Betriebserfahrungen am Joos-Vergaser

Betriebserfahrungen am Joos-Vergaser
Holzvergaser im wissenschaftlichen Dauerversuch
Bewährtes neu entwickeln...
von Dipl.-Ing. Jan Kai Dobelmann und Dipl-Ing. Gunnar Böttger
sesolutions – sustainable engineering solutions
Waldhornstr. 30
76131 Karlsruhe
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Inhaltsverzeichnis:
1.
EINLEITUNG....................................................................................................... 4
2.
TECHNISCHE BASIS JOOS-VERGASER ......................................................... 5
3.
TECHNISCHER AUFBAU DES HOLZVERGASERKRAFTWERKS .................. 8
4.
MATERIAL UND METHODEN............................................................................ 9
4.1 Trockenrückstand und Glühverlust ................................................................. 9
4.2 Messungen der elektrischen Leistung.......................................................... 10
4.3 Diskussion der systematischen Messfehler und deren Behebung............ 11
5.
ERGEBNISSE TEST 1 ...................................................................................... 12
5.1 Messdaten ........................................................................................................ 12
5.2 Verfügbarkeit.................................................................................................... 18
5.3 Diskussion der verzeichneten Störfälle ......................................................... 21
5.4 Beschickungen ................................................................................................ 24
5.5 Zyklonleerung .................................................................................................. 29
5.6 Kiesfilterwechsel ............................................................................................. 30
5.7 Glaswolle Filterwechsel ................................................................................... 32
6 ERGEBNISSE TEST 2 ......................................................................................... 34
6.1 Verfügbarkeit..................................................................................................... 34
6.2 Messdaten ......................................................................................................... 35
6.3 Wasserbadfilter................................................................................................. 39
7
WIRTSCHAFTLICHKEIT .................................................................................. 40
8
DIE UMWELT.................................................................................................... 44
9
FAZIT ................................................................................................................ 46
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Abbildungsverzeichnis:
Abb. 1: Zonen der Vergasung in einem Festbettvergaser ........................................ 5
Abb. 2: Durchschnittliche Zusammensetzung von Holzgas mit ................................ 6
Vergasungsmittel Luft (nach Angaben von Nussbaumer 1994).................... 6
Abb. 3: Aufbau des Joos-Vergasers im Holzvergaserkraftwerk ................................ 8
Abb. 4: Technischer Aufbau der elektrischen Messtechnik .................................... 10
Abb. 5: Grafische Darstellung der 30-Sekunden Messpunkte ................................ 12
Abb. 6: Nettoleistungsabgabe an das öffentliche Stromnetz über die..................... 13
Versuchsdauer........................................................................................... 13
Abb. 7: Zeitgenaue Datenaufzeichnung (10 Minuten Mittelwerte) ......................... 14
Abb. 8: Grafische Darstellung der 12 Hz-Datenpunkte .......................................... 15
Abb. 9: Mittlere tägliche Leistungsabgabe ............................................................. 16
Abb. 10: Relative Häufigkeitsverteilung der gemessenen Leistung ......................... 17
Abb. 11: Grafische Darstellung der Anlagenverfügbarkeit während der .................. 18
Versuchsdauer (1) ..................................................................................... 18
Abb. 12: Grafische Darstellung der Anlagenverfügbarkeit während der .................. 19
Versuchsdauer (2) ..................................................................................... 19
Abb. 13: Grafische Darstellung der Stillstandszeiten ............................................... 20
Abb. 14: Grafische Darstellung der Beschickungsintervalle .................................... 24
Abb. 15: Wassergehalt des eingesetzten Hackguts.................................................. 25
Abb. 16: Grafische Darstellung des Füllvolumens während der Versuchsdauer ..... 26
Abb. 17: Grafische Darstellung der erzeugten Energie bezogen auf die ................. 27
einzelnen Beschickungen ......................................................................... 27
Abb. 18: Grafische Darstellung der erzeugten Energie bezogen auf die ................. 28
eingesetzten Raumkubikmeter an Hackschnitzeln ................................... 28
Abb. 19: Grafische Darstellung der Zyklonwechselintervalle ................................... 29
Abb. 20: Grafische Darstellung des Ascheertrags während der Versuchsdauer ..... 29
Abb. 21: Grafische Darstellung der Kiesfilterwechselintervalle ................................ 30
Abb. 22: Teerbelastung im Kiesfilter ........................................................................ 31
Abb. 23: Glühverlust der Zyklonasche und des Filterstaubs.................................... 31
Abb. 24: Grafische Darstellung der Glaswollefilter-Wechselintervalle .................... 32
Abb. 25: Teerbelastung im Glaswollefilter ............................................................... 32
Abb. 26: Grafische Darstellung der Verfügbarkeit................................................... 34
Abb. 27: Grafische Darstellung der 30-Sekunden Messpunkte ............................... 35
Abb. 28: Zeitgenaue leistungskorrigierte Datenaufzeichnung (10 Minuten.............. 36
Mittelwerte) ............................................................................................... 36
Abb. 29: Grafische Darstellung der durchschnittlichen Tagesmittel.......................... 37
Abb. 30: Relative Häufigkeitsverteilung der gemessenen Leistung .......................... 38
Abb. 31: Grafische Darstellung der erzeugten Energie bezogen auf die ................. 39
eingesetzten Raumkubikmeter an Hackschnitzeln ................................... 39
Abb. 32: Gesetzliche Grenzwerte für Feststofffeuerrungen ..................................... 45
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1. Einleitung
Beim
4.
internationalen
Fachsymposium
„Marktreife
Holzvergaser-Technik“,
veranstaltet durch das Landesgewerbeamt Baden-Württemberg im Dezember letzten
Jahres in Karlsruhe, wurde die Grundlage für den hier vorgestellten Bericht
geschaffen. Herr Bernd Joos aus Bodnegg, Erfinder des Joos-Vergasers, stellte dort
eine Anlage vor, die seinen Aussagen zufolge in der Lage sei, dauerhaft ein
teerfreies Gas für den Einsatz in Verbrennungsmotoren zu erzeugen.
Da sesolutions ebenfalls sich mit der Entwicklung eines Vergasers ähnlicher Bauart
beschäftigte, wurde auf diesem Symposium eine Zusammenarbeit beschlossen, um
durch einen gemeinsamen Austausch die Entwicklung des Joos-Vergasers
voranzutreiben.
Nachdem die Funktionstüchtigkeit sichergestellt und somit ein dauerhafter Betrieb
der
Joos-Vergaseranlage
möglich
wurde,
konnte
Herr
Prof.
Rapp
vom
Landesgewerbeamt Stuttgart zur Besichtigung der Anlage eingeladen werden. An
diesem Termin wurde von Herrn Prof. Rapp festgestellt, dass sich die Anlage von
Herrn Joos in einem sehr fortgeschrittenen Entwicklungsstadium befindet. Um die
Entwicklung des Vergasers zur Marktreife zu beschleunigen, wurde von Herrn Prof.
Rapp angeregt, durch einen 200h währenden, unterbrechungsfreien Dauerbetrieb
der Anlage Erkenntnisse über die Standfestigkeit und Betriebserfahrungen zu
sammeln.
Für die Überwachung dieses Dauertests wurde von sesolutions eine spezielle
Messapparatur zur Leistungsüberwachung entwickelt die alle versuchsrelevanten
Daten aufzeichnet. Außerdem konnte ein für den Versuchsbetrieb essentielles
Warnsystem
installiert
werden,
das
den
Betreiber
über
die
kritischen
Betriebszustände sowie einem Stillstand der Anlage zeitgleich per Mobiltelefon
informiert.
Die Auswertung und Interpretation der im Versuchsbetrieb gewonnenen Daten sind
Gegenstand des folgenden Berichts.
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2. Technische Basis Joos-Vergaser
Herzstück der Gesamtanlage ist ein allothermer Joos-Vergaser, der durch seine
spezielle Reaktorgeometrie in der Lage ist, Holzmaterial unterschiedlicher Stückigkeit
bis hin zu Shreddergut aus der Forstwirtschaft in Holzgas zu reformieren.
Die thermochemische Prozessführung innerhalb des automatisch beschickten
Vergasers ist dabei derart gestaltet, dass die Verweilzeit des nach der Oxidation des
Brennstoffes
angeordneten
Reduktionszone
eine
weitestgehende
Elimination
sogenannter Teerverbindungen erreicht.
Resultat ist ein Holzgas mit den Bestandteilen Wasserstoff, Kohlenmonoxid,
Stickstoff und Kohlendioxid sowie Spurenelementen von Methan. Durch die
hochentwickelte Reaktorgeometrie konnte mit dem Joos-Vergaserkonzept erreicht
werden, dass die Reformation der während des Vergasungsprozesses entstehenden
Teerverbindungen so weitgehend erfolgt, dass abgesehen von einer Entstaubung
des Gases keine weitere Konditionierung vorgenommen werden muss.
Die Vergasungsreaktion:
Abb. 1: Zonen der Vergasung in einem Festbettvergaser
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Das eingebrachte Holz wird in dem allothermen Vergaser in unterschiedlichen
Reaktionszonen getrocknet, pyrolysiert, oxidiert und reduziert. Hierbei wird das mit
dem Brennstoff eingetragene Wasser 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 Wasserstoffgas- und Methangleichgewicht, die
stark von der Temperatur und dem Druck beeinflusst sind.
Boudouard-Reaktion:
C + CO2 ⇔ CO
-162,2
KJ/mol
Wasserstoffreaktion:
C + H2O ⇔ CO +H2
-119,0
KJ/mol
Methanreaktion:
C+ 2H2
⇔ CH4
Durch den Vergasungsprozess entsteht ein Gas, das aus einer Mischung von
brennbaren (H2, CO, CH4) und nicht brennbaren Gasen (CO2, N2) besteht. Die
durchschnittliche
Zusammensetzung
verhält
sich
gemäß
Literaturangaben
folgendermaßen (Abbildung2):
10%
5%
S tic k s to f f
K o h le n m o n o x id
15%
W a s s e rs to f f
50%
20%
K o h le n d io x id
M e th a n
Abb. 2:
Durchschnittliche Zusammensetzung von
Vergasungsmittel Luft (nach Angaben von Nussbaumer 1994)
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Holzgas
mit
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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.
Während des Versuches bestand keinerlei Möglichkeit eine Überwachung der
Gaszusammensetzung zu etablieren. Aus diesem Grund können keine Aussagen zur
Zusammensetzung des im Joos-Vergaser erzeugten Holzgases getroffen werden.
Die Überwachung der Leistungsfähigkeit der vorliegenden Anlage wurde vielmehr an
der im Betrieb anliegenden elektrischen Generatorleistung festgemacht. Hierdurch
wurde eine Vergleichsgröße benutzt, die anders als die eher wissenschaftlich
orientiere Forschung nach einer Gaszusammensetzung eine konkrete wirtschaftliche
Relevanz besitzt.
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3. Technischer Aufbau des Holzvergaserkraftwerks
Ein Holzvergaserkraftwerks ist die Kombination verschiedener verfahrenstechnischer
Elemente. Das Herzstück bildet ein Gaserzeuger nach dem Prinzip des JoosVergasers (Abbildung 3).
Abb. 3: Aufbau des Joos-Vergasers im Holzvergaserkraftwerk
Im Joos-Vergaser wird der Brennstoff 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.
Im Rahmen des Dauertests wurde der Vergaser im Saugbetrieb an einem Gasmotor
des Fabrikats Opel betrieben. Dieser war in der Lage innerhalb von 3 Monaten
störungsfrei über 8.000 kWh elektrische Energie und 16.000 kWh an nutzbarer
Wärme zu erzeugen. Besondere Verschleißerscheinungen oder ein erhöhter
Wartungsaufwand an diesem Aggregat wurden nicht beobachtet.
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4. Material und Methoden
4.1 Trockenrückstand und Glühverlust
Die Bestimmung des Trockenrückstands und Glühverlusts von Proben erfolgte
gemäß DIN 38409 S2i und DIN 38409 S3ii im Doppelansatz. Für die Bestimmung des
Trockenrückstands wt wurde ein Porzellantiegel auf Gewichtskonstanz gewogen, mit
dem frischen Untersuchungsmaterial gefüllt und erneut gewogen. Der gefüllte Tiegel
wurde daraufhin im Trockenschrank bei konstant 105°C bis zur Gewichtskonstanz
getrocknet und sein Endgewicht bestimmt.
Gleichung 1: Bestimmung des Trockenrückstands wt :
wt =
(mc − ma )
(mb − ma )
wt = Trockenrückstand
ma = Masse der leeren Schale in g
mb = Masse der Schale mit der frischen Probe in g
mc = Masse der Schale mit Trockenmasse in g
Für die Bestimmung des Glühverlustes wv wurde ein Porzellantiegel, nachdem er bei
550°C auf Gewichtskonstanz geglüht und wieder abgekühlt wurde, gewogen.
Anschließend wurde der Tiegel mit vollständig trockenem Untersuchungsmaterial
befüllt und erneut gewogen. Der gefüllte Tiegel wurde daraufhin im Glühofen bei
550°C so lange gelagert, bis nur weiße Ascherückstände vorhanden waren. Nach
Erkalten des Tiegels im Exsikkator wurde erneut das Gewicht des Tiegels bestimmt.
Gleichung 2: Bestimmung des Glühverlustes wv :
wv =
(mb − mc )
(mb − ma )
wt = Trockenrückstand
ma = Masse des leeren Tiegels in g
mb = Masse des Tiegels mit der trockenen Probe in
g
mc = Masse des Tiegels mit der geglühten
Trockenmasse in g
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4.2 Messungen der elektrischen Leistung
Zur Überwachung der am Generator anliegenden elektrischen Leistung über die
Versuchsdauer
wurde
eine
spezielle
Messapparatur
entworfen,
die
eine
durch
eine
computergestützte Aufzeichnung der Leistungsdaten ermöglicht hat.
Hierzu
wurde
die
Phase
L1
des
Asnychrongenerators
Präzisionsstromaufnehmerspule vom Typ TZ 77 geführt. Hierin wurde mit der
physikalischen Methode der Induktion ein Strom im Verhältnis 1:5 induziert, der über
ein 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 ein 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.
Dieses Digitalsignal wurde software-gesteuert 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.
Widerstand
Messgleichrichter
V+
C+
GND
Vout
Generator
C-
DCF 77 Antenne
Microcntroller
Vin
D1
GND
Vref
A/D
Wandler
D4
Sign
ENB
RS232
L3 L2 L1
Stromaufnehmer
P-1
Abb. 4: Technischer Aufbau der elektrischen Messtechnik
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4.3 Diskussion der systematischen Messfehler und deren Behebung
Das digital über das Hyperterminal aufgezeichnete Messprotokoll wurde gegenüber
der Leistungsabgabe des Generators geeicht und verzeichnet deshalb zwei
systematische Fehler, die mittels einer Fehlerkorrektur auf die reell abgegebene
Netto-Leistung der Gesamtanlage geeicht werden konnten.
Die digitale Erzeugung der Messwerte wurde im Vorfeld analog zu der
Leistungsanzeige des Generator-Schaltschranks geeicht. Diese Anzeige ist jedoch
nur bedingt korrekt, da sie einerseits nicht genau genug ist, andererseits aber nur die
Brutto-Leistung
des
Generators
erfasst.
Die
für
eine
umfassende
Wirtschaftlichkeitsberechnung notwendige Netto-Leistungsabgabe inklusive der
internen
elektrischen
Anlagenverluste
durch
Beschickungsmotoren
und
Anlagensteuerung wurde jedoch auf einem geeichten Stromzähler vom Typ Siemens
erfasst.
Dieser Zählerwert wurde, in Kombination mit den durch den Betreiber über die
Versuchsdauer protokollierten Zählerständen, zur Rückeichung der Messwerte
verwandt. Der sich zwischen der digital gemessenen Brutto-Generatorleistung und
der am Stromzähler verzeichneten Netto-Gesamtleistung über die Versuchsdauer
einstellende Faktor betrug 0,82744544.
Mit diesem Faktor konnten die digitalen Messwerte auf die richtige NettoLeistungsabgabewerte der Gesamtanlage rückgeeicht werden, so dass der wichtige
Wert
der
effektiven
Leistungsabgabe
der
Gesamtanlage
im
Rahmen
der
Vertrauensbereiche des geeichten Stromzählers fehlerfrei erfasst werden konnte.
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5. Ergebnisse Test 1
5.1 Messdaten
Die im Hyperterminal während der Versuchsdauer von 220,17 h auf dem PC
aufgezeichneten 26.291 Datensätze ergaben in der grafischen Darstellung als
Messpunkte folgendes Bild (Abbildung 5):
Abb. 5: Grafische Darstellung der 30-Sekunden Messpunkte
In dieser Grafik sind, trotz der bevorstehenden Eichungen, erste Ergebnisse der
Datenprotokollierung deutlich zu erkennen. Die Ausfallzeiten der Anlage sind mit
Nullwerten auf der X-Achse deutlich auszumachen. Bei der Auswertung des
Zeitpunktes dieser X-Achsen-Nullwerte mit den Aufzeichnungen im manuellen
Versuchsprotokoll konnten die vom Betreiber angegebenen Störfälle sowohl in der
Dauer, als auch mit dem Zeitpunkt vollends bestätigt werden.
Von den Einflüssen des Ladevorgangs am Reaktorbunker abgesehen, lässt sich
über die Versuchsdauer sowohl die Konstanz der Leistungsabgabe, sowie der
generelle Trend der Leistungsentwicklung am Generator nachvollziehen. Wie bereits
im vorherigen Kapitel zum Thema Genauigkeit der Leistungsabgabe sowie Brutto-
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Netto-Leistung besprochen wird in den folgenden Auswertungen der Datenbestand
geeicht und auf aussagekräftige Darstellungen zurückgeführt.
Nach Rückeichung der aufgezeichneten Daten auf die Netto-Leistungsabgabe der
Gesamtanlage an das öffentliche Stromnetz mittels des ermittelten Eichfaktors
konnte eine Darstellung der akkumulierten Netto-Leistungsabgabe an das öffentliche
Stromnetz über die Versuchsdauer erfolgen (Abbildung 6).
Abb. 6: Nettoleistungsabgabe an das öffentliche Stromnetz über die
Versuchsdauer
In
der
akkumulierten
Netto-Leistungsaufzeichnung
ist
die
Konstanz
der
Leistungsabgabe gut auszumachen. Systematische Leistungsrückgänge, wie sie bei
der Beschickung des Reaktors aufgezeichnet worden sind, werden hier ihrer
Auswirkung gemäß dargestellt. Durch die kurzzeitige Auswirkung wird die Steigung
der Netto-Leistungskurve nicht beeinflusst. Die in der Gesamtdatenaufzeichnung
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verzeichneten Stillstandzeiten der Anlage hingegen sind ihrer Dauer gemäß schwach
zu verzeichnen.
Über die in aufgezeichnete Versuchsdauer von 220,17 h ergab sich eine
durchschnittliche Netto-Leistungsabgabe der Gesamtanlage von 12.031 Watt. Dies
entspricht einer an das öffentliche Stromnetz abgegebenen Gesamtleistung von
2.648,86 kWh. Diese Messung wurde durch die vom Betreiber am Anfang und Ende
verzeichneten Zählerstände des Stromzählers bestätigt.
Die
Aufbereitung
der
Datenpunkte
als
Leistungsabgabe mit einer zeitgenauen
10-Minuten
Aufbereitung
Mittelwerte
der
der Werte
Netto-
über
die
Versuchsdauer zeigt Abbildung 7.
Abb. 7: Zeitgenaue Datenaufzeichnung (10 Minuten Mittelwerte)
In der Tendenz der 10-Minuten-Mittelwerte lässt sich über die Dauer der
Versuchsphase ein leichter Abfall der erzeugten Leistung erkennen. Dieser Trend
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wird auch in den großen Schwankungen der elektrischen Leistung verzeichnet, die
während der Messung aufgezeichnet wurden.
Nach einer eingehenden Analyse der Ursachen dieses Leistungsabfalls wurde die
Ursache in einer zu großen Verengung in einer Zuführung zum Lufteinlasskanal
gefunden, in der sich eine Verschmutzung durch den Staub bei der Beschickung des
Vorlagebehälters aufgebaut hatte.
Nach Behebung dieses Engpasses wurde eine erneute Leistungsmessung mit einer
höheren Sampling-Rate im Anlaog-Digital-Wandler von 12 Hz durchgeführt. Dies
bedeutet, dass im Gegensatz zu der bisherigen Messung mit einer Datenrate von
einer Messung in 30 Sekunden, bis zu 12 Messwerte in der Sekunde aufgenommen
wurden.
Hierdurch
war es
möglich,
ein
viel feiner
gerastertes
Bild
der
Leistungsentwicklung während der Beschickung zu erhalten, so dass die
Unterschiede zwischen der vorherigen Leistungsabgabe bei einer Beschickung und
der Leistungsabgabe nach Veränderung dieses Details am Vergaser deutlich zu
Tage gefördert wurden.
Die Messung einer Leistungsentwicklung während eines Beschickungsvorganges mit
einer Sampling-Rate von 12-Hz ergab folgendes Bild (Abbildung 8):
Abb. 8: Grafische Darstellung der 12 Hz-Datenpunkte
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Diese Messung bestätigte, dass bei einer ausreichenden Dimensionierung der
Luftführung der bei der Beschickung beobachtete Leistungsabfall weitaus geringer
ausfällt, als dies während der Dauerbetriebsphase der Fall war. Es ist also bei einem
erneuten Test mit einer weiter erhöhten Konsistenz der Leistungsabgabe des
Vergaserkonzeptes zu rechnen.
Die Ermittlung der mittleren täglichen Leistungsabgabe über alle Versuchsdaten zeigt
die Grafik in Abbildung 9.
Abb. 9: Mittlere tägliche Leistungsabgabe
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Aufbereitet
als
Netto-Leitungsabgabe
der
26.921
Datenpunkte
in
einer
Häufigkeitsverteilung stellt sich der Dauerversuch folgendermaßen dar (Abbildung
10):
Abb. 10: Relative Häufigkeitsverteilung der gemessenen Leistung
In der Grafik ist deutlich ist zu erkennen, dass sich entlang der Betriebsdauer des
Versuches keinerlei relevante Leistungsschwankungen einstellten. Die Mehrzahl (>
98%) aller Leistungsmessungen lagen oberhalb von 11.000 Watt effektiver NettoLeistungsabgabe am Vergaser. Dies verdeutlicht die Konstanz der Leistungsabgabe
in der Joos-Vergaseranlage.
Die in dieser Grafik mit der Leistungsabgabe 0 Watt verzeichneten Stillstandszeiten
sind im folgenden Abschnitt detailliert auf Dauer und Ursache untersucht worden.
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5.2 Verfügbarkeit
Die Verfügbarkeit über die Versuchstage konnte folgendermaßen aufgestellt werden.
Datengrundlage für diese Darstellung wurde zum einen durch die digitale
Aufzeichnung der Daten, zum anderen durch die Tagebuchaufzeichnungen des
Betreibers generiert.
Über die Versuchstage ergab sich folgendes Bild der täglichen Anlagenverfügbarkeit
(Abbildung 11):
Abb. 11: Grafische Darstellung der Anlagenverfügbarkeit während der
Versuchsdauer (1)
Anlagenstörungen wurden vornehmlich im ersten Teil des Dauerversuches
vorgefunden, nach Behebung dieser Störungen sind absolute Dauerbetriebstage zu
verzeichnen gewesen.
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Folgendes Ergebnis konnte bei der Anlagenverfügbarkeit über die Versuchsdauer
erreicht werden (Abbildung 12):
Abb. 12: Grafische Darstellung der Anlagenverfügbarkeit während der
Versuchsdauer (2)
Während der Versuchsdauer mussten 6 Ereignisse verzeichnet werden, bei denen
es zu einem völligen Stillstand der Gesamtanlage gekommen ist. Im folgenden
Abschnitt sind alle Ereignisse mit Ursache und Abhilfe bzw. der Problemlösung
aufgelistet worden. Außerdem ist eine Bewertung der Fehler im Hinblick auf die
Fehlerquelle durchgeführt worden.
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Grafisch aufbereitet zeigt Abbildung 13 die während der 220,17 h Versuchsdauer
verzeichneten Stillstandszeiten von insgesamt 148 Minuten.
Abb. 13: Grafische Darstellung der Stillstandszeiten
Bemerkenswert ist hierbei, dass weder im Bereich der Hauptelemente des Vergasers
oder des eingesetzten Motors Probleme aufgetaucht sind. Lediglich in der
angeschlossenen Peripherie, durch Bedienfehler und durch Wartungsarbeiten sind
Störungen zu verzeichnen gewesen.
Insgesamt sind 6 Stillstandsereignisse zu verzeichnen gewesen, die in den
folgenden Abschnitten eine eingehende Diskussion erfahren.
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5.3 Diskussion der verzeichneten Störfälle
Datum: 15.05.2002
Dauer: 57 Minuten
Störereignis: 1
Bauteil: Ladegerät der Batterie
Fehler:
Die Sicherung des Ladegerätes zur Ladung der Hauptbatterie für die Zündung ist
defekt. Hieraus ergab sich eine schleichende Entladung der Batterie mit der
Konsequenz eines Anlagenausfalls auf Grund einer mangelnden Zündspannung.
Fehlerbehebung:
Durch ein Auswechseln der Sicherung am Ladegerät konnte die vollständige
Funktionstüchtigkeit der Anlage wieder hergestellt werden. Sollte dieser Fehler
erneut auftreten ist zu überlegen für eine weitere Anlage die Hauptbatterie des
Motors über eine Lichtmaschine am Motorblock zu speisen.
Datum: 16.05.2002
Dauer: 37 Minuten
Störereignis: 2
Bauteil: Kühlwasserkreislauf
Fehler:
Die Umwälzpumpe des Kühlwasserkreislaufes wies eine elektrische Störung auf,
wodurch sie ihren Dienst versagte. Hieraus ergab sich mangelnde Rückkühlung des
Motorblocks.
Fehlerbehebung:
Durch ein Auswechseln der Kühlwasserumwälzpumpe konnte die vollständige
Funktionstüchtigkeit der Anlage wieder hergestellt werden. Dieser Fehler resultierte
aus
einer
bereits
bei
Versuchsaufnahme
bekannten
Vorschädigung
der
Umwälzpumpe. Bei Einbau eines von vorne herein funktionstüchtigen Aggregats
dürfte dieser Fehler nicht wieder auftauchen.
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Datum: 16.05.2002
Dauer: 10 Minuten
Störereignis: 3
Bauteil: Kühlwasserkeiskauf
Fehler:
Der Kühlwasserkreislauf am Motorblock wies im Bereich der Anflanschung eine
leichte Undichtigkeit auf.
Fehlerbehebung:
Durch ein Festziehen der Verschraubungen an den Flanschdichtungen konnte die
vollständige Funktionstüchtigkeit der Anlage wieder hergestellt werden. Dieser Fehler
resultierte aus der Montage der Kühlwasserumwälzpumpeund konnte nicht auf
betriebsspezifische Ursachen zurückgeführt werden. Die Aufnahme einer Kontrolle
dieser Verbindungen in die tägliche Sichtkontrolle der Anlage ist zu empfehlen.
Datum: 17.05.2002
Dauer: 6 Minuten
Störereignis: 4
Bauteil: Druckluftversorgung
Fehler:
Die Druckluftversorgung der Beschickungsklappe brach auf Grund einer lockeren
Verschraubung der Pressluftverbindung zusammen. Hieraus ergab sich eine
Verzögerung des Beschickungsvorgangs.
Fehlerbehebung:
Durch
ein
Festziehen
der
Verschraubung
konnte
die
vollständige
Funktionstüchtigkeit der Anlage wieder hergestellt werden. Dieser Fehler resultierte
aus einer vor Versuchsaufnahme nicht sachgemäß durchgeführten Montage des
Druckluftschlauches.
Bei
sachgemäßer
Durchführung
der
Montage
des
Druckluftschlauches dürfte dieser Fehler nicht wieder auftauchen, die Aufnahme
einer Kontrolle dieser Verbindungen in die tägliche Sichtkontrolle der Anlage ist zu
empfehlen.
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Datum: 18.05.2002
Störereignis: 5
Dauer: 35 Minuten
Bauteil: Bedienung der Beschickung
Fehler:
Die rechtzeitige Beschickung des Vorlagebehälters wurde bei einem Kirchenbesuch
des Betreibers vergessen. Hieraus ergab sich eine Abschaltung der Anlage auf
grund eine mangelnden Brennstoffvorrats.
Fehlerbehebung:
Durch eine rechtzeitige Beschickung durch den Betreiber ist dieser Fehler
vermeidbar, weitere Abhilfemaßnahmen sind nicht zu empfehlen.
Datum: 22.05.2002
Störereignis: 6
Dauer: 1 Minute
Bauteil: Ölstandskontrolle
Fehler:
Die Anlage wurde durch den Betreiber für eine Kontrolle des Motorölstandes über die
Dauer von 1 Minute abgeschaltet.
Fehlerbehebung:
Im Rahmen der Wartung des Vergasers ist eine derartige Stillstandszeit
unvermeidlich, deshalb sind keine weiteren Abhilfemaßnahmen zu empfehlen.
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5.4 Beschickungen
Insgesamt wurde die Anlage 18 mal beschickt. Befüllt wurde der Vorratsspeicher der
Anlage zweimal täglich, morgens und abends jeweils mit ca. 800 l Hackgut. Die
Beschickungsintervalle in dem 220-stündigen Dauertest sind in Abbildung 14
dargestellt.
Abb. 14: Grafische Darstellung der Beschickungsintervalle
Die Beschickung der Anlage wurde durch den Betreiber zwei mal täglich mit einem
Frontlader Traktor in den Vorlagebehälter des Reaktors vorgenommen. Dieser
Vorlagebehälter besitzt ein maximales Fassungsvolumen von 900 Litern. In der
Kenntnis der Geometrie des Vorlagebehälters, konnte der Füllgrad des Behälters vor
und Nach der jeweiligen Beschickung zur Bestimmung des Füllvolumens
herangezogen werden.
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Das Hackschnitzelvolumen Raum-Verhältnis betrug ca. 233 g bei 1l trockenem
Material. Es wurde durch eine 10-fach wiederholte Messung mit der in dem Versuch
eingesetzten Hackschnitzelcharge bestimmt.
Ebenso
wurde
für
die
eingesetzten
Hackschnitzel
eine
Bestimmung
des
Wassergehaltes über die Versuchsdauer vorgenommen (Abbildung 15):
Abb. 15: Wassergehalt des eingesetzten Hackguts
In Abbildung 15 wird die von der Außentemperatur beeinflusste Schwankung des
Wassergehaltes bei den Hackschnitzeln dargestellt. Mit einem durchschnittlichen
Wassergehalt von 18% lagen die Hackschnitzel in dem von Anlagenkonstrukteur
vorgeschlagenen Bereich.
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Während des Anlagenbetriebs wurde durch den Betreiber Zeitpunkt und Volumen
der Befüllungen aufgezeichnet.
In Abbildung 15 ist das Füllvolumen während der Versuchsdauer dargestellt.
Abb. 16: Grafische Darstellung des Füllvolumens während der Versuchsdauer
Die
in
der
Kurve
verzeichnete
Füllereignisse
belegen
den
Seiten
des
Anlagenbetreibers als unproblematisch angegebene Durchführung der regelmäßigen
Füllungen des Vorlagebehälters.
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Betrachtet man die aus den einzelnen Füllungen des Vorlagebehälters erzeugte
Energie über die Versuchsdauer ergibt sich folgendes Bild (Abbildung 16):
Abb. 17: Grafische Darstellung der erzeugten Energie bezogen auf die
einzelnen Beschickungen
Im Mittel ergab sich eine Füllungsbezogene Ausbeute an elektrischer Energie von
140 kWh pro Füllung.
Da die Füllmengen des Vorlagebehälters über die Versuchsdauer unterschiedlich
waren, ist eine derartige Aufstellung der erzeugten Leistung wenig aussagekräftig in
Bezug auf eine universelle Auswertung.
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Besser ist eine Umlegung der spezifischen erzeugten Leistung auf die eingesetzten
Raumkubikmeter an Hackschnitzeln (Abbildung 17):
Abb. 18: Grafische Darstellung der erzeugten Energie bezogen auf die
eingesetzten Raumkubikmeter an Hackschnitzeln
Im Mittel wurden während der Versuchsphase 185 kW an elektrischer Energie pro
Raumkubikmeter an eingesetzten Hackschnitzeln erzeugt. Dies bedeutet bei einer
gemessenen Dichte der Hackschnitzel von 233 kg / m³ einen effektiven Ertrag an
elektrischer Energie von 0,8 kWh / kg der eingesetzten Hackschnitzel mit
durchschnittlich 20% Wassergehalt.
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5.5 Zyklonleerung
Der Zyklon wurde während des Dauertests 16 Mal geleert (Abbildung 18). In der
Regel wurden so 30 l Asche pro Tag ausgetragen.
Abb. 19: Grafische Darstellung der Zyklonwechselintervalle
Insgesamt ergab sich ein Ascheertrag aus dem Zyklon von 240 l (Abbildung 19):
Abb. 20: Grafische Darstellung des Ascheertrags während der Versuchsdauer
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5.6 Kiesfilterwechsel
Die Kiesfilter dienten als Vorreinigung der gröberen Staubpartikel, die nach dem
Fliehkraftabscheider noch im Gasstrom mitgeführt werden (ca. 5l / Tag). Diese
wurden täglich einmal gewechselt (Abbildung 20). Da keine teerhaltigen Rückstände
festgestellt wurden, könnte man im Dauerbetrieb die Wechselintervalle noch
verlängern (Abbildung 21).
Abb. 21: Grafische Darstellung der Kiesfilterwechselintervalle
Sämtliche Filter wurden vor einem Wechsel einer optischen Kontrolle auf einen
Teerbelag oder sonstige Ablagerungen untersucht. In den folgenden Grafiken kann
gezeigt werden, dass während der Versuchsdauer in sämtlichen Teilen des
Gasführungsstrecke keinerlei Teerbeläge zu verzeichnen waren.
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Abb. 22: Teerbelastung im Kiesfilter
Im Rahmen der Untersuchungen wurden auch Proben der jeweiligen Filterstäube auf
Ihre Beschaffenheit und Ihren Glühverlust untersucht. Es zeigte sich dabei, dass die
Zyklonasche mit durchschnittlich 65% einen geringeren Glühverlust, und damit einen
höheren Anteil an organischer Restmasse enthielt, als der mit durchschnittlich 80%
ermittelte Filterstaub (Abbildung 23).
Abb.23: Glühverlust der Zyklonasche und des Filterstaubs
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5.7 Glaswolle Filterwechsel
Die Glaswolle dient als Filter der feinen Staubpartikel. Auch diese letzte
Reinigungsstufe, bevor das Gas dem Motor zugeführt wird, wurde in der Regel
einmal täglich gewechselt (Abbildung 22). Es konnte kein teerhaltiger Belag
im
Glaswollefilter festgestellt werden (Abbildung 23).
Abb. 24: Grafische Darstellung der Glaswollefilter-Wechselintervalle
Abb. 25: Teerbelastung im Glaswollefilter
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Im
Dauerbetrieb
soll
ein
Ölbadfilter
den
Glaswollefilter
ersetzen.
Die
Wechselintervalle können dadurch noch deutlich verlängert werden. In ersten
Versuchen konnten nach 24 Stunden zwischen 0,25l und 2l Staub in dem
Wasserbadfilter ausgeschieden werden.
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6 Ergebnisse Test 2
Aufgrund der in Kapitel 3 angesprochenen Stillstandszeiten von insgesamt 148
Minuten wurde ein zweiter Test durchgeführt. Dabei wurden die neu entwickelten
Wasserbadfilter eingesetzt.
Im Folgenden werden die im Hyperterminal aufgezeichneten Messergebnisse
eingehender beschrieben . Die Beschickungsintervalle, die Leerung des Zyklons, die
Kiesfilterwechsel sowie der Wassergehalt des Brennstoffs und der Glühverlust der
Asche orientierten sich an den im ersten Test vorgestellten Werten; es wird daher in
diesem Kapitel nicht mehr darauf eingegangen.
6.1 Verfügbarkeit
In diesem zweiten Test konnte eine 100 prozentige Verfügbarkeit sichergestellt
werden (Abb. 26).
prozentuale Darstellung der Betriebs- und Stillstandszeiten während des Dauerversuches
Downtime
0%
Uptime
Downtime
Uptime
100%
Abb.26: Grafische Darstellung der Verfügbarkeit
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6.2 Messdaten
Die im Hyperterminal während der Versuchsdauer von 201,18 h auf dem PC
aufgezeichneten 24.099 Datensätze ergaben in der grafischen Darstellung als
Messpunkte folgendes Bild (Abbildung 27):
gemessene elektrische Leistung in Watt
25.000
20.000
15.000
10.000
5.000
0
1
1280 2559 3838 5117 6396 7675 8954 10233 11512 12791 14070 15349 16628 17907 19186 20465 21744 23023
30 Sek. Messpunkte während des 200h Dauertests
Abb. 27: Grafische Darstellung der 30-Sekunden Messpunkte
Man kann an dieser Grafik erkennen, dass die elektrische Leistungsproduktion
während dieses 200 Stunden Tests mit dem Joos-Vergaser stets mindestens 8000
Watt betrug. In der Regel schwankte die Leistungsabgabe um 15.000 Watt
Bruttoleistung. Grosse Leistungsschwankungen sind nicht zu erkennen.
In der leistungskorrigierten Darstellung der 10 Minuten Mittelwerte ergibt sich
folgendes Bild (Abb. 28).
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leistungskorregierte Darstellung der 10min Mittelwerte über die Versuchsdauer
16.000
gemessene elektrische Leistung in Watt
14.000
12.000
10.000
8.000
6.000
4.000
2.000
0
0
200
400
600
800
1000
1200
Anzahl der Messwerte über die Dauer 200h
Abb. 28: Zeitgenaue leistungskorrigierte Datenaufzeichnung (10 Minuten
Mittelwerte)
Die Differenz dieser leistungskorrigierten Nettoleistungsabgabe von ca. 3 kW zur
Bruttoleistungsabgabe ist zur Hälfte auf den hohen Stromverbrauch der Motor- und
Gaskühlung zurückzuführen. Bei einer integrierten Kraft-Wärme-Kopplung entfällt
dieser Stromverbrauch.
Weitere 1,5 kW werden durch die Getriebemotoren an der Anlage benötigt.
Die Ermittlung der mittleren täglichen Leistungsabgabe über alle Versuchsdaten zeigt
die Grafik in Abbildung 29.
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leistungskorrigierte Tagesmittel der während des 200h-Dauertestes anliegenden elektrischen Leistung
14.000
elektrische Leistung in Watt
12.000
10.000
8.000
6.000
4.000
2.000
0
1
2
3
4
5
6
7
8
Versuchstage im 200h Dauertest
Abb. 29: Grafische Darstellung der durchschnittlichen Tagesmittel
Die mittlere tägliche leistungskorrigierte Leistungsabgabe schwankt um 12.000 Watt.
Aufbereitet
als
Netto-Leitungsabgabe
der
24.099
Datenpunkte
in
einer
Häufigkeitsverteilung stellt sich der Dauerversuch folgendermaßen dar (Abb. 29)
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prozentuale Häufigkeit der verzeichneten Messw erte
40%
von 24.106 Messwerten im Absatnd 30 Sek.
35%
30%
25%
20%
15%
10%
5%
0%
22.000
20.000
18.000
16.000
14.000
12.000
10.000
8.000
6.000
4.000
2.000
0
elektrische Leistungsklasse in W att
Abb. 30: Relative Häufigkeitsverteilung der gemessenen Leistung
In diesem zweiten Versuch wurden die Ergebnisse des ersten Versuchs bestätigt. In
der Grafik ist wieder deutlich ist zu erkennen, dass sich entlang der Betriebsdauer
des Versuches keinerlei relevante Leistungsschwankungen einstellten. Die Mehrzahl
(> 95%) aller Leistungsmessungen lagen oberhalb von 14.000 Watt BruttoLeistungsabgabe am Vergaser. Dies verdeutlicht die Konstanz der Leistungsabgabe
in der Joos-Vergaseranlage.
Abbildung 31 zeigt den leistungskorrigierten spezifischen Energieertrag der
Einzelbefüllungen.
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leistungskorrigierter spezifischer Energieertrag der Einzelbefüllungen
spez. Energieertrag in kW el. / Raum m³ Hackschnitzel
250
200
150
100
50
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
Anzahl der Befüllungen
Abb. 31: Grafische Darstellung der erzeugten Energie bezogen auf die
eingesetzten Raumkubikmeter an Hackschnitzeln
Im Mittel wurden während der Versuchsphase
knapp 200 kW an elektrischer
Energie pro Raumkubikmeter an eingesetzten Hackschnitzeln erzeugt. Dies bedeutet
bei einer gemessenen Dichte der Hackschnitzel von 233 kg / m³ einen effektiven
Ertrag an elektrischer Energie von 0,8 kWh / kg der eingesetzten Hackschnitzel mit
durchschnittlich 20% Wassergehalt.
6.3 Wasserbadfilter
Für diesen zweiten Dauertest wurde ein Wasserbadfiltersystem entwickelt, welches
die feinen Staubpartikel des Holzgases herausfiltert. Die spezielle Konstruktion mit 2
unabhängig voneinander wirksamen Filtern ermöglicht es, Flüssigkeit während des
Betriebs abzulassen. Pro Tag fallen so zwischen 0,5 l und 1 l Schlamm an, der in die
Anlage zurückgeführt werden kann .
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7 Wirtschaftlichkeit
Grundlage
für
die
Berechnung
der
Wirtschaftlichkeit
waren
der
in
den
Dauerversuchen gemessene spezifische Energieertrag aus Hackschnitzeln. Im
Schnitt konnten im Dauertest mit 1 m3 Hackschnitzeln ca. 200 kWh Strom erzeugt
werden (siehe Abbildung 18+31). Da das Holz zu einem einem Preis von 8 € / m³
ergibt sich ein Preis von 0,04 € für den Brennstoff pro erzeugte kWh Strom.
Durch den Kapitalwert kann die Wirtschaftlichkeit einer Investition bestimmt werden.
Dabei wird das eingesetzte Kapital mit einer Anlage bei einer Bank verglichen. Der
Zinssatz wird mit 8% angenommen. Ist der Kapitalwert größer als null, ist die
Investition rentabler als die Anlage bei der Bank.
Der interne Zinsfuss gibt die Verzinsung des eingesetzten Kapitals an.
Die Differenz zwischen den jährlichen Einnahmen und Ausgaben ergibt den Betrag
der Zahlungsreihe.
Die Annuität wurde für den Fall einer Fremdfinanzierung berechnet und gibt die
jährliche Rückzahlung an. Die Differenz der Zahlungsreihe und der Annuität ergibt
dann den jährlichen Gewinn oder Verlust.
Der
Nutzen
errechnet
sich
aus
den
Einnahmen
durch
die
Strom-
und
Wärmeerzeugung.
Demgegenüber stehen die Investitionskosten und die Betriebskosten. Maßgebend
sind hier die Beschaffung der Biomasse (Annahme: 8 Euro bzw. 4 Euro pro m3
Hackschnitzeln), die Wartungskosten (ca. 10 % der Investitionskosten), die
Erneuerung der Verschleißteile (hauptsächlich Sensoren und Motorteile) und die
Arbeitszeit (pro Tag ca. 30 Minuten).
Für die Wirtschaftlichkeitsuntersuchung wurde nur ein Drittel der erzeugten Wärme in
die Berechnung mit einbezogen, da die Heizperiode von Oktober bis April
angenommen wurde und ein Teil der Wärme für die Trocknung von Biomasse
verwendet werden muss.
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Folgende Annahmen wurden für die Wirtschaftlichkeitsberechnung getroffen:
-
Zinssatz beträgt 8% bei einem vollkommenen Kapitalmarkt
-
Zahlungsreihe beträgt 10 Jahre
-
Anlage läuft 6000 Stunden pro Jahr
-
Nutzbare Wärme liegt bei 33% der produzierten Wärme (nur während der
kalten Jahreszeit nutzbar, teilweise für Brennstofftrocknung benötigt)
-
Stromeinspeisevergütung beträgt durch EEG pro kWh 10 Cent [70]
-
produzierte Wärme hat einen Wert von 4 Cent pro kWh (abhängig vom
Ölpreis)
-
Wartungskosten liegen bei 10% der Investitionssumme
-
Arbeitszeit beträgt pro Tag (220 Arbeitstage) eine halbe Stunde und wird mit
15 €/h berechnet
Da
weder
die
Investitionskosten
für
die
Holzvergasungsanlage,
inklusive
Beschickungseinheit und Gasreinigungsanlage, noch ein Preis für ein BHKW
feststehen, wurden die maximal möglichen Investitionskosten für die im Dauertest
ermittelten Ergebnisse bestimmt. Bei 12.700 Euro Investitionskosten würde die
Versuchsanlage demnach Gewinne erwirtschaften.
Wirtschaftlichkeitsrechnung Holzvergaser: Leistung: 12 kW el., 24 kW therm.
Kosten:
einmalig:
Investition Holzvergasungsanlage
jährlich:
Motorteile:
Entsorgung Asche:
Wartung (10% der Investitionssumme)
Motoröl:
Arbeitszeit:
Brennstoff:
Summe:
Nutzen:
Erzeugung Strom:
Erzeugung Wärme:
Summe Nutzen:
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Annahme: Holzpreis (8€ / Kubikmeter)
?
1.000 €
100 €
1.270 €
300 €
1.650 €
2.880 €
7.200 €
Zahlungsreihe:
Kapitalwert:
Annuität:
interner Zinsfuß:
Gewinn:
0
-12.700 €
1 bis 10
1.901 €
50 €
-1.752 €
8%
148 €
7.200 €
1.901 €
9.101 €
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Adaptiert man die Messwerte auf ein BHKW mit einer Leistungsfähigkeit von 30 kW el
und 60 kW therm., würden die Investitionsgrenzkosten 48.000 € betragen:
Wirtschaftlichkeitsrechnung Holzvergaser: Leistung: 30 kW el., 60 kW therm.
Kosten:
einmalig:
Investition Holzvergasungsanlage
?
jährlich:
Motorteile:
1.000 €
Entsorgung Asche:
200 €
Wartung (10% der Investitionssumme)
4.800 €
Motoröl:
600 €
Arbeitszeit:
1.650 €
Brennstoff:
7.200 €
Summe: 15.450 €
Nutzen:
Erzeugung Strom:
18.000 €
Erzeugung Wärme:
4.752 €
Summe Nutzen: 22.752 €
Annahme: Holzpreis (8€ / Kubikmeter)
Zahlungsreihe:
Kapitalwert:
Annuität:
interner Zinsfuß:
Gewinn:
0
-48.000 €
1 bis 10
7.302 €
923 €
-6.624 €
8%
678 €
Reduziert man den Holzpreis auf 4 € pro Kubikmeter, erhöhen sich die
Investitionsgrenzkosten auf 63.000 € :
Wirtschaftlichkeitsrechnung Holzvergaser: Leistung: 30 kW el., 60 kW therm.
Kosten:
einmalig:
Investition Holzvergasungsanlage
?
jährlich:
Motorteile:
1.000 €
Entsorgung Asche:
200 €
Wartung (10% der Investitionssumme)
6.300 €
Motoröl:
600 €
Arbeitszeit:
1.650 €
Brennstoff:
3.600 €
Summe: 13.350 €
Nutzen:
Erzeugung Strom:
18.000 €
Erzeugung Wärme:
4.752 €
Summe Nutzen: 22.752 €
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Annahme: Holzpreis (4€ / Kubikmeter)
Zahlungsreihe:
Kapitalwert:
Annuität:
interner Zinsfuß:
Gewinn:
e-mail: [email protected]
0
-63.000 €
1 bis 10
9.402 €
82 €
-8.693 €
8%
709 €
Seite 42 von 50
Eine Anlage mit einer
elektrischen Leistung von 50 kW und einer thermischen
Leistung von 100 kW dürfte mit den getroffenen Annahmen maximal 88.000 Euro
kosten:
Wirtschaftlichkeitsrechnung Holzvergaser: Leistung: 50 kW el., 100 kW therm.
Kosten:
einmalig:
Investition Holzvergasungsanlage
jährlich:
Motorteile:
Entsorgung Asche:
Wartung (10% der Investitionssumme)
Motoröl:
Arbeitszeit:
Brennstoff:
Summe:
Nutzen:
Erzeugung Strom:
Erzeugung Wärme:
Summe Nutzen:
Annahme: Holzpreis (8€ / Kubikmeter)
Zahlungsreihe:
?
Kapitalwert:
Annuität:
interner Zinsfuß:
Gewinn:
1.000 €
300 €
8.800 €
900 €
1.650 €
12.000 €
24.650 €
0 1 bis 10
-88.000 € 13.270 €
966 €
-12.143 €
8%
1.127 €
30.000 €
7.920 €
37.920 €
Die maximale Investitionssumme für eine Biomassevergasungsanlage hängt also
besonders von der Leistungserzeugung und dem Brennstoffpreis ab.
Mit zunehmender Anlagengröße dürfte allerdings zum einen die Brennstofflogistik
(eine Anlage mit einer elektrischen Leistung von 50 kW benötigt nach Abbildung 17
immerhin pro Tag rund 6 Kubikmeter Holzhackschnitzel) Schwierigkeiten bereiten
und zum anderen ist es auch ein Problem, die entstehende Wärme zu nutzen.
Diese Wirtschaftlichkeitsanalyse
soll
daher auch nur eine Orientierung für
Investitionsentscheidungen sein. Für eine genaue, individuelle Berechnung müssen
die Randbedingungen jeweils angepasst werden.
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8 Die Umwelt
Ein umwelttechnischer Vorteil der Vergasungstechnologie sind die vorherrschenden
reduzierenden 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 während der Konversion der Holzreste zu nutzbarem Holzgas, nicht aber zu einer
Produktion von Stickoxiden. Die nachfolgende Verbrennung des Gases im Motor der
Kraft-Wärme-Kopplungsanlage ist umfassend und kontrolliert, so dass eine
Schadstoff minimierte Verbrennung in jeder Betriebsphase gewährleistet ist. Dies ist
bei herkömmlichen Holzverbrennungsanlagen nicht immer der Fall.
Auf Grund der sauerstoffarmen Umgebung wird die Bildung von Umweltgiften wie
Dioxinen und Furanen unterbunden. Insgesamt kommt es durch die an jeder Stelle
des Verfahrensprozesses kontrolliert ablaufenden Reaktionen zu minimalen
Emissionen und einer definierten Schadstoffausschleusung. Die Befrachtung der
abgeschiedenen Asche mit Schadstoffen, wie Schwermetallen, ist nur zu erwarten,
falls die Eingangsmaterialien solche Belastungen aufweisen. Bei der Vergasung von
naturbelassenem Holzreststoffen 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 Gaswäscher
eliminieren, keine Kondensate oder Waschwässer an.
Holzgas-BHKW
können
bisher
noch
keiner
eindeutigen
Emissionsvorschrift
zugeordnet werden. Ersten Erkenntnissen zufolge werden die gesetzlichen
Grenzwerte für Feststofffeuerungen (Abbildung 24) deutlich unterschritten.
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Abb. 32: Gesetzliche Grenzwerte für Feststofffeuerrungen
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9 Fazit
In den nächsten Jahren zeigt sich folgender Problemdruck: eine Verdopplung des
Energiebedarfs innerhalb der kommenden 50 bis 60 Jahre, bei gleichzeitig stark
reduziertem Einsatz fossiler Energieträger. Durch diesen Problemdruck werden zwei
sich ergänzende Handlungsweisen forciert: Zum einen wird es zunehmend attraktiver
werden, Energie intelligent, effektiv und damit dezentral einzusetzen. Zum anderen
werden, um den steigenden Energiebedarf zu decken, verstärkt neue Energieträger
und – technologien den Restenergiebedarf abdecken müssen.
Der Joos-Vergaser stellt eine interessante Technologie dar, um seinen Beitrag dazu
zu leisten, diesen Restenergiebedarf abzudecken.
Im ersten 200-stündigen Dauertest konnte eine Verfügbarkeit von über 99% erreicht
werden.
Die
Stillstandszeiten
Batterieladegerät,
eine
wurden
defekte
Reaktorbeschickung hervorgerufen.
hauptsächlich
Wasserpumpe
und
durch
eine
ein
defektes
vergessene
In einem zweiten 200-stündigen Dauertest
konnte eine 100 prozentige Verfügbarkeit erreicht werden
Eine Belastung der Filter, Rohrleitungen und Motorzuführungen mit Teer konnte nicht
festgestellt werden.
Die Wirtschaftlichkeitsuntersuchung hat gezeigt, dass die Vergasung von Biomasse
im Joos Vergaser ein rentables Verfahren sowohl zur Erzeugung von Strom und
Wärme , als auch zur Entsorgung von biogenen Reststoffen sein kann. Eine wichtige
Voraussetzung dafür ist eine vergütete Einspeisung der erzeugten elektrischen
Energie in das öffentliche Stromnetz. Dies wird in Deutschland mit dem ErneuerbareEnergien-Gesetz (EEG) garantiert.
Durch eine ausgewogene Kraft-Wärme-Kopplung in einem Blockheizkraftwerk
können der Strom- und Wärmeertrag bei den getroffenen Annahmen die Investitionsund laufenden Kosten decken sowie einen Gewinn erwirtschaften.
Tel: 0721 359 110
Fax: 0721 384 1882
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Eine
genaue
Angabe
über
eine
maximale
Investitionssumme
für
eine
Holzvergasungsanlage zu machen ist schwierig, da die Variable „Nutzen“ sicherlich
eine unterschiedliche Gewichtung im Entscheidungsprozess bei einer Investition
erfährt.
Der
zusätzliche
Imagegewinn
durch
erzeugte
Bioenergie
und
vollständige
Reststoffverwertung, kann nicht wertmäßig erfasst werden und findet daher in der
Wirtschaftlichkeitsberechnung keine Berücksichtigung.
In
der
Vergangenheit
stellte
sich
für
Unternehmen
und
Betriebe
bei
Entscheidungsprozessen häufig die Frage: Ökonomie oder Ökologie? Dabei
schließen sich Wirtschaft und Umweltschutz keineswegs aus. Das Gesetz vom
Haushalten (gr. oikos: Haushalt, gr. nomos: Gesetz) und die Lehre vom Haushalten
(gr. logos: Lehre) können nach unseren gewonnenen Erkenntnissen sehr gut
miteinander harmonieren.
Der Dauertest des Joos-Vergasers hat aufzeigt, dass sowohl Gewinnmaximierung,
als
auch
aktiver
Umweltschutz
durch
effektive
Ressourcennutzung
keine
gegenläufige Prozesse sein müssen.
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Joos-Vergaser in der wissenschaftlichen Überwachung
Während der Versuchsdauer eingesetzte Hackschnitzel
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Lagerung der Hackschnitzel
Beschickung mit dem Frontlader
Hackschnitzel im Vorlagebhälter
Abdeckung des Feinfilters nach 220h
Dauerbetrieb
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Literatur:
i
DIN 38409 S2
Deutsche Einheitsverfahren zur Wasser-, Abwasser- und Schlammuntersuchung
Bestimmung des Wassergehaltes und des Trockenrückstandes bzw. der Trockensubstanz
Deutsche Norm, November 1985
ii
DIN 38409 S3
Deutsche Einheitsverfahren zur Wasser-, Abwasser- und Schlammuntersuchung
III
Bestimmung des Wassergehaltes und des Trockenrückstandes bzw. der Trockensubstanz
Deutsche Norm, November 1985
IV
Nussbaumer, T. (1994): Neue Konzepte zur schadstoffarmen Holzenergienutzung, BEW (Bundesanstalt für
Energiewirtschaft), Zürich
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