Stromerzeugung mit externer Verbrennung
Nutzungstechnik. Bei der Stromerzeugung mit externer Verbrennung wird das Produktgas in einem einfachen Brenner verbrannt. Die frei werdende Warme wird zur Erwarmung eines Fluids und anschlieflend zum Antrieb einer Kraftmaschine (z. B. Dampfkraftprozess, Stirlingmotor, auflenbefeuerte Gasturbine) eingesetzt. Zu dieser Gruppe zahlt auch die Zufeuerung des Gases in konventionellen kalori- schen Kraftwerken (Kapitel 10.6). Diese unterschiedlichen Optionen werden im Folgenden kurz erlautert.
Dampfkraftprozess. Die Realisierung eines konventionellen Dampfprozesses aus — gehend von einer Verbrennung des Produktgases zur Bereitstellung von Heifl — dampf ist Stand der Technik (Kapitel 10.5); dies gilt gleichermaflen fur den — ebenfalls nach dem Rankine-Prozess arbeitenden — ORC-Prozesses (Organic Ran — kine Cycle), bei dem anstelle von Wasser ein organisches Arbeitsmedium (Koh — lenwasserstoffe wie Iso-Pentan, Iso-Oktan, Toluol oder Silikonol (OctaMethylTri — Siloxane)) verwendet wird (Kapitel 10.5) /11-47/, /11-113/, /11-114/, /11-153/. Dennoch werden derartige Anlagen praktisch nicht realisiert, da der Strom — wirkungsgrad nicht hoher ware als der einer direkten Festbrennstoffverbrennung; dafur ware aber ein deutlich hoherer anlagentechnischer Aufwand notwendig. Au — flerdem wird dadurch einer der wesentlichen Vorteile der Vergasung (d. h. das Vorhandensein eines gasformigen Energietragers) nicht effizient ausgenutzt.
Stirlingmotor. Der Stirlingmotor ist eine von auflen beheizte Kolbenmaschine, die mit einem in den Zylindern verbleibenden Arbeitsgas (z. B. Helium (He)) betrie- ben wird (vgl. Kapitel 10.5). Das in einem geschlossenen Kreislauf betriebene Arbeitsgas wird in einem kalten Zylindervolumen verdichtet und anschlieflend in einem heiflen Zylindervolumen entspannt. Das Arbeitsgas wird uber gasdichte, warmeubertragende Flachen von einer externen Warmequelle aus beheizt. Beim Einsatz von Produktgas erfolgt der Warmetransfer uber Konvektion und Warme- strahlung mittels der heiflen Abgase. Der Vorteil ist, dass damit auch teer- und staubhaltige Rohgase einsetzbar sind, da die im Gas enthaltenen Teerverbindungen im Gasbrenner verbrennen und die Partikel mit dem Abgas ausgetragen werden konnen. Unklar ist aber, inwieweit es bei einem hohen Teer- und Staubgehalt im Gas zu Ablagerungen an den Warmeubertragerflachen des Stirlingmotors kommen kann, die den Warmeubergang behindern. Nachteilig sind die im Vergleich zum Gasmotor geringen elektrischen Wirkungsgrade des Stirlingmotors und die Tatsa — che, dass der Stirlingmotor bisher noch nicht grofltechnisch einsetzbar ist /11-115/, /11-140/.
Indirekt befeuerte Gasturbine (Heifiluftturbine). Die indirekt befeuerte Gasturbine oder Heiflluftturbine (vgl. Kapitel 10.5) ist eine weitere Moglichkeit, die bei der Vergasung vorhandenen Teerprobleme bei der Nutzung z. B. in einem Gasmotor zu umgehen. In diesem Prozess wird das erzeugte Produktgas verbrannt und die entstehende Warme uber einen Warmeubertrager (Abgas/Luft) auf das Arbeitsmit — tel (Luft) ubertragen. Das Produktgas bzw. Abgas kommt daher nicht direkt mit dem Arbeitsmittel in Beruhrung; deshalb mussen auch kaum Anforderungen an die Produktgasqualitat gestellt werden.
Die Krafterzeugung erfolgt in einem offenen Gasturbinenprozess (Kapitel 10.5). Luft wird durch einen Verdichter, der an derselben Welle wie die Turbine sitzt, angesaugt und auf Prozessdruck verdichtet. Die verdichtete Luft wird uber den beschriebenen Warmeubertrager auf ca. 800 °C aufgewarmt und in der Turbine entspannt. Die dabei freigesetzte Energie wird uber die Turbinenschaufeln an die Turbinenwelle und von dort an einen elektrischen Generator weitergeleitet. Die aus der Turbine austretende heifle Luft wird sinnvoller Weise als vorgewarmte Verbrennungsluft verwendet. Zur Erhohung des Wirkungsgrades kann die Heiflluft vor Eintritt in die Turbine durch eine Zusatzfeuerung (z. B. Erdgasbrenner) weiter aufgeheizt werden.
Das Hauptproblem bei diesem Prozess stellt der Heiflluft-Warmeubertrager dar, der schon bei vergleichsweise geringen Temperaturen aus hochwertigen bzw. hoch warmefesten Werkstoffen gefertigt werden muss und daher sehr kostenintensiv ist. Weiters sind nur vergleichweise maflige elektrische Wirkungsgrade moglich.
Anwendungsbeispiel. Das Produktgas aus der Biomassevergasung kann beispiels — weise in kalorischen Kraftwerken zugefeuert werden. Dazu wird die feste Biomas — se in einer zirkulierenden Wirbelschicht vergast und in der Brennkammer eines Kraftwerkes gemeinsam mit einem fossilen Brennstoff verbrannt. Dies wurde bis — her vor allem bei Kohlekraftwerken realisiert, ist aber grundsatzlich auch bei gas- oder olbefeuerten Kraftwerken denkbar. Ein Ersatz von 10 bis 20 % des fossilen Brennstoffes (gemessen in Heizwert-Aquivalenten) durch biogene Brennstoffe ist dabei i. Allg. weitgehend problemlos moglich (Kapitel 10.6). Ein Beispiel einer derartigen Anlage ist Abb. 11.14 zu sehen.
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Abb. 11.14 Prinzip der Zufeuerung mittels Biomassevergasung-Vorschaltanlage bei mit fossilen Brennstoffen befeuerten Kraftwerken (nach /11-83/)