Forschungs- und Innovationsprojekt Small-scale BM based CHP
Entwicklung innovativer mini(micro) KWK-Technologien auf Biomasse-Basis

CHP-Projekt: Versuchsaufbau zur Erprobung des Mikro-ORC-Systems
Biomassebrennstoffe sind knapp, daher ist eine möglichst effiziente Energienutzung geboten. Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung, Prüfung und Optimierung neuer KWK-Technologien, die in Verbindung mit kleinen Biomasse-Feuerungen den Leistungsbereich von 1 kW bis ca. 100 kW abdecken, da in diesem Leistungssegment bis heute keine zuverlässige und wirtschaftlich betreibbare Technik angeboten wird.

Ziel

Eine kombinierte Wärme- und Stromerzeugung steigert den Gesamtwirkungsgrad und könnte zudem bei Stromausfällen die Eigenstromversorgung wichtiger Aggregate (z. B. Lüftung, Kreislaufpumpen) in Haushalten und kleinen Gewerbebetrieben absichern helfen. Neuere KWK-Systeme und Technologien wurden aber bisher noch nicht ausreichend auf ihre Übertragbarkeit für Biomasse-Anwendungen im kleinen Leistungsbereich geprüft und weiterentwickelt.
Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung, Prüfung und Optimierung neuer KWK-Technologien, die in Verbindung mit kleinen Biomasse-Feuerungen den Leistungsbereich von 1 kW bis ca. 100 kW abdecken, da in diesem Leistungssegment bis heute keine zuverlässige und wirtschaftlich betreibbare Technik angeboten wird. Es werden daher drei verschiedene KWK-Konzepte untersucht: Ein thermoelektrischer Generator (TEG) in Verbindung mit einem Pelletofen (25–50 W); eine Mikro-ORC-Anlage in Verbindung mit einem Pelletkessel (ca. 24 kW) sowie eine extern beheizte Gasturbine in Verbindung mit einem innovativen Hochtemperaturwärmetauscher (5–100 kW).

Methoden

Optimierung der Wärmeübertragung

  • Verwendung des Mikro-ORC-Systems als Nachrüstsystem bei bestehenden kleinen Biomassekesseln bei Temperaturen von 95 °C–120 °C
  • Erhöhung des Wärmeanteils aus der Verbrennung, die im ORC genutzt werden kann (von derzeit ca. 50 % auf mehr als 80 % über den zusätzlichen Wärmetauscher)
  • Integration der neu entwickelten Mikro-ORC-Anlage in Biomasse-Kessel und Nutzung der kompletten Wärmeausbeute in einem Wasserkreislauf bei hohem Temperaturniveau (ca. 95 °C–140 °C)

Optimale Regelungsstrategie für das ORC-System

  • Modellrechnungen für optimierte Regelungsstrategie für das ORC-System für die Stromversorgung von Wohngebäuden (relevanten Variablen: jährliche Betriebsstunden, Dynamik des täglichen Wärme-/Strombedarfs, Stromkosten, variable Kessellasten)
  • Optimierung der direkten Nutzung des durch die ORC-Anlage produzierten Stromes im Gebäude des Verbrauchers (Erhöhung von derzeit 30 % auf mehr als 60 % Eigennutzung ohne Stromspeicher) durch die Ausarbeitung typische Muster von Wärme- und Strombedarf
  • Prozesssimulationen für verschiedene Regelungsstrategien, unterschiedliche Betriebsmodi des Kessels (Volllast vs. Teillast), Brennstoffpreise und Energiespeicherung (Puffertanks für die Wärmespeicherung und Batterien für die Stromspeicherung), um die Stromproduktion zu maximieren

Versuche und Evaluation

  • Test des integrierten Wärmeübertragersystems und des separaten Wärmetauschers unter reproduzierbaren Bedingungen auf dem Prüfstand
  • Identifizierung der optimalen Bedingungen für den Betrieb des Kessels und des ORCs für höchstmögliche elektrische Wirkungsgrade, Gesamtwirkungsgrade insgesamt und ökonomische Effizienz
  • Reduzierung der jährlichen Heizkosten des Verbrauchers um mehr als 25 % im Vergleich zu State-of-the-art-Biomasse-Kesseln
  • Variation der Parameter (Temperatur des Heißwasserkreises, Frischdampftemperaturen im ORC, Betriebsarten (Volllast vs. Teillast) des Kessels und die relevanten Einstellungen der Regelungsstrategie
  • Test der verbesserten Regelstrategien unter verschiedenen Heiz- und Stromlasten (d. h. definierten Lastzyklen)
  • Untersuchung des Einflusses des zusätzlichen Wärmetauschers als Nachrüsteinheit auf Schadstoffemissionen (CO, OGC, Feinstaub) und Vergleich sowohl mit Referenzfällen (konventionelle Heißwasser-Kessel) als auch mit den Emissionen des integrierten ORC-Kessel-Systems
Projektinformation
Projektleitung: BIOS Bioenergiesysteme GmbH (Österreich)
Projektleitung TFZ: Dr. Hans Hartmann
Projektbearbeitung TFZ: Paul Roßmann (Verbrennung), Benedikt Haas (Versuchstechnik), Stephan Winter (Versuchstechnik)
Laufzeit: 01.04.2014–31.03.2017
Finanzierung: Förderschwerpunkt "Nachwachsende Rohstoffe" des Bundesministeriums für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL), Vergabe über Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e. V.
Projektpartner: BIOS – BIOS Bioenergiesysteme GmbH (Österreich), SP – Technical Research Institute of Sweden (Schweden), UMU – Umeå Universtiy (Schweden), LTU – Luleå University of Technology (Schweden), CTH – Chalmers University of Technology (Schweden), IEn – The Institue of Power Engineering (Polen), RIKA (Österreich), EOP – ENERTECH AB/ OSBY PARCA (Schwe-den/Großbritannien), Orcan Energy GmbH (Deutschland), Wektor (Polen)
Förderkennzeichen: 22017113