Effiziente Kühlung entwickelt

Mikro-KWK-Pilot für Bio-Reststoffe im Feldtest

Anlagensetup für den Labortestbetrieb am Lehrstuhl für Energieverfahrenstechnik. © FAU

Bisher bleiben große Teile biogener Festbrennstoffe für die Stromerzeugung im niedrigen Leistungsbereich ungenutzt. In derzeit verfügbaren Rostfeuerungen bereiten sie aufgrund der notwendigen hohen Verbrennungstemperaturen große Probleme. Eine technische Lösung dafür entsteht nun im Rahmen des vom BMWi-Förderbereich „Energetische Biomassenutzung“ finanzierten Projekts BioWasteStirling.

Die von Wissenschaftlern der FAU Erlangen-Nürnberg entwickelte Mikro-KWK-Anlage bestand einen ersten Langzeittest im Labor erfolgreich und soll am Feldteststandort in Wunsiedel in Betrieb gehen.

Die Anlage wurde gemeinsam von FAU und den Projektpartnern SWW Wunsiedel und Frauscher Thermal Motors entwickelt. Es handelt sich um ein hocheffizientes, brennstoffflexibles und skalierbares Mikro-KWK-System, bestehend aus einer Wirbelschichtfeuerung und einem Stirlingmotor. Die Nutzung von kleinsten Wirbelschichtfeuerungen für Mini-KWK-Konzepte verspricht eine effiziente Kühlung der Feuerung mittels eines Stirlingmotors und vermeidet gleichzeitig die Verschmutzung von Wärmeübertragern. Der für die Kühlung notwendige Luftüberschuss ist damit geringer und hohe Feuerungswirkungsgrade können erreicht werden.

Langzeittest lief ab Februar

An diesem Konzept forschen Wissenschaftler am Lehrstuhl für Energieverfahrenstechnik bereits seit einigen Jahren. Das laufende Projekt "BioWasteStirling" soll es nun weiter vorantreiben. Bis Anfang 2019 führten die Forscher im Labor stundenweise Versuche durch. Diese Tests eröffnen jedoch nur sehr schwer Erkenntnisse zum Betrieb der Gesamtanlage in stationären Betriebspunkten. Auch das Betriebsverhalten des  Motors konnte in der neuartigen Kombination mit der Wirbelschichtfeuerung noch nicht mehrere Tage im Betrieb erprobt werden. Erst ein Langzeittest im Labor im Februar ermöglichte es den Forschern, die neu entwickelte Anlage mehrere Tage im Dauerlastfall zu beobachten. Damit konnten Rückschlüsse auf Teillastverhalten, Regelungsstrategien und Bettmaterialmanagement getroffen werden.

Das System erreichte während des Versuchs je nach Lastzustand einen maximalen elektrischen Wirkungsgrad von zirka 15 Prozent und einen feuerungstechnischen Gesamtwirkungsgrad von mehr als 90 Prozent. Die Nennleistung des Motors von 5 kWel konnte bereits vor dem Versuch in der ersten Inbetriebnahme erreicht werden. Sowohl die CO2- als auch die Feinstaubemissionen blieben über den kompletten Versuchszeitraum unter den geltenden Grenzwerten der 1. BImSchV.

Die Dauerlastfähigkeit des Anlagenkonzepts konnte damit  unter Beweis gestellt werden. Darüber hinaus entstanden während des Versuchs keine Verschlackungen, Anbackungen oder Erosionserscheinungen im Reaktorbehälter oder an den Wärmeübertragerflächen des Motors.

Feuerung kann aktiv gekühlt werden

Die Mikro-KWK-Anlage beruht auf einem Konzept, welches eine kleinskalige Wirbelschichtfeuerung mit einem Stirlingmotor kombiniert, indem die Erhitzerkopfflächen des Motors direkt in das Wirbelbett eingebracht werden. Dadurch kann die Feuerung aktiv gekühlt werden, was den Betrieb mit einem niedrigeren Luftüberschuss ermöglicht, womit höhere Feuerungswirkungsgrade erreicht werden können. Projektmitarbeiterin Tanja Schneider (FAU) erklärt: "Auch bisherige Probleme in solch kleinskaligen KWK-Anlagen mit Biomassefestbrennstoffen, beispielsweise die Überschreitung von Ascheschmelztemperaturen und somit entstehende Verschmutzungen an Wärmeübertragerflächen können durch dieses Konzept aktiv vermieden werden. Der sehr gute Wärmeübergang im Wirbelbett verspricht darüber hinaus eine verbesserte Wärmeauskopplung und schließlich einen effizienten Betrieb des Motors." Quelle: FAU Erlangen/Nürnberg / pgl

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