Steigerung der Systemeffizienz eines Biomasse-Fernheizkraftwerks (FHKW) mit ORC-Prozess und aktiver Kondensation

Feste Biomasse als Energieträger zu Heizzwecken ist in Österreich weit verbreitet. Insbesondere in Fern- und Nahwärmenetze werden häufig Biomasseanlagen eingesetzt. Im Jahr 2010 belief sich die Gesamtzahl der großen Anlagen mit einer thermischen Leistung von mehr als 1MW auf 1.010. Die summierte Gesamtleistung daraus ergibt 2.715MW. Um dem dadurch steigenden Bedarf am Rohstoff Biomasse entgegenzuwirken wird im Rahmen dieses Projekts ein bestehendes Fernheizkraftwerk optimiert. Zusätzlich werden die Schadstoffemissionen minimiert, wodurch einerseits die Abgasqualität verbessert und andererseits die Lebensdauer der Anlage (durch Verringerung der Korrosion) verlängert wird. Ausgangspunkt des Projekts ist das Fernheizkraftwerk (FHKW) Tamsweg. Das FHKW Tamsweg wurde 1996 mit zwei Kesseln (3 + 5 MWthermisch) in Betrieb genommen. Der 3 MW Kessel wurde 2006 an einen ORC-Prozess zur Stromerzeugung (0.5 MWelektrisch) gekoppelt. Das Abgas aus beiden Kesseln wird in einem Kondensationsmodul abgekühlt und die gewonnene Energie für Niedertemperatur-Rücklaufvorwärmung, Luftvorwärmung und Entschwadung verwendet. Während der Projektlaufzeit wird eine Wärmepumpe zur aktiven Abgaskondensation eingebaut. Die Wärmepumpe wird mit einem speziell für Hochtemperaturanwendungen entwickelten Kältemittel R236fa betrieben und ermöglicht eine weitere Absenkung der Abgastemperatur inklusive Kondensation des im Abgas enthaltenen Wasserdampfes. Dies führt zu einer deutlichen Senkung der Energieverluste über das Abgas. Durch das speziell angepasste Kältemittel erfolgt die Einspeisung der anfallenden Wärme auch bei hohen Rücklauftemperaturen mit großem Wirkungsgrad. Insgesamt besteht die Anlage aus zwei Biomassekesseln, einem Kondensationsmodul, dem ORC-Prozess und einer Wärmepumpe. Zusätzlich gibt es zwei angebundene Wärmenetze mit zwei Rücklauftemperaturen und einer Vorlauftemperatur. Alle Einzelteile sind durch Energie- und Stoffströme (Abgas, Wasserkreisläufe) miteinander verbunden und beeinflussen sich gegenseitig. Ziel dieses Projekts ist die optimale Kopplung aller Komponenten aus ökonomischer und ökologischer Sicht. Im Rahmen des Projekts wird die gesamte Anlage mittels Prozesssimulation abgebildet. Diese Abbildung dient als Grundlage für die Optimierung der Einbindung der Komponenten und der Entwicklung einer angepassten Regelung. Die Komponenten werden anhand von Monitoring-Ergebnissen parametriert. In diesem Projekt wird die Systemkombination Biomassekessel mit aktiver Abgaskondensation und ORC-Prozess erstmals anhand des FHKW Tamsweg implementiert und gleichzeitig mit allen Abhängigkeiten modelliert und in der Regelung dargestellt. Ziel ist in Zukunft bei gleicher Brennstoffzufuhr die Wärmekapazität des FHKW deutlich zu erhöhen. Darüber hinaus können die daraus gewonnene Prozesssimulation und das Regelungskonzept nach Projektabschluss für bestehende und neue Biomasse-FHKW zur Optimierung direkt angewandt werden.