Biomasse-Energietechniken Samuel Stucki, Paul Scherrer Institut

Biomasse-Energietechniken Die Rolle von Biomasse als Energieträger Technologie-Übersicht, Wirkungsgrade und Kosten Beispiele für Technologien auf der Basis Vergasung Stromerzeugung Synthetische Treibstoffe Wärme- und Abwärmenutzung - ein heisses Thema Schlussfolgerungen

Biomasseanteil Primärenergie

Brennholzanteil in der Energieversorgung Biomasse ist eine Armeleute-Energie

Biomassenutzung und Gesundheit Indoor Air Pollution Fighting a massive health threat in India Posing a serious health threat to women and children in developing countries is the burning of household fuels. India currently bears the largest number of indoor air pollution (IAP)-related health problems in the world, with 75 percent of its households burning wood, dung, and crop residues—the "traditional" biomass fuels. An estimated 500,000 women and children die in India each year due to IAP-related causes—this is 25 percent of estimated IAP-related deaths worldwide. http://wbln1018.worldbank.org/

Traditionelle Holzenergienutzung in der Schweiz: Wintersmog in Roveredo

Biomasse kann einen bedeutenden Beitrag zur Energieversorgung der Schweiz leisten Quelle: Bundesamt für Energie 2004: Potentiale zur energetischen Nutzung von Biomasse in der Schweiz Gesamtes ökol. Potenzial: ~10% Bruttoverbrauch CH

Randbedingungen für moderne Biomassenutzung Verstärkte Biomassenutzung darf nicht auf Kosten der Umwelt erfolgen (Schadstoffemissionen, Stoffkreisläufe, Biodiversität). Energie-Effizienz: höchstmögliche Gesamtwirkungsgrade sind erforderlich, um den maximalen Substitutionseffekt für fossile Energien zu erzielen; Exergie-Effizienz: Im Unterschied zu anderen erneuerbaren Energien lassen sich aus Biomasse sowohl Strom als auch Treibstoffe bereitstellen. Diese Optionen sollten wenn immer möglich genutzt werden Um wirtschaftlich zu sein, müssen Bio-Energiesysteme sich möglichst in bestehende Transport- und Verteilinfrastrukturen für Energie integrieren lassen;

Energieprodukte aus Biomasse Netto Photosyntheseertrag mechanisch Oelmühle biotechnisch anaerobe Vergärung alkohol. Gärung thermisch Verbrennung Vergasung - Synthese Pflanzenöl 20-30% Methan Ethanol Synfuels 40-70% Strom 20-45% Wärme 70-90% Roh-Biomasse Umwandlung Produkte Thermische Prozesse versprechen hohe Wirkungsgrade!

Holz: zu schade um nur zu verbrennen Heizkessel Wärme Therm.Vergasung Gasreinigung Dampfprozess Strom Gasmotor, Gasturbine, Brennstoffzelle Chemische Umwandlung: Synth. Benzin, Synth. Erdgas Wasserstoff Treibstoff

Produktion von Strom (und Wärme) aus Holz Dampfmotor Dampfprozess konventionell Dampfturbine Verbren-nung Dampfprozess ORC Dampfturbine Strom Holz Gasmotor Wärme Vergasung Gasreinigung Gasturbine Brennstoffzelle

Brennstoffleistung [MW Verstromung von Holz: Technologie und Anlagengrösse bestimmen den Wirkungsgrad 10 20 30 40 50 60 0.1 1 100 1000 Brennstoffleistung [MW th ] El. Wirkungsgrad h el, Netto [%] Gasmotor Gasmotor-Kombi Dampf Heizkraftwerk Dampfkraftwerk Gasturbine GuD Bi-Fuel CC IGFC

Spezifische Investitionskosten: Je grösser, desto günstiger

Stromkosten aus Wärme-Kraft-Kopplungsanlagen Stromkosten (Rp/kWh) 40 30 20 10 4000 h/y 6000 h/y Wärme: 0……….8 Rp/kWh Wärme: 0……….8 Rp/kWh Invest 100% Stromkosten (Rp/kWh) 40 30 20 10 Wärme: 0……….8 Rp/kWh Invest 50% Wärme: 0……….8 Rp/kWh 0 2 4 6 Holzpreis (Rp/kWh) 0 2 4 6 Holzpreis (Rp/kWh)

Produktion von Strom (und Wärme) aus Holz Dampfmotor Dampfprozess konventionell Dampfturbine Verbren-nung Dampfprozess ORC Dampfturbine Strom Holz Gasmotor Wärme Vergasung Gasreinigung Gasturbine Brennstoffzelle

Beispiel einer technischen Ausführung Holzvergasung Wärme Gas Prinzip Beispiel einer technischen Ausführung Holz Asche Luft Gegenstromvergaser: Wärme wird Über Teilverbrennung mit Luft erzeugt Gas

Heizkraftwerk Wimmis

Anlage Spiez: 200 kWel, 270 kWth

Holzvergasung, indirektes Prinzip Wärme Gas Prinzip Beispiel einer technischen Ausführung Holz FICFB Vergaser: Wärme wird separat durch Verbrennen der Holzkohle erzeugt Produktgas Abgas Luft Sand Holzkohle O FICFB Dampf 850°C

Schema der Anlage Güssing Heizkraftwerk Güssing; 8 MWth, 2 MWel

Produktion von Strom (und Wärme) aus Holz Dampfmotor Dampfprozess konventionell Dampfturbine Verbren-nung Dampfprozess ORC Dampfturbine Strom Holz Gasmotor Wärme Vergasung Gasreinigung Gasturbine Brennstoffzelle

Versuchsanlage für Kopplung der Holzvergasung mit der Hochtemperatur-Brennstoffzelle Fackel Holzpellets Silo (1,3 kg/h) p Gegenstrom- Vergaser Produktgas (250 ln/h, 400 °C) p Partikelfilter Strom SOFC- Stack Luft Luft Abgas

direkt in der Brennstoff- Zelle umgesetzt werden Direkte Kopplung eines Gegenstrom-Festbettvergasers mit einer SOFC-Brennstoffzelle Teerhaltiges Gas kann direkt in der Brennstoff- Zelle umgesetzt werden

Fragestellungen Kopplung Holzvergasung - Brennstoffzelle Erreichbarer Wirkungsgrad für Strom, bzw. Wärme und Strom? Wie sauber muss das Gas sein? Welche Bestandteile des Gases verursachen Probleme in der Brennstoffzelle? Kann eine Kombination Vergaser - Brennstoffzelle Kostenvorteile bieten? Wärme-geführte WKK?

Thermische Umwandlung zu sekundären Energieträgern Biomasse Synthesegas Synfuel CH1.49O0.6 CO, H2, CO2 CxHy(synth. Diesel) CH4 (synth. Erdgas) CH3OH (Methanol) H2 (Wasserstoff)

Biomass-to-Liquids Verfahren der Firma CHOREN Wirkungsgrad: 40 - 50%

Umwandlung von Holz zu synthetischem Erdgas Schweizerisches Hochdrucknetz (25 …. 70 bar) SNG: Synthetic Natural Gas Vergasung Gasreinigung Methanierung Kompression Aufbereitung CH4 CO2

Katalytische Umwandlung von Holzgas zu Methan Catalyst H 2 4.1 CO 0.4 47.4 CH 4 39.6 C 0.0 N 8.4 H 2 36.9 CO 25.3 18.2 CH 4 9.7 C 3.1 N 5.9 Heizkraftwerk Güssing; 8 MWth, 2 MWel

PSI’s Methanierungsanlage in Güssing PSI erforscht am Kraftwerk Güssing die katalytische Umsetzung von Holzgas zu synthetischem Erdgas. Ziel: Erarbeitung der technischen Grundlagen für den Bau einer 20 MW-Anlage in der Schweiz. Technologieentwicklung durch A-CH F&E-Konsortium Nächste Phase: 2 MW Pilot im Burgenland 2006-08.

Brennstoffleistung [MW Verstromung von Holz: Technologie und Anlagengrösse bestimmen den Wirkungsgrad SNG 10 20 30 40 50 60 0.1 1 100 1000 Brennstoffleistung [MW th ] El. Wirkungsgrad h el, Netto [%] Gasmotor Gasmotor-Kombi Dampf Heizkraftwerk Dampfkraftwerk Gasturbine GuD Bi-Fuel CC IGFC

Vision: Optimale Netzintegration von Biomasse Land Gasnetz Stromnetz Gas-Kombi GW Region Biomasse- WKK SNG-Anlage Wärmenetz Stadt Biomasse- WKK MW Gas-WKK Haus Gas-WKK EWP kW

Schlussfolgerungen Moderne Biomassenutzung kann wertvolle Beiträge zur Substitution von fossilen Energieträgern leisten Nachhaltige Biomassenutzung erfordert effiziente und saubere neue Technologien Wirtschaftlichkeit ist eine Frage der Technologie und des Anlagen-Massstabs. Integration von Biomassetechnologien in Nahwärmenetze ist ein Muss für kleine Anlagen mit beschränktem Wirkungsgrad.