Eine etablierte Technologie für die Erzeugung von Strom und Wärme aus biogenen Ressourcen ist die Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) in Bioenergieanlagen. Bei der Kopplung von Biomasse-Feuerungen und ORC- oder Dampfturbinen werden aber nur sehr niedrige elektrische Wirkungsgrade von etwa 10-25 % erzielt. Auch in Biomasse-Vergasungsanlagen, die mit Gasmotoren gekoppelt sind, ist der elektrische Wirkungsgrad auf etwa 30 % begrenzt.
Effizientes und flexibles System
Im ERA-NET Projekt BIO-CCHP (Combined Cooling Heat and Power) entwickeln Wissenschafts- und Industriepartner aus Österreich, Polen und Schweden unter Leitung der TU Graz1 eine neue, biomassebasierte KWK-Technologie für die Produktion von Strom, Wärme und Kälte, die einen deutlich höheren elektrischen Wirkungsgrad (> 40 %) sowie reduzierte Kosten im Vergleich zu herkömmlichen Bioenergiesystemen verspricht. Gleichzeitig soll maximale Flexibilität hinsichtlich der eingesetzten biogenen Brennstoffe sowie der Betriebsbedingungen erzielt werden.
Das innovative Konzept basiert auf der Kopplung einer Biomasse-Vergasungsanlage mit Festoxid-Brennstoffzellen (SOFC) und einer Kältemaschine. Aufgrund des Klimawandels ist in Zukunft ein steigender Bedarf an Kälte (z. B. zur Gebäudeklimatisierung, in Krankenhäusern, Supermärkten und der Lebensmittelindustrie) zu erwarten. Aktuell gibt es in Österreich nur wenige Biomasse-Feuerungsanlagen, die mittels Abwärme Kälte produzieren können.
Zentrale Forschungsthemen
> Optimierung verschiedener Vergasertypen für die Kopplung mit Festoxid-Brennstoffzellen und für eine größere Brennstoff-Bandbreite
> Entwicklung eines mobilen Hochtemperatur-Gasreinigungssystems für Verunreinigungen des Produktgases für Untersuchungen an verschiedenen Vergasern der Projektpartner
> Optimierung der Betriebsbedingungen einer SOFC für verschiedene Gaszusammensetzungen mittels Langzeittests (> 300 h) und CFD-Modellierung, um einen Wirkungsgrad > 40 % bei möglichst langer Lebensdauer der Brennstoffzelle zu erzielen
> Lösungen für die Integration einer Kältemaschine in den Prozess für standortabhängige Rahmenbedingungen
Darüber hinaus werden im Rahmen der Kooperation verfügbare Rohstoffe, Technologien und Markteinführungshemmnisse für verschiedene Länder analysiert und ein Industrialisierungsplan erstellt. Die neue Technologie soll eine nachhaltige und wettbewerbsfähige Nutzung von biogenen Ressourcen ermöglichen und hat das Potenzial einen wesentlichen Beitrag zu einer CO2-neutralen Energieversorgung zu leisten.
35 % des Wärmebedarfs, 6,4 % des Strombedarfs und 6,7 % des Kraftstoffbedarfs wurden 2016 in Österreich mit Biomasse abgedeckt.
Studie „Bioenergy in Austria“, BEST – Bioenergy and Sustainable Technologies GmbH, 2019
Erste Projektergebnisse
In der ersten Projektphase wurden verschiedene Vergasungstechnologien der Partner analysiert und eine umfassende Auswertung zu Gaszusammensetzungen und Verunreinigungen (z. B. Teer und Schwefel) durchgeführt. Brennstoffzellen sind empfindlich gegenüber solchen Verunreinigungen im Gas. Daher ist die richtige Gasbehandlung entscheidend für eine längere Lebensdauer der Zelle. Spezielle Methoden zur Gasreinigung und zur Verbesserung der Produktgasqualität wurden getestet.
Im Bereich Brennstoffzelle konnte ein geeigneter Zellentyp ermittelt und optimale Betriebsbedingungen für die Implementierung einer SOFC im System definiert werden. Ein 500-stündiger Betrieb mit einem synthetischen Produktgas aus einem Wirbelbettdampfvergaser sowie CFD (Computational Fluid Dynamics)-Simulationen wurden durchgeführt. Die gesammelten Daten helfen, die elektrochemischen Prozesse in der Zelle besser zu verstehen und optimale Betriebspunkte für eine wirtschaftliche Kopplung von Biomassevergasern mit SOFC-Systemen zu identifizieren.
www.bio-cchp.net
1 Projektpartner: TU Graz, Institut für Wärmetechnik, BEST – Bioenergy and Sustainable Technologies GmbH (AT), HARGASSNER GmbH (AT), SynCraft Engineering GmbH (AT), Institute of Power Engineering (PL), Modern Technologies and Filtration Sp. z o.o (PL), RISE Research Institutes of Sweden, Energy and Circular Economy (SE), Cortus Energy AB (SE)
