Bioenergie aus der Landschaftspflege

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1 Dr. Energiebündel & Flowerpower Referentenworkshop, 12. November, 2013, Mössingen Bioenergie aus der Landschaftspflege Dr. Bioenergie, 1 Universität Hohenheim Gliederung Energetische Verwertungsmöglichkeiten Stoffeigenschaften Biogaserzeugung Verbrennungssysteme Erfahrungen mit der Heuverbrennung in Sonnenbühl Immissionsschutz Gewebefilter Zusammenfassung Vergärung von Pferdemist Bioenergie - Universität Hohenheim 1

2 Dr. Nutzungshäufigkeit, Standort Vielschnittwiese Artenreiche 2-Schnittwiese Einschnittwiese 3 Landschaftspflegegut - Eigenschaften Anfall in unregelmäßigen Abständen Ernte oft nur einmal jährlich Späte Ernte Geringe Ernteerträge Geringe und ungleichmäßige Qualität Schwierige Konservierung und Lagerung 4 Bioenergie - Universität Hohenheim 2

3 Dr. Nutzungsmöglichkeiten: Landschaftspflegegut fällt ohne Aufwand an Ernte- und Lagerkosten Flächenpflege erforderlich - Flächenprämien Biogaserzeugung Nassfermentation Feststofffermentierung Landschaftspflegebonus bei mindestens 50 % Anteil Höherer Bonus EEG 2012 Verbrennung Vergasung? 5 Schnittzeitpunkt und chemische Zusammensetzung von Wiesengras Bioenergie - Universität Hohenheim 3

4 Dr. Input-Substrat-Eigenschaften Biologische Abbaubarkeit: Nährstoffgehalte verschiedener Substrate Mähgut aus Naturschutzgebiet Zweischürige Wiese, extensive Nutzung Vierschürige Wiese, intensive Nutzung Rasenschnitt Rohfaser Rohfett Rohprotein Umsetzbare Energie Silomais 0,0 10,0 20,0 30,0 40,0 50,0 MJ / kg ots bzw. % der ots 7 Input-Substrat-Eigenschaften Biologische Abbaubarkeit: Methanerträge verschiedener Substrate 0,39 0,4 0,30 Methanertrag [Nm³/kg ots] 0,3 0,2 0,17 0,08 0,22 0,26 0,1 0 Lemmer, Bioenergie - Universität Hohenheim 4

5 Dr. Umsetzung der Energie Rohfasergehalt 19,8 % 18,1 % 26,3 % 32,9 % 48,6 % Energiegehalt [kwh/kg ots] 7,50 6,25 5,00 3,75 2,50 1,25 5,4 3,3 61% 5,8 5,7 2,6 45% 3,9 68% 5,5 5,5 2,2 40% 25,0% 15% 0,8 75,0% 62,5% 50,0% 37,5% 12,5% Umsetzungsrate GE zu Biogasenergie [%] Ermittlung der Gaserträge: Durchflussversuche; HRT 25 d mesophiler Betrieb (36 C) 0,00 Silomais Rasenschnitt Intensive Grünlandnutzung Extensive Grünlandnutzung Mähgut Naturschutzgebiet Lemmer, ,0% Energiegehalt der Substrate (GE) Energiegehalt des Biogases Umsetzrate GE zu Biogasenergie 9 Substratmenge und Biogaspotenzial Beispiel Wiesengras (vierschürige Wiese) 1 ha Fettwiese 360 dt Frischmasse / a 120 dt organ. Trockenmasse / a 0,37 m³ CH 4 / kg ots ergibt entspricht BHKW ƞ el von 38 % BHKW ƞ th von 40 % => 32 kg ots / d ca m³ Methan / (ha*a) ca kwh Bruttoenergie / (ha*a) ca Liter Heizöl / (ha*a) ca kwh Strom / (ha*a) ca kwh Wärme / (ha*a) Leistung BHKW 2,11 kw / ha (bei Laufzeit von 90 %) für BHKW mit 100 kw el werden ca. 47 ha Fläche benötigt 10 Bioenergie - Universität Hohenheim 5

6 Dr. Substratmenge und Biogaspotenzial Beispiel Wiesengras (zweischürige, extensive Wiese) 1 ha extensiv genutzte Wiese 185 dt Frischmasse / a 60 dt organ. Trockenmasse / a => 17 kg ots / d 0,22 m³ CH 4 / kg ots ergibt entspricht BHKW ƞ el von 38 % BHKW ƞ th von 40 % ca m³ Methan / (ha*a) ca kwh Bruttoenergie / (ha*a) ca Liter Heizöl / (ha*a) ca kwh Strom / (ha*a) ca kwh Wärme / (ha*a) Leistung BHKW 0,65 kw / ha (bei Laufzeit von 90 %) für BHKW mit 100 kw el werden ca. 154 ha Fläche benötigt 11 Substratmenge und Biogaspotenzial Beispiel Wiesengras (Naturschutzfläche) 1 ha Naturschutzfläche, späte Mahd 43 dt Frischmasse / a 15 dt organ Trockenmasse / a => 4 kg ots / d 0,1 m³ CH 4 / kg ots ergibt entspricht BHKW ƞ el von 38 % BHKW ƞ th von 40 % ca. 150 m³ Methan / (ha*a) ca kwh Bruttoenergie / (ha*a) ca Liter Heizöl / (ha*a) ca. 540 kwh Strom / (ha*a) ca. 570 kwh Wärme / (ha*a) Leistung BHKW 0,07 kw / ha (bei Laufzeit von 90 %) für BHKW mit 100 kw el werden ca ha Fläche benötigt 12 Bioenergie - Universität Hohenheim 6

7 Dr. Verbrennungsspezifische Eigenschaften von Biomasse Heizwert 2,5 kg trockene Biomasse (Holz, Stroh, Getreide, Heu) ersetzen 1 Liter Heizöl Verbrennungsspezifische Eigenschaften von Biomasse Kritische Inhaltstoffe 5,70 8,00 3 2,5 2,70 Holz Stroh Heu Gehalt in % d. TM 2 1,5 1 0,5 0,60 Holz Stroh Heu Weizen 0,50 0,10 0,10 0,01 0 Asche N K Cl 1,20 1,70 1,00 1,30 0,60 Weizen Hoher Cl-Gehalt von Stroh und Heu = starke Korrosion 0,19 0,20 0,07 Bioenergie - Universität Hohenheim 7

8 Dr. Verbrennungsspezifische Eigenschaften von Biomasse Ascheerweichung Ascheerweichung Ascheerweichungspunkt in C Verschlackungsgefahr bei Temperaturen über 900 C Holz Stroh Heu Weizen Ascheschmelzverhalten von Heu unterschiedlicher Qualität im Vergleich zu Holz 120% 100% Holz 80% relativer Anteil 60% 40% Heu überständig - 20% 0% Temperatur in C Struschka, 2006 Bioenergie - Universität Hohenheim 8

9 Dr. Ascheschmelzverhalten von Heu unterschiedlicher Qualität im Vergleich zu Holz 120% Ascheschmelzverhalten von Heu unterschiedlicher Qualität 100% Holz relativer Anteil 80% 60% 40% 20% Heu überständig - nicht verregnet Chlor Kalium Heuqualität in Massen % des Brennstoffes der Asche nicht verregnet 0,24 29,4 verregnet 0,06 7,3 Heu überständig - verregnet 0% Temperatur in C Struschka, 2006 Verbrennungsspezifische Eigenschaften von Landschaftspflegeheu Ascheerweichung - Schlackebildung Maßnahmen zur Minderung der Schlackebildung: Zusatz von Additiven (z.b. Kalk) Reduzierung der Temperatur im Glutbett spezielle Verbrennungsluftführung Abgasrückführung gekühltes Glutbett 10 cm Bewegung des Brennstoffes Brennstoffverwirbelung Zweistufiger Verbrennungsprozess 18 Bioenergie - Universität Hohenheim 9

10 Dr. Verbrennungsspezifische Eigenschaften von Landschaftspflegeheu Ascheerweichung Schubbodenfeuerung mit und ohne Wasserkühlung im Glutbett Hartmann, 2004 Verbrennung Heubrennstoffe in unterschiedlicher Form Dichte 120 kg/m³ 580 kg/m³ 660 kg/m³ Schüttgewichte Lager-/Transportaufwand Bioenergie - Universität Hohenheim 10

11 Dr. Verbrennung Vergaser-Feuerungsanlage für Rundballen Fa. Herlt, kw Verbrennung Zentrale Wärmeversorgung Zigarrenbrenner, Volund, 1 MW BKS Bio-Kraftwerk Schkölen GmbH Fernwärmeversorgung der Stadt Schkölen Brennstoff: Stroh in Ballenform Leistung: 3,15 MW th Bioenergie - Universität Hohenheim 11

12 Dr. Verbrennung Reka-Feuerungsanlage mit Treppenrost für trockene Brennstoffe, kw Aufbau einer Versuchsanlage mit 30 kw Leistung in Sonnenbühl Zerkleinerung von Heu- oder Strohballen Ballenauflösung: Reka Chaff-Cutter Bioenergie - Universität Hohenheim 12

13 Dr. Verbrennung Reka-Feuerungsanlage mit Treppenrost für trockene Brennstoffe, kw Verbrennung Reka-Feuerungsanlage mit Treppenrost für trockene Brennstoffe, kw Bioenergie - Universität Hohenheim 13

14 Dr. Verbrennung Reka-Feuerungsanlage mit Treppenrost für trockene Brennstoffe, kw Heuverbrennung Verbrennung von Landschaftspflegeheu Beschickung der Anlage erfolgt automatisch gelegentliche Probleme mit Cutter Verbrennung funktioniert meist gut Qualität des Heus hat Einfluss auf Verbrennungsverhalten Ascheabtransport über automatische Austragschnecke Bioenergie - Universität Hohenheim 14

15 Dr. Verbrennung von Landschaftspflegeheu Leistung des Kessels zwischen 10 und 32 kw Heubedarf : Sommer: 4-6 Ballen/d kg/d Winter: Ballen/d kg/d Stromverbrauch incl. Heuaufbereitung: 0,025 0,035 kwh / kwh Verbrennung von Landschaftspflegeheu In den Monaten Dez. 05 bis Dez. 07 wurde mit der Anlage eine Wärmemenge von 334 MWh produziert Dies entspricht l Heizöl (bei ƞ von 85 %) Es wurden in dieser Zeit ca kg Heu verbrannt = der Aufwuchs von ca. 27 ha (2 Jahre) Mit 3,1 kg Heu wurde 1 l Heizöl ersetzt 30 Bioenergie - Universität Hohenheim 15

16 Dr. Verbrennung von Landschaftspflegeheu 1 ha Naturschutzfläche, späte Mahd 43 bis 86 dt Frischmasse / a 15 bis 30 dt Trockenmasse / a Mit 3,1 kg Heu wurde 1l Heizöl ersetzt 1 ha reicht, um ca. 500 bis l Heizöl zu ersetzen Novellierung der 1. BImSchV (2009) Betriebs- und Emissionsgrenzwerte für Heizkessel nach 1. BImSchV (2009) Bezugssauerstoffgehalt 13 % Stufe 1: Anlagen, die nach Veröffentlichung der VO errichtet werden Nennwärmeleistung [kw] Staub [g/m 3 ] CO [g/m 3 ] 4 bis <100 0,10 1,0 Stufe 2: Anlagen, die nach dem errichtet werden 4 bis <100 0,02 0,4 Nur für automatisch beschickte Feuerungsanlagen, die nach Angabe des Herstellers für diesen Brennstoff geeignet sind und im Rahmen der Typprüfung mit dem jeweiligen Brennstoff geprüft wurden. Mindestvolumen Warmwasser-Pufferspeicher: 20 l je kw Einzuhaltende Grenzwerte bei sonstigen Nachwachsneden Rohstoffen: Dioxine / Furane 0,1 ng / m³ Stickstoffoxide (als NO2) 600 mg / m³ Stufe mg / m³ Stufe 2 CO 0,25 g/m³ Bioenergie - Universität Hohenheim 16

17 Dr. Abgasreinigung bei der Verbrennung von Getreide bzw. Heu Neue Entwicklung: Edelstahl-Gewebefilter Fa. Oskar Winkel, Amberg Aufbau Gewebefilter Gewebefilter System Winkel: 2 unabhängige Filterpatronen elektrische Beheizung der Patronen Rohgas strömt von außen nach innen Abreinigung durch Druckluftstoß zeitgesteuerte Abreinigung Bioenergie - Universität Hohenheim 17

18 Dr. Staubabscheidung des Gewebefilters Verbrennung von Getreide-Reinigungsresten Ergebnisse: Verbrennung von Landschaftspflegeheu Edelstahl-Gewebefilter Partikelkonzentration ohne Gewebefilter : 190 bis 300 mg/m³ (Grenzwert: bisher 150 mg/m³, 1. Stufe 100 mg/m³, 2. Stufe 20 mg/m³) Nach dem Filter < 10 mg/m³ Staub NO X -Konzentration: 380 bis 520 mg/m³ (Grenzwert: 1. Stufe: 600 mg/m³ 2. Stufe: 500 mg/m³) Bioenergie - Universität Hohenheim 18

19 Dr. Verbrennung von Heu - Wirtschaftlichkeitsabschätzung Heizölpreis: 0,70 /l Heizöl Biomasse 40 kw 100 kw 300 kw 40 kw 100 kw 300 kw Investition Energieverbrauch Liter Energieverbrauch dt Jahreskosten Zins (6 %) Abschreibung für Öl 10 Jahre; 10 % d Inv. für Heu 7 Jahre; 14,3 % d. Inv. Brennstoffkosten 0,70 /Liter Heizöl Wartungs- u Bedinungskosten (15 /h) Gesamtkosten/Jahr /a Zul. Biomassekosten /a Möglicher Preis für Heu /100 kg Verbrennung von Heu - Wirtschaftlichkeitsabschätzung Heizölpreis: 0,90 /l Heizöl Biomasse 40 kw 100 kw 300 kw 40 kw 100 kw 300 kw Investition Energieverbrauch Liter Energieverbrauch dt Jahreskosten Zins (6 %) Abschreibung für Öl 10 Jahre; 10 % d Inv. für Heu 7 Jahre; 14,3 % d. Inv. Brennstoffkosten 0,90 /Liter Heizöl Wartungs- u Bedinungskosten (15 /h) Gesamtkosten/Jahr /a Zul. Biomassekosten /a Möglicher Preis für Heu /100 kg Bioenergie - Universität Hohenheim 19

20 Dr. Zusammenfassung Extensivaufwuchs ist unter bestimmten Bedingungen für Biogaserzeugung geeignet Verholzter Landschaftspflegeaufwuchs sehr gut für thermische Nutzung geeignet Angepasste Verbrennungstechnik für Halmgut erforderlich Staubfilter erforderlich Hohe Investitionen für kleine Anlagen unwirtschaftlich Interessant für Kommunen und Industriebetriebe > 100 kw Landwirt als Wärmeanbieter - Contracting Wertschöpfung in der Region Sinnvolle Verwertung von Landschaftspflegeaufwuchs Schonung fossiler Energieressourcen CO 2 -Emissionen werden gesenkt 39 Pferdemist Pferdebestand in Deutschland bei über 1 Million Tiere Mistanfall: ca. 12 t pro Pferd und Jahr %iger Strohanteil Platz- und Entsorgungsprobleme Dünger, Kompostierung, Pilzsubstrat Problem in Stadtnähe Entsorgung ist mit hohen Kosten verbunden Nutzbarmachung Energetische Verwertung in Biogasanlagen Bioenergie - Universität Hohenheim 20

21 Dr. Probleme bei der Nutzung von Pferdemist Hoher und schwankender Strohanteil im Pferdemist Alternative Einstreumaterialien (Sägespäne, Hanfschäben, Holzpellets ) Störstoffe im Pferdemist möglich Faseriges Material führt zur Schwimmdeckenbildung und Verstopfungen Hohe Anforderungen an die Rührtechnik Langwieriger Substratabbau und z.t. geringer Methanertrag Einsatz von Pferdemist bei der volldurchmischten Flüssigvergärung nicht effizient (Böske, 2013) Größenvergleich unter dem Mikroskop Haar und Bakterien aus dem Fermenter einer Biogasanlage (400-fach vergrößert) Menschliches Haar Ø 50 μm Mikrofibrille: Ø ca. 0,03 µm Makrofibrille: Ø ca. 0,4 µm Bioenergie - Universität Hohenheim 21

22 Dr. Querstromzerspanungstechnik Fa. MEWA z.t. Werkbilder Fa. MEWA Mit QZ aufbereitete Substrate 44 Bioenergie - Universität Hohenheim 22

23 Dr. Methanausbeuten von Pferdemist Einzelkomponenten 0,300 Spezifischer Methanertrag [Nm³ / kg ots] 0,250 0,200 0,150 0,100 0,050 0,205 0,247 0,067 0,017 0,021 0,171 0,000 Stroh Strohpellets Flachstroh Sägespäne Holzpellets Pferdeäpfel Intensivaufbereitung verschiedene Substrate durch Querstromzerspanung Spezifischer Methanertrag (Nm 3 / kg ots) 0,45 0,40 0,35 0,30 0,25 0,20 0,15 0,10 0,05 Maissilage QZ 30 sec Maissilage QZ 15 sec Maissilage Kontrolle Pferdemist QZ 30 sec. Pferdemist QZ 15 sec. Pferdemist Kontrolle 0 bis + 6 % + 16 bis +24 % 0, Verweilzeit (Tage) Böhm, Mönch-Tegeder, Bioenergie - Universität Hohenheim 23

24 Dr. Verwertung von Pferdemist im Praxismaßstab Biogasproduktion [Nm³ / d] Fermenter 1 (Bio QZ) Versuchstag Fermenter 2 (unaufbereitet) Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Kontakt: Dr. Landesanstalt für Agrartechnik und Bioenergie Tel.: 0711 / Mail: oechsner@uni-hohenheim.de Vielen Dank für die Förderung des Projektes durch das MLR Baden-Württemberg 48 Bioenergie - Universität Hohenheim 24

25 Dr. Verwertung von Pferdemist im Praxismaßstab Rationszusammensetzung Maissilage 12% Gülle 41% Grassilage 8% Getreide GPS 10% Getreideschrot 3% Festmist 8% Pferdemist 18% Frischmasse t/d 10.9 ± 2.0 Raumbelastung kg / m³ d 2.7 ± 0.4 Verweilzeit d 75.7 ± Bioenergie - Universität Hohenheim 25