Neues Turbo-Material verbessert Wirkungsgrad von Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen

16.10.2015 Forscher an der Chalmers University of Technology in Schweden haben entdeckt, dass ein bestimmtes Material den Wirkungsgrad bei der Verbrennung von Abfällen und von Biomasse verbessert, mit signifikant reduzierten Betriebs- und Wartungskosten.

In Zusammenarbeit mit dem Energieversorger Eon haben die Forscher das Konzept bereits in einem Großkessel getestet und es hat sich bewährt. Die Ergebnisse machen Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) Technik sowohl aus Gewinn- und Klimasicht hochinteressant und eröffnen neue Perspektiven für die nächste Generation dieser Technik

Die Entdeckung, wie Sauerstoff transportierende Metalloxide "in zirkulierenden Wirbelschicht (CFB) Kesseln die Verbrennung beeinflussen, wurde direkt aus dem Labor in Rekordzeit in wirtschaftlicher Realität umgesetzt-

Im vergangenen Winter, von November 2014 bis Mai 201, haben die Forscher an der Chalmers University of Technology und Eon Langzeittests mit dem neuen Material in einer Kraft-Wärme-Kopplungsanlage (KWK) durchgeführt, in Händelöverket in Norrköping.

In einem von einer Reihe von fünf Kesseln, in 75 MW CFB Kesseln, wurde der Quarzsand, der normalerweise verwendet wird, durch das Ilmenit-basierte Bettmaterial ersetzt. Dieses Material in Form von Sand dient zum Ausgleich von Wärmeschwankungen und macht die Verbrennung des Kraftstoffs effizienter.

Das Eisen-Titan Mineral Ilmenit und andere Metalloxide haben einen klaren Vorteil gegenüber herkömmlichem Sand: sie transportieren Sauerstoff in der Brennkammer von Orten, wo es eine Fülle von Sauerstoff gibt, zu Orten, an denen eine Verarmung an Sauerstoff herrscht . Wenn sauerstofftragendes Bettmaterial innerhalb der Kammern mit dem Brennstoff zirkuliert wird, wird der Sauerstoff gleichmäßig verteilt.

"Das bringt eine Reihe von positiven Effekten, wie die in Norrköping abgeschlossenen Tests bestätigen. Die Verbrennung wird gleichmäßiger und effizienter. Das ergibt Gesamteffizienzsteigerungen des Kessels. Die Emission von Kohlenmonoxid wird radikal abgesenkt, was Probleme mit der Asche ebenfalls verringert", sagt Fredrik Lind, PhD am Institut für Energie und Umwelt und Projektkoordinator an der Chalmers University of Technology.

"Wir sind jetzt sicher, dass wir in der Lage sind, die Betriebs- und Wartungskosten in den meisten der Tausenden von Wirbelschicht-Brennkammer-Anlagen, die derzeit international im Einsatz sind, deutlich zu senken", sagt er.

Schnelle Kommerzialisierung und ein Gewinn für das Klima

Es ist zu früh, um über die exakten Gewinne zu spekulieren, aber es ist klar, dass die Gewinnspanne der einzelnen KWK Kessel damit deutlich verbessert wird.

Eon hofft, mit dem neuen Ilmenit-basierte Material in Norrköping heuer in zwei Kesseln zu starten - andere Projekte sind in Aussicht. Eon wird seine gesammelten Erfahrungen nutzen, um Service-Konzept anzubieten, das einen Übergang zu dem neuen Material ermöglicht.

"Das ist die größte Verbesserung, die ich je erlebt habe. Ein wenig wie das Platzieren eines Turbolader auf einem Prozess", sagt Bengt-Åke Andersson, Assistenz-Professor in der Verbrennungstechnik und Senior Specialist bei Eon, der bereits lange mit Wirbelschicht-Technologie gearbeitet hat.

"Einer der Vorteile ist, dass es ermöglicht, die Verbrennung von Brennstoffen, wie Abfälle zu verbessern. Dies könnte von entscheidender Bedeutung in der Zukunft sein, wenn wir unsere Klimaziele erreichen wollen", fügt Fredrik Lind hinzu.

Die Idee, die Metalloxide zu testen, hatte Professor Henrik Thunman aus einem anderen Projekt, wo Ilmenit als Katalysator verwendet wird, um Gas aus Teer im Biomassevergaser an der Chalmers University of Technology zu reinigen. Plötzlich fand er eine Lösung für ein Problem, das Forscher und Kesselhersteller für eine lange Zeit hatten: Wie kann unverbrannter Kraftstoff in einem kommerziellen Kessel vermieden werden? Die ersten wissenschaftlichen Ergebnisse wurden im Juni 2013 veröffentlicht. Seitdem wurde die Forschung in Richtung Implementierung in einer echten Anwendung beschleunigt.

"Dies zeigt, wie wichtig die eine kritische Masse an Forschern ist, und wie schnell es möglich ist, von Grundlagen- zu angewandten Ergebnissen zu kommen. Das Konzept ist ein Ableger von jahrezehntelanger Forschung, kombiniert mit den Erfahrungen, die wir im Rahmen von mehr als 10-15 Jahren in der Energietechnik gemacht haben", sagt Henrik Thunman.

Die Chalmers University of Technology arbeitet mit mehr als zehn globalen Unternehmen auf ähnliche Weise zusammen.

"Unsere Arbeit konzentriert sich immer auf spezifischen Herausforderungen der Nachhaltigkeit, das Systemdenken und erfordert die Verbindung mit Multi-verknüpfter Zusammenarbeit. Dies ermöglicht langfristige Herausforderungen zu lösen, Kern der spezifischen Kooperationsprojekte ist sowohl Forschung, als auch Ausbildung und Nutzung", sagt Stefan Bengtsson, Präsident und CEO der Chalmers University of Technology. "Diese Art der Zusammenarbeit zwischen der Technischen Hochschule Chalmers und unseren Industriepartnern begünstigt die Schaffung von neuem Wissen und einen raschen Innovationsprozess. Wir können erneuern und zusammen schneller sein. "

Die Ergebnisse der umfassenden Studien werden in Kürze wissenschaftlich veröffentlicht werden.

Text: Christian Borg
Übersetzung : OEKONEWS

Ilmenite – The Bed Material of the Future from Chalmers Univ. of Technology on Vimeo.