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Stirling- und Vergaseranlagen für Holzpellets KWK mit Pellets

Holzpellets werden immer häufiger zur kombinierten Erzeugung von Wärme und Strom eingesetzt. Über den wirtschaftlichen und klimafreundlichen Betrieb von Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen mit Pellets berichtet Kevin Spieker vom Deutschen Pellet­institut (DEPI).

Der Brennstoff Holzpellets spielt für die klimafreundliche Wärmeversorgung von Haushalten, Gewerbe- und Fertigungsbetrieben eine immer wichtigere Rolle. Holzpelletfeuerungen sind vielseitig einsetzbar und bieten mit zertifizierter Brennstoffqualität einen komfortablen Heizungsbetrieb. Knapp 450.000 installierte Feuerungen in Deutschland stellen eine nachhaltige und umweltschonende Wärmeversorgung mit heimischem Brennstoff sicher.

Der mit Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) erzeugte Strom kann den Großteil des eigenen Bedarfs decken. Auf teuren Strom aus dem öffentlichen Verbundnetz kann somit ganz oder weitgehend verzichtet werden. Das hilft den ohnehin überlasteten Stromnetzen und macht zentrale fossile Stromerzeugungskapa­zitäten überflüssig. Die Vorteile von KWK-Anlagen werden mit Pellets optimal ausgeschöpft, da der Brennstoff in Deutschland aufgrund der großen Mengen an Sägeresthölzern (Späne, Hackschnitzel) breit verfügbar und preisstabil ist.

Produktion und Verbrauch von Pellets

Mit der Entwicklung der Pelletfeuerungen haben sich auch Produktion und Verbrauch von Holzpellets in Deutschland gesteigert. Die Pelletproduktion ist aus Qualitätsgründen auf reine Holzspäne und Hackschnitzel angewiesen, wie sie in Deutschland in den zahlreichen Sägewerken anfallen. Von der verfügbaren Menge von durchschnittlich rund 7 Mio. t pro Jahr werden heute etwa 2 Mio. t zur Pelletproduktion genutzt. Zur Herstellung von hochwertigen Pellets für den Wärmemarkt werden keine Waldresthölzer, die bei der Holzernte anfallen, aber auch kein gebrauchtes Holz oder Altholz verwendet.

Der Wunsch nach Unabhängigkeit bei der Wärme- und Stromversorgung ist in den vergangenen Jahren angestiegen und damit das Interesse an der Selbstversorgung. In der Wärmeversorgung ist man mit Holzpellets bereits seit einigen Jahren schon unabhängig von stark schwankenden Weltmarktpreisen. Denn ausgereifte moderne Pelletfeuerungstechnik gepaart mit zertifizierter Brennstoffqualität braucht den Vergleich mit Öl und Gas nicht zu scheuen. Im größeren Leistungsbereich (22–270 kW thermisch, 9–180 kW elektrisch) sind Holzpellet-KWK-Anlagen seit einigen Jahren in der Praxis erprobt. Mittlerweile gibt es auch Anlagen im kleineren Bereich mit 9 kW thermischer und 0,6 kW elek­trischer Leistung.

Wärmegeführter Betrieb

Holzpellet-KWK-Anlagen werden in der Regel wärmegeführt betrieben. Das heißt, es wird dann Strom erzeugt, wenn Wärme gebraucht wird. Besonders effi­zient und wirtschaftlich arbeiten diese Anlagen bei einem großen Wärmebedarf beispielsweise in Hotels, Herbergen, Wohn- und Geschäftsquartieren, Mehrfamilienhäusern, Büro- und Verwaltungsgebäuden sowie in Schwimm­bädern und Sporthallen. Durch die wärmegeführte Betriebsweise wird bei geringem Wärmebedarf in der Regel ­weniger Strom als benötigt erzeugt. Das ist besonders in den Sommermonaten der Fall. In diesem Zeitraum wird Strom aus dem Verbundnetz bezogen. Umgekehrt können überschüssige Strommengen in das Netz eingespeist werden.

Eine Alternative zum Netzbezug stellt die Kombination der Holzpellet-KWK-Anlage mit einer Photovoltaikanlage und einem Batteriesystem dar. Scheint die Sonne, erzeugt die Photovoltaikanlage Strom. Ein Batteriesystem kann den überschüssigen Solarstrom speichern und ihn bereitstellen, wenn die Sonne nicht scheint. Zudem kann das Speichersystem nicht verbrauchten Strom aus der KWK-Anlage aufnehmen. Ebenso ist es möglich, mit einem separaten Holzpelletkessel einen größeren Wärmebedarf zu decken. „Mit dem effizienten Zusammenspiel von Holzpellet-KWK-Anlage mit Photovoltaikanlage und einem Batteriesystem erhält der Kunde eine Komplettlösung zur vollkommenen Eigenversorgung mit erneuerbaren Energien“, erklärt Beate Schmidt-Menig, die in der Geschäftsleitung der ÖkoFEN Heiztechnik GmbH für Marketing und Vertrieb zuständig ist. Anlagenlaufzeiten werden so gezielt optimiert, der Wartungsaufwand minimiert und der Nutzungsgrad der Anlagen maximiert.

Kombination mit Speichern

Mit einem ausreichend großen Pufferspeicher können Holzpellet-KWK-An­lagen unabhängig von der aktuellen Wärmeabnahme betrieben werden. Ist die Wärmeerzeugung höher als der ­Bedarf, speichert der Puffer das thermische Überangebot. Der Speicher minimiert bei einem schwankenden Wärmebedarf ein Nachregeln oder ­Abschalten der Anlage und stellt einen flexiblen ­Betrieb mit niedrigem Kesselverschleiß ­sicher. Auch ein Wärmenetz kann ­zwischen nahegelegenen Gebäuden als Puffersystem in Betracht gezogen ­werden.

Grundsätzlich gibt es zwei Konzepte, um mit Holzpellets kombiniert Wärme und Strom zu erzeugen: den strom­produzierenden Holzpelletkessel und das mit Holzpellets betriebene Blockheizkraftwerk (BHKW).

KWK-Konzepte mit Holzpellets

Ein stromproduzierender Holzpellet­kessel ist für den kleineren Leistungsbereich geeignet. Derzeit werden Anlagen mit Leistungen bis 9 kWth und 600 Wel angeboten. Anlagen mit einer Leistung von 55 kWth und 4,5 kWel werden derzeit in Feldtests erprobt. Wird mehr Strom und/oder Wärme benötigt, ermöglicht ein Kaskadenbetrieb einen höheren Leistungsbereich. Kaskadenanlagen kombinieren mehrere kleinere Aggregate zu ­einer Gesamtanlage. Abhängig von der Regelungstechnik können so bis zu acht stromproduzierende Holzpelletkessel als Gesamtsystem betrieben werden. Nicht nur die höhere Leistung ist ein Vorteil, sondern auch die gute Anpassungsfähigkeit an den tatsächlichen Wärmebedarf und die gewonnene Betriebssicherheit für den Fall, dass eine Anlage zeitweise ausfällt.

Holzpellet-Blockheizkraftwerke (BHKW) sind für mittlere und größere Leistungsbereiche ausgelegt. Einzelanlagen können derzeit ein Spektrum von 22 bis 270 kW thermische Leistung sowie von 9 bis 180 kW elektrische Leistung bedienen. Einzelanlagen können für Einsatzbereiche mit einem höheren Wärmebedarf modular als Kaskade erweitert werden. „Großprojekte, wie das klima­freundliche Beheizen eines gesamten Flughafens mit umliegendem Gewerbegebiet – wie zum Beispiel in Münster-Osnabrück –, sind ist mit Holzpellet-BHKW kein Problem“, erklärt Gerhard Burkhardt, Geschäftsführer des gleichnamigen Anlagenherstellers aus Mühlhausen.

Ein Holzpellet-BHKW besteht aus einem Holzvergaser und einem BHKW. Dieses kann, abhängig davon, wie die Anlage kombiniert wird, aus 1 kg Holzpellets mit einem Heizwert von 5 kWh/kg bis zu 2,75 kWh Wärme und 1,6 kWh Strom erzeugen. In der Regel werden BHKW zur Grundlastversorgung mit Strom und zur Deckung des Wärmebedarfs ausgelegt. Dies setzt einen ganzjährigen, möglichst gleichbleibend hohen Wärme- und Strombedarf voraus, da Laufzeiten von über 8.000 Stunden im Jahr angestrebt werden. Holzpellet-BHKW können aber bereits ab 4.000 Stunden im Jahr wirtschaftlich betrieben werden. „Der durch das Holzpellet-BHKW erzeugte Strom kann dabei selbst verbraucht oder zu kalkulierbaren Vergütungen in das öffentliche Stromnetz eingespeist werden – ein Energiekonzept, das besonders nachhaltig und unabhängig von fossilen Rohstoffen ist. Bedarfsspitzen, zum Beispiel im Winter oder zu bestimmten Tageszeiten, können durch einen Holzpelletkessel, der oftmals bereits vorhanden ist, abgedeckt werden“, erklärt Sandra Seidel von der Spanner Re² GmbH. Eine Kombination mit Photovoltaik und Batteriesystemen kann zusätzlich schwankende Stromverbräuche ausgleichen. Diese Kombination kann fossile Aggregate für die Notstromversorgung oder im Inselbetrieb ersetzen.

Vergütung von eingespeistem ­KWK-Strom

Für beide Anlagentypen gilt, dass der produzierte Strom zum größten Teil selbst genutzt werden sollte. Das bietet den größeren finanziellen Vorteil als der Strombezug aus dem öffentlichen Netz. Übersteigt die Stromerzeugung dennoch den Stromverbrauch, kann der Überschuss in das Versorgungsnetz ­gespeist werden. In diesem Fall hat der Anlagenbetreiber den Anspruch auf eine Vergütung im Rahmen das Erneuerbare-Energien-Gesetzes (EEG) oder des Kraft-Wärme-Kopplungsgesetzes (KWKG). Ist der Eigenverbrauch hoch, ist das KWKG für den Anlagenbetreiber attraktiver. Ist der Verbrauch des selbst erzeugten Stroms gering, kommt eher die Vergütung über das EEG in Frage. Momentan liegt die maximale Vergütung durch das EEG bei 13,19 Ct/kWh. Beispielsweise kann eine Holzpellet-KWK-Anlage mit 10 kW elektrischer ­Leistung in 2.500 Stunden Laufzeit 25.000 kWh Strom erzeugen. Wird nur die Hälfte verbraucht und die andere Hälfte ins öffentliche Netz gespeist, kann eine Einnahme von bis zu 1.650 ­Euro erwirtschaftet werden. Bei ­einem durchschnittlichen Strompreis von 17 Ct/kWh für Großabnehmer ­können mit einer Liefermenge von 26 t Holzpellets zudem bis zu 5.900 Euro Stromkosten eingespart werden. Bezogen auf diese Liefermenge und einem Durchschnittspreis von 225 Euro/t im Jahr 2017 können die Kosten der Lieferung allein durch die Einsparung des ­erzeugten Stromes gedeckt werden. Hinzu kommt eine mögliche Vergütung über das KWKG sowie Erlöse aus der Wärmebereitstellung.

KWK als Bestandteil der Energiewende

Die Nutzung des nahezu klimaneutralen Energieträgers Holzpellets mit der KWK wird für die erfolgreiche Fortführung der Energiewende und für den Klimaschutz eine zunehmend wichtigere Rolle spielen. Holzpellet-KWK-Anlagen sind heute ausgereift und praxiserprobt. Fossil gefeuerten KWK-Anlagen stehen sie damit aus technischer Sicht in nichts nach. Das Potenzial für KWK-Anlagen mit Holzpellets ist noch lange nicht ausgeschöpft. Weil Deutschland über sehr große Sägerestholzpotenziale verfügt, ist der Standort zur kostengünstigen Herstellung von Holzpellets hervorragend geeignet.

www.depi.de

www.pelletsheizung.de

www.holz-kraft.com

www.burkhardt-energy.com

Stromproduzierende Holzpelletkessel

Stromproduzierende Holzpelletkessel erzeugen Strom mit Hilfe eines Stirlingmotors. Montiert ist dieser im oberen Teil des Brennraums, wo die höchsten Temperaturen auftreten. Stirlingmotoren arbeiten mit zwei hermetisch abgeschlossenen und räumlich voneinander getrennten ­Zylindern. Der Zylinder mit dem Verdrängerkolben hat Kontakt mit dem heißen Brennraum. Dieser verdrängt das Medium – meist Luft oder Edelgas – in den Arbeitskolben. Die entstandene Bewegung lässt den Arbeitskolben in einer statischen Kupferspule auf und ab schwingen, wodurch elektrischer Strom erzeugt wird. Für einen besonders effizienten Betrieb des Stirlingmotors sollte ein möglichst großer Temperaturunterschied zwischen dem Zylinder mit ­Arbeits- und dem Zylinder mit Verdrängerkolben bestehen. Dies wird durch die gezielte Rückführung des Wassers aus dem Heizkreislauf an den Zylinder des Arbeitskolbens erreicht. Die produzierte Wärme bleibt somit im Prozess enthalten und führt nicht zu einer Verschlechterung des Wirkungsgrades. Wegen der geringen Abkühlung der Rauchgase lässt sich ein stromproduzierender Holzpelletkessel ebenso mit Brennwerttechnik betreiben. Hierbei kondensiert das im Brennstoff enthaltene Wasser im Wärmetauscher, was zusätzliche Wärme freisetzt. Somit sind heizwertbezogene Wirkungsgrade von über 100 % auch bei Holzpelletanlagen mit KWK möglich.

Holzpellet-BHKW

Holzpellet-BHKW können einen Gesamtwirkungsgrad von über 80 % erreichen. Für diese hervorragende Energieausbeute werden die Pellets zuerst im Vergasungsreaktor getrocknet und zu Holzgas umgewandelt. Anschließend wird das Holzgas gereinigt. Denn die Herausforderung für einen sicheren Betrieb des Gasmotors ist eine gleichbleibend gute Qualität und stabile Belieferung mit Holzgas. Die Bewegungsenergie des Gasmotors wird im Generator zu Strom umgewandelt. Die bei der Verbrennung im Motor freigesetzte Abwärme wird zur Deckung des Wärmebedarfs genutzt.

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Der Autor Kevin ­Spieker ist beim Deutschen Pelletinstitut (DEPI) in Berlin als Trainee für die Bereiche Heizungstechnik und Holzfeuerungen zuständig.

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