Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren für dezentrale mit Biomasse betriebene Blockheizkxaftwerke im kleineren Leistungsbereich, welches auch die Gesamte Biomasseaufbereitungstechnologie umfasst und nicht auf vorgeschaltete Gäroder Vergasungsprozesse angewiesen ist. Eine derartige Lösung wird in erster Linie im Bereich der dezentralen Energiewirtschaft benötigt.

Der weltweit steigende Energiebedarf erhöht die anthropogenen Belastungen für Klima und Umwelt. Sparsamer Umgang mit Energie und effiziente thermische Prozesse werden immer wichtiger, um dem Klimawandel entgegen zu wirken. Einen Beitrag hierzu leisten dezentrale Blockheizkraftwerke, die sowohl Strom als auch Heizwärme liefern. Werden diese mit Biomasse betrieben, bleibt die C0 ₂ -Konzentration in der Atmosphäre konstant, da Kohlendioxid im gleichen Verhältnis durch Photosynthese in Biomasse zeitnah assimiliert. Neben Solarund Windenergie die Option, welche ohne endliche fossile Quellen risikofrei auskommt.

Nach dem Stand der Technik haben sich zwei Technologien etabliert. Zum einen die Verbrennung mit Vortrocknung in einem Dampf-Heizkraftwerk oder zum anderen die Vergärung der Biomasse in einem Fermenter, um das entstehende Biogas mittels Motor oder Mikrogasturbine in Kombination mit einem Generator zu nutzen. Beide Varianten haben Vor- und Nachteile. Das Dampf- Heizkraftwerk benötigt für einen effizienten Stromanteil der Wandlung bei hoher Temperatur hohen Druck, was besonders in kleineren dezentralen Anlagen die technische Machbarkeit zu Lasten des elektrischen Wirkungsgrades stark einschränkt. Deshalb dominiert in diesem Leistungsbereich die Variante Vergärung, da die anschließende Stromwandlung auf dem aus der automobilen Massenproduktion stammenden preiswerten, funktionssicheren und effizienten Otto- bzw. Dieselmotor basiert. Durch den Einsatz der ausgereiften Motorentechnik entstehen trotz erhöhtem spezifischen Verschleiß Vergleichsmaßstäbe, die weder von Mikrogasturbinen noch von Dampfturbinen erreicht werden.

Nachteilig wirken sich die geruchsintensiven ammoniakhaltigen nassen anfallenden Gärreststoffe aus, die große aufwendige und abgedeckte Lagerkapazitäten erfordern, um die Felder zur gegebenen Zeit mit den noch enthaltenen Nährstoffen zu düngen. Das Konzept geht auf, so lange die Transportwege zwischen Feld und Anlage für Ernte und Düngung wirtschaftlich bleiben. Notwendige flexible Fruchtfolgen als auch Erntedefizite können das nicht immer garantieren. Biogasanlagen sind wegen Geruchsemissionen in der Bevölkerung nicht bedingungslos beliebt, weswegen deren Standorte meist außerhalb der Bebauung liegen, was eine Nutzung der Abwärme erschwert oder gar unmöglich macht. Das schwerdosierbare Gärrestverteilen lässt die Felder vermaisen und trägt zur Erhöhung der Nitratwerte im Grundwasser bei.

Mais, die C4-Pflanze mit hoher Kohlendioxid-Assimilation, hat sich als Gärsubstrat durchgesetzt. Die besonders effiziente Fotosynthese sorgt bei moderatem Wasserverbrauch innerhalb einer Saat-Ernte-Periode dafür, dass aus einem Maiskorn je nach Sorte eine 1 ,5 - 2,5 m hohe Pflanze entsteht. Bei einem Frischmasseertrag von etwa 45 t/ha bietet Mais bezogen auf die Flächenproduktivität Spitzenwerte. Eine 500 kW _e i Anlage benötigt eine Energiemais- Anbaufläche von etwa 230 ha. Es stellt sich auch die ethische Frage, was hat unter dem Aspekt begrenzter Anbauflächen Vorrang - Energiemais oder Mais als Nahrungsmittel?

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, die Technologie für ein dezentrales Blockheizkraftwerk, welches mit schnellwachsender Biomasse C0 ₂ neutral betrieben wird, so zu erweitern bzw. zu verändern, dass die genannten Nachteile nicht mehr bestehen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß im Wesentlichen durch die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 1 bis 11 gelöst. Bisher wird Energiemais komplett bei der Ernte gehäckselt, zur Anlage transportiert und der Jahresbedarf für die Lagerung siliert. Verzichtet man auf den nicht problemlosen Nährstoffkreislauf und betrachtet vorrangig die C0 ₂ -neutrale Kraft- Wärme-Kopplung, entstehen neue Optionen. Die konkurrierende ethische Frage des Anbaus„Nahrung oder Energie" entfällt, wenn die Maispflanze gleichzeitig beide Nutzungsarten bedient. Für die Nahrungsmittelindustrie oder Pharmazie die inhaltsreichen Körner mit ca.10 t/ha und der zellulosehaltige Maisrest ca. 35 t/ha geht zur Trocknung und zum Pelletieren, wonach ein geruchsneutraler handhabbarer Brennstoff mit holzähnlichem Brennwert entsteht. Dieser Teil der Maispflanze wurde bisher nach dem Ausschlagen der Maiskörner wieder eingepflügt, da sich der stark zellulosehaltige Maisrest für die Vergärung kaum eignet.

In einer Biogasanlage entstehen durchschnittlich aus 45 t Frischmasse mit einem Trockensubstratanteil (TSA) von bspw. 34,3% etwa 4.650 Nm ³ Methan, was einer thermischen Leistung von 167.129 MJ/ha entspricht {Deutsches Maiskomitee e. V. (DMK) http://www.ima-agrar.de). Im Brennwert der Frischmasse sind jedoch bei gleichem TSA thermisch 280.130 MJ/ha (6.225 MJ/t) laut Druckschrift (J. Born, R. Casar etto, Die theoretischen 100 Prozent geernteter Energie, BIOGAS Journal \ 2_2012) enthalten. Die Vergärung kann im Vergleich demnach nur etwa 60 % energetisch in Methan wandeln, 40 % bleiben für die Bakterien ungenießbar und fallen als Gärrestdünger an. Thermisch stehen bei der Verbrennung 54.839 MJ/ha etwa 19% mehr zur Verfügung, als bei der Methanisierung. Trotz Abzug der Körnermasse mit nur 35 t/ha Frischmasse und einem trocknungsbereinigten Brennwert (4.932 MJ/t) liefert der Maisrest thermisch mit 172.641 MJ/ha mehr als das Methan- Äquivalent mit Körnern.

Die Infrastruktur wie Landhandel, Pelletsvertrieb oder Ernteguttrockner besteht bereits. Der Bauer kann seine Fruchtfolge unabhängig vom Standort eines Blockheizkraftwerkes wählen und erhält eine weitere Vergütung für den Maisrest.

Voraussetzung ist ein Blockheizkraftwerk, welches effizient mit den geruchsfreien Pellets betrieben werden kann. Es lässt sich sinnvoll nahe an Wärmeabnehmer platzieren, wodurch Hausbrandemissionen entfallen. Die ausgereifte Pellets-Technologie erlaubt weitestgehend automatischen Betrieb. Zu den Spurenelementen in der anfallenden Asche gehören Chrom, Eisen, Cobalt, Mangan, Nickel, Kupfer und Zinn, die sich wiederum als Düngerergänzung eignen. Im Vergleich zum üblichen Gärrestverteilen auf dem Feld wirkt eine gezielte und dosierte Düngung der Problematik zu hoher Nitratgehalt im Grundwasser entgegen.

Ein speziell auf die Verbrennung ausgerichteter mit Wasser und Dampf betriebener geschlossener Gasturbinenprozess mit Regeneration kann wie in DE 10 2004 025 846 AI beschrieben durch externe Wärmeübertragung die heißen Verbrennungsabgase und somit den gesamten Brennwert nutzen. Ohne eine spezielle Turbomaschinenanpassung und eine flexible Wärmeauskopplung ist eine Nutzung im kleineren Leistungsbereich nicht möglich. Sowohl metallische als auch keramische Werkstoffe widerstehen heute bei niedrigen Drücken unter 10 bar Temperaturen um die 1000°C, wodurch die Wärmeübertragung vom Verbrennungsabgas zum Arbeitsfluid im Erhitzer möglich wird. Bei entsprechender Luft- und Pelletsvorwärmung entsteht das erforderliche rauchgasseitige Temperaturgefälle, um den intern strömenden Wasserdampf auf über 900°C zu erhitzen. Neu ist die Bauform der Turbosätze, die als Schnittstelle zwischen Thermodynamik und Mechanik fungieren. Voraussetzung für hohe Wandlungsgrade auch im kleinen Leistungsbereich ist eine flexible Stromkonvertierung mit Leistungselektronik zur Nutzung der optimalen Drehzahl für Verdichter und Turbine (über 30.000 U/min). Die gewählte Bauform sorgt für optimale axiale Anströmverhältnisse. Durch die Mitnutzung der konfigurierbaren Generatorlager reduzieren sich die Reibungsverluste. Jeder Turbosatz erhält eine separate Einspeisung, wobei die Steuer- und Stromkonvertierungseinheit sowohl Motor- als auch Generatorbetrieb zulässt.

Für die Wärme-Kraft-Kopplung ist die Wärmelastanpassung eine wichtige Stellgröße. Etwa 10% vom Gesamtmassenstrom wird Kühlungsbedingt bis ins Vakuum entspannt. Um nun flexibel lastbezogen zwischen Wärmeauskopplung oder Strom plus Kondensatorkühlung wechseln zu können, erfolgt die Entspannung des Kühlmassenstroms zweistufig Mittels Curtisräder, zwischen den eine verstellbare Blende den Massenstrom für die Wärmeauskopplung stufenlos über eine Anzapfung umleitet. Eine Vorrichtung zur regulierten Beaufschlagung axial durchströmter Entnahmedampfturbinen zur Einsparung von Regelventilen wird in EP 0 508 067 AI für Großanlagen beschrieben. Curtisräder sind vergleichsweise unempfindlich und gut für relativ hohe Stufendruckgefälle geeignet, wobei mit der ersten Stufe der erforderliche Kondensationsdruck und damit die auskoppelbare Temperatur bestimmt wird. Mit dieser Lösung lässt sich im Winter die gesamte Kondensationswärme nutzen und je nach Bedarf im Jahres verlauf stufenlos bei guter Effizienz auf Kondensatorkühlung umschalten.

Neu im Energiewandler ist die Maßnahme, den Verdichtungsmassenstrom zur Reduzierung der Verdichterantriebsleistung mittels direkter Kondensateindü- sung nicht nur zu kühlen, sondern ihn auch durch die Volumenzunahme beim Kondensatverdampfen bei konstantem Druck mittels Strömungsquerschnittsanpassung in der jeweils vorgeschalteten Mischstrecke thermisch zu beschleunigen. Dadurch reduzieren sich die Laufradarbeit und die erforderliche Kühlwassermenge, was die Prozesseffizienz erhöht.

Somit werden die Aufgaben mit den Verfahrensschritten Biomasseaufbereitung, externer Verbrennung und Energiewandler komplett gelöst.

Fig.l stellt die Vorgänge in der Biomasseaufbereitung (1) mit der externen Verbrennung (2) strukturiert dar.

Fig.2 zeigt erforderliche Maßnahmen im Blockschaltbild des Energiewandlers (3)

Fig.3 stellt die Bauform Turbosatz (16) dar.

Bezugszeichenliste

1 Biomasseaufbereitung

2 externe Verbrennung

3 Energiewandler

4 Verbrennungsabgas

5 Erhitzung

6 Verdichtungsmassenstrom

7 Mischstrecke

8 Kühlmassenstrom

9 Curtisradstufe I

10 Blende

11 Curtisradstufe II

12 Wärmeauskopplung

13 Kondensator

14 Regelklappe

15 Turbinengehäuse

16 Turbosatz

17 Generator Bezugszeichenliste Fortsetzung

18 Welle

19 Radialturbine mit axialem Austritt

20 Radialverdichter mit axialem Eintritt

21 Steuer- und Stromkonvertierungseinheit

22 Dampf

23 Wasser

24 Mais

25 Körner

26 Nahrungsmittelindustrie oder Pharmazie

27 zellulosehaltiger Maisrest

28 Häcksler

29 Trockner

30 Pellets

31 Silo

32 Asche