DE102017005641A1

DE102017005641A1 - Verfahren für dezentrale mit Biomasse betriebene Blockheizkraftwerke im kleineren Leistungsbereich

Info

Publication number: DE102017005641A1
Application number: DE102017005641.2A
Authority: DE
Inventors: Auf Nichtnennung Antrag
Original assignee: Excellence Ges Zur Obhutsverwaltung Erlesener Liegenschaften und Vermoegensanlagen Mbh; Excellence Gesellschaft Zur Obhutsverwaltung Erlesener Liegenschaften und Vermogensanlagen Mbh
Current assignee: Excellence Ges Zur Obhutsverwaltung Erlesener Liegenschaften und Vermoegensanlagen Mbh; Excellence Gesellschaft Zur Obhutsverwaltung Erlesener Liegenschaften und Vermogensanlagen Mbh
Priority date: 2017-06-17
Filing date: 2017-06-17
Publication date: 2018-12-20
Also published as: WO2018228627A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren für dezentrale mit Biomasse betriebene Blockheizkraftwerke im kleineren Leistungsbereich, welches nicht auf Gärprozesse angewiesen ist. Mit der dezentralen Kraft-Wärme-Kopplung steht ein Anlagenkonzept zur Verfügung, das neben Strom auch Heizwärme mit einem hohen Gesamtnutzungsgrad liefert. Erfolgt die Betreibung mit nachwachsender Biomasse, kommt man dem Ziel näher, den COAnteil in der Luft konstant zu halten. Mit der Bereitstellung von Heizwärme entfallen Hausbrand-Emissionen und für eine zukünftige E-Mobilität steht COneutraler Ladestrom zur Verfügung. Im Maissubstrat steckt mehr thermische Energie als die Vergärung biologisch in Methan umwandeln kann. Die Frage des Anbaus ob „Nahrung oder Energie“ entfällt, wenn die Körner der Maispflanze und die Halmreste aufgeteilt beide Nutzungsarten bedienen. Getrocknet und pelletiert entsteht aus dem Maisrest ein geruchsneutraler, handhabbarer Brennstoff mit holzähnlichem Brennwert. Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, die Maispellets effizient im kleineren Leistungsbereich zu verstromen. Ein speziell ausgerichteter mit Wasserdampf betriebener geschlossener, effizienter Gasturbinenprozess mit Regeneration kann durch externe Wärmeübertragung die heißen Rauchgase energetisch nutzen. Wasserdampf lässt sich bis ins Vakuum entspannen, wodurch flexibel lastbezogen zwischen Wärmeauskopplung oder Strom plus Kondensatorkühlung gewechselt werden kann.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren für dezentrale mit Biomasse betriebene Blockheizkraftwerke im kleineren Leistungsbereich, welches auch die Gesamte Biomasseaufbereitungstechnologie umfasst und nicht auf vorgeschaltete Gär- oder Vergasungsprozesse angewiesen ist. Eine derartige Lösung wird in erster Linie im Bereich der dezentralen Energiewirtschaft benötigt.
Der weltweit steigende Energiebedarf erhöht die anthropogenen Belastungen für Klima und Umwelt. Sparsamer Umgang mit Energie und effiziente thermische Prozesse werden immer wichtiger, um dem Klimawandel entgegen zu wirken. Einen Beitrag hierzu leisten dezentrale Blockheizkraftwerke, die sowohl Strom als auch Heizwärme liefern. Werden diese mit Biomasse betrieben, bleibt die CO₂-Konzentration in der Atmosphäre konstant, da Kohlendioxid im gleichen Verhältnis durch Photosynthese in Biomasse zeitnah assimiliert. Neben Solar- und Windenergie die Option, welche ohne endliche fossile Quellen risikofrei auskommt.
Nach dem Stand der Technik haben sich zwei Technologien etabliert. Zum einen die Verbrennung mit Vortrocknung in einem Dampf-Heizkraftwerk oder zum anderen die Vergärung der Biomasse in einem Fermenter, um das entstehende Biogas mittels Motor oder Mikrogasturbine in Kombination mit einem Generator zu nutzen. Beide Varianten haben Vor- und Nachteile. Das Dampf-Heizkraftwerk benötigt für einen effizienten Stromanteil der Wandlung bei hoher Temperatur hohen Druck, was besonders in kleineren dezentralen Anlagen die technische Machbarkeit zu Lasten des elektrischen Wirkungsgrades stark einschränkt. Deshalb dominiert in diesem Leistungsbereich die Variante Vergärung, da die anschließende Stromwandlung auf dem aus der automobilen Massenproduktion stammenden preiswerten, funktionssicheren und effizienten Otto- bzw. Dieselmotor basiert. Durch den Einsatz der ausgereiften Motorentechnik entstehen trotz erhöhtem spezifischen Verschleiß Vergleichsmaßstäbe, die weder von Mikrogasturbinen noch von Dampfturbinen erreicht werden.
Nachteilig wirken sich die geruchsintensiven ammoniakhaltigen nassen anfallenden Gärreststoffe aus, die große aufwendige und abgedeckte Lagerkapazitäten erfordern, um die Felder zur gegebenen Zeit mit den noch enthaltenen Nährstoffen zu düngen. Das Konzept geht auf, so lange die Transportwege zwischen Feld und Anlage für Ernte und Düngung wirtschaftlich bleiben. Notwendige flexible Fruchtfolgen als auch Erntedefizite können das nicht immer garantieren. Biogasanlagen sind wegen Geruchsemissionen in der Bevölkerung nicht bedingungslos beliebt, weswegen deren Standorte meist außerhalb der Bebauung liegen, was eine Nutzung der Abwärme erschwert oder gar unmöglich macht. Das schwerdosierbare Gärrestverteilen lässt die Felder vermaisen und trägt zur Erhöhung der Nitratwerte im Grundwasser bei.
Mais, die C4-Pflanze mit hoher Kohlendioxid-Assimilation, hat sich als Gärsubstrat durchgesetzt. Die besonders effiziente Fotosynthese sorgt bei moderatem Wasserverbrauch innerhalb einer Saat-Ernte-Periode dafür, dass aus einem Maiskorn je nach Sorte eine 1,5 - 2,5 m hohe Pflanze entsteht. Bei einem Frischmasseertrag von etwa 45 t/ha bietet Mais bezogen auf die Flächenproduktivität Spitzenwerte. Eine 500 kW_el Anlage benötigt eine Energiemais-Anbaufläche von etwa 230 ha. Es stellt sich auch die ethische Frage, was hat unter dem Aspekt begrenzter Anbauflächen Vorrang - Energiemais oder Mais als Nahrungsmittel?
Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, die Technologie für ein dezentrales Blockheizkraftwerk, welches mit schnellwachsender Biomasse CO₂ neutral betrieben wird, so zu erweitern bzw. zu verändern, dass die genannten Nachteile nicht mehr bestehen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß im Wesentlichen durch die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 1 bis 11 gelöst. Bisher wird Energiemais komplett bei der Ernte gehäckselt, zur Anlage transportiert und der Jahresbedarf für die Lagerung siliert. Verzichtet man auf den nicht problemlosen Nährstoffkreislauf und betrachtet vorrangig die CO₂-neutrale Kraft-Wärme-Kopplung, entstehen neue Optionen. Die konkurrierende ethische Frage des Anbaus „Nahrung oder Energie“ entfällt, wenn die Maispflanze gleichzeitig beide Nutzungsarten bedient. Für die Nahrungsmittelindustrie oder Pharmazie die inhaltsreichen Körner mit ca.10 t/ha und der zellulosehaltige Maisrest ca. 35 t/ha geht zur Trocknung und zum Pelletieren, wonach ein geruchsneutraler handhabbarer Brennstoff mit holzähnlichem Brennwert entsteht. Dieser Teil der Maispflanze wurde bisher nach dem Ausschlagen der Maiskörner wieder eingepflügt, da sich der stark zellulosehaltige Maisrest für die Vergärung kaum eignet.
In einer Biogasanlage entstehen durchschnittlich aus 45 t Frischmasse mit einem Trockensubstratanteil (TSA) von bspw. 34,3% etwa 4.650 Nm³ Methan, was einer thermischen Leistung von 167.129 MJ/ha entspricht (Deutsches Maiskomitee e.V. (DMK) http://www.ima-agrar.de). Im Brennwert der Frischmasse sind jedoch bei gleichem TSA thermisch 280.130 MJ/ha (6.225 MJ/t) (J. Born, R. Casaretto, Die theoretischen 100 Prozent geernteter Energie, BIOGAS Journal | 2_2012) enthalten. Die Vergärung kann im Vergleich nur etwa 60 % energetisch in Methan wandeln, 40 % bleiben für die Bakterien ungenießbar und fallen als Gärrestdünger an. Thermisch stehen bei der Verbrennung 54.839 MJ/ha etwa 19% mehr zur Verfügung, als bei der Methanisierung. Trotz Abzug der Körnermasse mit nur 35 t/ha Frischmasse und einem trocknungsbereinigten Brennwert (4.932 MJ/t) liefert der Maisrest thermisch mit 172.641 MJ/ha mehr als das Methan-Äquivalent mit Körnern.
Die Infrastruktur wie Landhandel, Pelletsvertrieb oder Ernteguttrockner besteht bereits. Der Bauer kann seine Fruchtfolge unabhängig vom Standort eines Blockheizkraftwerkes wählen und erhält eine weitere Vergütung für den Maisrest.
Voraussetzung ist ein Blockheizkraftwerk, welches effizient mit den geruchsfreien Pellets betrieben werden kann. Es lässt sich sinnvoll nahe an Wärmeabnehmer platzieren, wodurch Hausbrandemissionen entfallen. Die ausgereifte Pellets-Technologie erlaubt weitestgehend automatischen Betrieb. Zu den Spurenelementen in der anfallenden Asche gehören Chrom, Eisen, Cobalt, Mangan, Nickel, Kupfer und Zinn, die sich wiederum als Düngerergänzung eignen. Im Vergleich zum üblichen Gärrestverteilen auf dem Feld wirkt eine gezielte und dosierte Düngung der Problematik zu hoher Nitratgehalt im Grundwasser entgegen.
Ein speziell auf die Verbrennung ausgerichteter mit Wasser und Dampf betriebener geschlossener Gasturbinenprozess mit Regeneration kann durch externe Wärmeübertragung die heißen Verbrennungsabgase und somit den gesamten Brennwert nutzen. Sowohl metallische als auch keramische Werkstoffe widerstehen heute bei niedrigen Drücken unter 10 bar Temperaturen um die 1000°C, wodurch die Wärmeübertragung vom Verbrennungsabgas zum Arbeitsfluid im Erhitzer möglich wird. Bei entsprechender Luft- und Pelletsvorwärmung entsteht das erforderliche rauchgasseitige Temperaturgefälle, um den intern strömenden Wasserdampf auf über 900°C zu erhitzen.
Neu ist die Bauform der Turbosätze, die als Schnittstelle zwischen Thermodynamik und Mechanik fungieren. Voraussetzung für hohe Wandlungsgrade auch im kleinen Leistungsbereich ist eine flexible Stromkonvertierung mit Leistungselektronik zur Nutzung der optimalen Drehzahl für Verdichter und Turbine (über 30.000 U/min). Die gewählte Bauform sorgt für optimale axiale Anströmverhältnisse. Durch die Mitnutzung der konfigurierbaren Generatorlager reduzieren sich die Reibungsverluste. Jeder Turbosatz erhält eine separate Einspeisung, wobei die Steuer- und Stromkonvertierungseinheit sowohl Motor- als auch Generatorbetrieb zulässt.
Für die Wärme-Kraft-Kopplung ist die Wärmelastanpassung eine wichtige Stellgröße. Etwa 10% vom Gesamtmassenstrom wird Kühlungsbedingt bis ins Vakuum entspannt. Um nun flexibel lastbezogen zwischen Wärmeauskopplung oder Strom plus Kondensatorkühlung wechseln zu können, erfolgt die Entspannung des Kühlmassenstroms zweistufig Mittels Curtisräder, zwischen den eine verstellbare Blende den Massenstrom für die Wärmeauskopplung stufenlos über eine Anzapfung umleitet. Curtisräder sind vergleichsweise unempfindlich und gut für relativ hohe Stufendruckgefälle geeignet, wobei mit der ersten Stufe der erforderliche Kondensationsdruck und damit die auskoppelbare Temperatur bestimmt wird. Mit dieser Lösung lässt sich im Winter die gesamte Kondensationswärme nutzen und je nach Bedarf im Jahresverlauf stufenlos bei guter Effizienz auf Kondensatorkühlung umschalten.
Neu im Energiewandler ist die Maßnahme, den Verdichtungsmassenstrom zur Reduzierung der Verdichterantriebsleistung mittels direkter Kondensateindüsung nicht nur zu kühlen, sondern ihn auch durch die Volumenzunahme beim Kondensatverdampfen bei konstantem Druck mittels Strömungsquerschnittsanpassung in der jeweils vorgeschalteten Mischstrecke thermisch zu beschleunigen. Dadurch reduzieren sich die Laufradarbeit und die erforderliche Kühlwassermenge, was die Prozesseffizienz erhöht.
Somit werden die Aufgaben mit den Verfahrensschritten Biomasseaufbereitung, externer Verbrennung und Energiewandler komplett gelöst.

1 stellt die Vorgänge in der Biomasseaufbereitung (1) mit der externen Verbrennung (2) strukturiert dar.
2 zeigt erforderliche Maßnahmen im Blockschaltbild des Energiewandlers (3)
3 stellt die Bauform Turbosatz (16) dar.

Bezugszeichenliste

1: Biomasseaufbereitung
2: externe Verbrennung
3: Energiewandler
4: Verbrennungsabgas
5: Erhitzung
6: Verdichtungsmassenstrom
7: Mischstrecke
8: Kühlmassenstrom
9: Curtisradstufe I
10: Blende
11: Curtisradstufe II
12: Wärmeauskopplung
13: Kondensator
14: Regelklappe
15: Turbinengehäuse
16: Turbosatz
17: Generator
18: Welle
19: Radialturbine mit axialem Austritt
20: Radialverdichter mit axialem Eintritt
21: Steuer- und Stromkonvertierungseinheit
22: Dampf
23: Wasser
24: Mais
25: Körner
26: Nahrungsmittelindustrie oder Pharmazie
27: zellulosehaltiger Maisrest
28: Häcksler
29: Trockner
30: Pellets
31: Silo
32: Asche

Claims

Verfahren für dezentrale mit Biomasse betriebene Blockheizkraftwerke im kleineren Leistungsbereich, bestehend aus den Verfahrensschritten Biomasseaufbereitung (1), externe Verbrennung (2) sowie ein mit Wasser (22) und Dampf (23) betriebener, geschlossener, regenerierter Gasturbinen-prozess als Energiewandler (3), der Verbrennungsabgase (4) für die Erhitzung (5) des Arbeitsfluids nutzt, dadurch gekennzeichnet, dass im Verfahrensschritt Energiewandler (3) a) der Verdichtungsmassenstrom (6) zur Reduzierung der Verdichterantriebsleistung mittels direkter Kondensateindüsung in der jeweils vorgeschalteten Mischstrecke (7) durch die Verdampfung nicht nur gekühlt, sondern auch noch mittels Strömungsquerschnittsanpassung durch die Volumenzunahme beim Kondensatverdampfen bei konstantem Druck thermisch beschleunigt wird, b) dass der notwendige Kühlmassenstrom (8) im Vakuumbereich flexibel lastbezogen zwischen Wärmeauskopplung (12) und oder Strom plus Kondensator (13) wechselt, indem eine Regelklappe (14) in Kombination mit einer verstellbaren Blende (10), die im Turbinengehäuse (15) zwischen der Curtisradstufe I (9) und der Curtisradstufe II (11) sitzt, den erforderlichen Massenstrom für die Wärmeauskopplung (12) je nach Bedarf stufenlos aufteilt, wobei der Restmassenstrom weiter in der Curtisradstufe II (11) verstromt und im Kondensator (14) verflüssigt wird.
Verfahren für dezentrale mit Biomasse betriebene Blockheizkraftwerke im kleineren Leistungsbereich nach dem Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass im Energiewandler (3) mit dem Druckgefälle in der Curtisradstufe I (9) die Kondensationstemperatur für die Wärmeauskopplung (12) für den jeweiligen Einsatz eingestellt wird.
Verfahren für dezentrale mit Biomasse betriebene Blockheizkraftwerke im kleineren Leistungsbereich nach dem Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass im Energiewandler (3) pro Stufe ein Turbosatz (16) mit optimaler elektro- und strömungstechnischer Drehzahl eingesetzt wird, der aus einem Generator (17) mit beidseitig durchgesteckter Welle (18) mit jeweils einer Radialturbine mit axialem Austritt (19) und einem Radialverdichter mit axialem Eintritt (20) besteht.
Verfahren für dezentrale mit Biomasse betriebene Blockheizkraftwerke im kleineren Leistungsbereich nach dem Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass der Generator (17) im Turbosatz (16) im Energiewandler (3) zum Starten mittels Steuer- und Stromkonvertierungseinheit (21) auch im Motormodus betrieben wird.
Verfahren für dezentrale mit Biomasse betriebene Blockheizkraftwerke im kleineren Leistungsbereich nach dem Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass im Energiewandler (3) durch Erhöhen oder Absenken der Wasser-dampfmenge in der Anlage die Leistung auch durch die Verschiebung der Druckverhältnisse reguliert wird.
Verfahren für dezentrale mit Biomasse betriebene Blockheizkraftwerke im kleineren Leistungsbereich nach dem Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass im Energiewandler (3) durch die Steuer- und Stromkonvertierungs-einheit (21) die Einspeise-Stromfrequenz nicht mit der Drehzahl des Generators (18) gekoppelt ist.
Verfahren für dezentrale mit Biomasse betriebene Blockheizkraftwerke im kleineren Leistungsbereich nach dem Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, dass eine Anlage bestehend aus Verbrennung (2) und Energiewandler (3) automatisch, geruchsneutral in der Nähe von Wohnorten zur Senkung der Hausbrandemissionen betreibbar ist.
Verfahren für dezentrale mit Biomasse betriebene Blockheizkraftwerke im kleineren Leistungsbereich nach dem Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, dass für den Energiewandler (3) das entstehende Verbrennungsabgas (4) aus dem Verfahrensschritt externer Verbrennung (2) unabhängig von der Konsistenz der Brennstoffe, ob fest, flüssig oder gasförmig, nutzbar ist.
Verfahren für dezentrale mit Biomasse betriebene Blockheizkraftwerke im kleineren Leistungsbereich nach dem Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, dass im Verfahrensschritt Biomasseaufbereitung (1) bspw. bei der Ernte von Mais (24) die Körner (25) für die Nahrungsmittelindustrie oder Pharmazie (26) separiert werden, um nur den zellulosehaltigen Maisrest (27) im Häcksler (28) zu zerkleinern, ihn anschließend im Trockner (29) zu entfeuchten, ihn zu Pellets (30) zu pressen und ihn bis zur Verbrennung (2) in Silos (31) geruchsneutral zu speichern.
Verfahren für dezentrale mit Biomasse betriebene Blockheizkraftwerke im kleineren Leistungsbereich nach dem Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, dass die aus den Verfahrensschritten Biomasseaufbereitung (1) und Verbrennung (2) anfallende Asche (32) in Spuren Chrom, Eisen, Cobalt, Mangan, Nickel, Kupfer und Zinn enthält, die auch als Düngerergänzung nutzbar ist.
Verfahren für dezentrale mit Biomasse betriebene Blockheizkraftwerke im kleineren Leistungsbereich nach dem Anspruch 10 dadurch gekennzeichnet, dass mit den Verfahrensschritten Biomasseaufbereitung (1), externer Verbrennung (2) und dem Energiewandler (3) ohne Konkurrenz zwischen Nahrung und Energie der solare Energieinput von nur einer Anbaufläche aufgeteilt wird, um bei zeitnaher Assimilation und Emission von Kohlendioxid Strom für die E-Mobilität und flexible Wärme für Heizzwecke zu erhalten und das bei voller thermischer Nutzung des trocknungsbereinigten Brennwertes.