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FVEE – Jahrestagung 2015 : Forschung für die Wärmewende
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Effiziente Wärme aus Biomasse –
Stand, Herausforderungen und
Perspektiven
Dr. Volker Lenz● DBFZ
Martin Ecker● HDG Bavaria GmbH
Dr. Bodo Groß● IZES
Dr. Bernd Krautkremer ● IWES
Frank Werner● ETE GmbH
FVEE – Jahrestagung 2015 : Forschung für die Wärmewende
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Beitrag der Biomasse zur Treibhausgasminderung durch
Erneuerbare Energien 2014 in Deutschland
Quelle: BMWi, AGEE-stat: Erneuerbare Energien im Jahre 2014. Stand 27.02.2015
Rund 43% der CO2-Minderung
durch erneuerbare Energien
stammt aus der Bioenergie!
FVEE – Jahrestagung 2015 : Forschung für die Wärmewende
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Bioenergie als tragende Säule der erneuerbaren Wärme in
Deutschland
Rund 87% der erneuerbaren
Wärme waren 2014 biogenen
Ursprungs!
Quelle: BMWi, AGEE-stat: Entwicklung der Erneuerbare Energien in Deutschland im Jahre 2014. Februar 2014
FVEE – Jahrestagung 2015 : Forschung für die Wärmewende
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Stand Erneuerbare Wärme Ende 2014 in Deutschland
Abb.: Cornelia Rönsch, DBFZ, 2015
FVEE – Jahrestagung 2015 : Forschung für die Wärmewende
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Quelle: DBFZ, Herstellerprospekt, Heizomat
Quelle: Pellematic Plus; Ökofen
Einzelraumfeuerungen
Quelle: DBFZ, Herstellerprospekt
Quelle: ETA
Kleinfeuerungsanlagen
Biowärme-Integration
Hackgutkessel
Quelle: wodtke
Technologien zur Wärmebereitstellung aus Biomasse
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Aktuelle Herausforderungen der Wärmebereitstellung aus
Biomasse
Forschung bietet Lösungen.
Luftschadstoff-
emissionen
Feinstaub-
emissionen
Messnormen
und Messgeräte
Wirtschaftlichkeit
Biomasse-
bereitstellung
primärseitige
Optimierung
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Primärmaßnahmen aus der Großkesseltechnik zur
Verbrennungsoptimierung im Leistungsbereich (100-500 kW)
Brennraumgeometrie und -material:
TIME – TURBULENCE – TEMPERATURE
hohe Verweilzeiten der Brenngase mittels langer
Ausbrandstrecken
gute Durchmischung der Brenngase mit der
Verbrennungsluft
stabiles Temperaturniveau über den gesamten
Ausbrand
Verbrennungsrost:
niedriger Luftüberschuss im Glutbett (λ<0,8)
Abbrandprinzip im Gegenstrom
geteilte Primärluftzonen
sehr gute Leistungsmodulation
Mehrstufige Verbrennung:
stufenweise Zugabe von Sekundär-/Tertiärluft
hoher Eintrittsimpuls der Sekundär-/Tertiärluft
gute Regulierung der geforderten
Brennkammertemperatur und der
Verbrennungsluftzonen
Rauchgasrezirkulation:
Kühlung des Gluttbettes
Stabilisierung des Temperaturniveau
in der Brennkammer
Niedrigste Emissionen, hoher Wirkungsgrad, hohe Brennstoffflexibilität, gute Leistungsmodulation
Quelle: HDG GmbH
FVEE – Jahrestagung 2015 : Forschung für die Wärmewende
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Aktuelle Herausforderungen der Wärmebereitstellung aus
Biomasse
Forschung bietet Lösungen.
Luftschadstoff-
emissionen
Feinstaub-
emissionen
Messnormen
und Messgeräte
Wirtschaftlichkeit
Biomasse-
bereitstellung
primärseitige
Optimierung
Staub-Abscheider
FVEE – Jahrestagung 2015 : Forschung für die Wärmewende
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Optimale Dimensionierung des Abscheiders
auf die Kesselleistung
Auf die Primärmaßnahmen abgestimmte
Abscheideleistung
Integration der Steuerungsfunktionen der
Filtertechnik in die Kesselregelung
Vereinfachte Zulassung im Rahmen der
Typenprüfung nach DIN EN 303-5:2012
Problemfreie Entsorgung der
Filterasche
Ordentliches Gesamtbild
Klare Schnittstellendefinition zur
Erhöhung der Betriebssicherheit
Quelle: HDG GmbH
Sekundäre Emissionsminderungsmaßnahme
als integrierte Systemlösung
FVEE – Jahrestagung 2015 : Forschung für die Wärmewende
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HS-
Steuerung
Filtertypen IZES gGmbH Direkt integrierte Version
– Kesselleistung variabel bis 160 kWth
– Voraussetzung: Freies Volumen in Nachheizfläche
Adaptive Version als Filterbox im Abgasweg
– EFC 25 mit flexiblem Kaminanschluss für Kessel mit bis zu 50 kWth
• 8 Kamin- bzw. Elektrodenanschlüsse verfügbar
• Ascheklappe am unteren Ende
– EFC 50 für Kessel mit bis zu 100 kWth
• Elektroden- & Kaminanschluss oben
• Saugzug rückseitig montierbar
– EFC 160 für Kessel mit bis zu 300 kWth
• Elektrodenanschluss an der Oberseite
• Kaminanschluss an der Rückseite
Alle Versionen sind mit fernwart- und kontrollierbaren Steuereinheiten
ausrüstbar. Die Filter arbeiten autark und mit Spannungen bis zu 30 kV bei 2
mA (60W max.). Urheber Foto: IZES
Quelle Grafik: Hoval
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Abscheidegrade IZES gGmbH Abscheidegrad
– Stückholzfeuerung im Mittel derzeit bei: 80 % (Rohgas: ~80 mg/m³*)
– Pelletfeuerung im Mittel derzeit bei: 63 % (Rohgas: ~22 mg/m³*)
– Alternative Brennstoffe im Mittel derzeit bei: 76 % (Rohgas: ~108 mg/m³) Getestet wurden u.a. Trester/Miscanthus Briketts und Baumwollbriketts (Rest der Baumwollpflanze für Textilproduktion)
Urheber Foto:
IZES
Quelle Grafik: IZES
Beispiel einer Emissionsmessung am E-Filter: 50 kWth Stückholzkessel, manuell bestückt
mit Trester/Miscanthus Briketts, Lamdba geregelt, gemessen mit: Wöhler SM 500 (Bezug
auf 13% O2)
*Stückholz- und Pelletkessel
wurden in unterschiedlichsten
Betriebsmodi und mit
absichtlich herbeigeführten
nicht optimalen
Verbrennungsbedienungen
zwecks Steigerung des Rohgas-
staubeintrags betrieben
Raw material Slagged
grate
Ash Briquette Slag
Rohstoff Verschlacktes
Rost
Asche Brikett Schlacke
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Aktuelle Herausforderungen der Wärmebereitstellung aus
Biomasse
Forschung bietet Lösungen.
Luftschadstoff-
emissionen
Katalysatoren
Feinstaub-
emissionen
Messnormen
und Messgeräte
Wirtschaftlichkeit
Biomasse-
bereitstellung
primärseitige
Optimierung
Staub-Abscheider
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Nahaufnahme: NEKO-Katalysator
Neuartige hochtemperaturstabile integrierte Katalysatoren
und Feuerungsoptimierung
Quelle: ETE GmbH
Basis: Metalloxide (Schwammträger und Synthese sind marktverfügbar)
Langzeitstabilität größer 3 Jahre
hochtemperaturstabil (größer 1000 °C)
geringer Strömungswiderstand
umweltfreundliche neuartige Herstellung
geringere Kosten als klassische Katalysatoren
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Next Generation Woodstove Design
Challenge 2014, BNL, New York
(USA) – Platz 2 (niedrigste
gemessenen Emissionen aller
Testteilnehmer)
Zulassung nach Canterbury-
Methode im xeoos®-Kaminofen
(Firma Specht), Christchurch,
Neuseeland
Foto: NEKO-Feuerung und NEKO-Katalysator
bei Privatbetreiber (2 Jahre bisher)
Quelle: DBFZ
Unabhängige Nachweise der Wirksamkeit
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Aktuelle Herausforderungen der Wärmebereitstellung aus
Biomasse
Forschung bietet Lösungen.
Luftschadstoff-
emissionen
Feinstaub-
emissionen
Messnormen
und Messgeräte
Wirtschaftlichkeit
Biomasse-
bereitstellung
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Smart Bioenergy
Wir brauchen eine Umwidmung der für die energetische Nutzung
vorhandenen Biomassepotenziale von der traditionellen Nutzung über
eine technologisch verbesserte Nutzung hin zu einer ins Stoff- und
Energiesystem integrierten/vernetzten Nutzung.
Quelle: nach Thrän: smart bioenergy. Veröffentlichung in Vorbereitung Quelle: Thrän, D. (Hrsg.): Smart Bioenergy, 2015
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Transformation der Bioenergie-Bereitstellung
Status-Quo: getrennte Strom und Wärmeproduktion; vereinzelte KWK-Anlagen;
vielfach Einsatz von Anbaubiomassen oder hochwertigen Nebenprodukten
Forschung: Umstellung von KWK auf Wärme-Kälte-Kraft-Kopplung (WKKK) mit
maximaler Effizienz und Flexibilität zur Ergänzung anderer erneuerbarer
Energienutzungen; Aufbereitung von Abfall- und Reststoffen
Entwicklung: Effizientere und emissionsärmere Konversionsanlagen zur
gekoppelten Strom- und Wärme- oder nur Wärme-Bereitstellung; Erschließung
von biogenen Reststoffen und minderwertigen Nebenprodukten
FVEE – Jahrestagung 2015 : Forschung für die Wärmewende
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Mögliche Produkte am Beispiel feste Biomasse
• torrefizierte, gewaschene und
vorkonditionierte High-End-Kompaktate, die
hochflexibel in kleinsten
Konversionsanlagen einsetzbar sind
• weitgehend automatisierte
Einzelraumfeuerungen mit Einbindung ins
zentrale Wärmeversorgungskonzept
• Mikro- und Klein-W(K)KK-Anlagen zur
Wärme(Kälte)versorgung und
Stromnetzstablisierung
• intelligente Wärmeverbundregler
• intelligente Wärme(Kälte)-
Stromnetzverbundregler
Quelle: DBFZ
Quelle: DBFZ 2014, Dennis Krüger
Quelle: DBFZ
Einzelbilder: KWB,
Q-met, ennovatis
FVEE – Jahrestagung 2015 : Forschung für die Wärmewende
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Systemintegrierte Wärme(Kälte)bereitstellung der Zukunft:
SmartBiomassHeat
Umgebungs-
Wärmetauscher
Mikro-Block-
heizkraft-
werkWärme-
pumpe
Heizverteiler
Absorbtions-
kälteanlage
für den
Sommer
Pu
ffe
rsp
eic
he
r
Batterie
La
de
reg
ler
/Tra
nsfo
rma
tor
Wärme-/Kältenetzanschluss Stromnetz
Heizstab
Solartherm
ische Anlage
Batterie Batterie
Wasser-
tasche
© DBFZ, 2015
Wärme-
Strom-
Verbund-
Regler
Internet
Mehrfach und/oder
Komponenten größer und auf
mehrere verbundene Objekte
verteilt -> Quartierlösung
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SmartHeat am Beispiel der Flexibilisierung von
Holzheizkraftwerken
Quelle: alle Bilder © Fraunhofer IWES
Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec-120
-100
-80
-60
-40
-20
0
20
40
60
Residuallast ohne E-Mobilität, Wärmepumpen und Klimatisierung (Meteo-Jahr 2007)
Monat
Re
sid
ua
llast
(GW
)
Überschüsse: -187.7 TWh Defizite: 43.5 TWh Minimale Residuallast: -109.9 GW Maximale Residuallast 48.2 GW Defizite (Last > EE-Einspeisung)
Überschüsse (EE-Einspeisung > Last)
Hauptziel: flexiblen Betrieb demonstrieren
• Entkopplung Strom- und Wärmebereitstellung über
Wärmespeicher
• Systemdienstleistungen, d.h. Strombereitstellung
nur dann, wenn sie im System benötigt wird
• Dokumentation Handlungsempfehlungen zur
bedarfsorientierten Stromproduktion mit
Biomasse-Heizkraftwerken
• Konzept zur gezielten politischen Steuerung
der Flexibilisierung von Biomasse-Heizkraftwerken.
klassisches Holzheizkraftwerk
nach EEG:
1. möglichst viel Strom produzieren
2. möglichst viel der anfallenden Wärme vermarkten
Strom-Residuallast in einem 100% EE-Szenario (2050)
FVEE – Jahrestagung 2015 : Forschung für die Wärmewende
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Politik und Forschung sind entscheidend für die
Wärmewende
• Immissionsschutz (1.BImSchV und TA Luft): Forschung liefert Lösungen;
Marktintegration muss unterstützt werden (MAP).
• Waldholzzertifizierung: Nachhaltigkeit der Waldnutzung sichern.
• Systemintegration mit Bioenergie als Schlüssel für einen planvollen
Umbau und eine sichere und kosteneffiziente EE-Wärmeversorgung:
• Wissenschaftlich fundierte Planungs- und Beratungswerkzeuge
• Kostengünstige und leicht verschaltbare Systemkomponenten (u.a. auch
Wärmespeicher, einheitliches Kommunikationssystem)
• Verbundsystemregler und Verbundregelsysteme
• Lokale/regionale Wärmeverbundsysteme vernetzt mit dem Stromsystem
• Konsequenter und technologieoffener Umbau der Wärme- und
Kälteversorgung auf EE auch im Gebäudebestand
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Kontaktdaten
aller
Beteiligten
Dr. Volker Lenz
DBFZ - Deutsches Biomasseforschungszentrum GmbH
Torgauer Straße 116, 04347 Leipzig
0341 2434-450
Martin Ecker
HDG – HDG Bavaria GmbH
Heizsysteme für Holz
Siemensstraße 22, 84323 Massing
08724 897 –300
Dr. Bodo Groß
IZES - Institut für ZukunftsEnergieSysteme gemeinnützige GmbH
Altenkesseler Str. 17, 66115 Saarbrücken
0681 9762 –851
Dr. Bernd Krautremer
Fraunhofer IWES – Fraunhofer-institut für Windenergie und Energiesystemtechnik
Königstor 59, 34119 Kassel
0561 7294 420
Frank Werner
ETE - EmTechEngineering GmbH
Torgauer Straße 116, 04347 Leipzig
0341 2434-498