Endbericht Projekt Wastepower Endversion fertig · Stand der Technik bei Projektbeginn Entwicklung...

Endbericht Wastepower – Strom und Wärme aus Rapskuchen

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Endbericht

KMU Innovativ Programm

Klimaschutz und Energeeffizienz

Wastepower

Dezentrale Kreislaufwirtschaft für Unternehmen

– Strom und Wärme aus Rapskuchen der Pflanzenölproduktion

Mühle Ebert Dielheim GmbH 01 LY 0808 A


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Inhaltsverzeichnis: 1 Kurzdarstellung ..................................................................................................... 3

1.1 Aufgabenstellung............................................................................................ 3 1.2 Vorraussetzungen .......................................................................................... 3 1.3 Planung und Ablauf ........................................................................................ 3 1.4 Wissenschaftlicher und technischer Stand..................................................... 5

1.4.1 Material ................................................................................................... 5 1.4.2 Ganzheitlicher Ansatz des Wastepower Konzeptes................................ 7 1.4.3 Schutzrechte ........................................................................................... 9

1.5 Zusammenarbeit mit anderen Stellen............................................................ 9 2 Eingehende Darstellung ...................................................................................... 10

2.1 Mittelverwendung ......................................................................................... 10 2.1.1 Ziele und Ergebnisse der Arbeitspakete ............................................... 10 2.1.2 Methodik ............................................................................................... 15 2.1.3 Versuchsergebnisse.............................................................................. 19

2.2 Zahlenmässiger Nachweis: Einnahmen und Ausgaben ............................... 36 2.3 Notwendigkeit der Zuwendung..................................................................... 37

2.3.1 Risikoabschätzung ................................................................................ 37 2.3.2 Begründung der Notwendigkeit staatlicher Förderung .......................... 38

2.4 Verwertung der wirtschaftlichen und wissenschaftlich-technische Ergebnisse, Nutzungsmöglichkeiten........................................................................................... 39

2.4.1 Hintergrund ........................................................................................... 39 2.4.2 Neuheit des Lösungsansatzes .............................................................. 41 2.4.3 Verwertungsplan ................................................................................... 41

2.5 Konkurrenzsituation...................................................................................... 44 2.6 Veröffentlichungen ....................................................................................... 45 2.7 Zusammenfassung....................................................................................... 45

3 Anhang................................................................................................................ 46 3.1 Bilder ............................................................................................................ 46 3.2 Begriffe......................................................................................................... 53


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1 Kurzdarstellung

1.1 Aufgabenstellung Aufgabe von Wastepower war es, eine kompakte thermochemische Rapskuchenvergasungsanlage zur innerbetrieblichen Konversion von Abfallbiomasse zu entwickeln. Im vorliegenden Projekt wurden Rapskuchen aus der Herstellung von Pflanzenöl innerbetrieblich zu Strom und Wärme weiterverarbeitet.

1.2 Vorraussetzungen Die Grundlagen für das Projekt wurden bereits in einem BMBF geförderten Exist-Seed Projekt gelegt. Im Projekt Holzpower wurde eine kompakte Holzvergasunsanlage entwickelt, die über den Prozessschritt thermochemische Vergasung in der Lage ist, Strom und Wärme aus Holzreststoffen bereitzustellen. Im Projekt Wastepower wurde diese Idee nun weiterentwickelt, um das durch die EU-Biotreibstoffverordnung aufgeworfene Entsorgungsproblem von Ölmühlen (Rapsschrot) innerbetrieblich lösen.

1.3 Planung und Ablauf Hierzu wurden im Leistungsbereich von 30 bis 50 kW elektrischer Leistung und ca.70 bis 100 kW nutzbarer thermischer Leistung feste Biomasse (Holzhackgut, Rapsuchen) in einem Vergasungsprozess in ein brennbares Gas verwandelt, welches dann in einem Gasmotor mit einem elektrischen Generator verbrannt wurde. Im Folgenden wird die Vorgehensweise: 2008 - Kombination der Bausteine zum Gesamtkonzept (siehe auch Kapitel 1.4) 2009/2010 - Versuchswesen zum Erkenntnisgewinn bei der Wirtschaftlichkeit, Brennstoffeignung und Betriebserfahrung an der Ebertmühle Im Förderzeitraum wurden zur energetischen Nutzung Holzhackschnitzel und Rapskuchen einer thermochemischen Vergasung mit nachfolgender Kraft-Wärme-Kopplung zugeführt. Durch diese Maßnahme wurde ein neuer Lösungsansatz für die Energiegewinnung zur Verfügung gestellt. Hierzu wurde die Anlage zunächst mit Holzhackschnitzeln als bekannten Brennstoff befeuert und sollte dann schrittweise in einen Vollbetrieb mit Rapskuchen überführt werden. Die Wirtschaftlichkeit konnte aktuell nur mit Holzpellets nachgewiesen werden, da der Rapskuchenpreis sich innerhalb des Förderzeitraums verdreifacht hat (Rapskuchenpreis: 2008- 80 Euro/t, 2010 - 240 Euro/t) 2011: gemeinsame Verbreitung des Anlagenkonzeptes im Contractingmodell durch die Mühle Ebert Dielheim GmbH


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Gantt Chart des Projektes und seines Ablaufes:

Ende geförderte Vorhabenslaufzeit (30.6.2010) →


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1.4 Wissenschaftlicher und technischer Stand

1.4.1 Material

Im ersten Förderjahr des Wastepower Vorhabens wurde eine Anlage zur Verwertung von Rapskuchen und Umwandlung in Strom und Wärme am Standort Dielheim gebaut. Das Kernziel war die bereits getätigte Entwicklung für die Verwendung bei der produktionsintegrierten Verwertung von Rapskuchen aus der Pflanzenölherstellung hin zu qualifizieren. Folgende Tabelle zeigt den bisherigen den Stand der Technik bei Projekbeginn und Entwicklung im Wastepowerprojekt. Stand der Technik bei Projektbeginn Entwicklung Wastepower Fördereinrichtung, Vergaser (Reaktor), Grundelemente der Gasreinigung, Optimierung der Gasreinigung, Bau des Blockheizkraftwerks zur Strom und Wärmeerzeugung bis 50 kW (Wärmetauscher und Generatoranschluss an den Motor), Entwicklung eines Schaltschranks incl. einer vollautomatischen Steuerung, Zusammenspiel der einzelnen Komponenten testen - Impuls-Testprogramm (200h Tests), 3.000 Stunden Dauertest (2006/2007) Erfolgreich mit der Fachhochschule Karlsruhe am Standort Tettnang (Bodensee) getestet.

Containerbasierter Einbau an der Ebert-Mühle in Dielheim (2008) Betrieb der Holzpower Anlage mit Rapskuchen, Optimierung der Bauteile für die erhöhten thermischen Belastungen des heizwertreichen Materials Betrieb an der Mühle Ebert in Dielheim (2009/2010) Nach 2010 gemeinsame Weiterführung und Übertragung des Konzeptes auf andere Standorte des Unternehmens und externe Kunden aus dem Bereich der Pflanzenölerzeugung

In der grafischen Aufarbeitung der Entwicklung zeigt sich folgendes Bild des Einbaus der vorhandenen Komponenten am Standort Dielheim:

Technische Entwicklungsarbeit im Detail: Das Herzstück der zu entwickelnden Gesamtanlage ist ein allothermer technochemischer Vergaser, der durch seine spezielle Reaktorgeometrie in der Lage ist, Brennstoffe unterschiedlicher Stückigkeit zu Reaktorgas zu reformieren. Die wichtigsten Phasen der Entwicklungsarbeit sind im Folgenden beschrieben: Die Technologie der Anlage wurde bereits in einem Bmbf geförderten Exist Seed Projekt für Holzhackschnitzel erprobt. Projektziel war nun die dauerhafte Adaption der Anlage auf heizwertreichere Brennstoffe wie Rapskuchen, die zu einem erhöhten thermischen Stress an den Bauteilen führen, zu testen.


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Aufbau des Rapskuchen-Vergasers im Biomassevergaserkraftwerk

Der Brennstoff wird durch einen Eingabetrichter (1) mittels eines Schneckenförderers (2) in den Gasreaktor (3) befördert. Im Reaktor entstehendes Gas wird über einen Zyklon (4) entstaubt und zur indirekten Trocknung des Brennstoffes im Schneckenförderer über einen Wärmetauscher (5) geführt bevor es für die weitere energetische Nutzung bereitgestellt werden kann.

Durch die hoch entwickelte Reaktorgeometrie konnte erreicht werden, dass die Reformation der während des Vergasungsprozesses entstehenden Teerverbindungen so weitgehend erfolgt, dass abgesehen von einer Entstaubung des Gases keine weitere Konditionierungen wie Wäschen oder ähnliche Prozesse, bei denen giftige Reststoffe anfallen, vorgenommen werden müssen. Auch wenn die Reaktorgeometrie bereits erprobt ist, sind die wichtigen Entwicklungsschritte bei diesem Vergaser im Projekt Wastepower die Gasreinigung (4) und der Wärmetauscher (5), die maßgeblich die Qualität des zu erzeugenden Holzgases bestimmen. Hier soll in der Entwicklungsphase eine Konzeption, Erprobung und Optimierung vorgenommen werden. Aufbau des Blockheizkraftwerkes Die Nutzung des Gases aus der Biomassevergasung kann generell auf verschiedenen technischen Wegen erfolgen. In dem Vorhaben Wastepower wird jedoch ein spezielles Verfahren über einen Gasmotor bevorzugt. Dieser ist mit einem Asynchrongenerator verbunden, so dass ein robustes und kostengünstiges BHKW entsteht, dessen Kühlwasser- und Abgaswärme über Wärmetauscher entnommen werden kann. Erste Versuche zur motorischen Tauglichkeit des Gases in einem Opel 3,0 l Motor sind äußerst positiv verlaufen. Zum Einsatz im Projekt soll ein 50 kW Aysnchrongenerator mit einem Dieselmotor mit 4,7 l Hubraum der FA Belarus kommen. Dieser Motor wird hierbei auf den Gasbetrieb mit Holzgas adaptiert indem eine Nachrüstung einer Motortech-Zündung vorgesehen ist. Die Netzkopplung des Aggregates wird über eine Starter-Stern-Dreieck-Schaltung mit Phasensicherung und Frequenzüberwachung vorgenommen.

Im Projekt sollen die Entwicklung und Errichtung dieser beiden Technikbausteine zusammengebracht werden, damit, wie auf der nächsten Seite visualisiert, eine funktionsfähige Gesamtanlage entsteht, die den Anforderungen an Leistung und Marktgängigkeit genügt. In der Visualisierung und als Prototyp stellt sich das Biomassevergaserkraftwerk für Rapskuchen aus der Pflanzenölherstellung folgendermaßen dar:


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Anders als hier in offener Sichtweise dargestellt, wurde das Kraftwerk in einen kompakten Raum mit Containerbauweise integriert. Dies erreicht eine Vielzahl von Vorteilen angefangen von der Kostenreduktion über die bessere Planbarkeit der Aufstellung hin zu sicherheitstechnischen Vorteilen wie dem Explosionsschutz durch Aufrechterhaltung einer zwangsgeführten Luftwechselrate. Durch den Einbau im Container konnte beim Brandschaden im August 2010 der Übergriff des Feuers auf die Pyrolyseanlage verhindert werden.

1.4.2 Ganzheitlicher Ansatz des Wastepower Konzeptes

In der konventionellen Wirtschaftsweise kleiner und mittlerer Betriebe sind die Bereiche Wärmeversorgung = Kosten Stromversorgung = Kosten Entsorgung = Kosten

vollständig isoliert. Dies bedeutet, dass der Unternehmer für den Einkauf von Strom und Wärme sowie für die Entsorgung seiner zum Teil energetisch nutzbaren Abfälle, wie z.B. Holz, Geld bezahlt,. In der Folge generieren alle drei Bereiche nicht beeinflussbare Ausgaben, die in letzter Zeit einer drastischen Verteuerung unterworfen sind.

oder

Visualisierung des geplanten Rapskuchenvergaserkraftwerks (stationär)


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Wird ein Wastepower-System eingesetzt, können kleine und mittlere Unternehmen aus ihren eigenen Reststoffen Strom und Wärme erzeugen. Reststoffe => Verwertung im Betrieb Stromerzeugung => Verkauf ans Netz Wärmeerzeugung => Eigennutzung

Mit dieser integrierten Entsorgungsweise werden Kosten vermieden und im Gegenzug Einnahmen über den Verkauf von Strom an das öffentliche Netz erzielt. Der Betrieb schafft sich Unabhängigkeit von Energie- und Entsorgungskosten und so wirtschaftliche Vorteile gegenüber der Konkurrenz im In- und Ausland.

Kernpunkte des Anlagenkonzeptes Wastepower auf einen Blick Innerbetriebliche Verwertungsanlage für biogene Reststoffe auf Basis der thermochemischen Vergasung (Prinzip Holzvergaser) zur Bereitstellung von Strom und Wärme. Technik:

Nutzung von biogenen Abfallstoffen (Rapskuchen) aus der Herstellung von Pflanzenöl zur innerbetrieblichen Energiebereitstellung

Dezentrales Energiekonzept mit Kraft-Wärme-Kopplung Robuste, bewährte Technologie mit Serienerfahrung seit über 70 Jahren BMBF Exist Seed Projekt hat Grundlagen und Betriebserfahrung erbracht Bauteile Vergaser und Gasreinigung in langen Versuchsreihen in der

landwirtschaftlichen Praxis erprobt Bauteile Motor, Generator und Schalttechnik aus der Großserie vorhanden Eine Masterarbeit hat sich bereits mit der Technik beschäftigt (Dr. Dobelmann)

Wirtschaftlichkeit:

Stromeinnahmen durch EEG über 20 Jahre gesichert Dezentrale Nutzung von Biomasse zur Wärmeerzeugung politisch gewollt (EU,

Klimaschutz, BRD) Kleine Leistungsgröße bringt Wirtschaftlichkeit durch Wärmeverwertung und hohe

Jahresnutzungszahlen Hohe Energieausbeute durch effiziente Gasverwertung Zwei Diplomarbeiten zum Thema Wirtschaftlichkeit (Dr. Dobelmann, Böttger)

Markt:

Entsorgungsweg für biogene Abfälle- und Reststoffe aus der Herstellung naturbelassenen Pflanzenöls

Brennstoffversorgung durch geringe Leistungsgröße dauerhaft sicherbar Entsorgungsfrage durch Stromverkauf und Wärmenutzung gewinnbringend

innerbetrieblich gelöst Unmittelbare Zielgruppe: kleine und mittlere Ölmühlen mit Rapsschrotanfall Erweiterte Zielgruppe: Kraft-Wärme-Kopplung im Contracting

Umwelt:

Klimaneutrale Energieversorgung aus betrieblichen Reststoffen Kein Anfall von giftigen Kondensaten oder sonstigen Waschwässern Geringe Abgasvolumina und Lärmemissionen Umweltvorteile: Stickoxidbildung unterbunden, keine Dioxine und Furane Ascheverwertung als Dünger möglich


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sonstige Betriebliche Vorteile:

Imagegewinn durch innovatives Energiekonzept mit Eigenversorgung Versorgungssicherheit bei geringen Investitionskosten Transparenz und Planbarkeit bei den Energiekosten

1.4.3 Schutzrechte

Die Entwicklung des Systems Wastepower ist bereits mit folgenden Gebrauchsmustern geschützt. Weitere Gebrauchsmuster kamen im geförderten Vorhabenszeitraum nicht hinzu: DBGM 201 02 228.1 Reaktor zur Thermischen Konversion fester Brennstoffe in teer- und staubminimiertes Schwel- oder Pyrolysegas DBGM 201 02 123.4 Universeller Reaktionsraum zur thermischen Konversion von festen Brennstoffen in Schwel- oder Pyrolysegas zur weiteren Nutzung DBGM 201 02 111.0 Einrichtung zur optimierten Sauerstoffversorgung der Oxidationszone von Vergaser- und Pyrolysekesseln DBGM 201 02 124.2 Einrichtung zum Messen von Füllständen in rauch- und staubgefüllten Vergasungs- und Verbrennungsräumen

DBGM 201 02 122.6 Einrichtung zum Austrag von Asche und festen Rückständen aus Feststoffvergasern oder –heizkesseln

1.5 Zusammenarbeit mit anderen Stellen - BLE Netzwerk Energie im ökologischem Landbau Unter der Leitung von Projektpartner Dr. Jan Kai Dobelmann ist vom Fachausschuss Biomasse der Deutschen Gesellschaft für Sonnenenergie (DGS) im Auftrag der Bundesanstalt für Landwirtschaft und Ernährung (BLE) ein Themennetzwerk Energie im ökologischen Landbau zusammengestellt worden. In diesem Netzwerk wurden die Grundlagen einer nachhaltig ausgerichteten Energieversorgung für den ökologischen Landbau von führenden Experten und auch die Vergasung von Biomasse als eine sehr Erfolg versprechende Alternative definiert. Im Netzwerk wurden fast 250 Experten aus vielen Feldern der Energietechnik und der Landwirtschaft zusammengebracht, um das Thema erneuerbare Energie speziell für den ökologischen Landbau aufzubereiten. -Arbeitskreis Holzvergasung der DGS und des Fachverbandes Biogas Projektpartner und Holzgasexperte Herr Böttger ist Vorsitzender des gemeinsamen Arbeitskreises Holzvergasung der DGS und des Fachverbandes Biogas. In diesem sind kürzlich Richtlinien zur technischen und wirtschaftlichen Bewertung von Biomassevergasungsanlagen diskutiert und beschlossen worden. Alle Tests und Berechnungen im Wastepower-Projekt werden auf Basis dieser Richtlinien erstellt. Dies gilt für die 200 und 3.000 Stunden-Tests sowie für die Szenarien der Wirtschaftlichkeitsberechnungen. Durch einen konstruktiven Erfahrungsaustausch mit anderen an größeren Anlagen arbeitenden Entwicklern im Netzwerk erwarten wir zusätzliche Impulse für eine technische Verbesserung der Anlage.


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2 Eingehende Darstellung Es werden in diesem Abschnitt die einzelnen Arbeitspakete und die wesentlichen Versuchsergebnisse des Projektes vorgestellt und erläutert.

2.1 Mittelverwendung

2.1.1 Ziele und Ergebnisse der Arbeitspakete

2.1.1.1 Aufbau des Vergasers an der Ebert Mühle in Dielheim

Dauer: 88 Tage 01.07.2008 – 30.10.2008 Partner: M.E.D. Apparatebau, M.E.D. Software Personal: Ingenieur Mühle Ebert GmbH 240 Arbeitsstunden

Programmierer Mühle Ebert GmbH 256 Arbeitsstunden Techniker Mühle Ebert GmbH 480 Arbeitsstunden

Aufgaben: - Errichtung und Umbau einer Einhausung

- Erstellung der Planunterlagen für die Fertigung der Komponenten - Adaption der Anlagenkonstruktion an die örtlichen Gegebenheiten - Fertigung und Errichtung der Komponenten der Holzpoweranlage (Hackschnitzel) als Wastepower Anlage (Rapskuchen) - Errichtung der Anlage aus den gefertigten Komponenten - Einfahren der Anlage im Leerbetrieb, Komponententest - Bauleitung der Wastepower Anlage

Ergebnis: Funktionsfertige Anlage am Standort Dielheim mit allen erprobten

Komponenten aus dem BMBF Exist Seed Projekt Holzpower. (siehe Kapitel 2.1.3)

Budget: Pos (0813) Material – Jahr des Budgets 2008

- Material Anlagenbau psch. 45.000 € Zusammensetzung der Teile laut Erläuterungen Easy AZK - Hard-Software Steuerung psch. 7.000 € laut Erläuterungen Easy AZK

2.1.1.2 Probebetrieb mit der Konfiguration Holzpower (Holzpellets) bis auf einen

stabilen Betriebszustand


Techniker Mühle Ebert GmbH 559 Arbeitsstunden


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Aufgaben: - Überwachung der Erst-Inbetriebnahme mit Probebetrieb der Anlagenkonmponenten mit den Betriebsparametern des BMBF Exist Seed Projektes Holzpower - wissenschaftliche Begleitung des Anlagenbetriebs - Konzeption, Ausführung und kontinuierliche Verbesserung des technischen Programms zum Anlagenbetrieb - Betrieb der Anlage durch einen Techniker

Ergebnis: Funktionszyklus der Anlagen mit Holzhackschnitzel überprüft und mit

den Daten des Bmbf Exist Seed Projektes Holzpower abgeglichen. (siehe Kapitel 2.1.3)

2.1.1.3 Betriebsphase 1 Zumischung von Rapskuchen mit 30%



Aufgaben: - Konstanter Anlagenbetrieb und halten der stabilen Betriebszustände - Beimischung von 30% Rapskuchen in den Brennstoff - Überwachung der Betriebsabläufe mit 30% Rapskuchen, wissenschaftliche Begleitung Konzeption und Ausführung des technischen Programms zum Anlagenbetrieb - 200h Dauertest mit 30% Rapskuchen Beimischung - 1.000 h Normalbetrieb der Anlage

Ergebnis: Funktionsweise der Anlagen mit Holzpellets und 30% Rapskuchen

überprüft, Abgleich der Temperatur- und Anlagendaten mit den Werten des Exist-Seed Vorhabens Holzpower (reine Holzhackschnitzel) zu der vorhandenen Mischung erreicht. (siehe Kapitel 2.1.3)

2.1.1.4 Inspektion der Verschleißteile und Revision der Bauteile (Rost,

Zyklon, Seitenkanalverdichter)



Aufgaben: - Demontage der Bauteile mit Überwachung und Dokumentation - Analyse der Verschleißelemente, Reparatur von Schadstellen, - Verbesserung des Anlagenkonzeptes, höherwertige Materialien - Analyse der vorgefundenen Situation - Auswahl verbesserter Materialien


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- Überwachung des Wiedereinbaus - Revision der Software und Ihrer Komponenten - Wiederinbetriebnahme der Anlage

Ergebnis: Reparatur und Verbesserung der Anlagenbauteile für die erhöhte

thermische Belastung mit Rapskuchen Dokumentation der Verschleißelemente und Neudimensionierung der

Wartungsintervalle sowie der zu erwartenden Betriebskosten. (siehe Kapitel 2.1.3)


- Material Anlagenrevision der Verschleißteile psch. 20.000 € Zusammensetzung der Teile laut Erläuterungen Easy AZK - Hard-Software Steuerung psch. 5.000 € laut Erläuterungen Easy AZK

2.1.1.5 Betriebsphase 2 Zumischung von Rapskuchen mit 60%



Aufgaben: - Erweiterung der Dosierung von Rapskuchen auf 60% Beimischung - Überwachung der Betriebsabläufe mit 40% Holzpellets, 60% Rapskuchen - wissenschaftliche Begleitung Konzeption und Ausführung des technischen Programms zum Anlagenbetrieb


überprüft, Abgleich der Temperatur- und Anlagendaten mit den Werten des Exist-Seed Vorhabens Holzpower (reine Holzhackschnitzel) zu der vorhandenen Mischung erreicht. (siehe Kapitel 2.1.3)

2.1.1.6 Inspektion der Verschleißteile und Revision der Bauteile (Kegel, Rost,

Gasführung Motor)

Dauer: 14 Tage 19.10.2009 – 05.11.2009

Partner: M.E.D. Apparatebau, M.E.D. Software Personal: Ingenieur Mühle Ebert GmbH 60 Arbeitsstunden


Aufgaben: - Demontage der Bauteile mit Überwachung und Dokumentation - Analyse der Verschleißelemente, Reparatur von Schadstellen, - Verbesserung des Anlagenkonzeptes, höherwertige Materialien - Analyse der vorgefundenen Situation


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- Auswahl verbesserter Materialien - Überwachung des Wiedereinbaus - Revision der Software und Ihrer Komponenten - Wiederinbetriebnahme der Anlage

Ergebnis: Reparatur und Verbesserung der Anlagenbauteile für die erhöhte

thermische Belastung mit Rapskuchen Dokumentation der Verschleißelemente und Neudimensionierung der Wartungsintervalle sowie der zu erwartenden Betriebskosten. (siehe Kapitel 2.1.3)

Budget: Pos (0813) Material – Jahr des Budgets 2009 - Material Anlagenrevision der Verschleißteile psch. 10.000 € Zusammensetzung der Teile laut Erläuterungen Easy AZK - Hard-Software Steuerung psch. 2.000 € laut Erläuterungen Easy AZK

2.1.1.7 Betriebsphase 3 mit 100% Rapskuchen



Aufgaben: - Konstanter Anlagenbetrieb und halten der stabilen Betriebszustände - Vollmischung von 100% Rapskuchen in die Rapskuchenpellets - Überwachung der Betriebsabläufe mit 100% Rapskuchen, wissenschaftliche Begleitung Konzeption und Ausführung des technischen Programms zum Anlagenbetrieb - 200h Dauertest mit 100% Rapskuchen - 1.000 h Normalbetrieb der Anlage


überprüft, Abgleich der Temperatur- und Anlagendaten mit den Werten des Exist-Seed Vorhabens Holzpower (reine Holzhackschnitzel) zu der vorhandenen Mischung erreicht. Temperatur im Reaktor und Gasführung zu hoch. (siehe Kapitel 2.1.3)

2.1.1.8 Inspektion der Verschleißteile und Revision der Bauteile

Dauer: 14 Tage 04.02.2010 – 23.02.2010 Partner: M.E.D. Apparatebau, M.E.D. Software Personal: Ingenieur Mühle Ebert GmbH 60 Arbeitsstunden Techniker Mühle Ebert GmbH 122 Arbeitsstunden

Aufgaben: - Demontage der Bauteile mit Überwachung und Dokumentation

- Analyse der Verschleißelemente, Reparatur von Schadstellen,


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- Verbesserung des Anlagenkonzeptes, höherwertige Materialien - Analyse der vorgefundenen Situation - Auswahl verbesserter Materialien - Überwachung des Wiedereinbaus - Revision der Software und Ihrer Komponenten - Wiederinbetriebnahme der Anlage

Ergebnis: Reparatur und Verbesserung der Anlagenbauteile für die erhöhte thermische Belastung mit Rapskuchen Dokumentation der Verschleißelemente und Neudimensionierung der Wartungsintervalle sowie der zu erwartenden Betriebskosten. (siehe Kapitel 3.1)


- Material Anlagenrevision der Verschleißteile psch. 10.000 € Zusammensetzung der Teile laut Erläuterungen Easy AZK - Hard-Software Steuerung psch. 2.000 € laut Erläuterungen Easy AZK

2.1.1.9 Dauerbetrieb der Anlage unter Kommerziellen Bedingungen in der als

optimal erachteten Konfiguration (13.8.2010 Brandschaden, 12.11.

Wiederinbetriebnahme)

Dauer: 157 Tage 24.02.2010 - 13.8.2010 , 12.11.2010- 23.12.2010 Partner: M.E.D. Apparatebau, M.E.D. Software Personal: Ingenieur Mühle Ebert GmbH 276 Arbeitsstunden Techniker Mühle Ebert GmbH 759 Arbeitsstunden

Aufgaben: Überwachung der Betriebsabläufe des Dauerbetriebs mit der optimalen

Mischung aus Hackschnitzeln und Rapskuchen, wissenschaftliche Begleitung Konzeption und Ausführung des technischen Programms zum Anlagenbetrieb

Ergebnis: Funktionsweise der Anlage mit der optimalen Mischung aus

Rapskuchen und Hackschnitzeln gewährleistet und überprüft, →Seitenkanalverdichter im Dauerbetrieb nicht temperaturbeständig, Neueinbau erst nach der geförderten Vorhabenslaufzeit (1.7.2008-30.6.2010) am 2.7.2010,

Weitere Versuche zum Materialverschleiss erst nach dem Brandschaden ab 12.11.2010 → Keramikkegel temperaturbeständig → Drahtgewebefilter temperaturbeständig Abgleich der Temperatur- und Anlagendaten mit den Werten des Exist-Seed Vorhabens Holzpower (reine Holzhackschnitzel) zu der vorhandenen Mischung teilweise erreicht.


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2.1.2 Methodik

Ziel der Projektversuche war es zunächst, in der Mühle Ebert Dielheim GmbH Informationen über den Gasertrag (Versuchsaufbau siehe Abb. 1), den Brennwert und die Aschequalität der Holzpellets und Rapskuchen zu erlangen. Im Anschluss wurden Versuche zur Holzgasreinigung unternommen. Da die vorgesehene Reinigung und Gaskühlung des Synthesegases nicht zufriedenstellend funktionierte, wurde ein weiterer Gaswäscher entwickelt, um eine langfristig störungsfreie motorische Nutung des Produktgases zu gewährleisten. 2.1.2.1 Energie- und CO2-Bilanz der Nutzung von Rapskuchen als Rohstoff für die thermochemische Vergasung Der unternehmensinterne Wärmebedarf der Mühle Ebert Dielheim GmbH ist sehr hoch, da viele der im Herstellungsprozess eingesetzten Zutaten für die Futtermittel in frischem Zustand angeliefert werden. Für den weiteren Einsatz erfahren diese eine Trocknung (Flocken, Getreide). Im letzten Jahr ist im Unternehmen durch die Übernahme einer stillgelegten lokalen Brauerei eine eigene Hefeproduktion aufgebaut worden, die einen wichtigen Grundstoff für die Herstellung hochwertiger Futtermittel liefert. Die anfallende Hefe besitzt einen Wassergehalt von über 90%, die vor der Verwendung in den Futtermitteln ausgetrieben werden müssen, um die Haltbarkeit der Produkte zu gewährleisten. Die thermochemische Vergasungsanlage im wastepower Projekt kann in direkter Koppelung mit der Hefe-, sowie Flocken- und Getreidetrocknung gefahren werden. Dies bedeutet, dass die aus der Verwertung der Biomasse gewonnene thermische und elektrische Energie in vollem Umfange einer betriebsinternen Verwertung zugeführt werden kann. Allein der Wärmebedarf der Mühle beträgt im Schnitt rund 500 kW. Die Ergebnisse zur Energie- und CO2-Bilanz der Nutzung von Rapskuchen als Rohstoff für die thermochemische Vergasung sind in Kapitel 2.1.3 dargestellt 2.1.2.2 Ermittlung des Heizwertes bei unterschiedlichem Feuchtegehalt Der Heizwert ist die Energie, die bei einer vollständigen Verbrennung abgegeben wird, wenn Rauch- oder Abgas bei konstantem Druck bis auf die Bezugstemperatur zurückgekühlt werden. Der aus der Verbrennung entstandene Wasserdampf bleibt aber hierbei gasförmig. Früher wurde dieser Wert als "unterer Heizwert Hu" bezeichnet. Der Heizwert eines Brennstoffes war in früheren Zeiten deshalb wichtig, da es zwingend notwendig war, den Wasserdampf im Abgas durch hohe Abgastemperaturen gasförmig zu belassen, um eine mögliche Korrosion des Heizkessels oder ein Versotten des Schornsteines zu verhindern. Der Heizwert der Holzhackschnitel und des Rapskuchens bei unterschiedlichem Wassergehalt wurde mit folgender Formel berechnet:

Hu (w) = 100

*44,2)100(*)( WWatroH

Hu (w) Heizwert des Holzes (MJ/kg) bei einem Wassergehalt W Hu (atro) Heizwert des Holzes (MJ/kg) im wasserfreien Zustand 2,44 Verdampfungswärme des Wassers in MJ/Kg bezogen auf 25°C W Wassergehalt in %


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2.1.2.3 Versuch zur Bestimmung des Gasertrags

Abb. 1: Versuchsaufbau an der Mühle Ebert zur Bestimmung des Gasertrags (Wäscher= entwickelter Gasfilter + Gaskühlung) Der zu vergasende Brennstoff (Holzpellets, Rapskuchen) wurde zunächst gewogen und sein organischer Trockensubstanzgehalt mittels Trocknung in einem Ofen bestimmt. Die Anlage wurde danach beschickt. Zu Beginn des Prozesses wurde mit einem Seitenkanalverdichter und einem Industriefön ca. 600 °C heiße Luft in die Oxidationszone des Reaktors geblasen bzw. später gesaugt, um die Anlage nicht druckaufgeladen zu fahren. Nach ca. zwei Minuten entzündete sich der Brennstoff und das System verhielt sich weitestgehend konstant. Unter einer dosierten Zufuhr von Luft mit Außentemperatur lief der Vergasungsvorgang selbsttätig. Dabei wurden die organischen Stoffe in gasförmige Verbindungen aufgespalten, und der zurück bleibende Kohlenstoff zu Kohlenstoffmonoxid teilverbrannt. Die erforderliche Prozesswärme wurde durch eine teilweise Verbrennung der eingesetzten Biomasse bereitgestellt. Mit Hilfe eines Gaszählers konnte die geförderte Luftmenge bestimmt werden. 2.1.2.4 Versuche zur Rauchgasreinigung Das Produktgas hat vor allem beim Kaltstart und einem hohen Feuchtegehalt des Brennstoffs einen hohen Teergehalt. Daher musste zunächst die Teerbelastung im Gas bestimmt werden. Mit einem Mikrovlies wurden Teergehalte bei unterschiedlichen Randbedingungen gemessen. Das Produktgas musste ohne Reinigung jeweils eine Minute einen Mikrovliesfilter, der hinter dem Reaktor angebracht worden war, durchströmen. Die Filter wurden vorher und hinterher gewogen. Anschließend wurde derselbe Versuch noch einmal durchgeführt, nachdem eine Gasreinigungsanlage installiert wurde. Dazu wurden verschiedene Reinigungsflüssigkeiten auf ihre Teerabsorptionsfähigkeit analysiert. Die Gaswäsche wurde mit unterschiedlichen Reinigungsflüssigkeiten durchgeführt. Es wurde während der Betriebsphase eine weitere Gasreinigunganlage mit Kühlungsfunktion entwickelt und gebaut, die auf dem Prinzip der Trockenreinigung beruht und im Kapitel 2.1.3.5 beschrieben wird.


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2.1.2.5 Gasfilterentwicklung mit Kühlungsfunktion Um einen Dauerbetrieb zu gewährleisten musste ein Gasfilter entwickelt werden, der zum einen das Produktgas so reinigt, dass es für einen dauerhaften Betrieb in einem Motor geeignet ist und zum anderen das Gas herunterkühlt, sodass ein hoher Wikungsgrad ermöglicht wird. Zunächst mussten dazu wesentliche Punkte zu den Betriebsbedingungen und der Wirtschaftlichkeitsbetrachtung der Gesamtanlage geklärt werden: Was ist die benötigte Betriebsstundenzahl der Anlage (z. B. täglicher Dauerbetrieb, nächtliche Abschaltung, ganzjähriger Betrieb, saisonaler Betrieb etc.)? Wie viel Automatisation soll eingebaut werden vs. wie viel manuelle Wartungs- und Kontrollarbeit kann und soll geleistet werden? Wie sind die Anforderungen an die Uptime und Betriebssicherheit (sind redundante Systeme zur Strom- und Wärmebereitstellung verfügbar)?- Welche Investitionskosten sollen geleistet werden? Soll die Anlage erweiterbar sein (z. B. späteres Nachrüsten eines verbesserten Filtersystems)?- Wie sind die Entsorgungsmöglichkeiten und Entsorgungskosten für die aus den Filtern anfallende Aschefracht (kann kontinuierlich entsorgt werden, muss über einen langen Zeitraum zwischengespeichert werden, kann die Entsorgung selbst durchgeführt werden, muss ein Dritter mit der Entsorgung beauftragt werden)? Wie groß ist der vom Motor maxi mal tolerierbare Druckverlust?- Welcher Partikelabscheidegrad ist erwünscht? Die Antworten, Entwicklungsschritte und Ergebnisse sind in Kapitel 2.1.3 beschrieben. 2.1.2.6 Ermittlung Trockensubstanzgehalt (TS) des Brennstoffs und Glühverlust (GV) der Ascherückstände aus dem Zyklon Als Trockensubstanzgehalt bezeichnet man den bei 105°C im Trockenschrank enthaltenen Massenanteil der festen Substanz. Der Trockensubstanzgehalt eines Brennstoffes ist maßgeblich für den Heizwert des Gases verantwortlich. Mit sinkenden Trockensubstanzgehalt fällt der Brennwert. Zur Ermittlung des Trockensubstanzgehalts wurden Proben des Brennstoffs im MED Labor in eine Abdampfschale gegeben, gewogen und anschließend in einem Trockenschrank bei ca. 105°C einen Tag getrocknet. Nach dem Erkalten kann durch den Gewichtsverlust der Wasseranteil des Brennstoffs ermittelt werden. Durch das Verhältnis der getrockneten zur feuchten Probe erhält man den Trockensubstanzgehalt:

TS= )(

)(

feuchtm

trockenm * 100 %

darin bedeuten: m (feucht): Gewicht Brennstoffprobe abzüglich des Schalengewichts m (trocken): getrocknete Brennstoffprobe abzüglich des Schalengewichts Als Glühverlust bezeichnet man den durch Glühen der Trockenmasse einer Probe bei 550°C flüchtigen Masseanteil. Er ist ein Maß für den Gehalt an organischen Verbindungen. Der Glühverlust der Ascherückstandsprobe gibt Auskunft darüber, wie viel organische Substanz noch darin enthalten ist. Zur Ermittlung des Glühverlustes wurden Proben in eine Porzellantiegel gegeben, eingewogen und anschließend in einem Kammerofen bei ca. 550°C einen Tag ausgeglüht. Damit erhält man einen anorganischen Reststoff (Glührückstand), der keinen Brennwert mehr besitzt. Mit der Gewichtsverhältnis des Glührückstands und der Aschenrückstandsprobe aus dem Zyklon kann der Glühverlust berechnet werden:

GV= )()(

)tan()(

TiegelmAscheprobem

dGlührücksmAscheprobem

* 100 %

darin bedeuten: m (Ascheprobe): Gewicht Tiegel mit Ascherückstandsprobe m (Glührückstand): Gewicht Tiegel mit mineralischem Glührückstand


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m (Tiegel): Gewicht Tiegel 2.1.2.7 Versuch zur Messung der elektrischen Leistung Der Versuchsaufbau ist in Abbildung 2 dargestellt:

Abb. 2: Versuchsaufbau zur Messung der elektrischen Leistung Nach den vorangegangenen Versuchen hatte das Gas die erforderliche Reinheit erreicht und konnte somit in einem Blockheizkraftwerk verbrannt werden. Bei 1500 U/min saugt der Motor 130 m3/h. Das Verhältnis im Motor von Verbrennungsluft und Holzgas betrug ungefähr 1 zu 1,9 (=1,9). Pro Stunde wurden somit ca. 45 m3 Synthesegas erzeugt und mit 85 m3 Luft dem Motor zugeführt. Das Verhältnis wurde mit Hilfe eines Kugelhahns eingestellt. Im Dauerbetrieb sollte der Kugelhahn durch eine Lambdasonde ersetzt werden, da diese eine sehr genaue Einstellung des Holzgas–Luftverhältnisses ermöglicht. Es wurde ein Liebherr - Industriemotor (G926 ti 9,96 Hubraum, 6 Zylinder, 130 kW el. max) verwendet. Die elektrische Leistung wurde am geeichten Stromzähler abgelesen. Zur Überwachung der am Generator anliegenden elektrischen Leistung über die Versuchsdauer wurde eine spezielle Messapparatur entworfen, die eine computergestützte Aufzeichnung der Leistungsdaten ermöglicht hat. Hierzu wurde die Phase L1 des Asynchrongenerators durch eine Präzisionsstromaufnehmerspule vom Typ TZ 77 geführt. Dabei wurde mit der physikalischen Methode der Induktion ein Strom im Verhältnis 1:5 induziert, der über einen Messwiderstand geführt und mit der Spule kurzgeschlossen wurde. An diesem Messwiderstand fiel linear mit der Generatorleistung eine Spannung zwischen 0 und 2,55 Volt ab. Dieses Wechselstromsignal wurde in einem Messgleichrichter für die weitere Signalverarbeitung gleichgerichtet. Die Aufnahme, Signalverarbeitung und Signalausgabe wurde in einem 4 MHz Motorola Mikroprozessor vom Typ MC68HC05B16 realisiert, der die anliegende gleichgerichtete Spannung in einem Analog-Digitalwandler aufnahm und als Digitalsignal zwischen 0 und 255 zur Weiterverarbeitung zur Verfügung stellte.


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Dieses Digitalsignal wurde softwaregesteuert im Prozessor mit einem an der Leistungsanzeige des Generators geeichten Rechenfaktor versehen, so dass eine Leistungsausgabe an den RS 232 Port eines Personal-Computers möglich war. Da der Mikrocontroller gleichzeitig einen DCF 77 Eingang für eine Funkantenne besaß, konnten die ausgegebenen Messwerte mit der offiziellen Zeit der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig verknüpft werden, so dass eine manipulationsfreie Dokumentation der Messergebnisse garantiert war.

Abb 3: Aufnahme, Signalverarbeitung, und Signalausgabe über einen Mikroprozessor

2.1.3 Versuchsergebnisse

2.1.3.1 Energiebedarf zur Trocknung von Hefematerialien

Der Betrag der notwendigen zuzuführenden Verdampfungswärme für die Trocknung von Biomassen wie Hefe hängt von den Prozessbedingungen ab. Geschieht die Verdampfung oder Verdunstung isobar bei konstantem Druck p, wie es oft der Fall ist, so muss das entstehende Gas, um sich vom Flüssigkeitsvolumen VF auf das Gasvolumen VG auszudehnen, gegen den äußeren Druck p die Verschiebungsarbeit p·(VG-VF) = p ΔV leisten. Die zugeführte Energie wird also sowohl für Abtrennarbeit als auch für Verschiebungsarbeit verbraucht: ΔQv = ΔU + p·ΔV.

Abb. 4: Die Sättigungsmenge von Wasserdampf in Luft in Funktion der Temperatur

Generator

L1L2L3 Stromauf nehmer

V +

V out

C+

GND

C-

Messgleichrichter

V in

GND

V ref

D1

D4

Sign

ENB

Microcntroller

RS232

A/D Wandler

DCF 77 Antenne

P-1

Widerstand


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Die zu trocknende Hefe besitzt eine Trockenmasse von etwa 10% oder einen Wassergehalt von ca. 90%. In einem Kilogramm dieser Hefe sind also 900 Gramm Wasser enthalten, deren Abtrennung eine thermische Energiemenge von etwa 0,565 kWh erfordert. Die in der wastepower Vergasungsanlage anfallende nutzbare Wärmemenge besitzt eine Leistung von ca. 100 kWth. Berücksichtigt man den etwaigen Wirkungsgrad des Trockners, kommt man auf eine für die Wasserabtrennung notwendige thermische Energiemenge von 0,6 kWh/kg Hefe. Dies ergibt, dass es im Unternehmen mit der wastepower Anlage möglich wäre, eine industrielle Hefetrocknung von ca. 166 kg/h durchzuführen. Bei einer maximalen Verfügbarkeit der Anlage von 8.000 h pro Jahr ergeben sich Jahrestrocknungsleistungen von ca. 1320 Tonnen Hefe im Jahr. Die dabei umweltfreundlich erzeugte und umgesetzte thermische Gesamtenergiemenge eines Jahres beträgt 800.000 kWh. Zu dieser kommt klimaneutral erzeugter Strom in Höhe von 400.000 kWh Klimabilanz des Vorhabens zur Trocknung von Hefematerialien: Die getrockntete Hefemenge von ca. 1.320 Tonnen ist zwar nur ein Siebtel der im Betrieb verarbeiteten und zu trocknenden Hefemenge, führt aber bereits zu einer massiven Einsparung an Klimaschadgasen. Dies resultiert durch die direkte Erzeugung der thermischen Energie aus regenerativer Biomasse, deren Verbrennung per Definition als klimaneutral eingestuft wird. In der Ermittlung und dem Vergleich der CO2-Reduktions Bilanz wird auf die von der Kreditanstalt für Wiederaufbau im Rahmen des CO2-Reduktionsprogrammes ermittelten technischen CO2-Emissionsfaktoren für Brennstoffe in der technischen Heizungsanwendung zurückgegriffen. Die KfW gibt folgende Werte an: Energieträger / Heizungssystem CO2-Emissionsfaktor f in (kg CO2 / kWh) Elektro-Heizstäbe 0,81 Kohle Festbrennstoffkessel 0,74 Heizöl, Standard-Kessel 0,56 Erdgas, Standard-Kessel 0,45 Flüssiggas, Standard-Kessel 0,50 Fernwärme (Deutscher Mix) 0,33 Biomasse im Heizeinsatz 0,05 BHKW die mit erneuerbaren Energien betrieben werden

0,00

Obwohl Biomasse per Definition CO2-neutral ist, weist nur die Kraft-Wärme-Kopplung mit Biomasse eine vollständige CO2-Neutralität aus. Dies liegt daran, dass Wärmeerzeuger mit Biomasse stets elektrische Hilfsenergie benötigen, um Gebläse oder Steuerungen etc. anzutreiben. Ein Blockheizkraftwerk (BHKW) stellt diese Hilfsenergie eigenständig aus der Biomasse her und ist deshalb CO2-neutral. Die wastepower Anlage würde tatsächlich eine bestehende Trocknungsanlage auf Basis von Heizöl (KfW Faktor 0,56 kg CO2/kWh) entlasten. Dies würde zu einer jährlichen Gesamtemissionsreduktion des Betrieblichen Umwelt-Fussabdruckes von insgesamt 448 Tonnen CO2 führen. Da aber auch andere Varianten denkbar sind, ist die CO2-Bilanz der Anlage in der folgenden Grafik für alle denkbaren Brennstoffe aufgearbeitet worden:


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Reduktion der CO2-Emission der Hefetrockung im Vergleich mit unterschiedlichen Brennstoffen

0

100.000

200.000

300.000

400.000

500.000

600.000

700.000

Elektro

-Heiz

stäbe

Kohle

Festb

renn

stoffk

esse

l

Heizöl,

Sta

ndar

d-Kes

sel

Erdga

s, Sta

ndar

d-Kes

sel

Flüssig

gas,

Stand

ard-

Kesse

l

Fernw

ärm

e (D

eutsc

her M

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Biomas

se im

Heiz

einsa

tz

BHKW d

ie m

it ern

euer

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n Ene

rgien

bet

riebe

n wer

den

kg C

O2

Jah

r

Abb. 5: CO2 Emissionfaktoren bei der Hefetrocknung Abb. 5 zeigt, dass zwischen 648 Tonnen im Falle der Nutzung Elektrischer Energie für die Trocknungsanlagen und 264 Tonnen CO2 im Falle einer Nutzung der bereits Umweltschonenden Fernwärme, sehr erheblich ist. Interessant ist in dieser Betrachtung ebenfalls, dass selbst einer direkte Verwertung der Biomasse in einem Trocknungsofen wegen benötigten der Hilfsenergie zu einer bilanziellen CO2-Jahresemission von immerhin 40 Tonnen führt. Im vorliegenden Fall eines Ersatzes der Heizölmenge des vorhandenen Trocknungsbrenners ergibt sich mit 448 Tonnen CO2-Reduktion eine sehr positive Bilanz dieser wastepower Anlage. Bei einer erfolgreichen Durchführung des Projektes ist im Betrieb daran gedacht, weitere Anlagen dieses Typs aufzustellen, um die Umweltbilanz der Hefetrocknung weiter zu verbessern.

2.1.3.2 Versuchsergebnisse zur Bestimmung des Gasertrags und des Heizwertes

Im Versuch wurden in einer Stunde ca. 30 kg Holzpellets sowie Gemische aus Holzpellets und Rapskuchen vergast. Das Gas wurde zunächst nur abgefackelt (siehe Abb. 6).


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Abb. 6: Gasflamme mit hohem organischen Anteil (Kondensat, Teer) Nach ca. fünf Minuten hatte der Reaktor die nötige Prozesstemperatur erreicht, und es entstand eine fast durchsichtige Holzgasflamme (siehe Abb. 7).

Abb. 7: Optimale Gasflamme Der theoretische Heizwert dieses Gases ergab sich nach der im Abschnitt Methodik vorgestellten Gleichung und ist in folgender Tabelle dargestellt: Tab. 1: Ermittlung des Heizwertes bei unterschiedlichem Feuchtegehalt Holz: Feuchtegehalt: 0,0% 10,0% 20,0% 30,0% 40,0% 50,0% 60,0% Heizwert 3,92

kWh/kg 3,46 kWh/kg

3,00 kWh/kg

2,54 kWh/kg

2,08 kWh/kg

1,62 kWh/kg

1,16 kWh/kg

Durchsatz 30,00 kg/h 30,00 kg/h 30,00 kg/h

30,00 kg/h 30,00 kg/h 30,00 kg/h 30,00 kg/h

thermische Leistung 117,60 kW 103,79 kW 89,98 kW 76,17 kW 62,36 kW 48,55 kW 34,74 kW


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Rapskuchengemisch: Feuchtegehalt: 0,0% 10,0% 20,0% 30,0% 40,0% 50,0% 60,0% Heizwert 5,04

kWh/kg 4,47 kWh/kg

3,90 kWh/kg

3,32 kWh/kg

2,75 kWh/kg

2,18 kWh/kg

1,61 kWh/kg

Durchsatz 25,00 kg/h 25,00 kg/h 25,00 kg/h

25,00 kg/h 25,00 kg/h 25,00 kg/h 25,00 kg/h

thermische Leistung 126,00 kW 111,69 kW 97,38 kW 83,08 kW 68,77 kW 54,46 kW 40,15 kW Die Heizwerte des reinen Rapskuchens liegen mit 7,7 kwh/kg noch deutlich höher. Durch den hohen Heizwert waren nach den ersten Versuchen mit reinem Rapskuchen der Zyklon, der Seitenkanalverdichter sowie der Gasfilter nicht mehr funktionstüchtig. Um durch den höheren Energiegehalt den Reaktorkern nicht zu beschädigen, wurden bei den weiteren Versuchen dem Rapskuchen Holzpellets zugemischt, sodass ein geringerer Heizwert (5,04 kWh/kg) vorhanden war.

2.1.3.3 Versuchsergebnisse zur Bestimmung des Trockensubstanzgehalts und

des Glühverlusts der Ascherückstände

Der Trockensubstanzgehalt des bei den Versuchen verwendeten Brennmaterials lag zwischen 79 und 85 Prozent. Der Glühverlust der in dem Tuchfilter zurück gehaltenen Ascherückstände betrug bei der Vergasung des Restholzes ca. 82 Prozent. Der Rapskuchen wurde von der Ebert Mühle in Dielheim geliefert. Der Trockensubstanzgehalt kann exakt in der Produktion der Pellets bestimmt werden. Er lag hier bei 85 Prozent. Der Glühverlust der in dem Zyklon zurück gehaltenen Ascherückstände betrug bei der Vergasung des Hackgutes ca. 82 Prozent und bei der Rapskuchenvergasung ca. 86 Prozent. (siehe auch Abb.15 Aschereste aus dem Dauerbetrieb)

2.1.3.4 Versuchsergebnisse zur Rauchgasreinigung

Im ungereinigten Produktgas konnten Teergehalte zwischen 1.000 mg/m3 und 20.000 mg/m3 gemessen werden (Abb. 8).

Abb. 8: Teerrückstände in einem Mikrovlies bei verschiedenen Randbedingungen ohne Reinigung Nach der durchgeführten Rauchgasreinigung mit einer Reinigungsflüssigkeit und einem Tuchfilter konnte eine wesentliche Verbesserung der Gasqualität erzielt werden. Am wirksamsten war ein Mittel auf biologischer Basis (Hauptanteil Biodiesel) in einem Ölbadfilter. In Abbildung 9 sind Mikrovliese beim Start des Prozesses nach einer Minute (Vlies 1 und 2) sowie nach zwanzig Minuten fotografiert worden. Eine halbe Stunde später wurde derselbe Versuch noch einmal durchgeführt. Im unteren Teil von Abbildung 9 lässt sich eine weitere Verringerung des Teergehalts erkennen. Die Betriebstemperatur im Reaktor von ca. 900°C war dabei erreicht. Während bei Prozessbeginn noch Teergehalte von über 1000 mg/m3 im gereinigten Synthesegas gemessen wurden, verringerte sich eine halbe Stunde später der Teergehalt auf unter 100 mg/m3.


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Abb. 9: Teerrückstände in einem Mikrovlies nach der Gasreinigung Die Reinigungsflüssigkeiten (Abb. 10) wurden nach unterschiedlicher Versuchsdauer in Flaschen gefüllt. In den fünf Flaschen auf der linken Seite befand sich eine Reinigungsflüssigkeit auf biologischer Basis (Hauptanteil Biodiesel). Die erste Probe zeigt die Flüssigkeit vor dem Beginn der Versuche. Die zweite Probe wurde mit Hilfe eines Kühlers bei einer Temperatur von 4°C - 8°C gehalten und im Kreis gepumpt. Am Boden waren die abgesetzten Teerrückstände nach einer Stunde zu erkennen. Bei den Proben drei bis fünf wurde die Flüssigkeit zwar im Kreis gepumpt, aber nicht mehr gekühlt. Alle 20 Minuten wurde eine Probe genommen. Bei diesem Versuch war die Bildung von Flüssigkeitsphasen zu erkennen. Die Teerabsorptionsfähigkeit wurde mit steigender Temperatur geringer, und bei einer Temperatur von ca. 80°C war eine Auflösung der Phasen zu beobachten. Bei den Flaschen sechs bis acht wurde versucht, das Gas mit gekühltem, im Kreis gepumpten Wasser zu reinigen. Die gewünschte Reinigung des Gases wurde nicht erreicht.

Abb. 10: Reinigungsflüssigkeiten mit unterschiedlicher Teerbelastung

2.1.3.5 Ergebnisse Filterweiterentwicklung

Es wurden Versuche zur Gaswäsche und -kühlung mit am Markt gängigen Systemen durchgeführt, die aber nicht den erwünschten Erfolg (Zyklonabscheider, Tuchfilter) erbracht haben. Die Gesamtsystemauslegung ist immer ein Kompromiss aus vielen


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Einflussparametern. Ist zum Beispiel der Verbrennungsmotor des BHKW mit erheblichen Investitions- und Wartungskosten verbunden, so wird man versucht sein, den Motor möglichst optimal vor Staub- und Teereinwirkungen zu schützen. Dies kann zum einen den materiellen und finanziellen Aufwand für die Filteranlage selbst in die Höhe treiben, zum anderen aber auch dazu führen, dass der Druckverlust über die Filterstrecke ansteigt, und daraufhin der Füllungsgrad des Motors sinkt und schlussendlich dessen Wirkungsgrad beziehungsweise Netzeinspeiseleistung. Eine gute Filterleistung mit hohem Partikelabscheidegrad wird hierbei also erkauft durch eine geringere Produktivität des angeschlossenen Verbrennungsmotors. Andererseits, konzentriert man sich bei der Betrachtung auf den Verbrennungsmotor, wird schnell deutlich, welchen enormen Belastungen ein Motor im Dauerbetrieb ausgesetzt ist. Ein Dauerbetrieb von 8.000 Stunden lässt sich, bezogen auf ein Automobil, ungefähr mit einer Gesamtfahrleistung von 400.000 km übersetzen. Während der ganzen Zeit reiben die Kolbenringe — teilweise unter erheblicher Mangelschmierung — an der Zylinderwand und schmirgeln kontinuierlich und unaufhörlich mikroskopisch feine Partikel ab, die wiederum zum Teil über den Brennraum mit dem Abgas ausgetragen werden und zum anderen Teil in das Schmieröl des Motors abgestreift werden. Dort können sie dann in dem ganzen Motor verteilt werden und — wenn sie sich an gegeneinander bewegten Oberflächen ablagern — weiteren Verschleiß verursachen. Je mehr Partikel von außen in den Motor eingetragen werden, zum Beispiel durch ein staubhaltiges Gas-Luft-Gemisch, desto mehr und schneller schreitet dieser innermotorische Verschleißprozess fort. Für den Verschleiß am kritischsten sind im Allgemeinen Partikel mit einer Größenverteilung zwischen 3 und 8 Mikrometern. Größere Partikel werden durch die Reibprozesse im Motor schnell auf diese Größe heruntergebrochen, oder im Ölfilter sicher zurückgehalten. Je kleiner die Partikel, desto mehr können sie sich im Schmieröl anhäufen und desto größer ist ihr Schadenspotenzial. Diesem Mechanismus ist generell durch die Wahl des richtigen Ölfilters, der richtigen Ölsorte und regelmäßiger Wartung entgegenzuwirken. Eine Mehrinvestition von ein paar hundert Euro in Öl und Filter pro Betriebsjahr kann sich schnell rechnen. Ist der Motorverschleiß weit fortgeschritten, äußert sich dieses in der Regel durch einen geringfügigen Leistungsabfall sowie einen erhöhten Ölverbrauch. Dieser kann durchaus in die Größenordnung von 2 bis 3 Gramm Öl pro erzeugter Kilowattstunde Strom reichen. Bei einem 30 kWel System entspräche dies einem Ölverbrauch von ca. 2 Litern pro Arbeitstag und damit je nach Ölsorte und eingekaufter Ölmenge einem Betrag von bis zu 2.000 Euro pro Arbeitsjahr zuzüglich der „verlorenen“ Kilowattstunden durch die geringere motorische Leistung. Die wesentliche Quelle für fremdeingetragene Partikel in dieser genannten Größenordnung ist und bleibt bei Holzgas BHKWs das erzeugte Synthesegas. Aber auch, insbesondere in Abhängigkeit vom gewählten Aufstellungsort, die angesaugte Verbrennungsfrischluft kann eine weitere Quelle sein. Deren Filterung muss also immer gleichwertig mit betrachtet werden, ist aber im Allgemeinen unkritisch darzustellen, da Standardfilterelemente verwendet werden können. Es wird also schnell ersichtlich, wie wichtig das Zusammenspiel zwischen Motor, Schmierölkreislauf und Gasfilter für den optimalen Betrieb eines Holzgas-BHKWs ist. Im Folgenden werden daher mehrere Stufen zur Gasreinigung und Gaskühlung erläutert, die letztendlich zur entwickelten und im Projekt verwendeten Form geführt haben. Zyklonabscheider

Zyklon- oder Fliehkraftabscheider eignen sich in erster Linie gut für eine grobe Vorentstaubung des rohen Heißgases. Der Abscheidegrad und die Trennschärfe sind jedoch abhängig von der Strömungsgeschwindigkeit innerhalb des Zyklons und damit vom Gasvolumenstrom und letztendlich dem Druckverlust. Die Abhängigkeiten sind komplex und werden noch verstärkt durch den Zusammenhang von Dichte, Temperatur und Viskosität des Synthesegases und der Staubbeladung selbst. Dies macht Zyklone generell zu unzuverlässigen Verbündeten im Kampf gegen erhöhten Motorenverschleiß, da sie nur auf einen Betriebspunkt hin optimiert werden können und folglich in der Anfahr- oder Aufwärmphase oder im Teillastbereich Schwächen bei der Partikelabscheidung aufweisen. Sie eignen sich jedoch hervorragend zur groben Vorentstaubung und können dadurch nachgeschaltete Filterelemente funktional entlasten. Auch sind sie aufgrund ihres einfachen


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Aufbaus generell thermisch unempfindlich und können damit uneingeschränkt im Heißgasstrom nahe am Vergaser betrieben werden, weshalb sie wiederum nicht zum verteeren neigen. Sollten sie im Falle einer Fehlfunktion doch einmal verteeren oder verstopfen, sind sie leicht und ohne dass Ersatzteile benötigt werden, zu reinigen.

Tuchfilter

Tuchfilter gibt es in vielen Varianten und Ausführungen. Sie sind bewährter Industriestandard und reinigen zuverlässig. Die bekannteste Ausführung ist sicherlich der Automobil-Luftfilter. Die Reinigungswirkung basiert wesentlich darauf, dass beim Durchtritt des mit Partikeln beladenen Gases durch den Filter zunächst die größeren Partikel auf der Oberfläche abgeschieden werden und die Poren des Filters teilweise verstopfen. Mit fortschreitender Partikelabscheidung baut sich ein Filterkuchen mit zunehmender Dicke auf der Oberfläche des Filtertuchs auf, der wiederum selber wie ein Filter wirkt und die Abscheideleistung und den Abscheidegrad erhöht. Mit einer relativ weiten Filtermasche lässt sich somit also während des Betriebes ebenfalls ein hoher Partikelfeinanteil aus dem Gasstrom eliminieren. Da sich allerdings auch in gleichem Maße mit dem anwachsenden Filterkuchen der Strömungswiderstand beim Gasdurchtritt durch den Filter erhöht, muss der Filter in regelmäßigen Abständen ausgetauscht oder gereinigt werden. In industriellen Anwendungen findet man häufig Filterschläuche, die als hängende Sackfilter ausgebildet sind und allgemein aus den verschiedensten textilen Faserstoffen hergestellt werden können. Diese Filterelemente sind einfach und robust aufgebaut, kostengünstig und leicht austauschbar. Üblicherweise werden mehrere Filterelemente in einem Filtergehäuse parallel aufgehängt, indem sie von außen über einen Drahtkäfig gezogen und im oberen Bereich mit dem Absaugrohr verbunden werden. Der Gasdurchtritt erfolgt von außen nach innen, wobei sich die mitgeführten Staubpartikel außen auf dem Tuch absetzen und dort den erwähnten Filterkuchen aufbauen. Die Regeneration oder das Abreinigen der Filtertücher erfolgt im Allgemeinen durch periodisches mechanisches Abschütteln des aufgebauten Filterkuchens mittels Vibrationsmotor oder durch Rückspülen mittels Druckstoßimpuls über Venturi-Düsen von innen, wobei sich in den Versuchen der Filter nach aussen aufgewölbt hat und der Kuchen abgesprungen ist. Betriebliche Einsatzgrenzen Normalen Tuchfiltern sind enge Grenzen gesetzt bezüglich der maximalen Einsatztemperatur, die dauerhaft nicht wesentlich über 100°C liegen sollte. Spezielle Textilien für die Heissgasentsubung weisen Arbeitsbereiche bis 260 °C auf, was für den Einsatz in Biomassevergasungsanlagen mehr als ausreichend ist. Durch spezielle Veredlungsverfahren, wie z.B. einer Teflonbeschichtung, können besondere funktionale Eigenschaften der Filteroberfläche erzwungen werden, die zum Beispiel das Abreinigen bei klebrigem Filterrückstand erleichtern. Wichtig ist die Einhaltung der zulässigen Druckdifferenzen beim Saugbetrieb und während des Abreinigens, da durch Überschreiten dieser Werte der mechanische Stress in dem Filtertuch zu groß werden kann und es zu Ermüdung oder gar zum spontanen Riss des Filtertuches kommen kann. Nicht nur aus diesem letzten Grund verbietet sich für die konventionelle Druckstoß-Impulsregenerierung von Tuchfiltern für die Holzgasreinigung die Verwendung von normaler komprimierter Luft, da hierdurch Sauerstoff in das System eingetragen wird und es zur Entzündung des Holzgases und damit zur Verpuffung innerhalb des Filters kommen kann. Verhalten im Normalbetrieb und im Fehlerfall Es wird also deutlich, dass der optimale Gasfilter immer ein Kompromiss aus zahlreichen Einflussparametern der Gesamtanlage darstellt. Aus Sicht der verbrennungsmotorischen Effizienz muss der Druckabfall über den Filter so gering wie möglich sein. Um den verbrennungsmotorischen Verschleiß zu minimieren, muss der Abscheidegrad des Filters möglichst maximiert werden, was aber eine Kontraindikation zu der Forderung nach minimalem Druckabfall darstellt. Größe von deutlich kleiner als 10


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Mikrometer mit einem erheblichen Druckverlust von einigen 100 mbar einher gehen wiederum zu deutlich gesteigerten Investitionskosten für die Filteranlage führt. Aus Zuverlässigkeits- und wartungstechnischen Gesichtspunkten ist ein möglichst großer Einsatztemperaturbereich des Filtermaterials anzustreben, da die klassischen Temperaturobergrenzen für konventionelle Tuchfilter einen gewissen zusätzlichen technischen Aufwand für das sichere Herunterkühlen des heißen Synthesegases erfordern. Allerdings reicht der Einsatztemperaturbereich klassischer Tuchfilter ohnehin schon dicht an die untere Temperaturgrenze heran, ab welcher bereits teerhaltige Kondensate ausgeschieden werden können, was wiederum das grundsätzliche Potenzial birgt, die Filter schnell und nachhaltig zuzusetzen. Gewisse Textilienarten scheiden daher von vornherein für die Heißgasentstaubung aus. Weiterhin muss das gewählte Filtermaterial robust gegenüber mechanischer Ermüdung sein, die durch das Abreinigen mittels Vibrationsmotor auftreten könnte, sowie extremen mechanischen Stressbelastungen, zum Beispiel aufgrund einer Verpuffung oder einer Gegenstromspülung, standhalten. Die einzelnen Fasern dürfen sich nicht gegeneinander verschieben und es darf nicht zu einer Aufweitung der Maschengröße kommen. Die Abreinigung des Filtermaterials muss möglichst einfach, schnell und vollständig erfolgen unter stets gleichbleibendem Abreinigungsfaktor. Idealerweise ist die Lebensdauer des Filterelements gleich der Lebensdauer der Gesamtanlage, sodass unter normalen Betriebsbedingungen niemals eine Wartung des Filters bzw. ein Austausch der Filterelemente erforderlich sein würde. Auch soll es während der Abreinigung zu keiner „Verdünnung“ oder „Verschleppung“ des kalorischen Heizwertes des Synthesegases kommen, da hierdurch die motorische Leistung beeinflusst wird, weshalb für die Reinigung mittels Rückspülverfahren gewisse Grenzen bezüglich der hierfür verwendeten Gasqualität und Gasmenge gesetzt sind. Der Gasfilter muss in jedem Fall dauerhaft zuverlässig gasdicht sein. Es darf unter keinen Umständen Synthesegas nach außen dringen, da bereits in geringen Konzentrationen die Toxizität des Synthesegasbestandteils Kohlenmonoxid hoch ist (MAK Wert 30/60 ppm) und es darf unter keinen Umständen Luftsauerstoff nach innen eindringen, da sonst Explosions- oder Verpuffungsgefahr besteht. Da theoretisch Betriebszustände auftreten können, in denen sich ein zündfähiges Gas-Luft-Gemisch innerhalb des Filtergehäuses befindet, muss der Filter nach Ex-Schutz Kriterien gebaut sein und einer Verpuffung grundsätzlich standhalten können. Die Ausbringung der abgeschiedenen Aschepartikel sollte möglichst automatisch oder semiautomatisch erfolgen und keine temporäre Abschaltung der Anlage erfordern. Im Gegenzug sollte während des Ausbringungsvorgangs keine Fremdluft von außen in das Filtergehäuse eindringen können sowie kein Synthesegas von innen nach außen entweichen können. Dies setzt ein gewisses System an Schleusen und Sicherheitsbarrieren voraus. Weiterhin sollte der Filter automatisch druck- und temperaturüberwacht werden, um so Informationen über seinen funktionalen Status erhalten zu können. Ein derartiges Filtersystem würde abgerundet durch einen kleinen nachgeschalteten, ebenfalls überwachten Sicherheitsfilter, der sich im unwahrscheinlichen Falle eines Versagens der Hauptfilterelemente schnell zusetzt und die Anlage damit kontrolliert abschaltet. Da durch eine Fehlfunktion des Vergasers ein Verteeren des Filters und der Filterelemente auftreten könnte, sollten möglichst viele Teile des Filters, insbesondere aber die Filterelemente, thermisch zu reinigen und zu regenerieren sein, um keine Rückstände aus belasteten Lösungsmitteln zu erzeugen. Gewählter Lösungsansatz: Drahtgewebefilter

Für die Lösung des komplexen Problems wurde eine Konstruktion aus einer mehrstufigen Anordnung verschiedener Filterprinzipien gewählt. Hierbei kann zunächst optional in den Heißgasstrom direkt nach dem Vergaser ein einfacher Zyklonabscheider geschaltet werden, welcher die groben Staubbestandteile herausfiltert. Der Synthesegas-Hauptfilter besteht aus einer redundanten Anordnung von hochtemperaturfesten und korrosionsresistenten Drahtgewebefiltern, die in einem Rückspülverfahren abgereinigt werden. Drahtgewebefilter gibt es in einer breiten Variation von Formen, Materialien, Gewebearten und Maschenweiten. Für die Filterung von Synthesegas wurde ein mehrlagiges


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Verbundgewebe aus Edelstahl verwendet, welches problemlos dauerhaft Temperaturen bis 500 °C standhalten kann, ohne relevante Alte- rungs- oder Ermüdungserscheinungen aufzuweisen. Mit diesen Grundvoraussetzungen wurde der Gasfilter dauerhaft in einem Temperaturbereich oberhalb 120°C betrieben. Aus gesamthafter Überlegung heraus sollte die normale Betriebstemperatur auf ca. 200°C max. begrenzt werden, was zum einen ausreichend Systemreserve für betriebsbedingte kurzzeitige Temperaturerhöhungen lässt und zum anderen die Wahl kosteneffektiver Materialien für alle weiteren Komponenten und Anbauteile des Filters lässt. Das Rückspülen erfolgte in klassischer Variante mit einem kurzen, energiereichen Druckimpuls durch eine Venturi-Düse von innen in die Filterkerze, wobei darauf zu achten ist, dass hierfür aus Sicherheitsgründen ein komprimiertes Inertgas verwendet wird. Eine Unterstützung durch einen Vibrationsmotor ist empfehlenswert. Der Filter soll auch nach Projektende weiterentwickelt werden, sodass er über eine Steuerungslogik verfügt oder in die gesamthafte Anlagensteuerung eingebunden ist, die neben einer Druck- und Temperaturüberwachung auch den Ascheaustrag aus dem Filter heraus steuert.

Abb 11: Prototyp des entwickelten Drahtgewebefilters 2.1.3.6 Versuchsergebnisse zur elektrischen Leistungsbestimmung Bevor das Gas dem Motor zugeführt wurde, wurde es an einer Fackel vor dem Motor erneut abgefackelt. So ließ sich die optimale Qualität überprüfen.


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Abb. 12: Abfackeln des Holzgases vor dem Start des BHKWs In Tabelle 2 ist die elektrische Energie dargestellt, die sich aus Rapsölkuchen und Holz gewinnen lässt. Die berechneten höheren Heizwerte der getrockneten Rapskuchen im Vergleich zu Holz spiegelten sich auch in der Leistungsmessung am Generator wider (siehe Abb. 13). Aus einem kg Rapskuchen können demnach durchschnittlich 1,4 kWh Strom erzeugt werden. Der elektrische Energiegehalt von Holz liegt nach den vorliegenden Untersuchungen bei ungefähr 1,1 kWh pro kg Holz. Tab. 2: Elektrische Leistungsmessung Elektrische Energie:

aus trockenem Rapskuchen: Versuchsergebnisse Energiegehalt (el.) Produktgas 1,4 kWh/kg Menge ca. 30 kg/h Erzeugte Energie (el.) ca. 39 kW/h aus Holzhackgut: Versuchsergebnisse Energiegehalt (el.) Produktgas ca.1,1 kWh/kg Menge ca. 30 kg/h Erzeugte Energie (el.) ca. 30 kW/h


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Abb. 13 : Leistungsmessung bei der Vergasung von Rapskuchen Ist die Gasqualität nicht optimal oder der Motor nicht auf die Gasmischung eingestellt, kann es zu Fehlzündungen kommen.

2.1.3.7 Dauerbetriebsergebnisse:

Die Versuchsanlage zur thermochemischen Vergasung wurde in einem eigens dafür errichteten Stahlstrukturgebäude errichtet, dass an den Infrastrukturtrakt des Mühlengebäudes angeschlossen ist (siehe Abbildung 14).

Abb. 14: Biomassevergasungsanlage im Container vor der Ebert Mühle


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Im Rahmen des Projektes wurden die technischen Versuchsarbeiten an der thermochemischen Versuchsanlage durchgeführt und eine breite Versuchsreihe zum Vergasungsverhalten unterschiedlicher Rapskuchenstücke gemacht. Hierbei wurde vom Fördernehmer großer Wert auf das Brennverhalten, die Aschebeschaffenheit sowie das Staubverhalten der Rapskuchenstücke gelegt. Empirische Ermittlungen haben ergeben, dass Rapskuchenstücke aus der Rapspresse, die ohne Matrix entnommen werden und eine flächige Struktur haben nicht gut geeignet sind. Werden diese ähnlich einer Pelletpresse durch eine Matrix aus dem Pressengehäuse geführt, ergibt sich das Bild, dass zu grobkörnige Pellets (>2,0cm) ein zu schlechtes Brennverhalten aufweisen. Als aus den Versuchen ideal ermittelt sind Rapspellets, die mit 1,0 cm Durchmesser und einer maximalen Kantenlänge von 3,0 cm in die Versuchsfeuerung gegeben wurden. Asche aus diesen Feuerungsversuchen hat das beste Förderverhalten und Abscheideverhalten gezeigt. Ergebnis ist ein beinahe kohlenstoffreier Ascherest (siehe Abb.15).

Abb. 15: Asche aus dem thermischen Versuchsbetrieb mit Rapskuchen Während dieser Versuche wurde erkannt, dass auf Grund des hohen Brennwertes die thermische Belastung der eingesetzten Materialien im Reaktorbereich zu extrem geworden wäre, als das wie ursprünglich geplant eine Nutzung herkömmlicher Stahlsorten gefahrlos infrage käme (siehe Abb. 16).

Abb. 16: Blick in den Reaktorkern


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In der Folge wurde der Hochtemperaturbereich des Reaktors einer Modifikation unterzogen und ein hochlegierter Stahl für die Röhrenführung sowie eine eigens bei einem Zulieferer angefertigte Hochtemperatur-Keramik erstellt. Diese Hochtemperatur Keramik wurde auf Grund der Mahlversuche in einer speziellen 3D Form angefertigt und in mehreren Anläufen von dem Spezialkeramikhersteller Friatec gebrannt (siehe Abb. 17). Das Material ist Aluminiumoxid-Keramik, deren hohe Temperatur- und Säurebeständigkeit für den Reaktorbereich ausschlaggebend war.

Abb. 17: Modifizierter Reaktorkegel aus Hochtemperatur-Keramik (links nach der Produktion, rechts nach Einbau in Reaktor mit Blick von oben) Im Bereich der motorischen Nutzung wurde nach der Errichtung ein technischer Probebetrieb von über 3.500 Betriebsstunden absolviert. Abbildung 18 zeigt die Ergebnisse nach 3.500 h Probebetrieb, Abbildung 19 das Blockheizkraftwerk und Abbildung 20 die Gasregelstrecke und den Schaltschrank.


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Abb. 18: Daten des BHKW Probebetriebs

Abb. 19: BHKW Installation (über 3500 Betriebstunden)

24.06.09 01.10.09 02.11.09 01.12.09 02.01.10 01.02.10 01.03.10 31.03.10 03.05.10

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

Gas (Mwh)Wärme (Mwh)Strom (Mwh)Betriebsstunden


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Abb. 20: Blick in den errichteten BHKW Raum mit Gasregelstrecke und Schaltschrank Tabelle 3 (handschriftliches Original im Anhang) zeigt die Betriebsdaten des BHKW:

Datum Gaszähler (m³)

Wärmezähler (Mwh)

Stromzähler (Mwh)

Dampfzähler (kWh)

Betriebszähler (h)

24.06.09 46,3 0 0 0 0

01.10.09 14394 35,44 0 0 474

02.11.09 19240 47,5 64,8 0 628

01.12.09 20146 49,66 67,96 510 657

02.01.10 33147 80,24 115,07 22862,5 1044

01.02.10 53961 136,73 202,18 68990 1741

01.03.10 75250 179,17 268,39 102215 2331

31.03.10 94520 224,26 338,23 139677 2931

03.05.10 112903 267,65 402,73 174705 3526

01.06.10 127456 302,78 453,19 202237 3980

01.07.10 141931 333,74 501,35 225237 4427

30.07.10 150843 352,22 531 238132 4694

31.08.10 155549 354,22 Brandschaden

01.12.10 163892 380,66 575 259744 5112

31.12.10 186625 431,08 657 302014 5825

01.02.11 210256 485 743 345835 6586 Insgesamt wurde das Blockheizkraftwerk bis zum Brandschaden am 13.8.2010 knapp 5000 Betriebsstunden gefahren. Seit dem 12.11.2010 kamen rund 1500 Betriebstunden hinzu.


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Betriebszähler (h)

01000200030004000500060007000

Jun

09

Sep 0

9

Dez 0

9

Mrz

10

Jun

10

Sep 1

0

Dez 1

0

Betriebszähler (h)

Abb. 21: Betriebszählerstände von Juni 2009 bis Dez. 2010 Es wurden bis Ende 2010 186.625 Kubikmeter Gas verbraucht. Da zusätzlich das Synthesegas mit unterschiedlichem Heizwert zugeführt wurde, sind Schwankungen im Gasverbrauch gerade während des Dauertest von Februar 2010 bis August 2010 erkennbar.

Gaszähler (m³)

0

50000

100000

150000

200000

250000

Jun

09

Aug

09

Okt

09

Dez

09

Feb

10

Apr

10

Jun

10

Aug

10

Okt

10

Dez

10

Feb

11

Gaszähler (m³)

Abb 22: Gaszählerstände von Juni 2009 bis Dez. 2010 Bis zum Brandschaden am 13.8.2010 wurden 531 MWh Strom erzeugt. Nach Wiederinbetriebnahme am 12.11.2010 kamen über 200 MWh hinzu.

Stromzähler (Mwh)

0100200300400500600700800

Jun

09

Au

g 0

9

Okt

09

De

z 0

9

Fe

b 1

0

Ap

r 1

0

Jun

10

Au

g 1

0

Okt

10

De

z 1

0

Fe

b 1

1

Stromzähler(M wh)

Abb 23: Stromzählerstände von Juni 2009 bis Dez. 2010


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Bis zum 13.8.2010 wurden 353 MWh Wärme ausgekoppelt und innerbetrieblich zur Hefe-, Flocken- und Getreidetrocknung genutzt. Nach dem Neustart im November wurden weitere 130 MWh Wärme erzeugt und innerbetrieblich genutzt.

Wärmezähler (Mwh)

0

100

200

300

400

500

600

Jun

09

Sep 0

9

Dez 0

9

Mrz

10

Jun

10

Sep 1

0

Dez 1

0

Wärmezähler(M wh)

Abb 24: Wärmemengenzählerstände von Juni 2009 bis Dez. 2010 Seit Juni 2009 wurde das Blockheizkraftwerk mit Erd- und Synthesegas betrieben. Probleme gab es mit einem zu hohen Heizwert des Produktgases, der den Seitenkanalverdichter und den ursprünglichen Rost beschädigte. Daraufhin wurde ein innovativer Kegel aus Hochtemperaturkeramik entwickelt (siehe Abb. 17), der in Versuchen seine Praxistauglichkeit unter Beweis gestellt hat. Es gab am 13.8.2010 einen Brandschaden, dessen Ursache noch nicht geklärt ist und von der Versicherung untersucht wird. Zum jetztigen Zeitpunkt muss von Brandstiftung ausegangen werden, da sich Anwohner über die Geräusche und Gerüche während den Versuchen beschwert hatten. Ein Dauerbetrieb mit Synthesegas ist daher erst ab Frühjahr 2011 möglich.

2.2 Zahlenmässiger Nachweis: Einnahmen und Ausgaben Zahlenmäßiger Nachweis gem. Nr. 19.3 NKBF 98 für die Zeit vom 01.07.2008 bis 30.06.2010:

Position Gesamtvorkalkulation (€) Gesamtnachkalkulation (€)*)

0813 Material 71000 71000

0823 FE-Fremdleistungen

0837 Personalkosten 139976,97 139976,37

0838 Reisekosten

0847 Abschreibungen auf vorhaben-spezifische Anlagen


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0848 Abschreibungen auf sonstige ge-nutzte Anlagen des FE-Bereichs

0850 sonstige unmittelbare Vorhaben-kosten

4000 4000,00

0855 Summe unmittelbare Vorhaben-kosten (Pos. 0813 – 0850)

214976,97 214976,97

0856 Kosten innerbetrieblicher Leistungen 0 0

0860 Verwaltungskosten 0 0

0881 gesamte Selbstkosten des Vorhabens (Summe Pos. 0855 – 0860) 214976,97 214976,97

Die Kosten wurden planmässig eingehalten. Die enstandenen Mehrkosten im Wastepowerprojekt wurden vom Projektnehmer aus dem normalen Etat getragen. Durch Materialprobleme und einem Brandschaden kam es zu Verzögerungen im Projekt, sodass das Projekt bis Ende 2010 verlängert werden musste (Ende geförderter Vorhabenslaufzeit 30.6.2010).

2.3 Notwendigkeit der Zuwendung (Wissenschaftlich-technisches und wirtschaftliches Risiko mit Begründung der Notwendigkeit staatlicher Förderung)

2.3.1 Risikoabschätzung Die Risiken bei unserem Vorhaben liegen vor allem in der Wirtschaftlichkeit und der Anlagenverfügbarkeit im Dauerbetrieb.

Wirtschaftlichkeit Die Wirtschaftlichkeit hängt derzeit unter anderem von den politischen Rahmenbedingungen im Strommarkt ab. Das Erneuerbare Energien Gesetz regelt die Einspeisevergütung für den regenerativ erzeugten Strom. Es gibt dem Erzeuger von Strom aus erneuerbaren Energien das Recht, sein Produkt an das öffentliche Netz zu verkaufen(derzeit). Bei Veränderungen des Gesetzes müsste die Wirtschaftlichkeitsberechnung entsprechend korrigiert werden. Trotzdem liegen die Verbraucherpreise von Strom für Kleingewerbe, stellenweise unter den Vergütungssätzen für erneuerbaren Strom im Rahmen des EEG. Sollte es zu einem politisch motivierten Wegfall der Vergütungsgarantie kommen, wird sich die Gesamtwirtschaftlichkeit bei Eigennutzung im Wesentlichen nicht verändern. Ebenfalls ist eine Interaktion von Kleinerzeugern mit dem Verbundnetz europapolitisch gewollt, so dass aus der supranationalen Gesetzgebung eine erhebliche Sicherheit für Kleinerzeuger resultiert. Anlagenverfügbarkeit Die mögliche Anlagenverfügbarkeit (Jahreslaufzeit) für die unterschiedliche Biomasse stellt sich erst in weiteren durchzuführenden Dauertests heraus. Hierin werden erst Rückschlüsse auf die Wartungsintensität und damit der durchschnittlichen Jahreslaufleistung möglich sein. Verschiebungen in der Verfügbarkeit können erst in dieser Phase ermittelt werden.

Der Holzvergaser wurde allerdings bereits in einem Exist Seed-Projekt einem 3.000-stündigen Dauertest an einer Versuchsanlage am Bodensee unterzogen. Ziel war es, eine Grundlage für wirtschaftliche Betrachtungen und die Anlagenverfügbarkeit für Holzhackschnitzel zu schaffen. Zur Überwachung der am Generator anliegenden elektrischen Leistung wurde daher eine spezielle Messapparatur entworfen, die eine computergestützte Aufzeichnung der Leistungsdaten ermöglicht hat.


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Die im Hyperterminal während der Versuchsdauer von 3.000 h auf dem PC aufgezeichneten Datensätze ergaben in der grafischen Darstellung als 10 Minuten Mittelwerte folgende Darstellung. Aufgrund der positiven ersten Erfahrungen besteht die Bestrebung, breite Anwendungen in der netzgekoppelten und insel-betriebenen Strom- und Wärmeversorgung von Wohnungs-, Industrie und Umweltschutzprojekten zu erschließen.

Verfügbarkeit der Biomasse

Mit den knapper werdenden fossilen Brennstoffen und damit steigenden Preisen, wird es für die Energieversorger in Zukunft interessanter werden, auch in Großkraftwerke für Biomasse zu investieren. Biomasse wäre damit sicherlich schwieriger zu konstanten Preisen zu bekommen. Hieraus ergibt sich aber sogar ein Wettbewerbsvorteil, da durch kurze Logistikwege wesentlich flexibler auf den Markt reagiert werden kann. Wastepower benötigt durch das betriebsintegrierte Konzept keine langfristigen Lieferverträge mit Fremdanbietern. Es findet keine Entkoppelung der Rohstoffkosten und der internen Energieerzeugungskosten statt, da der Betrieb Mühle Ebert Dielheim Rapssaaten in jedem Fall zum Marktpreis erwerben muss.

2.3.2 Begründung der Notwendigkeit staatlicher Förderung Dauerhaftigkeit der Komponenten

Mit den Ergebnissen des BMBF Exist Seed Vorhabens konnte die generelle Tauglichkeit der Anlage in dem Zeitraum von 3.000 Stunden nachgewiesen werden. Die generelle Praxistauglichkeit und Funktionalität sagt jedoch noch nichts über die dauerhafte Stabilität des Sytems aus, wobei besonders der Materialverschleiß an Brennraum und am Vergasungsrost Problembereiche sind, wie sich bereits im Dauerversuch andeutete. Hier ist Experimentieren gefragt, um die richtigen Materialien und Werkstoffe herauszufinden (siehe Entwicklung Keramikrostkegel, Drahtgewebefilter). Da diese kostenintensiv sind, ist eine staatliche Förderung notwendig, weil das System in der Experimentierphase nicht mit der erwarteten und für den kommerziellen Erfolg notwendigen Verfügbarkeit aufwarten kann.

Im detaillierten Finanzierungsplan sieht man, dass die erfolgreiche Verwirklichung der Projektidee nur mit den Förermitteln möglich war. Eine kritische Phase werden noch die Jahre 2011 bis 2013 sein, da die Entwicklungs- und Produktionskosten die Einnahmen durch Pilotprojekte übersteigen werden.

Mit der möglichen Aufnahme von Risikokapital könnte die notwendige ingenieurwissenschaftliche Vorbereitung für den Markteintritt mit der notwendigen Tiefe und Sorgfalt betrieben werden, damit eine solide Ausführung der Anlagentechnik gewährleistet werden kann und die Risiken bei Auslieferung an Neukunden für beide Vertragspartner minimiert werden.


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2.4 Verwertung der wirtschaftlichen und wissenschaftlich-technische Ergebnisse, Nutzungsmöglichkeiten

2.4.1 Hintergrund

Bioenergie ist gespeicherte Sonnenenergie und gilt bei nachhaltiger Land- und Forstwirtschaft als CO2-neutral, verstärkt also nicht den Treibhauseffekt. Wegen dieses zentralen Vorteils wird sich der Anteil an Energie aus Biomasse laut einer Studie des Ölkonzerns Shell bis zum Jahr 2010 mehr als verdoppeln. Sowohl die aktuelle Studie des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt zur Entwicklung der Stromversorgung in Deutschland bis 20501 als auch das Weissbuch2 zur Zukunft der Energieversorgung der Europäischen Union bestätigen diese Sichtweise. Förderpolitik auf eine Steigerung der dezentralen Bioenergie ausgerichtet Die Europäische Union verfolgt parallel dazu mit dem 6. und 7. Forschungsrahmenprogramm sowie der Campaign for Take-Off und dem Programm Intelligent Energy Europe eine detaillierte Strategie zur massiven Steigerung der Energieversorgung aus Bioenergie. Konkret sollen hiernach bis 2010 über 1.000.000 Gebäude mit Bioenergie beheizt werden und 10.000 MW an thermischer Leistung von Biomasse-Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen errichtet sein. Anlagenkunde ist Teil der regionalen Wirtschaftskette – kein Mittelabfluss für Energie Die betriebsintegrierte Nutzung von dezentralen Vergasungsanlagen zur Verwertung eigener oder lokal anfallender Reststoffe bringt einen direkten Beitrag zur Minderung der Energieausgaben eines Unternehmens. Diese werden sonst als direkter Mittelabfluss ohne nachhaltige Wertschöpfung wahrgenommen, stellen bei Schwankungen einen erheblichen Risikofaktor für Kalkulationen dar und schmälern obendrein die Kapitalbasis, ohne nachhaltige Steigerungen der Wertschöpfung zu erlauben. Robuste Anlage + bewährte Technik + geringe Investitionskosten = geringes Risiko Die Miniaturvergasungsanlage ist im Aufbau sehr robust gestaltet, weil sie in allen Kernkomponenten auf bewährter Technik basiert. Sie wird wegen einer breiten Nutzung von Serienteilen für Kernelemente, wie Gasmotor und Generator, einen niedrigen Anschaffungspreis besitzen. Durch die Kombination eines hohen Wirkungsgrades, einer robusten Ausführung mit bewährter Technik, einer generellen Offenheit für unterschiedliche Reststoffe und einer einfachen Bedienung der Anlage, wird dem Betreiber die Möglichkeit einer profitablen und nachhaltigen Nutzung seiner Reststoffe ermöglicht. Erfolgsrezept - innerbetriebliche Verwertung von Abfällen zu Strom und Wärme Im Anlagenkonzept Wastepower steht neben der Erzeugung und dem Verkauf von Strom, bzw. der Herstellung und Nutzung von Wärme im Betrieb, vor allem auch die Entsorgung und Behandlung von Holzabfällen oder anderen Biomassen im Vordergrund. Hierdurch kann der Kunde einen zusätzlichen Wirtschaftlichkeitsfaktor erschließen und Wettbewerbsnachteile durch andere Faktoren kompensieren. Wirtschaftliches Expansionspotenzial – Nutzung regionaler Biomassen wie Waldholz Neben den biogenen Reststoffen, die je nach betrieblichem Anwendungsfall nur begrenzt zur Verfügung stehen, wird gerade Holz als erneuerbarer Energieträger in Zukunft immer mehr an Bedeutung gewinnen. Jährlich bleiben derzeit in Deutschland noch rund 8 Mio. t Waldholz und 1,8 Millionen t Sägespäne ungenutzt. Hinzu kommen die oftmals als nicht verwertbar

1 Studie des Deutschen Zentrums Luft- und Raumfahrt, Stuttgart, 2004 zur Zukunft der Stromversorgung in Deutschland unter Aspekten des Klimaschutzes 2 EU Comm 599/1997 Weißbuch Energie für die Zukunft – Erneuerbare Energieträger


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eingestuften Grünabfälle aus der Landschaftspflege, den Straßenmeistereien bzw. den Gewässerpflegearbeiten. Diese könnten bei energetischer Nutzung über 3 Millionen t Heizöl einsparen! Eine dezentrale Nutzung dieser in einer Wastepoweranlage ist möglich und schon heute wirtschaftlich sinnvoll. Fichtner-Studie3 belegt – Wirtschaftlichkeit von Kleinvergasern gegeben. Derzeit zeichnet sich im Markt sowie der Forschung und Entwicklung der im Anlagenbau hinreichend bekannte Trend zu großen Kraftwerken ab. Dies wird durch die Öffnung des Erneuerbare Energien Gesetzes (EEG) auch für Großanlagen bestimmt. Trotzdem liegt die Wirtschaftlichkeitsgrenze von Großanlagen bei einem Mischpreis von ca. 50 €/t Holz. Gerade dies ist in Zeiten der LKW-Maut und steigender Brennstoffpreise nicht frei von Risiko, weil der Brennstoff und dessen Logistik mit 50% Kostenanteil der Hauptfaktor für die Wirtschaftlichkeit einer Biomasseanlage ist. Wastepower – Kleinanlage öffnet den Markt Mittelstand, Handwerk und Landwirtschaft Die im Projekt zu errichtende Biomassevergasungsanlage zeichnet sich, neben ihrer viel versprechenden Wirtschaftlichkeit und wegen des kleinen Leistungsbereiches auch interessanten Kostenprofils, vor allem durch eine Vielseitigkeit in der technischen Anwendung aus. Dies bedeutet, dass der Optimierung des Verfahrenskonzeptes auf eine Verwertung von unterschiedlichster Biomasse nichts im Wege steht, weil Versuche4 bereits die generelle Eignung des Verfahrens für Rapskuchen, Traubentrester, Pferdemist, Holzhackschnitzeln und Klärschlamm belegt haben. Wastepower eröffnet internen Mirko-Entsorgungsmarkt für kleine und mittlere Betriebe Das Marktkonzept von Wastepower setzt dabei auf Dezentralität und eine adaptierte Anlagengröße. Hierdurch werden Logistikwege für Brenn- und Reststoffe eliminiert, Versorgungssicherheit erreicht und transportgebundene Emissionen vermieden. Die Anlagengröße ist dabei so gewählt, dass auch kleinere Betriebe wirtschaftlich die Anlage betreiben können, da der Strom mit gesetzlich festgeschriebenen Vergütungssätzen verkauft wird und die entstehende Wärme vor Ort genutzt werden kann. Verkauf / Vertrieb Ein Vertreternetz ist vorerst nicht geplant, da eine Webseite angelegt wird, in der sich Interessenten mit genauen Angaben zum Standort und Energiebedarf eintragen können. Die Standorte können dann analysiert und sich mit dem Kunden in Verbindung gesetzt werden. Marktbeurteilung Der Markttrend bei der Energieversorgung gerade in ländlichen Gebieten geht eindeutig in die kombinierte Nutzung der Wärme und Strom. Das EEG und der starke Preisanstieg bei den fossilen Brennstoffen ist hierfür verantwortlich. Das Wastepowerkonzept bietet geanu für diesen Markt mit seiner kompakten Containerlösung eine Lösung an. Eintrittsbarrieren stellen momentan noch die nicht triviale Technik und noch mangelnde Nachweise über Dauertests dar. Diese werden für das nächste Entwicklungsjahr dokumentiert.

3 Fichtner Ingenieure 2002 – Markt- und Kostenentwicklung von Energie aus Biomasse, Studie im Auftrag des Deutschen Bauenverbandes, des Bundesverbandes Bioenergie, des VDMA, und des Fachverbandes Bioenergie 4 1. Holzvergaserstammtisch in Luplow 2005 – Versuche der Martin-Luther-Uni Halle zur thermochemischen Vergasung unterschiedlicher landwirtschaftlicher Biomassen


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2.4.2 Neuheit des Lösungsansatzes

EU Biotreibstoffverordnung treibt den Markt - Rapsschrot wird vom Roh- zum Abfallstoff Die EU Biotreibstoffverordnung (2003/30/EC) verlangt von den Mitgliedsstaaten eine 5,75%ige Beimischung von Biotreibstoffen zu Mineralölprodukten. Diese Direktive schafft einen stabilen Markt für Rapsölprodukte (Biodiesel, Pflanzenöl) im Treibstoffsektor. Viele Ölmühlen stellen sich schon heute darauf ein und haben Ihre Produktion entsprechend deutlich nach oben angepasst. Projektpartner ist im Biotreibstoffmarkt aktiv und sieht Entsorgungsproblem Die Mühle Ebert Dielheim GmbH hat bereits ihren gesamten Fuhrpark auf die Nutzung von naturbelassenen Pflanzenöl ausgerichtet. Durch die vielerorts zu verzeichnenden Produktionssteigerungen bei Rapsöl ist jedoch der traditionelle „Entsorgungsmarkt“ für Rapsschrot - die Futtermittelindustrie - zunehmend weniger bereit, die erzeugten Kapazitäten aufzunehmen, da eine zu große Beimengung dieser Ballaststoffe zu Verdauungsstörungen bei Tieren führen kann. Die aus diesem Zusammenhang resultierende Abnahmeunsicherheit soll in dem Projektvorhaben Wastepower durch eine innerbetriebliche Nutzung kompensiert werden. Wastepower = biomassebasierte Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) im kleinen Leistungsbereich Da das Konzept Wastepower auf einer Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) im kleinen Leistungsbereich (<100 kW) basiert, ist eine effiziente Brennstoffverwertung nicht nur für Holz, sondern auch für Reststoffe wie Rapskuchen garantiert. Ebenfalls ist eine große Jahresnutzung zu erwarten, da die erzeugte Wärme ebenfalls in das Netz der Mühle gespeist werden wird. Wastepower integriert regenerative Wärme- und Stromerzeugung aus Reststoffen Mit einem Wastepower Konzept kann für kleinere Gewerbeeinheiten, landwirtschaftliche Betriebe und für größere Haushalte eine netzgekoppelte Energieversorgung geschaffen werden, die nachwachsende Rohstoffe zur klimaneutralen Stromerzeugung nutzt, die über das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) gesetzlich garantiert eine 20-jährige Vergütung für den erzeugten Strom erfährt und dem vieldiskutierten Regenerativen Wärmegesetz einer CO2- neutralen Bereitstellung von Wärmeenergie genügt.

2.4.3 Verwertungsplan

Der Zuwendungsemfänger, die Mühle Ebert Dielheim GmbH, ist ein Beispiel eines innovativen KMU mit starken regionalen Wurzeln. In der Mühle Ebert Dielheim GmbH werden hochwertige Futtermittel für Pferde aus regionalen Rohstoffen mit einem ökologischen Anspruch hergestellt. Folglich ist das Unternehmen bestrebt auch im Bereich der Energieversorgung betriebsinterne Potenziale zu nutzen. Zur Mühle Ebert Dielheim GmbH gehört eine technische Abteilung, die die hauseigenen Geräte wartet und auch zum Teil Sonderanfertigungen herstellt. Die Experten des hauseigenen Anlagenbaus haben das Vorhaben nach Kräften unterstützt. Die Kernkomponenten der Energieverwertung stammten jedoch aus marktverfügbaren Teilen. Hierbei wurden die Geräte und die Technologie nach den Vorgaben der von der Mühle Ebert Diehlheim für das Projekt beschäftigten Experten von externen Partnern eingekauft und dann die Anlage gemeinsam mit dem hauseigenen Personal errichtet und kommissioniert.


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Die für das Projekt angestellten Experten brachten sämtliche Technologien und das Fachwissenein für den Aufbau der Gestaltung der thermochemischen Vergasungsanlage in das Projektvorhaben ein. Diese werden an der weiteren Verwertung der entwickelten und nun im Projektvorhaben erprobten Technologie partizipieren. Entwicklungen im Projekt werden gemeinsam weitervermarktet. Dies gilt auch für etwaige patentwürdige Erfindungen, die bei der weiteren, gemeinsamen Entwicklung entstehen können. Die Mühle Ebert GmbH hat das Ziel, weitere Anlagen desselben Typs auf dem Betriebsgelände und weiteren Standorten errichten, um die Umweltbilanz des Gesamtunternehmens weiter zu verbessern. Es ist mittelfristig geplant den gesamten Energiebedarf des Unternehmens auf Kraft-Wärme-Kopplung mit Bioenergie aus vorwiegend hauseigenen, biogenen Reststoffen zu generieren. Diese Vorteile eines Wastepower Konzepts zeigen sich auch im direkten Vergleich mit anderen am Markt gängigen Energiesystemen. Vergleich: Wastepower mit am Markt gängigen Energiesystemen: Wastepower

Holzvergaser mit BHKW Konventionelle KWK BHKW, fossiler Brennstoff

Holzöfen/Kessel Verbrennungsprozess

Elektrische Leistung (kW) 15-50 15-50 keine

Heizleistung (kW) 30-100 30-100 30-100

Brennstoff Biomasse, Holz Heizöl, Erdgas Holz

Nebenprodukte Asche (Dünger), Aktivkohle, Abgas

Abgas Asche, Feinstaub

Umwelt CO2 neutral klimaschädliche Gase CO2 neutral, aber Entstehung von Feinstaub

Preis (€) 60.000 – 100.000 40.000 –150.000 30.000 – 60.000

Reststoffbehandlung + - -

Wirtschaftlichkeit +++ + (brennstoffpreisabhängig)

- (kein Stromverkauf)

Besondere Merkmale des Wastepower Konzeptes Die thermochemische Vergasung stellt eine der effizientesten und umweltfreundlichsten Möglichkeiten dar, feste Biomasse im kleinen Maßstab zur Verwertung in Verbrennungskraftmaschinen aufzubereiten. Das beste Beispiel für ein gutes Funktionieren dieses Verfahrens sind die aus der Nachkriegszeit bekannten Imbert-Vergaser5. Diese waren serienreife Holzvergasungsanlagen für Fahrzeuge, die einen mobilen Betrieb von konventionellen Automobilen aber auch Lastkraftwagen mit festen Brennstoffen ermöglichten. Erfolgreiche Serien-Kleinvergaser durch billiges Erdöl in Vergessenheit geraten Leider geriet die Technologie der Holzvergasung in den Jahren des billigen Erdöls der Nachkriegszeit fast vollständig in Vergessenheit, so dass auch der Betrieb kleiner stationärer Anlagen zur Erzeugung elektrischer Energie eingestellt wurde. Vor dem Hintergrund der aktueller rechtlicher Möglichkeiten zur Energieeinspeisung in das öffentliche Stromnetz6 , Erkenntnisse zum Klimaschutz, der Endlichkeit fossiler Energieträger und des aktuellen Preisanstiegs fossiler Energieträger, ist eine Erhöhung der Verwertungseffizienz von Energieträgern notwendig.

5 Jahrbuch Holzvergasung 1942 – Verlag Deutsches Museum München 6 Gesetz zur Förderungen erneuerbarer Energien EEG, Bundestag 2004


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Mehr Nachhaltigkeit in der Energieversorgung – neue Chance für die Holzvergasung Dies kann vor allem durch eine Nutzung erneuerbarer Energieträger aus Biomasse mit Kraft-Wärme-Kopplung und damit einer vollständigen Nutzung des Energieinhaltes an einem Standort geschehen. Wegen dieser neuen Rahmenbedingungen wird an vielen Instituten erneut an der Nutzung der Vergasungstechnologie als elegante Form der Aufbereitung fester Brennstoffe für Verbrennungsmotoren geforscht. Derzeit keine funktionierenden Anlagen kleiner Leistungsbereiche am Markt Nach aktuellen Studien7 und Marktübersichten8 gibt es aber bislang noch keine marktreife Vergasungsanlage, die eine für kleine und mittlere Betriebe handhabbare Möglichkeit bietet, biogene Reststoffe zur innerbetrieblichen Erzeugung von Strom und Wärme zu nutzen. Ebenfalls sind die Forschungsanstrengungen derzeit auf die Entwicklung größerer Einheiten von über 500 kW elektrischer und fast 1 MW thermischer Leistung ausgerichtet9 Hauptproblem Gasreinigung – gelöst mit historischem Know-How Weil das Hauptproblem der Nutzung von Holzgas in der Belastung des erzeugten Holzgases mit Teerpartikeln liegt, ist die dauerhafte Nutzung des Gases in Verbrennungsmotoren stellenweise kritisch. Dies gilt besonders für Anlagen großer Leistungsbereiche, während die historischen Erfahrungen zeigen, dass dieses Problem bei kleinen Leistungsbereichen weniger kritisch und leichter lösbar ist. Zur Lösung dieses Kernproblems (Staubabscheidung und Gasreinigung) wurde von uns ein innovativer und vielversprechender Lösungsansatz auf Basis der alten Erfahrungen mit den historischen Imbert Vergasern gewählt. Umweltvorteil der Vergasung – Schadgase werden vom Konzept unterbunden Ein umwelttechnischer Vorteil der Vergasungstechnologie sind die vorherrschenden sauerstoffarmen Bedingungen im Feuerungsraum. Im Vergasungsreaktor wird stets nur die Menge an Sauerstoff zur Verfügung gestellt, die für die Aufrechterhaltung der Temperatur für die nachfolgenden Pyrolyseprozesse notwendig ist. Hierdurch kommt es nicht zu einer Produktion von Stickoxiden; auch wird die Bildung von Umweltgiften wie Dioxinen und Furanen unterbunden. Holzgas-Motoren können bisher noch keiner eindeutigen Emissionsvorschrift zugeordnet werden. Ersten Erkenntnissen zufolge werden die anzuwendenden gesetzlichen Grenzwerte für Feststofffeuerungen deutlich unterschritten. Aschereste können als landwirtschaftlicher Dünger Verwendung finden Eine Befrachtung der abgeschiedenen Asche mit Schadstoffen, wie Schwermetallen, ist nur zu erwarten, falls die Eingangsmaterialien solche Belastungen aufweisen. Bei der Vergasung von naturbelassenen Biomassereststoffen ist die Möglichkeit der Nutzung entstehender Aschen als wertvoller Dünger gegeben. Im Rahmen des Verfahrenskonzeptes fallen im Gegensatz zu anderen Vergasersystemen, die hohe Teergehalte mit Gaswäschern eliminieren, keine Kondensate oder sonstige giftige Waschwässer an. Gesetzliche Rahmenbedingungen – politischer Wille zur Technik-Innovation Die Verabschiedung der Biomasseverordnung und das Erneuerbare-Energien-Gesetz2 mit seinen garantierten Stromeinspeisevergütungen und einem Technologiebonus für Holzvergaser sind Grundlage für eine Produktentwicklung in diese Marktlücke. Bei der Entwicklung stehen sowohl ökonomische als auch ökologische Überlegungen im Vordergrund. Deshalb wird auf eine kleine Vergasungstechnologie gesetzt, die eine dezentrale Anwendung und damit eine standortnahe Nutzung von Biomasse aufgreift. So kann ein wirtschaftlicher Betrieb über eine hohe Verwertungseffizienz der anfallenden Wärme kann / kaum sichergestellt werden.

7 Ökoinstitut Freiburg, Marktübersicht Holzvergasung 2000 8 TopAgrar, 4/2004 Hinrich Neumann – Holzvergasung kommt langsam voran 9 Fraunhofer Institut für Umwelt- Sicherheits- und Energietechnik, Teststand Holzvergasungsanlage


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FuE-Konzept: Anlagentechnik in Bausteinen vorhanden - Ziel innerbetriebliche Anlage im Container Bislang war es nur möglich, entweder CO2 -neutral mit Holz zu heizen, oder mit fossilen Brennstoffen in einem Blockheizkraftwerk (BHKW) Wärme und Strom simultan mit Kraft-Wärme-Kopplung zu erzeugen. Wastepower schließt diese Lücke mit dem innovativen Konzept einer thermochemischen Vergasung und anschließender Konversion zu Strom und Wärme. Dabei ist eine elektrische Leistung zwischen 15 kW und 50 kW flexibel abrufbar. Gleichzeitig fallen zwischen 30 und 100 kW an nutzbarer Wärme an.

2.5 Konkurrenzsituation Wastepower hat im Wesentlichen zwei Konkurrenten. Es handelt sich dabei um Hersteller von Motoren und Blockheizkraftwerken. Diese bieten seit 2006 auch unter anderem Holzgasanlagen zum Verkauf an. In folgender Tabelle sind Zielmärkte, Marktstellung, Stärken und Schwächen Analyse der vorhandenen Konkurrenz im Bereich Holzverstromung: Wastepower Kuntschar und

Schlüter GmbH Mothermik GmbH

Anlagengrösse 15-50 kW (erweiterbar durch modulare Containerbauweise)

ab 150 kW (nicht erweiterbar, keine Containerbauweise)

ab 500 kW (nicht erweiterbar, keine Containerbauweise)

Gebäude Keines notwendig (Container )

Hallenbau notwendig Spezial-Gebäude notwendig

Genehmigung Anzeige, aber genehmigungsfrei (Leistungsbereich von herkömmlichen Holzfeuerungen)

Emissionsgenehmigung bei der zuständigen Behörde muss eingeholt werden.

Genehmigung nach der Bundesimmissionsschutz- verordnung BimSchV

Dauertests Ja Nein Nein Preis 90.000 Euro ab 300.000 Euro ab 600.000 Euro Brennstoffe feste Biomasse nur Hackschnitzel nur Hackschnitzel Wärmenutzung Ja, voll 300 kW, Wärme

schwierig ganzjährig nutzbar

1.000 kW, Abwärme nicht ganzjährig nutzbar

Konkurrenzprodukte Die oben genannten Konkurrenzprodukte sind seit 2006 als Pilotanlagen auf dem deutschen Markt erhältlich. Es sind im Förderzeitraum keine bekannt gewordenenen Fortschritte insbesondere im Bereich der energetischen Verwertung unterschiedlichtser Biomasse erzielt worden. Probleme stellen bei diesen Produkten vor allem die mangelnde Erfahrung dar, da keine Dauertests in der Praxis vorliegen und diese Anlagen nur mit genau definierten Designer Holzhackschnitzeln funktionieren. Die Amortisation dieser Anlagen tritt frühestens bei optimalen Bedingungen nach 10 Jahren ein. Marktstrategie der Konkurrenz Die Markstrategie der Konkurrenz sieht lediglich den Verkauf von Anlagen dar. Durch die Größe der Anlagen ist es zudem schwieriger, die Wärme vollständig zu nutzen und so geeignete Standorte zu finden.


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2.6 Veröffentlichungen Die Versuchsergebnisse und Leistungsdaten der Anlage wurden aufgrund der Verzögerungen durch den Brandschadens noch nicht veröffentlicht. Ziel ist es, Ergebnisse über das bestehende Netzwerk zu kommunizieren. Es wurde ein Poster erstellt und intern für Interessenten ausgehängt. Desweiteren wird inZukunft eine Homepage Auskunft und genauere Einblicke in die Technik geben.

2.7 Zusammenfassung Das Wastepowerprojekt hat gezeigt, dass innerbetriebliche Reststoffe wie Rapskuchen nachhaltig zur Energieerzeugung genutzt werden können. Mit einer wastepower Anlage könnten durch den Ersatz der Heizölmenge für den vorhandenen Trocknungsbrenner an der Ebert Mühle Dielheim jährlich knapp 450 Tonnen CO2 reduziert werden. Während der ersten Versuchs und Betriebsphase wurden allerdings temperaturbedingte Materialprobleme im Reaktorkern und eine zu geringe Reinigung und Kühlung des Synthesegases festgestellt. Diese konnten durch die innovative Entwicklung eines Reaktorkegels aus Hochtemperaturkeramik und einer Gasreinigunganlage mit Kühlfunktion weitestgehend gelöst werden. Eine weitere Verzögerung im Ablaufplan war ein Brandschaden am 13.8.2010 (voraussichtlich durch Brandstiftung ausgelöst), der u.a. den Schaltschrank und damit auch Teile der Messdaten zerstört hat. Im November wurde das Blockheizkraftwerk wieder mit Erdgas in Betrieb genommen. Explodierende Rochstoffpreise lassen einen wirtschaftlichen Betrieb mit Rapskuchen allerdings aktuell nicht zu, da der Rapskuchenpreis sich im Laufe des Förderzeitraums von 80 Euro proTonne bis auf 240 Euro pro Tonne verdreifacht hat. Die durch das Wetter verursachten Ernteausfälle, der Einstieg von Investmentbanken in den Rohstoffmarkt, das hohe Wirtschaftswachstum und letztendlich auch das Gesetz zur Biomethanolbeimischung haben zu dem schnellen Preisanstieg geführt. Im Frühjahr 2011 ist ein weiterer Dauertest der Biomasservergasungsanlage wieder mit einer Holzpellets-Rapskuchenmischung geplant.


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3 Anhang

3.1 Bilder

Entwickelter Gasfilter mit Reinigungs- und Kühlungsfunktion

Holzgaserzeugung im Reaktorkern


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Holzgasflamme mit hohem organischen Anteil

Holzgasflamme mit guter Gasqualität

Holzgasflamme mit optimaler Gasqualität zur motorischen Nutzung


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Blick in den Reaktorraum

Glühende Rohre bei der Rapskuchenvergasung


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Datenblatt Blockheizkraftwerk (BHKW)

Holzgasreaktor beim Zusammenbau vor Inbetriebnahme mit innovativer Zuführungseinheit


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Biomassevergasungsanlage im Container mit Schaltschrank


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Seitenkanalverdichter

Brandschaden


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Containerlösung


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3.2 Begriffe Das Erneuerbare Energien Gesetz (EEG) trat erstmals am 01.04.2000 in Kraft und regelt die Abnahme und die Vergütung von ausschließlich aus erneuerbaren Energiequellen gewonnenen Strom durch Versorgungsunternehmen, die Netze für die allgemeine Stromversorgung betreiben (Netzbetreiber). Biomasseverordnung: Diese Verordnung regelt für den Anwendungsbereich des Erneuerbare-Energien-Gesetzes, welche Stoffe als Biomasse gelten, welche technischen Verfahren zur Stromerzeugung aus Biomasse in den Anwendungsbereich des Gesetzes fallen und welche Umweltanforderungen bei der Erzeugung von Strom aus Biomasse einzuhalten sind.

Biomasse ist gespeicherte Sonnenenergie. Mit einem Wirkungsgrad von bis zu 0,12% wandeln die Pflanzen auf dem Globus das Licht der Sonne in der Photosynthese um und speichern es dauerhaft in ihren Bestandteilen. Die hierin gespeicherte Solarenergie ist als geerntete pflanzlicher Biomasse bei optimalen Randbedingungen ohne Energieverlust fast unbegrenzt lagerbar. Die breite Nutzbarkeit der Biomasse schafft die Möglichkeit dezentral die Land- und Forstwirtschaft in eine lokale Energieversorgung einzubinden. Dies bedeutet eine hohe lokale Wertschöpfung und Beschäftigungsdynamik in ländlichen Räumen bei gleichzeitigem Klima- und Umweltschutz, schließlich entsteht durch die energetische Nutzung von Biomasse nur soviel des Treibhausgases Kohlendioxid (CO2) wie auch bei einer natürlichen Verrottung freigesetzt würde.

Biomasse-/Holzvergasung Das eingebrachte Holz wird in dem allothermen Vergaser in unterschiedlichen Reaktionszonen getrocknet, pyrolysiert, oxidiert und reduziert. Hierbei wird das mit dem Brennstoff eingetragene Wasser wird im Reaktor zunächst bei einer Temperatur von 100°C - 200°C verdampft (Trocknung). Danach erfolgt die Entgasung und thermische Zersetzung der Inhaltsstoffe in überwiegend gasförmige Bestandteile. Die Oxidation des im Holz enthaltenen Kohlen- und Wasserstoffs findet zur Deckung des Wärmebedarfs der endothermen Reduktionsreaktion und der Aufspaltung der in der Pyrolysezone gebildeten Kohlenwasserstoffe statt. Die endgültige Entstehung des eigentlichen Holzgases findet bei Temperaturen von ca. 500°C durch die Reduktion der Oxidationsprodukte CO2 und H2O an der glühenden Kohle statt. Grundlage ist hierbei das Boudouard`sche Gleichgewicht der Kohlenstoffreaktion und weitere Gleichgewichtsreaktionen wie das Wassergas- und Methangleichgewicht, die stark von der Temperatur und dem Druck beeinflusst sind. Durch den Vergasungsprozess entsteht ein Gas, das aus einer Mischung von brennbaren [H2 (15%), CO (20%), CH4 (5%)] und inerten Gasen [CO2 (10%), N2 (50%)] besteht.

Die individuelle Zusammensetzung des Rohgases hängt von der Art des Brennstoffs (Stückgröße, Feuchtigkeit und chemische Zusammensetzung), dem Vergasungsmittel, der Vergasungstemperatur und den Druckverhältnissen im Reaktor ab.


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Blockheizkraftwerk (BHKW) Anlagen, in denen gleichzeitig Strom und Wärme erzeugt wird, werden allgemein als Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlagen (KWK-Anlagen) bezeichnet. Wird diese Technik in einer kleineren, kompakten Anlage eingesetzt und nicht in einem großen Heizkraftwerk, dann spricht man von Blockheizkraftwerken (BHKW). Mit Gas oder Öl betriebene Motoren treiben einen Generator an, der elektrische Energie erzeugt. Hierbei wird die im Motor, im Generator und im Abgas anfallende Wärme über Wärmetauscher zur Wärmeversorgung verwendet.

Die ökologische (und ökonomische) Idee hinter dem BHKW ist, dass Strom und Wärme direkt vor Ort erzeugt und verbraucht werden. Somit entfallen die entsprechenden Transportverluste, die vor allem beim Wärmetransport auftreten. Überschüssiger Strom lässt sich hingegen vergleichsweise verlustarm transportieren und wird in das öffentliche Verbundnetz eingespeist. Blockheizkraftwerke gelten als fortschrittlich und umweltfreundlich.

Kraft Wärme Kopplung (KWK) Bei der Kraft-Wärme-Kopplung wird die bei der Stromerzeugung entstehende Abwärme der Turbinen oder Motoren als Fernwärme genutzt. Durch die bessere Ausnutzung der zur Stromerzeugung eingesetzten Brennstoffe werden im Vergleich zu herkömmlichen Kraftwerken ca. 30 bis 40 Prozent der Kohlendioxid-Emissionen sowie anderer Schadstoffe wie Schwefeldioxid und Stickoxide eingespart. Die so genannten Heizkraftwerke sind daher ausgesprochen umweltfreundlich. Der Markt für Mikro-KWK ist aufgrund seiner Wirtschaftlichkeit in einem sehr schnellen Wachstum begriffen.

*)

Auf das Förderkennzeichen des BMBF soll auch in der Veröffentlichung hingewiesen werden. BMBF-Vordr. 3831/03.07_2

Berichtsblatt

1. ISBN oder ISSN -

2. Berichtsart (Schlussbericht oder Veröffentlichung) Schlussbericht

3. Titel Wastepower Dezentrale Kreislaufwirtschaft für Unternehmen Strom und Wärme aus Rapskuchen der Pflanzenölproduktion

5. Abschlussdatum des Vorhabens

30.06.2010

6. Veröffentlichungsdatum

29.07.2011

4. Autor(en) [Name(n), Vorname(n)]

Ebert Mühle Dielheim GmbH: Ebert, Bernd

7. Form der Publikation

Schlussbericht

9. Ber. Nr. Durchführende Institution

-

10. Förderkennzeichen *)

01LY0808A

8. Durchführende Institution(en) (Name, Adresse)

Ebert Mühle Dielheim GmbH

Talstraße 27 69234 Dielheim

11. Seitenzahl

54

13. Literaturangaben

-

14. Tabellen

8

12. Fördernde Institution (Name, Adresse) Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) 53170 Bonn

15. Abbildungen

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16. Zusätzliche Angaben -

17. Vorgelegt bei (Titel, Ort, Datum) -

18. Kurzfassung

Im Projekt Wastepower wurde eine thermochemische Vergasungsanlage entwickelt, die als Teil des Energieversorgungskonzeptes der Mühle Ebert Dielheim GmbH agieren wird. In dem 2-jährigen Vorhaben wurden Reststoffe aus der Ölsaatenbearbeitung in der Mühle in einem thermochemischen Vergasungsprozess in nutzbares Synthesegas zerlegt. Dieses wurde umgehend nach der Produktion des Synthesegases in einem Blockheizkraftwerk zu Strom und Wärme verarbeitet. Diese direkte innerbetriebliche Wandlung von Abfällen zu Strom und Wärme im kleinen Maßstab von ca. 50 kW elektrischer und 100 kW thermischer Leistung stellt in diesem, optimal auf die Vollnutzung der Kraft-Wärme-Kopplung ausgerichteten Leistungsbereich eine Innovation im Bezug auf die herkömmliche Verfahrensweise der außerbetrieblichen Entsorgung dar. Mit einer wastepower Anlage könnten durch den Ersatz der Heizölmenge für den vorhandenen Trocknungsbrenner an der Ebert Mühle Dielheim jährlich knapp 450 Tonnen CO2 reduziert werden.

19. Schlagwörter Bioenergie, Rapskuchenvergasung, Holzvergasung

20. Verlag -

21. Preis -

BMBF-Vordr. 3832/03.07_2

Document Control Sheet

1. ISBN or ISSN

2. type of document (e.g. report, publication) final report

3. title wastepower – electricity and heat from biogene waste

5. end of project

30.06.2010

6. publication date

29.07.2011

4. author(s) (family name, first name(s))

Ebert Mühle Dielheim GmbH: Ebert, Bernd

7. form of publication

Final report

9. originator’s report no.

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10. reference no.

01LY0808A

8. performing organization(s) (name, address)

Ebert Mühle Dielheim GmbH

Talstraße 27 69234 Dielheim

11. no. of pages

54

13. no. of references

-

14. no. of tables

8

12. sponsoring agency (name, address) Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) 53170 Bonn

15. no. of figures

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16. supplementary notes

17. presented at (title, place, date)

18. abstract

The project wastepower developed a gasification unit that will work inside the Mühle Ebert Dielheim GmbH, a commercial mill for natural raw materials as part of the general energy coversion and savings concept. The two year project yielded the experience to generate clean synthesis gas which can be used in a engine-generator combination to produce power and heat. This inner corporate conversion of waste to power can generate roughly 50 kW of electrical and 100 kW of thermal energy on a continuous basis. Further it is an excellent example of a sustainable waste to energy concept. With the wastepower plant the Ebert Mühle Dielheim could reduce the CO2 emissions by 450 t per year.

19. keywords gasification, biomass gasification

20. publisher

21. price

Endbericht Projekt Wastepower Endversion fertig · Stand der Technik bei Projektbeginn Entwicklung...

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