Solargestützte Trocknung von Fichtenschnittholz unter gemäßigten Klimabedingungen

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1 Solargestützte Trocknung von Fichtenschnittholz unter gemäßigten Klimabedingungen M. Bux, K. Bauer, Institut für Agrartechnik in den Tropen und Subtropen, Universität Hohenheim, Stuttgart M. Wurster, Forstliche Versuchs- und Forschungsanstalt Baden-Württemberg, Freiburg Kurzfassung Bei zwei Trocknungsversuchen wurden 6 mm starke, waldfrische Fichtenbohlen (Picea abies) zeitgleich in einer am Institut für Agrartechnik in den Tropen und Subtropen entwickelten, solargestützten Trocknungsanlage sowie einer konventionellen Warmlufttrocknungsanlage getrocknet. Die Trocknung von einer Ausgangsfeuchte von 5 bis 6 % auf 16 % dauerte in der Solaranlage im Dezember bei einer durchschnittlichen Umgebungstemperatur von minus 3 C insgesamt 1 Tage, im April wurden bei einer durchschnittlichen Umgebungstemperatur von 9 C 8 Tage benötigt. In den Sommermonaten ist mit einer Trocknungsdauer von ca. 6 Tagen zu rechnen. In der konventionellen Warmlufttrocknungsanlage wurden zum Erreichen derselben Endfeuchte witterungsunabhängig 6 Tage benötigt. Während hinsichtlich der Qualität des getrockneten Holzes kein signifikanter Unterschied zwischen den beiden Verfahren festgestellt werden konnte, unterschieden sich Trocknungskosten und Energiebedarf deutlich. Bei einer Trocknungskapazität von 4. m³ Fichtenschnittholz pro Jahr beliefen sich die Gesamtkosten für die solargestützte Trocknung auf 1,9 /m³ im April und 14,4 /m³ im Dezember. Die Kosten für die Warmlufttrocknung beliefen sich auf 18,3 /m³. Der elektrische Energiebedarf war mit 9,1 bzw. 12,8 kwh Strom pro m³ getrocknetes Holz um etwa die Hälfte geringer als bei der Warmlufttrocknung mit 2 kwh/m³. Auch der thermische Energiebedarf lag mit,74 GJ/m³ bzw. 1,14 GJ/m³ erheblich unter dem Bedarf der Warmlufttrocknungsanlage mit 1,8 GJ/m³. Insbesondere vor dem Hintergrund steigender Energiepreise hat sich das untersuchte solargestützte Trocknungsverfahren als interessante Alternative zur klassischen Warmlufttrocknung erwiesen. Einleitung Die Trocknung von Schnittholz im Freiland führt aufgrund der nicht beeinflussbaren Witterungsverhältnisse häufig zu langen Trocknungszeiten, einer zu hohen Endfeuchte und einer niedrigen Holzqualität (Brunner, 1988). Hochwertiges Schnittholz, das den wachsenden Qualitätsanforderungen der Holz- und Möbelindustrie genügt, kann daher nur unter Einsatz technischer Trocknungsverfahren hergestellt werden. Technische Verfahren zur Schnittholztrocknung beschleunigen den Trocknungsprozess und können die Holzqualität verbessern. Die hauptsächlich eingesetzten Warmlufttrocknungsanlagen

2 sind allerdings investitionskostenintensiv und bedingen einen hohen thermischen und elektrischen Energiebedarf (Kröll und Kast, 1989; Brunner, 1988; Brunner, 1999). Ebenfalls eingesetzte Vakuumtrocknungsanlagen lassen zwar eine noch schnellere Trocknung bei hoher Qualität zu, erfordern aber noch deutlich höhere Investitionen. Insbesondere für kleine Sägewerke oder Holzverarbeiter sind beide Lösungen häufig zu teuer. Alternativ untersuchte solare Schnittholztrockner konnten sich aufgrund geringer Trocknungskapazitäten bei hohen spezifischen Investitionskosten und fehlender Regelung der Trocknungsbedingungen bisher in der Holzindustrie nicht etablieren (Sattar, 1993; Sattar, 1994; Little, 1984; Steinmann, 199). Daher wurde am Institut für Agrartechnik in den Tropen und Subtropen der Universität Hohenheim in Zusammenarbeit mit dem deutschen Unternehmen Thermo-System Industrie- & Trocknungstechnik GmbH eine neuartige, vollautomatisch geregelte und lediglich solarunterstützte Trocknungsanlage entwickelt (Bux et al., 1999; Bux et al., 2). Das in Brasilien bereits bei der Trocknung schnellwachsender Harthölzer erfolgreich eingesetzte Trocknungsverfahren (Bux et al., 23) wurde bei der vorliegenden Arbeit im Rahmen eines vom Ministerium für Ernährung und Ländlichen Raum (MLR) Baden- Württemberg finanzierten Forschungsprojektes bei der Trocknung einheimischer Holzarten unter gemäßigten Klimabedingungen in Süddeutschland (Stuttgart) untersucht. Dazu wurden vergleichende Versuche in einer solargestützten Trocknungsanlage und in einem konventionellen Warmlufttrockner durchgeführt. Verfahrensbedingt eignet sich die auf geringem Temperaturniveau verlaufende solargestützte Trocknung insbesondere für schwierig zu trocknende Laubhölzer und gemischte Bauholzsortimente mit großen Querschnitten, die ebenfalls untersucht wurden. In der vorliegenden Arbeit werden allerdings die Ergebnisse der Trocknungsversuche mit Fichtenschnittholz vorgestellt, was aus ökonomischer Sicht die schwierigsten Rahmenbedingungen für die solare Trocknung darstellt. Solargestützter Schnittholztrockner Für die Untersuchungen wurden auf dem Versuchsgelände des Instituts für Agrartechnik in den Tropen und Subtropen der Universität Hohenheim ein solargestützter Schnittholztrockner sowie eine Hackschnitzelfeuerung mit einer Nennleistung von 2 kw installiert. Der Standort befindet sich auf nördlicher Breite und 9 13 östlicher Länge auf einer Höhe von 47 m über NN. Der solargestützte Schnittholztrockner besteht aus einer Gewächshauskonstruktion aus Aluminiumrahmenbindern mit einer transparenten Eindeckung, Bild 1. Die Seitenwände sind 3,4 m hoch, das Satteldach besitzt eine Neigung von 22 Grad und eine Firsthöhe von 5,4 m. Die Anlage ist 1 m breit und 12 m lang, die Ladekapazität an Schnittholz beträgt bis zu 1 m³. Generell erlaubt das modulare Design des Trockners eine Verlängerung in Segmenten von 2 m und damit eine Kapazitätserhöhung auf bis zu 24 m³ Schnittholz. Ein Flügeltor an der

3 Vorderseite der Trocknungskammer kann zum Be- und Entladen geöffnet werden. Schwarz beschichtete und horizontal in der Höhe der Traufe installierte Aluminiumtrapezbleche dienen als Solarabsorber. Sie trennen gleichzeitig die Trocknungskammer vom Dachraum und ermöglichen so eine Kreislaufführung der Trocknungsluft. Solarenergie fällt insbesondere bei flachen Einfallswinkeln auch durch die transparenten Seitenwände und die Giebel direkt auf das Holz und wird dort absorbiert. Längsschnitt W ärm etauscher Absorber A xialventila toren Lüftungskla ppe Befeuchter Heissw asser S chnittholz Querschnitt A xialv entila toren W ärm etauscher Lüftungsklappe Absorber Biom asseheiz ung Schnittholz F olie nabdic htung Bild 1: Längs- und Querschnitt eines solargestützten Schnittholztrockners (Bux et al., 2). Als transparente Eindeckung des Solartrockners dient eine wärmedämmende und hoch UVstabilisierte Polyethylen-Luftpolsterfolie, Bild 2. Die Transmission für direkte Solarstrahlung beträgt 83 % bei senkrechtem Lichteinfall und 68 % für diffuse Strahlung (Reisinger et al., 1988; Reisinger und Mühlbauer, 199). Die hohe mechanische Widerstandsfähigkeit der Folie in Verbindung mit dem Befestigungssystem erhöht die Lebensdauer der Eindeckung auf üblicherweise 1 bis 15 Jahre. Die Giebelseiten und die Flügeltore des Trockners sind mit Polykarbonat Stegdoppelplatten eingedeckt. Der Wärmeübergangskoeffizient U von Luftpolsterfolie und Polykarbonat- Stegdoppelplatten beträgt jeweils 3,3 W/m² K. Dies ist im Vergleich zu Glas oder einfacher Kunststofffolie, die einen U -Wert zwischen 6 und 1 W/m² K besitzen, ein relativ günstiger Wert. Dadurch werden die Wärmeverluste über die Bauhülle reduziert und das Problem der Wasserdampfkondensation an der Innenseite der Bauhülle vermindert.

4 Befestigungsprofil Selbstschneidende Schrauben Luftpolsterfolie Folienkeder Aluminium-Profil Bild 2: Querschnitt der Luftpolsterfolie mit Befestigungsprofil und Rahmenbindern. Während der Nacht und bei schlechtem Wetter wird der Trockner zusätzlich mittels einer Biomasseheizung beheizt. Der mit Holzhackschnitzeln betriebene Heizkessel ist neben der Anlage installiert und erzeugt Warmwasser mit einer Vorlauftemperatur zwischen 7 und 9 C. Ein Rippenrohr-Wärmetauscher zur Lufterhitzung mit einer Nennleistung von 2 kw ist in der Trocknungskammer in der Höhe der Traufe eingebaut. Zur Regelung der relativen Feuchte der Trocknungsluft ist ein Luftbefeuchter horizontal unter dem Wärmetauscher installiert. Er besteht aus zwei Edelstahlrohren mit je acht gleichmäßig verteilten Sprühdüsen. Fünf drehzahlgesteuerte Axialventilatoren erzeugen mit einer Förderleistung von insgesamt bis zu 12. m³ Luft pro Stunde den für die Trocknung notwendigen Luftstrom. Der maximale Energiebedarf der Ventilatoren beträgt zusammen 4,5 kw. Eine per Stellmotor angetriebene Lüftungsklappe regelt den Luftaustausch zwischen dem Trockner und der Umgebungsluft. Während der Trocknungsversuche wurden die Temperatur und die relative Feuchte der Trocknungs- und der Umgebungsluft, die Temperatur des Holzes, die Holzfeuchte, die globale und diffuse Solarstrahlung, der elektrische und thermische Energiebedarf und die Strömungsgeschwindigkeit der Trocknungsluft innerhalb der Trocknungskammer kontinuierlich gemessen und gespeichert. Ferner wurde die Holzqualität, insbesondere Rissbildung, Verformungen, Verfärbungen, Verschalung und Gutfeuchte bzw. Feuchteverteilung in vorab definierten Zeitabständen bestimmt und registriert. TrocknungsREGIME Aufgrund der eingeschränkten Wärmedämmung der transparenten Eindeckung hat es sich als sinnvoll erwiesen, die Trocknungstemperatur und die relative Feuchte der Trocknungsluft in einem gewissen Maße an die vorherrschenden Umgebungsbedingungen anzupassen. So wird beispielsweise die Soll-Temperatur der Trocknungsluft zwar über einen holzfeuchteabhängigen Maximal- und Minimalwert begrenzt, der eigentliche Stellwert ergibt sich aber aus einer ebenfalls holzfeuchteabhängig eingestellten Temperaturdifferenz zur Umgebungsluft. Dadurch

5 werden die thermischen Energieverluste verringert und eine Wasserdampfkondensation an der Bauhülle weitgehend vermieden. Aufbauend auf verschiedenen Vorversuchen wurden zunächst Trocknungsregime für den solargestützten und den konventionellen Trockner erstellt. Im Fall des konventionellen Trockners wurde auf Erfahrungen der Betreiber der Anlage und auf Literaturangaben zurückgegriffen. Ziel war in jedem Falle die Beibehaltung einer hohen Holzqualität. Mit Hilfe dieser Trocknungsregime wurden anschließend 6 mm starke Fichtenbohlen (Picea abies) von einer durchschnittlichen Holzfeuchte von 6 % auf eine Endfeuchte von 16 % getrocknet, Bild 3. Rel. Feuchte ϕ, Holzfeuchte x Rel. Feuchte ϕ, Holzfeuchte x 1 % 8 ϑ % x gl ϕ x gl 1 Hochtemperaturtrockner C 8 ϕ x Solartrockner x ϑ max ϑ min 2 1 C d 1 Trocknungsdauer t Temperatur ϑ Temperature ϑ Bild 3: Trocknungsregime für die solargestützte und konventionelle Trocknung von 6 mm starken Fichtenbohlen. Die Temperaturdifferenz zwischen Trocknungs- und Umgebungsluft wurde in Abhängigkeit der Sollfeuchte und des zu erwartenden Taupunktes der Trocknungsluft linear ansteigend zu Beginn des Trocknungsprozesses auf 15 bis 3 K und zum Ende des Trocknungsversuches auf 3 bis 5 K festgelegt. Aufgrund der übergeordneten Maximal- und Minimalwertbegrenzung resultiert

6 dies je nach Umgebungstemperatur in einer möglichen Anfangstemperatur zwischen und 45 C und einer Endtemperatur zwischen 25 und 55 C. Die relative Feuchte der Trocknungsluft wurde auf 7 % zu Beginn und 35 % zum Ende des Trocknungsprozesses festgelegt. Diese Trocknungsbedingungen entsprechen einer Holzgleichgewichtsfeuchte von ungefähr 14 % zu Beginn und ca. 5 % zum Ende der Trocknung. Der konventionelle Trocknungsplan ist, abgesehen von den bei der Solartrocknung vorgesehenen Schwankungen, relativ ähnlich. Die relative Luftfeuchte ist dabei zu Beginn des Trocknungsprozesses etwa 5 % höher und zum Ende etwa 5 % geringer. Deutlich unterschiedlicher ist die mit 6 bis 7 C signifikant höhere Trocknungstemperatur. Während die Trocknungsdauer bei der Solartrocknung im Winter etwa 1 Tage, im Sommer etwa 6 Tage beträgt, werden für die Warmlufttrocknung das ganze Jahr über konstant 6 Tage benötigt. Im Jahresmittel wurde bei der Solartrocknung eine durchschnittliche Trocknungszeit von 8 Tagen festgestellt. Trocknungsverlauf Im Dezember konnten in der solargestützten Anlage etwa 1 Kubikmeter 6 mm starke Fichtenbretter innerhalb von 1 Tagen von einer durchschnittlichen Anfangsfeuchte von 52 % auf eine Endfeuchte von 16,3 % getrocknet werden, Bild 4. Bei einer Durchschnittstemperatur der Umgebungsluft von - 3 C und einer mittleren Trocknungstemperatur von 29 C ergab sich eine durchschnittliche Temperaturdifferenz zwischen Trockner und Umgebung von ca. 3 K. Die Trocknungsbedingungen entsprachen dabei einem Holzfeuchtegleichgewicht von 14 % zu Beginn und von 5,5 % am Ende der Trocknung. Das gleiche Ausgangsmaterial wurde im April von einem Anfangsfeuchtegehalt von 46 % in 8 Tagen auf eine Endfeuchte von 16,1 % getrocknet. Der Verlauf der relativen Feuchte und der Holzgleichgewichtsfeuchte der Trocknungsluft waren dabei vergleichbar zu der Trocknung im Winter. Die Temperaturdifferenz zur Umgebungsluft war mit durchschnittlich 25 K bzw. 15 K zu Beginn und 35 K zum Ende des Trocknungsversuches jedoch geringer. Trotz der geringeren Temperaturdifferenz zur Umgebung lag die durchschnittliche Trocknungstemperatur mit 35 C um etwa 6 K höher als bei der Trocknung im Winter. Dafür verantwortlich war die mit 9 C deutlich höhere Durchschnittstemperatur der Umgebungsluft. Dies verringerte die Trocknungsdauer um etwa 2 Tage auf insgesamt 8 Tage.

7 Bild 4: Rel. Feuchte ϕ, Holzfeuchte x Rel. Feuchte ϕ, Holzfeuchte x 1 % 8 ϕ % 8 ϕ ϑ i ϑ a Dezember ϑ i ϑ a 8 C 6 x -2 8 April C 6 x d 12 Trocknungsdauer t Solargestützte Trocknung 6 starker Fichtenbohlen Temperatur ϑ Temperatur ϑ Im konventionellen Warmlufttrockner wurden die Trocknungsbedingungen aufgrund der im Vergleich zum Solartrockner sehr guten Wärmedämmung unabhängig von den Umgebungsbedingungen geregelt. Die 6 mm starken Fichtenbohlen wurden entsprechend innerhalb von 6 Tagen von einer durchschnittlichen Holzfeuchte von ca. 6 % auf einen Endfeuchtegehalt von 15,1 % getrocknet, Bild 5. Dabei wurde die Temperatur der Trocknungsluft nach einer Vorwärmphase von 6 C auf 75 C erhöht. Die durchschnittliche Trocknungstemperatur lag bei etwa 65 C und war somit etwa doppelt so hoch wie im Solartrockner. Nach der Trocknung folgte eine Konditionierungsphase von etwa 2 Tagen um Trocknungsstress abzubauen und um die Feuchteverteilung innerhalb der Holzladung auszugleichen. Dabei wurde die Temperatur auf etwa 7 C und die relative Feuchte auf 75 % gehalten, was einer Holzgleichgewichtsfeuchte von 14 % entspricht. Nachfolgende Versuche verliefen weitgehend ähnlich, weshalb sie im Weiteren nicht näher dargestellt werden.

8 Bild 5: Holzqualität Holzfeuchte Rel. Feuchte ϕ, Holzfeuchte x 1 % d 6 Trocknungsdauer t Konventionelle Trocknung von 6 mm starken Fichtenbohlen. Die angestrebte Holzfeuchte von 16 % konnte sowohl bei der solaren als auch bei der konventionellen Trocknung zufriedenstellend erreicht werden. Die Mittlere Holzfeuchte betrug dabei im Fall der Solartrocknung 16,3 bzw. 16,1 %, bei der konventionellen Trocknung 15,1 %. Allerdings war die Streuung der Feuchte innerhalb der Chargen beim solargetrockneten Holz geringer als beim konventionell getrockneten Holz. Die Standardabweichung lag für das solar getrocknete Schnittholz bei 1,6 bzw. 2,9 %, während sie beim konventionell getrockneten Holz 3,8 % betrug. Dies ist sicherlich auf die kürzere Trocknungsdauer bei schärferen Trocknungsbedingungen zurückzuführen. Verschalung Verschalung entsteht im Verlauf des Trocknungsprozesses durch einen zu hohen Feuchtegradienten zwischen den oberflächennahen Schichten und der Mitte der Bretter. Dieser Feuchtegradient kann während des Trocknungsprozesses entweder durch eine langsame Trocknung oder durch eine Beschleunigung des Feuchtetransports im Holz begrenzt werden. Während bei der Solartrocknung eine relativ langsame Trocknung erfolgte, wurde bei der konventionellen Trocknung der Feuchtetransport mittels höherer Temperaturen beschleunigt. Daher wurde bei beiden Verfahren ausschließlich leichte bis mittlere Verschalung gemessen. Risse und Verformungen Trocknungsbedingte Risse und Verformungen des Holzes waren generell bei allen Trocknungsversuchen so gut wie nicht zu beobachten. Sowohl beim solar als auch beim konventionell getrockneten Schnittholz erfüllten etwa 96 % der mehr als 12. untersuchten Bretter die gesteckten Qualitätsanforderungen. ϑ ϕ x 1 C Temperatur ϑ

9 Verfärbungen Eine temperaturbedingte Verfärbung von Fichtenholz ist generell nur bei Temperaturen oberhalb von 75 C zu erwarten. Diese Temperaturen wurden bei beiden Verfahren nicht erreicht. Allerdings kann bei Fichtenholz ein Befall mit Bläuepilzen zu qualitätsmindernden Verfärbungen führen. Eine visuelle Analyse der gesamten Holzladung zeigte jedoch bei beiden Verfahren keinen Befall. Energetische Bewertung Der elektrische und thermische Energiebedarf bei der Schnittholztrocknung wird von der Holzart, der Brettstärke, der Anfangs- und Endfeuchte sowie der Art des Trocknungsverfahrens beeinflusst. Thermische Energie wird in erster Linie zum Beheizen von Holz und Trocknungsluft, zur Wasserverdunstung und zum Ausgleich von Wärmeverlusten benötigt. Elektrische Energie wird primär zur Erzeugung einer Luftströmung im Trockner eingesetzt. Thermischer Energiebedarf bei der solargestützten Trocknung Der spezifische thermische Energiebedarf zur solargestützten Trocknung von 1 m³ Fichtenschnittholz betrug etwa 1.14 MJ im Dezember und etwa 74 MJ im April, Bild 6. Der Anteil der Solarenergie am gesamten thermischen Energiebedarf betrug dabei etwa 25 MJ/m 3 bzw. 2,2 % im Dezember und 71 MJ/m³ bzw. 1 % im April. Dieser Anteil dürfte sich in den Sommermonaten bei dem gegebenen Trocknungsregime auf bis zu maximal 5 % erhöhen. Im Jahresmittel werden etwa 2 bis 3 % erreicht. Trocknungsregime mit einer höheren solaren Deckungsrate sind möglich, verlängern allerdings die Trocknungsdauer. Der im Vergleich zum Frühjahrsversuch um 38 MJ/m 3 bzw. 51 % erhöhte spezifische thermische Energiebedarf im Winter ist in erster Linie auf niedrigere Umgebungstemperaturen und eine höhere Temperaturdifferenz zwischen Trockner und Umgebung zurückzuführen. Das heißt, dass die Wärmeverluste im Winter durch den Luftaustausch sowie die Konvektions- und Strahlungsverluste durch die Bauhülle des Trockners signifikant höher lagen. Die um etwa 6 % höhere Ausgangsfeuchte des Holzes im Dezemberversuch besitzt demgegenüber nur untergeordnete Bedeutung. Erwartungsgemäß hängt der thermische Energiebedarf im Solartrockner signifikant von den Klimabedingungen ab.

10 Bild 6: Energieeintrag 12 MJ/ m Heizung Ausschleusungsverluste Oberflächenverluste Solarenergie Dezember April Sonstige Verdunstung MJ/ m 3-8 Thermischer Energieeintrag und Energiebedarf während der solaren Trocknung von 6 mm starken Fichtenbohlen im Dezember und April. Energiebedarf Energetischer Vergleich zwischen solargestützter und konventioneller Trocknung Der thermische und elektrische Energiebedarf zur solargestützten Trocknung von Fichtenschnittholz war während aller Trocknungsversuchen signifikant geringer als bei der Warmlufttrocknung, Bild kwh/ m Elektrische Energie Solar - Dezember Solar - April Konventionell 2,5 GJ/ m 3 2, 1,5 1,,5 Thermische Energie, elektrische Energie thermische Energie Bild 7: Thermischer und elektrischer Energiebedarf bei der solargestützten und konventionellen Trocknung von 6 mm starken Fichtenbohlen. Der gesamte thermische Energiebedarf lag zwischen,7 und 1,1 GJ/m 3 bei der Solartrocknung, während er bei der Warmlufttrocknung bei 1,8 GJ/m 3 lag. Der geringere thermische Energiebedarf ist dabei in erster Linie auf die niedrigeren Trocknungstemperaturen und die abweichende Klimaführung zurückzuführen. Der elektrische Energiebedarf war bei der Solartrocknung mit durchschnittlichen 1 kwh/m 3 nur halb so hoch wie bei der konventionellen Trocknung mit mehr als 2 kwh/m 3. Die Energieeinsparung ist dabei primär auf die geringeren Strömungsgeschwindigkeiten der Trocknungsluft und die Verwendung von speziell für diesen

11 Einsatzfall angepassten, hocheffizienten Ventilatoren zurückzuführen. Insgesamt erhöhen sich die energetischen Vorteile der Solartrocknung mit steigenden Umgebungstemperaturen. Ökonomische Bewertung Um einen ökonomischen Vergleich zwischen dem solargestützten Trockner und konventionellen Warmlufttrocknern zu ermöglichen, wurde beispielhaft eine Anlage konzipiert, mit der jährlich 4. m 3 6 mm starke waldfrische Fichtenbohlen auf 16 % Endfeuchte getrocknet werden können. Investitionskosten Die jährliche Trocknungsleistung von 4. m 3 kann im Falle eines konventionellen Warmlufttrockners mit einem Trockner, der ein Fassungsvermögen von 8 m 3 Holz besitzt, erreicht werden, Tabelle 1. Tabelle 1: Investitionskosten für den Solartrockner und Hochtemperaturtrockner in Euro und die Holzkapazität in m³ (Friedrich, 22; Schade, 22). Solartrockner Hochtemperaturtrockner Ladekapazität 1 8 Verkaufspreis Heizung Bauarbeiten, Installation, Sicherheitszuschlag Gesamt Aufgrund der längeren durchschnittlichen Trocknungszeiten von 8 Tagen wird dafür ein Solartrockner mit einer Ladekapazität von 1 m³ Holz benötigt. Der Verkaufspreis des kleineren konventionellen Trockners ist mit 5. Euro um etwa 2 % höher als der des solargestützten Trockners mit 4. Euro. Bei einer Serienproduktion des Solartrockners sollte sich dessen Verkaufspreis jedoch noch weiter verringern lassen. Die Kosten für Transport, Wasser- und Stromanschluss, örtliche Erd- und Betonarbeiten, Installation und Inbetriebnahme sind für beide Trocknervarianten vergleichbar. Die Kosten für die Zusatzheizung sind im Fall des Solartrockners aufgrund der etwa um die Hälfte geringeren Heizleistung etwa 3 % bzw. 15. Euro geringer. Insgesamt sind die Investitionskosten für den konventionellen Hochtemperaturtrockner mit 17. Euro etwa 15 % höher als für den Solartrockner.

12 Trocknungskosten Die spezifischen Trocknungskosten für 1 m³ Fichtenschnittholz wurden in fixe und variable Kosten unterteilt. Die fixen Trocknungskosten ergeben sich in erster Linie aus der Abschreibung des Trockners (15 Jahre), den Kosten für Reparatur und Wartung (5 % des Verkaufspreises pro Jahr) und den Zinskosten für das Schnittholz, den Trockner und die Heizanlage (6, % p.a.). Die variablen Kosten entstehen durch den elektrischen Energiebedarf (,12 Euro/kWh), den thermischen Energiebedarf aus Biomasse (,1 Euro/kWh) und den Arbeitskosten (2,- Euro/h). Die Kosten für Wasser wurden bei beiden Trocknern vernachlässigt. Die spezifischen Trocknungskosten für 6 mm starkes Fichtenschnittholz waren mit 14,4 Euro/m³ für die Solartrocknung im Dezember um etwa 4, Euro geringer als für die Warmlufttrocknung mit 18,3 Euro/m³, Tabelle 2. Der Kostenvorteil der solargestützten Trocknung vergrößerte sich im April, wobei die Trocknungskosten mit 1,9 Euro/m³ um etwa 4 % unter denen des konventionellen Trockners lagen. Die Kostenreduzierung bei der solargestützten Trocknung war maßgeblich auf den geringen thermischen und elektrischen Energiebedarf zurückzuführen. Eine Verringerung der Trocknungsdauer und des Energiebedarfs durch höhere Umgebungstemperaturen führte unmittelbar zu einer Verringerung der Trocknungskosten. Mit zunehmender Brettstärke oder Härte des Holzes vergrößern sich daher die ökonomischen Vorteile der Solartrocknung im Vergleich zur konventionellen Trocknung, da die Trocknungszeiten zunehmen und die variablen Trocknungskosten immer bedeutsamer werden. Tabelle 2: Trocknungskosten in Euro/m 3 und Trocknungsdauer in Tagen für 6 mm starkes Fichtenschnittholz bei solargestützter und konventioneller Warmlufttrocknung. Solartrockner Warmlufttrockner Dezember April Trocknungsdauer Fixe Kosten 6,6 5,2 5,7 Variable Kosten 7,8 5,7 12,6 Gesamtkosten 14,4 1,9 18,3 Sensitivitätsanalyse Der elektrische und thermische Energiebedarf hat einen maßgebenden Einfluss auf die Trocknungskosten. Da die Energiepreise in Abhängigkeit von Zeit und Ort stark variieren können, wurde deren Einfluss auf die spezifischen Trocknungskosten untersucht. Eine Veränderung des Strompreises hat einen höheren Einfluss auf die Trocknungskosten bei der Warmlufttrocknung als bei der Solartrocknung. Ein Anstieg der Stromkosten von 12 Cent pro

13 kwh auf 16 Cent/kWh würde zu einem Anstieg der Trocknungskosten bei der Solartrocknung um etwa,5 Euro pro m³ im Dezember und etwa,4 Euro im April führen. Bei der konventionellen Warmlufttrocknung würden sich die Kosten um etwa 1,1 Euro erhöhen, Bild 8. 2 Euro/ m 3 Spez. Trocknungskosten 15 1 Konventionell Solar - Dezember Solar - April Cent/ 16 Stromkosten kwh Bild 8: Spezifische Trocknungskosten für 6 mm starkes Fichtenschnittholz in Abhängigkeit von den Stromkosten und der Jahreszeit. Die thermischen Energiekosten werden sowohl von der Art des Brennstoffes als auch von der Art des Heizsystems beeinflusst. Thermische Energie aus Abfallholz, wie sie für bei der vorangegangenen Kostenberechnung unterstellt wurde, ist mit etwa 1 Cent pro kwh relativ kostengünstig. Jedoch können die Kosten für thermische Energie bei einem Zukauf von Hackschnitzeln auf 2 bis 3 Cent pro kwh ansteigen (Müller, 22). Heizen mit Öl, Gas oder Strom erhöht die Energiekosten noch weiter. Ein Anstieg des Preises für thermische Energie von 1 auf 2,8 Cent pro kwh würde die Trocknungskosten für 6 mm starke Fichtenbretter bei der Solartrocknung im Dezember um 5,4 Euro auf insgesamt 19,8 Euro/m³ erhöhen. Im Falle der konventionellen Warmlufttrocknung würden die Kosten sogar um 11,3 Euro auf 29,6 Euro/m³ ansteigen, Bild 9. Das bedeutet, dass sich der Kostenunterschied zwischen den beiden Trocknungssystemen von 3,9 Euro/m³ auf 9,8 Euro/m³ erhöhen würde. Dies zeigt, dass die Kostenvorteile der solargestützten Schnittholztrocknung mit zunehmenden Energiekosten zunehmen.

14 Bild 9: 36 Euro/ m³ 3 Spez. Trocknungskosten Konventionell Solar - Dezember Solar - April Cent/ kwh 3 Wärmekosten Spezifische Trocknungskosten für 6 mm starkes Fichtenschnittholz in Abhängigkeit von den Wärmekosten und der Jahreszeit. Zusammenfassung und Bewertung Fichtenschnittholz wird gegenwärtig entweder im Freiland oder in konventionellen Warmlufttrocknungsanlagen getrocknet. Dabei müssen entweder eine geringe Holzqualität, ein häufig zu hoher Holzfeuchtegehalt am Ende der Trocknung oder verhältnismäßig hohe Trocknungskosten in Kauf genommen werden. Um die für eine technische Trocknung erforderlichen hohen Investitionen sowie den elektrischen und thermischen Energiebedarf zu reduzieren, wurde deshalb am Institut für Agrartechnik in den Tropen und Subtropen der Universität Hohenheim in Zusammenarbeit mit der Firma Thermo-System Industrie- & Trocknungstechnik GmbH eine solargestützte Trocknungsanlage entwickelt und in Brasilien erprobt. Zur Untersuchung der Trocknung einheimischer Hölzer unter gemäßigten Klimabedingungen wurde eine derartige Anlage mit einem Fassungsvermögen von 1 m³ Schnittholz in Stuttgart aufgebaut. Ferner wurde ein an die relativ geringe Wärmedämmung der transparenten Bauhülle des Solartrockners angepasstes Trocknungsregime konzipiert. Anschließend wurden waldfrische, 6 mm starke Fichtenbohlen mit einer mittleren Anfangsfeuchte von 5 bis 6 % sowohl im solargestützten Trockner als auch in einer Warmlufttrocknungsanlage auf eine Holzfeuchte von 16 % getrocknet. Die Trocknungsdauer im Solartrockner war mit 1 Tagen im Dezember und 8 Tagen im April aufgrund der geringeren Trocknungstemperaturen deutlich höher als bei der konventionellen Trocknung mit 6 Tagen. Hinsichtlich der wichtigsten Qualitätsparameter wie durchschnittliche Holzfeuchte, Holzfeuchtestreuung, Verschalung, Verformungen, Risse und Verfärbungen zeigten sich keine signifikanten Unterschiede zwischen den beiden Trocknungsverfahren. Der elektrische Energiebedarf war mit durchschnittlich 11 kwh Strom pro m³ getrocknetes Holz in der Solaranlage und 2 kwh/m³ im Warmlufttrockner signifikant unterschiedlich. Selbiges gilt

15 für den thermischen Energiebedarf der im Solartrockner nur durchschnittlich,94 GJ/m³ betrug, im Warmlufttrockner jedoch 1,8 GJ/m³. Auch bezüglich der Kosten ergaben sich bei gleicher Jahrestrocknungskapazität mit durchschnittlichen spezifischen Kosten von 12,7 /m³ für die solarunterstützte Trocknung und 18,3 /m³ für die Warmlufttrocknung Vorteile für die solarunterstützte Trocknung. Steigende Energiepreise erhöhen dabei den Vorteil der solarunterstützten Trocknung. Sowohl in Bezug auf die Trocknungsdauer, den thermischen und elektrischen Energiebedarf und die Trocknungskosten dürfte die Solaranlage in den Sommermonaten noch deutlich besser abschneiden. Die Forschungsergebnisse haben gezeigt, dass der solargestützte Schnittholztrockner geeignet ist, Fichtenschnittholz sogar bei geringen Umgebungstemperaturen im Winter kostengünstiger zu trocknen als konventionelle Warmlufttrocknungsanlagen. Generell wird der Vorteil bei steigenden Umgebungstemperaturen und dickeren oder empfindlicheren Hölzern, die eine schonende Trocknung erfordern, größer. Trotz der bei den eingesetzten Trocknungsregimen beschränkten solaren Deckungsrate von ca. 2,5 % im Winter und bis zu maximal 5 % im Sommer, stellt das untersuchte solarunterstützte Trocknungsverfahren auch unter gemäßigten Klimabedingungen eine interessante Alternative zu konventionellen Warmlufttrocknungsanlagen. Danksagung Die Autoren danken dem Ministerium für Ernährung und Ländlichen Raum (MLR) Baden- Württemberg für die finanzielle Unterstützung der Arbeiten. Literatur BRUNNER, R.: Die Schnittholztrocknung. Brunner-Hildebrand, Hannover, BRUNNER, R.: Wann müssen Sie sich heute für Vakuumtrocknen entscheiden? Fachinformation zum Thema Schnittholztrocknung im Vakuum, Hildebrand Holztechnik GmbH, Oberboihingen, 1999, S BUX, M., K. BAUER, T. CONRAD und W. MÜHLBAUER: Industrielle Trocknung von Schnittholz mit Solarenergie. Holz Zentralblatt 148 (1999), S. 21. BUX, M., K. BAUER, W. MÜHLBAUER und T. CONRAD: Solar-assisted drying of timber at industrial scale. Southern African Forestry Journal 192 (21), S BUX, M., W. MÜHLBAUER, K. BAUER und B. KÖHLER: Solar-assisted drying of timber in industrial scale. International Conference "Rational use of Renewable Energy Sources in Agriculture", Budapest (Ungarn), 2. FRIEDRICH, C.: Angebot für Biomasseheizung. ZIMAtech GmbH & Co. KG, Sasbach, , S. 1-8.

16 KRÖLL, K. und W. KAST: Trocknungstechnik 3. Band: Trocknen und Trockner in der Produktion. Springer Verlag, Heidelberg, LINCKH, G.: Thermodynamische Optimierung von Luftkollektoren für solare Trocknungsanlagen. Dissertation, Institut für Agrartechnik in den Tropen und Subtropen, Universität Hohenheim, Max-Eyth-Gesellschaft im VDI (VDI-MEG), Stuttgart, LITTLE, R.L.: Industrial use of solar heat in lumber drying: a long-term performance report. Forests Products Journal 34 (1984) Nr. 9, S MÜLLER, F.: Preise für Holzhackschnitzel. Servicegesellschaft des Maschinenrings Rems-Murr mbh, Leutenbach-Nellmersbach, , S REISINGER, G. und W. MÜHLBAUER: Air bubble foil with weather-strip fastening system - an energy saving greenhouse cover. Acta Horticulturae (199) Nr. 281, S REISINGER, G., W. MÜHLBAUER und V. WITTWER: Noppenfolie im Langzeittest. Bisherige Erfahrungen im praktischen Einsatz. Deutscher Gartenbau 42 (1988) Nr. 33, S SATTAR, M.A.: Solar drying of timber - a review. Holz als Roh- und Werkstoff 51 (1993), S SATTAR, M.A.: Economics of drying timber in a greenhouse type solar kiln. Holz als Roh- und Werkstoff 54 (1994), S SCHADE, Y.: Angebot für konventionellen Schnittholztrockner. Mahild Drying Technologies, Nürtingen, , S STEINMANN, D.E. und H.F. VERMAAS: Control of equilibrium moisture content in a solar kiln. Holz als Roh- und Werkstoff 48 (199) Nr. 4, S