Kombination von Biomasse und Wasserstoff für verlässliche grüne Energie
Obwohl erneuerbare Energiequellen wie Wind und Sonne sauberere Energie liefern, sind sie naturgemäß nur periodisch verfügbar und können daher noch keine vollständige Alternative zu fossilen Brennstoffen bieten. Um das Stromangebot an die Nachfrage anzupassen, sind Energiespeicher und Generatoren erforderlich, die schnell in Betrieb genommen werden können, wobei mit Erdgas betriebene Generatoren in der Regel diese Aufgabe übernehmen. „Gasturbinen spielen eine wichtige Rolle bei der zuverlässigen Bereitstellung von Strom und Wärme. Da sich Europa jedoch in Richtung saubererer Energiequellen bewegt, müssen diese Turbinen an neue Brennstoffe wie erneuerbare Gase und Wasserstoff angepasst werden“, sagt Susanne Paulrud, Koordinatorin des Projekts Bio-FlexGen(öffnet in neuem Fenster). Um diesem Bedarf gerecht zu werden, konzentrierte sich Bio-FlexGen auf Fortschritte bei erneuerbaren Blockheizkraftwerken, die feste Biomasse verbrennen, um Wärme und Strom zu erzeugen. Im Rahmen des Projekts wurden Kernkomponenten für die Technologie „Biomass Top Cycle“(öffnet in neuem Fenster) (BTC) entwickelt. Dabei handelt es sich um ein fortschrittlicheres und effizienteres System, bei dem Biomasse zunächst unter Druck erhitzt wird, um Synthesegas zu erzeugen – ein Gemisch aus Wasserstoff, Kohlenmonoxid und anderen Gasen. Dieses wird verbrannt, um eine Gasturbine anzutreiben (der obere Kreislauf, „top cycle“), und der heiße Abgasstrom wird dann zum Antrieb einer Dampfturbine (der untere Kreislauf) verwendet. Die Betreiber können die Anlageneinstellungen anpassen, um je nach Bedarf die Wärme-, Strom- oder Wasserstofferzeugung zu maximieren. „Unsere Lösung gleicht sowohl die kurz- als auch die langfristige Energieversorgung aus und reagiert auf tägliche oder saisonale Nachfrageschwankungen“, fügt Paulrud, ein leitender Forscher an den RISE Research Institutes of Sweden(öffnet in neuem Fenster), hinzu.
Neue Ansätze für eine grüne Energie
Der Schlüssel zum Erfolg des Projekts lag in der flexiblen Vergaserkonstruktion von Bio-FlexGen, ergänzt durch eine mit mehreren Brennstoffen betriebene Turbinenbrennkammer. Eine Hybrid-Wirbelschichtvergasung(öffnet in neuem Fenster) (hybrid fluidised bed, HFB) half dabei, Biomassepartikel aufzubrechen und die Effizienz chemischer Reaktionen zu steigern, wodurch Nebenprodukte wie Teer reduziert wurden. Eine speziell entwickelte Gasturbinenbrennkammer schaltet dabei sicher und effizient zwischen der Verbrennung von Synthesegas und Wasserstoff um. Tests im Pilotmaßstab bestätigten den stabilen und zuverlässigen Betrieb der HFB. „Bei herkömmlichen Biomasse-Kraft-Wärme-Kopplungen mit Dampfkreislauf, die hauptsächlich auf die Wärmeerzeugung ausgerichtet sind, beträgt die Stromerzeugung typischerweise nur 25-30 % der Gesamtleistung pro Biomasseeinheit.“ „Unsere Konstruktion steigert diesen Wert nicht nur auf über 50 %, wodurch Kosten und Emissionen gesenkt werden; die Anlage kann auch flexibel auf sich ändernde Energiebedürfnisse reagieren“, erklärt Paulrud. Im Winter, wenn der Heizbedarf hoch und Wind-/Solarenergie weniger verfügbar ist, kann das Blockheizkraftwerk zuverlässig Strom und Wärme aus Biomasse liefern. In den Schwachlastzeiten im Sommer hingegen wandelt es überschüssige Energie in Wasserstoff um. Integrierte Gasturbinen können zudem die Leistung schnell hochfahren und bieten damit eine sauberere Alternative zu herkömmlichen fossilen Reservekraftwerken.
Für reale Energiesysteme geeignet
Um die wirtschaftliche Machbarkeit der Lösung zu ermitteln, wurde eine Energiesystemmodellierung durchgeführt. Dabei wurde das BTC-Konzept anhand zweier Anwendungsfälle erprobt: ein schwedisches Fernwärmesystem und zwei spanische Industriestandorte (Chemie und Zement). „In Schweden würde unsere Technologie zwar die Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien steigern und das Energiesystem flexibler gestalten, die Investitionskosten unter den gegenwärtigen Marktbedingungen stellen jedoch ein Hindernis dar.“ In Spanien hingegen verbesserte die BTC in jedem Szenario die Rentabilität und reduzierte die Kohlendioxidemissionen. „Industrieanwender mit einem konstanten Wärmebedarf scheinen für diese Technologie besonders gut geeignet zu sein“, bemerkt Paulrud.
Dekarbonisierung und eine wachsende Bioökonomie
Die Substitution fossiler Brennstoffe durch erneuerbare Biomasse und Wasserstoff wird Europa bei der Erreichung seiner Klimaziele helfen. „Die technischen Vorteile bedeuten sauberere Luft für die Bürgerinnen und Bürger sowie eine stabilere und potenziell kostengünstigere Wärme- und Stromversorgung. Gleichzeitig werden neue grüne Arbeitsplätze geschaffen, insbesondere in ländlichen und industriellen Regionen“, erläutert Paulrud. Das Team konzentriert sich derzeit darauf, die Konzepte näher an großflächige Anwendungen auf dem wachsenden Bioenergiemarkt der EU heranzuführen.
