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Beschreibung der Biomasse-Kraft-Wärme-Kopplungstechnologie auf Basis Stirlingmotor

BIOS BIOENERGIESYSTEME GmbH, Graz

Die KWK-Technologie auf Basis Stirlingmotor stellt eine interessante und erfolgversprechende Anwendung im Bereich der Stromerzeugung mit Biomasse für Leistungen unter 100 kWel dar. Gerade im diesem Leistungsbereich ist derzeit keine ausgereifte Technologie am Markt verfügbar.

Im Rahmen einer Forschungs- und Entwicklungskooperation der BIOS BIOENERGIESYSTEME GmbH, der MAWERA Holzfeuerungsanlagen GesmbH und der TECHNISCHEN UNIVERSITÄT DÄNEMARK wurde eine KWK-Technologie auf Basis Stirlingmotor für Nennleistungen von 35 und 70 kWel entwickelt. Die KWK-Technologie auf Basis eines 35 kWel-Stirlingmotors wurde über 10.000 Betriebsstunden erfolgreich getestet. Eine Pilotanlage mit einem 70 kWel-Stirlingmotor wurde im Herbst 2003 in Betrieb genommen. Eine erste Kleinserie von rund 7 Stirlingmotoren wurde bereits produziert, wobei erste Demonstrationsanlagen mit Motoren aus dieser Serie noch im Jahr 2005 in Betrieb genommen wurden.

Die neu entwickelte KWK-Technologie stellt weltweit die erste erfolgreiche Anwendung von Stirlingmotoren in Biomassefeuerungen im Leistungsbereich kleiner 100 kWel dar und kann als Durchbruch bei der Nutzung von Biomasse in KWK-Anlagen im kleinen Leistungsbereich angesehen werden. Sie steht kurz vor der Serienreife und soll innerhalb der nächsten Jahre kommerziell verfügbar sein.

Arbeitsprinzip und Einbindung in ein Biomasse-Heizkraftwerk

Der Stirlingmotor fällt in die Gruppe der Heißgas- oder Expansionsmotoren, bei denen die Kolbenbewegungen nicht durch Expansion von Verbrennungsgasen einer inneren Verbrennung erfolgen, sondern durch die Expansion einer konstanten Menge eines eingeschlossenen Gases aufgrund von Energiezufuhr aus einer externen Wärmequelle. Dadurch ist die Krafterzeugung gänzlich von der Feuerung entkoppelt, die prinzipiell mit beliebigen Brennstoffen arbeiten kann und unabhängig vom Kraftprozess emissionstechnisch optimiert werden kann.
Mehr zum Arbeitsprinzip eines Stirlingmotors

Entwicklung und Konzeption der Stirlingmotoren

Abb. 1

Der an der TECHNISCHEN UNIVERSITÄT DÄNEMARK entwickelte Stirlingmotor setzt als Arbeitsgas Helium ein und ist hermetisch abgedichtet. Der Einsatz von Helium als Arbeitsgas ist bezüglich eines hohen elektrischen Wirkungsgrades sehr effizient, stellt jedoch hohe Anforderungen an die eingesetzten Dichtungen. Bei dem an der TECHNISCHEN UNIVERSITÄT DÄNEMARK entwickelten Stirlingmotorkonzept befindet sich der Generator im dem unter Druck stehenden Motorgehäuse, wodurch die Abdichtung der Antriebswelle und des Kolben wesentlich vereinfacht wird (siehe Abbildung 1). Nur die Kabel verlassen das Gehäuse, im Gehäuseinnenraum können einfache Dichtungen verwendet werden. Bei konventionellen Stirlingmotorkonzepten, die nicht hermetisch abgedichtet sind, stellen die bewegten Dichtungen (speziell der Kolbenstangen) einen Problemkreis dar, der technisch nur schwer in den Griff zu bekommen ist.

Das Hauptproblem beim Einsatz von Biomasse in Verbindung mit Stirlingmotoren liegt bei der effizienten Übertragung der Wärme vom Rauchgas aus der Biomasseverbrennung an das Arbeitsgas des Stirlingmotors. Das Bindeglied zwischen Rauchgas und Arbeitsgas ist dabei der sogenannte Erhitzerwärmetauscher, der somit einen wichtigen Problemkreis bei der Entwicklung einer KWK-Anlage auf Basis Stirlingmotor darstellt. Um einen guten elektrischen Anlagenwirkungsgrad zu garantieren, sind möglichst hohe Rauchgastemperaturen beim Eintritt in den Erhitzerwärmetauscher erforderlich, was jedoch zu Problemen mit Ascheanlagerungen in dieser Anlagenkomponente führen kann. Die BIOS BIOENERGIESYSTEME GmbH hat in Zusammenarbeit mit der TECHNISCHEN UNIVERSITÄT DÄNEMARK ein Berechnungsprogramm für den rauchgasseitigen Wärmeübergang im Erhitzerwärmetauscher entwickelt und im Rahmen von umfangreichen Berechnungen und Entwicklungen die Effizienz dieser Anlagenkomponente deutlich verbessert.

Weiters hat die BIOS BIOENERGIESYSTEME GmbH in Kooperation mit der Firma MAWERA ein automatisches Abreinigungssystem für den Erhitzerwärmetauscher entwickelt, das während des Anlagenbetriebes weiter optimiert wurde. Das System besteht aus einem Drucklufttank und mehreren Druckluftventilen, wobei bei jedem der Erhitzerwärmetauscherpaneele bis zu 4 Druckluftventile eingesetzt werden. In regelmäßigen Abständen wird jeweils ein Druckluftventil geöffnet und die Rohre des Erhitzerwärmetauschers werden mit einem Druckluftstoß beaufschlagt.

Entwicklung und Konzeption der Hochtemperatur-Feuerung

Die Entwicklung und Konzeption der Feuerung für die KWK-Anlage auf Basis von Stirlingmotoren stellte eine interessante und aufwändige Forschungs- und Entwicklungsarbeit dar. Die Rauchgastemperaturen am Eintritt des Erhitzerwärmetauschers des Stirlingmotors müssen möglichst hoch gehalten werden, um einen hohen elektrischen Wirkungsgrad erzielen zu können. Die Anlage wurde für Temperaturen im Bereich des Erhitzerwärmetauschereintrittes von 1.300 °C konzipiert. Bei konventionellen Biomassefeuerungen liegen die maximalen Rauchgastemperaturen bei rund 1.000 °C. Durch die daraus resultierenden hohen Temperaturen im Feuerraum kann es zu Verschlackung von Asche kommen, die sich dann an den Feuerraumwänden anlagert und Probleme im Anlagenbetrieb hervorrufen kann. Zielsetzung bei der Entwicklung der Hochtemperaturfeuerung war es einerseits eine möglichst hohe Rauchgastemperatur am Erhitzerwärmetauscher zu garantieren, jedoch andererseits Temperaturspitzen in der Feuerung zu vermeiden.Wegen der hohen auftretenden Feuerraumtemperaturen kommen nur Hackschnitzel, Sägespäne und Pellets mit einem geringen Anteil an Rinde als Brennstoff in Frage. Für diese feinstückigen Brennstoffe mit geringem Aschegehalt ist eine Unterschubfeuerung besonders geeignet. Die neukonzipierte Feuerung wurde auf Basis einer bereits bestehenden Unterschubfeuerung mithilfe von CFD-Simulationen, die von der BIOS BIOENERGIESYSTEME GmbH durchgeführt wurden, entwickelt. Die wesentlichen Neuerungen beziehen sich dabei auf folgende Punkte:

  • Position und Design der Einblasdüsen für das rezirkulierte Rauchgas unterhalb des Brennstoffbettes und in der Primärverbrennungszone
  • Position und Design der Einblasdüsen für die Primärluft unterhalb des Brennstoffbettes und in der Primärverbrennungszone
  • Position und Design der Einblasdüsen für die Sekundärluft in die Sekundärverbrennungszone
  • Neugestaltung der Sekundärverbrennungszone
  • Einbindung des Erhitzer-Wärmetauschers in die Sekundärverbrennungszone

Zur Temperaturregulierung wird rezirkuliertes Rauchgas in verschiedenen Bereichen der Feuerung (unter das Brennstoffbett und in die Primärverbrennungszone) eingeblasen.
Die Primärluft wird zur Verhinderung von Brennstoffaufwirbelung und zur Temperaturkontrolle innerhalb des Brennstoffbettes stufenweise eingeblasen. Dabei wird die Primärluft zum Teil unterhalb des Brennstoffbettes und zum Teil direkt in die Primärverbrennungszone eingeblasen, um die Gasgeschwindigkeiten im Brennstoffbett zu verringern.

Abb. 2
Abb. 3

Mithilfe von CFD-Simulationen wurden das optimale Design der Feuerung und die Position der Einblasdüsen der Sekundärluft ermittelt. Im Gegensatz zum herkömmlichen Design sind die Einblasdüsen nicht mehr direkt in der Sekundärverbrennungszone angebracht, sondern bereits in der Übergangszone zwischen Primär- und Sekundärverbrennungszone (siehe auch Abbildung 2).

Durch den horizontalen Einbau der Düsen wird die zugeführte Verbrennungsluft durch den entstehenden Luftwirbel sehr gut mit dem Rauchgas vermischt, wodurch Temperaturspitzen vermieden und niedrige CO-Emissionen erreicht werden können. In Abbildung 3 sind die Stromlinien der Sekundärluft in der neu konzipierten Feuerung zu sehen.

Anhand der beiden folgenden Abbildungen kann der Erfolg der Optimierung der Hochtemperaturfeuerung hinsichtlich CO-Emissionen eindrucksvoll demonstriert werden (siehe Abbildung 4 und Abbildung 5). Die CO-Emissionen der optimierten Feuerung liegen laut Simulation unter 15 mg/Nm3 (bezogen auf 13 Vol% O2 im trockenen Rauchgas), während bei der nicht optimierten Geometrievariante die CO-Emissionen deutlich über 100 mg/Nm3 betragen.

Abb. 4
Abb. 5

Beschreibung der Gesamtanlage

Abb. 6

Anhand von Abbildung 6 wird der neu entwickelte Stirlingmotorprozess dargestellt. In der Feuerung wird Biomasse verbrannt, es entstehen heiße Rauchgase mit einer Temperatur von rund 1.300 °C. Ein Teil des Energiegehaltes der Rauchgase wird vom Stirlingmotor über seinen Erhitzer-Wärmetauscher genutzt. Dieser wird direkt nach der Sekundärverbrennungszone eingebaut. Wärme wird an das Arbeitsgas im Motor übertragen, das Rauchgas kühlt sich ab und verlässt den Erhitzerwärmetauscher mit einer Temperatur von rund 800 °C. Die im Rauchgas enthaltene Restwärme wird in einem Luftvorwärmer zur Vorwärmung der Verbrennungsluft genutzt. Der Luftvorwärmer stellt beim Stirlingmotorprozess eine wesentliche Komponente zur Erhöhung des elektrischen Wirkungsgrades dar. Die restliche Wärmemenge wird in einem nachgeschalteten Economiser an ein Prozess- oder Fernwärmenetz abgegeben. Die Kühlung im Kühler-Wärmetauscher des Stirlingmotors erfolgt durch den Rücklauf des Prozess- oder Fernwärmenetzes. Der Erhitzer-Wärmetauscher ist mit einem automatischen Reinigungssystem ausgestattet, das Ascheanlagerungen effizient abreinigt und den bezüglich manueller Reinigung erforderlichen Aufwand deutlich reduziert.

Abb. 7

In Abbildung 7 ist beispielhaft die Jahresdauerlinie eines Fernwärmenetzes und die darauf angepasste Anlagenauslegung einer Biomasse-KWK mit einem 35 kWel-Stirlingmotor dargestellt. Dabei zeigt sich, dass die Biomasse-KWK aus wirtschaftlichen Gründen nicht die gesamte Wärmeproduktion des Fernwärmenetzes abdecken sollte. Rund 65% der Spitzenlast wird durch die KWK-Anlage und einen zweiten Biomassewarmwasserkessel produziert. Die restlichen 35% der Spitzenlast werden von einem Spitzenlastkessel (z.B. Ölkessel) bereitgestellt. Die KWK-Anlage auf Basis eines Stirlingmotors wird für den Bandlastbetrieb auslegt und deckt rund 30 – 40% der Spitzenlast ab. Unter diesen Rahmenbedingungen deckt die Biomasse-KWK auf Basis eines 35 kWel-Stirlingmotors mehr als 70% der gesamten produzierten Wärmemenge ab und die Ölkesselanlage weniger als 3%.

Abbildung 8 und Abbildung 9 zeigen Bilder der Pilotanlagen auf Basis des 35 kWel- und des 70 kWel-Stirlingmotors. Aus den Abbildungen ist ersichtlich, dass die KWK-Module kompakt und bezüglich der Abmessungen nicht wesentlich größer als konventionelle Biomassefeuerungen ausgeführt sind (vor allem hinsichtlich der Bauhöhe). Dadurch ist es möglich konventionelle Biomassefeuerungen auf einfache Weise durch KWK-Module mit Stirlingmotoren zu ersetzen und in bestehende Heizwerksgebäude zu integrieren. Um eine kompakte Bauweise zu realisieren, wurde der Economiser auf die Feuerung aufgesetzt und der Luftvorwärmer direkt in den Economiser integriert.

Abb. 8
Abb. 9

Relevante technische Daten und Wirkungsgrade der KWK-Technologie auf Basis Stirlingmotor

Abb. 10

In Abbildung 10 ist der Energiefluss der Biomasse-KWK-Anlage auf Basis des 35 kWel-Stirlingmotors in Form eines Sankey-Diagramms dargestellt. Der elektrische Wirkungsgrad liegt bei rund 12% und der Gesamtwirkungsgrad bei ca. 85 bis 92%. Die thermische Nutzwärmeleistung dieser KWK-Anlage liegt im Bereich von rund 230 kW. Die dafür erforderliche Brennstoffwärmeleistung beträgt rund 300 kW.

Nachfolgend sind relevante technische Daten und die Wirkungsgrade der KWK-Technologie auf Basis des 35 kWel- und des 70 kWel-Stirlingmotors dargestellt:

Elektrische Nennleistung - Stirlingmotor kW 35 70
Thermische Nennleistung - Stirlingmotor kW 105 210
Thermische Nennleistung - KWK-Anlage kW 230 460
Brennstoffwärmeleistung kW 300 600
Elektrischer Wirkungsgrad - Stirlingmotor % 25,0 25,0
Elektrischer Anlagenwirkungsgrad % 11,7 11,7
Anlagenwirkungsgrad gesamt % 88,3 88,3
Arbeitsmedium - Stirlingmotor   Helium Helium
Durchschnittlicher Arbeitsdruck MPa 4,5 4,5
Oberflächentemperatur - Erhitzerwärmetauscher °C 750 750
Drehzahl - Stirlingmotor rpm 1.010 1.010
Gewicht - Stirlingmotor kg 1.600 3.500

Bewertung der KWK-Technologie auf Basis Stirlingmotor

Stärken:

  • Für Kleinanlagen geeignet
  • Kompakte Bauform
  • Vollautomatischer Betrieb
  • Wartungs- und geräuscharm

Schwachstellen/Optimierungspotential:

  • Ascheablagerungen im Erhitzer-Wärmetauscher des Stirlingmotors (das Problem wird durch die Installation eines automatischen Abreinigungssystems deutlich reduziert, muss aber noch optimiert werden)
  • Noch wenig Langzeiterfahrungen für den Betrieb mit Biomassefeuerungen vorhanden
  • Die Anwendung ist auf Hackgut, Sägespäne und Pellets mit einem geringen Anteil von Rinde beschränkt (asche- und chlorarme Brennstoffe)

Realisierte bzw. in Realisierung befindliche Projekte mit Stirlingmotor-Prozess

  • Biomasse-Kraft-Wärme-Kopplung auf Basis Stirlingmotor im TDZ-Ennstal (Raichraming, Steiermark, Österreich)
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  • Kraft-Wärme-Kopplungsanlage auf Biomassebasis mittels ORC-Prozess, Allendorf (Hessen, Deutschland)
    mehr...

Mehr Informationen zum Stirlingmotor-Prozess

STATE-OF-THE-ART AND FUTURE DEVELOPMENTS REGARDING SMALL-SCALE BIOMASS CHP SYSTEMS WITH A SPECIAL FOCUS ON ORC AND STIRLING ENGINE TECHNOLOGIES – PDF#0005

Ingwald Obernberger*, Henrik Carlsen**, Friedrich Biedermann*

*BIOS BIOENERGIESYSTEME GmbH, Inffeldgasse 21b, A-8010 Graz, Austria
**Technical University of Denmark, Section Energy Engineering, Dept. of Mechanical Engineering, Denmark

OPERATING EXPERIENCES WITH A SMALL-SCALE CHP PILOT PLANT BASED ON A 35 kWel HERMETIC FOUR CYLINDER STIRLING ENGINE FOR BIOMASS FUELS – PDF#0006

Friedrich Biedermann*, Henrik Carlsen**, Martin Schöch***, Ingwald Obernberger*

*BIOS BIOENERGIESYSTEME GmbH, Inffeldgasse 21b, A-8010 Graz, Austria
**Technical University of Denmark, Denmark
***MAWERA Holzfeuerungsanlagen GesmbH, Austria

Small-scale CHP Plant based on a 75 kWel Hermetic Eight Cylinder Stirling Engine for Biomass Fuels - Development, Technology and Operating Experiences – PDF#0007

Friedrich Biedermann*, Henrik Carlsen**, Ingwald Obernberger*, Martin Schöch***

*BIOS BIOENERGIESYSTEME GmbH, Inffeldgasse 21b, A-8010 Graz, Austria
**Technical University of Denmark, Denmark
***MAWERA Holzfeuerungsanlagen GesmbH, Austria

Biomasse-Verstromung mittels Stirlingmotor - Grundlagen und praktische Erfahrungen – PDF#0003

Ingwald Obernberger*

*BIOS BIOENERGIESYSTEME GmbH, Inffeldgasse 21b, A-8010 Graz, Austria

Biomasse-Kraft-Wärme-Kopplung auf Basis Stirlingmotor – Technologiebeschreibung und Entwicklungsstand – PDF#0061

Development of a hot gas heat exchanger and a cleaning system for a 35kWel hermetic four cylinder Stirling engine for solid biomass fuels – PDF#0062