Smart CHP

Intelligente und flexible Wärme- und Stromerzeugung aus biomassebasierten Brennstoffen für kleine KWK-Anwendungen

Kurzbeschreibung

Europa steht vor der Herausforderung, sein Energiesystem intelligent, sauber, flexibel und sicher sowie kostengünstig und effizient zu gestalten. Biomassebasierte Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) kleiner Leistung hat das Potenzial, einen wesentlichen Beitrag zur Lösung der damit verbundenen Fragen zu leisten. KWK erreicht hohe Wirkungsgrade durch die Kombination von Wärme- und Stromerzeugung, und auch die Kühlung kann in ein solches System integriert werden. Darüber hinaus kann KWK eine wichtige Rolle bei der Sicherung der Stromversorgung übernehmen, indem sie die variierende Verfügbarkeit von Wind- und Solarstrom ausgleicht.

Flammenbild einer Verbrennung von Pyrolyseöl (FPBO). Foto: OWI

Für kleine Biomasse-KWK-Anlagen ist der Einsatz eines standardisierten biogenen Kraftstoffs zu bevorzugen, der mit optimierten Verfahren herstellbar ist und damit die Schaffung einer kosteneffizienten Wertschöpfungskette ermöglicht. Um eine hohe Ressourceneffizienz zu erreichen, ist bei der Kraft-Wärme-Kopplung zudem ein hochflexibles Verhältnis zwischen Wärme und Strom erforderlich. Eine intelligente, bedarfsorientierte KWK-Anlage sollte in der Lage sein, sowohl auf den schwankenden Energiebedarf als auch die unterschiedliche Verfügbarkeit von Wind- und Solarstrom flexibel zu reagieren.

 

Ziele des Projekts

Das übergeordnete Ziel von SmartCHP ist die Realisierung eines kostengünstigen und flexiblen Energiesystems durch den Einsatz eines flüssigen biogenen Energieträgers in einem effizienten dieselmotorischen BHKW. Konkret geht es um die Entwicklung eines intelligenten und flexiblen kleinen Blockheizkraftwerks (100 bis 1.000 kWel), das mit Schnell-Pyrolyse-Bioöl (Fast Pyrolisis Bio Oil, FPBO) betrieben wird, welches aus verschiedenen Arten von lignocellulosischen Biomassen und/ oder Reststoffen stammt. Die schnelle Pyrolyse ist ein Prozess zur Umwandlung einer Vielzahl von Biomasse-Ressourcen in FPBO, das ein einheitlicher flüssiger Brennstoff ist. Das SmartCHP-System kombiniert einen FPBO-betriebenen Motor und einen Heizkessel, um Strom und Wärme mit hohem Wirkungsgrad über den gesamten Lastbereich zu erzeugen. Darüber hinaus ermöglicht SmartCHP einen höheren Anteil an erneuerbaren Energien im Stromnetz, indem es eine flexible, reaktionsfähige und intelligente Lösung bietet. Um das Gesamtziel des Projekts zu erreichen, wurden eine Reihe spezifischer technischer und nicht-technischer Ziele definiert:

  • Experimentelle Prüfung von FPBO in Selbstzündungsmotoren zur Kraft-Wärme-Kopplung einschließlich Start- und Stoppverfahren
  • Entwicklung eines Heizkessels, der die Einspeisung eines von FPBO zur zusätzlichen Wärmeerzeugung aus dem Abgas des Motors ermöglicht
  • Weiterentwicklung des FPBO-Kraftstoffeinspritzsystems für Motor und Kessel
  • Grundlagenforschung zur Spraybildung und Verbrennung von FPBO zur Unterstützung der Entwicklung der Kessel- und Motoranwendung
  • Entwicklung des katalytischen Abgasnachbehandlungssystems zur Reduzierung von Kohlenmonoxid (CO), Kohlenwasserstoffen (HC), Stickoxiden (NOx) und Rußpartikeln (PM) zur Erfüllung der (europäischen) Abgasvorschriften
  • Entwicklung eines prädiktiven, dynamischen Echtzeit-Systemmodells, um eine intelligente Steuerung der SmartCHP-Anlage zu ermöglichen und variable intermittierende erneuerbare Energiequellen auszugleichen
  • Integration des Motor-, Kessel- und Abgasnachbehandlungssystems in ein Gesamtsystem und Durchführung von Tests und Bewertungen des Gesamtsystems für ein breites Spektrum von Wärme- und Leistungsverhältnissen, die eine reale Umgebung nachbilden
  • Beitrag zur Aktualisierung des CEN Technical Report zu einer europäischen Norm
  • Bewertung der Marktchancen durch die Durchführung von technoökonomischen, legislativen, sozioökonomischen und ökologischen Studien, veranschaulicht durch eine Reihe von Fallstudien

 

Arbeitsaufgaben OWI

  • Kesselentwicklung und Integration der Abgasbehandlung
    Es ist zu demonstrieren, dass FPBO als alternativer Brennstoff für den Kessel in einem KWK-System verwendet werden kann. Die Entwicklung beginnt mit der Anpassung einer bestehenden Einheit von ca. 100 kWth, die für die Verbrennung von Heizöl zur Verfügung steht. Der Kessel wird so angepasst, dass der Einsatz von FPBO unter sehr unterschiedlichen Bedingungen für Massenströme (thermische Leistungsstufen), Temperaturen und Zusammensetzung des aus dem Motor kommenden Abgases möglich wird. Untersuchung möglicher Strategien, um einen zuverlässigen Start-/Stopp-Betrieb des FPBO-betriebenen Kessels basierend auf unterschiedlichen Betriebsbedingungen und den definierten Anforderungen zu gewährleisten.
  • Am OWI werden mehrere Materialien unter FPBO (synthetischen) Abgasbedingungen getestet, um den Einfluss der Spurenstoffe auf die verwendeten Katalysatormaterialien im Abgasnachbehandlungssystem bei gegebenen hohen Temperaturen zu beurteilen.
  • Untersuchung von Health & Safety (HSE) und REACH-Aspekten der FPBO-Anwendung und Logistik

 

Durchführende Forschungsstellen

  • OWI Science for Fuels gGmbH
  • Abato Motoren
  • Exergia Energy and Environmental Consultants
  • Capax Environmental Services
  • Greenovate! Europe
  • Technical University of Eindhoven
  • Tehag Germany
  • Denmark Technical University
  • Dowel Management
  • BTG Biomass Technology Group (Projektkoordination)

 

Projektförderung

Das SmartCHP-Projekt wird im Rahmen der Finanzhilfevereinbarung Nr. 815259 mit 4 Mio. EUR aus dem Forschungs- und Innovationsprogramm der Europäischen Union „Horizon 2020“ finanziert.

 

Projektlaufzeit

6/ 2019 bis 5/ 2023

 

Kontakt

Dipl.-Ing. Melanie Grote
Tel.: 02407/ 9518-123
E-Mail: M.Grote@owi-aachen.de

Dr.-Ing. Sangeetha Ramaswamy
Tel.: 02407/ 9518-143
E-Mail: S.Ramaswamy@owi-aachen.de