Stroh als alternativer Brennstoff. 03. März 2015, Isabella Nowik

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1 Stroh als alternativer Brennstoff 03. März 2015, Isabella Nowik

2 Strohpotential zur energetischen Nutzung Deutschland 7 bis 13 Mio. t Frischmasse 100 bis 186 PJ/a [2] Entspricht der Versorgung von ca. 6,5 Mio. Haushalten mit Wärme keine Anlage >1.000 kw th mit Brennstoff Stroh in Betrieb => nahezu gesamtes Potential ungenutzt Regionale Unterschiede Dezentrale Anlagenstruktur => Brennstofflogistik Typische Anlagengrößen: 5 MW bis 50 MW Größtes Potential [1] 03. März

3 Einflussfaktoren auf die Kraftwerksplanung Emissionsgrenzen Brennstoffeigenschaften (1) Energiedichte (2) Ascheerweichung (3) Schadstoffgehalt 03. März

4 Energiedichte von Stroh Energiedichte verschiedener Lagerformen (bezogen auf 85% Trockensubstanz) Lagerform Schütt-/ Pressdichte [kg/m 3 ] [3] Energiedichte [MJ/m 3 ] Häcksel Rundballen Quaderballen Pellets Holzpellets Ca. 650 [8] Ca Heizwert Strohpellets: 17 MJ/kg Holzpellets: 18,8 MJ/kg [8] 03. März

5 Ascheerweichung - Prinzip Nach DIN CE/TS : vor Messbeginn 2: Sintertemperatur 3: Erweichungstemperatur 4: Halbkugeltemperatur 5: Fließtemperatur [4] 03. März

6 Erweichungstemperatur [ C] Ascheerweichung additivierter Strohpellets Holz 1200 Durch Additivierung und Pelletierung MgO Ca(OH) 2 ähnliche 1100 Eigenschaften wie Holzpellets => Feuerung für Holzpellets kann verwendet werden Kaolin 700 0,0% 0,5% 1,0% 1,5% 2,0% Anteil Additiv im Brennstoff bearbeitet nach [5] Strohmodellasche ohne Additive 03. März

7 Rostfeuerung vs. Wirbelschichtfeuerung Kriterien Rostfeuerung Wirbelschichtfeuerung (WSF) Brennstoffgröße Hackschnitzel bis Stückholz <30 cm Hackschnitzel (2 3 cm) Brennstoffeigenschaften Auch sehr feuchte Materialien Hohe Aschegehalte möglich Problematisch: sehr trockener Brennstoff Leistungsbereich > kw > kw Luftstufung Standard Standard enge Größenverteilung Hohe Aschegehalte möglich Vorteile Breites Brennstoffspektrum Relativ geringe Investitionskosten Nachteile Ausbrand etwas geringer als bei WSF Kurzschlussströmung unverbrannter Gase möglich Niedrige Emissionen Gute Ausbrandbedingungen Schnelle Regelbarkeit Additivzugabe möglich Erhöhter Ascheanfall Höherer Energiebedarf Lange Aufheizzeit Hohe Investkosten => > 50 MW lohnend Rostfeuerung für Strohpellet-Kraftwerk vorteilhaft 03. März

8 Schadstoffgehalt Schadstoffgehalt Hoher Chlor- und Kaliumgehalt => Hochtemperaturkorrosion bei Temperaturen >450 C wahrscheinlich Vermeidung Hochtemperaturkorrosion durch Wahl der Dampfparameter Temperatur: 400 C Druck: 40 bar Konventionelle Kesseltechnik verwendbar Rauchgasreinigung für saure Komponenten notwendig Zusammensetzung Strohpellets und Holzpellets im Vergleich Strohpellets Stroh 07 Holzpellets [6] Komponente Wert Wert Einheit Wasser (H 2 O) 6,70 8,4 [6] Gew-% Kohlenstoff (C) 38,81 50,3 [9] Gew-% Wasserstoff (H) 5,78 6,2 [9] Gew-% Sauerstoff (O) 44,58 43,1 [9] Gew-% Stickstoff (N) 0,52 0,21 [6] Gew-% Schwefel (S) 0,02 <0,005 [6] Gew-% Asche (gesamt) 4,13 0,4 [6] Gew-% Chlor (Cl) 0,31 0,0024 [6] Gew-% Calcium (Ca) 0,23 k.a. Gew-% Magnesium (Mg) 0,06 k.a. Gew-% Silicium (Si) 1,49 k.a. Gew-% Kalium (K) 0,12 k.a. Gew-% Heizwert 17,115 19,3 (waf) [6] MJ/kg 03. März

9 Emissionsgrenzen - TA Luft Emissionsgrenzen für Anlagen mit einer FWL von < 50 MW Emission (bezogen auf Sauerstoffgehalt von 11 vol.-%) Wert Einheit Gesamtstaub 20 mg/m 3 Organische Stoffe (als Gesamtkohlenstoff) 50 mg/m 3 Gasförmige anorganische Chlorverbindungen (als HCl) 30 mg/m 3 Gasförmige anorganische Fluorverbindungen (als HF) 3 mg/m 3 Schwefeloxide SO 2 & SO 3 (als SO 2 ) 350 mg/m 3 Stickoxide NO & NO 2 (als NO 2 ) 400 mg/m 3 Kohlenstoffmonoxid CO 250 mg/m 3 Ammoniak (NH 3 ) 30 mg/m 3 Dioxine und Furane, insgesamt 0,1 ng/m 3 Schwermetalle <1 mg/m 3 => Randbedingungen an Rauchgasreinigung 03. März

10 Rauchgaszusammensetzung I Berechnet mit Prozessmodell ( GWE) Brennstoff: Strohpellets Stroh 07 Luftverhältnis: 1,9 Komponente Wert Einheit Stickstoff (N 2 ) Kohlenstoffdioxid (CO 2 ) Sauerstoff (O 2 ) Wasser (H 2 O) Sonstiges Summe 70,8 vol.-% 9,6 vol.-% 8,9 vol.-% 10,6 vol.-% 0,04 vol.-% 100,0 vol.-% 03. März

11 Rauchgaszusammensetzung II Komponente (11 vol.-% Bezugs-O 2 ) Wert Einheit NO 2 Low-NO x -Verbrennung mit Luftstufung 203 mg/nm 3 < 400 mg/nm 3 Konventionelle Verbrennung 454 mg/nm 3 HCl 405 mg/nm 3 SO 2 45 mg/nm 3 > 30 mg/nm 3 < 350 mg/nm 3 NO x -Abtrennung nicht notwendig, da Luftstufung effektiv genug SO 2 -Abtrennung nicht notwendig HCl-Abtrennung notwendig zur Einhaltung der Grenzwerte 03. März

12 Rauchgasreinigungsverfahren Additive Hilfsstoffe Rauchgas (CO 2, O 2, N 2, NO x, HCl, HF, ) Rauchgasreinigung Reingas (CO 2, O 2, N 2 ) abreagiertes Additiv (fest) Abzuscheidende saure Komponenten: HCl, HF und SO 2 Abscheidung saurer Komponenten: Trockensorption Reaktion mit alkalischem Feststoff Stand der Technik Einstufiges Verfahren geringe Investitions- und Betriebskosten *) geringer Personalaufwand *) einfache Konzeption und platzsparende Bauweise *) Mögliche Sorbentien: Ca(OH) 2 oder NaHCO 3 Abscheidung von Schwermetallen, Dioxinen und Furanen: Adsorption mit Aktivkohle *) Quelle: März

13 Fließbild 03. März

14 Technische Daten - Beispielanlage Feuerungswärmeleistung: 15 MW Brennstoffbedarf: 3 t/h = t/a Prozessdampf: 15 t/h Wärmeabnahme bei 3 bar, 140 C P el (brutto): 2 MW Eigenstrombedarf: ca. 300 kw Laufzeit: h/a Flächenbedarf: ca m März

15 Wirtschaftlichkeit - Beispielanlage Herangehensweise und Projektvoraussetzungen Neues Strohkraftwerk wird in vorhandene Kraftwerksstruktur des Kunden/Standortes eingebunden Neues Strohkraftwerk verdrängt in gleichem Maße ein abgeschriebenes Kraftwerk mit konventionellem Brennstoffeinsatz Stromeinspeisung und vergütung nach EEG Inbetriebnahme 2017 Strohpellets Holzpellets Einheit Brennstoffbedarf t/a Brennstoff Preis /t Stromerlös nach EEG 103,92 /MWh allgemeine Preissteigerungsrate 2 % Laufzeit der Abschreibung/ des Projektes 20 Jahre Investitionskosten gesamt 10 8,5 Mio Fremdstrompreis 150 /MWh 03. März

16 Wirtschaftlichkeit - Beispielanlage (Fortsetzung) Erlöse Strohpellets Holzpellets Stromerlöse nach EEG (Volleinspeisung) 1,66 Mio. Summe Erlöse 1,66 Mio. Kosten Kosten für Brennstoff 3,3 5,6 Mio. Personalkosten (10MA a 2500 /Monat) Rauchgasreinigungskosten und Reststoffentsorgung Projektabschreibung (20 Jahre) Wartung, Instandhaltung und Versicherung Fremdstrombezug für Eigenbedarf Summe Kosten 5,08 7,2 Mio. Ertrag/EBIT -3,4-5,5 Mio. erzeugte Dampfmenge t/a resultierender Vollkosten-Dampfpreis 27,9 44,8 /t 03. März

17 Dampfpreis [ /t] Sensitivitäten - Beispielanlage ,94 /t Investitionskosten Strohpreis % 60% 70% 80% 90% 100% 110% 120% 130% 140% 150% Veränderung [%] 03. März

18 Zusammenfassung Strohpotenzial in Deutschland weitgehend ungenutzt Eigenschaften von Stroh als Brennstoff ähnlich wie Holzpellets durch Pelletierung (Energiedichte) Additivierung (Ascheerweichung) Konventionelle Kesseltechnik verwendbar Rauchgasreinigung mit Trockensorption Wirtschaftlich konkurrenzfähig mit Holzpellets 03. März

19 Herzlichen Dank für die Förderung 03. März

20 Kontaktdaten Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Hauptsitz: Am Anger Gütersloh Geschäftsführung: Dipl. oec. Jan Groneberg Dr.-Ing. Reinhard Wagner Büro Osterode: Am Südbahnhof Osterode am Harz Büro Berlin: Flottwellstraße Berlin fon: fax: mail: web: März

21 Quellen [1] Schriftenreihe des BMU-Förderprogramms Energetische Biomassenutzung, BAND 2, Basisinformationen für eine nachhaltige Nutzung landwirtschaftlicher Reststoffe zur Bioenergiebereitstellung [2] C. Weiser, F. Reinicke, V. Zeller, A. Vetter, D. Thrän, B. Wagner (2011): Bestimmung des deutschlandweiten Gestreidepotenzials auf Landkreisebene unter Anwendung verschiedener Humusbilanzmethoden, Thüringer Landesanstalt für Landwirtschaft [3] D. Peisker, T. Hering, A. Vetter (2007): Energetische Verwertung von Stroh Möglichkeiten und Grenzen, Thüringer Landesanstalt für Landwirtschaft [4] K. Weber (2013): Beeinflussung des Ascheschmelzverhaltens biogener Reststoffe durch Laugung und Additivierung, 3. Wissenschaftskongress Abfall- und Ressourcenwirtschaft, 22.März 2013, Stuttgart 03. März

22 Quellen (Fortsetzung) [5] P. Quicker, K. Weber, F. Neuerburg (2014): StrohEnergie.NRW - Konfektionierte Strohbrennstoffe für innovative Feuerungen - Doppelstrategie zur energetischen Verwertung von Stroh, Statusseminar Energieforschung.NRW, 10. Dezember 2014, Düsseldorf [6] Ph. Hasler, Th. Nussbaumer, J. Bürli (2001): Herstellung von Holzpellets - Einfluss von Presshilfsmitteln auf Produktion, Qualität, Lagerung, Verbrennung sowie Energie- und Ökobilanz von Holzpellets, Verenum, Zürich, Schlussbericht für Bundesamt für Energie sowie Bundesamt für Umwelt, Wald und Landschaft, Schweiz, S. 34 [7] Nussbaumer (1997): Primärmaßnahmen zur Stickoxidminderung bei Holzfeuerungen - Teil 1: Bildungswege von Stickoxiden, BWK 49 (1/2), S [8] abgerufen am März