Realisierung einer mit Biomasse befeuerten Mikro-Kraft-Wärme -Kopplung mit thermoelektrischem Generator

Abstract

Die energetische Nutzung fester Biomasse als CO2-neutrale Energiequelle ist ein Gebot der Stunde - selbst Skeptiker können den Klimawandel nicht mehr leugnen und die Preise fossiler Energieträger steigen ständig. Im kleinen und kleinsten Leistungsbereich liegt der Schwerpunkt derzeit bei der Wärmeerzeugung. Heizgeräte können durch entsprechende Technologien zur Stromerzeugung aufgewertet werden.<br />Technologien zur Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) stellen eine effiziente Möglichkeit der Energiebereitstellung dar, da die Abwärme von Prozessen zur Stromerzeugung genutzt wird. Im kleinen und kleinsten Leistungsbereich (Mikro KWK) werden thermoelektrische Generatoren (TEG oder auch Thermogeneratoren) für die Energieumwandlung von Wärme in Strom vorgeschlagen. Strom als Nebenprodukt der Wärmeerzeugung ermöglicht die unabhängige Eigen- und Fremdversorgung.<br />Das Ziel dieser Dissertation ist die optimale Kombination der Technologien Biomasseverbrennung und thermoelektrische Stromerzeugung zur gleichzeitigen Bereitstellung von Wärme und Strom im kleinen und kleinsten Leistungsbereich. Der Schwerpunkt liegt bei der gezielten Wärmeübertragung von den Verbrennungsgasen an einen Thermogenerator unter Sicherstellung einer vollständigen Verbrennung am Stand der Technik moderner Biomassekleinfeuerungen. Wichtige Nebenaspekte sind die Kühlung des Thermogenerators, die elektrische Integration und Verschaltung, das Ermöglichen von Inselbetrieb und das Erzielen einer wirtschaftlichen Lösung.<br />Ausgehend von den Grundlagen der Technologien Biomasseverbrennung und thermoelektrische Stromerzeugung werden die gegenseitigen Anforderungen und ein Konzept für die Systemintegration erarbeitet. Das Konzept wird in Form eines Prototyps realisiert und mit ersten Experimenten bestätigt. Die notwendige Voraussetzung für die Erzielung des angestrebten Inselbetriebs wird erreicht, die mögliche Stromerzeugung mit industriell verfügbaren thermoelektrischen Materialien liegt um ein Vielfaches über dem Eigenverbrauch der Feuerung inklusive dem Verbrauch der Umwälzpumpe für die Wärmeverteilung. Das Ergebnis dieser Arbeit ist die technische Umsetzung "Verbrennung und Wärmeübertragung mit 3 Zügen" als experimentell bestätigte technische Lösung für die Aufgabenstellung.<br />

The utilization of solid biomass as a CO2-neuteal energy source should be encouraged - even the sceptics can no longer deny the reality of climate change nor can it be ignored that the costs of fossil fuels are continuously increasing. Nowadays small-scale applications are focused on heat production. These heating devices can be upgraded with adapted technologies for electricity generation.<br />Technologies for combined heat and power generation (CHP) allow efficient energy conversion because the rejected heat from electricity generation is utilized. For small- and micro-scale applications (micro-CHP) thermoelectric power generation is a promising alternative.<br />The production of electricity in combination with heat production allows grid-independent energy supply to the heating device as well as the possibility to meet other electrical demands.<br />The aim of this dissertation is to explore the optimised combination of biomass combustion and thermoelectric power generation for combined heat and power generation systems in the range of small- and micro-scale applications. The main focus concerns the specific heat transfer from the flame and the combustion flue gas to the thermoelectric generator (TEG) while ensuring complete combustion of the fuel in state-of-the-art small-scale combustion systems. Other important aspects include the cooling of the thermoelectric generator and the integration of the system's electrical components. Furthermore, the achievements of grid-independent operation as well as the economic feasibility of the system as a whole are of great importance.<br />Based on the fundamentals of biomass combustion and thermoelectric power generation technologies the respective requirements as well as a concept for system integration were developed. The concept was realised with a prototype and verified in first experiments. Over the course of multiple experimental trials the necessary conditions for attaining grid-independent operation were achieved. The electricity production during these trials was found to be much more than the furnace's electrical consumption (including fuel delivery from storage and circulation of the heating water) with the use of industrial available thermoelectric materials.<br />The result of this thesis is the technical implementation of "combustion and heat transfer with 3 passes" (two changes of the direction of flow) as an experimentally validated solution for the task.