Verbrennung

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Verbrennung

Fachtagung "Bioenergie" Herbertingen
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 %)
ª freie Grünlandflächen
• Leistung der Tiere steigt.
Für Hochleistungstiere ist nur
energiereiches Futter von intensiv
genutzten, ertragssicheren Wiesen
geeignet
ª freie Grünlandflächen
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
• Grünlandflächen verwildern oder
werden aufgeforstet
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
Verbrennungsspezifische Eigenschaften
von Biomasse
Heizwert
2,5 kg trockene Biomasse
20
18,8
(Holz, Stroh, Getreide, Heu)
Heizwert
ersetzen
18
17,2
1 Liter Heizöl
17,0
Heizwert H
U
in MJ / kg TM
19
16,6
17
16
15
Holz
Stroh
Heu
Weizen
2
Verbrennung 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)
Verbrennung 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)
3
Kriterien für die Nutzung
als Festbrennstoff
Eignung für die Verbrennung:
•
Brennstoffeigenschaften
Heizwert, Wassergehalt, emissionsrelevante
Inhaltstoffe, Ascheerweichungspunkt,
Schüttdichte, Lagerfähigkeit
•
Stand und Verfügbarkeit von Verbrennungstechnik
•
Nutzungsformen
Häcksel, Ballen, Pellet, Brikett
Qualitätsanforderungen an
biogene Festbrennstoffe
• Anforderungen seitens der
Verbrennungsführung
• Anforderungen seitens der Emissionen,
Kesselhaltbarkeit
• Verwendbarkeit der Asche
4
Anforderungen seitens
der Verbrennungsführung
•
Heizwert → Anlagenauslegung, Brennstoffzuführung
•
Wassergehalt → Heizwert, Lagerfähigkeit (< 20 %)
•
Aschegehalt → Staubemissionen, Auslegung
•
Ascheschmelzverhalten → Verschlackung der
Wärmetauscherflächen, Anlagentechnik, Anlagenfunktion,
Effizienz der Verbrennung, Wartungsaufwand
•
Kalium, Natrium → erniedrigen Ascheschmelzpunkt
•
Calzium, Magnesium, Aluminium → erhöhen
Ascheschmelzpunkt
der Emissionen
•
•
Aschegehalt → Staubemission
Aschezusammensetzung → Aschefraktionierung,
Staubabscheidersystem
•
Stickstoffgehalt → NOX-Emissionen
•
Chlorgehalt → Hochtemperaturkorrosion, HCl-Emission,
(Dioxinbildung möglich)
•
Schwefelgehalt → SO2-Emission
5
der Ascheverwendung
•
Schwermetalle (Cu, Pb, Zn, Cr. Cd) → Verwertbarkeit der
Verbrennungsrückstände
•
Phosphor, Kalium, Calzium → Düngewert
Verbrennung
von landwirtschaftlicher Biomasse
Landschaftspflegeheu
Zollernalb
Roggen
Weizen
Triticale
[1, 2, 3]
[5]
[3, 7]
[3, 7]
[3, 7]
17,2
16,49
17,1
17,0
16,9
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
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
0,12
2,28
0,14
1,68
0,161
0,043
0,069
0,7
0,5
0,6
82
17
79
17
72,89
18,33
Quelle:
Heizwert Hu [MJ/kg TS]
Aschegehalt
[Gew.-%]
Elementaranalyse
C
[% TS]
H
[% TS]
S
[% TS]
N
[% TS]
O
[% TS]
Cl
[Gew.-%]
P
[Gew.-%]
K
[Gew.-%]
Mg
[Gew.-%]
Ca
[Gew.-%]
Flüchtiges
Gebundenes C
[% TS]
[% TS]
Holz
Stroh
[1, 2, 3]
18,5
6
von Biomasse
Ascheerweichung
1400
1300
Ascheerweichung
Ascheerweichungspunkt in °C
1200
1000
960
1000
710
800
600
400
200
0
Holz
Stroh
Heu
Weizen
Verbrennung
von landwirtschaftlicher Biomasse
überständiges Heu
verregnet
nicht verregnet
7
Ascheschmelzverhalten
von Heu unterschiedlicher Qualität
im Vergleich zu Holz
120%
Ascheschmelzverhalten von Heu unterschiedlicher Qualität
100%
Holz
relativer Anteil
80%
Heu überständig nicht verregnet
60%
40%
20%
Chlor
Kalium
in Massen %
des Brennstoffes der Asche
nicht verregnet
0,24
29,4
verregnet
0,06
7,3
Heuqualität
Heu überständig verregnet
0%
700
800
900
1000
1100
1200
Te mperatur in °C
1300
1400
1500
Struschka, 2006
von Landschaftspflegeheu
Ascheerweichung
Schubbodenfeuerung
mit und ohne
Wasserkühlung im
Glutbett
Hartmann, 2004
8
Vermeidung der Schlackebildung
Relativ kalte
Vergasungsszone
heiße
Nachverbrennungszone
für den anfallendenen
Biomassekoks
Entgasen und
Verbrennen des
Restkohlenstoffs
erfolgt räumlich
getrennt
(z.B.:
AgroflammKessel)
Struschka, 2005
von Biomasse
Kritische Inhaltstoffe
5,70
8,00
3
2,70
Holz
Stroh
2,5
Gehalt in % d. TM
Heu
Weizen
2
1,70
1,5
1,30
1,20
1,00
1
0,5
Holz
Stroh
Heu
Weizen
0,60
0,60
0,50
0,19 0,20
0,10
0,10
0,07
0,01
0
Asche
N
K
Cl
9
Novellierung der 1. BImSchV
- Eckpunktepapier
Geplante Betriebs- und
Emissionsgrenzwerte für
Heizkessel
Bezugssauerstoffgehalt 11 %
Nennwärmeleistung
[kW]
Stufe 1: Anlagen, die 3 Monate
nach Veröffentlichung
errichtet werden
Stufe 2: Anlagen, die nach dem
31.12.2014 errichtet werden
Staub
[g/m3]
CO
[g/m3]
≥ 4 - 500
0,06
1,0
> 500
0,06
0,6
≥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
Verbrennung
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
10
Pelletierung
Kollergangpresse mit Ringmatritze
Verbrennung
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
11
Verbrennung
Vergaser-Feuerungsanlage für
Rundballen Fa. Herlt, 70 - 350 kW
Verbrennung
Vergaser-Feuerungsanlage für
Rundballen Fa. Herlt, 70 - 350 kW
12
Verbrennung
Zentrale Wärmeversorgung
Zigarrenbrenner, Volund, 1 MW
BKS Bio-Kraftwerk Schkölen GmbH
Fernwärmeversorgung der Stadt Schkölen
Brennstoff: Stroh in Ballenform
Leistung: 3,15 MWth
Verbrennung
Ökotherm-Heizkessel
13
Verbrennung
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
Verbrennung
Lin-KA
Agrargenossenschaft Oberlemnitz e.G.
[Firma Lin-Ka, Dk]
Wärmeversorgung von Werkstätten, Büro
und Sozialgebäude
Brennstoff: Strohballen aufgelöst
Leistung: 99 kWth
Hering, 2005
14
Verbrennung
Lin-KA
LIN-KA, Dk
Zerkleinerung von Strohballen
Ballenauflösung: Reka Chaff-Cutter
15
Zerkleinerung
Reka, Dk
Verbrennung
Reka-Feuerungsanlage mit Treppenrost
für trockene Brennstoffe, 20 – 3500 kW
16
Verbrennung
Verbrennung
Heuverbrennung
Getreidekornverbrennung
17
Verbrennung
• 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)
Verbrennung
• Qualität des Heus hat Einfluss auf
Verbrennungsverhalten (Schlackebildung)
• „Wollige Asche“ war zeitweise nur schwer aus
dem Brennraum zu befördern
• Verbrennung funktioniert meist gut
• Schamottsteine mussten bereits 2 mal
getauscht werden
• Zuluftdüsen glühen aus – Austausch
erforderlich
18
Verbrennung
• 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
Verbrennung
• 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
19
Verbrennung
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 Verbrennung
von Getreide bzw. Heu
Neue Entwicklung: Edelstahl-Gewebefilter
Fa. Oskar Winkel, Amberg
20
Aufbau Gewebefilter
Gewebefilter:
• 2 unabhängige Filterpatronen
• elektrische Beheizung der
Patronen
• Rohgas strömt von außen
• Abreinigung durch Druckluftstoß
• zeitgesteuerte Abreinigung
Verbrennung
Erste Ergebnisse:
• Partikelkonzentration ohne
Gewebefilter :
190 bis 300 mg/m³
(Grenzwert TA-Luft: 50 mg/m³)
• Nach dem Filter < 10 mg/m³
Staub
• NOX-Konzentration:
380 bis 520 mg/m³
(Grenzwert TA-Luft: 500 mg/m³)
21
Staubabscheidung des
Gewebefilters
Getreide-Reinigungsreste
Verbrennung
Wirtschaftlichkeit
Einkaufspreise Ab-Hof
Großballen
6,00 ... 7,00 €/100 kg
Kleinballen
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
HD- oder Rundballen
Heu lose
Verpressen
Lagerung in Altgebäude
Gesamtkosten
Briketts
5 €/100 kg
Pellets
5,00
5,00
5,00
1,50 … 2,50
5,00 … 6,50
7,00 … 9,50
3,30
3,30
3,30
9,80 … 10,80
13,30 … 14,80
15,30 … 17,80
Transportkosten 0,03 € / km Entfernung
22
Verbrennung - 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
Energetischer
Brennstoffäquivalentpreis
von Heu
€/Liter
€/100 kg
0,20
8
0,25
10
Tatsächliche Kosten
von Heu als
Ballen
Briketts
0,30
12
0,35
14
13,3
0,40
16
14,8
0,45
18
0,50
20
0,60
24
0,80
Pellets
9,8
10,8
15,3
17,8
32
Verbrennung von Heu
- Wirtschaftlichkeitsabschätzung
Heizölpreis: 0,55€/l
Investition
Energieverbrauch
Liter
Energieverbrauch
dt
Jahreskosten
Zins(6%)
Abschreibung
fürÖl10Jahre; 10%d.Inv.
40kW
17.000€
8.000
Heizöl
100kW
20.000€
20.000
300kW
25.000€
60.000
510€
600€
750€
1.700€
2.000€
2.500€
fürHeu7Jahre;14,3%d. Inv.
Brennstoffkosten
0,55€/LiterHeizöl
Wartungsu.
Bedinungskosten(15€/h)
Gesamtkosten/Jahr
€/a
€/a
Zul. Biomassekosten
MöglicherPreisfürHeu
€/100kg
4.400€
50€
11.000€
100€
33.000€
150€
6.150€
13.100€
35.650€
40kW
51.000€
Biomasse
100kW
65.500€
300kW
85.500€
200
500
1500
1.530€
1.965€
2.565€
7.293€
9.367€
12.227€
1.500€
3.000€
5.000€
6.150€
-2.643€
-13€
13.100€
734€
1€
35.650€
18.424€
12€
23
Verbrennung von Heu
- Wirtschaftlichkeitsabschätzung
Heizölpreis: 0,90€/l
Investition
Energieverbrauch
Liter
Energieverbrauch
dt
Jahreskosten
Zins(6%)
Abschreibung
fürÖl10Jahre;10%d.Inv.
fürHeu7Jahre;14,3%d. Inv.
Brennstoffkosten
0,90€/LiterHeizöl
Wartungsu.
Bedinungskosten(15€/h)
Gesamtkosten/Jahr
€/a
Zul. Biomassekosten
€/a
MöglicherPreisfürHeu
€/100kg
40kW
17.000€
8.000
Heizöl
100kW
20.000€
20.000
300kW
25.000€
60.000
510€
600€
750€
1.700€
2.000€
2.500€
7.200€
50€
18.000€
100€
54.000€
150€
8.950€
20.100€
56.650€
40kW
51.000€
Biomasse
100kW
65.500€
300kW
85.500€
200
500
1500
1.530€
1.965€
2.565€
7.293€
9.367€
12.227€
1.500€
3.000€
5.000€
8.950€
157€
1€
20.100€
7.734€
15€
56.650€
39.424€
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 Verbrennungstechnik erforderlich
• Weiterentwicklung von Abgasreinigungssystemen erforderlich
• Einkommensquelle für Landwirte
• Schonung fossiler Energieressourcen
• CO2-Emissionen werden gesenkt
24
Vielen Dank für Ihre
Aufmerksamkeit!
Vielen Dank für die Förderung
des Projektes
durch das MLR Baden-Württemberg
25

Verbrennung

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