Bestimmung von Jahresnutzungsgrad und Emissionsfaktoren von Biomasse- Kleinfeuerungen Markus Schwarz M. Heckmann, L. Lasselsberger (FJ-BLT), W. Haslinger
Hintergrund EN 303-5 war die Triebkraft der technischen Entwicklung, aber In den 1980ern und den frühen 1990ern: Große Unterschiede der geprüften Geräte Signifikantes Verbesserungspotential Heute: Kaum Unterschiede zwischen Produkten Stagnation auf hohem Niveau Quelle: FJ-BLT, Zusammenstellung: BE2020+ Folie 2
Motivation EN 303-5 Etabliertes und akzeptiertes Verfahren Ungenügende Unterscheidungsmöglichkeit zwischen verschiedenen Produkten Ausschließlich Prüfung im stationären Betrieb Keine Widerspiegelung realer Bedingungen Irreführende Information für Kunden Unterscheidung zwischen Produkten /Systemen passiert unter realen / instationären Betriebsbedingungen Schließen der Lücke zwischen EN 303-5 und der Realität! Folie 3
Ziele Entwicklung einer Prüfstandsmethode für Kessel Basierend auf existierender Infrastruktur, Verfahren und Messtechnik für Prüfung nach EN 303-5 Geringer zusätzlicher Aufwand (+ 1 Versuchstag) Bessere Abbildung realer Betriebsbedingungen Zusätzliches Bewertungskriterium für die Unterscheidung der Qualität von Biomasse Kesseln (Scheitholz / Pellets / Hackgut) Rollenprüfstandstests für Biomasse Heizungssysteme Für die Bestimmung von Jahresnormnutzungsgrad und Jahresnormemissionsfaktoren Folie 4
Entwicklungsschritte für Prüfmethode Definition der Systemgrenzen Definition eines Versuchsablaufs (Bezugspunkte für Versuch und Auswertung) für automatisch und manuell befeuerte Geräte für Volllast- / Pufferbetrieb und modulierenden Betrieb Entwicklung einer einfachen Auswertungssoftware (VBA auf MS Excel) Erarbeitung eines Leitfadens Experimentelle Überprüfung der Methode Folie 5
Systemgrenzen für die Versuchsmethode Gebäudeteil Abgabe Messung Berechnung Emulation Energieträger Systemteil Systemgrenze Folie 6 Verteilung Speicherung Erzeugung Q Q Energieflüsse über die Systemgrenzen
Modulierender Betrieb: Jahres-Referenzlastzyklus Analyse unterschiedlicher Lastverläufe aus Literatur und Praxismessungen Festlegung von 5 Typtagen und zugehörigen Tageslastgängen in Anlehnung an VDI 4655 WxH Wintertag heiter WxB Wintertag bewölkt ÜxH Übergangszeit heiter ÜxB Übergangszeit bewölkt SxX Sommertag Folie 7 Leistung [kw] 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 0:00 4:00 8:00 12:00 16:00 20:00 0:00 WxH WxB ÜxH ÜxB SxX
Leistung [%] 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% Definition Laststufen Jahres-Referenzlastzyklus 0% 00:00 04:00 08:00 12:00 16:00 20:00 00:00 WxH ÜxH SxX WxB ÜxB Jahr (TRY13) Laststufen 100% 63% 48% 39% 30% 13% Reduktion auf Laststufen entsprechend DIN 4702-8 Gewichtete Summierung der Tages-Stufenprofile zu einem Jahres-Referenzlastzyklus Reduktion des 24-stündigen Jahres-Referenzlastzyklus auf 8-Stunden Festlegung der Rampen Folie 8
Versuchsablauf für Messung mit Jahres-Referenzlastzyklus Umwälzpumpe ein aus Saugzug Kamin ein aus Kessel ein aus 100% Leistungsanforderung 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 45 C 55 C 80 C Messungen 55 C Verlustbilanz Massenbilanz Energiebilanz T VL =T RL 45 C 90 75 60 45 30 Temperatur [ C] 10% 0% t 0 t 1 t 2 t 3 t 4 t 5 t 6 T15 U Zeit Referenzlastzyklus (Leistungsanforderung in %) Vorlaufemperatur Rücklaufemperatur Folie 9 8h 8h
Volllast / Pufferbetrieb Konzentration [Vol%] 25 20 15 10 O2 [Vol%] CO2 [Vol%] H2O [Vol%] CO [ppm] NOx [ppm] org. C [ppm] 2500 2000 1500 1000 Konzentration [ppm] Volllastversuch nach EN 303-5 und zusätzliche Abkühlphase Lineare Skalierung der Stationären Betriebsphase Produzierte Energiemenge entspricht Speicherkapazität des Puffers Pufferverluste werden berechnet 5 500 Angenommene Puffergröße: 0 0 200 400 600 800 Zeit [min] 0 Automatische K. 50 l/kw Manuelle K. 100 l/kw Folie 10
Messung an Biomassekesseln 3 Prüf / Versuchsstände FJ-BLT, Wieselburg TFZ, Straubing BE2020+, Wieselburg 5 Feuerungsanlagen 1 x Hackgutkessel 3 x Pelletskessel 1 x Scheitholzkessel Folie 11 Kesselleistung Nennleistung 14,9-30 kw
Kesselverhalten beim Referenzlastzyklus 25 Ist-Wärmeleistung [kw] [kw] Soll-Wärmeleistung [kw] 50 el. Kessel-Wärmeleistung Hilfsenergie [kw] [kw] Kessel-Wärmeleistung [kw] 20 Abgasvolumenstrom [Nm /h] 40 Leistung [kw] 15 10 30 20 Volumenstrom [Nm /h] 5 10 0 0 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Zeit [min] Folie 12
Emissionen bei Versuch mit Referenzlastzyklus 25 2500 Sauerstoff [Vol%] Kohlendioxid [Vol%] Wasser [Vol%] Kohlenmonoxid [ppm] 20 Stickoxide [ppm] org. Kohlenwasserstoffe [ppm] 2000 Konzentration [Vol%] 15 10 1500 1000 Konzentration [ppm] 5 500 0 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Zeit [min] 0 Folie 13
Automatisierte Auswertung Lastzyklus Volllastbetrieb und Puffer Lastzyklus Volllastversuch Datei: Data@JNG_LZ.xls Datei: Data@ JNG_VL.xls Auswertezeiträume Datenqualität Kesselstart 08.06.2010 08:29 Zyklusstart 08.06.2010 08:51 Zyklusende 08.06.2010 16:51 Versuchsende 09.06.2010 01:00 Abweichung Lastzyklus 1,1 [%] Abweichung C-Bilanz -2,8 [%] Entnahme Abkühlphase 0,2 [kw] Abweichung Anfang zu Ende 0,2 / 45,1 [ C] / [ C] Nutzungsgrad / Emissionsfaktoren Nutzungsgrad 75,2 [%] el. Energiebedarf 1,5 [%] CO 289,1 [kg/tj] NOx 105,2 [kg/tj] SO2 6,4 [kg/tj] org. C 15,7 [kg/tj] Staub 20,0 [kg/tj] Auswertezeiträume: Kesselstart 10.06.2010 13:50 Start stationärer Betrieb 10.06.2010 15:30 Ende stationärer Betrieb 10.06.2010 20:00 Versuchsende 11.06.2010 04:15 Wirkungsgrad / Emissionen nach EN 303-5 Wirkungsgrad (direkt) 84,7 [%] CO 64,8 [mg/mj] NOx 105,8 [mg/mj] SO2 1,5 [mg/mj] org. C 2,1 [mg/mj] Staub 10,4 [mg/mj] Nutzungsgrad / Emissionsfaktoren Pufferbetrieb Puffergröße 750 [l] Nutzungsgrad Kessel 78,6 [%] el. Energiebedarf 1,0 [%] Pufferverlust 4,9 [%] Nutzungsgrad System 73,7 [%] CO 168,1 [kg/tj] NOx 125,4 [kg/tj] SO2 5,9 [kg/tj] org. C 11,9 [kg/tj] Staub 14,3 [kg/tj] Folie 14
Ausgewählte Ergebnisse Moderner Pelletskessel P N = 14,9 kw Eingebauter BS-Tank Modulierender Betrieb Referenz- Lastzyklus Volllast + Puffer Volllast EN303-5 Einheit Nutzungsgrad 85,6 77,6 89,7 [%] CO 416,9 62,9 3,2 [kg/tj] NO x 57,9 98,4 76,9 [kg/tj] org. C 10,6 1,1 0,3 [kg/tj] Staub 10 11 11 [kg/tj] Folie 15
Vergleich mit Grenzwerten und Emissionsfaktoren Referenz- Volllast + Grenzwerte Lastzyklus Puffer Emissionsfaktor Einheit Nutzungsgrad 85,6 77,6 77,4 - [%] CO 416,9 62,9 500 4.303 [kg/tj] NO x 57,9 98,4 150 107 [kg/tj] org. C 10,6 1,1 40 448 [kg/tj] Staub 10 11 60 90 [kg/tj] Gesetzliche Grenzwerte werden auch im realen Betrieb unterschritten Österreichische Emissionsfaktoren sind viel zu hoch Folie 16
Vergleich mit Literaturdaten Leistung Mittlerer Jahresnutzungsgrad Brennstoff [kw] (min-max) [%] 14,9-30 79 Holzpellets, Hackgut 200-4.500 78 Hackgut /1/ 67 10-49 Energiepflanzen u. -korn /2/ <15 74 Holzpellets /3/ 10-32 79 Holzpellets /4/ 40 60 80 100 1. Good, Nussbaumer et al, 2005: Systemoptimierung automatischer Holzheizungen, Schlussbericht; bfe 2005; Werte von 30 Anlagen 2. Eder et al, 2006/08: Energiekornmonitoring (2006) und Energiepflanzenmonitoring des Landes OÖ (2008); Endberichte, ABC; Ergebnisse von Feldmessungen an 6 Anlagen 3. Kunde et al, 2009: Feldmessungen an Holzpellet-Zentralheizkesseln, in: BWK 1/2 2009; Werte von 5 Kesseln 4. Schraube et al, 2010: Long-Term Monitoring of Small Pellet Boiler Based Heating Systems in Domestic Applications; proceedings of 18th EBCE Lyon; Werte von 8 Kesseln Folie 17
Zusammenfassung und Schlussfolgerungen EN 303-5 erlaubt heute keine genügende Unterscheidung der Produkte mehr Unterschiede treten unter instationären Bedingungen auf Deutlicher Unterschied zwischen Jahresnutzungsgrad und Kesselwirkungsgrad Prüfstandsmethode für Jahresnormnutzungsgrad und Jahresnormemissionsfaktoren wurde entwickelt Für Manuell und automatisch beschickte Biomassefeuerungen Für den Volllastbetrieb mit Pufferspeicher sowie für modulierenden Betrieb des Kessels Experimentelle Ergebnisse zeigen gute Übereinstimmung mit publizierten Daten von Feldmessungen Folie 18
Danksagungen Projektdurchführung in Kooperation von AEE Kärnten Salzburg Bioenergy 2020+ GmbH FJ-BLT Biomass-Logistics-Technology Francisco Josephinum Technologie- und Förderzentrum Nachwachsende Rohstoffe Gefördert im Rahmen des Programms ENERGIE DER ZUKUNFT durch bmvit und bmwfj Abwicklung durch die FFG Folie 19
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Markus Schwarz Senior Researcher BIOENERGY 2020+ GmbH, Standort Wieselburg Tel: +43 7416 52238-48 markus.schwarz@bioenergy2020.eu