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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

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Biomasse-Energietechniken

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Presentation Transcript

  1. Biomasse-Energietechniken Samuel Stucki, Paul Scherrer Institut

  2. 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

  3. Biomasseanteil Primärenergie

  4. Brennholzanteil in der Energieversorgung Biomasse ist eine Armeleute-Energie

  5. 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/

  6. Traditionelle Holzenergienutzung in der Schweiz: Wintersmog in Roveredo

  7. Biomasse kann einen bedeutenden Beitrag zur Energieversorgung der Schweiz leisten Quelle: Bundesamt für Energie 2004: Potentiale zur energetischen Nutzung von Biomasse in der Schweiz Gesamtes ökol. Potenzial: ~10% Bruttoverbrauch CH

  8. Randbedingungen für moderne Biomassenutzung • Verstärkte Biomassenutzung darf nicht auf Kosten der Umwelt erfolgen (Schadstoffemissionen, Stoffkreisläufe, Biodiversität). • Energie-Effizienz: höchstmögliche Gesamtwirkungsgrade sind erforderlich, um den maximalen Substitutionseffekt für fossile Energien zu erzielen; • 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 • Um wirtschaftlich zu sein, müssen Bio-Energiesysteme sich möglichst in bestehende Transport- und Verteilinfrastrukturen für Energie integrieren lassen;

  9. Netto Photosyntheseertrag Roh-Biomasse mechanisch Oelmühle biotechnisch anaerobe Vergärung alkohol. Gärung thermisch Verbrennung Vergasung - Synthese Umwandlung Pflanzenöl 20-30% Methan 20-30% Ethanol 20-30% Synfuels 40-70% Strom 20-45% Wärme 70-90% Produkte Energieprodukte aus Biomasse Thermische Prozesse versprechen hohe Wirkungsgrade!

  10. Holz: zu schade um nur zu verbrennen Heizkessel Wärme Therm.Vergasung Gasreinigung Dampfprozess Strom Gasmotor, Gasturbine, Brennstoffzelle Chemische Umwandlung: Synth. Benzin, Synth. Erdgas Wasserstoff Treibstoff

  11. Produktion von Strom (und Wärme) aus Holz Dampfmotor Dampfprozess konventionell Dampfturbine Verbren-nung Dampfprozess ORC Dampfturbine Strom Gasmotor Holz Wärme Vergasung Gasreinigung Gasturbine Brennstoffzelle

  12. 60 [%] Gasmotor 50 Gasmotor-Kombi el, Netto IGFC 40 h Dampf Heizkraftwerk 30 Dampfkraftwerk El. Wirkungsgrad 20 Gasturbine GuD 10 Bi-Fuel CC 0 0.1 1 10 100 1000 Brennstoffleistung [MW ] th Verstromung von Holz: Technologie und Anlagengrösse bestimmen den Wirkungsgrad

  13. Spezifische Investitionskosten: Je grösser, desto günstiger

  14. 40 40 30 30 Stromkosten (Rp/kWh) Stromkosten (Rp/kWh) 20 20 10 10 0 0 Stromkosten aus Wärme-Kraft-Kopplungsanlagen 4000 h/y 6000 h/y Wärme: 0……….8 Rp/kWh Wärme: 0……….8 Rp/kWh Invest 100% Wärme: 0……….8 Rp/kWh Invest 50% Wärme: 0……….8 Rp/kWh 0 2 4 6 Holzpreis (Rp/kWh) 0 2 4 6 Holzpreis (Rp/kWh)

  15. Produktion von Strom (und Wärme) aus Holz Dampfmotor Dampfprozess konventionell Dampfturbine Verbren-nung Dampfprozess ORC Dampfturbine Strom Gasmotor Holz Wärme Vergasung Gasreinigung Gasturbine Brennstoffzelle

  16. Gas Prinzip Beispiel einer technischen Ausführung Holz Asche Luft Wärme Gegenstromvergaser: Wärme wird Über Teilverbrennung mit Luft erzeugt Holzvergasung Gas

  17. Heizkraftwerk Wimmis

  18. Anlage Spiez: 200 kWel, 270 kWth

  19. Gas Prinzip Beispiel einer technischen Ausführung Produktgas Abgas Sand O O O O O 850°C O FICFB Holz Sand Holzkohle Luft Dampf Wärme FICFB Vergaser: Wärme wird separat durch Verbrennen der Holzkohle erzeugt Holzvergasung, indirektes Prinzip

  20. Heizkraftwerk Güssing; 8 MWth, 2 MWel Schema der Anlage Güssing

  21. Produktion von Strom (und Wärme) aus Holz Dampfmotor Dampfprozess konventionell Dampfturbine Verbren-nung Dampfprozess ORC Dampfturbine Strom Gasmotor Holz Wärme Vergasung Gasreinigung Gasturbine Brennstoffzelle

  22. Versuchsanlage für Kopplung der Holzvergasung mit der Hochtemperatur-Brennstoffzelle Fackel Holzpellets Silo (1,3 kg/h) p Gegenstrom- Vergaser Produktgas (250 ln/h, 400 °C) p Partikelfilter Strom SOFC- Stack Luft Luft Abgas

  23. Direkte Kopplung eines Gegenstrom-Festbettvergasers mit einer SOFC-Brennstoffzelle Teerhaltiges Gas kann direkt in der Brennstoff- Zelle umgesetzt werden

  24. 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?

  25. Thermische Umwandlung zu sekundären Energieträgern • Biomasse Synthesegas Synfuel • CH1.49O0.6 CO, H2, CO2 CxHy(synth. Diesel) • CH4 (synth. Erdgas) • CH3OH (Methanol) • H2 (Wasserstoff)

  26. Biomass-to-Liquids Verfahren der Firma CHOREN Wirkungsgrad: 40 - 50%

  27. Vergasung Gasreinigung Schweizerisches Hochdrucknetz (25 …. 70 bar) Methanierung Kompression CH4 Aufbereitung CO2 SNG: Synthetic Natural Gas Umwandlung von Holz zu synthetischem Erdgas

  28. H 36.9 H 4.1 2 2 Catalyst CO 25.3 CO 0.4 CO CO 18.2 47.4 2 2 CH CH 9.7 39.6 4 4 C H C H 3.1 0.0 2 4 2 4 N N 5.9 8.4 2 2 Katalytische Umwandlung von Holzgas zu Methan Heizkraftwerk Güssing; 8 MWth, 2 MWel

  29. 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.

  30. 60 [%] Gasmotor 50 Gasmotor-Kombi el, Netto IGFC 40 h Dampf Heizkraftwerk 30 Dampfkraftwerk El. Wirkungsgrad 20 Gasturbine GuD 10 Bi-Fuel CC 0 0.1 1 10 100 1000 Brennstoffleistung [MW ] th Verstromung von Holz: Technologie und Anlagengrösse bestimmen den Wirkungsgrad SNG

  31. Gas-Kombi Biomasse- WKK SNG-Anlage Biomasse- WKK Gas-WKK EWP Gas-WKK Vision: Optimale Netzintegration von Biomasse Land Gasnetz Stromnetz GW Region Wärmenetz Stadt MW Haus kW

  32. Schlussfolgerungen • 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.

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