Technologien für die Elektrizitätserzeugung mit Biomasse

Zufeuerung von Biomasse in konventionellen Kraftwerken

Österreichische Energieversorgungsunternehmen haben zwei Projekte realisiert, in denen die Möglichkeiten der Zufeuerungen von Biomasse in Kohlekraftwerken erprobt wird. Im Kraftwerk St. Andrä wurde ein Biomasserost an der Basis des bestehenden Kohlekessels installiert, der es erlaubt, 10 MW thermisch durch Biomasse aufzubringen. Aufgrund des Raummangels kann der Anteil der Biomasse allerdings nicht weiter gesteigert werden. Das Projekt in Zeltweg löst dieses Problem durch die Vergasung der Biomasse in einem externen Wirbelschichtvergaser. Das Produktgas wird direkt in den Kessel eingeblasen. Eine Reihe von Vorteilen sind mit diesem Konzept verbunden. Die Biomasse muss nicht vollständig vergast werden, da kleine Holzkohlepartikel im Produktgas problemlos im Kohlekessel verbrannt werden können. Daher kann der Wirbelschichtreaktor wesentlich kleiner dimensioniert werden als für eine vollständige Vergasung. Es gibt keine Notwendigkeit für die Vortrocknung des Gases oder für die Gasreinigung, da das Gas unter optimalen Bedingungen im Kohlekessel verbrannt wird. Das Produktgas kann auch als reduzierendes Gas in der Wiederverbrennungszone verwendet werden und könnte dabei die NOx-Emissionen verringern. Die externe Vergasung ermöglicht es, einfach ein Modul zu existierenden oder neu geplanten großen Kraftwerken hinzuzufügen, dessen Leistungen an das lokale Biomasseaufkommen angepasst werden kann. Die Biomasse kann so bei den hohen Wirkungsgraden und niedrigen Betriebskosten großer Kraftwerke energetisch genutzt werden.

Kontakt: Österreichische Draukraftwerke AG
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Abb. 15: Kraftwerk Zeltweg

Vergasung von Biomasse in einem Festbettreaktor kombiniert mit der Nutzung in einem Gasmotor

Experimente mit der Vergasung in einem Festbettreaktor zur Erzeugung von Kraft und Wärme in einem Gasmotor werden an der Technischen Universität Graz durchgeführt.

Gas, das in einem Zweizonenfestbettvergaser (250 kW thermisch) erzeugt wird, wird gereinigt, gekühlt und danach in einer Gasmaschine genutzt. Die Vergasung könnte den Einsatz von kostengünstigen Kraftwärmekopplungsanlagen in dem niedrigen Leistungsbereich, der für viele Biomassefernwärmeanlagen typisch ist, möglich machen. Die Experimente sollen die technische Machbarkeit eines langfristigen Betriebs eines Gasmotors in Kombination mit einem Festbettvergaser klären. Eine Pilotanlage, die auf einem Festbettvergaser basiert und bei der Sägespäne als Filtermedium für die Gasreinigung eingesetzt werden, wurde 1997 in einem landwirtschaftlichen Betrieb in der Steiermark errichtet.

Kontakt: Technische Universität Graz, ÖAR

Vergasung von Biomasse mit Dampf in einem innovativen Wirbelschichtsystem

In der Regel erfolgt die Vergasung von Biomasse in einem Festbett oder einer Wirbelschichtanlage mit Luft als Vergasungsmittel. In diesem Fall hat das Produktgas einen geringen Heizwert (ca. 4 - 6 MJ/m³) und einen hohen Stickstoffanteil.

Abb. 16: Schema der Biomassevergasung in einem Wirbelschichtsystem

Ein innovativer, intern zirkulierender Wirbelschichtvergaser, der in Zusammenarbeit zwischen der Technischen Universität Wien und der Austrian Energy&Environment entwickelt wurde, erzeugt ein Gas mit hohem Brennwert (bis zu 15 MJ/m³), sehr niedrigem Stickstoffgehalt (unter 3%) und einem niedrigen Teergehalt (unter 0,8 g/m³).

Das System besteht aus einer Vergasungszone, die mit Dampf verwirbelt wird und einer Verbrennungszone, die mit Luft verwirbelt wird. In der Verbrennungszone wird Holzkohle verbrannt und so die notwendige Wärme zur Vergasung erzeugt. Das zirkulierende Bettmaterial transportiert die Wärme von der Verbrennungszone zur Vergasungszone. Durch konstruktive Maßnahmen wird eine Gasvermischung zwischen den beiden Zonen vermieden, so dass die Abgase nicht mit dem Produktgas vermischt werden. Die resultierende hohe Qualität des Produktgases kann durch die Verwendung von katalytischem Bettmaterial (Olivin) weiter verbessert werden.

Nach 2 Jahren des erfolgreichen Betriebs einer 100 kWth Laboreinheit sollen im Jahr 2000 zwei Demonstrationsanlagen mit angeschlossenen Gasmotoren in bestehende Biomassefernheizwerke in Güssing und Wr. Neustadt integriert werden, um diese Technologie in größerem Maßstab zu testen. In einem internationalen Pilotprojekt sollen Katalysatoren eingesetzt werden, um einen Wasserstoffgehalt von bis zu 55% im Produktgas zu erzielen, das in der Folge in einer Brennstoffzelle zur Stromproduktion verwendet werden könnte.

Kontakt: Technische Universität Wien, Austrian Energy&Environment

Stand der Technik bei Gasmotoren für die Kraftwärmekopplung

Die Firma Jenbacher Energiesysteme hat Gasmotoren entwickelt, die unterschiedliche Gase wie Biogas, Pyrolysegas und fast alle anderen brennbaren Gase in Strom und Wärme umwandeln können. Der Heizwert der Gase, die mit einem Wirkungsgrad von bis zu 40% in Strom umgewandelt werden können, kann zwischen 0,5 kWh/m³ und 34 kWh/m³ liegen. Zu diesem Zweck wurden spezielle Verbrennungstechnologien entwickelt, die weltweit patentiert sind und deren Emissionen bei Betrieb mit Erdgas unter 250 mg/m³ NOX bzw. unter 300 mg/m³ CO liegen. Dabei können Gesamtwirkungsgrade von bis zu 88% erreicht werden.

Kontakt: Jenbacher Energiesysteme

Abb. 17: Gasmotoren

Stirling Motor

Der Stirling Motor stellt eine vielversprechende Option für den Betrieb kleiner Kraft-Wärme-Kopplungssysteme dar. Seine Vorteile liegen in den niedrigen Betriebskosten und im einfachen Design. Im Rahmen nationaler Forschungsprojekte wurde in Graz ein 3 kW Alpha Type Stirling Motor konstruiert und erfolgreich getestet.

Der heiße Abgasstrom aus der Biomassefeuerung wird über einen Wärmetauscher - ein Bündel polierter Metallrohre – geführt, in dem das Arbeitsgas des Stirlingmotors erhitzt wird. Eine Reinigung des Heißgases ist nicht erforderlich. In Fernwärmeanlagen könnten Stirling Motoren vorwiegend zur Produktion des Stromes für den Eigenverbrauch der Anlagen herangezogen werden. Ein Stirling Motor könnte auch den Kompressor einer Wärmepumpe zur Rauchgaskondensation betreiben. Zur Zeit entwickelt Joanneum Research einen Stirlingmotor mit einer elektrischen Leistung von 30 bis 100 kW, der alle Voraussetzungen für eine Serienproduktion erfüllen soll.

Kontakt: Spitzer, Joanneum Research

Abb. 18: Stirlingmotor

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