Energetische Verwertung von Ganzpflanzengetreide

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1 Energetische Verwertung von Ganzpflanzengetreide Dr. habil. Armin Vetter (Thüringer Zentrum Nachwachsende Rohstoffe der Thüringer Landesanstalt für Landwirtschaft) Die pflanzliche Primärproduktion ist weltweit der einzige Produktionszweig, der laufend Energie produziert und diese der Menschheit als nachwachsende Energiequelle zur Verfügung stellt. Traditionell werden dabei landwirtschaftliche Fruchtarten als Energiequelle in Form von Nahrungs und Futtermitteln und forstwirtschaftliche Arten (Holz) als Energiequelle zum Heizen und/oder der Stromerzeugung genutzt. Im Prinzip besteht energetisch gesehen kein Unterschied. Solange Flächen stillgelegt werden und nicht der Energieproduktion für eine der beschriebenen Verwertungen dienen, sollten auch keine ethischen Bedenken gelten (siehe Artikel Heizen mit Weizen). Die Auswahl der Brennstoffe richtet sich letztendlich nach dem Preis frei Heizwerk sowie nach seiner technologischen Eignung für die thermische Verwertung. Unter letztgenanntem Punkt ist auch die Einhaltung der Emissionsgrenzwerte nach dem Bundesimmissionsschutzgesetz und dessen Verordnungen zu verstehen. Produktionsregime Unter Ganzpflanzengetreide wird das gesamte geerntete Getreide ohne Trennung von Korn und Stroh (Mähdrusch) verstanden. Ertragesseitig kommen Winterroggen, Wintergerste, Winterweizen, Triticale und Hafer in Betracht. Die in Versuchen erzielten Erträge belaufen sich auf 12 bis 18 t Trockenmasse pro ha. Ganzpflanzengetreide ist analog zu Stroh nur ab einem Trockenmassegehalt von > 80 % lagerfähig. Damit kommt dem Gesichtspunkt einer möglichst gleichmäßigen Abreife von Korn und Stroh besondere Bedeutung zu. Im Extremfall kann Haferstroh zur Kornreife noch bis zu % und Gerstenstroh bis zu 35 % Wasser enthalten. Am gleichmäßigsten reifen Korn und Stroh bei Winterroggen, Winterweizen und Triticale ab. Trockensubstanzgehalte von > 80 %, besser 84 % zur Ernte werden bei diesen Arten erst zur Todreife sicher erreicht. Zu diesem Zeitpunkt treten bei der Ernte von Roggen und Weizen bereits erhebliche Kornverluste beim Schwadlegen auf. Der extrem feste Kornsitz von Triticale, der normalerweise beim Mähdrusch eher stört, ist damit für die Energiegetreideproduktion von erheblichem Vorteil. Schon aus diesem Grund ist Triticale gegenüber Roggen und Weizen zu bevorzugen. Bei der Sortenwahl ist neben hohen Trockenmasseerträgen auf die beschriebene gleichmäßige Abreife von Korn und Stroh sowie auf die Standfestigkeit zu achten. Die Anfälligkeit gegenüber Mehltau, Rostarten, Blatt und Ährenseptoria sowie Ährenfusariosen spielt bei der Sortenwahl eine untergeordnete Rolle. Unter Thüringer Standortbedingungen können die Sorten Trimaran und Trinidad empfohlen werden. Das eigentliche Produktionsverfahren bis zur Ernte unterscheidet sich nur unwesentlich vom Produktionsregime zur Körnernutzung. Auf einige Besonderheiten sei dennoch verwiesen: Die Kaliumversorgung sollte mit Kaliumsulfat abgesichert werden bzw. bei einer Anwendung von Kaliumchlorid ist die Gehaltsklasse C des Bodens möglichst zur Vorfrucht einzustellen (siehe Qualität). Bei der Unkrautregulierung ist das Augenmerk auf Klettenlabkraut, Kamille und besonders auf die Ackerkratzdistel zu legen. Diese Unkräuter sind zur Ernte z. T. noch grün und können im Erntegut zu Feuchtenestern, die bei der Verbrennung stören, führen. Ungräser können dahingegen, insofern sie den Ertrag nicht extrem negativ beeinflussen, weitestgehend toleriert werden. Die Bekämpfung von Pilzkrankheiten, außer Halmbruch, ist nicht erforderlich. Der Einsatz von Strobilurinen ist generell zu unterlassen. 1

2 Der Einsatz von Halmstabilisatoren sollte grundsätzlich erfolgen. Lager bedeutet hohe Ernteverluste bzw. eine starke Durchwuchsgefahr, die wiederum mit feuchtem Erntegut verbunden ist. Eine bedingte Trocknung des Erntegutes wie bei der Körnerproduktion ist nicht möglich bzw. wirtschaftlich nicht vertretbar. Die Ernte von Energiegetreide erfolgt in der Regel mit dem Schwadmäher. Nach dem Schwadlegen ist das Erntegut sofort zu pressen. Eine Feldliegezeit, die bei einigen Stroharten (Hafer, Gerste) zur Auswaschung des Chlors eventuell notwendig ist, sollte bei Triticale unterbleiben, um ein Einregnen, das wiederum Arbeitsgänge zur Abtrocknung notwendig macht, zu vermeiden. Das Pressgut ist dann sofort unter Dach einzulagern. Bewährt haben sich Quaderballenpressen mit Ballensammelwagen und der Transport mit Plattenwagen. Die Kosten für das gesamte Verfahren belaufen sich auf ca DM/ha. Der Anbau kann auf Stilllegungsflächen mit der entsprechenden EUFlächenstilllegungsprämie erfolgen. Bei einem Ertrag von ca. 12 t TM/ha ergeben sich unter Einberechnung des Gewinns für den Landwirt Bereitstellungspreise zwischen 0 und 0 DM pro Tonne Trockenmasse. Damit liegt Energietriticale im unteren Angebotsbereich von Waldhackgut. Verbrennungstechnische Eigenschaften Die Bereitstellung in Form von gehäckseltem Material wird aufgrund der geringen Lagerungsdichte, die hohe Transport und Lagerungskosten verursacht, nur in Ausnahmefällen für Kleinanlagen erfolgen. In der Regel kommt Ganzpflanzengetreide in Strohheizanlagen zum Einsatz, die auf die Verwertung von Ballen ausgelegt sind. Wichtige Qualitätskriterien für eine ordnungsgemäße Beschickung der Anlagen sind daher eine möglichst gleichmäßige Form und Pressdichte des Ballens. Als optimal hat sich eine Pressdichte von kg/m 3 erwiesen. Der Wassergehalt im Ballen darf nicht mehr als 20 % betragen. Feuchtenester sind weitestgehend auszuschließen. Die Pelletierung von Ganzpflanzengetreide z. B. in Trockenwerken ist Stand der Technik. Die Kosten belaufen sich auf ca. 80 DM/t, so dass pelletierte Ware Gesamtkosten von 200 DM/t aufweist. Weitere feuerungstechnische Kenngrößen im Vergleich zu Stroh, Holz, etc. sind in Tabelle 1 aufgeführt. Tabelle 1: Brennstoffcharakteristik feuerungstechnische Kenngrößen Brennstoff Huwf Asche flüchtige C H 0 Bestandteile MJ/kg % % % % % Winterweizenstroh Triticale, Ganzpflanze Kleie Holz und Rinde 17,1 17,5 17,4 18,5 6,2 4,6 6,8 0,5 2 75,7 78,0 75,4 85,0 45,8 46,9 42,5 47,0 5,4 5,8 5,2 6,3 41,0 40,2 n.b. 46,0 Ein Vorteil von Ganzpflanzengetreide gegenüber Stroh ist der etwas niedrigere Aschegehalt, der aber immer noch deutlich über dem Aschegehalt von Holz liegt. Dies ist vor allem beim Einsatz von Pellets in Holzhackschnitzel oder Pelletheizungen zu beachten. Inhaltsstoffe wie Stickstoff (NO x Emission), Chlor (Korrosion, HClEmission), Schwefel (SO 2 Emission) sowie Kalium und Natrium (Verschlackung) sind weitere wesentliche Parameter, die bei einer Biomasseverbrennung zu beachten sind. Ganzpflanzengetreide weist gegenüber Stroh Vor und Nachteile, gegenüber Holz Nachteile auf (Tabelle 2). Tabelle 2: Brennstoffcharakteristik Mineralstoffgehalt in g/kg N K S Cl Na Winterweizenstroh Triticale, Ganzpflanze Kleie 5,29 12,14 27,30,76 7,20 15,00 2,15 2,07 2,00 2,63 1,96 0,90 0,18 0,45 0,20 Holz 1,40 0,70 0,40 0,10 0,04 Nachteilig ist vor allem der hohe Stickstoffgehalt. Vorteile hat Ganzpflanzengetreide gegen

3 über Stroh durch seinen niedrigeren Kalium und Chlorgehalt. Ein sehr wichtiger Gesichtspunkt bei der Abstimmung zwischen Brennstoffart und Verbrennungsanlage ist das Ascheschmelzverhalten der Brennstoffe. Getreidekörner beginnen bereits bei ca. 7 C zu schmelzen, Stroh bei ca. 900 C. Ganzpflanzengetreide nimmt eine Zwischenstellung ein (Abbildung 1) Korn TriticaleGanzpflanze Weizenstroh grau HolzHackschnitzel 400 Sintertemperatur Erweichungstemperatur Schmelztemperatur Fließtemperatur Abbildung 1: Ascheschmelzverhalten biogener Energieträger Für einen guten Ausbrand, vor allem zur Minimierung der Kohlenmonoxidemission, werden Brennraumtemperaturen von > 900 C angestrebt. Diese sind nur bei Holz realisierbar. Ganzpflanzengetreide und Stroh wird bei Temperaturen von 600 bis 800 C verbrannt. Um einen guten Ausbrand zu sichern, ist für diese Brennstoffe eine ausreichend große Nachbrennzone erforderlich und in der Regel ein wassergekühlter Rost, um die Verschlackung zu verhindern. Strohverbrennungsanlagen sind daher für Ganzpflanzengetreide gut geeignet. Bei Hackschnitzel und Holzpelletfeuerungen sind dahingegen bei der Verbrennung von Getreidekörnern, Ganzpflanzenhäcksel und Strohpellets in der Regel Probleme bei den Emissionen und der Verschlackung zu verzeichnen. Genehmigungsrecht Die Anforderungen an die Qualität der Brennstoffe werden von den Anlagenherstellern, dem Bundesimmissionsschutzgesetz (BImSchG) mit den entsprechenden Verordnungen (BImSchV) und den Technischen Anleitungen (TALuft) bestimmt. Die einzuhaltenden Grenzwerte richten sich nach dem eingesetzten Brennstoff und der Größe der Anlage. Die Grenzwerte für unbehandeltes Holz und Stroh oder ähnliche pflanzliche Stoffe sind in Tabelle 3 zusammengestellt. 3

4 Tabelle 3: Emissionsgrenzwerte für BiomasseFeststofffeuerungen (Strehler, 1994) Anlagengröße relevante Bezugs Emissionsgrenzwerte Vorschrift sauerstoff CO Staub Ges, C 1) NO x 2) SO 2 15 kw kw 0 kw kw 1 5 MW 5 MW Vol. % g/m 3 n mg/m 3 n mg/m 3 n mg/m 3 n g/m 3 n Emissionsgrenzwerte bei der Verfeuerung von unbehandeltem Holz TALuft TALuft ,5 0,25 0,25 0 3) 0 3) Emissionsgrenzwerte bei der Verfeuerung von Stroh und ähnlichem pflanzlichen Material kw 0,1 15 MW 5 MW TALuft TALuft 6 0,25 4) 0,25 0 3) 0 3) 1) Die Emission flüchtiger organischer Kohlenstoffverbindungen (engl. VOC = Volatile Organic Carbons) wird als GesamtKohlenstoff (Ges. C) angegeben. 2) Angegeben als Stickstoffoxid (NO 2 ) 3) Für Wirbelschichtfeuerung > 20 MW th oder für zirkulierende Wirbelschichtfeuerungen gilt ein Grenzwert von 300 mg/gm 3 4) Bis 2,5 MW Feuerungsleistung gilt der Grenzwert nur bei Betrieb mit Nennlast 5) Die Einhaltung des Grenzwertes kann durch Schwefelgehaltsbestimmungen im Brennstoff nachgewiesen werden. Für Wirbelschichtfeuerungen gilt der Grenzwert 0,4 g/m 3 n 2,0 2,0 1) 2,0 5) 2,0 5) In Anlagen, die der Kleinfeuerungsverordnung unterliegen (1. BImSchV), ist die Verbrennung von Stroh, Ganzpflanzengetreide und Körnern unter 15 kw Nennwärmeleistung nicht gestattet. Unter Paragraph 3 (Brennstoffe) ist für Anlagen größer 15 kw Stroh als Brennstoff genannt, Ganzpflanzengetreide ist nicht aufgeführt. Auch in der 4. BImSchV Nr. 12 (genehmigungsbedürftige Feuerungsanlagen) ist unter Festbrennstoffen Ganzpflanzengetreide noch nicht explizite enthalten. Damit würden Anlagen, die zur Ganzpflanzengetreideverbrennung dienen sollen, unter die Nummer 1.3 der 4. BImSchV eingeordnet, da unter dieser Nummer Feuerungsanlagen aufgeführt sind, einschließlich zugehöriger Dampfkessel, die für den Einsatz anderer als in Nr. 1.2 genannter fester Brennstoffe vorgesehen sind. Die Emissionsbegrenzungen der TALuft setzen Stroh für Anlagen der Nr. 1.3 (Pkt der TALuft) den Anlagen unter 1.2 gleich. Die Genehmigungsbehörde ist aber berechtigt, die gesetzlich vorgeschriebenen Grenzwerte im Rahmen der Vorsorge weiter zu verschärfen bzw. zu ergänzen. Ein weiterer bisher nicht so stark beachteter Emissionsgrenzwert in der TALuft ist der einzuhaltende Wert für anorganische Chlorverbindungen. Dieser ist wie folgt definiert: 30 mg HCl/m 3 n bei einem Massestrom von 300 g/h oder mehr. Das heißt, dieser Grenzwert tritt bei Ganzpflanzengetreide ab einer Feuerungswärmeleistung von ca. 2,5 MW in Kraft. Des weiteren werden für die Beurteilung von Biomasseheizanlagen oft die Richtwerte der TA Luft bzw. die Grenzwerte der 17. BImSchV (Müllverbrennung) herangezogen: Fluor als Fluorwasserstoff 5 mg/m 3, Distickstoffoxid (Minimierung), Kohlenmonoxid (Minimierung), Polychlorierte Biphenyle (Minimierung), Dioxine und Furane 0,1 ng ITE Q/m 3. Im Gegensatz zu Holz kann aus ökonomischen Erwägungen Ganzpflanzengetreide somit nur im Bereich 15 kw bis < 100 kw und ab 1 MW thermisch verwertet werden. Die Einhaltung der Grenzwerte der TALuft bei Kohlenmonoxid, Gesamtkohlenstoff und NO x bei Anlagen unter 1 MW erfordert erhebliche Aufwendungen, die in den meisten Fällen kaum ökonomisch sind. Verbrennungstechnik Dänemark, als Vorreiter der Strohverbrennung, nutzte 1996 knapp 1 Mio. t Stroh energetisch

5 in Heizanlagen und Heizkraftwerken. In einem über zwei Jahre angelegten Großversuch wurde in mehreren Strohheizwerken 1995 bis 1997 Ganzpflanzengetreide verbrannt. Dementsprechend sind die dänischen Hersteller von Biomassefeuerungen neben der Firma Kohlbach (Österreich) die Erfahrungsträger in der Europäischen Union. Die Anlieferung der Brennstoffe erfolgt ausschließlich in Form von Ballen. In kleineren Anlagen, z. B. auf Bauernhöfen kommen vorrangig Rundballen und kleinere Quaderballen zum Einsatz. In Großanlagen liefern die Landwirte hauptsächlich Heston Großballen (l = 2,20 bis 2.40 m, b = 1,30 m, h = 1,20 m) mit Gewichten bei Stroh um die 0 kg/ballen, bei Ganzpflanzengetreide mit ca. 800 kg/ballen an. Kleinanlagen sind sowohl für eine portionsweise Beschickung als auch für eine automatischkontinuierliche Brennstoffzufuhr ausgelegt. Die portionsweise Beschickung, d. h. das Verbringen von einem bis mehreren ganzen Ballen in den Feuerungsraum erfordert die Installation eines großen Wärmespeichers, da diese Anlagen nur im Volllastbetrieb arbeiten sollten. Ob die deutschen Emissionsgrenzwerte, vor allem bei Kohlenmonoxid mit derartigen Anlagen eingehalten werden können, ist noch abzuklären. Bei der automatischen Beschickung werden die Ballen gehäckselt, geschnitten oder aufgefräst. Das aufgelöste Rohmaterial wird dann dem Kessel über Schnecken oder ein Gebläsesystem zugeführt. In größeren Anlagen kommen fast ausschließlich letztgenannte Systeme zum Einsatz. Die Verbrennung erfolgt vorwiegend auf wassergekühlten Rosten. Eine Sonderstellung nimmt der Zigarrenbrand der Firma Volund ein. In Anlagen > 10 MW sind auch Wirbelschichtfeuerungen, z. T. kombiniert mit Kohle, zu finden. In Thüringen wurden 1993 das Strohheizwerk Schkölen und 1995 das Strohheizwerk Jena in Betrieb genommen. Bei beiden Anlagen handelt es sich um Praxisanlagen, die gleichzeitig für Versuche zur thermischen Nutzung weiterer halmgutartiger Biomasse genutzt wurden und werden. Unter anderem kamen neben verschiedenen Getreidestroharten Ganzpflanzengetreide, Ackergräser, Landschaftspflegeheu, Ölleinstroh, Rapsstroh aber auch eher exotische Brennstoffe wie Hanf zur thermischen Verwertung. Das Strohheizwerk Schkölen, errichtet von der Firma Volund, arbeitet nach dem Zigarrenbrandprinzip. Großballen werden in einem Kanal entsprechend der Leistungsabnahme in den Feuerraum geschoben und brennen dort am Ende ab. Nicht verbranntes Stroh und Asche fallen auf einen wassergekühlten Rost und brennen dort aus. Der Strohkessel hat eine Leistung von 3,15 MW thermisch. Zusätzlich ist ein Ölspitzenlastkessel installiert. Das Jenaer Strohheizwerk, gebaut von der dänischen Firma Linka, hat eine Leistung von 1,7 MW thermisch. Die Ballen werden in einen senkrecht stehenden Schacht in Scheiben geschnitten und dem Brennraum portionsweise zugeführt, in dem die Verbrennung auf einem modifizierten Rost erfolgt. Die umfangreichen Versuche mit Ganzpflanzengetreide haben gezeigt, dass Strohverbrennungsanlagen grundsätzlich für die energetische Verwertung von Ganzpflanzengetreide geeignet sind. Aufgrund der verhältnismäßig kalten Verbrennung bei Halmgütern muss auf die Einhaltung der Kohlenmonoxidwerte bei den Emissionen besonders geachtet werden. Der Brennstoffstruktur kommt dabei besondere Bedeutung zu (Tabelle 4). 5

6 Tabelle 4: Einfluss der Brennstoffstruktur auf Emissionsparameter (Strohheizwerk Jena) Brennstoffart Ganzpflanzengetreide Triticale Winterweizenstroh, grau Heu Beschreibung des Brennstoffs Bergungsverfahren Schwadlegen, Pressen Mähdrusch mit Strohreißer, Pressen Strukturbeschreibung Halme ( cm lang) nur Halme (10 cm) stark geknickt aufgerissen Verbrennungskennwerte Schwadlegen, Wenden, Pressen wenig Stängel, viel Blätter Temperatur ( C) O 2 (%) 7,4 9,8 9,4 10,9 Emissionsparameter CO (mg/m³) , NO x (mg/m³) , C ges (mg/m³) 12,6 7,3 40,8 81,5 Da Ganzpflanzengetreide nicht so zerfasert in den Ballen vorliegt wie Stroh, hat es durchaus Vorteile bei der thermischen Nutzung. Die Kohlenmonoxidemissionen sind besser zu beherrschen. Daneben ist die Einstellung der Anlage, d. h. die Luftzuführung (Primär, Sekundär, Tertiär) und die Zuführung für den Brennstoff zu optimieren. Ein häufiger Wechsel der Brennstoffe, z. B. zwischen Stroh und Ganzpflanzengetreide (bedeutend höhere Pressdichte) führt zu einer laufenden Nachregelung, da die Steuerungsprogramme auf den Brennstoff Stroh ausgelegt sind. Die in der Tabelle 4 dargestellten niedrigeren NO x Werte bei der Ganzpflanzenverbrennung im Vergleich zu Stroh sind eher untypisch. Bei den Untersuchungen im Strohheizwerk Schkölen waren sie dem Stroh vergleichbar. Dies ist auch logisch in den höheren Stickstoffgehalten von Ganzpflanzengetreide begründet. Bei der Verbrennung wird Stickstoff im Gegensatz zu Kalium, Phosphor und den meisten Schwermetallen (außer Quecksilber und Cadmium) weitestgehend emitiert und nicht in die Asche eingebunden, sodass eigentlich höhere NO x und N 2 O Emissionen erwartet wurden. Problematisch bei halmgutartiger Biomasse kann der im Vergleich zu Stroh relativ hohe Chlorgehalt werden. Korrosionserscheinungen, wie aus Dänemark berichtet, waren bisher in den beiden Thüringer Strohheizwerken nicht nachzuweisen. Ein vermuteter, enger Zusammenhang zwischen Chlor im Brennstoff und Dioxinemissionen ist nur bei extrem chlorreichem Material, d. h. vor allem unreifen Strohs (z. B. Hafer, z. T. Gerste) gegeben. Chlor kann allerdings zu höheren HClEmissionen führen. Ganzpflanzengetreide hat dabei Vorteile gegenüber Stroh durch den sehr niedrigen Chlorgehalt der Körner. Die gesetzlichen Grenzwerte der Staub und Schwefeldioxidemissionen waren in beiden Anlagen ohne Probleme einzuhalten. Die bisherigen Ausführungen lassen den Eindruck entstehen, dass die thermische Verwertung von halmgutartiger Biomasse problemlos möglich ist. In Dänemark sind vom Gesetzgeber bei der Strohverbrennung höhere COEmissionen gestattet als bei der Holzverbrennung. Die Einhaltung der deutschen Grenzwerte bei Kohlenmonoxid bereitet jedoch im Dauerbetrieb z. T. Probleme. Um die Grenzwerte einzuhalten, können z. B. die Stickoxidemissionen bis knapp unter den Grenzwert erhöht werden, was automatisch eine Reduzierung der Kohlenmonoxidemissionen bewirkt. Ob dieses Vorgehen im Sinne der Umwelt verantwortbar ist, muss zumindest angezweifelt werden. Die kontinuierlichere Zuführung von Brennstoff, wie beim Zigarrenabbrand praktiziert, ist nach gegenwärtigem Kenntnistand besser geeignet eine schadstoffarme Verbrennung zu 6

7 gewährleisten, wie die portions oder scheibenweise Zuführung des Strohs oder Ganzpflanzengetreides in den Verbrennungsraum. Fazit Die thermische Verwertung von Stroh und Ganzpflanzengetreide ist vor dem Hintergrund der Minderung der Kohlendioxidemissionen eine Ergänzung zur energetischen Verwertung von Holz. Als Ganzpflanzengetreide kommt vorrangig Triticale in Betracht. Der Anbau und die Bereitstellung qualitätsgerechter Ware sind weitestgehend abgeklärt. Die Verbrennung sowohl von Stroh als auch von Ganzpflanzengetreide bedarf jedoch einer weiteren Optimierung. Diese ist nur zu erreichen, wenn die Entwicklung geeigneter Verbrennungstechniken auch in Deutschland forciert wird. Bei der energetischen Verwertung von Holz hat sich gezeigt, dass mit steigender Nachfrage seitens des Marktes eine Weiterentwicklung der Technologien sehr schnell erfolgen kann. Bei Stroh und Ganzpflanzengetreide kann die Entwicklung nur erfolgen, wenn seitens der Emissionsgesetzgebung eine wohlwollende Begleitung erfolgt, um diese erheblichen Brennstoffpotenziale für den Klimaschutz und die Entwicklung des ländlichen Raumes nutzen zu können. 7