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Beschreibung der Biomasse-Kraft-Wärme-Kopplung auf Basis von Pflanzenöl-Motorenanlagen

BIOS BIOENERGIESYSTEME GmbH, Graz

Verbrennungsmotoren wandeln die chemische Energie des Kraftstoffes in mechanische Energie um. Der Motor ist mit der Generatorwelle verbunden und treibt den Generator zur Produktion von elektrischer Energie an. Die Kraftstoffverbrennung findet in einem oder mehreren Zylindern statt.
Motorenanlagen können unmittelbar nach dem Starten elektrische Energie produzieren. Deshalb werden Motoren auf der Basis von fossilen Kraftstoffen weltweit sehr oft als Notstromaggregate sowie zur Band- oder Spitzenlaststromproduktion in abgeschiedenen oder unzugänglichen Gebieten eingesetzt. Der hohe Druck- und Temperaturanstieg während des Verbrennungsprozesses erlaubt auch für kleinere Anlagen relativ hohe Umwandlungswirkungsgrade.

Die meisten derzeit zur Stromerzeugung in Betrieb befindlichen Motorenanlagen verwenden Diesel oder Schweröl als Kraftstoff. Das Bekenntnis zur kontinuierlichen Steigerung der Energieproduktion auf Basis von erneuerbaren Energieträgern bietet jedoch zunehmenden Raum für den Einsatz von flüssiger Biomasse in Verbrennungsmotoren.

In letzter Zeit haben daher einige potentielle Lieferanten von Motorenanlagen Lösungen erarbeitet, um flüssige Biomasse wie unbehandeltes Pflanzenöl (Rapsöl, Olivenöl und Palmöl) oder aufbereitetes Tierfett und aufbereitete Altspeiseöle und -fette in ihren Motoren zu verbrennen.

Die physikalischen und chemischen Eigenschaften von flüssiger Biomasse unterscheiden sich von herkömmlichen mineralischen Kraftstoffen. Flüssige Biomasse weist im Vergleich abweichende Merkmale wie zum Beispiel einen niedrigeren unteren Heizwert, eine höhere Viskosität und Dichte sowie bei der Verbrennung einen niedrigeren stöchiometrischen Luftbedarf aufgrund des höheren Sauerstoffgehaltes auf. Daher sind entsprechende Adaptionen bei der Kraftstofflagerung, -zufuhr und Kraftstoffeinspritzung für den Betrieb mit flüssiger Biomasse erforderlich. Hochviskose Biokraftstoffe müssen entsprechend vorgewärmt werden, um die Viskosität auf das für Einspritzung erforderliche Maß zu bringen.

Grundsätzlich erfüllen native Pflanzenöle jedoch die Mindestkriterien für den Einsatz in Verbrennungsmotoren. Tierfette, Altspeiseöle und -fette müssen vor dem Einsatz einem entsprechen Aufbereitungsprozess unterzogen werden.

Arbeitsprinzip und Einbindung in ein Biomasse-Heizkraftwerk

Dieselmotoren sind grundsätzlich flexibel im Hinblick auf den Kraftstoff und werden deshalb für die angeführte flüssige Biomasse und für Pflanzenöle eingesetzt. Im Dieselmotor wird Luft dem Zylinder zugeführt und durch den Kolben verdichtet. Der Kraftstoff wird in den Zylinder eingespritzt und entzündet sich durch die hohe Temperatur der verdichteten Luft. Durch die Expansion bei der Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches wird der Kolben nach unten bewegt. Abschließend werden die Verbrennungsprodukte aus dem Zylinder ausgeschoben und der Verbrennungsvorgang ist abgeschlossen. Die durch die Verbrennung des Kraftstoffes freigesetzte Energie wird über die sich bewegenden Kolben an das Schwungrad des Motor abgegeben. Zur Stromproduktion ist ein Generator an die rotierende Schwungscheibe gekoppelt.

Alle Motoren in diesem Anwendungsbereich sind üblicherweise mit einem Abgasturbolader ausgerüstet. Ein Turbolader besteht aus einer Abgasturbine im Abgasstrom, die einen Verdichter im Ansaugtrakt antreibt. Der Verdichter erhöht den Ladedruck im Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors, so dass der Motor in jedem Arbeitstakt mit einer größeren Menge Luft und damit auch mit mehr Sauerstoff zur Verbrennung einer größeren Kraftstoffmenge versorgt wird. Da kühle Luft eine größere Dichte aufweist, wird zur Erhöhung des Füllungsgrades die durch die Verdichtung erwärmte Luft vor den Zylindern gekühlt (Ladeluftkühlung).

Das An- und Abfahren der Pflanzenölmotorenanlage erfolgt aufgrund der schlechteren Einspritzeigenschaften von Pflanzenölen (höhere Viskosität bei niedrigeren Temperaturen) und zur Spülung der Kraftstoffleitungen nicht mit Pflanzenöl, sondern mit konventionellen mineralischen Kraftstoff oder Rapsmethylester (duales Kraftstoffsystem).

Beim Betrieb mit Pflanzenöl wird der Kraftstoff vor der Einspritzung in den Motor entsprechend vorgereinigt und erwärmt. Die Filter und Separatoren im Kraftstoffaufbereitungssystem entfernen Verunreinigungen und Wasser aus dem Kraftstoff.

Abb. 1

Bei Motorenanlagen kann Wärme aus den Kühlern für Schmieröl, Kühlwasser und Verdichtungsluft sowie aus dem Abgas als nutzbare Wärme zur Verfügung gestellt werden (siehe auch Abbildung 1). In Abhängigkeit von den Anforderungen des Wärmebedarfs am Standort (z.B. erforderliche Vorlauftemperatur) werden die einzelnen Wärmequellen für die Heißwasserbereitstellung entsprechend kaskadenförmig verschalten. Durch die Nutzung der Motorabgasenergie kann bei Bedarf auch Heißwasser über 100 °C oder Niederdruckdampf in geringen Mengen bereit gestellt werden.
Eine weitere interessante Nutzung der Abgasenergie stellt die Verstromung in einem der Motorenanlage nach geschalteten ORC-Modul dar.
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Um Emissionen aus Pflanzenölmotoren zur Stromerzeugung zu reduzieren, sind je nach Motorengröße unterschiedliche Sekundärmaßnahmen erforderlich. Die Installierung von Katalysatorsystemen (SCR, Oxidation) und Partikelfilter erlaubt die Absenkung von relevanten Emissionen auf ein Niveau, dass den einzelnen für den Standort maßgeblichen umweltrechtlichen Regulativen (z.B. der deutschen TA Luft) entspricht.

Relevante technische Daten und elektrische Wirkungsgrade von Pflanzenöl-Motorenanlagen

  • Arbeitsverfahren: Viertaktmotoren
  • Zylinderanzahl: 1 – 16
  • Zylinderanordnung: Reihenmotor oder V-Motor
  • Turbolader: mit zweistufiger Ladeluftkühlung
  • Startvorgang: elektrisch (kleineren Motoren) oder pneumatisch
  • Elektrische Leistung (Generatorklemme): 5 – 8.000 kW
  • Elektrischer Anlagenwirkungsgrad bezogen auf Kraftstoffinput (Hu): 20 – 45%

Realisierte bzw. in Realisierung befindliche Projekte auf Basis von Pflanzenöl-Motorenanlagen

  • Kraft-Wärme-Kopplungsanlage auf Basis Pflanzenöl mittels Motorenblockheizkraftwerk und nachgeschaltetem ORC-Prozess – Pflanzenöl BHKW New Energy (Deutschland)
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