Kesseltechnologien für Stroh und Getreide

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1 Kesseltechnologien für Stroh und Getreide , Kiel Thüringer Landesanstalt für Landwirtschaft Anteile Erneuerbarer Energien an der Energiebereitstellung in Deutschland (Stand Juni 2009) Anteile erneuerbarer Energien an der Energiebereitstellung in Deutschland mind.30 1) Ziele der Bundesregierung ) [%] 15 15,1 14 1) 12 4) 10 9,5 5 4,8 3,1 3,5 7,4 5,9 2,1 7,0 3) 0 Anteile EE am gesamten Endenergieverbrauch (Strom, Wärme, Kraftstoffe) 1) Anteile EE am gesamten Bruttostromverbrauch Anteile EE an der gesamten Wärmebereitstellung 0,2 Anteile EE am gesamten Kraftstoffverbrauch Quellen: Erneuerbare-Energien-Gesetz, (EEG 2009) vom und Erneuerbare-Energien-Wärmegesetz (EEWärmeG) vom ; 2) Quelle: Neue EU-Richtlinie zur Förderung der Nutzung von Energie aus erneuerbaren Quellen 3) Anteil Primärenergieverbrauch berechnet nach (der offiziellen) Wirkungsgradmethode; nach Substitutionsmethode: 9,2 %; Anteile EE am gesamten Primärenergieverbrauch 4) Ziel: 12 % energetisch; Quelle: Nationaler Biomasseaktionsplan für Deutschland EE: Erneuerbare Energien; Quelle: BMU Publikation "Erneuerbare Energien in Zahlen nationale und internationale Entwicklung", KI III 1; Stand: Juni 2009; Angaben vorläufig 1

2 Energieeffizienzen der verschiedenen Nutzungspfade Energieeffizienz in % Wärme KWK Kraftstoff Strom (Quelle: Biomasseaktionsplan der Bundesregierung) A Brennstoffeigenschaften Physikalisch-mechanische Brennstoffeigenschaften z.b. Schütt/Pressdichte Transport, Lagerdichte Wassergehalt Lagerung, Heizwert, Ausbrand Aschegehalt Auslegung Austragsystem, Staubemission Störstoffe (Beikrautanteil) Ausbrand Halmgutlänge (Stroh lang/kurz, Ganzpflanze) Chemisch-stoffliche Brennstoffeigenschaften z.b. Stickstoff NO x -Emissionen Schwefel SO x -Emissionen, Korrosion Chlor HCl-,PCDD/F-Emissionen, Korrosion K, Na, Ca, (Mg) Ascheschmelzverhalten, Korrosion Cd Ascheverwertung 2

3 Relevante Eigenschaften von Halmgutbrennstoffen Brennstoffeigenschaften Vergleich der Press- und Schüttdichten (bei 85 % TS-Gehalt) Form Art / Sorte Dichte kg/m³ Häcksel Stroh Rundballen Stroh Quaderballen Gräser Quaderballen Stroh Quaderballen Getreideganzpflanzen Hobelspäne Holz Hackgut Fichte Sägemehl Holz Hackgut Buche Pellets Holz u. Stroh Getreidekörner Hafer Getreidekörner Gerste Getreidekörner Weizen/Roggen

4 Ablage der Ballen in Reihen Logistik von Halmgutbrennstoffen Einsatz von Heston-Ballenpresse und Ballensammelwagen Ballentransport mit Plattenwagen Lagerung im Freien Logistik von Halmgutbrennstoffen Balleneinlagerung mit Teleskoplader neue Lagerhalle herkömmliche Lagerhalle 4

5 Logistik von Halmgutbrennstoffen Brennstoffeigenschaften - Vergleich Rohaschegehalte 16,0 Rohaschegehalt [% d. TM] 14,0 12,0 10,0 8,0 6,0 4,0 2,0 Körner Stroh Ganzpflanze Holz 0,0 n = 25 n = 23 n = 25 n = 15 n = 5 n = 14 n = 52 n = 55 n = 51 n = 46 n = 47 n = 42 n = 288 n = 12 n = 51 Roggen Weizen Gerste Triticale Hafer Raps Roggen (Avanti) Hafer Raps Weizen Gerste (Flämlingslord) (Express) (Batis) (Theresa) Triticale - Pappel Laubholz Nadelholz GP M AX 2,0 1,9 3,0 2,1 4,9 4,8 8,4 12,8 9,3 10,9 12,0 7,6 4,5 1,2 2,2 M IN 1,5 1,3 1,9 1,6 3,0 4,1 2,6 3,2 3,0 4,8 4,0 3,4 0,6 0,3 0,2 M W 1,7 1,6 2,5 2,1 3,5 4,4 5,5 6,3 6,5 8,0 8,0 5,0 2,0 0,6 0,8 5

6 Brennstoffeigenschaften - Vergleich Stickstoff 4,50 Stickstoffgehalt [% d. TM] 4,00 3,50 3,00 2,50 2,00 1,50 1,00 Körner Stroh Ganzpflanze Holz 0,50 0,00 n = 25 n = 23 n = 25 n = 15 n = 5 n = 14 n = 52 n = 55 n = 51 n = 46 n = 47 n = 42 n = 288 n = 55 n = 41 Roggen Weizen Gerste Triticale Hafer Raps Roggen (Avanti) Weizen (Batis) Gerste (Theresa) Triticale - GP Pappel Laubholz Nadelholz M AX 1,97 2,59 2,22 2,18 2,27 3,85 1,13 0,93 1,27 1,13 1,49 1,42 1,22 2,66 0,28 M IN 1,51 2,10 1,59 1,66 1,54 3,21 0,33 0,28 0,29 0,22 0,42 0,38 0,19 0,11 0,07 M W 1,72 2,36 1,96 1,91 1,87 3,51 0,59 0,58 0,63 0,53 0,76 1,06 0,56 0,49 0,14 Brennstoffeigenschaften - Vergleich Chlor Chlorgehalt [% d. TM] 2,00 1,80 1,60 1,40 1,20 1,00 0,80 0,60 0,40 0,20 0,00 n = 25 n = 23 n = 25 n = 15 n = 5 n = 14 n = 52 n = 55 n = 51 n = 46 n = 47 n = 42 n = 288 n = 44 n = 36 Roggen Weizen Körner Gerste Triticale Hafer Raps Roggen (Avanti) Weizen (Batis) Stroh Gerste (Theresa) Hafer Raps (Flämlingslord) (Express) Hafer Raps (Flämlingslord) (Express) Triticale - Pappel Laubholz Nadelholz GP M AX 0,09 0,10 0,18 0,07 0,12 0,07 0,73 0,67 1,56 1,69 1,83 0,53 0,11 0,07 0,02 M IN 0,03 0,07 0,08 0,03 0,05 0,02 0,03 0,02 0,03 0,06 0,06 0,01 0,00 0,01 0,00 M W 0,07 0,08 0,13 0,05 0,10 0,04 0,24 0,23 0,43 0,64 0,58 0,16 0,02 0,02 0,01 Ganzpflanze Holz 6

7 Brennstoffcharakteristik Vergleich Ascheschmelzverhalten Temperatur [ C] Sintertemperatur Erweichungstemperatur Sphärischtemperatur Halbkugelpunkt Fließtemperatur Nacktgetreide Spelzgetreide Triticale-GP Getreidestroh Miscanthus Waldholz Inhaltsverzeichnis Einleitung A Brennstoffeigenschaften B Einsatzmöglichkeiten Halmgüter (thermisch) 1. Wärmeerzeugungsanlagen 2. Stromerzeugungsanlagen C Rechtliche Rahmensituation D Zusammenfassung 7

8 Systeme der Strohverbrennung diskoninuierliche und kontinuierliche Beschickung Rost-, Kipptisch-Einschubfeuerungen, Zigarrenbrenner Ganzballen: Mini-, Rund-, Heston-Großballen Strohhäcksel: Zuführung über Schneckensysteme bzw. Strohpellets: Pneumatische Systeme einsetzbare Brennstoffe: Getreidestroh, Ganzpflanze, Landschaftspflegeheu, Ölleinstroh, Rapsstroh,... Anlagen ab 100 kw unterliegen 4. BImSchV (TA-Luft)!!! DEULA SH Paul Künzel GmbH Prisdorf TU Hamburg-Harburg FNR Gülzow WKI Braunschweig FBZ e.v. Merseburg FH Köln TLL Dornburg ILK Dresden FH Bingen Koordination FNR/TLL weitere Felduntersuchungen TLL/TLUG/ILK (5 Anlagen) FH Köln (5 Anlagen), DEULA (1), FBZ (1) Zwischenergebnisse! FuE-Vorhaben primäre/sekundäre Emissionsminderungen IVD Stuttgart Grimm GmbH Amberg FH Amberg-Weiden ATZ Sulzbach Rosenberg TFZ Straubing Koordination F&E Feldtests 8

9 Untersuchte Feuerungsanlagen (Feldtests) Brennstoffe Leistung Hersteller Typ Feuerungsprinzip Getreide Stroh Institution [kw th ] Pellet Ballen/Häcksel Reka HKRST Vorschubrostfeuerung X X TLL Reka HKRST Vorschubrostfeuerung X TLL Reka HKRST Vorschubrostfeuerung X X DEULA Passat C4 40 Brennmuldenfeuerung X X FH Köln Biokompakt AWK 45 SI 45 Unterschubfeuerung X X FBZ, FH Köln Heizomat HSK-RA Kettenumlaufrost X X FH Köln Ökotherm C1L 120 Brennmuldenfeuerung X X FH Köln Agroflamm Agro Unterschubfeuerung X X TLL, FH Köln, IVD/TFZ Guntamatic Powercorn Rostfeuerung X TLL, FH Köln, TFZ Linka Linka-H Brennmuldenfeuerung X TLL Herlt HSV Ganzballenvergaser X TLL Untersuchte Brennstoffe Getreidekörner Stroh Pellet Ballen/Häcksel Sonstige Winterweizen (Referenz) Winterweizen (Referenz) Winterweizen (Referenz) Holzpellets Wintergerste (Referenz) Winterroggen (Referenz) Winterweizen (grau) Triticale-GP Pellets Winterweizen Triticale Triticale Grüngutpellets Wintergerste GNP Pellets Winterroggen Rapspresskuchen Pellets Triticale Alternative Brennstoffe in Anlagen < 1 MW Pelletierungsversuche mit Halmgutbrennstoffen Ballenauflöser - Strohpelletierungsanlage 9

10 Entwicklung von Designbrennstoffen Pelletierungsversuche mit Halmgutbrennstoffen Alternative Brennstoffe in Anlagen < 1 MW Neuartige und konventionelle Feuerungsanlagen Verbrennungsversuche mit Halmgutbrennstoffen Alternative Brennstoffe in Anlagen < 1 MW 10

11 Kohlenmonoxid-Emissionen - Vergleich Referenzbrennstoffe 4000 CO [mg/nm³, tr.; 13 % O 2 ] Wintergerstenkörner Winterweizenkörner Winterweizenstrohpellets Winterroggenstrohpellets 1. BImSchV Nov. 1. Stufe 500 Nov. 2. Stufe 0 TLL FBZ TFZ TLL FBZ TFZ TLL TLL FH Köln FH Köln FH Köln TFZ Agro 40 AWK SI 45 Powercorn 30 Agro 40 AWK SI 45 Powercorn 30 Agro 40 Feldtest Feldtest Prüfstand Feldtest Feldtest Prüfstand Pellet Feldtest HKRST 60 Häcksel Feldtest RHK AK 60 Pellet Feldtest MAX MIN MW Agro RHK AK 60 Powercorn 30 Feldtest Feldtest Prüfstand n = 156 n = 73 n = 3 n = 171 n = 69 n = 4 n = 23 n = 11 n = 66 n = 6 n = 6 n = 3 Alternative Brennstoffe in Anlagen < 1 MW Gesamtstaub-Emissionen Vergleich Referenzbrennstoffe Wintergerstenkörner Winterweizenkörner Winterweizenstrohpellets Winterroggenstrohpellets Staub [mg/nm³, tr.; 13 % O2] BImSchV Nov. 1. Stufe 50 Nov. 2. Stufe 0 FH Köln FBZ TFZ TLL FBZ TFZ TLL TLL FH Köln FH Köln FH Köln TFZ Agro 40 AWK SI 45 Powercorn 30 Agro 40 AWK SI 45 Powercorn 30 Agro 40 Feldtest Feldtest Prüfstand Feldtest Feldtest Prüfstand Pellet Feldtest HKRST 60 Häcksel Feldtest RHK AK 60 Pellet Feldtest Agro 40 RHK AK 60 Powercorn 30 Feldtest Feldtest Prüfstand n = 6 n = 6 n = 3 n = 3 n = 3 n = 4 n = 3 n = 10 n = 6 n = 6 n = 6 n = 3 MAX MIN MW Alternative Brennstoffe in Anlagen < 1 MW 11

12 weitere Entwicklungen - Voruntersuchungen Erprobung innovativer Feuerungsysteme TLL TZNR Dornburg/Jena Verbrennungsversuche mit Halmgutbrennstoffen IHT-Anlage Brennstoffmisch- und wägeanlage wassergekühlte Vorschubtreppenrostfeuerung mit Rauchgasrezirkulation Alternative Brennstoffe in Anlagen < 1 MW Strohfeuerungsanlagen für Häckselgut mit Ballenauflöser Vorschubrostfeuerung im Leistungsbereich 20 kw th bis 5 MW th Fa. REKA - Reka-HKRST 60, 54 kw th Verbrennungsversuche mit Halmgutbrennstoffen 12

13 Vorschubrostfeuerung Fa. REKA - Reka-HKRST 60, 54 kw th REKA 56 kw, Wi-Weizenstrohhäcksel (Referenz) [%] , ,5 3,1 PM 10 PM 2,5 PM < 2,5 n = 7 Wi-Weizenstrohhäcksel (Referenz) Brennmuldenfeuerung - Fa. Linka, Dk, 400 kw Verbrennungsversuche mit Halmgutbrennstoffen 13

14 Brennmuldenfeuerung Firma Lin-Ka (Dk), 400 kw th Ergebnisse der kontinuierlichen Messungen 1000 CO, NOX, SOX, Ges.-C [mg/nm³, tr.; 11 % O2] TA LUFT 0 CO: n = 9 CO: n = 27 NOX: n = 9 NOX: n = 27 SOX: n = 9 SOX: n = 27 Ges.-C: n = 9 Ges.-C: n = 27 Weizenstroh Triticalestroh Weizenstroh Triticalestroh Weizenstroh Triticalestroh Weizenstroh Triticalestroh MAX MIN MW Ballenvergaser 145 kw/herlt Technologien für Halmgutbrennstoffe 14

15 Thüringer Landesanstalt für Landwirtschaft (TLL), Jena Kipptisch - Brennstoff: Stroh und Ganzpflanzen Leistung: 1,75 MW th Einschubfeuerung kontinuierliche Beschickung mit einzelnen Scheiben Technologien für Halmgutbrennstoffe Anlageschema für Kipptisch-Einschubfeuerung (Fa. Lin-Ka, DK) Strohlager 100 t Kesselhalle Kamin Technologien für Halmgutbrennstoffe Strohkessel 1,7 MW Strohbahnen Hubtisch mit Waage Kipp- Ballen- Einfeuerungstisch teiler zylinder Aschecontainer Zyklon- und Tuchfilter Rauchgassauger Wärmespeicher 55 m³ 15

16 Technologien für Halmgutbrennstoffe BKS Bio-Kraftwerk Schkölen GmbH Fernwärmeversorgung der Stadt Schkölen Brennstoff: Stroh in Ballenform Leistung: 3,15 MW th Anlageschema für Ganzballen-Feuerung, Zigarrenabbrand kontinuierliche Beschickung mit Heston-Ganzballen (Fa. Volund, DK) Technologien für Halmgutbrennstoffe 16

17 SHW Schkölen Trit.-Gpfl. ( ) CO SO2 NO2 N2O O ,0 16, , :00 09:12 09:24 09:36 09:48 10:00 10:12 10:24 10:36 10:48 11:00 11:12 11:24 11:36 11:48 12:00 12:12 12:24 12:36 12:48 13:00 13:12 13:24 13:36 13:48 14:00 14:12 14:24 14:36 14:48 15:00 15:12 15:24 15:36 15:48 16:00 CO, SO2, NO2, N2O [mg/m³] Technologien für Halmgutbrennstoffe 12,0 10,0 8,0 6,0 O2 [Vol %] 4,0 2,0 0,0 Zuwachsen des Einspeisekanals bis zur Blockade des Ballenvorschubes zu geringe Pressdichte vermindert Vorschub der Ballen 17

18 Vor und nach Reinigung des Strohkessels Zerkleinerung der Strohascheschlacke in ehemaliger Düngermühle Maximale Korngröße 40 mm 18

19 Ausgewählte strohgefeuerte (Heiz-) Kraftwerke in Europa (nach D. Thrän, M. Kaltschmitt 2001) Standort Leistung Feuerungssysteme Jährlicher Brennstoffeinsatz Inbetriebnahme Ensted aufgelöst/ Mg Stroh 40 MW Dänemark el Stoker Mg Hackschnitzel 1998 Cambridgeshire aufgelöst/ Mg Stroh 36 MW Großbritannien el Stoker (50-miles-Radius)sowie Erdgas 2001 Studstrup Dänemark 30 von 150 MW el aufgelöst/ Stoker Mg Stroh sowie mind. 80 % Kohle 1995 Sangüesa 25 MW el aufgelöst/ Spanien mit KWK Stoker Mg Stroh 2002 Slagelse 11,7 MW el aufgelöst/ Mg Stroh Dänemark mit KWK Stoker Mg Hausmüll 1990 Maribo 9,3 MW el aufgelöst/ Mg Stroh 2000 Dänemark mit KWK Stoker Technologien 8,5 von 17 für Halmgutbrennstoffe Grena aufgelöst/ Mg Stroh MW Dänemark el 1992 pneumatisch Mg Kohle mit KWK MasnedØ 8,3 MW el aufgelöst/ Mg Stroh Dänemark mit KWK Stoker Mg Hackschnitzel Mg Stroh, 5,6 von 28 Mabjerg Zigarrenbrenner, Mg Hausmüll, MW Dänemark el 2 weitere Kessel Mg Hackschnitzel, mit KWK Erdgas 1993 Haslev 5,0 MW el Dänemark mit KWK Zigarrenbrenner Mg Stroh 1989 RundkØbing 2,3 MW el aufgelöst/ Mg Stroh 1990 Inhaltsverzeichnis Einleitung A Brennstoffeigenschaften B Einsatzmöglichkeiten Halmgüter (thermisch) 1. Stroh- und Ganzpflanzenfeuerungsanlagen 2. Stromerzeugungsanlagen C Rechtliche Rahmensituation D Zusammenfassung 19

20 C Neue rechtliche Rahmenbedingungen Brennstoffe nach Nr. 8 3 der 1. BImSchV Grenzwerte (Typenprüfung) für Anlagen und Brennstoffe nach Nr. 8 3 der 1. BImSchV (Bezugs O 2 13 %; Quelle: BMU/UBA) Grenzwerte (Praxismessung) für Anlagen und Brennstoffe nach Nr. 8 3 der 1. BImSchV (Bezugs O 2 13 %; Quelle: BMU/UBA) 20

21 Inhaltsverzeichnis Einleitung A Brennstoffeigenschaften B Einsatzmöglichkeiten Halmgüter (thermisch) 1. Stroh- und Ganzpflanzenfeuerungsanlagen 2. Stromerzeugungsanlagen C Rechtliche Rahmensituation D Zusammenfassung D Zusammenfassung 1. Technik für die Ernte, Aufbereitung, Transport und Lagerung von Stroh und Getreide, etc. ist vorhanden und weitestgehend optimiert 2. Thermische Verwertung von Stroh-, ~pellets und Getreide ist technisch möglich, jedoch mit höheren Kosten, Emissionen und genehmigungsrechtlichen Aufwendungen verbunden 3. Geringe Erfahrung bei der Verstromung von Halmgut in Deutschland Anreiz des EEG Nawaro Bonus nicht aussreichend als Mischbrennstoffe nicht wirtschaftlich sinnvoll (Holz) Auschließlichkeitsprinzip!!! 4. Anlagen für die Vergasung von Halmgut stehen am Anfang ihrer Entwicklung, zeigen gute Fortschritte in Bezug auf Staub-, CO-, NOx- Emissionen, Verschlackungen Gasnutzung zur Verstromung bisher ohne Praxisrelevanz Getrennte Verbrennung/Vergasung von Getreidekörnern und Stroh gegenwärtig relevanter als Ganzpflanzennutzung 21

22 D Zusammenfassung Genehmigungsverfahren und Überwachung für rechtlich zugelassene größere Anlagen für Stroh und Getreide nach 4. BImSchV (TA Luft), erfordern höhere Invest-, Verwaltungs- und Betriebskosten, etc. Je inhomogener der Brennstoff umso höher die Anforderungen an die Feuerungsanlage bzw. je einfacher die Feuerungsanlage umso höher die Anforderungen an die Qualität des Brennstoffes. Weitere Informationen unter bzw. 22