Projektstudie. Technische und wirtschaftliche Abschätzung. zum Aufrüsten von Heizwerken. zu Biomasse-Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen

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1 Projektstudie Technische und wirtschaftliche Abschätzung zum Aufrüsten von Heizwerken zu Biomasse-Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen Ein Leitfaden für Heizwerksbetreiber Projektstudie im Auftrag des Biomasseverbandes OÖ, der Nahwärme Antiesenhofen GmbH und der Klima-und Energie-Modellregion Innviertel-Hausruck Ing. Mag. (FH) Gerhard Uttenthaller, Biomasseverband OÖ 1. Auflage, Februar 2014

2 Inhaltsverzeichnis Vorwort 4 Einleitung 9 Allgemeines zur Energie- und Umweltpolitik 9 Zwei Holzverstromungs-Pilotanlagen in Oberösterreich 9 Aufgabenstellung und Ziele 9 KWK-Technologien Holzvergasung Speicherung von Holzgas zur Spitzenstromproduktion Der Organic Rankine Cycle (ORC)-Prozess 21 Dampfanwendungen 24 Hackguttrocknung Lochrosttrocknung Solare Hackguttrocknung Anhängertrocknung 30 Containertrocknung 31 Weitere Trocknungstechniken 32 Marktverfügbare Anlagen Hersteller Urbas Maschinenfabrik GmbH Cleanstgas GmbH Holzenergie Wegscheid GmbH Spanner RE² GmbH Fröling Heizkessel- und Behälterbau GmbH Burkhardt GmbH Christof Group/Renewable Energy Products (REP) GmbH VEP Fördertechnik GmbH Triogen-ORC-Prozess (MeaVota GmbH) Recuperation e.u Resümee 52 Abschätzung der KWK-Tauglichkeit von Biomasse-Nahwärmeanlagen Voraussetzungen für die KWK-Tauglichkeit Grundlast Platzverhältnisse Vorlauftemperaturen Brennstoff und Brennstoffverfügbarkeit 54 Förderungen

3 Einspeisetarif 55 Investitionsförderung Wirtschaftliche Abschätzung Einheitliche Annahmen zur Berechnung Abschätzung der Investitionskosten Kostenstruktur der Holzvergasung Schlussfolgerungen 64 Was wird die Zukunft bringen? Exkurs Nährstoffentzug durch Biomassenutzung 68 Exkurs Holzvorrat in Österreich Projektierung einer Biomasse-KWK-Anlage am Beispiel der Nahwärme Antiesenhofen Nahwärme Antiesenhofen GmbH Jahresganglinie Technisches Grobkonzept KWK-Anlage Antiesenhofen Grundsätzliche Überlegungen Weitere Überlegungen Platzverhältnisse und Baulichkeiten Wirtschaftlichkeit Investitionskosten Erlöse Betriebskosten Amortisationsdauer nach der Kapitalwertmethode Resümee KWK-Rechner: Abschätzung der Wirtschaftlichkeit Checklisten Checkliste Biomasse-KWK Überblick über die Verstromungstechnologien für Biomasse Technologiefindung Einflussfaktoren auf die Wirtschaftlichkeit einer Biomasse-KWK-Anlage Herstellerliste Verzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis

4 1 Vorwort Technologie der Zukunft: Bioenergie boomt Die Biomasse bringt eine beachtliche Wertschöpfung in die Regionen und ist ein wichtiger Baustein für mehr Klimaschutz in Österreich. Oberösterreich hat über 300 erfolgreiche, bäuerlich betriebene Heizwerke. Viele davon könnten zusätzlich mit einer Kraft-Wärme- Kopplungs-Anlage (KWK-Anlage) Ökostrom erzeugen und dies mit geringem zusätzlichen Rohstoffbedarf. Das beweist eine Wirtschaftlichkeitsstudie, die vom Biomasseverband OÖ auf Basis der Daten in den beiden bereits seit einigen Jahren bestehenden Holzgas-Pilotprojekten durchgeführt wurde. Die Studie ergab, dass sich der Einbau eines Holzvergasers unter bestimmten Voraussetzungen rechnet. Schlüsselkriterien sind Qualität, Verfügbarkeit und Preis des verwendeten Brennstoffes. Bereits 3,4 Mio. Tonnen Biomasse werden in Oberösterreich in privaten Haushalten, Industrie, Landwirtschaft und Gewerbe pro Jahr energetisch verwertet und dadurch rund 3,25 Mio. Tonnen CO 2 eingespart Arbeitsplätze werden in Oberösterreich durch Biomasse abgesichert. Die Landwirtschaft ist der regionale Energieversorger Nummer 1 bei Wärme und auch beim Strom wird die heimische Landwirtschaft in Zukunft eine bedeutende Rolle spielen. Mit 314 bäuerlichen Heizwerken in den oberösterreichischen Gemeinden beweisen die oberösterreichischen Landwirte, dass sie verlässliche Energieproduzenten sind. Die Energiewende ist damit auch von den Bäuerinnen und Bauern getragen. Max Hiegelsberger Agrar-Landesrat - 4 -

5 Wichtiger Schritt für die Energiewende Oberösterreich ist auf gutem Weg, Europas Kompetenzzentrum bei grünen Technologien zu werden. Die Biomassebranche ist einer der Bereiche, in denen wir es bereits geschafft haben oberösterreichische Unternehmen sind hier Weltmarktführer und die Biomasse ist der bedeutendste Energieträger innerhalb der Erneuerbaren. Nun gilt es für die Biomasse die Effizienz im Einsatz deutlich zu steigern, da dies die zentrale Herausforderung der Gegenwart und Energiezukunft sein wird. Durch die technologischen Weiterentwicklungen wird dies gelingen und die vorliegende Studie zeigt auf, wie Biomasse neben Wärme auch Strom erzeugen kann und dabei wirtschaftlichen Erfolg erzielt. Die Kraftwärmekopplung aus CO 2 -neutraler Biomasse ist ein zentraler Schlüssel bei der Bewältigung des zukünftigen regionalen und globalen Energiebedarfes. Der Biomassebereich stellt eine der größten Zukunftschancen für den oberösterreichischen Arbeitsmarkt und die heimischen Unternehmen dar, sich am weltweit wachsenden Markt zu etablieren. Damit wird ein wichtiger Schritt gegen die Abhängigkeit von fossilen Energieträgern hin zur Energiewende mit Erneuerbaren gesetzt! Rudi Anschober Umwelt- und Energielandesrat - 5 -

6 Dezentrale Energieerzeugung durch Biomasse-Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen Die Technologieentwicklung zur Effizienzsteigerung in Biomasse-Nahwärmeanlagen, zur Holzverstromung im kleinen Leistungsbereich und zur Speicherung von Energie ist für den Biomasseverband OÖ ein zentrales Anliegen. Strom als Energieträger gewinnt zunehmend an Bedeutung, daher sollte in Hinblick auf Ressourceneffizienz neben Wärme, wo technisch und wirtschaftlich möglich, auch Strom erzeugt werden. Als Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) bezeichnet man Stromerzeugungsanlagen die primär wärmegeführt betrieben werden. Das bedeutet Strom wird dann produziert wenn auch Wärme benötigt wird. Durch diese Betriebsweise sind hohe Gesamtwirkungsgrade der Anlagen erreichbar. Oberösterreich hat über 300 erfolgreiche, bäuerlich betriebene Heizwerke. Viele davon könnten zusätzlich mit einer KWK-Anlage Ökostrom erzeugen und dies mit geringem zusätzlichen Rohstoffbedarf. Wind, Wasser und Photovoltaik liefern zwar rohstoffunabhängige Energie, sind aber nicht immer verfügbar. Strom aus Biomasse ist ein zentraler Baustein der Energiewende und zur Versorgungssicherheit mit Energie. Mit Biomasse kann rund um die Uhr sowie 365 Tage im Jahr Strom produziert werden, auch wenn Wind, Sonne und Wasserkraft einmal Pause machen. Die Verstromung von Biomasse wurde in den vergangenen Jahren durch österreichische Firmen entscheidend weiterentwickelt, mit der Holzvergasung steht mittlerweile eine Technologie zur Verfügung mit der auch im kleineren Leistungsbereich, wie etwa bei Heizwerken, hohe Wirkungsgrade erzielt werden können. Die Technik ist schon lange entwickelt und mittlerweile auch zu wirtschaftlichen Konditionen am Markt erhältlich. Der Biomasseverband OÖ wird sich auch weiterhin dafür einsetzen, dass bäuerliche Anlagen-Betreiber eine entscheidende Rolle in der Energieversorgung der Zukunft spielen. Unsere Ziele lauten: regionale Wertschöpfung, Selbstversorgung, Selbstbestimmung, Absatzmöglichkeiten für landwirtschaftliche Nebenprodukte und Reststoffe, starke ländliche Regionen sowie enkeltaugliche Energieversorgung zum Wohle unserer Bevölkerung. Durch die steigenden Ölpreise, die schwindenden Energiereserven und oft mangelnden Netzausbau wird die dezentrale Energieversorgung mit Biomasse aus unseren regionalen Wäldern immer wichtiger. Ludwig Mayrhofer Obmann Biomasseverband OÖ Dipl.-Ing. Matthias Raschka Geschäftsführer Biomasseverband OÖ - 6 -

7 Den Rohstoff Holz so effizient wie möglich nutzen Die Nahwärme Antiesenhofen wurde im Jahre 1993 von 7 Antiesenhofener Bürgern gegründet und versorgt die Gemeinde Antiesenhofen nun schon seit 20 Jahren mit Wärme aus Biomasse. Inzwischen werden über 103 Objekte mit einer Gesamtanschlussleistung von kw mit Wärme versorgt. Dadurch werden mehr als 80 % der gesamten Heizleistung in unserer Gemeinde abgedeckt. Da unser zwanzig Jahre alter Biomassekessel nun auch schon in die Jahre kommt, müssen wir in nächster Zeit eine Entscheidung treffen mit welchen Technologien wir in den nächsten zwanzig Jahren unsere Wärme aus Hackschnitzel produzieren. Unser wichtigstes Ziel ist es natürlich den Rohstoff Holz als unseren Brennstoff so effizient wie möglich zu nutzen. Die Technologie der Holzvergasung wo nicht nur Wärme sondern als höherwertigere Energie auch noch Strom produziert werden kann ist seit ca. zwei Jahren von verschiedenen Erzeugern verfügbar. Außerdem ist die regionale Verfügbarkeit des dafür erforderlichen Brennstoffes Holz für uns von höchster Bedeutung. Diese wird in unserem Fall in erster Linie vom Maschinenring Innviertel garantiert. Um hier nun für uns und für alle anderen Heizwerksbetreiber in Oberösterreich eine optimale Entscheidungshilfe für die anstehenden Investitionen zu erhalten haben der Geschäftsführer des Maschinenrings Innviertel, Herr Paul Schmee und ich den Anstoß gegeben diese Studie zu erstellen. Durch die Unterstützung der Regionalmanagement OÖ GmbH, vertreten durch EMI Projektmanager Daniel Unterberger konnte im Mai letzten Jahres dem Biomasseverband OÖ der Auftrag für diese Studie gegeben werden. Die nun fertige Studie von Mag. (FH) Gerhard Uttenthaller wird uns bei unserer Entscheidungsfindung sicherlich von großem Nutzen sein. Georg Jodlbauer Geschäftsführer Nahwärme Antiesenhofen GmbH - 7 -

8 Bürgermeister Albert Ortig Vorsitzender Inn-Salzach Euregio Erneuerbare Energie stellt angesichts der ökologischen und ökonomischen Entwicklung das Gebot der Stunde dar. Mit dieser Studie beweist das Inn- und Hausruckviertel einmal mehr seine Vorreiterposition und trägt dazu bei, im ländlichen Raum eine weitestgehende Unabhängigkeit von fossiler Energie zu erreichen. Bürgermeister Albert Ortig Projektmanager Energiemodellregion Innviertel-Hausruck Daniel Unterberger MA. rer. nat. Regionalmanagement OÖ GmbH Heizwerksbetreiber im Inn- und Hausruckviertel und darüber hinaus können anhand dieser Studie in Zukunft besser abschätzen, welche Technologie für ihr Heizwerk gemäß dem Wirtschaftlichkeitsprinzip geeignet ist, um Restwärme optimal zu nutzen und neben Wärme auch Strom zu erzeugen. Daniel Unterberger MA. rer. nat

9 2 2.1 Einleitung Allgemeines zur Energie- und Umweltpolitik Oberösterreich hat sich im Bereich Energie mit der Ausarbeitung einer Strategie bis 2030 ambitionierte Ziele gesetzt. Das Energiekonzept Energiezukunft 2030 der Oberösterreichischen Landesregierung inkludiert auch die grundlegenden Ziele der EU. So stellen die Themen Energieeffizienz, Erhöhung des Anteils an erneuerbaren Energieträgern und Reduktion des Ausstoßes an Treibhausgasen gemeinsame Anliegen dar hat die OÖ Landesregierung die schrittweise Umstellung auf erneuerbare Energie in den Bereichen Strom und Wärme beschlossen. Jedes regionale Konzept trägt dazu bei, die nationalen Ziele zu erreichen. Das derzeit gültige Ökostromgesetz 2012 sieht einen Ausbau von fester Biomasse und Biogas von 100 Megawatt (MW) zwischen 2012 und 2015 vor. Bei Biogas ist derzeit kein großer Trend abzusehen, die Ausbaupotentiale sprechen deutlich für kleinere Biomasse- KWK-Anlagen. 2.2 Zwei Holzverstromungs-Pilotanlagen in Oberösterreich In Zusammenarbeit mit dem Land OÖ und dem Biomasseverband OÖ werden derzeit zwei Pilotprojekte mit 300 kw el und 30 kw el betreut. Die daraus gewonnenen Erfahrungen sind die Grundlage für etwaige Handlungsempfehlungen an die Politik. Die Holzvergaseranlage in Geiersberg mit 30 kw el hat bereits über Betriebsstunden und läuft zur vollsten Zufriedenheit. Die Anlage läuft wärmegeführt, das heißt, sie läuft nur dann wenn Wärme benötigt wird. Da mit dieser Anlage eine Trocknung betrieben wird, ist der Holzvergaser pro Jahr etwa Stunden im Einsatz. In der Holzvergaseranlage in Neukirchen an der Enknach mit 300 kw el sind die beiden Module mittlerweile in Vollbetrieb. Modul 1 ist bereits über Stunden und Modul 2 über Stunden in Vollbetrieb. Die Anlage wurde soweit angepasst und optimiert dass eine Auslastung von über 90 % erreicht wird. An dieser Anlage wurde viel Entwicklungsarbeit geleistet und Optimierungen während des Betriebes durchgeführt um diesen Holzvergaser zur Serienreife zu bringen. Seit ist eine neue Tarifverordnung in Kraft, die bessere Rahmenbedingungen bietet als bisher. Diese Rahmenbedingungen sind der Knackpunkt für einen wirtschaftlichen Betrieb derartiger Anlagen und sind für die Realisierung weiterer Anlagen entscheidend. 2.3 Aufgabenstellung und Ziele In Oberösterreich werden mehr als 300 Biomasse-Nahwärmeanlagen betrieben (siehe Abbildung 1, darüber hinaus größere Einzelanlagen und Wärmeerzeuger für Prozesswärme. Zahlreiche Anlagen sind für die Integration eines KWK-Moduls geeignet. Diese Studie soll einen Leitfaden für Anlagenbetreiber, größere Energieverbraucher, Planer und in Energieprojekte involvierte Personen darstellen. Es ist ein Leitfaden zur groben Abschätzung der KWK-Tauglichkeit eines Heizwerkes, zur Beurteilung der Wirtschaftlichkeit sowie zur Auswahl der passenden Technologie. Zu diesem Zweck wurden verschiedene am Markt erhältliche Anlagen mit entsprechenden Referenzen in die Betrachtungen einbezogen. Die Listung der Anlagen erhebt keinen - 9 -

10 Anspruch auf Vollständigkeit. Betrachtet wurden Verstromungstechnologien für Heizwerke mit einer Anschlussleistung von ca. 300 bis kw, da diese Größenordnungen typisch für heimische Nahwärmeanlagen sind. Auch technologisch ist diese Bandbreite ideal, da ab 5 MW andere Verstromungstechnologien wie die Dampfturbine oder der Organic Rankine Cycle (ORC)-Prozess zur Anwendung kommen und dieser industrielle KWK-Maßstab für heimische Heizwerke kaum relevant ist. Dieses Papier soll keine Literaturstudie darstellen, sondern ein praxisbezogenes Werkzeug! Beispielhaft wird dieser Vorprojektierungsprozess an der Nahwärme Antiesenhofen GmbH dargestellt, mit dem Ergebnis einer genauen Analyse und konkreten technischen Empfehlungen. Abbildung 1: 311 bäuerliche (grün) und gewerbliche (rot) Biomasseheizanlagen in Oberösterreich (Stand 2013), Quelle: Amt der Oö Landesregierung

11 3 3.1 KWK-Technologien Holzvergasung Geschichte Die Technologie der Holzvergasung geht zurück bis Ende des 19. Jahrhunderts. Angelehnt an die Technik von Hochöfen wurden erste Gasgeneratoren entwickelt, die in großvolumigen Stationärmotoren Biomasse in Bewegungsenergie umwandelten. Die ersten Gasgeneratoren mit Verbrennungsmotor entstanden 1884 in England. Meist wurden mit diesen Motoren Transmissionsbänder angetrieben, erst später kamen elektrische Generatoren zum Einsatz. Ab ca konnten Industriebetriebe Sauggasanlagen, also Vergaseranlagen mit Verbrennungsmotor als Serienprodukt kaufen. In den 1920er Jahren begann man mit der Fertigung von mobilen Anwendungen, getrieben durch die mangelnde Verfügbarkeit von fossilen Flüssigkraftstoffen in den Kolonien von Frankreich, England und Italien. In den 1930ern gewann diese Technologie an Fahrt. Im zweiten Weltkrieg wurden Millionen PKWs, LKWs und Traktoren auf Gasgeneratoren umgerüstet. Selbst Lokomotiven und Schiffe wurden mit Gas aus Holz, Kohlebrennstoffen und Torf betrieben. Abbildung 2 zeigt einen Henschel-LKW Typ 5 D 2, betrieben mit einem Holzvergaser der Firma Menck aus den 1930er Jahren. Der Opel Kadett in Abbildung 3 stammt aus den 1970er Jahren und wurde mit einem Wisco-Vergaser aus dem Jahr 1947 ausgerüstet. Abbildung 2: Holzgas-LKW, Quelle: Menck und Hambrock Archiv

12 Abbildung 3: Opel-Kadett mit einem Wisco-Vergaser aus dem Jahr 1947, Quelle: In den 90ern des vorigen Jahrhundert wurde die Technologie wieder aufgegriffen. Strenge Emissionsgrenzen und Sicherheitsauflagen sowie die Notwendigkeit höchster Wirkungsgrade stellen sehr hohe technische Anforderungen. In den letzten Jahren entwickelten sich einige Unternehmen, die (vor-)serienreife Anlagen anbieten können. Technologie Wird Holz erhitzt, spalten sich die Bestandteile des Holzes, (Hemi-)Zellulose und Lignin, in kurzkettige Bestandteile auf. Diese kleineren Kohlenwasserstoffe sind brennbar. Wenn man ein Streichholz abbrennen lässt, kann man erkennen, dass die Flamme vor dem Erlöschen über dem Streichholz brennt. Verkohlt man Holz unter Sauerstoffmangel, entstehen diese brennbaren Gase, ohne dabei zu verbrennen. Diese Gase können nun in einem Kolbenmotor in Bewegungsenergie und Wärme umgewandelt werden. In Anlagen kleiner und mittlerer Leistung kommt fast ausschließlich das System der Festbettvergasung zum Einsatz, die Anlagen werden meist als absteigender Gleichstromvergaser konzipiert (siehe Abbildung 4)

13 Abbildung 4: Schematische Darstellung eines Holzgaserzeugers, Quelle: Biomasseverband OÖ Das Hackgut wird mit einer Schnecke eingetragen, vorher durchläuft der Materialstrom ein Schleusensystem, um ein Rückströmen von Holzgas in die Hackgutaustragung zu verhindern. Im oberen Bereich des Vergasers wird das restliche Wasser im Hackgut ausgetrieben, es herrschen Temperaturen bis 250 C. Nach der Trocknungszone gelangt der Brennstoff in die Pyrolysezone. Die vorherrschende Hitze von bis zu 800 C spaltet das Holz in brennbare Gase, Essigsäure, langkettige Kohlenwasserstoffe (Teer) und andere unerwünschte Begleitgase. In der Oxidationszone entsteht die nötige Temperatur für den Vergasungsprozess. Über Düsen wird das Vergasungsmittel (meist Luft) gleichmäßig über den gesamten Querschnitt eingebracht. Durch den eingebrachten Sauerstoff wird ein Teil des Holzes verglüht, es entstehen Temperaturen von ca C. Bei dieser Temperatur werden langkettige und unerwünschte Gasbestandteile aufgespalten. Es entstehen Kohlenmonoxid, Wasserstoff und Methan neben dem prozessbedingten Inertgas Kohlendioxid und mitgetragenem Luftstickstoff. Die Oxidationszone befindet sich in einer Einschnürung, sodass der gesamte Brennstoff diese enge Hochtemperaturzone passieren muss

14 Über dem Rost befindet sich die Reduktionszone mit Temperaturen von bis zu C, hier wird CO 2 zu Kohlenmonoxid und Sauerstoff aufgespalten, sowie Wasserdampf zu Wasserstoff und Sauerstoff. Der Rost ist beweglich ausgeführt, steigt der Unterdruck im Vergaser an, bewegt sich der Rost, um Asche auszutragen. So wird ein kontinuierlicher Entgasungsprozess gewährleistet. Das staub- und aschebeladene Gas verlässt den Gaserzeuger mit einer Temperatur von 450 bis 600 C. Das Holzgas besteht zu fast 60 % aus den nicht brennbaren Bestandteilen (Luft-)Stickstoff und Kohlendioxid und aus den brennbaren Komponenten Kohlenmonoxid, Wasserstoff und Methan (siehe Abbildung 5). Der Energiegehalt liegt bei ca. 1,4 kwh/m³, das entspricht etwa einem Viertel des Energiegehaltes von Erdgas. Bei Verwendung von Dampf als Vergasungsmittel ist der Stickstoffanteil sehr gering und der Wasserstoffanteil viel höher, solche Wassergasanlagen werden jedoch erst bei Anlagen im Megawattbereich eingesetzt. Abbildung 5: Zusammensetzung von Holzgas, Quelle: Biomasseverband OÖ

15 Das heiße und verunreinigte Gas wird meist in einem Zyklonfilter (siehe Abbildung 6) von gröberen Staubpartikeln befreit. Im Zyklonfilter wird durch Fliehkraft aus dem beschleunigten Gasstrom Staub abgeschieden und gesammelt. Abbildung 6: Funktion eines Zyklonfilters, Quelle: Biomasseverband OÖ Das vorgereinigte Gas muss anschließend gekühlt werden. Der Energiegehalt ist relativ niedrig, umso wichtiger ist es, kühles und somit dichteres Gas in den Motor zu saugen. Meist kommen dafür Doppelrohr-Wärmetauscher zum Einsatz (siehe Abbildung 7 und Abbildung 8). Abbildung 7: Funktion eines Doppelrohr-Wärmetauschers, Quelle: Biomasseverband OÖ

16 Oft wird das Holzgas beispielsweise mit Brunnenwasser noch weiter abgekühlt und mit einer Temperatur von unter 30 C vom Motor angesaugt. Etwa 10 % der thermischen Leistung einer Holzgasanlage können aus der Gaskühlung ausgekoppelt werden. Das gekühlte Gas ist jedoch noch verunreinigt, die feinen Staubpartikel können durch einen Zyklonabscheider nicht ausreichend entfernt werden. Abbildung 8: Doppelrohr-Wärmetauscher, Quelle: Liebler & Löw GmbH Meist kommen zur Reinigung des Gases Gewebefilter zum Einsatz. Diese bestehen aus einem temperaturbeständigen Gewebe, das entweder als Sack oder als Filterkerzen ausgeführt ist. Das Gas muss durch dieses Gewebe strömen, die Staubpartikel bleiben hängen. Durch Druckstöße wird das Gewebe in regelmäßigen Abständen oder unterdruckgesteuert abgereinigt. In manchen Fällen kommt zusätzlich ein sogenanntes Precoatmittel zum Einsatz. Dieses Mittel, meist Kalk, wird auf das Filtergewebe aufgebracht, damit möglicherweise vorhandene Teere durch das Precoatmittel gebunden werden und nicht das Gewebe verkleben. In Einzelfällen werden Gaswäscher eingesetzt (siehe Abbildung 9). Das Gas durchströmt eine Wäscherkolonne. Dabei wird Wasser oder Biodiesel als Reinigungsmittel eingesprüht, welches Stäube und Teere bindet. Das Wäschermedium wird im Kreislauf geführt. Sobald es mit Verunreinigungen gesättigt ist wird das Wäschermedium gewechselt. Seltener wird das Gas durch Biofilter oder ähnliche Filtermedien geführt

17 Abbildung 9: Abgaswäscher, Quelle: VUM Verfahrenstechnik Ist der Vergasungsprozess optimal ausgelegt und weist der Brennstoff die erforderliche Qualität auf, findet man mit Heißgasfiltern das Auslangen. Komplizierte Reinigungstechnik weist oft auf einen schlecht dimensionierten Vergaser hin, die Folge ist teerbelastetes Gas, das einer komplizierten Reinigung bedarf

18 Abbildung 10: Schema einer Holzgasanlage, Quelle: C.A.R.M.E.N. e.v. Das so gereinigte Gas kann nun dem Motor (Abbildung 11) zugeführt werden. In einem Mischungsverhältnis von 1:1,1 werden Holzgas und Verbrennungsluft gemischt und mit oder ohne Abgasturbolader von den einzelnen Zylindern angesaugt. Zum Einsatz kommen aufgrund des niedrigen Energiegehaltes großvolumige Motoren mit einer Nenndrehzahl von ca Umdrehungen pro Minute (UpM)

19 Abbildung 11: MAN-Holzgas-BHKW, Quelle: Biomasseverband OÖ Ein Generator wandelt die Drehbewegung in elektrischen Strom um, die thermische Energie aus Kühlerwasser und Abgasstrom wird durch Wärmetauscher entnommen und ausgekoppelt. Die elektrischen Wirkungsgrade liegen, bezogen auf den eingesetzten Brennstoff, bei 23 bis 27 %, der Gesamtwirkungsgrad bei 75 bis 82 %. Theoretisch können auch Gasturbinen verwendet werden, im kleinen und mittleren Leistungsbereich weisen jedoch Kolbenmotoren einen deutlich besseren elektrischen Wirkungsgrad auf und werden somit von jedem Hersteller eingesetzt Speicherung von Holzgas zur Spitzenstromproduktion Der Prozess der Holzvergasung läuft meist im Unterdruck, das heißt das Blockheizkraftwerk (BHKW) saugt die zur Vergasung benötigte Luftmenge und das dadurch entstehende Holzgas durch die gesamte Anlage. Manchmal wird der Vergaser selbst bis zum Filter im leichten Überdruck (einstelliger Millibarbereich) betrieben. Durch dieses Durchsaugen werden auch Gasmenge und Leistung geregelt. Eine Speicherung ist deshalb technisch gesehen kontraproduktiv. Auch sicherheitstechnisch ist die Speicherung schwierig: Das durch den hohen CO-Anteil für den Menschen giftige Gas müsste in einem Gassack diffusionsdicht gelagert werden. In der Anlage ist das Gas mit Unterdruck in einem dichten, geschossenen Rohrsystem und hat deshalb kaum Chancen, auch nur in geringen Mengen zu entweichen

20 Holzgas ist ein Schwachgas, der Energiegehalt liegt lediglich bei ca. 1,4 kwh/m³, mögliche Speicher müssten sehr groß dimensioniert sein, um nennenswerte Energiemengen zu speichern. Ein Speicher würde zum einen viel Platz in Anspruch nehmen und zum anderen sehr teuer sein. Bei der Speicherung entmischt sich das Holzgas, schwerere Gase wie Kohlendioxid lagern sich unten im Speicher ab, leichtere Gase wie Methan oder Wasserstoff sammeln sich im oberen Bereich. Der eigentliche Energiespeicher ist das Holz selbst. Für die Bereitstellung von Spitzenstrom oder Regelenergie könnten Holzgasanlagen nach Anforderung im Stromnetz in Betrieb genommen und abgeschaltet werden, wobei in technischer Hinsicht Dauerbetrieb vorteilhafter ist. Abbildung 12: Holzgas-Pionier Hans Wurhofer zeigt gespeicherte Sonnenenergie in Reinform; Quelle: Biomasseverband OÖ

21 3.2 Der Organic Rankine Cycle (ORC)-Prozess Der ORC-Prozess ist vom Prinzip ähnlich der klassischen Dampfturbine. In einem Biomassekessel wird ein Wärmeträgermedium erhitzt. Anstatt dem Medium Heißwasser wird Thermoöl verwendet, der Kessel wird mit ca. 300 C betrieben. Da Thermoöl bei diesen Temperaturen noch flüssig ist entsteht kein nennenswerter Überdruck im System, der Betrieb fällt nicht unter das Dampfkesselgesetz und somit ist kein Dampfkesselwärter notwendig. Voraussetzung ist natürlich eine anspruchsvolle Isolierung des Kessels. Abbildung 13 beschreibt das Prinzip des ORC-Prozesses. Abbildung 13: Prinzipschema ORC-Modul, Quelle: Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT Das heiße Thermoöl erhitzt und verdampft ein Arbeitsmedium, das die Turbine antreibt. Bei biomassebetriebenen ORC-Anlagen ist das meist Silikonöl. Dieses Arbeitsmittel weist günstigere Verdampfungseigenschaften bei niedrigeren Temperaturen und Drücken auf als Wasserdampf. Die Turbine, eine Sonderturbine die an die Eigenschaften des Arbeitsmittels angepasst ist (spezifische Wärmekapazität und Dichte), treibt direkt ohne Zwischengetriebe einen Generator an. Das entspannte Arbeitsgas wird wieder kondensiert, wobei die Hitze ausgekoppelt und in das Fernwärmenetz eingespeist wird. Der Prozess läuft im Kreis. Das Rauchgas verlässt den Thermoöl-Wärmetauscher mit einer Temperatur von ca. 280 C. Durch einen nachgeschalteten Heißwasser-Wärmetauscher und meist einer Luftvorwärmung wird die Abgastemperatur auf ca. 160 C gesenkt und die Wärme in das Fernwärmenetz abgegeben. Abbildung 14 zeigt eine schematische Darstellung des ORC-Prozesses

22 Abbildung 14: Schema des ORC-Prozesses, Quelle: Biomasseverband OÖ Der elektrische Wirkungsgrad liegt netto bei ca. 15 % und somit deutlich niedriger als bei Vergasungsanlagen. Der wesentliche Vorteil von ORC-Prozessen ist die gute Teillastfähigkeit. Die Turbine kann bis auf 10 % ihrer maximalen Leistung heruntergefahren werden und weist dabei einen nur wenig schlechteren Wirkungsgrad gegenüber eines Volllastbetriebes auf. Eine ORC-Turbine bietet damit die Möglichkeit, mit einem Ganzjahreskessel betrieben zu werden. Die Leistung der am Markt angebotenen Turbinen beginnt bei ca. 600 kw elektrischer Leistung, in jüngster Zeit werden auch kleinere Anlagen entwickelt. Ebenso werden Niedertemperatur-ORC-Anlagen angeboten, die aus dem Abgasstrom von KWK-Anlagen Strom gewinnen. In Erprobung sind ebenfalls Heißwasser-ORC-Turbinen mit einer Vorlauftemperatur von unter 100 C. Dies wird durch spezielle Arbeitsmedien realisiert, allerdings bei sehr bescheidenen elektrischen Wirkungsgraden. Abbildung 15 zeigt ein fertig installiertes ORC-Modul

23 Abbildung 15: ORC-Modul, Quelle: Alternativ gibt es die Möglichkeit, das Rauchgas direkt ohne vorgeschalteten Wärmetauscher aus dem Kessel zu verwenden und damit einen eigenen Thermoölkreislauf zu betreiben. Nach dem ORC-Prozess sorgt ein Heißwasser-Wärmetauscher für die Wärmeauskopplung in das Fernwärmenetz. Diese Variante wird von der Firma Meavota mit einer elektrischen Netto-Nennleistung von 6 kw angeboten. Hohe Wirkungsgrade sind erst bei großen Leistungen zu erwarten, für Biomasse-Nahwärmeanlagen im Leistungsbereich bis ca. 3 MW wird die ORC-Turbine mittelfristig wohl eher eine Randerscheinung sein

24 3.3 Dampfanwendungen Die Verwendung von Dampf für Antriebe oder den Betrieb von elektrischen Generatoren ist eine der ältesten Technologien und geht auf die Erfindung der ersten funktionsfähigen Dampfmaschine von Thomas Newcomen im Jahr 1712 zurück. In der heutigen Zeit sind in erster Linie hochmoderne Dampfturbinen mit elektrischen Wirkungsgraden bis über 40 % im Einsatz. Die Leistungsbereiche der Dampfturbine beginnen bei ca. 500 kw, jedoch mit deutlich geringeren Wirkungsgraden als bei großen Turbinen. Die Bandbreite reicht bis über MW. Zur Verstromung von Biomasse werden meist Turbinen ab ca kw elektrischer Leistung eingesetzt. Abbildung 16: Dampfturbine mit 400 MW elektrischer Leistung, Quelle: Biomasseverband OÖ Dabei wird in Dampfkesseln Wasserdampf mit 450 bis 550 C und einem Druck von bis zu 100 bar erzeugt, in der Turbine (siehe Abbildung 16) wird der Druck an Schaufelräder abgegeben. Am Ende wird der Dampf kondensiert und die Wärme ausgekoppelt. Im für Biomasse üblichen Leistungsbereich liegt der Jahresnutzungsgrad zwischen 18 und 30 %. Für typische Nahwärmeanalgen ist die Dampfturbine aufgrund der üblichen thermischen Grundlast nicht die geeignete Technologie. Die kleinsten Dampfturbinen liegen bei einer elektrischen Leistung von ca. 50 kw, in diesem Leistungsbereich sind jedoch beispielsweise Vergaseranlagen günstiger und effizienter

25 Dampftechnologien, die im kleinen Leistungsbereich zum Einsatz kommen, sind Dampfkolbenmotoren und Dampfschrauben. Beim Dampfkolbenmotor (siehe Abbildung 17) bewegt der Dampfdruck wie bei einem klassischen Verbrennungsmotor Kolben, über Steuerschieber oder Ventile werden die Takte des Motors gesteuert. Die Hubbewegung der Kolben wird auf eine Kurbelwelle und letztendlich auf einen Generator übertragen. Abbildung 17: Funktionsweise eines Dampfkolbenmotors, Quelle: Biomasseverband OÖ Beim Dampfschraubenmotor bewegt der Dampfdruck gegenläufige Schneckenräder. Der Effekt ist genau umgekehrt wie bei einem Schraubenverdichter in der Drucklufttechnik. Dampfdruck kann fast beliebig in Bewegung und somit Leistung umgesetzt werden, letztendlich ist der Wirkungsgrad das entscheidende Kriterium, ob eine Technologie in der Praxis zum Einsatz kommt oder nicht

26 Abbildung 18: Dampfschraubenmotor, Quelle: Recuperation e.u. Zwei marktverfügbare Dampfanwendungen Dampfschraubenmotor und Dampfkolbenmotor werden in Kapitel 5 vorgestellt

27 4 Hackguttrocknung KWK-Anlagen auf Basis der Holzvergasung erfordern hochqualitatives Hackgut mit einem Wassergehalt von ca. 10 %. Der Brennstoff muss folglich, meist mittels Abwärme des BHKW, vorgetrocknet werden. Im Folgenden werden technische Möglichkeiten zur Hackguttrocknung und deren Kosten dargestellt. 4.1 Lochrosttrocknung Bei der Lochrosttrocknung werden Kanäle betoniert oder mittels einer massiven Holzkonstruktion errichtet. Über diese Luftkanäle werden befahrbare Lochroste eingelegt. Abbildung 18 zeigt eine Trockenbox mit Lochrosten. Die rautenförmige Ausführung der Löcher verhindert weitgehend ein Verstopfen. Anstatt des Lochrostes können auch Betonspalten eingesetzt werden. Ein Gebläse mit Wasser-Luft-Wärmetauscher bläst erwärmte Luft durch diese Kanäle und somit durch die Lochroste, diese dringt durch das aufgeschüttete Hackgut, nimmt die Feuchtigkeit auf und strömt nach oben aus. Abbildung 19: Lochrosttrocknung, Quelle: Biomasseverband OÖ Das Gebläse hat üblicherweise eine Leistungsaufnahme zwischen 5 und 8 kw, es empfiehlt sich der Einsatz eines Frequenzumrichters, um die Drehzahl in Abhängigkeit des Wassergehaltes bzw. Restwassergehaltes regeln zu können. Mit abnehmendem Wassergehalt steigt auch der Energieaufwand, da die Wassersättigung der Trocknungsluft beim Austritt des Hackgutes sinkt. Diesem Umstand kann durch Reduktion der Gebläsedrehzahl entgegengewirkt werden. Der Frequenzumrichter kann auch über einen Luftfeuchtesensor angesteuert werden, der automatisch bei sinkendem Sättigungsgrad die Drehzahl reduziert

28 Bei Trockenkammern unter Holzdachstühlen empfiehlt sich dringend eine Verkleidung mit wasserdichten Planen, da das kondensierende Wasser auf Dauer den Dachstuhl schädigt. Um ein Herabregnen des Kondensats zu verhindern können Lüfter mit geringer Leistung in die Außenhaut des Daches integriert werden, um die wassergesättigte Luft abzutransportieren. Die Schütthöhe bei Hackgut sollte zwei Meter nicht überschreiten, da sonst das ausgetriebene Wasser teilweise in der obersten Schicht wieder kondensiert und erneut ausgetrieben werden muss. Der Energieverbrauch liegt bei ca. 1,7 kwh pro Liter zu verdunstendes Wasser und bei ca. 0,06 kwh Strom pro Liter Wasser. Bei Fichtenhackgut mit einem Wassergehalt von 35 % und einer Trocknung auf 10 % Wassergehalt müssen 85 kwh Wärme und 3,6 kwh Strom pro Schüttraummeter eingesetzt werden Solare Hackguttrocknung Auch die Sonne kann zur Trocknung von Hackgut genutzt werden. In der Übergangszeit und in den Sommermonaten kann durch solare Wärme Hackgut für eine Holzvergaseranlage vorgetrocknet werden. In dieser Zeit ist Trocknung durch relativ hohe Umgebungstemperaturen und geringe Luftfeuchtigkeit besonders effizient. Bei der solaren Trocknung wird Luft über Kollektoren durch Sonneneinstrahlung erwärmt und in das zu trocknende Hackgut eingebracht. Abbildung 20 zeigt diese Kollektoren und Trockenboxen. Das Hackgut wird mit einer Schütthöhe von ca. 50 cm auf einen schrägen Lochrost aufgebracht. Mit geringer Gebläseleistung wird die erwärmte Luft durch die Lochroste in das Hackgut eingebracht. Mit einer Kollektorfläche von 60 m² können etwa Schüttraummeter Hackgut pro Jahr getrocknet werden. Der Trocknungsvorgang auf 15 % Wassergehalt dauert pro Charge etwa zwei bis drei Wochen, Wenden des Materials verkürzt die Trocknungsdauer. Pro Schüttraummeter Hackgut werden je nach Eingangsfeuchte und Feinanteil etwa 1,5 bis 3 Kilowattstunden Strom benötigt. Die Firma Cona Entwicklungs- und Handelsges.m.b.H. aus Ried im Traunkreis bietet diese Trocknungssysteme an. Abbildung 21 zeigt den schräg gestellten Lochrost einer solaren Trocknungsanlage

29 Abbildung 20: Solare Hackguttrocknung; Quelle: CONA Entwicklungs- u. Handelsges.m.b.H. Abbildung 21: Schräg gestellter Lochrost einer Solaren Trocknungsanlage, Quelle: CONA Entwicklungs- u. Handelsges.m.b.H

30 4.2 Anhängertrocknung Bei der Anhängertrocknung wird dasselbe Prinzip wie bei der Lochrosttrocknung angewandt. Der Anhänger (siehe Abbildung 22) verfügt über einen doppelten Boden, wobei der obere Boden als Lochblech ausgeführt ist. Zwischen diese beiden Böden wird warme Luft geblasen. Das frische Holz wird auf den Anhänger gehackt und unmittelbar nachher getrocknet. Nach dem Trocknungsvorgang wird das Hackgut ins Trockenlager gekippt. Der Energieaufwand unterscheidet sich kaum von der klassischen Lochrosttrocknung. Der Boden des Anhängers bzw. Kippers sollte isoliert werden. An den Bordwänden ist während des Trocknungsvorganges kaum eine Erwärmung feststellbar. Abbildung 22: Anhängertrocknung; Quelle: Biomasseverband OÖ

31 4.3 Containertrocknung Analog zur Trocknung in Anhängern kann das Hackgut in Containern, idealerweise Hakenliftcontainern, getrocknet werden. Handhabung und Energieaufwand entspricht der Anhängervariante. Diese Container (siehe Abbildung 23) haben ein Fassungsvermögen von ca. 35 m³. An der Hinterseite werden Luftschläuche angeschlossen, durch die vorgewärmte Luft in den doppelten Boden (siehe Abbildung 24) geblasen wird. Je nach Fassungsvermögen kommen dabei Gebläse mit 2,5 bis 15 kw zum Einsatz. Abbildung 23: Trocknungscontainer, Quelle: Hadwiger Productions GmbH

32 Abbildung 24: Doppelter Boden eines Trocknungs-Containers, Quelle: Hadwiger Productions GmbH Für alle Trocknungsvarianten gilt, dass das Gebläse drehzahlgeregelt (Frequenzumrichter) eingesetzt werden soll. Dadurch kann die Lüfterleistung dem benötigten Volumensstrom angepasst werden. Speziell in der letzten Phase der Trocknung, wenn die Luft nur mehr mit geringen Sättigungsgraden das Trockengut verlässt, kann die Drehzahl deutlich reduziert werden. Es empfiehlt sich, ein Hygrometer im Bereich des Luftaustritts zu installieren, das den Frequenzumrichter ansteuern kann. 4.4 Weitere Trocknungstechniken Als weitere Möglichkeiten sind Durchlauftrockner, Schubwendetrockner, Trommeltrockner und Silotrockner zu nennen. Da hierfür jedoch relativ hohe Investitionskosten anfallen und ein wirtschaftlicher Betrieb eine hohe Auslastung erfordert, finden diese Trocknungsarten in dieser Studie keine gesonderte Berücksichtigung. Bei KWK-Anlagen, bei denen (Lohn-) Trocknung als Wärmekonzept im Vordergrund steht, ist eine eingehende Beschäftigung mit dieser Thematik ohnehin unumgänglich

33 5 5.1 Marktverfügbare Anlagen Hersteller Urbas Maschinenfabrik GmbH Unternehmen Die Firma Urbas besteht seit 1929 und ist im Bereich Stahlbau, Stahl-Wasserbau und Energietechnik tätig. Vor allem mit Biomasse-Großkesselanlagen hat sich die Firma Urbas bei Heizwerksbetreibern einen Namen gemacht. Über Anlagen wurden in den letzten 20 Jahren im In- und Ausland errichtet. KWK-Anlagen auf Basis des ORC-Prozesses werden schon länger gebaut, seit wenigen Jahren ist die Holzgasanlage mit einer elektrischen Leistung von 150 kw am Markt Anlage Die Anlage verfügt über eine elektrische Leistung von 150 kw und eine thermische Leistung von 300 kw. Abbildung 25 zeigt den Aufbau einer Urbas-Holzvergaseranlage: Abbildung 25: Urbas Holzvergasungsanlage, Quelle: Urbas Maschinenfabrik GmbH Der Prozess ist nach dem Verfahren der absteigenden Gleichstromvergasung ausgelegt. Der Brennstoff und das Vergasungsmittel Luft werden im Gleichstrom eingebracht, Gas und Asche werden unten abgezogen. Die Beschickung in den Vergaser erfolgt über einen Schubboden und ein Förderband. Ein Schleusensystem verhindert den Gasaustritt im Bereich der Beschickung. Die Vergasung erfolgt im Unterdruck, das heißt, dass kein Vordruckgebläse im Einsatz ist. Über einen Heißgasfilter in Form von kerzenförmigen Gewebefiltern wird das Gas von Asche und Verunreinigungen befreit. Damit die Filterkerzen nicht verkleben wird Kalk als Precoatmittel verwendet. Nach der Reinigung wird das noch ca. 350 C heiße Holzgas durch Doppelrohrwärmetauscher und einen Nachkühler (Wärmepumpe oder Grundwasserkühlung) auf unter 30 C abgekühlt. Ein Funktionsschema ist in Abbildung 26 ersichtlich

34 Abbildung 26: Urbas Holzvergasungsanlage, Quelle: Urbas Maschinenfabrik GmbH Als BHKW kommt ein 21,9 Liter MAN V12 Motor mit Abgasturbolader zum Einsatz. Ein Asynchrongenerator wandelt die mechanische Energie in elektrischen Strom um. Seit 2013 werden die Holzgasanlagen der Firma Urbas in einem Leistungsspektrum von 79 kw el /150 kw th bis 250 kw el /370 kw th angeboten kommt eine Anlage mit 20 kw el und 40 kw th auf den Markt Brennstoff Die Anlage benötigt sehr gut aufbereiteten Brennstoff. Ideal ist Hackgut G100 in möglichst gleichmäßiger Stückigkeit ohne Feinanteil, da sonst im Vergaser zu viel Unterdruck entsteht. Das Hackgut bzw. Stückgut muss eine Feuchtigkeit zwischen 10 und 15 % aufweisen. Auch bei diesem Anlagentyp ist eine kompromisslose Brennstoffqualität der Schlüssel zu guten Betriebsergebnissen. Handelsübliches Hackgut kann nicht eingesetzt werden!

35 5.1.2 Cleanstgas GmbH Unternehmen Die Cleanstgas GmbH ist ein Joint Venture aus den Unternehmen KWB (Kraft und Wärme aus Biomasse) Biomasseheizungen und Ebner Industrieofenbau GesmbH. Ebner Industrieofenbau in Oberösterreich ist Weltmarktführer bei Wärmebehandlungsöfen in der Metallindustrie und beschäftigt 700 Mitarbeiter. KWB aus St. Margareten in der Steiermark fertigt seit 1994 Stückgut-, Hackgut- und Pelletsfeuerungen und beschäftigt 380 Mitarbeiter. Cleanstgas wurde 2008 gegründet und lieferte 2013 die ersten beiden Anlagen aus Anlage Die Anlage verfügt über eine elektrische Bruttoleistung von 250 kw und eine thermische Leistung von 430 kw. In Abbildung 27 ist eine Komplettanlage ersichtlich. Abbildung 27: Cleanstgas Holzvergasungsanlage, Quelle: Cleanstgas GmbH Im Gegensatz zu den anderen vorgestellten Vergasern arbeitet das System Cleanstgas in drei Stufen: In einer Pyrolysezone wird der Brennstoff mittels Abgashitze aus dem BHKW vergast. Das entstandene Pyrolysegas wird im Anschluss teiloxidiert um die erforderlichen Temperaturen für eine saubere Vergasung zu erreichen. In einer dritten Stufe, der Reduktionsstufe, werden wie in der Reduktionszone bei klassischen Gleichstromvergasern, Wasserdampf und Kohlendioxid (CO 2 ) zu den brennbaren Gasen Wasserstoff (H 2 ) und Kohlenmonoxid (CO) reduziert. In diese Zone wird dazu auch der Koks aus der Pyrolyse gefördert. Das entstandene, sehr reine Holzgas wird über einen Zyklonfilter grobentstaubt, gekühlt und in einem Gewebe-Staubfilter gereinigt. Der Wasserdampf wird auskondensiert und das fertige Holzgas bei einer Temperatur von ca. 45 C von einem Gasmotor verstromt. Die Restwärme aus der Pyrolyse, die Wärme der Gaskühlung und die Wärme aus dem Kühlerwasser des Motors werden ausgekoppelt. Das System bietet den Vorteil, dass bereits nach dem Vergasungsprozess sehr reines Holzgas zur Verfügung steht. Die beschriebene Funktionsweise zeigt auch Abbildung

36 Abbildung 28: Schema der Cleanstgas Holzvergasungsanlage, Quelle: Cleanstgas GmbH Brennstoff Durch die gestufte Vergasung kann übliches Hackgut P45 bis P63 (G30 bis G50 nach der alten, nicht mehr gültigen ÖNORM M7133) mit einem Wassergehalt von bis zu 30 % verarbeitet werden. Natürlich empfiehlt sich auch hier, Hackgut guter Qualität zu verwenden. Eine Aufbereitung gewissenhaft produzierten Hackguts, das heißt Abscheidung des Feinanteils und Trocknung, ist bei dieser Anlage nicht notwendig

37 5.1.3 Holzenergie Wegscheid GmbH Unternehmen Die Holzenergie Wegscheid GmbH ist ein kleines Unternehmen mit elf Mitarbeitern im bayerischen Wegscheid, unmittelbar an der Grenze zu Oberösterreich (bei Kollerschlag). Das Unternehmen baut seit mehreren Jahren Holzgasanlagen im Leistungsbereich von 125 kw el. Die Anlage wird in Wegscheid entwickelt und auch gebaut, bislang wurden zwölf Anlagen vor allem nach Deutschland und Italien ausgeliefert Anlage Der Vergaser arbeitet nach dem Prinzip der Gleichstrom-Vergasung. Das Vergasungsmittel Luft und der Brennstoff werden von oben eingebracht, das Holzgas und die Asche unten entnommen. Die Beschickung des Vergasers erfolgt durch eine Schnecke und ein System mit zwei Schleusen, um das Eindringen von Holzgas in die Beschickung zu verhindern. Gesteuert wird die Beschickung über einen Füllstandsensor im Vergaser. Abbildung 29 zeigt die Holzvergasungsanlage der Firma Holzenergie Wegscheid GmbH Abbildung 29: Vergasungsanlage der Holzenergie Wegscheid, Quelle: Holzenergie Wegscheid GmbH Der Vergaser wird im Unterdruck betrieben. Das Gas wird nach einem Zyklonfilter durch einen Heißgasfilter mit 16 Edelstahl-Filterkerzen geleitet. Anschließend erfolgt die Kühlung des Gases durch einen Doppelrohr-Wärmetauscher. Alternativ kann die Temperatur des Gases durch Luftkühlung für den Trocknungsprozess verwendet werden. Vor dem Motor befindet sich eine Polizeifilter, um mögliche Unreinheiten vor der Verstromung zu entfernen

38 Das BHKW stammt von der Firma MTU, der Motor, ein V12 mit 22 Liter Hubraum, stammt von MAN. Das im Saugbetrieb laufende BHKW liefert eine elektrische Leistung von 125 kw und eine thermische Leistung von 260 kw bei UpM. In Abbildung 30 ist die schematische Darstellung des Gleichstrom-Vergasers der Holzenergie Wegscheid GmbH zu sehen. Abbildung 30: Schema der Vergasungsanlage der Holzenergie Wegscheid, Quelle: Holzenergie Wegscheid GmbH Anlagen in der Praxis haben bereits Volllaststunden pro Jahr erreicht, eine Abrechnung für die gelieferte Strommenge ist vorhanden und die Auslastung dokumentierbar. Die Anlage am Firmenstandort ist bereits deutlich über Stunden gelaufen (Stand Juni 2013) Brennstoff Wie bei allen Vergasungsanlagen ist auch bei der Anlage der Firma Holzenergie Wegscheid die Anforderung an den Brennstoff hoch. Hackgut der Größenordnung P45 bis P61 nach EN (G50 bis G100 nach der alten, nicht mehr gültigen ÖNORM M7133) ist am Besten geeignet. Der Feinanteil muss herausgesiebt werden, da sonst der Unterdruck im Gaserzeuger zu stark ansteigt. Die Restfeuchte im Hackgut soll maximal 10 % betragen, eine technische Vortrocknung ist also erforderlich

39 5.1.4 Spanner RE² GmbH Unternehmen Die Firma Spanner RE² GmbH ist ein Unternehmen in Neufahrn in Niederbayern. Seit 2004 werden Biomassekessel gefertigt begann man mit der Entwicklung eines Holzvergasers im kleinen Leistungsbereich. Der Vergaser selbst wurde von Bernd Joos, einem Landwirt aus Baden-Württemberg, entwickelt. Im Dezember 2008 wurde die erste Anlage ausgeliefert. Mehr als 200 Anlagen mit 30 oder 45 kw el sind bereits in Betrieb Anlage Zwei Größenordnungen der Anlage werden gebaut: 30 kw el und 70 kw th (Holzgasanlage HK30) sowie 45 kw el und 120 kw th (Holzgasanlage HK45). Zukünftig werden auch größere BHKWs mit mehreren Vergaserlinien angeboten. Abbildung 31 zeigt die Spanner Holzvergaser-Anlage HK30. Abbildung 31: Spanner Holzvergaser HK30, Quelle: Spanner Re² GmbH Die Anlage ist als einstufiger Gleichstromvergaser im Überdruck konzipiert. Über eine handelsübliche Raumaustragung kommt Hackgut in eine Schleuse und von dort in den Vergaser (ohne Hackgutvorrat im Vergaser). Die Schleuse arbeitet mit zwei abwechselnd gesteuerten Klappen, dadurch soll verhindert werden, dass Produktgas zurück in die Beschickung strömt. Das Schleusensystem bzw. die Zubringerschnecke zum Vergaser werden mit Überdruck von wenigen Millibar beaufschlagt, um Produktgasverwirbelungen und ein Rückströmen zu unterbinden. Im Vergaser, einem einstufigen Gleichstrom-Festbettvergaser, wird das Holzgas in leichtem Überdruck erzeugt. Als Vergasungsmittel dient vorgewärmte Luft. Die Asche wird mit dem Gasstrom mitgezogen und in einem Heißgewebefilter abgeschieden. Ab dem Filter ist ein vom Motor erzeugter Unterdruck im System. Die Anlage kann wegen der hohen erreichten Gasqualität auf einen Teerfilter verzichten. Vor dem BHKW befindet sich jedoch noch ein Polizeifilter, der letzte Verunreinigungen und die geringen Teermengen herausfiltert. Als BHKW kommt ein Vortec V8 Ottomotor mit 5,7 Liter

40 Hubraum zum Einsatz. Der Asynchrongenerator (Drehzahl UpM) dient auch als Starter. Bei der 45 kw el -Anlage verfügt der Motor über einen Abgasturbolader. Abbildung 32: Spanner Holzvergaser HK30 schematisch, Quelle: Spanner Re² GmbH Nach Erfahrungswerten beträgt der Wartungs- und Betreuungsaufwand 2-2,5 Stunden pro Woche. Die Anlage läuft und startet vollautomatisch. Bis zu Volllaststunden werden in der Praxis erreicht. Der elektrische Nettowirkungsgrad liegt bei 23 bis 24 %. Die Betriebserfahrungen mit dieser Anlage sind äußerst positiv, die Marktreife und Praxistauglichkeit ist gegeben. Die Firma Spanner entwickelt derzeit eine Kleinstanlage mit 20 kw elektrischer Leistung Brennstoff Das Hackgut, P16 bis P45 nach EN (das entspricht G30 bis G50 nach der alten, nicht mehr gültigen ÖNORM M7133) sollte einen Wassergehalt von 15 % nicht übersteigen. 12 % oder weniger sind für eine optimale Anlagenleistung ideal. Der Feinanteil ist bei diesem Anlagentyp weniger wichtig, selbst Feinanteile von 30 % können vergast werden. Höhere Feinanteile machen sich jedoch in der Anlagenleistung bemerkbar und erhöhen den Wartungsaufwand des Gaserzeugers. Wie bei allen Holzvergasungsanlagen ist die Brennstoffqualität eines der wichtigsten Kriterien. Mit getrocknetem Waldhackgut ohne weitere Vorbehandlung läuft die Anlage stabil auf Volllast

41 5.1.5 Fröling Heizkessel- und Behälterbau GmbH Unternehmen Die Fröling Heizkessel- und Behälterbau GmbH mit Sitz in Grieskirchen wurde 1961 gegründet und stellte mit zehn Mitarbeitern Stückgutheizungen her. Heute beschäftigt Fröling 600 Mitarbeiter und baut jährlich Stückgut-, Hackgut- und Pelletskessel. Vor einigen Jahren wurde mit der Entwicklung einer Holzgasanlage begonnen, die im Laufe des Jahres 2014 auf den Markt kommen soll. Da die Anlage noch nicht offiziell angeboten wird, finden sich in dieser Studie noch keine Bilder und Verfahrensschemata Anlage Die Holzgasanlage verfügt über eine elektrische Leistung von 50 kw und eine thermische Leistung von ca. 95 kw. Über eine handelsübliche Raumaustragung wird Hackgut durch eine Schleuse (Doppelklappe) in den Vergaser eingebracht. Der Vergaser funktioniert nach dem Prinzip der Gleichstrom-Festbettvergasung. Ein zeitgesteuerter Rost sorgt für gleichmäßige Druckverhältnisse. Der Vergaser wird durch einen Seitenkanalverdichter im leichten Überdruck betrieben. Das Holzgas gelangt nach einem Doppelrohr-Wärmetauscher mit ca. 240 C in einen Gewebefilter, der mechanisch abgereinigt wird. Die gesamte Asche wird in diesem Gewebefilter abgeschieden, am Vergaser selbst wird keine Asche ausgetragen. Nach einem Sicherheitsfilter wird das Gas mit einer Temperatur von ca. 70 C dem Motor zugeführt. Der Motor selbst ist ein JCB-Industriemotor, der auf Holzgasbetrieb umgebaut wurde und mit UpM läuft. Die Anlage wird komplett in einem Container geliefert. Der Container beinhaltet die gesamte Technik mit Ausnahme der Raum- bzw. Schubbodenaustragung. Mehrere Anlagen laufen bereits im Feldversuch, 2014 werden voraussichtlich die ersten Anlagen als Serienprodukt auf den Markt kommen. Konzipiert ist die Anlage auf geringsten Wartungsaufwand, auf umfangreiche Erfahrungen kann jedoch zum jetzigen Zeitpunkt noch nicht zurückgegriffen werden Brennstoff Verwendet wird Hackgut der Größenklasse P16 bis P45 nach EN (das entspricht G30 bis G50 nach der alten, nicht mehr gültigen ÖNORM M7133) mit einem Wassergehalt von höchstens 12 %, der Feinanteil darf maximal 20 % betragen. Waldhackgut guter Qualität und auf den erforderlichen Wassergehalt getrocknet ist ohne weitere Brennstoffaufbereitung in der Anlage einsetzbar

42 5.1.6 Burkhardt GmbH Unternehmen Die Burkhardt GmbH mit Zentrale in Mühlhausen (Deutschland) produziert Anlagen im Bereich der Gebäude- und Energietechnik mit 250 Mitarbeitern. Seit 2011 wird ein Pelletsvergaser angeboten. Mehr als 70 Anlagen sind derzeit in Deutschland und Italien in Betrieb Anlage Die ersten Anlagen des Burkhardt V 3.90 gingen 2011 in Betrieb, es wurden bereits über 100 Stück ausgeliefert. Die Anlagen verfügen über eine elektrische Leistung von 180 bis 190 kw und eine thermische Leistung von 220 bis 240 kw. Abbildung 33: Pelletsvergaser V 3.90 der Burkhardt GmbH, Quelle: Burkhardt GmbH Der Vergaser ist ein Festbettvergaser und funktioniert im Gleichstromprinzip, im Gegensatz zu den meisten gängigen Vergasern arbeitet dieser mit aufsteigender Vergasung, das heißt, dass Pellets und Luft von unten in den Vergaser eingebracht werden und das Produktgas oben abgezogen wird. Die Vergasung erfolgt in leichtem Überdruck. Das entstehende Gas wird über einen Zyklonabscheider und einen Heißgasfilter gereinigt und der Wassergehalt auskondensiert. Die Abreinigung des Heißgasfilters erfolgt automatisch durch Druckstöße von komprimiertem Holzgas, sodass keine Falschluft in das System kommt. Als BHKW dient ein MAN Zündstrahlmotor. Als Generator kommt ein Asynchrongenerator zum Einsatz. Gestartet wird der Motor mittels klassischem Anlasser. Der stündliche Brennstoffverbrauch beträgt 110 kg Pellets und 4 Liter Zündöl (Biodiesel). Der elektrische Wirkungsgrad beträgt

43 außergewöhnlich hohe 30 %. Die gesamte Anlage, ausgenommen BHKW, ist in einem verkleideten Rahmen montiert und äußerst kompakt gebaut (siehe Abbildung 33). Der Betriebs- und Wartungsaufwand liegt bei ca. 2 Stunden pro Tag. Abbildung 34 beschreibt die Funktionsweise des Burkhardt V Abbildung 34: Schema Pelletsvergaser V 3.90 der Firma Burkhardt, Quelle: Burkhardt GmbH Brennstoff Verwendet werden handelsübliche Pellets. Durch die absolut gleichmäßige Brennstoffqualität und Brennstofffeuchtigkeit läuft der Vergasungsprozess sehr gleichmäßig, was sich positiv auf die Gasqualität auswirkt. Auch hier ist die Brennstoffqualität ein wichtiger Faktor. Pellets, die nicht der strengen Norm entsprechen, beeinflussen zum Beispiel bei zu geringer Abriebfestigkeit den Vergasungsprozess und somit Wartung und Leistung. Da ein Zündstrahlmotor verwendet wird muss zusätzlich Zündöl eingespritzt werden. Etwa 4 Liter Biodiesel pro Stunde sind erforderlich. In Hinblick auf Förderungsrichtlinien ist der Zündöleinsatz nicht problematisch, jedoch sind die Emissionen bei Zündstrahlmotoren höher als bei Ottomotoren

44 5.1.7 Christof Group/Renewable Energy Products (REP) GmbH Unternehmen Die REP GmbH ist eine Tochterfirma der Christof Group, einem großen Unternehmen für Anlagenbau mit einem jährlichen Umsatz von rund 300 Millionen Euro. Die REP GmbH baut und verkauft Holzgas-Kleinanlagen mit einer Leistung von 13 kw el /31 kw th und 20 kw el / 45 kw th Typenbezeichnung HV1-2-7 und HV1-3-6 (siehe Abbildung 35). Knapp zehn Anlagen sind derzeit in Österreich und Deutschland in Betrieb Anlage Der Vergaser wird über eine konventionelle Rundaustragung und eine Schleuse beschickt. Der Festbettvergaser arbeitet nach dem Prinzip der absteigenden Gleichstromvergasung und verarbeitet Hackgut der Größenklassen P16 bis P45 nach EN (das entspricht G30 bis G50 nach der alten, nicht mehr gültigen ÖNORM M7133) bis zu einem Wassergehalt von bis zu 23 %. Somit kann Waldhackgut ohne Vorbehandlung vergast werden. Vorgewärmte Luft dient als Vergasungsmittel, ein Drehrost sorgt für den Ascheaustrag. Abbildung 35: Holzgaskraftwerk HV1-3-6, Quelle: REP GmbH Das Holzgas wird durch einen Zyklonfilter vorgereinigt und durch einen Feinfilter entstaubt. Als Filtermaterial dienen in mehreren Schichten gelagertes Hackgut und Sägespäne. Das Filtermaterial wird nach ca. 200 Betriebsstunden ausgetauscht und kann dem Vergasungsprozess zugeführt werden. Zur Sicherstellung der Teerfreiheit wird das Produktgas über einen Rapsmethylester (RME)-Filter geführt, der eventuell enthaltene Teere löst. Im unteren Teil des Filters sammeln sich die Verunreinigungen. In regelmäßigen Abständen wird etwas verunreinigter RME abgelassen und frischer nachgefüllt. Da Rapsmethylester (Biodiesel) Teere sehr gut löst, kommt er hier als Wäschermedium zum Einsatz. Als Motor dient ein umgebauter Kubota-Vierzylindermotor mit 2,7 bzw. 3,6 Liter Hubraum. Der Asynchrongenerator dient auch als Starter. Die Nennleistung wird bei UpM erreicht. Vom kalten Zustand bis BHKW-Volllast vergehen lediglich 100 Sekunden! Der elektrische Nettowirkungsgrad der Anlage liegt bei %, der Gesamtwirkungsgrad bei

45 %. Der Betreuungsaufwand liegt im Durchschnitt bei drei Stunden pro Woche ohne Brennstofflogistik/-trocknung. Die Anlage ist als Heizungsersatz konzipiert. Längerfristige Erfahrungen bei dauerhaftem Volllastbetrieb, wie bei Heizwerken als Grundlastbereitstellung, liegen noch nicht vor Brennstoff Verwendet wird Hackgut P16 bis P45 nach EN (das entspricht G30 bis G50 nach der alten, nicht mehr gültigen ÖNORM M7133. Diese Anlage verarbeitet auch handelsübliches Hackgut bis zu einem Wassergehalt von 23 %. Es empfiehlt sich jedoch, vorgetrocknetes Hackgut zu verwenden, da die Anlagenleistung bei schlechteren Qualitäten geringer ist und der Wartungsaufwand steigt. Grundsätzlich gilt, dass jede Vergasungsanlage mit sehr guten Brennstoffqualitäten beschickt werden sollte!

46 5.1.8 VEP Fördertechnik GmbH Unternehmen Die Firma VEP Fördertechnik GmbH ist ein Unternehmen aus der Abfallwirtschaft, das seit 1988 Anlagentechnik wie Förder- und Dosiereinrichtungen und Sortiereinrichtungen produziert. Seit 2008 wird ein Biomasse-Dampfkessel mit Dampfentspannungsmotor entwickelt. Der erste Prototyp wurde 2010 nahe Tulln installiert Anlage Abbildung 36: KWK-Anlage der Firma VEP, Quelle: VEP Fördertechnik GmbH In einem adaptierten Biomassekessel (siehe Abbildung 36) wird mehrstufig Dampf mit 450 C und 35 bar erzeugt. Die Dampfmenge und der Dampfdruck entsprechen den Anforderungen der Dampfkesselgruppe 1, das bedeutet, dass kein Dampfkesselwärter notwendig ist. Der Dampf wird in einem nach dem Verdrängerprinzip arbeitenden Dampfmotor entspannt, der über einen Asynchrongenerator elektrische Energie erzeugt. Rund angeordnete Dampfkolben wirken auf eine Taumelscheibe, die diese Hubbewegungen in eine generatortaugliche Drehbewegung umsetzt. Der Dampfprozess ist teillastfähig, für das Erreichen des größtmöglichen Wirkungsgrades sollte die Anlage jedoch vorzugsweise auf Volllast betrieben werden. Die Anlage liefert 30 kw elektrische Leistung und eine thermische Leistung von 110 kw. Die Wärme kann mit einem Temperaturniveau von ca. 80 C ausgekoppelt werden. Der elektrische Wirkungsgrad liegt bei etwa 18 %. Da an der Anlage noch viel Entwicklungsarbeit geleistet wird, ist mit einer Steigerung des Wirkungsgrades zu rechnen. Der Wartungsaufwand entspricht in etwa dem eines konventionellen

47 Biomassekessels. Der Dampfmotor selbst wird jährlich ausgetauscht und generalüberholt, der Betreiber muss den Dampfprozess selbst nicht warten. Abzuwarten bleiben die Betriebserfahrungen des Prototyps, bislang (Stand September 2013) ist eine Anlage bei einem Kunden im Probebetrieb Brennstoff Die Anlage verarbeitet handelsübliches Hackgut P16 bis P45 nach EN (das entspricht G30 bis G50 nach der alten, nicht mehr gültigen ÖNORM M7133) mit einem Wassergehalt von bis zu 40 %. Eine vorherige Aufbereitung des Hackguts ist nicht notwendig

48 5.1.9 Triogen-ORC-Prozess (MeaVota GmbH) Unternehmen Die MeaVota GmbH mit Sitz in Schwarzenberg am Böhmerwald berät und koordiniert Energielösungen für Wärme, Strom und Kälte. Der Triogen-ORC wird von der Meavota GmbH vertrieben, seit 2009 ist er als Serienprodukt erhältlich Anlage Das KWK-Modul der Firma MeaVota basiert auf dem ORC-Prozess. Der Kessel muss nicht, wie sonst beim ORC-Prozess üblich, mit Thermoöl als Wärmeträgermedium betrieben werden. Die heißen Abgase werden anstatt in den Wärmetauscher des Kessels in das ORC- Modul geleitet und verdampfen dort das Arbeitsmedium ohne Zwischenschritt. Die Abgastemperatur liegt zwischen 320 und 550 C. Das Arbeitsmedium, Toluol, treibt die Turbine und folglich den Generator an. Das Arbeitsmedium wird wieder gekühlt und kondensiert. Die Wärme wird in das Fernwärmenetz ausgekoppelt. Die Anlage hat eine Maximalleistung von 175 kw el bei einer Wärmezufuhr von 900 kw und einer auskoppelbaren Temperatur von C, die manuell eingestellt oder nach Bedarf automatisch angepasst werden kann. Die ORC kann zwischen 90 und 167 kw el modulieren, 150 kw el Nettoleistung werden garantiert. Abbildung 37 zeigt die Außenansicht und das Innenleben des Triogen- ORC-Moduls der Meavota GmbH. Abbildung 37: Triogen-ORC-Modul der Meavota GmbH, Quelle: Meavota GmbH Zum Betrieb der Anlage muss der Biomassekessel adaptiert werden, die heißen Abgase werden direkt in das ORC-Modul geleitet. Der Wirkungsgrad liegt bei ca. 18 %, abhängig von

49 der ausgekoppelten Temperatur. Um die erforderliche Auslastung zu erreichen sollte die Sommerlast des Wärmenetzes nicht unter 600 kw liegen. Ca. 30 Triogen-ORC-Module sind derzeit, meist bei Bio- und Deponiegasanlagen, im Einsatz. Zwei Module arbeiten bei Biomassefeuerungen. Das klassische Einsatzgebiet sind Abwärmequellen mit Temperaturen von über 320 C wie beispielsweise der Abgasstrom von Blockheizkraftwerken. Die Möglichkeit der Nachrüstung mit diesem ORC, sowohl bei bestehenden als auch bei neuen Biomassekesseln muss mit dem Kesselhersteller geklärt werden! Abbildung 38 beschreibt den Ablauf des Triogen-ORC-Prozesses. Abbildung 38: Schema des Triogen-ORC-Moduls der Firma MeaVota, Quelle: MeaVota GmbH Brennstoff Der Brennstoff ist abhängig vom eingesetzten Kessel das ORC-Modul beeinflusst die erforderlichen Brennstoffqualitäten nicht. Der Abgaswärmetauscher ist auf manuelle Reinigung (4 mal pro Jahr) eingestellt oder kann automatisch gereinigt werden

50 Recuperation e.u Unternehmen Die Firma Recuperation e.u. ist eine Partnerschaft mit dem italienischen Unternehmen Energy Recuperator S.p.a., eine Firma, die seit vielen Jahren standardisierte KWK-Lösungen auf Basis Biomasse in vielen Ländern anbietet. Meist kommen Dampfturbinen zum Einsatz, im kleinen Leistungsbereich auch ORC-Prozesse und Schraubenexpander. Das Angebot der Firma Recuperation reicht von der Machbarkeitsstudie, Lieferung, Montage und Inbetriebnahme bis zum Betrieb der Anlage, u.u. inklusive Finanzierung und in Italien inklusive Brennstoffbereitstellung Anlage Für den Umbau bestehender Heizwerke in KWK Anlagen ist das KWK-Modul ein Dampfschraubenexpander der englischen Firma Heliex (siehe Abbildung 39). Zur Verwendung kommt ein Sattdampfkessel oder ein Biomasse-Heißwasserkessel, falls dieser zur Sattdampferzeugung adaptiert werden kann. Die Restwärme des Abgases werden zur Vorwärmung der Ansaugluft genutzt. Das Schema ist in Abbildung 40 grafisch dargestellt. Abbildung 39: KWK-Modul der Firma Heliex, Quelle: Recuperation e.u

51 Abbildung 40: Schema des Dampfschraubenexpanders, Quelle: Recuperation e.u. Der Sattdampf tritt mit max. 25barg/225 C in den Schraubenexpander ein und erzeugt über die beiden gegenläufigen Schnecken eine Drehbewegung. Diese betreibt den Generator. Der Dampf wird kondensiert und die Wärme dabei ausgekoppelt. Schraubenexpander und Generator inklusive Steuerung sind in einem verkleideten Modul untergebracht, wie Abbildung 34 zeigt. Das KWK-Modul verfügt über eine elektrische Bruttoleistung von 85 bis 500 kw el und einer entsprechenden elektrische Nettoleistung ab 75 kw el. Für den kleinsten Leistungsbereich liegt die benötigte Leistung des Biomassekessels bei ca. 1,5 MW, 1 MW Wärme kann ausgekoppelt werden. Der elektrische Nettowirkungsgrad beträgt 5%, der Gesamtwirkungsgrad 70%. Diese Anlagemodifikation eignet sich für größere Heizwerke mit einem hohen Grundlastbedarf oder Prozesswärmerzeugung. Die angebotenen Anlagen reichen bis zu einer elektrischen Leistung von 500 kw el, bei den größeren Anlagen (ab 100 kw el ) steigt der elektrische Wirkungsgrad auf 6,6 bis 7,5%. Hervorzuheben ist, dass sich - bei einer bestehenden Heizwerkkonzeption und gleichbleibender Wärmeabgabe an das Nahwärmenetz - die zusätzliche thermische Leistung für eine Anlage mit 93 kw elektrischer Leistung um lediglich 113 kw th erhöht Brennstoff Die Anforderungen an den Brennstoff hängen vom verwendeten Biomassekessel ab und werden dich die KWK-Anlage nicht beeinflusst

52 5.2 Resümee Die Technologien, die momentan am Markt verfügbar sind decken bereits eine große Bandbreite ab. Die derzeitigen Entwicklungen sind vielfältig, vor allem Vergasertechnologien der verschiedensten Hersteller und Leistungsklassen werden in den nächsten Jahren auf den Markt kommen. Ebenso vielfältig wie die Technologien sind auch die Anforderungen an den Brennstoff und die Betreiber. Einfach zu handhabende KWK-Anlagen wie Dampfanwendungen oder kleine Turbinenprozesse weisen in der Regel einen niedrigeren elektrischen Wirkungsgrad auf, stellen aber auch deutlich geringere Anforderungen an den Brennstoff. Vergaseranlagen wandeln den Brennstoff effizienter in Strom um, bedürfen aber auch einer kundigen und verlässlichen Hand des Betreibers. Zu beobachten ist, dass der Arbeits- und Wartungsaufwand für Vergaseranlagen mit zunehmendem Betrieb in der Praxis kontinuierlich sinkt, Betreibererfahrungen fließen meist rasch in die Weiterentwicklung der Anlagen ein. Dennoch wird eine Vergaseranlage wohl auch in Zukunft kaum so einfach zu betreiben sein wie ein klassischer Biomassekessel, bei gutem Brennstoff wird der Aufwand aber überschaubar sein. Letztendlich gilt es die ideale Technologie für den jeweiligen Standort zu finden, wobei die Qualität, die Verfügbarkeit und der Preis des verwendeten Brennstoffes sicherlich Schlüsselkriterien sind. Bei der jungen Technologie moderner, kleiner KWK-Anlagen ist besonders darauf zu achten, wie sich Referenzanlagen in der Praxis verhalten. Ehrliche Betriebserfahrungen und belegbar erreichte Auslastungen sollten eine entscheidende Rolle bei der Auswahl der Anlage spielen. Mit einer Fehlentscheidung durch die Auswahl einer nicht an den Standort angepassten Anlage muss der Betreiber zumindest für deren Amortisationsdauer leben können. Eine bestmögliche fachliche Begleitung durch einen Spezialisten in der Projektierungsphase ist unverzichtbar. Ebenso ist eine kompetente Begleitung im komplizierten Genehmigungsverfahren notwendig. Nach Markteintritt neuer Anlagen werden diese vom Biomasseverband OÖ durchleuchtet und auch einer wirtschaftlichen Abschätzung unterzogen, um den Mitgliedern des Biomasseverbandes OÖ immer einen aktuellen Marktüberblick mit Empfehlungen geben zu können

53 6 6.1 Abschätzung der KWK-Tauglichkeit von Biomasse-Nahwärmeanlagen Voraussetzungen für die KWK-Tauglichkeit Grundlast Eine möglichst hohe Auslastung, im Idealfall Volllaststunden pro Jahr, ist Grundvoraussetzung für eine vernünftige Wirtschaftlichkeit der KWK-Anlage. Da keine Wärme weggekühlt werden sollte, sowohl aus ökonomischer Sicht als auch aus Effizienzgründen, ist hierzu eine entsprechende Grundlast im Wärmenetz erforderlich bzw. muss die Auswahl der KWK-Anlage dem Wärmebedarf angepasst werden. In der Praxis bedeutet das, dass bei ORC- oder Dampfanwendungen die Grundlast im Wärmenetz der thermischen Leistung entspricht. Bei Holzvergaseranlagen kann und sollte die thermische Leistung etwas höher gewählt werden, um überschüssige Wärme zur Vortrocknung des Brennstoffes nutzen zu können. In der Regel, je nach Brennstoffanforderung der Vergasungsanlage, sollte die thermische Überkapazität gegenüber der Grundlast 20 bis 25 % betragen. Eine Beispielhafte Lastkurve eines Heizwerkes mit Holzgasanlage zeigt Abbildung 41. Abbildung 41: Lastkurve eines Heizwerkes mit Holzvergaseranlage, Quelle: Biomasseverband OÖ

54 6.1.2 Platzverhältnisse Turbinen- oder Dampfprozesse benötigen meist verhältnismäßig wenig Platz, da der Sommerkessel bzw. Grundlastkessel die Wärme für die KWK-Anlage bereitstellt. Kommen Vergasungsprozesse zum Einsatz, erfordert die Anlage selbst mehr Platz, darüber hinaus muss meist ein Lagerplatz für vorgetrocknetes Material zur Verfügung stehen. Im Idealfall wird mit der thermischen Überkapazität im Sommer viel Material vorgetrocknet, um in der Übergangszeit und im Winter die maximale Wärmemenge ins Wärmenetz abzugeben. Die Trocknungsanlage muss ebenfalls geeignet untergebracht werden. Viele Hersteller bauen ihre Anlagen in Containern, auch die Hackguttrocknung wird als Containervariante angeboten. Für eine reibungslose heizwerksinterne Logistik und eine saubere bauliche Lösung ist eine sorgfältige räumliche Planung unabdingbar Vorlauftemperaturen Klassische Blockheizkraftwerke mit Gas- oder Zündstrahlmotoren haben meist einen relativ eng definierten Temperaturbereich für Motor-Vor- und Rücklauf. Die meisten Hersteller begrenzen die Vorlauftemperatur mit ca C. Nach dem Wärmetauscher, der die Abwärme des Motors auskoppelt, ist die Temperatur um ca. 5 C niedriger. Werden im Wärmenetz höhere Temperaturen benötigt, muss dafür eine technische Lösung gefunden werden. Am einfachsten kann eine Temperaturerhöhung über den Abgaswärmetauscher beziehungsweise über die Schaltung des Abgaswärmetauschers im Abwärmesystem der Vergaseranlage erfolgen Brennstoff und Brennstoffverfügbarkeit Die Brennstoffanforderungen der KWK-Anlagen sind vielfältig und meist sehr hoch, speziell bei einstufigen Vergaseranlagen. Zu hoher Wassergehalt senkt die Vergasungstemperatur und mindert die Gasqualität deutlich. Ein hoher Wartungsaufwand, eine schwierige Filterung, eine geringere Leistung und ein nicht motortaugliches Gas sind die Folge. Die Herstellerempfehlungen bezüglich Wassergehalt müssen unbedingt eingehalten werden. Nicht ausreichende Stückigkeit verursacht Brückenbildungen, Verstopfungen und andere Probleme in der Vergasungszone. Dies hat unterschiedliche Gasqualitäten zur Folge und die Regelung des Gasgemisches vor dem Motor wird schwierig. Zu viel Feinanteil beim Brennstoff erhöht den Unterdruck im Vergaser und kann den Rost technisch an seine Grenzen bringen. Muss sehr stückiges Material eingesetzt werden ist es notwendig, auf höherpreisige Holzsortimente zurückzugreifen. Auch die Aufbereitung des gehackten Holzes verursacht zusätzliche Kosten. Mit mehr als 50 % der Gestehungskosten des Stroms ist der Brennstoff der wirtschaftlich entscheidendste Faktor, auch im Hinblick auf seine zukünftige Preisentwicklung

55 7 7.1 Förderungen Einspeisetarif Holzverstromungsanlagen werden mit einem geförderten Einspeisetarif unterstützt. Die Höhe des Tarifes hängt von der Engpassleistung, der Rohstoffart und dem Wärmenutzungsgrad ab. Grundvoraussetzung für den Erhalt des geförderten Einspeisetarifs ist ein hoher Wärmenutzungsgrad. Die gesetzliche Grundlage ist das Ökostromgesetz Aufbauend auf diesem Ökostromgesetz wird eine Tarifverordnung erlassen, in der die jeweiligen Einspeisetarife festgelegt werden. Der Gesetzgeber schreibt einen Brennstoffnutzungsgrad von 60 % vor, das heißt, dass 60 % der im Holz gespeicherten Energie genutzt werden müssen. Der Gesamtwirkungsgrad liegt bei der Holzverstromung bei etwa 80 %, lediglich 20 % der Energie dürfen somit ungenutzt bleiben. Wird ein Brennstoffnutzungsgrad von über 70 % erreicht, erhält die Anlage den Einspeisetarif für hocheffiziente Anlagen. Bei richtiger Dimensionierung einer Anlage in Kombination mit einem Nahwärmenetz können diese 70 % erreicht werden. Die Einspeisetarife für das Jahr 2014 gestalten sich wie folgt: bei hocheffizienten Anlagen mit einer Engpassleistung bis 500 kw... 19,70 Cent/kWh; bei einer Engpassleistung bis 500 kw... 17,73 Cent/kWh; bei einer Engpassleistung von über 500 kw bis 1 MW... 15,56 Cent/kWh; bei einer Engpassleistung von über 1 MW bis 1,5 MW... 15,27 Cent/kWh; bei einer Engpassleistung von über 1,5 MW bis 2 MW... 14,77 Cent/kWh; bei einer Engpassleistung von über 2 MW bis 5 MW... 14,16 Cent/kWh; bei einer Engpassleistung von über 5 MW bis 10 MW... 13,67 Cent/kWh; bei einer Engpassleistung von über 10 MW... 10,83 Cent/kWh. Werden 100 MW Zubau erreicht, sinken die Einspeisetarife für zusätzliche, neue Anlagen um etwa 30 %. Mit werden die Tarife um 1% gesenkt. Der Einspeisetarif ist für 15 Jahre Laufzeit vertraglich garantiert, jedoch nicht wertgesichert. Es muss in der Kalkulation unbedingt darauf geachtet werden, dass die Kosten jährlich steigen, aber der Einspeisetarif gleich bleibt! Diese Tarife gelten nur für Waldhackgut! Werden Reststoffe oder biogene Abfälle verwendet oder beigemischt, verringert sich der Einspeisetarif je nach Reststoffart um mindestens 25 %. Auch Pellets und Sägenebenprodukte werden nicht mit Waldhackgut gleichgestellt und ziehen somit eine Tarifreduktion nach sich. Anlagen mit dem Brennstoff Pellets erhalten nur dann den vollen Tarif, wenn nachgewiesen werden kann, dass die eingesetzten Pellets aus Waldhackgut hergestellt wurden. Die wirtschaftlichen Betrachtungen in dieser Studie gehen vom Brennstoff Waldhackgut und einem Brennstoffnutzungsgrad von über 70 % aus, folglich von einem Einspeisetarif von 19,70 Cent/kWh. Die Fördervolumina sind begrenzt und können somit, wie in der Vergangenheit häufig passiert, schnell ausgeschöpft werden. Für Strom aus fester Biomasse bis 500 kw elektrischer Engpassleistung wurde ein eigener Fördertopf eingerichtet und mit 3 Mio. pro Jahr dotiert. Das bedeutet, dass pro Jahr ca kw neu zugebaut werden könnten (Stand 2014). Die verfügbaren Mittel können unter abgerufen werden. Voraussetzung für den Erhalt des Einspeisetarifes ist das Vorliegen aller

56 behördlichen Genehmigungen und der Anerkennung als Ökostromanlage. Darüber hinaus muss ein Wärmekonzept sowie ein Rohstoffkonzept vorgelegt werden. Die tatsächliche Wärmenutzung muss jährlich nachgewiesen werden. 7.2 Investitionsförderung Derzeit sind Holzverstromungsanlagen von der Kommunalkredit Public Consulting (KPC) im Rahmen der Umweltförderung im Inland (UFI) förderbar. Die Förderquote beträgt 10 % der anrechenbaren Investitionskosten plus 5 %, wenn Waldhackgut aus einem Umkreis von max. 50 km Entfernung eingesetzt wird. Die Errichtung einer Biomasse-KWK bei Heizwerken wird als Kesselerweiterung gesehen und setzt somit zusätzlichen Wärmebedarf (Neukunden) voraus! Darüber hinaus wird das Projekt nach dem Ausmaß der Wärmenutzung bewertet, niedrigere Brennstoffnutzungsgrade führen auch zu geringerer Förderung. Die Möglichkeit einer agrarischen Förderung in der ländlichen Entwicklung ist noch nicht absehbar. Möglicherweise bringt die neue Periode bessere Bedingungen. In den Wirtschaftlichkeitsberechnungen wurden 10+5 % der anrechenbaren Investitionskosten kalkuliert

57 8 8.1 Wirtschaftliche Abschätzung Einheitliche Annahmen zur Berechnung Um die Wirtschaftlichkeit der verschiedenen Systeme miteinander vergleichen zu können, müssen zuvor einheitliche Standortvoraussetzungen und einheitliche Rahmenbedingungen angenommen werden. An den jeweiligen Standorten können die Voraussetzungen in der Praxis grundlegend unterschiedlich sein! Der Vergleich der einzelnen Anlagentypen erfolgt durch die Berechnung der Gestehungskosten für den elektrischen Strom unter Berücksichtigung der in das Fernwärmenetz gelieferten Wärme und der Amortisationsdauer. Annahmen: Brennstoffpreis: Dampfprozesse/ORC: Hier wird handelsübliches Hackgut aus Nadelholz mit einem Wassergehalt von 30 % und einem Energiegehalt von 750 kwh angenommen. Brennstoffpreis 22,- pro Schüttraummeter (srm) bzw. 153,- pro atro Tonne (to) bzw. 29,30 pro MWh. Vergasung: Qualitativ hochwertiges Hackgut, kaum Nadeln, minimaler Feinanteil. Basispreis Nadelholz, 40 % Wassergehalt. Trocknung und eventuell erforderliche Siebung sind in der jeweiligen Anlagenkalkulation berücksichtigt. Brennstoffpreis 25,- pro srm bzw. 174,- pro atro to bzw. 33,3 pro MWh, bei der mehrstufeigen Vergasung wurde der Brennstoffpreis auf 24,- reduziert. Je nach Vergaserart P45 oder P163 nach EN (G30 bzw. G100 nach der alten, nicht mehr gültigen ÖNORM M7133). Trocknung auf 10 % Restfeuchte. Pellets: Einkaufspreis bei Abnahme von 200 Tonnen für Pellets entsprechend EN , Gütesiegel ENPlus Güteklasse A1 (handelsüblich für Pellets- Einzelfeuerungen 6 mm). Annahme: 215,- pro Tonne Netzzugang Stromnetz: Kleinere Anlagen bis etwa 50 kw elektrischer Leistung können bei Heizwerken üblicherweise in den bestehenden Stromanschluss einspeisen. Es werden Kosten für den Netzzugang von ,- pauschal angenommen. Zwischen 50 und 100 kw wird eine Kabelverlegung zum nächstgelegenen Transformator angenommen. Dazu wird in dieser Studie von Kosten im Ausmaß von ,- ausgegangen. Bei über 100 kw muss im Regelfall ein Transformator errichtet werden. Es werden in dieser Studie Kosten von ,- angenommen. Übergabestelle niederspannungsseitig (EVU trägt Umwandlungsverluste). Abnahmepreis Wärme Die Gestehungskosten für Wärme aus einem Biomassekessel im drei- bis vierstelligen Leistungsbereich liegen derzeit bei etwa 35,- pro Megawattstunde. Dieser Erlös wird auch für die im Fernwärmenetz genutzte Abwärme der KWK-Anlagen angesetzt. Trocknungswärme und ungenutzte Wärme wird mit Null angesetzt. Baukosten Die Baukosten werden in Abhängigkeit des Platzbedarfs der jeweiligen Anlage anhand von Richtwerten ermittelt. Bei kompakt bauenden Anlagen kleiner Leistungsklasse wurden Adaptierungen des Bestandes kalkuliert. Investitionsförderungen

58 Kalkuliert wird mit einer KWK-Förderung, abgewickelt über die KPC. Die Förderungen betragen bei Verwendung von Waldhackgut 15 % der anrechenbaren Investitionssumme. Bei Verwendung von anderen Brennstoffen, z.b. Sägerestholz, werden nur 10 % Direktzuschuss gewährt. Rohstoffe und Einspeisetarife Es wird die Verwendung von 100 % Waldhackgut angenommen. Andernfalls verringert sich der Einspeisetarif je nach verwendetem Rohstoff. Für einen im Jahr 2014 abgeschlossenen Vertrag mit der OeMAG (Abwicklungsstelle für Ökostrom AG) beträgt der Einspeisetarif 17,73 Cent/kWh. Ebenfalls angenommen wird ein hocheffizienter, also wärmegeführter Betrieb der Anlage. Für hocheffiziente Anlagen erhöht sich der Einspeisetarif. Für das Jahr 2014 beträgt somit der Einspeisetarif 19,70 Cent/kWh. Auslastung Es wird von einer Auslastung von Volllaststunden/Jahr ausgegangen. Eine gut funktionierende Technologie muss in der Lage sein, Volllaststunden zu erreichen, einige Anlagen erreichen diese Auslastung auch in der Praxis. Als Sicherheitspolster werden in der wirtschaftlichen Betrachtung Stunden angenommen. Nur Anlagen, die in der Praxis nachweisbar so hohe Auslastungen erreichen, sollten für eine mögliche Investition in Betracht gezogen werden! Die getroffenen Annahmen dienen einerseits als Basis für die folgenden Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen, andererseits als grobe Richtwerte für erste Überlegungen zur Nachrüstung einer KWK-Anlage. Der ORC-Prozess der MeaVota GmbH und der Dampfschraubenmotor der Recuperation e.u. wurden in der wirtschaftlichen Gegenüberstellung nicht berücksichtigt, da der Umbau des Kessels bzw. die Einbindung der Anlage sich nicht auf standardisierte Annahmen herunterbrechen lassen. Die Voraussetzungen der Kessel können zu unterschiedlich sein. Die Technologie ist durch ihre Wartungsfreundlichkeit und den geringen Arbeitsaufwand zwar durchaus interessant und für einige Heizwerke sicherlich eine gute Alternative, eine genaue Analyse der Kesseltechnik ist jedoch für eine haltbare Aussage unbedingt notwendig. Der Dampfprozess der VEP Fördertechnik GmbH wird als Kessel-KWK-Einheit im kleinen Leistungsbereich geliefert und kann somit direkt mit den Vergasungsanlagen verglichen werden. 8.2 Abschätzung der Investitionskosten Unter den oben beschriebenen Annahmen wurden die Investitionskosten der verschiedenen Anlagen abgeschätzt. Diese beinhalten die betriebsbereite Anlage inklusive der erforderlichen Baulichkeiten und dem Netzanschluss. Knapp 15% angenommene Investitionsförderungen wurden abgezogen. Die Investitionskosten für Vergaseranlagen liegen zwischen und pro Kilowatt elektrischer Leistung, der Dampfprozess der Firma VEP liegt bei knapp ,-. Abbildung 42 zeigt eine Gegenüberstellung der spezifischen Kosten der unterschiedlichen, betrachteten Anlagen. Die spezifischen Investitionskosten beziehen sich auf die vorausgesetzten Annahmen, signifikante Abweichungen je nach Anlage und Standortvoraussetzungen können in der Praxis natürlich gegeben sein!

59 VEP Spanner Urbas HE Wegscheid Burkhardt Fröling Cleanstgas REP Abbildung 42: durchschnittliche Investitionskosten pro kw el der verschiedenen Anlagen Ebenfalls untersucht wurde die Struktur der Investitionskosten. Der überwiegende Teil der Investition entfällt mit ca. 65% der Gesamtinvestition auf die technische Anlage selbst. Den nächstgrößeren Anteil tragen die Baukosten mit ca. 12%. Die genaue Aufschlüsselung kann Abbildung 43 entnommen werden

60 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 5% 5% 5% 8% 65% Projektierung und Planung Trocknungsanlage Wärmeauskopplung und Installation Netzanschluss und Elektroinstallation Holzgasanlage mit Peripherie Baulichkeiten (Anlage, Lager) 10% 0% 12% Abbildung 43: Stuktur der Gesamtinvestitionskosten bei Holzvergasungsanlagen 8.3 Kostenstruktur der Holzvergasung Anhand praktischer Erfahrungen und Berechnungen von Analgen im Leistungsbereich von 15 bis 250 kw el wurden die einzelnen Kostenblöcke im Betrieb von Holzgasanlagen analysiert (Siehe Abbildung 44). Der überwiegende Kostenblock, mehr als die Hälfte, entfällt auf den Brennstoff. Die Qualitätsanforderungen weichen bei den verschiedenen betrachteten Anlagen voneinander ab, dargestellt ist der Durchschnitt der Brennstoffkosten für die jeweils betrachtete Anlage. Die Fixkosten Abschreibung für Anlagen (AfA) und Zinsen schlagen mit etwas mehr als einem Viertel zu Buche. Für den Personaleinsatz kann von knapp 10 % ausgegangen werden, ebenfalls in diesem Bereich liegt der Kostenfaktor Instandhaltung und Wartung. Pro kw el installierter Leistung kann von einem Arbeitsaufwand für Betrieb, Beschickung, Trocknung, Instandhaltung und Wartung von 4 bis 5,5 Stunden pro Jahr ausgegangen werden. Stellt die Anlage hohe Anforderung an den Brennstoff, ist der Arbeitsaufwand durch die aufwändigere Rohstoffaufbereitung (z.b. Siebung) eher im oberen Bereich anzusetzen. Kann handelsübliches Hackgut nach der Vortrocknung eingesetzt werden, kann bei guter Brennstoffqualität und optimaler Wartung der Arbeitsaufwand durchaus auf 3 Stunden pro kw el und Jahr gesenkt werden. Schlechte Hackgutqualitäten und viele Abschaltungen der Anlage können den Wartungsaufwand sehr deutlich erhöhen

61 Kostenstruktur Holzvergasung Fixkosten; 27% Wartung; 9% Brennstoff; 54% Personal; 9% Abbildung 44: Kostenstruktur von Holzvergaseranlagen, Quelle: Biomasseverband OÖ Nun sollten die Gestehungskosten pro MWh Strom ermittelt werden. Für die Betriebskosten wurde eine jährliche Steigerung zwischen 2,5 und 3 % angenommen, der angenommene Zinssatz beträgt 4 %. Auch für die verkaufte Wärme bzw. den Ansatz des Wärmeerlöses wurde eine Gleitung vorgesehen, diese spiegelt die Entwicklung des Index Energie aus Biomasse wieder. Bei buchhalterisch gleichbleibender Abschreibung für Anlagen (AfA) und Zinsen ermitteln sich die Gestehungskosten über den Zeitraum des Einspeisevertrages. Abbildung 45 zeigt die Gestehungskosten mit statischen Fixkosten über eine Tariflaufzeit von 15 Jahren. Die blaue, konstante Linie stellt den Einspeisetarif dar. Deutlich zu erkennen ist, dass die Gestehungskosten, abhängig von der Anlage, innerhalb eines gewissen Zeitraumes den Einspeisetarif übersteigen. Spätestens ab dem 10. Jahr übersteigen die Gestehungskosten bei den betrachteten Anlagen den Einspeisetarif. Abbildung 46 zeigt die durchschnittlichen Gestehungskosten über die Tariflaufzeit

62 Abbildung 45: Gestehungskosten über die Tariflaufzeit bei statischen Fixkosten Abbildung 46: Durchschnittliche Gestehungskosten über die Tariflaufzeit Diese Betrachtung zeigt das Davonlaufen der Betriebskosten auf. Die Fixkosten sind jedoch statisch und somit nicht realitätsnah. Aus diesem Grund wurden die Berechnungen der Wirtschaftlichkeit auch mit der Kapitalwertmethode durchgeführt. Hierbei wird die tatsächliche Tilgung und Zinsbelastung realitätsnah abgebildet. Als Barwertisierungsfaktor wurden 4 % angenommen

63 Als Ergebnis erhält man eine Kurve, aus der sich die Amortisationsdauer ablesen lässt (siehe Abbildung 47) , , ,00 0, , , , , , , VEP Spanner Urbas HE Wegscheid Fröling Burkhardt Cleanstgas REP ,00 Abbildung 47: Amortisationszeit nach der Kapitalwertmethode Mit fortschreitender Tilgung des Fremdkapitals sinkt auch die Zinsbelastung. In den ersten Betriebsjahren, wenn die Gestehungskosten unter dem Einspeisetarif liegen, wird Fremdkapital abgebaut und die Zinsbelastung sinkt. Mit fortschreitenden Jahren und somit steigenden Betriebskosten flacht die Kostensteigerung ab, ein realistisches Bild entsteht. Diese Kurve sagt nun tatsächlich aus, ob eine KWK-Anlage wirtschaftlich ist oder nicht. Unter den angenommenen, standardisierten Bedingungen ergeben sich Amortisationszeiten zwischen 9 und 13,5 Jahren, zwei der betrachteten Anlagen amortisiert sich nicht innerhalb der Tariflaufzeit

64 Abbildung 48: Entscheidungshilfe zur Wahl der geeigneten Technologie Quelle: Biomasseverband OÖ 8.4 Schlussfolgerungen Die Ansätze der Wirtschaftlichkeit in dieser Studie gelten ausschließlich bei den angenommenen standardisierten Voraussetzungen und Brennstoffpreisen! Die errechnete Wirtschaftlichkeit dient nur als Richtwert für eine erste grobe Abschätzung eines KWK- Projektes. Jedes Heizwerk hat andere Voraussetzungen, die eine entscheidende Rolle für die Amortisationsdauer in der Praxis spielen. Bei guten Voraussetzungen und Platzverhältnissen ist eine KWK-Anlage eine technische und wirtschaftlich sinnvolle Ergänzung eines Heizwerks. Ebenfalls von wesentlicher Bedeutung ist die Entwicklung des Brennstoffpreises, da von einer dynamischen Preisentwicklung vor allem bei hochqualitativen Holzbrennstoffen ausgegangen werden kann. Bei zu optimistisch angesetzten Biomassepreisen und Preisprognosen können KWK- Anlagen sehr schnell an Wirtschaftlichkeit einbüßen. Es muss immer davon ausgegangen werden, dass es bei der Einspeisevergütung im Gegensatz zum Wärmepreis keine Wertsicherung gibt! Mit einer hohen Rendite ohne nennenswerten Einsatz an Kapital und Arbeitskraft kann man bei Biomasse-KWK-Anlagen nicht rechnen. Vor allem bei der Nachrüstung von Dampf- oder ORC-Prozessen kann das Investitionserfordernis nur nach einer genauen technischen Analyse der Kesseltechnik in enger Abstimmung mit dem Anlagenhersteller abgeschätzt werden, da im Falle der

65 Nachrüstung umfangreiche Änderungen an der Kesseltechnik, vor allem des Wärmetauschers erforderlich ist. Auch emissionsseitig ist eine genaue Analyse erforderlich! Für eine realistische Abschätzung ist eine genaue Analyse des Heizwerkes erforderlich, der Biomasseverband OÖ steht Ihnen für eine fundierte Beratung gerne zur Verfügung

66 9 Was wird die Zukunft bringen? Biomasse ist einer der wichtigsten Energieträger in Oberösterreich, etwa 25 Prozent der Haushalte werden mit Biomasse beheizt. Allein bäuerliche Biomasse-Nahwärmeanlagen stellen Raumwärme für umgerechnet Haushalte bereit. Bislang produzieren Heizwerke fast ausschließlich Wärme, in vielen Fällen könnte aus Biomasse auch die hochwertigste Energieform produziert werden: Elektrischer Strom. Die Wertschöpfung bleibt im Gegensatz zur Stromproduktion mit fossilen Kraftwerken in der Region. Mutter Natur speichert unentwegt Sonnenenergie in Form von Biomasse, die der Mensch nachhaltig nutzen kann. Eine Kombination von Heizwerken und KWK-Anlagen sichert eine höchst mögliche Energieeffizienz, weil bei richtiger Auslegung die gesamte Wärme zur Trocknung oder für die Versorgung von Wärmekunden verwendet werden kann. In den letzten Jahren ist durchaus erfolgreich sehr viel Entwicklungsarbeit passiert. Einige Anlagen sind serienreif und bewähren sich zum Teil seit mehreren Jahren in der Praxis. Mit zunehmenden Betriebserfahrungen werden diese Biomasse-Kraftwerke stetig weiter verbessert. Die Holzverstromung kann eine wichtige Aufgabe in der zukünftigen Energieversorgung spielen. Strom aus Biomasse ist im Gegensatz zu anderen, ebenfalls bedeutsamen Ökostromtechnologien immer verfügbar und kann einen Teil der Grundlast im Stromnetz abdecken. Teure Regelenergie um Schwankungen in der Produktion auszugleichen ist nicht notwendig. Zur Verbreitung dieser energie- und klimapolitisch sinnvollen Form der Energieversorgung bedarf es eines geeigneten rechtlichen Rahmens. Mit dem Ökostromgesetz wurde bereits vor einigen Jahren ein passendes Konstrukt geschaffen, der darin verankerte statische Einspeisetarif ist jedoch ein Hemmnis. Kostensteigerungen im Laufe der Betriebsjahre werden nicht abgegolten. Eine Wertsicherung, zumindest für den Anteil des Rohstoffes in den Produktionskosten, würde die Kalkulierbarkeit deutlich verbessern und dem schleppenden Ausbau Schub verleihen. Vor allem für kleinere Anlagen sind angemessene Investitionsförderungen ebenfalls ein geeignetes Mittel zur Forcierung dieser Zukunftstechnologie. Das Kraftwerk Wald bietet für Klima, nachwachsende Rohstoffe und heimische Umwelttechnikunternehmen eine große Chance. Geeignete Voraussetzungen dafür zu schaffen ist das Gebot der Stunde

67 Abbildung 49: v.l.: Ing. Mag. (FH) Gerhard Uttenthaller KWK-Spezialist vom Biomasseverband OÖ, Obmann Ludwig Mayrhofer und Geschäftsführer Dipl.-Ing. Matthias Raschka vor der Kraft-Wärme-Kopplungsanlage (KWK) der Holzstrom GmbH der Familie Wurhofer in Neukirchen an der Enknach

68 10 Exkurs Nährstoffentzug durch Biomassenutzung In den letzten Jahren herrscht eine zunehmende Nachfrage nach Industrie- aber auch nach Energie- bzw. Brennholz. Die aktuell lukrativen Preise für Biomasse (auch minderer Qualität) und die Verbesserung der Maschinenausstattung (Krananhänger) verführen zunehmend dazu, eine Nutzung im Vollbaumverfahren durchzuführen. Vollbaumnutzung heißt, dass nicht nur Derbholz sondern auch alle Nadeln, Zweige und Äste aus dem Wald gebracht werden. Seit 2011 wurden von der Universität für Bodenkultur mehrere Versuchsanlagen in Oberösterreich angelegt. Die Durchforstungen erfolgten im Sortimentsverfahren mit einer Zopfstärke von 8 und 4 cm, sowie als Vollbaumnutzung. Das Ziel war, diese drei Nutzungsverfahren hinsichtlich Menge, Wertschöpfung und ökologischer Auswirkung zu vergleichen. Die Ergebnisse sollen den Waldbesitzern eine Entscheidungshilfe bei der Auswahl ihres Nutzungsverfahrens sein. Wald-Ökosysteme haben einen weitestgehend geschlossenen Nährstoffkreislauf. Eine Vollbaumnutzung stört diesen Kreislauf sehr. Die Auswirkungen unseres Nutzungsverhaltens im Wald und die Auswirkungen auf die Nährstoffversorgung kann man sehr klar an den Grafiken in Abbildung 50 erkennen. Abbildung 50: Biomasse- und Nährstoffanteil bei Nadelholz Äste, Zweige und Nadeln machen nur etwa 22 % der Biomasse aus, enthalten aber rund 60 % aller Nährstoffe. Bei einer Vollbaumnutzung entnimmt man einen Großteil dieser Nährstoffvorräte. Die entnommenen Nährstoffe bei der Nutzung von Ästen, Zweigen und Nadeln entsprechen einem Düngemittelwert von bis pro ha. Durch die Entnahme der Streu wird nicht nur der Nährstoffkreislauf, sondern auch der Humusaufbau gestört. Der Bodenhumus ist Nährstoffspeicher, langsam fließende Nährstoffquelle und Wasserspeicher in einem. Der Humusverlust kann mit mineralischer Düngung nicht ausgeglichen werden. Die erntebare Mehrmenge bei einer Vollbaumnutzung eines Fichtenbestandes mit 15 cm Brusthöhendurchmesser liegt zwischen 18 und 24 %. Der erntekostenfreie Erlös für die Mehrmenge an Biomasse, die im Wesentlichen aus Astund Wipfelmaterial besteht, liegt meist bei +/- 0, häufig ist er sogar negativ

69 Die Zuwachsverluste durch Vollbaumnutzung (Ergebnisse mehrerer wissenschaftlicher Untersuchungen) liegen durchschnittlich bei 20 %. Rutscht ein Fichtenbestand von der 10. Bonität in die 8. Bonität (-20 %) verliert der Waldbesitzer in 100 Jahren etwa 8.300,-. Die Nutzung der Holzbiomasse ist grundsätzlich positiv zu sehen. Sie ist ein Beitrag zum Klimaschutz, zur regionalen Wertschöpfung und zur Arbeitsplatzerhaltung im ländlichen Raum. Eine intelligente Nutzung des nachwachsenden Rohstoffes Holz setzt allerdings voraus, dass ich als Waldbewirtschafter die Potentiale im Wald, die Wirtschaftlichkeit meiner Maßnahmen und die ökologischen Auswirkungen meines Tun`s kenne. Quelle: Landwirtschaftskammer OÖ

70 11 Exkurs Holzvorrat in Österreich Mit einem Bewaldungsprozent von 47,6 % bedeckt der österreichische Wald fast das halbe Bundesgebiet (siehe Abbildung 51). Seit Beginn der Österreichischen Waldinventur 1961 ist die Waldfläche um ha angewachsen. Dies übersteigt deutlich die gesamte Landesfläche Vorarlbergs. Abbildung 51: Waldkarte Österreich, Quelle: BFW, BEV (Relief) Zwischen den beiden jüngsten Waldinventuren 2000/02 und 2007/09 hat sich die Waldfläche um ha auf 3,99 Mio. ha vergrößert. In den Hochlagen über m Seehöhe war mit ha die stärkste Flächenzunahme festzustellen. Die Steiermark ( ha) und Niederösterreich ( ha) verfügen über die größten Waldflächen. Die am dichtesten bewaldeten Bundesländer sind die Steiermark und Kärnten mit Waldanteilen von 62 % bzw. 61 %. Wien (22 %) und das Burgenland (34 %) weisen die geringsten Waldanteile auf

71 Abbildung 52: Eigentumsverteilung im österreichischen Wald, Quelle: BFW, Waldinventur 2007/09 Über 80 % des österreichischen Waldes befinden sich in Privatbesitz. Rund zwei Drittel davon gehören etwa Kleinwaldbetrieben mit einer Fläche unter 200 ha (siehe Abbildung 52). Die meisten dieser Kleinbetriebe verfügen neben Wald auch über landwirtschaftliche Besitzflächen. Knapp ha oder rund 15 % des heimischen Waldes werden von der Österreichischen Bundesforste AG bewirtschaftet. Zur Jahrtausendwende hat der Gesamtholzvorrat im österreichischen Wald die Milliardengrenze überschritten (siehe Abbildung 53). Ein Jahrzehnt später liegt er bereits bei 1,135 Mrd. Vorratsfestmetern (Vfm). Der durchschnittliche Vorrat pro Hektar erhöhte sich in der jüngsten Erhebungsperiode um 13 Vfm/ha auf 337 Vfm/ha. Der Vorrat im Kleinprivatwald stieg sogar um 23 Vfm/ha auf im Schnitt 354 Vfm/ha an. Die jährliche durchschnittliche Nutzung wurde zwischen den beiden jüngsten Inventuren um 2,1 Vfm/ha auf 7,7 Vfm/ha gesteigert, blieb aber immer noch unter dem Zuwachs von 9,0 Vfm/ha. Vor allem die durch die Sturmkatastrophen Kyrill, Paula und Emma in den Jahren 2007 und 2008 anfallenden Schadholzmengen führten zu vergleichsweise hohen Holzerntemengen. Durch die gestiegene Holzverwertung konnte der Marktpreis stabil gehalten und der Holzfluss vom Wald zur Industrie aufrechterhalten werden

72 Abbildung 53: Holzvorrat und jährlicher Holzeinschlag im österreichischen Wald, Quelle: BFW, Österreichischer Waldbericht 2012, Lebensministerium Abbildung 54 zeigt den jährlichen Zuwachs und Einschlag im prozentualen Anteil des gesamten Holzvorrates. Abbildung 54: Vorrat, Zuwachs und Einschlag im österreichischen Wald (Werte bei Zuwachs und Nutzung sind prozentuale Anteile am gesamten Holzvorrat), Quelle: BFW, Waldinventur 2007/09 Quelle: Basisdaten Bioenergie 2013, Österreichischer Biomasse-Verband

73 12 Projektierung einer Biomasse-KWK-Anlage am Beispiel der Nahwärme Antiesenhofen 12.1 Nahwärme Antiesenhofen GmbH Die Nahwärme Antiesenhofen (siehe Abbildung 55) betreibt seit 1993 ein Fernwärmenetz in Antiesenhofen. Derzeit werden 103 Abnehmer mit einer Gesamtanschlussleistung von kw mit Wärme beliefert. Versorgt wird das Fernwärmenetz mit einem Kessel der Firma Fröling GmbH mit einer Nennleistung von kw (siehe Abbildung 56), der im Oktober 1993 in Betrieb genommen wurde. Abbildung 55: Heizhaus der Nahwärme Antiesenhofen, Quelle: Biomasseverband OÖ

74 Nach Installation einer geeigneten KWK-Anlage sollte der Biomassekessel im Sommer Mitte März bis Mitte September nicht in Betrieb sein und nur starten, wenn mehr Wärme als die Abwärmeleistung des BHKW benötigt wird. Das Kesselwasser wird über die Abwärme permanent auf Temperatur gehalten. Diese Maßnahme stellt eine kurzfristige Wärmebereitstellung über den Kessel und eine längere Kessellebensdauer sicher. Abbildung 56: Biomassekessel der Nahwärme Antiesenhofen, Quelle: Biomasseverband OÖ

75 12.2 Jahresganglinie Abbildung 57 zeigt den Wärmebedarf des Nahwärmenetzes über ein Kalenderjahr Abbildung 57: Wärmebedarf des Wärmenetzes über ein Kalenderjahr Abbildung 58 beschreibt, wie sich der Lastverlauf bei Integration einer KWK-Anlage ändert. Der Kessel kann im Sommer abgestellt werden, die Grundlast übernimmt die KWK-Anlage

76 Abbildung 58: Jahresganglinie der Nahwärme Antiesenhofen 12.3 Technisches Grobkonzept KWK-Anlage Antiesenhofen Grundsätzliche Überlegungen Die Technologie der Holzvergasung soll die bestehende Biogasanlage ersetzen. Eine thermische Leistung von etwa 200 kw ist notwendig um die Biogasanlage zu ersetzen. Ein Teil der Wärme wird für die Vortrocknung des Hackguts benötigt. Diese Wärme kann durch den Überschuss in den Sommermonaten bereitgestellt werden, aufgrund des sonst nötigen großen Lagerbedarfs für vorgetrocknetes Hackgut wird ein Teil auch in der Übergangszeit bzw. im Winter getrocknet. Da die Trocknungszeiten flexibel sind, ist es zielführend, die Trocknungszeiten so zu legen, dass der Biomassekessel nicht im Schwachlastbetrieb laufen muss. Aufgrund der Kesselauslastung und der vorherrschenden Luftfeuchtigkeit ist eine Trocknung in den Monaten April und Mai zielführend. Variante 1 ist eine größere Anlage, Variante 2 sind zwei Linien einer kleineren Anlage. Anhand der zur Technologiefindung erstellten Grafik (Abbildung 48) wird im Folgenden das Beispiel der Nahwärme Antiesenhofen abgehandelt (Abbildung 60) Thermische Grundlast Eine thermische Grundlast ist vorhanden. Die durchschnittlich benötigte Leistung liegt bei ca. 200 kw. Im Falle einer Vergasungsanlage sollte die thermische Leistung bei etwa 240 kw liegen um das benötigte Material vortrocknen zu können. Diese Wärmemenge soll von der Biomasse-KWK-Anlage abgedeckt werden

77 Verfügbarkeit von Biomasse Die Biomasse ist am Standort Antiesenhofen verfügbar, die Versorgung des Heizwerkes stellt kein Problem dar. Der Maschinenring Innviertel garantiert die Verfügbarkeit von qualitativ hochwertigem Hackgut in ausreichender Menge. Zum Betrieb einer Holzvergasungsanlage mit ca. 240 kw thermischer Leistung, das entspricht einer elektrischen Leistung von 100 bis 120 kw, ist eine Brennstoffmenge von etwa bis Schüttraummeter Hackgut erforderlich. Die Grundlast des Wärmenetzes würde alternativ mit einem Hackgutkessel bereitgestellt. Für die erzeugt Strommenge und die Trocknungsenergie muss zusätzlich Hackgut bereitgestellt werden. Diese Energiemenge entspricht in etwa 40 % des eingesetzten Materials. Ca bis Schüttraummeter müssen somit zusätzlich aufgebracht werden Qualität der Biomasse In der Region Antiesenhofen herrscht eine starke Nachfrage nach Energieholzsortimenten aus dem angrenzenden Bayern vor. Um die benötigte Hackgutmenge für den Biomassekessel und die KWK-Anlage langfristig zu vernünftigen Preisen sicherstellen zu können, wird angestrebt, die KWK-Anlage mit marktüblichen Hackgutsortimenten zu betreiben. Da viele größere Vergasungsanlagen Hackgut großer Stückigkeit benötigen, sollte eine Anlage gewählt werden, die Hackgut der Stückigkeit P16 bis P45 nach EN (das entspricht G30 bis G50 nach der alten, nicht mehr gültigen ÖNORM M7133) verarbeiten kann Lagerkapazität und Aufbereitung von Hackgut Das Heizwerk der Nahwärme Antiesenhofen befindet sich am Gelände eines ehemaligen Sägewerkes (siehe Abbildung 59), welches vor einigen Jahren stillgelegt wurde. Die Platzverhältnisse für eine Trocknung von Hackgut und die Lagerung von getrocknetem Hackgut sind dadurch dementsprechend großzügig vorhanden. In einer vorhandenen Überdachung könnte eine Trocknungsanlage aus drei Trocknungsboxen errichtet werden, dazu ein Lager für das getrocknete Hackgut

78 Abbildung 59: Luftaufnahme des Areals der Nahwärme Antiesenhofen, Quelle: Google Maps, adaptiert vom Biomasseverband OÖ Personalkapazitäten Bei den Personalkapazitäten ist mit keinem Engpass zu rechnen Leistung und Technologie Als Brennstoff soll Waldhackgut mit einer Stückigkeit von P16 bis P45 nach EN (das entspricht G30 bis G50 nach der alten, nicht mehr gültigen ÖNORM M7133) eingesetzt werden. Somit ist eine Festbettvergasung im kleinen Leistungsbereich (bis 100 kw) die geeignete Technologie. Größere Anlagen benötigen in der Regel größeres Material. Mehrstufige Vergaseranlagen werden erst ab einer thermischen Leistung von über 400 kw angeboten. Vergasungsanlagen mit diesen Brennstofferfordernissen bewegen sich derzeit im Leistungsbereich von ca. 50 kw. Bei dem Erfordernis einer thermischen Leistung von ca. 240 kw müssen zwei Linien einer kleineren Anlage installiert werden. Näher Betrachtet werden folglich zwei Linien der Firma Spanner (HK45) und zwei Linien der Firma Fröling. Der Weg der Technologiefindung der Nahwärme Antiesenhofen ist in Abbildung 60 gelb markiert dargestellt:

79 Abbildung 60: Technologiefindung am Beispiel der Nahwärme Antiesenhofen Quelle: Biomasseverband OÖ Weitere Überlegungen Netzzugang Die Netzanbindung an das Stromnetz der Energie AG ist in unmittelbarer Nähe und in voraussichtlich ausreichender Kapazität möglich. Eine Stellungnahme des Netzbetreibers wurde angefordert, liegt jedoch noch nicht vor (Stand: Jänner 2014) Temperatur im Wärmenetz Der Sommerbetrieb wird von der Holzgasanlage alleine übernommen, die auskoppelbare Temperatur von ca. 80 C ist für den Sommerbetrieb ausreichend. Der Kessel wird auf Temperatur gehalten und kann bei kurzfristig höherem Wärmebedarf im Netz vor allem in der Übergangszeit schneller auf Leistung gebracht werden. Im Winter, wenn höhere Temperaturen notwendig sind, übernimmt der Kessel die Anhebung der Temperatur Platzverhältnisse und Baulichkeiten Neben dem Hackgutlager der Nahwärme Antiesenhofen befindet sich ein Platz, der für zwei Containeranlagen der Firma Fröling geeignet ist. Im Falle der Installation von zwei Anlagen der Firma Spanner könnten diese im bestehenden Heizhaus der Nahwärme Antisenhofen untergebracht werden. Diese beiden Varianten sind in Abbildung 59 ersichtlich. Die Brennstofflagerung kann im bestehenden Lager erfolgen. An das Gebäude würde ein Beschickungslager mit Austragung für die Vergaserlinien zugebaut werden

80 Die Anlagen der Firma Fröling werden nur fertig im Container ausgeliefert. In diesem Fall würde neben den aufgestellten Containerlagern eine Austragung montiert werden, um die beiden Anlagen zu beschicken. Eine Adaptierung von Bestandsgebäuden für die Unterbringung der Anlagen entfällt Wirtschaftlichkeit Unter den beschriebenen Voraussetzungen wurden dynamische Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen für die Varianten 2x Spanner KH45 und 2x Fröling Holzvergaser gemacht. Der Biomasseverband OÖ hat zur Kalkulation von Biomasse-KWK- Anlagen ein Berechnungsprogramm entwickelt, das für die Abschätzungen in Kapitel 8 verwendet wurde und auch für die Kalkulation der KWK-Anlage im Folgenden verwendet wird Investitionskosten Als ersten Schritt werden die Investitionskosten unter den oben beschriebenen Voraussetzungen abgeschätzt. Bei der Variante 2x Fröling gestalten sich diese wie in folgt:

81 Tabelle 1: Abschätzung der Investitionskosten, Variante 2x Fröling Die Variante 2x Spanner HK45 ist in der Anschaffung etwas günstiger, verfügt aber über eine um 10 % geringere elektrische Engpassleistung als die Variante 2x Fröling

82 Die Investitionskosten wurden in Tabelle 2 abgeschätzt. Tabelle 2: Abschätzung der Investitionskosten Variante 2x Spanner HK

83 Die Investitionskosten betragen knapp ,- bei der Variante 2x Fröling und knapp ,- bei der Variante 2x Spanner. Einheitlich angenommen wird eine thermische Erweiterung des Nahwärmenetzes, um auch tatsächlich die Förderung im Rahmen der Umweltförderung im Inland (UFI) über die Kommunalkredit Public Consulting (KPC) in Anspruch nehmen zu können. Weiters wird von einer Eigenkapitalquote von 15 % ausgegangen Erlöse Wärmeproduktion und -einsatz Die Erlöse setzen sich zusammen aus Strom- und Wärmeerlösen. Die Stromerlöse resultieren aus den angenommenen Volllaststunden (auf Wunsch des Betreibers angesetzt). Die Wärmeerlöse hängen von der in das Wärmenetz einspeisbaren Wärmemenge ab. Diese muss aus dem monatlichen Wärmebedarf des Wärmenetzes, der produzierten Wärmemenge und aus dem Energiebedarf zum Vortrocknen des Hackguts ermittelt werden. Die Brennstoffwärmeleistung der beiden Varianten liegt bei 410 kw (2x Spanner) bzw. 425 kw (2x Fröling). Die Anlage der Firma Fröling weist einen etwas besseren elektrischen Wirkungsgrad auf und die Anlage der Firma Spanner ist mit einem Nachreformer zur Verbrennung der Restkohle ausgestattet, um reine Asche als Vergasungsrückstand zu erreichen. Durch diese technischen Unterschiede ist die Brennstoffwärmeleistung auf beiden Seiten annähernd gleich. Bei Volllaststunden errechnet sich somit ein Brennstoffverbrauch von ca Schüttraummetern/Jahr. Unter der Annahme, dass das Hackgut von einem Eingangswassergehalt von 35% auf einen Ausgangswassergehalt von 10% getrocknet wird, ergibt sich ein Energiebedarf von etwa 320 MWh, wie Tabelle 3 zeigt. Tabelle 3: Energiebedarf Hackguttrocknung pro Linie Energiegehalt bei Wassergehalt 10% 850 kwh/srm Wassergehalt Eingang 35% kg/srm 233 Wassergehalt Ausgang 10% kg/srm 183 Delta 25% delta 50 Energieaufwand pro kg Wasser Energieaufwand pro Srm 1,7 kwh 85 kwh Hackgutverbrauch Energieverbrauch Gesamtwassermenge Strom Trocknungsgebläse Srm kwh Liter kwh 2 Linien: Liter kwh

84 Der Biomassekessel soll in den Sommermonaten gänzlich abgestellt werden können. Die Vortrocknung des Hackguts muss folglich zeitlich so erfolgen, dass im Sommer nur die Überschusswärme zur Trocknung verwendet wird. Da diese Wärmemenge nicht ausreicht, wird auch in der Übergangszeit getrocknet. Der Kessel erreicht dadurch in der Übergangszeit eine höhere Auslastung, was die Lebensdauer positiv beeinflusst, da nicht so niedrige Lasten auftreten (Versottung). Nach Berechnung der monatlichen Wärmemengen für Trocknung und Wärmenetz ergibt sich der in Abbildung 61 ersichtliche Jahresverlauf. Abbildung 61: Wärmeproduktion und -bedarf im Jahresverlauf Für die Einspeisung in das Wärmenetz stehen MWh zur Verfügung. Bei einem Wärmekostenansatz von 35,- pro MWh entspricht das einem Jahreserlös von , Stromproduktion und Stromerlös Bei einer Auslastung von Vollaststunden produziert die Doppelanlage der Firma Fröling eine Strommenge von kwh pro Jahr, die Doppelanlage der Firma Spanner eine Strommenge von kwh pro Jahr. Bei beiden Anlagen ist von einem Eigenstromverbrauch von 3 kw für Steuerung und Antriebe auszugehen, die eingespeiste Strommenge reduziert sich um kwh. Ein weiterer Stromverbraucher ist die Hackguttrocknung mit einem Stromaufwand von ca. 0,17 kwh pro zu verdunstendem kg Wasser. Das ergibt einen zusätzlichen Stromverbrauch von etwa kwh. Bei einem Vertragsabschluss mit der Abwicklungsstelle für Ökostrom (OeMAG) erhält der Betreiber einer hocheffizienten KWK-Anlage einen Einspeisetarif von 19,70 Cent/kWh. Das ergibt im Falle einer Fröling-Doppelanlage einen Stromerlös von ,

85 Und im Falle einer Spanner-Doppelanlage einen Stromerlös von , Betriebskosten Der größte Anteil an den Betriebskosten entfällt auf das Hackgut. Angenommen wird, dass gemischtes Hackgut mit einem relativ hohen Weichholzanteil und einem Wassergehalt von 30 % zugekauft und an der Anlage getrocknet wird. Der Hackgutverbrauch bei einem Energiegehalt von 850 kwh (trocken) liegt bei Schüttraummetern. Unter der Annahme eines Einkaufspreises (nass) von 22,- pro Schüttraummeter netto ergeben sich Gesamtkosten von ,- im ersten Jahr. Der Personalaufwand wurde für beide Anlagen mit 300 Stunden Anlagenbetreuung pro Jahr angenommen. Nach Erfahrungswerten mit der Spanner-Anlage muss für die Anlage selbst bei guter Wartung mit einem Zeitaufwand von ca. 2,5 Stunden pro Woche gerechnet werden. Etwa 170 Stunden stehen für die Hackguttrocknung zur Verfügung. Darüber hinaus wurden 40 Stunden pro Jahr für die Verwaltung angesetzt. Der Kostenansatz für Anlagenbetreuung und Trocknung liegt bei 20,- pro Stunde, für die Verwaltung bei 35,- pro Stunde. Für Wartung und Instandhaltung der Vergaseranlage und des Blockheizkraftwerkes wurden ,- bei der Spanner-Variante und ,- bei der Fröling-Variante angesetzt. Das Gebäude für Hackguttrocknung und Lager ist nicht im Besitz der Nahwärme Antiesenhofen und muss gemietet werden. Die Jahreskosten dafür belaufen sich auf ,-. Tabelle 4 zeigt die Betriebskosten der Variante 2x Fröling, Tabelle 5 die Betriebskosten der Variante 2x Spanner

86 Tabelle 4: Betriebskosten der Variante 2x Fröling

87 Tabelle 5: Betriebskosten der Variante 2x Spanner Amortisationsdauer nach der Kapitalwertmethode Beide Varianten wurden einer dynamischen Wirtschaftlichkeitsbetrachtung unterzogen. Sowohl für die Betriebskosten als auch die Wärmerlöse wurde eine jährliche Steigerung kalkuliert, um eine möglichst realistische Abschätzung der Wirtschaftlichkeit über die Laufzeit zu erhalten. Keine Wertsicherung wurde bei den Stromerlösen kalkuliert, da die Einspeisetarife über die Laufzeit gleich bleiben. Die angenommene jährliche Steigerung beträgt bei Brennstoff und Wärmeerlös 2,5%, bei der Miete ebenfalls 2,5%, bei Personal und Versicherung 3% und bei der Instandhaltung 4%. Abbildung 62 zeigt eine Gegenüberstellung der beiden Varianten

88 Als Barwertisierungsfaktor, das entspricht den Zinsen für Eigenkapital und Fremdkapital, wurden 4% angesetzt. Nach etwa 11 Jahren ist bei beiden Varianten der Kapitalwert positiv, die Anlagen amortisieren sich innerhalb der Tariflaufzeit Jahre Kapitalwert Variante 2x Spanner Kapitalwert Variante 2x Fröling Abbildung 62: Vergleich Amortisierungsdauer nach der Kapitalwertmethode Resümee Unter den gegebenen Voraussetzungen in Antiesenhofen erweisen sich beide Varianten, eine Doppelanlage der Firma Fröling und eine Doppelanlage der Firma Spanner, als wirtschaftlich. Der regionale Hackgutpreis von 22,- pro Schüttraummeter in nicht getrocknetem Zustand sowie die Standort und Platzverhältnisse lassen einen positiven Betrieb der KWK-Anlage zu. Ein weiteres Argument für die KWK-Anlage ist, dass der Biomassekessel im Sommer abgestellt werden kann und nicht im Schwachlastbetrieb heizen muss. Von einer längeren Lebensdauer des Kessels kann ausgegangen werden. Die Hackgutlogistik ist ebenfalls, bedingt durch das bestehende Heizwerk, vorhanden. Es liegt nun im Ermessen des Betreibers, ob eine kalkulierte Amortisationsdauer von 11 Jahren ausreichend ist. Bestehen bleibt das Risiko, dass die Anlage die erwartete Auslastung von Vollaststunden pro Jahr nicht erreicht und dass die Entwicklung des Hackgut- bzw. Holzpreises eine stärkere Aufwärtsentwicklung zeigt als angenommen

89 13 KWK-Rechner: Abschätzung der Wirtschaftlichkeit Als Service für die Mitglieder des Biomasseverbandes OÖ im Mitgliederbereich der Homepage ( wurde ein KWK-Rechner (siehe Abbildung 63) erstellt, welcher Betreibern von Heizwerken die Möglichkeit gibt, eine einfache erste Abschätzung der Wirtschaftlichkeit einer Kraft-Wärme-Kopplungsanlage (KWK) für ihr Heizwerk zu erstellen. Dazu müssen einige wenige Parameter eingegeben werden: Grundlast oder alternativ Abnahmeleistung und Netzlänge Platzverhältnisse Biomassepreis Als Ergebnis erhält der Nutzer des Rechners die mögliche elektrische Leistung der KWK- Anlage, den Mehrverbrauch an Hackgut, die geschätzten Investitionskosten, eine Bandbreite der Amortisationsdauer sowie eine Technologieempfehlung. Die Berechnung dient als Grobabschätzung und ersetzt keine professionelle Wirtschaftlichkeitsberechnung! Ein Beratungsgespräch mit einem Experten ist unbedingt notwendig! Das Team des Biomasseverbandes OÖ steht zu einem kostenlosen Erstberatungsgespräch gerne zur Verfügung

90 Abbildung 63: KWK-Rechner zur Abschätzung der Wirtschaftlichkeit, Quelle: Biomasseverband OÖ

91 14 Checklisten 14.1 Checkliste Biomasse-KWK Folgende Checkliste bietet einen schnellen Überblick über die Voraussetzungen, die bei der Projektierung und Planung einer KWK-Anlage beachtet werden müssen: Grundsätzliche Überlegungen Thermische Grundlast des Heizwerks (Warmwasserbereitung, Netzverluste im Sommer) Verfügbarkeit von Biomasse Qualität der Biomasse Möglichkeit der Hackgutaufbereitung Standort/Platzverhältnisse Lagerkapazität (z.b. für vorgetrocknetes Material) Einbindung ins Heizwerk (Heizzentrale, Netz, Rücklauf) Benötigtes Temperaturniveau Wärmenetz Personalkapazitäten und Personaleignung Anrainersituation Netzzugang Stromnetz Anlage Passende Technologie Referenzen Betriebserfahrungen, in der Praxis erzielte Auslastungen Anforderungen an die Brennstoffqualität Wirkungsgrade Reststoffe Service Garantien Technische Nutzungsdauer Wirtschaftlichkeit Verfügbare Kontingente für den Einspeisetarif Investitionsförderung Investitionskosten Betriebs- und Wartungskosten Wirkungsgrade Preisentwicklung Brennstoff Auslastung der KWK-Anlage Wärmepreis/Gestehungskosten der Wärme (aus Biomassekessel)

92 14.2 Überblick über die Verstromungstechnologien für Biomasse Abbildung 64 bietet einen Überblick der verfügbaren technischen Möglichkeiten für die Verstromung von fester Biomasse. Während beispielsweise die Dampfturbine üblicherweise ab mehreren hundert kw el zum Einsatz kommt, bietet die Technologie der Holzvergasung eine gute Lösung für Anlagengrößen im nur zweistelligen Leistungsbereich. Abbildung 64: Überblick über die Verstromungstechnologien für Biomasse Quelle: Biomasseverband OÖ 14.3 Technologiefindung Unterschiedliche Technologien benötigen unterschiedliche Voraussetzungen ganzjährige Wärmeabnahme ist in jedem Fall notwendig. Abbildung 65 dient als Entscheidungshilfe anhand der bestehenden Voraussetzungen

93 Abbildung 65: Entscheidungshilfe zur Wahl der geeigneten Technologie Quelle: Biomasseverband OÖ 14.4 Einflussfaktoren auf die Wirtschaftlichkeit einer Biomasse-KWK-Anlage Die Wirtschaftlichkeit einer KWK-Anlage hängt maßgeblich vom Brennstoff ab, die weiteren Einflussfaktoren sind jedoch vielfältig und reichen vom Netzanschluss über erforderlichen Baulichkeiten bis hin zu möglichen Investitionsförderungen. In Abbildung 66 ist das wirtschaftliche Umfeld eines KWK-Projektes dargestellt

94 Abbildung 66: Einflussfaktoren auf die Wirtschaftlichkeit; Quelle: Biomasseverband OÖ

95 15 Herstellerliste Urbas Maschinenfabrik GmbH Th.-Billroth-Strasse Völkermarkt Tel.: 04232/ urbas@urbas.at CLEANSTGAS GmbH Industriestraße St. Margarethen/Raab Tel.: 03115/ office@cleanstgas.com Holzenergie Wegscheid GmbH Kasberger Straße Wegscheid Deutschland Tel.: +49 (0)8592/ info@holzenergie-wegscheid.de Spanner RE² GmbH Niederfeldstraße Neufahrn in Niederbayern Deutschland Tel.: +49 (0)8773/ info@holz-kraft.de Fröling Heizkessel- und Behälterbau Ges.m.b.H. Industriestraße Grieskirchen Tel.: 07248/ info@froeling.com Burkhardt GmbH Energie- und Gebäudetechnik Kreutweg Mühlhausen Deutschland

96 Tel.: +49 (0)9185/ Renewable Energy Products (REP) GmbH Concept Strasse Gratkorn Tel.: 0316/ f.krammer@christof-group.com VEP Fördertechnik Ges.m.b.H Guntramser Straße Loipersbach Tel.: 02635/ office@vep.at MeaVota GmbH Schwarzenberg Schwarzenberg am Böhmerwald peter.boeijink@meavota.nl Recuperation e.u. Steinbrunngasse Kierling Tel.: 0676/ p.eisenkolb@recuperation.at Für die Aktualität und Vollständigkeit der Liste kann keine Gewähr gegeben werden

97 An den Gasfahrer Stehst du vorm Generatorwagen denkst du wohl im bangen Zagen, dass er Dir wohl Sorgen macht, doch er tut s nicht, hast du acht! Nimm gutes Tankholz, stückig und trocken, nicht zu klein und nicht zu gross die Brocken. Ob weich, ob hart ist nicht so wichtig, beides gemischt ist sicher richtig. Dann mach auch alle Luken dicht, sonst kriegst du Gas ganz sicher nicht, weil s gleich verbrennt im Generator und keine Kraft mehr gibt dem Motor. Die Dichtungen halt immer rein, schmier stets sie mit Graphitöl ein. Kondenswasser lass zeitig ab, denn sonst macht es die Leistung knapp. Den Rost rüttle vor m Tanken heftig Und stoch re nach der Füllung kräftig. Den Hohlbrand kannst du dadurch meiden Und sparst dem Motor damit Leiden. Hast du an all das gut gedacht, das Fahren Dir auch Freude macht. Die Luft stell ímmer richtig ein, das merke gut, das muss stets sein. Auch s Schalten darfst du nicht vergessen, denn wirklich wäre es vermessen zu denken, s könnt auch ohne geh n sofort bleibt Dir der Motor steh n Stets denk beim Generatorfahren, dass gut das Gas vor allem sei. Das wird vor Sorgen dich bewahren bei deiner Holzgasfahrerei. (Autor unbekannt)

98 Abbildung 2: Holzgas-LKW, Quelle: Starker Partner sauberer Strom