Biomassevergasung im kleinen Leistungsbereich - Holzgas
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Biomassevergasung im kleinen Leistungsbereich - Holzgas
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TU Graz<br />
Institut für Wärmetechnik<br />
<strong>Biomassevergasung</strong> <strong>im</strong><br />
<strong>kleinen</strong> <strong>Leistungsbereich</strong><br />
KWK für die dezentrale<br />
Energiebereitstellung<br />
Peter Haselbacher<br />
IWT – TU Graz<br />
www.iwt.tugraz.at<br />
TU Graz<br />
Institut für Wärmetechnik<br />
20.10.2006<br />
Seminar Kl<strong>im</strong>aschutz und<br />
Erneuerbare Energien<br />
MU Leoben<br />
20.10.2006<br />
1
TU Graz<br />
Institut für Wärmetechnik<br />
Inhalt<br />
1. Einleitung und Motivation<br />
• Was ist <strong>Biomassevergasung</strong>?<br />
• Vorteile und Nachteile der Technologie gegenüber S.d.T.<br />
2. Rahmenbedingungen<br />
• Wärmegeführte Grundlasteinordnung von KWK-Technologien<br />
• Anforderungen an die marktreife Technologie<br />
3. Übersicht über Vergasungstechnologien<br />
• Wirbelschichtverfahren (großer <strong>Leistungsbereich</strong>)<br />
• Festbettsysteme (kleiner <strong>Leistungsbereich</strong>)<br />
• Gestufte <strong>Biomassevergasung</strong> (kleiner <strong>Leistungsbereich</strong>)<br />
4. Gestufte <strong>Biomassevergasung</strong> am IWT<br />
• Prozessbeschreibung<br />
• Stand der Verfahrensentwicklung<br />
5. Zusammenfassung & Ausblick<br />
<strong>Holzgas</strong>flamme - IWT<br />
20.10.2006<br />
2
TU Graz<br />
Institut für Wärmetechnik<br />
Was ist <strong>Biomassevergasung</strong>?<br />
<strong>Biomassevergasung</strong> ist die Umwandlung von einem festen<br />
in einen gasförmigen Brennstoff,<br />
der aus H 2 , CO, CH 4 , CO 2 , N 2 und H 2 O besteht.<br />
Heizwertstrom Produktgas<br />
Kaltgaswirkungsgrad = = 70 bis 85%<br />
Brennstoffwärmeleistung<br />
<strong>Biomassevergasung</strong> wandelt den festen Brennstoff in einen<br />
Energieträger hoher Qualität (hoher Exergiegehalt) um.<br />
→ Kraft-Wärme-Kopplung mit deutlich höherem elektrischen<br />
Gesamtwirkungsgrad (25% - Potential auf 30%)<br />
(auch <strong>im</strong> <strong>kleinen</strong> <strong>Leistungsbereich</strong> < 500 kW el )<br />
20.10.2006<br />
3
TU Graz<br />
Institut für Wärmetechnik<br />
Technische Möglichkeiten der KWK auf Biomassebasis<br />
VERBRENNUNG<br />
THERMISCHE VERGASUNG<br />
stationäre<br />
Wirbelschicht<br />
zirkulierende<br />
Wirbelschicht<br />
Unterschubfeuerung<br />
Rostfeuerung<br />
Einblasfeuerung<br />
Trommelfeuerung<br />
Zigarrenabbrand<br />
stationäre<br />
Wirbelschicht<br />
zirkulierende<br />
Wirbelschicht<br />
Flugstrom<br />
Festbett<br />
Gestufte<br />
Vergasung<br />
CO-<br />
COMBUSTION (6)<br />
9<br />
5 5<br />
WÄRMEERZEUGUNG<br />
(Raumwärme, Prozesswärme)<br />
DAMPFERZEUGER(2)<br />
Wasserrohrdampferzeuger<br />
Rauchrohrdampferzeuger<br />
THERMOÖL-<br />
KESSEL (1)<br />
HEISSWASSER-<br />
KESSEL (1)<br />
WARMWASSER-<br />
KESSEL (1)<br />
GASREINIGUNG<br />
trockene<br />
nasse<br />
Gasreinigung<br />
2a<br />
3<br />
4<br />
5<br />
Rauchgas/Luft<br />
Wärmeübertrager<br />
9<br />
7<br />
2b<br />
2c<br />
DAMPFTURBINE(2a)<br />
Gegendruck<br />
Entnahme- Kondensation<br />
DAMPF-<br />
KOLBENMOTOR (2b)<br />
DAMPF-<br />
SCHRAUBENMOTOR<br />
(2c)<br />
ORGANIC-<br />
RANKINE-<br />
CYCLE (3)<br />
STIRLING<br />
MOTOR (4)<br />
HEISSLUFT-<br />
TURBINE (5)<br />
INVERSER<br />
GASTURBINEN-<br />
PROZESS (9)<br />
STROMERZEUGUNG<br />
bzw. KRAFT-WÄRME-KOPPLUNG<br />
8<br />
10<br />
HOLZGAS-<br />
MOTOR (7)<br />
GASTURBINE<br />
(8)<br />
BRENNSTOFF-<br />
ZELLE (10)<br />
Quelle: Lettner, F., Diplomarbeit 1999<br />
20.10.2006<br />
4
TU Graz<br />
Institut für Wärmetechnik<br />
Exergetischer Vergleich von Biomasse-KWK-Anlagen<br />
<strong>im</strong> <strong>kleinen</strong> und mittleren <strong>Leistungsbereich</strong><br />
Elektrische Effizienz<br />
80%<br />
70%<br />
60%<br />
50%<br />
40%<br />
30%<br />
20%<br />
10%<br />
0%<br />
Pfad über Verbrennung:<br />
Dampfturbine<br />
Dampfschrauben<br />
ORC<br />
etc.<br />
Pfad über Vergasung:<br />
IGCC<br />
Gasturbine<br />
Nutzung in VKM<br />
0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100%<br />
80%<br />
70%<br />
60%<br />
50%<br />
40%<br />
30%<br />
20%<br />
10%<br />
Exergetischer Umwandlungswirkungsgrad d. 2. Stufe<br />
20.10.2006<br />
Exergetische Effizienz der ersten Umwandlungsstufe<br />
5
TU Graz<br />
Institut für Wärmetechnik<br />
Prozesskette <strong>Biomassevergasung</strong> mit<br />
Gasreinigung, Rückstandsaufbereitung und<br />
Gasmotor-BHKW<br />
mit Funktion, Energie- und Stoffströme<br />
Hackschnitzel<br />
Nutzwärme<br />
Motorabgas<br />
Trocknung<br />
Vergasungsmittel<br />
Pyrolyse<br />
Partielle<br />
Oxidation<br />
Gaskühlung<br />
Gasreinigung-<br />
Entstaubung<br />
Gasreinigung-<br />
Teerbehandlung<br />
Entfeucht.<br />
Gasmotor<br />
Strom<br />
Asche<br />
Reduktion<br />
Ev. interne Wärmerückgewinnung<br />
Ev. Rückführung von Aufbereitungsrückständen<br />
Rückstandsaufbereitung<br />
Systemgrenze<br />
Nutzwärme<br />
Staub<br />
Abwasser<br />
Aufbereitungsrückstände<br />
20.10.2006<br />
6
TU Graz<br />
Institut für Wärmetechnik<br />
20.10.2006<br />
7
TU Graz<br />
Institut für Wärmetechnik<br />
Biomasse-Nah/Fernwärmenetze in der STMK<br />
Leistungsklassen:<br />
ca. 56%: Q th<br />
≤ 500 kW<br />
ca. 35%: 500 < Q th<br />
≤ 3000 kW –<br />
ca. 9%: Q th<br />
≥ 3000 kW<br />
KWK-Anlagen als<br />
wärmegeführte Grundlastanlagen<br />
200.000<br />
180.000<br />
160.000<br />
140.000<br />
120.000<br />
100.000<br />
80.000<br />
60.000<br />
40.000<br />
20.000<br />
0<br />
1<br />
[d]<br />
16<br />
31<br />
46<br />
61<br />
76<br />
91<br />
106<br />
121<br />
136<br />
151<br />
166<br />
181<br />
196<br />
211<br />
226<br />
241<br />
256<br />
271<br />
286<br />
301<br />
316<br />
331<br />
346<br />
361<br />
[kWh th. / d]<br />
Mittellastkessel<br />
Spitzenlastkessel<br />
KWK-Modul<br />
20.10.2006<br />
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TU Graz<br />
Institut für Wärmetechnik<br />
Anforderungen an „marktreife“<br />
Technologien<br />
… in der gesamten Prozesskette!<br />
Wirtschaftlichkeit<br />
Effizienz – energetisch, exergetisch,<br />
gesamtenergetisch<br />
Einhaltung aller Standards: Sicherheit, Umwelt,<br />
Emissionen, Arbeitnehmerschutz - Genehmigbarkeit<br />
Verfügbarkeit – Funktionalität der gesamten<br />
Anlage (verkettete Maschine)<br />
Funktionalität der Technologie<br />
20.10.2006<br />
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TU Graz<br />
Institut für Wärmetechnik<br />
Wirbelschicht Güssing (TU Wien) – 2 MW el<br />
• Gekoppelte Zweiwirbelschicht-Vergasung (allotherme Dampfvergasung)<br />
• Schwachstellen: Wärmeauskopplung Produktgas / Gaswäsche<br />
• Untere wirtschaftliche Leistungsgrenze 2 MW el<br />
→ Problem d. Wärmeabnahme!<br />
20.10.2006<br />
10
TU Graz<br />
Institut für Wärmetechnik<br />
Brennstoff<br />
Vergasungsverfahren <strong>im</strong> Festbett<br />
Brennstoff<br />
Brennstoff<br />
Produktgas<br />
Luft<br />
Trocknung<br />
Trocknung<br />
Trocknung<br />
Pyrolyse<br />
Luft<br />
Pyrolyse<br />
Reduktion<br />
Oxidation<br />
Luft<br />
Produktgas<br />
Pyrolyse<br />
Oxidation<br />
Reduktion<br />
Luft<br />
Produktgas<br />
Luft<br />
Oxidation<br />
Reduktion<br />
Oxidation<br />
rel. Werte<br />
100<br />
80<br />
60<br />
40<br />
20<br />
0<br />
Temperatur/Gas<br />
Asche<br />
Asche<br />
Teergehalt Partikelgehalt Wirkungsgrad<br />
Gegenstrom<br />
Gleichstrom<br />
Zweizonen<br />
20.10.2006<br />
11
TU Graz<br />
Institut für Wärmetechnik<br />
Vergleich der Systeme hinsichtlich der Teerbeladung<br />
100.000<br />
Reduktion der Teerbeladung auf 50mg/m³n<br />
Beispiel 1: Festbettvergaser konventionell<br />
Rohgasbeladung 1000 mg/m³n<br />
Teerreinigungsbedarf 10,8 kg/(24h, 100kWel)<br />
], log<br />
Tar Content Raw Gas [mg/m 3 n<br />
10.000<br />
1.000<br />
100<br />
10<br />
0<br />
Pyrolyse Misch- u.<br />
Rührkesselsyst.<br />
Festbett -<br />
Gegenstrom<br />
Festbett -<br />
Gleichstrom<br />
Festbett –<br />
gestufte Syst.<br />
L<strong>im</strong>it<br />
Gasmotor<br />
20.10.2006<br />
12
TU Graz<br />
Institut für Wärmetechnik<br />
CleanStGas-Prototyp (Clean Staged Gasification)<br />
2. Oxidation<br />
1. Pyrolyse<br />
3. Reduktion<br />
Hohe Gasqualität:<br />
23% H 2<br />
, 18% CO, 1% CH 4<br />
(Rest N 2<br />
, CO 2<br />
), Hu ≈ 5 MJ/Nm³<br />
Niedrige Teerbeladung (< 25 mg/Nm³) bereits <strong>im</strong> Rohgas!<br />
20.10.2006<br />
13
TU Graz<br />
Institut für Wärmetechnik<br />
„Pr<strong>im</strong>ärmaßnahmen“ – warum?<br />
Erweiterung des einsetzbaren Brennstoffbandes<br />
(Feuchtigkeit, Stückigkeit, Porosität der Schüttung,<br />
etc.)<br />
Senkung der Produktgasbeladung mit Schadstoffen<br />
(Teere, Partikel) um die nachfolgende Gasreinigung<br />
weniger aufwendig in Investition, Betrieb und Wartung<br />
gestalten zu können.<br />
Durch die erreichte Anlagenkomplexität kann die untere<br />
wirtschaftliche Leistungsgrenze reduziert werden,<br />
wodurch die Realisierungsmöglichkeiten steigen.<br />
Dauerbetriebsfähigkeit wesentlich besser erreichbar<br />
Derzeitige Anlagenkonzeption erlaubt gezielte<br />
Beeinflussung hinsichtlich auftretender<br />
Anlagenemissionen mit guten Senkungspotentialen<br />
auf Basis hoher Produktgasreinheiten bzgl. teerartiger<br />
Verbindungen<br />
Erweiterung der Möglichkeiten des Gesamtprozesses<br />
hinsichtlich zukünftiger Anwendungen – Stichwort<br />
„Multifunktionales Energiezentrum“ - Neue<br />
Nutzungsmöglichkeiten für das Produktgas<br />
20.10.2006<br />
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TU Graz<br />
Institut für Wärmetechnik<br />
Zusammenfassung und Ausblick<br />
• Funktionstüchtigkeit des gestuften Vergasungskonzepts IWT, TU Graz ist<br />
erwiesen.<br />
• Angestrebte Reinheit des Produktgases an Teeren nach der Gaserzeugung<br />
wurde erreicht.<br />
• Gesamte Prozesskette reproduzierbar in vielen mehrtägigen Versuchen<br />
erfolgreich betrieben.<br />
Weitere Schritte hin zur Markteinführung:<br />
• Durch die Problemlösung der organischen Schadstofffracht <strong>im</strong> Produktgas<br />
werden nun die Anorganika und deren Reduktion untersucht.<br />
• Weitere Leistungssteigerungen möglich<br />
• Verbesserung der Prozessautomatisierung<br />
• Überprüfung der Dauerbetriebsfähigkeit<br />
(mannloser Betrieb über längere Zeit…)<br />
20.10.2006<br />
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