomasseverbrennung 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 Akalimetallverbindungen im Produktgas

23 Doppelfeuervergaser - Schema Biomasse Brennstofftrocknung Fackel Verbrennungsluft Abgas Fernwärme Gasmotor V G Zyklon Gaswäsche Asche Vergasungsluft Filter Festbettvergaser Frischwasser

24 Leistungsspektrum und Probleme Leistungsspektrum: Von wenigen kw el bis zu einigen MW el Bis 10 MW th (Brennstoffwärmeleistung) Festbettvergaser, darüber hinaus Wirbelschichtvergaser Probleme: Aufwendige Produktgasreinigung erforderlich (Abwasser- und Kondensatprobleme) Höhere Abgasemissionen des Gasmotors bzw. der Gasturbine (im Vergleich zu Feuerungsanlagen) Komplexer wärmetechnischer Anlagenaufbau Höhere Anlagenkomplexität insgesamt

25 Kesselauslegung einer Anlage mit KWK (Wärmeleistung ab HW: kw) Wärmeleistung ab Heizwerk [kw] Gesamtwärmeleistung ab Heizwerk Wärmeleistung der Biomasse-KWK Wärmeleistung Biomasse gesamt Betriebsstunden [h/a]

26 Kesselauslegung einer Anlage mit KWK (Wärmeleistung ab HW: kw) Wärmeleistung ab Heizwerk [kw] Gesamtwärmeleistung ab Heizwerk Wärmeleistung der Biomasse-KWK Betriebsstunden [h/a]

27 Stromeinspeisetarife - beispielsweise Oberösterreich Bundesland Eventuelle Differenzierung nach S-HT S-NT W-HT W-NT Energieträger, Leistung und Alter [g/kwh] [g/kwh] [g/kwh] [g/kwh] Oberösterreich 11) Neue Anlagen bis 5 MW: Stand Volleinspeiser bis 2000 kw 7) 89,9 80,0 171,0 126,9 Volleinspeiser über 2000 kw 4) 7) + Leistungspreis 89,9 80,0 136,8 115,3 Überschusseinspeiser 80,9 72,0 136,8 115,3 Volleinspeiser bis 2000 kw 8) 127,7 113,7 243,0 180,4 Überschusseinspeiser bis 2000 kw 8) 115,0 102,3 194,4 163,9 Alte u. sonst. Anlagen bis 5 MW: Volleinspeiser bis 2 MW 7) 47,3 42,1 90,0 66,8 Volleinspeiser über 2 MW 4) 7) + Leistungspreis 47,3 42,1 72,0 60,7 Überschusseinspeiser 42,6 37,9 72,0 60,7 4) Leistungspreis 114 ATS/(kW*Monat); 7) bei mehrjähriger vertraglicher Bindung; 8) mit mind. 30 % Waldhackgutanteil; 11) wettbewerbsorientiertes Modell.

28 Auswirkungen ElWOG Die erhöhten Stromeinspeisetarife durch das ElWOG sind jedenfalls erforderlich Wichtig ist jedoch eine gesicherte Vertragsdauer mit dem EVU oder dem Netzbetreiber abzuschließen (> 10 Jahre) Gesamtes Tarifmodell in Österreich praktisch unüberschaubar; die Individualität der Länder wird wurde voll ausgespielt In Deutschland beispielsweise ein Tarif für das ganze Jahr und das gesamte Bundesgebiet Wichtig sind nun praxistaugliche Realisierungsprojekte

29 Möglichkeiten der Stromerzeugung für bestehende oder zukünftige Heizwerke Dampfprozesse ORC-Prozeß Stirling Vergasung Umbau Dampfkessel, Dampfleitungen, Speisewasserwirtschaft Thermoölkessel, Thermoölkreislauf Feuerungsumbau praktisch unmöglich Zusätzliche Grundlast KWK-Anlage Umbau praktisch unmöglich Zusätzliche Grundlast KWK-Anlage Neubau bzw. spätere Nachrüstung Rechtzeitig entscheiden spätere Nachrüstung aufwendig und teuer Rechtzeitig entscheiden evtl. nur ORC-Modul zeitverschoben Berücksichtigung in Planungsphase evtl. nur Stirling zeitverschoben Feuerung bereits adaptieren Berücksichtigung in Planungsphase

30 Schlußfolgerungen und Empfehlungen I Innovative Technologien für dezentrale Biomasse-KWK-Systeme (P el < 1,5 MW) verfügbar Derzeitige spezifische Investitionskosten (Mehrkosten zu einer konventionellen Biomassefeuerung) ab S / kw el ; mittelfristig realistisch und anzustreben: S / kw el Entsprechend erhöhte Einspeisetarife für erneuerbaren Strom werden die Markteinführung deutlich forcieren.

31 Schlußfolgerungen und Empfehlungen II Für dezentrale KWK-Systeme wichtige technische Rahmenbedingungen: Hohe Robustheit der Technologie (geringe Störanfälligkeit) Gute Regelbarkeit und Automatisierbarkeit Geringer Wartungs- und Instandhaltungsaufwand Gutes Teillastverhalten

32 Schlußfolgerungen und Empfehlungen - BM-KWK (II) Für dezentrale KWK-Systeme wichtige wirtschaftliche Rahmenbedingungen: Hohe Anzahl an Jahresvollaststunden (> 4000 h) Hoher erreichbarer Gesamtwirkungsgrad (wärmegeführter Betrieb) Niedrige Betriebskosten Nutzen von economy of scale - und learning curve - Effekten bezüglich einer Senkung der Investitionskosten