Biomasse-Energietechniken Samuel Stucki, Paul Scherrer Institut.
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Biomasse-Energietechniken
Samuel Stucki, Paul Scherrer Institut
SS51 12. Januar 2006
Biomasse-Energietechniken
• Die Rolle von Biomasse als Energieträger
• Technologie-Übersicht, Wirkungsgrade und Kosten
• Beispiele für Technologien auf der Basis Vergasung
¯ Stromerzeugung
¯ Synthetische Treibstoffe
• Wärme- und Abwärmenutzung - ein heisses Thema
• Schlussfolgerungen
SS51 12. Januar 2006
Biomasseanteil Primärenergie
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SS51 12. Januar 2006
Brennholzanteil in der Energieversorgung
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Biomasse ist eine Armeleute-Energie
SS51 12. Januar 2006
Biomassenutzung und Gesundheit
Indoor Air PollutionFighting a massive health threat in India
Posing a serious health threat to women and children in developing countries is the burning of household fuels. India currently bears the largest number of indoor air pollution (IAP)-related health problems in the world, with 75 percent of its households burning wood, dung, and crop residues—the "traditional" biomass fuels. An estimated 500,000 women and children die in India each year due to IAP-related causes—this is 25 percent of estimated IAP-related deaths worldwide. http://wbln1018.worldbank.org/
SS51 12. Januar 2006
Traditionelle Holzenergienutzung in der Schweiz: Wintersmog in Roveredo
SS51 12. Januar 2006
Quelle: Bundesamt für Energie 2004: Potentiale zur energetischen Nutzung von Biomasse in der Schweiz
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ökol. Potenzial Nutzung 2003
Biomasse kann einen bedeutenden Beitrag zur Energieversorgung der Schweiz leisten
Gesamtes ökol. Potenzial: ~10% Bruttoverbrauch CH
SS51 12. Januar 2006
Randbedingungen für moderne Biomassenutzung
1. Verstärkte Biomassenutzung darf nicht auf Kosten der Umwelt erfolgen (Schadstoffemissionen, Stoffkreisläufe, Biodiversität).
2. Energie-Effizienz: höchstmögliche Gesamtwirkungsgrade sind erforderlich, um den maximalen Substitutionseffekt für fossile Energien zu erzielen;
3. Exergie-Effizienz: Im Unterschied zu anderen erneuerbaren Energien lassen sich aus Biomasse sowohl Strom als auch Treibstoffe bereitstellen. Diese Optionen sollten wenn immer möglich genutzt werden
4. Um wirtschaftlich zu sein, müssen Bio-Energiesysteme sich möglichst in bestehende Transport- und Verteilinfrastrukturen für Energie integrieren lassen;
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Netto Photosyntheseertrag
mechanisch
Oelmühle
biotechnisch
anaerobe Vergärungalkohol. Gärung
thermisch
Verbrennung Vergasung - Synthese
Pflanzenöl
20-30%
Methan
20-30%
Ethanol
20-30%
Synfuels
40-70%
Strom
20-45%
Wärme
70-90%
Roh-Biomasse
Umwandlung
Produkte
Thermische Prozesse versprechen hohe Wirkungsgrade!
Energieprodukte aus Biomasse
SS51 12. Januar 2006
Therm.VergasungGasreinigung
Heizkessel
Gasmotor,Gasturbine,
Brennstoffzelle
ChemischeUmwandlung:Synth. Benzin,Synth. ErdgasWasserstoff
Wärme
Strom
Treibstoff
Dampfprozess
Holz: zu schade um nur zu verbrennen
SS51 12. Januar 2006
Holz
Verbren-nung
Verbren-nung
VergasungVergasung
DampfturbineDampfturbine
GasreinigungGasreinigung
Dampfprozess konventionell
Dampfprozess konventionell
GasmotorGasmotor
DampfturbineDampfturbineDampfprozess ORC
Dampfprozess ORC
BrennstoffzelleBrennstoffzelle
GasturbineGasturbine
Wärme
Strom
DampfmotorDampfmotor
Produktion von Strom (und Wärme) aus Holz
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Brennstoffleistung [MWth ]
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, N
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[%
]
Gasmotor
Gasmotor-Kombi
DampfHeizkraftwerk
Dampfkraftwerk
Gasturbine
GuD
Bi-Fuel CC
IGFC
Verstromung von Holz: Technologie und Anlagengrösse bestimmen den Wirkungsgrad
SS51 12. Januar 2006
Spezifische Investitionskosten: Je grösser, desto günstiger
SS51 12. Januar 2006
Stromkosten aus Wärme-Kraft-Kopplungsanlagen
4000 h/y 6000 h/y
Invest 100%
Invest 50%
Stro
mko
sten
(Rp/
kWh)
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0 2 4 6Holzpreis (Rp/kWh)
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Wärm
e: 0……
….8 Rp/kW
h
Wärm
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Stro
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sten
(Rp/
kWh)
40
30
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Holz
Verbren-nung
Verbren-nung
VergasungVergasung
DampfturbineDampfturbine
GasreinigungGasreinigung
Dampfprozess konventionell
Dampfprozess konventionell
GasmotorGasmotor
DampfturbineDampfturbineDampfprozess ORC
Dampfprozess ORC
BrennstoffzelleBrennstoffzelle
GasturbineGasturbine
Wärme
Strom
DampfmotorDampfmotor
Produktion von Strom (und Wärme) aus Holz
SS51 12. Januar 2006
Gas
Wärme
Gas
Prinzip Beispiel einer technischen Ausführung
Holz
Asche
Luft
Gegenstromvergaser: Wärme wirdÜber Teilverbrennung mit Luft erzeugt
Holzvergasung
SS51 12. Januar 2006
Heizkraftwerk Wimmis
SS51 12. Januar 2006
Anlage Spiez: 200 kWel, 270 kWth
SS51 12. Januar 2006
Wärme
Gas
Prinzip Beispiel einer technischen Ausführung
Holz
FICFB Vergaser: Wärme wird separat durchVerbrennen der Holzkohle erzeugt
Produktgas Abgas
Luft
SandHolzkohle
O
O
O
O
O
O
FICFB
Dampf
Sand
850°C
Holzvergasung, indirektes Prinzip
SS51 12. Januar 2006
Schema der Anlage Güssing
Heizkraftwerk Güssing; 8 MWth, 2 MWel
SS51 12. Januar 2006
Holz
Verbren-nung
Verbren-nung
VergasungVergasung
DampfturbineDampfturbine
GasreinigungGasreinigung
Dampfprozess konventionell
Dampfprozess konventionell
GasmotorGasmotor
DampfturbineDampfturbineDampfprozess ORC
Dampfprozess ORC
BrennstoffzelleBrennstoffzelle
GasturbineGasturbine
Wärme
Strom
DampfmotorDampfmotor
Produktion von Strom (und Wärme) aus Holz
SS51 12. Januar 2006
Gegenstrom-Vergaser
HolzpelletsSilo
Fackel
Luft
(1,3 kg/h)
pProduktgas(250 ln/h, 400 °C)
SOFC-Stack
p
Luft
Abgas
Partikelfilter Strom
Versuchsanlage für Kopplung der Holzvergasung mit der Hochtemperatur-Brennstoffzelle
SS51 12. Januar 2006
Teerhaltiges Gas kann direkt in der Brennstoff-Zelle umgesetzt werden
Direkte Kopplung eines Gegenstrom-Festbettvergasers mit einer SOFC-Brennstoffzelle
SS51 12. Januar 2006
• Erreichbarer Wirkungsgrad für Strom, bzw. Wärme und Strom?
• Wie sauber muss das Gas sein?
• Welche Bestandteile des Gases verursachen Probleme in der Brennstoffzelle?
• Kann eine Kombination Vergaser - Brennstoffzelle Kostenvorteile bieten?
• Wärme-geführte WKK?
Fragestellungen Kopplung Holzvergasung - Brennstoffzelle
SS51 12. Januar 2006
Biomasse Synthesegas Synfuel
CH1.49O0.6 CO, H2, CO2 CxHy(synth. Diesel)
CH4 (synth. Erdgas)
CH3OH (Methanol)
H2 (Wasserstoff)
Thermische Umwandlung zu sekundären Energieträgern
SS51 12. Januar 2006
Wirkungsgrad: 40 - 50%
Biomass-to-Liquids Verfahren der Firma CHOREN
SS51 12. Januar 2006
Schweizerisches Hochdrucknetz(25 …. 70 bar)
SNG: Synthetic Natural Gas
Vergasung
Gasreinigung
Methanierung
Kompression
AufbereitungCH4
CO2
Umwandlung von Holz zu synthetischem Erdgas
SS51 12. Januar 2006
Catalyst
H2 4.1CO 0.4CO2 47.4CH4 39.6C2H4 0.0N2 8.4
H2 36.9CO 25.3CO2 18.2CH4 9.7C2H4 3.1N2 5.9
Heizkraftwerk Güssing; 8 MWth, 2 MWel
Katalytische Umwandlung von Holzgas zu Methan
SS51 12. Januar 2006
PSI erforscht am Kraftwerk Güssing die katalytische Umsetzung von Holzgas zu synthetischem Erdgas.
Ziel: Erarbeitung der technischen Grundlagen für den Bau einer 20 MW-Anlage in der Schweiz.
Technologieentwicklung durch A-CH F&E-Konsortium
Nächste Phase: 2 MW Pilot im Burgenland 2006-08.
PSI’s Methanierungsanlage in Güssing
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Brennstoffleistung [MWth ]
El.
Wir
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gsg
rad
el
, N
etto
[%
]
Gasmotor
Gasmotor-Kombi
DampfHeizkraftwerk
Dampfkraftwerk
Gasturbine
GuD
Bi-Fuel CC
IGFC
SNG
Verstromung von Holz: Technologie und Anlagengrösse bestimmen den Wirkungsgrad
SS51 12. Januar 2006
Stadt
Haus
SNG-Anlage
Gasnetz Stromnetz
GW
MW
kW
Wärmenetz
Gas-WKK
Region
Land
Biomasse-WKK
Gas-Kombi
Vision: Optimale Netzintegration von Biomasse
Gas-WKK EWP
Biomasse-WKK
SS51 12. Januar 2006
• Moderne Biomassenutzung kann wertvolle Beiträge zur Substitution von fossilen Energieträgern leisten
• Nachhaltige Biomassenutzung erfordert effiziente und saubere neue Technologien
• Wirtschaftlichkeit ist eine Frage der Technologie und des Anlagen-Massstabs.
• Integration von Biomassetechnologien in Nahwärmenetze ist ein Muss für kleine Anlagen mit beschränktem Wirkungsgrad.
Schlussfolgerungen