Effiziente Wärme aus Biomasse Stand, Herausforderungen und ... · FVEE –Jahrestagung 2015 :...

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


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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!


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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


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Stand Erneuerbare Wärme Ende 2014 in Deutschland

Abb.: Cornelia Rönsch, DBFZ, 2015


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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


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Biomasse


Luftschadstoff-

emissionen

Feinstaub-

emissionen

Messnormen

und Messgeräte

Wirtschaftlichkeit

Biomasse-

bereitstellung

primärseitige

Optimierung

Staub-Abscheider


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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


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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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Biomasse


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


15 15


Biomasse


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


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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


19 19

Wärme-Kälte-Kopplung

Quelle: IZES


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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)


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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

[email protected]

Martin Ecker

HDG – HDG Bavaria GmbH

Heizsysteme für Holz

Siemensstraße 22, 84323 Massing

08724 897 –300

[email protected]

Dr. Bodo Groß

IZES - Institut für ZukunftsEnergieSysteme gemeinnützige GmbH

Altenkesseler Str. 17, 66115 Saarbrücken

0681 9762 –851

[email protected]

Dr. Bernd Krautremer

Fraunhofer IWES – Fraunhofer-institut für Windenergie und Energiesystemtechnik

Königstor 59, 34119 Kassel

0561 7294 420

[email protected]

Frank Werner

ETE - EmTechEngineering GmbH

Torgauer Straße 116, 04347 Leipzig

0341 2434-498

[email protected]

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