Holzgas: Technik kommt vorsichtig in Fahrt

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1 Holzgas: Technik kommt vorsichtig in Fahrt Bald könnten Waldhackschnitzel nicht nur Wärme, sondern auch Strom liefern. Die neuen Vergütungssätze für Strom aus Holz wecken starkes Interesse bei Land- und Forstwirten. Aber die Holzgas-Technik steckt noch im Pilotstadium. top agrar berichtet. Hackschnitzel aus Forstholz sind ein bewährter und wirtschaftlicher Brennstoff. Noch attraktiver wäre es für Landund Forstwirte, neben Wärme auch Strom zu erzeugen, der zu speziellen Preisen ins öffentliche Netz eingespeist werden kann. Möglich ist dieses bei der Erzeugung von Holzgas. Hierbei werden Hackschnitzel thermochemisch vergast, wobei ein kohlenmonoxid- und wasserstoffhaltiges Schwachgas, das so genannte Holzgas, entsteht (siehe Übersicht 1). Dieses Gas lässt sich wie Biogas in einem Blockheizkraftwerk (BHKW) verbrennen, wobei Strom und Wärme entstehen. Strom aus Holzgas: Bis zu 19 Cent je Kilowattstunde Seit August 2004 locken die neuen Vergütungssätze für den mit Holzgas erzeugten Strom. Grundlage ist das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG). Bei Anlagen bis 150 kw liegt die Grundvergütung bei 11,3 Cent je kwh, wenn die Anlage im Jahr 2005 in Betrieb geht. Dazu können der Bonus für den Einsatz von nachwachsenden Rohstoffen (Nawaro-Bonus) von 6 Cent, der Kraft-Wärme-Kopplungs-Bonus von umgerechnet rund 1 Cent und der Technologie-Bonus von 2 Cent kommen. In der Spitze kann man mit Holzgas also 19,3 Cent je kwh erzielen, rechnet Walter Danner, Anlagenbetreiber und Entwickler von Biogas- und Holzgasanlagen aus dem bayerischen Ruhstorf. Aber er bremst die Euphorie bezüglich des Nawaro-Bonus: Nur Durchforstungsholz oder Straßenbegleitgrün fallen unter die Definition der bonusfähigen Stoffe nach dem EEG. Sägewerksabfälle oder Wipfelholz dagegen sind Abfall und damit nicht bonusfähig. Die neuen Vergütungssätze im EEG lassen zwar aufhorchen. Aber schon kleine Schwankungen bei einzelnen Faktoren können jede Kalkulation schnell kippen, wie Danner vorrechnet: Bei Betriebsstunden und 10 Jahren Betriebsdauer z. B. macht eine Anlage bei Investitionskosten von E je kw E Gewinn im Jahr, bei E je kw dagegen E Verlust (siehe Übersicht 3). Das 106 top agrar 5/2005

2 gleiche beim Hackschnitzelpreis: Bei 60 E je Tonne kann die Anlage E Gewinn abwerfen, bei einem Preis von 100 E pro Tonne dagegen E Verlust. Auch der elektrische Wirkungsgrad entscheidet nicht selten über Wohl oder Wehe der Wirtschaftlichkeit, wie das Beispiel einer Biogasanlage zeigt: Bei 27 % entstehen satte Verluste, bei 39 % dagegen über E Gewinn. Die Variationen sind vielfältig und machen deutlich, dass ohne Langzeiterfahrung eine Kalkulation kaum möglich ist, fasst Danner zusammen. Erst wenige Betriebsstunden Ähnlich wie Biogas lässt sich auch Holzgas im BHKW verbrennen. Gerade bei den Betriebsstunden hapert es zur Zeit: Es gibt nur wenig Langzeiterfahrungen, die Technologie gerade im kleineren Leistungsbereich bis 1 MW (elektrisch) steckt noch in den Kinderschuhen. Von den rund 10 Herstellern und Entwicklern von kleineren Holzgasanlagen in Deutschland existieren nur wenige Prototypen in der Praxis. Eine Anlage wird derzeit an der Fachhochschule Amberg-Weiden mit 90 kw Feuerungswärmeleistung (etwa 70 kw thermische und 25 kw elektrische Leistung) untersucht. Das Holzgas wird hier in einem Zündstrahl-BHKW verstromt, das mit Pflanzenöl als Zündölquelle arbeitet. Die ersten Ergebnisse auch hinsichtlich der Teerproblematik sind zwar viel versprechend, aber wir haben noch keine Langzeiterfahrungen, erläutert Prof. Dr. Stefan Beer vom Fachbereich Maschinenbau und Umwelttechnik. Auch macht die anfallende Wärmemenge deutlich, dass diese Anlagen nur dort wirtschaftlich sind, wo die Wärme genutzt werden kann. Wenn man sieht, dass viele Biogasanlagen mit der Wärmeverwertung Probleme haben, lässt sich schnell abschätzen, dass auch nur wenige Standorte für eine Holzgaserzeugung geeignet sind, meint Beer. Bei der Frage, ob es sich jetzt lohnt, in Holzgas einzusteigen, rät der Forscher: Man muss sich immer klar machen, dass die Holzgasentwicklung einige Jahre hinter der Biogastechnologie zurückliegt. Anlagenpioniere müssen damit rechnen, dass sie noch viel Zeit in Wartung und Reparatur aufwenden müssen. Dazu kommt, dass zur Zeit wenig Geld in Forschung und Entwicklung gesteckt wird. Die Hersteller sind kleine Firmen mit wenig Budget, Forschungsprogramme gibt es kaum. Risiken bei der kleineren Holzvergasung können derzeit nur über die EEG-Vergütung abgedeckt werden, meint auch Dieter Bräkow von der Fördergesellschaft Erneuerbare Energie (FEE) aus Berlin, der die Arbeitsgruppe Vergasung von Biomasse angehört. Die Vergasung wird sich sehr unterschiedlich entwickeln, meint Bräkow: Im top agrar 5/

3 dezentralen Bereich wird die kleinere Holzvergasung weiterhin Bestand haben, da sie standortspezifische Vorteile hat. Bräkow: Darüber hinaus geht der Trend immer mehr zu großen Syntheseanlagen, die zu Allesfressern werden. Damit kommen aber auch neue Methoden der Biomasseverdichtung ins Spiel, wie beispielsweise Pellets, Koks oder verflüssigte Biomasse. Viel trägt dazu auch die chemische Verfahrenstechnik bei, die Kohlechemie könnte zur Biomassechemie werden, wagt er einen Ausblick. Biomassevergasung kommt Aus der Entwicklung der Synthesegasproduktion können aber auch Erkenntnisse für die Vergasung zur Kraftwärmekopplung abgeleitet werden. Dazu zählt Bräkow die Trennung von Pyrolyse und Koksvergasung, den Einsatz von Katalysatoren, die Heißgasreinigung und die Herstellung von Gasen mit höherem Heizwert. Mit mehrstufigen Vergasungsanlagen gelingt es immer besser, auf die Besonderheiten unterschiedlicher Biomasse zu reagieren, führt er aus. Das Holz kann auch automatisch gesteuert in den Reaktor gefördert werden. Erste Holzvergaser-Prototypen gelangen jetzt in den Praxiseinsatz. Übersicht 1: So wird Strom aus Holz erzeugt Anlagen- Zwischen- Temperatur Reaktion Entstehende bauteil schritt Produkte Holzgas- Trocknung bis zu 200 C Das Wasser in der Biomasse Trockener Reaktor verdampft Brennstoff Pyrolyse C Makromoleküle, aus denen 1. Flüchtige Gase (80 %): Biomasse besteht, werden Wasserdampf (H 2 O), aufgebrochen Kohlendioxid (CO 2 ), Wasserstoff (H 2 ), Methan (CH 4 ) 2. Dämpfe (Teer, Aromaten), kondensieren als Pyrolyseöle 3. Pyrolysekoks Vergasung Über 500 C Pyrolysekoks wird 1. Erwünscht: Brennbare Gase: bei Zufuhr eines Kohlenmonoxid (CO), CO 2, Vergasungsmittels CH 4, H 2 O, bei Luft als wie Wasserdampf oder Luft zu Gas zersetzt Vergasungsmittel auch Stickstoff 2. Unerwünscht: Teere Gasauf- Gasreini- Staubpartikel und un- Gereinigtes Holzgas bereitung gung erwünschte Stoffe wie Teer werden entfernt Gas-Otto- o. Gas-Ver- Das entstandene Gas ver- Strom (30 %) und Wärme Zündstrahl- brennung brennt unter Luftzufuhr zu (70 %) in Form von Blockheiz- Wasserdampf und CO 2 Motorabwärme kraftwerk Bei den Holzgas-Reaktoren unterscheidet man drei verschiedene Vergasungssysteme: 1. Festbett-Vergaser: Brennstoffpartikel werden von der geringen Gasströmung nicht bewegt; strömen Brennstoff und Zuluft in die gleiche Richtung, spricht man von Gleichstromvergaser; beim Gegenstromvergaser bewegen sich Brennstoff und Zuluft in entgegengesetzter Richtung. Festbettvergaser kommen hauptsächlich im kleineren Leistungsbereich bis 2 MW zum Einsatz. 2. Wirbelschicht-Vergaser: Die Zuluftströmung ist so hoch, dass der Brennstoff im Reaktor umhergewirbelt wird. 3. Flugstrom-Vergaser: Nur bei größeren Industrie-Anlagen; Brennstoff ist fein vermahlen und wird durch den Reaktor geblasen. Als Vorgriff auf komplizierter zu vergasende Biomasse sieht er die Wirbelschichttechnologie, die immer gründlicher bearbeitet wird. Es ist auch zu beobachten, dass Teer immer mehr als Energieträger statt als Störstoff angesehen wird. Zukünftig könnten biogene Brennstoffe chemisch vorbehandelt werden. Außerdem sieht Bräkow in der Kombination aus Stirlingmotor und Vergaser eine Alternative zur herkömmlichen Vergasung mit BHKW. Zur Entwicklung von Anlagen unter 150 kw setzt Bräkow auf eine stärkere Einbindung der Entwickler in wissenschaftliche Untersuchungen. Hoffnungsvoll stimmt ihn, dass die AG Vergasung in ein Projekt des Bundesbildungsministeriums eingebunden ist mit dem Titel: Untersuchungen zur Optimierung des Zusammenwirkens von Techno- Holzgas entsteht in drei Schritten. Das BHKW erzeugt aus dem gereinigten Gas Strom und Wärme. 108 top agrar 5/2005

4 Übersicht 2: So unterscheiden sich Holzgas und Biogas Holzgas Biogas Ausgangsstoff Holz in Form von Gülle; Rohstoffe mit mögl. wenig Lig- Hackschnitzeln nin (Mais, Getreide, Gras); Bioabfälle Verfahren Thermochemisch: Vergasung Biochemisch: Vergärung Gaszusam- v.a. Kohlenmonoxid, mensetzung Wasserstoff, Methan Methan, Wasserstoff Entstehende Flüssiger Gärrest Produkte Holzkohle, Asche (ähnlich der Gülle) Gasnutzung Zündstrahl- oder Zündstrahl- oder Gas-Otto-BHKW Gas-Otto-BHKW Ausbeute ca. 70 % Wärme, 30 % Strom Ca. 60 % Wärme, 40 % Strom Investitionskosten Euro je kw bis Euro je kw logien zur dezentralen Energieerzeugung mit Brenngasen aus Erneuerbaren Energieträgern. Wir sind dabei aufgefordert, den konkreten Forschungsbedarf für die Vergasung von Biomasse aufzuzeigen, macht Bräkow deutlich. Wie aber lässt sich heute verfügbare Technik danach beurteilen, ob sie praxisreif ist? Damit Forschung und Entwicklung von Anfang an in die richtige Richtung laufen, Praktiker aber auch eine Handhabe zur Beurteilung von Holzgasprojekten erhalten, hat die Deutsche Gesellschaft für Sonnenenergie (DGS) einige Zielvorgaben für erfolgreiche Holzvergaseranlagen erarbeitet. Die Praxisreife lässt sich mit einheitlichen Dauertests bestimmen, erläutert Jan Kai Dobelmann, top agrar 5/

5 Derzeit konzentrieren sich Entwickler von Vergasungsanlagen noch auf Holz als Brennstoff. Zukünftig könnte aber auch andere Biomasse vergast werden. Fotos: Neumann (2), Werkbilder Vizepräsident und Vorsitzender vom Fachausschuss Biomasse bei der DGS. Der spezifische elektrische Wirkungsgrad könnte nach Anregung der DGS mit einem 200 Stunden-Dauerbetriebstest ermittelt werden. Nach einem Stunden-Test lassen sich die Verfügbarkeit der Anlage, die Wartungskosten und der notwendige Personaleinsatz bestimmen. Dabei sollte ein Betriebstagebuch lückenlos Aufschluss über Störfälle oder Messdaten geben, regt Dobelmann an. Die Stromabgabe müsste mit Hilfe einer Leistungsüberwachung im Fünf-Minuten-Takt erfasst werden. Bei Brennstoffkosten oder Vergütungen sind dagegen keine Tests möglich, da diese Größen regional unterschiedlich bzw. gesetzlich geregelt sind. Die DGS hat zur Abschätzung der Wirtschaftlichkeit ein Programm entwickelt, das auf CD-Rom bezogen werden kann. 110 top agrar 5/2005 Übersicht 3: Einflussgrößen für die Wirtschaftlichkeit Varianten Günstig Mittel Schlecht 1. Investitionskosten 1) E/kW E/kW E/kW Gewinn pro Jahr (E) Hackschnitzelpreis (E/t) 2) 60 E/t 80 E/t 100 E/t Gewinn pro Jahr (E) Betriebsstunden 3) h h h Gewinn pro Jahr (E) BHKW-Wirkungsgrad 4) 39 % 33 % 27 % Gewinn pro Jahr (E) ) Bei 10 Jahren Betriebsdauer, Betriebsstunden 2) Bei 20 % Feuchte, Betriebsstunden 3) Bei 133 kw Holzvergaser, 1,3 kg Biomasseverbrauch/kWel, Gasmotor 4) Bei 250 kw (el) Biogasanlage, 7000 Betriebsstunden Quelle: Walter Danner, BiomasseEnergie GmbH, Ruhstorf Weitere Infos zum Thema Holzgas Zum Thema Holzgas gibt es neuere Schriften und Tagungsbände sowie Informationsmöglichkeiten im Internet: Biomasse-Vergasung Der Königsweg für eine effiziente Strom- und Kraftstoffbereitstellung? Schriftenreihe Nachwachsende Rohstoffe der Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe, Band 24, ISBN: ; Preis: 25 E; zu beziehen beim Landwirtschaftsverlag GmbH Münster, Telefon: 02501/8 01-0, Internet: service@lv-h.de Tagungsband Dezentrale Holzvergasung (Stand 2005), mit CD-ROM für die Wirtschaftlichkeitsberechnung; Kosten: ca. 45 E. Zu beziehen bei: DGS, Telefon: 0 89/ , dobelmann@dgs.de, Arbeitskreis Holzgas vom Fachverband Biogas und der Deutschen Gesellschaft für Sonnenenergie (DGS): Das Internetangebot umfasst allgemeine Informationen und ein Diskussionsforum. Eine Liste mit aktuellen Herstelleradressen zum Thema Holzgas kann bestellt werden beim Leserservice top agrar, Fax: 02 51/ oder unter Fazit Damit die Marktentwicklung im Bereich Holzgas jetzt in geordneten Bahnen läuft, erhofft sich die junge Holzgasbranche Rückendeckung auch vom Fachverband Biogas (FvB). Unsere Erfahrungen sind ähnlich wie die der Holzgaspioniere. Denn auch in der Biogasbranche waren es die Bauern und Tüftler und nicht die Forscher, die den Markt bereiteten, betont FvB-Vizegeschäftsführer Markus Ott. Erfahrungen aus der Solarbranche dagegen kann die DGS beisteuern. Erkenntnisse in Bezug auf Entwicklungen und Genehmigungen von Anlagen möchten die DGS und der FvB jetzt in einem gemeinsamen Arbeitskreis Holzgas einbringen. Wir wollen Betreiber von Holzgasanlagen, aber auch Entwickler vor Fehlentwicklungen und Enttäuschungen schützen, erklärt Gunnar Böttger, der zusammen mit Markus Dallinger Sprecher des DGS/FvB Arbeitskreises Holzgas ist. Die neuen Einspeisetarife für Strom aus Holz wecken das Interesse an der Holzgasproduktion. Allerdings sollten sich Investoren jetzt nicht von der Vergütung blenden lassen: Die Technik ist noch nicht praxisreif! Zwar sind erste Erfahrungen und Forschungsergebnisse viel versprechend. Aber Pioniere unter den Land- und Forstwirte, die jetzt über die Verstromung von Waldholz nachdenken, müssen sich beim heutigen Stand der Technik noch auf erheblichen Wartungs- und Reparaturaufwand einstellen. Um lockende Angebote von Herstellern bewerten zu können, empfiehlt die Deutsche Gesellschaft für Sonnenenergie standardisierte Dauertests. Ohne die Testergebnisse sollten investitionswillige Landwirte sehr zurückhaltend sein. Allerdings: Wenn die Entwicklung jetzt durch das EEG stärker angeregt in Fahrt kommt, ist wie im Biogasbereich in wenigen Jahren eine Trendwende von Bastleranlagen hin zu ausgereifter Technik zu erwarten. Hinrich Neumann