BioPower Strom- und Wärmegenerierung aus Biomasse mittels einer neuartigen Pellet befeuerten Mikro-KWK

Ergebnisse

Im FFG-Projekt „BioPower“ wurde von der Fa. SOLARFOCUS und dem IWT der TU Graz eine pelletbefeuerte Mikro-KWK für eine Leistung von bis zu 10 kW_el und 60 kW_th (Nutztemperaturniveau ca. 80°C) mit einem Wasserdampf-Prozess und einem neuentwickelten nassdampftauglichen und ölfrei-arbeitenden Rotationskolbenexpander entwickelt. Dieses Konzept stellt in diesem Leistungsbereich eine Innovation dar. Gegenüber der Variante mit einem ORC können mittels des CRC aufgrund der thermischen Beständigkeit von Wasser höhere Prozesstemperaturen zugelassen und damit höhere Effizienzen erzielt werden. Des Weiteren kann der CRC direkt befeuert werden und benötigt daher keinen Thermoöl-Kreislauf.

Dampfkessel

Der Dampfkessel wurde bei verschiedenen stationären Punkten vermessen und die Ergebnisse ausgewertet. In Abbildung 56 ist ein Verlauf des Dampfkessels bei 21 bar bzw. 30 bar Hochdruck ersichtlich. Der maximale Hochdruck wurde mit 30 bar begrenzt. Die Austrittstemperatur lag bei rund 245 °C und bei einer Eintrittstemperatur von 40 °C bei beiden Hochdrücken. Dies entspricht einer Überhitzung des Dampfes bei 30 bar von rund 11 K und bei 21 bar von rund 30 K. Der gemessene Massenfluss lag bei 46,4 kg/h bei maximaler Ansteuerung der Hochdruckpumpe mit 50 Hz. Das Dampfregelventil pendelt sich bei einem Öffnungsgrad von rund 35 % bzw. 42 % ein. Die gemessene Abgastemperatur betrug 230 °C bei max. Kesselleistung. Die Verdampferleistung berechnet sich zu 35 kW.

Es konnte gezeigt werden, dass der Dampfkessel in der Lage ist, Sattdampf bei 30 bar bzw. sogar überhitzten Dampf zu erzeugen. Wesentliche Optimierungen zur Verbesserung des Wirkungsgrades liegen vor allem in der weiteren Reduzierung der Abgasverluste durch Zuschalten eines zusätzlichen Niederdruck-Wärmetauschers. Eine Erhöhung des feuerungstechnischen Wirkungsgrades auf 95 % ist realistisch. Wie bereits erwähnt, können bei kompakter Bauweise die Verluste durch Abstrahlung noch deutlich reduziert werden. Für die Teillastregelbarkeit empfiehlt sich der Einsatz von elektronisch geregelten Durchflussreglern um sowohl das Anfahren, als auch das Abfahren zu automatisieren. Mit Hilfe einer Kaskadenschaltung kann die lieferbare Dampfmenge auf den entsprechend gewünschten Massenstrom erhöht werden. Tabelle 4 zeigt die Ergebnisse bei unterschiedlichen Dampfparametern wie sie auch für die Systemsimulation verwendet wurden.

Tabelle 4: Übersicht der Ergebnisse bei unterschiedlichen Dampfparametern

Ein weiteres Projektziel bei der Entwicklung des Dampfkessels war die Minimierung der Schadstoff- und Feinstaubemissionen durch Reduzierung der Glutbetttemperatur mittels Rauchgasrezirkulation. In Abbildung 57 ist beispielhaft ein Testlauf mit 20 kW und einem Soll-Wert des Rest O₂ von 4,3 % (λ = 1,26) dargestellt. Dazu wurden alle wichtigen Emissionen und Staubwerte gemessen. Bei Untersuchungen mit einem ersten kleiner ausgeführten Testbrennraum zeigt sich, dass bei dieser Brennraumgeometrie und sehr niedrigem Restsauerstoffgehalt von durchschnittlich 4,3 % akzeptable CO-Emissionen von unter 50 ppm erreicht werden können. Auch die Staubemissionen lagen unter 15 mg/Nm³ und bestätigen die vorteilhafte Geometrie.

Anschließend wurde versucht, mit Hilfe der Sekundär- und Rezirkulationsluft die Temperatur am Glutbett zu reduzieren. Die Sekundärluft wurde dabei direkt unter dem Rost eingedüst, um den größtmöglichen Kühleffekt am Rost zu generieren. Die Rezirkulationsluft wurde mit der Primärluft auf rund 17 % Restsauerstoffgehalt (Rezirkulationsrate ca. 0,25) vermischt. Dadurch konnten die Staubemissionen weiter um rund 3 mg/Nm³ auf rund 12 mg/Nm³ reduziert werden, wobei die Emissionen von CO und NOx im Rahmen der Emissionsgrenze der 2. BImSchV (2017) blieben.

Die gewonnenen Erkenntnisse auf Basis des Testlaufes mit 20 kW wurden anschließend auf den größeren Dampfkessel angewendet. So wurden dieselben Verhältnisse bei der Brennraumgeometrie gewählt, als auch eine Luftstufung mit Primär-, Sekundär- und Rezirkulationsluft realisiert. Im Vergleich zum 20-kW-Testlauf wurde beim Dampfkessel die Brennkammer am Innenmantel noch stärker isoliert, um einerseits eine zu hohe Temperaturbelastung am Metallmantel auf Grund der geringeren Wärmeübergangszahl von Luft, im Vergleich zu einer Wasserkühlung, zu verhindern, und andererseits um eine längere, heiße Ausbrandstrecke zu generieren, um in weiterer Folge die CO-Emissionen weiter zu senken. Die Ergebnisse beim Dampfkessel bestätigen die Resultate der Voruntersuchungen am kleineren Kessel. So wurden ebenso Staubemissionen von rund 13 mg/Nm³ (13 % O₂) gemessen.

Rotationskolbenexpander

Parallel dazu wurde der Rotationskolbenexpander experimentell an einem Prüfstand des IVTs der TU Graz mit entsprechender Messtechnik, darunter auch einer Druckindizierung, detailliert untersucht. Die Versuche zeigten, dass keine Dampfnässe zur Schmierung dieser notwendig ist, da die Dichtleisten im Expander ausreichend gleiten. Gemäß den Messungen mit einem zweiflutigen Expander konnte eine elektr. Leistungsausbeute von ca. 4,2 kW_el generiert werden. Günstige Tendenzen hinsichtlich Leistung und spezifischem Dampfverbrauch sind bei höheren Frischdampfdrücken und Drehzahlen zu verzeichnen. Für das Gesamtkonzept wird ein Frischdampfdruck von 30 bar angestrebt. Allerdings stieg der Bedarf an Dampfmassenstrom bei steigendem Frischdampfdruck aufgrund der höheren Dichte sowie des vorhandenen Blow-By. Aus der Druckindizierung konnte weiteres Optimierungspotenzial für die Betriebsweise des Expanders erhoben werden. Vor allem zu kleine Druckverhältnisse sind zu vermeiden, da der Expander ins s.g. Pumpen gerät, was sich negativ auf die erzielbare Leistung auswirkt. Diese Erkenntnisse zeigten, dass der gewählte zweiflutige Expander ein zu hohes Schluckvolumen aufweist weshalb im Rahmen der Optimierungsmaßnahmen ein weiterer einflutiger Expanders untersucht wurde mit dem eine maximale Kupplungsleistung von ca. 3,5 kW bei einem Frischdampfdruck von 17,6 bar, einem Frischdampfmassenstrom von 115 kg/h und einer Drehzahl von 700 U/min erreicht werden konnte. Zur Variation der Expanderleistung könnte der Dampfmassenstrom, der Eingangsdruck und die Drehzahl des Expanders variiert werden.

Systemsimulation

Auf Basis der experimentell ermittelten Ergebnisse des Rotationskolbenexpanders und des Dampferzeugers wurde eine Systemsimulation durchgeführt. Dabei zeigte sich, dass der Expander für bestmögliche Effizienz bei möglichst hohen Kurbelwellendrehzahlen und geringem Rauchgasmassenstrom bzw. Kesselleistung, betrieben werden muss. Eine hohe Kupplungsleistung wird durch höhere Rauchgasmassenströme bzw. Kesselleistungen erreicht. Der Rauchgasmassenstrom wird im Wesentlichen an die geforderte Heizleistung angepasst. Die dabei verringerte Effizienz des Expanders hebt sich mit dem steigenden thermodynamischen Wirkungsgrad des CRC-Kreislaufes zumindest teilweise auf weshalb sich der elektrische Wirkungsgrad kaum ändert. Im Rahmen des Versuchsbetriebes wurde eine maximale Kurbelwellendrehzahl von 700 U/min untersucht da bei höheren Drehzahlen Eigenschwingungen auftraten. Es ist davon auszugehen, dass ein Gesamtsystem aufgebaut mit dem untersuchten Expander und Kessel bei einer Kesselleistung von ca. 70 kW_th eine Kupplungsleistung von ca. 3 kW erreicht wird. Dabei wird bei einem Kesselwirkungsgrad von 85 % ein elektrischer Wirkungsgrad von ca. 3,5 % erreicht.

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• 20171221-BioPower-publ-Eber-FINAL.pdf