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Optimierte Verstromung im Holzvergaser-BHKW

Obwohl es Holzvergaser schon seit dem späten 19. Jahrhundert gibt und sie besonders in Kriegszeiten beliebt waren, sind heute nur relativ wenige Modelle im Einsatz. Dabei sind sie gut dafür geeignet, mit nachwachsenden Rohstoffen Strom und Wärme zu produzieren. Unterstützt durch den Innovationsfonds stellte der Geflügelhof Zapf bei Gengenbach 2012 seine Energieversorgung auf drei Holzvergaser-BHKW um, mit dem Ziel, die Verstromung zu optimieren. Unter Hitzeeinwirkung wandelt die Anlage das Holz in ein schwaches Brenngas um, das als Brennstoff für das BHKW dient.

Pilotanlagen wie die in Gengenbach helfen, die bestehende Technik zu verbessern und Anlagen marktfähiger zu machen. So stellte sich dort im Laufe der ersten Betriebsjahre heraus, dass die Motorentechnik herkömmlicher Modelle nicht ideal auf den Betrieb mit schwachem Holzgas abgestimmt ist. Das führt zu zwei Problemen: Verunreinigungen im Motor und eine ungleichmäßige Verbrennung. Durch den Spalt zwischen Kolben und Zylinder entweicht ein Teil des Brenngases, verunreinigt das Motorenöl, und führt zu einem hohen Verschleiß und Wartungsbedarf. Im Projekt kamen als Alternativlösung Graphitkolben zum Einsatz, die bisher vor allem im Rennsport eingesetzt wurden, bei Holzgas-BHKWs jedoch noch unerprobt waren. Metallinfiltriertes Graphit ist ein besonders präziser Werkstoff, weil es extrem widerstandsfähig ist und sich unter Wärmeeinfluss kaum ausdehnt. Außerdem verfügen Graphitkolben über selbstschmierende Eigenschaften, die Verschleiß, Wartungsbedarf und Kolbenkühlung verringern.

Herkömmliche Motoren für kleinere BHKWs kommen meist aus dem KFZ-Bereich und sind für genormte Brennstoffe mit konstanten Eigenschaften ausgelegt; Holzgas hingegen ist ein Schwachgas mit schwankendem Energiegehalt. Verbrennt man Holzgas in solchen Motoren, verbrennt es unvollständig, was den Wirkungsgrad verringert und die Abgaswerte erhöht. Um den Betrieb zu optimieren, passten die Projektpartner deshalb die Motordrehzahl variabel an die Gasqualität an, indem sie das BHKW von der Netzfrequenz entkoppeln. So kann das Gas je nach Qualität unterschiedlich lange in der Brennkammer verbleiben. Das Projekt entwickelte hierfür eine spezielle Steuerungstechnik, die die Drehzahl trotz schwankender Gasqualität möglichst konstant hält.

Die Hochschulen Mittelhessen und Offenburg begleiteten den Betrieb mit einem engmaschigen Monitoring und einer anschließenden Evaluation. Die Ergebnisse tragen dazu bei, den Einsatz von ungenormten Biogasen durch innovative Werkstoffe und Betriebsmethoden effizienter zu machen.

Wesentliche Erkenntnisse

•Grundlegende Probleme von Graphitkolben konnten erkannt und behoben werden, insbesondere hinsichtlich der zu verbessernden Fertigungstoleranzen und dem Entwicklungsbedarf bei den Kolbenringen.

•Das Projekt erzielte eine verbesserte Verbrennung und damit einen verbesserten Wirkungsgrad in der Stromproduktion und verringerte Abgaswerte. Das macht ähnliche Anlagen vor allem an Standorten ohne geeignete Wärmeabnahme interessant.

•Das gewonnene Fachwissen kann zukünftig anderen Betreibern helfen, neue Lösungsansätze bei Holzvergaseranlagen zu finden.

Projektdaten

Projektnummer 2016-02
Projektart Bau und Anwendung
Projektträger Günter und Martin Zapf Energie GbR mbH
Laufzeit September 2015 bis September 2017
Zuschuss 125.250

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:

Holzvergaser auf Basis von Holzpellets und BHKW inkl Monitoring, im BHKW Landwasser
Freiburg

Holzvergaser-BHKW in Landwasser

Seit 1990 versorgt das BHKW Landwasser den gleichnamigen Freiburger Stadtteil mit Fernwärme. Bis 2006 verbrannte das Kraftwerk zum Großteil Deponiegas der Deponie Eichelbuck. Wegen der sinkenden Deponiegasmenge sanierte der Betreiber badenova WärmePlus 2011 die Anlage grundlegend und betreibt sie seitdem mit einer Mischung aus Bio-, Deponie- und Bioerdgas (Innovationsfonds-Projekt 2009-08). Als zusätzliches Modul entsteht nun ein innovatives Holzvergaser-BHKW. Anstatt der bisher für Holzvergaser üblichen Holzhackschnitzel, verwendet die Anlage Pellets. Diese sind in Brenneigenschaften und Größe genormt und sorgen so für eine gleichmäßigere Vergasung und weniger Wartungsbedarf. Im Reaktor der Anlage vergasen Holzpellets in einem Wirbelschichtverfahren. Dabei verbrennen im unteren Reaktorbereich ein Teil der Pellets und setzen eine sogenannte autotherme Vergasung in Gang, die ohne zusätzliche Energiezufuhr auskommt. Durch einen kontrollierten Luftstrom entsteht ein Wirbel mit verschiedenen Hitzestufen, der das Holz in ein brennbares Gas zersetzt. Anschließend kühlt, filtert und trocknet die Anlage das Gas in einem Wärmetauscher, der die Wärme für andere Zwecke nutzbar macht. Die ausgefilterte Asche kann ebenfalls verbrannt werden. Das gereinigte Holzgas gelangt ins BHKW, wo es sich unter Druck und mit einem Zündöl versetzt selbst entzündet. Mit einer thermischen Leistung von 220-250 kW und einer elektrischen Leistung von 180-190 kW aus Biomasse erhöht die Anlage den Anteil regenerativer Energien an der Energieversorgung in Landwasser. Die dort gewonnenen Erfahrungen und Auswertung bieten grundlegende Daten, um den Prototyp auf seine Alltagstauglichkeit zu testen und eine Entscheidungsgrundlage für andere Investoren zu schaffen. Darstellung dreier wesentlicher Erkenntnisse aus dem Projekt Der Burkhard-Holzvergaser stellt eine ausgereifte Technik dar. Garantierte Laufzeiten, Wirkungsgrade und Leistungsdaten werden eingehalten. Durch die stabile Betriebsweise seit der Inbetriebnahme hat sich die innovative Technik der Holzvergasung etabliert und technisch gesehen für weitere Anwendungen empfohlen. Ein wirtschaftlicher Betrieb der Holzvergaseranlage ist aufgrund des Innovationsfonds gegeben. Durch die veränderten gesetzlichen Rahmenbedingungen hinsichtlich der garantierten Einspeisevergütung für den regenerativ erzeugten Strom (EEG 2014) ist ein wirtschaftlicher Betrieb für Neuanlagen in absehbarer Zukunft nicht möglich.