BIOS - Bioenergy
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Forschung + Entwicklung

Broschüre

Brennstoffcharakterisierung und brennstoffspezifische Technologieentwicklung

Speziell wenn neue, bislang feuerungstechnisch noch unbekannte Biomasse-Brennstoffe in einer Feuerungsanlage eingesetzt werden sollen, bildet die feuerungstechnische und emissionstechnische Beurteilung von Brennstoffen eine grundlegende Basis für die Wahl/Entwicklung des eingesetzten Feuerungssystems, die Auslegung und technische Konzeption der Feuerungsanlage sowie die Wahl der zur Abgasreinigung einzusetzenden Sekundärmaßnahmen.

BIOS setzt zur Brennstoffcharakterisierung eine 3-Schritt Methodik ein.

  • Schritt 1: Brennstoffbewertung auf Basis nasschemischer Analysen
  • Schritt 2: Test bezüglich der thermischen Zersetzung sowie des Abbrandverhaltens in einer TGA und in einem speziell dazu entwickelten Laborreaktor
  • Schritt 3: Testläufe, wahlweise an einer 180 kW Pilotfeuerungsanlage (Rostfeuerung mit Heißwasserkessel) oder einem Verbrennungsreaktor der an eine Drop-Tube gekoppelt ist.

Auf Basis dieser Analysen und Tests werden grundlegende Daten zum Abbrandverhalten eines Biomasse-Brennstoffes, zu den bei der Verbrennung auftretenden Emissionen (NOx, HCl, SO2, PCDD/F etc.) sowie zu aschenbedingten Problemen (Depositionsbildung, Verschlackung, Korrosion) erlangt, die direkt in die Konzeption einer entsprechenden, für den jeweiligen Brennstoff geeigneten, Feuerungsanlage einfließen.

(Alle Bilder auf dieser Seite können durch Klick auf die Vorschau vergrößert werden.)

Baumwollabfälle
Switchgrass
Spuckstoffe
Stroh
Olivenreste
Altholz
Miscanthus
Rapspresskuchen

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Entwicklung von Biomasse-Feuerungsanlagen

BIOS ist seit Jahren erfolgreich als Entwicklungspartner für Feuerungshersteller tätig. Die Arbeiten von BIOS reichen dabei von der

  • Optimierung bestehender Feuerungskonzepte hinsichtlich spezifischer Zielsetzungen (z.B. Wirkungsgradsteigerung, Emissionsminderung) über die
  • Entwicklung von Feuerungsanlagen für feuerungstechnisch problematische Biomasse-Brennstoffe (z.B. biogene Reststoffe aus der Industrie, neue Energiepflanzen) bis zur
  • Unterstützung bei der Entwicklung neuer Produktserien.

BIOS deckt dabei den gesamten Leistungsbereich beginnend bei Kleinfeuerungen zur Raumwärmebereitstellung bis hin zu industriellen Großfeuerungsanlagen ab. Es werden sowohl CFD-gestützte Entwicklungsansätze (CFD-Simulationen) als auch experimentelle Forschung und Entwicklung dabei eingesetzt.

Serienentwicklung: KWB TDS Powerfire 150
CFD-gestützte Feuerungsentwicklung: CO-Profile [ppmv] in der Symmetrieebene von Feuerung und Kessel einer 20 MWth Biomassefeuerungsanlage

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Biomasse-Kleinfeuerungen

  • F+E-Arbeiten bezüglich Pellet-, Hackgut- und Scheitholzkesselanlagen sowie bezüglich Kaminöfen.
  • Adaptierung und Optimierung von bestehenden Biomasse-Kleinfeuerungskonzepten bezüglich Emissionsminderung, Wirkungsgradsteigerung und Verbreiterung des einsetzbaren Brennstoffspektrums.
  • Entwicklung von neuen Feuerungstechnologien für Pellets, Hackgut und Stückholz.
  • Entwicklung von neuen Produktserien für Biomasse-Kleinfeuerungshersteller.

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Mittelgroße Feuerungen und Großanlagen

  • Feuerungsentwicklung für konventionelle Biomasse-Brennstoffe (Hackgut, Rinde, Altholz, Stroh), „neue“ Biomasse-Brennstoffe (landwirtschaftliche Brennstoffe, Energiepflanzen) und Reststoffe aus der landwirtschaftlichen und der Lebensmittelindustrie (Kerne, Schalen, Schlempen, etc.).
  • Problemstellenidentifikation durch Anlagenmonitoring und gezielte Testläufe mit begleitendem Messprogramm an bestehenden Feuerungsanlagen (Messungen, Anlagenmonitoring)
  • Weiterentwicklung und Optimierung bestehender Feuerungskonzepte mit den Zielen Emissionsminderung, Wirkungsgradsteigerung und Reduktion aschebedingter Probleme (Depositionsbildung, Verschlackung Korrosion)

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Emissionsreduktion

Optimierung bestehender Feuerungskonzepte und Entwicklung neuer Feuerungstechnologien hinsichtlich Minderung von CO-, org.C-, NOx-, Staub- und Feinstaubemissionen mittels Primärmaßnahmen für alle Leistungsklassen von Biomassefeuerungen.

  • CFD-gestützte Technologieentwicklung und –optimierung (CFD)
  • Experimentelle Forschung auf Basis von Testläufen und Messungen an Prototypen, Pilotanlagen und Großanlagen (Messungen)

Entwicklung und Optimierung von Sekundärmaßnahmen zur Emissionsminderung sowie deren Integration in Feuerungsanlagen:

  • Filterentwicklung zur Feinstaubemissionsminderung.
  • SNCR-Anlagen zur Minderung der NOx-Emissionen.
CFD-gestützte Optimierung der Strömung in einem Elektrofilter: Stromlinien der Luft, eingefärbt nach der Verweilzeit [s], beginnend am Eintritt in den Filter
Simulierte Molenbrüche von NH3 (rechts) und NO (links) in der vertikalen Symmetrieebene einer Rostfeuerungs-Pilotanlage und Vergleich mit Emissionsmessungen am Kesselaustritt

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Regelungsentwicklung für Biomassefeuerungen

  • Funktionsanalyse, Schwachstellensuche und Ausarbeitung von Optimierungsvorschlägen für bestehende Regelungskonzepte
  • Entwicklung neuer Regelungskonzepte unter Einsatz innovativer Regelungstechnologien wie Fuzzy-Logic Bausteine oder modellbasierter Regelung für
    • Holzöfen
    • Biomasse-Kleinfeuerungen
    • Biomasse-Großfeuerungsanlagen
Struktur des mathematischen Modells einer Biomasserostfeuerungsanlage, das als Ausgangsbasis zur Reglerentwicklung dient
  • Evaluierung neuer, innovativer und kostengünstiger Sensoren bzgl. ihres standardmäßigen Einsatzes in Biomassefeuerungen
Teststrecke zur Ermittlung der Messgenauigkeit unterschiedlicher Sensoren zur Bestimmung von Luft- und Rauchgasvolumenströmen

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Entwicklungen von neuen und innovativen Biomasse-Kraft-Wärme-Kopplungstechnologien

Im Rahmen von nationalen und internationalen Forschungs- und Entwicklungsprojekten werden innovative Kraft-Wärme-Kopplungstechnologien für den Einsatz in dezentralen Biomassefeuerungen entwickelt und demonstriert.

  • ORC-Prozess
  • Dampfschraubenmotor-Prozess
  • Stirlingmotor-Prozess
  • Mikrogasturbinenprozesse
ORC Modul in Containerbauweise (400 kWel) bei der Einbringung in eine Biomasse-Kraft-Wärme-Kopplungsanlage
35 kWel Pilotanlage auf Basis Stirlingmotor
Dampfschraubenmotor (730 kWel) in der Biomasse KWK-Anlage Hartberg
Biomasse-KWK-Anlage bestehend aus einer direkt mit Erdgas und indirekt mit Biomasse befeuerten 100 kWel Mikrogasturbine (MGT)

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Aschenbedingte Probleme in Biomasse-Feuerungsanlagen

  • Erarbeitung von Lösungen für brennstoff- und/oder anlagenspezifische Aufgabenstellungen:
    • Ascheschmelzen und Verschlackungen
    • Depositionsbildung
    • Korrosion
    • Staub- und Feinstaubemissionsreduktion
  • Dazu werden eingesetzt:
    • Anlagenmonitoring und Testläufe samt begleitendem Mess- und Analysenprogramm zur Problemidentifikation an bestehenden Feuerungsanlagen.
    • Beurteilung und Charakterisierung von Aschen, Schlacken und Depositionen auf Basis von nasschemischen und elektronenmikroskopischen Analysen, Aschenschmelztests sowie thermodynamischen Hochtemperatur-Gleichgewichtsberechnungen zur Untersuchung des Aschenschmelzverhaltens.
    • Ausarbeitung maßgeschneiderter Lösungskonzepte auf Basis der so erlangten Daten.
Schlackenablagerungen bei der Verbrennung halmgutartiger Biomasse
Depositionen an Überhitzerbündeln einer altholzbefeuerten Dampfkesselanlage
Elektronenmikroskopische Analyse einer geschmolzenen Überhitzerdeposition (Element Mapping; Bildbreite: ca. 22 µm)

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Entwicklung von Biogasanlagen

  • Evaluierung neuer Substrate hinsichtlich deren Eignung für die anaerobe Vergärung
  • Entwicklung von neuen Rühr- und Hochleistungsreaktorkonzepten für spezielle Substrate
  • Technologieentwicklung für Gasreinigungs- und Gasaufbereitungsanlagen
  • F+E-Arbeiten bezüglich Nutzungsstrategien für Gärreste
UASB Pilotanlage - (UASB: upflow unaerobic sludge blanket)
CSTR Pilotanlage - (CSTR: continuously stirred tank reactor)

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Entwicklung von Biomassevergasungsanlagen

  • Vergleich sowie technische und wirtschaftliche Bewertung verschiedener Biomassevergasungstechnologien als Grundlage für die richtige Technologieauswahl
  • Evaluierung und Schwachstellenidentifikation bestehender Vergaserkonzepte sowie Weiterentwicklung und technische Optimierung
  • Entwicklung neuer Vergasungstechnologien auf Basis CFD-gestützter Modellrechnungen und darauf aufbauenden Versuchsanlagen

Biomassevergasung

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Durchführung und Bewertung von Testläufen

  • Durchführung von Anlagenmonitorings und Testläufen samt begleitenden Messungen und Analysen an Biomassefeuerungsanlagen (Versuchsanlagen, Pilotanlagen und Großanlagen) bezüglich unterschiedlicher feuerungstechnischer Fragestellungen wie
    • Wirkungsgradoptimierung
    • Emissionsreduktion
    • aschenbedingte Problemstellungen
    • als Vorbereitung für Optimierungsmaßnahmen im Rahmen einer Anlagenrevision
    • zur Risikoabschätzung bei geplanten Erweiterungen des einsetzbaren Brennstoffsortiments
  • Auswertung der Testläufe und, in Abhängigkeit der Fragestellung, CFD-gestützte Nachsimulation und Bewertung des Testlaufbetriebes
  • Durchführung von Batch-Gärversuchen samt begleitenden Messungen und Analysen zur Beurteilung des Einsatzes neuer Substrate
  • Durchführung von Anlagenmonitorings und Testläufen samt begleitenden Messungen und Analysen an Biogasanlagen zur
    • Evaluierung des Anlagenbetriebs
    • Schwachstellenidentifikation
    • Betriebsoptimierung
Feldmesseinsatz an einer Biomasse-Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlage
Gasprobenahme während eines Testlaufs an einer Biomasse-Versuchsfeuerungsanlage