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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Pelletskraftwerk, bei dem mittels Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) sowohl Wärme für Heizzwecke als auch elektrischer Strom erzeugt werden kann. Bei derartigen, aus dem Stand der Technik bekannten Kraftwerken wird sowohl mechanische Energie gewonnen, die in der Regel unmittelbar in elektrischen Strom umgewandelt wird, als auch nutzbare Wärme für Heizzwecke (Fernwärme oder Nahwärme). In den meisten Fällen derartiger Kraft-Wärme-Kopplungs-Kraftwerken stellen diese Wärme für die Heizung öffentlicher und privater Gebäude bereit, oder sie versorgen als Industriekraftwerk Betriebe mit Prozesswärme. Die Abgabe von ungenutzter Abwärme an die Umgebung wird dabei weitestgehend vermieden. Zunehmend an Bedeutung gewinnen kleinere Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlagen für die Versorgung einzelner Wohngebiete, bzw. einzelner Mehr- und sogar Einfamilienhäuser, sogenannte Blockheizkraftwerke.
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Bei den aus dem Stand der Technik bekannten KWK-Anlagen, die mit Pellets betrieben werden, werden die Pellets unmittelbar nach ihrer Anlieferung bzw. Herstellung zur Gewinnung von Strom und Wärme verfeuert. Einer der Nachteile der aus dem Stand der Technik bekannten Pelletskraftwerken besteht darin, dass diese starken Preisschwankungen der Pellets bzw. des Energieholzes unterworfen sind. Um die bisher aus dem Stand der Technik bekannten Kraftwerke kontinuierlich zu betreiben, muss das Energieholz (Pellets oder Hackschnitzel) auch bei extrem hohen Preisen angekauft werden.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Pelletskraftwerk zur Verfügung zu stellen, welches die Nachteile aus dem Stand der Technik überwindet. Der Erfindung liegt insbesondere die Aufgabe zugrunde, ein Pelletskraftwerk vorzuschlagen, bei dem der Ankauf von Energieholz bzw. Pellets marktunabhängig erfolgen kann.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Pelletskraftwerk, umfassend mindestens ein Lager zur Speicherung von Hackschnitzeln, eine Einrichtung zur Herstellung von Pellets, eine Einrichtung zur Verfeuerung der Pellets sowie einen Generator zur Stromerzeugung, wobei das Kraftwerk mindestens ein Lager zur Speicherung der Pellets aufweist.
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Durch die Tatsache, dass das erfindungsgemäße Pelletskraftwerk mindestens ein Lager zur Speicherung der Pellets aufweist, ist das erfindungsgemäße Kraftwerk von Preisschwankungen des verwendeten Holzes bzw. der Pellets weitgehend unabhängig. Bei einem erfindungsgemäßen Kraftwerk können in den Sommermonaten die Pellets produziert und für den Verbrauch in den Wintermonaten gebunkert werden.
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Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Pelletskraftwerks weist dieses mehrere Lager, insbesondere Silos zur Speicherung der Pellets auf. Diese Silos weisen vorzugsweise ein Volumen von mindestens 3.000 m3 auf und können mindestens 1.800 t bei einem Befüllungsgrad von 90% lagern. Bei einem bevorzugten Pelletskraftwerk weist dieses vier derartige Silos auf, sodass die gesamte Lagermenge dieses Kraftwerks ca. 7.200 t an Pellets beträgt.
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Mit Vorteil ist die Befüllung und Entleerung der Lager steuerbar und automatisiert. Dies erleichtert den Kraftwerksbetrieb.
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Bei einer bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Pelletskraftwerks kann das mindestens eine Pelletslager in mehreren Stufen gefüllt und/oder entleert werden. Dies erhöht die Lagerkapazität und trägt zu einem besonders reibungslosen Betrieb des Kraftwerks bei.
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Mit Vorteil wird das mindestens eine Lager zur Speicherung der Pellets über eine in einem oberen Bereich des Lagers angeordnete Fördereinrichtung, insbesondere Förderschnecke befüllt, welche Fördereinrichtung mehrere hintereinander angeordnete Befüllungsöffnungen zur stufenweisen Befüllung des Lagers aufweist, wobei jeder Befüllungsöffnung vorzugsweise ein Sensor zur Erkennung des Füllstandes der jeweiligen Befüllungsstufe zugeordnet ist. Bei dieser Kraftwerksvariante können also hintereinander liegende Zonen eines Lagers nacheinander befüllt werden. Hierdurch können beispielsweise wesentlich mehr Pellets im Lager untergebracht werden, als wenn die Pellets lediglich durch eine zentrale Öffnung in das Silo eingebracht werden würden.
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Bei einer vorteilhaften Kraftwerksvariante wird bei Erreichen eines voreingestellten Füllstandes einer Befüllungsstufe, insbesondere eines bis zu einer Befüllungsöffnung reichenden Füllstandes automatisch eine nächstgelegene Befüllungsöffnung zur Befüllung der nächsten Befüllungsstufe aktiviert. Hierdurch wird ein äußerst effizientes Befüllen des Pelletslagers erreicht.
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Bei einer bevorzugten Kraftwerksvariante weist das mindestens eine Lager zur Speicherung der Pellets im Bodenbereich, insbesondere in einer Bodensenke mehrere hintereinander angeordnete Entleerungsöffnungen zur stufenweisen Entleerung des Lagers auf, wobei jeder Entleerungsöffnung vorzugsweise ein Sensor zur Erkennung des Füllstandes der jeweiligen Entleerungsstufe zugeordnet ist, wobei vorzugsweise bei vollständiger Entleerung einer Entleerungsstufe automatisch eine nächstgelegene Entleerungsöffnung zur Entleerung der nächsten Entleerungsstufe aktiviert wird. Diese Kraftwerksvariante trägt ebenfalls zu einem effizienten Betreiben, insbesondere zu einem effizienten und vollständigen Entleeren des Pelletslagers bei. Durch die genannte Bodensenke wird ein nahezu rückstandsloses Entleeren des Pelletslagers gewährleistet.
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Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betrieb eines Pelletskraftwerks, umfassend mindestens folgende Schritte:
- a) Anlieferung und Einlagerung von Hackschnitzeln;
- b) Erzeugung von Pellets aus den Hackschnitzeln;
- c) Einlagerung der hergestellten Pellets;
- d) Zuführung einer gewünschten Menge der eingelagerten Pellets zu einer Verfeuerungsstätte;
- e) Antrieb eines Generators zur Stromerzeugung durch Verbrennung der Pellets.
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Durch den Verfahrensschritt der Einlagerung der hergestellten Pellets werden die oben beschriebenen Vorteile der Marktunabhängigkeit der Holz- bzw. Pelletspreise erzielt.
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Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird vorzugsweise durch die Verbrennung der Pellets ein Thermoöl erhitzt, welches wiederum ein Silikonöl zum Verdampfen bringt, wodurch der Generator angetrieben wird. Zur Stromerzeugung weist das erfindungsgemäße Pelletskraftwerk ein sog. ORC-Modul (Organic Rankine Cycle-Modul) auf. Der ORC-Kreislauf ist von seinem prinzipiellen Aufbau her dem Wasser-Dampf-Kreislauf sehr ähnlich. Der wesentliche Unterschied besteht im Einsatz eines organischen Arbeitsmediums anstelle von Wasser (Organic Rankine Cycle = Silikonöl-Dampf-Kreislauf). Aufgrund seiner physikalischen Eigenschaften hat sich Silikonöl für die Anwendung in der Biomasse-KWK als am geeignetsten erwiesen. Die Vorteile des Silikonöls als Arbeitsmedium sind in erster Linie darin zu sehen, dass es im Vergleich zu Wasser bei verhältnismäßig geringen Temperaturen und Drücken verdampft und überhitzt. Ein weiterer Vorteil des Silikonöls besteht darin, dass es direkt vom überhitzten, aber auch vom gesättigten Zustand expandieren kann, was einen Tropfenschlag (Kavitation) an den Turbinenschaufeln, welcher zu Korrosionsschäden und damit zu einer Verringerung der Lebensdauer der Turbine führen kann, praktisch ausschließt.
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Die vorzugsweise eingesetzte zweistufige Axialturbine arbeitet im Vergleich zu wasserdampfbetriebenen Turbinen mit geringerer Umlaufgeschwindigkeit und Drehzahl von 3.000 pro Minute. Dadurch kann der zweipolige Generator ohne Zwischengetriebe angekoppelt werden, was den elektrischen Wirkungsgrad erhöht. Über die vollautomatische Steuerung können ORC-Modul und Turbogenerator ohne Personaleinsatz an- und abgefahren werden. Die betriebswarme ORC-Anlage kann binnen fünf Minuten automatisch mit dem Netz synchronisiert werden. Der Stromoutput stellt sich automatisch über die Vorlauftemperatur eines Heizwasserkreislaufes am ORC-Kondensator ein. Dem vorgeschalteten Thermoölkreislauf wird infolgedessen mehr oder weniger Wärme entnommen, die Rücklauftemperatur aus dem Verdampfer/Überhitzer ändert sich und die Kesselfeuerung wird hierdurch entsprechend beeinflusst.
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Bei einer bevorzugten Verfahrensvariante erfolgen die Befüllung und Entleerung des Pellets-Lagers stufenweise, wobei das mindestens eine Lager zur Speicherung der Pellets vorzugsweise über eine in einem oberen Bereich des Lagers angeordneten Fördereinrichtung, insbesondere Förderschnecke befüllt wird, wobei die stufenweise Befüllung vorzugsweise durch mehrere hintereinander angeordnete Befüllungsöffnungen in der Fördereinrichtung erfolgt, wobei der Füllstand der jeweiligen Befüllungsstufe vorzugsweise durch jeweils einen der jeweiligen Befüllungsöffnung zugeordneten Sensor erkannt wird, wobei vorzugsweise bei Erreichen eines voreingestellten Füllstandes einer Befüllungsstufe, insbesondere eines bis zu einer Befüllungsöffnung reichenden Füllstandes automatisch eine nächstgelegene Befüllungsöffnung zur Befüllung der nächstgelegenen Befüllungsstufe aktiviert wird, wobei die stufenweise Entleerung des mindestens einen Pellets-Lagers durch im Bodenbereich, insbesondere in einer Bodensenke hintereinander angeordnete Entleerungsöffnungen erfolgt, wobei der Füllstand der jeweiligen Entleerungsstufe vorzugsweise über einen der jeweiligen Entleerungsöffnung zugeordneten Sensor erkannt wird, wobei vorzugsweise bei vollständiger Entleerung einer Entleerungsstufe automatisch eine nächstgelegene Entleerungsöffnung zur Entleerung der nächstgelegenen Entleerungsstufe aktiviert wird.
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Durch die genannten bevorzugten Verfahrensschritte bei der Befüllung bzw. Entleerung des Pellets-Lagers wird eine besonders effiziente Befüllung bzw. Entleerung des Lagers erreicht.
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Mit Vorteil werden die einzelnen Befüllungsstufen in umgekehrter Reihenfolge entleert. Dies trägt zu einer effizienten und reibungslosen Befüllung bzw. Entleerung des mindestens einen Pellets-Lagers bei.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung in Verbindung mit den Zeichnungen und den Unteransprüchen. Hierbei können die einzelnen Merkmale für sich allein oder in Kombination miteinander verwirklicht sein.
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In den Zeichnungen zeigen:
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1: eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Pelletskraftwerks;
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2: eine Draufsicht auf vier nebeneinander angeordnete Pelletssilos mit den einzelnen Befüllungsstufen;
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3: eine Seitenansicht des ersten in 2 gezeigten Pelletssilos mit den einzelnen Befüllungsstufen;
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4: eine Seitenansicht des Silos von 2 mit den einzelnen Entleerungsstufen;
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5: eine Frontansicht der vier Pelletssilos von 2.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Pelletskraftwerks 1. Das Pelletskraftwerk 1 umfasst drei Nassspansilos 2a, 2b, 2c zur Lagerung frisch angelieferter, noch feuchter Hackschnitzel. Die Nassspansilos 2a, 2b, 2c werden über eine Förderanlage 3 befüllt. Die in den Nassspansilos 2a, 2b, 2c gelagerten Hackschnitzel werden zur weiteren Verarbeitung zunächst über unter den Silos verlaufende Leitungen zu einem Häcksler 4 transportiert, wo sie eine weitere Zerkleinerung erfahren. Nach der Zerkleinerung der Hackschnitzel im Häcksler 4 werden diese in einen Bandtrockner 5 verbracht, wo die feuchten Hackschnitzel getrocknet werden. Vom Bandtrockner 5 aus werden die getrockneten Hackschnitzel in ein Trockenspansilo 6 verbracht, wo sie zur weiteren Verarbeitung gelagert werden können. Aus ca. 5,89 Schüttraummeter (SRM) trockener Hackschnitzel wird ca. 1 t Pellets hergestellt.
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Zur weiteren Verarbeitung der trockenen Hackschnitzel werden diese aus dem Trockenspansilo 6 in eine Pelletieranlage 7 verbracht, wo die trockenen Hackschnitzel zu Pellets verarbeitet werden.
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Von der Pelletieranlage 7 werden die fertigen Pellets in die Pelletsilos 8a, 8b, 8c, 8d verbracht. In den Pelltsilos 8a bis 8d werden die Pellets solange gelagert, bis sie zur Erzeugung von Wärmeenergie und elektrischer Energie benötigt werden. Die Pelletsilos 8a bis 8d weisen jeweils ein Volumen von 3.100 m3 auf und können bei einem Befüllungsgrad von 90% 1.810 t (= 2,790 m3) Pellets lagern. Die gesamte Lagermenge beträgt also 7.240 t Pellets.
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Bei Bedarf werden die in den Silos 8a bis 8d gelagerten Pellets in den Feuerungsraum 9 verbracht, wo die Pellets verfeuert werden. Im Feuerungsraum befindet sich ferner ein Pufferspeicher 10 zur Speicherung der erzeugten Wärme. Durch die durch die Verfeuerung der Pellets entstehende Wärme wird ein Thermoöl, welches bis 350°C erhitzbar ist, erhitzt. Dieses Thermoöl erwärmt wiederum ein Silikonöl, welches bei 65°C verdampft. Durch den Silikonöldampf wird wiederum eine Turbine im Generatorenraum 11 angetrieben, wodurch Strom erzeugt wird. Damit die Stromerzeugung optimal funktioniert, wird die entstehende Wärme unmittelbar abtransportiert und dient zu Heizzwecken.
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2 zeigt eine Draufsicht auf die Pelletsilos 8a bis 8d eines erfindungsgemäßen Kraftwerks. Jedem Pelletsilo 8a bis 8d ist eine Förderleitung 12a bis 12d zur Förderung von Pellets P zugeordnet (Förderrichtung siehe Pfeil). Die Förderleitungen 12a bis 12d sind in einem oberen Bereich der Pelletsilos 8a bis 8d angeordnet und überspannen die Silos in ihrer gesamten Länge. In den Förderleitungen 12a bis 12d sind jeweils insgesamt vier Austragungsöffnungen 13 zur Befüllung der Silos 8a bis 8d mit Pellets eingebracht. Zur Befüllung der einzelnen Pelletsilos 8a bis 8d wird so vorgegangen, dass zunächst eine erste Befüllungsstufe B1 befüllt wird. Jeder Austragungsöffnung 13 ist ein Sensor zugeordnet, welcher detektiert, wann eine Befüllungsstufe vollständig befüllt ist. Ist die erste Befüllungsstufe B1 befüllt, wird automatisch die darauffolgende Austragungsöffnung aktiviert, sodass die Befüllungsstufe B2 befüllt werden kann. Ist die Befüllung der Befüllungsstufe B2 abgeschlossen, kommt es zur Befüllung der Befüllungsstufe B3 und schließlich B4.
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3 zeigt neben Teilen angrenzender Kraftwerksabschnitte eine Seitenansicht des ersten Pelletsilos 8a von 2. Hier sind gut die vier Befüllungsstufen B1 bis B4 zu erkennen. in der vorliegenden Darstellung sind sämtliche Befüllungsstufen vollständig befüllt. Durch die stufenweise Befüllung kommt es zu nebeneinander angeordneten Pelletshaufen, welche ineinander verlaufen. Wie in der vorliegenden 3 gut zu erkennen ist, wird durch die stufenweise Befüllung eine nahezu vollständige Befüllung des gesamten Silos erreicht. Lediglich im oberen, „zackigen Bereich” sind kleine pelletsfreie Zonen 17 zu erkennen. Derartige leere Zonen können weiter minimiert werden, wenn weitere Befüllungsstufen vorgesehen werden oder wenn mehrere Förderleitungen versetzt installiert werden. Im Bodenbereich des Silos 8a sind insgesamt acht Entleerungsöffnungen in das Silo eingebracht (siehe weitere Beschreibung zu 4).
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4 zeigt im Prinzip dieselbe Darstellung wie 3, wobei hier die acht Entleerungsstufen E1 bis E8 zur Verdeutlichung eingezeichnet sind. Beim Entleeren der Silos 8a kommt es zunächst zur Entleerung der Entleerungsstufe 1 über die äußerste rechte Entleerungsöffnung 14. Jeder Entleerungsöffnung 14, 14a, 14b ist ein Sensor zugeordnet, welcher erkennt, wenn eine Entleerungsstufe vollständig entleert ist. Erkennt nun der Sensor der Entleerungsöffnung 14a, dass die Entleerungsstufe 1 vollständig entleert ist, wird automatisch die Entleerungsöffnung 14b geöffnet, sodass es zur Entleerung der Entleerungsstufe 2 kommt. Dieses Schema setzt sich bis zur letzten Entleerungsstufe (Entleerungsstufe 8) fort. Wie sich aus einer Zusammenschau der 3 und 4 ergibt, werden die zuletzt eingebrachten Pellets der Befüllungsstufe 4 als erstes in den Entleerungsstufen 1 und 2 zur Weiterverwendung aus dem Silo 8a entnommen. Die zuerst eingefüllten Pellets der Befüllungsstufe 1 werden in den Entleerungsstufen 7 und 8 als letztes aus dem Silo entnommen.
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5 zeigt eine Frontansicht der Pelletsilos 8a bis 8d, wobei diese transparent dargestellt sind. Wie in der 5 gut zu erkennen ist, weisen die einzelnen Silos 8a bis 8d jeweils einen trichterförmigen Boden 15 mit einer Senke 16 auf. In der Senke 16 sind die hier nicht zu erkennenden, hintereinander angeordneten Entleerungsöffnungen eingebracht. Bei den in 5 dargestellten Silos 8a bis 8d sind diese zu ca. 85% mit Pellets P befüllt. Im oberen Bereich sind jeweils die Austragungsöffnungen 13 der letzten Befüllungsstufe (Befüllungsstufe 4) zu erkennen.
