Zusätzliche Stromerzeugung in der erneuerten Energiezentrale

Mit einer neuen Holzvergasungsanlage zu Wärme und Strom

Für Romande Energie, als bedeutender Stromlieferanten der Westschweiz, war die Erneuerung der Energiezentrale des Fernwärmenetzes in Charmey Anlass genug, um auch eine Stromproduktion zu realisieren. Mit der Holzvergasung und einer Wärme-Kraft-Kopplung konnte das Vorhaben erfolgreich umgesetzt werden.
 

 

Dank der Wahl zugunsten von Holzvergasungsanlagen kann in den Wärmezentralen der Fernwärme-Netze von Puidoux und Charmey heute zusätzlich Strom produziert werden. Das erzeugte Holzgas wird in Gasmotoren mit angeschlossenen Generatoren genutzt. Damit konnte in diesen Energiezentralen ein flexibler, bedarfsgeführter Betrieb von Wärme und Strom realisiert werden. Für Giulio Caimi, Projektleiter, steht fest: «Mit der Expertise und dem Know-how der Romande Energie Services kann die Nutzung erneuerbarer Energien und lokaler Energieträger erfolgreich umgesetzt werden.»

Mit Holzschnitzel der Umgebung Wärme und Strom erzeugen
In Charmey musste die ursprüngliche Holzenergiezentrale mit drei Kesseln, die den bisherigen Netzverbund mit Wärme versorgte, ersetzt werden. Romande Energie, mit über 300’000 Endkunden in fast 300 Gemeinden einer der bedeutendsten Stromlieferanten der Westschweiz, hat sich im Rahmen der Erneuerung entschieden, eine zusätzliche Stromerzeugung zu realisieren. Kombinierte Wärme- und Stromerzeugung sind vor allem für den erhöhten winterlichen Strombedarf von Vorteil. Fest stand hingegen die Fortführung der Nutzung von Holzschnitzel, die auf einer regional verankerten Versorgungsbasis beruht. Deshalb wurde die Evaluation der Holzvergasungstechnik mit Wärme-Kraft-Kopplung und einer ORC-Technik (Organic Rankine Cycle), also Dampfturbinen-Technologie mit einem anderen Arbeitsmedium als Wasserdampf, durchgeführt.

Überzeugende Wirkungsgrade eines Blockheizkraftwerks (BHKW) führten schliesslich zur Wahl eines Gasmotors als primärer Stromerzeuger. Doch auch die Holzvergasungs-Technik bot wesentliche Vorteile gegenüber der reinen Holzfeuerung, denn sie eignet sich zur direkten Verarbeitung von waldfrischen, also noch feuchten Holzschnitzeln, welche optimale Prozessbedingungen gewährleisten. Mit dem gewählten Gegenstrom-Vergasungsprinzip wird keine Trocknung mehr benötigt, dies im Gegensatz zum Gleichstomvergaser. Mit der Vergasung von Holz entfällt auch die aufwändige Rauchgasreinigung, denn die Verbrennung von Holzgas ist deutlich sauberer als das normale Verbrennen von Holz. Auch die üblichen Massnahmen bei der Holzverbrennung, also Reduktion der Partikelemissionen usw., entfallen.

Bei der Nutzung des Holzgases werden eine Kondensationsanlage und ein Nasselektrofilter verwendet, bevor es direkt im Gasmotor eingesetzt wird. Anderseits kann beim Vergasungsprozess parallel sowohl Pyrolysegas und – in Kombination mit einem Gaskühler – ein vorwiegend aus Teerverbindungen bestehendes Pyrolyseöl erzeugt werden, das sich ebenfalls zur Energieerzeugung nutzen lässt.

Der Wirkungsgrad des Gegenstrom-Festbettvergasers, eines Kombi-Power-Systems der deutschen ReGaWatt GmbH, liegt bei rund 85 Prozent. «Leistungsvermögen, Dimensionen und Betriebsweise eignen sich ideal für die hier vorliegende Grösse des Fernwärmenetzes. Zudem sind die einzelnen Phasen der Vergasung, Trocknung, Pyrolyse, Reduktion mit der Freisetzung der gewünschten Gase sowie die Oxidation bestens untersucht. Als ausgebildeter ETHZ-Physiker hatte ich stets grosses Interesse an solchen Vorgängen», sagt Giulio Caimi.

Während die Anlage in Puidoux bereits 2018 in Betrieb genommen werden konnte und jährlich rund 7.2 GWh Wärme ins Netz speist, ist die Zentrale in Charmey etwas grösser dimensioniert, erbringt über 11 GWh, wurde jedoch erst Ende 2019 gestartet, um die Erfahrungen von Puidoux einfliessen zu lassen. Die Gemeinde Charmey unterstützt diese Erneuerung der Wärmeversorgung durch ihre partnerschaftliche Zusammenarbeit und durch ihre Bereitschaft, weiterhin durch die Holzvorkommen in der nächsten Umgebung eine erneuerbare Energiequelle anbieten zu können. Die Holzschnitzel werden im bestehenden Lager angeliefert und gelangen nach Bedarf auf das Förderband zum Vergaser. Kleine Holzpartikel werden dabei ausgesiebt und anschliessend gepresst, um die Vergasereinheit mit einer optimalen Schnitzelgrösse beschicken zu können.

 

Kombinierte Nutzung des erzeugten Holzgases
Der installierte Gasmotor Typ Jenbacher 416 arbeitet mit 16 Zylindern und erreicht eine elektrische Leistung von 770 kW und eine thermische Leistung von fast 900 kW. Dank Turbolader ist ein Betrieb mit höherer Lufteinlasstemperatur und an einem höher gelegenen Standort begünstigt, was in Charmey auf fast 900 Meter ü.M. bedeutsam ist. Mit vier Zylinderkopfventilen, die nach optimierten Strömungssimulationen ausgelegt sind, ergeben sich geeignete Kühl- und Verdichtungsvoraussetzungen.

Aufgrund der prozesstechnischen Kombination von Gasmotor und Gaskessel, die beide von der Holzvergasungsanlage gespiesen werden, können flexible Fahrweisen ermöglicht werden. Wird nur Wärme benötigt, beispielsweise tagsüber im Sommer, kann ein Minimum an thermischer Leistung von 430 kW geregelt werden. Wird Wärme und ein Maximum an Strom benötigt, so erreicht man beispielsweise 1151 kW mit 85 °C und 382 kW mit 60 °C, während 770 kW Stromleistung bereitstehen. Wird ein Maximum an Wärme benötigt, können rund 2600 kW thermische Leistung erreicht werden. Zwei gross dimensionierte Pufferspeicher (Swiss Solartanks mit je 75 m3 Inhalt) dienen zur weiteren Flexibilisierung der Wärmeerzeugung.

Die Anlage in Charmey lässt sich also optimal den Erfordernissen des lokalen Wärmenetzes anpassen. Dabei bildet die Bäderanlage – Bains de la Gruyère – einen wichtigen Wärmeabnehmer. Giulio Caimi bestätigt: «Dabei haben wir die Gelegenheit genutzt, weil die Bäder eine tiefe Temperatur erzeugen können, das Netz mit drei Rohren zu realisieren, damit das kalte Wasser von den Bädern eine optimale Energieausnutzung im Kraftwerk ermöglicht. Dafür haben wir im Kesselhaus eine Kondensationsanlage gebaut, welche die Energieffizienz auf über 100 Prozent erhöht.»

Aufgrund der Erneuerung der Energiezentrale steht auch genügend Leistung für einen Netzausbau zur Verfügung. Dieser wurde bereits in Richtung des Ortskerns realisiert. Die Vorlauftemperatur beträgt 90 °C, der Rücklauf 60 °C. Die frühere, ungünstige Wärmeversorgung der Bäder mit zu hohen Vorlauftemperaturen konnte durch den Ausbau des Netzes verbessert werden, indem diese Anlagen nun mit dem kühleren Rücklauf bedient wird. Insgesamt bietet die neue Energiezentrale genügend Kapazitäten für einen weiteren Netzausbau.

Giulio Caimi sagt: «Die Grundlast des Wärmenetzes wird durch die Kombination von Gasmotor und Gaskessel abgedeckt. Danach folgt für rund die Hälfte der Betriebsstunden der Einsatz der Rauchgaskondensation und als Spitzenlastdeckung bzw. Notreserve dient ein Heizölkessel.» Sowohl die neue Anlage in Puidoux als auch jene in Charmey sind im Rahmen einer Optimierungsphase justiert worden, wodurch das Personal mit der komplexen Anlage weiter vertraut werden konnte.

Informationen:
Giulio Caimi
Leiter Fernwärme
Romande Energie Services SA
1028 Préverenges

giulio.caimi@romande-energie.ch
www.romande-energie.ch