Hallo zusammen, in diesem Video geht es
um das Thema Biomasse und hier um die
Kraft-Wärme-Kopplung mit Holz.
Die klassische Möglichkeit, Kraft-Wärme-Kopplung
zu betreiben, also Strom und
Wärme in einem gekoppelten Prozess
bereitzustellen, wäre der
Dampfkraft-Prozess und
klassischerweise wird in diesem
Dampfkraft-Prozess das Arbeitsmedium
Wasser eingesetzt. Also hier in diesem
Teil des Prozesses würde dann Wasser
zirkulieren. Das macht
man vor allem bei sehr großen
Leistungen, bei großen
Stromkraftwerken, wie wir sie hier in
Deutschland betreiben.
Biomasseheizkraftwerke werden häufig
mit Holz befeuert und sie
haben in der Regel kleinere
Leistungen, und man baut oft
einen Thermoöl-Zwischenkreislauf ein,
d.h. zwischen den
ORC-Kreislauf und den Kessel.
Hier könnte man an den
Verdampfer ja auch direkt die
Biomassefeuerung ankoppeln, aber
in diesem Bild geschieht wird über einen solchen
Thermoölzwischenkreislauf beheizt, und zwar
bei niedrigen Temperaturen. Das hat
den Vorteil, dass man dann
kein Betriebspersonal vor Ort braucht,
die Drücke sind nicht so hoch,
man hat also sicherheitstechnische
Vereinfachungen und das ist deshalb etwas preiswerter.
Wenn man aber die Temperatur
hier im Verdampfer absenken möchte,
dann braucht man andere Arbeitsfluide.
Dann setzt man
organische Arbeitsmedien ein,
wie Isopentan, Toluol, Silikonöl
und dann spricht man von einem
Organic-Rankine-Cycle, abgekürzt ORC.
Das steht hier.
Der Vorteil ist, dass man
sich dann das passende
Arbeitsfluid auswählen kann
mit dem passenden
Siedepunkt, halt zu den Temperaturen, die
man anstrebt. Maximal können
diese organischen Medien auf etwa 350 °C erhitzt werden.
Dass man das häufig mit diesem
Thermoöl-Zwischenkreislauf kombiniert,
hatte ich gesagt.
Wenn man niedrigere Temperaturen fährt
im Dampfkraftprozess, dann hat das natürlich
direkt zur Konsequenz, dass die
Wirkungsgrade geringer werden, auch
die Stromwirkungsgrade geringer werden.
Das liegt am Carnot-Prozess,
der Carnot-Wirkungsgrad gibt ja den maximal
erreichbaren Wirkungsgrad bei der
Stromerzeugung an und der hängt direkt
an dieser maximalen Temperatur.
Wenn man die von 500 °C oder 600 °C wie bei großen
Kraftwerken mit Wasser als Arbeitsfluid
absenkt auf 300 bis 350 °C, dann
sinkt auch die mögliche Stromproduktion,
und es sinkt das mögliche "Eta_elektrisch", also der
elektrische Wirkungsgrad, auf etwa 10 bis 30 %.
Und ein weiterer Nachteil ist,
dass diese organischen Arbeitsmedien
giftig, brennbar oder klimaschädlich
sein können. Darauf muss man achten.
Ein Anbieter für solche
ORC-Kreisläufe ist die Firma Turboden.
Ja, und hier ist ein
solcher Kreislauf dargestellt, wobei der
sich vom Kreislauf her nicht
unterscheidet zu einem Kreislauf mit dem
Arbeitsmedium Wasser. Hier im
Verdampfer wird das Arbeitsfluid
verdampft. Dieses dampfförmige
Arbeitsfluid strömt dann hier in die Turbine,
wird entspannt, und
dadurch wird die Turbine angetrieben, die
fängt sich an zu drehen und ihre
Drehbewegung wird im Generator
umgewandelt in Strom.
Das Arbeitsfluid kommt dann hier mit
geringerem Druck und geringerer
Temperatur heraus, übergibt hier schon
einen Teil der Wärme
an das zurückströmende Fluid,
um es vorzuwärmen. Der restliche Teil der Wärme wird hier
abgegeben im Kondensator - und
das ist dann auch die Stelle, wo die Wärme
ausgekoppelt wird. Zumindest ein
großer Teil der Wärme wird hier
ausgekoppelt, um den
Wärmeverbraucher zu bedienen, in dieser
Kraft-WÄRME-Kopplung.
Dann strömt das Fluid wieder zurück,
wird hier wie gesagt vorgewärmt,
verdampft und so weiter. Hier noch eine
zweite Auskoppelstelle für Wärme.
In diesem Biomasse Heizkessel
wird ja Biomasse verbrannt,
es entsteht Abgas. Das beheizt zunächst
dieses Thermoöl aber das Abgas hat noch
eine Energiemenge, die weiter genutzt
werden kann und diese
Energiemenge kann man hier
in diesem Wärmeübertrager,
der Economiser genannt wird, wieder abführen
und dem
Wärmeverbraucher zugänglich machen.
Das ist der Dampfkraft-Prozess. Die zweite
Möglichkeit, Kraft-Wärme-Kopplung zu betreiben,
ist die Kombination mit einem
Stirling-Motor.
Ein Sitrling-Motor ist ein besonderer Motor.
Der wird nämlich dadurch angetrieben, dass
er an einer Stelle beheizt wird und
an einer anderen Stelle gekühlt. Hier ist
ein solcher Stirling-Motor, wie er
derzeit im Markt zu finden ist,
im kleinen Leistungsbereich.
Hier ist der beheizte Bereich,
wo also das heiße Abgas (aus dem nebenstehenden Kessel)
drüberströmt. Und das
Arbeitsfluid - das ist häufig Helium in
diesen Motoren - innendrin beheizt wird.
Und hier ist der gekühlte
Bereich, zum Beispiel wo außen das
Heizungswasser strömt, um die Wärme des Motors an
das Heizungswasser abzuführen.
Hier oben findet sich der Teil der
Stromerzeugung, die per Lineargenerator erfolgt.
Der Vorteil dieser Technik ist, dass man
Holz einfach stationär verbrennen kann,
ganz normal. Das passiert hier in
diesem Holzpellet-Kessel, hier
wird das Holz einfach verbrannt und
das Abgas beheizt dann hier diesen
Stirlingmotor und gibt auch einen Teil
der Wärme natürlich direkt an das
Heizungswasser ab. Und die Kühlung
erfolgt zum Beispiel durch das
Heizungswasser.
Ein Nachteil der Stirling-Motoren ist, dass
die auch keine hohen elektrischen
Wirkungsgrade haben, diese liegen in der
Größenordnung von 10 bis 20 %.
Und Stirling-Motoren sind nicht leicht zu
entwickeln, da haben sich schon viele
Entwicklergruppen dran probiert.
Es gibt im Wesentlichen nur einen
funktionierenden Motor am Markt,
der in der Energietechnik eingesetzt wird.
Das ist eine Gemeinschaftsentwicklung für
mehrere Hersteller gewesen, hier von der
Firma Microgen Engine Corporation.
Das ist ein sehr kleiner Motor
mit 0,5 bis 1 kW
elektrischer Leistung. Der elektrische
Wirkungsgrad liegt etwa bei 15 %
und die Wärmeabgabe bei 3 bis 6 kW.
Ja, und der wird eingesetzt, wie in
diesem Beispiel in "stromerzeugenden Heizungen",
so werden die genannt,
in dem Beispiel mit einem
Holzpelletbrenner. Das kann man aber auch
mit anderen Brennstoffen kombinieren,
zum Beispiel mit Erdgas.
Das ist der Stirling-Motor.
Klassischerweise macht man
Kraft-Wärme-Kopplung häufig mit
Blockheizkraftwerken
mit Hubkolben-Motoren. Jetzt kann
man Holz oder selbst Holzpellets ja
nicht einfach in den Zylinder von
einem Hubkolben-Motor werfen,
der eine Umdrehungsgeschwindigkeit von
1.000 Umdrehungen pro
Minute aufweist. Also das geht nicht.
Deshalb muss man hier einen Umweg gehen,
nämlich den Umweg in diesem Beispiel
über die Holzvergasung, indem man also
das Holz hier in einem solchen
Reformer in einem Glutbett vergast
und dann dieses Holzgas
hier reinigt und
einem Holzgas-BHKW zuführt.
Das müssen sehr robuste BHKWs sein, weil
Holzgas, obwohl man es reinigt,
ist häufig nicht besonders sauber.
Also da hat man häufiger
Verschmutzungsprobleme. Ganz kritisch
wird es, wenn es teerhaltige Substanzen
im Holzgas gibt. Man muss also schon
geringe Holzfeuchten haben, die
hier eingefüllt werden und
man braucht auch eine funktionierende,
robuste Technik.
Zwei beispielhafte Produkte sind hier genannt,
einmal von der Firma Spanner und der
Firma Burkhardt. Für Hackschnitzel von der
Firma Spanner mit zwei
Leistungsgrößen, 30 und 45 kW elektrische Leistung
und den Wirkungsgraden von 23 % elektrisch
und 56 bis 57 % thermisch.
Und ein Gerät von der Firma Burkhardt
für Pellets im Leistungsbereich von
180 kW elektrisch mit einem
elektrischen Wirkungsgrad,
der etwas höher ist,
folglich liegt der
thermische Wirkungsgrad dann etwas niedriger.
Als jeweilige Summen der beiden Wirkungsgrade stehen hier "nur"
77 % unten und oben circa 80 %.
Das liegt natürlich daran,
dass man auch Energie für diese
Holzvergasung benötigt.
Damit bin ich am Ende bei diesem Thema
und freue mich auf das Nächste.