Möglichkeiten der energetischen Verwertung von Halmgütern. Dipl.-Ing. Th. Hering , Tiefengruben Thüringer Landesanstalt für Landwirtschaft

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1 Möglichkeiten der energetischen Verwertung von Halmgütern , Tiefengruben Thüringer Landesanstalt für Landwirtschaft Inhaltsverzeichnis Einleitung A Brennstoffeigenschaften B Einsatzmöglichkeiten Halmgüter (thermisch) 1. Wärmeerzeugungsanlagen 2. Stromerzeugungsanlagen C Rechtliche Rahmensituation D Zusammenfassung 1

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

3 A Brennstoffeigenschaften Physikalisch-mechanische Brennstoffeigenschaften z.b. Schütt/Pressdichte Transport, Lagerdichte Wassergehalt Lagerung, Heizwert, Ausbrand Aschegehalt Auslegung Austragsystem Störstoffe (Beikrautanteil) Ausbrand Halmgutlänge (Stroh lang/kurz, Ganzpflanze) Chemisch-stoffliche Brennstoffeigenschaften z.b. Stickstoff NO x -Emissionen Schwefel SO x -Emissionen, Korrosion Chlor HCl-,PCDD/F-Emissionen, Korrosion K, Na, Ca, (Mg) Ascheschmelzverhalten, Korrosion S, Cl, K, Na, Zn Pb Staubemission Cd Ascheverwertung 3

4 Brennstoffeigenschaften Vergleich der Press- und Schüttdichten (bei 85 % TS-Gehalt) Form Art / Sorte Dichte kg/m³ Häcksel Stroh Rundballen Stroh Quaderballen Gräser Quaderballen Stroh Quaderballen Getreideganzpflanzen Hobelspäne Holz Hackgut Fichte Sägemehl Holz Hackgut Buche Pellets Holz u. Stroh Getreidekörner Hafer Getreidekörner Gerste Getreidekörner Weizen/Roggen Brennstoffeigenschaften - Vergleich Rohaschegehalte (Vorgebirgslage: Glatthafer) 16,0 Rohaschegehalt [% d. TM] 14,0 12,0 10,0 8,0 6,0 4,0 2,0 Körner Stroh Ganzpflanze Holz 0,0 n = 25 n = 23 n = 25 n = 15 n = 5 n = 14 n = 52 n = 55 n = 51 n = 46 n = 47 n = 42 n = 288 n = 12 n = 51 Roggen Weizen Gerste Triticale Hafer Raps Roggen (Avanti) Hafer Raps Weizen Gerste (Flämlingslord) (Express) (Batis) (Theresa) Triticale - Pappel Laubholz Nadelholz GP M AX 2,0 1,9 3,0 2,1 4,9 4,8 8,4 12,8 9,3 10,9 12,0 7,6 4,5 1,2 2,2 M IN 1,5 1,3 1,9 1,6 3,0 4,1 2,6 3,2 3,0 4,8 4,0 3,4 0,6 0,3 0,2 M W 1,7 1,6 2,5 2,1 3,5 4,4 5,5 6,3 6,5 8,0 8,0 5,0 2,0 0,6 0,8 4

5 Vergleich der Anteile der aerosolbildenden Elemente Element Einheit WW WG WWSP GTP DIN-HP MP WWSP/ HP MP GTP/ HP RKP n = 3 n = 3 n = 8 n = 1 n = 1 n = 2 n = 1 n = 1 S mg/ kg TM Cl mg/ kg TM K mg/ kg TM Na mg/ kg TM <0,01 Zn mg/ kg TM Pb mg/ kg TM 0,021 0,025 0,393 0,38 1,37 0,71 0,6 0,18 Summe mg/ kg TM Heu mg/kg TM S Cl K Na Zn Pb Summe n = Nennlast Staub Datum mg/nm³; 13 % O MW: 260 mg/nm³ entspricht bei Faktor 2,6 etwa 100 mg/nm³ bei Stroh Brennstoffeigenschaften - Vergleich Stickstoff (Vorgebirgslage: Glatthafer) 4,50 Stickstoffgehalt [% d. TM] 4,00 3,50 3,00 2,50 2,00 1,50 1,00 Körner Stroh Ganzpflanze Holz 0,50 0,00 n = 25 n = 23 n = 25 n = 15 n = 5 n = 14 n = 52 n = 55 n = 51 n = 46 n = 47 n = 42 n = 288 n = 55 n = 41 Roggen Weizen Gerste Triticale Hafer Raps Roggen (Avanti) Weizen (Batis) Gerste (Theresa) Hafer Raps (Flämlingslord) (Express) Triticale - GP Pappel Laubholz Nadelholz M AX 1,97 2,59 2,22 2,18 2,27 3,85 1,13 0,93 1,27 1,13 1,49 1,42 1,22 2,66 0,28 M IN 1,51 2,10 1,59 1,66 1,54 3,21 0,33 0,28 0,29 0,22 0,42 0,38 0,19 0,11 0,07 M W 1,72 2,36 1,96 1,91 1,87 3,51 0,59 0,58 0,63 0,53 0,76 1,06 0,56 0,49 0,14 5

6 Brennstoffeigenschaften - Vergleich Chlor (Vorgebirgslage: Glatthafer) Chlorgehalt [% d. TM] 2,00 1,80 1,60 1,40 1,20 1,00 0,80 0,60 0,40 0,20 0,00 n = 25 n = 23 n = 25 n = 15 n = 5 n = 14 n = 52 n = 55 n = 51 n = 46 n = 47 n = 42 n = 288 n = 44 n = 36 Roggen Weizen Körner Gerste Triticale Hafer Raps Roggen (Avanti) Weizen (Batis) Stroh Gerste (Theresa) Hafer Raps (Flämlingslord) (Express) Triticale - Pappel Laubholz Nadelholz GP M AX 0,09 0,10 0,18 0,07 0,12 0,07 0,73 0,67 1,56 1,69 1,83 0,53 0,11 0,07 0,02 M IN 0,03 0,07 0,08 0,03 0,05 0,02 0,03 0,02 0,03 0,06 0,06 0,01 0,00 0,01 0,00 M W 0,07 0,08 0,13 0,05 0,10 0,04 0,24 0,23 0,43 0,64 0,58 0,16 0,02 0,02 0,01 Ganzpflanze Holz Brennstoffcharakteristik Vergleich Ascheschmelzverhalten Temperatur [ C] Sintertemperatur Erweichungstemperatur Sphärischtemperatur Halbkugelpunkt Fließtemperatur Nacktgetreide Spelzgetreide Triticale-GP Getreidestroh Miscanthus Waldholz 6

7 Inhaltsverzeichnis Einleitung A Brennstoffeigenschaften B Einsatzmöglichkeiten Halmgüter (thermisch) 1. Wärmeerzeugungsanlagen 2. Stromerzeugungsanlagen C Rechtliche Rahmensituation D Zusammenfassung Systeme der Strohverbrennung diskoninuierliche und kontinuierliche Beschickung Rost-, Kipptisch-Einschubfeuerungen, Zigarrenbrenner Ganzballen: Mini-, Rund-, Heston-Großballen Strohhäcksel: Zuführung über Schneckensysteme bzw. Strohpellets: Pneumatische Systeme einsetzbare Brennstoffe: Getreidestroh, Ganzpflanze, Landschaftspflegeheu, Ölleinstroh, Rapsstroh,... Anlagen ab 100 kw unterliegen 4. BImSchV (TA-Luft)!!! 7

8 DEULA SH Paul Künzel GmbH Prisdorf TU Hamburg-Harburg FNR Gülzow WKI Braunschweig FBZ e.v. Merseburg FH Köln TLL Dornburg ILK Dresden FH Bingen Koordination FNR/TLL weitere Felduntersuchungen TLL/TLUG/ILK (5 Anlagen) FH Köln (5 Anlagen), DEULA (1), FBZ (1) Zwischenergebnisse! FuE-Vorhaben primäre/sekundäre Emissionsminderungen IVD Stuttgart Grimm GmbH Amberg FH Amberg-Weiden ATZ Sulzbach Rosenberg TFZ Straubing Koordination F&E Feldtests Untersuchte Feuerungsanlagen (Feldtests) Brennstoffe Leistung Hersteller Typ Feuerungsprinzip Getreide Stroh Institution [kw th ] Pellet Ballen/Häcksel Reka HKRST Vorschubrostfeuerung X X TLL Reka HKRST Vorschubrostfeuerung X TLL Reka HKRST Vorschubrostfeuerung X X DEULA Passat C4 40 Brennmuldenfeuerung X X FH Köln Biokompakt AWK 45 SI 45 Unterschubfeuerung X X FBZ, FH Köln Heizomat HSK-RA Kettenumlaufrost X X FH Köln Ökotherm C1L 120 Brennmuldenfeuerung X X FH Köln Agroflamm Agro Unterschubfeuerung X X TLL, FH Köln, IVD/TFZ Guntamatic Powercorn Rostfeuerung X TLL, FH Köln, TFZ Linka Linka-H Brennmuldenfeuerung X TLL Herlt HSV Ganzballenvergaser X TLL Untersuchte Brennstoffe Getreidekörner Stroh Pellet Ballen/Häcksel Sonstige Winterweizen (Referenz) Winterweizen (Referenz) Winterweizen (Referenz) Holzpellets Wintergerste (Referenz) Winterroggen (Referenz) Winterweizen (grau) Triticale-GP Pellets Winterweizen Triticale Triticale Grüngutpellets Wintergerste GNP Pellets Winterroggen Rapspresskuchen Pellets Triticale 8

9 Ballenauflöser - Strohpelletierungsanlage Schleiz Entwicklung von Designbrennstoffen 9

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

11 1200 Reka 54 kw, Heuverbrennung [mg/nm³; 13 % Bezug O2] CO NOX SO2 HCl MAX MIN MW Stand der Heuverbrennung weitere Entwicklungen - Voruntersuchungen Erprobung innovativer Feuerungsysteme TLL TZNR Dornburg/Jena IHT-Anlage Brennstoffmisch- und wägeanlage wassergekühlte Vorschubtreppenrostfeuerung mit Rauchgasrezirkulation 11

12 Brennmuldenfeuerung - Fa. Linka, Dk, 400 kw Stand der Strohverbrennung Brennmuldenfeuerung Firma Lin-Ka (Dk), 400 kw th Ergebnisse der kontinuierlichen Messungen 1000 CO, NOX, SOX, Ges.-C [mg/nm³, tr.; 11 % O2] TA LUFT 0 CO: n = 9 CO: n = 27 NOX: n = 9 NOX: n = 27 SOX: n = 9 SOX: n = 27 Ges.-C: n = 9 Ges.-C: n = 27 Weizenstroh Triticalestroh Weizenstroh Triticalestroh Weizenstroh Triticalestroh Weizenstroh Triticalestroh MAX MIN MW Stand der Strohverbrennung 12

13 Thüringer Landesanstalt für Landwirtschaft (TLL), Jena Kipptisch - Brennstoff: Stroh und Ganzpflanzen Leistung: 1,75 MW th Einschubfeuerung kontinuierliche Beschickung mit einzelnen Scheiben Anlageschema für Kipptisch-Einschubfeuerung (Fa. Lin-Ka, DK) Strohlager 100 t Kesselhalle Kamin Strohkessel 1,7 MW Strohbahnen Hubtisch mit Waage Kipp- Ballen- Einfeuerungstisch teiler zylinder Aschecontainer Zyklon- und Tuchfilter Rauchgassauger Wärmespeicher 55 m³ 13

14 BKS Bio-Kraftwerk Schkölen GmbH Fernwärmeversorgung der Stadt Schkölen Brennstoff: Stroh in Ballenform Leistung: 3,15 MW th Stand der Strohverbrennung Anlageschema für Ganzballen-Feuerung, Zigarrenabbrand kontinuierliche Beschickung mit Heston-Ganzballen (Fa. Volund, DK) Stand der Strohverbrennung 14

15 Ausgewählte strohgefeuerte (Heiz-) Kraftwerke in Europa (nach D. Thrän, M. Kaltschmitt 2001) Standort Leistung Feuerungssysteme Jährlicher Brennstoffeinsatz Inbetriebnahme Ensted aufgelöst/ Mg Stroh 40 MW Dänemark el Stoker Mg Hackschnitzel 1998 Cambridgeshire aufgelöst/ Mg Stroh 36 MW Großbritannien el Stoker (50-miles-Radius)sowie Erdgas 2001 Studstrup Dänemark 30 von 150 MW el aufgelöst/ Stoker Mg Stroh sowie mind. 80 % Kohle 1995 Sangüesa 25 MW el aufgelöst/ Spanien mit KWK Stoker Mg Stroh 2002 Slagelse 11,7 MW el aufgelöst/ Mg Stroh Dänemark mit KWK Stoker Mg Hausmüll 1990 Maribo 9,3 MW el aufgelöst/ Dänemark mit KWK Stoker Mg Stroh ,5 von 17 Grena aufgelöst/ Mg Stroh MW Dänemark el pneumatisch Mg Kohle mit KWK 1992 MasnedØ 8,3 MW el aufgelöst/ Mg Stroh Dänemark mit KWK Stoker Mg Hackschnitzel Mg Stroh, 5,6 von 28 Mabjerg Zigarrenbrenner, Mg Hausmüll, MW Dänemark el 2 weitere Kessel Mg Hackschnitzel, mit KWK Erdgas 1993 Haslev 5,0 MW el Dänemark mit KWK Zigarrenbrenner Mg Stroh 1989 RundkØbing 2,3 MW el aufgelöst/ Mg Stroh 1990 Inhaltsverzeichnis Einleitung A Brennstoffeigenschaften B Einsatzmöglichkeiten Halmgüter (thermisch) 1. Stroh- und Ganzpflanzenfeuerungsanlagen 2. Stromerzeugungsanlagen C Rechtliche Rahmensituation D Zusammenfassung 15

16 C Neue rechtliche Rahmenbedingungen Brennstoffe nach Nr. 8 3 der 1. BImSchV Grenzwerte (Typenprüfung) für Anlagen und Brennstoffe nach Nr. 8 3 der 1. BImSchV (Bezugs O 2 13 %; Quelle: BMU/UBA) Grenzwerte (Praxismessung) für Anlagen und Brennstoffe nach Nr. 8 3 der 1. BImSchV (Bezugs O 2 13 %; Quelle: BMU/UBA) 16

17 Inhaltsverzeichnis Einleitung A Brennstoffeigenschaften B Einsatzmöglichkeiten Halmgüter (thermisch) 1. Stroh- und Ganzpflanzenfeuerungsanlagen 2. Stromerzeugungsanlagen C Rechtliche Rahmensituation D Zusammenfassung D Zusammenfassung 1. Technik für die Ernte, Aufbereitung, Transport und Lagerung von Stroh und Getreide, etc. ist vorhanden und weitestgehend optimiert 2. Thermische Verwertung von Stroh-, ~pellets und Getreide ist technisch möglich, jedoch mit höheren Kosten, Emissionen und genehmigungsrechtlichen Aufwendungen verbunden 3. Geringe Erfahrung bei der Verstromung von Halmgut in Deutschland Anreiz des EEG Nawaro Bonus nicht aussreichend als Mischbrennstoffe nicht wirtschaftlich sinnvoll (Holz) Auschließlichkeitsprinzip!!! 4. Anlagen für die Vergasung von Halmgut stehen am Anfang ihrer Entwicklung, zeigen gute Fortschritte in Bezug auf Staub-, CO-, NOx- Emissionen, Verschlackungen Gasnutzung zur Verstromung bisher ohne Praxisrelevanz Getrennte Verbrennung/Vergasung von Getreidekörnern und Stroh gegenwärtig relevanter als Ganzpflanzennutzung 17

18 D Zusammenfassung Genehmigungsverfahren und Überwachung für rechtlich zugelassene größere Anlagen für Stroh und Getreide nach 4. BImSchV (TA Luft), erfordern höhere Invest-, Verwaltungs- und Betriebskosten, etc. Je inhomogener der Brennstoff umso höher die Anforderungen an die Feuerungsanlage bzw. je einfacher die Feuerungsanlage umso höher die Anforderungen an die Qualität des Brennstoffes. Weitere Informationen unter bzw. 18