Post on 18-Jul-2020
Stromerzeugung mit Holz - Mikro-KW(K)K
mit Stirlingmotoren für Wohngebäude und
Kleingewerbe < 50 kWel
Dr. Bodo Groß, gross@izes.de
2 [ Zittau, 12.05.11 ]
1. Überblick
2. Beispiel Biokompakt (EU Projekt NANOSTIR)
3. Beispiel HOVAL (von der Idee zum [Vorserien]Produkt)
4. Potentialabschätzung für KWK Anlagen < 50 kWel bis 2020
Stromerzeugung mit Holz im Bereich < 50 kWel
(Studie im Auftrag der )
3 [ Zittau, 12.05.11 ]
Anlagenüberblick: Integrierte Konzepte (Beispiele)
a) KWB / Stirling Power Module (Brennstoff Holzpellets; Leistungsdaten
1kW elektrisch, 15 kW thermisch; ab Ende 2007 Feldtest mit fünf Anlagen (Quelle:
SPM, 2. Deutscher Stirlingkongress, März 2008, Stuttgart), danach stehen keine
weiteren Informationen öffentlich zur Verfügung)
b) SunMachine GmbH: (Brennstoff Holzpellets; Leistungsdaten 1,5 – 3 kW
elektrisch, 4,5 – 10,5 kW thermisch; SM musste im April 2010 Insolvenz anmelden;
bis zu diesem Zeitpunkt wurden etwa 400 Maschinen ausgeliefert; SM wurde im
Oktober 2010 von der Sachsen Stirling GmbH in Eppendorf übernommen, weitere
Informationen sind öffentlich nicht verfügbar)
c) OTAG GmbH/Button Energy GmbH: (Brennstoff Holzpellets;
Leistungsdaten 0,3 – 2 kW elektrisch, 3,5 – 16 kW thermisch; Feldtestphase in
Deutschland seit Ende 2009 (Stand Januar 2011: fünf installierte Anlagen),
Feldtestphase in Österreich seit Ende 2009 (Stand Mai 2011: 23 installierte Anlagen;
Quelle: Button Energy GmbH); Markteinführung lion Powerblock Pellet ist geplant für
Ende 2011; Kosten etwa 18.500 € (Quelle: OTAG)
4 [ Zittau, 12.05.11 ]
Anlagenüberblick: Add-on Konzepte (Beispiele)
a) Joanneum Research (Brennstoff „Abwärme“; Leistungsdaten 3 kW und
30 kW elektrisch, erste Testanlagen 2007 (EU-Projekt Polysmart und im Ökopark in
Hartberg), danach sind keine weiteren Informationen öffentlich verfügbar)
b) Quasar Engineering (Brennstoff „Abwärme“; Leistungsdaten 1,5 und 3 kW
elektrisch, Serienproduktion ist für 2011 angekündigt (Quelle: Quasar Engineering))
c) ve Ingenieure (Brennstoff „Abwärme“; Leistungsdaten 0,5 kW elektrisch,
Baupläne stehen im Internet zur Verfügung, Motor steht unter einer creative
commons Lizenz und darf nachgebaut und optimiert werden (Quelle: ve Ingenieure)
d) Stirling Denmark
e) Biokompakt und HOVAL
5 [ Zittau, 12.05.11 ]
1. Überblick
2. Beispiel Biokompakt (EU Projekt NANOSTIR)
3. Beispiel HOVAL (von der Idee zum [Vorserien]Produkt)
4. Potentialabschätzung für KWK Anlagen < 50 kWel bis 2020
Stromerzeugung mit Holz im Bereich < 50 kWel
(Studie im Auftrag der )
6 [ Zittau, 12.05.11 ]
EU Projekt „NANOSTIR“ – Ziele und Konsortium
Entwicklung einer Mikro-KWKK Anlage (Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung)(Förderung durch die Europäische Kommission, 6. Forschungsrahmenprogramm, Vertragsnummer: TREN/07/FP6EN/SO7.71550/038551)
„NANOSTIR“ = „NANO“material beschichteter „STIR“lingerhitzerkopf
Projektbeginn: Anfang 2008
Projektabschluss: Anfang 2011
Projektziel: Erzeugung von Nutzwärme und -kälte sowie Strom aus biogenen Brennstoffen, insbesondere Energiekorn
Projekt-Konsortium:
IZES gGmbH http://www.izes.de
Landwirtschaftliche Fachschule Tulln http://www.lfs-tulln.ac.at
BIOKOMPAKT Heiztechnik GmbH http://www.biokompakt.com
ItN Nanovation AG http://www.itn-nanovation.com
WEGRA Anlagenbau GmbH http://www.wegra-anlagenbau.de
Rechtsanwaltskanzlei Kuhbier http://www.kuhbier.com
7 [ Zittau, 12.05.11 ]
EU Projekt „NANOSTIR“ - Anlagenbeschreibung
Betriebsstandort: ► Landwirtschaftliche Fachschule in Tulln (LFS)
Leistungsdaten: ► Biomassekessel: 45 kW thermisch
► Stirling: 3 kW thermisch, 1 kW elektrisch bei
einer Wärmeaufnahme von 5 kW thermisch
► Absorptionskältemaschine: 15 kW Kälte bei
einer Wärmeaufnahme von 21 kW
Besonderheiten: ► Gleichzeitige Nutzung von Wärme (Heizsystem
der Schule) und Kälte (Lebensmittellager und
Kühldecken) möglich
► beschichteter Erhitzerkopf (Basissubstanz
Bornitrid) zur Vermeidung von anorg. Anbackungen
bzw. zur Effizienzsteigerung
8 [ Zittau, 12.05.11 ]
EU Projekt „NANOSTIR“ – Grundfließbild
9 [ Zittau, 12.05.11 ]
EU Projekt „NANOSTIR“ - Anlagenkomponenten
Quelle: BIOKOMPAKT GmbH
Quelle: ItN Nanovation
10 [ Zittau, 12.05.11 ]
EU Projekt „NANOSTIR“ – Wärme- & Kältebilanz
Messzeitraum: 20. Januar 2011 8:00 Uhr bis 24. Januar 2011 16:00 Uhr
0
500
1000
1500
2000
1
kW
h
W1 Stirling
W2 Biomassekessel
W3 Eingang Kältemaschine
W4 Ausgang Kältemaschine
W5 Eingang Kühlräume
W6 LFS Heiznetz
11 [ Zittau, 12.05.11 ]
1. Überblick
2. Beispiel Biokompakt (EU Projekt NANOSTIR)
3. Beispiel HOVAL (von der Idee zum
[Vorserien]Produkt)
4. Potentialabschätzung für KWK Anlagen < 50 kWel bis 2020
Stromerzeugung mit Holz im Bereich < 50 kWel
(Studie im Auftrag der )
12 [ Zittau, 12.05.11 ]
1. Idee: Dezentrale und CO2- neutrale Erzeugung von
elektrischer Energie als „Abfallprodukt“ der Wärmeerzeugung
aus Holz!
2. Prototypenbau und erste Labortestphasen ab 2001
Entwicklungen bei HOVAL: Phase 1 und 2
a) Im Labortest wurde der Motor von Mai
2001 bis November 2003 im simulierten
Alltagsbetrieb über etwa 2.500
Betriebsstunden in zwei Phasen
betrieben.
b) In der ersten Testphase wurde der Motor
etwa 1.300 h betrieben, im Anschluss
komplett zerlegt, auf Verschleiß
untersucht und anschließend ohne
Teiletausch wieder zusammengesetzt und
in einen zweiten Phase für weitere 1.200
h betrieben. Quelle: HOVAL
13 [ Zittau, 12.05.11 ]
3. Kleinstserie und zweite Testphase
Entwicklungen bei HOVAL: Phase 3
a) Anfang 2004 wird entschieden das
Projekt weiterzuführen. Dazu wurden
sieben weitere Stirlingmotoren der
„zweiten Generation“ produziert. Der
Feldtest startete Mitte 2005 an sechs
privaten Standorten in DE, FL und CH.
b) Zwei dieser Anlagen wurden mit
umfangreicher Messtechnik
ausgestattet und in Rahmen eines
durch die FNR geförderten Projekts
(FKZ 220 176 05) zwei Jahre durch die
IZES gGmbH wissenschaftlich begleitet.
c) Die Messtechnik am Standort Sulzbach
ist bis heute installiert und wird
gemeinsam mit HOVAL und dem
Betreiber der Anlage weiterbetrieben.
14 [ Zittau, 12.05.11 ]
4. Weiterentwicklung und Bau einer Kleinserie
Entwicklungen bei HOVAL: Phase 4
a) Produktion und Verkauf der 0-Serie des
„AgroLyt Stirlings“ mit 1 kW elektrischer
Leistung seit Herbst 2008.
b) Inbetriebnahme der ersten 0-Serie-
Anlagen „AgroLyt Stirling“ ab Anfang
Februar 2009
c) Weiterarbeit bzw. Weiterentwicklung am
größeren Stirlingmotor mit 3 kW
elektrischer Leistung sowie an der
BioLyt (Pelletkessel) Stirlingkombination
d) Ersatz des Stirlingmotors in Sulzbach
durch einen Null-Serien Motor im
Oktober 2010 und Fortführung des
Monitorings.Quelle: HOVAL
15 [ Zittau, 12.05.11 ]
Entwicklungen bei HOVAL
Betriebsstandort: ► Forsthaus Sulzbach
Leistungsdaten: ► Stückholzkessel: 25 kW thermisch
► Stirling: 3 kW thermisch, max. 1 kW elektrisch
bei einer Wärmeaufnahme von 5 kW thermisch
► derzeitige Nutzungsgrade: 16% elektrisch und
80 % gesamt
Besonderheiten:
► Abwärme des Stirlings wird zur
Brauchwassererwärmung und zur
Holztrocknung genutzt
16 [ Zittau, 12.05.11 ]
Leistung, Temperatur und elektr. Arbeit des Stirlingmotors
17.03.2007
-800
-600
-400
-200
0
200
400
600
800
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24
Zeit [h]
Le
istu
ng
[W
]/ T
em
pe
ratu
r [°
C]
-0,5
-0,4
-0,3
-0,2
-0,1
0
0,1
0,2
0,3
0,4
el. A
rbe
it [
kW
h]
T_Erhitzerkopf Leistung_Stirling Elektrische_Arbeit
590°C 275°C
Entwicklungen bei HOVAL: Messergebnisse I
17 [ Zittau, 12.05.11 ]
Einschalttemperaturen nach Optimierung:
Kaltstart bei 660°C (vorher 590°C)
Warmstart bei 385°C (vorher 285°C)
Ausschaltemperatur nach Optimierung:
bei 375°C (vorher 275°C)
Kriterium für Warmstart nach Optimierung:
Erhitzerkopftemperatur > 260°C (vorher > 130°C)
Entwicklungen bei HOVAL: Optimierungen
18 [ Zittau, 12.05.11 ]
Leistung, Temperatur und elektr. Arbeit des Stirlingmotors
03.01.2008
-400
-200
0
200
400
600
800
1000
0 6 12 18 24
Zeit [h]
Le
istu
ng
[W
]/ T
em
pe
ratu
r [°
C]
-0,5
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
el. A
rbe
it [
kW
h]
T_Erhitzerkopf Leistung_Stirling Elektrische_Arbeit
660°C
Entwicklungen bei HOVAL: Messergebnisse II
19 [ Zittau, 12.05.11 ]
Aufteilung der eingesetzten Energiemenge am 11.12.2007
Wärmemenge Stirling Kühlkreis
61,31 %
Wärmemenge
Heizkesselkreis
60 %
Brennbares in der Asche
2 %
Wärmeabgabe der
Kesseloberfläche
3 %
Sonstige Verluste
10 %
Abgasverlust
17 % el.Arbeit Stirlingmotor
12,15 %
Eintrag in
Stirlingmotor
7 %
Verluste Stirling
26,54 %
Eintrag in Stirlingmotor 18,8 kWhGesamteintrag durch Brennholz 255 kWh
Entwicklungen bei HOVAL: Bilanz Dezember 2007
20 [ Zittau, 12.05.11 ]
Aufteilung der eingesetzten Brennstoffenergie am 05.12.2008
Wärmemenge Stirling Kühlkreis
62,93 %
el. Arbeit des Stirlingmotors
16,42 %
Verluste Stirling
20,65 %
Abgasverluste
14 %Wärmeabgabe der
Kesseloberfläche
3 %Brennbares in der Asche
2 %
Sonstige Verluste
9 %
Wärmemenge
Heizkesselkreis
66 %
Eintrag in
Stirlingmotor
7 %
Gesamteintrag durch Brennholz 192 kWh Eintrag in Stirlingmotor 13,1 kWh
Entwicklungen bei HOVAL: Bilanz Dezember 2008
21 [ Zittau, 12.05.11 ]
Erhöhung der elektrischen Leistung des Stirlingmotors bei gegebener
Erhitzerkopftemperatur
Verbesserung des Motors
Reduzierung des elektrischen Eigenbedarfs
Verbesserung des Schaltschranks, bzw. Integration der notwendigen
Elektronik in die Kesselsteuerung
Erhöhung des Energieausnutzungsgrades der Gesamtanlage
durch Reduzierung der Erhitzerkopftemperatur und damit der Reduzierung
der Abgasverluste
Ergebnisse der Optimierungen in 2009/10
22 [ Zittau, 12.05.11 ]
Ergebnisse 14. Dezember 2010
Leistung, Temperatur und elektr. Arbeit des Stirlingmotors
-1200
-1000
-800
-600
-400
-200
0
200
400
600
800
1000
0 6 12 18 24
Zeit [h]
Leis
tun
g [
W]/
Te
mp
era
tur
[°C
]
-3,5
-3
-2,5
-2
-1,5
-1
-0,5
0
el. A
rbe
it [
kW
h]
T_Erhitzerkopf
Leistung_Stirling
Elektrische_Arbeit
23 [ Zittau, 12.05.11 ]
1. Überblick
2. Beispiel Biokompakt (EU Projekt NANOSTIR)
3. Beispiel HOVAL (von der Idee zum [Vorserien-]Produkt)
4. Potentialabschätzung für KWK Anlagen
< 50 kWel bis 2020
(Studie im Auftrag der )
Stromerzeugung mit Holz im Bereich < 50 kWel
24 [ Zittau, 12.05.11 ]
Potentialabschätzung KWK-Anlagen ≤ 50 kWel
Auswertung BAFA
Zulassungsdaten 2000 - 2010
(Anlagen ≤ 50 kWel)
Zubauraten der Jahre
2000 – 2010
(Anlagen ≤ 50 kWel)
Potentialabschätzung für die
Jahre 2010 - 2020
(Anlagen ≤ 50 kWel)
Auswertung von zwei
Studien
(Anlagen ≤ 15 kWel)
Zwei Potentialabschätzungen
für die Jahre 2010 - 2020
(Anlagen ≤ 15 kWel)
Eigene Potentialabschätzung
für die Jahre 2010 - 2020
(Anlagen ≤ 50 kWel)
trend:research – Institut für Trend- und Marktforschung;
Potenzialstudie „Mikro-KWK“, Juni 2010
Forschungsstelle für Energiewirtschaft e.V. FfE
„Ganzheitliche dynamische Bewertung der KWK mit
Brennstoffzellentechnologie“, November 2007
25 [ Zittau, 12.05.11 ]
Potentialabschätzung KWK-Anlagen ≤ 50 kWel
• BAFA Zulassungsdaten 2001 bis 2010[1]
: ~215 MWel (ca. 22.700 Anlagen)
• BAFA Zulassungsdaten vor 2001[2]
: ~23 MWel (ca. 1.800 Anlagen)
• 5% mehr Anlagen in Betrieb als beim BAFA gemeldet[3]
→ ca. 1.200 Anlagen (Ø 9,5 kWel/Anlage): ~12 MWel
Bis 2010 installierte Leistung der KWK-Anlagen ≤ 50 kWel:
Ende 2010 waren in Deutschland etwa 25.700 KWK-Anlagen (≤ 50 kWel)
mit einer Gesamtleistung rund 250 MWel installiert.
[1] Zulassungszahlen des Bundesamts für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle BAFA von 2002 bis 2010 [2] Zulassungszahlen des Bundesamts für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle BAFA vor 2000 bis 2007[3] Annahme des Bundesamts für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle BAFA
26 [ Zittau, 12.05.11 ]
Potentialabschätzung KWK-Anlagen ≤ 50 kWel
Quelle: Zulassungsdaten der BAFA von 2002 bis 2010
0
50
100
150
200
250
vor 2000
2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010
[MW
]
Lineare Zubaurate ~ 20 MW/a,
davon 50% < 15 kWel
27 [ Zittau, 12.05.11 ]
Potentialabschätzung KWK-Anlagen ≤ 15 kWel
Quellen: trend:research – Institut für Trend- und Marktforschung; Potenzialstudie „Mikro-KWK“, Juni 2010
Forschungsstelle für Energiewirtschaft e.V. FfE „Ganzheitliche dynamische Bewertung der KWK mit Brennstoffzellentechnologie“, November 2007
Zubaupotentiale für KWK-Anlagen bis 15 kWel
0
10
20
30
40
50
60
2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020
[MW
el/a]
trend:research Forschungsstelle für Energiewirtschaft e.V. FfE
28 [ Zittau, 12.05.11 ]
Potentialabschätzung KWK-Anlagen ≤ 50 kWel
Quellen: BAFA – Zulassungsdaten bis 2010 trend:research – Institut für Trend- und Marktforschung; Potenzialstudie „Mikro-KWK“, Juni 2010
Forschungsstelle für Energiewirtschaft e.V. FfE „Ganzheitliche dynamische Bewertung der KWK mit Brennstoffzellentechnologie“, November 2007
• Das Zubaupotenzial für KWK-Anlagen <15 kWel entspricht dem Mittelwert der beiden ausgewerteten Studien
• Das Zubaupotenzial für KWK-Anlagen >15 < 50 kWel entspricht der ermittelten halben jährlichen Zubaurate der BAFA Zulassungsdaten ohne Berücksichtigung einer
jährlichen Wachstumsrate
0
10
20
30
40
50
60
70
2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020
[MW
]Potential "Studien"
Potential BAFA
29 [ Zittau, 12.05.11 ]
Potentialabschätzung KWK-Anlagen ≤ 50 kWel
• In 2010 wird aufgrund der BAFA Zulassungsdaten ein Startwert von ~20 MWel gesetzt
• Bis 2015 werden zunehmend KWK-Anlagen im kleinsten Leistungsbereich, insbesondere zum Einsatz in Ein- und Zweifamilienhäusern, zwischen 0,5 kWel – 3 kWel
die Serienreife erreichen
• Ab 2016 werden die ermittelten Zubaupotentiale der beiden ausgewerteten Studien für den Leistungsbereich < 15 kW el als realistisch angesehen In 2020 etwa
700 MW im Leistungsbereich bis 50 kWel
0
10
20
30
40
50
60
70
80
2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020
[MW
]
Potentialabschätzung >15 kW - 50 kW Potentialabschätzung < 15 kW
30 [ Zittau, 12.05.11 ]
Vielen Dank für‘s Zuhören!
Dr. Bodo Groß
IZES gGmbH
Altenkesseler Straße 17
D-66115 Saarbrücken
Telefon: +49 681 9762 851
Fax: +49 681 9762 850
Mobil: +49 172 6839048
Email: gross@izes.de
http://www.izes.de
Stromerzeugung mit Holz im Bereich < 50 kWel
31 [ Zittau, 12.05.11 ]
32 [ Zittau, 12.05.11 ]
Potentialabschätzung KWK-Anlagen ≤ 50 kWel
Zubaupotential bis 2020 anhand der BAFA Zulassungsdaten:
• Annahme 1: keine grundlegenden Änderungen der
wirtschaftlichen und gesetzlichen Rahmenbedingungen
• Annahme 2: Angebot an BHKW‘s bleibt unverändert
• Unter den genannten Annahmen ergibt die Auswertung der
BAFA Zulassungsdaten ein Zubaupotential von ~20 MWel/a
• Anmerkung: Das Zubaupotential kann bei der Reaktivierung
des Mini-KWK-Impulsprogramms temporär deutlich höher
ausfallen
33 [ Zittau, 12.05.11 ]
Potentialabschätzung KWK-Anlagen ≤ 50 kWel
Zubaupotential (Anlagengröße ≤ 15 kWel) bis 2020 anhand zweier
Studien:
• trend:research – Institut für Trend- und Marktforschung, BremenPotenzialstudie „Mikro-KWK“, Juni 2010Annahme IZES:
- Ø 5,5 kWel/Anlage mit kontinuierlich abnehmender Tendenz (Begründung: Anlagen
des kleineren Leistungsbereichs kommen verstärkt in den Markt)
• Forschungsstelle für Energiewirtschaft e.V. – FfE, München„Ganzheitliche dynamische Bewertung der KWK mit
Brennstoffzellentechnologie“, November 2007Annahmen FfE:
- Thermische Anlagenleistung nimmt von 21,9 kWth/Anlage in 2010 kontinuierlich auf
19,4 kWth/Anlage in 2020 ab. → Ø 20,65 kWth/Anlage
- ca. 25% der durchschnittlichen jährlichen Zubauleistung in der
Hausenergieversorgung ist technisch sinnvoll für KWK erschließbar
Annahmen IZES:
- nur rund 1% der jährlichen Zubauleistung ist sowohl technisch als auch
wirtschaftlich erschließbar (~ Ø 6.000 – 7.000 Anlagen pro Jahr)
- Stromkennzahl der KWK-Anlagen SK = 0,25 → Ø 5,2 kWel/Anlage
34 [ Zittau, 12.05.11 ]
EU Projekt „NANOSTIR“ - „NANO“ Beschichtung
Projektbesonderheit - Verwendung von „NANO“ Beschichtungen
Aufbringen eines nanostrukturierten Materials zum Schutz des
Erhitzerkopfs gegen Korrosion durch „saure“ Rauchgase sowie als Schutz
gegen Anbackungen und daraus resultierend als Reinigungserleichterung,
insbesondere bei Verbrennung von „schwierigen“ Brennstoffen
Quelle: ItN Nanovation AG
35 [ Zittau, 12.05.11 ]
EU Projekt „NANOSTIR“ - Testbleche
Quelle: BIOKOMPAKTQuelle: BIOKOMPAKT
Vorbehandlung: Reinigung, Anbeizen
Schichtdicke: ca. 50 µm
Beschichtung: Basismaterial Bornitrid
Sintertemperatur: ~ 700 °C
Temperaturbeständigkeit: ~ 1.000 °C
36 [ Zittau, 12.05.11 ]
Dr. Bodo Groß, IZES gGmbH, Technische Innovation
Altenkesseler Straße 17, D-66115 Saarbrücken
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