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 565.000 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. 140.000 ha zu erwarten Dies entspricht ca. 25 % der heutigen Grünlandfläche Rösch und Raab, 2007 Oechsner, Universität Hohenheim 1
Problemstellung Jährlich werden 36 Mio. t Stroh in Deutschland produziert Davon könnten 20 60 % 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 20 19 18 17 16 18,8 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
von Stroh in Europa Stand 11 Heizkraftwerke 78 Fernwärme-Strohheizwerke (Feuerungsleistung im MW-Bereich) 13.000 dezentrale Kleinanlagen (Kaltschmitt 2001) Vorreiter Dänemark, Österreich und GB In Dtl. nur 1 Fernwärmeheizanlagen > 1 MW und ca. 30 50 Einzelanlagen (15 100 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
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
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
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.-%] 10 60 10 20 7,97 16 16 16 Ascheverhalten Sinterbeginn [ C] Erweichungspunkt [ C] 1180... 1270 1220... 1470 830... 950 940...980 - - 740 710 690 Elementaranalyse C [% TS] H [% TS] S [% TS] N [% TS] O [% TS] Cl [Gew.-%] P [Gew.-%] K [Gew.-%] Mg [Gew.-%] Ca [Gew.-%] 50 54 5,7 < 0,05 0,1 0,4 44 < 0,1 0,11 0,27 44 6 0,11 0,55 42 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] 82 17 79 17 72,89 18,33 Oechsner, Universität Hohenheim 6
sspezifische Eigenschaften von Biomasse Ascheerweichung 1400 1300 Ascheerweichung Ascheerweichungspunkt in C 1200 1000 800 600 400 200 960 1000 710 0 Holz Stroh Heu Weizen sspezifische Eigenschaften von landwirtschaftlicher Biomasse verregnet überständiges Heu nicht verregnet Oechsner, Universität Hohenheim 7
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% 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 Temperatur in C Struschka, 2006 sspezifische Eigenschaften von Landschaftspflegeheu Ascheerweichung Schubbodenfeuerung mit und ohne Wasserkühlung im Glutbett Hartmann, 2004 Oechsner, Universität Hohenheim 8
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
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 4-500 > 500 0,06 0,06 1,0 0,6 Stufe 2: Anlagen, die nach dem 31.12.2014 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 1 500 mg / m³ Stufe 2 Heubrennstoffe in unterschiedlicher Form Dichte Holzhackgut: Fichte: 160-170 kg/m³ Buche: 250 260 kg/m³ 120 kg/m³ 580 kg/m³ 660 kg/m³ Schüttgewichte Lager-/Transportaufwand Oechsner, Universität Hohenheim 10
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 15-20 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, 6.250 Körner in der Stunde, 100 Körner pro Minute Oechsner, Universität Hohenheim 11
Vergaser-Feuerungsanlage für Rundballen Fa. Herlt, 70-350 kw Vergaser-Feuerungsanlage für Rundballen Fa. Herlt, 70-350 kw Oechsner, Universität Hohenheim 12
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
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
Lin-KA LIN-KA, Dk Zerkleinerung von Strohballen Ballenauflösung: Reka Chaff-Cutter Oechsner, Universität Hohenheim 15
Zerkleinerung Reka, Dk Reka-Feuerungsanlage mit Treppenrost für trockene Brennstoffe, 20 3500 kw Oechsner, Universität Hohenheim 16
Reka-Feuerungsanlage mit Treppenrost für trockene Brennstoffe, 20 3500 kw Reka-Feuerungsanlage mit Treppenrost für trockene Brennstoffe, 20 3500 kw Heuverbrennung Getreidekornverbrennung Oechsner, Universität Hohenheim 17
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
von Landschaftspflegeheu Leistung des Kessels zwischen 10 und 32 kw Heubedarf : Sommer 4-6 Ballen/d Winter 10 14 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 39.300 l Heizöl (bei ƞ von 85 %) Es wurden in dieser Zeit ca.120.000 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
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 1.000 l Heizöl zu ersetzen Abgasreinigung bei der von Getreide bzw. Heu Neue Entwicklung: Edelstahl-Gewebefilter Fa. Oskar Winkel, Amberg Oechsner, Universität Hohenheim 20
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
Staubabscheidung des Gewebefilters Getreide-Reinigungsreste Wirtschaftlichkeit Großballen Kleinballen Einkaufspreise Ab-Hof 6,00... 7,00 /100 kg 7,00... 10,00 /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
- 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 8 10 12 14 16 18 20 24 32 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 17.000 20.000 25.000 51.000 65.500 85.500 Energieverbrauch Liter 8.000 20.000 60.000 Energieverbrauch dt 200 500 1500 Jahreskosten Zins (6%) 510 600 750 1.530 1.965 2.565 Abschreibung für Öl 10 Jahre; 10 %d. Inv. 1.700 2.000 2.500 für Heu7Jahre; 14,3 %d. Inv. 7.293 9.367 12.227 Brennstoffkosten 0,55 /Liter Heizöl 4.400 11.000 33.000 Wartungs- u. 50 100 150 1.500 3.000 5.000 Bedinungskosten (15 /h) Gesamtkosten/Jahr /a 6.150 13.100 35.650 6.150 13.100 35.650 Zul. Biomassekosten /a -2.643 734 18.424 Möglicher Preis für Heu /100 kg -13 1 12 Oechsner, Universität Hohenheim 23
von Heu - Wirtschaftlichkeitsabschätzung Heizölpreis: 0,90 /l Heizöl Biomasse 40 kw 100kW 300kW 40 kw 100 kw 300 kw Investition 17.000 20.000 25.000 51.000 65.500 85.500 Energieverbrauch Liter 8.000 20.000 60.000 Energieverbrauch dt 200 500 1500 Jahreskosten Zins (6%) 510 600 750 1.530 1.965 2.565 Abschreibung für Öl 10 Jahre; 10 %d. Inv. 1.700 2.000 2.500 für Heu7Jahre; 14,3 %d. Inv. 7.293 9.367 12.227 Brennstoffkosten 0,90 /Liter Heizöl 7.200 18.000 54.000 Wartungs- u. 50 100 150 1.500 3.000 5.000 Bedinungskosten (15 /h) Gesamtkosten/Jahr /a 8.950 20.100 56.650 8.950 20.100 56.650 Zul. Biomassekosten /a 157 7.734 39.424 Möglicher Preis für Heu /100 kg 1 15 26 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
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Vielen Dank für die Förderung des Projektes durch das MLR Baden-Württemberg Oechsner, Universität Hohenheim 25