Projekt 12605/01

Blockheizkraftwerk mit Hochtemperaturbrennwertnutzung durch einen offenen Wärmetransformationsprozeß und integrierter Kälteerzeugungsanlage

Projektdurchführung

Martin-Luther-Universität Halle-WittenbergZentrum für IngenieurwissenschaftenProfessur Energietechnik
Geusaer Str., Geb. 136
06217 Merseburg

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Brennwertnutzung beschränkt sich gegenwärtig im wesentlichen auf die Erdgasverbrennung und ist an die Verwendung von Niedertemperaturheizungen geknüpft. Andererseits ist die Brennwertnutzung bei Heizkesseln nur eine geringe Verbesserung im Vergleich zu den Vorteilen, die BHKW ermöglichen.
Eine Kombination der im BHKW realisierten Wärmekraft - Kopplung mit einer Brennwertnutzung auf erhöhtem Temperaturniveau, d.h. eine Hochtemperaturbrennwertnutzung (HTBN) ist damit ressourcensparend und umweltschonend.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenFür die Erprobung der HTBN ist eine Versuchsanlage bestehend aus einem BHKW und einem offenen Sorptionswärmetransformationsprozeß aufzubauen, der es gestattet die Brennwertnutzung bei Rücklauftemperaturen von 60 - 70 °C zu realisieren. Zur Erweiterung der BHKW - Nutzungsdauer soll die Einbindung der Klimakälteerzeugung mit Hilfe eines Sorptionskreisprozesses untersucht und realisiert werden.
Nach der Detailplanung der Versuchsanlage und deren Einbindung in das beim Kooperationspartner vorhandene Versorgungssystem erfolgt der Aufbau und die Inbetriebnahme der Versuchsanlage so, daß nach 6 Monaten Projektlaufzeit der Betrieb der Versuchsanlage mit verschiedenen Prozeßparametern beginnt. In einer Versuchszeit von ca. 5 Monaten werden Prozeßdaten, Abgaswerte und Wirkungsgrade der Anlage bei unterschiedlichen Betriebsregimen ermittelt.
In einer zweiten Arbeitsphase wird die Versuchsanlage um den Kälteteil erweitert und gegebenenfalls Verbesserungen an HTBN - Teil vorgenommen. Anschließend erfolgt die Untersuchung der Anlage unter Bedingungen des Sommerbetriebs.
Die gesamte Arbeit wird durch theoretische Untersuchungen zur Prozeßmodellierung und
-optimierung begleitet und soll schließlich im Rahmen des Abschlußberichtes zu wirtschaftlichen Aussagen und Umsetzungskonsequenzen in klein- und mittelständischen Unternehmen führen.


Ergebnisse und Diskussion

Aus den vorangegangenen theoretischen Untersuchungen und der Umsetzung des Prozeßmodells als Rechenprogramm wurden beim Einsatz von Hochtemperatur - Brennwertnutzungsmodulen Gesamtwirkungsgradsteigerungen verschiedener BHKWs zwischen 5 und 15 % errechnet. Während der ersten Arbeitsphase wurde die errichtete Versuchsanlage beim Kooperationspartner in das bestehende Heizungssystem integriert und bei unterschiedlichen Prozeßparametern betrieben. Die erwartete Gesamtwirkungsgradsteigerung des BHKWs konnte in vollem Umfang bestätigt werden. Die Einbindung des HTBN-Moduls in die bestehenden Versorgungsstrukturen beim Kooperationspartner war technisch sehr einfach realisierbar. Die sich anschließenden mehrmonatigen Untersuchungen erfolgten bei verschiedenen Betriebsregimen, d.h. die Haupteinflußgrößen Heizungsrücklauftemperatur und Lösungsumlauf wurden variiert und die entsprechenden Auswirkungen auf die abgegebene Heizleistung registriert. Die positiven energetischen Effekte konnten selbst bei hohen Heizungsrücklauftemperaturen von ca. 70 °C - 75 °C beobachtet werden.
Während der Versuchsdauer erfolgte eine ständige Überprüfung der BHKW-Abgase hinsichtlich Sauerstoffgehalt, Feuchtegehalt, Stickoxidgehalt und Kohlenmonoxidgehalt. Für die Untersuchung des Einflusses des HTBN-Moduls wurden die Analysen sowohl beim Eintritt des Abgases in die Versuchsanlage, als auch beim Austritt aus der Versuchsanlage durchgeführt. Während der Stickoxid- und Kohlenmonoxidgehalt im Ein- bzw. Austrittszustand nur geringen Schwankungen unterliegt, verringert sich der Feuchtegehalt im Abgas erwartungsgemäß beträchtlich. So wurden beispielsweise bei Eintrittsfeuchten von ca. 120 g H2O / kg tr.L. Austrittsfeuchten von ca. 30 g H2O / kg tr.L. beobachtet. Im Vergleich zur herkömmlichen Brennwertnutzung mit einer prozeßbedingten relativen Austrittsfeuchte von j = 100 % liegen die relativen Austrittsfeuchten der HTBN bei j = 20...25 %. Eine Kondensatbildung im Abgassystem ist damit nahezu ausgeschlossen.
Durch die Erhöhung der BHKW-Wirkungsgrade trägt die HTBN zur Brennstoffeinsparung und damit zur Verringerung von Kohlendioxidemissionen bei. So werden die Kohlendioxidemissionen um ca. 10 % gesenkt.
Eine detaillierte ökonomische Bilanzierung ergab, daß die Amortisationszeiten der HTBN - abhängig von der BHKW-Größe - zwischen ca. 5,8 und 1,4 Jahren liegen.
Die Erweiterung der Anlage um die Kälteerzeugungsanlage für den Sommerbetrieb des BHKWs war technisch einfach zu realisieren. Die sich anschließenden Untersuchungen zeigten, daß ein problemloser Parallelbetrieb der HTBN und der integrierten Kälteerzeugungsanlage möglich ist. Eine Regelung der jeweils benötigten Heiz- bzw. Kühlleistung ist durch Anpassung der entsprechenden Heizleistungen in einem weiten Bereich möglich. Als Heizmedien für die Desorberbeheizung der Kälteerzeugungsanlage wurden sowohl ein organischer Wärmeträger, als auch Heißwasser verwendet. Bei beiden Varianten war ein Betrieb der Kälteerzeugungsanlage möglich.
Liegt ein entsprechender Bedarf an Wärme bzw. Kälte vor, so stellt der parallele Betrieb der HTBN und einer Kälteerzeugungsanlage in Form einer Absorptionskältemaschine eine energetisch günstige Realisierungsmöglichkeit dar, da die Benutzungsstundenanzahl des BHKWs im Sommer durch die Wärmebereitstellung für die Kälteanlage erhöht werden kann.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Für die Verbreitung des Bekanntheitsgrades der HTBN wurden vor allem Veröffentlichungen in der Fachliteratur (Fachzeitschriften z.B. Chemieingenieurwesen, Berichte des VDI u.a.) und die Präsentationsmöglichkeiten auf Tagungen und Messen (z.B. Terratec Leipzig, ENCON 99 Nürnberg) genutzt. Sowohl die Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg als auch die BHF Verfahrenstechnik GmbH als zukünftiger Hersteller von HTBN-Modulen unterhalten entsprechende Internetseiten, auf denen sich potentielle Interessenten über die Funktionsweise der HTBN informieren können (http://www.iw.uni-halle.de/ewi/master.html, http://home.t-online.de/home/bhf_verfahrenstechnik_gmbh). Für erste Interessenten werden gegenwärtig Angebotsunterlagen und eine Anlagenplanung vorbereitet.


Fazit

Die in diesem Projekt erzielten Ergebnisse bestätigen, daß es mit der HTBN möglich ist, die energetischen Vorteile die die Wärme-Kraft-Kopplung in BHKWs gegenüber einer separaten Erzeugung von Strom und Wärme bietet, noch weiter zu verbessern. Als Resultat des in der zweiten Arbeitsphase untersuchten Sommerbetriebs des BHKWs wurde die Integrationsmöglichkeit einer Kälteerzeugungsanlage nachgewiesen. Sowohl die HTBN, als auch die integrierte Kälteerzeugungsanlage stellen sinnvolle Maßnahmen zur Verbesserung der Effektivität der Wärme-Kraft-Kopplung in BHKWs dar.