Verfahren zur Nutzung von Biomasse zur Erzeugung von elektrischer Energie und Wärmebereitstellung durch Pyrolyse, Vergasung und Verbrennung und zur Umwandlung von Wärmeenergie in elektrische Energie

Aus dem Stand der Technik ergeben sich folgende Lösungen :

Biomasse, wie zum Beispiel Ersatzbrennstoffe mit biogenem Anteil, Klärschlamm, Gärreste, ist mengenmäßig eine der bedeutendsten regenerativen Energiequellen und zeichnet sich durch ihre Speicherbarkeit und planbare Verfügbarkeit aus. Derzeit besitzt der Energieträger Biomasse ein hohes, zu Teilen noch ungenutztes Potential.

Biomasse fällt in der Fläche verteilt, am Ernteort oder als zum Beispiel landwirtschaftlicher Abfall an. Außerdem besitzt sie einen relativ geringen Heizwert und in der Regel eine geringe Energiedichte.

Dadurch ist ein Transport bezogen auf die Energieeinheit sowohl energetisch als auch ökonomisch aufwendig. Für die energetische Nutzung von Biomasse bieten sich daher vor allem kleinere, dezentrale Anlagen zur unmittelbaren Energieumwandlung in Nutzenergie und gegebenenfalls auch zur BrennstoffVorbehandlung an.

Die Biomasse wird durch chemische, biochemische oder physikalische Prozesse in thermische Energie, elektrische Energie oder chemische Energie in flüssigen und gasförmigen Sekundär-Bioenergieträgern umgewandelt .

Im Zusammenhang mit dem hier vorgeschlagenen neuen Verfahren zur Umwandlung von Biomasseenergie in elektrische und thermische Energie sind Pyrolyse, Vergasungs- und Verbrennungsverfahren zu betrachten. Diese können nacheinander, räumlich getrennt oder auch in Reaktoren gemeinsam, überlappend ausgeführt werden .

Grundsätzlich sind zwei Verfahrenskonzepte zur Umwandlung der Biomasse zunächst in mechanische Energie zu unterscheiden:

1. Umwandlung in thermische Energie

Verbrennung und nachfolgender Kreisprozess , Beispiel Wasserdampfkraftprozess , ORC-Prozess; Dabei werden Pyrolyse, Vergasung, Verbrennung als zusammenfassende Prozesse verstanden, welche sich selbstverständlich aus Teilprozessen - auch in mehreren Einheiten - zusammensetzen können.

2. Umwandlung in chemische Energie durch Pyrolyse und/oder Vergasung und nachfolgender Kreisprozess , zum Beispiel Gas-Motor, Gas-Turbine. Die Umwandlung mechanischer Energie unter Nutzung des Generatorprinzips in elektrische Energie ist ein bekanntes, hocheffizientes Verfahren, auf das hier nicht näher eingegangen wird.

Seit langem zum Stand der Technik zu zählen sind Verbrennungsverfahren, in denen die chemische Energie der Biomasse zunächst in thermische Energie - Rauchgasenthalpie - umgewandelt wird. Dieser Prozess ist in der Figur 2 schematisch dargestellt.

An die Verbrennung schließt sich eine Dampferzeugung oder nur eine Wärmeübertragung auf ein Trägermedium wie Wasser oder Luft an. Bei der Umwandlung in thermische Energie lassen sich in der Regel hohe Wirkungsgrade (ca. 90 %) erreichen.

Niedrige Luftüberschusszahlen werden angestrebt, um möglichst geringe Abgasverluste und damit möglichst hohe Kesselwirkungsgrade zu erzielen.

Die Figur 2 zeigt den prinzipiellen Ablauf der ungekoppelten Erzeugung thermischer Energie. Es existieren eine Reihe technischer Möglichkeiten der Erzeugung elektrischer Energie aus thermischer Energie in Verbindung mit einem Verbrennungsprozess . Während für die Nutzung fester fossiler Brennstoffe in Großanlagen Wasserdampfkraftprozesse mit Dampfturbinen absolut dominieren, konkurrieren für die kleineren Anlagen, wie sie für die Biomassenutzung erforderlich sind, verschiedene Verfahren. Dies liegt vor allem darin begründet, dass die Wasserdampfkraftprozesse mit Dampfturbinen in kleineren Leistungsgrößen mit schlechten

Wirkungsgraden behaftet sind.

Die prinzipiellen Möglichkeiten der Umwandlung der Biomasse in elektrische Energie über thermische Energie (erstes Verfahrenskonzept) sind beispielhaft in der Figur 3 dargestellt (entnommen aus Beckmann, M.; Rostkowski, S.; Scholz, R.: Energieeffizienz der energetischen Biomassenutzung. In: Thome-Kozmiensky, K. J.; Beckmann, M. (Hrsg.) : Erneuerbare Energien - Band 2. Neuruppin: TK Verlag Karl Thome-Kozmiensky, 2009, S. 265-281. ISBN 978-3-935317-43-6 und Beckmann, M.; Klemm, M.: Strategien der energetischen Biomassenutzung. In: Thome-Kozmiensky, K. J.; Beckmann, M. (Hrsg.) : Energie aus Abfall - Band 5. Neuruppin: TK Verlag Karl Thome-Kozmiensky, 2008, S. 51-72. ISBN 978-3-935317-34-4) .

Dabei sind Apparate und Prozesse zur Erzeugung elektrischer Energie über thermische Energie beschrieben . Die Auswahl geeigneter Prozessschritte und zugehöriger Apparate ist dabei vor allem von der installierten Leistung abhängig. Die Figur 4 (entnommen aus Beckmann, M.; Rostkowski, S.; Scholz, R. : Energieeffizienz der energetischen

Biomassenutzung. In: Thome-Kozmiensky, K. J.;

Beckmann, M. (Hrsg.) : Erneuerbare Energien - Band 2.

Neuruppin: TK Verlag Karl Thome-Kozmiensky, 2009, S.

265-281. ISBN 978-3-935317-43-6 und Beckmann, M.; Klemm, M.: Strategien der energetischen

Biomassenutzung. In: Thome-Kozmiensky, K. J.;

Beckmann, M. (Hrsg.) : Energie aus Abfall - Band 5.

Neuruppin: TK Verlag Karl Thome-Kozmiensky, 2008, S.

51-72. ISBN 978-3-935317-34-4)

zeigt hierzu eine Übersicht. Es sind Apparate und

Prozesse der Biomasseumwandlung in elektrische

Energie über thermische Energie mit zugehörigen

Leistungsbereichen dargelegt. Für das zweite oben genannte Verfahrenskonzept - der Umwandlung der Biomasse über chemische Energie in elektrische Energie - sind prinzipielle Möglichkeiten in der Figur 5 (entnommen aus Beckmann, M.; Rostkowski, S.; Scholz, R. : Energieeffizienz der energetischen Biomassenutzung. In: Thome-Kozmiensky, K. J.; Beckmann, M. (Hrsg.) : Erneuerbare Energien - Band 2. Neuruppin: TK Verlag Karl Thome-Kozmiensky, 2009, S. 265-281. ISBN 978-3-935317-43-6 und Beckmann, M.; Klemm, M.: Strategien der energetischen Biomassenutzung. In: Thome-Kozmiensky, K. J.; Beckmann, M. (Hrsg.) : Energie aus Abfall - Band 5. Neuruppin: TK Verlag Karl Thome-Kozmiensky, 2008, S. 51-72. ISBN 978-3-935317-34-4)

dargestellt. Dabei ist die Erzeugung elektrischer Energie über chemische Energie aufgezeigt.

Die Auswahl geeigneter Prozessschritte und zugehöriger Apparate ist dabei ebenfalls - wie die

Figur 6 (entnommen aus Beckmann, M.; Rostkowski, S.;

Scholz, R.: Energieeffizienz der energetischen Biomassenutzung. In: Thome-Kozmiensky, K. J.;

Beckmann, M. (Hrsg.) : Erneuerbare Energien - Band 2.

Neuruppin: TK Verlag Karl Thome-Kozmiensky, 2009, S.

265-281. ISBN 978-3-935317-43-6 und Beckmann, M.;

Klemm, M.: Strategien der energetischen Biomassenutzung. In: Thome-Kozmiensky, K. J.;

Beckmann, M. (Hrsg.) : Energie aus Abfall - Band 5.

Neuruppin: TK Verlag Karl Thome-Kozmiensky, 2008, S.

51-72. ISBN 978-3-935317-34-4)

im Überblick zeigt - vor allem von der installierten Leistung abhängig. Es sind Apparate und Prozesse der Biomasseumwandlung in elektrische Energie über chemische Energie mit zugehörigen Leistungsbereichen aufgeführt . Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Nutzung von Biomasse zur Erzeugung von elektrischer Energie und Wärmebereitstellung durch Pyrolyse, Vergasung und Verbrennung zu finden, womit ein erheblich hoher Wirkungsgrad erreicht wird.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass der Patentanspruch 1 ausgeführt ist. Dabei wurde ein Verfahren zur Nutzung von Biomasse zur Erzeugung von elektrischer Energie und Wärmebereitstellung durch Pyrolyse, Vergasung und Verbrennung entwickelt, wobei eine Verbrennung eines gasförmigen, flüssigen und/oder festen Brennstoffes unter Druck in einer ersten Einheit mit Reaktionsgas durchgeführt wird und durch weitere Zumischung von Reaktionsgas auf gleichem Druckniveau zur kontrollierten Herabsetzung der Abgastemperatur und Verringerung der Konzentration korrosiver

Abgasbestandteile in einer zweiten Einheit ausgeführt wird und mit nachfolgender Nutzung der Abgasenthalpie zunächst in einer dritten Einheit durch Entspannung in einem System aus thermischen Arbeitsmaschinen, bestehend aus einer ersten Entspannungsstufe zur gleichzeitigen Verdichtung des Reaktionsgases und der Zumischung und weiterhin aus einer zweiten Entspannungsstufe mit weiterer Umwandlung der mechanischen Energie in einem Generator in elektrische Energie stattfindet und eine weitere Nutzung der Abgasenthalpie in einer vierten Einheit zur Vorwärmung des verdichteten

Reaktionsgases und der Zumischung aus dem System der thermischen Arbeitsmaschinen erfolgt sowie zur weiteren Verwendung der Abgasenergie zur externen Wärmenutzung angewandt wird.

Nachfolgend wird die Erfindung beschrieben. Es zeigen:

Figur 1 Blockschaltbild des Verfahrens Figur 2 prinzipieller Ablauf der ungekoppelten

Erzeugung thermischer Energie

Figur 3 Apparate und Prozesse zur Erzeugung

elektrischer Energie über thermische

Energie

Figur 4 Apparate und Prozesse der

Biomasseumwandlung in elektrische Energie über thermische Energie mit zugehörigen

Leistungsbereichen

Figur 5 Erzeugung elektrischer Energie über

chemische Energie

Figur 6 Apparate und Prozesse der

Biomasseumwandlung in elektrische Energie über chemische Energie mit zugehörigen

Leistungsbereichen .

Das hier beschriebene Verfahren baut auf bekannten Grundbausteinen der Pyrolyse, Vergasung und Verbrennung sowie der Wärmeübertragung und einem System einer mechanischen Arbeitsmaschine, wie einem Turbocompoundsystem, auf, unterscheidet sich jedoch deutlich von den bisher bekannten oben beschriebenen Verfahrenskonzepten .

Zunächst erfolgt in einer ersten Einheit 1 eine Verbrennung der gasförmigen, flüssigen oder festen Biomasse unter Prozessdruck. Die erste Einheit 1 enthält naturgemäß verschiedene Teilstufen der Trocknung T, Pyrolyse P, Vergasung V, Nachverbrennung NV, die auch räumlich getrennt in verschiedenen Apparaten und/oder Reaktoren ablaufen können. Reaktionsgase für die Pyrolyse P, Vergasung V, Nachverbrennung NV können Wasserdampf,

Kohlenstoffdioxid, Stickstoff, Luft, Sauerstoff oder Mischungen aus den genannten Gaskomponenten sein. Das Reaktionsgas wird auf dem Druckniveau des Prozessdruckes zugeführt.

Gleich nach der Nachverbrennung NV wird in einer zweiten Einheit 2 als Mischstelle unter Berücksichtigung der Primärmaßnahmen zur N0 _X - Minderung bei gleichzeitig hohem Ausbrand weiteres Reaktionsgas, weitere Luft auf dem Niveau des Prozessdruckes zugemischt, so dass ein sehr hohes StochometrieVerhältnis , LuftüberschussVerhältnis entsteht. Diese Zumischung hat zum einen die Aufgabe, den Partialdruck korrosiver Bestandteile so abzusenken, dass in den nachfolgenden Einheiten das Korrosionsrisiko erheblich reduziert wird, und zum zweiten die Eintrittstemperatur für die dritte Einheit 3 einzustellen.

Die nachfolgende dritte Einheit 3 besteht aus einem System thermischer Arbeitsmaschinen, vorzugsweise aus einem Turbocompoundsystem, in dem in einer ersten Entspannungsstufe ESI das Abgas aus der Einheit 2 teilentspannt wird, um Reaktionsgas, Luft auf das Prozessdruckniveau zu verdichten. In einer zweiten Entspannungsstufe ES2 erfolgt die weitere Umwandlung der Abgasenthalpie in mechanische Energie, die über eine Viscokupplung an einen Generator G übertragen wird, der dann elektrische Energie erzeugt. Der Abgasstrom aus der zweiten Entspannungsstufe ES2 der dritten Einheit 3 wird dann weiter in einer vierten Einheit 4 als Wärmeverschiebesystem zur Vorwärmung des in der dritten Einheit 3 in der ersten Entspannungsstufe ESI verdichteten Reaktionsgases, der Luft auf ein möglichst hohes Temperaturniveau gebracht. Dabei ist ein interner Wärmeübertrager WÜ1 sowie zur Bereitstellung von Wärme ein externer Wärmeübertrager WÜ2 gekoppelt.

Nachfolgend werden einzelne Verfahrensweisen in den anschließenden Punkten beschrieben.

1. die Verbrennung eines gasförmigen, flüssigen oder festen Brennstoffes unter Druck in einer ersten

Einheit 1 mit Luft und

2. weiterer Zumischung von Luft auf gleichem Druckniveau zur kontrollierten Herabsetzung der Abgastemperatur und Verringerung der Konzentration korrosiver Abgasbestandteile in einer zweiten Einheit 2

3. mit nachfolgender Nutzung der Abgasenthalpie zunächst in einer dritten Einheit 3 a. durch Entspannung in einem System aus thermischen Arbeitsmaschinen, vorzugsweise einem

Turbocompoundsystem, bestehend aus i. einer ersten Entspannungsstufe ESI in einem Turbolader zur gleichzeitigen Verdichtung LV des Reaktionsgases und der Zumischung und ii. einer zweiten Entspannungsstufe ES2 mit weiterer Umwandlung der mechanischen Energie, durch Übertragung der mechanischen Energie an einen Generator G und Umwandlung in elektrische Energie; und

4. weiterer Nutzung der Abgasenthalpie in einer vierten Einheit 4 a. zur Vorwärmung des verdichteten Reaktionsgases, Luft hin zur Einheit 1 und der Zumischung in der Einheit 2 aus der ersten Eingangsstufe einer internen Abgaswärmerückgewinnung, wie dem Turbolader, über den Wärmeübertrager WÜ1 b. sowie zur weiteren Verwendung der Abgasenergie zur Wärmenutzung über den externen Wärmeübertrager WÜ2. bl Alternativ kann die Wärmeenergie, Abgasenthalpie auch in einem entsprechenden Wärmespeicher gespeichert werden und bei Bedarf zur teilweisen oder vollständigen Aufheizung des Arbeitsfluids , dass der Entspannungsstufe ESI zugeführt wird, vorzugsweise über ein Turbocompoundsystem, genutzt werden. b2 Alternativ kann das erzeugte Synthesegas oder ein anderweitig erzeugtes Brenngas, zugemischt mit üblichen Brenngasen, wie Propan, Butan, Erdgas und dergleichen, in einem Gasspeicher gespeichert werden und bei Bedarf zur teilweisen oder vollständigen Aufheizung des Arbeitsfluids , dass der Entspannungsstufe ESI zugeführt wird, vorzugsweise über ein Turbocompoundsystem, genutzt werden.

Als Brennstoffe können neben konventionellen Brenngasen wie Erdgas auch andere synthetische Brenngase wie zum Beispiel Biogas, durch katalytische, thermische oder elektrolytische Spaltung erzeugte Brenngase, Pyrolysegase,

Vergasungsgase usw. eingesetzt werden. Als flüssige Brennstoffe kommen neben konventionellen Energieträgern wie Heizöl ebenfalls auch synthetisch erzeugte Brennstoffe und Rückstände wie Pyrolyseöl, Pflanzenöl, Altöl usw. zum Einsatz. Als feste Brennstoffe können konventionelle Brennstoffe wie Steinkohle, Braunkohle und Ersatzbrennstoffe wie Biomasse, landwirtschaftliche Abfälle, Klärschlamm, biomassehaltige Ersatzbrennstoffe, Gärreste und Rückstände usw. zum Einsatz kommen. Darüber hinaus können auch Schlämme und pastöse Stoffe zugemischt werden .

Die Verbrennung in der Einheit 1 kann insbesondere bei festen Brennstoffen in mehreren Schritten getrennt erfolgen. Dabei kann der erste Prozessschritt als Vergasung V - zum Beispiel in einem Wirbelschicht-, einem Schacht- oder einem Flugstromreaktor - erfolgen. Als Vergasungsmittel wird dabei ein Teil des verdichteten Reaktionsgases, Luft aus der ersten Eingangsstufe der Einheit 3 des Turboladers verwendet; gegebenenfalls kann auch Wasser, Wasserdampf oder Kohlenstoffdioxid zur Einstellung des Vergasungsgases gezielt zugeführt werden.

Bezugszeichen

1 Einheit

2 Einheit

3 Einheit

4 Einheit

T Trocknung

P Pyrolyse

V Vergasung

NV Nach erbrennung

M Mischstelle

LV Verdichtung

G Generator

WÜ1 Wärmeübertrager 1 (intern

WÜ2 Wärmeübertrager 2 (extern

ESI Entspannungsstufe

ES2 Entspannungsstufe