Thermische Verwertung halmgutartiger Biomasse

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1 Fachtagung Bioenergie Herbertingen-Marbach, 6. Februar 2009 Thermische Verwertung halmgutartiger Biomasse Dr. Hans Oechsner Landesanstalt für Landwirtschaftliches Maschinen- und Bauwesen, Universität Hohenheim Problemstellung Hohes Aufkommen an grasartigen Bioabfällen ha Dauergrünland in Ba-Wü. (2003) (6 t TM-Ertrag/ha u. Jahr) Rückgang der Milchviehbestände 1980: 1,9 Mio. Rinder 2003: 1,1 Mio. Rinder (58 %) freie Grünlandflächen Leistung der Tiere steigt. Für Hochleistungstiere ist nur energiereiches Futter von intensiv genutzten, ertragssicheren Wiesen geeignet freie Grünlandflächen Grünlandflächen verwildern oder werden aufgeforstet In den nächsten Jahren ist in Baden-Württemberg ein Grünlandüberschuss von ca ha zu erwarten Dies entspricht ca. 25 % der heutigen Grünlandfläche Rösch und Raab, 2007 Oechsner, Universität Hohenheim 1

2 Problemstellung Jährlich werden 36 Mio. t Stroh in Deutschland produziert Davon könnten % energetisch genutzt werden 7 22 Mio. t könnten energetisch genutzt werden 2,8 8,8 Mio. t Heizöl könnten ersetzt werden Ca. 22 % der brennbaren Biomasse entfallen auf Stroh sspezifische Eigenschaften von Biomasse Heizwert Heizwert H U in MJ / kg TM ,8 2,5 kg trockene Biomasse (Holz, Stroh, Getreide, Heu) 17,2 Heizwert ersetzen 1 Liter Heizöl 16,6 17,0 15 Holz Stroh Heu Weizen Oechsner, Universität Hohenheim 2

3 von Stroh in Europa Stand 11 Heizkraftwerke 78 Fernwärme-Strohheizwerke (Feuerungsleistung im MW-Bereich) dezentrale Kleinanlagen (Kaltschmitt 2001) Vorreiter Dänemark, Österreich und GB In Dtl. nur 1 Fernwärmeheizanlagen > 1 MW und ca Einzelanlagen ( kw) Inzwischen Planungen für weitere Heizwerke für Halmgut (z.b. Schilf in Allensbach) von Stroh und Heu in Deutschland Hemmfaktoren Preiswürdigkeit bisher Heizöl zu billig dann wurden Alternativen (Althölzer, Waldrestholz, Nebenprodukte) genutzt, da technisch weniger aufwendig Verfügbarkeit (Anfall, Lagerung, Transport) Abgasarme Feuerungstechnik fehlte Brennstoffzufuhr problematisch Strenge Abgasgrenzwerte (TA-Luft ab 100 kw) Oechsner, Universität Hohenheim 3

4 Kriterien für die Nutzung als Festbrennstoff Eignung für die : Brennstoffeigenschaften Heizwert, Wassergehalt, emissionsrelevante Inhaltstoffe, Ascheerweichungspunkt, Schüttdichte, Lagerfähigkeit Stand und Verfügbarkeit von stechnik Nutzungsformen Häcksel, Ballen, Pellet, Brikett Qualitätsanforderungen an biogene Festbrennstoffe Anforderungen seitens der sführung Anforderungen seitens der Emissionen, Kesselhaltbarkeit Verwendbarkeit der Asche Oechsner, Universität Hohenheim 4

5 Anforderungen seitens der sführung Heizwert Anlagenauslegung, Brennstoffzuführung Wassergehalt Heizwert, Lagerfähigkeit (< 20 %) Aschegehalt Staubemissionen, Auslegung Ascheschmelzverhalten Verschlackung der Wärmetauscherflächen, Anlagentechnik, Anlagenfunktion, Effizienz der, Wartungsaufwand Kalium, Natrium erniedrigen Ascheschmelzpunkt Calzium, Magnesium, Aluminium erhöhen Ascheschmelzpunkt Anforderungen seitens der Emissionen Aschegehalt Staubemission Aschezusammensetzung Aschefraktionierung, Staubabscheidersystem Stickstoffgehalt NO X -Emissionen Chlorgehalt Hochtemperaturkorrosion, HCl-Emission, (Dioxinbildung möglich) Schwefelgehalt SO 2 -Emission Oechsner, Universität Hohenheim 5

6 Anforderungen seitens der Ascheverwendung Schwermetalle (Cu, Pb, Zn, Cr. Cd) Verwertbarkeit der srückstände Phosphor, Kalium, Calzium Düngewert sspezifische Eigenschaften von landwirtschaftlicher Biomasse Holz Stroh Landschaftspflegeheu Zollernalb Roggen Weizen Triticale Quelle: [1, 2, 3] [1, 2, 3] [5] [3, 7] [3, 7] [3, 7] Heizwert Hu [MJ/kg TS] 18,5 17,2 16,49 17,1 17,0 16,9 Aschegehalt [Gew.-%] 0,4 (0,2... 1,6) 6 (3,5... 7,5) 8,08 2,0 2,7 2,1 Wassergehalt [Gew.-%] , Ascheverhalten Sinterbeginn [ C] Erweichungspunkt [ C] Elementaranalyse C [% TS] H [% TS] S [% TS] N [% TS] O [% TS] Cl [Gew.-%] P [Gew.-%] K [Gew.-%] Mg [Gew.-%] Ca [Gew.-%] ,7 < 0,05 0,1 0,4 44 < 0,1 0,11 0, ,11 0, ,35 0,10 0,40 (0,4-1,2) 0,11 0,30 42,72 6,39 0,00 1,17 40,76 0,16 0,14 1,91 0,161 0,7 0,12 2,28 0,043 0,5 0,14 1,68 0,069 0,6 Flüchtiges Gebundenes C [% TS] [% TS] ,89 18,33 Oechsner, Universität Hohenheim 6

7 sspezifische Eigenschaften von Biomasse Ascheerweichung Ascheerweichung Ascheerweichungspunkt in C Holz Stroh Heu Weizen sspezifische Eigenschaften von landwirtschaftlicher Biomasse verregnet überständiges Heu nicht verregnet Oechsner, Universität Hohenheim 7

8 Ascheschmelzverhalten von Heu unterschiedlicher Qualität im Vergleich zu Holz 120% Ascheschmelzverhalten von Heu unterschiedlicher Qualität 100% Holz 80% relativer Anteil 60% 40% 20% Heu überständig - nicht verregnet Chlor Kalium Heuqualität in Massen % des Brennstoffes der Asche nicht verregnet 0,24 29,4 verregnet 0,06 7,3 Heu überständig - verregnet 0% Temperatur in C Struschka, 2006 sspezifische Eigenschaften von Landschaftspflegeheu Ascheerweichung Schubbodenfeuerung mit und ohne Wasserkühlung im Glutbett Hartmann, 2004 Oechsner, Universität Hohenheim 8

9 sspezifische Eigenschaften von Landschaftspflegeheu Vermeidung der Schlackebildung Relativ kalte Vergasungsszone heiße Nachverbrennungszone für den anfallendenen Biomassekoks Entgasen und Verbrennen des Restkohlenstoffs erfolgt räumlich getrennt (z.b.: Agroflamm- Kessel) Struschka, 2005 sspezifische Eigenschaften von Biomasse Kritische Inhaltstoffe 5,70 8,00 3 2,5 2,70 Holz Stroh Heu Gehalt in % d. TM 2 1,5 1 0,5 0 0,60 Holz Stroh Heu Weizen 0,10 0,50 1,20 1,70 0,10 1,00 1,30 0,60 Weizen Asche N K Cl 0,19 0,20 0,07 0,01 Oechsner, Universität Hohenheim 9

10 Novellierung der 1. BImSchV - Eckpunktepapier Geplante Betriebs- und Emissionsgrenzwerte für Heizkessel Bezugssauerstoffgehalt 11 % Nennwärmeleistung [kw] Staub [g/m 3 ] CO [g/m 3 ] Stufe 1: Anlagen, die 3 Monate nach Veröffentlichung errichtet werden > 500 0,06 0,06 1,0 0,6 Stufe 2: Anlagen, die nach dem errichtet werden 4 0,02 0,4 Zusätzliche Anforderungen bei Typprüfung von Heizkesseln für Stroh und Getreide: Dioxine / Furane 0,1 ng / m³ Stickstoffoxide (als NO2) 600 mg / m³ Stufe mg / m³ Stufe 2 Heubrennstoffe in unterschiedlicher Form Dichte Holzhackgut: Fichte: kg/m³ Buche: kg/m³ 120 kg/m³ 580 kg/m³ 660 kg/m³ Schüttgewichte Lager-/Transportaufwand Oechsner, Universität Hohenheim 10

11 Pelletierung Kollergangpresse mit Ringmatritze Erforderliche Aufbereitung von Heu Heu-Rundballen: 250 kg, Energieinhalt 1MWh ( 100 l Heizöl) 40 kw Dauerbetrieb über 24 Stunden Hochdruckballen: 22 kg, Energieinhalt 105 kwh ( 10 l Heizöl) Zigarrenbrenner, 13 mm Vorschub pro Minute, Rückbrandgefahr bei weniger als 100 kw, Ballenauflöser möglich Heubrikett: 165 g, Energieinhalt 0,66 kwh bei kw, 1 Brikett alle 2-3 Minuten Heupellet: 1 g, Energieinhalt 0,004 kwh bei 1 kw, 250 Pellets in der Stunde, 4 Pellets pro Minute 25 Getreidekörner: 1 g, Energieinhalt 0,004 kwh bei 1 kw, Körner in der Stunde, 100 Körner pro Minute Oechsner, Universität Hohenheim 11

12 Vergaser-Feuerungsanlage für Rundballen Fa. Herlt, kw Vergaser-Feuerungsanlage für Rundballen Fa. Herlt, kw Oechsner, Universität Hohenheim 12

13 Zentrale Wärmeversorgung Zigarrenbrenner, Volund, 1 MW BKS Bio-Kraftwerk Schkölen GmbH Fernwärmeversorgung der Stadt Schkölen Brennstoff: Stroh in Ballenform Leistung: 3,15 MW th Ökotherm-Heizkessel Oechsner, Universität Hohenheim 13

14 Ökotherm-Heizkessel, >100 kw Zum Erreichen einer hohen Ausbrandqualität und eines hohen Wirkungsgrades: Elektronische Regelung der Luftzufuhr und Brennstoffmenge in Abhängigkeit vom Luftüberschuß und Kesselwassertemperatur Grenzwerte für CO und Staub unterschritten Lin-KA Agrargenossenschaft Oberlemnitz e.g. [Firma Lin-Ka, Dk] Wärmeversorgung von Werkstätten, Büro und Sozialgebäude Brennstoff: Strohballen aufgelöst Leistung: 99 kw th Hering, 2005 Oechsner, Universität Hohenheim 14

15 Lin-KA LIN-KA, Dk Zerkleinerung von Strohballen Ballenauflösung: Reka Chaff-Cutter Oechsner, Universität Hohenheim 15

16 Zerkleinerung Reka, Dk Reka-Feuerungsanlage mit Treppenrost für trockene Brennstoffe, kw Oechsner, Universität Hohenheim 16

17 Reka-Feuerungsanlage mit Treppenrost für trockene Brennstoffe, kw Reka-Feuerungsanlage mit Treppenrost für trockene Brennstoffe, kw Heuverbrennung Getreidekornverbrennung Oechsner, Universität Hohenheim 17

18 von Landschaftspflegeheu Beschickung der Anlage erfolgt automatisch gelegentliche Probleme mit Cutter Ascheabtransport über automatische Austragschnecke Staubgehalt im Abgas liegt ohne Filter bei 260 mg/m³ (Grenzwert 150 mg/m³) von Landschaftspflegeheu Qualität des Heus hat Einfluss auf sverhalten (Schlackebildung) Wollige Asche war zeitweise nur schwer aus dem Brennraum zu befördern funktioniert meist gut Schamottsteine mussten bereits 2 mal getauscht werden Zuluftdüsen glühen aus Austausch erforderlich Oechsner, Universität Hohenheim 18

19 von Landschaftspflegeheu Leistung des Kessels zwischen 10 und 32 kw Heubedarf : Sommer 4-6 Ballen/d Winter Ballen/d Stromverbrauch incl. Heuaufbereitung: 0,025 0,035 kwh / kwh Mit Filter etwa doppelt so viel von Landschaftspflegeheu In den Monaten Dez. 05 bis Dez. 07 wurde mit der Anlage eine Wärmemenge von 334 MWh produziert Dies entspricht l Heizöl (bei ƞ von 85 %) Es wurden in dieser Zeit ca kg Heu verbrannt = der Aufwuchs von ca. 27 ha (2 Jahre) Mit 3,1 kg Heu wurde 1 l Heizöl ersetzt Oechsner, Universität Hohenheim 19

20 von Landschaftspflegeheu 1 ha Naturschutzfläche, späte Mahd 43 bis 86 dt Frischmasse / a 15 bis 30 dt Trockenmasse / a Mit 3,1 kg Heu wurde 1l Heizöl ersetzt 1 ha reicht, um ca. 500 bis l Heizöl zu ersetzen Abgasreinigung bei der von Getreide bzw. Heu Neue Entwicklung: Edelstahl-Gewebefilter Fa. Oskar Winkel, Amberg Oechsner, Universität Hohenheim 20

21 Aufbau Gewebefilter Gewebefilter: 2 unabhängige Filterpatronen elektrische Beheizung der Patronen Rohgas strömt von außen Abreinigung durch Druckluftstoß zeitgesteuerte Abreinigung von Landschaftspflegeheu Erste Ergebnisse: Partikelkonzentration ohne Gewebefilter : 190 bis 300 mg/m³ (Grenzwert TA-Luft: 50 mg/m³) Nach dem Filter < 10 mg/m³ Staub NO X -Konzentration: 380 bis 520 mg/m³ (Grenzwert TA-Luft: 500 mg/m³) Oechsner, Universität Hohenheim 21

22 Staubabscheidung des Gewebefilters Getreide-Reinigungsreste Wirtschaftlichkeit Großballen Kleinballen Einkaufspreise Ab-Hof 6, ,00 /100 kg 7, ,00 /100 kg Verfahrenskosten der Heugewinnung Einschürig, extensiv: 5 /100 kg 2-3-schürig, intensiv: 9 /100 kg Landschaftspflege: Produktionskosten für Heubrennstoffe in / 100 kg 5 /100 kg HD- oder Rundballen Briketts Pellets Heu lose 5,00 5,00 5,00 Verpressen 1,50 2,50 5,00 6,50 7,00 9,50 Lagerung in Altgebäude 3,30 3,30 3,30 Gesamtkosten 9,80 10,80 13,30 14,80 15,30 17,80 Transportkosten 0,03 / km Entfernung Oechsner, Universität Hohenheim 22

23 - Wirtschaftlichkeit Preisvergleich des Brennstoffs Heu mit Heizöl EL Für Heu sind nur Produktionskosten (ohne Pacht und Erlöse für den Aufwuchs) angesetzt. 100 kg Heu ersetzen 40 Liter Heizöl. Heizölpreis /Liter 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 0,50 0,60 0,80 Energetischer Brennstoffäquivalentpreis von Heu /100 kg Tatsächliche Kosten von Heu als Ballen Briketts Pellets 9,8 10,8 13,3 14,8 15,3 17,8 von Heu - Wirtschaftlichkeitsabschätzung Heizölpreis: 0,55 /l Heizöl Biomasse 40 kw 100kW 300kW 40 kw 100 kw 300 kw Investition Energieverbrauch Liter Energieverbrauch dt Jahreskosten Zins (6%) Abschreibung für Öl 10 Jahre; 10 %d. Inv für Heu7Jahre; 14,3 %d. Inv Brennstoffkosten 0,55 /Liter Heizöl Wartungs- u Bedinungskosten (15 /h) Gesamtkosten/Jahr /a Zul. Biomassekosten /a Möglicher Preis für Heu /100 kg Oechsner, Universität Hohenheim 23

24 von Heu - Wirtschaftlichkeitsabschätzung Heizölpreis: 0,90 /l Heizöl Biomasse 40 kw 100kW 300kW 40 kw 100 kw 300 kw Investition Energieverbrauch Liter Energieverbrauch dt Jahreskosten Zins (6%) Abschreibung für Öl 10 Jahre; 10 %d. Inv für Heu7Jahre; 14,3 %d. Inv Brennstoffkosten 0,90 /Liter Heizöl Wartungs- u Bedinungskosten (15 /h) Gesamtkosten/Jahr /a Zul. Biomassekosten /a Möglicher Preis für Heu /100 kg Zusammenfassung Potentiale halmgutartiger Biomasse weitgehend ungenutzt Gehalt hoher Mengen emissionsrelevanter Mineralstoffe Höhere Staubemissionen beim Abbrand als bei Holz Hohe Investitionskosten für kleine Anlagen unwirtschaftlich Weiterentwicklung von stechnik erforderlich Weiterentwicklung von Abgasreinigungssystemen erforderlich Einkommensquelle für Landwirte Schonung fossiler Energieressourcen CO 2 -Emissionen werden gesenkt Oechsner, Universität Hohenheim 24

25 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Vielen Dank für die Förderung des Projektes durch das MLR Baden-Württemberg Oechsner, Universität Hohenheim 25