Biomasse- und Oxyfuel-Verbrennung. Ausgewählte Verfahren auf dem Weg zu einer nachhaltigen Energieversorgung

Bachelorarbeit , 2014 , 82 Seiten , Note: 1,0

Ingenieurwissenschaften - Energietechnik

Erwähnt man heutzutage das Thema Klimaschutz im Bereich der Energieversorgung, lassen sich heiße Debatten führen. Seit dem Beschluss der Energiewende nimmt der Anteil erneuerbarer Energien zu, wodurch mit Deutschlands ambitionierter Klimaschutzpolitik ein wichtiger Schritt zur Reduktion von Treibhausgasemissionen gesetzt wird.

Allerdings spiegelt der Primärenergieverbrauch eine derzeitig andere Situation wieder, der sich zum größten Teil aus den fossilen Energieträgern Mineralöl, Erdgas und Kohle zusammensetzt. Somit entstehen durch die Energieversorgung große Mengen an Treibhaus-gasemissionen, weshalb hier Einsparungspotenziale vorliegen. Zu diesem Thema setzt die deutsche Klimaschutzpolitik Maßnahmen ein, die zur Effizienzsteigerung von Strombereitstellungstechnologien, Energieeinsparungen und dem Ausbau erneuerbarenr Energien führen.

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

1. Einleitung

2. Bedeutung von Nachhaltigkeit unter dem Aspekt der Energieversorgung
2.1 Aufbau und Entwicklung des Primärenergieverbrauchs
2.2 Gesamtressourcen - Verfügbarkeit
2.3 Globaler Klimawandel - Treibhausgasemissionen

3. Biomasseverbrennung - thermochemische Umwandlung
3.1 Grundlagen der Biomasse
3.1.1 Besonderheiten und Vorteile bei der Nutzung von Biomasse
3.1.2 Möglichkeiten der Umwandlung von Biomasse
3.2 Verbrennungsanlagen - Stand der Technik
3.2.1 Handbeschickte Feuerungsanlagen
3.2.2 Automatisch beschickte Feuerungsanlagen
3.2.3 Großfeuerungsanlagen - Biomassekraftwerke
3.2.3.1 Nationale Biomassekraftwerke
3.2.3.2 Internationale Biomassekraftwerke - Europäische Union
3.3 Nationale Förderprogramme
3.4 Internationale Förderprogramme

4. Oxyfuel-Verbrennung von Kohle
4.1 Carbon Capture and Storage
4.2 Grundlagen der Oxyfuel-Verbrennung
4.2.1 Aufbau der Oxyfuel-Prozesskette - Vor- und Nachteile
4.3 Projekte der Oxyfuel-Verbrennung in Kohlekraftwerken - weltweit
4.3.1 Nationale Oxyfuel -Projekte
4.3.2 Internationale Oxyfuel-Projekte
4.4 CCS-Gesetz und nationale Förderprogramme
4.5 Internationale Förderprogramme, Projekte und Plattformen
4.6 Anwendungen des Oxyfuel-Verfahrens außerhalb der Kohleverbrennung

5. Zukünftige Potenziale ausgewählter Energieverfahren
5.1 Biomasseverbrennung
5.2 Oxyfuel-Verbrennung von Kohle
5.3 Oxyfuel- und Biomasse-Mitverbrennung als CÜ2-Senke
5.3.1 Technische Grundlagen der Biomasse-Mitverbrennung
5.3.2 Entwicklung der Biomasse-Mitverbrennung
5.3.3 Potenzial des Oxyfuel-Verfahren unter Einsatz von Kohle und Biomasse

6. Zusammenfassung

7. Literaturverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 2.1: Weltprimärenergieverbrauch Stand 2013

Abbildung 2.2: Energiebedingte CÜ2-Emissionen weltweit

Abbildung 2.3: Energiebedingte CO2-Emissionen von Deutschland

Abbildung 3.1: Struktur der vermiedenen Treibhausgas-Emissionen durch die Nut­zung erneuerbarer Energien in Deutschland 2013

Abbildung 3.2: Schematischer Aufbau typischer Bereitstellungsketten zur Nutz-, bzw. Endenergie aus Biomasse

Abbildung 3.3: Einsatzbereiche von Biomassefeuerungssysteme

Abbildung 3.4: Schnittbild durch einen Sturzbrandkessel

Abbildung 3.5: Schnittbild eines Pelletofens

Abbildung 3.6: Biomassekraftwerke in Deutschland Stand 2011

Abbildung 3.7: Biomasse(heiz)kraftwerke-Anlagenbestand und elektrische Leistung, Gesamtbestand an Pelletheizungen in Deutschland

Abbildung 3.8: Primärenergieproduktion, Elektrizität- und Wärmekonsum in der Eu­ropäische Union

Abbildung 3.9: Investitionen in die Anlagenerrichtung zur Nutzung erneuerbare Energien 2013

Abbildung 4.1 : Schematische Darstellung der Oxyfuel-Prozesskette

Abbildung 4.2: Oxyfuel-Projekte weltweit

Abbildung 4.3: Erprobungsphasen des Oxyfuel-Projektes Compostilla

Abbildung 4.4: Kurzüberblick des „White Rose - CCS-Projekts“

Abbildung 5.1: Globale Flächennutzung, Gesamtflächennutzung von Deutschland

Abbildung 5.2: Deutsche Wuchsleistungen von KUP sowie Holzpellet-Produktion und Verbrauch

Abbildung 5.3: Vergleich der Verbraucherpreise

Abbildung 5.4: Treibhauspotenzial der Systeme RKW NRW SK als Basissystem & mit Aminwäsche-Einsatz ohne BM und RKW NRW BK als Basis­system & mit Aminwäsche-Einsatz ohne BM

Abbildung 5.5: Schematische Darstellung zur Berechnung des Förderbedarfs der Mitverbrennung von zehn Prozent Holzpellets in Steinkohlekraft­werke, CO2-Vermeidungskosten verschiedener geförderter erneuer­barer Energien im Rahmen des EEG

Abbildung 5.6: Einwicklung des spezifischen Förderbedarfs bei einem Mitverbren­ nungsanteil von 10 % Pellets in Steinkohlekraftwerken unter Berück­sichtigung verschiedener Preisszenarien

Abbildung 5.7: Vergleich der Treibhauspotenziale der Basissysteme, der Systeme mit Aminwäsche ohne Biomasse-Mitverbrennung und der Systeme mit jeweils 10 % bzw. 25 % Holz- und Stroh-Zufeuerung, bezogen auf 1 kWhel im Kraftwerk erzeugten Strom

Abbildung 5.8: Vergleich kumulierter, nicht regenerativer Energieaufwand der Ba­ sissysteme, der Systeme mit Aminwäsche ohne Biomasse-Mitver­brennung und der Systeme mit jeweils 10 % bzw. 25 % Holz- und Stroh-Zufeuerung, bezogen auf 1 kWhel im Kraftwerk erzeugten Strom

Tabellenverzeichnis

Tabelle 2.1: Primärenergieverbrauchsanteile einiger ausgewählter Länder und An­gabe ihrer Einwohnerzahlen

Tabelle 2.2: Reserven und Ressourcen nicht-erneuerbarer Energierohstoffe

Tabelle 3.1: Anerkannte und nicht anerkannte Biomasse

Tabelle 3.2: Merkmale handbeschickter Holzfeuerungen

Tabelle 3.3: Bauarten handbeschickter Holzfeuerungen

Tabelle 3.4: Gegenüberstellung wichtiger Bauarten automatisch beschickter Feue­rungen

Tabelle 3.5: Übersicht von Biomassekraftwerke in Deutschland

Tabelle 3.6: Liste der größten Biomassekraftwerke in Europa

Tabelle 3.7: Auszug aus dem EEG zur Stromerzeugung von Biomasse

Tabelle 3.8: Beispielsberechnung der Förderhöhe eines Biomasseheizwerks

Tabelle 3.9: Regionale Förderprogramme Biomasse

Tabelle 3.10: Internationale Förderprogramme Biomasse

Tabelle 4.1: Vor-und Nachteile der Oxyfuel-Verbrennung von Kohle

Tabelle 4.2: Realisierung nachfolgender anlagentechnischer Besonderheiten der Oxyfuel-Forschungsanlage

Tabelle 4.3: Übersicht internationaler Oxyfuel-Projekte

Tabelle 4.4: Wesentliche Punkte des CCS-Gesetzentwurfes und des CCS-Gesetzes

Tabelle 4.5: Internationale Programme, Projekte und Plattformen über CCS

Tabelle 4.6: Allgemeine Vorteile beim Schmelzen von Glas und entwickelte Spezi­albrenner

Tabelle 5.1: Technische Biomassepotenzial nach Regionen

Tabelle 5.2: Technische Potenziale, Biomassenutzung, fossiler Primärenergiever­ brauch und Wasserkraftnutzung sowie die entsprechenden Anteile in der EU nach Regionen

Tabelle 5.3 : Treibhauspotenziale der Basissysteme und der Systeme mit CCS, be­zogen auf 1 kWhel im Kraftwerk erzeugten Strom

Tabelle 5.4: Kumulierter, nicht regenerativer Energieaufwand der Basissysteme und der Systeme mit CCS, bezogen auf 1 kWhel im Kraftwerk erzeug­ten Strom

Tabelle 5.5: Vor- und Nachteile der Biomasse-Mitverbrennung

Tabelle 5.6: Übersicht drei verschiedener Potenziale in der Untersuchung „Poten­tial for Biomass and Carbon Dioxide Capture and Storage“

Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1. Einleitung

Erwähnt man heutzutage das Thema Klimaschutz im Bereich der Energieversorgung, lassen sich heiß diskutierte Debatten führen. Seit dem Beschluss der Energiewende nimmt der Anteil erneuerbarer Energien zu, wodurch mit Deutschlands ambitionierter Klimaschutzpolitik ein wichtiger Schritt bei der Reduktion von Treibhausgasemissionen gesetzt wird. Allerdings spie­gelt der Primärenergieverbrauch eine derzeitig andere Situation wieder, der sich zum größten Teil aus den fossilen Energieträgern Mineralöl, Erdgas und Kohle zusammensetzt [BWEa14]. Somit entstehen durch die Energieversorgung große Mengen an Treibhausgasemissionen, wes­halb hier Einsparungspotenziale vorliegen. Zu diesem Thema setzt die deutsche Klimaschutz­politik Maßnahmen ein, die zur Effizienzsteigerung von Strombereitstellungstechnologien, Energieeinsparungen und dem Ausbau erneuerbaren Energien führen [Erd07]. Insbesondere der Ausbau stellt hohe Herausforderungen an die Weiterentwicklung der erneuerbaren Energien und ihrer Integration in das deutsche Stromnetz. Aufgrund dieser Tatsache können Technolo­gien zur CO2-Abtrennung und Speicherung als eine sogenannte Brückentechnologie fungieren. Laut einer Prognose der International Energy Agency wird der Kohleverbrauch in den kom­menden Jahren weiter zunehmen. Dieser Anstieg setzt für die Zukunft einen nachhaltigen Um­gang mit Kohle unter den Aspekten der Ressourcen- und Klimaverträglichkeit voraus [IEA12].

Der Einsatz von Biomasse enthält die Forschungsfrage, in welchem Umfang Biomasse derzei­tig zur Verfügung gestellt und genutzt wird sowie welche Entwicklungsmöglichkeiten bei der Biomasseverbrennung existieren. Nach Berechnungen ist eine Verdopplung des Bioenergiean­teils in Deutschland bis 2020 theoretisch realisierbar. Jedoch muss berücksichtigt werden, dass die begrenzte Verfügbarkeit von Biomasse hinsichtlich ihres unterschiedlichen Wachstumspro­zesses die Kapazitäten für die Energieerzeugung und den Biomasseimport beeinflussen.

Auch angesichts der Debatten über sogenannte „Zero-Emissions-Kraftwerke“, bei denen Koh­lekraftwerke ohne direkte CO2-Emissionen betrieben werden, gehen die Meinungen vieler aus­einander. Mit Einsatz von Carbon Capture and Storage besteht die Möglichkeit einer Reduzie­rung der Treibausgasemissionen. Diese Problematik wurde bereits in einigen Untersuchungen [KKF+08, OdCo08, Fis07, Vie10, SZK09, Tro12] erörtert. Aus den Ergebnissen sind die Fra­gestellungen nach der Effizienz und Umweltverträglichkeit ausschlaggebende Kriterien für die Abschätzung der CCS-Technologien. Dementsprechend liegt die Aufgabe der Forschung und Entwicklung in der Verbesserung des Gesamtkonzeptes von CCS, um höhere Wirkungsgrade und Abscheidungsraten zu erzielen.

Zu dieser Problematik beschäftigt sich die Arbeit mit den Aspekten der Ressourcen- und Kli­maverträglichkeit, um eine nachhaltige Energieversorgung mit den gleichrangigen Zielen der Wirtschafts-, Umwelt- und der Sozialverträglichkeit gerecht zu werden, sodass die Betrachtun­gen bei der Biomasse- und Oxyfuel-Verbrennung liegen. Darauf basierend lässt sich das Ziel der Bachelorarbeit, die Frage nach der Kombinationsmöglichkeit und dem Potenzial bezüglich der Oxyfuel-Verbrennung von Kohle unter Einsatz von Biomasse als CO2-Senke, bewerten.

Kapitel 2 thematisiert zunächst den Begriff Nachhaltigkeit und seine Bedeutung unter dem As­pekt der Energieversorgung. Hierzu werden zwei einleitende Zitate von Hannß Carl Edler von Carlowitz aufgeführt, dem Gründer des Prinzips der Nachhaltigkeit, um den häufig verwende­ten Begriff in seiner Entstehung zu beschreiben. Betrachtet werden der Aufbau und die Ent­wicklung des Primärenergieverbrauchs, die Verfügbarkeit der weltweiten Gesamtressourcen sowie der globale Klimawandel bzw. der Ausstoß von Treibhausgasemissionen.

Das Kapitel 3 befasst sich mit der Biomasseverbrennung. Um einen detaillierten Überblick zu erhalten, werden zuerst die Grundlagen der Biomasse erörtert, speziell die Besonderheiten und Vorteile ihrer Nutzung. Des Weiteren liegen Schwerpunkte bei den Verbrennungsanlagen, ihrer einzelnen Eigenschaften und bei den nationalen und internationalen Förderprogrammen.

Kapitel 4 führt zunächst die Grundlagen für die weitere Betrachtung der Oxyfuel-Technologie auf. Hierzu wird kurz die CCS-Technologie mit ihren verschiedenen Abscheidungspfaden er­läutert, um anschließend auf das Oxyfuel-Verfahren näher einzugehen. Neben den Vor- und Nachteilen und der Oxyfuelprozesskette sind im Anschluss weltweite Oxyfuel-Projekte in Koh­lekraftwerken, nationale als auch internationale Förderprogramme und Oxyfuel-Anwendungen außerhalb von Kohlekraftwerken aufgeführt.

Aus den Ergebnissen der getrennt analysierten Themen werden im Rahmen einer Beurteilung im Kapitel 5, die Biomasseverbrennung und Oxyfuel-Verbrennung von Kohle im Einzelnen auf ihr Potenzial abgeschätzt. Anknüpfend an die Beurteilungen sind die technischen Grundlagen der Biomasse-Mitverbrennung, ihr derzeitiger Stand der Technik und ihre Entwicklung aufge­führt. Darauf basierend lässt sich ein Vergleich der Kombinationsmöglichkeit beider Verfahren miteinander aufstellen, um so das Ziel und Potenzial eines „Zero-Emission-Kraftwerks“ als CO2-Senke zu bewerten.

Kapitel 6 fasst die Ergebnisse der Biomasse- und Oxyfuel-Verbrennung von Kohle zusammen. Anschließend werden die zukünftigen Entwicklungen der beiden ausgewählten nachhaltigen Energieverfahren in einem kurzen Fazit und Ausblick wiedergegeben.

2. Bedeutung von Nachhaltigkeit unter dem Aspekt der Energie­versorgung

Der Begriff „Nachhaltigkeit“ nimmt in der heutigen Welt eine große Rolle im Leben des Men­schen ein. Schon früher wurde der Ausdruck „nachhaltend“ erstmalig von Hannß Carl Edler von Carlowitz im Jahre 1713 erwähnt. In seinem Buch „Sylvicultura oeconomica - Anweisung zur wilden Baum-Zucht“ beschrieb er zur Forstwirtschaft den Gedanken der Nachhaltigkeit, indem er Bezug auf die Rodung von Wäldern nahm. Das prognostizierte Problem des Holz­mangels in Europa löste er mit der These, man dürfe nicht mehr Holz entnehmen als am Stand­ort nachwächst, wodurch die Nachhaltigkeitsidee in der Geschichte der Menschheit entstanden ist. In seinem Buch plädiert er für eine ganze Reihe von Maßnahmen und beschreibt den Stel­lenwert sowie den Mangel von Holz als unentbehrlicher Rohstofflieferant mit folgenden Satz:

„Hieraus ist leicht zu schliessen / daß die Gehöltze der größte/ ja der unerschöpftliche Schatz unsers Landes sind“ und „deßwegen sollen wir unsere oeconomie also und dahin einrichten / daß wir keinen Mangel daran leiden / und wo es abgetrieben ist / dahin trachten /wie an dessen Stelle junges wieder wachsen möge.“ (S. 98 [Car00])

Carlowitz entwickelte aus seinen Überlegungen zur Holzzucht das Prinzip der „Nachhaltig­keit“, welches noch heute in der Politik und Wirtschaft oft zitiert wird und wie folgt lautet:

„ Wird derhalben die größte Kunst /Wissenschaft/Fleiß und Einrichtung hiesiger Lande darin­nen beruhen / wie eine sothane Conservation und Anbau des Holtzes anzustellen / daß es eine continuierliche beständige und nachhaltende Nutzung gebe / weiln es eine unentberliche Sache ist / ohne welche das Land in seinem Esse nicht bleiben mag. “ (S. 105 [Car00])

Als Erkenntnis der begrenzten Verfügbarkeit von Holz als Ressource setzt Carlowitz einen wichtigen Schritt für die Menschen in ihrer Lebens- und Wirtschaftsweise. Schon in klaren Zügen wird das Dreieck der Nachhaltigkeit beschrieben, das sich in drei Hauptsäulen einteilen lässt. Zu den Dimensionen gehören die Ökonomie, Ökologie und Soziales, die bis heute das Leben der Menschen beeinflussen [LdN14]. Doch wie sehen die Prognosen des weltweiten Verbrauchs an Energieträgern aus? Wie steht es um die weltweiten Gesamtressourcen und wel­che Folgen treten durch die Verbrennung fossiler Energieträger in Bezug auf die Umwelt auf? Durch den Klimawandel und dem Verlust an Biodiversität im Zuge der stark sinkenden Ver­fügbarkeit der Gesamtressourcen von fossilen Energieträgern nimmt die Nachhaltigkeitsfrage anderer Energieträger immer mehr zu.

Demnach liegt der Schwerpunkt in den Untersuchungen der erneuerbaren Energien auf die Problematik der Nachhaltigkeitsfrage. Hierzu muss die Möglichkeit existieren, nachhaltige Energie in Form von Strom oder Wärme zu produzieren sowie den schonenden Umgang mit der Umwelt durch einen geringeren Ausstoß von Treibhausgasemissionen zu gewährleisten.

Bei den Betrachtungen angesichts der Nachfrage nach erneuerbaren Energien, die tendenziell in den nächsten Jahren durch die beschlossene Energiewende weiter zunehmen wird, ist ein zentraler Punkt die Biomasseverbrennung [Qua13]. Durch die steigende Signifikanz der Bio­masse in Bezug auf den Primärenergieverbrauch in Deutschland nimmt sie mehr als die Hälfte (58 %) der gesamten Energiebereitstellung von erneuerbaren Energien ein. Bedingt durch ihre vielseitige Verwendung zur Bereitstellung von Strom, Wärme und Mobilität machen sie zu ei­nem ertragreicheren Energieträger im Vergleich zu anderen, wie z.B. der Wind- oder Solar­energie. Unter diesen Aspekten nimmt die Biomasse, insbesondere die Biomasseverbrennung einen wichtigen Platz im Bereich der nachhaltigen Energieverfahren ein. Dennoch besteht noch nicht die Möglichkeit, den Primärenergieverbrauch allein über die erneuerbaren Energien im Augenblick sowie in den kommenden Jahren zu decken [BWEa2014].

Aufgrund dieser Tatsache werden die fossilen Rohstoffe im Leben der Menschen eine Rolle spielen, wodurch weitere nachhaltige Technologien zur Effizienzsteigerung und der CO2-Re- duktion entwickelt werden müssen (CCS). Jedoch lässt sich eine Aussage aus der begrenzten Verfügbarkeit der Gesamtressourcen treffen, dass Kohle unter den drei Fossilenergieträgern die größte Rolle im Leben des Menschen einnehmen wird. Sie besitzt das Potenzial, den weltweit aufkommenden Strombedarf in den nächsten Jahren zu befriedigen [IEA12].

2.1 Aufbau und Entwicklung des Primärenergieverbrauchs

Um einen kurzen Überblick des weltweiten Primärenergieverbrauchs zu erhalten, veranschau­licht Abbildung 2.1 die einzelnen Energieträgeranteile im Jahr 2013. Man erkennt den tempo­rären Stellenwert fossiler Rohstoffe, die sich zu 33 % aus Erdöl, 30 % aus Kohle sowie 24 % aus Erdgas zusammensetzen (insgesamt 87 %). Im Vergleich dazu beträgt der gesamte erneu­erbare Energieanteil 2 % [BPS14].

Mögliche Gründe für das Abschneiden sind die höheren Preise bzw. die finanziellen Mittel, die nicht vorhandenen technischen Kompetenzen sowie die nicht disponiblen Umweltbedingungen für die Energieerzeugung [Qua13].

12.730 Million TOE

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Neben dem primären Aufbau des Energieverbrauchs muss der steigende Bedarf nach Energie berücksichtigt werden, den QUASCHING in seinem Buch „Regenerative Systeme“ folgender­maßen beschreibt:

„Der Energiebedarf der Welt wird in den nächsten Jahren weiterhin stark zunehmen. Während der Energieverbrauch der Industrieländer langsamer wächst, gibt es in vielen Schwellenlän­dern mit hohen Wirtschaftswachstum einen großen Nachholbedarf. “ (S. 19 [Qua13])

Dieser Nachholbedarf wird in der Tabelle 2.1 belegt. Im Zuge der Ungleichmäßigkeit kommt es in naher Zukunft zu einem rasanten Anstieg des Energiebedarfs, der sich in den Zahlen der ausgewählten Länder niederschlägt. Hoch industrialisierte Länder nehmen den Großteil des Energiebedarfs in Anspruch, wohingegen verbrauchsschwache Länder, wie z.B. Indien, Indo­nesien, Bangladesch und Pakistan eine sogenannte „Energiearmut“ aufweisen. Aufgrund ihrer hohen Einwohnerzahlen (rund 50 % der Weltbevölkerung) und der geringen Nutzung von Ener­gien (insgesamt 25 %) leiden viele Menschen bis heute noch unter diesen Umständen. Jedoch verändern sich die Bedingungen in den ärmeren Ländern, wodurch der Nachholbedarf nach Energien weiter zunehmen wird. Hierbei liegt die Aufgabe in dem Ausbau erneuerbare Ener­gien im Zusammenhang mit der nachhaltigen Ressourcennutzung. Ein positives Beispiel zeigt die Entwicklung der Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien in Deutschland, die sich in den letzten 20 Jahren mehr als verfünffacht hat. Setzt sich dieser Trend fort, so sind im Jahre 2040 laut QUASCHING Anteile von 90 bis 100 % realisierbar [Qua13].

Tabelle 2.1: Primärenergieverbrauchsanteile einiger Länder, S.40 [BPS14] und Angabe ihrer Einwohnerzahlen [Sta13]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Es zeigt sich in der Entwicklung, dass neben dem Ausbau regenerativen Energien (speziell die Biomasseverbrennung), die Bedeutung der Kohle zunehmen wird, trotz gleichzeitig steigender Knappheit fossiler Rohstoffe. Laut der International Energy Agency heißt es: „Die Hälfte der neuen Kapazitäten beruht auf erneuerbarer Energien, Kohle bleibt jedoch der weltweit füh­rende Energieträger in der Stromerzeugung. “ (S. 7 [IEA12]) Um einen detaillierten Überblick über den derzeitigen Stand der weltweiten Gesamtressourcen zu erhalten, thematisiert der nächste Abschnitt das zentrale Thema der Verfügbarkeit fossiler Energieträger.

2.2 Gesamtressourcen - Verfügbarkeit

Konventionelle Energieträger sind in ihrer Verfügbarkeit begrenzt. In der Evolution der Menschheit sind große Mengen an fossilen Rohstoffen verbraucht worden, ohne die Nachhal­tigkeitsidee bezüglich ihres Handels kritisch zu hinterfragen. In der Tabelle 2.2 wird dazu ver­deutlicht, welche Zahlen an Reserven und Ressourcen im Jahr 2013 vorlagen. Derzeitig beträgt das wirtschaftlich gewinnbare Potenzial fossiler Rohstoffe ca. 38.826 EJ abzüglich des Primär­energieverbrauchs im Jahr 2014.

Tabelle 2.2: Reserven und Ressourcen nicht-erneuerbarer Energierohstoffe, S. 16 [And13]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Aus der Tabelle 2.2 geht hervor, dass die weltweiten fossilen Gesamtressourcen eine nicht iden­tifizierte Kapazität von ca. 524.378 EJ aufweisen. Hierzu besitzt die Kohlenreserve, die längste statische Reichweite verglichen mit den anderen fossilen Rohstoffen. Jedoch müssen bei der Beurteilung verschiedene Bestimmungsfaktoren in die Berechnungen mit einbezogen werden.

Zu den Faktoren gehören z.B. die Entwicklungen der Weltbevölkerung, Weltwirtschaft, tech­nische Erschließung neuer Energiequellen, politische Verfügbarkeit einzelner Energieträger so­wie die technische Effizienz der Energienutzung. In Bezug auf den globalen Klimawandel spielt die Energienutzung die entscheidendste Rolle unter dem Aspekt der Nachhaltigkeit. Jedoch zeigen die weltweiten Entwicklungen des CO2-Ausstoßes und der stetige Temperaturanstieg einen negativen Trend bezüglich der Minderung des globalen Klimawandels. Diese Problema­tik wird im nächsten Abschnitt aufgegriffen [And13].

2.3 Globaler Klimawandel - Treibhausgasemissionen

Abschließend zum Begriff Nachhaltigkeit ist das oft diskutierte Thema des globalen Klima­wandels in Verbindung mit dem Treibhausgaseffekt anzusprechen. Die Folgen zeigen deutlich, dass nachdrücklich Möglichkeiten aufgezeigt werden müssen, die zur Minderung des CO2-Aus- stoßes führen. Aus dem aktuellen Bericht des IPCC lässt der Klimawandel keinen Teil der Erde unberührt, ohne schnelles Handeln der Klimaschutzpolitik. Auch jetzt schon sind Folgen in den Ökosystemen aller Kontinente und Ozeane, aber auch in der Gesellschaft und Wirtschaft zu erkennen [IPCC14]. Hinsichtlich der weltweiten CO2-Emissionen ist in der Abbildung 2.2 ein kontinuierlicher Anstieg zu erkennen. Es geht aus den Energiedaten des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie hervor, dass noch im Jahr 1991, 22,8 Mrd. t an Kohlendioxid in die Atmosphäre ausgestoßen wurden. Im Vergleich zum Jahr 2012 lag die Zahl schon bei 35,4 Mrd. t an Kohlendioxid, das einem Zuwachs von mehr als 50 % in den letzten 22 Jahren entspricht.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.2: Energiebedingte CÜ2-Emissionen weltweit, S. 26 [BWEa14]

Um nachhaltig dem zukünftigen Klimawandel aus dem Weg zu gehen, müssen Maßnahmen ergriffen werden, die vor allem in der Energieeinsparung, Steigerung der Energieeffizienz und im Übergang von den fossilen zu den erneuerbaren Energien liegen. Laut Berechnungen der IPCC darf der Temperaturanstieg bis zum Ende des 21. Jahrhunderts die 2-Grad Obergrenze nicht überschreiten, um das Gefährdungsrisiko der Ökosysteme nicht zu erhöhen [IPCC14]. Die USA und China haben sich für eine Zusammenarbeit bei den erneuerbaren Energien aus­gesprochen. Insbesondere die USA verfolgt das ehrgeizige Ziel bis zum Jahr 2025 den Ausstoß von Treibhausgasemissionen um 26-28 % im Vergleich zum Jahr 2005 zu reduzieren, womit sie ihren bisherigen Plan von 17 % bis zum Jahr 2020 hinauszögern. Im Gegensatz dazu setzt Peking auf den Bau von weiteren Kohlekraftwerken mit einem CO2-Höchststand im Jahr 2030. Darüber hinaus möchten sie ihren erneuerbaren Energieanteil auf etwa 20 % erhöhen.

Auch seit Inkraftsetzung der EG-Richtlinie 2009 und der neuen Klimaziele 2014 haben sich die EU-Mitgliedsstaaten verpflichtet, ihren erneuerbaren Energieanteil am Bruttoendenergiebedarf auf 20 % zu steigern und den CO2-Ausstoß um 40 % zu verringern [Han14, EU09]. Aus der Studie „Treibhausgasneutrales Deutschland - 2050“ des Umweltbundesamtes wird laut den Berechnungen der Treibhausgasemissionen die Möglichkeit einer Treibhausgasneutralität bis ins Jahr 2050 verdeutlicht. Es besteht die Chance, sukzessive den Anteil um 80-95 % zu redu­zieren [UMUb13]. Aus diesem Grund verzeichnet die Kurve in der Abbildung 2.3 für die ener­giebedingten CO2-Emissionen in Deutschland einen rückläufigen Verlauf bis ins Jahr 2012 [BWEa14]. Dennoch nimmt dieser positive Trend der CO2-Emissionen seit dem Beschluss des Ausstieges der Kernenergie und dem daraus resultierenden Anstieg der Braunkohle im ungefähr gleichen Verhältnis wieder ab. Seit dem Jahr 2013 führt dementsprechend die Nutzung der Braunkohlekraftwerke zum Zuwachs der Treibhausgasemissionen in Deutschland [nTV14].

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.3: Energiebedingte CO2-Emissionen von Deutschland, S. 24 [BWEa14]

Um die Bedeutung des Begriffs „Nachhaltigkeit“ unter dem Aspekt der Energieversorgung ab­schließen zu können, stellten Sonderbotschafter Kandeh Yumkellah, sowie Ban Ki-moon Ge­neralsekretär der Vereinten Nationen folgende Zitate auf: „Energie ist der goldene Faden, der Wirtschaftswachstum, erhöhte soziale Gerechtigkeit und eine Umwelt verbindet, die es der Welt ermöglicht zu gedeihen. Entwicklung ist ohne Energie nicht möglich und nachhaltige Entwick­lung ist ohne nachhaltige Energie nicht möglich... Nachhaltige Energie für alle ist nicht nur möglich, sondern notwendig. Wie ein roter Faden verbindet sie Entwicklung, soziale Inklusion und Umweltschutz.“ (S. 7-9 [BMZ14])

Schließich kann die Aufgabe des globalen Klimawandels nur bewerkstelligt werden, wenn alle Maßnahmen nach ökologischen, ökonomischen und gesellschaftlichen Sichtweisen erfolgen, denn nur gemeinsam können der nachhaltige Klimaschutz, die Bereitstellung von Energie in den ärmerem Ländern und der globale Wechsel zu den erneuerbaren Energien gelingen.

3. Biomasseverbrennung - thermochemische Umwandlung

Die Biomasseverbrennung beinhaltet die älteste und hoch entwickelteste Technologie seit Men­schenleben. Seit der Entdeckung des Feuers nutzt der Mensch die Energie aus Holz, was sich in den Verbrauchszahlen niederschlägt. Erst durch den Einsatz von fossilen Brennstoffen ist die Nutzung von Biomasse erstmals in der Geschichte der Menschheit zurückgegangen, die sich jedoch durch den Preisanstieg des Öls wieder erholen konnte.

Im Jahre 1774 definierte der französische Chemiker Antoine Lavoisier eine Verbrennung als eine chemische Reaktion eines Stoffes mit Sauerstoff und bezeichnete das in der Oxidation entstehende Produkt als Oxid. Es lässt sich zwischen zwei verschiedene Verbrennungsarten differenzieren, nämlich die langsame und schnelle Verbrennung. Bei der Biomasseverbrennung findet nur der schnelle Verbrennungsprozess von fester Biomasse statt [Bug74].

Laut NUSSBAUER und HARTMANN aus dem Buch „Energie aus Biomasse“ hat die Bio­masseverbrennung folgende Bedeutung: „Für biogene Festbrennstoffe hat die direkte Verbren­nung in Feuerungen bis heute die weitaus größte Bedeutung unter den Energiewandlungspro­zessen und -verfahren. “(S.46 [KHH09])

Das Ziel ist somit die Bereitstellung von Strom und Wärme als Sekundärenergie, Nutzenergie oder als Endenergie für den Verbraucher. Dennoch ist zu erwähnen, dass die Verbrennung eine erhebliche An- und Herausforderung im Hinblick auf die Entwicklung neuer Verbrennungs­techniken stellt. Bei den neu entwickelten Feuerungs- und Regelungstechnologien stehen die Wirkungsgrade sowie der Ausstoß von CO2-Emissionen bezüglich bestehender und neuer Bio­masseverbrennungsanlagen im Vordergrund.

3.1 Grundlagen der Biomasse

Kapitel 3.1 gibt einen allgemeinen Überblick wieder, der sich mit den Grundlagen der Biomasse beschäftigt. Übergehend von der Definition der Biomasse, den Besonderheiten, Vorteilen, Um­wandlungsmöglichkeiten bis hin zu den Teilprozessen der Verbrennung.

In dem Buch „Energie aus Biomasse“ definiert KALTSCHMITT [KHH09] den Begriff Bio­masse folgendermaßen:

„Unter dem Begriff Biomasse werden sämtliche Stoffe organischer Herkunft (d.h. kohlenstoff­haltiger Materie) verstanden.

Biomasse beinhaltet damit

- die in der Natur lebende Phyto- und Zoomasse (z.B. Bäume und Gräser)
- die daraus resultierenden Rückstände (z.B. tierische Extremente)
- abgestorbene Phyto- und Zoomasse (z.B. Stroh)
- im weiteren Sinne alle Stoffe, die bspw. durch eine technische Umwandlung und/oder eine stoffliche Nutzung entstanden sind bzw. anfallen (z.B. Schwarzlauge, Papier, Zell­stoff, Schlachthofabfälle, organische Hausmüllfraktionen, Pflanzenöl, Alkohol). “ (S. 2 [KHH09])

In Bezug zur Definition gehören nach der Biomasseverordnung der Bundesrepublik Deutsch­land zur Bereitstellung von Strom, folgende Produkte zur anerkannten und nicht anerkannten Biomasse: Tabelle 3.1 veranschaulicht die § 2 und § 3 der Biomasseverordnung.

Tabelle 3.1: Anerkannte und nicht anerkannte Biomasse [Vüd14]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Anerkannte Biomasse §2 Nicht als Biomasse anerkannte Stoffe §3

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Zusätzlich besteht die Möglichkeit, den Begriff der Biomasse auf eine andere Art und Weise zu differenzieren. Hierbei liegt der Schwerpunkt in der Beschreibung zweier Energieformen. Die erste Energieform entspricht der Primärenergie, bei der man die direkte photosynthetische Ausnutzung der Sonnenenergie versteht. Dazu zählen die land- und forstwirtschaftlichen Pro­dukte aus dem Energiepflanzenanbau oder pflanzliche Abfallprodukte aus der Landwirtschaft, Forstwirtschaft und der Industrie. Als zweite Möglichkeit lässt sich die Biomasse in der Ener­gieform der Sekundärenergie beschreiben. Hierunter fallen nur Produkte, die ihre Energie indi­rekt von der Sonne beziehen, sprich durch den Ab- und Umbau von organischen Substanzen höherer Organismen [KHH09].

3.1.1 Besonderheiten und Vorteile bei der Nutzung von Biomasse

Beginnt man mit der Charakterisierung von Biomasse, ist der entscheidendste Punkt die Vielfalt ihrer erzeugten Produkte. Es lassen sich aus der Umwandlung von Biomasse gasförmige, flüs­sige und feste Brennstoffe sowie Strom und Wärme gewinnen. Als Naturprodukt bietet sie den Vorteil für Umwelt und Natur, da lediglich die Menge an CO2 frei gesetzt wird, die sie während ihres natürlichen Wachstumsprozesses (Photosynthese) aus der Atmosphäre aufnimmt. Hierbei muss berücksichtigt werden, dass die Entnahme der Biomasse aus der Umwelt im Gleichge­wicht mit dem natürlichen Wachsprozess geschieht. Das gebildete Gleichgewicht durch die Bi­omasse verkörpert den Gedanken der nachhaltigen Nutzung erneuerbarer Energien.

Unter der Betrachtung des globalen Klimawandels durch die Ausstoßung von Treibhausgasen liegt ein Schwerpunkt demzufolge in der Kohlenstoffdioxideinsparung. Allein durch die Nut­zung erneuerbare Energien war es im Jahr 2013 möglich, eine Gesamtmasse von 147,9 Mio. t an CO2-Äquivalenten in Deutschland einzusparen. Speziell bei der Betrachtung der Ergebnisse sticht der Anteil der Biomasse mit 40,2 % aus der Abbildung 3.1 hervor. Um die Signifikanz der Biomasse zu unterstreichen, steht die Summe des eingesparten CO2-Anteils von der Wind­energie und Wasserkraft in ca. gleichem Verhältnis zum Biomasseanteil.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3.1: Struktur der vermiedenen Treibhausgas-Emissionen durch die Nutzung erneuerbarer Energien in Deutschland 2013, S. 36 [BWEb14]

Zu diesem Punkt trifft die Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.V. zur Bioenergie folgende Aussage: „Es wird deutlich, dass durch die Nutzung von biogenen im Vergleich zu fossilen Energieträgern bei der Wärme- und Stromerzeugung als auch bei der Kraftstoffherstellung Treibhausgasemissionen deutlich vermindert werden können. “ (S. 31 [FNRa14])

Um dieses Zitat zu belegen, wird der Kohlenstoffdioxidausstoß von fossilen Energieträgern mit dem CO2-Ausstoß der Biomasse verglichen. Holzpellets weisen ein CO2-Äquivalent von 0,027 CO2 pro erzeugter kWh auf. Im Vergleich dazu besitzen die fossilen Energieträger Heizöl und Erdgas einen Wert von 0,319 bzw. 0,247 CO2-Äquivalent pro erzeugter kWh. Dieses ent­spricht ca. einen Faktor von 12 bei Heizöl und 9 bei Erdgas, wodurch die Kohlenstoffdioxidei­nsparung durch die Verbrennung von Biomasse verdeutlicht wird [KEA14].

Ein anderer entscheidender Aspekt ist die Speichereigenschaft von Biomasse. Die beiden we­sentlichen Unterscheidungsmerkmale liegen in der Änderung sowie in der Lagerung vor Ort verglichen mit der Windenergie, Photovoltaik oder der Solarthermie. Auch angesichts der schwankenden Energieverbräuche, die in den täglichen und jährlichen Schwankungen der Kraftwerksganglinien zu erkennen sind, kann der zeitliche Aspekt durch den Einsatz von Bio­masse gedeckt werden. Das Ergebnis ist der flexible Ausgleich von geringeren Verfügbarkeiten erneuerbarer Energien, wodurch eine Abhängigkeit zwischen der Biomasse und den anderen Energieträgern anlässlich der Energiewende entsteht [BMBM10].

3.1.2 Möglichkeiten der Umwandlung von Biomasse

Im Hinblick auf das Ziel, die Endenergienachfrage decken zu können, liegt ein Schwerpunkt in der Schilderung der Bereitstellungskette von Biomasse. Dazu verdeutlicht die Abbildung 3.2 den schematischen Aufbau einzelner Bereitstellungsketten. Hierzu zählen die Umwandlungs­möglichkeiten zu den entscheidendsten Punkten bei der Betrachtung von Biomasse. Neben der physikalischen und biochemischen Möglichkeit Biomasse umzuwandeln, liegt der Schwer­punkt der Arbeit allein in der Betrachtung des thermochemischen Umwandlungverfahrens. Für mehr Informationen der beiden anderen Methoden wird auf die Literatur [KHH09] verwiesen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Sie laufen zeitlich versetzt auf verschiedenen Temperaturniveaus ab und sind zudem durch ei­nen unterschiedlichen Sauerstoffbedarf gekennzeichnet. Im realen Prozess hingegen findet die Verbrennung meistens simultan statt, dennoch symbolisieren die Teilprozesse Aufhei­zung/Trocknung, Pyrolyse und Vergasung nur die Anfangsphase und beeinflussen somit den gesamt Verbrennungsvorgang. Als erstes beginnt die Biomasseverbrennung mit dem Prozess der Aufheizung und Trocknung. Bis zu einer Temperatur von etwa 200 °C wird das vorliegende ungebundene und zellgebundene Wasser aus den Holzzellen ausgetrieben. Ab einer Temperatur von ca. 100 °C und einer vollständigen Verdampfung des ungebundenen Wassers in den Holz­zellen nimmt die Temperatur des Holzes weiter zu. Die Folge ist eine vollständige Verdamp­fung chemisch-physikalische Substanzen. Um eine vollständige Verdampfung des Wassers zu erreichen, muss Energie dem Prozess hinzugefügt werden. Aus diesem Grund ist die aufzubrin­gende Energie vom Wassergehalt der Biomasse abhängig und spielt eine große Rolle während des Verbrennungsprozesses.

Im nächsten Teilprozess handelt es sich um die Pyrolyse, worunter eine Zersetzung des Fest­brennstoffes zu verstehen ist. Sie beginnt ab einer Temperatur von 160 °C. Im Brennvorgang nehmen die thermischen Abbaureaktionen mit steigender Temperatur zu und halten bis ca. 600 °C an. Charakterisiert wird der Vorgang durch die Luftüberschusszahl λ= 0 und den Pro­dukten Pyrolysekohle, Pyrolyseöl und Pyrolysegas. Alle entstehenden Produkte können einzeln genutzt werden, wie z.B. Holzkohle zur Bereitstellung von Wärme, Pyrolyseöl zur Aufberei­tung von Bioethanol oder Pyrolysegas als Ausgangsstoff für die weitere Synthese zu Methanol.

Der dritte Teilprozess beinhaltet die Vergasung, die einen Zwischenschritt zur vollständigen Verbrennung darstellt. Sie zeichnet sich durch eine nicht vollständige Oxidation vom Kohlen­stoff zu Kohlendioxid unter Zufuhr von Sauerstoff aus. Somit entsteht neben dem Kohlenstoff­dioxid eine geringe Menge an Kohlenmonoxid. Die Luftüberschusszahl liegt zwischen 0 < λ < 1 bei einem Temperaturintervall von 800-1100 °C. Die Absicht hinter dem Teilprozess der Ver­gasung ist das Erreichen eines hohen Gasertrages, dass z.B. bei der Nutzung von Verbrennungs­motoren oder Gasturbinen eingesetzt wird.

Abschließend werden im vierten Prozess der Oxidation, die einzelnen Teilprozessprodukte durch Zufuhr von Sauerstoff vollständig verbrannt. Somit beschreibt die vollständige Verbren­nung, die Reaktion des Kohlen- und Wasserstoffes mit Sauerstoff unter der Bedingung, einen Luftüberschuss bei der Verbrennung zu erreichen (Luftüberschusszahl von λ ≥ 1). Nach dem Verbrennungsprozess bleibt als Rückstand Asche übrig. Das entsprechende Temperaturinter­vall liegt zwischen 700 - 1400 °C [WSL+13, KHH09].

3.2 Verbrennungsanlagen - Stand der Technik

Die Verbrennung von biogenen Festbrennstoffen besitzt den größten Stellenwert unter den Energieumwandlungsprozessen. Sie wird zur Produktion von Wärme eingesetzt, die als Sekun­därenergie zur weiteren elektrischen Energieerzeugung oder als Endenergie in Form von Fern­wärme oder Abgabe von Wärmestrahlung genutzt werden kann. Biogene Festbrennstoffe be­sitzen einen hohen Wassergehalt im Vergleich zu den fossilen Brennstoffen. Sie weisen einen geringen Energiegehalt aufweisen. Aufgrund des hohen Wassergehalts werden sie heute über­wiegend in dezentralen Verbrennungsanlagen eingesetzt, sprich verbrauchsnah in Wohngebie­ten oder Industrieanlagen, wodurch geringere Transportkosten anfallen. Zusätzlich besteht die Möglichkeit, die erzeugte Wärme durch KWK-Anlagen energieeffizient zu nutzen. Die Band­breite reicht von kleinen Feuerungsanlagen zur Wärmeabgabe in Privathaushalten bis hin zu Großanlagen in Kraftwerken für die Stromerzeugung.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3.3: Einsatzbereiche von Biomasse-feuerungssysteme, S. 480

Zu diesem Thema verdeutlicht Abbildung 3.3 die Einsatzbereiche und Leistungsspanne von Bio­massefeuerungssystemen. Im Rah­men der Kleinanlagen (wenige kW bis ca. 100 kW) nehmen private Holzfeuerungsanlagen unter allei­nigem Einsatz von Biomasse, zu denen Kamine, Kaminofenein-

auf dem Verbrauchermarkt ein. Im gewerblichen Bereich (ca. 100 kW bis 400 kW) kommen Warmluftöfen, Schacht-, Einblas-, Vorofen-, und Unterschubfeuerungen, mit dem Ziel Wärme und Strom (KWK) zu produzieren, zum Einsatz. Mit der gleichen Absicht werden bei den An­lagen in den Sektoren Industrie und Energie (ca. 0,5 MW bis > 100MW) Wirbelschicht-, Vor­schubrost-, Einblasfeuerungen eingesetzt. In allen Bereichen müssen Feuerung und Brennstoff für einen emissionsarmen Ausstoß aufeinander abgestimmt sein, um so möglichst eine vollstän­dige Verbrennung zu erreichen. Insbesondere die Biomasse(heiz)kraftwerke stehen im Vorder­grund der Betrachtungen. Hierzu lässt sich zwischen zwei Anlagentypen unterscheiden, näm­lich dem Biomasseheizwerk und Biomassekraftwerk als KWK-Anlage. Durch die Technologie des Dampfprozesses wird Brennstoffwärme zur Verdampfung des Wassers eingesetzt, um an­schließend den erhitzten Dampf in einer Turbine zu entspannen [WSL+13, Böh10].

3.2.1 Handbeschickte Feuerungsanlagen

Die handbeschickte Feuerung ist die am häufigsten eingesetzte Art der Feuerungstechniken in den Verbrennungsanlagen von Privathaushalten. Ihr Feuerungsprinzip tritt durch eine diskon­tinuierliche Brennstoffzufuhr ein, wobei die Verbrennung chargenweise erfolgt. Das Resultat ist eine stark ausgeprägte Schwankung im Verbrennungsablauf und in der Verbrennungsquali­tät. Ein Unterschied handbeschickter Feuerungsanlagen sind die zwei verschiedenen Luftzu­fuhrsysteme, die sich durch das Gebläse oder dem Naturzug charakterisieren lassen. Als Nach­teil entstehen starke Schwankungen bei den meisten Einzelfeuerstätten, die mit dem Naturzug arbeiten. Hierbei liegt der Schwerpunkt in der optimalen Regelung der Luftzufuhr und in der Verwendung richtiger Festbrennstoffe, um ein gutes Ergebnis beim Brennungsvorgang zu er­zielen. Zu den geeigneten Festbrennstoffen zählen naturbelassenes, luftgetrocknetes Scheitholz oder Briketts. In der Tabelle 3.2 sind die Bauartengruppen, Zugbedingungen, Rost, Lage des Rosts und die Feuerungsprinzipien handbeschickter Holzfeuerungen dargestellt.

Tabelle 3.2: Merkmale handbeschickter Holzfeuerungen, S. 469 [KHH09]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Das wichtigste Merkmal sind die Feuerungsprinzipien Durchbrand, oberer- und unterer Ab­brand. Bei der Durchbrandfeuerung erfolgt die Zündung von unten, wobei die Verbrennungsluft durch den Rost und somit durch die Brennstoffschichtung geführt wird. Aufgrund der schwie­rigen Trennung zwischen Entgasungs- und Nachverbrennungszone kennzeichnet sich die Feu­erung durch mehrmaliges Nachlegen kleiner Brennstoffmengen aus. Beim oberen Abbrand hin­gegen wird die Verbrennungsluft seitlich zur Glutbettzone eingeführt, sodass die Anzündung der Brennstoffcharge von oben erfolgt und langsam den unten liegenden Brennstoffvorrat er­hitzt. Es kommt zu einem gleichmäßigen und kontrollierbaren Ergebnis im Vergleich zum Durchbrand. Trotzdem müssen in kleinen Mengen Festbrennstoffe auf die Grundglut hinzuge­geben werden. Das letzte Feuerungsprinzip beschreibt den unteren Abbrand. Es handelt sich um ein Prinzip, bei dem sich die Flammen unterhalb oder seitlich in Richtung des Feuerraum­bodens ausbreiten. Demzufolge nimmt nur die unterste Schicht am Verbrennungsprozess teil, wobei die Füllmenge eine geringere Rolle im Vergleich zum oberen Ab- und Durchbrand spielt. Durch selbstständiges Fallen der Füllmenge nach unten können neben stückigem Holz auch grobes Holzhackgut verwendet werden [KHH09].

Um näher auf die einzelnen Bauartengruppen handbeschickter Feuerungen von Scheitholz und Briketts einzugehen, wird in der Tabelle 3.3 eine Übersicht der Gruppen dargestellt. Man kann zwischen den Einzelfeuerstätten, erweitere Einzelfeuerstätten und den Zentralheizungskessel differenzieren, die unterschiedliche Heizleistungen und Verbrennungsprinzipien aufweisen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 3.3: Bauarten handbeschickter Holzfeuerungen, S.472 [KHH09]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3.4: Schnittbild durch einen Sturzbrandkessel, S. 482

In den letzten Jahren hat die Scheitholz-Zentralheizung durch den Preisanstieg fossiler Ener­gieträger an Bedeutung hinzugewonnen und besitzt mittlerweile den größten Stellenwert unter den handbeschickten Feuerungsanlagen. Es besteht die Möglichkeit Zentralheizungsanlagen in verschiedenen Heizleistungsklassen zu erwerben, wobei der gängigste Bereich zwischen 10- 50 kW Wärmeleistung liegt. Zentralheizungsanlagen befinden sich in Räumen, wo keine Wärme nach außen abgegeben werden muss. Damit liegt die Aufgabe von Zentralheizungskes­seln in der Vermeidung jeglicher Wärmeabgabe. Zu den höchst entwickelten Scheitholzfeue­rungen zählt der Sturzbrandkessel. Durch seine Bauweise strömen die Verbrennungsgase ab­wärts durch die Bohrungen in ein

keramisches Rost. Dieser Vorgang geschieht durch das Einfallen von Pellets von oben in die Brennkam­mer. Anschließend werden durch das Gebläse die Flammen durch den Rost nach unten gezogen. Un­terscheidungsmerkmale liegen in der Anordnung der Brennkammer, der Luftzuführung und bei den Wärmetauscherflächen. Um hohe reich, wodurch eine vollständige Verbrennung durch Luftzufuhr stattfinden kann [WSL+13].

3.2.2 Automatisch beschickte Feuerungsanlagen

Eine andere Feuerungsart sind die automatisch beschickten Feuerungsanlagen, die sich durch die steigende Nachfrage nach wirtschaftlichen und automatisierten Betriebsabläufen entwickelt haben. Hierbei kommt es zum Einsatz von zerkleinerten oder pelletierten, leicht dosierbaren Brennstoffen. Wie aus dem Namen abzuleiten ist, wird mit einer kontinuierlich automatisierten Brennstoffzufuhr gearbeitet, die zu einer gleichmäßigen Verbrennung mit geringen Emissionen führt. Ein besonderer Aspekt von automatisch beschickten Feuerungsanlagen sind die drei ver­schiedenen Feuerungsprinzipien. Sie unterscheiden sich durch die Relativgeschwindigkeit zwi­schen den Brennstoffpartikeln und der Luft. Das erste entstehende Feuerungsprinzip ist die Festbettfeuerung, die sich durch eine geringere Anströmungsgeschwindigkeit und einen zu­nächst geringen Druckverlust charakterisieren lässt, wobei der Druck sich mit steigender Strö­mungsgeschwindigkeit verändert. Aufgrund dieser geringen Strömungsgeschwindigkeit der Verbrennungsluft entsteht keine wesentliche Auflockerung des Glutbettes, wodurch sich eine Rostfeuerung oder eine Unterschubfeuerung einstellen kann. Kommt es nun zu einer Erhöhung der Anströmungsgeschwindigkeit, führt dieses zu einer stärkeren Auflockerung und Anhebung des Glutbettes. Dabei findet die energetische Umsetzung in einem heißen Bettmaterial statt, welches meistens aus einem Sand-Asche-Gemisch besteht. Dieser Vorgang ist durch einen ge­haltenen Schwebepunkt gekennzeichnet und nennt sich eine stationäre Wirbelschichtfeuerung. Erhöht sich im weiteren Verlauf die Anströmungsgeschwindigkeit, entsteht aus der stationären eine zirkulierende Wirbelschicht. Sie lässt sich durch eine Abscheidung und Rückführung aus­getragener Partikel charakterisieren. Das letzte Feuerungsprinzip ist die Flugstromfeuerung, bei dem der Transport der Partikel komplett im Gasstrom stattfindet und es zu einer Verbrennung von trockenen, fein gemahlenen Brennstoffpartikeln im Flugstrom kommt. Tabelle 3.4 veran­schaulicht die wichtigsten Bauartentypen, Leistungsbereiche, Brennstoffe sowie den Wasser­gehalt automatisch beschickter Feuerungen [KHH09].

Tabelle 3.4: Gegenüberstellung wichtiger Bauarten automatisch beschickter Biomassefeuerun­gen, S.494 [KHH09]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Im Kleinanlagenbereich gehören Hackschnitzel und Pelletkessel bzw. -öfen zu den gängigsten Varianten automatisch beschickter Feuerungsanlagen. Abbil­dung 3.5 zeigt einen Pelletofen, der für den Einsatz von pelletierten Brennstoffen gebaut wurde. Es han­delt sich um eine Abwurffeuerung für Pellets mit Schalenbrenner, die sich durch die gleichbleibenden Brennstoffmerkmale von Pellets charakterisieren lässt. Das Gebläse ermöglicht eine Regelung der Luft­zufuhr, um je nach Wunsch den Verbrennungsvorgang zu verändern. Pelletöfen verfügen über ein Zufuhrsystem, Vorratstank, Brennkammer und ein Abgasführsystem. Sie erzielen eine ma­ximale Nennleistung von 10 kW. Eine weitere besondere Anforderung von automatisch be­schickten Feuerungsanlagen liegt in der Verbrennung von Halmgut und Getreide, die im Ver­gleich zu Holz einen nahezu gleichen Heizwert aufweisen. Allerdings ist die Verbrennung mit vielen Nachteilen verknüpft. Dazu gehören der hohe Aschegehalt, die höheren emissionsrele­vanten Schadstoffe sowie die Freisetzung von den Stoffen, wie Kalium und Chlor. Aus diesen Gründen unterscheiden sich Halmgut- und Getreidefeuerungsanlagen von Holzfeuerungsanla­gen. Zudem unterliegen sie strengeren Emisionsgrenzwerten, wodurch sie ein geringeres Po­tenzial im Bereich der Kleinanlagen aufweisen [WSL+13].

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

3.2.3 Großfeuerungsanlagen - Biomassekraftwerke

Laut WESSELAK [WSL+13] beginnen Großfeuerungsanlagen ab einer Feuerungswärmeleis­tung von 1 MW. Diese Unterteilung ist im geltenden Bundesemissionsgesetz geregelt und grenzt diesbezüglich den Leistungsbereich für die Biomassekraftwerke ein. Sie produzieren durch die Verbrennung biogener Festbrennstoffe elektrische als auch thermische Energie in Form von Fern-, Nah- oder Prozesswärme. Allgemein werden in Großfeuerungsanlagen die drei beschriebenen Feuerungsprinzipien Festbett-, Wirbelschicht- und die Staubverbrennung angewendet. Aufgrund der geringeren Anforderungen an die Brennstoffqualität werden heut­zutage überwiegend Rostfeuerungen ab einem Bereich von 1 MWth eingesetzt. Ab mehr als 20 MW Feuerungswärmeleistung finden die technologisch aufwendigen Wirbelschichtverbren­nungen statt. Im Vergleich dazu erzielen sie höhere Wirkungsgrade, aber besitzen den Nachteil hoher Investitionskosten. Somit können je nach Anlagengröße thermische Wirkungsgrade von 80-85 % bei den Biomasseheizwerken sowie elektrische Wirkungsgrade von über 35 % bei den KWK-Anlagen erreicht werden [Böh10].

3.2.3.1 Nationale Biomassekraftwerke

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die Abbildung 3.6 zeigt Biomassekraft­werkstandorte in Deutschland im Jahr 2011.

Dazu stellen die Punkte die Lage und den Leistungsbereich des Kraftwerkes dar. Je nach Größe des Kreises verändert sich der Leistungsbereich von klein < 5 MW bis hin zu groß > 20 MW. Insgesamt sind derzeitig über 360 Biomasse(heiz)kraftwerke ohne Berücksichtigung von Vergasungsanlagen,

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Das Vorzeigemodell für eine effiziente Produktion erneuerbarer Energie ist das von der EEV AG betriebene Biomasseheizkraftwerk am Nordhafen des Industriegebietes in Papenburg. Es wurde Mitte 2003 für die Stromerzeugung in Betrieb genommen und versorgt heute rund 50.000 deutsche Haushalte mit umweltfreundlichen Strom. Durch den Stromverkauf ist das Kraftwerk im Laufe der Jahre mit dem EMAS-Zertifikat für sein Umweltmanagement ausge­zeichnet worden. Es erzielt Jahreserlöse durch die Stromeinspeisung von etwa 14 Mio. €. Seit dem Winter 2013/2014 wird neben dem erzeugten Strom, Wärme an die industriellen und land­wirtschaftlichen Betriebe in unmittelbarer Nähe verkauft, wodurch es zu den effizientesten Bi­omasseheizkraftwerken in Deutschland gehört.

Durch die weitreichende Annahmegenehmigung für die Verwertung verschiedener biogener Reststoffe besitzt die Anlage in Papenburg nach dem 17. Bundesemissionsschutzgesetz ein Al­leinstellungsmerkmal. Der Standort sticht heraus, da die angrenzende Lage am Hafen eine ide­ale Anbindung an das örtliche Energienetz und eine optimale Rohstoffversorgung per Schiff, Bahn und per LKW bietet. Mit einer elektrischen Arbeit von ca. 160 GWh erzielt das Kraftwerk durch die vorhandene Anlagentechnik eine elektrische Leistung von 20 MW und eine Feue­rungswärmeleistung von 70 MW.

Hierbei werden für die Verfeuerung von 160.000 t/a hauptsächlich Altholz, Treibsel, nachwach­sende Rohstoffe und andere Stoffe im Sinne der Biomasseverordnung verwendet, siehe Ta­belle 3.1. Zu den Anlagentechniken gehören eine Rauchgasreinigung mit Trockensorption, An­zapfturbine, Luftkondensator (4 Wärmetauscher) und das zirkulierende Wirbelschichtverfah­ren. Nach der Verbrennung der Biomasse im Kessel (Wirkungsgrad 92%) liegen die Dampfpa­rameter bei ca. 500 °C und 90 bar, die insgesamt einen Wirkungsgrad von ca. 31 % für die Verstromung durch die Gesamtanlagen erzielen. Für mehr Informationen über das Kraftwerk Papenburg wird auf die Quelle [EVV13] verwiesen.

Auch die Firma RWE Innogy Cogen GmbH betreibt drei weitere Biomassekraftwerke, die zu den größeren Anlagen in Deutschland zählen. Hierzu liegt ein Kraftwerk am Standort Bergka­men, das zur Verstromung von Gebrauchthölzern der Klassen AI - AIV im Jahr 2005 errichtet wurde. Seitdem speist es elektrische Energie gemäß des Erneuerbaren-Energie-Gesetzes in das öffentliche Stromnetz ein. Neben den Komponenten Dampfturbine und Holzsiloanlage wird als Anlagentechnik das zirkulierende Wirbelschichtverfahren angewendet. Insgesamt liegt die Kesselleistung bei 61,3 MWth und erzeugt Frischdampfparameter von 500 °C und 90 bar. Der vom Kessel erzeugte Dampf wird anschließend über eine Kondensationsturbine entspannt und treibt schließlich einen Generator zur Erzeugung von 20 MW elektrischer Leistung an. Der dabei entstehende Jahresverbrauch an Biomasse liegt bei 140.000 t pro Jahr [RWE05].

RWE Innogy Cogen GmbH besitzt das Biomassekraftwerk/Holz-Heizkraftwerk Berlin-Neu- kölln/Gropiusstadt, das im Jahr 2003/2004 errichtet wurde. Es befindet sich im Teltowkanal im Berliner Ortsteil Rudow und versorgt rund 50.000 Einwohner der Gropiusstadt mit Strom und umweltfreundlicher Wärme. Im Gegensatz zur Anlagentechnik des Kraftwerks Bergkamen wird als Feuerungsprinzip die Rostfeuerung mit Naturlaufkessel zur Verbrennung des Holzes verwendet. Zu den weiteren Anlagenkomponenten gehören die Logistik des Brennstoffes, die Entnahme-Kondensationsturbine und die Rauchgasreinigung. Zusammenfassend erzeugt das Kraftwerk eine Brennstoffleistung von 103 MW unter Einsatz von jährlich 200.000 t an Holz. Es stellt eine elektrische und thermische Leistung von 20 MW bzw. 65 MW zur Verfügung und besitzt drei gasbefeuerte Spitzenlastkessel mit jeweils 33 MWth [RWE05].

Die größten Biomassekraftwerke in Deutschland gehören der Firma Zellstoff Stendel GmbH in Arneburg und Blankenstein. Mit einer elektrischen Leistung von 135 MW besitzen sie rund ein Fünftel der elektrischen Energie aus Basis fester Biomasse in Deutschland. Angesichts ihrer „Kaskadennutzung“ von Holz wird das Ziel einer maximalen Wertschöpfung verfolgt.

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• Hochschule: Ruhr-Universität Bochum (Institut für Thermo- und Fluiddynamik)
• Note: 1,0
• Autor: Dominik Pietsch (Autor:in)
• Erscheinungsjahr: 2014
• Seiten: 82
• Katalognummer: V358452
• ISBN (eBook): 9783668485716
• Sprache: Deutsch
• Schlagworte: biomasse-, oxyfuel-verbrennung, ausgewählte, verfahren, energieversorgung