Forschung für unsere Zukunft

Die Energie von morgen heute verstehen.

Diese Website verwendet Cookies, um bestimmte Funktionen zu ermöglichen. Mit der Nutzung unserer Seite erklären Sie sich damit einverstanden.
Weiters gilt für sämtliche, über Formulare auf dieser Website übermittelten Daten unsere Datenschutzerklärung

#843799

Small-scale BM CHP Entwicklung von innovativen Biomasse-Klein/Mikro-KWK-Technologien

Dieses im Rahmen der 4. AS des Programms e!Mission.at durchgeführte Projekt ermöglichte die Teilnahme der österreichischen Partner BIOS BIOENERGIESYSTEME GmbH (BIOS) und RIKA Innovative Ofentechnik GmbH (RIKA) am internationalen ERA-NET Bioenergy Projekt „Small-scale BM CHP“. An dem vom österreichischen Antragsteller BIOS koordinierten ERA-NET Projekt nahmen insgesamt 12 fachlich hochkompetente Partner aus 4 EU-Ländern (AT, DE, SWE, PL) teil, wodurch die Einbindung in das internationale Konsortium einen erheblichen Mehrwert im Vergleich zu einem nationalen Projekt darstellte.

Stromerzeugung aus fester Biomasse wird derzeit in mittleren und großen KWK-Anlagen realisiert, für die mit Dampfturbinen sowie dem ORC Prozess (Organic Rankine Cycle) erprobte Technologien zur Verfügung stehen. Im kleinen Leistungsbereich (einige Wth bis einige 100 kWth) gibt es aktuell keine technisch ausgereiften und wirtschaftlich umsetzbaren Biomasse-KWK-Technologien obwohl, durch die hohe Anzahl an installierten und jährlich verkauften Biomasseheizsystemen, ein enormes Einsatzpotential gegeben ist. Aus diesem Grund wurden in diesem Projekt die folgende 3 KWK-Konzepte untersucht:

  • Pelletkaminofen mit thermoelektrischem Generator (TEG) (25-50 Wel)
  • Mikro-ORC-Prozess (~1 kWel) für kleine Biomassekessel
  • extern befeuerte Mikrogasturbinentechnologie (bis 100 kWel) für größere Hackgut- und Pelletkessel
Ausgangssituation

Die Entwicklungen bauten dabei auf bereits durchgeführte Grundlagen-forschungen zu viel versprechenden Technologien in den beteiligten Ländern auf. Ziel des Projektes war es, ein technologisches Niveau sowie eine wirtschaftliche Performance zu erreichen, die erste Feldtests im Anschluss an das Projekt ermöglichen. Der österreichische Beitrag konzentriert sich auf die Weiterentwicklung und Optimierung einer für die Integration in Kaminöfen geeigneten TEG-Technologie.

Projektverlauf

Die Arbeiten umfassten die durch Berechnungen und Simulationen (z.B. CFD - Computational Fluid Dynamics) gestützte Entwicklung der 3 Technologien, die experimentelle Forschung bzgl. einzelner Schlüsselkomponenten sowie den Bau und Test von Versuchsanlagen. Ein Arbeitspaket war der Untersuchung Asche-bedingter Probleme (Depositionsbildung, Korrosion) gewidmet, die eine zentrale Problemstellung für alle 3 Technologien darstellen. Darüber hinaus wurden techno-ökonomische Analysen für die untersuchten Technologien durchgeführt.

Ergebnisse

Nachfolgend sind die im Rahmen dieses Projektes entwickelten KWK-Technologien kurz erläutert:

Pelletkaminofen mit thermoelektrischem Generator (TEG): Der Pelletkaminofen mit TEG ermöglicht den netzunabhängigen Betrieb eines modernen Pelletkaminofens indem der erforderliche Strom durch den TEG erzeugt wird. Mit einem TEG wird die Wärme direkt in Strom umgewandelt. Das System ist eine verschleiß- und wartungsfreie sowie geräuschlose Technik und eignet sich daher gut für den Einsatz in Wohnräumen. Durch den TEG kann der Energiebedarf für den Betrieb und den Start des Pelletkaminofens abgedeckt werden. Überschüssige elektrische Energie kann verwendet werden, um Mobiltelefone oder andere kleine Verbraucher über eine USB Schnittstelle zu laden. Darüber hinaus kann aufgrund der Wasserkühlung des TEG ein zweiter Wohnraum mit der neuen Technologie geheizt werden. Im Zuge des Projektes wurden geeignete System­komponenten ausgewählt, deren Positionierung im Ofen definiert und zwei Versuchsanlagen konstruiert, gefertigt, getestet und optimiert. Dabei konnte der Stromverbrauch des Pelletkaminofens mehr als halbiert werden und die Stromproduktion der TEG durch geeignete Platzierung im Ofen und ein verbessertes Kühlsystem optimiert werden. Die Praxistauglichkeit der neuen Technik wurde anhand von Lastzyklustests bestätigt. Derzeit wird am endgültigen Design der neuen Technologie gearbeitet und es sollen in weiterer Folge Langzeittests durchgeführt werden. Eine Markteinführung ist von RIKA innerhalb der nächsten zwei Jahre geplant.

Mikro-ORC Technologie für Biomassekessel: Mit einer thermischen Leistung von 10 bis 30 kWth ist der Mikro-ORC zur Abdeckung des Wärmebedarfs von Wohngebäuden und Mikronetzen geeignet. Die elektrische Leistung von 0,4 bis 1,3 kWel eignet sich zur Abdeckung der elektrischen Grundlast der Kunden. Um eine hohe elektrische Effizienz zu erreichen, wird eine hohe Temperaturdifferenz zwischen Ein- und Austritt benötigt. So ist die neue KWK-Technologie besonders für Kunden mit Niedertemperaturheizsystemen (z.B. Fußbodenheizung) geeignet. Der Mikro-ORC ist als Add-on-Lösung konzipiert und weist eine sehr kompakte Bauweise auf, wodurch er direkt im Kesselraum aufgestellt werden kann. Am Biomassekessel sind nur geringfügige Anpassungen nötig, um den Mikro-ORC zu installieren, womit neben Neuinstallationen auch bestehende Kessel mit dem neuen KWK-Modul nachgerüstet werden können. Im Rahmen des Projektes wurde die neue Mikro-ORC-Technologie getestet und optimiert. Dabei lag ein Schwerpunkt auf der Optimierung der hydraulischen Einbindung und der Regelstrategie, um die Stromproduktion zu maximieren. Die diesbezüglichen Arbeiten wurden durch Monitoringdaten hinsichtlich Strom- und Wärmeverbrauch von Wohnhäusern und transiente Systemsimulationen unterstützt. Derzeit sind Tests des ORCs mit optimierten Komponenten im Laufen, eine Markteinführung wird von ORCAN für 2018 angestrebt.

Hochtemperatur-Wärmetauscher (HT-HE) für eine extern befeuerte Gasturbine (EFGT): Mit einer Wärmeleistung von ca. 1.500 kWth eignet sich die neue KWK-Technologie auf Basis eines Biomassekessels und einer EFGT besonders zur Grundlastabdeckung in Nah- und Fernwärmenetzten sowie zur Bereitstellung von Prozesswärme (z.B. Holzindustrie). Der von der EFGT erzeugte Strom von bis zu 100 kWel kann zur Eigenstromabdeckung genutzt oder in das öffentliche Netz eingespeist werden. Im Rahmen des Projektes wurde der HT-WT, der für den Wärmeaustausch zwischen Rauchgas und komprimierter Luft dient und bei Temperaturen von bis zu 900°C betrieben wird, entwickelt, gebaut und erfolgreich getestet. Auf Basis der durchgeführten Arbeiten wurden Empfehlungen für den Bau von kompakten HT-WT erarbeitet, um thermische Beanspruchungen, Hochtemperaturkorrosion und aschebedingte Probleme zu minimieren. Weiters wurde ein geeignetes Gesamtsystemkonzept erarbeitet. In den nächsten zwei Jahren soll eine Pilotanlage gebaut und getestet werden.

Die Technologieentwicklungen wurden durch techno-ökonomischen Analysen der neuen KWK-Technologien unterstützt. Basierend auf den festgelegten Rahmenbedingungen, den Testläufen und den Herstellerangaben konnte gezeigt werden, dass alle drei untersuchten Technologien im Vergleich zum Stand der Technik ein gutes wirtschaftliches Ergebnis liefern. Abschließend kann festgehalten werden, dass im nun abgeschlossenen Projekt die Funktion und die Eignung der neu entwickelten Technologien für die definierten Einsatzgebiete aufgezeigt werden konnte und damit eine wichtige Basis für die Errichtung von Feldanlagen und die in einem weiteren Schritt geplante Markteinführung gelegt wurde.

Weitere Informationen zum Projekt können auch der Projektwebpage www.minibiochp.eu entnommen werden.