Veredelung von Biomasse 2.0 Bereich: erneuerbare Energien

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1 Veredelung von Biomasse 2.0 Bereich: erneuerbare Energien Wilfried Pichler Holzforschung Austria (HFA) Thomas Schiffert Österreichischer Kachelofenverband (KOV) Martin Englisch Österreichisches Forschungsinstitut für Chemie und Technik (OFI) Neues Biomassezentrum sorgt für innovative Wege der Rohstoffnutzung Um das ökonomisch und ökologisch mobilisierbare Biomassepotenzial für energetische und stoffliche Anwendungen nutzbar zu machen, bedarf es einer Zusammenarbeit zwischen Wissenschaft und Wirtschaft. Deshalb wird die Kompetenz von Energetische & stoffliche Nutzung Ziel ist die Erforschung von Biomasse-Rohstoffen und deren Umwandlung zu Produkten und Halbfertigprodukten für die energetische und stoffliche Nutzung. Die Ziele werden im Zuge des Aufbauprojekts "BioUpgrade Substitution fossiler Brennstoffe mit veredelter Biomasse" bearbeitet. Das fünfjährige Projekt, das im Rahmen der Förderschiene COIN (Cooperation & Innovation) des Wirtschaftsund Infrastrukturministeriums durchgeführt wird, drei ACR-Forschungsinstituten in einem neuen Biomassezentrum gebündelt, um gemeinsam mit interessierten Unternehmen zukunftsorientierte Lösungen der Biomassenutzung zu erarbeiten. Die Umstellung unseres Energiesystems auf eine nachhaltige, erneuerbare Basis ist eine der großen Herausforderungen unserer Zeit. Neben der ökologisch notwendigen und politisch verbindlichen Reduktion von Treibhausgasen sprechen vor allem eine Erhöhung der Versorgungssicherheit sowie eine gesteigerte heimische Wertschöpfung für den Ausbau von Biomasse als Energieträger. Biomasse wird aber auch als Rohstoff für die stoffliche Verwertung wie etwa für die Herstellung von Holzwerkstoffen immer wichtiger. Darüber hinaus gibt es eine globale Diskussion über die Flächenkonkurrenz zwischen Lebensmittel-, Rohstoff- und Energieerzeugung. Um komplexe Fragestellungen in diesem brisanten Kontext professionell zu bearbeiten, haben sich drei Mitglieder der Austrian Cooperative Research (ACR) zusammengeschlossen. Neben der Holzforschung Austria sind auch das Österreichische Forschungsinstitut für Chemie und Technik (OFI) und der Österreichische Kachelofenverband (KOV) an diesem Projekt beteiligt. soll dazu beitragen, die führende Position Österreichs im Biomassesektor weiter auszubauen. Kernstück des Projektes und ist das Biomasse- Technikum, das im Wiener Arsenal in unmittelbarer Nachbarschaft der Gebäude der HFA und des OFI errichtet wird. Das Technikum bietet einzigartige Möglichkeiten für die Erforschung und Entwicklung von Produkten und Prozessen auf Grundlage von Biomasse-Rohstoffen. 1

2 Biogene Stoff- oder Abfallströme Seit knapp 10 Jahren werden an der HFA und am OFI im Bereich der festen Biomasse Produktentwicklungen und Prozessoptimierungen basierend auf Laborversuchen (10 kg/h) und Industrieversuchen (>2000 kg/h) durchgeführt. Die Einführung des Technikumsmaßstabes mit ca. 150 kg Produktdurchsatz pro Stunde ermöglicht es, industrienahe Produkt- und Prozessentwicklung zu betreiben. Soll etwa ein Mischpellet aus Holz und einem landwirtschaftlichen Nebenprodukt entwickelt werden, so ermöglicht das Technikum die Entwicklung des gesamten Herstellungsprozesses einschließlich Rohstoffzerkleinerung, Störstoffabscheidung, Trocknung, Mischung und Pelletierung des Produktes. Es können ausreichende große Mengen produziert werden um nachgelagerte Prozesse wie Torrifikation oder Verbrennung zu entwickeln bzw. zu optimieren. Der Größenmaßstab von etwa 150 kg pro Stunde stellt einen entscheidenden Vorteil gegenüber Umfassender Maschinenpark zur Biomasseaufbereitung kleinmaßstäblichen Laborversuchen dar, da sich die Ergebnisse wesentlich leichter auf den industriellen Maßstab übertragen lassen. Dadurch werden für Anlagenbauer neue und wertvolle Informationen für die Produktentwicklung und Produktoptimierung bereitgestellt. Dies ist vor allem für Klein- und Mittelbetriebe, die keine eigene Entwicklung betreiben können, von unschätzbarem Wert. Durch robuste Zerkleinerungstechnologien und die vorliegende Störstoffabscheidung können auch schwierige Materialien wie z.b. diverse Abfallfraktionen bearbeitet und damit dem F&E-Prozess zugänglich gemacht werden. Auf der Siebstation können beliebige Größenfraktionen im Trocken- oder Nassbetrieb getrennt werden, hier können auch Wasch- und Extraktionsverfahren realisiert werden, denen eine immer größere Bedeutung zukommt. 2 Bei der Entwicklung und der Ausstattung des Maschinenparks im neuen Technikum konnte auf die tatkräftige Unterstützung unterschiedlichster Maschinenbau-Unternehmen zurückgegriffen werden. So wird für die Trocknung der Biomasse ein Bandtrockner der Firma Andritz eingesetzt, der speziell für das Technikum entwickelt und gebaut wurde. Das Gerät entspricht im Aufbau einem industriellen Trockner inklusive Rezirkulation und Kondensation der Trocknungsluft. Die Zerkleinerung der Rohstoffe erfolgt je nach Bedarf mittels 4- Wellenzerkleinerer, Kollermühle und Hammermühle. Alle Zerkleinerungsaggregate sind sowohl für den trockenen als auch den nassen Bereich ausgelegt bzw. umrüstbar. Eine effiziente Zerkleinerung von Biomasse wird deshalb immer wichtiger, weil immer unterschiedlichere Materialien und auch Primärrohstoffe als Ausgangmaterial z.b. für die Herstellung von Verbundwerkstoffen oder Brennstoffpellets eingesetzt werden. Nach der Befeuchtung und Reifung in einer Konditionierstation kann das Material mit Pelletpressen verschiedener Bauart (Flach- und Ringmatrizenpresse) sowie einer Brikettpresse kompaktiert werden. Beliebige Kombinationen Alle Aggregate des Technikums können aufgrund flexibel einsetzbarer Fördertechnik in beliebiger Weise miteinander kombiniert werden. Weiteres können verschiedene homogene Rohstoffmischungen unter feindosierter Zugabe von Additiven erzeugt werden, um für spezielle F&E Aufgabenstellungen optimierte Produkte herzustellen. Eine auf den Forschungsbetrieb abgestimmte Anlagensteuerung ermöglicht eine variable Ansteuerung der Maschinen und eine umfassende Datenauswertung für alle Prozesse.

3 Innovative Veredelung Ebenfalls untersucht werden innovative Veredelungstechnologien wie die Torrefizierung von Biomasse, bei der ein hochwertiger, kohlenstoffreicher Brennstoff z.b. für die Verbrennung in Kraftwerken hergestellt werden kann. Die modernen und auf Biomasseuntersuchung ausgerichteten Labors des Zentrums liefern Ergebnisse über chemische und physikalische Parameter der erzeugten Produkte. Brennstoffe können in Verbrennungsprüfständen verschiedener Größenordnung hinsichtlich ihrer Verbrennungseigenschaften untersucht werden. Eine Besonderheit ist dabei die Online-Staubmessung am Kleinfeuerungs- Prüfstand des Kachelofenverbandes. Die Nähe von HFA und OFI zur Holz- bzw. Kunststoffindustrie befähigt das Zentrum dazu, die stoffliche und kaskadische Nutzung von Biomasse in den F&E Ansatz einzubeziehen. Daher werden Langfristige Partnerschaft Ziel der Kooperation der drei ACR-Institute ist es, langfristige Partnerschaften mit Industrie und KMU einzugehen, um die optimierte Nutzung von Biomasse voranzutreiben. Neben der Zusammenarbeit mit Kunden aus Österreich wird auch eine internationale Vernetzung innerhalb und außerhalb Europas angestrebt. Zielgruppen des Biomassezentrums sind sowohl Anlagenhersteller als auch Unternehmen, bei denen Biomasse zur Verwertung anfällt, wie z.b. Unternehmen der Wertschöpfungskette Fact-Box BioUpgrade Partner HFA, OFI, KOV Fördergeber BMWFJ, BMVIT/FFG (COIN-Aufbauprogramm) Investitionen EUR 1,10 Mio. (Geräte) mögliche stoffliche Nutzungskonzepte für Biomasse, zum Beispiel eine potenzielle Verwendung als Holzwerkstoff oder Dämmstoff, im Zentrum den energetischen Nutzungskonzepten ergebnisoffen gegenübergestellt, um anschließend die optimale Verwertungslösung für einen bestimmten Ausgangsstoff realisieren zu können. Einen weiteren Schwerpunkt des Zentrums bildet die Beantwortung von Systemfragen wie z.b. die Nachhaltigkeit neuer Rohstoffverwendungsmöglichkeiten. Werkzeuge, wie die Berechnung des Carbon Footprint und Ökobilanzierung, können ergänzend zu technischen Entwicklungen angeboten werden, um z.b. stoffliche und energetische Verwertung gegenüberzustellen. Durch die Breite der F&E- sowie Beratungsdienstleistungen können im multidisziplinären Team komplexe Aufgaben effizient "unter einem Dach" gelöst werden. Holz, Landwirtschaftsbetriebe, Lebensmittelverarbeiter und alle anderen Stakeholder aus dem Biomassebereich. Ein Hauptfokus der Aktivitäten liegt auf der Mobilisierung bisher ungenutzter Ressourcen und den damit verbundenen Möglichkeiten für die Wirtschaft. Ab Anfang 2013 nimmt das Biomassezentrum seinen vollen Betrieb auf und hebt damit die Veredelung von Biomasse auf eine neue Stufe. MitarbeiterInnen ca. 15 Fachgebiete der MitarbeiterInnen Verfahrenstechnik Chemie und Umweltschutz, Forstwirtschaft, Holztechnik und Holzwirtschaft, Bioressourcenmanagement, Chemie, Mathematik, Physik, Kunststofftechnik, Abfallwirtschaft, Maschinenbau, Bauingenieurwesen 3

4 Ringmatrizenpresse Maxima mini, Firma Salmatec Antrieb Ausführung Pelletierung von Biomasserohstoffen und Recyclingmaterial Salmatec Anlagenbau GmbH 22 kw FU-Antrieb kg/stunde Alle Teile mit Materialkontakt in Edelstahl, Zentralschmierung, Überwachung von Pressraumtemperatur und Matrizentemperatur 4 Mit dieser hochmodernen Presse können aufbereitete Biomasserohstoffe zu Pellets kompaktiert werden. Das mit einem Keilriemen direkt angetriebene Ringmatrizensystem bietet eine Matrizenarbeitsfläche von 450 cm 2. Zwei Koller erzeugen dabei den nötigen Druck, um aus fein zerkleinertem Rohmaterial Pellets mit definierten Eigenschaften zu erzeugen. Für die Pelletpresse liegen unterschiedliche Matrizen und Koller vor. Die Presskanallängen liegen zwischen 30 und 45 mm bei einem Bohrungsdurchmesser von 6 mm. Dadurch können für verschiedenste Rohstoffe und Rohstoffmischungen optimale Pelletierbedingungen hergestellt werden. Während der Versuche werden alle wichtigen Prozessparameter aufgezeichnet und können anschließend ausgewertet werden, um fundierte Aussagen über die Verarbeitung verschiedener Rohstoffe treffen zu können. In der Pelletindustrie sind Ringmatrizenpressen verbreitetet im Einsatz. Durch diese Presse im Technikumsmaßstab können Versuche im Maßstab zwischen Labor- und Großanlagen durchgeführt werden, die eine Skalierung auf den industriellen Maßstab zulassen.

5 Flachmatrizenpresse/Kollermühle Type , Firma Amandus Kahl Antrieb Ausführung Pelletierung von Biomasserohstoffen, Schwerpunkt halmgutartige Biomasse und Laubholz; Vermahlung von nasser Biomasse Amandus Kahl GmbH & Co. KG 30 kw FU-Antrieb 250 kg/stunde als Pelletpresse 800 kg/stunde als Kollermühle Alle Teile mit Materialkontakt in Edelstahl, Überwachung der Matrizentemperatur, Regelbarer Pressdruck mit Hydraulikmutter 5 Diese Maschine erfüllt im Technikum zwei en. Einerseits kommt sie als Flachmatrizenpresse zur Produktion von Pellets zum Einsatz, andererseits dient sie der Zerkleinerung von Biomasserohstoffen in Form einer Kollermühle. Für die als Pelletpresse kommen Matrizen mit einem Lochdurchmesser von 6 mm zum Einsatz. Es stehen unterschiedliche Matrizen zur Verfügung, die Presskanallänge liegt zwischen 30 und 60 mm bei 6 bis 12 mm Presskanal. Dadurch können für verschiedenste Rohstoffe und Rohstoffmischungen optimale Pelletierbedingungen hergestellt werden. Während der Versuche werden alle wichtigen Prozessparameter aufgezeichnet und können anschließend ausgewertet werden, um fundierte Aussagen über die Verarbeitung verschiedener Rohstoffe treffen zu können. Bei der Verwendung als Kollermühle weist die verwendete Matrize eine Lochung von 12 mm auf. Das Rohmaterial wird vom Koller überrollt und an den Öffnungen der Matrize faserig zerkleinert. Studien haben gezeigt, dass sich auf diese Art aufbereitetes Material bei einer anschließenden Pelletierung anders verhält, als z.b. Material aus einer Hammermühle. Folglich erhöht sich durch die Kollermühle im Technikum die Anzahl an Versuchsmöglichkeiten hinsichtlich der Optimierung verschiedener Zerkleinerungsund Pelletierungstechnologien für unterschiedliche Rohstoffe.

6 Vierwellenzerkleinerer/Schredder, Firma Untha Antrieb Grobe Aufbereitung von Biomasserohstoffen Untha shredding technology 2 x 7,5 kw Bis 500 kg/stunde Ausführung Reversierautomatik, wechselbare Siebeinsätze, Spänebrecher, Aufzeichnung des Energieverbrauchs 6 Der Untha Vierwellenzerkleinerer ist der "Allesfresser" im Technikum. Um Biomasserohstoffe mit den im Technikum vorhandenen Mühlen für weitere Verarbeitungsprozesse fein aufzubereiten, müssen sie vorab grob zerkleinert werden. Hier kommt der Vierwellenzerkleinerer zum Einsatz. Durch seine robuste Bauweise kann er auch schwierige, mit Störstoffen verunreinigte Materialien zerkleinern. Die Öffnung hin zu den Schneidwerkzeugen hat eine Größe von 450 x 560 mm, das Material wird von langsam laufenden Wellen (23 bis 34 Umdrehungen/Minute) zerkleinert. Durch ein robustes, wechselbares Lochsieb kann die Größe des erzeugten Endproduktes auf Größen von 5 bis 30 mm limitiert werden. Ein Spänebrecher an der Unterseite des Lochsiebs verhindert zusätzlich störende Überlängen, wodurch ein gelichmäßig aufbereitetes Ausgangsmaterial für nachgelagerte Prozesse sichergestellt werden kann. Durch den eigenen Schredder wird das Biomassetechnikum unabhängig bezüglich der Aufbereitung schwieriger Rohstoffe, was für Kunden zu einer schnellen und unkomplizierten Abwicklung ihrer Aufträge führt.

7 Bandtrockner, Firma Andritz Trocknung von nassen Schüttgütern Andritz/Heiza Leistungsaufnahme 50 kw thermisch Ausführung kg/stunde Wasserverdampfung: bis 50 kg/stunde Trocknungsluftrezirkulation, Abgaswäscher, Regelung des Prozesses über laufende Feuchteund Temperaturüberwachung der Trocknungsluft, umfassende Datenerfassung; beheizt mit Thermoöl Um Biomasserohstoffe zu Pellets oder Briketts zu verarbeiten, müssen sie einen definierten Wassergehalt aufweisen. Da der Wassergehalt bei Biomasserohstoffen stark schwankend ist, müssen diese einer technischen Trocknung unterzogen werden. Mit dem eigens für das Technikum entwickelten Versuchs-Bandtrockner im Pilot-Maßstab der Firma Andritz ist eine schonende Trocknung einer breiten Rohstoffpalette sichergestellt. Es ist der einzige Forschungsbandtrockner dieser Art in Europa, was dem Biomassetechnikum ein Alleinstellungsmerkmal als erste Anlaufstelle für komplexe und technisch anspruchsvolle Fragestellungen im Bereich der Aufbereitung organischer Schüttgüter verleiht. Die aktive Bandfläche beträgt 0,4 x 1,6, über die integrierte Steuerung ist die Einstellung einer gewünschten Zielfeuchte möglich. Mit dem Gerät können Rohstoffe für die anschließende Kompaktierung vorbereitet werden, es sollen aber zusätzlich auch Versuche hinsichtlich der technischen und wirtschaftlichen Optionen von Biomassetrocknung im Allgemeinen durchgeführt werden (z.b. Abstimmung der Korngröße für ein optimales Trocknungsergebnis). Alle Betriebsparameter lassen sich aufzeichnen und anschließend auswerten. 7

8 Hammermühle, Firma Titjen Antrieb Ausstattung Zerkleinerung von zuvor grob aufbereiteten Biomasserohstoffen Tietjen Verfahrenstechnik GmbH 30 kw FU-Antrieb bis 10 m 3 /Stunde Explosionsgeschütze Ausführung, regelbare Aspiration, feststellbare Hämmer, umrüstbar auf Prallmühlenbetrieb, Trocken- und Nassvermahlung möglich 8 Um Biomasserohstoffe pelletieren oder brikettieren zu können, darf das Ausgangsmaterial eine bestimmte Korngröße nicht überschreiten. Um eine konstante, fein zerkleinerte Struktur des Materials zu garantieren, kommt diese Hammermühle zum Einsatz. Schlagende Metallhämmer bewegen sich schnell um einen Rotor und zerkleinern das Mahlgut durch die entstehende Aufprallenergie. Diese sweise macht die Hammermühle unempfindlicher gegenüber Störstoffen als Mühlen, die mir schneidenden Werkzeugen arbeiten. Die Eigenschaften des erzeugten Mahlgutes sind abhängig von den Siebeinsätzen, der Drehzahl des Rotors und der Luftmenge. Im Technikum stehen sieben verschiedene Siebeinsätze mit einer Lochung von 3 bis 20 mm zur Verfügung. Energieverbrauch und Temperatur lassen sich während des Betriebes bestimmen und anschließend auswerten. Die komplette Maschine ist explosionssicher ausgeführt.

9 Störstoffabscheidung, Firma Teccon Leistungsaufnahme Ausführung Abscheidung von Schwergut, Eisen und Nichteisenmetallen. Teccon, Mesutronic 1 kw 400 kg/stunde Explosionsgeschützt, Magnetabscheider, Metallabscheider, Schwergutabscheider 9 Um Biomasserohstoffe weiter verarbeiten zu können, müssen sie frei von Störstoffen wie z.b. Steinen oder Metallteilen vorliegen. Derartige Stoffe können zu Funkenschlag bzw. Schäden an Mühlen oder Pelletpressen führen, da diese auf die Verarbeitung von sauberem Material ausgelegt sind. Durch die im Technikum vorhandene Störstoffabscheidung wird garantiert, dass unerwünschte Bestandteile des Rohmaterials schon vorab ausgeschieden werden. Diese Ausstattung führt zu einer hohen Flexibilität hinsichtlich der einsetzbaren Rohstoffe, es können auch Rohstoffe aus dem Recyclingbereich aufbereitet werden.

10 Sieb- und Waschstation, Firma Allgeier Antrieb Ausstattung Trocken- und Nasssiebung sowie Waschung von Schüttgütern Allgeier 1,35 kw FU-Betrieb ca. 500 kg/stunde, abhängig von Material und Siebgröße Variable Sieb-Amplitude durch verstellbare Unwuchtgewichte, Gekapselte Ausführung für Nassbetrieb, 3 Siebdecks, Kugelkopf- Siebreinigung, Anschluss für Waschwassereinbringung. In der Sieb- und Waschstation kann das Material weiter gereinigt und nach Größenklassen sortiert werden. Durch diese umfassenden Aufbereitungsschritte erhöht sich die Palette an möglichen Rohstoffen für die weitere Verarbeitung, was ein Potenzial für die Mobilisierung bisher ungenutzter Ressourcen darstellt. Neben der als Reinigung und Störstoffabscheidung erlaubt die Maschine auch Versuchsanordnungen bei denen die Korngröße des Materials gezielt beeinflusst werden soll, z.b. die Ausschleusung von Feinstfraktionen vor Vermahlungsprozessen. 10

11 Materialmischanlage, Materialbefeuchtung und Blending, Firma Knoblinger Leistungsaufnahme ca. 5 kw Herstellung von pelletierfähigen Materialmischungen Albert Knoblinger GesmbH/ACO kg/stunde Für die Herstellung von Pellets ist ein bestimmter Wassergehalt des Rohmaterials nötig (z.b % bei Holz), um ein stabiles und abriebfestes Endprodukt zu erzeugen. Weiters kommen bei der Pelletproduktion unterschiedliche Additive zum Einsatz, die positive Eigenschaften auf den Pelletierprozess oder das fertige Produkt haben. Um die optimale Feuchte des Materials einzustellen bzw. um verschiedene Additive oder Rohstoffmischungen hinsichtlich ihrer Pelletierbarkeit untersuchen zu können, kommt die Materialmischanlage der Firma Knoblinger zum Einsatz. Mit ihr lassen sich genau definierte Mischungen erzeugen und somit die Materialeigenschaften beeinflussen. Es handelt Ausstattung Explosionsgeschützt, zwei Feuchtemessungen mit zwei Kapazitivsonden, Mikrodosiergerät für 0-20% Additivbeimischung, Befeuchtung für 0-10% Flüssigkeitszugabe, variable Verweildauer im Mischbehälter ca. 5 bis 60 min sich hierbei um einen Schlüsselprozess der im Technikum durchgeführten F&E Aktivitäten, da sich nur durch exakt abgestimmte Konditionierungsmaßnahmen verschiedenartigste Rohstoffe zu definierten Biobrennstoffen und sonstigen Produkten veredeln lassen. Für Kunden ergeben sich einzigartige Möglichkeiten, da die konditionierten Materialmischungen auf den verschiedenen Technikumsmaschinen weiterverarbeitet werden können und dadurch optimierte Lösungen für spezielle Anfragen (optimale Mischung, optimale Feuchte, maximale Wirtschaftlichkeit des Gesamtprozesses) erarbeitet werden können. 11

12 Emissionsmessgerät, Firma Emerson Process Management (Standort: KOV) Messen von gasförmigen Emissionen Emerson Process Management AG Ausstattung Multikomponentenanalysator für Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Sauerstoff und Stickstoffmonoxid, Stickstoffdioxid/Stickstoffmonoxid- Konverter, Thermo- Flammenionisationsdetektor, Messgasaufbereitung, beheizte Messgasleitung Beim Verbrennen von Biomasse im Fall des Zentrums Pellets und Briketts ist es besonders wichtig, die Emissionen zu ermitteln, die bei der Verbrennung in die Umwelt freigesetzt werden. Nicht zuletzt kann dadurch ein Rückschluss auf die Zusammensetzung des Rohstoffes gezogen und ein anderes Mischungsverhältnis vorgenommen werden. In weiterer Folge kann so sichergestellt werden, dass veredelte Biomassebrennstoffe strenge gesetzliche und normative Emissionsvorgaben einhalten. Mit dem Messturm der Firma Emerson Process Management AG können mit einem Multikomponenten-Analysator die Konzentrationen von Sauerstoff, Kohlendioxid, Kohlenmonoxid und Stickoxide und mit einem Thermo- Flammenionisationsdetektor der organisch gebundene Kohlenstoff im Rauchgas gemessen werden. Ein Vorteil dieses Gerätes ist, dass es auch mobil verwendet werden kann. Um gesicherte Ergebnisse erzielen zu können, müssen die Geräte regelmäßig kalibriert werden. 12