Intelligente Biomasseheiztechnologien

"Die zukünftige Wärmeversorgung mit biogenen Festbrennstoffen muss viel effizienter, flexibler und auf die Systemanforderungen abgestimmter, also intelligenter – smart – werden!“

Dr. Volker Lenz, Leiter des Forschungsschwerpunkts

Zielstellung

Im Fokus des Forschungsschwerpunkts steht die kleintechnische, erneuerbare Wärmebereitstellung in Einzelobjekten und kleinen Objektverbünden bis zu Dorfgemeinschaften oder Ortsteilen unter Nutzung von anderen erneuerbaren Energiequellen und vernetzenden intelligenten Wärmetechnologien auf Basis von Biomassen, die vorrangig aus Reststoffen, Nebenprodukten und Abfällen stammen. Übergeordnetes Ziel ist es, durch einen flexiblen und bedarfsangepassten Einsatz von Wärmetechnologien auf Biomassebasis das Angebot aller erneuerbaren Wärmequellen technologisch und ökonomisch optimal zu erschließen. Hierzu ist die gesamte Kette von der Veredelung der Biomassebrennstoffe über neue Konversionsanlagen bis zur wärme- und stromnetzseitigen Einbindung der zukünftig auch als Kraft-Wärme-Kälte-Anlagen ausgeführten Biomasse-Heizungen abzubilden, einzeln und im Verbund zu untersuchen, zu simulieren sowie zu optimieren. Mittels der notwendigen technischen Komponentenentwicklung sowie der verbindenden Regelungsforschung und -entwicklung sind diese über einen flexiblen Betrieb (auch Mikro-und Klein-KWK) hin zu einem effizienten, umweltgerechten, ökonomischen, sicheren, bedarfsangepassten, flexiblen und nachhaltigen (smarten) Betrieb zu führen (SmartBiomassHeat).

Hintergrund

Die Weltgemeinschaft ist sich einig, dass der derzeitige Klimawandel auf den vom Menschen verursachten Ausstoß von Klimagasen zurückgeht [1]. Dementsprechend haben sich die Staaten dieser Welt Ende 2015 in Paris auf ein neues Weltklimaabkommen geeinigt. Der Anstieg der globalen mittleren Temperatur soll auf 2° C gegenüber dem vorindustriellen Niveau begrenzt werden. Aus Vorsorgegründen wird sogar eine Unterschreitung von 1,5 °C angestrebt [2]. Folglich muss Deutschland bis 2050 seinen Ausstoß an Klimagasen gegenüber 1990 um 80 bis 95% reduzieren und dazu entweder weitgehend oder sogar vollständig aus der Energiebereitstellung aus Kohle, Gas und Öl aussteigen. Dies ist erklärtes Ziel der Bundesregierung [3]. Unstrittig ist, dass Wind und Solar in Deutschland den größten Teil der zukünftigen Energiebereitstellung abdecken müssen. Aufgrund ihrer kurzfristigen und ihrer jahreszeitlichen Schwankungen muss ein volkswirtschaftliches Optimum zwischen Leistungsüberbauung mit entsprechenden Abschaltzeiten, kurz-, mittel- und langfristigen Energiespeicheroptionen und dem flexiblen energetischen Einsatz von Biomasse gefunden werden [4]. Dabei sind neben dem zentralen Stromsektor auch der Wärmebereich und die Mobilität zu berücksichtigen.

Für den Gebäudewärmebereich wird von einer deutlichen Bedarfsreduzierung durch Dämmmaßnahmen bis 2050 ausgegangen (min. 50% [5]). Im Mobilitätssektor sollen verstärkt Strom (E-Mobilität) oder aus Strom gewonnene Kraftstoffe zum Einsatz kommen (siehe z.B. Nitsch 2016 [6]). Die Energiebereitstellung aus Biomasse wird sich auf biogene Reststoffe, Abfälle und Nebenprodukte fokussieren müssen [7]. Gleichzeitig wird sie als grundsätzlich speicherfähige Energieform flexible zum Absichern von Versorgungslücken einzusetzen sein [4],[8]. Für den Wärmebereich ergeben sich damit aus heutiger Sicht neben der auch in Zukunft denkbaren Vielfalt an Einzellösungen zwei zentrale Versorgungskonzepte [9].

SmartBiomassHeat

Spitzenlastöfen: Insbesondere in Ein- und Zweifamilienhäusern oder im hochwertigen Mehrfamilienbau werden weitgehend automatisierte Scheitholz- (und Pellet-)Kaminöfen mit integrierter Abgasreinigung, automatischer Luftsteuerung und Wassertaschen mit Anbindung an die zentrale Wärmeversorgung in Kombination mit Wärmepumpen und gegebenenfalls solarthermischer Anlagen zum Einsatz kommen.

Mikro- und Mini-Wärme-Kraft-Kopplungsanlagen: Ab einem gewissen Jahresrestwärmebedarf nach Abzug möglicher Wärmebeiträge aus Abwärmequellen, Wärmepumpen, Solarthermie, Geothermie und Überschussstrom werden Mikro- und Mini-WKK-Anlagen klassische Biomassekessel ablösen [10]. Für eine maximale Effizienz (Wirkungsgrad) und Effektivität (Nutzwert) der wertvollen Biomasseressourcen werden die Anlagen so betrieben, dass die entstehende Wärme vollständig zur zeitgerechten Deckung von Wärmeversorgungslücken genutzt werden kann, wobei eine Verlagerung der Produktion um einige Tage durch geeignete Wärmepufferspeicher möglich ist. Gleichzeitig muss mit möglichst hoher Effizienz ein Beitrag zur Stromnetzstabilität geleistet werden, das heißt die konkrete Einsatzzeit wird sich nach dem Strombedarf im Objekt/Quartier/lokalen Versorgungsnetz richten.

 

Ausblick

Die aufgeführten Forschungsthemen sollen einerseits mittels kontinuierlicher Weiterentwicklung Einzelraumfeuerungen zukunftsfähig gestalten. Dabei sollen zusammen mit der Industrie immer wieder marktnahe Produkte etabliert werden. Andererseits soll ein Technologiesprung bei Biomassekesseln hin zu hochflexiblen Wärmekraftkopplungs-Anlagen auch im kleinen und kleinsten Leistungsbereich für biogene Festbrennstoffe erreicht werden.

Flyer Intelligente Biomasseheiztechnologien (4.17 MB)

Im Fokus des Forschungsschwerpunkts „SmartBiomassHeat“ steht die kleintechnische, erneuerbare Wärmebereitstellung in Einzelobjekten und kleinen Objektverbünden bis zu Dorfgemeinschaften oder Ortsteilen unter Nutzung von anderen erneuerbaren Energiequellen und vernetzenden intelligenten Wärmetechnologien auf Basis von Biomassen.

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Quellen:

  1. Intergovernmental panel on climate change (IPCC): Climate Change 2014, Synthesis Report. Summary for Policymakers. www.de-ipcc.de/media/SYR_AR5_SPM.pdf (Zugriffsdatum:30.03.2015)
  2. Klimaretter.info: Pariser Klimaabkommen. Ein Blick in die Paragrafen. Das Magazin zur Klima- und Energiewende. 12. Dezember 2015 www.klimaretter.info/klimakonferenz/klimagipfel-paris/hintergrund/20315-ein-blick-in-die-paragrafen (Zugriffsdatum: 17.04.2016)
  3. Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz, Bau und Reaktorsicherheit (BMU): Aktionsprogramm Klimaschutz 2020. Kabinettsbeschluss vom 3. Dezember 2014.
  4. D. Thrän (Hrsg.): Smart Bioenergy, Technologies and concepts for a more flexible bioenergy provision in future energy systems. Springer International Publishing. Switzerland, 2015
  5. Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung (BMVBS): Bestandsaufnahme zur Energie- und Klimaschutzentwicklung – Monitor 2012 / Gebäude und Verkehr. Berlin, März 2013
  6. J. Nitsch, Die Energiewende nach COP 21 – Aktuelle Szenarien der deutschen Energieversorgung, Kurzstudie für den Bundesverband Erneuerbare Energien e.V. 2016
  7. CDU Deutschlands, CSU-Landesleitung und SPD: Deutschlands Zukunft gestalten. Koalitionsvertrag zwischen CDU, CSU und SPD. 18. Legislaturperiode 12/2013
  8. D. Thrän, M. Dotzauer., V. Lenz, J. Liebetrau, A. Ortwein: Flexible bioenergy supply for balancing fluctuating renewables in the heat and power sector – a review of technologies and concepts. In Energy, Sustainability and Society. Springer Open Journal. 2015
  9. Lenz, V., Krüger, D., Ortwein, A. (2016). SmartBiomassHeat – Heat from solid biofuels within a future renewable energy system. CIT. Submitted 14 April 2016
  10. Renewable Heating & Cooling European Technology Platform: Biomass für heating & cooling. Vision document – executive summary. July 2010
  11. Hochschule Zittau/Görlitz: Beiträge zum Fachkolloquium "Biomass to Power and Heat". Tagungsband mit Autorenbeiträgen. Zittau, 06.-07. Mai 2015

Wichtige Referenzprojekte (Auswahl)

  • REFAWOOD – ERA-NET Bioenergy: Ressourceneffiziente Brennstoffadditive zur Verringerung der verbrennungstechnischen Probleme bei der Rest- und Gebrauchtholzverbrennung, ERA-NET/Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e. V., 01.04.2016–31.03.2019 (FKZ: 22404215)
  • STEP – Verwertung strohbasierter Energiepellets und Geflügelmist in Biogasanlagen mit wärmeautarker Gärrestveredlung; Teilvorhaben: Verbesserung der Verbrennungseigenschaften projektspezifischer Gärreste, Bundesministerium für Wirtschaft und Energie/Projektträger Jülich, 01.08.2016–31.01.2019 (FKZ: 03KB116B)
  • Dampf-KWK – Entwicklung eines Klein-KWK-Dampfmotors zur Nachrüstung von Feuerungsanlagen im mittleren Leistungsbereich, Bundesministerium für Wirtschaft und Energie/Projektträger Jülich, 01.07.2016–30.06.2019 (FKZ: 03KB118A)
  • UFOKFA - Evaluierung der 1. BImSchV von 2010, UBA - Umweltbundesamt, 01.12.2017 - 31.10.2018

Wichtige Veröffentlichungen (Auswahl)

  • Açikkalp, E.; Zeng, T.; Ortwein, A.; Burkhardt, H.; Klenk, W. (2018). "Exergy, Exergoeconomic and Enviroeconomic Evaluation of a Biomass Boiler-Steam Engine Micro-CHP System". Chemical Engineering & Technology (ISSN: 0930-7516), Vol. 41, H. 11. S. 2141–2149. DOI: 10.1002/ceat.201800041.
  • Pollex, A.; Zeng, T.; Khalsa, J. H. A.; Erler, U.; Schmersahl, R.; Schön, C.; Kuptz, D.; Lenz, V.; Nelles, M. (2018). "Content of potassium and other aerosol forming elements in commercially available wood pellet batches". Fuel (ISSN: 0016-2361), H. 232. S. 384–394. DOI: 10.1016/j.fuel.2018.06.001.
  • Zeng, T.; Pollex, A.; Weller, N.; Lenz, V.; Nelles, M. (2018). "Blended biomass pellets as fuel for small scale combustion appliances: Effect of blending on slag formation in the bottom ash and pre-evaluation options". Fuel (ISSN: 0016-2361), H. 212. S. 108–116. DOI: 10.1016/j.fuel.2017.10.036.
  • Sedlmayer, I.; Arshadi, M.; Haslinger, W.; Hofbauer, H.; Larsson, I.; Lönnermark, A.; Nilsson, C.; Pollex, A.; Schmidl, C.; Stelte, W.; Wopienka, E.; Bauer-Emhofer, W. (2018). "Determination of off-gassing and self-heating potential of wood pellets: Method comparison and correlation analysis". Fuel (ISSN: 0016-2361), Vol. 234. S. 894–903. DOI: 10.1016/j.fuel.2018.07.117.
  • Kohler, H.; Ojha, B.; Illyaskutty, N.; Hartmann, I.; Thiel, C.; Eisinger, K.; Dambacher, M. (2018). "In situ high-temperature gas sensors: Continuous monitoring of the combustion quality of different wood combustion systems and optimization of combustion process". Journal of Sensors and Sensor Systems (ISSN: 2194-8771), Vol. 7, H. 1. S. 161–167. DOI: 10.5194/jsss-7-161-2018
  • Purkus, A.; Gawel, E.; Szarka, N.; Lauer, M.; Lenz, V.; Ortwein, A.; Tafarte, P.; Eichhorn, M.; Thrän, D. (2018). "Contributions of flexible power generation from biomass to a secure and cost-effective electricity supply: a review of potentials, incentives and obstacles in Germany". Energy, Sustainability and Society (ISSN: 2192-0567), Vol. 8, H. 1. S. 18. DOI: 10.1186/s13705-018-0157-0.

 

 

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