Lehrbuch Energie Aus Biomasse

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LEHRMATERIAL

ENERGIE AUS BIOMASSE Herausgeber: Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e. V. (FNR) Hofplatz 1 • 18276 Gülzow Tel.: 0 38 43 / 69 30 - 0 Fax: 0 38 43 / 69 30 - 1 02 E-Mail: [email protected] http: //www.fnr.de Alle Rechte, auch die der fotomechanischen Vervielfältigung und des auszugsweisen Nachdrucks, vorbehalten durch Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e. V. Gefördert durch das ALTENER II-Programm der Europäischen Kommission, Vertragsnummer 4.1030/C/00-016/2000. Die Europäische Kommission ist für die Inhalte der Veröffentlichung und ihre Nutzung nicht verantwortlich. April 2002

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ENERGIE

Vorwort

AUS BIOMASSE

Liebe Interessenten, Biomasse kann aufgrund seiner vielfältigen Erscheinungs- und Umwandlungsformen sowohl als Brennstoff zur Wärme- und Stromgewinnung oder als Treibstoff eingesetzt werden. Die energetische Nutzung von Biomasse birgt zudem nicht zu verachtende Vorteile. Zum einen wegen des Beitrags zum Klimaschutz aufgrund der CO2 -Neutralität oder einfach, weil Biomasse immer wieder nachwächst und von fossilen Ressourcen unabhängig macht. All den bisher erschlossenen Möglichkeiten der energetischen Nutzung von Biomasse möchte dieses Lehrbuch Rechnung tragen. Es zeigt aber auch die Grenzen auf, die mit der Energieversorgung durch Bioenergie einhergehen. Hohe Kosten und ein erhebliches Informationsdefizit behinderten bisher eine verstärkte Nutzung dieses Energieträgers. Letzterem soll dieses Lehrbuch entgegenwirken. Das vorliegende Lehrbuch wurde für die Aus- und Weiterbildung erstellt. Es richtet sich vor allem an angehende Land- und Forstwirte, Umwelttechniker, Heizungsbauer und Schornsteinfeger, ist aber auch für all diejenigen interessant, die das Thema „Energie aus Biomasse“ verstehen und überblicken möchten. Das Lehrmaterial ist so konzipiert, dass auch einzelne Kapitel separat behandelt werden können. Natürlich ließen sich nicht alle Themenbereiche erschöpfend darstellen. Für eine tiefergehende Betrachtung gibt das Literaturverzeichnis die entsprechenden Anregungen. Das Lehrbuch „Energie aus Biomasse“ wurde aus dem ALTENER II-Programm der Europäischen Kommission gefördert und von der Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe (FNR) für Deutschland sowie der Biomass Technology Group (BTG) für die Niederlande zusammengestellt.

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Energie aus Biomasse – Ein Lehrmaterial

Inhalt

ENERGIE AUS BIOMASSE

1. Einführung 1.1 1.2 1.3

Entwicklung des Energieverbrauchs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 Regenerative Energieträger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 Biomassepotenziale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2. Energetisch verwertbare Biomassen 2.1 2.2 2.3 2.4

2.5

Definition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Biogene Festbrennstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Holzartige Biomasse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Energiepflanzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4.1 Anbau von Biomasse zur Erzeugung von Festbrennstoffen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4.2 Nutzung pflanzlicher Öle als Brenn- und Kraftstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Erzeugung von Biogas aus Biomasse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

12 12 13 14 14 18 20

3. Eigenschaften der Biomasse 3.1

3.2

Brennstoffeigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.1 Elementare Zusammensetzung der Biomasse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.2 Brennwert und Heizwert . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.3 Feuchtigkeitsgehalt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.4 Aschegehalt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.5 Schüttdichte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.6 Emissionsverhalten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Umweltrelevante Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.1 Ökologische Vorteile von biogenen gegenüber fossilen Energieträgern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.2 Ökologische Nachteile biogener Energieträger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

22 23 23 25 26 26 27 28 29 31

4. Aufbereitung, Lagerung und Transport 4.1

4.2

4.3

Feste Biomasse: Nachernte- und Aufbereitungsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.1 Größeneinteilung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.2 Trocknungsverfahren und –technologien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.3 Verdichtungsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.4 Lagerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.5 Transporttechnologien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.6 Zusammenhänge zwischen allen Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.7 Erfordernisse und Möglichkeiten der Normung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Flüssige Bioenergieträger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.1 Rapsöl und RME . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.2 Agraralkohol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Biogas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

34 35 36 36 38 40 41 42 42 42 47 48

5. Energetische Nutzung 5.1

5.2

Erzeugung von Wärme aus fester Biomasse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1.1 Kleinanlagen zur Wärmegewinnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1.2 Großanlagen zur Wärmegewinnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Erzeugung von Wärme und Strom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.1 Funktionsweise einer Kraft-Wärme-Kopplungsanlage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.2 Weitere Strom- und Wärmeerzeugungstechniken (teilweise noch in Erprobung) . . . . . . . . . 5.2.3 Wärmeerzeugung aus flüssigen Bioenergieträgern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.4 Nutzung von Biogas zur Wärme- und Stromerzeugung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Energie aus Biomasse – Ein Lehrmaterial

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50 51 59 65 65 67 71 72

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ENERGIE

Inhalt

AUS BIOMASSE

5.3

Biomassenutzung als Treibstoff . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3.1 Rapsöl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3.2 Rapsölmethylester (RME) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3.3 Ethanol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3.4 Methanol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3.5 Biogas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

73 74 74 75 76 76

6. Kosten und Wirtschaftlichkeit 6.1 6.2

6.3 6.4 6.5 6.6 6.7

Anlagenkosten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.1.1 Beispiel Holzfeuerungsanlagen für ein Einfamilienhaus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Brennstoffkosten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2.1 Brennstoffkosten für Stroh . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2.2 Brennstoffkosten für Holz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2.3 Brennstoffkosten für Energiepflanzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wärmegestehungskosten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Berechnungsbeispiel zu Leistung und Wirtschaftlichkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Berechnung des Heizholzbedarfs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wirtschaftlichkeit von Biogasanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Finanzierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

78 79 80 81 82 83 83 86 88 90 90

7. Politische Rahmenbedingungen 7.1 7.2 7.3 7.4 7.5 7.6 7.7

Marktanreizprogramm erneuerbare Energien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gesetz über den Vorrang erneuerbarer Energien, Biomasseverordnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Freistellung von der Mineralölsteuer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Markteinführungsprogramm biogene Treib- und Schmierstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Förderprogramm nachwachsende Rohstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Länderförderung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Förderprogramme der Europäischen Union . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

92 93 94 94 95 95 95

8. Entwicklung von Bioenergieprojekten 8.1

8.2

Von der Idee bis zur Umsetzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 8.1.1 Wesentliche Inhalte der Projektskizze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 8.1.2 Phasen der Umsetzung eines Projektes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 Beispiele für erfolgreich realisierte Projekte in Deutschland . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 8.2.1 Strohheizwerk Schkölen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 8.2.2 Holzheizwerk Verden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 8.2.3 Biomasseheizwerk Sulzbach-Rosenberg . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 8.2.4 Biomasseheizwerk Immenstadt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104

9. Anhang 9.1 9.2 9.3

Glossar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 Übersichten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 Umrechnungstabellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116

10. Literaturliste und Liste nationaler Kontakte 10.1 10.2 10.3 10.4 10.5

4

Für dieses Buch verwendete Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Informationsstellen zur Bundes- und Landesförderung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Beratung und Information . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Weitere ausgewählte Kontaktadressen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Energieagenturen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Energie aus Biomasse – Ein Lehrmaterial

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1. Einführung

ENERGIE AUS BIOMASSE

ENERGIE

1. Einführung

AUS BIOMASSE

1. Einführung 1.1 Entwicklung des Energieverbrauchs Seit Beginn der Industrialisierung im 19. Jahrhundert galt die Energieumwandlung als Motor der wirtschaftlichen Entwicklung. Die Energieträger standen dabei in Form von Stein- und Braunkohle preisgünstig und in großer Menge zur Verfügung. Anfang des 20. Jahrhunderts kamen Erdöl und Erdgas als weitere Energieträger hinzu. In den sechziger Jahren wurden zudem zahlreiche Kernkraftwerke gebaut. Der bis in das 19. Jahrhundert wichtigste Energieträger Holz verlor gleichzeitig zumindest in den Industriestaaten an Bedeutung. Die Überzeugung, Energieträger ständen unbegrenzt und zu niedrigen Kosten zur Verfügung, wurde durch die Ölkrisen 1973 und 1980 erheblich erschüttert. Die Krisen verdeutlichten auch die Endlichkeit der Vorräte. Zudem wurde die Zunahme des Kohlendioxids (CO2) in der Atmosphäre, die durch die Verbrennung von fossilen Energieträgern entsteht, als Gefahr für das Klima der Erde erkannt. Die Risiken der Kernenergie machte nicht nur der Fall Tschernobyl deutlich. Auf absehbare Zeit wird der Energiebedarf wesentlich stärker als die Weltbevölkerung steigen, weil der spezifische Bedarf je Einwohner ebenfalls stark zunimmt. Bis zum Jahr 1950 kam die Welt noch mit etwa 2 Mrd. Steinkohleeinheiten (SKE) pro Jahr aus. 50 Jahre später, im Jahr 2000, wurde mehr als die sechsfache Menge (über 12 Mrd. SKE) verbraucht, obwohl die Weltbevölkerung sich lediglich verdreifachte. Der spezifische Energieverbrauch pro Kopf und Jahr verdoppelte sich also.

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ENERGIE

1. Einführung

AUS BIOMASSE

Entwicklung von Weltenergieverbrauch und Weltbevölkerung

Folie

1.1 Mrd. t SKE *

16

Kernenergie Wasser und andere Erdgas Stein- und Braunkohle Erdöl Weltbevölkerung

14 12 Ölkrise

10 8

2. Weltkrieg Bevölkerungsentwicklung in Mrd. 10 5

6

Weltwirtschaftskrise

4

1. Weltkrieg und Folgen

2

1880 1890 1900 1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 * Mrd. t SKE = Milliarden Tonnen Steinkohleneinheiten Quelle: Preussen Elektra aus Rainer Marutzky, Klaus Seeger: „Energie aus Holz und anderer Biomasse“, 1999, DRW-Verlag

Entwicklung von Weltenergieverbrauch und Weltbevölkerung

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Folie 1.1

Die Vorräte der sogenannten fossilen Energieträger Kohle, Erdöl und Erdgas sind jedoch endlich. Das heißt, irgendwann werden sie verbraucht sein. Betrachtet man weltweit das Verhältnis der gegenwärtigen Förderung und der derzeit wirtschaftlich gewinnbaren Vorräte dieser Energieträger, wird Erdöl noch etwa 42 Jahre und Erdgas etwa 65 Jahre reichen. Verschiedene Faktoren könnten diese Prognose zwar

6

Energie aus Biomasse – Ein Lehrmaterial

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1. Einführung

AUS BIOMASSE

beeinflussen, doch unzweifelhaft ist ein Ende der öl- und gasbasierenden Energienutzung im 21. Jahrhundert absehbar. Den regenerativen Energien kommt daher eine wachsende Bedeutung zu. Schon jetzt müssen wir im Rahmen des sogenannten Energiemix alle Möglichkeiten nutzen, erneuerbare Energien verstärkt auszuschöpfen. Je früher damit begonnen wird Technologien zu entwickeln, um fossile Energieträger zu ersetzen, desto mehr Chancen eröffnen wir der zukünftigen Energieversorgung.

1.2 Regenerative Energieträger Derzeit werden mehr als 70 % der Weltenergieversorgung durch fossile Energieträger gedeckt. Deren Nutzung führt nicht nur zu einer CO2 -Anreicherung der Atmosphäre, auch die Förderung der fossilen Energieträger ist mit zahlreichen Umweltbelastungen verbunden. Auch die Kernenergie, mit der zurzeit etwas mehr als 10 % des globalen Energiebedarfs gedeckt werden, bietet keine Zukunft, solange nicht zu verachtende Risiken bei der Nutzung gegeben und die Fragen der Entsorgung der radioaktiven Rückstände ungelöst sind. Als langfristige Alternative verbleibt somit nur die verstärkte Nutzung sogenannter regenerativer Energien.

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1. Einführung

AUS BIOMASSE

Folie

1.2 Regenerative Energien – auch erneuerbare Energien genannt – sind Energieträger/-quellen, die ständig verfügbar sind, sich erneuern bzw. nachwachsen und somit nach menschlichem Ermessen unerschöpflich sind. Hierzu gehören: Regenerative Energien

Biomasse Wind- und Wasserkraft Solarenergie Gezeitenenergie Geoenergie

Folie 1.2

Derzeit nutzbar sind hauptsächlich Biomasse als Energieträger, Wasserkraft sowie die Windenergie. Solar-, Gezeiten- und Geoenergie haben bisher weltweit gesehen nur eine geringe Bedeutung. Die folgende Grafik zeigt den Anteil der regenerativen Energien in Europa.

Energie aus Biomasse – Ein Lehrmaterial

7

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1. Einführung

AUS BIOMASSE

Anteil der erneuerbaren Energieträger am Gesamtenergieverbrauch der EU-Mitgliedstaaten

25

20

15

10

1989

Niederlande

Belgien

Luxemburg

Portugal

Dänemark

Finnland

Irland

Italien

Deutschland

Frankreich

Spanien

Griechenland

Österreich

0

Großbritannien

5

Schweden

1996

Weltweit decken regenerative Energien etwa 17 % des Primärenergieverbrauchs ab. Zwei Drittel davon sind nicht kommerziell genutztes Brennholz und andere Biomassen, ein weiteres Drittel kommt aus Wasserkraft.

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1. Einführung

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Primärenergieverbrauch nach Energieträgern in Deutschland (1999)

Folie

1.3 Steinkohle

Mineralöl

13,3 %

39,4 %

Braunkohle 10,3 %

Naturgas

Sonstige

21,5 %

(z.B. Biomasse)

1,7 %

Kernenergie 13,0 %

Wasser- und Windkraft 0,6 %

Quelle: „Energiedaten 2000“, 2000, BMWi

Folie 1.3

8

Energie aus Biomasse – Ein Lehrmaterial

Primärenergieverbrauch nach Energieträgern (1999)

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1. Einführung

AUS BIOMASSE

1.3 Biomassepotenziale In Europa leistet Biomasse einen maßgeblichen Beitrag zur Energieproduktion. In dicht besiedelten Ländern, wie Deutschland und den Niederlanden, ist der Anteil der Biomasse zur Energiegewinnung gering, während in Ländern mit einem hohen Waldvorkommen, wie Finnland, Österreich und Schweden, der Beitrag relativ hoch ist. Die folgende Übersicht zeigt den Anteil der Biomasse am Gesamtenergieverbrauch in den Mitgliedsstaaten.

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1. Einführung

AUS BIOMASSE

Anteil der Biomasse am Gesamtenergieverbrauch

Folie

1.4 25 % 20 % 15 %

Anteil der Biomasse am Gesamtenergieverbrauch

10 %

Niederlande

Luxemburg

Belgien

Deutschland

Irland

Italien

Frankreich

Spanien

Dänemark

Griechenland

Portugal

Österreich

Schweden

Finnland

0%

Großbritannien

5%

Quelle: M. Kaltschmitt und L. Dinkelbach, „Biomass for energy“ in „Biomass Gasification in Europe“, . European Commission, Luxemburg, 1998

Folie 1.4

Trotz der gegenwärtigen Biomassenutzung für die Energieproduktion oder für andere Zwecke, wie zur Herstellung von Papier oder Spanplatten, ist in den meisten Ländern noch ein großes unausgeschöpftes Biomassepotenzial für die Energiegewinnung vorhanden. Deutschland Die Grafik zeigt, dass Deutschland im europäischen Vergleich eher zu den Staaten zählt, in denen Biomasse zu einem geringen Anteil genutzt wird. Bezogen auf den fossilen Primärenergieanteil werden in Deutschland 1,4 % der Gesamtenergienachfrage durch Energie aus Biomasse abgedeckt. Würde Biomasse keinen Beitrag leisten, müssten jährlich rund 200 PJ mehr an fossilen Energieträgern eingesetzt werden. Einer stärkeren Nutzung steht seitens der Brennstoffverfügbarkeit jedoch nichts im Wege. Bei der Abschätzung des Biomassepotenzials für Deutschland für den energetischen Bereich ist zwischen Rückstands- und Abfallbiomasse einerseits und speziell angebauten Energiepflanzen andererseits zu unterscheiden. Biomasse aus der Landwirtschaft sind vor allem Getreidestroh, Grünpflanzenrückstände sowie holzartige und tierische Abfälle. In der Forst- und Holzwirtschaft sind es große Mengen von Holzreststoffen, die energetisch verwertet werden können. Als dritte größere Quelle stehen organische Reststoffe des Haus- und Industriemülls zur Verfügung.

Energie aus Biomasse – Ein Lehrmaterial

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ENERGIE

1. Einführung

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Die folgende Grafik veranschaulicht, dass Biomasse unter den regenerativen Energieträgern in Deutschland das weitaus größte Potenzial besitzt. ©

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1. Einführung

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Potenziale regenerativer Energien in Deutschland (Abschätzung)

Folie

1.5 41,05 22,5 14,4 Angaben in Mrd. kWh

12,0 20,8 Wasser 12,3 Müll (Kommunaler) 2,3 Wärmepumpen

11,5 4,0 31,5

Biomassen-Rohstoffe (vorwiegend Holz)

0,6

1,7 Wind 0,7 Sonnenkollektoren

0,004

1995

im Jahr 2005

Photovoltaik

Quelle: Deutsches Institut für Wirtschaftsforschung aus Broschüre „Biomasse-nachwachsende Energie aus Land- und Forstwirtschaft“, 1997, C.A.R.M.E.N., CMA, FNR

Potenziale regenerativer Energien in Deutschland (Abschätzung)

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Folie 1.5

Durch die insgesamt vorhandene Biomasse könnten etwa 5 % des derzeitigen fossilen Energieeinsatzes in Deutschland nachhaltig ersetzt werden. Zusammengenommen betrachtet sind damit durchaus noch erhebliche Möglichkeiten einer verstärkten Nutzung der Biomasse gegeben. Zudem kann Biomasse zur Verminderung der CO2–Belastung beitragen, weil sie in der Gesamtbilanz vom beginnenden Wachstum bis zum Ende des Verbrennungsprozesses als weitgehend CO2-neutral anzusehen ist. Während des Pflanzenwachstums wird Kohlendioxid aus der Luft in Sauerstoff umgewandelt. Exakt diese Menge CO2 wird bei der energetischen Nutzung wieder an die Umgebung abgegeben. Große Wald- und Pflanzenflächen sind somit gleichermaßen CO2 -Senken und Sauerstoffproduzenten.

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ENERGIE

1. Einführung

AUS BIOMASSE

Folie

1.6

Vorteile der Biomassenutzung zur Energiegewinnung schont fossile Rohstoffvorräte ist weitgehend CO2- neutral fördert die Stabilität ländlicher Räume verbessert das Einkommen in der Land- und Forstwirtschaft

Folie 1.6

10

Energie aus Biomasse – Ein Lehrmaterial

2. Energetisch verwertbare Biomasse

ENERGIE AUS BIOMASSE

ENERGIE

2. Energetisch verwertbare Biomasse

AUS BIOMASSE

2. Energetisch verwertbare Biomassen Von Restholz oder Dung zu Energiepflanzen wie Miscanthus oder Energiegetreide gibt es viele unterschiedliche Biomasse-Rohstoffe, die für die Energiegewinnung genutzt werden können. Ihre Eigenschaften und die weite Verbreitung machen Biomasse für die Energieerzeugung interessant.

2.1 Definition

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ENERGIE

2. Energetisch verwertbare Biomasse

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Folie

2.1 Biomasse Biomasse wird durch Photosynthese, also durch direkte Umwandlung von Sonnenlicht in Energie gebildet. Die Primärreaktion ist dabei die Umwandlung von Kohlendioxyd und Wasser in Kohlenhydrate und Sauerstoff. 6 CO2 + 6 H2O ------ Sonnenlicht ------ > C6H12O6 + 6 O2 Unter Biomasse wird die Gesamtmasse der in einem Lebensraum vorhandenen Lebewesen verstanden, also alle Stoffe organischer Herkunft. Definition

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Folie 2.1

Zur Biomasse zählen Pflanzen, Tiere, ihre Abfall- und Reststoffe sowie im weiteren Sinne auch die durch Umwandlung entstehenden Stoffe wie Papier und Zellstoff sowie organische Haus-, Gewerbe- und Industrieabfälle. Hinzu kommen die bei der Verrottung oder durch bakterielle Umsetzungsprozesse organischer Substanzen entstehenden Biogase. Bezogen auf die energetische Nutzung land- und forstwirtschaftlicher Rohstoffe versteht man unter Biomasse in erster Linie cellulose-, stärke-, öl- und zuckerhaltige Pflanzen und Pflanzenteile sowie tierische Abfallstoffe. Biomasse kommt in festem, flüssigen oder gasförmigem Zustand vor. Sie kann energetisch als Brennoder Kraftstoff eingesetzt werden.

2.2. Biogene Festbrennstoffe Zur Energiegewinnung sollte Biomasse genutzt werden, die für höherwertige Verwendungsmöglichkeiten weniger geeignet ist. Beispielsweise könnten gefällte Bäume, passend zugeschnitten, direkt als Brennstoff dienen. Holz ist jedoch ein sehr wertvolles Material, das als Baumaterial in der Holzindustrie bessere wirtschaftliche Verwendung findet. Es kann später in Form von Abrissholz als Brennstoff dienen. Aber auch die Rückstände der holzverarbeitenden Industrie, wie Rinde, Sägemehl und Restholz, können so genutzt werden. Sollte nicht genug Biomasse auf diese Art verfügbar sein, bieten Energiepflanzen eine sinnvolle Ergänzung.

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Energie aus Biomasse – Ein Lehrmaterial

ENERGIE

2. Energetisch verwertbare Biomasse

AUS BIOMASSE

Die folgende Abbildung zeigt eine Übersicht der biogenen Festbrennstoffe. ©

ENERGIE

2. Energetisch verwertbare Biomasse

AUS BIOMASSE

Biogene Festbrennstoffe

Folie

2.2 Biogene Festbrennstoffe

Rückstände Waldrestholz Landschaftspflegeholz Industrierestholz Abriss- und Gebrauchtholz

Energiepflanzen Schnellwachsende Baumarten

Halmgutartige Biomasse

Rückstände Stroh

Energiepflanzen

Biogene Festbrennstoffe

Holzartige Biomasse

Energiegetreide Chinaschilf (Miscanthus) Raps Sonnenblume Hanf Mais

Folie 2.2

2.3 Holzartige Biomasse Holzartige Rückstände, die energetisch genutzt werden können, fallen in verschiedenen Bereichen der Volkswirtschaft an. Die einzelnen Möglichkeiten werden im folgenden beispielhaft dargestellt: Waldpflegeholz Waldpflegeholz entsteht, wie der Name schon sagt, bei der Waldpflege, wenn ausgesuchte Bäume gefällt werden, um Platz für andere Bäume zu schaffen. Da nicht das gesamte dabei anfallende Holz in der Holz- oder Papierindustrie verwertet werden kann, werden diese Reste meistens im Wald zurückgelassen. Das Waldpflegeholz kann jedoch ohne ökologische Risiken entfernt werden, wenn Laub, Nadeln und Früchte im Wald verbleiben, da sie die meisten Nährstoffe enthalten. Landschaftspflegeholz Landschaftspflegeholz ist holzige Biomasse, die bei der Pflege öffentlicher Gärten und Parks anfällt. Da Landschaftspflegeholz oft als Abfall angesehen wird, ist es eine relativ günstige Quelle für die BiomasseEnergiegewinnung. Gesondert oder auch mit anderen Biomassequellen wie Holzrückständen kann es für die Energieerzeugung genutzt werden. Industrieholz-Rückstände Das Abfallholz aus der holzverarbeitenden Industrie wird teilweise wiederverwendet, z. B. für die Produktion von Spanplatten. Der Hauptteil aber findet seinen Einsatz in der Energieproduktion. Die erzeugte Wärme wird teilweise direkt vor Ort genutzt, z. B. zum Trocknen von Holz, als Raumwärme oder für das Erhitzen von Wasser. Abriss- und Gebrauchtholz Auch Abrissholz von Gebäuden und Holzprodukte wie Paletten und Möbel können zur Energiegewinnung verwendet werden. Im Gegensatz zu den Industrieholz-Rückständen sind sie jedoch oft mit Schadstoffen, wie z. B. mit Lacken, Farben und Holzschutzmitteln belastet. Aus diesem Grund sind bei der Energiegewinnung aus solchem Holz spezielle Technologien für die Verbrennung und Gasreinigung nötig.

Energie aus Biomasse – Ein Lehrmaterial

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ENERGIE

2. Energetisch verwertbare Biomasse

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2.4 Energiepflanzen

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ENERGIE

2. Energetisch verwertbare Biomasse

AUS BIOMASSE

Energiepflanzen

Folie

2.3 Energiepflanzen werden unmittelbar zur Energieerzeugung angebaut. Dabei kommt es auf die Erzielung hoher Hektarerträge an verwertbarer Biomasse an. Die Erzeugungsziele des Energiepflanzenanbaues gliedern sich in folgende Bereiche: Erzeugung von Festbrennstoffen pflanzliche Öle als Brenn- und Kraftstoffe Erzeugung von Ethanol aus Zucker und Stärke Erzeugung von Biogas Pyrolyse und Vergasung Gewinnung von Wasserstoff

Energiepflanzen

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Folie 2.3

Die energetische Nutzung von land- und forstwirtschaftlichen Nutzpflanzen bietet eine gute Umweltund Klimaverträglichkeit. Zusätzlich besteht durch den Anbau von Energiepflanzen die Möglichkeit, neue Absatzmärkte und Einnahmequellen für die Landwirtschaft zu schaffen.

2.4.1

Anbau von Biomasse zur Erzeugung von Festbrennstoffen

Winterweizen Wintergerste Triticale Winterroggen Miscanthus Hanf Schnellwachsende Baumarten (Pappel, Weide)

Durchschnittlicher Ertrag t/ha 14,0 12,6 14,7 14,2 10 12,0 10

Durchschnittlicher Energiegehalt GJ/ha 196 176,4 205,8 198,8 175 168 186

Energiegetreide Die Nutzung von Getreide und Stroh zur Energiegewinnung ist oftmals nicht nur aus ethischen Gründen ein kontrovers diskutiertes Thema. Gerne wird in diesem Zusammenhang aber auch von „Überschussstroh“ gesprochen. Stroh ist jedoch nicht zum Nulltarif verfügbar. Zum einen ist die Strohbergung mit erheblichem Aufwand verbunden, andererseits dient Stroh als organischer Dünger und muss durch andere Düngungsmaßnahmen oder Zwischenfruchtanbau ersetzt werden.

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Energie aus Biomasse – Ein Lehrmaterial

2. Energetisch verwertbare Biomasse

ENERGIE AUS BIOMASSE

Der Strohanfall ergibt sich aus der Getreidefläche, wobei Hektarerträge im Durchschnitt von 5,5 t angenommen werden können. Wird die ganze Pflanze (auch Korn) energetisch genutzt lassen sich etwa 10-14 t Trockenmasse je Hektar erzielen. Anbau und Ernte Grundsätzlich können alle Getreidearten als Energiegetreide angebaut und genutzt werden. Jüngste Erfahrungen zeigen jedoch, dass Triticale und Roggen höhere Biomasseerträge erwarten lassen als andere Getreidepflanzen. Bei der Einbindung in die Fruchtfolge bestehen hier zudem weniger Probleme. Bei der Sortenwahl für Energiegetreide ist auf ein hohes Massewachstum und eine hohe Resistenz gegenüber Krankheiten und Schädlingen zu achten. Die Kornqualität, die für den Nahrungsmittelsektor von erheblicher Bedeutung ist, spielt beim Energiepflanzenanbau nur eine untergeordnete Rolle. Inwieweit andere Getreidearten (Mais, Hirsen) für die Energiegewinnung in Frage kommen, hängt nicht zuletzt davon ab, zu welchem Zeitpunkt sie mit einem für die Verbrennung akzeptablen Feuchtigkeitsgehalt geerntet werden können. Die Kosten des Anbaus von Energiegetreide unterscheiden sich nicht wesentlich von den Anbaukosten zur Nahrungs- und Futtermittelerzeugung. Außerdem ist es möglich, Mischungen aus verschiedenen Getreidearten und –sorten anzubauen. Das hat den Vorteil, Krankheiten und Schädlinge zu unterdrücken sowie einen höheren Biomasseertrag zu erzielen. Bei den Betriebsmittelaufwendungen ist beim Anbau von Energiegetreide mit geringeren Kosten als beim Nahrungsmittelanbau zu rechnen. Jedoch sollten die Kosten nicht unterschätzt werden. Die Einsparungen an Pestiziden und Düngemitteln hängen von den Grenzkosten und dem erzielbaren Brennstoffpreis ab. Grundsätzlich ist aber davon auszugehen, dass der Schaden durch „Unkräuter“ nicht so hoch zu bewerten ist, da „Fremdbesatz“ im Energiepflanzenanbau kein Qualitätskriterium ist sondern zum Gesamtertrag beiträgt. Die verschiedenen Kostenanteile für den Anbau und die Ernte von Getreide und deren Einfluss auf die Bereitstellungskosten sind in der folgenden Abbildung dargestellt.

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ENERGIE

2. Energetisch verwertbare Biomasse

AUS BIOMASSE

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ENERGIE

2. Energetisch verwertbare Biomasse

AUS BIOMASSE

Anbaukosten für verschiedene Energiegetreidearten

Folie

2.4 a Euro/t 90 80 70

Flächennutzung

60

Lohnansatz Arbeit

50

Zins Umlaufvermögen Betriebsleiterzuschlag

40

Hagelversicherung 30

Pflanzenschutz

20

Düngung

10

Bodenbearbeitung, Aussaat

0

Winterweizen

Wintergerste

Triticale

Anbaukosten für verschiedene Energiegetreidearten

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Folie 2.4a

Zu den für die Getreideganzpflanzenernte verwendbaren Erntetechniken gehören unter anderem das Mähdruschverfahren (getrennte Ernte von Korn und Stroh) und speziell für die Ganzpflanzenernte das Ballenpress- und Häckselverfahren. Nach dem Mähvorgang mit dem selbstfahrenden Schwadmäher folgt die Schwadtrocknung (für 1 oder 2 Tage). Danach werden die getrockneten Pflanzen zu Ballen gepresst oder gehäckselt. Das Volumen des Erntegutes ist beim Häckselverfahren sehr hoch. Demzufolge sind Transport- und Lagerung sehr aufwendig. Aus diesem Grund ist die Anwendung des Häckselverfahrens nur ökonomisch sinnvoll, wenn die Entfernungen zwischen dezentralem Lager, der Aufbereitung und der Nutzung als Brennstoff sehr gering sind.

Anbau

Ernte

Lagerung

Korn

Mähdrescher

Stroh

Ernteprodukte

Körner Körnersilo

Ballen Schwadmäher

Schwadtrocknung

Ballenlager

Häckselgut Flachlager Feldhäcksler Ballen Ballenlager Ballenpresse mit Schneidwerk

Pellets Selbstfahrende Pelletiermaschine

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Energie aus Biomasse – Ein Lehrmaterial

Pelletsilo oder Flachlager

ENERGIE

2. Energetisch verwertbare Biomasse

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Mit der Nutzung von Hochdruckverdichtungsmaschinen direkt auf dem Feld, könnten die Kosten für Transport und Lagerung des Ernteguts reduziert werden. Zudem erleichtert dies die Beschickung und Dosierung in der Verbrennungsanlage. Eine selbstfahrende Pelletiermaschine konnte bisher nicht praxistauglich entwickelt werden. Energiegetreide weist in Halm und Korn unterschiedliche Feuchtigkeitsgehalte auf, für die sich diese Technik als nicht robust genug erwies. Für die Erweiterung der Ballentechnologie wäre ein stationäres Pelletiersystem sinnvoll, um die eingelagerten Strohballen zu einem leicht transportierbaren und kundenfreundlichen Produkt aufzubereiten. Der zusätzliche Energiebedarf für diese Art der Aufbereitung beträgt 1 bis 3 Prozent. Im Vergleich zur Strohpelletierung ist bei der Getreideganzpflanzen-Pelletierung die Durchsatzleistung der Maschinen auf Grund der höheren Dichte des Kornanteils höher. Auch die Qualität der Pellets ist durch den Stärkegehalt des Getreidekorns besser.

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2. Energetisch verwertbare Biomasse

AUS BIOMASSE

Kosten der Brennstoffbereitstellung durch Energiegetreide

Folie

2.4 b Euro/t 70

Kosten der Brennstoffbereitstellung durch Energiegetreide

60 50 Rundballen

40

Kubische Ballen

30

Stationäre Pelletierung

20

(inkl. Ballenlinie)

10

Selbstfahrende Pelletierung (inkl. Schwadmähen)

0

Winterweizen Wintergerste

Triticale

Getreidestroh

Folie 2.4b

Miscanthus Chinaschilf ist eine mehrjährige Landschilfpflanze, die ab dem 3. Jahr Wuchshöhen bis zu 4 m erreicht und sich vegetativ vermehrt. Es stammt aus dem asiatischen Raum und wird in Deutschland seit etwa 10 Jahren erforscht. Anbau und Ernte Die Pflanzung vorgezogener Pflanzen oder Rhizomstücke erfolgt Mitte Mai. Ab dem dritten Jahr sind Erträge von 10-22 t Trockenmasse/ha möglich. Die Erträge sind abhängig von den Standortbedingungen und vom Erntejahr, da Miscanthus über 20 Jahre nutzbar ist. In aller Regel ist im 1. Jahr eine Unkrautbekämpfung notwendig. Dabei sollte jedoch auf jeglichen Herbizideinsatz verzichtet werden. Die mechanische Unkrautbekämpfung mit dem Striegel hat sich als besonders geeignet erwiesen. In den Folgejahren erübrigt sich diese Maßnahme. Im März erfolgt die Ernte mit Maishäckslern und Ballenpressen oder speziellen Vollerntern.

Energie aus Biomasse – Ein Lehrmaterial

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ENERGIE

2. Energetisch verwertbare Biomasse

AUS BIOMASSE

Hanf In einigen europäischen Ländern, wie z. B. in Österreich und den Niederlanden, werden die Möglichkeiten der energetischen Nutzung von Hanf als Festbrennstoff intensiv untersucht. Derzeit gibt es in Deutschland Untersuchungen zur energetischen Nutzung von Hanf. Die Reststoffe, die bei der industriellen Nutzung anfallen, werden zum Teil als Festbrennstoffe in Form von Hanfbriketts oder -pellets genutzt. Der Anbau von Hanf könnte eine ökonomisch und ökologisch sinnvolle Ergänzung zu gegenwärtig praktizierten Fruchtfolgen darstellen. Anbau und Ernte Hanf gedeiht am besten auf tiefgründigen, nährstoffreichen Böden mit guter Wasserführung. Die Aussaat erfolgt Ende April mit einer angestrebten Saatdichte von 200 Pflanzen pro m2. Für die Ernte im August steht derzeit noch keine ausgereifte Technik zur Verfügung. Nach dem Mähen oder Häckseln wird der Hanf auf dem Feld getrocknet. Der Gesamtertrag liegt bei 10-12 t/ha. 2000 betrug die Anbaufläche in Deutschland rund 3100 ha. Schnellwachsende Baumarten Schnellwachsende Baumarten zeichnen sich dadurch aus, dass sie rasch viel Biomasse aufbauen. Dazu gehören z. B. · Balsampappel Populus maximowiczii L., P. trichocarpa L., · Weide Salix viminalis L., S. x smithiana, S. x dasyclados · Aspe Populus tremula L. · Birke Betula spp. · Erle Anlus spp. · Robinie Robinia pseudoacacia L. Anbau und Ernte Die schnellwachsenden Bäume bevorzugen nährstoffreiche frische Standorte und brauchen viel Licht. Zur Anlage von Kurzumtriebsplantagen werden im Frühjahr Stecklinge mit speziellen Pflanzmaschinen gesetzt. Die Erträge liegen für Weiden bei 5-10 t/ha und für Pappeln bei 10-15 t/ha. Über 20 Jahre können diese Baumarten bei drei bis vier Ernten genutzt werden. Die Ernte erfolgt alle vier bis sechs Jahre im Winter. Bei kleineren Anbauflächen wird das Holz mit Freischneidegeräten oder leichten Motorsägen geerntet. Für größere Flächen ist die Ernte mit selbstfahrenden Vollerntern mit integriertem Häcksler am wirtschaftlichsten. Am Markt verfügbar sind in Deutschland zum Beispiel der Gehölzmähhäcksler Diemelstadt sowie der Claas Mähhäcksler. Für eine optimale Verbrennung ist eine gleichbleibende Qualität der Hackschnitzel erforderlich. Da Hackschnitzel aus Kurzumtriebsplantagen bei der Ernte einen Feuchtigkeitsgehalt von 50 % aufweisen, müssen sie vor der energetischen Nutzung getrocknet werden.

2.4.2

Nutzung pflanzlicher Öle als Brenn- und Kraftstoffe Wenngleich Erdnussöl 1895 der Treibstoff für Rudolf Diesels ersten Motor war, setzten sich bei der anschließenden Motorisierung fossile Energieträger durch. Erst seit der ersten Energiekrise im Jahre 1973 beschäftigt man sich wieder intensiver mit Biokraftstoffen. Mit Rapsöl werden heute hauptsächlich Verbrennungsmotoren und neuerdings auch Blockheizkraftwerke betrieben.

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Energie aus Biomasse – Ein Lehrmaterial

2. Energetisch verwertbare Biomasse

ENERGIE AUS BIOMASSE

Bei Anpassung der Motoren kann reines Rapsöl als Treibstoff genutzt werden. Der Motorbetrieb ist allerdings einfacher, wenn statt reinem Rapsöl Rapsölmethylester (RME), auch Biodiesel genannt, verwendet wird. Dieser Treibstoff ist mit herkömmlichem Diesel vergleichbar. Ein Teil der Dieselfahrzeuge ist dafür bereits vom Hersteller freigegeben. Aus pflanzenbaulicher Sicht kommt es vornehmlich auf hohe Ölerträge an. Da dies gegenwärtig hauptsächlich bei Raps der Fall ist, konzentriert sich die gesamte Diskussion in Deutschland auf diese Fruchtart. Wenn es das Ziel ist, pflanzliches Öl für Treibstoffzwecke zu erzeugen, sollten jedoch auch weitere Arten bedacht werden, denn der Ausbau der Rapsflächen ist aus ökologischen und ackerbaulichen Gründen nicht unbegrenzt möglich. In der nachstehenden Tabelle sind die wichtigsten Ölpflanzenarten aufgeführt. Pflanzenart Winterraps Sommerraps Winterrübsen Sommerrübsen Weißer Senf Schwarzer Senf Ölrettich Krambe Ölrauke Sonnenblume Öllein Leindotter Mohn

Mittlerer Samenertrag dt/ha 30 22 20 14 14 14 16 18 14 30 22 10 14

Mittlerer Ölgehalt % 45 40 40 38 34 32 44 38 34 45 40 30 48

Quelle: nach Holger Flaig, Hans Mohr (Hrsg.): „Energie aus Biomasse – eine Chance für die Landwirtschaft“, 1993, Springer-Verlag

Neben der Sonnenblume kommen der Leindotter, der Öllein und die Senfarten als Alternative zu Raps in Frage. All diese Arten haben jedoch kein ausreichendes Ertragsniveau. Deswegen besteht noch erheblicher Handlungsbedarf für die Pflanzenzüchtung. Die Gesamtanbaufläche von Raps, Rübsen und Sonnenblumen betrug im Jahr 2001 1,165 Mill. ha. Davon wurden 329.000 ha allein für den Non-Food-Bereich bestellt. Raps Raps ist die bedeutendste Ölpflanze in Deutschland und nimmt auch unter den Industriepflanzen die Spitzenposition ein. Im Jahr 2001 wuchsen Raps und Rübsen auf einer Anbaufläche von 1,14 Mill. ha. Anbau und Ernte Wegen seiner begrenzten Frosthärte wird der Winterraps schon ab Mitte August angesät, damit er in der Vorwinterentwicklung noch das Rosettenstadium erreicht. Der Anbau von Sommerraps ist flächenmäßig unbedeutend. Die Ernte der Samen erfolgt im Juli/August mit Mähdreschern bei Erträgen von durchschnittlich 3-5 t/ha.

Energie aus Biomasse – Ein Lehrmaterial

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ENERGIE

2. Energetisch verwertbare Biomasse

AUS BIOMASSE

Sonnenblume Der Ölgehalt der Sonnenblume konnte züchterisch von ursprünglich 3 % auf über 40 % angehoben werden. Für technische Zwecke ist jedoch auch ein hoher Ölsäuregehalt des Öls wichtig. Neugezüchtete sogenannte High-Oleic-Sonnenblumen für den Non-Food-Bereich weisen einen Ölsäuregehalt von bis zu 90 % auf. Im Jahr 2001 wurden in Deutschland auf 26.000 ha Sonnenblumen angebaut. Anbau und Ernte Die Aussaat erfolgt Mitte April mit Einzelkornsämaschinen mit dem Ziel, 5-7 Pflanzen pro m2 heranzuzüchten. Das Dreschen im September/Oktober bringt Erträge von 2-2,5 t/ha.

2.5 Erzeugung von Biogas aus Biomasse Für die Biogasgewinnung lassen sich leicht abbaubare organische Substrate verwenden. In landwirtschaftlichen Anlagen dient Flüssigmist als Grundsubstrat. Er stabilisiert den Gärprozess und gleicht Schwankungen in der Zusammensetzung des Gärsubstrates etwa bei der Zugabe von Kosubstraten aus. Zusammen mit dem Grundsubstrat Gülle können andere organische Stoffe vergoren werden (Kofermentation). Dies können zum einen organische Abfallstoffe aus der Lebensmittelindustrie und Haushalten sein, zum anderen eignen sich auch Energiepflanzen und landwirtschaftliche Reststoffe zur Vergärung. Als landwirtschaftliche Reststoffe kommen beispielsweise Grüngut, Rübenblatt, Kartoffelkraut etc. für die Kofermentation in Frage. Auf Stillegungsflächen angebauter Mais kann in Form von Maissilage ebenso Verwendung finden. Mais Schon von den Indios kultiviert, zählt Mais zu den ältesten Kulturpflanzen der Erde. Im Non-Food-Bereich wird Mais zum einen für die Stärkeproduktion eingesetzt oder als Silagemais zu hochwertigem Biogas mit hoher Energieausbeute vergoren. Zum Teil kann Maisstroh in Form von Briketts oder Pellets auch als Festbrennstoff genutzt werden. Anbau und Ernte Die Aussaat erfolgt Ende April mit Saattiefen von 4-6 cm. Pro m2 sollten acht bis zehn Pflanzen wachsen. Geerntet wird ab Oktober im Mähdruschverfahren mit speziellen Pflückvorsätzen. Die Kornerträge liegen bei 7-9 t/ha.

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Energie aus Biomasse – Ein Lehrmaterial

3. Eigenschaften der Biomasse

ENERGIE AUS BIOMASSE

ENERGIE

3. Eigenschaften der Biomasse

AUS BIOMASSE

3. Eigenschaften der Biomasse 3.1 Brennstoffeigenschaften Jede Biomasseart hat ihre eigenen spezifischen Eigenschaften. Diese sind bestimmend für ihre Leistung als Brennstoff in Verbrennungs- und/oder Vergasungsanlagen. Die wichtigsten Eigenschaften in Bezug auf die thermische Umwandlung von Biomasse sind: · Elementarzusammensetzung · Heizwert · Feuchtigkeitsgehalt · Aschegehalt · flüchtige Bestandteile · Schüttdichte · Emissionsverhalten Festbrennstoffe lassen sich sowohl durch ihre brennbaren und nicht brennbaren Bestandteile als auch durch ihre Elementar-Zusammensetzung beschreiben.

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ENERGIE

3. Eigenschaften der Biomasse

AUS BIOMASSE

Schematische Zusammensetzung von festen Brennstoffen

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3.1 Brennstoff

nicht brennbare Substanz

Wasser

Asche

brennbare Substanz

flüchtige Bestandteile

Reinkoks

Quelle: Rainer Marutzky, Klaus Seeger „Energie aus Holz und anderer Biomasse“, 1999, DRW-Verlag

Folie 3.1

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Energie aus Biomasse – Ein Lehrmaterial

Schematische Zusammensetzung von festen Brennstoffen

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ENERGIE

3. Eigenschaften der Biomasse

AUS BIOMASSE

3.1.1

Elementare Zusammensetzung der Biomasse Die Zusammensetzung der aschefreien organischen Bestandteile der Biomasse ist relativ einheitlich. Die Hauptbestandteile sind Kohlenstoff, Sauerstoff und Wasserstoff. Auch ein kleiner Anteil Stickstoff ist in den meisten Biomasseformen enthalten. Elementarzusammensetzung von Holz, Rinde und anderen Biomassen bezogen auf Trockenmasse:

Fichtenholz Buchenholz Fichtenrinde Buchenrinde Weizenstroh Miscanthus

C % 50,3 49,0 52,6 50,1 46,8 48,6

H % 6,2 6,1 6,0 5,8 6,3 5,5

O % 43,1 44,3 39,0 40,9 40,0 41,1

N % 0,2 0,3 0,6 0,5 0,4 0,5

S mg/kg 50 70 630 790 800 400

Cl mg/kg < 30 50 90 160 4.000 2.300

Asche % 0,4 0,5 1,8 2,6 5,1 3,6

Quelle: Rainer Marutzky, Klaus Seeger, „Energie aus Holz und anderer Biomasse“, 1999, DRW-Verlag

3.1.2

Brennwert und Heizwert

Der Brennwert beziffert die gesamte Verbrennungsenergie einschließlich der Kondensationswärme des in den Abgasen enthaltenen Wasserdampfes.

Der Brennwert wird durch Oxidation einer genau ausgewogenen Brennstoffmenge mit Sauerstoff in einem Kaloriemeter bestimmt. Das Verfahren ist in der DIN 51 900 festgelegt.

Der Heizwert wird als die Wärmeenergie, die bei der Verbrennung von 1 Kilogramm Brennstoff unter bestimmten Randbedingungen frei wird, definiert. Er gibt die Verbrennungsenergie abzüglich der Kondensationswärme an.

Die Einheit für die Wärmeenergie ist das Joule (J). In manchen Büchern und Tabellen findet sich auch heute noch die früher gebräuchliche Einheit Kalorie (cal). 1 Kalorie entspricht 4,19 Joule. In absolut trockenem Zustand liegen der Heizwert von Nadelholz mit ca. 18,7 MJ/kg und der von Laubholz mit ca. 18,4 MJ/kg dicht beieinander. Unterschiede werden vielmehr vom jeweiligen Wassergehalt bei der Verbrennung bestimmt. Das gespeicherte Wasser muss vor der Verbrennung verdampfen. Dieser Vorgang beansprucht Wärme aus dem Verbrennungsprozess, die dann in der Regel nicht mehr als Nutzenergie zur Verfügung steht. Aus diesem Grund besteht eine starke Abhängigkeit zwischen dem Heizwert und dem Wassergehalt, die sich, wie in der folgenden Abbildung dargestellt, einheitlich für alle Brennstoffe beschreiben lässt.

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3. Eigenschaften der Biomasse

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Abhängigkeit zwischen Heizwert und Wassergehalt am Beispiel eines Holzbrennstoffs

25

25 MJ/kg

unterer Heizwert

15 10 5 0 0

10

20

30

40

50

60

70

80

x%

0

11

25

43

67

100

150

233

400

u%

100

Feuchte Quelle: Rainer Marutzky, Klaus Seeger, „Energie aus Holz und anderer Biomasse“, 1999, DRW-Verlag

Lufttrockenes Brennholz hat gegenüber frisch eingeschlagenem Holz („waldfrisch“) den doppelten Heizwert. Dies bedeutet, dass bei der Verfeuerung von lufttrockenem Holz nur halb soviel Brennstoff für den gleichen Energiebedarf benötigt wird.

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ENERGIE

3. Eigenschaften der Biomasse

AUS BIOMASSE

Folie

3.2 Der Heizwert (H) der feuchten Gesamtsubstanz mit einem Wassergehalt (w) ist nach folgender Formel zu berechnen:

H(w)=

H(w=0) x (100-w) - 2,44w 100

H(w)

Heizwert des Holzes (in MJ/kg) bei einem Wassergehalt von (w)

H(w=0)

Heizwert der Holz-Trockensubstanz (in MJ/kg)

2,44

Verdampfungswärme des Wassers in MJ/kg bezogen auf 25° C

Folie 3.2

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Heizwert-Formel

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3.1.3

Feuchtigkeitsgehalt

Der Feuchtigkeitsgehalt der Biomasse ist die Menge des Wassers im Material (ausgedrückt in Prozent vom Materialgewicht). Dieses Gewicht kann auf verschiedenen Grundlagen basieren: Feuchtmasse Trockenmasse trockene und aschefreie Masse

Biomassezusammensetzung:

Wasser

trockene und aschefreie Bestandteile

Asche

Formeln: Der Wassergehalt (W) ist definiert als die im Brennstoff enthaltene Menge Wasser, bezogen auf das messbare feuchte Gewicht der Probe. Dagegen wird bei der Holzfeuchte (U) die Menge Wasser im Brennstoff auf das absolut trockene Gewicht des Holzes bezogen. Wassergehalt und Holzfeuchtigkeit sind über die Formeln 1 und 2 ineinander umzurechnen: (1)

W=

100 x U 100 + U

(2)

U=

100 x W 100 - W

U Holzfeuchtigkeit in % W Wassergehalt in %

Biomasse-Materialien weisen stark unterschiedliche Feuchtigkeitsgehalte auf: Getreidestroh weniger als 10 % und Waldrückstände 50 bis 70 %. Üblicherweise wird die Holzfeuchte bestimmt, indem man genau ausgewogenes Holzmaterial bei Temperaturen zwischen 100 und 120° C solange trocknet, bis sich das Gewicht nicht mehr verändert. Die Trocknungsdauer beträgt je nach Stückigkeit und Holzart mehrere Stunden bis einige Tage. Die genaue Durchführung des Verfahrens beschreibt die DIN-Norm 52 183. Bei den meisten thermischen Umwandlungsprozessen reduziert ein hoher Feuchtigkeitsgehalt die Leistungsfähigkeit, da bei der Verdunstung Energie verbraucht wird.

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3.1.4

Aschegehalt Nur ein geringer Anteil der Biomasse ist mineralischer Natur und verbleibt als Asche. Der Aschewert ist ein integrierter Teil der Pflanzenstruktur und besteht aus einer Vielzahl von Elementen. Der Aschegehalt beträgt bei Holz weniger als 0,5 % und bei landwirtschaftlichen Pflanzenmaterialien 5 bis 10 %. Der Gehalt an aschebildenden Stoffen im Brennstoff wird ermittelt, indem eine bestimmte Menge an Biomasse zunächst vorverascht wird. Der anfallende, noch kohlenstoffreiche Rückstand wird dann bei einer Temperatur von 550° C über sechs Stunden nachgeglüht und ausgewogen. Der Wert wird als Aschegehalt des Brennstoffs bezeichnet. Zur Aschebildung tragen bei naturbelassenem Holz in der Praxis nicht nur der Gehalt an mineralischen Stoffen bei, sondern auch anhaftende Verschmutzungen, wie Sand oder andere Bodenbestandteile. Bei Holzabfällen kommen mineralische Bestandteile in Klebstoffen, Anstrichen und Beschichtungen, anorganische Holzschutzmittel sowie Eisen- und andere Metallteile hinzu. Damit steigt einerseits die Menge der Asche, andererseits ändert sich auch deren Zusammensetzung. In der Praxis enthält Asche von Holzfeuerungen stets auch einen gewissen Anteil an organischen Bestandteilen, vornehmlich unvollständig verbranntes Holz in Form von Holzkohle, Ruß und schwerflüchtigen organischen Verbindungen. Aschezusammensetzung und -erweichungsverhalten Asche von Biomasse besteht vorwiegend aus den Elementen Kalzium (Ca), Silizium (Si), Magnesium (Mg), Kalium (K), Phosphor (P) und Natrium (Na). Der zuvor beschriebene Aschegehalt eines Brennstoffs hat sowohl Auswirkungen auf die Umweltbelastungen (d. h. Schadstoffemissionen) als auch auf die technische Auslegung einer Feuerungsanlage. Bei Verbrennungsprozessen treten im Glutbett physikalische Veränderungen der Asche auf. Je nach Temperaturniveau kommt es zum Verkleben (Versintern) bis zum völligen Aufschmelzen der Aschepartikel. Dies kann mit erheblichen technischen Nachteilen in der Verbrennungsanlage verbunden sein und muss bei der Gestaltung des Verbrennungsprozesses berücksichtigt werden. Die Versinterung der Asche ist beispielsweise bei der Strohverbrennung ein Problem, da die Stroh- und Getreideasche schnell schmilzt und verklebt. Daher sind bei dieser Verbrennung geeignete technische Vorsichtsmaßnahmen zu treffen.

3.1.5

Schüttdichte Neben vielen anderen Qualitätsmerkmalen unterscheiden sich schüttfähige biogene Festbrennstoffe (Hackschnitzel, Holzpellets) in ihrer Größenverteilung und Schüttdichte. Beide Merkmale stehen in einem engen Zusammenhang. In neueren Brennstoffnormen wird zum Teil bereits auf diese Parameter Bezug genommen. Auch für die Beurteilung der Verbrennungseigenschaften sind diese Größen wichtig. Die Schüttdichte weist auf das Gewicht des Materials pro Volumeneinheit hin, bei Biomasse allgemein auf eine ofengetrocknete Gewichtsbasis. Ähnlich dem Feuchtigkeitsgehalt der Biomasse variiert die Schüttdichte enorm, von niedriger Schüttdichte bei Getreidepflanzen und Hackschnitzeln (150 bis 200 kg/m3), bis zu hoher Schüttdichte bei Festholz (600 bis 800 kg/m3).

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Schüttdichte von Hackschnitzeln (nach ÖNORM M 7133) Klasse

S 160

Grenzwert (Schüttdichte in kg TS/m3) < 160

S 200

160 - 199

S 250

> 200

Bezeichnung

geringe Schüttdichte (Fichte, Tanne, Pappel, Weide) mittlere Schüttdichte (Kiefer, Lärche, Birke, Erle) hohe Schüttdichte (Buche, Eiche, Robinie)

Zerhäckselt man 1 kg trockenes Holz zu 1 kg Hackschnitzeln, ist das benötigte Volumen der Hackschnitzel vier mal größer, als bei Festholz (siehe folgende Abbildung).

1 kg Festholz (Schüttdichte ca. 700 kg/m3)

1 kg Hackschnitzel (Schüttdichte ca. 175 kg/m3)

Heizwert und Schüttdichte zusammen ergeben die Energiedichte, d. h. die mögliche verfügbare Energie pro Volumeneinheit des Biobrennstoffs. Im Allgemeinen beträgt die Energiedichte ungefähr ein Zehntel der Energiedichte fossiler Brennstoffe, wie Mineralöl oder Steinkohle.

3.1.6

Emissionsverhalten Frische Biomasse enthält kaum Bestandteile, die nach der Verbrennung negativ auf die Umwelt wirken können. Neben Stickstoff sind Schwefel und Chlor die einzigen bedenklichen Elemente, da sie sich in Stickstoffdioxid, Schwefeldioxid und Chlorwasserstoff bzw. Salzsäure umwandeln können und so zur Bildung von saurem Regen beitragen. Sie sind jedoch nur in geringen Mengen vorhanden. Die Tabelle gibt den Gehalt an Schwefel und Chlor in einigen Biomassearten wieder. Schwefel- und Chlorgehalt in einigen Biomassen (in % zum Gewicht von Trockenmasse)

Mais Holz Rinde Stroh Gras

Schwefel 0.05 0.01 0.05 0.07 0.18

Chlor 1.48 0.01 0.02 0.49 0.88

Quelle: Schmidt et al, 1993

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Stickoxidemissionen Stickstoffoxide (NOx) wandeln sich relativ schnell unter der Wirkung der Sonneneinstrahlung in Stickstoffdioxid (NO2) um. NO2 ist Verursacher von saurem Regen, ist toxisch und trägt zum Treibhauseffekt bei. Stickstoffoxide lassen sich durch Optimierung der Feuerungstechnik vermindern, aber nicht grundsätzlich vermeiden. Sie sind unvermeidbare Bestandteile des Abgases von Biomassefeuerungen. Stickstoffoxid (NOx) ist der Oberbegriff für die Oxide des Stickstoffs Stickstoffmonoxid NO und Stickstoffdioxid NO2. Auch Distickstoffoxid N2O (Lachgas) gehört im weiteren Sinne zu den sauerstoffhaltigen Stickstoffverbindungen. N2O ist ein stark ozonschädigendes Gas, wird jedoch bei der Verbrennung von Biomasse nur in geringen Mengen freigesetzt. Bei Konzentrationsangaben wird unabhängig von der tatsächlichen Zusammensetzung des Abgases NOx als NO2 berechnet. Kohlenwasserstoffemissionen In Verbrennungs- und Vergasungsprozessen werden langkettige Kohlenwasserstoffe als CxHy bezeichnet. Da ein Teil der Kohlenwasserstoffe krebserzeugende Eigenschaften hat, wird ihnen bei der Beurteilung der Schadstoffemission eine besondere Bedeutung beigemessen. Durch guten Ausbrand können sie aber ebenso wie das Kohlenmonoxid oxidativ zerstört werden. Die Kohlenwasserstoff-Emissionen bei Holzfeuerungen sind zwar geringer als bei Kohlefeuerungen, können aber bei Kleinfeuerungen mit unzulänglichem Ausbrand relativ hohe Emissionswerte ergeben. In optimierten Verbrennungssystemen ist der Emissionsgehalt an Kohlenwasserstoffen sehr niedrig.

3.2 Umweltrelevante Eigenschaften Anfang der 90er Jahre wurden die ökologischen Auswirkungen der energetischen Nutzung nachwachsender Biomasse vor allem für Biokraftstoffe in einer Vielzahl von wissenschaftlichen Arbeiten untersucht und in mindestens ebenso vielen Stellungnahmen diskutiert – allen voran der Ersatz von Dieselkraftstoff durch Rapsöl bzw. Rapsölmethylester. Zwischenzeitlich liegen auch für die biogenen Festbrennstoffe gesamtökologische Untersuchungen vor. Somit lässt sich bereits heute - auch wenn noch einige Fragen offen sind – die Umweltverträglichkeit von biogenen Festbrennstoffen ziemlich klar umreißen und in einigen Umweltauswirkungen sogar eindeutig mit Zahlen belegen. Hierbei werden grundsätzlich zwei Prinzipien beachtet: 1.) Vergleich der Brennstoffe Durch biogene Brennstoffe werden fossile Energieträger eingespart. Beispielsweise ersetzen mit Holzhackschnitzeln befeuerte Heizkraftwerke herkömmliche Brennstoffe wie Erdgas oder Heizöl. Demnach bestimmt sich die Umweltverträglichkeit eines Bioenergieträgers (in dem genannten Beispiel Holz) dadurch, dass diese mit der des entsprechenden fossilen Energieträgers (hier Erdgas oder Heizöl) verglichen wird. Grundsätzlich werden somit die Umweltverträglichkeiten der biogenen und fossilen Energieträger miteinander verglichen. 2.) Betrachtung der gesamten Lebenswege Die Umweltverträglichkeit der biogenen im Vergleich zu den fossilen Energieträgern bestimmt sich dadurch, dass die ökologischen Auswirkungen der Energieträger über deren gesamte „Lebenswege“ von der Produktion bis zur Verbrennung untersucht werden.

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Bei den Bioenergieträgern werden dabei berücksichtigt: · die Produktion von Dünge- und Pflanzenschutzmitteln, · die Produktion des Saat- bzw. Pflanzgutes, · der Anbau, die Bestandspflege und die Ernte, · deren Aufbereitung und Verbrennung einschließlich aller Transportprozesse entlang des Lebensweges. Auf Seiten der fossilen Energieträger sind zu bilanzieren: · die Erkundung, Erschließung und Förderung (z. B. Erdöl), · deren Transporte zur Aufbereitungs- bzw. Verarbeitungsanlage (z. B. Raffinerie), · die Produktion von Brennstoffen (z. B. Heizöl), · deren Transporte zum Endverbraucher und schließlich deren energetische Nutzung. Werden die ökologischen Auswirkungen der Produktion bis zur energetischen Nutzung von biogenen Festbrennstoffen im Vergleich zu fossilen Energieträgern untersucht, so ergeben sich bei der Berücksichtigung aller Einzelschritte der Lebenswege ökologische Vor- wie auch Nachteile. Diese sollen im Folgenden kurz erläutert werden.

3.2.1

Ökologische Vorteile von biogenen gegenüber fossilen Energieträgern An ökologischen Vorteilen von biogenen Festbrennstoffen gegenüber fossilen Energieträgern kommen im Wesentlichen folgende Komplexe in Frage: 1.) Positive Energiebilanz Die in biogenen Festbrennstoffen enthaltene Energie ist nichts anderes als die durch die Photosynthese der Pflanze gespeicherte Sonnenenergie. Andererseits ist für die Produktion von Dünge- und Pflanzenschutzmitteln, für den Anbau und die Ernte sowie den Transport zusätzlicher Energiebedarf vonnöten. Die tatsächliche Energieausbeute wird durch das Input / Output – Verhältnis wiedergegeben. Entsprechende wissenschaftliche Analysen zeigen, dass die durch die Photosyntheseleistung der Pflanzen gewonnene Energie die für deren Erzeugung notwendige fossile Energie bei weitem überragen (= positive Energiebilanz). Und das um das etwa 5-10fache je nach betrachtetem Biobrennstoff. Bei einem Verhältnis 1:10 heißt das, dass durch die Nutzung eines Biobrennstoffs zehn mal mehr Energie gewonnen, als durch dessen Produktion verbraucht wird. Durch reduzierte Düngemittelgaben (extensivierter Landbau) ließe sich die Effizienz der Energieausbeute noch steigern. Biogene Brennstoffe können einen wichtigen Beitrag zur Energieversorgung leisten.

2.) Ausgeglichene CO2-Bilanz (Klimabilanz) Kohlendioxid (CO2) wird beim Verbrennen kohlenstoffhaltigen Materials wie Kohle, Erdöl oder auch Biomasse freigesetzt. Es ist ein sogenanntes Treibhausgas und bildet mit etwa 50 % den wichtigsten Anteil an den zusätzlich vom Menschen verursachten Treibhausemissionen. Diese wiederum bedrohen das Leben auf der Erde infolge mannigfaltiger möglicher Auswirkungen wie Klimaveränderungen, Ansteigen des Meeresspiegels, Verschiebungen der Vegetationszonen etc. Während bei der Verbrennung fossiler Energieträger vor Millionen von Jahren gespeichertes, zusätzliches CO2 in die Atmosphäre eingetragen wird, setzt die Verbrennung von Biomasse nur

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jene Menge CO2 frei, die zuvor durch das Pflanzenwachstum kurzfristig der Atmosphäre entzogen wurde. Andererseits werden aber, wie bereits angeführt, bei der landwirtschaftlichen Produktion der Biomasse fossile Energieträger eingesetzt, womit entsprechende CO2 -Emissionen verbunden sind. Aber auch hier zeigt sich, dass über den Vergleich der gesamten Lebenswege hinweg die CO2 -Bilanz zugunsten der Bioenergieträger ausfällt. Biomasse kann einen deutlichen Beitrag zur Reduzierung der CO2 -Emissionen liefern.

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C02-Kreislauf

Folie

3.3 CO2

CO2

C02-Kreislauf

CO2

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Folie 3.3

An treibhausaktiven Gasen treten neben CO2 auch Methan und Lachgas (=Distickstoffoxid, N2O) auf. Letzteres entweicht landwirtschaftlich genutzten Böden aber auch anderen Ökosystemen.

3.) Sonstige Umweltauswirkungen Durch den Ersatz von fossilen durch biogene Energieträger werden nicht nur die CO2-Emissionen vermindert, sondern auch die mit der Produktion von fossilen Brennstoffen einhergehenden Umweltauswirkungen weitgehend vermieden. Diese sind je nach betrachtetem Energieträger unterschiedlich: Erdöl: Wird Heizöl ersetzt, werden auch die Belastungen der Weltmeere und Landflächen durch Öleinträge reduziert. Insgesamt belaufen sich die in die Weltmeere eingetragenen Ölmengen auf immerhin über 500.000 Tonnen Öl pro Jahr. Stein- und Braunkohle: Durch den Ersatz von Kohle durch Biobrennstoffe werden die mit der Förderung einhergehenden Umweltbelastungen reduziert. Beispielsweise wird das beim Kohlebergbau anfallende Grubenwasser zum größten Teil direkt in die Flüsse gepumpt und macht diese zur Trinkwasserverwendung unbrauchbar. Auch fallen bei der Kohleförderung große Mengen Abraum an. Das ist im wesentlichen Gestein, das nicht weiter genutzt werden kann und „entsorgt“ werden muss.

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3. Eigenschaften der Biomasse

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Zusätzlich zu beachten sind die Umweltauswirkungen durch das treibhausaktive Methan, dem Hauptbestandteil des Grubengases. Hinzu kommt der Staub, der bei der Aufbereitung, dem Umschlag und Transport in Größenordnungen von 0,2 kg pro Tonne Kohle freigesetzt wird. Erdgas: Bei der Substitution von Erdgas werden im wesentlichen Methan-Emissionen vermieden, die bei der Förderung und dem Transport von Erdgas entstehen.

4.) Minimale SO2–Emissionen Schwefeldioxid (SO2) ist ein Schadgas, das beim Verbrennen von schwefelhaltigen Materialien (Dieselkraftstoff, Kohle, Biomasse) entsteht und sowohl lungenschädigend wirkt als auch ein wichtiger Bestandteil des sauren Regens ist. Die SO2 -Emissionen sind bei der Verbrennung von Biomasse in der Regel minimal, da der Schwefelgehalt der Biomasse sehr viel geringer ist als im Fall von Kohle oder Mineralöl. Die Errichtung kostspieliger Rauchgasentschwefelungsanlagen kann zumindest bei der Holzverbrennung entfallen. Allerdings sind bei Anlagen zur Strohverbrennung >100 kWth wegen der Emission von Partikeln entsprechende Rauchgasreinigungsanlagen erforderlich. Beim Einsatz von Rapsöl als Dieselkraftstoff fällt der positive Effekt ins Gewicht, dass Pflanzenöle (fast) schwefelfrei sind, und sich somit der Schwefelgehalt der insgesamt eingesetzten Kraftstoffe verringert.

5.) Biologische Verträglichkeit Bei der Verbrennung von Biomasse entstehen gasförmige und feste Produkte. In den festen „Aschen“ bleiben die mineralischen Bestandteile der pflanzlichen Grundsubstanz zurück. Somit ist Asche aus Biomasse grundsätzlich als Düngemittel geeignet. Dies gilt ebenso für Rückstände aus Biogasanlagen. Im Fall von Rapsöl und Rapsölmethylester besteht ein entscheidender Vorteil in der leichten biologischen Abbaubarkeit. Biogene Kraftstoffe sollten daher vorrangig überall dort eingesetzt werden, wo eine Kontamination von Boden oder Wasser besonders unerwünscht ist, z. B. im Wald, in Wassereinzugsgebieten, auf Seen und Flüssen und generell in der Landwirtschaft. Ein Tropfen Mineralöl verseucht 1.000 l Grundwasser.

3.2.2

Ökologische Nachteile biogener Energieträger Bei der landwirtschaftlichen aber auch bei der forstwirtschaftlichen Produktion von Biomasse treten bestimmte Umweltauswirkungen auf. Sowohl das Auftreten als auch die Intensität solcher Auswirkungen hängen von der jeweiligen Pflanzenart, deren Produktionsmethoden und anderen Parametern ab. In der Regel sind die nachfolgend geschilderten Auswirkungen nicht spezifisch für den Energiepflanzenanbau, sondern betreffen jegliche landwirtschaftliche Nutzung. Zu den insgesamt wichtigsten möglichen Umweltauswirkungen gehören: 1.) Inanspruchnahme von Flächen Die Flächeninanspruchnahme bei nachwachsenden Rohstoffen wird kontrovers diskutiert. Die Produktion von Energiepflanzen konkurriert mit der Lebens- und Futtermittelerzeugung. Von einer Flächeninanspruchnahme kann man aber nur sprechen, wenn durch den Energiepflanzenanbau andere Ansprüche zurückgedrängt würden, was derzeit jedoch nicht der Fall ist.

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2.) Verringerung der Artenvielfalt Aus ökologischer Sicht wird dem Rückgang der Anzahl und Verbreitung der Pflanzenarten große Aufmerksamkeit gewidmet. Großflächige, nutzungsintensive Landbewirtschaftung bewirkt eindeutig einen Artenrückgang bei Pflanzen. Kurzumtriebsplantagen beispielsweise können aber eine durchaus nennenswerte Begleitflora aufweisen, da sich gerade bei Flächen der Dauerbrache tendenziell artenreichere Pflanzengesellschaften entwickeln als auf landwirtschaftlich genutzten Böden. 3.) Belastung von Grundwasser mit Nitrat Nitrat gelangt praktisch ausschließlich durch die Verwendung mineralischer Stickstoffdüngemittel, Wirtschaftsdünger (Gülle) sowie über atmosphärische Stickstoffeinträge ins Grundwasser. Die Gefahr einer Nitratverlagerung in das Grundwasser sinkt umso mehr, je weniger Stickstoffdüngemittel zur Produktion nachwachsender Energieträger eingesetzt werden. 4.) Belastung von Gewässern Durch die Pflanzennährstoffe Nitrat und Phosphat kommt es nicht selten zu einer Eutrophierung der Oberflächengewässer, liegt doch der Anteil der Landwirtschaft an Nitrateinträgen bei 40-50 % und an Phosphateinträgen bei 25 %. Ursache ist auch hier die Verwendung von stickstoff- bzw. phosphorhaltigen Düngemitteln. 5.) Beitrag zum stratosphärischen Ozonabbau Von den hierfür in Frage kommenden Substanzen spielt lediglich das Lachgas eine Rolle. Wie schon erwähnt ist jedoch die gesamte Klimabilanz nachwachsender Energieträger, nicht nur durch deren CO2–Neutralität positiv gegenüber fossilen Energien.

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4. Aufbereitung, Lagerung und Transport

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4. Aufbereitung, Lagerung und Transport

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4. Aufbereitung, Lagerung und Transport 4.1 Feste Biomasse: Nachernte- und Aufbereitungsverfahren Der Einsatz der verschiedenen Aufbereitungsverfahren ist von unterschiedlichen äußeren Faktoren abhängig. Bevor jedoch darauf eingegangen wird, sollen zunächst die grundsätzlichen Aufbereitungsverfahren und deren Anwendungen genauer definiert werden. Die Größeneinteilung der Ausgangsstoffe für die energetische Verwertung richtet sich nach den Pflanzenarten und den angewandten Ernteverfahren. So unterscheidet man hier z. B. bei der Holzernte Stück- (Scheitholz) und Schüttgüter (Hackschnitzel) oder aber bei der Getreideernte Getreidepflanzen, Stroh und Strohhäcksel. Die Trocknung von erntefrischer Biomasse mit einem hohen Wassergehalt ist notwendig, um eine ausreichende Lagerstabilität des Erntegutes zu erhalten und die Qualitätsvorgaben der Verbrennungsanlagen zu erfüllen. In Abhängigkeit vom erforderlichen Wasserentzug und des Verderbrisikos kann die Trocknung mit Hilfe natürlicher oder technischer Verfahren erfolgen. Das Pressen oder Verdichten von Biomasse dient der Erhöhung der Energiekonzentration, der Senkung des Transportvolumens und des Lagerraumbedarfs sowie der Verbesserung des Handlings. Dabei muss die Verdichtungsart den vorhandenen Lagermöglichkeiten, den Transportmitteln und der vorgesehenen Verwendung angepasst sein. So kann durch Verdichtung ein Schüttgut in ein Stückgut umgewandelt werden. Die Lagerung biogener Energieträger ist notwendig, um saisonale Schwankungen zwischen Brennstoffangebot und -nachfrage auszugleichen und dadurch den ganzjährigen Betrieb von Verbrennungsanlagen mit biogenen Brennstoffen sicherzustellen. Da der Lagerraumbedarf bei biogenen Energieträgern wegen der geringeren Energiekonzentration im Vergleich zu fossilen Brennstoffen entsprechend größer ist, werden die biogenen Brennstoffe in den meisten Fällen dezentral bei den Erzeugern eingelagert. Es gibt jedoch auch die Möglichkeit eines zentralen Zwischenlagers für alle Erzeuger. Die Organisation der Lagerhaltung hängt von den vorhandenen Lagerkapazitäten, den Entfernungen zwischen dem Erzeuger und dem Verbraucher und von der vorhandenen Transporttechnik ab. Entsprechend den Eigenschaften der zu lagernden Biomasse werden mehrere Lagerarten unterschieden, wie z. B. Flachsilo, Bunkersilo, Ballenlager usw. Der Transport der Biomasse ist zwischen und innerhalb der verschiedenen Aufbereitungsverfahren notwendig. Die Organisation des Transportes und die angewandte Transporttechnik hängen von mehreren Faktoren ab. Wesentlich bestimmt wird die einzusetzende Transporttechnik durch die Stückigkeit des Transportgutes und die örtlichen Gegebenheiten, wie z. B. die Entfernung zwischen Feld und Lager. Der Transport kann mit Schleppern oder mit Lastkraftwagen erfolgen. Stückgüter, wie z. B. Strohballen, werden vorwiegend mit LKW oder schleppergezogenen Plattenwagen transportiert, Schüttgüter hingegen in Containern oder hochwandigen Ladewagen. Alle oben genannten Aufbereitungsverfahren stehen miteinander in unmittelbarem Zusammenhang. Aus diesem Grund muss die Anwendung der einzelnen Verfahren genau aufeinander abgestimmt sein.

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4. Aufbereitung, Lagerung und Transport

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Größeneinteilung Abhängig von der Erntetechnologie sind Biomassearten in verschiedenen Formen und Größen verfügbar. Nach der Ernte wird Biomasse in zwei Hauptgruppen unterschieden, in Stückgüter und in Schüttgüter. ©

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4. Aufbereitung, Lagerung und Transport

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Folie

4.1 Größeneinteilung

Stückgüter

Stückholz

Schüttgüter

Strohballen

Holzhackschnitzel

Häckselgut

Holzstaub/ -mehl

Stroh

Folie 4.1

Die Umwandlung von Stückgütern in Schüttgüter und umgekehrt ist mit verschiedenen Aufbereitungstechnologien möglich. Beispielsweise dienen die Hackmaschinen dazu, Holz als Stückgut in bedarfsgerechtes Schüttgut, in Holzhackschnitzel, zu verarbeiten. Hauptsächlich werden sie direkt vor Ort zur Zerkleinerung von Waldholz eingesetzt. Auch sperriges Material wie Buschwerk lässt sich so energetisch nutzbar machen. Hackschnitzel haben den Vorteil, dass sie der Feuerung automatisch und bedarfsgerecht zuführbar sind. Zudem trocknet zu Hackschnitzeln verarbeitetes Holz weitaus schneller als stückiges Frischholz. ©

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4. Aufbereitung, Lagerung und Transport

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Aufbau und Funktionsprinzip der drei grundsätzlichen Hackertypen

Folie

4.2 Trommelhacker Hackmesser

Kamin (Hackschnitzelauswurf)

Antriebswelle zum Traktor

Einzug

Scheibenhacker

Kamin (Hackschnitzelauswurf)

Feste Einzugsrolle

Trommel

Einzug

Hackmesser Bewegliche Druckrolle Antriebswelle zum Traktor Windflügel

Gegenscheide Messerscheibe Hackmesser

Schneckenhacker

Kamin

Hackschnecke Einzug

Antriebswelle zum Traktor Windflügel (Förderschaufel)

Quelle: CMA, 1997, aus Rainer Marutzky, Klaus Seeger:„Energie aus Holz und anderer Biomasse“, 1999, DRW-Verlag

Folie 4.2

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Aufbau und Funktionsprinzip der drei grundsätzlichen Hackertypen

4.1.1

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4. Aufbereitung, Lagerung und Transport

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4.1.2

Trocknungsverfahren und -technologien Die Trocknung von Biomasse mit hohem Feuchtigkeitsgehalt, wie Holzhackschnitzel oder Miscanthus, ist für die Lagerstabilität und die Qualitätsanforderungen bei der Verbrennung notwendig. Die Trocknung kann abhängig vom Wassergehalt und Verderbrisiko mit natürlichen oder technischen Verfahren erfolgen.

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4. Aufbereitung, Lagerung und Transport

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Grundprinzip der Stückholzfeuerungen

Folie

4.3 Trocknungsverfahren

technisch

natürlich

im Freien (Stückgüter)

(Belüftungstrocknung)

unter Dach

Kaltlufttrocknung

Warmlufttrocknung

vertikale Luftzufuhr

horizontale Luftzufuhr

(Flachrostanlagen)

(Heuturm)

Stück- oder Schüttgüter

Schüttgüter

(grobschüttige Materialien mit hoher Luftdurchlässigkeit)

Quelle: Rainer Marutzky, Klaus Seeger „Energie aus Holz und anderer Biomasse“, 1999, DRW-Verlag

Trocknungsverfahren

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Folie 4.3

Trocknungsverfahren: Die natürliche Trocknung im Freien ist im Prinzip für alle Stückgüter, wie Ballen oder Stückholz, verwendbar. Die natürliche Trocknung unter Dach ist mit guter Belüftung sowohl für Stückgüter als auch grobe Schüttgüter, wie grobe Holzhackschnitzel anwendbar. Die technische Flachrosttrocknung mit Belüftung durch Umgebungsluft oder leichter Luftanwärmung kann für Stückholz sowie für alle Schüttgüter genutzt werden, die schlecht zu belüften sind. Die technische Trocknung im Heuturm ist nur möglich für Schüttgüter wie Getreide, Schnitzel oder Häcksel.

4.1.3

Verdichtungsverfahren Im Allgemeinen kann bei der Verdichtung von Biomasse zwischen holziger und halmgutartiger Biomasse unterschieden werden. Die Technologien beider Gruppen unterscheiden sich nur teilweise voneinander.

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4. Aufbereitung, Lagerung und Transport

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4. Aufbereitung, Lagerung und Transport

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Verdichtungsverfahren

Folie

4.4 Verdichtungverfahren

Erhöhung der Energiedichte des Brennstoffes Reduzierung des Lagerraumbedarfs Reduzierung des Transportumfanges der Brennstoffe Anpassung an die Bedingungen der Verbrennungsanlagen

holzartige Biomasse

Halmgüter

Holzhackschnitzel

Holzstaub/ -mehl

Stroh

Häckselgut

Pelletierung Brikettierung

Pelletierung Brikettierung

Ballenpressung

Pelletierung (oder Brikettherstellung) Brikettierung

Rundballen

Quaderballen

Hochdruckballen

Kompaktrollen

Verdichtungsverfahren

Vorteile der Verdichtung sind:

Folie 4.4

Verdichtung von holzartiger Biomasse Energetisch verwertbare Holzreste aus Produktionsprozessen wie Sägen, Hobeln, Fräsen fallen in aller Regel ganzjährig an, während sich die energetische Nutzung größtenteils auf die Heizperiode konzentriert. Daraus ergibt sich, dass entweder größere Lagerkapazitäten geschaffen oder die anfallenden Holzreste auf ein minimales Lagervolumen gebracht werden müssen. Das Verdichten von Schüttgütern, Holzhackschnitzeln und Holzstaub/-mehl kann durch Brikettierung oder Pelletierung erreicht werden. Gegenwärtig geschieht die Pelletierung und Brikettierung des Materials mit stationären Anlagen. Brikettierung Holzspäne haben von Natur aus ein niedriges spezifisches Gewicht (100 bis 250 kg/m3) und machen für eine lose Lagerung die Schaffung entsprechend großer und teurer Bunkervolumen notwendig. Schon seit Jahrzehnten werden deshalb Brikettieranlagen zur gezielten Komprimierung von Holzstäuben und Spänen eingesetzt. Mechanische und hydraulische Brikettpressen erreichen eine auf das Volumen bezogene Verdichtung im Verhältnis 4:1 bis 5:1. Während die Brikettierung zunächst lediglich für den innerbetrieblichen Ausgleich zwischen Anfall- und Bedarfssituation eingesetzt wurde, hat sich insbesondere in den Ländern, in denen Heizöl relativ teuer ist (Skandinavien, Österreich, Schweiz, Italien) das Holzbrikett zum Marktprodukt entwickelt. Pelletierung Die gleichen Überlegungen, die zur Holzspänebrikettierung geführt haben, liegen auch der Pelletierung zugrunde, d. h. Volumenverminderung und einfachere, staubfreie Handhabung des feinstückigen Brennstoffs.

Vorteile der Pelletierung sind:

hohe Energiedichte ideale Dosierbarkeit handliche Verpackung

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riesel- und blasfähig minimaler Ascheanfall

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4. Aufbereitung, Lagerung und Transport

AUS BIOMASSE

Verdichtung von Halmgütern Halmgüter sind nach dem Ernten Schüttgut. Zu den Halmgütern zählen Getreideganzpflanzen, Getreide, Stroh oder Häcksel. Es gibt verschiedene konventionelle und neue Technologien für die Verdichtung von Getreideganzpflanzen und Stroh. Das Pressen ist das Hauptaufbereitungsverfahren für Stroh, Getreideganzpflanzen, Hanf und Miscanthus. Im Allgemeinen werden die konventionellen Technologien für das Strohpressen auch für Getreideganzpflanzen sowie für Miscanthus genutzt. Die konventionellen Technologien sind Hochdruckpresse, Quaderpresse und Großballenpresse. Sie werden Aufsammelpressen genannt. Eine andere, neu entwickelte Aufsammelpresse ist die Kompaktrollenpresse. Der Vorteil dieser Presse ist die hohe Verdichtung der Halme. Die Rollen haben gewöhnlich einen Durchmesser von 0,35 m, und die Länge kann beliebig eingestellt werden. Die Pressdichte der Kompaktrollenpressen für Stroh ist fast dreimal höher als in konventionellen Aufsammelpressen. Die Strohpressdichte der Quader- und Großballenpresse beträgt ungefähr 120 kg/m3 und der Kompaktrollenpresse ungefähr 350 kg/m3.

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4. Aufbereitung, Lagerung und Transport

AUS BIOMASSE

Wirkungsweise der Kompaktrollenpresse

Folie

4.5 Netzband oder Bindegarn

Trennvorrichtung

Presswalzen

Kompaktrolle

Halmgutschwad

Wirkungsweise der Kompaktrollenpresse

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Folie 4.5

Die Verdichtung des Häcksels von Getreideganzpflanzen, Stroh, Hanf oder Miscanthus wird wie bei Holz durch Pelletierung oder Brikettierung erreicht. Beide Technologien werden derzeit praktisch umgesetzt, sind jedoch sehr energieintensiv.

4.1.4

Lagerung Die Lagerung der Biomasse ist notwendig, um die Unterschiede im Angebot an Biobrennstoffen zwischen Sommer und Winter auszugleichen und eine Brennstoffbelieferung über das ganze Jahr zu garantieren. Die Lagerung ist deshalb der Puffer zwischen der Brennstoffproduktion und der Brennstoffbereitstellung für die Energieproduktion. Die Konditionierung der Biobrennstoffe hat den größten Einfluss auf die Kosten der Lagerung. Deshalb bestimmen die Aufbereitungstechnologien hauptsächlich die Bedingungen und die Kosten der Lagerung.

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Energie aus Biomasse – Ein Lehrmaterial

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4. Aufbereitung, Lagerung und Transport

AUS BIOMASSE

Lagerung kann im Freien oder unter Dach geschehen. Üblicherweise ist die Lagerung im Freien mit weniger Kosten verbunden, aber auch mit mehr Verlusten.

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4. Aufbereitung, Lagerung und Transport

AUS BIOMASSE

Lagermethoden

Folie

4.6 Lagerung

Ballenlager

unter Dach

Flachlager

Silo

Lagermethoden

im Freien

Folie 4.6

Lagerung im Freien Lagerung im Freien geschieht im Ballenlager, Flachlager oder im Silo. Holz wird im Freien im Flachlager in Form von Holzpoltern gelagert. Das Ballenlager wird durch die Form und Größe der Ballen bestimmt. Ballenlager im Freien sind nur für Stroh geeignet, da dort die Getreideverluste der Getreideganzpflanzen zu groß sind. Um die Qualität der gelagerten Güter zu erhalten, ist eine Überdachung mit einer Plane vorteilhaft. Die Lagerung in Silos ist nur für Schüttgüter möglich. Im Flachlager können Stück- und Schüttgüter lagern. Lagerraumbedarf verschiedener Strohpresslinge

Rundballen

Geschüttete Compactrollen

Durchmesser: 1,20 m Ballendichte : 120 kg/m3 Lagerhöhe : 2,25 m = 100 %

Durchmesser: 0,35 m x 0,35 m Ballendichte : 350 kg/m3 Lagerhöhe : 0,90 m = 40 %

Hochdruckballen 0,46 m x 0,36 m x 0,80 m Ballendichte : 120 kg/m3 Lagerhöhe : 1,80 m = 80 %

Gespaltete Compactrollen Durchmesser: 0,35 m x 1,60 m Ballendichte : 350 kg/m3 Lagerhöhe : 0,70 m = 32 %

Kubische Großballen 1,20 m x 0,60 m x 2,40 m Ballendichte : 150 kg/m3 Lagerhöhe : 1,35 m = 60 %

Energie aus Biomasse – Ein Lehrmaterial

(Strohgewicht 2,3 t, Wassergehalt = 10 %, Grundfläche 4,8 x 2,4 m)

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4. Aufbereitung, Lagerung und Transport

AUS BIOMASSE

Lagerung unter Dach Die Lagerung unter Dach ist, verglichen mit der Lagerung im Freien, technisch vorteilhafter. Aus ökonomischer Sicht ist die Lagerung unter Dach häufig nur wirtschaftlich, wenn ungenutzte Räume vorhanden sind. Die Lagerung von Energiepflanzen unterscheidet sich nicht wesentlich von der Lagerung von Nahrungsoder Futtermittelpflanzen. Für die energetische Nutzung ist die Lagerung in der Nähe der Verbrennungsanlage sinnvoll. Ein Neubau von Lagerräumen ist oft ratsam, da die Vorteile der Lagerung nahe der Verbrennungsanlage durch die direkte Belieferung mit Brennstoff meist größer sind als die Nachteile der Baukosten.

Lagerungsbedingungen und Gefahren für die verschiedenen Güter Art des Brennstoffes/ (W=Wassergehalt) Holz massiv, frisch, nicht entrindet, 50-55 % W Holz massiv, zerkleinert und entrindet, frisches Holz 50-55 % W Holz gehackt, Grobhackgut- ca. 10 cm Hacklänge, ohne Feinanteil, < 45 % W Holzhackgut fein mit größerem Feinanteil, < 25 % W

Lagerfähigkeitsgrenze

Lagerbedingungen

Gefahren, Hinweise

begrenzt lagerfähig

im Freien

trocknet am Lager ab

im Freien

Käfer- und Pilzbefall Pilzbefall

lagerfähig in großen Haufen, besser in abgedeckten Hallen lagerfähig

im Freien

Rinde < 50 % W

bedingt lagerfähig

im Freien oder in Halle

Stroh < 15 % W Ganzpflanzen < 12 % W

lagerfähig

im Freien nur mit Abdeckung oder in Halle im Freien mit Abdeckung oder in Halle

Landschaftspflege < 14 % W Müllereinebenprodukte i.d.R. < 10 % W

4.1.5

lagerfähig

lagerfähig lagerfähig

in Halle

im Freien mit Abdeckung oder in Halle in Halle oder geschlossenen Containern

Schimmelpilz- und Erwärmungsgefahr bei > 25 % W Schimmelpilzbefall Heizwertverlust, Erhitzungsgefahr, Stopprobleme Heizwertverlust, Strukturverlust, Erwärmung, Sickersaftbildung bei Lagerung im Freien Schimmelpilzbefall, Staub Schimmelpilzbefall, Fäulnis, Erhitzung und Mäusefraß, Staub Schimmelpilzbefall, Fäulnis, Staubgefahr Staubgefahr

Transporttechnologien Die technischen Einrichtungen für betriebliches Handling und Transport sind in landwirtschaftlichen Betrieben gewöhnlich vorhanden. Deshalb sind Investitionen in Transporttechnologien im Allgemeinen nicht notwendig.

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4. Aufbereitung, Lagerung und Transport

AUS BIOMASSE

Die erforderlichen Bedingungen für die Transporttechnologie sind von der Energiedichte des Brennstoffes abhängig. Ein großes Transportvolumen aufgrund der niedrigen Brennstoffdichte ist von Nachteil, weil die Kosten für den Transport sehr hoch sind. Deshalb ist die Verbesserung der Transport- und Handlinglogistik, verbunden mit den Lagerungs- und Verbrennungstechnologien, notwendig. Transport von Schüttgütern Produkte wie Sägeabfälle, Häcksel, Hackschnitzel, Briketts und Pellets werden in geschlossenen Hängern und Containern transportiert. Die Beladung der Hänger erfolgt direkt beim Häckseln oder per Traktor mit einem Frontlader oder Radlader. Bei größeren Entfernungen ist die Verwendung großer Lkw mit Großraumcontainern mit einem Fassungsvermögen von 80-100 Schüttraummeter (SRM) vorteilhaft. Der Bahntransport ist für schüttfähige Biobrennstoffe bisher nicht üblich. Transport von Stückgütern Stückgüter sind Stückholz und Ballen. Für den Transport von Holz über kurze Entfernungen, z. B. von der Waldstraße zum Landwirtschaftsbetrieb oder zu einem näheren Holzverarbeitungsbetrieb kann ein Traktor mit einem Hänger mit Ladevorrichtung benutzt werden. Der Transport über längere Entfernungen erfolgt durch einen Lkw mit Kran oder mit der Bahn. Voll beladene Lkw können Brennstoffe über Entfernungen zwischen 100 und 200 km für ungefähr 0,05 bis 0,06 Euro pro km transportieren. Der Transport von Quadern und Rundballen erfolgt gewöhnlich mit landwirtschaftlichen Hängern, meist mit einer größeren Ladefläche, oder mit Lkw. Für die Be- und Entladung der Ballen kann ein Frontlader mit Ballengreifer oder Ballengabel benutzt werden. Im Vergleich zu Rundballen spart die Verwendung von Quaderballen bis zu 40 Prozent der Transportkapazitäten und somit Kosten ein, bei Kompaktrollen sind es sogar bis zu 68 Prozent.

Zusammenhänge zwischen allen Verfahren Die Nachernte- und Aufbereitungsverfahren sind stark miteinander verbunden. Deshalb ist es notwendig, alle Möglichkeiten innerhalb der Verfahrenskette zu betrachten.

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4. Aufbereitung, Lagerung und Transport

AUS BIOMASSE

Verfahrensschritte der Ernte, Bereitstellung und Brennstoffherstellung aus Biomasse

Folie

4.7 Feld-/Forstverfahren

Pflanzenbestand

Ernte - Mähdreschen - Schwadmähen - Häckseln - Fällen

Unterdachverfahren

Verfahrensschritte der Ernte, Bereitstellung und Brennstoffherstellung aus Biomasse

4.1.6

Brennstoffherstellung Bereitstellung - Aufnehmen - Pressen - Räumen - Transportieren - Zwischenlagern - Trocknen

- Zerkleinern - Häckseln - Mahlen

Festbrennstoff

- Brikettieren - Pelletieren - Lagern - Trocknen - Konservieren

Bestandsführung

Ernte- und Aufbereitung

Nutzungsspezifische Brennstoffherstellung

Energiegewinnung

Folie 4.7

Energie aus Biomasse – Ein Lehrmaterial

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4. Aufbereitung, Lagerung und Transport

AUS BIOMASSE

4.1.7

Erfordernisse und Möglichkeiten der Normung Die Normung der Biobrennstoffe ist zukünftig von Nutzen, da sie zum einen die Zusammenarbeit zwischen Hersteller und Verbraucher vereinfachen und zum anderen größere Märkte eröffnen würde. Ein weiterer Grund ist, dass die Verfahrenstechniken und Verbrennungsanlagen nach diesen Regelungen standardisiert werden könnten. Vorteile der Normung sind: · mögliche Standardisierung und weitere Optimierung der Ernte- und Aufbereitungstechnologien, die mit einer Kostenreduzierung verbunden sind, · leichtere Versorgung des Brennstoffmarktes mit genormten Biobrennstoffen, · mögliche Standardisierung und Optimierung der gesamten Verbrennungstechnologie für die Energieproduktion entsprechend den Brennstoffbedingungen. Aber die Normung ist auch mit einigen Nachteilen verbunden: · höhere Kosten für die Produktion genormter Brennstoffe, weil gegenwärtig keine spezifischen Technologien vorhanden sind, · sehr hohe Investitionen in neue Techniken, · kostenintensives Kontrollsystem für die Normung der Biobrennstoffe, · geringe Brennstoffflexibilität der standardisierten Verbrennungsanlagen, · mögliche Behinderung der technologischen Entwicklung, wenn Normen zu früh gesetzt werden. Bisher besitzen unter den biogenen Festbrennstoffen nur Pellets eine Norm. Holzpellets unterliegen der DIN 51731 bzw. dem österreichischem Äquivalent, der ÖNORM M 7135. So kann zum einen garantiert werden, dass der Brennstoff keine gesundheitlichen Verunreinigungen wie chemische Bindemittel sowie Leime, Lacke und Kunststoffe von Althölzern enthält, zum anderen gewährleistet die Normung einen optimalen und fehlerfreien Betrieb der Anlage. Weitere Normen für Biobrennstoffe sind derzeit in Vorbereitung.

4.2 Flüssige Bioenergieträger Die bedeutendste Kulturpflanze zur Ölgewinnung in Deutschland ist die Rapspflanze. Aus ihr lassen sich Rapsöl bzw. nach chemischer Umesterung Rapsölmethylester (RME) gewinnen. Aus zucker-, stärke- oder zellulosehaltigen Biomassen können mittels biotechnologischer Fermentationsverfahren Ethanol und Methanol gewonnen werden. Von den Pflanzen, die als Grundstoff für eine Alkoholgewinnung einsetzbar sind, ist unter den Anbaubedingungen in Deutschland die Zuckerrübe der wichtigste Zuckerlieferant, Kartoffeln und Winterweizen stellen wichtige Rohstoffträger für Stärke dar. Andere nutzbare Kulturpflanzen sind z. B. Zuckerhirse, Topinambur und Wintergerste.

4.2.1

Rapsöl und RME Das Rapskorn enthält ca. 40-45 % Rapsöl. Bei der Ernte der reifen und abgetrockneten Rapspflanze wird das Rapskorn vom Stroh getrennt. Als Grundstoff für die Ölgewinnung dient ausschließlich das Rapskorn. Das darin enthaltene Rapsöl kann entweder in Kleinanlagen ausschließlich durch Pressung oder in großen Ölmühlen durch Pressung und/oder Extraktion gewonnen werden. RME wird durch Veränderung des molekularen Aufbaus von Rapsöl gewonnen. Der entsprechende chemische Prozess wird als Umesterung bezeichnet.

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4. Aufbereitung, Lagerung und Transport

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Kleintechnische Gewinnung von Rapsöl Die kleintechnische Gewinnung von Rapsöl kann in Anlagen mit einer Verarbeitungskapazität von etwa 0,5 bis 5 t Ölsaat pro Tag realisiert werden, beispielsweise auf einem Hof oder einer Genossenschaft. Bei Durchsätzen dieser Größenordnung ist eine Extraktionsanlage aus Kostengründen nicht realisierbar, so dass sich die Ölgewinnung auf die Pressung der Saat beschränkt.

Rapsölgewinnung Die Rapssaat muss gründlich getrocknet und gereinigt sein, um hohe Ölqualitäten zu erzielen und die Presswerkzeuge zu schonen. Die Ölgewinnung erfolgt ausschließlich durch eine mechanische Pressung, wobei der Saat etwa 75 bis 88 % des Ölgehalts entzogen werden. Das einfachste Verfahren zur Reinigung des Rohöls, das nach der Pressung noch Feststoffanteile aufweist, ist die Sedimentation. Zur Sicherheit ist es sinnvoll, das derart vorgereinigte Öl zu filtrieren. Eine Reinigung mit Zentrifugen ist möglich, jedoch für dieses Verfahren zu aufwendig. Der verbleibende Rapskuchen ist nach Abkühlung für einige Wochen lagerfähig. Mit einem Restfettgehalt von 7 bis 20 % wird er derzeit im Regelfall als Futtermittel eingesetzt. Alternativ ist aber auch die Nutzung als Festbrennstoff oder als Düngemittel sowie eine stoffliche Verwertung möglich.

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4. Aufbereitung, Lagerung und Transport

AUS BIOMASSE

Gewinnung von Öl, Schrot, Presskuchen und Stroh aus der Rapspflanze

Folie

4.8 Gewinnung von Öl, Schrot, Presskuchen und Stroh aus der Rapspflanze

Pressung in Kleinanlagen Pressung/Extraktion in Großanlagen

Rapssaat

Trocknung Lagerung Rapsöl Rapskuchen • (Rapsextraktionsschrot) •

Rapspflanze

•

Mähdrusch

Rapsstroh

Bergung Lagerung

Quelle: Martin Kaltschmitt, Guido A. Reinhardt (Hrsg.): „Nachwachsende Energieträger – Grundlagen, Verfahren, ökologische Bilanzierung“, 1997, Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbH

Folie 4.8

Großtechnische Gewinnung von Rapsöl und RME In der bestehenden industriellen Ölsaatenverarbeitung werden durchschnittlich etwa 1.000 bis 3.000 t Ölsaat pro Tag verarbeitet. Die Produktion des Energieträgers Pflanzenöl unterscheidet sich nicht wesentlich von den bestehenden Verarbeitungstechniken für den Nahrungsmittelmarkt, es bestehen lediglich veränderte Anforderungen an die Qualität der Öle. Der Transport der in Deutschland produzierten Rapssaat zu den Ölmühlen erfolgt gegenwärtig zu einem großen Teil mit Binnenschiffen, da die meisten Ölmühlen an den großen Wasserstraßen liegen. Daneben werden aber auch Bahn und Lkw eingesetzt.

Energie aus Biomasse – Ein Lehrmaterial

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4. Aufbereitung, Lagerung und Transport

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Rapsölgewinnung Nach der Anlieferung in der Ölmühle wird die Rapssaat zerkleinert und anschließend konditioniert, d. h. Feuchtigkeitsgehalt und Temperatur werden eingestellt. Die Pressung erfolgt in kontinuierlich arbeitenden Schneckenpressen. Kleine Saatteilchen im Öl werden in einer Filteranlage entfernt. Neben dem Pressöl fällt auch bei der großtechnischen Gewinnung Rapskuchen mit einem Restölgehalt von 15 bis 20 % an. Bei der anschließenden Extraktion wird das restliche Öl durch das Lösungsmittel Hexan aus dem Rapskuchen herausgelöst. Dazu wird der Rapskuchen auf Flockierwalzen zu kleinen, festen Blättchen ausgewalzt. Diese werden dem Lösungsmittel in einem geschlossenen Extraktionsraum ausgesetzt. Als Produkte der Extraktion entstehen zwei Fraktionen: das mit Öl angereicherte Lösungsmittel, die sogenannte Miscella (20 bis 30 % Ölgehalt), und das mit Lösemittel durchsetzte, weitgehend ölfreie Extraktionsschrot. Aus beiden Produkten wird das Hexan abgetrennt und dem Prozess zurückgeführt. Dabei verbleibt ein geringer Rest Hexan sowohl im Öl, als auch im Schrot. Danach werden Press- und Extraktionsöl zusammengeführt und weiter aufbereitet. Verfahrensschritte bei der Gewinnung von Rapsöl: Das hier dargestellte Schälen der Saat ist gegenwärtig nicht üblich, wird aber zur Verringerung des Energiebedarfs vorgeschlagen

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4. Aufbereitung, Lagerung und Transport

AUS BIOMASSE

Verfahrensschritte bei der Gewinnung von Rapsöl

Folie

Saat Reinigung Saatschälung

Verunreinigungen und Abfall

4.9

Schalen und Schrotbeimischung

Zerkleinerung / Riffelung Konditionierung Vorpressung Presskuchen

Pressrohöl

Extraktion

Filtern

Extraktionsschrot

Miscella (Öl/Hexan)

Hexanabtrennung

Miscelladestillation

Trocknung

Extraktionsrohöl

Kühlung

Entschleimen

Schrot

Trocknen

Pressrohöl Schleimstoffe, Phosphatide

Entschleimtes Rapsöl Raffination / Umesterung

Quelle: Martin Kaltschmitt, Guido A. Reinhardt (Hrsg.): „Nachwachsende Energieträger – Grundlagen, Verfahren, ökologische Bilanzierung“, 1997, Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbH

Verfahrensschritte bei der Gewinnung von Rapsöl

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Folie 4.9

Ölraffination Da das gewonnene Rapsöl noch nicht motorentauglich ist, muss es weiter aufbereitet werden. Dies kann durch eine chemische oder physikalische Raffination realisiert werden. Beide Verfahren bestehen aus verschiedenen Schritten, für die meist mehrere Varianten existieren. Im folgenden werden deshalb nur die klassischen Raffinationsschemata kurz skizziert.

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4. Aufbereitung, Lagerung und Transport

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Chemische Raffination

Physikalische Raffination

Entschleimung: Schleimstoffe, z. B. Phosphorlipide, setzen die Haltbarkeit des Öls herab und fördern die Fettspaltung. Durch Zusatz von Wasser und Säure (vornehmlich Phosphorsäure) bildet sich ein ölunlöslicher Schlamm, der abgetrennt werden kann.

Bei der physikalischen Raffination erfolgt die Abtrennung nicht durch die Neutralisation der Fettsäuren, sondern durch Destillation.

Entsäuerung (Neutralisation): Rohöl enthält 1 bis 3 % freie Fettsäuren, die in diesem Verfahrensschritt abgetrennt werden. Die freien Fettsäuren werden dazu mit schwach alkalischen Substanzen wie verdünnter Natronlauge neutralisiert. Ein Teil der dabei anfallenden Seifenlösung wird zunächst durch Zentrifugieren oder Dekantieren vom Öl abgetrennt. Der verbleibende Rest wird mit Wasser ausgewaschen.

Die beiden Verfahrensschritte Entsäuerung und Dämpfung werden daher bei der physikalischen Raffination miteinander verbunden. Üblicherweise werden Entschleimung und Bleichung zu einem Prozess gekoppelt. Im Vergleich zur chemischen Raffination lassen sich so einige Vorteile erzielen: · ein verringerter Gebrauch an Prozesschemikalien, · geringere Raffinationsverluste,

Entfärbung (Bleichung): Hier wird der größte Teil der Farbstoffe, Schleimstoffreste, Spurenmetalle und Oxidationsprodukte aus dem Öl entfernt. Dies erhöht die Haltbarkeit des Öls. Die Bleichung erfolgt überwiegend mit Adsorptionsmitteln (Bleicherde). Dämpfung (Desodorierung): Bei der Dämpfung werden dem Öl die geruchs- und geschmacksintensiven Begleitstoffe entzogen. Dies wird mit Hilfe einer Wasserdampfdestillation durchgeführt.

· geringere Abwassermengen, · direkte Abtrennung der freien Fettsäuren.

Rohes Rapsöl Wasser, Phosphorsäure aktivierte Bleicherde

Entschleimung Entfärben/ Bleichen

Schleimstoffe (Phosphorverbindungen) beladene Bleicherde (Chlorophylle, Caroline)

Rohes Rapsöl Wasser, Phosphorsäure

Entschleimung

Schleimstoffe (Phosphorverbindungen)

Natronlauge

Entsäuerung/ Neutralisation

Seifenstock (freie Fettsäuren, Farbstoffe, Schwermetalle)

aktivierte

Entfärbung/ Bleichung

Bleicherde

Wasserdampf

Dämpfung/ Desodorierung destillative Entsäuerung

Brüden, freie Fettsäuren, Farbstoffe, Schwermetalle

Vollraffiniertes Öl

Beladene Bleicherde (Chlorophylle, Caroline)

Teilraffiniertes Rapsöl Wasserdampf

Dämpfung/ Desodorierung

Brüden (leichtflüchtige Oxidationsprodukte Tocopherole)

Vollraffiniertes Rapsöl

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Quelle: Martin Kaltschmitt, Guido A. Reinhardt (Hrsg.): „Nachwachsende Energieträger – Grundlagen, Verfahren, ökologische Bilanzierung“, 1997, Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbH

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4. Aufbereitung, Lagerung und Transport

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Umesterung zu Biodiesel Bei der Umesterung werden die physikalischen Eigenschaften des Pflanzenöls an die Anforderungen der auf Dieselkraftstoff abgestimmten Motoren angepasst. Dazu wird das Rapsöl in Verbindungen gespalten, die herkömmlichem Dieselkraftstoff wesentlich näher kommen als Rapsöl. Öl- und Fettsäuremoleküle haben stets den gleichen Aufbau. Es sind Fettsäure-Ester, die Verbindung des dreiwertigen Alkohols Glycerin mit Fettsäuren. Beim Rapsöl ist das Glycerin mit jeweils drei langen Fettsäure-Ketten verbunden. Rapsöl und Methanol werden in Gegenwart eines Katalysators (etwa 0,5 % Natriumhydroxid, wasserfrei) erwärmt. Dabei tauschen Glycerin und Methanol den Platz, und es entstehen drei einzelne Fettsäure-Methylester-Ketten und ein freies Glycerin-Molekül. Daher ist für Biodiesel auch die Bezeichnung RME (= Raps-Methylester oder Rapsöl-Methylester) gebräuchlich. In den Entwürfen zur DIN-Norm 51606 und zur europäischen CEN-Norm prEN 14214 wird nun die Bezeichnung FAME (=Fatty Acid Methyl Ester) verwendet. Das Nebenprodukt Glycerin kann vielseitig verwendet werden, z. B. in der Pharma-Industrie, in der Kunststoff- und Lackindustrie und zur Feuchthaltung von Tabak.

Die besonderen Vorteile des Biodiesels sind: 1. Biodiesel ist der einzige alternative Kraftstoff, der in jedem dafür freigegebenen Dieselmotor genutzt werden kann. Er kann überall dort, wo auch Mineraldiesel gelagert wird, aufbewahrt werden. 2. Biodiesel kann pur oder auch in Mischungen mit Mineraldiesel benutzt werden. 3. Die Produktion und der Gebrauch von Biodiesel produziert etwa 80 % weniger CO2 - Emissionen und nahezu 100 % weniger Schwefeldioxid. Weiterhin reduziert Biodiesel die Partikelemission und den Kohlenmonoxid-Ausstoß. 4. Biodiesel enthält etwa 11 Vol% Sauerstoff und keinen Schwefel. Der Gebrauch von Biodiesel kann das Leben eines Dieselmotors verlängern, weil er besser schmiert als Mineraldiesel, während Kraftstoffverbrauch, Selbstzündung, Kraftentfaltung und das Drehmoment im Grunde unverändert bleiben. 5. Biodiesel ist sicher zu handhaben und zu transportieren, weil er biologisch abbaubar ist.

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4. Aufbereitung, Lagerung und Transport

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Agraralkohol Unter Agraralkohol versteht man sowohl Ethanol (C2H5OH) als auch Methanol (CH3OH). Ethanol Klassisches Ausgangsprodukt für die Erzeugung von Ethanol aus Biomasse ist Zucker. Bei der Vergärung von Zucker entstehen unter Zusatz von Hefebakterien Alkohol und Kohlendioxid. Ausgangsstoff für diesen Prozess sind zuckerhaltige Pflanzen wie Zuckerrübe und Zuckerrohr, aber auch jene Pflanzen, deren Inhaltsstoffe in Zucker umgewandelt werden können. Dazu gehören beispielsweise stärkehaltige Pflanzen wie Mais, Getreide und Kartoffeln. Die Umwandlung von Stärke in Zucker erfolgt durch Erhitzen unter Zusatz von Enzymen. Methanol Methanol aus Biomasse wird bisher nur im Labormaßstab erzeugt. Seine großtechnische Produktion aus Biomasse war bisher aus Kostengründen nicht lukrativ. Die Hauptquelle der Herstellung von Methanol ist nach wie vor Erdgas. Methanol kann zukünftig als Kraftstoff für den mobilen Betrieb in Verbrennungsmotoren oder Brennstoffzellen dienen. In der folgenden Abbildung sind theoretische Verfahrenswege zur Herstellung von Methanol aus biogenen Ressourcen dargestellt, die bisher aus verfahrenstechnischen und wirtschaftlichen Gründen noch nicht in die Praxis umgesetzt werden konnten.

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4. Aufbereitung, Lagerung und Transport

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Methanol aus Biomasse

Folie

4.10 Biomasse Fermentation

Vergasung

BIOGAS

SYNTHESEGAS

Gasreinigung

Gasreinigung Reformierung

H2

Gaskonditionierung

Methanol aus Biomasse

4.2.2

CO2

Methanolsynthese

METHANOL Quelle: nach Dr. Andreas Bandi, www.erneuerbareenergie.at

Folie 4.10

Energie aus Biomasse – Ein Lehrmaterial

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4. Aufbereitung, Lagerung und Transport

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4.3 Biogas In einer Biogasanlage werden organische Stoffe durch Mikroorganismen aufgeschlossen. Dieser vielstufige Prozess findet unter Luft- und Lichtabschluss statt und besteht im Wesentlichen aus zwei Teilen: Aus der Zersetzung hochmolekularer Verbindungen zu niedrigmolekularen Fettsäuren und Alkoholen sowie der Methanbildung. Den ersten bereits sehr komplexen Teil des Gesamtprozesses bezeichnet man als „Saure Phase“ oder Hydrolyse. Der zweite Teil des Faulvorgangs ist die „alkalische Phase“, die Methanbildung, bei der die Methanbakterien die Fettsäuren und Alkohole in Biogas umwandeln. Für eine aktive Methanbildung ist ein genaues Zusammenwirken der verschiedenen Bakteriengruppen notwendig. Biogas ist ein Gasgemisch, welches zu etwa 2/3 aus Methan (CH4) und zu rund 1/3 aus Kohlendioxid besteht. Es ist in seiner Qualität mit dem Erdgas vergleichbar. Biogas kann mit konditionierter Anlagentechnik genauso zur Wärme- und Stromerzeugung genutzt werden wie Erdgas. Der Heizwert liegt rund 30 Prozent unter dem von Erdgas bei etwa 22 MJ/m3. Das entspricht einer Energieausbeute von ca. 6 kWh/m3.

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Energie aus Biomasse – Ein Lehrmaterial

5. Energetische Nutzung

ENERGIE AUS BIOMASSE

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5. Energetische Nutzung

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5. Energetische Nutzung Bei der Verbrennung von Biomasse handelt es sich um eine nahezu vollständige Oxidation des Brennstoffs, wobei thermische Energie erzeugt wird. Die freigesetzte Wärmeenergie kann entweder für Heizzwecke oder zur Stromerzeugung eingesetzt werden.

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5. Energetische Nutzung

AUS BIOMASSE

Übersicht über die möglichen Anwendungen der energetischen Biomassenutzung

Folie

5.1 Endenergieart Abnehmer

Wärme

Wärme + Strom (KWK)

Betreiber elektrischer Netze

Strom

Stromerzeugungsanlagen

Industriebetreiber

Industrielle Energieanlagen

Kleinverbraucher

Energieanlagen für Kleinverbraucher Energieanlagen für Nah- und Fernwärme

Haushalt

Anlagengröße (thermisch)

Hausheizungen, Kachelöfen …

10 kW alleiniger Einsatz von Biomasse

100 kW

1 MW

10 MW

Biomasse und fossiler Brennstoff für Spitzenlast

100 MW

1000 MW Mitverbrennung von Biomasse

Quelle: Fichtner in „Leitfaden Bioenergie“, 2000, FNR

Übersicht über die möglichen Anwendungen der energetischen Biomassenutzung

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Folie 5.1

5.1 Erzeugung von Wärme aus fester Biomasse Die Wärmegewinnung aus Holz hat historisch, kulturell und wirtschaftlich eine besondere Bedeutung. Techniken zur Verbrennung von Holz für Heizzwecke sind weitgehend ausgereift und erprobt. Verfahren zur thermischen Nutzung anderer fester Biomassen dagegen sind zwar teilweise am Markt verfügbar, langjährige Betriebserfahrungen liegen jedoch nur selten vor.

Die wesentlichen technischen Randbedingungen, die die Grenzen und Möglichkeiten der energetischen Nutzung fester Biobrennstoffe entscheidend bestimmen, umfassen: die spezifischen Eigenschaften der einzusetzenden Biobrennstoffe, die charakteristischen Merkmale in Bezug auf die Energieabnahme sowie den Stand der Technik zur Energiebereitstellung aus festen Biobrennstoffen.

Die Wahl des Feuerungssystems hängt neben der Anlagengröße davon ab, in welcher Form (z. B. Späne, Häcksel, Pellets, Ballen) die zu verbrennenden Biomassen vorliegen.

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Energie aus Biomasse – Ein Lehrmaterial

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5. Energetische Nutzung

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Kleinanlagen zur Wärmegewinnung Der Begriff „Kleinfeuerungsanlagen“ wird in Deutschland mit dem Geltungsbereich der 1. BundesImmissionsschutzverordnung (1. BImSchV) für Feuerungsanlagen für feste Brennstoffe verwendet. Danach sind als Kleinfeuerungsanlagen die Holzfeuerungen anzusehen, die eine Feuerungswärmeleistung zwischen 15 kW und 1 MW aufweisen. Der Begriff schließt den handbeschickten Kaminofen ebenso ein wie eine vollautomatisch arbeitende Anlage an der oberen Grenze des Geltungsbereichs der 1. BImSchV. In Deutschland gibt es derzeit etwa 45.000 Kleinfeuerungsanlagen für Holz im Leistungsbereich zwischen 15 kW und 1 MW. Die sogenannten Kleinstfeuerungsanlagen (Anlagenleistung unter 15 kW) unterliegen nicht der 1. BImSchV. Allerdings dürfen hier nur einige wenige Brennstoffe wie naturbelassenes stückiges Holz, einschließlich anhaftender Rinde, wie beispielsweise Scheitholz, Hackschnitzel sowie Reisig und Zapfen verbrannt werden. Die übrige Biomasse, z. B. Stroh, ist nicht zugelassen. Die Kleinfeuerungsanlagen lassen sich grundsätzlich in Stückholzfeuerungen, Hackschnitzelfeuerungen und Pelletfeuerungen einteilen. Für sehr feinstückige Materialien wie z. B. Säge- und Hobelspäne gibt es als weitere Form die Einblasfeuerungen, die mit einer thermischen Leistung von 200 kW bis 50 MW angeboten werden (Beschreibung siehe Kapitel 5.1.2)

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5. Energetische Nutzung

AUS BIOMASSE

Vor- und Nachteile von modernen Stückholz- und Hackschnitzelfeuerungen

Folie

5.2 VORTEILE

NACHTEILE

Stückholzfeuerungen Geringere Investitionskosten

Höherer Bedienungsaufwand

Geringerer Lagerraumbedarf für den Brennstoff

Pufferspeicher zur Vermeidung von Schwachlastbetrieb

Hoher Wirkungsgrad (bis 90 %)

VORTEILE

NACHTEILE

Pelletfeuerungen Sehr hoher Wirkungsgrad (bis zu 95 %)

Höhere Investitionskosten

Bedienungsfreundlich und wartungsarm Automatische Wärmebereithaltung Geringes Lagervolumen

Hackschnitzelfeuerungen Sehr hoher Wirkungsgrad (über 90 %) Bedienungsfreundlich und wartungsarm

Höhere Investitionskosten Höherer Lagerraumbedarf für den Brennstoff

Automatische Wärmebereithaltung Auch schwaches Restholz verwertbar

Vor- und Nachteile von modernen Stückholzund Hackschnitzelfeuerungen

5.1.1

Folie 5.2

Bei den Kleinfeuerungen ist auch die Art der Verbrennungsführung wichtig. Öfen und Kessel für Stückholz und grobe Hackschnitzel lassen sich in der Regel drei Grundtypen zuordnen: · Verbrennung mit oberem Abbrand · Verbrennung mit Durchbrand · Verbrennung mit unterem Abbrand.

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5. Energetische Nutzung

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5. Energetische Nutzung

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Grundprinzip der Stückholzfeuerungen

Folie

5.3 Oberer Abbrand

Durchbrand

A

Unterer Abbrand

A S

A S

P

S P

P

P = Primärluft S = Sekundärluft A = Abgas

Quelle: Rainer Marutzky, Klaus Seeger: „Energie aus Holz und anderer Biomasse“, 1999, DRW-Verlag

Grundprinzip der Stückholzfeuerungen

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Folie 5.3

Bei Feuerungen mit oberem Abbrand und Durchbrand finden Entgasung und Ausbrand des Holzes in einer gemeinsamen Brennkammer statt. Dieser Feuerraum übernimmt die Funktion des Vorrats- und Verbrennungsraums. Für die Verbrennung von Holz wird zudem ein Überschuss an Luft benötigt. Sie wird bei Holzfeuerungen als Primär- oder Sekundärluft zugeführt. Der Brennstoff wird hier chargenweise eingefüllt, daher verläuft der Verbrennungsvorgang relativ ungleichmäßig. Bei Unterbrandfeuerungen rutscht der Brennstoff von oben in eine Entgasungszone. Neuere Entwicklungen wie zum Beispiel die sogenannten Vergasungskessel trennen dabei die Entgasungs- und Ausbrandzone. Meistens werden solche Feuerungen mit Hackschnitzeln betrieben, die über einen Füllschacht kontinuierlich zugeführt werden. Unterbrandfeuerungen (auch mit Scheitholz zu betreiben) zeichnen sich daher durch eine gleichmäßige Verbrennung aus. Sie lassen sich besser regeln und einstellen als die chargenweise betriebenen Feuerungsanlagen. Die Luftzufuhr unterteilt sich auch hier in Primär- und Sekundärluft. Die traditionelle Form einer Heizanlage für Holz ist die Stückholzfeuerung. In diesem Bereich gibt es daher auch das größte Angebot an unterschiedlichen Anlagentypen und Systemvariationen. Die nachfolgende Tabelle gibt eine Übersicht zu der Systematik von Holzfeuerungsanlagen im häuslichen Bereich.

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Systematik der Bauarten für Holzfeuerungsanlagen im häuslichen Bereich: Bauart Einzelöfen Heizkamin

Wärmeabgabe

Beschreibung/Bemerkung

Strahlung (Konvektion)

Kaminofen

Konvektion

Heizungsherd

Wärmeleistung, Strahlung (Konvektion) Strahlung

Hauptsächlich zur Wohnwertsteigerung, offene Kamine dürfen nur noch gelegentlich betrieben werden, teilweise mit Luft- und Wassererwärmung Freistehend, meist aus Gusseisen, geringe Wärmespeichermasse Mehrzwecknutzung (Kochen, Backen, Heizen, Brauchwasser), auch in Heizwasserkreislauf integrierbar Feuerraum und Züge gemauert, Kachelmasse oder Putz als Wärmespeicherung Heizeinsatz und Nachheizkasten ummauert, mit Raumluftleitkanälen, auch in Heizwasserkreislauf integrierbar Automatisch beschickter Einzelofen

KachelGrundofen KachelWarmluftofen Pelletofen

Konvektion und Strahlung Strahlung und Konvektion

Zentralheizkessel Unterbrandkessel

Konvektion

Durchbrandkessel

Konvektion

Anschluss an Heizwasserkreislauf, Brauchwassererwärmung, Pufferspeicher empfehlenswert Anschluss an Heizwasserkreislauf, Brauchwassererwärmung, Pufferspeicher empfehlenswert

Quelle: Rainer Marutzky, Klaus Seeger: „Energie aus Holz und anderer Biomasse“, 1999, DRW-Verlag

Nachfolgend werden einige ausgewählte Holzfeuerungssysteme vorgestellt. Die in den Abbildungen dargestellten Anlagen sind nur Beispiele. Anlagen mit abweichenden Konstruktionsmerkmalen können unter Einhaltung der genannten Grundanforderungen als ebenso geeignet angesehen werden.

Kachelofen-Grundofentyp Der Grundofen stellt einen vor Ort gemauerten Speicherofen dar. Er liefert hauptsächlich Strahlungswärme. Bei richtigem Betrieb und bedarfsgerechter Dimensionierung ist diese alte Holzofenform empfehlenswert. Sie muss allerdings einzeln erstellt werden und ist bei Verwendung hochwertiger Kacheln relativ teuer. Von Vorteil ist die Wärmespeicherwirkung, sie reicht bis zu 15 Stunden. Nachteilig dagegen ist die Zeitspanne vom Anheizen bis zur Wärmeabgabe (bis zu 2 Stunden). Wie bei allen Holzfeuerungsanlagen sollte trockenes Holz (unter 20 % Feuchtegehalt) eingesetzt werden.

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Kachelofen-Grundofentyp

Folie

5.4 heiße Konvektionsluft

Vertikale Anschlußmöglichkeit Wechselstutzen Speicherfähiger Kachelstab

Abgas Heizgasumlenkung

Deckengitter

Warmhaltefach Sichtscheibe Feuerschutzplatten Türverschluß

vorgewärmte Sekundärluft Primärluft 1 (Aschelade u. Feuerrost) Primärluft 2 (Stehrost) kühle Konvektionsluft Holzlege

OberluftDrehschieber UnterluftDrehschieber Aschetür OberluftDrehschieber Abdeckplatte

Quelle: Broschüre „Biomasse – nachwachsende Energie aus Land- und Forstwirtschaft“, 1997, C.A.R.M.E.N., CMA, FNR

Kachelofen-Grundofentyp

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Folie 5.4

Kachelofen-Warmlufttyp mit Heizeinsatz Die Brennkammer ist aus Stahl oder Guss gefertigt, ausschamottiert und meist nach dem Prinzip des oberen Abbrandes aufgebaut. Durchbrand und Unterbrandsysteme kommen auch zur Anwendung. Ein Unterbrandsystem mit Nachbrennkammer erlaubt längere Nachheizintervalle. Moderne Einsätze mit oberem Abbrand ermöglichen Nachheizintervalle von bis zu 4 Stunden. Die Emissionswerte liegen teilweise unter den Anforderungen für Heizkessel. Meist haben Kachelöfen Leistungen von 4-10 kW. Beim Warmluftkachelofen wird zirkulierende Raumluft erwärmt. Der dem Heizeinsatz nachgeschaltete Heizkasten dient als zusätzlicher Wärmetauscher. An seiner Stelle kann ein Grundofensystem angeschlossen werden (Kombiofen). Ein Kombiofen verbindet den Vorteil der schnellen Erwärmung der Raumluft durch zirkulierende Luft mit der Speicherwirkung des gemauerten Zusatzwärmetauschers. Über den Kachelofen können zudem Heizradiatoren und Brauchwasserboiler erhitzt werden. Wichtig ist, dass trockenes Holz mit Feuchtegehalten unter 20 % zur Verfeuerung kommt. Mehrere Hersteller bieten bereits eine automatische Feuerungsregelung für Kachelöfen an.

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Kaminofen (Heizkamin) Dieser Ofentyp gibt ein Behaglichkeitsgefühl durch sein abwechslungsreiches Flammenbild und die Wärmestrahlung, ähnlich wie beim offenen Kamin, jedoch mit entsprechend höherem feuerungstechnischen Wirkungsgrad. Ein richtig dimensionierter Brennraum (bedarfsgerecht) und heiße Brennkammerwände mit „Ausbrandkuppel“ (bei einem Fabrikat mit Nachbrennschikanen zum besseren Ausbrand) fördern die Einhaltung geringer Emissionswerte. Von Vorteil sind beispielsweise Rüttelroste, große Ascheschubladen und gute übersichtliche Verstellmöglichkeiten von Primär- und Sekundärluftzufuhr. Ein Rauchgasthermometer erleichtert die Leistungseinstellung über die Primärluft. Der Preis liegt bei einer Leistung von 6-8 kW im Bereich von 600-3000 Euro, je nach Hersteller. Der Heizeinsatz mit Glasfronttüre lässt sich auch als Heizkamin einmauern und gegebenenfalls mit Kacheln verkleiden.

Kochherde und Heizungsherde Kochen, Brauchwassererwärmung und Heizen zu verbinden, ist im ländlichen Raum beliebt, aber mit einem höheren Arbeitsaufwand verbunden. Bemerkenswert sind moderne Bauarten mit höhenverstellbarem Rost, hochgestellt zum Kochen und tiefer gestellt zum Kochen und Heizen. Als Brennstoff dient Scheitholz, seltener auch Holzhackgut.

Scheitholzkessel Unterbrandkessel mit heißer Nachbrennkammer werden häufig auch als „Vergaserkessel“ bezeichnet. In jeder Feststofffeuerung findet eine „Vergasung“ statt, da ohnehin nur das „Holzgas“ brennt. Bei den Gebläsekesseln wird die Luft zur Vergasung gezielt in die Primärbrennkammer und zur vollständigen Vergasung weiter in die Sekundärbrennkammer geleitet. Die Primärluftmenge bestimmt die Heizleistung, die Sekundärluftmenge beeinflusst die Feuerungsqualität bzw. den gewünschten vollständigen Ausbrand bei hohem Wirkungsgrad. Primär- und Sekundärluft haben nach der Anfahrphase ein Verhältnis von etwa 1:3. Alle Gebläsekessel mit richtig dimensionierter heißer Nachbrennkammer unterschreiten im Optimallastbereich die vorgegebenen Emissionsgrenzwerte. Eine ausreichende Gasverweilzeit in der isolierten Nachbrennkammer und bei hoher Temperatur, möglichst mit Verwirbelungseinrichtungen, stellt eine hohe Feuerungsqualität sicher. Die Wärmetauschergröße bestimmt den Anlagenwirkungsgrad. Da im Teillastbereich (unter 50 % Heizleistung) die Feuerungsqualität stark abnimmt, wird die Kombination mit einem Wärmespeicher (Pufferspeicher) empfohlen, der mindestens 100 l je kW Heizleistung aufweisen sollte, um auch einen arbeitswirtschaftlich positiven Effekt zu haben. Auch Unterbrandkessel ohne Druckgebläse bringen gute Feuerungsergebnisse, wenn der Nachbrennraum ausreichend groß dimensioniert ist. Rauchgasgebläse zwischen Kessel und Kamin sichern den notwendigen Zug und dienen der Leistungsregelung.

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Moderner Unterbrandkessel im Betrieb:

Quelle: Broschüre „Biomasse-nachwachsende Energie aus Land- und Forstwirtschaft“, C.A.R.M.E.N., CMA, FNR

Hackschnitzelfeuerungsanlagen Am vorteilhaftesten ist es, das Hackgut aus einem belüftbaren Flachlager mit einem Frontlader in den Dosierbehälter zu befördern. Förderschnecken transportieren das Feinhackgut (1-3 cm Durchmesser) über eine Feuersicherheitsschleuse in die heiße Brennkammer des Vorofens. Die Flammen schlagen dann von der Brennkammer aus in den angeschlossenen Heizkessel. Dies ist entweder ein Scheitholzkessel (Doppelnutzung) oder aber der bereits vor dem Umbau vorhandene Ölkessel. Wenn kein geeigneter Kessel für eine Hackschnitzelvorfeuerung vorhanden ist, sollte man einen Heizkessel mit integrierter Hackschnitzelfeuerung wählen. Häufig bestimmen die örtlichen Voraussetzungen das Heizsystem. In jedem Fall ist darauf zu achten, dass sich die Asche einfach entnehmen lässt, oder besser noch, automatisch ausgetragen wird.

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Schemazeichnung einer Hackgutfeuerung mit Vorofen und Scheitholzkessel

Folie

5.5 Dosierbehälter

Isolierung Wärmebeton Dosierschnecke

Kippdeckel Brennkammer

Heizkessel (auch für Scheitholz nutzbar)

Vorofen

Rückbrandklappe

Getriebe

Rost

Füllschnecke

Verbrennungsluft

Quelle: Broschüre „Biomasse – nachwachsende Energie aus Land- und Forstwirtschaft“, 1997, C.A.R.M.E.N., CMA, FNR

Folie 5.5

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Schemazeichnung einer Hackgutfeuerung mit Vorofen und Scheitholzkessel

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Pelletfeuerungsanlagen Pelletheizungen sind als Einzelöfen oder als Pelletzentralheizungen zur Beheizung von Ein- und Zweifamilienhäusern erhältlich. Pelleteinzelheizungen haben eine Leistung bis ca. 11 kW und werden hauptsächlich zur Beheizung einzelner Wohnräume eingesetzt. Sie werden wie Kaminöfen im Wohnraum des Hauses aufgestellt. Sie besitzen einen vom Brennraum abgetrennten Vorratsbehälter, der in regelmäßigen Abständen von Hand befüllt werden muss. Die Pellets werden dann mittels einer Schnecke vollautomatisch aus dem Vorratsbehälter in den Verbrennungsraum gefördert und elektrisch gezündet. Verschiedene Rückbrandsicherungen sorgen für einen gefahrlosen Betrieb der Anlage. Durch den Einbau einer Wassertasche und den Anschluss an ein Heizsystem können Einzelöfen auch zu Zentralheizungsanlagen erweitert werden. Pelletzentralheizungen können halb- und vollautomatisch betrieben werden. Die beiden Heizungstypen unterscheiden sich lediglich im Arbeitsaufwand bei der Befüllung ihres Vorratsbehälters bzw. Lagerraums. Die halbautomatischen Kompaktanlagen besitzen einen größeren Vorratsbehälter, der von Hand mit Pellets bestückt wird. Vollautomatische Anlagen dagegen sind über eine Förderschnecke oder eine Saugaustragung mit dem Lagerraum oder –tank verbunden, aus dem die Pellets vollautomatisch zum Heizkessel transportiert werden. Durch den Einbau eines Pufferspeichers ist es möglich, die Zahl der Brennerstarts zu reduzieren und den Heizkessel immer im Volllastbetrieb laufen zu lassen. Dies erhöht den Wirkungsgrad und reduziert die Emissionen der Verbrennung.

Pellet-Einzelofen:

Quelle: Wodtke GmbH Tübingen

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Beispiel einer Pelletzentralheizung mit vollautomatischer Schneckenförderung

Folie

5.6

8 15

5

16

14 7 4

2 1

12 9 10

3

11 6 13

Quelle: ÖkoFEN, Lembach Österreich, www.pelletsheizung.at

1 = Brennteller 2 = Flammrohr 3 = Aschebox 4 = Wärmetauscher mit Reinigungsfeder 5 = Reinigungsmotor 6 = Gebläse 7 = Kesselisolierung 8 = Regelung 9 = Elektrozündung 10 = Brennerschnecke 11 = Hauptantrieb und Getriebe 12 = Brandschutzklappe 13 = Raumaustragung: Schneckenkanal 14 = Schnecke 15 = Antriebsmotor 16 = Brandschutzklappe

Beispiel einer Pelletzentralheizung mit vollautomatischer Schneckenförderung

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Folie 5.6

Sollen Strohpellets oder Getreideganzpflanzenpellets verfeuert werden, sollte die Brennmulde wassergekühlt sein, um der Ascheerhitzung über 1000°C (Schlackebildung) entgegenzuwirken. Anlagen mit beweglichem Rost sind betriebssicher, aber teurer. Bei größeren Biomassefeuerungsanlagen kommen Schrägschubroste zum Einsatz. Sie eignen sich auch für Brennstoffmischungen. Einige Unterbrandkessel mit Wärmespeicher haben sich in der Praxis gut bewährt.

Anlagen ab 15 kW Heizleistung müssen laut 1. BImSchV vorgegebene Emmissionsgrenzwerte einhalten. Für die Verbrennung von Stroh- und Energiepflanzen gelten bereits ab 100 kW die engen Grenzwerte der TA Luft (siehe Tabelle). Sie bedürfen der behördlichen Zulassung.

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Emissionsgrenzwerte bei der Verfeuerung von naturbelassenen biogenen Festbrennstoffen in Deutschland – Stand Januar 2002 (geplante Verschärfungen in Klammern) BezugsEmissionsgrenzwerte Anlagenrelevante sauerstoff CO Ges.-C.1) NOx2) Staub nennleistung Vorschrift Vol. % (g/Nm3) (mg/Nm3) (mg/Nm3) (mg/Nm3) Emissionswerte bei der Verfeuerung von naturbelassenem Holz 15 - 50 kW 1. BImSchV 13 4 150 (50) 50 - 150 kW 1. BImSchV 13 2 150 (50) 150 - 500 kW 1. BImSchV 13 1 150 (50) 500 - 1000 kW 1. BImSchV 13 0,5 150 (50) 50 500 (400)3) 150 (20) 1 - 5 MW TA Luft 11 0,254) 50 (20) 5 - 50 MW TA Luft 11 0,25 50 500 (400)3) Emissionswerte bei der Verfeuerung von Stroh und ähnlichem pflanzlichen Material 15 - 100 kW 1. BImSchV 13 4 150 (50) 4) 50 500 (400) 150 (50/20)5) 100 kW - 5 MW TA Luft 11 0,25 3) 5 - 50 MW TA Luft 11 0,25 50 500 (400) 50 (20) 1) Die Emission flüchtiger organischer Kohlenstoffverbindungen wird als „Gesamtkohlenstoff“ (Ges.-C) angegeben. 2) angegeben als Stickstoffdioxid (NO2) 3) Für Wirbelschichtfeuerungen > 20 MWtherm oder für zirkulierende Wirbelschichtfeuerungen gilt ein Grenzwert von 300 mg/Nm3. 4) Bis 2,5 MW Feuerungsleistung gilt der Grenzwert nur bei Betrieb mit Nennlast. 5) Ab 1 MW Feuerungsleistung.

5.1.2

Großanlagen zur Wärmegewinnung Unter Großfeuerungsanlagen sind jene Anlagen zu verstehen, die den Emissionsbestimmungen der TA-Luft unterliegen und im Sinne des Bundes-Immissionsschutzgesetzes genehmigungspflichtig sind. Darunter fallen Anlagen im Leistungsbereich zwischen 1 und 50 MWth und mit Halmgütern befeuerte Anlagen oberhalb 100 kWth (siehe auch Tabelle oben). Der Anteil der mit Biomasse befeuerten Großanlagen am gesamten Anlagenbestand dieser Leistungsklasse beträgt in Deutschland rund 12 bis 15 Prozent. Die derzeit betriebenen großtechnischen Biomassefeuerungen sind vor allem in der Holzbe- und -verarbeitung zur Verbrennung der dort anfallenden Holzreste verbreitet. Der überwiegende Teil des nicht stofflich verwertbaren Industrierestholzes wird hier vorrangig zur innerbetrieblichen Wärmeversorgung genutzt. Zudem wird teilweise Strom erzeugt und ins öffentliche Versorgungsnetz eingespeist. Biomasseanlagen haben eine möglichst schadstoffarme Verbrennung zum Ziel. Daher ist die Verbrennungstechnik auf den einzusetzenden Brennstoff und die benötigte Wärmeleistung abzustimmen. In der nachstehenden Tabelle werden einige Feuerungsarten zur großtechnischen Wärmeerzeugung in Abhängigkeit zu den Brennstoffeigenschaften und der möglichen Leistung aufgezeigt. Vorofen-, Unterschub- sowie Einblasfeuerungen können auch in den Bereich der Kleinanlagen fallen, werden aber zur besseren Übersicht an dieser Stelle beschrieben.

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Feuerungsart

Beschickung

Vorofenfeuerung Unterschubfeuerung Rostfeuerung für Hölzer

Mechanisch Mechanisch Mechanisch

Rostfeuerung für Halmgüter Wirbelschichtfeuerung

Mechanisch

Einblasfeuerung

Pneumatisch

Mechanisch

Geeignete Biomassen Hackschnitzel Hackschnitzel, Späne Holz, Rinde, großstückige feuchte Brennstoffe mit hohem Aschegehalt Halmgutballen, geteilte Ballen Holz, Rinde, Brennstoffe mit hohem Wassergehalt Staub, Späne aus Holz und Halmgut

Gängige Feuerungswärmeleistung 35 kW bis 3 MW 20 kW bis 2 MW ab 1 MW

2,5 bis 20 MW Ab 10 MW Ab 200 kW

Quelle: „Leitfaden Bioenergie“, 2000, FNR

Vorofenfeuerungen Die Vorofenfeuerung wird oftmals auch als Entgasungsfeuerung bezeichnet. Einer separaten Feuerung, dem Entgasungsraum, ist ein Kessel mit wassergekühltem Flammenraum angeschlossen. Der ausgemauerte Entgasungsraum wird entweder über eine Förderschnecke oder einen Fallschacht mit Brennstoff versorgt. Der Vorteil des Fallschachtes ist, dass auch grobe Stücke mitverfeuert werden können. Im Entgasungsraum wird der Brennstoff nur teilweise verbrannt. Möglich macht dies eine dosierte Luftzugabe. Durch die freiwerdende Energie vergast der restliche Teil des Brennstoffs. Im Flammenraum werden die gasförmigen Produkte unter Zufuhr von Sekundärluft vollständig verbrannt. Die anschließend durch den Kessel geleiteten Rauchgase geben ihre Energie an das Wärmeträgermedium ab. Bei aschearmen Brennstoffen ist der Vergasungsraum mit einem ruhenden Schrägrost versehen, für aschereiche und feuchte Brennstoffe ist ein Vorschubrost besser geeignet. Vorofenfeuerungen haben den Vorteil, dass sie schnell und kontinuierlich betreibbar und gut regelbar sind. Außerdem können sie durch die Trennung von Entgasungs- und Flammraum an einen bereits vorhandenen Öl- oder Scheitholzkessel angeschlossen werden.

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5. Energetische Nutzung

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Vorofenfeuerung, Entgasungsraum mit Schubrost (links) und Flammraum (rechts)

Folie

5.7 Vorlauf

Entgasungsraum Sekundärluftzuführung

Sicherheitsvorlauf Abgasstutzen

Vorofenfeuerung, Entgasungsraum mit Schubrost (links) und Flammraum (rechts)

Reinigungstür

BrennstoffFörderschnecke Flammraum

Aschebehälter

Schubrostantrieb Primärluftzuführung

automatische Flammkanal Entaschung

Rücklauf

Quelle: „Leitfaden Bioenergie“, 2000, FNR

Folie 5.7

Unterschubfeuerungen Bei Unterschubfeuerungen gelangt der Brennstoff aus einem Silo mit einer Förderschnecke in die sogenannte Brennraummulde. Dort wird das Material zunächst getrocknet, entgast und anschließend unter Primärluftzufuhr vergast. In der oben aufliegenden Glutschicht wird das entstandene Gas gezündet und unter Zufuhr von Sekundärluft im Feuerraum vollständig verbrannt. Eine meist motorisch angetriebene Austragsschnecke schleust die angefallene Asche aus der Brennraummulde. In der Regel sind Unterschubfeuerungen selbstzündend. Bei abgestimmter Brennstoff- und Luftzufuhr sind sie prinzipiell auch gut regelbar. Durch die kontinuierliche Brennstoffzufuhr und geringe Glutund Brennstoffmengen im Feuerraum können solche Anlagen schadstoffarm betrieben werden.

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Schematische Darstellung einer Unterschubfeuerung

Folie

5.8 Wärmetauscher

Schematische Darstellung einer Unterschubfeuerung

Rauchgas

Sekundärluft Primärluft

Förderschnecke Quelle: „Leitfaden Bioenergie“, 2000, FNR

Folie 5.8

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Rostfeuerungen für holzartige Biomassen In der großtechnischen Anwendung zur Verbrennung von Biomasse sind Rostfeuerungen die dominierende Technologie. Zu unterscheiden ist zwischen Vorschubrost-, Wanderrost- und Rückschubrostfeuerungen. Am geläufigsten für die Holzverbrennung ist die Vorschubrostfeuerung. Beschickt wird der Rost vom Brennstofflager mittels Rutschkanal, Förderschnecke oder Hydraulikstoker. Durch die Bewegung des Rostes wird das Brenngut bis zum Rostende befördert. Während der Vorlaufzeit trocknet, pyrolisiert, vergast und verbrennt es vollständig. Vor den teilweise ausschamottierten Nachbrennzonen wird dazu unterhalb des Rostes Primärluft und oberhalb Sekundärluft eingeblasen.

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Schematische Darstellung einer Vorschubrostfeuerung

Folie

5.9 Wärmetauscher Rauchgas

Brennstoffzufuhr Sekundärluft

Vorschubrost Primärluft Quelle: „Leitfaden Bioenergie“, 2000, FNR

Entaschung

Schematische Darstellung einer Vorschubrostfeuerung

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Folie 5.9

Rostfeuerungen für Halmgüter Für die energetische Nutzung von Stroh als alleinigem Brennstoff sind Rostfeuerungen verwendbar. Der sogenannte Zigarrenbrenner für Strohballen ist im Prinzip eine Rostfeuerung. Das Zigarrenbrennersystem mit anschließendem Schrägrost ist beispielsweise in Dänemark verbreitet. In Deutschland existiert bisher lediglich eine Zigarrenbrenner-Anlage in Schkölen (Thüringen). Die Ballen werden zunächst an ihrer Stirnseite entzündet, bevor sie langsam in den Brennraum geschoben werden. Die abbrechenden und unverbrannten Strohlagen fallen dabei auf ein Schrägrost, wo sie vollständig verbrannt werden. Dabei sind erhöhte CO–Emissionen möglich. Der Ascheaustrag erfolgt mit dem Rost. Die Vorteile einer solchen Anlage liegen in der geringen Brennstoffaufbereitung, der kontinuierlichen Brennstoffzufuhr sowie im relativ einfachen Aufbau. Von Nachteil ist das enge Brennstoffband und die Beschränkung auf einen bestimmten Ballentyp. Halmgutartige Biomasse hat vergleichsweise niedrige Ascheerweichungs- und Sintertemperaturen. Dies kann zu einer Verklebung des Brennstoffs führen, wodurch die Luftzirkulation behindert wird. Die maximale Feuerraumtemperatur sollte deshalb nicht mehr als 800 – 900° C betragen. Solche Temperaturen lassen sich mit geringen Schütthöhen und niedrigeren Rostwärmebelastungen erreichen.

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5. Energetische Nutzung

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Auch eine zusätzliche Wasserkühlung der Roststäbe kann Versinterung und Verschlackung vorbeugen. Ein Rostschüren ist keine geeignete Möglichkeit Abhilfe zu schaffen, da sich hier ein unvollständiger Ausbrand ergeben kann.

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Schematische Darstellung eines Zigarrenbrenners

Folie

5.10

Ballen

Schematische Darstellung eines Zigarrenbrenners

Wärmetauscher

Rauchgas Nachbrennrost

Luft

Asche

Quelle: „Leitfaden Bioenergie“, 2000, FNR

Folie 5.10

Stationäre Wirbelschichtfeuerung In der Wirbelschichtfeuerungsanlage wird der aufbereitete Brennstoff in einem Wirbelbett bei 800-900° C verbrannt. Das Wirbelbett besteht zu 95-98 % aus Inertmaterial (z. B. Sand) und zu 2-5 % aus brennbaren Bestandteilen. Eine Verwirbelung findet durch Zugabe von Fluidisierungsluft durch einen Düsenboden statt. Der Brennstoff kann zum einen durch eine Wurfbeschickung von oben auf das Wirbelbett aufgegeben werden, zum anderen kann er auch mittels Förderschnecken direkt in das Wirbelbett eingebracht werden. Hier wird der Brennstoff ent- und vergast sowie der feste Kohlenstoff ausgebrannt. In der Nachbrennkammer wird anschließend der größte Teil der flüchtigen Bestandteile verbrannt. Das heiße Abgas wird aus der Brennkammer in den Wärmetauscher geleitet. Wirbelschichtfeuerungen lassen durch die Anlagenbeschaffenheit ein breites Brennstoffspektrum zu. Sie eignen sich besonders für die Verfeuerung mehrerer unterschiedlicher Brennstoffe. Gegenüber Rostfeuerungen hat die Wirbelschichttechnik den Vorteil, dass Brennstoffe mit hohem Wassergehalt wie Schlämme eingesetzt werden können. Probleme wie Verschlackung und Verschmutzung werden durch die niedrige Verbrennungstemperatur gemindert. Für die ausschließliche Verbrennung von Stroh ist diese Anlagentechnik aufgrund des hohen Alkaligehalts des Brennstoffs jedoch nicht geeignet, da die Gefahr der Versinterung des Wirbelbettes besteht. Stroh sollte daher immer als Brennstoffgemisch eingetragen werden. Pelletiertes oder gehäckseltes Holz dagegen eignet sich für die alleinige Verbrennung mit einer Wirbelschichtanlage.

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Schematische Darstellung einer stationären Wirbelschichtanlage

Folie

5.11 Abgas

Nachbrennkammer

Brennstoff

Wurfbeschicker

Wirbelbett

Zusatzbrenner

Anfahrbrenner Brennkammer

Windkasten Düsenboden

Wirbelluft Quelle: „Leitfaden Bioenergie“, 2000, FNR

Schematische Darstellung einer stationären Wirbelschichtanlage

Ausbrandluft

Folie 5.11

Zirkulierende Wirbelschicht Im Unterschied zur stationären Wirbelschicht findet bei der zirkulierenden Wirbelschicht eine deutlich höhere Luftzugabe unterhalb des Wirbelbettes statt, was die Austragung des Wirbelbettes bewirkt. Im nachgeschalteten Zyklon wird das Bettmaterial vom Rauchgas getrennt und über den Syphon wieder der Feuerung zugeführt. Der Brennstoff wird hier meist mit Förderschnecken zudosiert. Die zirkulierende Wirbelschicht ist apparativ aufwendiger als die stationäre und findet, da sie mit höheren Asche- und Fremdstoffgehalten zurecht kommt, besonders bei der Altholzverbrennung Anwendung. Die zirkulierende Wirbelschichtfeuerung ist nur bei sehr großer Leistung wirtschaftlich.

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Schematische Darstellung einer zirkulierenden Wirbelschichtfeuerung

Folie

5.12 Zyklon Ascherückführung

Wärmetauscher

Brennstoff Syphon Fluidisierungsluft Quelle: „Leitfaden Bioenergie“, 2000, FNR

Folie 5.12

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Rauchgas Wirbelbett

Schematische Darstellung einer zirkulierenden Wirbelschichtfeuerung

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Einblasfeuerung Einblasfeuerungen für die Biomasseverbrennung sind meist als Zyklon- oder Muffeleinblasfeuerungen ausgeführt. Der feine Brennstoff wird mit Primärluft in die Brennstoffkammer eingeblasen. Die sich bildende Strömung rotiert ähnlich einer Zyklonströmung. Im hinteren Teil der Brennkammer verbrennen die größeren eingeblasenen Partikel, die feineren Teilchen verbrennen im Flug. Die Sekundärluft wird in einer Einschnürung der Muffel eingeblasen. Durch die Einschnürung am Muffelende erhöht sich die Luftgeschwindigkeit, was eine gute Vermischung der Rauchgase mit der Sekundärluft bewirkt. Durch eine genaue Abstimmung von Brennstoff und Verbrennungsluft können die Emissionen an unverbrannten Rauchgasbestandteilen sowie der NOX -Ausstoß vermindert werden.

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Schematische Darstellung einer Einblasfeuerung

Folie

5.13 Wärmetauscher Rauchgas

Schematische Darstellung einer Einblasfeuerung

Sekundärluft Staub und Primärluft

Entaschung Quelle: „Leitfaden Bioenergie“, 2000, FNR

Folie 5.13

5.2 Erzeugung von Wärme oder Strom Die gleichzeitige Erzeugung von Wärme und Strom in einem Heizkraftwerk nennt man Kraft-WärmeKopplung (KWK). Zur Zeit werden Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen vorzugsweise mit Dampfturbinen oder Dampfmotoren betrieben.

5.2.1

Funktionsweise einer Kraft-Wärme-Kopplungsanlage In Dampf-Heizkraftwerken wird durch die Verbrennung der Biomasse in der Kesselanlage Wärme erzeugt und im Dampferzeuger überhitzter Dampf von ca. 500° C freigesetzt. Dieser Dampf wird in der Dampfturbine bzw. im Dampfmotor zur Stromerzeugung entspannt. Für Prozess- oder Heizwärme sind wesentlich geringere Temperaturen notwendig. Der bereits zur Stromerzeugung genutzte Dampf wird daher bis zur erforderlichen Temperatur (z. B. 90° C) entspannt. Dies bedeutet einen geringen Stromverlust, jedoch kann die Abwärme nun zusätzlich als Heizwärme genutzt werden.

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5. Energetische Nutzung

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Für die gleichzeitige Erzeugung von Wärme und Strom in einer Kraft-Wärme-Kopplungsanlage ist deutlich weniger Brennstoff erforderlich, als bei der getrennten Erzeugung in einem Heizwerk oder Kraftwerk. Die Emissionen sind entsprechend geringer und die Energiebereitstellung deutlich billiger. Daher ist die gekoppelte Erzeugung von Wärme und Strom die effizienteste Art der Energiebereitstellung. Die Wirtschaftlichkeit von Anlagen zur Bereitstellung von Energie wird wesentlich durch die Jahresbenutzungsdauer bestimmt. Während Wärme meist saisonal unterschiedlich benötigt wird, ist Strom ein Produkt, das ganzjährig zum Einsatz kommt. Damit bestehen für die Wirtschaftlichkeit eines Heizkraftwerkes bestimmte Grundanforderungen.

Wirtschaftlichkeitsanforderungen: Die Anlage muss flexibel in der Erzeugung von Strom und Wärme sein. Die Anlage muss Strom mit dem bestmöglichen Wirkungsgrad erzeugen, da für Strom höhere Erlöse als für Wärme erzielt werden. Da Biomasse wegen der geringen Energiedichte nur bedingt gelagert werden kann, sollte die Anlage für das Verfeuern sehr unterschiedlicher Biomasse geeignet sein.

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5. Energetische Nutzung

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Schematische Darstellung des Energieflusses in einem Kraft-Wärme-Kopplungs-Heizwerk (Blockheizkraftwerk - BHKW)

Generator

Abgaswärmetauscher

Luft

470-580° C

120° C 85° C

Elektr. Energie

70° C

5.14

Abgas

Brennstoff Motor

Folie

90° C

78° C Kühlwasserwärmetauscher 65° C

Quelle: „Leitfaden Bioenergie“, CD-ROM, 2000, FNR

Schematische Darstellung des Energieflusses in einem Kraft-Wärme-Kopplungs-Heizwerk

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Folie 5.14

Nicht alle Konzepte zur Verbrennung von Biomasse sind genauso geeignet wie die zur Verbrennung fossiler Rohstoffe. Bei der Verfeuerung von fester Biomasse kommt als Arbeitsmaschine nur die Dampfturbine oder der Dampfmotor in Betracht. Gasturbinen und –motoren benötigen gasförmige oder flüssige Brennstoffe. Durch eine thermochemische Umwandlung kann feste Biomasse verflüssigt oder vergast werden (zur Verflüssigung und Vergasung siehe Kapitel 5.2.2).

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5. Energetische Nutzung

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5. Energetische Nutzung

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Einsatzmöglichkeiten von Biomasse bei der Kraft-Wärme-Kopplung

Folie

5.15 Verbrennung

Dampfturbine Dampfmotor

Strom Wärme

Einsatzmöglichkeiten von Biomasse bei der Kraft-Wärme-Kopplung

Biogene Festbrennstoffe - Holz - Stroh - Getreide

Strom Vergasung

Gasturbine Wärme

Ölpflanzen - Raps - Sonnenblumen

Strom Verflüssigung

Motor Wärme

Quelle: „Biomasse-nachwachsende Energie aus Land- und Forstwirtschaft“, C.A.R.M.E.N., CMA, FNR

Folie 5.15

5.2.2

Weitere Strom- und Wärmeerzeugungstechniken aus fester Biomasse (teilweise noch in Erprobung) Stirlingprozesse Stirlingmotoren sind Verbrennungskraftmaschinen mit äußerer Wärmezufuhr. Die Wärme wird von außen auf ein im Motor eingeschlossenes Arbeitsgas übertragen. Das Gas wird im Motor permanent aufgeheizt und abgekühlt, wodurch am Schwungrad mechanische Energie frei wird. Sowohl die Abwärme als auch die mechanische Energie lassen sich vielfältig nutzen. Die mechanische Energie beispielsweise kann über einen Generator in elektrische Energie umgewandelt werden. Funktionsweise des Stirlingmotors: Takt 1 Regenerator

Takt 2 Kühler

Erhitzer Arbeitszylinder

Kompressionszylinder Takt 3

Takt 4

Quelle: Martin Kaltschmitt, Hans Hartmann (Hrsg.): „Energie aus Biomasse - Grundlagen, Techniken und Verfahren“, 2001, Springer-Verlag

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5. Energetische Nutzung

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Da die Krafterzeugung im Stirlingmotor von der Wärmequelle vollkommen entkoppelt ist, lässt sich ein derartiger Heizgas- oder Expansionsmotor grundsätzlich mit Wärme aus sehr unterschiedlichen Energiequellen betreiben (z. B. Solarenergie, Biomasse, industrielle Abwärme). Bei der Verwendung von biogenen Brennstoffen können durch die stetige Verbrennung außerhalb des Motors bessere Abgaswerte als bei Motoren mit innerer Verbrennung erreicht werden. Da keinerlei explosionsartige Vorgänge im Inneren des Motors ablaufen sowie keine Ventile vorhanden sind, entstehen nur wenig Lärm und Erschütterungen. Das Getriebeöl wird nicht verbraucht und verschmutzt, daher reicht eine Füllung auf Lebenszeit. Technisch ist der Stirling-Motor ausgereift, die größten Probleme gibt es derzeit noch in der Wärmezuführung. Nachteilig ist der geringe Wirkungsgrad im Vergleich zum Gasmotor.

ORC-Prozess Der ORC-Prozess (Organic Rankine Cycle) ist eine Form der Kraft-Wärme-Kopplung. Der Unterschied zum Dampfturbinenprozess liegt darin, dass anstelle von Wasser ein organisches Arbeitsfluid (Kohlenwasserstoffe wie Iso-Pentan, Iso-Oktan, Toluol oder Silikonöl) eingesetzt wird. Der Thermoöl-Kreislauf ermöglicht einen drucklosen Betrieb bei hohen Temperaturen. Von Vorteil ist der getrennte Kreislauf, der eine erhöhte Verfügbarkeit des Systems bewirkt, auch trägt er zur geringeren Verschmutzung der Heizflächen bei. Nachteilig ist der derzeit noch geringe Wirkungsgrad des ORCProzesses.

Funktionsweise Das durch die Verbrennung im Biomasse-Heizkessel erzeugte Rauchgas gibt die Wärme an den Thermoöl-Kreislauf ab. Über diesen wird die Wärme einem organischen Arbeitsmittel zur Verdampfung zugeführt. Der Dampf wird in einer Turbine entspannt und die so erhaltene mechanische Energie wird in einem Generator in elektrische Energie umgewandelt. Der entspannte Dampf gelangt anschließend in einen Kondensator. Die hier abgeführte Wärme ermöglicht zusätzlich den Betrieb eines Heißwassernetzes zu Fern- bzw. Prozesswärmebereitstellung. Danach wird das Kondensat durch die Pumpe auf Betriebsdruck gebracht und dem Verdampfer zurückgeführt.

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Vereinfachtes Schaltbild eines ORC-Prozesses:

BioBrennstoff

Dampferzeuger

Kessel

Pumpe

Thermoöl

Dampfturbine

Pumpe

Generator

Wärmeverbrauch

org. Arbeitsmittel

Quelle: http://energytech.at

Verflüssigung fester Biomasse (Pyrolyse) Bei dieser Art der Umwandlung wird Biomasse unter Sauerstoffmangel und Einfluss von Wärme pyrolytisch zersetzt. Neben den flüssigen entstehen dabei gasförmige und feste Produkte, die wiederum zur Energiebereitstellung für den Prozess genutzt werden. Die produzierten flüssigen Energieträger eignen sich als Brennstoff, Treibstoff oder Kraftstoff zur Strom- und Wärmeerzeugung. Der wesentliche Vorteil der Pyrolyse ist, feste Biomasse (z. B. Holz) in einen flüssigen, gut transportierbaren Energieträger mit hoher Energiedichte (Pyrolyseöl) umzuwandeln. Obwohl die Pyrolyse seit Jahren Gegenstand intensiver Forschungsarbeiten ist, befindet sie sich derzeit noch im Entwicklungsstadium und wird in naher Zukunft wohl kaum großtechnisch funktionssicher und kostengünstig verfügbar sein. Ursachen sind zum einen die Probleme bei der Herstellung eines klar definierten flüssigen Energieträgers, der fossile Energieträger z. B. als Treibstoff in Motoren ersetzen kann. Zum anderen ist das Verfahren sehr kostenintensiv.

Vergasung fester Biomasse Bei der Vergasung entsteht unter Einfluss hoher Temperaturen aus fester Biomasse ein gasförmiger Energieträger (Brenngas, Schwachgas). Durch Wärme und Sauerstoff (Luft) spaltet sich die Biomasse in feste und gasförmige Verbindungen auf. Der verbleibende Kohlenstoff verbrennt teilweise durch die Prozesswärme zu Kohlenstoffmonoxid. Das produzierte niederkalorische Brenngas kann in Brennern zur Wärmebereitstellung und in Gasmotoren oder –turbinen zur Stromerzeugung genutzt werden. Die Vergasung der Biomasse stellt insbesondere für die Stromerzeugung eine vielversprechende Option dar. Gerade in der Stromerzeugung liegt der eigentliche Vorteil der Vergasung auch wegen der zu erwartenden geringeren Emissionen im Vergleich zur direkten Biomasseverbrennung. Probleme gibt es hauptsächlich mit der Reinigung des Gases, das viel Staub und kondensierbare organische Bestandteile enthält und so in nachgeschalteten Gasturbinen oder -motoren nicht problemlos einsetzbar ist.

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5. Energetische Nutzung

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Anlagen zur Stromerzeugung existieren derzeit nur als Demonstrationsprojekte. Dies könnte sich gegebenenfalls auch kurzfristig ändern, wenn der sich abzeichnende technische Fortschritt zu einer verbesserten Systemtechnik und vor allem geringeren Kosten führt.

Brennstoffzellenverfahren Brennstoffzellen sind für verschiedene Anwendungsbereiche entwickelt worden. Als Brennstoffe dienen in erster Linie Wasserstoff und wasserstoffreiche Gase wie z. B. Biogas oder Klärgas. In einer Brennstoffzelle wird durch die „kalte“ Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff elektrische Energie auf elektrochemischen Wege erzeugt – ohne Turbine und Generator. Dabei fällt gleichzeitig Wärme an. Das Funktionsprinzip der Brennstoffzelle ähnelt dem einer Batterie und basiert auf der Umkehrung der Elektrolyse. Solange von außen Reaktionsgase zugeführt werden, arbeitet die Brennstoffzelle kontinuierlich. Brennstoffzellen haben gegenüber herkömmlichen Wärmekraftmaschinen wesentliche Vorteile. Diese liegen im sehr geringen Schadstoffausstoß, in der minimalen Geräuschentwicklung, im hohen Wirkungsgrad über den gesamten Leistungsbereich sowie im guten Regelverhalten. Weltweit sind zur Zeit rund 160 Anlagen im Betrieb, die jedoch bis auf wenige Ausnahmen alle mit Erdgas gespeist werden. In Köln – Rodenkirchen befindet sich die erste Anlage in Europa, bei der Klärgas für den Prozess der Energieerzeugung eingesetzt wird. Schema der Brennstoffzellenanlage PC25C in Köln – Rodenkirchen:

Quelle: www.brennstoffzelle-koeln.de

Brennstoffzellen stellen auch im Fahrzeugbereich in Verbindung mit einem Elektroantrieb eine ökologisch sinnvolle Variante zum Verbrennungsmotor dar. Zur Verbesserung bestehender Anlagen und Weiterentwicklung der Brennstoffzellentechnik unternehmen Industrie und Forschung große Anstrengungen.

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5. Energetische Nutzung

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5.2.3

Wärmeerzeugung aus flüssigen Bioenergieträgern Rapsölmethylester (RME) kann als Brennstoff grundsätzlich mit den gleichen Brennern wie Heizöl eingesetzt werden. Pflanzenöle können ebenfalls als Brennstoff in Feuerungsanlagen zur Deckung der Wärmenachfrage Verwendung finden. Beispielsweise kann Rapsöl in modernen Anlagen für extra leichtes Heizöl in Beimischungen von 10 bis 20 % verwendet werden. In Brennern für mittelschweres Heizöl (in Deutschland nicht üblich) ist unter gewissen Umständen der Betrieb mit 100 % Rapsöl möglich. Schwerölbrenner dagegen sind grundsätzlich für den Betrieb mit reinem Rapsöl ohne Heizölbeimischung geeignet. Die folgende Abbildung gibt einen Überblick über die technisch möglichen Einsatzbereiche. Darüber hinaus ist natürlich ein Einsatz in rapsöltauglichen Brennertypen problemlos möglich.

Möglichkeiten der Nutzung von Rapsöl als Heizölersatz:

Verbrennung von

Rapsöl-Heizölgemischen in Kleinfeuerungsanlagen

Substitution von Heizöl (extra leicht)

Verdampfungsbrenner

Druckzerstäubungsbrenner

reinem Rapsöl

in Kleinfeuerungsanlagen

Druckzerstäuber mit Beimischung von Luft im Düsenstock und Möglichkeiten der Ölvorwärmung ab Start

Mittelölbrenner Verfeuerung von reinem Rapsöl ohne Störungen nicht sichergestellt Rapsölanteile individuell abstimmen

Verbrennung von reinem Rapsöl möglich

in Großfeuerungsanlagen

Substitution von Schweröl

Brenner mit Rotations- und Druckzerstäuber

Verbrennung von reinem Rapsöl ohne Schwierigkeiten möglich, Ölvorwärmetemperaturen von 50 bis 60° C ausreichend

Quelle: nach Martin Kaltschmitt, Hans Hartmann (Hrsg.): „Energie aus Biomasse - Grundlagen, Techniken und Verfahren“, 2001, Springer-Verlag

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5. Energetische Nutzung

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5.2.4

Nutzung von Biogas zur Wärme- und Stromerzeugung Landwirtschaftliche Biogasanlagen bestehen aus Vorgrube, Faulbehälter und Gärrückstandslager (Güllelager) für die flüssigen Komponenten. Bei Kofermentationsanlagen können je nach Art der Substrate Annahmebunker, Zerkleinerung, Siebung, Störabfalltrennung und Hygienisierung zusätzlich erforderlich sein. Für das entstehende Gas und dessen Verwertung folgen Gasspeicher, Gasreinigung und Blockheizkraftwerk (BHKW). Die folgende Abbildung zeigt das Verfahrensschema einer Biogasanlage.

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5. Energetische Nutzung

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Biogasanlage mit Kofermentation

Folie

5.16

Quelle: „Biogas, eine natürliche Energiequelle“, Broschüre, BMVEL

Biogasanlage mit Kofermentation

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Folie 5.16

Biogas kann durch eine Vielzahl unterschiedlicher Möglichkeiten energetisch genutzt werden. Nachfolgend werden die wesentlichen Optionen dargestellt.

Thermische Nutzung In den meisten biogastauglichen Industriefeuerungsanlagen kann Biogas auch in unterschiedlicher Zusammensetzung zur Wärmegewinnung genutzt werden. Lediglich Ölbrenner müssen auf einen Zweistoffbetrieb umgerüstet werden. Für andere Brennstoffe vorgesehene Anlagen können meist problemlos an den Betrieb mit Biogas angepasst werden, wobei häufig nur der Brenner umzurüsten ist.

Nutzung in Blockheizkraftwerken (BHKW) Bei der Biogasverwendung in BHKW dienen neben Gas-Ottomotoren auch Gas-Dieselmotoren sowie im geringeren Leistungsbereich Gasturbinen als Antrieb. Der produzierte Strom wird entweder vor Ort verbraucht oder ins Netz der öffentlichen Versorgung eingespeist. Die Motoren- und Abgaswärme kann zum Heizen von Gebäuden oder als Prozesswärme genutzt werden.

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5. Energetische Nutzung

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Die Biogasverwendung in BHKW stellt inzwischen die am meisten verbreitete Nutzungsform von Biogas dar. Durch die Stromeinspeisung in das Netz ist auch in den Sommermonaten bei geringer Wärmenachfrage eine stetige Verwendung des anfallenden Biogases möglich. In Deutschland kann Strom aus Biogas durch das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) zu festgelegten Preisen in das Stromnetz eingespeist werden.

5.3 Biomassenutzung als Treibstoff Biokraftstoffe sind im Gegensatz zu Otto- und Dieselkraftstoffen derzeit nicht mit einer Steuer belegt. Deshalb, und auch weil sie hinsichtlich der Energiedichte ihren fossilen Pendants nur unwesentlich nachstehen, sind sie auf dem Markt wettbewerbsfähig. Ein besonderer Vorteil der Nutzung von Biokraftstoffen ist ihre schnelle biologische Abbaubarkeit. Sie sollten vor allem dort eingesetzt werden, wo Auswirkungen eines möglichen Kraftstoffeintrages in die Umwelt besonders schädlich sind (z. B. in Wasserschutzgebieten oder sensiblen Schutzzonen).

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5. Energetische Nutzung

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Möglichkeiten zur energetischen Nutzung flüssiger Energieträger

Folie

5.17 Möglichkeiten zur energetischen Nutzung flüssiger Energieträger

Energetische Nutzung von Biokraftstoffen

Brennstoff

Treibstoff

Verkehrssektor

stationäre Anlagen

mobile Anlagen

- PKW - LKW / Bus - Schlepper - Schiff

- Stromerzeuger - Ölbohranlagen - Pumpen

- Wasserpumpen - Ölpressen - Rasenmäher - Motorsägen

- Heizungsanlagen - BHKW

Quelle: Martin Kaltschmitt, Guido A. Reinhardt (Hrsg.): „Nachwachsende Energieträger – Grundlagen, Verfahren, ökologische Bilanzierung“, 1997, Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbH

Folie 5.17

Grundsätzlich können sowohl Otto- als auch Dieselmotoren mit Biotreibstoff betrieben werden. Da sie sich jedoch hinsichtlich der geforderten Kraftstoffeigenschaften und in der Toleranz bezüglich der Kraftstoffschwankungen unterscheiden, haben sich für Biokraftstoffe drei wesentliche Einsatzformen herausgebildet: · Einsatz als Reinkraftstoff, · Einsatz als Mischkraftstoff, · Einsatz nach chemischer Umwandlung.

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5. Energetische Nutzung

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5.3.1

Rapsöl Einsatz als Reinkraftstoff Die schwierigsten Probleme des Einsatzes von reinem Rapsöl und dessen Raffinat sind seine hohe Viskosität und seine hohe Verkokungsneigung, die den direkten Einsatz in den meisten Kfz-Dieselmotoren verhindern. Der Einsatz von Rapsöl bleibt somit auf eigens dafür freigegebene großvolumige Vorkammermotoren und Spezialmotoren wie den Elsbett-Motor beschränkt. Auch die Kraftstofflagerung von reinem Rapsöl gestaltet sich schwierig, da sich dessen Kraftstoffkennwerte (z. B. Wassergehalt, Oxidationszahl) bei der Lagerung spürbar verändern. Die günstigste Voraussetzung bietet die Lagerung in Metalltanks bei niedrigen Temperaturen und Sauerstoffausschluss.

Einsatz als Mischkraftstoff In verschiedenen Forschungsprojekten wird derzeit untersucht, inwieweit reines Rapsöl Dieselkraftstoff beigemischt werden kann, ohne dessen Eigenschaften signifikant zu verändern. In einigen landwirtschaftlichen Betrieben ist es üblich, kaltgepresstes oder raffiniertes Rapsöl dem Diesel beizumischen. Die Untersuchungen sollen zum einen die möglichen Motorprobleme und Schäden aufzeigen und zum anderen den eventuell motorverträglichen Rapsölanteil finden.

Einsatz nach chemischer Umwandlung Durch Umesterung von Rapsöl mit Methanol entsteht als Reaktionsprodukt Rapsölmethylester (RME), der dem Dieselkraftstoff in wesentlichen Eigenschaften ähnlich ist (siehe unten).

5.3.2

Rapsölmethylester (RME) Einsatz als Reinkraftstoff RME und Dieselkraftstoff ähneln sich hinsichtlich Dichte, Viskosität und Zündwilligkeit. Damit lässt sich RME in nahezu allen konventionellen Dieselmotoren verbrennen. Wie beim Einsatz von Rapsöl sind auch beim RME gewisse Eigenschaften zu berücksichtigen. Viele beim Fahrzeugbau eingesetzte Kunststoffe quellen, somit müssen Dichtungen und Leitungen RME-beständig ausgeführt werden. Da RME den Fahrzeuglack anlöst, ist beim Betanken Vorsicht geboten. Bei der Lagerung von RME gelten ähnliche Empfehlungen wie für Rapsöl. RME kann in Diesel-getriebenen Fahrzeugen mit technischer Freigabe des Herstellers ohne zusätzliche Maßnahmen an Stelle von Diesel als Kraftstoff eingesetzt werden. Der Bezug von RME ist flächendeckend abgesichert und bundesweit an mehr als 1.500 Tankstellen möglich. Derzeit beträgt der Absatz von Biodiesel in Deutschland über 300.000 Tonnen.

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5. Energetische Nutzung

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Einsatz als Mischkraftstoff RME kann dank seiner Eigenschaften in beliebigen Mischungsverhältnissen zusammen mit Dieselkraftstoff in Dieselmotoren verbrannt werden. Wie beim Einsatz von reinem RME müssen hier jedoch gegebenenfalls die Unverträglichkeit gegenüber Kunststoffen und die speziellen Lagerbedingungen Beachtung finden. Tests haben bewiesen, dass RME im Diesel die Schmiereigenschaften verbessert und den Schwefelgehalt des Treibstoffgemisches senkt. Die Zumischung geringerer Mengen RME (bis 5 %) hat keinen signifikanten Einfluss auf die Kennwerte des Dieselkraftstoffes. Auch Ablagerungen und Verlackungen, die gelegentlich beim Einsatz von reinem Biodiesel auftreten können, gibt es bei geringen Beimischungen nicht.

5.3.3

Ethanol Bioalkohol, genauer Bioethanol (C2H5OH) wird durch die anaerobe Vergärung kohlenhydratreicher Pflanzensubstrate mit Hilfe von Hefen und Bakterien gewonnen. In unseren Breiten bieten sich Zuckerrüben, Getreide oder Kartoffeln dafür an. Im Anschluss an den Vergärungsprozess werden durch Destillation bzw. Rektifikation Wasser und Bioalkohol getrennt. Zusätzlich kann die beim Vergärungsprozess entstehende Schlempe in Biogasanlagen ausgefault und so energetisch genutzt werden.

Einsatz als Reinkraftstoff In herkömmlichen Motoren eignet sich Ethanol nicht als Reinkraftstoff. Es können nur speziell entwickelte Reinalkoholmotoren verwendet werden. Eine breite Anwendung würde daher enorme Investitionskosten in der Motorenentwicklung voraussetzen.

Einsatz als Mischkraftstoff Bei Gemischen mit Dieselkraftstoff kann der Anteil an Alkohol bis zu 30 % betragen. Dies setzt jedoch wiederum eine spezielle Motortechnik voraus, die bei der Markteinführung mit entsprechenden Kosten verbunden wäre. Demgegenüber ist die Beimischung von Ethanol zu Ottokraftstoff bereits ein etabliertes Verfahren. Ohne den Motor zu verändern, können maximal 20-25 % Alkohol beigemischt werden. Mit zunehmendem Alkoholgehalt steigt jedoch das Risiko einer Entmischung der Komponenten, was Betriebstörungen zur Folge haben kann. Aufgrund der gesetzlichen Rahmenbedingungen sind derzeit höchstens 3 % Methanol und 5 % Ethanol als Kraftstoffzusatz zugelassen.

Einsatz nach chemischer Umwandlung Auf chemischem Wege lässt sich aus Bioalkohol Ethyl-Tertiärbutyl-Ether (ETBE) gewinnen. Dieser wird Ottokraftstoffen vornehmlich als Oktanzahlverbesserer zugesetzt.

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5. Energetische Nutzung

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Ausblick Aus heutiger Sicht ist es offen, ob Bioethanol in Zukunft hierzulande verstärkt zum Einsatz kommt. Wesentliche Voraussetzungen hierfür sind eine signifikante Verbesserung des Input/Output-Verhältnisses, das als Maß für den Nettoenergiegewinn gilt, und eine Kostenoptimierung des Herstellungsverfahrens.

5.3.4

Methanol Neben dem Einsatz als Reinkraftstoff eignet sich Methanol zu Energiegewinnung auch in Brennstoffzellenverfahren. Brennstoffzellen erzeugen elektrische Energie durch elektrochemische Oxidation von chemischen Substanzen wie z. B. Wasserstoff. Im Unterschied zu Batterien und Akkumulatoren werden bei Brennstoffzellen die Edukte und Produkte der elektrochemischen Umsetzung kontinuierlich zuund abgeführt.

Nutzung in der Brennstoffzelle Für zukünftige automobile Antriebe wird gegenwärtig der Einsatz von Direkt-Methanolbrennstoffzellen (DMBZ) diskutiert. Dieser Brennstoffzellentyp ermöglicht die Gewinnung elektrischer Energie durch direkte elektrochemische Oxidation von Methanol zu Kohlendioxid an der Anode der Brennstoffzelle. Die Arbeitstemperaturen liegen im Bereich von 80° C bis 120° C. Die bei der Oxidation freigesetzten Protonen werden durch eine elektrisch leitfähige Membran zur Elektrode der Brennstoffzelle transportiert. Dort werden die H-Protonen bei der elektrochemischen Reduktion von Luftsauerstoff zu Wasser verbraucht. Neben den Protonen werden an der Anode Elektronen erzeugt, die getrennt von den Protonen über einen externen Stromkreis zur Kathode fließen. Dieser Elektronenfluss erlaubt den Betrieb eines elektrischen Fahrzeugmotors.

5.3.5

Biogas Neben Pflanzenölen und Alkoholen kommt auch Gas aus Biomasse als Motortreibstoff zur Anwendung. Für die Gaserzeugung aus Biomasse bieten sich zwei technologische Möglichkeiten an: · Biogas: es entsteht aus feuchten, kohlenstoffhaltigen Substraten durch anaeroben Abbau · Holzgas: es entsteht aus trockener Biomasse durch unvollständige Verbrennung (thermische Gaserzeugung). In den 30er und 40er Jahren war die Erzeugung von Holzgas zum Antrieb von LKWs weit verbreitet. Allerdings hat die Erfahrung der letzten Jahre gezeigt, das der Einsatz von Holzgas für Fahrzeuge sehr mühsam und unbequem ist. Daher sollte Holzgas in der stationären Energieerzeugung Verwendung finden.

Nutzung von Biogas in Verbrennungsmotoren Biogas kann sowohl in stationären als auch in mobilen Verbrennungsmotoren eingesetzt und in mechanische Energie umgewandelt werden. Am häufigsten finden Fremdzündmotoren Verwendung, da das Luft-Biogasgemisch eine hohe Zündtemperatur benötigt und hier mit einem Funken gezündet wird. In Selbstzündungsmotoren (Dieselmotoren) ist neben dem Biogas der Einsatz eines zusätzlichen Brennstoffs mit niedriger Zündtemperatur erforderlich. In diesem Fall sind die Dieselmotoren Zweibrennstoff-Motoren (dual fuel). Das Luft-Gas-Gemisch wird hier vom Motor angesogen, verdichtet und durch Einspritzen von ca. 8-12 % Diesel-Treibstoff gezündet.

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6. Kosten und Wirtschaftlichkeit

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6. Kosten und Wirtschaftlichkeit

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6. Kosten und Wirtschaftlichkeit Wie rentabel eine Biomasse-Anlage arbeitet, erfährt man durch die Kosten- und Wirtschaftlichkeitsbetrachtung. Eine geplante Investition ist dann wirtschaftlich, wenn die Summe der laufenden Einnahmen die Summe der laufenden Ausgaben übersteigt. Der Überschuss führt dann zur Amortisation der Anlage und zur Verzinsung des eingesetzten Kapitals. Wird die erzeugte Energie zur Deckung des Eigenbedarfs verwendet, so ist die Investition dann ökonomisch vorteilhaft, wenn die Kosten geringer sind als eine mögliche alternative Anlage mit dem selben Nutzen (d. h. mit der Erzeugung der gleichen Energiemenge). Die wesentlichen möglichen Ausgaben und Einnahmen bei Biomasse-Anlagen können wie folgt untergliedert werden:

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6. Kosten und Wirtschaftlichkeit

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Gliederung der möglichen Ausgaben und Einnahmen bei Biomasse-Anlagen

Folie

6.1 Anschaffungsausgaben (auch Brutto-Investitionskosten) Netto-Investitionskosten Nebenkosten für Planung, Genehmigung und Gutachten Vorsteuer/Mehrwertsteuer Bauzeitzinsen Unvorhergesehenes Ausgaben des laufenden Betriebes (Betriebskosten) Brennstoffkosten Kosten für Wartung und Instandhaltung Kosten für Versicherungen und Steuern Personalkosten Kosten für Betriebsmittel (Wasser, Strom etc.) sowie zur Ascheentsorgung

Einnahmen des laufenden Betriebes Erlöse aus der Wärme- und/oder Stromabgabe Zuschüsse, Zulagen und dergleichen Förderungen/Anreizprogramme (siehe Kapitel 7) Marktanreizprogramm erneuerbare Energien (MAP) Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) Biomasseverordnung

Gliederung der möglichen Ausgaben und Einnahmen bei Biomasse-Anlagen

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Folie 6.1

Im Folgenden wird eine Übersicht über die mit einzelnen Anlagen und Brennstoffen verbundenen Aufwendungen gegeben. Die Ausführungen beschränken sich auf biogene Festbrennstoffe. Aus pflanzlichen Produkten erzeugte flüssige Brennstoffe werden nicht betrachtet. Sie können für die Bereitstellung von Wärme und Strom aufgrund ihrer hohen Herstellungskosten derzeit nicht mit festen Biomassebrennstoffen konkurrieren.

6.1 Anlagenkosten Grundlage der Ermittlung der Anlagenkosten ist eine erste überschlägige technische Auslegung der Biomasse-Anlage einschließlich aller erforderlichen peripheren Systeme und Komponenten: · Bautechnik · Maschinentechnik · Elektro- und Leittechnik · Wärmeverteilungstechnik (Nahwärmenetz)

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6. Kosten und Wirtschaftlichkeit

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Für Einzelkosten von Aggregaten und Komponenten können, solange keine verbindlichen Angebote vorliegen, Richtpreisangebote oder Erfahrungswerte vergleichbarer Komponenten herangezogen werden. Die Summierung der Einzelkosten sollte auch die Montage und Inbetriebnahme der Anlagenteile umfassen. Die gegenwärtigen spezifischen Aufwendungen für biomassebefeuerte Anlagen zeigen eine deutliche Abhängigkeit von der Leistung. Sie gehen mit zunehmender Feuerungswärmeleistung zum Teil erheblich zurück. Die folgende Tabelle zeigt beispielhaft die Anlagenkosten in Abhängigkeit von der Leistung. Anlage Kleinere Anlagen 12-15 kW (z. B. Einfamilienhaus) 20-40 kW (z .B. Zweifamilienhaus) Größere Anlagen 150 kW (z. B. Gewerbebetriebe) bis zu 10 MW Unterschubfeuerungen bis zu 30 MW Rostfeuerungen

Günstigste Preise in €/kW

Mittlere Preise in €/kW

Höchste Preise in €/kW

125

300-400

750

100

225-325

550

75

< 150

225

50

125-150

400

150

250

300

Verglichen mit den in der Tabelle dargestellten Anlagen sind Wirbelschicht- und Vergaserfeuerungen noch deutlich teurer.

6.1.1

Beispiel Holzfeuerungsanlagen für ein Einfamilienhaus Bei Anlagen zur Verfeuerung von Holz steht ein breites Spektrum zur Verfügung. Welcher Anlagentyp in Frage kommt, hängt unter anderem davon ab, welches Holz als Brennstoff eingesetzt werden soll. Zur Abschätzung der Investitionskosten für ein Einfamilienhaus wird eine Kesselauslegung mit einer Heizleistung von mindestens 10 kW gefordert. Im folgenden sollen Beispiele verschiedener Feuerungssysteme aufgeführt werden. Die Kosten für die Wärmeverteilung und die Mehrwertsteuer sind in den Preisbeispielen jedoch nicht berücksichtigt. 1.) Scheitholzkessel mit Lambda-Regelung, manuell beschickt: Kessel für Heizleistung bis 15 kW: 5.500 - 8.000 € Wärmespeicher, Inhalt 750 Liter: 2.000 € 2.) Pelletfeuerung mit Lambda-Regelung, automatisch beschickt, mit Vorratsbehälter Kessel mit Heizleistung bis 10 kW: 7.000 - 8.000 € Wärmespeicher, Inhalt 500 Liter: 1.250 € Anmerkung: Die automatische Beschickung erfolgt aus einem Vorratsbehälter, der wöchentlich oder monatlich, je nach Heizbedarf, manuell befüllt werden muss.

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6. Kosten und Wirtschaftlichkeit

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3.) Pelletfeuerung mit Lambda-Regelung, automatisch beschickt, mit Brennstoffzuführung aus einem Lager Kessel für Heizleistung bis 10 kW: 6.500 - 7.500 € Lagersystem für Pellets: 1.500 € Transportschnecke für Pellets: 1.600 € Wärmespeicher, Inhalt 500 Liter: 1.750 € Anmerkung: Weitgehend vollautomatischer Betrieb über das gesamte Jahr ohne manuelle Bedienung. 4.) Hackschnitzelfeuerung mit Lambda-Regelung, automatisch beschickt, mit Vorratsbehälter Kessel für Heizleistung bis 25 kW mit Vorratsbehälter und Austragsystem: 12.000 - 14.000 € Wärmespeicher, Inhalt 500 Liter: 3.000 € Anmerkung: Die automatische Beschickung erfolgt aus einem Vorratsbehälter, der wöchentlich oder monatlich, je nach Heizbedarf, manuell befüllt werden muss. Der Kessel muss gedrosselt betrieben werden. Der Leistungsbereich des Kessels eignet sich eher für ein Zwei- bis Dreifamilienhaus oder einen kleinen Betrieb. Wartungskosten: Die Wartungskosten für Schornsteinfeger und Anlagenkontrolle etc. liegen pro Jahr bei durchschnittlich 2 – 3 Prozent der Investitionskosten. Quelle: Broschüre „Jetzt erneuerbare Energien nutzen“, 2000, BMWi

Bei einem Vergleich der Investitionen von mit Biomasse befeuerten Anlagen mit Anlagen, die mit fossilen Energieträgern (z. B. leichtes Heizöl, Erdgas) betrieben werden wird deutlich, dass fossil betriebene Anlagen unabhängig von der Leistung zum Teil auf einem erheblich geringeren Preisniveau liegen. Im Schnitt liegen die Kosten von Biomasse-Anlagen rund um das doppelte bis dreifache über denen fossil befeuerter Anlagen. Dieses Handikap kann jedoch über geringere Brennstoffkosten bei Biomasse und ggf. über Fördermaßnahmen ausgeglichen werden.

6.2 Brennstoffkosten Die Brennstoffkosten frei Feuerungsanlage setzen sich zusammen aus den Kosten für den eventuell anzurechnenden Anbau und die Ernte, den Aufbereitungskosten sowie den Kosten für Lagerung und Transport. Nach aktuellen Angaben ergibt sich für die Brennstoffe folgendes Kostenspektrum, wobei in der letzten Spalte die Kosten für den Brennstoff für die unter Punkt 6.1.1 dargestellten Anlagen aufgeführt sind. Zum Vergleich sind auch die Kosten für Öl und Gas fossiler Herkunft angegeben.

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6. Kosten und Wirtschaftlichkeit

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Brennstoff

Bemerkung

Scheitholz Scheitholz Scheitholz Hackschnitzel Sägereste Pellets Heizöl Gas

Selbstwerbung ofenfertig, ab Wald ofenfertig, frei Haus frei Haus frei Haus frei Haus

Preisspanne (€ ohne MwSt.) Kosten pro Kosten pro Kosten pro Jahr bei Tonne 1.000 kWh 11.200 kWh Bedarf 0-90 0-25 0-260 45-150 11-38 125-420 95-210 24-52 272-600 45-90 11-23 126-250 5-65 1,25-18 14-195 125-300 24-60 275-650 ca. 32 370 ca. 44 495

Quelle: „Jetzt erneuerbare Energien nutzen”, 2000, BMWi

Bei den biogenen Festbrennstoffen ist zu unterscheiden zwischen Rückständen bzw. Nebenprodukten und speziell angebauten Energiepflanzen. Im folgenden werden beispielhaft einige Brennstoffkosten von Stroh, Holz und Energiepflanzen erläutert.

6.2.1

Brennstoffkosten für Stroh Wenn Stroh als Rückstand der Getreideproduktion einzuordnen ist, also aus bestimmten Gründen das Unterpflügen zur Nährstoffrückführung, Humusbildung und Strukturverbesserung im Boden von Nachteil ist, müssen lediglich die Kosten der Strohbergung berücksichtigt werden. Sie setzen sich aus den Kosten für das Pressen, das Bindegarn sowie den Kosten für Transport und Lagerung zusammen. Diese Kosten hängen u. a. auch von der Feldgröße, dem Strohertrag und der eingesetzten Technik ab. Als Nebenprodukt muss Stroh dann angesehen werden, wenn seine Einarbeitung in den Boden zu einer Verbesserung des Nährstoff- und Humusgehalts beitragen kann. Dann muss neben den Bergungs- und Bereitstellungskosten der ökonomische Wert der im Stroh enthaltenen Nährstoffe und der mögliche Beitrag zur Humusversorgung in die Kostenberechnung mit einbezogen werden. Abhängig von landwirtschaftlicher Struktur und vorhandener Nachfrage stellt Stroh in einigen Regionen Deutschlands eine reguläre Handelsware dar, für die sich ein geringfügig schwankender Marktpreis ausbildet. Die Bandbreite der resultierenden Gesamtkosten, die für Stroh frei Feuerungsanlage zu erwarten sind, zeigt die folgende Tabelle.

Bereitstellung

Feldlagerung Transport

· als Rückstand · als Nebenprodukt · als Handelsware (Marktpreis) · 5 km Entfernung · 30 km Entfernung

Summe

€/GJ 1,5 2-3,5 2,5-4,5 0,35 0,3 0,9 2,15-5,75

Cent/kWh 0,46 0,72-1,12 0,92-1,65 0,15 0,1 0,36 0,71-2,15

€/t 23 29-52 41-66 5 4,6 14 32,60-85

Quelle: „Biomasse – nachwachsende Energie aus Land- und Forstwirtschaft“, 1997, Broschüre CMA, C.A.R.M.E.N., FNR

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6. Kosten und Wirtschaftlichkeit

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6.2.2

Brennstoffkosten für Holz Für die energetische Nutzung von Holz kommen zunächst Waldrestholz und Durchforstungsholz (Schwachholz) in Frage. Zusätzlich fällt bei der Stammholzernte und Durchforstungsmaßnahmen „Industrieholz“ als Koppelprodukt an, das an die Papier-, Zellstoff- oder Spanplattenindustrie verkauft wird. Ist hierfür der Markt gesättigt, kann es ebenfalls energetisch genutzt werden. Beim Waldrestholz berechnen sich die Kosten aus dem Aufwand für das Sammeln und die verbrennungsgerechte Aufbereitung. Zumeist wird das Holz mit der Motorsäge (motormanuell) auf transportfähige Längen gekürzt, an befahrbare Schneisen transportiert und aufgeschichtet. Anschließend wird es zu Hackschnitzeln aufgearbeitet. Die mit dem Zeitaufwand verbundenen Kosten hängen maßgeblich vom Anfall auf der Bestandsfläche, der Baumart und dem Gelände ab. Bei der Hackschnitzelbereitstellung aus Schwachholz muss die gesamte Verfahrenskette vom Fällen bis zum Hacken auf der Waldstraße in die Kostenberechnung einbezogen werden. Die Kosten variieren durch den Mechanisierungsgrad beim Fällen und Aufarbeiten des Holzes. Auch Brennholz stellt wie Stroh eine reguläre Handelsware dar. Die gegenwärtigen Brennholzpreise in Deutschland liegen zwischen 25 und 35 €/rm (rm=Raummeter) für Nadelholz und 30 und 45 €/rm für Laubholz und sind regional sehr unterschiedlich. Die Brennstoffkosten für Industrieresthölzer orientieren sich vor allem an den Marktpreisen zur stofflichen Nutzung, die in Abhängigkeit der wirtschaftlichen Randbedingungen stark schwanken können. Welche Brennstoffkosten für Holz frei Feuerungsanlage veranschlagt werden müssen, zeigt die folgende Tabelle.

Bereitstellung

Waldlagerung Transport

· als Schwachholz · als Waldrestholz · als Brennholz (Marktpreis) · 5 km Entfernung · 30 km Entfernung

Summe

€/GJ 2,60-4 5,60 3,60-6,65 0 0,36 0,77 2,96-7,42

Cent/kWh 0,9-1,5 1,95 1,4-2,45 0 0,1 0,3 1-2,75

Quelle: „Biomasse – nachwachsende Energie aus Land- und Forstwirtschaft“, 1997, Broschüre CMA, C.A.R.M.E.N., FNR

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€/t 33,75-49,60 68 48,55-86 0 4 9,70 37,75-95,70

ENERGIE

6. Kosten und Wirtschaftlichkeit

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6.2.3

Brennstoffkosten für Energiepflanzen Die Kosten für die energetische Nutzung von Energiepflanzen ergeben sich aus den Produktionsaufwendungen für die jeweilige Pflanze und den Aufwendungen für die Bereitstellung des Bioenergieträgers. Getreide gehört zu den hauptsächlich angebauten Kulturpflanzen in Deutschland. Deshalb sind die Produktionsaufwendungen für unterschiedliche Getreidearten unter verschiedenen Ertrags- und Klimabedingungen bekannt. Für schnellwachsende Gräser, wie z. B. Chinaschilf, sind die Produktionskosten weit weniger bekannt. Deshalb beziehen sich die in der Tabelle angegebenen Kosten auf die Bandbreite der in Deutschland erzielten Erträge und die durchschnittlichen Aufwendungen für die Pflanzen innerhalb der zu erwartenden Lebensdauer. Bei sehr hohen Erträgen und einer trockenen Ernte der Biomasse sind gegebenenfalls auch geringere als die angegebenen Brennstoffkosten möglich. Schnellwachsende Baumarten, z. B. Pappeln und Weiden, können auch zur Energiegewinnung angebaut werden. Die oberirdische Biomasse wird nach einer bestimmten Wachstumsphase bodeneben abgeerntet und zu Hackschnitzeln verarbeitet. Da die Stöcke immer wieder austreiben kann im Abstand mehrerer Jahre immer wieder geerntet werden. In der Tabelle sind allerdings die Kosten für das Roden nach Beendigung der Holzproduktion nicht berücksichtigt. Energiepflanzenart · Getreideganzpflanzen · schnellwachsende Gräser · schnellwachsende Baumarten

€/GJ 6,60-7,70 4-10,70 5-8

Cent/kWh 2,4-2,75 1,5-3,9 1,8-3

€/t 90-106 60-160 63-102

Verglichen mit den Brennstoffkosten für Stroh und Holz liegen die Aufwendungen auf Seiten der Energiepflanzen auf einem merklich höheren Niveau. Die Preise biogener Festbrennstoffe liegen teilweise in Größenordnungen der Verbraucherpreise fossiler Brennstoffe und darunter. Es muss allerdings darauf hingewiesen werden, dass der Preisvergleich nur schwer möglich ist. Relevant dafür sind nicht allein die Energieträgerkosten. Viel entscheidender und aussagekräftiger sind die Wärmegestehungskosten.

6.3 Wärmegestehungskosten Vergleichbar werden die Anlagen dann, wenn zusätzlich zu den Investitionskosten und Brennstoffpreisen die Wärmegestehungskosten bekannt sind. Sie geben an, wie viel die Erzeugung einer Kilowattstunde Wärme insgesamt kostet. In den Modellrechnungen der nachfolgenden Tabelle sind die resultierenden Wärmegestehungskosten für Holzheizwerke bei 4.000 Volllastbenutzungsstunden angegeben, die unter günstigen Randbedingungen erreicht werden können. Je nach Brennstoffkosten variieren sie bei kleineren Anlagen zwischen 3 und 10 cent/kWh (ohne Berücksichtigung von Fördermitteln), bei großen Anlagen aufgrund der deutlich niedrigeren spezifischen Investitions- und Betriebskosten zwischen 1,5 und 4 cent/kWh. Hinzu gerechnet werden muss normalerweise noch ein Kostenanteil von etwa 0,75 cent/kWh für die Wärmebereitstellung aus gas- oder ölgefeuerten Spitzenkesseln, mit denen üblicherweise Bedarfsspitzen abgedeckt werden.

Energie aus Biomasse – Ein Lehrmaterial

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ENERGIE

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Orientierungswerte für die Investitions- und Energiegestehungskosten bei Holzheizwerken: Holzheizwerk (ohne Spitzenlastkessel) Feuerungswärmeleistung kW Volllastbenutzungsstunden h/a Jahresnutzungsgrad Wärmeerzeugung MWh/a Investitionskosten € Spezifische Investitionskosten € Nutzungsdauer a Zins p. a. % Kapitalkosten €/a Betriebskosten o. Brennstoff, Strom €/a Stromkosten €/a Brennstoffkosten Cent/kWh

Wärmegestehungskosten

Klein 300 4.000 80 % 960 170.000 560 20 6 14.700 2.760 2.600 0 0,7 1,8 2,6 2 3 4,3 5,3

Cent/kWh

Groß 10.000 4.000 85 % 34.000 2.800.000 280 20 6 245.400 56.240 87.000 0 0,7 1,8 2,6 1,12 2 3,3 4,1

Quelle: Dr. Frithjof Staiß „Jahrbuch Erneuerbare Energien 2000“, Bieberstein-Verlag, 2000

Für Biobrennstoffanlagen folgt aus der Betrachtung der Wärmegestehungskosten, dass sie durchaus mit kleineren Öl- und Gasheizungen konkurrieren können. Dies wird auch an den folgenden beiden Grafiken deutlich. Die erste Grafik zeigt einen Vergleich der Kosten einzelner Brennstoffe.

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ENERGIE

6. Kosten und Wirtschaftlichkeit

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Jährliche Brennstoffkosten für ein Einfamilienhaus

Folie

6.2 Euro/a 2.000

1.966

1.500

1.014

1.000

869 711

592

472

500

0

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Öl

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z ho

Quelle: „Basisdaten Bioenergie Deutschland“, Biomasse-Info-Zentrum (BIZ)

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Jährliche Brennstoffkosten für ein Einfamilienhaus

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Folie 6.2

Hier wird deutlich, dass Biomasse momentan die kostengünstigste Brennstoffart in Deutschland ist. Die höchsten Kosten entstehen dem Verbraucher beim Einsatz von Heizstrom. Bei der folgenden Betrachtung der jährlichen Gesamtkosten werden zusätzlich die Kosten berücksichtigt, die durch die Anschaffung und Wartung der Heizanlage entstehen. Aufgrund der derzeit noch hohen

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6. Kosten und Wirtschaftlichkeit

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Anschaffungskosten für Biobrennstoffkessel kommt es bei dem Vergleich der Jahresgesamtkosten zu einer weitgehenden Angleichung der Kostenunterschiede.

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ENERGIE

6. Kosten und Wirtschaftlichkeit

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Jahresgesamtkosten der Wärmeversorgung

Folie

6.3 2.941

3.000

3.199

Jahresgesamtkosten der Wärmeversorgung

Euro/a 3.500

2.646 2.555 2.526 2.728

2.500 2.000 1.500 1.000 500 0 ng

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Quelle: „Basisdaten Bioenergie Deutschland“, Biomasse-Info-Zentrum (BIZ)

Folie 6.3

Anmerkung: Der Berechnung der Kosten für beide Grafiken (Folie 6.2+ 6.3) wurden folgende Werte zugrunde gelegt: Heizöl = 0,40 €/l, Erdgas = 0,045 €/kWh(Hu), Pellets = 130 €/t, Scheitholz = 41 €/Rm (frei Haus geliefert) Kostenvergleich verschiedener Heizsysteme (Beispiel)

Ausgangsdaten Jahreswärmebedarf Kesselnennleistung Jahresvolllaststunden* Jahresnutzungsgrad* Heizkessel-Wirkungsgrad Energieeinsatz pro Jahr Heizwert Jahresbrennstoffbedarf Brennstoffpreis** Strompreis (Bezug) Investition Anlage Investitionsförderung*** Berechnungsdaten Jährliche Investitionskosten Brennstoffkosten Strombezug Jährliche Gesamtkosten (mit Förderung***) Wärmegestehungskosten

Heizöl (EL)

Erdgas (H)

Scheitholz

Holzpellets

36 18 2.000 100 90 36 11,6

36 18 2.000 100 105** 36

36 18 2.000 100 92 36 4

36 18 2.000 100 89 36 5

€/MWh € €

3,48 37 0,36 €/l 127,8 9.714,6 0

10,5 3,12 42,2 0,04 €/kWh 127,8 6.984,3 0

9,98 35,3 143,2* €/t 127,8 9.136,8 0

7,82 32,7 163,6 €/t 127,8 10.471,3 920,3

€/a €/a €/a

1.372 1.482,7 161

986,3 1.446,4 127

1.290 1.428 127

1.348,3 1.280 161

€/a €/MWh

3.118,4 86,4

2.733,9 76,2

2.921,1 81,3

2.866,6 79,8

MWh/a kW h/a % % MWh/a MWh/t kWh/m3 t/a €/MWh

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* Preis für 1 m ungespaltenes Scheitholz mit Lieferung (38 €/Rm) ** nach BIZ „Basisdaten Bioenergie Deutschland“ *** Marktanreizprogramm des BMWi nach dem 23.07.2001

6.4 Berechnungsbeispiel zu Leistung und Wirtschaftlichkeit Vor Anschaffung einer Holzheizanlage muss zunächst die Leistung der Anlage ermittelt und ihre Wirtschaftlichkeit überlegt werden. Die ungefähr erforderliche Leistung lässt sich nach den folgenden Richtwerten ermitteln: 1.) Berechnung der Energiebezugsfläche (EBF): Die Energiebezugsfläche ist die beheizte Bruttogeschossfläche, welche sich nach den äußeren Abmessungen des Gebäudes (inkl. Außenmauern) berechnet. Als beheizt gelten neben Wohnräumen auch indirekt beheizte Räume wie Treppenhaus oder Korridore. Nicht beheizt sind Waschküchen, Heizräume, Trockenräume, Garagen und ähnliches. 2.) Festlegung der spezifischen Heizleistung gut wärmegedämmter Neubau wärmegedämmter Altbau schlecht wärmegedämmter Altbau Hieraus ergibt sich:

pro m2 EBF: 50 W pro m2 70-90 W pro m2 90-120 W pro m2

Leistung = EBF x spezif. Leistung (in W)

Beispiel: Die Leistung für eine automatische Holzheizung in einem wärmegedämmten Altbau (180 m2) berechnet sich wie folgt: Leistung = 180 m2 x 90 W/m2 = 16.200 W = 16,2 kW Soll die Holzheizung mit einem Speicher kombiniert werden, ist die Kesselleistung etwas höher zu wählen (ca. 20 kW). Bei handbeschickten Anlagen sollte der berechnete Leistungswert mit dem Faktor 1,5 (Richtwert) multipliziert werden (ca. 30 kW). Eine genaue Wirtschaftlichkeitsberechnung ist aufwendig und kann bei Orts- und Objektkenntnis unter Berücksichtigung der Art der neuen Holzfeuerungsanlage erstellt werden. Mit Hilfe der nachfolgenden Erläuterungen ist die Möglichkeit gegeben, über die Jahresgesamtkosten die Amortisationszeit bei Umstellung von z. B. Öl auf Holz zu ermitteln. Bei Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen werden zwei oder mehrere Geldsummen miteinander verglichen. Jede dieser Summen entsteht durch Addition der Kapital- und Betriebskosten (Gesamtkosten), die für ein bestimmtes System in einem für alle verglichenen Anlagen gleichen Zeitraum entstehen. Normalerweise werden Jahreskosten verglichen. Man kann ferner nur solche Systeme miteinander vergleichen, die auch die gleiche Leistung erbringen. So ist beispielsweise der Vergleich der Jahreskosten einer Ölheizung mit einer Holzheizung möglich, wenn beide das gleiche Haus beheizen sollen. Auf dieser Basis wird die nachfolgende Musterrechnung durchgeführt.

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6. Kosten und Wirtschaftlichkeit

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Wenn die Investitionskosten („IK“ in €), das sind die Kosten der Heizung einschließlich der Installation, über einen Abschreibungszeitraum („AZ“ in Jahren) bei einem festen Zinssatz („ZS“ in Prozent) gleichmäßig verteilt werden sollen, dann kann man die jährlichen Kapitalkosten („KK“ in €/Jahr) nach der folgenden Näherungsformel berechnen:

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ENERGIE

6. Kosten und Wirtschaftlichkeit

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Formel: Kapitalkosten (KK)

Folie

6.4 1 ZS + 0,5 ) AZ 100

Formel: Kapitalkosten (KK)

KK = IK (

in Worten 1 0,5 x Zinssatz Kapitalkosten = Investitionskosten x ( + ) in € /Jahr in € Abschreibungszeit 100 in € /Jahr

Folie 6..4

Nach dieser Formel können die jährlichen Kapitalkosten für die einzelnen Baugruppen einer Anlage oder für die Gesamtanlage ermittelt werden. Die Zahlen werden dann in eine Wirtschaftlichkeitstabelle eingetragen. Die Betriebskosten sind leichter zu erfassen, da man die Jahresrechnungen für Brennstoffe, Wartung usw. verwenden kann. Man sollte in keinem Fall die Stromkosten für Umwälzpumpen, Regelungen usw. vernachlässigen. Diese Geräte besitzen zwar eine kleine Anschlussleistung, sie laufen jedoch 8.760 Stunden im Jahr und können so leicht 1.000 kWh jährlich verbrauchen. Es bleibt jedem selbst überlassen, wie er bei der eigenen Heizung seine Arbeitszeit berücksichtigt. Insbesondere bei Stückgutfeuerungsanlagen geht es nicht ohne Arbeit beim Holzhacken, -lagern sowie Beschicken und Entsorgen der Heizungsanlage. Wenn man für diese Tätigkeiten hohe Stundenlöhne ansetzt, dann lässt sich für die Holzheizung eine Wirtschaftlichkeit kaum nachweisen. Die Wirtschaftlichkeitstabelle sieht den Vergleich von zwei alternativen Heizungssystemen vor. Verglichen werden die Neuanlagen für die Brennstoffe Öl, Stückholz, Pellets und Hackschnitzel (automatische Hackschnitzelfeuerung bzw. Tagessilo). Für diese Heizungsarten entstehen Kapital- und Betriebskosten. Den größeren Investitionen einer Holzheizung stehen niedrigere Betriebskosten gegenüber, wobei allerdings die Eigenleistung nicht angesetzt wird. Die höheren Investitionen müssen also durch die niedrigeren Betriebskosten amortisiert werden. Berechnungen zeigen, dass sich die höheren Anfangskosten bezahlt machen. Schon nach wenigen Jahren heizt man mit Holz billiger als mit Öl, sofern man zu einer begrenzten Eigenleistung bereit ist.

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6. Kosten und Wirtschaftlichkeit

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ENERGIE

6. Kosten und Wirtschaftlichkeit

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Wirtschaftlichkeitstabelle

Folie

6.5 Heizungsanlage A 1. KAPITALKOSTEN

Invest. Euro

Abschr. Jahr

Zins %

Heizungsanlage B Jahreskosten

Invest. Euro

Abschr. Jahr

Zins %

Jahreskosten

Gebäudekosten Lager, Silo, Tanks Kesselanlage komplett Brauchwasseranlage Planung, Installation Investitionssumme (Euro) Jahreskapitalkosten (Euro/Jahr)

2. BETRIEBSKOSTEN

Differenz der Investionskosten (Euro) Menge (Jahr)

Stückpreis

Jahreskosten (Euro/Jahr)

Menge (Jahr)

Stückpreis

Jahreskosten (Euro/Jahr) Ersparte Jahreskosten (Euro/Jahr)

Brennstoff Strom Wartung/Überwachung Reinigung Beschickung/Entsorgung Jahresbetriebskosten (Euro/Jahr) Jahresgesamtkosten (Euro/Jahr) Armortisationszeit (Jahre)

Wirtschaftlichkeitstabelle

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Folie 6..5

6.5 Berechnung des Heizholzbedarfs Ist eine Umstellung von Öl- oder Gas- auf Holzfeuerungen vorgesehen, kann der zukünftige Heizholzbedarf relativ leicht über den bisherigen Öl- bzw. Gasverbrauch ermittelt werden. Dazu ist es notwendig, das Heizöl bzw. Erdgas in sogenannte Holzäquivalente umzurechnen: Je 1.000 l Heizöl (Heizwert 10.083 kWh) entsprechen: ca. 4,8 rm Buche/Eiche-Schichtholz lutro ca. 5,9 rm Kiefern-Schichtholz lutro ca. 6,9 rm Fichten-Schichtholz lutro

(Heizwert 2.100 kWh) (8,2 m3 HS) (Heizwert 1.700 kWh) (10,0 m3 HS) (Heizwert 1.500 kWh) (11,7 m3 HS)

Je 1.000 m3 Erdgas (Heizwert 8.548 kWh) entsprechen: ca. 4,1 rm Buche/Eiche-Schichtholz lutro ca. 5,0 rm Kiefern-Schichtholz lutro ca. 5,7 rm Fichten-Schichtholz lutro

(7,0 m3 HS) (8,5 m3 HS) (9,7 m3 HS)

lutro = lufttrocken

m3 HS = Schüttkubikmeter Hackschnitzel

Die Umrechnung des bisherigen Öl- bzw. Gasverbrauches in Holzäquivalente setzt allerdings voraus, dass die Holzfeuerung den gleichen Jahresbetriebswirkungsgrad wie die Öl- bzw. Gasfeuerung besitzt. Unter Jahresbetriebswirkungsgrad ist nicht nur der Wirkungsgrad des Wärmeerzeugers (Heizkessel) zu verstehen. Es müssen auch die Verluste berücksichtigt werden, die durch die Wärmeverteilung, die Regelung bzw. Wärmenutzung entstehen, sowie die Verschlechterung des Wirkungsgrades des Wärmeerzeugers durch Teillastbetrieb in der Übergangszeit. Letzteres gilt insbesondere für Stückgutfeuerungen ohne Wärmespeicher.

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6. Kosten und Wirtschaftlichkeit

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Der Jahresbetriebswirkungsgrad ist zwangsläufig immer kleiner als der Wirkungsgrad des Heizkessels. Annähernd gleichen Betriebswirkungsgrad besitzen Öl-, Gas- und Hackschnitzelfeuerungen, sowie Stückgutfeuerungen mit Wärmespeicher. Wer mit Hackschnitzeln heizen möchte, muss die ermittelte Anzahl Raummeter (rm) mit 1,7 multiplizieren, denn ein Raummeter Holz ergibt ca. 1,7 (1,5-1,8) Schüttkubikmeter Hackschnitzel (Abk. m3 HS). Die Ermittlung des Heizholzbedarfs für ein neues Haus bzw. eine neue Wohnung erfolgt über den Wärmebedarf (in Watt) je Quadratmeter Wohnfläche bei einer Heizstunde. Für eine durchschnittlich wärmegedämmte Wohnung von ca. 2,5 m Raumhöhe ergibt sich ein Wert von ca. 0,128 kW/m2, für eine sehr gut wärmegedämmte Wohnung ein Wert von ca. 0,814 kW/m2. Die Heizstunden mit halber, drittel, viertel Leistung usw. werden in Betriebsstunden mit voller Heizleistung umgerechnet, auch als Volllaststunden bezeichnet. Nach allgemeiner Erfahrung sind für eine holzbefeuerte Zentralheizung 1.400 –1.800 Volllaststunden pro Jahr anzusetzen. Außerdem muss der Jahresbetriebswirkungsgrad berücksichtigt werden, der bei einer holzbefeuerten Zentralheizung bei ca. 0,7 liegt. Die Formel zur Ermittlung des voraussichtlichen Holzheizbedarfes sieht dann wie folgt aus:

Holzheizbedarf =

Wärmebedarf/m2 Wfl. x m2 beheizte Wfl. x Vollbetriebsstd. Heizwert des Brennstoffes x Jahresbetriebswirkungsgrad

Dazu zwei Beispiele: Einfamilienhaus, schlecht gedämmter Altbau (0,120 kW/m2), 100 m2 Wfl. zu beheizen mit BuchenSchichtholz (Heizwert: 2.100 kWh/rm), Stückgutfeuerung mit Wärmespeicher 0,120 kW/m2 x 100 m2 x 1800 h 2100 kWh/rm x 0,70

= 14,69 rm ~ 15 rm

Einfamilienhaus, gut wärmegedämmt (0,050 kW/m2), 140 m2 Wfl. zu beheizen mit Fichten-Hackschnitzeln (Heizwert Fichten-Schichtholz 1500 kWh/rm), automatische Hackschnitzelfeuerungsanlage 0,050 kW/m2 x 140 m2 x 1800 h 2100 kWh/rm x 0,70

= 12,3 rm ~ 12 rm

entsprechend 21 m2 HS Dies sind grobe Richtwerte. Genauere Angaben kann der Heizungsfachmann bei genauer Kenntnis der örtlichen Gegebenheiten machen. Quelle: Punkt 6.4 und 6.5 aus „Moderne Holzfeuerungsanlagen“, 1998, Forstabsatzfonds

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6. Kosten und Wirtschaftlichkeit

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6.6 Wirtschaftlichkeit von Biogasanlagen Die Wirtschaftlichkeit von Biogasanlagen zur Stromerzeugung bzw. kombinierten Strom- und Wärmeerzeugung wurde mit dem Erneuerbare-Energien-Gesetz deutlich verbessert (Siehe Kapitel 7). Im Übrigen hängt die Wirtschaftlichkeit solcher Anlagen stark von den jeweiligen Gegebenheiten ab. Die spezifischen Investitionskosten (€ pro kW installierte Leistung) steigen bei kleineren Anlagen stark an und können z. B. bei 5-kW-Anlagen über 13.000 € pro kW liegen. Bei Anlagen über 160 kW sinken die Kosten auf durchschnittlich 4.350 € pro kW elektrischer Leistung. Größere Anlagen bieten daher eine bessere Wirtschaftlichkeit. Betriebs- und Wartungskosten sind pro Jahr mit etwa 2,5 % der Investitionskosten anzusetzen. Die Dimensionierung von Biogasanlagen hängt auch von der verfügbaren Biomasse ab. Die Generatorleistung sollte optimal dem Verhältnis der möglichen Gasgewinnung angepasst sein. Bei optimaler Auslegung können so bis zu 7.000 Volllaststunden im Jahr erreicht werden. Einen Anhaltspunkt für die Dimensionierung einer Biogasanlage bietet folgende Umrechnung: 1 Großvieheinheit Rinder / Schweine = 1 Großvieheinheit Geflügel = 1 ha für die Biogasgewinnung genutzte Anbaufläche =

0,14 kWel 0,47 kWel 1,54 kWel

Beispiel: 50 Großvieheinheiten Rinder / Schweine entsprechen einer Auslegung der Generatorleistung auf 7 kW. Bei 7.000 Volllaststunden kann der Ertrag pro Jahr mit 49.000 kWh abgeschätzt werden. Mit der Vergütung können so Einnahmen in Höhe von 5.000 € pro Jahr erzielt werden. Die Wirtschaftlichkeit hängt im weiteren davon ab, inwieweit auch der Wärmeertrag sinnvoll genutzt werden kann. Außerdem können steuerliche Aspekte wie Abschreibungsmöglichkeiten relevant sein.

6.7 Finanzierung Die kapitalgebundenen Kosten zur energetischen Verwertung von Holz und Biomasse liegen bei etwa 30 -40 % der Gesamtkosten. Projektentscheidend kann daher sein, Zins und Abtrag möglichst niedrig zu halten. Im Einzelfall ist zu überprüfen und genau abzuwägen, ob auf den konventionellen Bankkredit, auf Contracting oder Leasing zurückgegriffen wird. Beim Leasing wird die Anlagentechnik vom sogenannten Leasinggeber, der stets auch Eigentümer bleibt, finanziert. Der Betreiber zahlt eine vorher vertraglich festgelegte Leasingrate für die Dauer von üblicherweise 7 bis 10 Jahren. Danach wird zum Eigentumsübergang auf den Betreiber eine Restkaufsumme fällig. Das Risiko und die laufenden Kosten liegen hier beim Betreiber. Anders stellt sich die Situation beim Contracting dar. Hier ist der Betreiber eine spezielle Betreibergesellschaft bzw. ein Contractor, der die produzierte Energie (Wärme und Strom) an einen oder mehrere Abnehmer verkauft. Eine wichtige Finanzierungsmöglichkeit im Bereich von Holz- und Biomasseanlagen sind Zuschüsse aus öffentlicher Hand geworden. Eine Übersicht dazu gibt das folgende Kapitel 7. Auskunftsstellen zu diesem Thema sind in Kapitel 10 genannt.

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7. Politische Rahmenbedingungen

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7. Politische Rahmenbedingungen

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7. Politische Rahmenbedingungen Gegenüber den fossilen Energieressourcen, die endlich sind, haben erneuerbare Energien einen entscheidenden Vorteil: sie sind unerschöpflich. Im Sinne des Umwelt- und Klimaschutzes ist es, ihren Anteil am Energiemix zu erhöhen. Investitionsanreize helfen, dieses Ziel zu erreichen. Die Fördermaßnahmen der Bundesregierung zur energetischen Nutzung nachwachsender Rohstoffe haben in den letzten Jahren zugenommen. Mit verschiedenen Programmen und Gesetzen, die im folgenden näher erläutert werden, stellt die Bundesregierung die Weichen für eine verstärkte Nutzung erneuerbarer Energien.

7.1 Marktanreizprogramm erneuerbare Energien Mit dem „Marktanreizprogramm zur Nutzung erneuerbarer Energien“ (MAP), das 1999 startete, motiviert das Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi) dazu, die neuen Energietechnologien zu nutzen.

Was wird gefördert? Der Bund fördert mit dem Marktanreizprogramm den Bau von: Solarkollektoren Wärmepumpen (wenn der für den Betrieb erforderliche Strom aus erneuerbaren Energien stammt) Wasserkraftanlagen Geothermieanlagen Anlagen zur Verbrennung fester Biomasse Biogasanlagen Nicht gefördert werden: Eigenbauanlagen und Prototypen Gebrauchte Anlagen Biomasseanlagen, die überwiegend Holz aus gewerblicher Be- und Verarbeitung verfeuern Einzelfeuerstätten Verbrennungsanlagen für Abfälle und ähnliche brennbare Stoffe

Wie wird gefördert? Automatisch beschickte Anlagen zur Verfeuerung fester Biomasse werden bis zu einer Nennwärmeleistung von 100 kW mit 55 € je kW installierter Nennwärmeleistung, Anlagen mit einem Wirkungsgrad über 90 % mindestens jedoch mit 1500 € je Einzelanlage bezuschusst. Bei automatisch beschickten Anlagen über 100 kW sowie Biogasanlagen wird ein zinsgünstiges Darlehen über die Kreditanstalt für Wiederaufbau (KfW) gewährt. Bei Feuerungsanlagen ergibt sich ein Teilschulderlass von 55 € je kW installierte Leistung. Bei Biogasanlagen beträgt der Teilschulderlass 15.000 € je Anlage. Anlagen zur kombinierten Strom- und Wärmeerzeugung aus fester Biomasse werden durch ein Darlehen der KfW gefördert. Förderfähig sind hierbei die Investitionskosten (Stand März 2002).

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7. Politische Rahmenbedingungen

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7.2 Gesetz über den Vorrang erneuerbarer Energien, Biomasseverordnung Das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) regelt die Abnahme und Vergütung von Strom aus erneuerbaren Energien. Das EEG löste am 1. April 2000 das Stromeinspeisegesetz mit verbesserten Konditionen ab. Ziel des Gesetzes ist es, den Beitrag erneuerbarer Energien an der Stromversorgung deutlich zu erhöhen. Dies entspricht auch den Zielen der Europäischen Union und der Bundesrepublik Deutschland den Anteil erneuerbarer Energien am gesamten Energieverbrauch bis zum Jahr 2010 mindestens zu verdoppeln.

Für Strom aus Biomasse beträgt die Vergütung für Anlagen: bis 500 kWel

10,23 Cent/kWh,

500 kWel – 5 MW

9,21 Cent/kWh,

bis 20 MWel

8,7 Cent/kWh.

Zur Abnahme des regenerativ erzeugten Stroms ist der jeweilige Netzbetreiber verpflichtet, dessen Netz die kürzeste Entfernung zur Anlage aufweist. Auch für Biogas finden diese Vergütungen Anwendung. Sie gelten auch dann, wenn keine direkte Verstromung des Biogases direkt am Ort der Entstehung erfolgt, sondern es in das Gasnetz eingespeist wird. Für Anlagen, die ab Januar 2002 neu in Betrieb genommen werden, wird die Vergütung jährlich um 1 Prozent gesenkt. Damit will die Bundesregierung dem technologischen Fortschritt und der daraus zu erwartenden Kostensenkung bei den Anlagen Rechnung tragen. Im Sinne des Gesetzes werden unter Biomasse ganz allgemein Brennstoffe verstanden, deren Ursprung „aktuell geerntetes Pflanzengut einschließlich Resthölzern und Ernterückständen ist, sowie Holzabfälle und organische Abfälle aus der Nahrungsmittelerzeugung oder der Tierhaltung“. Dabei erfolgt keine Trennung zwischen fester und flüssiger Biomasse sowie Biogas. Diese allgemein gefasste Formulierung des Begriffes Biomasse verwendete die Bundesregierung um „nicht ökologisch und ökonomisch sinnvolle Verfahren, die sich noch in der Entwicklung befinden, von vornherein auszuschließen“. Biomasseverordnung Die Biomasseverordnung (seit 28.06.2001 in Kraft) untersetzt das Erneuerbare-Energien-Gesetz. Sie regelt, welche Stoffe als Biomasse gelten, welche technischen Verfahren zur Stromerzeugung aus Biomasse in den Anwendungsbereich des Gesetzes fallen und welche Umweltanforderungen bei der Erzeugung von Strom aus Biomasse einzuhalten sind. Die Verordnung trägt der Abgrenzungsproblematik, welche organischen Stoffe als Biomasse im Sinne des EEG anzusehen sind, Rechnung. Beispielsweise fallen mit der Verordnung auch mit Holzschutzmitteln oder halogenorganischen Verbindungen behandelte Althölzer unter die Biomassedefinition des EEG, solange bestimmte Grenzwerte eingehalten werden. Bekannt ist bereits, das belastete Altholzkontingente ausschließlich in Anlagen verbrannt werden dürfen, die der 17. BImSchV genügen. Neu dagegen ist, das bei Anlagen im Leistungsbereich größer 5 MW Mindestanforderungen an den elektrischen Wirkungsgrad gestellt werden.

Energie aus Biomasse – Ein Lehrmaterial

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7. Politische Rahmenbedingungen

AUS BIOMASSE

Die Regelungen gelten zunächst nur für Anlagen, die innerhalb von drei Jahren nach Inkrafttreten der Biomasseverordnung genehmigt worden sind. Nach Ablauf dieser Frist ist eine erneute Überprüfung der Verordnung durch den Bundestag vorgesehen. Nach der bisher gültigen Definition fielen auch „Abfälle und Nebenprodukte pflanzlicher und tierischer Herkunft aus der Land- und Forst- und Fischwirtschaft“ unter die Vergütungsregelung des EEG. Daher waren gerade im Bereich der BSE-Problematik Nachbesserungen in diesem Bereich notwendig. Biomasse tierischen Ursprungs, die keine Ausnahmegenehmigung nach dem Tierkörperbeseitigungsgesetz erhält, wird nach der Verordnung von der Vergütungsregelung des EEG ausgeschlossen. Betroffen davon ist insbesondere die energetische Verwertung von Tiermehl und Tierfetten. Der Einsatz von RME im stationären Bereich soll, um die weitere Entwicklung beobachten zu können, zunächst für einen Zeitraum von drei Jahren als Biomasse im Sinne des EEG anerkannt werden. Es lässt sich bereits heute feststellen, dass die Biomasseverordnung und das EEG den Markt für größere Biomasse-KWK Anlagen stimuliert haben. Ein entsprechend beschleunigter Ausbau der Biomasse-KWK ist daher bereits kurzfristig zu erwarten.

7.3 Freistellung von der Mineralölsteuer Biogene Treibstoffe bieten eine kostengünstige, umweltschonende und nachhaltige Alternative zu fossilen Treibstoffen. Dies konnte unter anderem auch dadurch erreicht werden, dass auf reine Biokraftstoffe, d. h. auf Biodiesel und Rapsöl, keine Mineralölsteuer erhoben wird. Viele Firmen, vor allem Taxi- und Bus- und Transportunternehmen, stellen deshalb ihren Fuhrpark auf Biodieselbetrieb als kostengünstige Alternative zu Diesel um. Die Qualität von Biodiesel wird durch den Normentwurf DIN 51606 garantiert. Eine europaweite CENNorm prEN 14214 ist in Vorbereitung.

7.4 Markteinführungsprogramm biogene Treib- und Schmierstoffe (MEP) Um den Marktanteil von biogenen Treib- und Schmierstoffen zu erhöhen, hat das Bundesministerium für Verbraucherschutz, Ernährung und Landwirtschaft (BMVEL) ein umfangreiches Förderprogramm aufgelegt. Das BMVEL setzt mit dem Markteinführungsprogramm „Biogene Treib- und Schmierstoffe“, kurz MEP, gezielt dort an, wo durch die Fördermaßnahmen ökologisch die größten Vorteile zu erwarten sind. Zu den Fördergebieten zählen: · Land und Forstwirtschaft, · Umweltsensible Bereiche und · Wasserbauliche Anlagen

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Energie aus Biomasse – Ein Lehrmaterial

7. Politische Rahmenbedingungen

ENERGIE AUS BIOMASSE

7.5 Förderprogramm nachwachsende Rohstoffe

Auch das Förderprogramm nachwachsende Rohstoffe ist vom BMVEL erstellt worden. Die wesentlichen Ziele dieses Programms sind: Einen Beitrag für eine nachhaltige Rohstoff- und Energiebereitstellung zu leisten, die Umwelt durch Ressourcenschutz, besonders umweltverträgliche Produkte und CO2 - Emissionsverminderung zu entlasten und die Wettbewerbsfähigkeit der deutschen Land- und Forstwirtschaft sowie der vor- und nachgelagerten Bereiche zu stärken.

Diese Ziele sollen erreicht werden, indem produktions- und verwendungsorientierte, anwendungsbezogene Forschungs-, Entwicklungs- und Demonstrationsvorhaben mit Fördermitteln des BMVEL durchgeführt werden.

7.6 Länderförderung In den einzelnen Bundesländern gibt es spezielle Förderprogramme zu erneuerbaren Energien. Die Adressen zu Auskunftsstellen über die Länderförderung sind in Kapitel 10 aufgelistet.

7.7 Förderprogramme der Europäischen Union Auch die Europäische Kommission hat eine Reihe von Programmen zur Förderung erneuerbarer Energien aufgelegt. Der Anbau nachwachsender Rohstoffe auf stillgelegten Ackerflächen ist unter Beibehalt der Flächenprämien möglich. In der Praxis entscheiden sich Landwirte hauptsächlich für den Rapsanbau zur Biodieselproduktion. Zugelassen sind aber auch viele andere Pflanzenarten zur energetischen oder zur stofflichen Nutzung. Mit dem 5. Europäischen Forschungsrahmenprogramm wird die Forschung und technologische Entwicklung unter anderem im Bereich nachwachsende Rohstoffe gefördert. Die Ergebnisse dieser Forschungsarbeiten werden die Grundlage für politische Rahmenvorgaben auf Gemeinschaftsebene oder aufgrund von internationalen Verträgen bieten. Hierfür müssen umweltgerechte, effiziente, wirtschaftliche und diversifizierte Systeme und Dienstleistungen für den Energiesektor entwickelt und auch Technologien für neue und erneuerbare Energiequellen bereitgestellt werden. Dadurch sollte insbesondere ein Beitrag zu einer wesentlichen Senkung der Emissionen von CO2 und anderen Treibhausgasen geleistet werden. Auch das ALTENER II Programm trägt zur verstärkten Nutzung erneuerbarer Energieträger bei. Mit diesem Programm soll ein Beitrag dazu geleistet werden, die für die Umsetzung eines gemeinschaftlichen Aktionsplans für erneuerbare Energieträger erforderlichen Rahmenbedingungen, insbesondere die rechtlichen, sozioökonomischen und verwaltungstechnischen Voraussetzungen, zu schaffen. Außerdem bietet das Programm Anreize für private und öffentliche Investitionen in die auf erneuerbaren Energiequellen basierende Energieerzeugung und –nutzung.

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7. Politische Rahmenbedingungen

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Das Carnot-Programm hat das Ziel der Förderung zur sauberen und effizienten Nutzung fester Brennstoffe. Zum einen sollen mit der Förderung bessere Technologien in Anlagen zur Verringerung der verursachten Emissionen einschließlich CO2 -Emissionen entwickelt werden, zum anderen sollen aber auch die Brennstoffe effizienter nutzbar gemacht werden.

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7. Politische Rahmenbedingungen

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Förderprogramme Maßnahme

Folie Beschreibung

Förderung von Forschungs-, Entwicklungs- und Demonstrationsvorhaben sowie Öffentlichkeitsarbeit im Bereich der stofflichen und energetischen Nutzung von nachwachsenden Rohstoffen

26,073 Mio. € pro Jahr

Markteinführungsprogramm „Biogene Treib- und Schmierstoffe“

Förderung: · der Neubefüllung und Umrüstung von Maschinen, Fahrzeugen und Anlagen in umweltsensiblen Bereichen auf biogene Schmierstoffe und Hydrauliköle · des Einsatzes von Pflanzenöl als Treibstoff · von Eigenverbrauchstankstellen für Biodiesel Erstattung der zusätzlichen Kosten gegenüber fossilen Produkten sowie der Umstellungskosten bis zu 100 % Investitionskostenzuschüsse für Biomasseverbrennungs- und Biogasanlagen zur Wärme und Stromgewinnung

10,117 Mio. € pro Jahr

Marktanreizprogramm erneuerbare Energien

Gesetz über den Vorrang Erneuerbarer Energien (Erneuerbare-EnergienGesetz – EEG)

Steuerbefreiung für Biogene Treibstoffe Flächenstilllegung Altener II - Programm

Zuständigkeit BMVEL, Durchführung FNR

BMVEL, Durchführung FNR

Laufzeit: unbegrenzt

Anbau nachwachsender Rohstoffe auf stillgelegten Flächen gem. VO 2461/99 unter Beibehalt der Ausgleichszahlung möglich Förderung von Studien sowie Demonstrationsvorhaben (keine Investitionen) Derzeit keine aktuellen u.a. auch im Bereich nachwachsende Rohstoffe Ausschreibungen

Energie aus Biomasse – Ein Lehrmaterial

7.1

Laufzeit: unbegrenzt

Insgesamt 200 Mio € pro Jahr, Für Gesamtprogramm BMWi. davon 35 Mio. € für Bioenergie Für den Bereich Bioenergie wurde zwischen BMVEL und BMWi eine Vereinbarung getroffen, die Voraussichtliche Laufzeit: Förderquote ca. 20 % die Beteiligung des BMVEL im bis 2003 Bioenergiebereich vorsieht. BMWi Regelt die Abnahme und Vergütung von Strom aus erneuerbaren Energien. Die Vergütung u. Einspeisebedingungen für Strom aus Biomasse wurden im EEG gegenüber dem bisherigen Stromeinspeisungsgesetz deutlich verbessert. Einspeisewertung bei Biomasse: · bis 500 kW 10,23 cent/ kWh · 500 kW - 5 MW 9,21 cent/ kWh · > 5 MW 8,7 cent/ kWh Freistellung von der Mineralölsteuer auf schwefelarmen Diesel BMF

Folie 7.1

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Fördervolumen

Förderprogramm „Nachwachsende Rohstoffe“

EU, BMVEL, Länder EU

Förderprogramme der Europäischen Union

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8. Entwicklung von Bioenergieprojekten

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8. Entwicklung von Bioenergieprojekten

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8. Entwicklung von Bioenergieprojekten Ist die Idee für ein Bioenergievorhaben entstanden, empfiehlt es sich zunächst die Realisierbarkeit dieser Idee zu prüfen. Eine erste Projektbeurteilung gibt Aufschluss darüber, inwieweit sich das Vorhaben unter technisch-ökonomischen aber auch unter organisatorischen und logischen Gesichtspunkten durchsetzen lässt.

8.1 Von der Idee bis zur Umsetzung ©

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8. Entwicklung von Bioenergieprojekten

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Zeitliche Einbindung der ersten Projektbeurteilung in den Projektablauf

Folie

8.1 Idee Projektskizze

Vorbereitung der Umsetzung /Realisierung

ja

(Förderantrag …)

Ergebnisse der Projektskizze positiv?

Umsetzung /Realisierung (Machbarkeitsstudie, Planung, Genehmigung, Errichtung)

Quelle: Fichtner „Leitfaden Bioenergie“, 2000, FNR

nein

Abbruch des Projektes

Zeitliche Einbindung der ersten Projektbeurteilung in den Projektablauf

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Folie 8.1

8.1.1

Wesentliche Inhalte der Projektskizze Mit der Projektskizze sind insbesondere folgende Fragen zu klären: · Wie sind die Randbedingungen des Vorhabens, insbesondere die wirtschaftlichen? · Welche Energieabnehmer kommen in Frage, und wie hoch ist deren Energiebedarf (häufig in Form von Wärme)? · Wie viel und welche Biomasse steht zur Verfügung? · Welche einzelnen Aufbereitungsschritte sind für deren energetische Nutzung erforderlich? · Welche Lagermöglichkeiten stehen zur Verfügung? · Welche Anlagenstandorte kommen in Betracht? · Welche Genehmigungen sind für das Vorhaben erforderlich? · Wie hoch sind die Investitions- und die jährlichen Kosten im Vergleich zur Referenzvariante als Maß für die Wirtschaftlichkeit? Welche Deckungslücke ergibt sich daraus? · Welche Fördermöglichkeiten können in Anspruch genommen werden? · Welche Institutionen kommen als potenzielle Projektbeteiligte in Betracht? · Wer übernimmt die Federführung für die Finanzierung und den Bau der Anlage?

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8. Entwicklung von Bioenergieprojekten

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Aus diesen Fragen ergeben sich die wesentlichen Inhalte einer Projektskizze die, wie in der folgenden Tabelle dargestellt, in technische, wirtschaftliche und nicht technisch/ökonomische Aspekte untergliedert werden können.

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8. Entwicklung von Bioenergieprojekten

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Wesentliche Inhalte einer Projektskizze

Folie

8.2 Wirtschaftliche Aspekte

(Technisches Grobkonzept)

(Wirtschaftlichkeitsabschätzung)

Nicht technische / ökonomische Aspekte

Festlegung der Randbedingungen

Abschätzung des Kapitalbedarfs

Vorläufige Feststellung der Projektbeteiligung

Ermittlungen der Biomassemengen

Abschätzung des Wirtschaftlichkeit

Prüfung der Genehmigungspflichtigkeit

Grobkonzipierung der BiomasseBereitstellungskette

Evaluierung der Fördermöglichkeiten

Bewertung der Akzeptanz

Technische Anlagenvoraussetzungen

Vorbereitung der nächsten Schritte zur Anlagenrealisierung

Quelle: „Leitfaden Bioenergie“, 2000, FNR

Wesentliche Inhalte einer Projektskizze

Technische Aspekte

Folie 8.2

8.1.2

Phasen der Umsetzung eines Projektes Die Umsetzung, also die Realisierung eines Bioenergieprojekts, umfasst alle Arbeiten von der Fertigstellung der Projektskizze bis zur Aufnahme des regulären Anlagenbetriebs. Die einzelnen Schritte der Realisierung können wie folgt untergliedert werden:

Machbarkeitsstudie, Vor-, Entwurfs- und Ausführungsplanung, Genehmigungsverfahren, Ausschreibungsphase (Ausschreibung, Angebotsvergleich und Vergabe der Anlage), Fertigung und Lieferung, Montage, Inbetriebnahme, Probebetrieb und Abnahme mit paralleler Schulung des Betriebspersonals.

Während der einzelnen Umsetzungsphasen ist parallel zu den fachlichen Arbeiten die Projektstruktur für die zukünftige Betriebsphase zu entwickeln. Dies beinhaltet unter anderem die Beziehung zwischen den Projektbeteiligten, meist in Form von Verträgen, zu regeln. Insbesondere zwischen dem Betreiber der Bioenergieanlage und dem Brennstofflieferanten einerseits sowie den Wärmeabnehmern andererseits sind die gegenseitigen Rechte und Pflichten schriftlich zu fixieren.

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8. Entwicklung von Bioenergieprojekten

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8.2 Beispiele für erfolgreich realisierte Projekte in Deutschland Anlagenplanung kommt nicht ohne theoretische Grundlagen aus. Sie kann aber ebenso wenig auf die Erfahrungen in der Praxis verzichten. Außerdem werden theoretische Zusammenhänge am praktischen Beispiel deutlicher und greifbarer. Deshalb sollen abschließend einige bereits realisierte Anlagen zur energetischen Nutzung von Biomasse beschrieben werden.

8.2.1

Das Strohheizwerk Schkölen (Thüringen): Sonnenenergie: Pflanzenwachstum (Photosynthese) unter Aufnahme von CO2 und Sonnenenergie

Fernwärmenetz: Die Stadt Schkölen (1600 Einwohner, 600 Haushalte, 8 öffentliche Gebäude, 47 gewerbliche Gebäude) wird zentral mit einer Vorlauftemperatur vom 80° C mit Heizenergie versorgt.

Ernte von Biomasse Strohüberschuß wird genutzt: Heston-Ballen 500 kg, 120 x 130 x 240 cm Stohliefergemeinschaft Schkölen.

Kesseltechnik Verschwelung des Strohs und Verbrennung des entstehenden Gases bei über 900° C Filtertechnik Anforderungen der TA Luft werden eingehalten. Rauchgas wird auf 120° C abgekühlt und zurückgeführt, selbstreinigende Rauchgasfilter, Staubemission unter 50 mg/m3

Strohscheune Lagerung des Vorrats für maximal fünf Tage. Zuführung zum Brenner über PLC-gesteuerten Deckenlaufkran und wassergekühlten hydraulischen Ballenvorschub.

Regelung Elektronisch geregelte Luft- und Strohzufuhr Heizleistung 26 % - 100 % der Nennleistung. Automatischer Betrieb.

Ölkessel Für Notfälle, Spitzenleistungen und Heizleistungen unter 26 % der Kesselnennleistung.

Quelle: Broschüre „Biomasse-nachwachsende Energie aus Land- und Forstwirtschaft“, 1997, CMA, FNR, C.A.R.M.E.N.

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8. Entwicklung von Bioenergieprojekten

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Das Heizwerk besitzt eine Leistung von 3,5 MW bei einem Wirkungsgrad von 90,5 % und verarbeitet ca. 3.500 t Stroh jährlich. Die Preise für eine Tonne liegen z. Z. bei 50 €. Das Strohheizwerk liefert gebrauchsfertige Nutzwärme in Form von Heißwasser, das über isolierte, erdverlegte Rohre zu den angeschlossenen Wärmeabnehmern gepumpt wird. Dort wird die Wärme über einen Wärmeaustauscher, der den eigenen Heizkessel im Haus ersetzt, an den Heizkreislauf des Gebäudes weitergegeben. Das abgekühlte Wasser wird zum Heizwerk zurückgeleitet (Rücklaufleitung). Über Wärmezähler, die jeder Abnehmer erhält, werden die abgenommenen Wärmemengen und deren Kosten ermittelt. Das Strohheizwerk Schkölen kostete insgesamt 5.126.700 € (alle Leistungen, wie z. B.: Nahwärmenetz, Hausanschlüsse, Planung). Strohheizwerk Schkölen Betreiber Kurzbeschreibung (Zweck der Anlage, Art der Energieerzeugung, Energieabnehmer, Besonderheiten) Feuerungswärmeleistung Nennwärmeleistung Elektrische Leistung (bei KWK-Anlagen) Art der eingesetzten Biomasse sowie dessen Anlieferungsform Biomasse-Durchsatz (stündlich oder jährlich) Feuerungsart Rauchgasreinigungssystem Stromerzeugungsaggregat (Dampfturbine, -motor) Fördergeber Inbetriebnahmejahr

SHW Schkölen GmbH Strohbefeuertes Heizwerk zur Nahwärmeversorgung der Stadt Schkölen mit ölbefeuertem Spitzenlastkessel

keine Angaben Strohkessel: 3,15 MW Ölkessel: 4 MW keine Angaben Stroh in Form von Ballen 3.000 - 3.500 t/a Feuerungssystem zur Verbrennung von ganzen Ballen („Zigarrenbrenner“ der Fa. Völund) Gewebefilter mit vorgeschaltetem Zyklon keine Angaben Deutsche Bundesstiftung Umwelt, Osnabrück, Land Sachsen 1992

Quelle: Fichtner 1998

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8. Entwicklung von Bioenergieprojekten

AUS BIOMASSE

8.2.2

Holzheizwerk Verden (ehemaliges Projekt der EXPO 2000) Das Holzheizwerk Verden versorgt seit der Inbetriebnahme 1998 mehrere Verwaltungs-, Gewerbe- sowie Schulgebäude mit Wärme. Diese Abnehmer werden über ein Nahwärmenetz von 1.200 m beliefert. Insgesamt beträgt die Abnahme 6.500 MWh. Die Wärmeübernahme erfolgt über Spezial-Wärmeunterstationen mit spezieller Regeltechnik und Fernübertragung. Der Brennstoff sind Holzhackschnitzel, die jeweils zur Hälfte aus Forst und Entsorgung der näheren Umgebung stammen. Die Investitionssumme für das Heizwerk, einschließlich Wärmenetz, beträgt 1,8 Millionen Euro. Die Bereitstellung eines Zuschusses des Bundesministeriums für Verbraucherschutz, Ernährung und Landwirtschaft sowie eines Landesdarlehens des Niedersächsischen Wirtschaftsministeriums erfolgten im Rahmen der Förderung als Demonstrationsprojekt. Holzheizwerk Verden Betreiber Kurzbeschreibung (Zweck der Anlage, Art der Energieerzeugung, Energieabnehmer, Besonderheiten) Feuerungswärmeleistung Nennwärmeleistung Elektrische Leistung (bei KWK-Anlagen) Art der eingesetzten Biomasse sowie dessen Anlieferungsform Biomasse-Durchsatz (stündlich oder jährlich) Feuerungsart Rauchgasreinigungssystem Stromerzeugungsaggregat (Dampfturbine, -motor) Fördergeber Inbetriebnahmejahr

Stadtwerke Verden GmbH Holzheizwerk mit Gasspitzenlastkessel zur Wärmeversorgung mehrerer Verwaltungs- und Gewerbegebäude sowie Schul- und Sportanlagen keine Angaben Holzkessel: 2 x 1 MW Gaskessel: 1,2 MW keine Angaben Waldholz, unbelastetes Restholz 10.000 Sm3 Rostfeuerung Gewebefilter keine Angaben Bundesministerium für Ernährung, Landwirtschaft und Forsten, Wirtschaftsministerium Niedersachsen 1998

Quelle: Fichtner 1998

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8. Entwicklung von Bioenergieprojekten

ENERGIE AUS BIOMASSE

8.2.3

Biomasseheizwerk Sulzbach-Rosenberg Allein im Inbetriebnahmejahr 1995 wurden im Biomasseheizkraftwerk in Sulzbach-Rosenberg 15.000 t Schilfgras, Stroh und Restholz verarbeitet. Diese Mengen lieferte die den Ort umgebene Landwirtschaft. Die energetische Nutzung der verschiedenen Biomassen ist durch eine Rostfeuerungsanlage möglich. Durch die Verarbeitung dieser überall anfallenden Rohstoffe konnten 6 Millionen Liter Rohöl eingespart werden. Das Fernwärmenetz der Stadt sowie ein Stahlwerk werden mit Wärme aus der Kraft-Wärme-Kopplungsanlage versorgt. Der erzeugte Strom wird in das örtliche Netz eingespeist. Fördergeber waren das Bayerische Staatsministerium für Ernährung, Landwirtschaft und Forsten sowie die Europäische Komission. Biomasse-Heizkraftwerk Sulzbach-Rosenberg Betreiber Kurzbeschreibung (Zweck der Anlage, Art der Energieerzeugung, Energieabnehmer, Besonderheiten) Feuerungswärmeleistung Nennwärmeleistung Elektrische Leistung (bei KWK-Anlagen) Art der eingesetzten Biomasse sowie dessen Anlieferungsform

Biomasse-Durchsatz (stündlich oder jährlich) Feuerungsart Rauchgasreinigungssystem Stromerzeugungsaggregat (Dampfturbine, -motor) Fördergeber

Inbetriebnahmejahr

BVT Technische Anlagen GmbH und Co. Biomasse-Heizkraftwerk Sulzbach-Rosenberg KG Kraft-Wärme-Kopplungsanlage zur Dampfversorgung des Stahlwerkes Neue Maxhütte und des Fernwärmenetzes Sulzbach-Rosenberg, Einspeisung des erzeugten Stroms ins Netz 2 x 11 MW 2 x 8,4 MW 1,4 MW (Entnahmebetrieb) Holzhackschnitzel aus der Forstwirtschaft und aus Holzverarbeitungsbetrieben, Grünschnitt, Ganzpflanzen 45.000 t/a Rostfeuerung mit ungekühltem Feuerraum Elektrofilter mit vorgeschaltetem Multizyklon Entnahme-Kondensationsturbine Bayerisches Staatsministerium für Ernährung, Landwirtschaft und Forsten, Europäische Union 1995

Quelle: Fichtner 1998

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8. Entwicklung von Bioenergieprojekten

AUS BIOMASSE

8.2.4

Biomasseheizwerk Immenstadt (Allgäu) Durch den Betrieb einer Hackschnitzelfeuerungsanlage werden ein Hallenbad, ein Schul- und Sportzentrum, ein Kindergarten, eine Grundschule, ein Krankenhaus und drei Wohnblöcke mit Wärme versorgt. Schwachholz aus dem Stadtwald und dem bäuerlichen Privatwald kann zu wirtschaftlich angemessenen Bedingungen eingesetzt werden. Die Vorschubrostfeuerungs-Anlage wandelt jährlich 2.500 bis 2.700 Tonnen Holzhackgut und Baumschnitt in Wärme um. Biomasseheizwerk Immenstadt Betreiber Kurzbeschreibung (Zweck der Anlage, Art der Energieerzeugung, Energieabnehmer, Besonderheiten) Feuerungswärmeleistung Nennwärmeleistung Elektrische Leistung (bei KWK-Anlagen) Art der eingesetzten Biomasse sowie dessen Anlieferungsform Biomasse-Durchsatz (stündlich oder jährlich) Feuerungsart Rauchgasreinigungssystem Stromerzeugungsaggregat (Dampfturbine, -motor) Fördergeber

Inbetriebnahmejahr

Stadt Immenstadt Wärmeversorgung von Kreiskrankenhaus, Schulzentrum, Tagesheim, Sporthalle und Hallenbad

keine Angaben 1,2 MW keine Angaben Holzhackgut, Baumschnitt 2.500 - 2.700 t/a Vorschubrostfeuerung Multizyklon und Rauchgaskondensationsanlage keine Angaben Bayerisches Staatsministerium für Ernährung, Landwirtschaft und Forsten Europäische Union 1996

Quelle: Fichtner 1998

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9. Anhang

ENERGIE AUS BIOMASSE

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9. Anhang

AUS BIOMASSE

9. Anhang 9.1 Glossar Asche sind die bei der restlosen Verbrennung (Veraschen) von organischen Substanzen zurückbleibenden anorganischen Bestandteile. Es handelt sich hierbei um ein Gemisch von Carbonaten, Sulfaten, Phosphaten, Chloriden und Silicaten der Alkali- und Erdalkalimetalle sowie Eisenoxiden und dergleichen. Aufgrund ihres hohen Mineralstoffanteils können Holzaschen als Düngemittel verwendet werden. Aschegehalt ist die Menge an Verbrennungsrückstand, die beim Glühen des Brennstoffes unter festgesetzten Bedingungen entsteht, zumeist angegeben in Gewichts-Prozent. Bei vollständiger Verbrennung von Holz bleiben je 100 kg Brennstoff zwischen 0,2 und 0,6 kg Asche zurück. Biodiesel Trivialname für Pflanzenölmethylester (PME). In Deutschland wird überwiegend Rapsölmethylester (RME) als Biodiesel eingesetzt. RME besitzt ähnliche Eigenschaften wie konventioneller Dieselkraftstoff und kann in herkömmlichen Dieselmotoren eingesetzt werden. Bioenergie Sammelbegriff für Energieformen, die aus unterschiedlichen Arten von festen, flüssigen oder gasförmigen Biomassen gewonnen werden. Biogas Auch Klärgas, Sumpfgas oder Faulgas genannt. Entsteht durch anaeroben Abbau organischer Substanz und besteht zum überwiegenden Teil aus Methan. Biogas lässt sich durch Verbrennung in Gasmotoren (Kraft-Wärme-Kopplung) zur Energiegewinnung einsetzen. Biomasse Gesamtheit der durch Pflanzen und Tiere erzeugten organischen Substanz. Bei der Energiegewinnung aus Biomasse wird unterschieden zwischen speziell zur Energiegewinnung angebauten Pflanzen (Energiepflanzen), land- bzw. forstwirtschaftlichen Rückständen und/oder Nebenprodukten (z. B. Stroh, Gülle, Waldrestholz), Produkten der Landschaftspflege (z. B. Aufwuchs von Landschaftspflegeflächen), organischen Rückständen zur Verwertung bzw. Entsorgung aus industriellen oder (haus)wirtschaftlichen Prozessen (z. B. Bioabfall, Klärschlamm) oder organische Produkte nach der Endnutzung (z. B. Altholz). Es kann sich dabei um Festbrennstoffe aus Lignocellulose (z. B. um schnellwachsende Baumarten), um zucker-, stärke- oder ölhaltige Pflanzen (z. B. Zuckerrüben, Kartoffeln, Raps) zur Erzeugung pflanzlicher Kraftstoffe (z. B. Ethanol, Pflanzenöl, Pflanzenölmethylester) oder um gasförmige Energieträger (z. B. Biogas aus Gülle) zur Wärme- und Stromerzeugung handeln. Blockheizkraftwerk (BHKW) Anlage zur lokalen Erzeugung von Energie (Wärme und Strom) nach dem Prinzip der Kraft-WärmeKopplung (KWK). Mit einem stationären Verbrennungsmotor, einer Gasturbine oder einer Brennstoffzelle wird Strom erzeugt. Die dabei entstehende Abwärme wird zur Warmwasserbereitung und zu Heizzwecken genutzt. Als Brennstoff kann beispielsweise Dieselkraftstoff, Biogas, Holzgas, Erdgas oder Pflanzenöl bzw. RME eingesetzt werden.

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9. Anhang

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Bundes-Immissionsschutzgesetz (BImSchG) Zweck des BImSchG ist es, Menschen, Tiere und Pflanzen, den Boden, das Wasser, die Atmosphäre sowie Kultur- und sonstige Sachgüter vor schädlichen Umwelteinwirkungen (wie Luftverunreinigungen, Geräusche, Erschütterungen und ähnliche Vorgänge) zu schützen. Das BImSchG wurde zuletzt 1990 neu gefasst und im April 1997 geändert. Es enthält Vorgaben und Vorschriften u. a. für die Errichtung und den Betrieb von Feuerungsanlagen. Eine immissionsschutzrechtliche Genehmigung nach dem BImSchG ist für alle Anlagen erforderlich, die „in besonderem Maße geeignet sind, schädliche Umwelteinwirkungen hervorzurufen“. Dampfturbinen In diesen Strömungsmaschinen wird aus der Dampfenergie mechanische Energie erzeugt. Zur Stromerzeugung treibt die Turbine einen Generator an. Dampfturbinen eignen sich zur Stromerzeugung in Anlagen mittlerer und großer Leistung ab etwa 2 MWel (elektrische Leistung). Die derzeit größten ausgeführten Einwellen-Dampfturbinen besitzen eine elektrische Leistung von 850 MW. Dampfmotoren Der Dampfmotor ist eine Weiterentwicklung der Kolbendampfmaschine, von der er sich durch die stehende Bauweise und die Schnellläufigkeit unterscheidet. Dampfmotoren werden in der Praxis derzeit mit kleineren Leistungen betrieben (bis etwa 2 MWel). In diesem Leistungsbereich sind Dampfmotoren oft kostengünstiger als Dampfturbinen. Auch ihr gutes Teillastverhalten ist von Vorteil. Nachteilig dagegen sind der niedrige elektrische Wirkungsgrad (ca. 10 %), die Belastung des Abdampfes mit Öl und die üblicherweise hohen Wartungskosten. Emissionen nennt man alle Absonderungen, die von festen oder beweglichen Anlagen (Maschinen, Kraftwerken, Autos) oder Stoffen (Abfall, Chemikalien usw.) in Form von Gas, Staub, Geräuschen, Strahlen, Wärme und Erschütterungen an die Umgebung (Umwelt) abgegeben werden. Zum Schutz von Menschen und Umwelt werden in Rechtsvorschriften (Technischen Anleitungen, z. B. TA Luft) Emissionsgrenzwerte festgelegt. Emissionen, die auf Mensch und Tier, Natur und Umwelt, Luft, Wasser oder Boden einwirken, werden an dem Ort, an dem sie eine Wirkung entfalten, Immissionen genannt. Das Auftreten einer Immission unterscheidet sich meist erheblich von der Emission (z. B. wegen Verdünnung in der Atmosphäre oder biologischem Abbau im Wasser). Endenergie Energieträger und -formen, die dem Endverbraucher zur Verfügung stehen. Energie kommt in der Natur in verschiedenen Formen vor. Energie kann man nicht herstellen oder vernichten, sondern nur von einer Form in eine andere umwandeln. So wird z. B. bei der Stromgewinnung aus Biomasse chemisch gebundene Sonnenenergie zuerst in Wärmeenergie, dann in mechanische Energie und schließlich in elektrische Energie überführt. Die Einheiten der Energie sind im internationalen Einheitensystem: Joule, Wattsekunde, Elektronenvolt und Newtonmeter. Energiepflanzen werden zum Zwecke der Energiegewinnung (z. B. Verbrennung) angebaut. Als Energierohstoff können die ganzen Pflanzen, Pflanzenteile oder Pflanzenabfälle eingesetzt werden. Energieträger Stoffe oder physikalische Erscheinungen, in denen Energie gespeichert ist bzw. gespeichert werden kann.

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9. Anhang

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Erneuerbare Energien sind Energieträger, die nach menschlichem Ermessen „unbegrenzt" verfügbar sind, im Unterschied zu den fossilen Energieträgern (wie Kohle, Erdöl, Erdgas oder spaltbare Elemente), die an begrenzte Stoffvorräte gebunden sind. Zu den Erneuerbaren Energien zählen u. a. Sonnenenergie (Solarthermie, Photovoltaik), Wind- und Wasserkraft, Geothermie (Erdwärme) und die Energie aus der Verbrennung von Biomasse. In der Energieversorgung Deutschlands spielen die erneuerbaren Energien noch eine relativ geringe Rolle. Festmeter (Fm) In der Forst- und Holzwirtschaft übliche Maßeinheit für die Holzmasse (Stammholz), die dem Rauminhalt eines Kubikmeters (m3) entspricht. Feuerungsanlagen sind Einrichtungen zur Erzeugung von Wärme durch Verbrennung von festen, flüssigen oder gasförmigen Brennstoffen. Sie dienen zur Dampferzeugung oder Erwärmung von Wasser oder sonstigen Wärmeträgermedien für Industrie, Gewerbe oder Gebäudeheizungen. An Reststoffen aus Feuerungsanlagen fallen vor allem Aschen (Schlacken) und Filterstäube an. Fossile Brennstoffe bzw. Energieträger In der erdgeschichtlichen Vergangenheit aus Pflanzen entstandene feste, flüssige oder gasförmige Brennstoffe wie Kohle, Erdöl und Erdgas. Heizkraftwerk Kraftwerk, das Strom und Nutzwärme erzeugt. Im Gegensatz zum Heizwerk, das nur Nutzwärme erzeugt. Holz-Briketts, -Pellets oder -Presslinge werden aus Schleifstaub und/oder Sägemehl durch mechanischen Druck hergestellt und dürfen keine chemischen Bindemittel enthalten. Holzfeuchte Anteil des im Brennstoff enthaltenen Wassers, angegeben in Prozent der Masse, bezogen auf die Masse des wasserfreien Brennstoffes. Immission Teil der Emission schädlicher Stoffe (Abgase aus Industrie, Straßenverkehr und Heizanlagen) sowie von Geräuschen, Erschütterungen, Gerüchen, Licht, Wärme und Strahlen, der auf Menschen, Tiere und Pflanzen sowie Sachgüter einwirkt. Ziel des gesetzlich geregelten Immissionsschutzes ist es, diese Immissionen so gering wie möglich zu halten. Dafür sind Immissionswerte festgelegt. Zentrale Vorschrift ist das BundesImmissionsschutzgesetz (BImSchG) mit seinen Verordnungen. Industriepflanzen Bei Industriepflanzen werden Inhaltsstoffe (z. B. Öle, Fette, Stärke) oder die Pflanzenfasern einer stofflichen Verwertung im Non-food-Bereich zugeführt. Kohlenstoffdioxid (CO2) Farbloses, nicht brennbares, geruchloses und ungiftiges Gas, das mit ca. 0,03 % natürlicher Bestandteil der Erdatmosphäre ist. CO2 ist für langwellige Wärmestrahlen „undurchlässig". Somit verhindert es eine gleichgewichtige Abstrahlung der auf die Erde treffenden Sonnenstrahlen und ermöglicht damit die zum Leben notwendigen Temperaturen auf der Erdoberfläche bzw. in der Biosphäre. Als energetisch stabilste C-Verbindung ist das CO2 die Schlüsselverbindung im Kohlenstoff-Kreislauf der Natur. Durch Assimilation wird es zusammen mit Wasser von Pflanzen mit Hilfe der Sonnenenergie bei der Photosynthese in

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9. Anhang

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energiereichere Kohlenhydrate überführt, wobei Sauerstoff frei wird. CO2 dient damit als Grundsubstanz zum Aufbau aller organischen Verbindungen. Die Kohlenhydrate werden von tierischen Organismen als energieliefernde Substrate für deren Stoffwechsel aufgenommen, zu CO2 und Wasser abgebaut und durch Atmung an die Außenluft abgegeben bzw. in Biomasse umgewandelt. Absterbende tierische und pflanzliche Organismen liefern beim aeroben Abbau ebenfalls CO2, das entweder in die Atmosphäre abgegeben oder in Wasser gelöst wird, aus dem es als Carbonat-Gestein sedimentieren oder mit dem der Atmosphäre ausgetauscht werden kann. Auch bei der energetischen Nutzung fossiler Energieträger (z. B. Kohle) wird CO2 freigesetzt. Bei der Verbrennung großer Mengen fossiler Energieträger reichert sich das vor Urzeiten fossil gebundene Kohlenstoffdioxid in der Atmosphäre über den natürlichen Gehalt hinaus an und kann zur Erwärmung des Erdklimas beitragen. Kohlenstoffmonoxid (CO) Reiz-, farb- und geruchsloses Gas, das bei unvollständiger Verbrennung von organischen Verbindungen entsteht. Es wird in der Luft schnell zu Kohlenstoffdioxid umgewandelt. Es wirkt toxisch, da es die Sauerstoffaufnahme des Blutes verhindert. Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) und Umwandlungsverfahren, bei dem gleichzeitig Strom und Wärme bereitgestellt wird. Durch die Nutzung der Abwärme, die beim Stromerzeugungsprozess in herkömmlichen Kraftwerken ungenutzt an die Umgebung abgegeben wird, lässt sich der Energienutzungsgrad durch KWK entscheidend erhöhen (von 30 bis 45 % auf 80 bis 90 %). In Heizkraftwerken wird mit KWK gearbeitet. Als Blockheizkraftwerke werden kleinere, motorisch betriebene Heizkraftwerke bezeichnet, deren Motoren öl- oder gasbetriebene Verbrennungskraftmaschinen sind. Voraussetzung für den sinnvollen dezentralen Einsatz der KWK ist der gleichzeitige Bedarf an Strom und Wärme sowie eine möglichst große Nähe des BHKW zum Endverbraucher. Kraftwerk (Wärmekraftwerk) Anlage zur Konversion von Energieträgern in elektrische Energie. Kurzumtriebsplantage Plantagen, in denen schnellwachsende Baumarten wie Pappeln, Aspen und Weiden angebaut und in regelmäßigen Intervallen (alle 3-5 Jahre) mit vollautomatischen Erntemaschinen abgeerntet werden. Sie werden als Biomasselieferanten zur Energiegewinnung genutzt. Aus den verbleibenden Stöcken und Wurzeln erfolgt der Neuaustrieb für die nächste Ernte. lutro Abkürzung für „lufttrocken": Gleichgewichtszustand zwischen Holzfeuchtigkeit und relativer Luftfeuchtigkeit, also kein statischer Zustand, sondern wechselnd. Methan (CH4) Farbloses, geruchloses, mit bläulicher Flamme brennendes Gas mit einem Heizwert von 36 MJ/kg. Methan-Luft-Gemische mit 5 bis 15 Vol.-% Methan sind explosiv. Methan findet sich im Kokereigas und im Erdgas, das zugleich die wichtigste Quelle darstellt. Methan ist ein klimarelvantes Gas. Sein Gehalt in der Atmosphäre beträgt ca. 1,3 ppm, er hat sich seit 1950 etwa verdoppelt. Methanquellen sind fossile Brennstoffe sowie der Cellulose-Abbau (Methan-Gärung) durch anaerobe Bakterien. Es entsteht weiterhin in Kläranlagen in den Faulbehältern (Biogas), in Sümpfen (Sumpfgas), in den Darmgasen besonders von Wiederkäuern, aber auch des Menschen, in Reisfeldern und marinen Sedimenten. Hohe Methanzuflüsse schreibt man auch Undichtigkeiten der Ergasfernleitungen zu.

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9. Anhang

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Miscanthus, Chinaschilf Mehrjähriges, aus Ostasien stammendes, wärmeliebendes Gras mit C4-Photosynthese und hohem Ertragspotential. Erreicht eine Höhe bis zu 4 m und hat lange, lanzettlich geformte Blätter, die wechselständig an den Trieben stehen. Kommt in Deutschland meist nicht zur Blüte. Nachwachsende Rohstoffe Sammelbegriff für land- und forstwirtschaftlich erzeugte Rohstoffe wie Holz, Pflanzenöle, -fasern, -farbe, Zucker, Stärke u.s.w., die nach der Aufbereitung einer weiteren technischen oder energetischen Anwendung zugeführt werden können. Auch tierische Rohstoffe wie Wolle und Leder lassen sich im weitesten Sinne zu dieser Kategorie zählen. Ein entscheidender Vorteil nachwachsender Rohstoffe im Vergleich zu Rohstoffen fossilen Ursprungs ist, dass sie prinzipiell unbegrenzt zur Verfügung stehen. Ein anderer Pluspunkt ist ihre CO2-Neutralität bei der Verbrennung. Dies erklärt sich dadurch, dass das bei der Verbrennung von pflanzlichen Rohstoffen freigesetzte Kohlenstoffdioxid vorher von der Pflanze gebunden wurde. Die heute populärsten Anwendungen von nachwachsenden Rohstoffen sind der Einsatz von Holz in Feuerungen und von Biodiesel als Kraftstoff. Aber auch die chemische Industrie zeigt sich mehr und mehr interessiert, für die Bereitstellung ihrer Grundstoffe auf nachwachsende Rohstoffe zurückzugreifen und tut dies bereits heute in ganz beachtlichem Umfang. Auch wenn gerade in den letzten Jahren neue Produkte aus nachwachsenden Rohstoffen auf den Markt gekommen sind – man denke nur an biologisch abbaubare Folien und Verpackungen – steht diese Branche erst am Anfang ihrer Entwicklung. Nutzenergie Teil der Endenergie, die beim Verbraucher nach der letzten Umwandlung für den jeweiligen Nutzungszweck zur Verfügung steht und die dieser für die angestrebte Nutzung einsetzt (z. B. Licht für die Beleuchtung, mechanische Arbeit von Motoren, Wärme für die Raumheizung). Pflanzenölmethylester (PME) Für Dieselmotoren geeignete Biokraftstoffe aus Pflanzenölen. PME gewinnt man durch Umesterung des jeweiligen Pflanzenöls mit Methanol. Der wichtigste PME ist Rapsölmethylester (RME). Potenzial, erschließbares Das erschließbare Potential beschreibt den Anteil des wirtschaftlichen Potentials, der unter realen Bedingungen erschlossen werden kann. Deshalb ist das erschließbare im Regelfall kleiner als das wirtschaftliche Potenzial. Es kann dann größer sein, wenn durch administrative Maßnahmen (z. B. Förderprogramme) eine Möglichkeit zur Nutzung regenerativer Energien unterstützt wird. Potenzial, technisches Das technische Potenzial beschreibt den Anteil des theoretischen Potenzials, der unter Berücksichtigung der gegebenen technischen Restriktionen nutzbar ist. Zusätzlich dazu werden die gegebenen strukturellen und ökologischen Restriktionen sowie gesetzliche Vorgaben berücksichtigt, da sie letztlich auch – ähnlich den technisch bedingten Eingrenzungen – „unüberwindbar" sind. Es beschreibt damit den zeit- und ortsabhängigen, primär aus technischer Sicht möglichen Beitrag einer regenerativen Energie zur Deckung der Energienachfrage. Da es wesentlich durch die technischen Randbedingungen bestimmt wird, ist es im Unterschied beispielsweise zu dem wirtschaftlichen Potenzial deutlich geringeren zeitlichen Schwankungen unterworfen. Das technische Potenzial wird immer in absoluten Werten angegeben, d. h. dass der heute bereits genutzte Anteil der jeweiligen Energieform darin enthalten ist.

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9. Anhang

ENERGIE AUS BIOMASSE

Potenzial, theoretisches Das theoretische Potenzial beschreibt das in einer gegebenen Region innerhalb eines bestimmten Zeitraumes theoretisch physikalisch nutzbare Energieangebot (z. B. die in der gesamten Pflanzenmasse gespeicherte Energie). Es wird allein durch die gegebenen physikalischen Nutzungsgrenzen bestimmt und markiert damit die Obergrenze des theoretisch realisierbaren Beitrages zur Energiebereitstellung. Wegen unüberwindbarer technischer, ökologischer, struktureller und administrativer Schranken kann das theoretische Potenzial meist nur zu sehr geringen Teilen erschlossen werden. Ihm kommt deshalb zur Beurteilung der tatsächlichen Nutzbarkeit erneuerbarer Energien keine praktische Relevanz zu. Potenzial, wirtschaftliches Das wirtschaftliche Potenzial beschreibt den ebenfalls zeit- und ortsabhängigen Anteil des technischen Potenzials, der im jeweils betrachteten Energiesystem wirtschaftlich erschlossen werden kann. Da es sehr unterschiedliche Möglichkeiten gibt, die Wirtschaftlichkeit einer Technik zur Deckung der Energienachfrage zu bestimmen, existieren immer eine Vielzahl unterschiedlichster wirtschaftlicher Potenziale. Zusätzlich dazu kommen noch sich laufend ändernde wirtschaftliche Randbedingungen (z. B. Ölpreisänderung, Veränderung der steuerlichen Abschreibmöglichkeiten). Presslinge aus Holz- und/oder Rindenteilchen erzeugte Pressformen (z. B. Briketts, Pellets) verschiedener Größe, die mit oder ohne Bindemittel hergestellt werden. Primärenergie Primär- oder Rohenergie ist der Energiegehalt von Primärenergieträgern. Primärenergieträger sind Energieträger, die noch keiner Umwandlung unterworfen wurden. Primärenergieträger sind sowohl fossile Brennstoffe wie Stein- und Braunkohle, Erdöl und Erdgas sowie Kernbrennstoffe als auch erneuerbare Energien wie Biomasse, Wasserkraft, Sonnenenergie, Windkraft und Erdwärme. Pyrolyse Prozess der thermischen Zersetzung kohlenstoffhaltiger Abfälle unter Ausschluss von Sauerstoff bei Temperaturen um 500° C (Niedertemperaturpyrolyse) bzw. 700 bis 900° C (Hochtemperaturpyrolyse). Abfälle wie Kunststoffe, Gummi oder Altreifen werden in pyrolytischen Verfahren verwertet. Auch feste Biomasse kann einer Pyrolyse zugeführt werden. Als Rückstandsprodukt erhält man, abhängig von den Reaktionsbedingungen, Pyrolysekokse, -öle und -gase. Rapsölmethylester (RME) ist auch unter der Bezeichnung Biodiesel bekannt und unter den alternativen Kraftstoffen inzwischen in Deutschland am weitesten verbreitet. RME besteht aus Rapsöl, das chemisch zu Rapsmethylester umgewandelt wurde. RME lässt sich ohne größere Zusatzeinrichtungen in nahezu allen herkömmlichen Dieselmotoren einsetzen. Raummeter (Rm) In der Forst- und Holzwirtschaft übliches Maß für 1 Kubikmeter aufgesetztes oder geschichtetes Holz unter Einschluss der Luftzwischenräume. Gelegentlich wird für Industrie- und Brennholz auch die Bezeichnung „Ster" oder „Schichtraummeter" verwendet. Regenerative Energie (RE) Energieträger und -formen, die sich ständig auf natürliche Weise erneuern bzw. nachwachsen. Diese Energieträger sind quasi ständig verfügbar.

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Schlacke Fester Verbrennungsrückstand; Asche, die geschmolzen war und wieder erstarrt ist. Schüttraummeter Ein Kubikmeter Schüttgut (z. B. Hackgut, Sägespäne oder andere Granulate). Abkürzung: S-m3, Srm, SRm. Schwefeldioxid (SO2) ist ein farbloses, stechend riechendes Gas. Es entsteht überwiegend als Nebenprodukt bei der Verbrennung schwefelhaltiger fossiler Energieträger wie Kohle oder Öl. SO2 ist in der Atmosphäre einer Reihe von Umwandlungsprozessen unterworfen, in deren Folge beispielsweise schweflige Säure, Schwefelsäure, Sulfite, Sulfate u. a. Stoffe entstehen können. Diese führen vermischt mit Wasser und Salpetersäure (Stickstoffoxide) zur Bildung des sauren Regen, der für das Waldsterben mitverantwortlich ist. Natürliche Vorkommen an Schwefeldioxid finden sich u. a. in vulkanischen Gasen und teilweise im Erdgas. Gesetzliche Maßnahmen zur Entschwefelung von Verbrennungsanlagen sind im wesentlichen im Bundesimmissionsschutzgesetz bzw. in der TA Luft und in der Großfeuerungsanlagenverordnung festgeschrieben. Es konnte dadurch erreicht werden, dass die SO2 - Emissionen in Deutschland von rund 3,7 Mio. t im Jahre 1970 auf etwa 1 Mio. t im Jahre 1990 zurückgingen. Schwermetalle Die Quellen für die Schwermetall-Immissionen sind teils natürlichen Ursprungs (Vulkane, Verwitterung), teils anthropogen als Folge der Industrialisierung. Schwermetalle werden bei Verhüttungs- und Wärmegewinnungsprozessen, im Kraftfahrzeugverkehr, durch Korrosion technischer Bauwerke, im Bergbau und bei der Abfallbehandlung freigesetzt. In Böden können sich Schwermetalle durch Verwitterung, Immissionen und Abfallstoffe anreichern. Als giftig gelten insbesondere Blei, Cadmium und Quecksilber. Sinterpunkt Temperatur, bei der Aschepartikel an ihren Grenzflächen zusammen kleben. Steinkohleneinheit (SKE) Maß für den Energiegehalt fossiler Brennstoffe. Normiert wird auf den Heizwert von Steinkohle. 1 kg SKE entspricht dabei 29.308 kJ. Stilllegungsflächen Landwirtschaftliche Flächen, die zeitweise nicht für die Nahrungsmittelproduktion verwendet werden. Ziel ist es, die Überschusssituation auf dem Nahrungsmittelsektor zu entschärfen. Industriepflanzen zur Erzeugung nachwachsender Rohstoffe dürfen auf stillgelegten Flächen angebaut werden. Stromeinspeisungsgesetz Im Stromeinspeisungsgesetz hat der Gesetzgeber die Abnahme und Vergütung von Strom geregelt, der aus erneuerbaren Energien stammt. Elektrizitätsversorgungsunternehmen (EVU) sind danach verpflichtet, den in ihrem Versorgungsgebiet erzeugten Strom abzunehmen und zu vergüten. Die Vergütung für Strom aus Biomasse beträgt mindestens 80 % des Durchschnittserlöses pro Kilowattstunde aus der Stromabgabe von EVU an Endverbraucher. Zum Vergleich: Die Vergütung für Strom aus Sonnenenergie und Windkraft beträgt mindestens 90 % des Durchschnittserlöses. TA Luft Abkürzung für Technische Anleitung (TA) zur Reinhaltung der Luft, eine allgemeine Verwaltungsvorschrift auf der Grundlage des Bundes-Immissionsschutzgesetzes. Diese beinhaltet die Umsetzung der im letzteren nicht genauer festgelegten gesetzlichen Anforderungen für genehmigungsbedürftige Anlagen in Form von Grenzwerten. Die TA Luft von 1974 wurde 1983 erstmals novelliert. Dabei wurden nach dem eingeführten Vorsorgeprinzip Auflagen für genehmigungspflichtige Anlagen so formuliert, dass die

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Anforderungen um so schärfer wurden, je größer das Risikopotential der betroffenen Schadstoffe eingestuft wurde. Die TA Luft enthält einzuhaltende Emissionswerte, Grenzwerte, Immissionswerte und im besonderen Schwellenwerte für staub- und gasförmige Stoffe. Triticale ist eine Getreideart, die durch die Kombination der Gattungen Triticum (Weizen) und Secale (Roggen) entstanden und mit dem Ziel gezüchtet worden ist, die hohe Leistungsfähigkeit von Weizen mit der Anspruchslosigkeit von Roggen zu kombinieren. Umesterung Verfahren zur Umwandlung von Fetten zu Fettsäureester (Rapsölmethylester) Wassergehalt Anteil des im Brennstoff enthaltenen Wassers, angegeben in Prozent der Masse, bezogen auf die Masse des wasserhaltigen Brennstoffes.

9.2 Übersichten Die energetische Verwertung beinhaltet den Einsatz von Holzabfällen als Brennstoff in nicht genehmigungsbedürftigen Anlagen. Altholz darf, abhängig davon, ob und in welcher Weise eine Verunreinigung vorliegt, in unterschiedlichen Anlagenarten mit angepassten Anforderungen an Verbrennungsführung und Abgasreinigung verbrannt werden. Die Anforderungen an den Holzeinsatzstoff für genehmigungsbedürftige Verbrennungsanlagen, die den Verordnungen des Bundesimmissionsschutzgesetzes (BImSchG) unterliegen, sind in der folgenden Abbildung dargestellt.

Gruppe 1

Gruppe 2

Gruppe 3

Gruppe 4

Naturbelassenes Holz

Holz, Sperrholz, Spanplatten, Faserplatten, verleimtes Holz, auch gestrichen, lackiert und beschichtet sowie daraus anfallende Reste (außer halogenorganischer Beschichtung)

Holz mit halogenorganischer Beschichtung

Mit Holzschutzmitteln behandeltes Holz

ab 1 MW

ab 1 MW

unter 1 MW

50 kW bis 1 MW

ab 1 MW

4. BimSchV Nr. 1.2

1. BimSchV

4. BimSchV Nr. 1.2

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17. BimSchV

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Emissionsgrenzwerte nach der 1. BImSchV

Brennstoff

Naturbelassenes Holz

Holz, gestrichen, lackiert, beschichtet, Sperrholz, Spanplatten, Faserplatten sowie deren Reste ohne halogenorganische Beschichtungen und Holzschutzmittel Stroh oder ähnliche pflanzliche Stoffe

Nennwärmeleistung in kW < 50 50 - 150 150 - 500 > 500 b 100 100 - 500

Sauerstoffbezugswert in % 13

Emissionsgrenzwerte Staub a CO a in g/Nm

13

0,15

0,15

> 500

3

in g/Nm 4,0 2,0 1,0 0,5 0,8 0,5

3

Abgasfahne Grauwert heller 1

heller 1

0,3

c < 50

13

0,15

50 - 100

4,0 2,0

heller 1

Abkürzungen: BImSchG: Bundes-Immissionsschutzgesetz BImSchV: Erste Verordnung zur Durchführung des BImSchG (Verordnung über Kleinfeuerungsanlagen) CO: Kohlenstoffmonoxid 3 Normkubikmeter, Abgas im Normzustand bei 0° C und 1013 mbar bei angegebenem Nm : Sauerstoffbezugswert Fußnoten: a Staub- und CO-Grenzwert nur bei Nennwärmeleistung > 15 kW b Einsatz verboten bei einer Nennwärmeleistung < 50 kW c Einsatz verboten bei einer Nennwärmeleistung < 15 kW

Emissionsgrenzwerte für Biomasse-Feuerungsanlagen nach TA Luft a

Sauerstoffbezugswert Staub Kohlenstoffmonoxid (CO) Organische Stoffe (Gesamt-C) Stickstoffoxide angegeben als: - Stickstoffdioxide (NO2)

in Vol.-% in g/Nm3 in mg/Nm3 in g/Nm3

Emissionsgrenzwert 11 0,15 50 0,25

in mg/Nm3

50

in g/Nm3

0,3 0,4

- Schwefeldioxide (SO2)

in g/Nm3

Quelle Übersichten: www.biomasse-info.net

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0,5 2

Anmerkung FWL < 5 MW FWL ≥ 5 MW bei FWL < 2,5 MW nur bei Nennlast

stat. WS > 20 MW und zirk. WS sonstige Anlagen (naturbelassenes Holz, Stroh) sonstige Anlagen

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Abkürzungen: TA Luft: Technische Anleitung zur Reinhaltung der Luft stat. WS: stationäre Wirbelschicht zirk. WS: zirkulierende Wirbelschicht Normkubikmeter, Abgas im Normzustand bei 0° C und 1013 mbar bei angegebenem Nm3: Sauerstoffbezugswert FWL: Feuerungswärmeleistung Fußnote: a unter Berücksichtigung der Dynamisierungsklauseln des Länderausschusses für Immissionsschutz (LAI)

Übersicht der Vorschriften nach BImSchG und der Emissionsgrenzwerte für unbehandeltes Holz

Anlagenleistung

FWL < 1 MW NWL < 50 kW NWL 50 - 150 kW

NWL 150 - 500 kW NWL > 500 kW FWL 1 - 50 MW FWL < 5 MW FWL ≥ 5 MW FWL ≥ 50 MW

Genehmigungs- relevante Sauerstoffverfahren Vorschrift bezugswert in Vol.-% 1. BImSchV 13 Nicht genehmigungspflichtig

vereinf. Verf. (§ 19 BImSchG)

TA Luft

Emissionsgrenzwerte Staub CO Ges.-C NOX SO2 in g/Nm3 0,15 0,15

4 2

-

-

-

0,15 0,15

1 0,5

-

-

-

0,15 0,05

0,25 0,25

0,05 0,05

0,4 0,4

2 2

11

förml. Verf. 13. BImSchV (§ 10 BImSchG) gemäß 13. BImSchV (Großfeuerungsverordnung; meist nicht relevant für Biomassen)

Abkürzung: FWL: Feuerungswärmeleistung, NWL: Nennwärmeleistung Übersicht der Vorschriften nach BImSchG und der Emissionsgrenzwerte für Stroh

Anlagenleistung

Emissionsgrenzwerte Staub CO Ges.-C NOX SO2 in g/Nm3

Genehmigungs- relevante Sauerstoffverfahren Vorschrift bezugswert in Vol.-% FWL < 100 kW a Nicht 1. BImSchV 13 NWL < 50 kW genehmigungs0,15 4 NWL > 50 kW pflichtig 0,15 2 FWL 0,1 - 1 MW vereinf. Verf. TA Luft 11 0,15 0,25 50 0,4 (§ 19 BImSchG) FWL > 1 MW förml. Verf. FWL < 5 MW (§ 10 BImSchG) TA Luft 11 0,15 0,25 50 0,4 FWL 5 - 50 MW TA Luft 11 0,05 0,25 50 0,4 FWL > 50 MW 13. BImSchV gemäß 13. BImSchV (Großfeuerungsverordnung; meist nicht relevant für Biomassen)

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2

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Abkürzung: FWL: Feuerungswärmeleistung, NWL: Nennwärmeleistung Fußnote: a Einsatz verboten bei einer Nennwärmeleistung < 15 kW Quelle: Fichtner GmbH & Co. KG, Projektbereich Erneuerbare Energien, Sarweystraße 3, 70191 Stuttgart (Auszüge aus der Internetseite des BIZ)

9.3 Umrechnungstabellen Allgemeine Umrechnungsfaktoren für Holzmengen (Faustzahlen)

1 1 1 1

atro 1,0 0,4 – 0,75 0,3 0,2

t Fm Rm Sm3

atro Fm Rm Sm3

= = = =

Fm 1,3 – 2,5 1,0 0,7 0,41

Rm 2,9 1,4 1,0 0,59

Sm3 4,86 2,43 1,70 1,0

absolut trocken (0 % Wassergehalt) Festmeter Raummeter Schüttkubikmeter

Umrechnung von Energieeinheiten

1 1 1 1 1

MJ kcal kWh kg SKE kg RÖE

MJ 1 0,00419 3,60 29,31 41,87

kcal 238,80 1 860 7.000 10.000

kWh 0,28 0,001163 1 8,14 11,63

kg SKE 0,034 0,000143 0,123 1 1,428

kg RÖE 0,024 0,0001 0,086 0,70 1

SKE = Steinkohleeinheiten RÖE = Rohöleinheiten

Vorzeichen für Energieeinheiten Vorsatz Deka Hekto Kilo Mega Giga Tera Peta Exa

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Vorsatzzeichen da h k M G T P E

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Faktor 10 102 103 106 109 1012 1015 1018

Zahlwort Zehn Hundert Tausend Million Milliarde Billion Billiarde Trillion

10. Literaturliste und Liste nationaler Kontakte

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10. Literaturliste und Liste nationaler Kontakte

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10. Literaturliste und Liste nationaler Kontakte 10.1 Für dieses Buch verwendete Literatur Rainer Marutzky, Klaus Seeger: „Energie aus Holz und anderer Biomasse“, 1999, DRW-Verlag Martin Kaltschmitt, Hans Hartmann (Hrsg.): „Energie aus Biomasse - Grundlagen, Techniken und Verfahren“, 2001, Springer-Verlag Martin Kaltschmitt, Guido A. Reinhardt (Hrsg.): „Nachwachsende Energieträger – Grundlagen, Verfahren, ökologische Bilanzierung“, 1997, Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbH Holger Flaig, Hans Mohr (Hrsg.): „Energie aus Biomasse – eine Chance für die Landwirtschaft“, 1993, Veröffentlichungen der Akademie für Technikfolgenabschätzung in Baden-Württemberg, Springer-Verlag Frithjof Staiß: „Jahrbuch Erneuerbare Energien 2000“, 2000, Stiftung Energieforschung BadenWürttemberg, Bieberstein-Verlag Forstabsatzfonds, CMA (Hrsg.): „Moderne Holzfeuerungsanlagen“, 1998, Materialien zu Wald, Holz und Umwelt, Forstabsatzfonds Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e. V. (FNR): „Leitfaden Bioenergie – Planung, Betrieb und Wirtschaftlichkeit von Bioenergieanlagen“, 2000, FNR CMA, FNR, C.A.R.M.E.N.: „Biomasse – nachwachsende Energie aus Land- und Forstwirtschaft“, 1997, Broschüre CMA Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi): „Jetzt erneuerbare Energien nutzen“, 2000, Broschüre BMWi Bundesministerium für Verbraucherschutz, Ernährung und Landwirtschaft (BMVEL): „Biogas – eine natürliche Energiequelle“, 2000, Broschüre BMVEL FNR Schriftenreihe Nachwachsende Rohstoffe Band 5: „Logistik bei der Nutzung biogener Festbrennstoffe“, 1995, FNR FNR Schriftenreihe Nachwachsende Rohstoffe Band 6: „Biomasse als Festbrennstoff – Anforderungen, Einflussmöglichkeiten, Normung“, 1996, FNR FNR Schriftenreihe Nachwachsende Rohstoffe Band 12: „Chemische Nutzung heimischer Pflanzenöle“, 1998, FNR FNR Schriftenreihe Nachwachsende Rohstoffe Band 17: „Eigenschaften biogener Festbrennstoffe“, 2001, FNR FNR Schriftenreihe Gülzower Fachgespräche: „Energetische Nutzung von Biomasse durch KraftWärme-Kopplung“, 2000, FNR FNR Schriftenreihe Gülzower Fachgespräche: „Energetische Nutzung von Biogas: Stand der Technik und Optimierungspotential“, 2000, FNR

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FNR Schriftenreihe Gülzower Fachgespräche: „Energetische Nutzung von Stroh, Ganzpflanzengetreide und weiterer halmgutartiger Biomasse, 2001, FNR Zur Brennstoffzelle: http://www.uni-magdeburg.de/unirep/UR2000/maerz2000/methanol.html http://www.brennstoffzelle-koeln.de

10.2 Informationsstellen zur Bundes- und Landesförderung Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie Referat Öffentlichkeitsarbeit Scharnhorststraße 34-37 • 10115 Berlin Telefon : 0 30 / 20 14 61 41 Telefax : 0 30 / 20 14 52 08 E-Mail : [email protected] Internet : www.bmwi.de Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit Referat Öffentlichkeitsarbeit • Alexanderplatz 6 11055 Berlin Telefon : 0 30 / 3 05 21 57 o. 58 Telefax : 0 30 / 3 05 20 44 E-Mail : [email protected] Internet : www.bmu.de Bundesministerium für Verbraucherschutz, Ernährung und Landwirtschaft Referat Öffentlichkeitsarbeit Rochusstraße 1 • 53123 Bonn Telefon : 02 28 / 5 29 - 0 oder 0 18 88 - 5 29 - 0 Telefax : 02 28 / 5 29 - 42 62 oder 0 18 88 - 5 29 - 42 62 E-Mail : [email protected] Internet : www.verbraucherministerium.de Dienstsitz Berlin: Besucheranschrift: Wilhelmstraße 54 • 10117 Berlin Postanschrift: 11055 Berlin Telefon : 0 30 / 20 06 - 0 oder 0 18 88 - 5 29 - 0 Telefax : 0 30 / 20 06 - 42 62 oder 0 18 88 - 5 29 - 42 62 BadenWürttemberg

Landesgewerbeamt Baden-Württemberg Abt. Informationszentrum für Energie Willi-Bleicher-Straße 19 • 70174 Stuttgart Telefon : 07 11 / 1 23 25 23 Telefax : 07 11 / 1 23 26 49 E-Mail : [email protected] Internet : www.lgabw.de

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Bayerisches Staatsministerium für Wirtschaft, Verkehr und Technologie

Bayern

Prinzregentenstraße 28 • 80525 München Telefon : 0 89 / 21 62 01 Telefax : 0 89 / 21 62 27 60 E-Mail : [email protected] Internet : www.stmwvt.bayern.de Berlin

Senatsverwaltung für Stadtentwicklung, Umweltschutz und Technologie Brückenstraße 6 • 10179 Berlin Telefon : 0 30 / 90 25 0 Telefax : 0 30 / 90 25 25 09 E-Mail : [email protected] Internet : www.sensut.berlin.de

Brandenburg

Ministerium für Wirtschaft Abteilung Technologie, Umweltwirtschaft und Energie Heinrich-Mann-Allee • 14473 Potsdam Telefon : 03 31 / 86 60 Internet : www.brandenburg.de Bewilligungsstelle: Investitionsbank des Landes Brandenburg Steinstraße 104-106 • 14480 Potsdam Telefon : 03 31 / 6 60 15 18 E-Mail : gatoways.gwia:[email protected] Internet : www.ilb.de

Bremen

Freie Hansestadt Bremen Senat für Bau und Umwelt Ansgaritorstraße 2 • 28195 Bremen Telefon : 04 21 / 36 11 08 58 Telefax : 04 21 / 36 11 08 75 E-Mail : [email protected]

Hamburg

Freie und Hansestadt Hamburg Umweltbehörde, Fachamt für Energie und Immissionsschutz Billstraße 84 • 20539 Hamburg Telefon : 0 40 / 42 84 5-0 Telefax : 0 40 / 42 84 5-20 99 Internet : www.hamburg.de/Umwelt/welcome.htm

Hessen

Hessisches Ministerium für Umwelt, Landwirtschaft und Forsten Mainzer Straße 80 • 65189 Wiesbaden Telefon : 06 11 / 8 15 16 28 Telefax : 06 11 / 8 15 16 66 Internet : www.hessen.de

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MecklenburgVorpommern

Wirtschaftsministerium Mecklenburg-Vorpommern Johannes-Stelling-Straße 14 • 19053 Schwerin Telefon : 03 85 / 5 88 54 32 Telefax : 03 85 / 5 88 58 61 E-Mail : [email protected] Internet : www.mv-regierung.de/wm/index.html

Niedersachsen

Niedersächsisches Ministerium für Wirtschaft, Technologie und Verkehr Friedrichwall 1 • 30169 Hannover Telefon : 05 11 / 12 00 Telefax : 05 11 / 12 0 57 72

NordrheinWestfalen

Ministerium für Wirtschaft und Mittelstand, Technologie und Verkehr Haroldstraße 4 • 40213 Düsseldorf Telefon : 02 11 / 8 37 02 Telefax : 02 11 / 8 37 22 00 E-Mail : [email protected] Internet : www.mwmtv.nrw.de

Rheinland-Pfalz Ministerium für Wirtschaft, Verkehr, Landwirtschaft und Weinbau Stiftstraße 9 • 55116 Mainz Telefon : 0 61 31 / 16 0 Telefax : 0 61 31 / 16 21 55 E-Mail : [email protected] Internet : www.mwvlw.rpl.de Saarland

Ministerium für Umwelt Halbergstraße 50 • 66121 Saarbrücken Telefon : 06 81 / 5 01 47 07 Telefax : 06 81 / 5 01 45 22 E-Mail : [email protected] Internet : www.umwelt.saarland.de

Sachsen

Forschungszentrum Rossendorf e. V. Projektträger Umwelt und Energie Postfach 51 01 19 • 01314 Dresden Telefon : 03 51 / 2 60 34 71 Telefax : 03 51 / 2 60 34 86 E-Mail : [email protected] Internet : www.fz-rossendorf.de

Sachsen-Anhalt Ministerium für Wirtschaft und Technologie Wilhelm-Höpfner-Ring 4 • 39116 Magdeburg Telefon : 03 91 / 5 67 47 20 Telefax : 03 91 / 5 67 47 22 SchleswigHolstein

Ministerium für Finanzen und Energie Adolf-Westphal-Straße 4 • 24143 Kiel Telefon : 04 31 / 9 88 42 73 Telefax : 04 31 / 9 88 42 52 E-Mail : [email protected]

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Thüringen

Thüringer Ministerium für Wirtschaft, Arbeit und Infrastruktur Postfach 242 • 99005 Erfurt Telefon : 03 61 / 37 97 496 oder 497 Telefax : 03 61 / 37 97 409 E-Mail : [email protected] Internet : www.thueringen.de/tmlnu

10.3 Beratung und Information Informationsdienst BINE (Bürger-Information Neue Energietechniken) Fachinformationsdienst Karlsruhe Büro Bonn Mechenstraße 57 • 53129 Bonn Telefon : 02 28 / 92 37 90 Telefax : 02 28 / 92 37 92 9 E-Mail : [email protected] Internet : http://bine.fiz-karlsruhe.de BINE informiert anbieter- und firmenneutral über Ergebnisse ausgewählter BMWi-geförderter Forschungsvorhaben aus den Bereichen der erneuerbaren Energien und Rationellen Energieanwendung. Hier ist z. B. die „Förderfibel Energie“ (auch als CD-ROM FISCUS) erhältlich. Sie enthält über 600 Förderprogramme der EU, des Bundes und der Länder. Publikationen und Infopakete sind kostenlos über das Internet abrufbar. Biomasse Info-Zentrum (BIZ) Institut für Energiewirtschaft und Rationelle Energieanwendung (IER) Universität Stuttgart Hessbrühlstraße 49 a • D-70565 Stuttgart Telefon : 07 11 / 7 81 39 - 08 Telefax : 07 11 / 7 80 61 - 77 E-Mail : [email protected] Internet : www.biomasse-info.net Das Biomasse Info-Zentrum ist an der Universität Stuttgart am Institut für Energiewirtschaft und Rationelle Energieanwendung angesiedelt und wird durch die Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe im Auftrag des Bundesministeriums für Verbraucherschutz, Ernährung und Landwirtschaft gefördert. Das BIZ soll Informationsdefizite bei der energetischen Nutzung von Biomasse schließen, den Informationstransfer zwischen Anbietern und Nutzern von Biomasse verbessern und dadurch zu einer verstärkten Nutzung in Deutschland beitragen. C.A.R.M.E.N. (Centrales Agrar-Rohstoff-Marketing- und Entwicklungs-Netzwerk) Schulgasse 18 • 94315 Straubing Telefon : 0 94 21 / 9 60 - 3 00 Telefax : 0 94 21 / 9 60 - 3 33 E-Mail : [email protected] Internet : www.carmen-ev.de Zweck von C.A.R.M.E.N. ist die Förderung von Forschung, Wissenschaft, Entwicklung und Nutzung nachwachsender Rohstoffe zur Sicherung der Zukunft des ländlichen Raumes sowie aus umweltrelevanten, gesellschaftlichen und wirtschaftlichen Gründen. Auch bei C.A.R.M.E.N. sind Broschüren, Folder, Tagungsbände, Video-Filme und CD-ROMs zum Thema erneuerbare Energien über das Internet kostenlos bestellbar.

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Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e. V. (FNR) Hofplatz 1 • 18276 Gülzow Telefon : 0 38 43 / 69 30 - 0 Telefax : 0 38 43 / 69 30 - 102 E-Mail : [email protected] Internet : www.fnr.de Die FNR ist zentrale Koordinierungsstelle zur Förderung nachwachsender Rohstoffe. Im Bereich Biomasse und deren energetischer Nutzung fördert sie die Forschung und Entwicklung von Projekten. Sie koordiniert die Bereiche Projektträgerschaft, Information und Beratung als Projektträger des BMVEL. UFOP-Union zur Förderung von Oel- und Proteinpflanzen e. V. Godesberger Allee 142-148 • 53175 Bonn Telefon : 02 28 / 8 19 82 26 Telefax : 02 28 / 8 19 82 03 E-Mail : [email protected] Internet : www.ufop.de Der UFOP gehören neben Züchtern und Landesbauernverbänden alle an Produktion, Vermarktung und Verarbeitung beteiligten Gruppen durch Spitzenverbände und teilweise auch durch Einzelmitgliedschaften an. Die fachliche Grundlagenarbeit wird durch Fachkommissionen geleistet, die mit Experten aus Wirtschaft und Wissenschaft besetzt sind. Ein Beirat mit Experten sämtlicher Bereiche und Vertretern der thematisch angesprochenen Bundesministerien komplettiert die effizient gestaltete Verbandsstruktur.

10.4 Weitere ausgewählte Kontaktadressen BEO Forschungszentrum Jülich Projektträger Biologie, Energie, Ökologie Postfach • 52425 Jülich Telefon : 0 24 61 / 61 32 66 Telefax : 0 24 61 / 61 28 80 E-Mail : [email protected] Internet : www.sij.fh-aachen.de Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle Frankfurter Straße 29-35 • 65760 Eschborn Telefon : 0 61 96 / 40 40 Telefax : 0 61 96 / 9 42 26 Internet : www.bafa.de Bundesdeutscher Arbeitskreis für umweltbewusstes Management (B.A.U.M. e. V.) Osterstraße 58 • 20259 Hamburg Telefon : 0 40 / 49 07 11 00 Telefax : 0 40 / 49 07 11 99 E-Mail : [email protected] Internet : www.baumev.de

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Bundesinitiative Bioenergie (BBE) Godesberger Allee 142-148 • 53175 Bonn Telefon : 02 28 / 8 19 81 40 Telefax : 02 28 / 8 19 81 41 E-Mail : [email protected] Internet : www.bioenergie.de Bundesverband Erneuerbare Energien e. V. (BEE) Teichweg 6 • 33100 Paderborn Telefon : 0 52 52 / 35 04 Telefax : 0 52 52 / 5 29 45 E-Mail : [email protected] Bund der Energieverbraucher e. V. (BdE) Grabenstraße 17 • 53619 Rheinbreitbach Telefon : 0 22 24 / 9 22 70 Telefax : 0 22 24 / 1 03 21 E-Mail : [email protected] Internet : www.bde.de Bund für Umwelt und Naturschutz e. V. (BUND) Im Rheingarten 7 • 53225 Bonn Telefon : 02 28 / 40 09 70 Telefax : 02 28 / 40 09 740 E-Mail : [email protected] Internet : www.bund.net Bundesverband Deutscher Heizungsindustrie e. V. (BDH) Frankfurter Straße 720-726 • 51145 Köln Telefon : 0 22 03 / 93 59 30 Telefax : 0 22 03 / 93 59 322 E-Mail : [email protected] Deutsche Ausgleichsbank Wielandstraße 4 • 53173 Bonn Telefon : 02 28 / 8 31 24 00 Telefax : 02 28 / 8 31 21 30 E-Mail : [email protected] Internet : www.dta.de Deutsche Bundesstiftung Umwelt (DBU) An der Bornau 2 • 49090 Osnabrück Telefon : 05 41 / 96 33 0 Telefax : 05 41 / 96 33 190 E-Mail : [email protected]

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Fachinformationszentrum Karlsruhe (FIZ) Hermann-von-Helmholtz-Platz 1 • 76344 Eggenstein-Leopoldshafen Telefon : 0 72 47 / 80 80 Telefax : 0 72 47 / 80 82 59 E-Mail : [email protected] Internet : www.fiz-karlsruhe.de Fachverband Biogas e. V. Angerbrunnenstraße 12 • 85356 Freising Telefon : 0 81 61 / 98 46 60 Telefax : 0 81 61 / 98 46 70 E-Mail : [email protected] Internet : www.biogas-info.de Informationszentrale der Elektrizitätswirtschaft e. V. (IZE) Postfach 70 05 61 • 60555 Frankfurt am Main Telefon : 0 69 / 6 30 43 72 Telefax : 0 69 / 6 30 43 87 Internationales Wirtschaftsforum Regenerative Energien (IWR) Robert-Koch-Straße 26 • 48149 Münster Telefon : 02 51 / 8 33 39 95 Telefax : 02 51 / 8 33 83 52 E-Mail : [email protected] Internet : www.iwr.de Kreditanstalt für Wiederaufbau Palmengartenstraße 5-9 • 60325 Frankfurt am Main Telefon : 0 69 / 74 31 0 Telefax : 0 69 / 74 31 29 44 Internet : www.kfw.de Kuratorium für Technik und Bauwesen in der Landwirtschaft e. V. (KTBL) Bartningstraße 40 • 64289 Darmstadt Telefon : 0 61 51 / 70 01 0 Telefax : 0 61 51 / 70 01 123 E-Mail : [email protected] Internet : www.ktbl.de Rationalisierungs- und Innovationszentrum der Deutschen Wirtschaft e. V. Rationalisierungsgemeinschaft Bauwesen Düsseldorfer Straße 40 • 65760 Eschborn Telefon : 0 61 96 / 49 53 12 Telefax : 0 61 96 / 49 53 93 E-Mail : [email protected] Internet : www.rkw.de

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10.5 Energieagenturen Berliner Energieagentur GmbH Rudolfstraße 9 • 10245 Berlin Telefon : 0 30 / 29 33 30 0 Telefax : 0 30 / 29 33 30 99 E-Mail : [email protected] Internet : www.berliner-e-agentur.de Brandenburgische Energiespar-Agentur GmbH Feuerbachstraße 24/25 • 14471 Potsdam Telefon : 03 31 / 9 82 51 0 Telefax : 03 31 / 9 82 51 40 E-Mail : [email protected] Bremer Energieinstitut Fahrenheidstraße 8 • 28359 Bremen Telefon : 04 21 / 20 14 30 Telefax : 04 21 / 21 99 86 E-Mail : [email protected] Internet : www.uni-bremen.de/CEAGmbH Deutsche Energie-Agentur GmbH Chausseestraße 128 a • 10115 Berlin Telefon : 0 30 / 72 61 65 60 Telefax : 0 30 / 72 61 65 699 E-Mail : [email protected] Internet : www.deutsche-energie-agentur.de EffizienzOffensive Energie Rheinland-Pfalz e. V. Merkurstraße 45 • 67663 Kaiserslautern Telefon : 06 31 / 35 030 20 Telefax : 06 31 / 35 030 22 E-Mail : [email protected] Internet : www.eor.de Energieagentur Sachsen-Anhalt GmbH Universitätsplatz 10 • 39104 Magdeburg Telefon : 03 91 / 73 77 20 Telefax : 03 91 / 73 77 22 3 E-Mail : [email protected] Internet : http://vip.ttz.uni-magdeburg.de/energietechnik/esa/esa.htm Energie-Agentur Mittelfranken e. V. Am Plärrer 43 • 90338 Nürnberg Telefon : 09 11 / 2 71 32 50 Telefax : 09 11 / 2 71 32 58 E-Mail : [email protected] Internet : www.enrgieagentur-mittelfranken.de

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Energieagentur Nordrhein-Westfalen Morianstraße 32 • 42103 Wuppertal Telefon : 02 02 / 24 55 20 Telefax : 02 02 / 24 55 230 E-Mail : [email protected] Internet : www.ea-nrw.de Energieagentur Oberfranken e. V. Kressenstein 19 • 95326 Kulmbach Telefon : 0 92 21 / 82 39 0 Telefax : 0 92 21 / 82 39 29 E-Mail : [email protected] HessenENERGIE – Gesellschaft für rationelle Energienutzung mbH Mainzer Straße 98 • 65189 Wiesbaden Telefon : 06 11 / 74 62 30 Telefax : 06 11 / 71 82 24 E-Mail : [email protected] Internet : http://home.t-online.de/home/hessen-energie Investitionsbank Schleswig-Holstein-EnergieagenturFleethörn 29-31 • 24103 Kiel Telefon : 04 31 / 9 00 36 60 Telefax : 04 31 / 9 00 36 52 E-Mail : [email protected] Klimaschutz- und Energieagentur Baden-Württemberg GmbH Griesbachstraße 10 • 76185 Karlsruhe Telefon : 07 21 / 9 84 71 0 Telefax : 07 21 / 9 84 71 20 E-Mail : [email protected] Energieagentur Mecklenburg-Vorpommern GmbH Hopfenbruchweg 6 • 19053 Schwerin Telefon : 03 85 / 59 09 10 Telefax : 03 85 / 59 09 10 Münchner Energie-Agentur GmbH (MEA) Oberanger 16 • 80331 München Telefon : 0 89 / 23 55 61 0 Telefax : 0 89 / 23 55 61 25 E-Mail : [email protected] Internet : www.mea2000.de Niedersächsische Energie-Agentur GmbH Rühmkorffstraße 1 • 30163 Hannover Telefon : 05 11 / 9 65 29 - 0 Telefax : 05 11 / 9 65 29 - 99 E-Mail : [email protected] Internet : www.nds-energie-agentur.de

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Norddeutsche Energieagentur für Industrie und Gewerbe GmbH Heidenkampsweg 101 • 20097 Hamburg Telefon : 0 40 / 23 78 27 0 Telefax : 0 40 / 23 78 27 10 E-Mail : [email protected] Internet : www.nea-hamburg.de Saarländische Energie-Agentur GmbH Altenkesseler Straße 17 • 66115 Saarbrücken Telefon : 06 81 / 97 62 170 Telefax : 06 81 / 97 62 175 E-Mail : [email protected] Internet : www.sea-saarland.de

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Herausgeber: Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e. V. (FNR) Hofplatz 1 • 18276 Gülzow Tel. : 0 38 43 / 69 30 - 0 Fax : 0 38 43 / 69 30 - 1 02 E-Mail: [email protected] http: //www.fnr.de