Innovationsfonds
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Biomasse-Feuerung für die Zukunft fit machen (BioFfit)

BioFfit Steuerung für Kaminöfen

Die ambitionierten globalen Klimaschutzziele erfordern Maßnahmen im gesamten Energiesystem, auf zentraler und dezentraler Ebene von der Erzeugung bis zur Anwendung. Holzbetriebene Einzelfeuerungen können dabei einen nennenswerten Beitrag zur Schonung fossiler Ressourcen und Reduktion der Klimagasemissionen leisten. Allerdings liegen deren Feinstaubemissionen brennstoff- und technikbedingt bei jährlich 24.000 Tonnen und überschreiten damit deutlich die Feinstaubemissionen von Pkw und Lkw. Das Ziel des Projekts ist die Erforschung, Entwicklung und Demonstration eines hocheffizienten Partikelabscheiders für den typischen Leistungsbereich von Einzelholzfeuerungsstätten, in Kombination mit passiver, automatischer Reinigung unter dem Einsatz von funktionalen Materialien. Mit Hilfe einer gekoppelten Verbrennungsregelung soll zudem der feuerungstechnische Wirkungsgrad erhöht und die Schadstoffemissionen gesenkt werden und im Zusammenspiel mit dem Partikelabscheider analysiert werden. Durch den Betrieb mit thermoelektrisch erzeugter elektrischer Energie kann der Abscheider und/oder die Verbrennungsregelung zudem fernab von Stromnetzen betrieben werden, oder kann eine wirtschaftliche Alternative zur nachträglichen Installation einer Stromversorgung darstellen. Die Entwicklung zielt auf Neuanlagen genauso wie auf die Nachrüstung des Anlagenbestandes.

Erste Erfahrungen und wichtige Erkenntnisse zu den hier ebenfalls verwendeten Thermoelektrischen Generatoren, konnte das Fraunhofer IPM bereits in einem vorangegangenen Innovationsfonds Projekt, im Kontext eines anderen Anwendungsfalls, gewinnen.

Projektdaten

Projektnummer 2020-11
Projektart Forschung und Studien
Projektträger Fraunhofer IPM
Laufzeit 01.11.2019 - 31.12.2021
Zuschuss 150.000€

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Ihre Ansprechpartner

Richard Tuth

Richard Tuth

Innovationsfonds Klima- & Wasserschutz

T: 0761-279-29 84

E-Mail: richard.tuth@badenova.de

Michael Artmann

Michael Artmann

Innovationsfonds Klima- & Wasserschutz

T: 0761-279-22 53

E-Mail: michael.artmann@badenova.de

Einblicke in weitere Förderprojekte:

Gärrestaufbereitung nach ARTOR-Verfahren
Offenburg

Kombinierte Gärresttrocknung und Abgasreinigung bei Biogasanlagen

Beim Vergären von Substrat in einer Biogasanlage bleibt der sogenannte Gärrest übrig, also eine Masse, die zwar energetisch ausgelaugt aber noch voller Nährstoffe ist. Deshalb ist der Gärrest ein wertvoller Dünger, den der Anlagenbetreiber jedoch zuerst platzaufwändig in Silos lagern muss. In vielen Biogasanlagen verbrennen Blockheizkraftwerke (BHKW) das Biogas, um so Strom und Wärme zu produzieren. Um mit ihren Abgasen die Grenzwerte für Luftschadstoffe einzuhalten, benötigen die BHKW oft teure Filter und Katalysatoren, die zudem häufig ausgetauscht werden müssen. Für beides hat die Firma Artor eine innovative Lösung entwickelt. Aus dem Gärrest wird ohne vorgeschalteter Fest-Flüssig-Trennung ein flüssiges Stickstoffkonzentrat mit geringem Volumen und ein mineralienreicher Feststoffdünger gewonnen. Die Anlage besteht aus zwei Einzelkomponenten. Die Erste entfernt das Ammoniak aus dem Gärrest und konzentriert es in einem Kondensat. Dieser Flüssigdünger erwies sich in ersten Feldversuchen als sehr pflanzenverträglich und wachstumsfördernd. In der zweiten Anlagenkomponente strömt das BHKW-Abgas durch den Gärrest. Dabei reichern sich das Formaldehyd und die Stickstoffoxide aus dem Abgas im Gärrest an. Während Stickstoff und Formaldehyd in der Luft zu den Schadstoffen zählen, dienen sie im Boden den Pflanzen als Nährstoff. Das Verfahren bietet noch einen weiteren Vorteil: Durch die Hitze aus dem Abgas verdunstet das in der Masse vorhandene Wasser. Das Ergebnis ist ein kompakterer, leichterer und mit pflanzenverfügbarer Stickstoffverbindung (Dünger) angereicherter Gärrest. Damit reichen kleinere Lagersilos aus und die Landwirte sparen beim Ausbringen auf die Felder Zeit und Kraftstoff. Nach ersten erfolgreichen Laborversuchen an der HS Offenburg entwickelte Artor eine Pilotanlage, optimierte die einzelnen Komponenten und entwickelte einen markttauglichen Prototypen. Für die Betreiber der etwa 8.000 Biogasanlagen in Deutschland bietet das Artorverfahren eine innovative Option um die Kombination Biogasanlage – BHKW – Düngung weiter zu optimieren. Das Konzept ist flexibel: Benötigen die Landwirte rund um eine Biogasanlage den Gärrest nicht als Dünger, kann ihn die Anlage auch zu einem festen Brennstoff für Heizkraftwerke trocknen. Drei wesentliche Projektergebnisse: Die Entstickung des Gärrestes verringert den Stickstoffeintrag in die Umwelt. Der gewonnen Flüssigdünger erwies sich in ersten Feldversuchen als sehr pflanzenverträglich und wachstumsfördernd. Durch die Kombination von Biogasanlage und Gärrestaufbereitung zu Dünger entsteht eine regionale Wertschöpfungskette mit nachhaltigem Nährstoffmanagement und flexibler Nutzung.

Systemstudien und Betriebsführungsstrategien für Mini-Kraftwärme-kopplungsanlagen in Wohngebäuden
Freiburg

Wie betreibt man Mini-KWK-Anlagen optimal?

Minikraftwärmekopplungsanlagen leisten bis zu 15 Kilowatt und eignen sich besonders dafür, kleinere Mehrfamiliengebäude zu heizen. Zwar ist das Ergebnis – Wärme und Strom – bei allen Geräten das gleiche, die verschiedenen Typen unterscheiden sich aber durch ihre Antriebsweise. Während in Brennstoffzellen eine elektrochemische Reaktion abläuft, nutzen andere Mini-KWK das klassische Motorenprinzip um einen Kolben anzutreiben. Auch beim Brennstoff sind die Optionen vielfältig: Brennstoffzellen brauchen hochwertig aufbereitetes Gas, Stirlingmotoren hingegen arbeiten mit einer Vielzahl von Brennmaterialien. In einer Simulationsrechnung, die den Verbrauch eines Fünfpersonenhaushaltes nachahmte, untersuchte das Fraunhofer Institut für solare Energiesysteme (ISE), wie wirtschaftlich und ökologisch sinnvoll die verschiedenen Systeme sind. Dazu verglichen sie den Anteil, den die Anlagen zum Strom- und Primärenergiebedarf eines Hauses leisteten. Außerdem entwickelten die Experten ein Betriebsführungssystem, das hilft, die Versorgung sowohl im strom- als auch im wärmegeführten Betrieb sicherzustellen.

Aufbereitung von schwermetallhaltigen Aschen aus Biomasseverbrennungsanlagen
Offenburg

Neue Verwertungswege für Asche aus Biomasseverbrennungsanlagen

Beim Verbrennen von Biomasse zur Wärmeerzeugung entsteht Asche, die teilweise mit Schwermetallen belastet ist. Besonders beim Einsatz von Altholz und nicht naturbelassenen Hölzern ist der Anteil an belasteten Aschen hoch. Bisher müssen Betreiber diese Asche in speziellen Deponien kostenpflichtig entsorgen. Nun erforschte das Projekt der Hochschule Offenburg, inwiefern sich die Asche aus Biomasseöfen als kostengünstige Ersatzstoffe in der Herstellung von Baumaterialien wie Polymerbeton oder Schaumglas eignet. Dieses Verfahren bietet zwei Vorteile: Die Aschen ersetzen Sand, der bisher in der Betonherstellung eingesetzt wird und bei dessen Förderung und Weiterverarbeitung CO2 freigesetzt wird. Außerdem sind die Schwermetalle aus den Aschen in den Baustoffen gebunden und so nicht mehr umweltgefährdend. Während gering belastete Asche schon in der Betonherstellung im Einsatz ist, erprobten die Wissenschaftler diesen Weg erstmals mit problematischen hochbelasteten Aschen. Im Projekt analysierten die Wissenschaftler in einem ersten Schritt die Konsistenz und Bestandteile verschiedener Aschen, insbesondere ihre Belastung mit Schwermetallen und das Gefahrenpotential für Mensch und Umwelt. Anschließend untersuchten sie, wie die Zugabe von Aschen die Materialeigenschaften von Polymerbeton, Geopolymer, Sinterleichtbaustoffen und Schaumglas beeinflusst. Für die zwei erfolgreichsten Verwertungswege aus diesen vier Varianten berechneten die Forscher anschließend Produktionskosten und Wirtschaftlichkeit im Vergleich mit konventionell hergestellten Produkten. Auch die langfristigen Umweltauswirkungen durch den Einbau der Aschen wurden untersucht. Zusammen mit Partnern aus der Wirtschaft werden nun zwei Verwertungswege im größerem Maßstab angedacht und Vermarktungsmöglichkeiten eroriert. Das Pilotprojekt zeigte damit neue Wege auf, um Biomasseasche dezentral zu verwerten. Mehr Informationen auf dem Flyer und der Webseite der AG Biomasse der HS Offenburg. Darstellung drei wesentlicher Erkenntnisse aus dem Projekt: 1.Der Rohstoff Sand kann prinzipiell in Schaumglas, Leichtbeton, Sinterleichtbaustoffen und in Polymerbeton durch Aschen aus der Biomassefeuerung substituiert werden. Dabei werden die Baustoffanforderungen (Druckfestigkeit, Dichte, Aushärtezeit) erreicht. 2.Werden Aschen mit geringen Schwermetallgehalten als Zuschlagstoff bei der Herstellung von Recyclingbaustoffen verwendet, können die Produkte ohne Einschränkung eingesetzt werden. 3.Die Eignung der Asche als Zuschlagstoff für einzelne Verwertungswege hängt von der Feuerungsanlage, der eingesetzten Biomasse, der Art der Aschen und dem Schwermetallgehalt der Asche ab.