Robust, Sauber, Ausdauernd: Neuartige Mikro-KWK-Pilotanlage geht nach erfolgreichem Labor-Langzeitversuch in Feldtest

Bisher bleiben große Teile biogener Festbrennstoffe für die Stromerzeugung
im niedrigen Leistungsbereich ungenutzt. In derzeit verfügbaren
Rostfeuerungen bereiten sie aufgrund der notwendigen hohen
Verbrennungstemperaturen große Probleme. Eine technische Lösung dafür
entsteht nun im Rahmen des vom BMWi-Förderbereich „Energetische
Biomassenutzung“ finanzierten Projekts BioWasteStirling (FKZ 03KB122). Die
dabei von Wissenschaftlern der FAU Erlangen-Nürnberg entwickelte Mikro-
KWK-Anlage bestand einen ersten Langzeittest im Labor erfolgreich und soll
Ende Juni am Feldteststandort in Wunsiedel in Betrieb gehen.

Strom mit bisher ungenutzten biogenen Reststoffen erzeugen - eine
Marktlücke, für die es aktuell im kleinskaligen Bereich noch keine
technische Lösung gibt. Wissenschaftler am Lehrstuhl für
Energieverfahrenstechnik an der FAU Erlangen-Nürnberg wollen das nun
ändern. Gemeinsam mit den Projektpartnern SWW Wunsiedel und Frauscher
Thermal Motors entwickeln sie derzeit ein hocheffizientes,
brennstoffflexibles und skalierbares Mikro-KWK-System, bestehend aus einer
Wirbelschichtfeuerung und einem Stirlingmotor. Die Nutzung von kleinsten
Wirbelschichtfeuerungen für Mini-KWK-Konzepte (siehe Kasten unten)
verspricht eine effiziente Kühlung der Feuerung mittels eines
Stirlingmotors und vermeidet gleichzeitig die Verschmutzung von
Wärmeübertragern. Der für die Kühlung notwendige Luftüberschuss ist damit
geringer und hohe Feuerungswirkungsgrade können erreicht werden.

An diesem Konzept forschen Wissenschaftler am Lehrstuhl für
Energieverfahrenstechnik bereits seit einigen Jahren. Das laufende Projekt
„BioWasteStirling“ soll dies nun weiter vorantreiben & fokussieren. Bis
Anfang 2019 führten die Forscher im Labor stundenweise Versuche durch.
Diese Tests eröffnen jedoch nur sehr schwer Erkenntnisse zum Betrieb der
Gesamtanlage in stationären Betriebspunkten. Auch das Betriebsverhalten
des beigestellten Motors (Frauscher Thermal Motors) konnte in der
neuartigen Kombination mit der Wirbelschichtfeuerung dabei noch nicht
mehrere Tage im Betrieb erprobt werden. Erst ein Langzeittest im Labor im
Februar ermöglichte es den Forschern, die neu entwickelte Anlage mehrere
Tage im Dauerlastfall zu beobachten. Damit konnten Rückschlüsse auf
Teillastverhalten, Regelungsstrategien und Bettmaterialmanagement
getroffen werden.

Die Ergebnisse im Detail

Die Anlage erreichte während des Versuchs je nach Lastzustand einen
maximalen elektrischen Wirkungsgrad von ca. 15 % und einen
feuerungstechnischen Gesamtwirkungsgrad von mehr als 90 %. Die
Nennleistung des Motors von 5 kWel konnte bereits vor dem Versuch in der
ersten Inbetriebnahme erreicht werden. Sowohl die CO- als auch
Feinstaubemissionen blieben über den kompletten Versuchszeitraum unter den
geltenden Grenzwerten der 1. BImSchV. Die Dauerlastfähigkeit des
Anlagenkonzepts konnte damit erfolgreich unter Beweis gestellt werden.
Darüber hinaus entstanden während des Versuchs keine Verschlackungen,
Anbackungen oder Erosionserscheinungen im Reaktorbehälter oder an den
Wärmeübertragerflächen des Motors.

Ausblick – Feldtest ab Ende Juni 2019

Die durch den Langzeittest im Labor erlangten Erkenntnisse waren in den
letzten Wochen Grundlage für konstruktive und regelungstechnische
Verbesserungen der Anlage. Gleichzeitig strebten die Forscher den
schnellstmöglichen Umbau der Anlage an den Standort der SWW Wunsiedel in
den autarken Container (Feldtestumgebung) an, um die Versuchszeiten auf
den wochenweisen Betrieb und weitere Brennstoffe auszuweiten. Die im Labor
entwickelte Mikro-KWK-Anlage wird nun Ende Juni den nächsten Schritt „vom
Labor in die Praxis“ durch den Feldtest begehen. Dann steht vor allem die
Langzeitstabilität im Fokus – und eine Bestätigung der bisherigen guten
Laborergebnisse. Ist das der Fall, so hoffen die Mitarbeiter der FAU auf
eine Möglichkeit zur Kommerzialisierung und die Erweiterung der möglichen
Produktpalette auch auf weitere Einsatzszenarien kleinskaliger
Wirbelschichtfeuerungen im Wärme- und Stromsektor.

Was macht die Mikro-KWK-Anlage besonders?

Die Mikro-KWK-Anlage beruht auf einem Konzept, welches eine kleinskalige
Wirbelschichtfeuerung mit einem Stirlingmotor kombiniert, indem die
Erhitzerkopfflächen des Motors direkt in das Wirbelbett eingebracht
werden. Dadurch kann die Feuerung aktiv gekühlt werden, was den Betrieb
mit einem niedrigeren Luftüberschuss ermöglicht und somit höhere
Feuerungswirkungsgrade erreicht werden können. Projektmitarbeiterin Tanja
Schneider (FAU) erklärt: „Auch bisherige Probleme in solch kleinskaligen
KWK-Anlagen mit Biomassefestbrennstoffen, beispielsweise die
Überschreitung von Ascheschmelztemperaturen und somit entstehende
Verschmutzungen an Wärmeübertragerflächen können durch dieses Konzept
aktiv vermieden werden. Der sehr gute Wärmeübergang im Wirbelbett
verspricht darüber hinaus eine verbesserte Wärmeauskopplung und
schließlich einen effizienten Betrieb des Motors.“

FÖRDERBEREICH „ENERGETISCHE BIOMASSENUTZUNG“

Seit 2018 fördert das BMWi Bioenergiethemen mit dem Förderbereich
„Energetische Nutzung biogener Rest- und Abfallstoffe“ im Rahmen des 7.
Energieforschungsprogramms.
Startpunkt der Förderung war - im Juni 2008 - das Förderprogramm
„Energetische Biomassenutzung – Förderung von Forschung und Entwicklung
zur klimaeffizienten Optimierung der energetischen Biomassenutzung““,
welches vom Bundesumweltministerium initiiert wurde. 2014 wechselte das
Programm in den Verantwortungsbereich des BMWi. Seit 2016 ist das Programm
als Forschungsnetzwerk BIOENERGIE Teil der Forschungsnetzwerke Energie des
BMWi.
Nach zehnjähriger Laufzeit umfasst die Förderung über 150 Verbundprojekte
bzw. über 380 Einzelprojekte zum Thema Biomasse als Energieträger.
Im Fokus steht die Erforschung und Entwicklung von zukunftsweisenden
Technologien sowie Verfahrens- und Prozessoptimierungen, die eine
effiziente, wirtschaftliche und nachhaltige Nutzung der Bioenergie
ermöglichen und zur Versorgungssicherheit beitragen. Dazu unterstützt das
Ministerium vor allem durch praxisorientierte Lösungen mit Demonstrations-
und Pilotcharakter, die zur Flexibilisierung der Strom- und Wärmeerzeugung
aus Biomasse beitragen. Systemintegration, Sektorkopplung, Digitalisierung
sowie die erfolgreiche Kombination von Anlagen und Konzepten zur Nutzung
Erneuerbarer Energien sind weitere wesentliche Aspekte. Zur Verbesserung
der nachhaltigen energetischen Nutzung im (gekoppelten) Wärme- und
Strombereich sowie Verkehrsbereich sollen vor allem Biomassereststoff- und
Abfallpotenziale erschlossen werden. Fördermittelempfänger sind klassische
Forschungseinrichtungen, aber vor allem auch klein- und mittelständische
Unternehmen, die die Markteinführung bestimmter Technologien anstreben.
Insgesamt sind seit 2009 rund 250 Institutionen im Programm beteiligt
gewesen, davon über 125 KMU. Das Programm war bisher mit 67,3 Millionen
Euro ausgestattet.
Das Begleitvorhaben, angesiedelt am DBFZ Deutsches
Biomasseforschungszentrum gemeinnützige GmbH, ist für die
wissenschaftliche Begleitung und Öffentlichkeitsarbeit des Förderbereichs
Bioenergie des BMWi zuständig. Mit der fachlichen und administrativen
Koordination desselben wurde der Projektträger Jülich (PtJ) beauftragt.