Bioenergie
Mit biogenen Reststoffen Strom erzeugen
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.
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)
