Pellets als Energieträger

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1 Pellets als Energieträger

2 Stefan Döring Pellets als Energieträger Technologie und Anwendung 1 C

3 Dr.-Ing. Stefan Döring Plant Engineering GmbH Matthias-Erzberger-Straße Neuwied Deutschland lant-engineering.de ISBN e-isbn DOI / Springer Heidelberg Dordrecht London New York Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2011 Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der Übersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung oder der Vervielfältigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielfältigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutschland vom 9. September 1965 in der jeweils geltenden Fassung zulässig. Sie ist grundsätzlich vergütungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechtsgesetzes. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Einbandentwurf: estudio Calamar S.L., Figueres/Berlin Gedruckt auf säurefreiem Papier Springer ist Teil der Fachverlagsgruppe Springer Science+Business Media (

4 Vorwort Das vorliegende Buch ist eine knappe Beschreibung rund um den Energieträger Holzpellet. Es soll einer Vielzahl von Lesern, Lehrenden wie Lernenden, Unternehmern oder Investoren, Finanziers, Betreibern, Anlagenbauern und anderen Interessierten von Nutzen sein. Davon ausgehend sind in diesem Buch zunächst die Entwicklung des Pelletmarktes mit den Handelsströmen und Preisentwicklungen, Biomassepotentiale für die Pelletierung, die Verbrennungseigenschaften, die gesetzlichen Randbedingungen sowie unterschiedliche Qualitätsanforderungen an die Pellets dargestellt. Aufbauend auf diese Kapitel wird die Technik der Pelletierung beispielhaft beschrieben. Die energetische Verwertung der Pellets wird anschließend behandelt. Der Ausklang enthält eine umfassende Darstellung des Brand- und Explosionsschutzes, der Wirtschaftlichkeit von Pellets im Vergleich zu fossilen Energieträgern und einen kurzen Ausblick auf Forschungsprojekte. Besonders danken möchte ich dem Springer Verlag, der mir die Möglichkeit eröffnete, ein derartiges Buch zu schreiben und zu veröffentlichen. Weiterer Dank gilt den Autoren, die mich bei der Erstellung des Buches unterstützt haben und die ich sehr schätze. Hier insbesondere Herrn Prof. Dr.-Ing. Martin Kaltschmitt, Frau MSc Dipl.-Ing. (FH) Janet Witt, Herrn Dipl.-Ing. Stefan Schwing von der Firma INBUREX Consulting GmbH, Frau MSc und Dipl.-Kffr. Christiane Hennig sowie Frau Dipl.-Geogr. Nadja Rensberg. Neben den genannten Mitautoren waren weitere Fachleute an der Gestaltung und Durchsicht beteiligt. Beispielhaft sind hier meine Mitarbeiter Alexander Hirsch, Arthur Pinneker, Hubert Schillings, Wolfgang Schlaug, Roland Paul und Christoph Roos zu nennen. Weiterer Dank gilt Herrn Manfred Pfeifer und Herrn Jens Neumeister für die wertvolle Unterstützung. Den in den jeweiligen Kapiteln erwähnten Firmen und übrigen Quellen danke ich herzlich für die Bereitstellung und Freigabe des Bildmaterials. Neben den genannten Personen waren weitere Fachleute an dem Werk beteiligt, auch ihnen danke ich an dieser Stelle herzlich. Ohne deren engagierte Unterstützung wäre die Realisierung des Buches nicht möglich gewesen. Das Buch entstand parallel zu meiner beruflichen Haupttätigkeit. Alle aufgezeigten Zusammenhänge, Fakten und Zahlen wurden nach bestem Wissen und Gewissen sowie mit hoher Sorgfalt recherchiert und dargestellt. Dennoch können Fehler und Unvollkommenheiten nicht ausgeschlossen werden. Daher wäre ich für konstruktive und zielorientierte Anmerkungen mit Blick auf eine mögliche Neuauflage sehr dankbar. Leutesdorf im August 2010 Stefan Döring

5 Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung Politische Zielsetzungen und energiewirtschaftliche Rahmenbedingungen Pelletmarktentwicklung Internationale Märkte... 5 Industriepelletmärkte... 5 Premiumpelletmärkte... 6 Pelletmischmärkte... 7 Exportmärkte... 8 Gesamtbilanz Handelsströme Preisentwicklung Literaturverzeichnis Biomassen für die Pelletproduktion Klassifizierung Rohstoffe und technische Potenziale Methodischer Ansatz Rohstoffauswahl Technisches Potenzial Rohstoffeigenschaften Molekularer und elementarer Aufbau Rohstoffparameter zur Beeinflussung der Pelletqualität Literaturverzeichnis Verbrennungstechnische Eigenschaften Grundlagen der Verbrennung Physikalisch-mechanische Brennstoffeigenschaften Chemisch-stoffliche Brennstoffeigenschaften Energieträgerspezifische Einflussgrößen... 47

6 VIII Inhaltsverzeichnis Verbrennungsprodukte beeinflussende Eigenschaften Literaturverzeichnis Gesetzliche Anforderungen des Holzpelleteinsatzes zur Wärmebereitstellung Anforderungen an Emissionen und Energieeffizienz Entsorgung von Aschen und Rückständen Nachhaltigkeitsanforderungen Literaturverzeichnis Qualitätsanforderungen an den Brennstoff Literaturverzeichnis Pelletproduktion Stammholzplatz und Stammholzaufbereitung Entrindung Stammholzzerkleinerung Nassspanlager Außenlager für nasse Hackschnitzel und Späne Automatisiertes Innenlager Schubbodensysteme / Zugbodensysteme Be- und Entladeförderer bzw. Hebe- und Senkförderer Kratzbodensysteme und Kratzkettenförderer Krananlagen Transportsysteme für nassen Rohstoff Kratz- und Trogkettenförderer Förderband Förderschnecke Vibrationsförderrinne Becherwerke Trockner Bandtrockner Trommeltrockner Steuerung und Regelung Kennzahlen für Trockner Lager für trockene Späne Schubboden Silo Pelletierung Allgemeine Prozessbeschreibung Anlagentechnik Magnetabscheider Allmetallabscheider Windsichter

7 Inhaltsverzeichnis IX Hammermühle Additiv- bzw. Stärkedosierung Mischer Reifebehälter bzw. Homogenisierungssilo Pelletpresse Kühler Sieb Pelletsilos Literaturverzeichnis Energetische Verwertung von Pellets Lagerung und Förderung von Pellets Kleinfeuerungsanlagen Mittlere Feuerungsanlagen Großfeuerungsanlagen Zufeuerung von Pellets Literaturverzeichnis Brand- und Explosionsschutz Anforderungen des Regelwerkes Erarbeitung des Schutzkonzeptes Auftreten explosionsfähiger Atmosphären Zoneneinteilung Zoneneinteilung für Aufstellungsbereiche Zoneneinteilung der produktberührten Anlagenbereiche Vermeidung von Zündquellen Technische Maßnahmen zur Vermeidung wirksamer Zündquellen Beherrschen von Explosionen Dimensionierung der Entlastungsfläche Explosionsunterdrückung Auswahl der Entkoppelungseinrichtungen Organisatorische Maßnahmen Brandschutzmaßnahmen Literaturverzeichnis Wirtschaftlichkeit von Pelletkesseln Brennstoffpreise Wirtschaftlicher Vergleich verschiedener Heizsysteme Literaturverzeichnis Forschung und Entwicklung Optimierung der Pelletproduktion Optimierung der Einsatzfähigkeit von Pellets zur energetischen Nutzung239 Anhang

8 X Inhaltsverzeichnis Physikalische Größen und deren Umrechnungsformeln Umrechnung der wichtigsten Einheiten des fps- in das SI-System /1/ Wichtige Einheiten der Mechanik /1/ Wichtige Einheiten der Wärmelehre /1/ Wärmemenge Q Wärmedurchgangszahl k für verschiedene Stoffe und Materialien Heizwerte und Energieäquivalente verschiedener Brennstoffe Allgemeine Umrechnungsfaktoren für Holzmengen Verbrennungstechnische Daten von Buche und Fichte/Tanne bei 18% Wassergehalt Raumgewichte verschiedener Hölzer bei 15% Wassergehalt Hersteller für Pelletkessel Pelletlieferanten Pelletproduzenten in Deutschland Förderdatenbanken Informationsquellen Literaturverzeichnis Sachwortverzeichnis

9 Autoren Neben meiner Person haben folgende Autoren zu dem Buch beigetragen: Kapitel 1 Prof. Dr.-Ing. Martin Kaltschmitt, MSc Dipl.-Kffr. Christiane Hennig MSc Dipl.-Ing. (FH) Janet Witt Kapitel 2 Dipl.-Geogr. Nadja Rensberg MSc Dipl.-Ing. (FH) Janet Witt Kapitel 3, 4, 5 MSc Dipl.-Ing. (FH) Janet Witt Kapitel 8 Dipl.-Ing. Stefan Schwing Kapitel 10 MSc Dipl.-Ing. (FH) Janet Witt

10 1 Einleitung Politische Zielsetzungen und energiewirtschaftliche Rahmenbedingungen Pelletmarktentwicklung Internationale Märkte... 5 Industriepelletmärkte... 5 Premiumpelletmärkte... 6 Pelletmischmärkte... 7 Exportmärkte... 8 Gesamtbilanz Handelsströme Preisentwicklung Literaturverzeichnis... 13

11 2 1 Einleitung 1 Einleitung 1.1 Politische Zielsetzungen und energiewirtschaftliche Rahmenbedingungen In den energie- und umweltpolitischen Diskussionen gewinnt die Energiebereitstellung aus regenerativen Energien i. Allg. und aus Biomasse im Besonderen zunehmend an Bedeutung. Dabei ist die Biomasse von allen regenerativen Energien die derzeit mit Abstand wichtigste Option. Beispielsweise stammen in Deutschland rund 75 % der gesamten aus erneuerbaren Energien bereitgestellten Endenergie aus Biomasse; und weltweit ist der Anteil tendenziell noch höher. Entsprechend den ambitionierten Zielen der Kommission der Europäischen Gemeinschaften, die sich viele EU-Mitgliedsstaaten u. a. auch Deutschland zu Eigen gemacht haben, soll dieser Anteil absolut gesehen zukünftig noch deutlich weiter zunehmen. Dies gilt vor allem mit Blick auf fossile Energieträger, mit denen zunehmend ressourcenschonender umgegangen werden muss. Um diese politischen Zielvorgaben am Markt unter großer Akzeptanz der Bevölkerung erfolgreich umsetzen zu können, müssen zunehmend innovative Biomassenutzungsoptionen entwickelt und marktverfügbar gemacht werden. Hier gilt es jedoch, die mit einer energetischen Biomassenutzung zum Teil noch verbundenen Probleme und Herausforderungen zu meistern. Eine derartige Herausforderung ist beispielsweise die zukünftig merklich an Bedeutung gewinnende Notwendigkeit, die begrenzt verfügbare Ressource Biomasse möglichst effizient nutzbar zu machen. Eine andere derartige Aufgabe ist es, die tatsächlichen und/oder potenziellen Umwelteffekte und das meint nicht nur die potenziellen Auswirkungen auf das Klima, sondern auch und insbesondere toxikologisch relevante Stofffreisetzungen, die auf die mit der Biomassenutzung vor Ort befassten Personen einwirken können deutlich zu reduzieren. Deshalb können neue und innovative Biomassenutzungsoptionen immer nur im Rahmen einer Optimierung der gesamten Bereitstellungskette und damit von der Biomasseproduktion über die Bereitstellung bis zur Nutzung realisiert werden. Hierbei muss angestrebt werden, die einzelnen Komponenten einer derartigen Bereitstellungskette sowie S. Döring, Pellets als Energieträger, DOI / _1, Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2011

12 1.1 Politische Zielsetzungen und energiewirtschaftliche Rahmenbedingungen 3 ihr Zusammenspiel aus technischer, ökonomischer und ökologischer sowie letztlich auch aus sozialer Sicht zu verbessern und zu optimieren. Dies gilt ebenfalls für die Wärmebereitstellung mit naturbelassenem Holz, das in den letzten Jahren aufgrund der stark schwankenden Energiepreise für fossile Brennstoffe und der gefühlten Abnahme der Versorgungssicherheit insbesondere im Gasmarkt (u. a. aufgrund der politisch motivierten Lieferunterbrechungen Russlands gegenüber der Ukraine) immer mehr an Bedeutung gewonnen hat und deshalb durch eine deutliche Marktausweitung gekennzeichnet war. Zusätzlich wurde und wird diese Entwicklung durch die administrative Rahmensetzung in Deutschland aber auch in anderen europäischen Ländern unterstützt, da damit außerdem ein merklicher Beitrag zum Klimaschutz und zur Wertschöpfung im ländlichen Raum zusätzlich zu der angestrebten Verbesserung der Versorgungssicherheit geleistet werden kann. Mit der Zunahme der Marktbedeutung einer Wärmebereitstellung aus biogenen Festbrennstoffen haben aber auch die damit verbundenen negativen Auswirkungen an Bedeutung in der umwelt- und energiepolitischen Diskussion gewonnen. Dies gilt zum Einen im Hinblick auf die nachhaltige Verfügbarmachung des Rohstoffs insbesondere auch vor dem Hintergrund der Nachfrage der Holzwerkstoffindustrie, die in den letzten Jahren ebenfalls deutlich zugenommen hat und zum Anderen bezüglich der mit der Holzverbrennung in bestimmten Feuerungsanlagen verbundenen toxikologisch ggf. relevanten Emissionen u. a. an Stäuben und an Geruchsstoffen. Die verstärkte Etablierung von Holzpellets insbesondere für den Einsatz in Kleinfeuerungsanlagen erscheint vor diesem Hintergrund durchaus eine ernst zu nehmende und in vielerlei Hinsicht sehr vielversprechende Option. Mit dieser in den letzen beiden Jahrzehnten auch in Deutschland am Markt etablierten Möglichkeit können eine große Zahl der genannten Herausforderungen unter Ausnutzung der damit verbundenen Vorteile einer akzeptablen Lösung nähergebracht werden. Dies gilt insbesondere für die folgenden Aspekte: Pellets erlauben wird die gesamte Bereitstellungskette betrachtet eine vergleichsweise sehr effiziente und damit ressourcenschonende Wärmebereitstellung, die im Regelfall den gültigen Nachhaltigkeitsanforderungen adäquat Rechnung trägt. Die brennstofftechnischen Eigenschaften von Pellets sind durch nationale und europäische Normen klar definiert. Des Weiteren sind entsprechende Qualitätsmanagement-Konzepte verfügbar, die helfen, die in den jeweiligen Normen geforderte Qualität sicher und nachprüfbar einzuhalten. Dies hat zum Einen den Vorteil, dass sich dadurch nationale und internationale Brennstoffmärkte herausbilden können, die ggf. preis-stabilisierend wirken können und einen hohen Grad der Versorgungssicherheit ermöglichen. Zum anderen können sind die Brennstoffeigenschaften bekannt und werden sie sicher eingehalten die Feuerungsanlagen in Bezug darauf von den Herstellern aus technischer Sicht optimiert werden.

13 4 1 Einleitung Pellets als Schüttgut ermöglichen einen vollautomatischen Betrieb der Feuerungsanlagen und dadurch auch die Möglichkeit, die Anlagen weitgehend unabhängig von dem z. T. ungenügenden Benutzerverhalten aus Umweltsicht zu optimieren. Deshalb erreichen sie im Vergleich der heute am Markt verfügbaren Kleinfeuerungsanlagen für biogene Festbrennstoffe (d. h. Stückholz, Hackgut, Pellets) die geringsten Emissionswerte und damit die beste Umweltbewertung. Die Wärmebereitstellung aus Pellets ist damit durch eine Vielzahl von Vorteilen im Vergleich zu der aus Stückholz oder Hackgut gekennzeichnet. Hinzu kommt noch, dass die Pellet-Bereitstellungskette wesentlich flexibler im Vergleich zu den anderen Wärmebereitstellungsoptionen aus biogenen Festbrennstoffen ist. Dies gilt u. a. im Hinblick auf den einzusetzenden Rohstoff. Werden die festgelegten Brennstoffspezifikationen eingehalten, könnte potenziell zukünftig auch ein bestimmter Anteil anderer fester Biomassen (z. B. Stroh) zugemischt werden, wenn durch entsprechende F&E-Arbeiten nachgewiesen werden kann, dass dies u. a. keine negativen Auswirkungen auf die Verbrennung und die damit verbundenen Stofffreisetzungen hat. Auch kann der Pelletbrennstoff aufgrund seiner Handelbarkeit und der bekannten Brennstoffeigenschaften vergleichsweise einfach in einer Vielzahl weiterer Energiemärkte eingesetzt werden. Dies gilt u. a. für die Nutzung in Biomasse-KWK-Anlagen im mittleren und größeren Leistungsbereich und für eine Zufeuerung in vorhandenen Kohlekraft- und - heizkraftwerken, um aus Klimaschutzgründen Kohle zu substituieren und dadurch die damit verbundenen Klimagasemissionen fossilen Ursprungs zu vermeiden. Aufgrund dieser Vorteile hat sich im Bereich der Holzpellets in den letzten Jahren ein sehr dynamischer Markt in Deutschland und in Europa sowie z. T. auch weltweit entwickelt, von dem auszugehen ist, dass er sich in den kommenden Jahren signifikant ausweiten und mit den weiter steigenden Ansprüchen an die Pelleteigenschaften getrieben durch die zunehmenden Forderungen nach einer immer weitergehenden Reduzierung der Umweltauswirkungen einer Wärmebereitstellung aus biogenen Festbrennstoffen auch weiter verändern wird. Gleichzeitig wird sich dieser Markt zunehmend internationalisieren. 1.2 Pelletmarktentwicklung In diesem Kapitel wird die Entwicklung des Pelletmarktes in Deutschland, der EU und ausgewählten Überseemärkten untersucht. Dabei werden die Marktparameter Produktionskapazitäten und mengen, Verbrauchsmengen sowie der Verlauf des Holzpelletpreises berücksichtigt. Eine anschließende Abbildung der Handelsströme soll die Größe und Ausbildung des Pelletmarktes aufzeigen. Die Darstellung der einzelnen Parameter erfolgt für den Zeitraum von 2001 bis Der internationale Pelletmarkt hat im letzten Jahrzehnt ein enormes Wachstum erfahren. Eine Vielzahl neuer Akteure ist in den Markt eingestiegen und hat in vie-

14 1.2 Pelletmarktentwicklung 5 len Ländern bereits eine flächendeckende Pelletinfrastruktur einschließlich Produzenten, Händlern und Konsumenten geschaffen. Der ehemalige Nischenmarkt der 80er ist zu einer respektablen Branche mit Wettbewerbsniveau gereift. Dabei haben sich charakteristische Marktstrukturen herausgebildet, die sich hinsichtlich der gehandelten Pelletqualität und in Bezug auf die Einsatzbereiche der Pellets unterscheiden. Märkte, in denen Pellets für die Stromerzeugung in Kraftwerken eingesetzt werden (im Folgenden bezeichnet als Industriepelletmarkt), qualitativ hochwertige (i. d. R. zertifizierte) Holzpellets, die vorrangig für die Wärmeerzeugung im kleineren Leistungsbereich genutzt werden (im Folgenden bezeichnet als Premiumpelletmarkt), Pellets sowohl für die Strom- als auch Wärmeerzeugung (im Folgenden bezeichnet als Pelletmischmarkt) eingesetzt werden, kein/geringer eigener Verbrauch, sondern nur eine Pelletproduktion zu verzeichnen ist (im Folgenden bezeichnet als Exportpelletmarkt). Nachstehend werden die vier Marktformationen anhand ihrer typischen Vertreter vorgestellt und ihre politischen und strukturellen Rahmenbedingungen beispielhaft in einigen Ländern erläutert Internationale Märkte Industriepelletmärkte Zu den Industriepelletmärkten in Europa zählen Belgien, die Niederlande und Großbritannien. In diesen Märkten werden Pellets hauptsächlich zur Mitverbrennung in Kohlekraftwerken eingesetzt. So werden z. B. in den Niederlanden über 95 % der gesamt verbrauchten Pellets in der Mitverbrennung eingesetzt (Stand 2008: Tonnen). Im Vergleich zum Jahr 2003 ist das eine Vervierfachung der genutzten Pellets /4/. Diese positive Entwicklung des Pelleteinsatzes ist auf eine staatliche Förderung das MEP (Milieukwaliteit Elektriciteitsproductie) Programm - ein sogenanntes Einspeisesystem, das zwischen 2003 und 2006 in Kraft war und eine Vergütung von 6 bis 7 ct pro kwh erzeugtem Strom aus holzartiger Biomasse bot, zurückzuführen. Die längste Laufzeit für die in diesem Zeitraum abgeschlossenen Einspeisevergütungsverträge beträgt 10 Jahre, d.h., dass die Förderung in 2012 bzw ausläuft. Entsprechend wird zu diesen Zeitpunkten mit einem Rückgang der Mitverbrennung von Pellets in Kohlekraftwerken gerechnet. Im Rahmen des gegenwärtigen Förderprogramms (SDE Stimuleringsregeling Duurzame Energie) zu einer nachhaltigen Stromerzeugung wird die Mitverbrennung von Holzpellets nicht gefördert /5/.

15 6 1 Einleitung Kapazität in t/a Produktion in t/a inländischer Verbrauch in t/a Holzpellets in t/a Belgien Niederlande UK Abb. 1.1: Entwicklung von Industriepelletmärkten von 2001 bis 2008 Die holländische Holzpelletproduktion ist quantitativ sehr niedrig (Produktionsmenge: Tonnen, Produktionskapazität: Tonnen in 2008), z. B. im Vergleich zum Premiumpelletmarkt Deutschland mit einer Produktion von 1,5 Mio. Tonnen, und auch perspektivisch begrenzt. Damit ist dieser Markt auf hohe Holzpelletimporte angewiesen. Limitierende Faktoren sind vor allem ein geringes heimisches Waldvorkommen sowie bestehende stoffliche Nutzungskonkurrenzen für holzartige Reststoffe wie z. B. für die Spanplattenindustrie in Belgien und die holländische Milchindustrie /5/. Eine vergleichbare Entwicklung und Größe weist der britische Pelletmarkt auf. Auch hier hat sich der Markt seit Beginn in 2002 langsam entwickelt und ist durch nationale holzartige Rohstoffvorkommnisse begrenzt. In Abb. 1.1 sind die wichtigsten Industriepelletmärkte zusammenfassend dargestellt. Premiumpelletmärkte In den Premiumpelletmärkten werden Holzpellets von höherer Qualität überwiegend in Ein- und Mehrfamilienhäusern zur Wärmeerzeugung eingesetzt. In Europa sind Deutschland, Österreich, Italien und in Übersee die USA Vertreter dieser Gruppe. Im Vergleich zu den Industriepelletmärkten werden auf diesen Märkten bedeutend größere Mengen Holzpellets sowohl produziert als auch konsumiert.

16 1.2 Pelletmarktentwicklung Kapazität in t/a Produktion in t/a inländischer Verbrauch in t/a Holzpellets in t/a Deutschland Österreich Italien USA Abb. 1.2: Entwicklung von Premiumpelletmärkten von 2001 bis 2009 Ein Markt mit besonders schnellem Wachstum in den letzten Jahren, ist der deutsche Holzpelletmarkt. Förderprogramme auf Bundes- und Länderebene (z. B.: das Marktanreizprogramm) sowie steigende Preise für fossile Energieträger haben Hauseigentümern Anreize zur Installation von Holzpelletheizsystemen gegeben. Somit hat sich in Deutschland seit 2000 einer der größten Pelletmärkte weltweit herausbilden können. Die Produktionskapazität lag 2009 bei 2,5 Mio. Tonnen mit einer realisierten Produktionsmenge von etwa 1,6 Mio. Tonnen. Der Verbrauch betrug 1,1 Mio. Tonnen /2/. Während der inländische Bedarf bis 2005 größtenteils über Importe gedeckt wurde, kann Deutschland die inländische Nachfrage nun mit eigenen Produktionsstätten seit 2007 befriedigen. Im Jahr 2009 lag das Produktionsvolumen deutlich über dem Bedarf und es wurden etwa 30 % der Gesamtproduktionsmenge exportiert. Einen Überblick zur Entwicklung von Premiumpelletmärkten gibt Abb Pelletmischmärkte Pelletmischmärkte sind durch eine anteilige Pelletnutzung sowohl im Kraftwerksektor als auch zur dezentralen Wärmeerzeugung in Feuerungsanlagen im kleineren und mittleren Leistungsbereich gekennzeichnet. Vertretermärkte sind Dänemark, Finnland und Schweden, der letztere Markt mit der längsten Tradition in der Pelletproduktion und -nutzung in Europa. Insgesamt sind die Produktions- sowie Verbrauchsmengen der Pelletmischmärkte vergleichbar mit denen der Premiumpelletmärkte. Der schwedische Holzpelletmarket hat sich Anfang der 80er Jahre entwickelt und ist heute nach Verbrauchszahlen der größte Holzpelletmarkt der Welt. Das

17 8 1 Einleitung Aufkommen der Pelletindustrie wurde durch die nationalen energiepolitischen Rahmenbedingungen begünstigt, die seit der Ölkrise 1979 alternative Energieformen u.a. durch die Einführung einer Energiesteuer sowie CO 2 -Steuer auf fossile Energieträger indirekt gefördert hat. In Schweden finden momentan Holzpellets sowohl Einsatz in Block(heiz)kraftwerken und Fernwärmewerken als auch für die Wärmeerzeugung in privaten Hauhalten. Begonnen hat dieser Markt stärker als Industriepelletmarkt, inzwischen hat sich auch ein Kleinverbrauchermarkt herausgebildet, der allerdings noch den kleineren Marktanteil hat (etwa 35 %) /5/ Kapazität in t/a Produktion in t/a inländischer Gesamtverbrauch in t/a Kleinverbrauchermarkt in t/a Holzpellets in t/a Schweden Dänemark Finnland Abb. 1.3: Entwicklung von Pelletmischmärkten von 2001 bis hatte Schweden eine installierte Pelletproduktionskapazität von 2,3 Mio. Tonnen mit einem Produktionsvolumen von 1,6 Mio. Tonnen, welches überwiegend im Inland eingesetzt wurde. Die Exportquote liegt derzeit bei etwa 5 %. Der Gesamtverbrauch von Holzpellets im Lande beträgt 1,9 Mio. Tonnen ( Tonnen auf dem Kleinverbrauchermarkt). Für die Deckung der inländischen Nachfrage importiert Schweden überwiegend Pellets aus Kanada, den Baltischen Staaten sowie Finnland aber auch Polen und Russland. Auch der dänische Markt ist auf hohe Importe angewiesen, allerdings ist der inländische Verbrauch halb so groß wie in Schweden (1,1 Mio. Tonnen). In Abb. 1.3 sind die Markdaten für Schweden, Dänemark und Finnland dargestellt. Exportmärkte Die größten Exportmärkte zur Deckung der europäischen Pelletnachfrage sind Russland und Polen sowie Kanada in Übersee. Der polnische Holzpelletmarkt ist noch sehr jung mit vergleichbar geringen Produktionsmengen, weist allerdings starke Wachstumsraten sowie unerschlossene Potenziale auf. Polen hat ein hohes

18 1.2 Pelletmarktentwicklung 9 Waldvorkommen und eine damit verbundene ausgeprägte holzverarbeitende Industrie, was die zukünftige Entwicklung dieses Marktes für die Holzpelletindustrie begünstigt. In Polen hat die Holzpelletproduktion in 2003 begonnen. Seit der Markteinführung ist ein kontinuierlicher Zubau der Kapazitäten zu erkennen (2003: Tonnen, 2009: Tonnen). Die produzierten Pellets sind hauptsächlich für den Export nach Dänemark, Schweden, Deutschland und Italien bestimmt. Erst seit dem letzten Jahr ist ein zunehmender inländischer Verbrauch zu beobachten. Ursache für diese Entwicklung wird in der Veränderung der Energiepolitik Polens gesehen mit einer Ausrichtung auf die Energiegewinnung aus regenerativen Energiequellen /6/. Inwieweit sich Biomasse(heiz)kraftwerke bzw. Mitverbrennung in Kohlekraftwerken in den nächsten Jahren herausbilden und damit den eigenen Pelletkonsum beleben, ist abzuwarten. Darüber hinaus soll Kanada als momentan größter Exporteur für den europäischen Holzpelletmarkt vorgestellt werden. Hauptsächlich liefert Kanada Pellets für den Kraftwerkseinsatz in den Niederlanden, Dänemark und Großbritannien. So hat sich die Exportquote von kanadischen Holzpellets nach Europa von 35 % (2001: circa Tonnen) der Gesamtproduktionsmenge auf 55 % (2009: circa Tonnen) erhöht. Darüber hinaus versorgt Kanada den US-amerikanischen Markt mit Holzpellets (23 % der Produktionsmenge in 2009) /7/. In 2009, wurden etwa 1,4 Mio. Tonnen Holzpellets produziert bei einer installierten Produktionskapazität von mehr als 2,0 Mio. Tonnen. Nach Branchenmeinungen haben Produktionskapazität sowie menge ein großes Wachstumspotenzial auf diesem Markt, da es noch ein ungenutztes Rohstoffpotenzial gibt (wie z. B. ein Überschuss aus Sägewerken sowie durch den Waldbefall des Bergkiefernkäfers). In Anbetracht einer bisher noch gedämpften inländischen Nachfrage könnten die Exportmengen für den europäischen Markt entsprechend zunehmenfehler! Verweisquelle konnte nicht gefunden werden.. Momentan liegt der Holzpelletverbrauch in Kleinfeuerungsanlagen bei etwa Tonnen. Der Kraftwerkseinsatz findet bisher nicht Anwendung, aber perspektivisch wird eine Ausweitung der Mitverbrennung erwartet. So wurden erste Gesetzgebungen, die eine Verringerung der Kohlefeuerung vorsehen, auf den Weg gebracht, was den Einsatz von Pellets perspektivisch fördern kann. Die Entwicklung der Produktionskapazitäten und mengen sowie Verbrauch auf den Hauptexportmärkten ist in Abb. 1.4 aufgezeigt.

19 10 1 Einleitung Holzpellets in t/a Kapazität in t/a Produktion in t/a inländischer Verbrauch in t/a * * Polen Kanada Russland Abb. 1.4: Entwicklung des Exportpelletmarktes , *geschätzt Gesamtbilanz Derzeit werden weltweit über 11 bis 12 Mio. Tonnen Pellets produziert, wovon gut 1/3 für den Export bestimmt ist. Die Staaten der Europäischen Union einschließlich der osteuropäischen Länder und Russland weisen dabei die höchsten Pelletproduktions- und verbrauchsmengen auf (70-80 %). Außerhalb Europas stellen derzeit Kanada und die USA bedeutende Pelletmärkte dar, deren Wachstumspotenzial in den kommenden Jahren sehr gute Chancen eingeräumt wird. Darüber hinaus wird zukünftig wahrscheinlich die Bedeutung einiger asiatischer Länder (z. B. China, Indien, Japan) sowie Brasilien, Chile und Australien zunehmen. Das typische Rohmaterial für Pellets zur Strom- und / oder Wärmebereitstellung stellt Holz dar. Vorrangig für die Industriepelletproduktion werden zu einem geringen Umfang auch landwirtschaftliche Reststoffe wie Stroh oder Bagasse verwendet. Für eine vergleichende Darstellung der Entwicklung der verschiedenen Pelletmärkte seit 2001 sind die einzelnen Marktparameter in einer Übersicht zusammengefasst. Es wird ersichtlich, dass der Holzpelleteinsatz sowie die Produktion in der Gesamtbilanz in den letzten Jahren kontinuierlich gewachsen sind (Abb 1.5).

20 1.2 Pelletmarktentwicklung 11 Holzpellets in t/a Kapazität in t/a Produktion in t/a inländischer Gesamtverbrauch in t/a Kleinverbrauchermarkt in t/a DE AT IT SE DK FI BE NL GB PL CA RU US Abb. 1.5: Übersicht zur Entwicklung des Pelletmarktes in ausgewählten Ländern weltweit, Handelsströme Zum Aufzeigen der Import- und Exportströme von Holzpellets für den europäischen Markt ist in Abb. 1.6 der globale Handel von Holzpellets aufgeführt. Der Holzpellethandel findet überwiegend innerhalb regionaler Cluster statt. Das heißt, der Handel zwischen den einzelnen Ländern erfolgt im grenznahen Bereich. Beispielsweise exportieren Polen, die baltischen Staaten und Finnland Pellets nach Schweden und Dänemark. Weltweit betrachtet sind insbesondere Kanada und Russland wichtige Pelletexporteure für den europäischen Pelletmarkt. Reykjavik FI Tórshavn SE Oslo Helsinki Mariehamn Tallinn Stockholm EE Moskau Riga LV Douglas DK Kopenhagen LT Vilnius Minsk IE Dublin UK London Amsterdam NL Berlin PL Warschau Kiew Brüssel BE DE Saint Peter Port Prag Saint Helier LU CZ Paris Luxemburg SK Wien BratislavaBudapest Vaduz AT HU FR Bern Ljubljana SI Zagreb Belgrad Sarajevo RO Bukarest Kischinau San Marino Sofia BG Andorra la Vella IT Podgorica Skopje Rom Tirana PT Lissabon Madrid ES GR Athen Algier Tunis MT Abb. 1.6: Bedeutende Handelsströme im europäischen Holzpelletmarkt 2008

21 12 1 Einleitung Preisentwicklung Im Allgemeinen können zwei typische Preissegmente unterschieden werden: die Kleinverbrauchermärkte und die Industriemärkte. Unternehmen wie ENDEX N.V. (Energy Derivates Exchange), FOEX Indexes Ltd. und Argus Media Ltd. veröffentlichen Industrieholzpelletpreise. Allerdings kann im Rahmen dieser Preisindizes einerseits nicht auf eine lange Historie zurückgegriffen werden und andererseits ist die Abbildung noch sehr fragmentarisch. So beobachtet ENDEX den Verlauf erst seit 2008 und FOEX seit 2007 (veröffentlicht seit September 2009). Die Preise erhoben von ENDEX sind CIF-Preise der Amsterdam- Rotterdam- Antwerpenhäfen (ARA), die wichtigsten Häfen für Industriepellets in Europa. Die Preiserhebung basiert auf Angaben von Produzenten, Händlern und Kraftwerksbetreibern. FOEX erhebt einen sogenannten PIX Pellet Nordic Index unter Berücksichtigung der Preisangaben von Industriepellethändlern in den skandinavischen und baltischen Ländern /3/. Zusätzlich zu diesen Indizes wurden nationale Angaben zu Industriepelletpreisen vergleichend herangezogen. Die Preisangaben für Premiumpellets werden von nationalen Verbänden und ebenfalls im pellets@las Projekt erhoben bzw. veröffentlicht. Beispielhaft sind die Preisverläufe für die wichtigsten Premiumpelletmärkte sowie dem Pelletmischmarkt Schweden abgebildet. Insgesamt ist bei der industriellen Ware eine durchschnittliche Schwankungsbreite von 100 bis 140 /t zu erkennen und bei der zertifizierten Ware zwischen 170 und 270 /t (Abb. 1.7) Holzpelletpreise /t PIX (CIF) Niederlande (CIF) Lettland (CIF) Deutschland (Premium) Italien (Premium) ENDEX (CIF) Großbritannien (CIF) Russland (FOB) Österreich (Premium) Schweden (Premium) Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez Abb. 1.7: Preisentwicklung für Industrie- und Premiumpellets von 2007 bis 2009

22 Literaturverzeichnis 13 Literaturverzeichnis /1/ Bradley D (2006) Canada Biomass-Bioenergy Report. Ottawa /2/ DEPV: Entwicklung Pelletproduktion, Pelletproduktion und Inlandsbedarf Deutschland. URL: /3/ Hawkins Wright (May 2009) Forest Energy monitor. Hawkins Wright Ltd Vol 1 Issue 1. Richmond Surres, UK /4/ IEA Bioenergy Task 40 (2009) Sustainable International Bioenergy Trade - Country report for the Netherlands 2008 /5/ Pelletsindustrins Riksförbund (PiR): Statistik Sverigemarknaden. URL: /6/ Pellets@las (July 2009) Pellet market country report Poland /7/ Wood pellet association of Canada (January 2009) Local actions create global reactions

23 2 Biomassen für die Pelletproduktion Klassifizierung Rohstoffe und technische Potenziale Methodischer Ansatz Rohstoffauswahl Technisches Potenzial Rohstoffeigenschaften Molekularer und elementarer Aufbau Rohstoffparameter zur Beeinflussung der Pelletqualität Literaturverzeichnis... 33

24 16 2 Biomassen für die Pelletproduktion 2 Biomassen für die Pelletproduktion Als Biomasse wird die Gesamtheit in einem Lebensraum vorkommender, organischer Substanzen bezeichnet, wobei zwischen Phyto- und Zoomasse unterschieden wird /8/. Biogene Brennstoffe stellen den Anteil des Gesamtaufkommens an Biomasse dar, der zur energetischen Nutzung eingesetzt werden kann, um daraus Strom, Wärme oder Kraftstoffe bereitzustellen. Bioenergieträger können anhand ihres Aggregatzustandes in fest, flüssig und gasförmig untergliedert werden. Für die Pelletproduktion sind davon nur die biogenen Festbrennstoffe relevant (mit einem möglichst niedrigen Wassergehalt). 2.1 Klassifizierung In Abb. 2.1 werden die vielfältigen Sortimente an biogenen Festbrennstoffen vorgestellt, die als Rückstände, Neben- oder Abfallprodukte sowohl in der land- und forstwirtschaftlichen Pflanzenproduktion als auch in der industriellen Weiterverarbeitung oder am Ende einer Nutzungskette anfallen. Energiepflanzen aus dem landwirtschaftlichen Anbau (z. B. KUP, Miscanthus, Getreideganzpflanzen) können zusätzliche Potenziale zur Pelletproduktion darstellen. In Anlehnung an den europäischen Standard DIN EN erfolgt die Einordnung biogener Festbrennstoffe in holz- oder halmgutartige Biomasse, Biomasse von Früchten und definierte bzw. undefinierte Mischungen. S. Döring, Pellets als Energieträger, DOI / _2, Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2011

25 2.2 Rohstoffe und technische Potenziale 17 Biogene Festbrennstoffe 1 Holzartige Biomasse 2 Halmgutartige Biomasse 3 Biomasse von Früchten 1.1 Wald- und Plantagenholz sowie andere Frischhölzer (u.a. Laub-/ Nadelholz, KUP, Sträucher) Vollbäume ohne Wurzeln mit Wurzeln Stammholz Waldrestholz Stümpfe / Wurzeln Rinde Industrierestholz (mit/ohne Rinde) chem. unbehandelte Rückstände chem. behandelte Rückstände, Fasern und Holzbestandteile sortiertes Holz aus der Landschaftspflege und aus Gärten Bei-/Mischungen Bei-/Mischungen Gebrauchtholz (mit/ohne Rinde) chem. unbehandelte Rückstände chem. behandelte Rückstände Bei-/ Mischungen aus Landwirtschaft & Gartenbau (u.a. Ganzpflanzen, Stroh, Körner, Hülsen, Stängel, Blätter) Getreide Gräser Ölsaaten Wurzelfrüchte Hülsenfrüchte Blumen getrennt gesammelte halmgutartige Biomassen aus der Landschäftspflege und aus Gärten Bei-/Mischungen Nebenprod. & Rückstände der Industrie (u.a. Getreide, Gräser, Früchte, Ölsaaten) chemisch unhandelte Rückstände chem. behandelte Rückstände Bei-/Mischungen Obst und Gartenfrüchte (u.a.. Beeren-/Kern-/ Steinobst, roher Olivenpresskuchen) Beerenobst Stein- /Kernobst Nüsse und Eicheln Bei-/Mischungen Mischungen undefinierte / natürlich vermischte Biomassegemenge 3.2 Nebenprod. u. Rückstände der Industrie (u.a.. Beeren-/ Kernobst, Nüsse, extrahierter Olivenpresskuchen) chemisch unhandelte Rückstände chem. behandelte Rückstände Bei-/Mischungen / 1.4 / 2.3 / 3.3 Definierte / undefinierte Mischungen Beimischungen definierte / bewusst vermischte Biomassegemenge Abb. 2.1 Klassifizierung und Spezifizierung biogener Festbrennstoffe nach DIN EN Rohstoffe und technische Potenziale Für die Produktion von Holzpellets werden in Mitteleuropa vorwiegend chemisch unbehandelte Industrieresthölzer ohne Rinde verwendet, die beispielsweise als Resthölzer in Sägewerken oder als Koppelprodukte der holzbe- und verarbeitenden Industrie in Form von Spänen, Holzmehl oder Kapphölzern anfallen. Noch zu einem eher geringen Anteil werden Frischhölzer (Waldresthölzer oder auch minderqualitative Rundhölzer sogenannte Kalamitäten z. B. aus Wäldern mit Sturmschäden oder Borkenkäferbefall) als Rohmaterial für die Holzpelletproduktion verwendet, da sie u. a. aufgrund ihres höheren Wassergehaltes und des Rindenanteils einen aufwändigeren Produktionsprozess bedingen. Der Einsatz von Plantagenhölzern aus dem Anbau von schnell wachsenden Baumarten wie Pappeln oder Weiden mit mehrjährigen Erntezyklen (KUP) wird derzeit vielerorts vorbereitet bisher jedoch nur an wenigen Standorten realisiert. Perspektivisch wird mit einer Zunahme des Frischholzeinsatzes bei der Pelletproduktion gerechnet, um weitere Biomassekontingente zu erschließen. Ebenfalls wird erwartet, dass die Nachfrage nach Biobrennstoffen weiter wächst und die Einsatzfähigkeit nichtholzartiger Rohstoffe (z. B. Stroh, Miscanthus) voranschreitet, um die z. T. bedeutenden bisher ungenutzten Potenziale einer weiteren Nutzung zuzuführen. Ein weiterer Ausbau und die Erschließung zusätzlicher Biomassekontingente zur Pelletproduktion kann jedoch mittelfristig zu einer Verknappung der begrenzt vorhandenen natürlichen biogenen Rohstoffressourcen beitragen, was zahlreiche Nutzungskonkurrenzen bedingt und bereits vorhandene Konkurrenzen weiter verschärft. Zum einen können sich Konkurrenzfelder hinsichtlich der Landflächennutzung und des Biomasseanbaus entwickeln, was sich auf das Angebot bzw. das

26 18 2 Biomassen für die Pelletproduktion verfügbare Rohstoffpotenzial auswirkt. Zum anderen werden sich die Konkurrenzen in Bezug auf die unterschiedlichen technischen Nutzungsoptionen der biogenen Energieträger, insbesondere zur stofflichen Nutzung von Holz weiter verschärfen. Zur Identifizierung von Nutzungskonkurrenzen der energetischen Biomassenutzung können vier Ebenen unterschieden werden, in denen die Indikatoren in Abhängigkeit von den Rahmenbedingungen unterschiedlich stark ausgeprägt sind (Abb. 2.2). Als Indikatoren wirken beispielsweise: Verfügbarkeit einer Konversionstechnologie zum Zeitpunkt x Optionen des Biomasseeinsatzes/Stoffstromlenkung für ausgewählte Technologiekonzepte Flächenkonkurrenzen des Biomasseanbau zur Strom-, Wärme-, Kraftstoffbereitstellung Rohstoffpreise für die energetische Nutzung in Konkurrenz zum Nahrungsmittelanbau und der stoffliche Nutzung Landnutzung Ackerfläche vs. Grünland vs. sonstige Nutzung Fläche Ebene 1 Biomasseanbau Nahrungsmittel vs. stoffliche Nutzung vs. Bioenergie Biomasse Ebene 2 Biomassekonversion Wärme vs. Strom vs. Kraftstoff In Anlehnung an die Ergebnisse der Studie Nachhaltige Biomassenutzungsstrategien im europäischen Kontext /22/ werden die relevanten Rohstoffpotenziale zur Pelletproduktion für Deutschland die EU Staaten abgeleitet. Für die Staaten Russland, Kanada und USA werden die relevanten Biomassepotenziale von vorhandenen Potenzialstudien abgeleitet /2/, /5/,/16/,/18/,/23/. Die Potenzialermittlung ist methodisch auf eine Stoffstrombilanz zur Ermittlung des technisch erschließbaren und energetisch verfügbaren Biomassepotenzi- Bioenergieträger Ebene 3 Nutzung von Bioenergie Fossile Energien vs. Erneuerbare Energien vs. Effizienz Bioenergie Ebene 4 Abb. 2.2: Ebenen von Nutzungskonkurrenzen bei der energetischen Nutzung von Biomasse Methodischer Ansatz

27 2.2 Rohstoffe und technische Potenziale 19 als ausgehend von dem theoretischen Potenzial - zurückzuführen. Das ermittelte technische Rohstoffpotenzial beschreibt den Anteil des theoretischen Potenzials der verfügbaren Biomasse, der unter Berücksichtigung der gegebenen stofflichen Biomassenutzung (Nahrungs-, Futtermittel- und Holzverarbeitung etc.) sowie struktureller und ökologischer Restriktionen (z. B. Erhaltung von Stoffkreisläufen, Flächenansprüche der Biotopvernetzung etc.) mit den verfügbaren Technologien nutzbar ist. Das technische Potenzial beschreibt den Anteil des theoretischen Potenzials, der unter Berücksichtigung derzeitiger technischer Möglichkeiten unter Berücksichtigung verfügbarer Nutzungstechniken, ihrer Wirkungsgraden und hinsichtlich der Standortverfügbarkeit - nutzbar ist /22/. In Hinblick auf die Ermittlung technisch verfügbarer Energieträgerpotenziale, werden ausschließlich thermo-chemische Umwandlungsprozesse bei der Biomassenutzung der betrachteten Rohstoffpotenziale berücksichtigt und entsprechend brennstoffspezifische Heizwerte einbezogen. Grundlage der Potenzialermittlung sind europäische sowie regionsspezifische Agrar- und Forst- und Abfallstatistiken, Daten der FAO sowie zahlreiche Annahmen zur Fortschreibung der Entwicklung /22/. Für folgende Biomassefraktionen werden dabei technische Rohstoffpotenziale ermittelt: Forstwirtschaftliche Potenziale. Potenzial aus Einschlag = Rundholz + Brennholz + Waldrestholz + (Ernteverluste) Potenzial aus ungenutztem Zuwachs = theoretisches Potenzial - Einschlag Landwirtschaftliches Potenzial. Potenzial zum Energiepflanzenanbau (KUP, Miscanthus, Getreideganzpflanzen) Potenzial aus Reststoffen und Nebenprodukten. Industrierestholzpotenzial aus Sägewerken, Holzwerkstoff-, Holzschliff- und Zellstoffindustrie Strohpotenzial (Getreidestroh, Mais-, Raps-, Sonnenblumenstroh) Landschaftspflegematerial Rohstoffauswahl Aufgrund dessen, dass die vielfältigen biogenen Festbrennstoffe z. T. sehr unterschiedliche Brennstoffeigenschaften aufweisen, können je nach Einsatzbereich der Brennstoffe nur entsprechend geeignete Brennstoffe eingesetzt werden. Im Hinblick auf einen qualitativen Einsatz der vorhandenen Biomassen können unterschiedliche Inputströme zur Pelletproduktion klassifiziert und spezifiziert nach dem europäischen Standard DIN EN aufgeschlüsselt werden (Abb. 2.3). Dabei werden die Potenziale nach folgenden Zielmärkten unterteilt: Holzpellets für den Kleinverbrauchermarkt