Biomasse-Energietechniken

Biomasse-Energietechniken
Samuel Stucki, Paul Scherrer Institut
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
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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 Pollution
Fighting 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
Biomasse kann einen bedeutenden Beitrag zur
Energieversorgung der Schweiz leisten
50
ökol. Potenzial Nutzung 2003
Primärenergie PJ/a
45
40
35
30
25
20
15
10
5
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SS51 12. Januar 2006
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Quelle: Bundesamt für Energie
2004: Potentiale zur
energetischen Nutzung von
Biomasse in der Schweiz
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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;
SS51 12. Januar 2006
Energieprodukte aus Biomasse
Netto Photosyntheseertrag
Roh-Biomasse
mechanisch
biotechnisch
thermisch
Oelmühle
anaerobe Vergärung
alkohol. Gärung
Verbrennung
Vergasung - Synthese
Umwandlung
Produkte
Pflanzenöl
Methan
Ethanol
Synfuels
Strom
Wärme
20-30%
20-30%
20-30%
40-70%
20-45%
70-90%
Thermische Prozesse versprechen hohe Wirkungsgrade!
SS51 12. Januar 2006
Holz: zu schade um nur zu verbrennen
Heizkessel
Therm.Vergasung
Gasreinigung
Dampfprozess
Gasmotor,
Gasturbine,
Brennstoffzelle
Chemische
Umwandlung:
Synth. Benzin,
Synth. Erdgas
Wasserstoff
SS51 12. Januar 2006
Wärme
Strom
Treibstoff
Produktion von Strom (und Wärme) aus Holz
Dampfprozess
Dampfprozess
konventionell
konventionell
Dampfmotor
Dampfmotor
Dampfturbine
Dampfturbine
VerbrenVerbrennung
nung
Dampfprozess
Dampfprozess
ORC
ORC
Dampfturbine
Dampfturbine
Strom
Gasmotor
Gasmotor
Holz
Wärme
Vergasung
Vergasung
Gasreinigung
Gasreinigung
Gasturbine
Gasturbine
Brennstoffzelle
Brennstoffzelle
SS51 12. Januar 2006
Verstromung von Holz: Technologie und
Anlagengrösse bestimmen den Wirkungsgrad
η
El. Wirkungsgrad
el, Netto
[%]
60
Gasmotor
50
Gasmotor-Kombi
IGFC
40
Dampf
Heizkraftwerk
30
Dampfkraftwerk
20
Gasturbine
GuD
10
Bi-Fuel CC
0
0.1
1
10
100
Brennstoffleistung [MWth ]
SS51 12. Januar 2006
1000
Spezifische Investitionskosten: Je grösser, desto
günstiger
SS51 12. Januar 2006
Stromkosten aus Wärme-Kraft-Kopplungsanlagen
Wä
0
e:
rm
……
8R
….
p/k
Invest 100%
p/k
Wh
Wh
Stromkosten (Rp/kWh)
Wä
8R
….
20
6000 h/y
……
30
4000 h/y
0
e:
rm
40
10
0
Wä
0
e:
rm
Invest 50%
……
8R
….
p/k
Wh
Wh
SS51 12. Januar 2006
p/k
0
8R
….
10
……
20
Wä
30
0
e:
rm
Stromkosten (Rp/kWh)
40
0
2
Holzpreis (Rp/kWh)
4
6
0
2
Holzpreis (Rp/kWh)
4
6
Produktion von Strom (und Wärme) aus Holz
Dampfprozess
Dampfprozess
konventionell
konventionell
Dampfmotor
Dampfmotor
Dampfturbine
Dampfturbine
VerbrenVerbrennung
nung
Dampfprozess
Dampfprozess
ORC
ORC
Dampfturbine
Dampfturbine
Strom
Gasmotor
Gasmotor
Holz
Wärme
Vergasung
Vergasung
Gasreinigung
Gasreinigung
Gasturbine
Gasturbine
Brennstoffzelle
Brennstoffzelle
SS51 12. Januar 2006
Holzvergasung
Prinzip
Beispiel einer technischen Ausführung
Holz
Gas
Gas
Asche
Wärme
Luft
Gegenstromvergaser: Wärme wird
Über Teilverbrennung mit Luft erzeugt
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Heizkraftwerk Wimmis
SS51 12. Januar 2006
Anlage Spiez: 200 kWel, 270 kWth
SS51 12. Januar 2006
Holzvergasung, indirektes Prinzip
Prinzip
Beispiel einer technischen Ausführung
Produktgas
Gas
Abgas
Sand
O
O
O
850°C
O
O
O
FICFB
Holz
Sand
Holzkohle
Dampf
Luft
Wärme
FICFB Vergaser: Wärme wird separat durch
Verbrennen der Holzkohle erzeugt
SS51 12. Januar 2006
Schema der Anlage Güssing
Heizkraftwerk Güssing; 8 MWth, 2 MWel
SS51 12. Januar 2006
Produktion von Strom (und Wärme) aus Holz
Dampfprozess
Dampfprozess
konventionell
konventionell
Dampfmotor
Dampfmotor
Dampfturbine
Dampfturbine
VerbrenVerbrennung
nung
Dampfprozess
Dampfprozess
ORC
ORC
Dampfturbine
Dampfturbine
Strom
Gasmotor
Gasmotor
Holz
Wärme
Vergasung
Vergasung
Gasreinigung
Gasreinigung
Gasturbine
Gasturbine
Brennstoffzelle
Brennstoffzelle
SS51 12. Januar 2006
Versuchsanlage für Kopplung der Holzvergasung
mit der Hochtemperatur-Brennstoffzelle
Fackel
Holzpellets
Silo
(1,3 kg/h)
p
Produktgas
(250 ln/h, 400 °C)
p
GegenstromVergaser
Partikelfilter
Strom
Luft
Luft
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SOFCStack
Abgas
Direkte Kopplung eines GegenstromFestbettvergasers mit einer SOFC-Brennstoffzelle
Teerhaltiges Gas kann
direkt in der BrennstoffZelle umgesetzt werden
SS51 12. Januar 2006
Fragestellungen Kopplung Holzvergasung 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?
SS51 12. Januar 2006
Thermische Umwandlung zu sekundären
Energieträgern
Biomasse
Synthesegas
CH1.49O0.6
CO, H2, CO2
Synfuel
CxHy(synth. Diesel)
CH4 (synth. Erdgas)
CH3OH (Methanol)
H2 (Wasserstoff)
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Biomass-to-Liquids Verfahren der Firma CHOREN
Wirkungsgrad: 40 - 50%
SS51 12. Januar 2006
Umwandlung von Holz zu synthetischem Erdgas
Vergasung
Gasreinigung
Schweizerisches Hochdrucknetz
(25 …. 70 bar)
Methanierung
Kompression
Aufbereitung
CH4
CO2
SNG: Synthetic Natural Gas
SS51 12. Januar 2006
Katalytische Umwandlung von Holzgas zu Methan
H2
CO
CO2
CH4
C2H4
N2
4.1
0.4
47.4
39.6
0.0
8.4
Catalyst
H2 36.9
CO 25.3
CO2 18.2
CH4 9.7
C2H4 3.1
N2
5.9
Heizkraftwerk Güssing; 8 MWth, 2 MWel
SS51 12. Januar 2006
PSI’s Methanierungsanlage in Güssing
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.
SS51 12. Januar 2006
Verstromung von Holz: Technologie und
Anlagengrösse bestimmen den Wirkungsgrad
SNG
η
El. Wirkungsgrad
el, Netto
[%]
60
Gasmotor
50
Gasmotor-Kombi
IGFC
40
Dampf
Heizkraftwerk
30
Dampfkraftwerk
20
Gasturbine
GuD
10
Bi-Fuel CC
0
0.1
1
10
100
Brennstoffleistung [MWth ]
SS51 12. Januar 2006
1000
Vision: Optimale Netzintegration von Biomasse
Land
Gasnetz
Stromnetz
Gas-Kombi
Region
BiomasseWKK
GW
SNG-Anlage
Wärmenetz
Stadt
Gas-WKK
BiomasseWKK
Gas-WKK
EWP
Haus
MW
kW
SS51 12. Januar 2006
Schlussfolgerungen
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Moderne Biomassenutzung kann wertvolle Beiträge zur Substitution von
fossilen Energieträgern leisten
•
Nachhaltige Biomassenutzung erfordert effiziente und saubere neue
Technologien
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Wirtschaftlichkeit ist eine Frage der Technologie und des AnlagenMassstabs.
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Integration von Biomassetechnologien in Nahwärmenetze ist ein Muss für
kleine Anlagen mit beschränktem Wirkungsgrad.
SS51 12. Januar 2006