17. Dezember 2021

Wie lassen sich Bio-Reststoffe direkt vor Ort energetisch nutzen? Dazu hat ein Forschungsteam ein Mini-Kraft-Wärme-Kopplungs-Konzept mit Stirlingmotor entwickelt. Dieses bietet zukünftig vor allem für kleinere holzverarbeitende Betriebe und in der Landwirtschaft eine interessante Option, um Strom zu erzeugen.

Bisher bleiben große Teile biogener Reststoffe, beispielsweise Holz, Stroh und Klärschlamm für die Stromerzeugung ungenutzt. Die momentan verfügbaren Rostfeuerungen, bei denen der Brennstoff auf einem Rost liegt, müssen hohe Verbrennungstemperaturen bereitstellen, die zu Problemen führen können. So lagern sich beispielsweise Rückstände an Flächen der Wärmeübertrager ab. Daher haben Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler im Projekt BioWasteStirling ein effizientes Mini-Kraft-Wärme-Kopplungs-System (KWK) für verschiedene biogene Brennstoffe entwickelt und im Feldtest erprobt. Dieses besteht aus einer Wirbelschichtfeuerung und einem Stirlingmotor.

Wirbelschichtfeuerungen bieten zahlreiche Vorteile, welche die Kombination in einem KWK-Konzept attraktiv machen. Beispielsweise werden die Brennstoffe turbulent vermischt. Dadurch verteilt sich die Temperatur gleichmäßig im Wirbelbett. Zudem ermöglicht das verwendete Bettmaterial, meist Quarzsand, einen sehr guten Wärmeübergang und sogenannte HotSpots können vermieden werden. Dadurch sind für Wirbelschichten verschiedene Brennstoffe weitgehend flexibel einsetzbar.

Der innovative Ansatz des KWK mit Stirling ist: Der Wärmeübertrager des Stirlingmotors befindet sich direkt in der Wirbelschicht. Dadurch verringert sich der notwendige Luftüberschuss. So lässt sich der Wirkungsgrad der Feuerung steigern. Gleichzeitig wird die Schmelztemperatur der Asche nicht überschritten, da der Stirling den Verbrennungsprozess kühlt. Damit bilden sich weniger sogenannte Anbackungen am Erhitzerkopf des Stirlingmotors. Die Projektteams haben bereits mit der Pilotanlage für holzartige Brennstoffen einen elektrischen Wirkungsgrad von bis zu 16 Prozent und einen Brennstoffausnutzungsgrad von 85 Prozent erreicht.

Von der Labor- zur Pilotanlage im Feldtest

Das Grundkonzept der entwickelten Pilotanlage basiert auf einem im Labormaßstab erfolgreich getesteten Entwurf. So konnten die Forscherinnen und Forscher das Design optimieren und an eine größere Leistung anpassen. Entstanden ist ein autarkes KWK-System mit 45 Kilowatt thermischer und 5 Kilowatt elektrischer Leistung, aufgebaut in einem mobilen Container. Zunächst haben die Wissenschaftsteams die Anlage im Labor in Betrieb genommen und bereits hier die geplante Nennleistung des Stirlingmotors von 5 Kilowatt erreicht. Nach dem gelungenen Probelauf erfolgten erste erfolgreiche Feldversuche mit Holzpellets.

Mini-KWK-System mit Stirlingmotor im Stahlrohbau
© FAU – Lehrstuhl für Energieverfahrenstechnik

Das entwickelte Mini-KWK-System mit Stirlingmotor im Stahlrohbau, um biogene Reststoffe energetisch zu verwerten - ohne Isolierung und Instrumente.

Autarke Pilotanlage mit 45 Kilowatt thermischer und 5 Kilowatt elektrischer Leistung in einer mobilen Containerumgebung bereit für erste Feldtests
© FAU – Lehrstuhl für Energieverfahrenstechnik

Die autarke Pilotanlage mit 45 Kilowatt thermischer und 5 Kilowatt elektrischer Leistung in einer mobilen Containerumgebung bereit für erste Feldtests.

 

Restholz für Mini-KWK-System

Nachdem der Dauerbetrieb mit handelsüblichen Holzpellets erfolgreich verlaufen ist, haben die Forscherinnen und Forscher Langzeitversuche mit Altholzpellets, Klärschlamm-, Stroh- und Miscanthuspellets durchgeführt. Miscanthus – gerne als Elefantengras bezeichnet, ist eine sehr schnellwüchsige Pflanze, die auch als sogenanntes Energiegras bezeichnet wird. Damit sollte die Brennstoffflexibilität der Wirbelschichtfeuerung gezeigt werden. Die Ergebnisse haben bestätigt, dass sich vor allem holzartige Reststoffe für das neue System eignen. Aus den Versuchen mit Klärschlamm-, Stroh- und Miscanthuspellets leitet das Forschungsteam Optimierungspotentiale und klare Handlungsempfehlungen ab, um die Anlage weiter zu verbessern.

Die neue Biomasse-KWK-Anlage mit Stirlingmotor bietet zukünftig die Chance, biogene Reststoffe dezentral energetisch zu nutzen. Diese Option kann vor allem für holverarbeitende und landwirtschaftliche Betriebe eine interessante, neue Variante sein. (mm)

BioWasteStirling

För­der­kenn­zei­chen: 03KB122A,B,C

Projektlaufzeit
01.09.2017 31.03.2021 Heute ab­ge­schlos­sen

The­men

Bioenergie Biogene Rest- und Abfallstoffe

För­der­sum­me: 375.978 Euro

Ansprechpartnerin

Tanja Schneider
Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Lehrstuhl für Energieverfahrenstechnik
+49 911 5302 99038

www.fau.de

Der Stirlingmotor

Der Stirlingmotor wandelt Wärmeenergie in elektrische Energie um. Er besteht aus einem Zylinder, in dem sich ein sogenanntes Arbeitsgas befindet. Das kann Luft, Wasserstoff oder ein anderes Gas sein. Eine externe Quelle erwärmt das Gas und verdrängt dadurch einen Kolben. Auf diese Weise wandelt der Stirlingmotor thermische in mechanische Energie um. Diese treibt einen Generator an, der Strom erzeugt. Das Gas kühlt wieder ab, sobald sich der Kolben von der Wärmequelle entfernt. Es verliert an Volumen und strömt wieder zur Wärmequelle zurück. Auf diese Weise entsteht ein Kreislauf, der einen Generator konstant antreibt.
Der große Unterschied zum Verbrennungsmotor besteht darin, dass der Stirlingmotor eine externe Wärmequelle benötigt.