Projekt 15340/01

Untersuchung von Möglichkeiten zur Reinigung des Rauchgases holzbefeuerter Biomasse-Stirling-BHKW

Projektdurchführung

Innovations- und Transferinstitut Bingen GmbHan der Fachhochschule Bingen
Berlinstr. 107 a
55411 Bingen

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Im Forst und bei der Verarbeitung von Holz fallen Resthölzer an, die nicht weiter genutzt werden können. Die Nutzung dieses Restholzes für Energiezwecke schließt den natürlichen Kreislauf, wobei die gekoppelte Energieumsetzung von Biomasse in Wärme und Strom in kleinen dezentralen Anlagen eine noch zu lösende Aufgabe ist. Hier bietet der Einsatz von Stirling-Motoren interessante Möglichkeiten zur Kraft-Wärme-Kopplung, da günstigere Investitions- und Betriebskosten sowie bedeutend günstigere Wartungsintervalle als bei BHKW mit Otto- oder Dieselmotoren zu erwarten sind. Problematisch ist die Verschmutzungsneigung des Stirling-Erhitzerkopfes, die bisher den Betrieb einer solchen Anlage verhinderte. Im Rahmen dieses Projektes wurden Reinigungsmöglichkeiten von Rauchgasen aus Biomassefeuerungen zum Betrieb eines Stirlingmotors untersucht und Lösungskonzepte für einen Dauerbetrieb eines Biomasse-Stirling-BHKW erarbeitet.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenUm die für einen Betrieb des Stirlingmotors erforderlichen hohen (1.000°C-1.200°C) Rauchgastemperaturen zu erreichen, wurde die vorhandene Holzhackschnitzelfeuerung schrittweise modifiziert. Die Ursachen und das Ausmaß der Verschmutzungen am Stirling-Erhitzerkopf wurden in entsprechenden Ver-suchen dargestellt. Daraufhin wurde durch Einsatz von verschiedenen Keramikfiltern versucht, die heißen Rauchgase zwischen Feuerung und Stirling-Erhitzerkopf zu reinigen. Parallel hierzu wurde ein keramischer Abgaswärmetauscher sowie ein alternativer Stirling-Erhitzerkopf mit verschmutzungsresistenter Geometrie entwickelt und in Versuchen getestet.


Ergebnisse und Diskussion

Nachdem das Rauchgas der modifizierten Holzhackschnitzelfeuerung auf das für den Betrieb des Stirling-BHKW notwendige Temperaturniveau gebracht werden konnte, wurde nachgewiesen, dass eine Reinigung der Rauchgase im für einen wirtschaftlichen Betrieb der Anlage angestrebten Temperaturbereich nicht mit unter ökonomischen Aspekten vertretbarem Aufwand zu leisten ist. Daher wurden, um das Ziel eines Dauerbetriebes zu erreichen, alternative Lösungsansätze weiterverfolgt. In Kooperation mit dem Forschungsinstitut für anorganische Werkstoffe - Glas/Keramik - GmbH (FGK) wurde ein ke-ramischer Abgaswärmetauscher entwickelt, der die Wärme der Feuerung auf zirkulierende Reinluft über-trägt, mit der das Stirling-BHKW unter Beibehaltung des serienmäßigen Erhitzerkopfes betrieben werden kann. Nachteile dieser Lösung sind die im Verhältnis zur Gesamtanlage zu hohen Kosten (ca. 40% der Kosten für Stirling-BHKW), sowie die Anfälligkeit der Keramik gegen anhaftende Verschmutzungen aus aufgeschmolzenem Staub. Parallel hierzu wurde ein neuer Stirling-Erhitzerkopf konstruiert, der zum Betrieb mit durch Asche kontaminierten Rauchgasen geeignet ist. Durch Änderung der Geometrie, der Strömungsverhältnisse und der verwendeten Materialien konnte ein Wärmetauscher entworfen werden, der kostengünstig herstellbar ist und zusätzlich den Vorteil besitzt, lokale Temperaturspitzen äußerst effektiv abzubauen. Hierdurch ist es erstmalig möglich, mit nur einem Stirlingerhitzerkopf die Wärme verschiedenster Energiequellen (Sonne, Gas, Biomasse,..) auch im bivalenten Betrieb zu nutzen.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Die Ergebnisse dieser Arbeit wurden vorgestellt in folgenden Vorträgen:
-Entwicklungsschritte beim HolzStirling Blockheizkraftwerk der Fachhochschule Bingen
European Stirling Forum, 18.und 19.September 2002, Osnabrück.
-Kraft-Wärme-Kopplung mit Holzpellets
Energietag Rheinland-Pfalz, 19. September 2002, Bingen.
-Kraft-Wärme-Kopplung mit Holz
VWEW-Fachtagung: Regionale Anwendungen von effizienten Energieumwandlungstechniken, 29. Oktober 2002, Bingen.
-Das Holz-Stirlingmotor Blockheizkraftwerk an der Fachhochschule Bingen
Regenerative Energienutzung in Rheinland-Pfalz im Rahmen der Europäischen Biomassetage, 2. Oktober 2002, Bingen.
Die Anlage ist in die Demonstrationsanlagen des Kompetenzzentrums für rationelle und regenerative Energienutzung an der Fachhochschule Bingen integriert, und ist somit dauerhaft in Präsentationen im Rahmen von Veranstaltungen eingebunden.


Fazit

In dieser Entwicklungsarbeit konnte gezeigt werden, dass eine Reinigung der heißen Rauchgase zwischen Feuerung und Stirling-Erhitzerkopf auch unter Verwendung von Keramikbauteilen nicht möglich ist. Des Weiteren hat sich herausgestellt, dass der Brennstoff Holzpellets auf Grund seiner sehr genau spezifizierten Eigenschaften besser zur Befeuerung eines Stirlingmotors der verwendeten Leistungsklasse geeignet ist als Holzhackschnitzel. Um das Ziel eines Dauerbetriebes eines holzbefeuerten Stirling-BHKW dennoch erreichen zu können, war es notwendig, den Erhitzerkopf so zu modifizieren, dass keine anhaftenden Verschmutzungen mehr auftreten können. Der neu entwickelte Erhitzerkopf eignet sich auf Grund seiner hervorragenden Wärmeabfuhr auch zum Einsatz in solaren Anwendungen. Durch eine entsprechende Anpassung der Bauform ist ein bivalenter Betrieb mit Holz und Sonne möglich. Hierdurch könnte eine optimale Kopplung regenerativer Energieträger erreicht werden, da so auch bei Weg-fall der solaren Einstrahlung ein kontinuierlich regenerativer Betrieb eines auf diesem Wärmetauscher basierenden Stirling-BHKW möglich ist. In einem weiteren Entwicklungsschritt könnte nun eine entsprechende Anlage zur energetischen Kopplung von Holz und Sonne unter Verwendung des neu entwickel-ten und zum Patent angemeldeten Erhitzerkopfes aufgebaut und untersucht werden.