Biomassekessel: Optimierung der Brennwertnutzung

Heizanlagen, die mit Biomasse wie Holzpellets oder Hackschnitzeln betrieben werden, sind eine wichtige Option für die Wärmeversorgung und damit für die Energiewende im Wärmesektor. Der Brennstoff Holz steht nur begrenzt zur Verfügung. Umso wichtiger ist es, ihn für die Einspeisung von Energie in das Nahwärmenetz vor Ort möglichst effizient zu nutzen. Ein Forschungsteam der Fakultät für Versorgungs- und Gebäudetechnik der Hochschule München (HM) hat dazu im Projekt „Brennwertnutzung an Biomassekesseln mittels angekoppelter Sorptionswärmepumpe“ (Brebisorp) ein System entwickelt, das die Brennwertnutzung für Biomassekessel optimiert. Durch Einsatz einer thermisch angetriebenen Wärmepumpe können auch größere Anlagen, die oftmals Wärmenetze mit höheren Rücklauftemperaturen versorgen, von dieser Brennwerttechnik profitieren. Damit erzielen sie eine deutlich bessere Energieausbeute. 

Biomassekessel effizienter betreiben

Das Forschungsteam um Prof. Dr. Christian Schweigler vom Forschungsinstitut für energieeffiziente Gebäude und Quartiere (CENERGIE) verfolgt dazu den Ansatz der Brennwertnutzung in Verbindung mit einer Wärmepumpe. Das heiße Rauchgas von circa 140 °C, das nach dem Verbrennungsvorgang aus dem Heizkessel austritt, wird auf bis zu 25 °C abgekühlt. Dabei kommt es zum Unterschreiten des Taupunktes, der Wasserdampf kondensiert und gibt Wärme ab. 

Damit dieser zusätzliche Energiegewinn aus dem Abgas möglich wird, muss die Rücklauftemperatur im Heizsystem deutlich unterhalb des Taupunkts liegen. Viele Nahwärmenetze haben jedoch Rücklauftemperaturen um 50 °C. Um diese Temperaturdifferenz zu überbrücken, setzen die Forscher eine Wärmepumpe ein. Diese hebt das niedrige Temperaturniveau an, um die aus dem Abgas gewonnene Wärme in das Wärmenetz einspeisen zu können.

„Je nach Brennstoffgehalt bewirkt unser Konzept eine Wirkungsgradsteigerung um bis zu 30 %. Damit kann gut ein Fünftel des Biomassebrennstoffs eingespart werden“, sagt Schweigler.

Optimierter Einsatz der Wärmepumpe 

Im Rahmen des Forschungsprojektes entwickelt HM-Doktorandin Tina Hermann eine angepasste Absorptionswärmepumpe, die eine besondere Kreislaufführung verwendet. Die Antriebswärme für die Wärmepumpe wird aus dem Biomassekessel abgezweigt und geht nicht für die Wärmenutzung verloren.  Der Einsatz einer Absorptionswärmepumpe ist besonders attraktiv, da sie im Vergleich zur Kompressionswärmepumpe einen geringen Strombedarf aufweist.

„Bei der aktuellen Entwicklung wird der Kreislauf der thermisch angetriebenen Wärmepumpe nach dem sogenannten Thermosiphon-Prinzip ausgeführt. Der Verdampfer wurde für den Betrieb mit geringen Kältemittelmengen optimiert. Damit konnten wir auf mechanische Umwälzpumpen innerhalb der Wärmepumpe verzichten“, sagt Hermann.

Durch den besonderen Aufbau der Wärmepumpe ist ein robuster Betrieb mit geringem Wartungsaufwand möglich. Künftig soll diese angepasste Absorptionswärmepumpe als Zusatzgerät Biomassekessel in großen Stückzahlen ergänzen. 

Vom Modell zum Versuchsaufbau

Nach dem Bau des Modellsystems im Labor erfolgt im nächsten Schritt der Aufbau einer Versuchsinstallation beim Projektpartner Scherdel Energietechnik in Marktredwitz, um den Betrieb mit einem Hackschnitzelheizkessel zu erproben. Ziel des Forschungsprojektes ist es, weiter an einer technisch und wirtschaftlich möglichst günstigen Kopplung der Wärmepumpe für verbesserte Brennwertnutzung an Biomassekesseln zu forschen.

Lesen Sie auch: Biomasseheizwerk: Malchin heizt mit Heu vom Moorbauern