Optimierung der Biomasseverbrennung zur Wärme- und Stromerzeugung

Mit Biomasse befeuerte Heizkraftwerke bieten eine Alternative zu umweltschädlichen fossilen Brennstoffen oder nur zeitweise verfügbaren erneuerbaren Energien. Das Projekt Biofficiency entwickelte nachhaltige Ausgangsstoffe und Verfahren für hohe Effizienz, Emissionsreduzierung und Kosteneffizienz.

Energie

Fast die Hälfte des Energiebedarfs der EU wird durch Heizen und Kühlen gedeckt, wobei die Biowärme für fast 90 % aller erneuerbaren Wärme im Jahr 2017 verantwortlich ist. Die Nutzung der bei der Verbrennung von Biomasse erzeugten Wärme zur Erzeugung von Strom und Wärme in einem Blockheizkraftwerk (BHKW) eignet sich gut für mittelgroße und große Einheiten. Es gibt viele Blockheizkraftwerke in ganz Europa, insbesondere in Skandinavien. Das von der EU unterstützte Projekt Biofficiency wurde eingerichtet, um die Produktion von Bioenergie aus mit Biomasse befeuerten Blockheizkraftwerken zu optimieren. Daraus entstand ein Entwurf für ein mit Biomasse befeuerte Blockheizkraftwerk der nächsten Generation, das die Industriepartner des Projekts kommerzialisieren wollen.

Herstellung hochwertiger Biokraftstoffe

Im Gegensatz zu den traditionellen fossilen Brennstoffen, die in Wärmekraftwerken verwendet werden, ist Biomasse ein ungleichmäßiges Ausgangsmaterial. Ihre Zusammensetzung unterscheidet sich je nach Art, Herkunft sowie Jahreszeit und kann schädliche anorganische Elemente wie Chlor, Natrium und Kalium enthalten. Diese können Probleme bei der Hochtemperatur-Dampferzeugung verursachen. Zu den Problemen gehört die Bildung einer isolierenden Ascheschicht auf den Austauschoberflächen, was die Betriebskosten aufgrund von Wartung und Abschaltungen erhöht. Um zuvor herausforderndes Material nutzbar zu machen und schädliche Elemente zu entfernen, untersuchte Biofficiency drei verschiedene Vorbehandlungstechnologien: Torrefizierung mit und ohne Waschen, hydrothermale Karbonisierung und Dampfexplosion von Biomasse zur Verbrennung. Zweitens untersuchte das Projekt die Verwendung von mineralischen Zusatzstoffen, die problematische Komponenten in der Gasphase der Verbrennung einfangen und so schädliche Reaktionen im Kessel verhindern. Beide Ansätze wurden in zwei verschiedenen Brennsystemen (pulverisierter Brennstoff und Wirbelschicht) im Labor und in vollem Maßstab getestet. Die Tests stellten sicher, dass sie in realen Anwendungen funktionieren. Mithilfe von Modellen konnte das Team auch das Verbrennungsverhalten und die Aschebildung simulieren, um die Prozesse genauer zu verstehen. Nachdem gezeigt wurde, dass ihre Techniken die Verbrennungsleistung in Biomassekesseln verbessern, lieferte das Team einen Entwurf für ein Blockheizkraftwerk mit höheren Dampftemperaturen von bis zu 600 °C im mittleren bis großen Maßstab (ca. 300 MWth Brennstoffeinsatz). Ihre neue Technik ist nicht nur sehr effizient, sondern kann auch die Emissionen im Vergleich zu Kohlekraftwerken und kleineren mit Biomasse befeuerten Blockheizkraftwerken zu wettbewerbsfähigen Kosten erheblich senken. Das Projekt untersuchte und bewertete auch die Verwendung von Asche aus Biomasse, um zu verhindern, dass diese auf Deponien abgeladen wird. Eine mögliche Verwendung wurde als Bestandteil von Baumaterialien wie Geopolymeren identifiziert.

Zukünftige Nachfrage befriedigen

Bioenergie ist nicht nur für die Kraft-Wärme-Kopplung sehr effizient, sondern kann im Vergleich zu fossilen Brennstoffen auch erheblich zur Reduzierung von CO2-Emissionen beitragen. Dies gilt insbesondere für den Heizungssektor, wo die Abhängigkeit von Kohle verringert werden kann, wenn Bioenergie in mittelgroßen bis großen Blockheizkraftwerken eingesetzt wird, die wesentlich effizienter als kleine Heizsysteme sind. Bioenergie ist zwar technologisch aufwändiger, bietet jedoch eine Alternative zu erneuerbaren Energien wie Wind- oder Solarenergie. Da Bioenergie nicht von schwankenden Wetterbedingungen abhängt, kann sie die Anforderungen einer bedarfsgesteuerten Wärmeversorgung von an Heizungsnetze angeschlossenen Privathaushalten besser erfüllen. Bioenergie in mittlerem oder großem Maßstab für Elektrizität und kombinierte Industrieheizung oder Fernwärme wird 2020 gegenüber 2010 voraussichtlich um 160 % steigen, während die CO2-Emissionsquoten strenger werden. „Um dieser gestiegenen Nachfrage gerecht zu werden, müssen neue Wege gefunden werden, um günstige und derzeit nicht genutzte Ausgangsstoffe effizient zu nutzen“, sagt Sebastian Fendt, Projektkoordinator.

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