Stromerzeugung mit Holz - Mikro-KW(K)K

mit Stirlingmotoren für Wohngebäude und

Kleingewerbe < 50 kWel

Dr. Bodo Groß, gross@izes.de

2 [ Zittau, 12.05.11 ]

1. Überblick

2. Beispiel Biokompakt (EU Projekt NANOSTIR)

3. Beispiel HOVAL (von der Idee zum [Vorserien]Produkt)

4. Potentialabschätzung für KWK Anlagen < 50 kWel bis 2020

Stromerzeugung mit Holz im Bereich < 50 kWel

(Studie im Auftrag der )

3 [ Zittau, 12.05.11 ]

Anlagenüberblick: Integrierte Konzepte (Beispiele)

a) KWB / Stirling Power Module (Brennstoff Holzpellets; Leistungsdaten

1kW elektrisch, 15 kW thermisch; ab Ende 2007 Feldtest mit fünf Anlagen (Quelle:

SPM, 2. Deutscher Stirlingkongress, März 2008, Stuttgart), danach stehen keine

weiteren Informationen öffentlich zur Verfügung)

b) SunMachine GmbH: (Brennstoff Holzpellets; Leistungsdaten 1,5 – 3 kW

elektrisch, 4,5 – 10,5 kW thermisch; SM musste im April 2010 Insolvenz anmelden;

bis zu diesem Zeitpunkt wurden etwa 400 Maschinen ausgeliefert; SM wurde im

Oktober 2010 von der Sachsen Stirling GmbH in Eppendorf übernommen, weitere

Informationen sind öffentlich nicht verfügbar)

c) OTAG GmbH/Button Energy GmbH: (Brennstoff Holzpellets;

Leistungsdaten 0,3 – 2 kW elektrisch, 3,5 – 16 kW thermisch; Feldtestphase in

Deutschland seit Ende 2009 (Stand Januar 2011: fünf installierte Anlagen),

Feldtestphase in Österreich seit Ende 2009 (Stand Mai 2011: 23 installierte Anlagen;

Quelle: Button Energy GmbH); Markteinführung lion Powerblock Pellet ist geplant für

Ende 2011; Kosten etwa 18.500 € (Quelle: OTAG)

4 [ Zittau, 12.05.11 ]

Anlagenüberblick: Add-on Konzepte (Beispiele)

a) Joanneum Research (Brennstoff „Abwärme“; Leistungsdaten 3 kW und

30 kW elektrisch, erste Testanlagen 2007 (EU-Projekt Polysmart und im Ökopark in

Hartberg), danach sind keine weiteren Informationen öffentlich verfügbar)

b) Quasar Engineering (Brennstoff „Abwärme“; Leistungsdaten 1,5 und 3 kW

elektrisch, Serienproduktion ist für 2011 angekündigt (Quelle: Quasar Engineering))

c) ve Ingenieure (Brennstoff „Abwärme“; Leistungsdaten 0,5 kW elektrisch,

Baupläne stehen im Internet zur Verfügung, Motor steht unter einer creative

commons Lizenz und darf nachgebaut und optimiert werden (Quelle: ve Ingenieure)

d) Stirling Denmark

e) Biokompakt und HOVAL

5 [ Zittau, 12.05.11 ]

1. Überblick

2. Beispiel Biokompakt (EU Projekt NANOSTIR)

3. Beispiel HOVAL (von der Idee zum [Vorserien]Produkt)

4. Potentialabschätzung für KWK Anlagen < 50 kWel bis 2020

Stromerzeugung mit Holz im Bereich < 50 kWel

(Studie im Auftrag der )

6 [ Zittau, 12.05.11 ]

EU Projekt „NANOSTIR“ – Ziele und Konsortium

Entwicklung einer Mikro-KWKK Anlage (Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung)(Förderung durch die Europäische Kommission, 6. Forschungsrahmenprogramm, Vertragsnummer: TREN/07/FP6EN/SO7.71550/038551)

„NANOSTIR“ = „NANO“material beschichteter „STIR“lingerhitzerkopf

Projektbeginn: Anfang 2008

Projektabschluss: Anfang 2011

Projektziel: Erzeugung von Nutzwärme und -kälte sowie Strom aus biogenen Brennstoffen, insbesondere Energiekorn

Projekt-Konsortium:

IZES gGmbH http://www.izes.de

Landwirtschaftliche Fachschule Tulln http://www.lfs-tulln.ac.at

BIOKOMPAKT Heiztechnik GmbH http://www.biokompakt.com

ItN Nanovation AG http://www.itn-nanovation.com

WEGRA Anlagenbau GmbH http://www.wegra-anlagenbau.de

Rechtsanwaltskanzlei Kuhbier http://www.kuhbier.com

7 [ Zittau, 12.05.11 ]

EU Projekt „NANOSTIR“ - Anlagenbeschreibung

Betriebsstandort: ► Landwirtschaftliche Fachschule in Tulln (LFS)

Leistungsdaten: ► Biomassekessel: 45 kW thermisch

► Stirling: 3 kW thermisch, 1 kW elektrisch bei

einer Wärmeaufnahme von 5 kW thermisch

► Absorptionskältemaschine: 15 kW Kälte bei

einer Wärmeaufnahme von 21 kW

Besonderheiten: ► Gleichzeitige Nutzung von Wärme (Heizsystem

der Schule) und Kälte (Lebensmittellager und

Kühldecken) möglich

► beschichteter Erhitzerkopf (Basissubstanz

Bornitrid) zur Vermeidung von anorg. Anbackungen

bzw. zur Effizienzsteigerung

8 [ Zittau, 12.05.11 ]

EU Projekt „NANOSTIR“ – Grundfließbild

9 [ Zittau, 12.05.11 ]

EU Projekt „NANOSTIR“ - Anlagenkomponenten

Quelle: BIOKOMPAKT GmbH

Quelle: ItN Nanovation

10 [ Zittau, 12.05.11 ]

EU Projekt „NANOSTIR“ – Wärme- & Kältebilanz

Messzeitraum: 20. Januar 2011 8:00 Uhr bis 24. Januar 2011 16:00 Uhr

0

500

1000

1500

2000

1

kW

h

W1 Stirling

W2 Biomassekessel

W3 Eingang Kältemaschine

W4 Ausgang Kältemaschine

W5 Eingang Kühlräume

W6 LFS Heiznetz

11 [ Zittau, 12.05.11 ]

1. Überblick

2. Beispiel Biokompakt (EU Projekt NANOSTIR)

3. Beispiel HOVAL (von der Idee zum

[Vorserien]Produkt)

4. Potentialabschätzung für KWK Anlagen < 50 kWel bis 2020

Stromerzeugung mit Holz im Bereich < 50 kWel

(Studie im Auftrag der )

12 [ Zittau, 12.05.11 ]

1. Idee: Dezentrale und CO2- neutrale Erzeugung von

elektrischer Energie als „Abfallprodukt“ der Wärmeerzeugung

aus Holz!

2. Prototypenbau und erste Labortestphasen ab 2001

Entwicklungen bei HOVAL: Phase 1 und 2

a) Im Labortest wurde der Motor von Mai

2001 bis November 2003 im simulierten

Alltagsbetrieb über etwa 2.500

Betriebsstunden in zwei Phasen

betrieben.

b) In der ersten Testphase wurde der Motor

etwa 1.300 h betrieben, im Anschluss

komplett zerlegt, auf Verschleiß

untersucht und anschließend ohne

Teiletausch wieder zusammengesetzt und

in einen zweiten Phase für weitere 1.200

h betrieben. Quelle: HOVAL

13 [ Zittau, 12.05.11 ]

3. Kleinstserie und zweite Testphase

Entwicklungen bei HOVAL: Phase 3

a) Anfang 2004 wird entschieden das

Projekt weiterzuführen. Dazu wurden

sieben weitere Stirlingmotoren der

„zweiten Generation“ produziert. Der

Feldtest startete Mitte 2005 an sechs

privaten Standorten in DE, FL und CH.

b) Zwei dieser Anlagen wurden mit

umfangreicher Messtechnik

ausgestattet und in Rahmen eines

durch die FNR geförderten Projekts

(FKZ 220 176 05) zwei Jahre durch die

IZES gGmbH wissenschaftlich begleitet.

c) Die Messtechnik am Standort Sulzbach

ist bis heute installiert und wird

gemeinsam mit HOVAL und dem

Betreiber der Anlage weiterbetrieben.

14 [ Zittau, 12.05.11 ]

4. Weiterentwicklung und Bau einer Kleinserie

Entwicklungen bei HOVAL: Phase 4

a) Produktion und Verkauf der 0-Serie des

„AgroLyt Stirlings“ mit 1 kW elektrischer

Leistung seit Herbst 2008.

b) Inbetriebnahme der ersten 0-Serie-

Anlagen „AgroLyt Stirling“ ab Anfang

Februar 2009

c) Weiterarbeit bzw. Weiterentwicklung am

größeren Stirlingmotor mit 3 kW

elektrischer Leistung sowie an der

BioLyt (Pelletkessel) Stirlingkombination

d) Ersatz des Stirlingmotors in Sulzbach

durch einen Null-Serien Motor im

Oktober 2010 und Fortführung des

Monitorings.Quelle: HOVAL

15 [ Zittau, 12.05.11 ]

Entwicklungen bei HOVAL

Betriebsstandort: ► Forsthaus Sulzbach

Leistungsdaten: ► Stückholzkessel: 25 kW thermisch

► Stirling: 3 kW thermisch, max. 1 kW elektrisch

bei einer Wärmeaufnahme von 5 kW thermisch

► derzeitige Nutzungsgrade: 16% elektrisch und

80 % gesamt

Besonderheiten:

► Abwärme des Stirlings wird zur

Brauchwassererwärmung und zur

Holztrocknung genutzt

16 [ Zittau, 12.05.11 ]

Leistung, Temperatur und elektr. Arbeit des Stirlingmotors

17.03.2007

-800

-600

-400

-200

0

200

400

600

800

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

Zeit [h]

Le

istu

ng

[W

]/ T

em

pe

ratu

r [°

C]

-0,5

-0,4

-0,3

-0,2

-0,1

0

0,1

0,2

0,3

0,4

el. A

rbe

it [

kW

h]

T_Erhitzerkopf Leistung_Stirling Elektrische_Arbeit

590°C 275°C

Entwicklungen bei HOVAL: Messergebnisse I

17 [ Zittau, 12.05.11 ]

Einschalttemperaturen nach Optimierung:

Kaltstart bei 660°C (vorher 590°C)

Warmstart bei 385°C (vorher 285°C)

Ausschaltemperatur nach Optimierung:

bei 375°C (vorher 275°C)

Kriterium für Warmstart nach Optimierung:

Erhitzerkopftemperatur > 260°C (vorher > 130°C)

Entwicklungen bei HOVAL: Optimierungen

18 [ Zittau, 12.05.11 ]

Leistung, Temperatur und elektr. Arbeit des Stirlingmotors

03.01.2008

-400

-200

0

200

400

600

800

1000

0 6 12 18 24

Zeit [h]

Le

istu

ng

[W

]/ T

em

pe

ratu

r [°

C]

-0,5

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

el. A

rbe

it [

kW

h]

T_Erhitzerkopf Leistung_Stirling Elektrische_Arbeit

660°C

Entwicklungen bei HOVAL: Messergebnisse II

19 [ Zittau, 12.05.11 ]

Aufteilung der eingesetzten Energiemenge am 11.12.2007

Wärmemenge Stirling Kühlkreis

61,31 %

Wärmemenge

Heizkesselkreis

60 %

Brennbares in der Asche

2 %

Wärmeabgabe der

Kesseloberfläche

3 %

Sonstige Verluste

10 %

Abgasverlust

17 % el.Arbeit Stirlingmotor

12,15 %

Eintrag in

Stirlingmotor

7 %

Verluste Stirling

26,54 %

Eintrag in Stirlingmotor 18,8 kWhGesamteintrag durch Brennholz 255 kWh

Entwicklungen bei HOVAL: Bilanz Dezember 2007

20 [ Zittau, 12.05.11 ]

Aufteilung der eingesetzten Brennstoffenergie am 05.12.2008

Wärmemenge Stirling Kühlkreis

62,93 %

el. Arbeit des Stirlingmotors

16,42 %

Verluste Stirling

20,65 %

Abgasverluste

14 %Wärmeabgabe der

Kesseloberfläche

3 %Brennbares in der Asche

2 %

Sonstige Verluste

9 %

Wärmemenge

Heizkesselkreis

66 %

Eintrag in

Stirlingmotor

7 %

Gesamteintrag durch Brennholz 192 kWh Eintrag in Stirlingmotor 13,1 kWh

Entwicklungen bei HOVAL: Bilanz Dezember 2008

21 [ Zittau, 12.05.11 ]

Erhöhung der elektrischen Leistung des Stirlingmotors bei gegebener

Erhitzerkopftemperatur

Verbesserung des Motors

Reduzierung des elektrischen Eigenbedarfs

Verbesserung des Schaltschranks, bzw. Integration der notwendigen

Elektronik in die Kesselsteuerung

Erhöhung des Energieausnutzungsgrades der Gesamtanlage

durch Reduzierung der Erhitzerkopftemperatur und damit der Reduzierung

der Abgasverluste

Ergebnisse der Optimierungen in 2009/10

22 [ Zittau, 12.05.11 ]

Ergebnisse 14. Dezember 2010

Leistung, Temperatur und elektr. Arbeit des Stirlingmotors

-1200

-1000

-800

-600

-400

-200

0

200

400

600

800

1000

0 6 12 18 24

Zeit [h]

Leis

tun

g [

W]/

Te

mp

era

tur

[°C

]

-3,5

-3

-2,5

-2

-1,5

-1

-0,5

0

el. A

rbe

it [

kW

h]

T_Erhitzerkopf

Leistung_Stirling

Elektrische_Arbeit

23 [ Zittau, 12.05.11 ]

1. Überblick

2. Beispiel Biokompakt (EU Projekt NANOSTIR)

3. Beispiel HOVAL (von der Idee zum [Vorserien-]Produkt)

4. Potentialabschätzung für KWK Anlagen

< 50 kWel bis 2020

(Studie im Auftrag der )

Stromerzeugung mit Holz im Bereich < 50 kWel

24 [ Zittau, 12.05.11 ]

Potentialabschätzung KWK-Anlagen ≤ 50 kWel

Auswertung BAFA

Zulassungsdaten 2000 - 2010

(Anlagen ≤ 50 kWel)

Zubauraten der Jahre

2000 – 2010

(Anlagen ≤ 50 kWel)

Potentialabschätzung für die

Jahre 2010 - 2020

(Anlagen ≤ 50 kWel)

Auswertung von zwei

Studien

(Anlagen ≤ 15 kWel)

Zwei Potentialabschätzungen

für die Jahre 2010 - 2020

(Anlagen ≤ 15 kWel)

Eigene Potentialabschätzung

für die Jahre 2010 - 2020

(Anlagen ≤ 50 kWel)

trend:research – Institut für Trend- und Marktforschung;

Potenzialstudie „Mikro-KWK“, Juni 2010

Forschungsstelle für Energiewirtschaft e.V. FfE

„Ganzheitliche dynamische Bewertung der KWK mit

Brennstoffzellentechnologie“, November 2007

25 [ Zittau, 12.05.11 ]

Potentialabschätzung KWK-Anlagen ≤ 50 kWel

• BAFA Zulassungsdaten 2001 bis 2010[1]

: ~215 MWel (ca. 22.700 Anlagen)

• BAFA Zulassungsdaten vor 2001[2]

: ~23 MWel (ca. 1.800 Anlagen)

• 5% mehr Anlagen in Betrieb als beim BAFA gemeldet[3]

→ ca. 1.200 Anlagen (Ø 9,5 kWel/Anlage): ~12 MWel

Bis 2010 installierte Leistung der KWK-Anlagen ≤ 50 kWel:

Ende 2010 waren in Deutschland etwa 25.700 KWK-Anlagen (≤ 50 kWel)

mit einer Gesamtleistung rund 250 MWel installiert.

[1] Zulassungszahlen des Bundesamts für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle BAFA von 2002 bis 2010 [2] Zulassungszahlen des Bundesamts für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle BAFA vor 2000 bis 2007[3] Annahme des Bundesamts für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle BAFA

26 [ Zittau, 12.05.11 ]

Potentialabschätzung KWK-Anlagen ≤ 50 kWel

Quelle: Zulassungsdaten der BAFA von 2002 bis 2010

0

50

100

150

200

250

vor 2000

2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010

[MW

]

Lineare Zubaurate ~ 20 MW/a,

davon 50% < 15 kWel

27 [ Zittau, 12.05.11 ]

Potentialabschätzung KWK-Anlagen ≤ 15 kWel

Quellen: trend:research – Institut für Trend- und Marktforschung; Potenzialstudie „Mikro-KWK“, Juni 2010

Forschungsstelle für Energiewirtschaft e.V. FfE „Ganzheitliche dynamische Bewertung der KWK mit Brennstoffzellentechnologie“, November 2007

Zubaupotentiale für KWK-Anlagen bis 15 kWel

0

10

20

30

40

50

60

2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020

[MW

el/a]

trend:research Forschungsstelle für Energiewirtschaft e.V. FfE

28 [ Zittau, 12.05.11 ]

Potentialabschätzung KWK-Anlagen ≤ 50 kWel

Quellen: BAFA – Zulassungsdaten bis 2010 trend:research – Institut für Trend- und Marktforschung; Potenzialstudie „Mikro-KWK“, Juni 2010

Forschungsstelle für Energiewirtschaft e.V. FfE „Ganzheitliche dynamische Bewertung der KWK mit Brennstoffzellentechnologie“, November 2007

• Das Zubaupotenzial für KWK-Anlagen <15 kWel entspricht dem Mittelwert der beiden ausgewerteten Studien

• Das Zubaupotenzial für KWK-Anlagen >15 < 50 kWel entspricht der ermittelten halben jährlichen Zubaurate der BAFA Zulassungsdaten ohne Berücksichtigung einer

jährlichen Wachstumsrate

0

10

20

30

40

50

60

70

2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020

[MW

]Potential "Studien"

Potential BAFA

29 [ Zittau, 12.05.11 ]

Potentialabschätzung KWK-Anlagen ≤ 50 kWel

• In 2010 wird aufgrund der BAFA Zulassungsdaten ein Startwert von ~20 MWel gesetzt

• Bis 2015 werden zunehmend KWK-Anlagen im kleinsten Leistungsbereich, insbesondere zum Einsatz in Ein- und Zweifamilienhäusern, zwischen 0,5 kWel – 3 kWel

die Serienreife erreichen

• Ab 2016 werden die ermittelten Zubaupotentiale der beiden ausgewerteten Studien für den Leistungsbereich < 15 kW el als realistisch angesehen In 2020 etwa

700 MW im Leistungsbereich bis 50 kWel

0

10

20

30

40

50

60

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80

2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020

[MW

]

Potentialabschätzung >15 kW - 50 kW Potentialabschätzung < 15 kW

30 [ Zittau, 12.05.11 ]

Vielen Dank für‘s Zuhören!

Dr. Bodo Groß

IZES gGmbH

Altenkesseler Straße 17

D-66115 Saarbrücken

Telefon: +49 681 9762 851

Fax: +49 681 9762 850

Mobil: +49 172 6839048

Email: gross@izes.de

http://www.izes.de

Stromerzeugung mit Holz im Bereich < 50 kWel

31 [ Zittau, 12.05.11 ]

32 [ Zittau, 12.05.11 ]

Potentialabschätzung KWK-Anlagen ≤ 50 kWel

Zubaupotential bis 2020 anhand der BAFA Zulassungsdaten:

• Annahme 1: keine grundlegenden Änderungen der

wirtschaftlichen und gesetzlichen Rahmenbedingungen

• Annahme 2: Angebot an BHKW‘s bleibt unverändert

• Unter den genannten Annahmen ergibt die Auswertung der

BAFA Zulassungsdaten ein Zubaupotential von ~20 MWel/a

• Anmerkung: Das Zubaupotential kann bei der Reaktivierung

des Mini-KWK-Impulsprogramms temporär deutlich höher

ausfallen

33 [ Zittau, 12.05.11 ]

Potentialabschätzung KWK-Anlagen ≤ 50 kWel

Zubaupotential (Anlagengröße ≤ 15 kWel) bis 2020 anhand zweier

Studien:

• trend:research – Institut für Trend- und Marktforschung, BremenPotenzialstudie „Mikro-KWK“, Juni 2010Annahme IZES:

- Ø 5,5 kWel/Anlage mit kontinuierlich abnehmender Tendenz (Begründung: Anlagen

des kleineren Leistungsbereichs kommen verstärkt in den Markt)

• Forschungsstelle für Energiewirtschaft e.V. – FfE, München„Ganzheitliche dynamische Bewertung der KWK mit

Brennstoffzellentechnologie“, November 2007Annahmen FfE:

- Thermische Anlagenleistung nimmt von 21,9 kWth/Anlage in 2010 kontinuierlich auf

19,4 kWth/Anlage in 2020 ab. → Ø 20,65 kWth/Anlage

- ca. 25% der durchschnittlichen jährlichen Zubauleistung in der

Hausenergieversorgung ist technisch sinnvoll für KWK erschließbar

Annahmen IZES:

- nur rund 1% der jährlichen Zubauleistung ist sowohl technisch als auch

wirtschaftlich erschließbar (~ Ø 6.000 – 7.000 Anlagen pro Jahr)

- Stromkennzahl der KWK-Anlagen SK = 0,25 → Ø 5,2 kWel/Anlage

34 [ Zittau, 12.05.11 ]

EU Projekt „NANOSTIR“ - „NANO“ Beschichtung

Projektbesonderheit - Verwendung von „NANO“ Beschichtungen

Aufbringen eines nanostrukturierten Materials zum Schutz des

Erhitzerkopfs gegen Korrosion durch „saure“ Rauchgase sowie als Schutz

gegen Anbackungen und daraus resultierend als Reinigungserleichterung,

insbesondere bei Verbrennung von „schwierigen“ Brennstoffen

Quelle: ItN Nanovation AG

35 [ Zittau, 12.05.11 ]

EU Projekt „NANOSTIR“ - Testbleche

Quelle: BIOKOMPAKTQuelle: BIOKOMPAKT

Vorbehandlung: Reinigung, Anbeizen

Schichtdicke: ca. 50 µm

Beschichtung: Basismaterial Bornitrid

Sintertemperatur: ~ 700 °C

Temperaturbeständigkeit: ~ 1.000 °C

36 [ Zittau, 12.05.11 ]

Dr. Bodo Groß, IZES gGmbH, Technische Innovation

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