Thomas-Mann-Schule Europaschule. Biomassemitverbrennung in Kohle befeuerten Dampfkraftwerken. ein Beitrag zur Energiewende

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1 Thomas-Mann-Schule Europaschule Biomassemitverbrennung in Kohle befeuerten Dampfkraftwerken ein Beitrag zur Energiewende Am besuchte die Diplom-Ingenieurin Birte Everts von der Technischen Universität Hamburg-Harburg (TUHH) die Thomas-Mann-Schule. Den Kontakt zu Frau Everts hatte die Forschungsbörse vermittelt, eine Initiative des Bundesministeriums für Bildung und Forschung und Wissenschaft im Dialog, die sich zum Ziel gesetzt hat, Wissenschaft und Schule in Kontakt zu bringen. Im Rahmen des fächerübergreifenden Projekts Klimaveränderungen Herausforderungen für Politik und Gesellschaft in Vergangenheit und Gegenwart der Fächer Geschichte, Erdkunde und Wipo in der Klasse Ea referierte Frau Everts über ihre Forschungen zu dem Thema Biomassenutzung im Rahmen einer verlässlichen und nachhaltigen Energieversorgung. Zu Beginn führte sie in das Thema ein, indem sie zunächst über die aktuellestromerzeugung in Deutschland informierte. Welche Energieträger für die Stromerzeugung genutzt werden, hängt Frau Everts zufolge von folgenden drei Faktoren ab: Wirtschaftlichkeit Umweltschutz Versorgungssicherheit

2 Unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten ist der Betrieb schon bestehender Kraftwerke, die mit Kohle befeuert werden, zwar oft noch rentabel. Unter Umweltschutzgesichtspunkten wird aber eine Reduzierung der Energiegewinnung aus fossilen Brennstoffen angestrebt, da die CO2-Emissionen für den Treibhauseffekt verantwortlich gemacht werden. Deshalb versucht die Politik mit dem Erneuerbare-Energien-Gesetz ( EEG) die Stromerzeugung z.b. mit Windrädern oder Solaranlagen zu fördern. Allerdings schwankt die damit erzeugte Strommenge witterungsbedingt stark, sodass die Versorgungssicherheit allein über diese regenerativen Energien nicht gewährleistet werden kann. Das unten abgebildete Diagramm zeigt die Anteile, die unterschiedliche Energieträger an der Stromerzeugung haben und dass die Versorgung Deutschlands auf einem Strommix beruht. Anteil der Nettostromerzeugung 2011 in Deutschland Der Vergleich zwischen den Jahren 1990 und 2012 zeigt, dass der Energieträger Kohle (Braunkohle, Steinkohle) bei der Stromversorgung noch eine wichtige Rolle spielt. Durch die Energiewende, die ein Abschalten der Kernkraftwerke bis zum Jahr 2022 vorsieht, muss der Anteil dieses fossilen Brennstoffs an der Stromerzeugung den Rückgang der Kernenergie mittelfristig kompensieren, bis die Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien ausgebaut worden ist.

3 Das Diagramm veranschaulicht, dass die Bruttostromerzeugung im Vergleich von 1990 zu 2012 von 550TWh auf 617TWh gestiegen ist. Dabei hat sich der Anteil einzelner Energieträger stark verändert: Mit Kernenergie wurden nur noch 99 Terrawattstunden (TWh) statt 153 TWh erzeugt. Dagegen wurden aus erneuerbaren Energieträgern statt 20 TWh 1990 im Jahr 2012 bereits 135 TWh erzeugt. Und der Anteil an Erdgas von 36 TWh auf 70 TWh gesteigert. Der Braunkohle-Anteil sank im Vergleich von 1990 zu 2012, doch wurde im Jahr 2013 wieder ein Anstieg registriert, ebenso für Steinkohle. Langfristig hat sich die Politik das Ziel gesetzt, bis 2050 den Anteil der erneuerbaren Energien in Deutschland auf 80 % zu erhöhen. Damit würden die Vorgaben der Europäischen Union noch übertroffen. Die EU strebt an, bis 2020 die gesamten Treibhausgasemissionen um 20% zu reduzieren. Des Weiteren soll die Effizienz des Energieverbrauchs um 20% und der Anteil der erneuerbaren Energien an der Stromversorgung auf 20% erhöht werden ( Ziele). Bis 2030 soll der CO 2 -Ausstoß um 40% verringert werden. Warum man auf Großkraftwerke (noch) nicht verzichten kann Ein Grund, weshalb man bislang auf Großkraftwerke angewiesen ist, ist, dass sie einen großen Teil des Strombedarfs abdecken. Somit könnte man nicht auf sie verzichten, weil erneuerbare Energien alleine weniger Strom produzieren würden als gebraucht wird. Hinzu kommen die hohen Kosten des Ausbaus von erneuerbaren Energien, welcher flächendeckend momentan noch nicht bezahlbar wäre. Ein weiterer Aspekt, weshalb man

4 (noch) nicht auf Großkraftwerke verzichten kann, ist die Unzuverlässigkeit bezüglich der Windstärke und der Sonneneinstrahlung, welche erneuerbare Energien mit sich bringen. Da man Strom nicht zwischenspeichern kann und sich die Produktion nach dem Verbrauch richten muss, sind Großkraftwerke wie Kohle- und Kernkraftwerke klar im Vorteil, da sie regelbar sind. Sollte mehr Strom produziert werden als benötigt, muss der Strom exportiert werden, was mit hohen Kosten, welche die Exporteure tragen müssen, verbunden sein kann. Für solche Fälle ist die Strombörse zuständig. Es gibt ein Stromnetz, welches ganz Europa abdeckt und mit der Strombörse in Verbindung steht. D.h. wenn in einem Land Strommangel herrscht, wird Strom aus einem Land mit Stromüberschuss importiert. Diese Kosten trägt dann der Importeur. Damit möglichst selten der Fall eintritt, dass Strommangel oder überschuss herrscht, gibt es spezielle Abteilungen in Kraftwerken, welche Berechnungen anstellen, wann und wie viel Strom verbraucht wird. Beispiel: In der Halbzeit eines Champions League Finales geht ein Großteil der Zuschauer zur Toilette, d.h. mehr Strom- und Wasserverbrauch muss einkalkuliert werden. Das ist die Aufgabe dieses Sektors. Dadurch, dass solche Stromverbrauchkalkulationssektoren existieren, vermeidet man, dass es in Deutschland zu sogenannten Blackouts (totaler Stromausfall in den betroffenen Regionen) kommt, welche durch zu starkes Abweichen der Netzfrequenz verursacht werden. Solche Blackouts sind in anderen europäischen Ländern durchaus schon einmal vorgekommen, in Deutschland bislang aber immer vermieden worden. Die durchschnittliche Netzfrequenz in Deutschland beträgt 50 Hz, deren Veränderung abhängig von Stromproduktion und verbrauch ist. Wenn mehr Strom produziert als verbraucht wird, steigt die Frequenz. Sollte mehr Strom verbraucht als produziert werden, sinkt die Frequenz. Da die Schwungmassen der Turbinen und Generatoren der Kraftwerke, welche mehr als 1000t betragen, stabilisierend auf die Schwingung der Netzfrequenz wirken, sind sie vorerst unverzichtbar. Biomassemitverbrennung in kohlebefeuerten Dampfkraftwerken Die Mitverbrennung von Biomasse in kohlebefeuerten Dampfkraftwerken bietet die Möglichkeit, Biomasse bei deutlich höheren elektrischen Wirkungsgraden zu verstromen und eröffnet darüber hinaus wirtschaftliche Vorteile, da bereits bestehende Infrastruktur und Technologie zum Einsatz kommen können. Neben der direkten Mitverbrennung besteht die Möglichkeit der indirekten Mitverbrennung, welche eine Anpassung der Brennstoffeigenschaften an die bestehende Anlagentechnik durch geeignete Vorbehandlungsmethoden einschließt. Auswahl Biomassen Ergebnis Biomasse ist in pflanzlicher Form gespeicherte Sonnenenergie. Wir kennen sie als Energieträger in Form von Holz, Stroh, Gräsern, Getreidepflanzen und zucker- oder ölhaltigen Pflanzen. Aber auch die Wirtschaftsdünger Gülle und Stallmist sind im Sinne der Definition Biomassen, ebenso wie Bioabfälle, Klärschlämme und Deponiegase.

5 Bei der Verbrennung von Biomasse wird im Wesentlichen nur die Menge des Treibhausgases Kohlendioxid freigesetzt, die die Pflanzen zuvor im Wachstum gebunden haben. Im darauffolgenden Wachstumszyklus bauen neue Pflanzen dieses CO 2 wieder in ihre Biomasse ein. Insofern ist die CO 2 -Bilanz bei der Verbrennung von Pflanzen oder den aus ihnen gewonnenen Energieträgern weitgehend ausgeglichen. Hinzu gerechnet werden muss aber der Energieaufwand für Anbau, Ernte, Umwandlung und Transport der Pflanzen und Energieträger. Die Diplom-Ingenieurin Birte Everts erforscht für ihre Doktorarbeit, welche Arten von Biomasse sich für die Mitbefeuerung in Kohlekraftwerken eignen. Dabei wurden folgende Biomassen ausgeschlossen: Biomassen und Vorbehandlungsmethoden Die fünf geeignetsten Biomassen werden durch Verfahren, wie z.b. die hydrothermale Karbonisierung oder durch Trocknung, dem Kraftwerk nutzbar gemacht.

6 Frau Everts konzentriert sich in ihrer Promotion auf die hydrothermale Karbonisierung von Biertreber, der in großen Mengen anfällt und zentral verfügbar ist. Bei der hydrothermalen Karbonisierung handelt es sich um eine Technologie, die bei erhohtem Druck und hohen Temperaturen aus organischen Materialien durch Zugabe von Wasser ein braunkohlenartiges Material erzeugt. Die hydrothermale Karbonisierung vollzieht damit den naturlichen, sonst Millionen von Jahren in Anspruch nehmenden Vorgang der Inkohlung, auf technischem Wege nach. Bei einer Temperatur um 200 C und einem Druck zwischen 20 und 35 bar wird unter Luftabschluss und Zugabe von Wasser Biomasse innerhalb weniger Stunden dehydriert. Das Reaktionsprodukt ist ein Kohleschlamm, der sich aufgrund seiner feinen Partikelstruktur mechanisch auf bis zu 80% Trockensubstanzgehalt entwässern lässt. Die entstandene Biokohle kann nach einer abschließenden Trocknung in Form von Pellets als Brennstoff zur Verfügung gestellt werden. Sie ersetzt dabei fossile Kohle in Kraftwerken. Die Schülerinnen und Schüler der Klassen Ea und 12b zeigten sich beeindruckt davon, wie Frau Everts komplexe technische Zusammenhänge allgemein verständlich und mit vielen anschaulichen Beispielen versehen präsentierte. Die Referentin ging flexibel auf die vielen interessierten weiterführenden Fragen der Lernenden ein. Ganz herzlich möchten wir uns bei ihr und der Forschungsbörse für die Chance bedanken, einen Einblick in aktuelle Forschung zu gewinnen, deren Ergebnis unmittelbar auf das zentrale politische Vorhaben, die Ausgestaltung der Energiewende, Einfluss haben wird. Wir danken Dipl. Ing. Birte Everts für die Überlassung der hier verwendeten Diagramme, Tabellen und Fotos. Die Klasse Ea / Gesellschaftswissenschaftliches Profil Fotos Mechthild Piechotta