Publikationen / Ergebnisse
(Deutsch)
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Ziel dieser Arbeit war es, Möglichkeiten zur Effizienzsteigerung von mit unaufbereitetem Biogas betriebenen Wärme-Kraft-Kopplungs (WKK) Anlagen zu identifizieren und diese, wo möglich, bezüglich Energieausbeute und Kosten zu quantifizieren. Biogas WKK Anlagen bestehen aus einem Verbrennungsmotor sowie einem Generator, welcher die umgewandelte Leistung in das elektrische Netz speist. Solche Anlagen gewinnen, massgeblich ge-trieben durch die neu in Kraft getretenen kostendeckenden Einspeisevergütungstarife, aktuell an Bedeutung. Je nach angestrebter Amortisationsdauer, Kapitalkosten und Jahreslaufleistung ermöglichen die Einspeisevergü-tungstarife apparative Zusatzkosten (Anschaffung, Einbau, Wartung über den Abschreibungszeitraum) von bis etwa 10'000-20'000 CHF pro Kilowatt zusätzlich gewonnener elektrischer Leistung, was auch aufwändigere tech-nische Lösungen ökonomisch interessant macht.
Biogas WKK Anlagen werden in der Regel, vom im Prozess vorgeschalteten Biogasanfall getrieben, stromgeführt gefahren. Typischerweise wird nur ein unbedeutender Anteil der Wärme genutzt.
Die wirkungsgradsteigernden Massnahmen wurden in zwei Klassen gegliedert und untersucht:
1. Steigerung des verbrennungsmotorischen Wirkungsgrades,
2. Umwandlung der normalerweise ungenutzen Abwärme aus dem Motorkühlkreislauf sowie aus dem Ab-gas in elektrische Energie durch zusätzliche technische Systeme.
Anders als Kraftwerke, arbeiten stromgeführte Biogas WKK Anlagen häufig im wirkungsgradungünstigeren Teil-lastbetrieb. Es ist demnach einerseits wichtig, den Anlagenwirkungsgrad im Nennleistungspunkt mittels der oben genannten Klassen zu verbessern und andererseits dafür zu sorgen, dass der Teillastwirkungsgrad nicht zu stark abfällt.
1. Steigerung des verbrennungsmotorischen Wirkungsgrades
Um einen hohen Wirkungsgrad des Ottomotors zu erreichen, sollte dieser mit etwa 20% Luftüberschuss betrieben werden (man spricht von Lambda = 1.2). Leider führt dieses wirkungsgradoptimale Gas-zu-Luft Verhältnis zu ho-hen Stickoxyd (NOx) Emissionen. Die NOx Grenzwerte werden typischerweise eingehalten, indem man um die Spitzentemperaturen der Verbrennung zu senken ein deutlich magereres Gemisch fährt (typischerweise über 50% Luftüberschuss), womit man etwa 3% der möglichen Stromproduktion "verschenkt". Im Bericht sind folgende Methoden beschrieben, welche das Potenzial einer Wirkungsgradsteigerung bei gleichzeitiger Einhaltung der Emissionsgrenzwerte haben:
• Wirkungsgradoptimale Verbrennung ohne Rücksicht auf die NOx Emissionen, nachgeschaltete NOx Minde-rung mittels einer Abgasnachbehandlung (selektive katalytische Reduktion),
• Kältere Prozessführung durch den Einsatz des sogenannten Miller Prozesses (d.h. Anpassung der Ventilsteu-erung, des Verdichtungsverhältnisses und der Aufladung),
• Kältere Prozessführung durch Wassereinspritzung,
• Senkung des Sauerstoffpartialdruckes im Brennraum mittels Abgasrückführung,
• Verbrennung bei Lambda=1 bei gleichzeitiger Abgasrückführung und Einsatz von Drei-Wege-Katalyse.
Die Quantifizierung dieser Massnahmen bzgl. Kosten und Nutzen ist für Biogasbetrieb nicht eindeutig möglich, in der Literatur sind keine für Biogas belastbaren Daten zu finden. Auf diesem Gebiet sind weiterführende Arbeiten anzustreben.
Um die Verluste bei tiefem Gasanfall zu minimieren wurde einerseits untersucht, die Anlagen bei Volllast getaktet anstatt im Teillastbetrieb gedrosselt zu betreiben und andererseits den Teillastwirkungsgrad zu verbessern. Als teillastverbessernde Massnahmen stellen die Entdrosselung durch Ansaugluftvorwärmung, durch Abgasrückfüh-rung sowie durch Verringerung des nutzbaren Hubraumes (mit entsprechender Anhebung des Aufladegrades für den Nennlastfall) mittels Miller Prozess vielversprechende Ansätze dar. Auch hier ist die Quantifizierung Kos-ten/Nutzen für Biogas mittels Literatursuche nicht eindeutig machbar, weiterführende numerische/experimentelle Arbeiten wären notwendig.
Da die durch die Einspeisevergütungstarife ökonomisch verfügbaren Investitionssummen recht hoch sind würden sich die für die Wirkungsgradsteigerung vorgeschlagenen Massnahmen rasch rechnen.
2. Umwandlung der Abwärme in Strom
Bei Verbrennungsmotoren fallen nennenswerte Abwärmemengen im Nennlastbetrieb bei rund 450-600 °C im Abgas (je nach Brennverfahren und Distanz zum Turbolader) und bei rund 80-90 °C im Kühlwasser an. Jeder dieser Wärmeströme ist etwa gleich gross wie die verfügbare mechanische Leistung. Es lohnt sich also, je nach Investitions- und Wartungsaufwand, diese beträchtlichen Wärmeströme teilweise in Exergie umzuwandeln, auch wenn der Wirkungsgrad der Wandlung tief sein sollte. Als mögliche Wandler wurden Dampfprozesse (sogenannte ORC Systeme), Stirlingmotoren und thermoelektrische Wandler betrachtet.
• Unmittelbar umsetzbar sind ORC Systeme, welche den Wärmestrom im Abgas nutzen. Solche Anlagen sind zwar recht teuer, lassen sich aber gut amortisieren. Zudem ist diese Technologie bekannt und mit wenig Risi-ken verbunden.
• Stirlingmotoren sind für die betrachtete Anwendung nicht gut geeignet. Ihr Problem sind die hohen System-kosten sowie die recht hohe Reibung, welche einerseits einen hohen Wartungsaufwand verursacht und ande-rerseits den Wirkungsgrad für das hier betrachtete Abgastemperaturniveau auf ein sehr tiefes Niveau drückt.
• Bei den thermoelektrischen Wandlern, welche den Seebeck-Effekte ausnutzen, wird ein Wärmestrom (Carnot-limitiert) direkt in einen elektrischen Strom gewandelt. Ihre Wirkungsgrade sind nicht sehr hoch, dafür sind sie weitgehend wartungsfrei. Es sind zwei verschiedene Ansätze zu unterscheiden:
o Herkömmliche thermoelektrische Wandler basieren auf Telluriden, welche toxisch- und nur bis etwa 250 °C temperaturfest sind. Solche Wandler werden grosstechnisch hergestellt, sind recht teuer und im Kühl-wasserkreis direkt einsetzbar. Im Abgasstrang sind solche Wandler zwar auch einsetzbar, sie müssen aber so verbaut werden, dass ihre heisse Seite nicht wärmer als 250 °C wird.
o Es laufen vielversprechende Forschungsarbeiten auf dem Gebiet alternativer thermoelektrischer Materia-lien, welche nicht toxisch, verträglich mit hohen Abgastemperaturen und deutlich kostengünstiger als die herkömmlichen sind. Dieser Pfad ist im Auge zu behalten, neuartige thermoelektrische Wandler könnten in absehbarer Zukunft eine gute Möglichkeit für den Einsatz in WKK Anlagen werden.
Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
EMPA
Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Soltic,Patric
Edenhauser,Daniel
Winkler,Alexander
Zugehörige Dokumente
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Publikationen / Ergebnisse
(Englisch)
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The aim of this work was to identify and quantify the possibilities to increase the efficiency of combined-heat-and-power (CHP) plants running on biogas. Typical biogas CHP plants consist of an internal combustion engine and a generator which supplies to the electric grid. These CHP plants gain on importance because of Switzerland's re-cently adopted increased reimbursement tariffs. Additional costs of around CHF 10'000-20'000 per kW of power that is additionally recovered can be economically interesting.
Biogas CHP plants are normally driven by the biogas production of the upstream fermenter process. Usually, the produced heat is used only to a marginal extent.
The measures to increase the process efficiency were: Increase of the internal combustion engine's efficiency and Conversion of the unused heat from engine cooling and exhaust gas into useful electrical energy using additional technical components. Biogas CHP plants are operated quite often in low efficiency part load conditions. It is therefore important to enhance the plants' nominal efficiency.
This report describes different engine-internal methods to increase the efficiency of the combustion engine and fulfil the pollutant emission limits as selective catalytic reduction, Miller cycle, water injection, exhaust gas recircu-lation and others and examines conversion methods of unused heat in the exhaust gas of around 450 – 600 °C into electrical energy examining ORC, Stirling systems and thermoelectric converters.
Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
EMPA
Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Soltic,Patric
Edenhauser,Daniel
Winkler,Alexander
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