Brenngase aus Erneuerbaren Energien als Basis dezentraler Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung (BioDezent)

NETZE ERNEUERBARE ENERGIEFORSCHUNG – Eine Förderinitiative des BMBF

Netzwerk

„Untersuchung des Zusammenwirkens von Technologien der dezentralen Erzeugung mit Brenngasen aus Erneuerbaren Energien“

Teilvorhaben

Brenngase aus Erneuerbaren Energien als Basis dezentraler Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung (BioDezent)
Förderkennzeichen:  01SF0307

Träger des Teilvorhabens:

TU Dresden, Institut für Energietechnik, Professur Energiesystemtechnik und Wärmewirtschaft

Projektkoordinator Gesamtvorhaben

DBI-Gastechnologisches Institut gGmbH
Halsbrücker Straße 34, 09599 Freiberg

Partner

• DBI-Gastechnologisches Institut gGmbH Freiberg
• Universität für Chemie und Technologie Prag, Tschechische Republik
• Universität Miskolc, Ungarische Republik
• Institut für Erdölbergbau und Gastechnik Krakow, Republik Polen
• Technische Universität Bergakademie Freiberg
• Technische Universität Dresden
• Fraunhofer Institut Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung Dresden
• Institut für Polymerforschung Dresden
• Leibniz-Institut für Agrartechnik Potsdam-Bornim e.V.
• Fördergesellschaft Erneuerbare Energien e.V. Berlin
• MITGAS Mitteldeutsche Gasversorgung GmbH

Aufgabenstellung
Planung und Ablauf des Vorhabens
Stand der Wissenschaft und Technik Brenngase aus erneuerbaren Energien und KWK
PAFC
Motorische BHKW
Gasturbinen
Kälte aus Wärme
Literatur

Aufgabenstellung

Das vorgeschlagene Netzwerk zielt auf die Identifizierung nachhaltiger, kleiner bis mittlerer, dezentraler Strukturen der Versorgung mit den Endenergieformen Strom, Wärme und Kälte auf der Basis von Biomasse und Müll ab. Dazu sind Biomasseanfall und -verarbeitung sowie verbraucherseitige Strukturen unter Beachtung differenzierter jahres- und tageszeitlicher Randbedingungen (Biomasseanfall, Lastprofile) über geeignete Erzeugerstrukturen und Speicherauswahl zu kombinieren.
Hauptziel des Projektes ist die Identifizierung von Modulen (Art und Leistungsgröße), die

• durch Nutzung von Synergieeffekten bei der Überlagerung von Prozessketten eine hohe stoff- und energiewirtschaftliche Effizienz aufweisen und
• aufgrund der Vielzahl der Einsatzfälle den Übergang zur Großserienproduktion mit drastischen Investitionskostenreduzierungen am schnellsten erwarten lassen.

Auf Basis dieser Erkenntnisse soll eine Rangfolge der notwendigen wissenschaftlich-technischen Entwicklungen erarbeitet werden.

Planung und Ablauf des Vorhabens

Die Koordination des Vorhabens und damit die Abstimmung zwischen den einzelnen Teilprojekten oblag der DBI – Gastechnologisches Institut gGmbH.
Arbeitspakete der TUD waren:

• Beitrag zur Zusammenstellung der Erzeugnispalette Kraft-Wärme-Kopplung; Ist-Stand sowie mittel- und langfristige Tendenzen für die Anlagentypen:
  • PAFC aus der Gruppe der Niedertemperatur-Brennstoffzellen
  • Motorische BHKW
  • Gasturbinen im kleinen und mittleren Leistungsbereich
• Zusammenstellung der Erzeugnispalette ausgewählter Technologien der Kälteerzeugung; Ist-Stand sowie mittel- und langfristige Tendenzen für die Anlagentypen:
  • Kompressions-Kältemaschinen
  • Absorptionstechnik
  • Adsorptionstechnik

Beide Arbeitspakete der TUD fokussierten sich antragsgemäß auf die Integration recherchierter Daten in die im Rahmen des Projektes zu erstellende ENERGY-Datenbank.

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Stand der Wissenschaft und Technik

Brenngase aus erneuerbaren Energien und KWK

Für Deutschland wird das jährliche Biobrennstoffpotential in [GÜL] mit 920 PJ/a beziffert. Genutzt werden derzeit nur etwa 15 %. Die Brennstoffverfügbarkeit ist damit nicht der begrenzende Faktor. Der zukünftig über KWK nutzbare Biobrennstoffanteil wird mit ein bis zwei Drittel eingeschätzt.
Die theoretischen Potentiale der energetischen Nutzung von Biomasse- und Müllbasis auf Basis von KWK-Technologien sind identifiziert. Die in [GÜL] enthaltenen zusammenfassenden Aussagen der Fichtner GmbH zeigen recht deutlich, dass unter Beachtung des Eigenbedarfs für die Brennstoffaufbereitung elektrische Gesamtwirkungsgrade zwischen 5 und 35 % erreicht werden.
Die Aussagen beziehen sich im Wesentlichen auf Bilanzen im Nennlastbetrieb der Anlagentechnik. Der derzeitige elektrische Nutzungsgrad der deutschen Stromerzeugung beträgt - schon mit Berücksichtigung der Netzverluste - im Mix 36 %. Somit ist bereits aus rein energetischer Sicht eine weitgehend thermische Nutzung des Abgaspotentials der Biomasseanlagen zwingend notwendig. Ein wirtschaftlicher Betrieb setzt die Nutzung des thermischen Abgaspotentials im Bereich von über 4000 Volllaststunden jährlich voraus.
Die ausschließliche Nutzung zur Gebäudeheizung kann derart hohe Volllaststunden bei Auslegung der Anlage für den Grundlastbereich, also faktisch nur die Trinkwassererwärmung erreichen. Die Mittel- und Spitzenlastdeckung hat durch konventionelle Technik auf Basis fossiler Energieträger zu erfolgen.

PAFC

Die PAFC ist die Brennstoffzelle, die derzeit den höchsten technologischen Stand erreicht hat. Die PAFC von ONSI mit einer elektrischen Leistung von 200 kW wird seit 12 Jahren gebaut, mittlerweile in der 3. Produktversion angeboten und auch in Europa vertrieben. Weltweit sind über 100 Anlagen in Betrieb. Infolge der niedrigen Leistungsdichte, etwa 40 % des Wertes von PEMFC, kommt diese Zelle für mobile Anwendungen nicht in Betracht. Ihr Einsatz beschränkt sich ausschließlich auf die stationäre Energieversorgung im Leistungsbereich unter 1 MW, was den Einsatzbereich dieser Zellen, die erreichbare kumulierte Leistung und damit das Kostensenkungspotential stark einschränkt.
Nachteile, die den Einsatz dieser Zelle in der stationären Energieversorgung langfristig nicht interessant erscheinen lassen:

• Der elektrische Wirkungsgrad liegt anfänglich bei ca. 40 %, sinkt aber mit steigender Benutzungsdauer; nach etwa 40.000 Betriebsstunden wird ein Wert von ca. 35 % erreicht, wo ein Wechsel des Zellstapels erforderlich wird.
• Bei Teillasten unter 50 % sinkt der elektrische Wirkungsgrad drastisch ab.
• Die Zelle kann nie völlig außer Betrieb genommen werden, da der Zellstapel eine bestimmte Temperatur nie unterschreiten darf, um irreparable Schäden am Elektrolyten zu vermeiden.
• Etwa 50 % der Abwärme der Zelle sind im feuchten Abgas der Zelle enthalten. Für die Gasaufbereitung ist Wasser erforderlich, welches aus dem Abgas gewonnen werden muss. Sowohl aus verfahrenstechnischen Gründen als auch um den Gesamtwirkungsgrad zu steigern, ist daher eine Abgaskondensation durchzuführen, welche netzseitige Rücklauftemperaturen von ca. 30 °C notwendig macht. Der Gesamtnutzungsgrad liegt daher bei den in Deutschland betriebenen Anlagen selten über 70 %.

Entwicklungspotentiale liegen vor allem in der Optimierung der Verfahrenstechnik der Zelle mit dem Ziel der Steigerung des Gesamtwirkungsgrades und der Lebensdauer der Brennstoffzelleneinheit. Der Hilfsenergiebedarf der Zelle liegt bei ca. 15 % [KRE].

Motorische BHKW

Motoren-BHKW sind Kleinkraftwerke mit einem Diesel- oder Ottomotor als Antrieb und einem Generator als Stromerzeuger. Als Treibstoff kommt Dieselöl oder Gas zum Einsatz. Alternative motorische Brennstoffe sind Klär-, Deponie-, Bio- und Holzgas.
Das Spektrum der elektrischen Leistung dieser Technologie liegt zwischen 5 kW und 20 MW. Nach dem DIESEL-Prinzip arbeitende Motoren weisen einen höheren Wirkungsgrad auf (40 bis 46 %) als OTTO-Motoren (28 - 35 %). Der Wirkungsgrad der Brennstoffenergieausnutzung für Elektroenergieerzeugung und Heizwärmebereitstellung beträgt auf den Heizwert bezogen 85 bis 95 %.
Haupteinsatzfelder der Gasmotoren (Leistungsbereich 20 kW bis 1000 kW) sind:

• Erdgas: im Netzparallelbetrieb mit Abwärmenutzung als Heizkraftwerk z. B. für Kommunen und Industrie zur Versorgung von Wärmenetzen. Im Grund- und Mittellastbereich.
• Klärgas: Nutzung des Abfallproduktes aus Klärwerken zur Kraft-Wärme-Kopplung.
• Deponiegas: Gasmotoren zur Entsorgung des übelriechenden und wachstumshindernden Zersetzungsgases. Sie werden mitunter ohne Wärmenutzung wegen fehlenden Absatzes betrieben, sind aber dennoch wirtschaftlich.

Sie verursachen nahezu keine Partikelemission.
In Zukunft ist mit einer weiteren Konsolidierung der Modulpalette sowie einer Orientierung hin zu größeren Leistungen und der Verwendung von Einmodulanlagen zu rechnen. Durch die Verbesserung der Motorentechnik, z. B. aufgrund der thermischen Regelbarkeit, und die optimale Abstimmung der Einzelkomponenten des Moduls ist auch die Verfügbarkeit der Anlagen besser geworden. Zunehmende Bedeutung bekommt bei BHKW auch die vollständige Ausnutzung des Brennstoffs durch Brennwerttechnik [GAI].
Ökologische Nachteile der Dieselmotoren: SCR-Katalysator zur Abgasreinigung. Problematisch sind insbesondere die relativ hohen Stickoxid-Emissionen. Die Einhaltung der NOx-Grenzwerte (2000 mg/Nm3 für Maschinen < 500 kWel bzw. 400 mg/Nm3 für Maschinen > 500 kWel) erfordert insbesondere bei großen Leistungen teilweise erhebliche finanzielle und technische Aufwendungen.
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Gasturbinen

Wesentlicher Marktanteil durch einfache und sehr kostengünstige Bauweise.
Nachteil: schlechter Teillastwirkungsgrad, deutlicher Einfluss der Umgebungsbedingungen auf Leistung und Wirkungsgrad.
Während im mittleren und großen Leistungsbereich hohe Wirkungsgrade erzielt werden, sinken sie bei kleinen Gasturbinen zum Teil drastisch ab. Eine Verbesserung des Wirkungsgrades ist durch Regeneration und geringfügig auch durch Zwischenüberhitzung möglich.

Gasturbinen mit Abhitzekessel stellen die einfachste Form der Kraft-Wärme-Kopplung mit Gasturbinen dar. Der elektrische Wirkungsgrad entspricht etwa dem der Gasturbine, wobei geringe Einbußen durch den Druckverlust des Rauchgases im Kessel zu verzeichnen sind.

Kombinierte Prozesse
Für Heizkraftwerke mit Gasturbinen werden neben Gasturbinen mit Abhitzekesseln auch Prozesse eingesetzt bzw. geplant, in dem der Gasturbinenprozess mit einem weiteren stromerzeugenden Prozess, der als Arbeitsmittel Wasser/Dampf verwendet, kombiniert wird.
GuD-Prozesse
Kombination des Gasturbinen- mit nachgeschaltetem Dampfprozess, da sich beide Prozesse bei der Ausnutzung des Exergiegehaltes der Brennstoffe ergänzen. GuD-Prozesse verbinden den Gasturbinenprozess über einen Abhitzedampferzeuger mit einem konventionellen Dampfprozess. Mit dem Gasturbinenprozess wird der obere Temperaturbereich genutzt und mit der Dampfturbinenanlage durch Abwärmenutzung der Turbinenabgase der darunter liegende.
Zusätzlich zu den energetischen Vorteilen des GuD-Prozesses kommen niedrige spezifische Investitionen und kurze Bauzeiten (zwei Jahre bis zur Inbetriebnahme)
Cheng-/STIG-Prozesse (Steam Injected Gas Turbine)
Cheng-Prozesse werden besonders in Industrieanlagen, aber auch in kommunalen Einrichtungen wie Krankenhäusern sowie in der Fernwärmeversorgung angewendet. Das Prinzip des Cheng-Prozesses besteht in der Erzeugung von Dampf im Abhitzekessel mit der Abwärme einer Gasturbinenanlage und der teilweisen bis vollständigen Eindüsung des Dampfes in die Brennkammer. Der Cheng-Prozess wird derzeit in Gasturbinenanlagen realisiert, die im einfachen Prozess Leistungen im Bereich von 1,3 - 33 MW aufweisen. Die Anwendung soll in nächster Zukunft auf Gasturbinen im Leistungsbereich 50 - 125 MW ausgeweitet werden.
Durch die Dampfeinspritzung ergibt sich eine Entkopplung zwischen dem Elektroenergie- und dem Nutzwärmeangebot der Gasturbine. Die Elektroenergieerzeugung steigt mit der Dampfeinspritzung kontinuierlich um bis zu 60 %, während die Nutzwärmeabgabe auf Null zurückgeht. Ohne Zusatzfeuerung ist es nicht möglich, bei gegebenem Wärmebedarf die Leistung der Gasturbine durch Dampfeinspritzung zu steigern, da die Einspritzdampfmenge entsprechend begrenzt ist.
Ein Nachteil des Prozesses ist der hohe Wasserverbrauch. Besteht genügend großer Niedertemperaturwärmebedarf, kann die Brennwerttechnik wegen des hohen Wassergehaltes im Abgas günstig eingesetzt werden.

Kälte aus Wärme

Die Möglichkeit der Erzeugung von Kälte aus Wärme fand im Lösungsfeld der Biomassenutzung bislang nur wenig Beachtung. Im Klimakältebereich sind ca. 1000 Volllaststunden erreichbar. Für Kühlprozesse in der Landwirtschaft und Nahrungsmittelproduktion sind Volllaststunden > 4000 h/a keine Seltenheit. Im Leistungsbereich unter 300 kW steht jedoch nur eingeschränkt Absorptionskältetechnik zur Verfügung. Eine Applikation von Maschinentechnik, die für den Bereich der Solaren Klimatisierung konzipiert wurde, ist denkbar.  Die Erfahrungen des KWKK-Projektes in [UMS] zeigen, dass die thermische Abgasnutzung generell und insbesondere zur Kälteerzeugung zwingend eine entsprechende Abgasqualität voraussetzt.
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Literatur