Biomasse befeuerte Heissluft-Mikrogasturbine mit Wärmekraftkopplung

• Forschungsstelle: BFE
• Projektnummer: SI/500932
• Projekttitel Englisch: Micro-GT Plant with CHP

Kurzbeschreibung (Deutsch)

Der Projektvorschlag beinhaltet eine Holz-befeuerte Heissluftturbine mit Hochtemperaturwärmetauscher. Ein integrierter Rekuperatuor ergibt einen hohen Prozesswirkungsgrad.

Schlussbericht (Deutsch)

Beim vorliegenden Blockheizkraftwerk-Konzept (BHKW) wird eine herkömmliche Mikrogasturbine als extern befeuerte Turbine verwendet. Die externe Erwärmung der Prozessluft erfolgt mittels Holzschnitzel in einem Kessel. Als Zielwerte wurde für die Anlage eine elektrische Leistung von 65 kW entsprechend einem Wirkungsgrad von 24 % definiert.

Hierfür wurde in einem ersten Schritt ein thermodynamisches Simulationsmodell der Capstone-Mikrogasturbine C65 aufgebaut, numerisch berechnet und validiert. Auf Grundlage dieses Mo-dells erfolgte die Erweiterung zu einem BHKW-Anlagenmodell. Die Sensitivitätsanalyse zeigte eine starke Abhängigkeit der el. Leistung von der Prozesslufttemperatur am Turbineneintritt auf. Die ursprüngliche Erwägung einer Zusatzfeuerung mit Gas wurde aufgrund der daraus resultierenden starken Standorteinschränkung nicht weiter verfolgt. Bei einer Turbineneintrittstemperatur von 840 °C, die für eine Pilotanlage als realistisch erachtet wurde, wurde mit der Prozesssimulation eine el. Leistung von 48 kW bei einem el. Wirkungsgrad von 20.3% errechnet. Um die hochgesteckten Zielwerte ohne eine Zusatz-Erdgasfeuerung zu erreichen, sind weitere Forschungs- und Entwicklungsarbeiten erforderlich.

Für den Hochtemperaturwärmetauscher (HTWT) wurde ein 2D- Simulationstool erstellt, welches durch Messungen an einem Versuchskessel validiert werden konnte. Für den HTWT wird eine Tauchrohrvariante favorisiert. Für eine Pilotanlage sind, gemäss den durchgeführten Simulationen, ca. 15 Tauchrohre mit einer Rohrlänge von 1 m notwendig, um eine Turbineneintrittstemperatur von 840 °C zu erreichen. Für Anlagen mit höheren Temperaturen und besseren Wirkungsgraden ist die Evaluation geeigneter Werkstoffe erforderlich. Das erstellte Kesselkonzept für die Heisslufterzeugung der BHKW-Anlage besteht aus einer Primärbrennkammer mit Vergasung und einer Sekundärbrennkammer mit flammloser Verbrennung (FLOX-Prozess). Der FLOX-Betrieb ermöglicht gegenüber herkömmlichen Feuerungen tiefere Emissionswerte und homogene Brennkammertemperaturen.

Die Wirtschaftlichkeit der Anlage wurde anhand einer Betriebskostenrechnung sowie der Berechnung der mittleren Stromgestehungskosten untersucht. Zudem wurde eine Sensitivitätsanalyse durchgeführt. Für die drei betrachteten Prozessvarianten war das Jahresergebnis jeweils positiv. Die mittleren Stromgestehungskosten lagen zwischen 25.2 und 28.5 Rp/kWh. Die Sensitivitätsanalyse zeigte, dass die Wirtschaftlichkeit stark von den jährlichen Volllaststunden, dem Brennstoffpreis und den Investitionskosten sowie der Abwärmenutzung abhängt.

Für die Umsetzung der BHKW-Anlage gilt es, durch weitere Forschung die noch offenen Fragen im Bereich der Mikrogasturbine und dem zulässigem Druckverlust der Prozessluft sowie deren Aus-und Einkopplung zu beantworten. Beim Kessel liegt der Forschungsbedarf bei der Bestimmung des Langzeitverhaltens der HTWT-Tauchrohre, insbesondere der allfälligen Ablagerungen durch die Staubemissionen im Abgas.

Zugehörige Dokumente

• Schlussbericht [PDF] 5'582 kB