Steigerung des Jahresnutzungsgrads

Biomasse-Kleinfeuerungsanlagen

Erhöhung des Jahresnutzungsgrades der neuen Pelletskesseltechnologie gegenüber dem Status quo durch schrittweise Optimierung

Durch Optimierungsmaßnahmen wurden für alle Kesseltechnologien und Anlagenverschaltungen hohe Jahresnutzungsgrade erzielt.

Moderne Pelletskleinfeuerungsanlagen zeigen unter stationären Prüfstandbedingungen sehr hohe Wirkungsgrade (> 90 %, bezogen auf den Heizwert/H_u), die Jahresnutzungsgrade im Feldbetrieb liegen deutlich niedriger (üblicherweise nur bis 80 %). Im April 2013 startete das Forschungsprojekt „Smart-ResidentialHeat“ mit dem Ziel, Schwachstellen hinsichtlich des Nutzungsgrads zu identifizieren und darauf aufbauend die technisch-ökonomisch sinnvollsten Maßnahmen zur Nutzungsgradsteigerung von Biomassekleinfeuerungsanlagen inklusive der Wärmespeicherung und -verteilung zu definieren. Das Projekt zeigt, welches Potential in Biomasse-Kleinfeuerungsanlagen steckt.

Das Untersuchungsdesign

Zu Projektbeginn wurde ein von Guntamatic (www.guntamatic.de) entwickeltes Pelletskesselkonzept zunächst mittels CFD-Simulationen (nummerische Strömungsmechanik zur Simulation von Gas- und Flüssigkeitsströmungen) hinsichtlich Brennkammer- und Kesseldesign optimiert. Anschließend wurde der Jahresbetrieb der optimierten Anlage für verschiedene Anlagenschaltungen mittels „TRNSYS“ berechnet sowie Schwachstellen identifiziert und daraus mögliche Optimierungsmaßnahmen abgeleitet:

Optimierung des Kessels:

Absenkung der Rauchgastemperatur am Kesselaustritt, Reduktion des Sauerstoffgehalts im Rauchgas, Reduktion der Umgebungsverluste, Erweiterung des Modulationsbereichs.

Optimierung der Regelung:

eine gute Abstimmung der Freigabe- und Abschaltparameter für Kessel und Solaranlage, Absenkung der Vorlauftemperatur.

Optimierung der Auslegung:

richtige Dimensionierung von Kessel, Pufferspeicher und Solaranlage, ausreichende Dämmung von Rohrleitungen und Pufferspeicher.

Richtungsweisende Entwicklung

Im zweiten Projektabschnitt wurden die Simulationsergebnisse im Rahmen von Testläufen mit Prototpyen (15 kW Nennleistung) der neuen Pelletskesseltechnologie verifiziert und die Technologie schrittweise verbessert.

Die Testlaufergebnisse der Prototypen (Entwicklungsstufe 1) zeigten bereits hohe Nutzungsgrade. Nach Abschluss der Testläufe wurden die neue Technologie von Guntamatic hinsichtlich Feuerungs-/Kesselgeometrie und Anlagendämmung weiter optimiert (Entwicklungsstufe 2) und ein Jahresnutzungsgrad von über 88 % in Simulationen erreicht. Für die serienreife Anlage wurde das Schließen der Zuluftklappen bei Anlagenstillstand zur Reduktion von Stillstandsverlusten implementiert (Entwicklungsstufe 3). So kann ein Jahresnutzungsgrad von etwa 90 % erreicht werden. Dies stellt eine deutliche Steigerung dar und kann richtungsweisend für die künftige Entwicklung von Pelletskesseln werden.

Hackgut- und Scheitholzkesselanlagen

Mit Simulationen für Hackgut- und Scheitholz-Kesselanlagen wurden Optimierungsmaßnahmen identifiziert und die unter optimalen Bedingungen erreichbaren Jahresnutzungsgrade ermittelt. Im Vergleich zu Pelletskesselanlagen sind die erreichbaren Jahresnutzungsgrade systembedingt etwas geringer (größere Schwankungen beim Brennstoff; Betrieb bei höheren Rauchgastemperaturen und O₂-Gehalt im Rauchgas). Die Ergebnisse wurden in Empfehlungen zur Steigerung des Nutzungsgrades von Biomasse-Kleinkesselanlagen zusammengefasst.

Ingwald Obernberger, Bios Bioenergiesysteme GmbH