Nürnberg, 20. Juni 2019: 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. |
Erfahren Sie mehr über die Methoden, Untersuchungen und Ergebnisse des Projekts „BioWasteStirling - Verstromung von biogenen Reststoffen mit einem wirbelschichtgefeuerten Stirlingmotor“ (FKZ-Nr. 03KB122) im Projektsteckbrief.
Publikationen:
[1] T. Schneider, D. Müller, and J. Karl, “Biomass conversion with a fluidized bed-fired stirling engine in a micro-scale chp plant,” in 26th European Biomass Conference and Exhibition Proceedings, 2018, pp. 630–634.
[2] T. Schneider, D. Müller, and J. Karl, “‘BioWasteStirling’ - Verstromung von biogenen Reststoffen mit einem wirbelschichtgefeuerten Stirlingmotor,” in Biomass to Power and Heat, 06.-07. Juni, 2018.
[3] T. Schneider, “Kleinskalige KWK mit einem wirbelschichtgefeuerten Stirlingmotor zur Verstromung von biogenen Reststoffen,” in Europäische Pelletskonferenz 26.-27. Februar, 2019.
[4] D. Müller, “Kleinskalige Wirbelschichtfeuerungen zur Kraft-Wärme-Kopplung mit Stirlingmotoren,” Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, 2018.
Kontakt:
Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg
Prof. Dr.-Ing. Jürgen Karl
Lehrstuhl für Energieverfahrenstechnik
Fürther Straße 244f
90429 Nürnberg
Tanja Schneider M.Sc. – Direkter Ansprechpartner / Projektkoordinator
Tel: +49 911 5302 9038
Email: tanja.t.schneider@fau.de
Dr. Ing. Dominik Müller – Projektleiter
Tel: +49 911 5302 9024
Email: dominik.mueller@fau.de
Begleitvorhaben:
Diana Pfeiffer – Projektkoordination | Anne Mesecke – Öffentlichkeitsarbeit |
