Biomasse-Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung auf Altholzbasis (Lustenau)

Biomasse-Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung

Die Biomasse-Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung auf Altholzbasis der "BIOSTROM" Erzeugungs GmbH wurde als nationale Demonstrationsanlage errichtet und verfügt über mehrere innovative Anlagenkomponenten und Verschaltungen.

Das Ziel dieser Ende März 2002 in Betrieb genommenen Anlage besteht in der ökologisch wie wirtschaftlich sinnvollen thermischen Verwertung von Altholz und der damit verbundenen optimierten Bereitstellung von Strom, Wärme und Kälte.

Der von der Firma Häusle gelieferte Brennstoff (qualitätssortiertes Altholz) wird zunächst einer mehrstufigen Aufbereitung unterzogen. Nach Zwischenlagerung des aufbereiteten Brennstoffes erfolgt in der Feuerungsanlage des Heizkraftwerkes eine speziell auf den Einsatz von Altholz abgestimmte, umweltfreundliche Verbrennung. Die in der Feuerungsanlage frei werdende Wärme wird über einen Thermoölkreislauf an die Stromerzeugungseinheit - den ORC-Prozess (Organic Rankine Cycle) - übertragen. Die Umwandlung der thermischen Energie in Strom erfolgt dabei über eine zweistufige, langsam laufende Axialturbine. Die nicht in elektrische Energie überführbare Wärme wird am ORC-Kondensator dem Fernwärmekreislauf zugeführt und als Antriebsenergie für die nahe gelegene Niedertemperatur-Absorptionskältemaschine zur Kälteversorgung der Firma Alpla genutzt. Die Konzeption der Biomasse-Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung erfolgte unter Berücksichtigung der hohen Anforderungen, die an die Anlage gestellt werden:

• Der hohe, kontinuierliche Kältebedarf des nahe am Standort situierten industriellen Abnehmers (Fa. Alpla) bedingt eine Verfügbarkeit der Anlage von 7.500 Jahresvolllaststunden.
• Der Einsatz von qualitätssortiertem Altholz als Energieträger stellt höchste Anforderungen an die Feuerung und den Thermoölkessel zur Hintanhaltung von Verschlackungen und Depositionen.
• Die Forderung nach der sehr hohen Verfügbarkeit der Anlage setzt darüber hinaus eine umfangreiche Brennstoffaufbereitung mit effektiver Abscheidung von Eisen- und Nicht- Eisen-Metallen sowie Störstoffen voraus.
• Die sehr strengen Emissionsgrenzwerte der neuen EU-Richtlinie 2000/76/EG bedingen den Einsatz einer hocheffizienten Rauchgasreinigung (Gewebefilter mit Trockensorption), kombiniert mit optimierten Primärmaßnahmen zur Entstickung (Low-NO_x Feuerung) und zum vollständigen Ausbrand des Rauchgases.

Durch den Betrieb der Biomasse-Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung der "BIOSTROM" Erzeugungs GmbH können jährlich rund 8.250 MWh Strom aus erneuerbaren Energieträgern ins öffentliche Netz eingespeist und rund 3.400 MWh Strom auf Grund der Substitution von Kompressionskältemaschinen durch eine Absorptionskältemaschine eingespart werden. Diese Daten unterstreichen die ökologische Relevanz des Demonstrationsprojektes. Des weiteren stehen 19.500 MWh/a an thermischer Energie zur Prozess- und Fernwärmenutzung zur Verfügung, die in den kommenden Jahren schrittweise ausgebaut werden soll.

Die Brennstoffaufbereitung

Im Heizkraftwerk der Firma "BIOSTROM" Erzeugungs GmbH wird als Brennstoff ausschließlich qualitätssortiertes Altholz der Qualitätsklassen Q1 bis Q4 laut Österreichischem Branchenkonzept Holz eingesetzt. Dazu zählen naturbelassene Rest- und Althölzer (Hackgut, Stückrestholz, Holzspäne, Holzstaub), Rinde, bindemittelhaltige und halogenfrei beschichtete Rest- und Althölzer (Span- und Faserplattenreste etc.) sowie oberflächenbehandelte Rest- und Althölzer (Stückrestholz und Späne).

Um eine möglichst hohe Verfügbarkeit der Feuerungsanlage zu gewährleisten, ist eine mehrstufige Aufbereitung des Brennstoffes erforderlich. Nach einer optischen Eingangskontrolle wird das Altholz in einem Mehrschrittverfahren zerkleinert, sortiert und von Eisen- sowie auch von Nicht-Eisen-Metallen und anderen Störstoffen befreit. Diese Brennstoffaufbereitungstechnik mit einem maximalen jährlichen Durchsatz von 50.000 t/a wird erstmals in Österreich eingesetzt und hat, insbesondere wegen der möglichen Nicht-Eisen-Metallabscheidung, für die thermische Altholzverwertung große Bedeutung. Durch die Verringerung des Anteils an Störstoffen sowie leicht schmelzenden Metallen (insbesondere Aluminium) werden einerseits die Brennstoff- und Aschefördereinrichtungen sowie der Rost geschont, andererseits kann die Gefahr der Verschlackung der Brennkammer und des Thermoölkessels durch Auftreten von Asche- bzw. Metallschmelzen erheblich reduziert werden.

Die Feuerungsanlage

Die Feuerungsanlage ist als Low-NOx -Feuerung auf Basis eines Flachschubrostes mit einerBrennstoffwärmeleistung von 9.750 kW ausgeführt. Diese Brennstoffwärmeleistung liegt um 20% über der erforderlichen Wärmeleistung (7.800 kW), um eine entsprechende Sicherheit hinsichtlich der hohen erforderlichen Anlagenverfügbarkeit zu gewährleisten.

Der effiziente Low-NOx -Betrieb, durch den eine Minimierung der NOx -Emissionen ausschließlich mittels Primärmaßnahmen gewährleistet ist, wird durch eine auf den Brennstoff abgestimmte Dimensionierung der Feuerraumgeometrie zur Erreichung hoher Verweilzeiten sowie eine optimierte Regelung der zugeführten Primär- und Sekundärluft (Luftstufung) sichergestellt.

Die für einen optimalen Betrieb der Feuerungsanlage konzipierte Rauchgasrezirkulation trägt ebenfalls zu einer NOx -armen Verbrennung bei und dient darüber hinaus der exakten Regelung der Feuerraumtemperatur.

Eine Innovation stellt die speziell für Altholzfeuerungen konzipierte Feuerraumgeometrie mit lokal thermoölgekühlten Flächen dar. Sie wurde auf Basis umfassender Computersimulationen (CFD-Berechnungen) entwickelt, die von der Firma BIOS BIOENERGIESYSTEME GmbH durchgeführt wurden. Damit kann das Emissionsverhalten verbessert und das Risiko der Verschlackung der Brennkammer minimiert werden, wodurch sich die Betriebssicherheit der Anlage deutlich erhöht.

Durch die im Heizkraftwerk umgesetzten Maßnahmen ist ein umweltfreundlicher und wartungsarmer Betrieb der Feuerungsanlage sichergestellt.

Der Thermoölkessel

Im Gegensatz zu konventionellen Heißwasser- bzw. Dampfkesseln wird im Heizkraftwerk der" BIOSTROM" Erzeugungs GmbH ein vollsynthetisches Thermoöl als Wärmeträgermedium eingesetzt. Dadurch können die für den Betrieb des ORC-Prozesses erforderlichen Temperaturen (max. Betriebstemperatur des Thermoöls 300°C) bei praktisch drucklosem Kesselbetrieb (ohne Dampfkesselwärter) erreicht werden.

Um das durch den Einsatz von Altholz erhöhte Risiko zur Bildung von Ascheschmelzen und Depositionen im Kessel zu minimieren, basiert die Anlage auf dem innovativen und erstmals für Biomasse-Feuerungen realisierten Konzept eines Thermoölkessels mit getrennten Strahlungsund Konvektionsheizflächen mit integrierter Temperaturregelung durch Rauchgasrezirkulation. Der Thermoölkessel ist zusätzlich mit einer innovativen Kugelregen-Reinigungsanlage ausgestattet, wodurch die Bildung von Ablagerungen an den Konvektionsheizflächen unterbunden und damit die Reisezeit sowie der Wirkungsgrad der Kesselanlage erhöht werden können.

Das aus dem Thermoölkessel austretende Rauchgas gelangt zunächst in einen Thermoöl-ECO und anschließend in einen Warmwasser-Economiser. Durch die Vorwärmung der einzelnen Wärmeträgermedien kann eine deutliche Wirkungsgradsteigerung der Gesamtanlage erzielt und das Rauchgas entsprechend abgekühlt werden. Die Nennleistung des Thermoölkessels inklusive Thermoöl-ECO beträgt 6.200 kW, der Warmwasser-Economiser weist eine Nennleistung von 1.000 kW auf.

Die Rauchgasreinigung

Um die Einhaltung der sehr strengen Grenzwerte der EU-Richtlinie 2000/76/EG sicherzustellen und damit eine Begrenzung der Emissionen von Luftschadstoffen über den derzeitigen Stand der Technik hinaus zu gewährleisten, ist die Anlage mit einer umfassenden Rauchgasreinigung und einer kontinuierlichen Emissionsmessanlage ausgestattet.

Das aus der Kesselanlage austretende Rauchgas wird zunächst in einem Multizyklon vorgereinigt und die anfallende grobe Flugasche (Zyklonasche) mittels Fallschacht und Förderschnecke in einen geschlossenen Container ausgetragen.

Im nachgeschalteten Gewebefilter erfolgt eine effiziente Rauchgasentstaubung und Schwermetallabscheidung. Durch den Einsatz eines neu entwickelten, hocheffizienten Gewebefilters 3 werden Reingas-Staubkonzentrationen von <= 3 mg/Nm (trockenes Rauchgas, 11 Vol-% O2 ) erreicht. Darüber hinaus erfolgt eine genaue Überwachung und Regelung der Rauchgastemperatur am Eintritt in den Gewebefilter, um die Emission von gasförmigen Schwermetallen (insbesondere Bleiverbindungen) gesichert unterbinden zu können.

Zusätzlich wird dem Rauchgas vor Eintritt in den Gewebefilter ein Trockensorptionsmittel auf Basis Kalziumhydroxid zudosiert, wodurch eine effiziente Abscheidung der im Rauchgas enthaltenen sauren Komponenten (HCl, HF, SO2 ) gewährleistet ist. Die Abreinigung der Filterschläuche erfolgt mittels Druckluft. Die anfallende Gewebefilterasche wird über Förderschnecken in einen separaten geschlossenen Aschecontainer ausgetragen.

Der ORC-Prozess

Allgemeine Beschreibung

Das Prinzip der Stromerzeugung mittels ORC-Prozess entspricht dem des konventionellen Wasser-Dampf-Prozesses, mit dem wesentlichen Unterschied, dass statt Wasser ein organisches Arbeitsmittel mit speziell abgestimmten thermodynamischen Eigenschaften verwendet wird - daher der Name Organic Rankine Cycle (ORC).

Im Vergleich zum herkömmlichen Dampfturbinenprozess weist der ORC-Prozess für Anlagen mit elektrischen Nennleistungen kleiner 2 MW eine Reihe von Vorteilen auf. Die Axialturbine, die im ORC-Prozess eingesetzt wird, arbeitet mit geringer Umlaufgeschwindigkeit und Drehzahl und daher geringer mechanischer Beanspruchung. Sie ermöglicht den direkten Antrieb des Generators ohne Zwischengetriebe, wodurch ein hoher elektrischer Wirkungsgrad erreicht wird. Ein weiterer wesentlicher Vorteil des ORC-Prozesses besteht in seinem ausgezeichneten Teillastverhalten, das auf die zweistufige Turbine sowie die thermodynamischen Eigenschaften des eingesetzten organischen Arbeitsmittels zurückzuführen ist.

Der ORC-Prozess arbeitet vollautomatisch und ist vollkommen geschlossen ausgeführt. Das eingesetzte Arbeitsmittel verbraucht sich nicht, es fallen daher sehr geringe Betriebskosten an. Darüber hinaus ermöglicht der Einsatz von Thermoöl als Wärmeträger einen drucklosen Kesselbetrieb bei gleichzeitig hohen Temperaturen, wodurch kein Dampfkesselwärter erforderlich ist und die Personalkosten somit vergleichsweise gering gehalten werden können.

Arbeitsprinzip

Die optimierte hydraulische Einbindung des ORC-Prozesses in die Gesamtanlage stellt eine wesentliche Voraussetzung für die effiziente Betriebsweise der Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung dar.

Die zur Verdampfung des eingesetzten organischen Arbeitsmittels (Silikonöl) erforderliche Wärme wird in der Biomasse-Feuerungsanlage erzeugt und über den Thermoölkreislauf an den ORC-Prozess übertragen. Der Arbeitsmitteldampf leistet in einer langsam laufenden, zweistufigen Axialturbine unter Entspannung ins Vakuum mechanische Arbeit, die im direkt an die Turbine gekoppelten Generator elektrische Energie erzeugt. Der entspannte Dampf wird einem Regenerator zur internen Wärmerückgewinnung zugeführt, wodurch eine Erhöhung des elektrischen Wirkungsgrades erreicht wird. Anschließend gelangt der Arbeitsmitteldampf in den Kondensator. Die von dort mit dem Fernwärme-Wasser abgeführte Wärme wird als Antriebsenergie für eine Niedertemperatur-Absorptionskältemaschine genutzt. Über eine Pumpe wird das kondensierte Silikonöl schließlich wieder auf Betriebsdruck gebracht und nach Vorwärmung im Regenerator und in einem Plattenwärmetauscher dem Verdampfer zugeführt. Damit ist der ORC-Kreislauf geschlossen.

Die Absorptionskältemaschine

Neben dem ORC-Prozess stellt die Niedertemperatur-Absorptionskältemaschine die zweite wesentliche Komponente der Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung dar. Die im Heizkraftwerk über den ORC-Kondensator und den Warmwasser-Economiser ausgekoppelte Wärme dient als Antriebsenergie für die Absorptionskältemaschine und wird dieser in Form von Fernwärme zugeführt.

Durch den Wärmeaustausch zwischen dem Fernwärme-Wasser und dem Kältemittel (schwache Lithiumbromid-Wasser-Lösung) erfolgt im Austreiber der Absorptionskältemaschine eine Aufkonzentrierung des Kältemittels bei gleichzeitiger Verdampfung der Wasserkomponente. Der erzeugte Dampf wird im nachgeschalteten Verflüssiger durch Wärmeaustausch mit einem eigenen Kühlwasserkreislauf wieder verflüssigt und gelangt in Folge in den Niederdruckteil (Verdampfer, Absorber). Durch den geringen Druck im Verdampfer kommt es zu einer abermaligen Verdampfung des Kältemittels und damit zu einer Abkühlung des durch die Rohrbündel des Verdampfers strömenden Kaltwassers. Im nachgeschalteten Absorber wird der Kältemitteldampf von der konzentrierten Lösung absorbiert und die dabei frei werdende Wärmeü ber den Kühlwasserkreislauf abgeführt.

Die installierte Kältemaschine weist eine Kälteleistung von 2.400 kW bei einer Leistungszahl von 0,75 auf und liefert über das gesamte Jahr kontinuierlich hochwertige Niedertemperaturkälte von konstant 5°C Kaltwassertemperatur. Speziell ist dabei zu erwähnen, dass die hohe Leistungszahl bei einer sehr niedrigen Warmwasser-Vorlauftemperatur von nur rund 80°C erreicht werden kann, wodurch eine Optimierung der Strom- und Kälteproduktion gegeben ist.

Die Energiebilanz

Im nachstehend abgebildeten Energieflussbild sind die Energieströme und die Effizienz des gesamten Projektes anschaulich dargestellt. Da das Heizkraftwerk über nahezu das gesamte Jahr im Volllastbetrieb gefahren wird, weisen die einzelnen Anlagenkomponenten und somit die Gesamtanlage einen vergleichsweise hohen Jahresnutzungsgrad auf.

Die optimale Verschaltung der einzelnen Wärmerückgewinnungsanlagen (Thermoöl-ECO, Warmwasser-Economiser) führt auf Grund der damit verbundenen Senkung der Rauchgasaustrittstemperatur zu einer Minimierung der Wärmeverluste der Gesamtanlage (Rauchgasverluste < 8%).

Durch den Einsatz des ORC-Moduls ist eine effiziente Umwandlung der thermischen Energie des Thermoöls in elektrische Energie möglich. Bei einer Volllaststundenzahl von 7.500 h/a kann eine jährliche Stromproduktion von rund 8.250 MWh/a erreicht werden.

Ein Teil der über den ORC-Kondensator und den Warmwasser-Economiser ausgekoppelten und dem Fernwärmekreislauf zugeführten Wärme wird gegenwärtig bereits als Antriebsenergie für die Absorptionskältemaschine in der nahegelegenen Kältezentrale genutzt. Der restliche Teil der Wärme muss zur Zeit noch gekühlt werden, soll aber in den kommenden Jahren zur Versorgung von Fern- und Prozesswärmekunden dienen.

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