biomasse-energietechniken samuel stucki, paul scherrer institut

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


Biomasseanteil Primärenergie

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Brennholzanteil in der Energieversorgung

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Biomasse ist eine Armeleute-Energie


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/


Traditionelle Holzenergienutzung in der Schweiz: Wintersmog in Roveredo


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


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;


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


Therm.VergasungGasreinigung

Heizkessel

Gasmotor,Gasturbine,

Brennstoffzelle

ChemischeUmwandlung:Synth. Benzin,Synth. ErdgasWasserstoff

Wärme

Strom

Treibstoff

Dampfprozess

Holz: zu schade um nur zu verbrennen


Holz

Verbren-nung

Verbren-nung

VergasungVergasung

DampfturbineDampfturbine

GasreinigungGasreinigung

Dampfprozess konventionell


GasmotorGasmotor

DampfturbineDampfturbineDampfprozess ORC

Dampfprozess ORC

BrennstoffzelleBrennstoffzelle

GasturbineGasturbine

Wärme

Strom

DampfmotorDampfmotor

Produktion von Strom (und Wärme) aus Holz


0

10

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50

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0.1 1 10 100 1000

Brennstoffleistung [MWth ]

El.

Wir

kun

gsg

rad

el

, N

etto

[%

]

Gasmotor

Gasmotor-Kombi

DampfHeizkraftwerk

Dampfkraftwerk

Gasturbine

GuD

Bi-Fuel CC

IGFC

Verstromung von Holz: Technologie und Anlagengrösse bestimmen den Wirkungsgrad


Spezifische Investitionskosten: Je grösser, desto günstiger


Stromkosten aus Wärme-Kraft-Kopplungsanlagen

4000 h/y 6000 h/y

Invest 100%

Invest 50%

Stro

mko

sten

(Rp/

kWh)

40

30

20

10

0

0 2 4 6Holzpreis (Rp/kWh)

0 2 4 6Holzpreis (Rp/kWh)

Wärm

e: 0……

….8 Rp/kW

h

Wärm

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….8 Rp/kW

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ärme: 0…

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.8 Rp/kWh

Wärm

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….8 Rp/kW

h

Stro

mko

sten

(Rp/

kWh)

40

30

20

10

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Holz

Verbren-nung

Verbren-nung

VergasungVergasung





GasmotorGasmotor


Dampfprozess ORC



Wärme

Strom




Gas

Wärme

Gas

Prinzip Beispiel einer technischen Ausführung

Holz

Asche

Luft

Gegenstromvergaser: Wärme wirdÜber Teilverbrennung mit Luft erzeugt

Holzvergasung


Heizkraftwerk Wimmis


Anlage Spiez: 200 kWel, 270 kWth


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


Schema der Anlage Güssing

Heizkraftwerk Güssing; 8 MWth, 2 MWel


Holz

Verbren-nung

Verbren-nung

VergasungVergasung





GasmotorGasmotor


Dampfprozess ORC



Wärme

Strom




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


Teerhaltiges Gas kann direkt in der Brennstoff-Zelle umgesetzt werden

Direkte Kopplung eines Gegenstrom-Festbettvergasers mit einer SOFC-Brennstoffzelle


• 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


Biomasse Synthesegas Synfuel

CH1.49O0.6 CO, H2, CO2 CxHy(synth. Diesel)

CH4 (synth. Erdgas)

CH3OH (Methanol)

H2 (Wasserstoff)

Thermische Umwandlung zu sekundären Energieträgern


Wirkungsgrad: 40 - 50%

Biomass-to-Liquids Verfahren der Firma CHOREN


Schweizerisches Hochdrucknetz(25 …. 70 bar)

SNG: Synthetic Natural Gas

Vergasung

Gasreinigung

Methanierung

Kompression

AufbereitungCH4

CO2

Umwandlung von Holz zu synthetischem Erdgas


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


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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20

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50

60

0.1 1 10 100 1000

Brennstoffleistung [MWth ]

El.

Wir

kun

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


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


• 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

biomasse-energietechniken samuel stucki, paul scherrer institut

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