Nationales Demonstrationsprojekt Biostrom - Verband Fernwärme Schweiz

P A U L S C H E R R E R I N S T I T U T 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Altholz-Heizkraftwerk mit ORC-Prozess und Fernwärmeund 

-kältekunden in Fussach / Vorarlberg (A) 

Prof. Dr. Ingwald Obernberger 

BIOS-Energiesysteme, Graz (A) 

 

• Technischer Überblick 

• Innovative Komponenten 

• Feuerungsanlage, Thermoölkessel, RG-Reinigung 

• ORC-Prozess 

• Absorptionskältemaschine 

• Energiebilanz 

• Investitionen, Subventionen, Wärme und Kältetarif

Altholz-Heizkraftwerk mit ORC-Prozess und Fernwärme- 

und Kältekunden in Fussach/Vorarlberg (A) 

PROF.DIPL.-ING.DR. INGWALD OBERNBERGER 

BIOS BIOENERGIESYSTEME GmbH Graz, Inffeldgasse 21b, 8010 Graz, AUSTRIA 

Tel.: +43 316 481300 12; Fax: +43 316 481300 4; 

E-Mail: obernberger@bios-bioenergy.at; Homepage: http://www.bios-bioenergy.at 

Kurzfassung 

Im Rahmen eines nationalen Demonstrationsprojektes wurde im März 2002 durch die Firma 

BIOSTROM Erzeugungs GmbH in Fussach (Vorarlberg, Österreich) eine innovative Biomasse-Kraft-Wärme-Kälte-Kopplungsanlage 

auf Basis des ORC-Prozesses in Betrieb genommen. 

Die Anlage, die ausschließlich mit qualitätssortiertem Altholz befeuert wird, stellt 

eine erstmals in dieser Form realisierte Anlagenkombination von Biomasse-Feuerung, ORC 

(Organic Rankine Cycle)-Prozess und Niedertemperatur-Absorptionskältemaschine dar. 

Durch den Betrieb der Anlage mit einer elektrischen Nennleistung von 1.150 kW können 

jährlich rund 8.200 MWh Strom aus erneuerbaren Energieträgern ins öffentliche Netz eingespeist 

werden. Darüber hinaus versorgt die Anlage einen nahe gelegenen Kälteabnehmer mit 

Prozesswärme (thermische Energie zum Antrieb der Absorptionskältemaschine: rund 23.000 

MWh/a). Die restliche nutzbare Energie (rund 19.000 MWh/a) steht für weitere Prozess- und 

Fernwärmeabnehmer zur Verfügung (zukünftiger Ausbau). 

Die Biomasse-Kraft-Wärme-Kälte-Kopplungsanlage besteht im wesentlichen aus einer Low- 

NOx-Feuerungsanlage, einem Thermoölkessel mit nachgeschaltetem Thermoöl-ECO (Nennleistung: 

6.200 kWth), einem Warmwasser-Economiser (Nennleistung: 1.000 kWth), einer 

umfangreichen Rauchgasreinigung, dem ORC-Modul sowie einer Niedertemperatur-Absorptionskältemaschine. 

Durch die optimierte Verschaltung der einzelnen Anlagenteile und die damit verbundene Minimierung 

der Rauchgasverluste ist eine effiziente Betriebsweise der Gesamtanlage gegeben 

(feuerungstechnischer Wirkungsgrad rund 92%). Der elektrische Wirkungsgrad des ORC- 

Prozesses (= produzierte Strommenge / zugeführte thermische Energie) liegt bei rund 19%, 

die Leistungszahl der Niedertemperatur-Absorptionskältemaschine (=produzierte Kälteleistung 

/ zugeführte thermische Leistung) beträgt 0,75. 

Um eine möglichst hohe Verfügbarkeit der Feuerungsanlage zu gewährleisten, wird der 

Brennstoff (qualitätssortiertes Altholz der Qualitätsklassen Q1 bis Q4 laut Österreichischem 

Branchenkonzept Holz) einer mehrstufigen Aufbereitung unterzogen. Nach einer optischen 

Eingangskontrolle wird das Altholz in einem Mehrschrittverfahren zerkleinert, sortiert und 

von Eisen- sowie auch von Nicht-Eisen-Metallen und anderen Störstoffen befreit. Durch die 

Verringerung des Anteils an Störstoffen (Sand, Glas, Kunststoff) sowie leicht schmelzenden 

Metallen (insbesondere Aluminium) kann die Gefahr der Verschlackung der Brennkammer 

und des Thermoölkessels durch Auftreten von Asche- bzw. Metallschmelzen erheblich reduziert 

werden. 

Die Low-NOx-Feuerungsanlage weist eine speziell für Altholzfeuerungen konzipierte Feuerraumgeometrie 

mit lokal thermoölgekühlten Flächen auf. Um das durch den Einsatz von Altholz 

erhöhte Risiko zur Bildung von Ascheschmelzen und Depositionen im Kessel zu mini-

mieren, basiert die Anlage auf einem innovativen und erstmals für Biomasse-Feuerungen 

realisierten Konzept eines Thermoölkessels mit getrennten Strahlungs- und Konvektionsheizflächen 

sowie einer integrierten Regelung der Rauchgaseintrittstemperatur in den Konvektionsteil 

durch Rauchgasrezirkulation. 

Das Kernstück der Anlage stellt das ORC-Modul mit einer elektrischen Nennleistung von 

1.150 kWel dar. Das Prinzip der Stromerzeugung mittels ORC-Prozess entspricht dem des 

konventionellen Wasser-Dampf-Prozesses, mit dem wesentlichen Unterschied, dass statt 

Wasser ein organisches Arbeitsmittel mit speziell abgestimmten thermodynamischen Eigenschaften 

verwendet wird - daher der Name Organic Rankine Cycle. Der ORC-Prozess ist ein 

in sich geschlossener Prozess, der über Wärmeaustausch zum einen mit dem Thermoölkreislauf 

(Input an thermischer Energie bei Nennlast: 6.080 kW) und zum anderen mit dem Fernwärmenetz 

(Output an thermischer Energie bei Nennlast: 4.850 kW) verbunden ist. 

Die speziellen Vorteile der ORC-Technologie liegen in ihrer Robustheit (hohe Lebensdauer, 

geringe Instandhaltungskosten), in der vollautomatischen und unbemannten Betriebsweise 

(Personalbedarf nur 3 bis 5 Stunden pro Woche), dem praktisch drucklosen Kesselbetrieb 

(kein Dampfkesselwärter erforderlich), in ihrem ausgezeichnetem Teillastverhalten und dem 

vergleichsweise hohen elektrischen Wirkungsgrad. 

Neben dem ORC-Prozess stellt die Niedertemperatur-Absorptionskältemaschine die zweite 

wesentliche Komponente der Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung dar. Die im Heizkraftwerk über 

den ORC-Kondensator und den Warmwasser-Economiser ausgekoppelte Wärme dient als 

Antriebsenergie für die Absorptionskältemaschine und wird dieser in Form von Fernwärme 

zugeführt. Die installierte Kältemaschine (Kältemittel: schwache Lithiumbromid-Wasser-Lösung) 

weist eine Kälteleistung von 2.400 kWth auf und liefert über das gesamte Jahr kontinuierlich 

hochwertige Niedertemperaturkälte von konstant 5°C Kaltwassertemperatur. Trotz 

der sehr geringen Vorlauftemperatur von 70 – 83°C (wesentlich für den effizienten Betrieb 

des ORC-Prozesses) erreicht die Kältemaschine eine hohe Leistungszahl von 0,75. Diese Daten 

belegen die im Heizkraftwerk realisierte optimierte Kopplung von Strom- und Kälteproduktion. 

Die Anlage ist mit einer umfassenden Rauchgasreinigung und einer kontinuierlichen Emissionsmessanlage 

ausgestattet, um die sehr strengen Grenzwerte der neuen EU-Richtlinie 

2000/76/EG für Abfallverbrennungsanlagen gesichert einzuhalten. Nach Vorentstaubung des 

Rauchgases in einem Multizyklon erfolgt in einem Gewebefilter mit integrierter Trockensorption 

(zur effizienten HCl-, HF- und SO2-Reduktion) die Feinentstaubung und Schwermetallabscheidung. 

Die von der BIOSTROM Erzeugungs GmbH betriebene Anlage stellt weltweit die erste Biomasse-Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung 

auf ORC-Basis dar. Biomasse-Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen 

auf ORC-Basis haben in den letzten Jahren die Marktreife erreicht. Gegenwärtig 

werden in Österreich, Deutschland, Italien, der Schweiz, Tschechien und den Niederlanden 

bereits rund 50 ORC-Anlagen mit elektrischen Nennleistungen zwischen 200 und 2.000 kWel 

auf Biomasse-Basis betrieben, ca. 20 Anlagen befinden sich derzeit in Planung bzw. in Bau. 

Das größte Einsatzpotenzial für Biomasse-Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen auf ORC-Basis 

liegt in mittelgroßen holzbe- und holzverarbeitenden Betrieben, in dezentralen Altholzfeuerungen 

sowie in Biomasse-Fernheiz(kraft)werken (Neubau oder Umrüstung bestehender 

Anlagen).

Altholz-Heizkraftwerk mit ORC-Prozess 

und Fernwärme- und Kältekunden in 

Fussach / Vorarlberg (A) 

1 6. Fernwärmetagung - 18. Januar 2007 

Gliederung 

Prof.Dipl.-Ing.Dr. Ingwald Obernberger 

BIOS BIOENERGIESYSTEME GmbH 

Inffeldgasse 21b, A-8010 Graz, Austria 

TEL.: +43 (316) 481300; FAX: +43 (316) 4813004 

E-MAIL: obernberger@bios-bioenergy.at 

• Konzeption der Kraft-Wärme-Kälte-Kopplungsanlage 

• Technische Daten und Energiebilanz 

• Innovative Komponenten 

• Einbindung des ORC-Prozesses in die KWKK-Anlage 

• Beschreibung der Absorptionskältemaschine 

• Wirtschaftliche Eckdaten 

• Zusammenfassung und Schlussfolgerungen 


1

Nationales Demonstrationsprojekt Biostrom - 

Projektträger 

Projekttitel: Innovative Biomasse-Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung auf 

Altholzbasis 

Projektträger: BIOSTROM Erzeugungs GmbH, Hard 

Gesellschafter: MAWERA Holding GmbH, Hard 

Ing. Günther Lehner, Hard 

Hubert Häusle Ges.m.b.H. & Co KG, Lustenau 

BIOS BIOENERGIESYSTEME GmbH, Graz 

Gefördert als innovatives nationales Demonstrationsprojekt durch Mittel des Bundesministeriums für Land- und 

Forstwirtschaft, Umwelt und Wasserwirtschaft, Abwicklung durch die Kommunalkredit Public Consulting GmbH, 

sowie durch Mittel der österr. Forschungsförderungsgesellschaft mbH (FFG). 

3 6. Fernwärmetagung vom 18. Januar 2007 


Schema Gesamtanlage 

Thermoöl-ECO 

Thermoölkessel 

Biomassefeuerung 

& Thermoölkessel 

Thermoöl/Wasser- 

Thermoölkreislauf Wärmetauscher 

TVL=300°C Verbrennungsluft 

T 

Feuerung 

FR=900°C 

Biomasseaufbereitung 

Rauchgas 

T RG=170°C 

Verdampfer 

Rauchgas 

Gewebefilter mit 

Trockensorption 

Gewebefilterasche 

ORC-Prozess 

ORC- 

Prozess 

Arbeitsmittelpumpe 

Warmwasser 

Economiser 

Multizyklon 

Zyklonasche 

Turbine 

G 

Generator 

(direkt betrieben) 

P=1.150 kW el 

Trockenkühler 

Regenerator 

Kondensator 

T RL=55-75°C 

TVL=75-95°C Warmwasserkreislauf 

Kaltwasser 

Kälteverbraucher 

P=2.400 kW th 

Kälteerzeugung 

Kompressionskältemaschine 

(Stand-By) 

Absorptionskältemaschine 

Kühlturm 

Kühlwasser 

AUSTREIBER VERFLÜSSIGER 

VERDAMPFER ABSORBER 

2


Technische Daten (I) 

• Elektrische Leistung ORC: 1.150 kW 

• Nennleistung Thermoölkessel und -ECO: 6.200 kW 

• Nennleistung Warmwasser-Economiser: 1.000 kW 

• Thermische Antriebsleistung - 

Absorptionskältemaschine: 3.200 kW 

• Nutzbare Leistung Fernwärme: 2.600 kW 

• Inbetriebnahme KWKK: 03/2002 

• Standort: Fussach, Vorarlberg / Österreich 



Technische Daten (II) 

• Eingesetzter Brennstoff: 56.600 MWh/a 

aufbereitetes Altholz (Qualitätsklasse Q1 

bis Q4 laut österr. Branchenkonzept Holz), 

Wassergehalt: ca. 25 Gew% 

• Erzeugter Strom aus Biomasse: 8.200 MWh/a 

• Erzeugte Wärme aus Biomasse: 42.000 MWh/a 

• Thermische Energie zum Antrieb 

der Absorptionskältemaschine: 23.000 MWh/a 

Erzeugte Kältemenge: 17.300 MWh/a 

• Restliche nutzbare thermische Energie 

(Fern- und Prozesswärme ab Heizkraftwerk): 19.000 MWh/a 

• Rauchgas- und Wärmeverluste: 6.400 MWh/a 


3

Biomasse 

Hu 56.600 MWh/a 

7.800 kW 

Brennstoffmenge: 

16.000 t FS/a 


Energieflussbild 


+ Thermoöl-ECO 

Warmwasser- 

Economiser 


Heizkraftwerk Kältezentrale 

Rostkühlung 

TÖ/Wasser-WT 

Thermoöl 

ORC- 

Prozess 

Rauchgasverluste 

4.500 MWh/a 

el. Strom 

8.200 MWh/a 

1.150 kW 

Umwandlungsverluste 

600 MWh/a 

Leitungsverluste 

1.300 MWh/a 

Thermische Energie zur 


23.000 MWh/a 

3.200 kW 

Nutzbare thermische Energie 

(Potential für Fernwärme- und 

Prozesswärmenutzung) 

19.000 MWh/a 

2.600 kW 


Heizkraftwerk 


Kühlturm 

produzierte Kälte 

17.300 MWh/a 

2.400 kW 

4


Technologische Innovationen 

• Erste Biomasse-Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung auf ORC-Basis 

weltweit 

• Altholzaufbereitungsanlage mit Eisen- und Nicht-Eisen- 

Metallabscheidung 

• Low-NO x -Altholzfeuerung mit CFD-optimierter Geometrie 

• Thermoölkessel mit getrennten Strahlungs- und Konvektionsheizflächen 

und automatischer Kugelregen-Abreinigungsanlage 

• Hocheffizienter Gewebefilter mit integrierter Trockensorption 

• Energetisch optimierte Verschaltung des ORC-Prozess mit einer 

Niedertemperatur-Absorptionskältemaschine 



Altholzqualität 

Qualitätssortiertes Altholz der Klassen Q1 bis Q4 laut 

österreichischem Branchenkonzept Holz 

• Q1 ....... Naturbelassene Rest- und Althölzer 

• Q2 ....... Rinde 

• Q3 ....... Bindemittelhaltige und halogenfrei beschichtete 

Rest- und Althölzer 

• Q4 ....... Oberflächenbehandelte Rest- und Althölzer 


5


Brennstoffaufbereitung (I) 

Qualitätssortierung – Qualitätssicherung 

• Vorsortierung bei Brennstoffannahme 

• Störstoffaussortierung am Sturzplatz 

• Zweistufige Zerkleinerung 

• Zweistufige Eisen-Metallabscheidung 

• Nicht-Eisen-Metallabscheidung 



Brennstoffaufbereitung (II) 

Hersteller Altholzaufbereitung: Vecoplan Maschinenfabrik GmbH & Co KG 


6


Brennstoff vor/nach Aufbereitung 



Low-NO x – Feuerung mit CFD-optimierter Geometrie 

Sekundärverbrennungszone 

Thermoölgekühlte 

Wandflächen 

Brennstoffzufuhr 

Primärverbrennungszone 

Flachschubrost mit 

Brennstoffbett 


Übergang zum 


Temperatur- 

Profil 

Bau und Errichtung der Feuerungsanlage: MAWERA Holzfeuerungsanlagen GmbH 

7


Flachschubrost 



Altholzfeuerung + Thermoölkessel 

thermoölgekühlte 

Zone 

Sekundärluft 

Primärluftventilatoren 

II II 

Rauchgasrezirkulation 

Feuerung 


I 

II 

Thermoöl 

Vorlauf 

Feuerraumasche 

(Grobasche) 


Strahlungsteil Konvektionssteil 

Kesselasche 

Flachschubrost 

Thermoöl- 

ECO 

Thermoöl 

Rücklauf 

Warmwasser- 

Economiser 

Kesselasche 

I Primärverbrennungszone 

II Sekundärverbrennungszone 

Zyklonasche 

Rauchgas 

Multizyklon 

8


Automatische Kugelregen-Abreinigungsanlage 


Konvektionsteil 

Thermoöl- 

ECO 

Warmwasser- 

Economiser 

Rauchgas 



Rauchgas 

1. Kugelabscheider 

2. Verteiler 

3. Förderleitung 

4. Siebmaschine 

5. Staubtrichter 

6. Kugelsammelbehälter 

7. Dosierventil mit Injektor 

8. Gebläse 

9. Luftüberschuss 

Hersteller Thermoölkessel inkl. Kugelregen- 

Abreinigungsanlage: maxxtec AG 


Rauchgasreinigung 

Vorentstaubung 

Zyklonasche 

Multizyklon 

Trockensorption 

Injektor 

Hersteller Rauchgasreinigung: Scheuch GmbH 

Filter-Bypass 

Bypass- 

Klappe 

Rauchgaskanal 

Feinentstaubung 

Sorbenssilo Gewebefilter 

Gewebefilterasche 

Kontinuierliche 

Emissionsmessanlage 

(Staub, NOx, 

CO,CO2) 

Saugzug 

Reingas 

Kamin 

9


Ergebnisse durchgeführter Emissionsmessungen 

Komponente Messwert Grenzwert Einhaltung 

Ges. Staub mg/m 

Sämtliche Vorgaben laut EU-Richtlinie 2000/76/EG und laut österreichischer 

Abfallverbrennungsverordnung werden eingehalten. 

3 1,9 10 ja 

org. C mg/m 3 < 5 10 ja 

NOx (NO2) mg/m 3 297 300 ja 

CO mg/m 3 < 10 100 ja 

HCl mg/m 3 4,8 10 ja 

HF mg/m 3 < 0,3 0,7 

ja 

SO2 mg/m 3 27,5 50 ja 

Schwermetalle 

- Hg g/m 3 

- Cd + Tl g/m 

10,7 

50 

ja 

3 < 10 50 ja 

- Sb + As + Pb + 

Cr + Co + Cu + 

Mn + Ni + V g/m 3 

0,56 

500 

ja 

PCDD/F ng/m 3 < 0,01 0,1 ja 



ORC-Prozess – Anlagenschema 

Thermoöl- 

ECO 


Biomasse 

Verbrennungsluft 

Thermoölkreislauf Generator 

G 

(direkt betrieben) 

Feuerung 


Rauchgas 

Verdampfer 

ORC- 

Prozess 

Arbeitsmittelpumpe 

Warmwasser 

Economiser 

Turbine 

Regenerator 

Kondensator 

Warmwasserkreislauf 


Kälteverbraucher 

10


ORC-Prozess – Komponenten 

Quelle: 

Fa. Turboden, 

Brescia (I) 

1 Regenerator 

2 Kondensator 

3 Turbine 

4 Elektrischer Generator 


5 Umwälzpumpe 

6 Vorwärmer 

7 Verdampfer 

8 Fernwärme-Vorlauf 

9 Fernwärme-Rücklauf 

10 Thermoöl-Vorlauf 

11 Thermoöl-Rücklauf 


ORC-Prozess - technische Daten 

Thermische Leistung Input (Thermoöl) 6.080 kW 

Heizmedium Thermoöl 

Eintrittstemperatur (Nennbetriebspunkt) 300°C 

Austrittstemperatur (Nennbetriebspunkt) 250°C 

Arbeitsmittel Silikonöl 

Thermische Leistung Output (Kondensator) ca. 4.850 kW 

Kühlmedium Wasser 

Eintrittstemperatur (Nennbetriebspunkt) 69°C 

Austrittstemperatur (Nennbetriebspunkt) 83°C 

Elektrische Nettoleistung bei Nennlast 1.150 kW 

Elektrischer Nettowirkungsgrad bei Nennlast 18,9 % 


11


Absorptionskältemaschine - Prinzip 

Wärmetauscher 

Warmwasser 


Austreiber Verflüssiger 

Verdampfer 

Absorber 

Starke Lösung 

Schwache Lösung 

Mischlösung 

Kältemittel 

Kaltwasser 

Kühlwasser 

Kühlwasser 

Kühlwasser 

Warmwasser 


Absorptionskältemaschine – technische Daten 

• Thermische Antriebsleistung 3.200 kW 

• Heizmedium Heißwasser 

• Erforderliche Wassertemperatur (Vorlauf) 70-83°C 

• Kälteleistung 2.400 kW 

• Kaltwassertemperatur - Vorlauf 5°C 

• Kaltwassertemperatur - Rücklauf 8°C 

• Kältemittel Lithiumbromid/Wasser 

• Leistungszahl 0,75 


12




Hersteller Absorptionskältemaschine: 

WEIR ENTROPIE Gmbh 


Wirtschaftliche Eckdaten 

• Investitionskosten Heizkraftwerk 6,1 Mio. 

• Investitionskosten Kältezentrale 1,4 Mio. 

• Investitionskosten Fernwärmetrasse 

zur Kältezentrale 0,5 Mio. 

• Gesamtinvestitionskosten 8,0 Mio. 

• Subvention 30 % (der Investitionskosten) 

• Altholzpreis* -5,5 /to 

• Stromeinspeisetarif* 110 /MWh 

• Kältepreis* 17,64 /MWh 

* Bezugsbasis: 2005 


13


Schlussfolgerungen und Empfehlungen (I) 

• Die umweltfreundliche thermische Verwertung von qualitätssortiertem 

Altholz ist gesichert möglich 

• Der Qualität des Brennstoffes (Altholzaufbereitung, Klassen Q1 bis Q4) 

und einer entsprechenden Qualitätskontrolle kommen große Bedeutung zu 

• Die Anlagentechnik (Feuerung, Kessel, Rauchgasreinigung) muss speziell 

auf den Brennstoff Altholz abgestimmt sein 

• Absorptionskältemaschinen können sinnvoll in Biomasse-KWK-Anlagen 

eingebunden werden und eröffnen große industrielle 

Anwendungspotentiale und mehr Flexibilität bzgl. Wärmenutzung 



Schlussfolgerungen und Empfehlungen (II) 

• ORC-Anlagen lassen sich mit Niedertemperatur- 

Absorptionskältemaschinen sehr gut kombinieren und fast 

vollautomatisiert betreiben 

• Ein wirtschaftlicher Betrieb derartiger Anlagen erscheint ab 

Kesselnennleistungen größer gleich 5,0 MW th sinnvoll 

• Ein weitgehend wärme- bzw. kältegeführter Betrieb und eine hohe 

Anzahl von Jahresvolllaststunden (> 6.000 h/a) stellen wichtige 

wirtschaftliche Rahmenbedingungen dar 


14

Nationales Demonstrationsprojekt Biostrom - Verband Fernwärme Schweiz

Sie wollen auch ein ePaper? Erhöhen Sie die Reichweite Ihrer Titel.

Template löschen?

Als Template speichern?