Pellets als Energieträger: Technologie und Anwendung

Pellets als Energieträger Stefan Döring Pellets als Energieträger Technologie und Anwendung 1C Dr.-Ing. Stefan Dö...

Author: Stefan Döring

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Pellets als Energieträger

Stefan Döring

Pellets als Energieträger Technologie und Anwendung

1C

Dr.-Ing. Stefan Döring Plant Engineering GmbH Matthias-Erzberger-Straße 34 56564 Neuwied Deutschland stefan.doering@p lant-engineering.de

ISBN 978-3-642-01623-3 e-ISBN 978-3-642-01624-0 DOI 10.1007/978-3-642-01624-0 Springer Heidelberg Dordrecht London New York Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de 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 (www.springer.com)

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

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung ............................................................................................................ 2 1.1 Politische Zielsetzungen und energiewirtschaftliche Rahmenbedingungen 2 1.2 Pelletmarktentwicklung ............................................................................... 4 1.2.1 Internationale Märkte ........................................................................... 5 Industriepelletmärkte ................................................................................ 5 Premiumpelletmärkte ................................................................................ 6 Pelletmischmärkte..................................................................................... 7 Exportmärkte ............................................................................................ 8 Gesamtbilanz .......................................................................................... 10 1.2.2 Handelsströme .................................................................................... 11 1.2.3 Preisentwicklung ................................................................................ 12 Literaturverzeichnis ......................................................................................... 13 2 Biomassen für die Pelletproduktion ................................................................ 16 2.1 Klassifizierung ........................................................................................... 16 2.2 Rohstoffe und technische Potenziale ......................................................... 17 2.2.1 Methodischer Ansatz .......................................................................... 18 2.2.2 Rohstoffauswahl ................................................................................. 19 2.2.3 Technisches Potenzial ........................................................................ 21 2.3 Rohstoffeigenschaften ............................................................................... 23 2.3.1 Molekularer und elementarer Aufbau................................................. 23 2.3.2 Rohstoffparameter zur Beeinflussung der Pelletqualität .................... 27 Literaturverzeichnis ......................................................................................... 32 3 Verbrennungstechnische Eigenschaften ......................................................... 36 3.1 Grundlagen der Verbrennung .................................................................... 36 3.2 Physikalisch-mechanische Brennstoffeigenschaften.................................. 41 3.3 Chemisch-stoffliche Brennstoffeigenschaften ........................................... 45 3.3.1 Energieträgerspezifische Einflussgrößen............................................ 47

VIII

Inhaltsverzeichnis

3.3.2 Verbrennungsprodukte beeinflussende Eigenschaften ....................... 53 Literaturverzeichnis ......................................................................................... 56 4 Gesetzliche Anforderungen des Holzpelleteinsatzes zur Wärmebereitstellung ........................................................................................... 60 4.1 Anforderungen an Emissionen und Energieeffizienz ................................ 60 4.2 Entsorgung von Aschen und Rückständen ................................................ 64 4.3 Nachhaltigkeitsanforderungen ................................................................... 65 Literaturverzeichnis ......................................................................................... 67 5 Qualitätsanforderungen an den Brennstoff ................................................... 70 Literaturverzeichnis ......................................................................................... 79 6 Pelletproduktion ............................................................................................... 82 6.1 Stammholzplatz und Stammholzaufbereitung ........................................... 83 6.1.1 Entrindung .......................................................................................... 87 6.1.2 Stammholzzerkleinerung .................................................................... 90 6.2 Nassspanlager ............................................................................................ 95 6.2.1 Außenlager für nasse Hackschnitzel und Späne ................................. 96 6.2.2 Automatisiertes Innenlager ................................................................ 98 Schubbodensysteme / Zugbodensysteme ................................................ 98 Be- und Entladeförderer bzw. Hebe- und Senkförderer........................ 100 Kratzbodensysteme und Kratzkettenförderer........................................ 102 Krananlagen .......................................................................................... 103 6.3 Transportsysteme für nassen Rohstoff ..................................................... 104 6.3.1 Kratz- und Trogkettenförderer ......................................................... 105 6.3.2 Förderband ....................................................................................... 107 6.3.3 Förderschnecke ................................................................................ 108 6.3.4 Vibrationsförderrinne ....................................................................... 109 6.3.5 Becherwerke..................................................................................... 111 6.4 Trockner .................................................................................................. 112 6.4.1 Bandtrockner .................................................................................... 116 6.4.2 Trommeltrockner.............................................................................. 120 6.4.3 Steuerung und Regelung .................................................................. 124 6.4.4 Kennzahlen für Trockner ................................................................. 124 6.5 Lager für trockene Späne ......................................................................... 127 6.5.1 Schubboden ...................................................................................... 127 6.5.2 Silo ................................................................................................... 127 6.6 Pelletierung .............................................................................................. 131 6.6.1 Allgemeine Prozessbeschreibung ..................................................... 131 6.6.2 Anlagentechnik ................................................................................ 137 Magnetabscheider ................................................................................. 137 Allmetallabscheider .............................................................................. 141 Windsichter........................................................................................... 143

Inhaltsverzeichnis

IX

Hammermühle ...................................................................................... 144 Additiv- bzw. Stärkedosierung ............................................................. 145 Mischer ................................................................................................. 145 Reifebehälter bzw. Homogenisierungssilo ........................................... 146 Pelletpresse ........................................................................................... 147 Kühler ................................................................................................... 152 Sieb ....................................................................................................... 153 Pelletsilos .............................................................................................. 154 Literaturverzeichnis ....................................................................................... 156 7 Energetische Verwertung von Pellets ........................................................... 158 7.1 Lagerung und Förderung von Pellets ....................................................... 158 7.2 Kleinfeuerungsanlagen ............................................................................ 165 7.3 Mittlere Feuerungsanlagen....................................................................... 180 7.4 Großfeuerungsanlagen ............................................................................. 186 7.5 Zufeuerung von Pellets ............................................................................ 193 Literaturverzeichnis ....................................................................................... 195 8 Brand- und Explosionsschutz ........................................................................ 196 8.1 Anforderungen des Regelwerkes ............................................................. 196 8.2 Erarbeitung des Schutzkonzeptes............................................................. 197 8.3 Auftreten explosionsfähiger Atmosphären – Zoneneinteilung ................ 201 8.3.1 Zoneneinteilung für Aufstellungsbereiche ....................................... 202 8.3.2 Zoneneinteilung der produktberührten Anlagenbereiche ................. 203 8.4 Vermeidung von Zündquellen ................................................................. 205 8.5 Technische Maßnahmen zur Vermeidung wirksamer Zündquellen......... 206 8.6 Beherrschen von Explosionen.................................................................. 211 8.6.1 Dimensionierung der Entlastungsfläche ........................................... 213 8.6.2 Explosionsunterdrückung ................................................................. 214 8.6.3 Auswahl der Entkoppelungseinrichtungen ....................................... 215 8.7 Organisatorische Maßnahmen ................................................................. 217 8.8 Brandschutzmaßnahmen .......................................................................... 221 Literaturverzeichnis ....................................................................................... 224 9 Wirtschaftlichkeit von Pelletkesseln ............................................................. 228 9.1 Brennstoffpreise ....................................................................................... 228 9.2 Wirtschaftlicher Vergleich verschiedener Heizsysteme .......................... 230 Literaturverzeichnis ....................................................................................... 233 10 Forschung und Entwicklung........................................................................ 236 10.1 Optimierung der Pelletproduktion ......................................................... 237 10.2 Optimierung der Einsatzfähigkeit von Pellets zur energetischen Nutzung239 Anhang ............................................................................................................... 242

X

Inhaltsverzeichnis

Physikalische Größen und deren Umrechnungsformeln ................................ 242 Umrechnung der wichtigsten Einheiten des fps- in das SI-System /1/ ...... 242 Wichtige Einheiten der Mechanik /1/ ........................................................ 243 Wichtige Einheiten der Wärmelehre /1/ .................................................... 244 Wärmemenge Q ............................................................................................. 245 Wärmedurchgangszahl k für verschiedene Stoffe und Materialien ............... 245 Heizwerte und Energieäquivalente verschiedener Brennstoffe ..................... 246 Allgemeine Umrechnungsfaktoren für Holzmengen ..................................... 246 Verbrennungstechnische Daten von Buche und Fichte/Tanne bei 18% Wassergehalt.................................................................................................. 247 Raumgewichte verschiedener Hölzer bei 15% Wassergehalt ........................ 247 Hersteller für Pelletkessel .............................................................................. 247 Pelletlieferanten ............................................................................................. 249 Pelletproduzenten in Deutschland ................................................................. 250 Förderdatenbanken ........................................................................................ 252 Informationsquellen ....................................................................................... 252 Literaturverzeichnis ....................................................................................... 254 Sachwortverzeichnis.......................................................................................... 255

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

1 Einleitung ............................................................................................................ 2 1.1 Politische Zielsetzungen und energiewirtschaftliche Rahmenbedingungen 2 1.2 Pelletmarktentwicklung ............................................................................... 4 1.2.1 Internationale Märkte ........................................................................... 5 Industriepelletmärkte ................................................................................ 5 Premiumpelletmärkte ................................................................................ 6 Pelletmischmärkte .................................................................................... 7 Exportmärkte ............................................................................................ 8 Gesamtbilanz .......................................................................................... 10 1.2.2 Handelsströme .................................................................................... 11 1.2.3 Preisentwicklung ................................................................................ 12 Literaturverzeichnis ......................................................................................... 13

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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 10.1007/978-3-642-01624-0_1, © Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2011

1.1 Politische Zielsetzungen und energiewirtschaftliche Rahmenbedingungen

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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.

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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 2009. Der internationale Pelletmarkt hat im letzten Jahrzehnt ein enormes Wachstum erfahren. Eine Vielzahl neuer Akteure ist in den Markt eingestiegen und hat in vie-

1.2 Pelletmarktentwicklung

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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.

1.2.1 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: 790 000 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. 2015 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/.

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1 Einleitung

Holzpellets in 1.000 t/a

1.200

Kapazität in 1.000 t/a Produktion in 1.000 t/a inländischer Verbrauch in 1.000 t/a

800

400

Belgien

Niederlande

2008

2007

2008

2007

2006

2005

2004

2003

2002

2001

2008

2007

2006

2005

0

UK

Abb. 1.1: Entwicklung von Industriepelletmärkten von 2001 bis 2008

Die holländische Holzpelletproduktion ist quantitativ sehr niedrig (Produktionsmenge: 120 000 Tonnen, Produktionskapazität: 130 000 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.

1.2 Pelletmarktentwicklung 3.200 4.800

Kapazität in 1.000 t/a Produktion in 1.000 t/a inländischer Verbrauch in 1.000 t/a

2.800 Holzpellets in 1.000 t/a

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2.400 2.000 1.600 1.200 800 400

2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009

0

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. 1.2. 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

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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 CO2-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/. 2.800

Kapazität in 1.000 t/a Produktion in 1.000 t/a inländischer Gesamtverbrauch in 1.000 t/a Kleinverbrauchermarkt in 1.000 t/a


2.400 2.000 1.600 1.200 800 400

2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009

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Schweden

Dänemark

Finnland

Abb. 1.3: Entwicklung von Pelletmischmärkten von 2001 bis 2009

2009 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 (695 000 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

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: 40 000 Tonnen, 2009: 640 000 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 150 000 Tonnen) der Gesamtproduktionsmenge auf 55 % (2009: circa 760 000 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 230 000 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.

10

1 Einleitung 2.800 Kapazität in 1.000 t/a Produktion in 1.000 t/a inländischer Verbrauch in 1.000 t/a


2.400 2.000 1.600 1.200 800 400

Polen

Kanada

2009*

2006 2007 2008

2009* 2005

2007 2008

2004 2005 2006

2002 2003

2009 2001

2006 2007 2008

2004 2005

2003

0

Russland

Abb. 1.4: Entwicklung des Exportpelletmarktes 2001-2009, *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).

1.2 Pelletmarktentwicklung 3.200 4.800

Kapazität in 1.000 t/a Produktion in 1.000 t/a inländischer Gesamtverbrauch in 1.000 t/a Kleinverbrauchermarkt in 1.000 t/a

2.800 Holzpellets in 1.000 t/a

11

2.400 2.000 1.600 1.200 800 400

01 03 05 07 09 01 03 05 07 09 03 05 07 09 01 03 05 07 09 01 03 05 07 09 01 03 05 07 08 05 07 08 01 03 05 07 08 05 07 08 03 05 07 09 01 03 05 07 09 05 07 08 03 05 07 09

0 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, 2001-2009

1.2.2 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 Helsinki Mariehamn Tallinn

Oslo

EE

Stockholm

Moskau Riga

DK

LV

LT

Kopenhagen

Vilnius

Douglas

IE

Dublin

Amsterdam

Berlin

NL

London Brüssel Saint Peter Port

Minsk

UK

Prag

LU Paris

Warschau

PL

Kiew

DE

BE

Saint Helier

CZ

Luxemburg

SK

Kischinau

Wien BratislavaBudapest

FR

Bern

AT

Vaduz

HU RO

Ljubljana

SI

Zagreb

Bukarest

Belgrad Sarajevo San Marino Sofia Andorra la Vella

IT

Skopje

Rom

PT

Lissabon

BG

Podgorica Tirana

Madrid

ES

GR Athen

Algier

Tunis

MT

Abb. 1.6: Bedeutende Handelsströme im europäischen Holzpelletmarkt 2008

12

1 Einleitung

1.2.3 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- RotterdamAntwerpenhäfen (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). 300

Holzpelletpreise €/t

250 200 150 100 50

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

0

PIX (CIF) Niederlande (CIF) Lettland (CIF) Deutschland (Premium) Italien (Premium)

2007

2008

2009

Abb. 1.7: Preisentwicklung für Industrie- und Premiumpellets von 2007 bis 2009

Literaturverzeichnis

13

Literaturverzeichnis /1/

Bradley D (2006) Canada Biomass-Bioenergy Report. Ottawa

/2/

DEPV: Entwicklung Pelletproduktion, Pelletproduktion und Inlandsbedarf Deutschland. URL: www.depv.de/startseite/marktdaten/entwicklungpelletproduktion

/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: www.pelletsindustrin.org/web/Leveransstatistik.aspx

/6/

Pellets@las (July 2009) Pellet market country report Poland

/7/

Wood pellet association of Canada (January 2009) Local actions create global reactions

2 Biomassen für die Pelletproduktion................................................................ 16 2.1 Klassifizierung ........................................................................................... 16 2.2 Rohstoffe und technische Potenziale ......................................................... 17 2.2.1 Methodischer Ansatz .......................................................................... 18 2.2.2 Rohstoffauswahl ................................................................................. 19 2.2.3 Technisches Potenzial ........................................................................ 21 2.3 Rohstoffeigenschaften ............................................................................... 23 2.3.1 Molekularer und elementarer Aufbau ................................................ 23 2.3.2 Rohstoffparameter zur Beeinflussung der Pelletqualität .................... 28 Literaturverzeichnis ......................................................................................... 33

16

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 14961-1 erfolgt die Einordnung biogener Festbrennstoffe in holz- oder halmgutartige Biomasse, Biomasse von Früchten und definierte bzw. undefinierte Mischungen.


2.2 Rohstoffe und technische Potenziale

17

Biogene Festbrennstoffe 1 Holzartige Biomasse 1.1 Wald- und Plantagenholz sowie andere Frischhölzer (u.a. Laub-/ Nadelholz, KUP, Sträucher)

Vollbäume ohne Wurzeln 1.1.1 mit Wurzeln 1.1.2 Stammholz 1.1.3 Waldrestholz 1.1.4 Stümpfe / Wurzeln 1.1.5 Rinde

1.1.6

1.2 Industrierestholz

1.3 Gebrauchtholz

(mit/ohne Rinde)

(mit/ohne Rinde)

chem. unbehandelte Rückstände 1.2.1 chem. behandelte Rückstände, Fasern und Holzbestandteile 1.2.2 Bei-/Mischungen 1.2.3

sortiertes Holz aus der Landschaftspflege und aus Gärten 1.1.7

chem. unbehandelte Rückstände 1.3.1 chem. behandelte Rückstände 1.3.2 Bei-/ Mischungen 1.3.3

2 Halmgutartige Biomasse 2.1 aus Landwirt- 2.2 Nebenprod. & Rückstände der schaft & Industrie Gartenbau (u.a. Ganzpflanzen, Stroh, Körner, Hülsen, Stängel, Blätter)

Getreide 2.1.1 Gräser

2.1.2

Ölsaaten 2.2.3 Wurzelfrüchte 2.1.4 Hülsenfrüchte 2.1.5 Blumen 2.1.6

(u.a. Getreide, Gräser, Früchte, Ölsaaten)

3 Biomasse von Früchten 3.1 Obst und Gartenfrüchte

3.2 Nebenprod. u. Rückstände der Industrie

(u.a.. Beeren-/Kern-/ Steinobst, roher Olivenpresskuchen)

(u.a.. Beeren-/ Kernobst, Nüsse, extrahierter Olivenpresskuchen)

chemisch unhandelte Rückstände 2.2.1 chem. behandelte Rückstände 2.2.2

Beerenobst 3.1.1 Stein- /Kernobst 3.1.2 Nüsse und Eicheln 3.1.3

chemisch unhandelte Rückstände 3.2.1 chem. behandelte Rückstände 3.2.2

Bei-/Mischungen 2.2.3



getrennt gesammelte halmgutartige Biomassen aus der Landschäftspflege und aus Gärten 2.1.7

4 / 1.4 / 2.3 / 3.3 Definierte / undefinierte Mischungen Mischungen

Beimischungen

Bei-/Mischungen

undefinierte / natürlich vermischte Biomassegemenge

definierte / bewusst vermischte Biomassegemenge

2.1.8


Abb. 2.1 Klassifizierung und Spezifizierung biogener Festbrennstoffe nach DIN EN 14961-1

2.2 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

18


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 Fläche

Biomasseanbau Biomasse

Biomassekonversion Bioenergieträger

Nutzung von Bioenergie Bioenergie

Ackerfläche vs. Grünland vs. sonstige Nutzung Ebene 1

Nahrungsmittel vs. stoffliche Nutzung vs. Bioenergie Ebene 2

Wärme vs. Strom vs. Kraftstoff Ebene 3

Fossile Energien vs. Erneuerbare Energien vs. Effizienz Ebene 4

Abb. 2.2: Ebenen von Nutzungskonkurrenzen bei der energetischen Nutzung von Biomasse

2.2.1 Methodischer Ansatz 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-


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

2.2.2 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 14961-1 - aufgeschlüsselt werden (Abb. 2.3). Dabei werden die Potenziale nach folgenden Zielmärkten unterteilt: –

Holzpellets für den Kleinverbrauchermarkt

20


– –

Holzpellets für den mittleren und höheren Leistungsbereich Sonstige Pellets, z. B. für den Einsatz im Kraftwerkssektor, z. T. auch geeignet in Anlagen für Agrarbrennstoffe.

In Abb. 2.3 sind die Inputströme der Biomassepotenziale, aufgeschlüsselt nach deren qualitativem Einsatzbereich, dargestellt. Waldrestholz stellt eine Mischfraktion von Hölzern unterschiedlicher Baumbestandteile dar (inklusiv Rinde), wie Kronenderbholz, Reisholz und kurze Stammabschnitte. Bei der Potenzialermittlung nicht berücksichtigte Fraktionen - Stümpfe und Wurzeln, Blumen, Obst- und Gartenfrüchte - fallen nicht überall als Potenzial an oder sind in den Ländern nicht entsprechend verfügbar. Holzpellets für den Kleinverbrauchermarkt

Holzpellets für den mittleren und höheren Leistungsbereich

Sonstige Pellets zum Einsatz im Kraftwerkssektor oder in Anlagen für Agrarbrennstoffe

1.1.1 Vollbäume mit Wurzeln 1.1.2 Vollbäume ohne Wurzeln 1.1.3 Stammholz 1.1.4 Waldrestholz 1.1.5 Stümpfe / Wurzeln 1.1.6 Rinde 1.1.7 sortiertes Holz aus Landschaftspflege und Gärten 1.2.1 chem. unbehandelte Rückstände (Industrierestholz) 1.2.2 chem. behandelte Rückstände, Fasern und Holzbestandteile 1.3.1 chem. unbehandelte Rückstände (Gebrauchtholz) 1.3.2 chem. behandelte Rückstände 2 halmgutartige Biomasse 3 Biomasse von Früchten

Abb. 2.3 Qualitative Zuordnung biogener Festbrennstoffe (nach DIN EN 14961-1) gemäß potenzieller Inputströme für die Pelletpotenzialermittlung

Aufgrund der Vielzahl unterschiedlicher und zukünftig weiter steigender Biomassenutzungsoptionen - Nutzungskonkurrenzen -, wird für die Brennstoffpelletproduktion nur 1/3 des gesamten technischen forst- und landwirtschaftlichen Brennstoffpotenzials berücksichtigt. Das Industrierestholzpotenzial wird bereits heute am umfassendsten zur Pelletproduktion genutzt und fließt daher mit 50 % in die Abschätzung des Pelletproduktionspotenzials ein.


21

2.2.3 Technisches Potenzial Die technischen Rohstoffpotenziale zur Pelletproduktion liegen in den EU-28 Staaten im Jahr 2010 zwischen 500 und 750 TWh/a. Das entspricht einer Pelletproduktionskapazität von 100 – 150 Mio. t (Tab. 2.1). Dabei liegen die größten Potenziale zur Pelletproduktion zu einem großen Teil im Bereich der Waldrestholznutzung und des Energiepflanzenanbaus zur Produktion von Holzpellets zum Einsatz im mittleren und höheren Leistungsbereich oder sonstiger Pellets (z. B. beim Anbau von Getreideganzpflanzen). In Hinblick auf eine qualitative Differenzierung der Potenziale nach Einsatzbereichen liegt das Potenzial zur Produktion von Pellets zum Einsatz in Kleinfeuerungsanlagen derzeit für die EU-28 Staaten bei etwa 200 TWh. Das Pelletproduktionspotenzial für den Einsatz im mittleren und höheren Leistungsbereich verzeichnet über den Betrachtungszeitraum ein kontinuierliches Wachstum und liegt im Jahr 2010 zwischen 130 und 390 TWh. Dabei ist die Spannweite des Potenzials mit Unsicherheiten und der perspektivisch hohen Biomassenachfrage des Energiepflanzenanbaus zu erklären. Das technische Potenzial zur Produktion sonstiger Pellets liegt aktuell bei etwa 170 TWh. Tabelle 2.1: Technische Pelletproduktionspotenziale für die EU-28 Staaten und Deutschland im Jahr 2010, in Anlehnung an /22/, /25/

EU-28

Deutschland

Holzpellets für den Kleinverbrauchermarkt

TWh/a

200

28 - 30

Mio. t/a

40

5- 6

Holzpellets für den mittleren und höheren Leistungsbereich

TWh/a

130 – 390

15 – 60

Mio. t/a

25– 80

3 – 12

TWh/a

170

17 - 23

Mio. t/a

35

3- 5 60 - 110

Sonstige Pellets Potenzial zur Pelletproduktion (gesamt)

TWh/a

500 - 750

Mio. t/a

100 – 150

12 - 22

Pelletproduktionsanlagen

Anzahl*

667 – 1 000

80 - 147

* bei einer Produktionskapazität von jeweils 150.000 t

Das in Deutschland verfügbare Rohstoffpotenzial zur Pelletproduktion aus der Land- und Forstwirtschaft sowie der holzbe- und verarbeitenden Industrie einschließlich des anrechenbaren Rohholzsortimentes liegt nach moderater Abschätzung derzeit zwischen 60 und 110 TWh (Tab. 2.2). Die größten Rohstoffpotenziale für die Pelletproduktion sind in Frankreich, Deutschland, Spanien, Polen und Schweden zu verzeichnen (Abb. 2.4).

2 Biomassen für die Pelletproduktion sonstige Pellets 35.000 sonstige Pellets - Strohpotenzial Holzpellets - mittlerer und höherer Leistungsbereich (max.) 30.000 Holzpellets - Kleinverbraucher Holzpellets - Kleinverbraucher (max.) - ungenutzter Zuwachs 25.000

Technisches Pelletbrennstoffpotenzial 2010 [TWh/a]

180 160 140 120 100

20.000

80

15.000

60 10.000 40 5.000

20

TR

BG

RO

CZ

HU

SLO

PL

SK

LT

LV

E

ET

S

P

A

NL

IRL

GB

IRL

F

GR

D

FIN

DK

0 B +L

0

Technisches Pelletproduktionspotenziaol [1.000 t/a]

22

Abb. 2.4: Qualitative Einordnung des technischen Brennstoffpotenzials zur Pelletproduktion im Jahr 2010

Unter Berücksichtigung regionaler Potenzialstudien lassen sich neben den Brennstoffpotenzialen in Europa signifikante Potenziale zum Einsatz in die Pelletproduktion in Nordamerika und Russland aufzeigen. Unter Berücksichtigung zahlreicher Biomassenutzungsoptionen liegt das Pelletproduktionspotenzial in Nordamerika (USA und Kanada) zwischen 1 000 und 2 000 TWh/a. In den USA sind vor allem beträchtliche Brennstoffpotenziale aus industriellen und landwirtschaftlichen Reststoffen und Nebenprodukten zu verzeichnen, wohingegen Russland über ein bedeutendes forstwirtschaftliches Potenzial für den Einsatz in die Pelletproduktion verfügt (Tab. 2.2). Tabelle 2.2: Pelletproduktionspotenziale für Russland, Kanada und die USA im Jahr 2010, in Anlehnung an /2/, /5/,/16/,/18/,/23/

Kanada

USA

Russland

Forstwirtschaftliches Potenzial

TWh/a

0 - 80

170

250

Landwirtschaftliches Potenzial (Energiepflanzenanbau)

TWh/a

400

630

400

Potenzial aus Reststoffen und Nebenprodukten

TWh/a

140

590

100

TWh/a

220 - 620

760 – 1 390

350 – 750

Mio. t/a

44 - 125

150 - 280

70 - 150

Potenzial zur Pelletproduktion (gesamt)

Zusammenfassend ist festzustellen, dass die vorhandenen Biomassepotenziale für die Pelletproduktion in der EU, Nordamerika und Russland bisher nicht ausgeschöpft werden. Perspektivisch liegen die Potenziale zur Pelletproduktion zu einem großen Teil im Bereich der Waldrestholznutzung und des Energiepflanzenanbaus. Langfristig wird erwartet, dass das Potenzial zur Produktion von

2.3 Rohstoffeigenschaften

23

Holzpellets für den Kleinverbrauchermarkt leicht sinkt, da mit einer zunehmenden Rohholznutzung zwar der Einschlag zunimmt und somit auch mehr Restholzkontingente anfallen, gleichzeitig jedoch das Potenzial aus ungenutztem Zuwachs sinkt. Weiterhin werden aufgrund der zunehmenden Nutzungskonkurrenz um preiswerte Holzkontingente auch in der stofflichen Verwertung verstärkt bisher vernachlässigte Restholzsegmente einer weiteren Nutzung zugeführt /21/,/24/. Der Anbau von Energiepflanzen, wie die Kultivierung von KUP, kann aktuell nur als zusätzliche Option zur Rohstoffbereitstellung für die Pelletproduktion betrachtet werden. Hier müssen die Rahmenbedingungen und Anreize für den landwirtschaftlichen Anbau von KUP kurz- bis mittelfristig weiter verstärkt werden, um die aktuellen Prognosen zum Wachstumspotenzial des Pelletmarktes in Europa und weltweit mit nachhaltigen Rohstoffkontingenten bedienen zu können.

2.3 Rohstoffeigenschaften 2.3.1 Molekularer und elementarer Aufbau Die Kenntnis der chemischen Zusammensetzung von Biomasse ist für die Beurteilung der Einsatzfähigkeit des Rohstoffs für die Pelletierung und thermische Nutzung von großer Bedeutung. Dabei lässt sich der molekulare Aufbau der Biomasse – der vorrangig für die Rohstoffaufbereitung (z. B. zur Pelletierung) relevant ist – von dem elementaren Aufbau unterscheiden, dessen Kenntnis insbesondere beim Verständnis des thermischen Zersetzungsprozesses wertvoll ist. In Bezug auf die pflanzliche Trockenmasse setzt sich Biomasse zu rund 90 % aus Kohlenstoff (C) und Sauerstoff (O) sowie zu rund 6 % aus Wasserstoff zusammen, die von der Pflanze in Form von CO2, O2, H2O oder HCO3 aufgenommen werden. Diese drei Hauptbestandteile der Pflanzensubstanz sind in allen organischen Verbindungen enthalten (z. B. in Lignin, Cellulose, Pektin, Zuckern, Fetten, Stärken und Eiweißen). Die verbleibenden Anteile der Trockensubstanz dienen der pflanzlichen Nährstoffspeicherung. Bis zu 5 % der Trockenmasse können den wichtigen Makronährstoffen (N, K, Ca sowie in geringeren Mengen P, Mg, S, und Fe1) zugeordnet werden. Dagegen treten Mikronährstoffe nur als Spurenelemente in einer Konzentration zwischen 0,001 bis 0,03 % auf (Zn, Cu, B, Mn, Mo, Fe). Die Nährstoffe liegen bis auf wenige Ausnahmen ungebunden in der Phytomasse vor (nicht in organische Substanz eingebunden). Bisher nicht abschließend geklärt ist die Notwendigkeit und Zuordnung von Chlor, Silizium und Natrium in Pflanzen /8/. Betrachtet man den molekularen Aufbau der Pflanzen, bestehen feste Biomassen zu etwa 95 % aus den drei Biopolymeren Cellulose, Hemicellulose und Lignin. Der verbleibende Anteil setzt sich zusammen aus einer Vielzahl 1 Eisen (Fe) kann sowohl den Makro- als auch Mikronährstoffen zugeordnet werden.

24


von Begleitstoffen, den so genannten Extrakten (wie Harze, Fette, Gerbstoffe, Stärke, Zucker, Eiweiße und Mineralstoffe). Artspezifisch variieren die auf Trockenmasse bezogenen Anteile der chemischen Bestandteile (Tabelle 2.3). Tabelle 2.3: Molekularer Aufbau von biogenen Rohstoffen, /14/, /17/, /9/

Komponenten Grundsubstanz: Holocellulose

Lignin

Begleitstoffe:

Extrakte

Typische Anteile und Bestandteile Cellulose (langkettiges Makromolekül) 20 – 55 % Holz: 40 – 55 % Hemicellulose (kurzkettiges, verzweigtes Makromolekül) 10 – 40 % Holz: 20 – 35 % 3-dimensionales Makromolekül 10 – 35 % Nadelholz: 25 – 35 % Laubholz: 18 – 32 % Fette, Öle, Harze, Wachse Eiweiße, Stärke, Zucker, Kautschuk Gerb-, Farb-, Bitter- und Riechstoffe, Kampfer organische und anorganische Säuren, Salze Mineralstoffe

Cellulose Die überwiegend aus linearen Glukosepolymeren geformte Cellulose ist die in der Natur am häufigsten vorkommende Substanz. Sie bildet die Gerüstsubstanz der Pflanzen und die Grundsubstanz der unverholzten Zellwand. Infolge des hohen Kristallinisationsgrades ist Cellulose trotz einer relativ hohen Anzahl hydrophiler Gruppen nicht wasserlöslich, wirkt aber hygroskopisch (wasseraufnehmend). Cellulose gibt der Biomasse aufgrund ihres molekularen Aufbaus eine hohe Formstabilität, insbesondere durch die Verleihung von Zug- und Biegefestigkeit. Beim Holz und den meisten anderen biogenen Rohstoffen ist die Zugfestigkeit (Cellulosegehalt) im Mittel doppelt so hoch wie die Druckfestigkeit (Ligningehalt), woraus die relativ hohe Biegefestigkeit des Holzes resultiert. Laubhölzer bilden als Reaktion auf der zugbeanspruchten Seite des Baumes so genanntes Zugholz aus, welches eine besonders Festigkeit aufweist. Cellulosen werden zur Papier- und Dämmstoffherstellung aus Zellstoff und Holzschliff verwendet sowie in der Textil-, Kosmetik-, Lebensmittelindustrie eingesetzt /14/, /9/. Hemicellulosen Als Hemicellulosen (auch Polyosen genannt) werden komplex verzweigte Polysaccharide bezeichnet, die multifunktional die Pflanze unterstützen; beispielsweise die Stützwirkung in der Zellmembran oder als Reserve-, Quell- und Klebstoffstoff zur Verkittung der Zellwände. Hemicellulose tritt immer als Cellulosebegleiter auf. Während in Nadelhölzern Hexosane die Grundbausteine der Hemicellulose darstellen, sind es in Laubhölzern Pentosane, die diesem wiederum plastische Eigenschaften verleihen (Holz wird biegsamer). Aufgrund der amorphen Molekülstruktur von Hemicellulosen, nehmen sie leicht Wasser auf, geben dies jedoch nur


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verlangsamt wieder ab und verzögern so das Austrocknen und Absterben des Zellgewebes. Hemicellulosen werden aus landwirtschaftlichen Produkten (z. B. Maiskolben, Haferspelzen) gewonnen und u. a. als Bindemittel für Aktivkohle oder Briketts, in der Papierherstellung (Erhöhung der Festigkeit), in der Lebensmittelindustrie (Verdickungsmittel, Gelierung /8/, /14/, /17/. Lignin Chemisch gesehen, wird Lignin als komplexe Polymerkette aus Phenylpropangruppen mit thermoplastischen Eigenschaften beschrieben. Lignin tritt nie separat auf, sondern immer als Cellulosebegleitsubstanz. Die rötlich braune Substanz Lignin ist der eigentliche Füll- und Verholzungsstoff der Pflanze, der durch seine quellende (geringer als bei Cellulose), verklebende und versteifende Wirkung für die Druckstabilität der Pflanze verantwortlich ist. So sorgt ein hoher Ligningehalt dafür, dass der Spross einer Pflanze auch bei einem nachlassendem Wasserdruck (Tugor) aufrecht stehen bleibt und abtrocknen kann, wie beispielsweise bei den Halmen reifer Getreidepflanzen auf dem Feld. Holzartige Biomassen weisen wesentlich höhere Ligninanteile als einjährige Pflanzen (jährlicher Erntezyklus) auf und können deshalb auch – trotz relativ geringer Wassergehalte – hohen Dauerbeanspruchungen bestehen. Der Ligningehalt variiert je nach Biomasseart und auch innerhalb der Pflanze. So sind die höchsten Ligninwerte typisch für die niedrigsten, höchsten und innersten Teile eines Stammes, für Nadelholzäste, Rinde und Druckholz2. Als organische Substanz beginnt der natürliche Ligninabbau mit der Ernte der Pflanze /Fällen des Baumes und kann durch äußere Faktoren beschleunigt werden (UV-Licht, Wärme und Feuchtigkeit). Lignin fällt in großen Mengen als Nebenprodukt der Zellstoffindustrie an und wird inzwischen sowohl synthetisch als auch energetisch genutzt /8/, /14/, /17/. Extrakte Zu den Nebenbestandteilen / Begleitstoffen bzw. Extrakten gehören über 500 verschiedenen Verbindungen. Zum Teil werden bei der chemischen Zuordnung der Elementargehalte die anorganischen Bestandteile der Pflanzen (K, Ca, Mg, Fe, Mn etc.) separat als „Asche“ aufgeführt, während dann die Extraktstoffe nur rein organischen Bestandteile beinhalten /17/. In diesem Fall werden sie den Mineralstoffen zugeordnet. Extraktstoffe machen zwar z. T. nur minimale Anteile an der Molekularsubstanz von Pflanzen aus, können aber wesentliche Eigenschaften des Rohstoffmaterials bestimmen, wie z. B. /9/: –

die Widerstandsfähigkeit gegen Pilze und Insekten (Gerbstoffe, Terpene, Phenole)

2 Als Druckholz wird das bei Nadelbäumen auf der druckbelasteten Seite (z. B. durch Hauptwindrichtung) gebildete Reaktionsholz bezeichnet. Druckholz ist schwerer, härter und dichter als das Normalholz.

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– – – –

Geruch (z. B. Tanne, Kiefer) und Farbe (z. B. Wallnuss, Douglasie) wasserabweisend (Harze, Wachse, Fette, Öle) Imprägnierbarkeit (schlechter bei harzhaltigen Hölzern) Brennbarkeit (bei harzreichen Hölzern besser)

Während die Hölzer der gemäßigten Klimazone zwischen 1 bis 10 % an Extraktstoffen aufweisen, sind bei tropischen Hölzern Massenanteile zwischen 2 bis 30 % nachweisbar. Typischerweise liegt ihre Massen-bezogene Konzentration bei 3 – 7 %. Es werden 2 Gruppen der Extraktstoffe unterschieden. Zum einen die primären Nebenbestandteile (z. B. Stärke, Zucker, Fette, fettige Öle und Eiweiß) die vor allem im Herbst als Speicher- und Reservestoffe angelegt werden, um im Frühjahr beim Austrieb zur Verfügung zu stehen. Deshalb haben Laubbäume einen höheren Anteil an Extraktstoffen als Nadelbäume (Ausnahme: Lärche). Zum anderen gibt es die Vielzahl der sekundären Nebenbestandteile, zu denen beispielsweise Kernholzstoffe, Mineralien, Farb- und Gerbstoffe, Harze, ätherische Öle, Reiz- und Giftstoffe zählen. Bis auf wenige Ausnahmen weist das Kernholz mehr Inhaltsstoffe als der Splintholz auf /8/, /17/, /9/. Harze, Terpentine Harze dienen zum Wundverschluss von Pflanzengewebe, härten an der Luft aus und sind hydrophob. Hohe Harzgehalte weisen Koniferen auf. Terpentine sind flüssige Extraktstoffe, die zusammen mit Harzen auftreten und giftig sind /17/. Beide Substanzen werden als Lösungsmittel, Harzleime, Geruchstoffe oder als Terpentinöl wirtschaftlich genutzt /9/. Bei harzreichen Nadelhölzern kann die Sammlung der Extrakte durch Harzung der Bäume erfolgen (Einritzen der Rinden). Terpene Terpene sind chemisch ähnlich aufgebaut wie Harze. Sie schützen die Pflanze vor dem Eindringen von Bakterien und Pilzen. Terpene sind ebenfalls hydrophobe und leicht flüchtige Verbindungen /9/. Gerbstoffe und Wachse Beide Substanzen sind vor allem in der Rinde von Bäumen enthalten, zum thermischen, mechanischen und chemischen Schutz des pflanzlichen Gewebes. Sie erhöhen die Widerstandskraft der Pflanze gegen äußere Eindringliche, wie Pilze und Insekten /9/. Fette, Stärken Fette sind vor allem in Nadelbäumen im Winter in erhöhter Konzentration nachweisbar. Dagegen werden Stärken typischerweise in der Wachstumsphase von Laubbäumen eingelagert und z. T. während des Winters in Fette umgewandelt /14/. Mineralien Mineralien enthalten eine Vielzahl der Makro- und Mikronährstoffe der Pflanzen (z. B. P, Mg, S, K, Si), die unterschiedliche Stoffwechselfunktionen übernehmen.


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Der Gehalt an Kieselsäure (Si) hat beispielsweise einen Einfluss auf die Widerstandsfähigkeit gegenüber Insekten (insbesondere bei tropischen Baumarten) /14/. In Tabelle 2.4 sind die organischen Anteile und anorganischen Substanzen (Asche) verschiedener Biomassen auf Trockenmasse bezogen angegeben. Im Vergleich zu halmgutartiger Biomasse (einjährigen Pflanzen) enthalten holzartige Rohstoffe wesentlich geringere Proteingehalte. Tabelle 2.4: Molekulare Bestandteile unterschiedlicher Biomassen (keine Angaben zu fehlenden Massebestandteilen), /8/

Brennstoff

Cellulose Hemicellulose

Holzbrennstoffe (Angaben in Gew.-%) Tanne 42,3 22,5 Kiefer 41,9 21,5 Fichte 41,0 24,3 Esche 40,2 25,0 Buche 45,4 22,2 Birke 40,9 27,1 Pappel 48,4 18,2 Weide 42,9 21,9

Lignin

Harze/Fette

Protein

Asche

28,6 29,5 30,0 26,0 22,7 27,3 21,6 24,7

2,3 3,2 k.A. 2,2 0,7 2,2 2,4 2,0

– – – – – – –

1,2 1,3 k.A. 1,3 1,6 1,8 1,3 1,2

4 3 3 k.A. 13 5

6 6 2 5 11 6

Halmgutartige Brennstoffe (Angaben in % der Trockenmasse (TM)) Weizenstroh 38 29 15 – Präriegras 37 29 19 – Miscanthus 43 24 19 – Zuckerhirse 23 14 11 – Rohrschwingel 25 25 14 – Maisstroh 38 26 19 –

Im Hinblick auf die Angaben zur Molekular- und Elementarzusammensetzung verschiedener Rohstoffe in diesem Kapitel sei darauf hingewiesen, dass diese sowohl zwischen den Biomassearten als auch innerhalb einer Art und sogar bei Betrachtung verschiedener Pflanzenteile einer Pflanze (z. B. Stammholz, Rinde, Nadeln / Blätter, Wurzeln) sehr stark variieren kann. Weiterhin kann es innerhalb einer Vegetationsperiode bzw. in den verschiedenen Entwicklungsabschnitten einer Pflanze zu Schwankungen der Elementarzusammensetzung kommen. Standortspezifische Faktoren wie Klima, Wetter und Boden oder pflanzenbauliche Maßnahmen (z. B. Düngung) beeinflussen die Pflanzensubstanz zusätzlich. Insbesondere bei Biomassen mit einer kurzen Wachstumsphase (z. B. Stroh und Ganzpflanzen) sind deshalb nur eingeschränkt verallgemeinernde Rückschlüsse auf den Elementgehalt anhand der Biomasseart möglich.

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2.3.2 Rohstoffparameter zur Beeinflussung der Pelletqualität Pellets stellen ihrer Definition nach prEN 14588 einen verdichteten Biobrennstoff aus pulverisierter Biomasse dar, die mit oder ohne Additive verpresst wurden, normalerweise eine zylindrische Form haben, mit einer typischen Länge von 5 – 40 mm und gebrochene Enden aufweisen /19/. Aus technischer Sicht eignen sich nahezu alle biogenen Festbrennstoffe zur Pelletierung. Optimale Pelletiererfolge werden jedoch nur erreicht, wenn sich das Rohmaterial in seiner Partikelstruktur / Korngrößenverteilung, dem Wassergehalt und der chemischen Zusammensetzung relativ konstant verhält /10/. Dabei bestimmt die molekulare Zusammensetzung der Biomasse maßgeblich über die natürliche Eignung des Rohmaterials zur Pelletierung, während der Wassergehalt und die physikalisch-mechanischen Eigenschaften des Rohstoffs stattdessen den Aufbereitungsaufwand und die Lagerfähigkeit der Biomasse kennzeichnen. Deshalb werden in Tabelle 2.5 die chemischen Eigenschaften der molekularen Masse des Rohmaterials auf den Pelletierprozess zusammenfassend dargestellt und anschließend insbesondere deren Einfluss auf den Pelletproduktionsprozess erläutert. Zusätzlich wurde die Bedeutung des Wasser- und Rindenanteils des Rohstoffs als Qualitätsparameter aufgenommen. Tabelle 2.5: Ausgewählte Rohstoffparameter zur Beeinflussung der Pelletqualität und des Produktionsprozesses, /7/, /8/, /12/, /13/, /15/, /17/, /20/, /26/

Parameter Auswirkungen Molekulare Zusammensetzung Grundsubstanz Massenanteile von Cellulose, Hemicellulose und Lignin beeinflussen den Kohlenstoffgehalt des Rohstoff und damit den auf Trockenmasse bezogenen Energiegehalt (Heizwert) der Pellets Cellulose große Anzahl hydrophiler Gruppen beeinflusst die Wasserauf- und Wasserabnahme des Rohmaterials (Trocknungseigenschaften) Hemicellulose amorphe Struktur begünstigt die Wasseraufnahme des Rohmaterial, verzögert jedoch die Wasserfreisetzung und damit die Trocknungszeit der Rohmaterialpartikel (Energieaufwand Trocknung) Quell- und Klebfunktion unterstützt die Pelletierbarkeit des Rohstoffs Lignin natürliches Presshilfsmittel (Brückenbindung /Klebwirkung); Erhöhung der mechanischen Festigkeit der Pellets hydrophobe Struktur erhöht die Stabilität der Pellets gegenüber (Luft-) Feuchtigkeit nach dem Aushärten des Lignins im Kühler; Versiegelung der Pelletoberfläche hoher Ligninanteil des Rohmaterials ist an äußerem Glanz der Pellets erkennbar Ligninabbau setzt bei ca. 150°C ein (Verlust /Reduzierung der Klebwirkung) und beeinflusst damit die Auswahl der technischen Trocknung (Temperaturniveau) des Rohmaterials


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Begleitstoffe / Extrakte: Stärke, Zucker, natürliche Presshilfs-/ Bindemittel, unterstützen die Bindefähigkeit des Eiweiße Pressgutes durch Klebwirkung Ö Stabilität / mechanische Festigkeit (Abrieb) der Pellets Durchsatz der Presse / Energieaufwand wird z. T. aufgrund der Schmierfunktion optimiert (z. B. mit Kartoffelstärke), kann jedoch teilweise auch reduziert werden, z. B. bei Melasse (Zucker) Fette, Öle, Schmierfunktion beeinflusst Durchsatz der Presse / Energieaufwand Harze, Wachse

Abnahme der Stabilität / mechanischen Festigkeit der Pellets hydrophobe Struktur erhöht auch die Stabilität der Pellets

Terpene Mineralien, v.a. K, Ca, Na, Mg, Sia) etc.

gegenüber (Luft-)Feuchtigkeit (vgl. Lignin) natürliche Presshilfsmittel, unterstützen Bindung der Rohstoffpartikel und damit die mechanische Festigkeit (Abrieb) der Pellets Temperaturniveau der Rohstofftrocknung beeinflusst Bindungskräfte / Klebwirkung (hohe Temperaturen begünstigen Selbstentzündungsrisiko, aufgrund leicht flüchtiger Bestandteile) Wachsschicht /-ummantelung von Faserrohstoffen (z. B. bei Getreide) senkt Pelletierbarkeit (und beeinflusst die Auswahl der Zerkleinerungstechnik

leicht flüchtige, z. T. giftige Gase (Lagerung) anorganische Bestandteile beeinflussen Aschegehalt

und Ascheschmelzverhalten der Pellets Si erhöht den Abrieb sowie Verschleiß der Pressen (Koller, Matrizen) und Fördersysteme Ausgewählte Bestandteile Wasser Wassergehalt beeinflusst die Faserlänge beim Zerkleinern und den Trocknungsaufwand Der optimale Wassergehalt der Späne beeinflusst entscheidend die Festigkeit der Pellets gegen Abrieb Wassergehalt des Rohstoffs bestimmt den Trocknungsbedarf/-aufwand. Wassergehalt von Roh- und Brennstoff beeinflusst die Lagerfähigkeit (Pilzwachstum, Lagerverluste, Risiko der Selbstentzündung) des Materials, die Brennstoffmasse und deren Heizwert Die Zugabe von Wasser als Bindemittel in der Pelletierung verbessert die Gleitfähigkeit zu trockenen Materials, während die Heißdampfzugabe eher zur thermischen Aktivierung der Rohstoff-eigenen oder eingebrachten Bindemittel genutzt wird. Rinde Der hohe Gehalt an Lignin und Extraktstoffen (Gerbstoffe) macht Rohmaterial empfindlicher gegenüber Druck- und Temperatureinwirkung / Schmierfunktion optimiert Durchsatz der Presse / Energieaufwand hoher Anteil an Mineralstoffen erhöht Aschegehalt

Grundsubstanz Während Cellulose sich zu 48 % aus Kohlenstoff (52 % O, 6 % H) zusammen setzt, weist Lignin sogar zu 64 % Kohlenstoff (30 % O, 6 % H) auf. Eine adäquate

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Ausweisung der chemischen Zusammensetzung von Hemicellulosen ist aufgrund der großen Heterogenität nicht sinnvoll. Die ungleiche molekulare Zusammensetzung der Rohstoffe beeinflusst den Gesamtkohlenstoffgehalt des Bioenergieträgers und damit dessen auf Trockenmasse bezogenen Energiegehalt. Prinzipiell wurde für Nadelholz ein – im Vergleich zu Laubholz – durchschnittlich etwa 2 % höherer Heizwert festgestellt. Diese Steigerung sowie auch der um weitere 2 % höhere Heizwert der Nadelholzrinde, ist auf den höheren Ligningehalt der Nadelhölzer bzw. z. T. auch auf den erhöhten Gehalt an Extraktstoffen zurückzuführen. Beide Stoffgruppen kennzeichnen sich dadurch, dass ihr Teilheizwert mit ca. 27,0 bzw. 35,9 MJ/kg deutlich höher ist als der für Cellulose (ca. 17,3 MJ/kg) oder Hemicellulosen (ca. 16,2 MJ/kg) /8/. Lignin Da Lignin in abgestorbenen Pflanzen zunehmend aushärtet (trocknet) und damit seine Bindefähigkeit verliert, ist in der Pelletierung eine Aktivierung /Erweichung des Lignins durch Wärmezufuhr möglich. Eine ausreichende Temperaturerhöhung kann bei relativ frischem Rohmaterial z. T. allein durch die Reib- und Druckwirkung des Pressgutes in der Matrize erreicht werden. Technisch unterstützt kann die Aktivierung des Lignins (z. B. bei älterem, länger gelagertem Rohmaterial) durch die Warmwasser- oder Heißdampfzugabe im Konditionierer /1/. Infolge der hydrophoben Struktur (wasserabweisend) des Lignins wird eine zügige Absorption des Wassers (Wassereinbindung) jedoch begrenzt /11/. Deshalb wirkt die Heißdampfzugabe (geringes Wasservolumen, hoher Wärmeeintrag) wahrscheinlich für die Ligninaktivierung optimaler als die Zumischung von Warmwasser. Zudem werden die Verweilzeiten der Pressgutmischung begrenzt. Die Formstabilität und mechanische Festigkeit der Pellets wird nur erreicht, wenn das Pressgut direkt nach der Pelletierung rasch abgekühlt wird, um das zuvor erweichte Lignin bzw. eventuell zugesetzte Bindemittel nun auszuhärten (ÖKühler /7/, /12/, /13/. Die Zulassung von chemisch extrahiertem Lignin (aus der Zellstoffindustrie) zum Einsatz als Presshilfsmittel in der Pelletproduktion wird unterschiedlich gehandhabt und ist von den national geltenden Standards bzw. gesetzlichen Rahmenbedingungen abhängig. In Deutschland sind nur naturbelassene Bindemittel aus land- und forstwirtschaftlicher Biomasse zugelassen, wenn die Pellets in Feuerungsanlagen in den Geltungsbereich der 1. BImSchV fallen /3/, /4/. Stärke, Zucker, Eiweiße Klebwirkung unterstützt Bindung der Rohstoffpartikel beim Pressen. Durch die Zugabe von Presshilfsmitteln auf Basis von Getreide- und Kartoffelstärken oder Melasse wird die natürliche Konzentration der Extraktstoffe im Pressgut erhöht (Stärkung der mechanischen Festigkeit der Pellets) und die Gleitfähigkeit / Schmierfunktion des Pressgutes verbessert /1/. Melasse kann jedoch auch zur Reduzierung der Durchsatzleistung der Presse führen /20/.


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Fette, Öle Schmier- und Gleitwirkung der Extraktstoffe kann den Energieaufwand des Pressvorgangs mindern und parallel dazu den Materialdurchsatz durch die Presse erhöhen /20/. Wachse Biomassen, die mit einer Wachsschicht umhüllte Rohstoffoberflächen aufweisen (z B. Getreidepflanzen), weisen ohne Vorbehandlung eine tendenziell schlechtere Pelletierbarkeit gegenüber holzartigen Biomassen auf. Die Auflösung der Wachsschicht ist beispielsweise mit einem Doppelschneckenextruder möglich, der das Rohmaterial zerfasert statt es in Schneid- oder Hammermühlen zu zerkleinern (typisch für Holz). Mit einer parallelen Wasserdampfbehandlung kann dieser Prozess unterstützt werden. Faserpellets weisen in der Regel eine höhere mechanische Festigkeit und einen geringeren Feinanteil als vergleichbare Strohpellets aus Häckselgut auf /7/. Harze Infolge des Temperaturanstieges in der Presse während der Pelletierung (Druck-, Reibkräfte) werden die harzhaltigen Bestandteile des Rohmaterials erweicht und unterstützen durch ihre Klebeigenschaften die mechanische Festigkeit der Pellets (ähnliche Wirkung wie Lignin) /7/. Terpene Bei der Lagerung von Holz kann es durch den leicht flüchtigen Charakter der Terpene zu Ausgasungen kommen, die in abgeschlossenen Lagerräumen zu gesundheitsgefährdenden Konzentration führen kann (zusammen mit CO und Hexanal) /6/. Mineralien Durch mineralische Verunreinigungen (z. B. mit Sand, Steinen etc.) des Rohmaterials während der Lagerung oder dem Transport kann der natürliche Mineralstoffgehalt erhöht werden /26/. Wassergehalt Ein zu hoher Wassergehalt des Ausgangsmaterials vermindert die physikalischmechanischen Eigenschaften der Pellets und insbesondere deren Festigkeit (Abrieb). Die Pellets können rissig werden und quellen infolge des Dampfaustritts unmittelbar nach dem Austritt aus der Presse auf. Diese Qualitätsminderung kann auch bei einem inhomogenen Wassergehalt des Rohmaterials vor der Pelletierung auftreten /27/. Rindenanteil Höherer Anteil an Extrakten und mineralischen Verunreinigungen verstärkt deren damit verbundenen Wirkungen. Der relativ hohe Ligninanteil in der Rinde kann jedoch schon bei geringen Beimischungsquoten in den meisten Fällen eine Verbesserung der Durchsatzleistung der Pelletpresse bewirken /20/. Für den Holzpelleteinsatz stellt die Beimischung des Rindenanteils jedoch ein entscheidendes

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Qualitätskriterium dar, da Rinde einen bedeutend höheren Gehalt an Schwermetallen und Asche enthält. Neben dem Ausschlusskriterium des Rindenanteils kann aber auch der regional- und witterungsbedingte Aufwuchsort eines Baumes eine natürlich erhöhte Konzentration von spezifischen Elementargehalten wie Alkalien / Erdalkalien (z. B. K, Ca, Mg) und Metallen (z. B. Si, Fe, Zn, Cd, Pb) verursachen, die das Holzrohmaterial für die Premiumpelletproduktion als kritisch bis unbrauchbar einstufen lassen, da sie zu technischen Problemen beim Einsatz in KFA führen können. Zur Qualitätssicherung des Rohstoffinputs werden deshalb Schnelltestverfahren und Laboranalysen genutzt, die die wesentlichen Holzeigenschaften im Anlieferungszustand analysieren und protokollieren. Die Häufigkeit dieser Qualitätsnachweise wird vertraglich geregelt; zusätzlich sollten Rückstellproben im Pelletwerk von jeder Lieferung Rohmaterial genommen werden.


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3 Verbrennungstechnische Eigenschaften ......................................................... 36 3.1 Grundlagen der Verbrennung .................................................................... 36 3.2 Physikalisch-mechanische Brennstoffeigenschaften ................................. 41 3.3 Chemisch-stoffliche Brennstoffeigenschaften ........................................... 45 3.3.1 Energieträgerspezifische Einflussgrößen ........................................... 47 3.3.2 Verbrennungsprodukte beeinflussende Eigenschaften ....................... 53 Literaturverzeichnis ......................................................................................... 56

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3 Verbrennungstechnische Eigenschaften


3.1 Grundlagen der Verbrennung Als Verbrennung wird die Oxidation eines Brennstoffs unter Energiefreisetzung verstanden. Kohlenstoff (C) bzw. Wasserstoff (H) werden in Gegenwart von Sauerstoff (O) zu Kohlenstoffdioxid (CO2) bzw. Wasser (H2O) oxidiert. Chemisch gesehen lässt sich die Oxidation von Holz durch folgende Reaktionsgleichung beschreiben /10/, /15/:

CH1,44 O0,66 + 1,04 O2 Ö CO2 + 0,72 H2O(Dampf) + Energie(Wärme) Bei einer vollständigen Oxidation aller oxidierbarer Bestandteile, spricht man von einer vollständigen Verbrennung. Die Luftüberschusszahl O muss dabei immer gleich oder größer eins sein (O t 1). Bei einer unvollständigen Verbrennung, d. h. bei O d 1, verbleiben nach Ablauf der Oxidationsreaktion noch un- oder teiloxidierte Brennstoffmengen, die anschließend unter Energiefreisetzung weiter oxidiert werden können. Voraussetzungen für eine vollständige Verbrennung ist eine hohe Verbrennungstemperatur, eine gute Vermischung der brennbaren Gase mit der Verbrennungsluft, ein kleiner Luftüberschuss und eine ausreichende Aufenthaltszeit der Brennstoffteilchen in der heißen Verbrennungszone. Der Ablauf der Oxidation von Festbrennstoffen kann in mehrere Prozessphasen gegliedert werden, die zum Teil gleichzeitig, zum Teil nacheinander ablaufen. In Abb. 3.1 ist die Verbrennung von Holz schematisch dargestellt und wird nachfolgend beschrieben /10/, /15/, /16/, /22/, /23/, /28/: – –

Mit dem Eintritt der Biomasse in den Feuerraum beginnt das Aufheizen (Erwärmung) des Brennstoffs durch Rückstrahlung von Flamme, Glutbett und Feuerraumwänden. Ab ca. 100°C setzt die Trocknung des Brennstoffs durch Verdampfung und Wegtransport des Wassers ein. Dabei wird das Wasser sowohl aus der porösen Struktur des organischen Materials als auch aus dem Inneren der Zellen (bei höheren Temperaturen) ausgetrieben.


3.1 Grundlagen der Verbrennung

–

–

–

–

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Während die Biomasse im Innern noch trocknet, beginnt ab einer Oberflächentemperatur von etwa 200°C die pyrolytische Zersetzung mit der Aufspaltung der Makromoleküle (d. h. Cellulose, Hemizellulose, Lignin). Dabei werden die flüchtigen Bestandteile (CO, CH4, H2ODampf etc.), Teere und organischen Dämpfe / Aromate an die Holzoberfläche transportiert und freigesetzt. Übrig bleibt fester Kohlenstoff (Holzkohle). Bei etwa 500°C beginnt die Vergasung des festen Kohlenstoffs (etwa 15 – 20 % der Biomasse) mit Kohlenstoffdioxid, Wasserdampf und Sauerstoff zu Kohlenstoffmonoxid. Parallel dazu vermischen sich die flüchtigen Verbindungen (etwa 80 – 85 %) mit dem zugeführten Sauerstoff und eine homogene Verbrennungsreaktion der Gase setzt ein. Die Oxidation der Holzkohle beginnt bei etwa 700°C mit einer heterogenen Gas-Feststoff-Reaktion, weshalb diese Phase bedeutend langsamer als die Verbrennung der Gase im Feuerraum abläuft. Je nach Brennstoff und Feuerungssystem steigen die Temperaturen in Holzfeuerungsanlagen während der 2-stufigen Verbrennung auf bis zu 1.500°C (max. 2.000°C, typischerweise jedoch zwischen 900 – 1.300°C) in der Hauptreaktionszone und liegen die Temperaturen bei 600 – 700°C am Ende der Brennkammer. Die hohen Temperaturen in der Brennkammer sind auf die exotherm verlaufende Oxidationsreaktion der bei der pyrolytischen Zersetzung gebildeten Produkte mit Sauerstoff zurückzuführen und begünstigen die Wärmeübertragung der Flammen an die umliegenden Wände der Feuerungsanlage (Wärmetauscher). Es verbleiben als wesentliche Bestandteile des Abgases Kohlenstoffdioxid (CO2) und Wasserdampf (H2ODampf) sowie ein geringer Anteil an unverbrannten Bestandteilen in der Asche zurück.

Die geschilderten Verbrennungsvorgänge laufen in Abhängigkeit von den lokalen Temperaturen in verschiedenen Bereichen des Brennstoffs gleichzeitig ab. Die Reaktionsgeschwindigkeit hängt vor allem von der Größe der Brennstoffteile und von der Temperatur in der Feuerung ab. Bei automatisch beschickten Feuerungsanlagen finden zu jedem Zeitpunkt die beschriebenen Vorgänge parallel statt, da sowohl kontinuierlich neuer Brennstoff im Feuerraum zugeführt wird, als auch bereits entgaster Brennstoff in Form von Holzkohle vorhanden ist und verbrennt. Versucht man den thermochemischen Verbrennungsprozess in Bezug auf die thermische Zersetzung der Molekularstruktur der Biomasse nachzuvollziehen, beginnt die irreversible Zerstörung der ersten Makromoleküle mit der Erwärmung des Brennstoffs in einem Temperaturbereich zwischen 150 – 200°C (Abb. 3-2). In Abhängigkeit von der Aufheizrate (K/min) und dem Rohstoff wird zunehmend pflanzliche Substanz abgebaut, bis nur noch fester Kohlenstoff (Holzkohle) verbleibt. Die Massenanteile der dabei freigesetzten gasförmigen Zersetzungsprodukte (CO2, H20, CH4 etc.) werden von den Rohstoff-spezifischen Anteilen an Cellulose, Hemizellulose und Lignin bestimmt. Nach Durchschreiten des Temperaturbereiches von etwa 320 - 340°C ist bei Holz bereits etwa 30 % Gewichtsverlust zu verzeichnen, bei 400°C wird die maximale Freisetzung von Gasen und Dämpfen (Abbau von Flüchtigen Bestandteilen, Abb. 3.8) und auch des

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Celluloseabbaus erreicht, der bei etwa 450°C beendet ist. Die Biomasse markiert einen Gewichtsverlust von etwa 70 %. Mit der weiteren Erwärmung der Biomasse erfolgt der noch verbliebene Ligninabbau bis zu einer Temperatur von etwa 700°C. Anschließend setzt die Oxidation (Verbrennung) der Holzkohle ein /10/.

Abb. 3.1: Abbrandverhalten von Holz (nicht dargestellt ist der parallel zum Gasausbrand ablaufende Abbrand des Kohlenstoffs mit Primärluft), /5/

Der genaue Ablauf des thermo-chemischen Umwandlungsprozesses wird bei biogenen Festbrennstoffen wesentlich durch die brennstoffspezifischen Eigenschaften beeinflusst. Das gilt insbesondere für die Prozesse, die der Schadstoffbildung zugrunde liegen. Bei der thermischen Umwandlung muss daher den jeweiligen Besonderheiten des verwendeten Brennstoffs adäquat Rechnung getragen werden /10/. Hierfür ist es sinnvoll den Brennstoff (die Pellets) sowohl nach seiner Herkunft bzw. der Rohstoffart als auch nach dessen Brennstoffeigenschaften mittels qualitativer Kennwerte zu beschreiben.

3.1 Grundlagen der Verbrennung

39

Abb. 3.2: Thermische Zersetzung von Holz und seinen Bestandteilen Cellulose, Hemizellulose und Lignin in Abhängigkeit von der Temperatur, /10/

In Tabelle 3.1 werden deshalb nicht nur die Zusammensetzung und Merkmale biogener Festbrennstoffe diskutiert und ihre Auswirkungen auf den Verbrennungsprozess zusammengestellt. Für einen ganzheitlichen Ansatz zur Bewertung eines Versorgungskonzeptes sollten jedoch zusätzliche Faktoren vor- und nachgelagerter Prozesse in die Betrachtung einfließen, wie z. B. die Betriebsart der Anlage, die Brennstoffbereitstellung (Transport, Lagerung) und die Ascheverwertung. So kann beispielsweise ein zu hoher Wassergehalt des Brennstoffs nicht nur Wirkungsgradverluste der Feuerungsanlage verursachen, sondern auch erhöhte Substanzverluste während der Lagerung und einen Pilzbefall des Brennstoffs begünstigen, womit gesundheitsgefährdende Emissionen verbunden sein können. Aus den Brennstoff-charakterisierenden Kenngrößen und Qualitätsmerkmalen lassen sich Aussagen zur Funktionalität der Kombination von Brennstoff und Feuerungsanlage sowie zum Verlauf der thermochemischen Konversion ableiten. Dabei beeinflussen die energieträgerspezifischen bzw. verbrennungstechnischen Eigenschaften den Energieinhalt und das Abbrandverhalten eines Brennstoffes, die chemische Zusammensetzung mögliche Emissionen sowie die Aschecharakteristika. Im Unterschied dazu ist die Angabe der physikalisch-mechanischen Eigenschaften für die Auswahl bzw. Eignung der Verbrennungstechnik sowie für die Lagerung und den Transport relevant /9/, /26/.

40


Tabelle 3.1: Zusammensetzung und qualitative Eigenschaften von Biomassepellets sowie deren Auswirkungen auf die Verbrennung, /3/, /5/, /8/, /10/, /11/, /13/, /14/, /25/

Parameter

Auswirkungen

Physikalisch- mechanische Brennstoffeigenschaften Stückigkeit / Brennstoffform (Abmessungen, Geometrie) Partikel- und Faserstruktur

Zuordnung zu mechanischen Systemen (Fördersystemen) und Feuerungsanlagentypen; Zündfähigkeit, Ausbrennzeit

Stückigkeit, Mahlbarkeit (Auswahl und Auslegung der Zerkleinerungstechnik zur Brennstoffaufbereitung für die Pelletierung bzw. zur Brennstoffeinbringung in den Feuerraum) Größenverteilung / Homogenität des Brennstoffs, Rieselfähigkeit, BrückenbildungsFeinanteil neigung, Störung der Förderelemente, Betriebskontinuität; Abbrandverhalten, Staubentwicklung / Explosionsgefahr Abriebfestigkeit Feinanteil (Förderverhalten, Entmischungsgefahr, Staubentwicklung, Transportverluste) Lagerdichte (Schütt- Auswahl, Dimensionierung und Aufwendungen der Lager-, Förderbzw. Stapeldichte) und Transporttechnik sowie der Vorratsbehälter Rohdichte (TeilLagerdichte, Auswahl und Dimensionierung der Fördersysteme; chendichte) energieträgerspezifische Eigenschaften (spezifische Wärmeleitfähigkeit, Ausbrennzeit / Entgasungsrate, etc.) Chemisch-stoffliche Brennstoffeigenschaften Wassergehalt

Trocknungsbedarf des Brennstoffs; Lagerfähigkeit (Pilzwachstum, Lagerverluste) des Brennstoff, Risiko der Selbstentzündung; Brennstoffmasse, Heizwert, Verbrennungstemperatur, Ausbrennzeit Heizwert, Brennwert Energiegehalt des Brennstoffs; Dimensionierung der Feuerungsanlage und des Lagers Flüchtige Bestandthermischen Zersetzung, Verbrennungsverhalten / Zündfreudigkeit teile des Brennstoffs Aschegehalt Partikelemissionen (Staub), Dimensionierung der Feuerungsanlage; Ascheanfall / Verschlackungsgefahr, Ascheverwertung und – entsorgung; Reinigungsbedarf, Bedienkomfort Ascheerweichungsverhalten

Neigung zu Ablagerungen und Verschlackung, Auswahl der Feuerungsanlage (z. B. Rostauslegung und -kühlung); Betriebssicherheit und –kontinuität, Wartungsbedarf

3.2 Physikalisch-mechanische Brennstoffeigenschaften

41

Tabelle 3.1 (Fortsetzung)

Kohlenstoff (C), Wasserstoff (H), Sauerstoff (O) Stickstoff (N) Schwefel (S)

Chlor (Cl)

Phosphor (P)

Energiegehalt des Brennstoffs; Luftbedarf während der Verbrennung; Zusammensetzung der Konversionsprodukte (Produkt- bzw. Abgas) und der Asche Abgasemissionen (NOx, HCN, N2O, N3H) Abgasemissionen (SOx, SO2, SO3 / H2SO4); Aerosolbildung (Feinstaub); erhöhte Korrosionsgefahr Abgasemissionen (HCl, Cl2, Dioxine & Furane PCDD/F); Aerosolbildung (Feinstaub); erhöhte Korrosionsgefahr; Verschlackung im Zusammenwirken mit Alkali-/Erdalkalimetallen Schadstoffeinbindung in der Asche/ Ascheverwertung (Düngewert)

Alkali- / Erdalkalimetalle (K, Ca, Mg, Na)

Ascheerweichungsverhalten (K und Na senken, Ca und Mg heben Ascheerweichungstemp.); Schadstoffeinbindung in die Asche (Ca, Mg); Ascheverwertung (Düngewert: Ca, K, Mg); Hochtemperaturkorrosion (K); Feinstaubemissionen / Aerosolbildung (K, Na) Spurenelemente, v.a. Abrieb an Förderanlagen; Metalle Ascheerweichungsverhalten (Si), Aschemenge, -qualität und – (Fe, Zn, Al, Cd, Cu, verwertung; Cr, Ni, Hg, Pb, Si, Aerosolbildung (Zn, Pb), z. T. katalytische Wirkung auf PCDD/FAs) Bildung

3.2 Physikalisch-mechanische Brennstoffeigenschaften Die physikalisch-mechanischen Eigenschaften kennzeichnen die äußeren Brennstoffmerkmale, die sich u. a. durch Parameter wie Größenverteilung, Feinanteil, Brückenbildungsneigung, Schütt– und Lagerdichte beschreiben lassen. Diese Merkmale werden wesentlich von den Rohstoffbereitstellungs- (Ernte) und Aufbreitungstechnologien (bei Pellets: Zerkleinern, Konditionieren, Pelletierung) bestimmt und lassen sich somit an die jeweiligen Brennstoffanforderungen anpassen. Die Brennstoffbeschaffenheit hat einen entscheidenden Einfluss auf die Handhabbarkeit des Brennstoffs bei Transport- und Lagervorgängen /8/, /10/.

42


Brückenbildungsneigung Korngrößenverteilung

Abriebfestigkeit (Presslinge)

Heizwert

Aschegehalt

Wassergehalt

Verunreinigungen

Schüttdichte

Ascheerweichungsverhalten

Rohdichte Abb. 3.3: Wechselwirkungen physikalisch-mechanischer Brennstoffeigenschaften und chemisch-stofflicher Kennwerte, /10/

Stückigkeit, Brennstoffform Pellets haben entsprechend ihrer Definition nach prEN 14588 normalerweise eine zylindrischen Form mit einer typischen Länge von 5 – 40 mm und einen Durchmesser < 25 mm (DIN EN 14961-1) /4/, /19/. Briketts grenzen sich gegenüber Pellets durch ihren größeren Durchmesser (t 25 mm) sowie die überwiegend stapelbare, längliche Form ab/2/, /19/. Entsprechend den EU-Produktstandards prEN 14961-2 (für Holzpellets) und prEN 14961-6 (für Nicht-Holzpellets) werden als Brennstoff für den Einsatz in Feuerungsanlagen im kleinen und mittleren Leistungsbereich Pellets mit einem Durchmesser von 6 oder 8 mm Durchmesser bezeichnet /19/, /20/. In Deutschland und Österreich haben sich in diesem Leistungsbereich seit längerem die 6 mm-Pellets etabliert, während in Skandinavien und Frankreich auch andere Pelletdurchmesser verwendet werden. Größenverteilung und Feinanteil (Abriebfestigkeit) Für die mechanischen Entnahme–, Förder– und Beschickungssysteme von Konversionsanlagen ist besonders die Pelletlängenverteilung sowie der Feinanteil im Schüttgut und somit neben der mittleren Teilchenlänge auch die Anteile einzelner Größenklassen und vor allem die Maximallänge der Pellets von Bedeutung /5/. Deshalb wurde bei der Standardisierung von Pellets die Größen-/Längenverteilung des Brennstoffs als ein Qualitätskennwert definiert1 /19/. Der Feinanteil eines Brennstoffs ist das Maß für dessen Abriebfestigkeit und gibt Aufschluss über die Robustheit des Brennstoffs (d. h. Staubentwicklung, Zerfall und Entmischung) gegenüber mechanischen Beanspruchungen, wie beispielsweise bei Umschlag-, Transportprozessen (Tabelle 3.2). Die 1 nach prEN 14961-2 müssen Pellets für die nicht-industrielle Nutzung eine Mindestlänge von 3,15 mm und höchstens 40 mm haben, wobei 1 % der Pellets diese Längenbegrenzung bis maximal 45 mm überschreiten darf

3.2 Physikalisch-mechanische Brennstoffeigenschaften

43

Bruchenden der Pellets stellen die bedeutendste Ursache für einen erhöhten Feinanteil dar, weshalb die Abriebfestigkeit mit der Anzahl der Pellets pro kg korreliert /13/. Tabelle 3.2: Richtwerte zur überschlägigen Kalkulation des Feingutanfalls entsprechend der eingesetzten Logistik- bzw. Transporttechnologie, /1/

Transportfahrzeug bzw. Umschlagvorgänge

Entfernung / Entladung in

Silopumpwagen 50 km LKW mit pneumatischer Entladerampe 100 km LKW ohne automatische Entladerampe 100 km Schüttgutwagons der Bahn inkl. Be- und 400 km Entladung Binnenschiffstransport inkl. Be- und Entladung (1.000-5.000 t Zuladung) Hochseeschiffstransport inkl. Be- und Entladung (bis zu 15.000 t Zuladung) Umschlagprozesse je 1 t Holzpellets: Automatische Abfüllung von LKW aus Hochsilolager Umschlag Freifläche/Lager auf LKW Umschlag von LKW auf Zug Umschlag von LKW auf Binnenschiff mit Zwischenlagerung Umschlag von LKW auf Hochseeschiff mit Zwischenlagerung Umschlag von Zug auf Hochseeschiff a)

Erhöhung des Feingutanteils um (Spannbreiten von - bis in %)a) 0,3 – 0,5 % 0,5 – 0,8 % 0,3 – 0,5 % 0,5 – 1,0 % 1,5 – 2,5 % 1,5 - 3,5 %

0,3 – 0,5 % 1,5 – 3,5 % 0,5 – 1,5 % 1,5 – 3,5 % 1,5 – 3,5 % 1,5 – 3,5 %

Spannbreiten in Abhängigkeit von der Umschlagtechnik

Brückenbildungsneigung (Rieselfähigkeit) Bei der Entnahme von Pellets (Schüttgut) aus Silos oder Vorratsbehältern kann es zur Bildung von unerwünschten Hohlräumen (so genannten Brücken oder Schächten) kommen. Das heißt, dass der Brennstoff nicht mehr nachrutscht und somit das Fördersystem keinen Brennstoff zur Feuerungsanlage transportieren kann. Die Brückenbildungsneigung eines Brennstoffs nimmt mit dem Wassergehalt, der Schütthöhe und mit der steigenden Anzahl heterogener Teilchen zu. Gleichmäßige Partikelgrößen / Pelletlängen sowie glatte Oberflächen vermindern das Risiko der Brückenbildung /8/, /10/.

44


Brückenbildung

Schachtbildung

Abb. 3.4: Brücke-und-Schacht.cdrPhänomene ungünstiger Fließfähigkeit von Schüttgütern, /10/

Partikel- und Faserstruktur (Mahlbarkeit) Die Partikel- und Faserstruktur der Rohstoffteilchen ist bei Pellets vor allem beim Aufmahlen des Brennstoffs zum Einsatz im Kraftwerkssektor mit Staubrennern, Einblas- oder Wirbelschichtfeuerung von Bedeutung. Mit Hilfe von Brennstoffmühlen (Schneid- und Hammermühlen) werden Pellets auf einen ähnlichen Zerkleinerungsgrad wie die eingesetzten fossilen Brennstoffe (i. d. R. Kohle) zermahlen und damit eine parallele oder gemeinsame Brennstoffzuführung in den Feuerraum zu ermöglichen. Die Mahlbarkeit der Pellets wird vor allem vom Wassergehalt und der mechanischen Festigkeit des Brennstoffs sowie von der Faserstruktur und Geometrie der verpressten Rohstoffteilchen bestimmt. Eine Balance zwischen guter Mahlbarkeit der Pellets und hoher Lagerdichte ist zu beachten /23/, /25/. Roh- und Lagerdichte Die Dichte eines Festbrennstoffs kann entsprechend verschiedener Kriterien in Roh– und Lagerdichte (Schütt- bzw. Stapeldichte) unterschieden werden. Die Rohdichte beschreibt die eigentliche Materialdichte des Brennstoffs (Tabelle 3.3). In Bezug auf die Lagerung und den Transport ist weiterhin die Schütt- bzw. die Stapeldichte des Brennstoffs von Relevanz, welche das erforderliche Lager- und Transportvolumen bestimmt.

3.3 Chemisch-stoffliche Brennstoffeigenschaften

45

Tabelle 3.3: Rohdichten von absolut trockenem Holz („Darrdichte“), /10/

Weichhölzer (bis 550 kg/m3) Fichte 430 kg/m3 Tanne 410 kg/m3 Weißkiefer 490 kg/m3 Douglasie 470 kg/m3 Lärche 550 kg/m3 Erle 490 kg/m3 Linde 490 kg/m3 Aspe/Espe/Zitterpappel 450 kg/m3 Pappel 410 kg/m3 Weide 520 kg/m3

Harthölzer (über 550 kg/m3) Eiche 670 kg/m3 Bergahorn 500 kg/m3 Esche 670 kg/m3 Buche 680 kg/m3 Birke 640 kg/m3 Hainbuche/Weißbuche 750 kg/m3 Schwarzkiefer 560 kg/m3 Hasel 560 kg/m3 Robinie 730 kg/m3 Ulme 640 kg/m3

Biogene Rohstoffe weisen im Allgemeinen im Vergleich zu fossilen Energieträgern bedeutend geringere Roh– bzw. Lagerdichten auf, während die Schüttdichte von Holzpellets (650 kg/m³) bereits die untere Schwankungsbreite von Kohle erreicht (500 – 600 kg/m³ Braunkohle; 720 – 810 kg/m³ Steinkohle). Jedoch spielt bei einem Brennstoffvergleich auch immer die Energiedichte (d. h. Energieinhalt / Volumen in Abhängigkeit von der Rohdichte) eine entscheidende Rolle. Sie bestimmt maßgeblich das bereitzustellende Brennstoffvolumen zur Erzeugung einer definierten Energiemenge /8/, /10/, /25/. Tabelle 3.4: Typische Lagerdichten biogener Festbrennstoffe (geschüttet bzw. gestapelt) bei einem Wassergehalt von 15 %, /10/

Holzbrennstoffe

Halmgutbrennstoffe

Scheitholz (gestapelt) Hackgut

Dichte in kg/m3 Buche 445 Fichte 305 Weichholz 200 Hartholz 280

Rundballen

Nadelholz

Häckselgut

Rinde Sägemehl Hobelspäne Pellets

175 160 90 650

Quaderballen

Stroh Heu Stroh, Miscanthus Heu Getreideganzpflanzen Miscanthus Getreideganzpflanzen

Getreidekörner Pellets

Dichte in kg/m3 85 100 140 160 190 110 150 750 550

3.3 Chemisch-stoffliche Brennstoffeigenschaften Die wesentlichen Bestandteile von Festbrennstoffen sind Kohlenstoff (C), Wasserstoff (H) und Sauerstoff (O), die den Heizwert und damit den Energieinhalt des

46


(trockenen) Brennstoffes bestimmen (Tabelle 3.5). Biogene Brennstoffe weisen im Vergleich zu fossilen Bioenergieträgern bedeutend höhere Sauerstoff- und niedrigere Kohlenstoffgehalte auf. Tabelle 3.5: Gehalte an Hauptelementen in naturbelassenen Biomasse-Festbrennstoffen im Vergleich zu Stein- und Braunkohle, /4/, /10/

Brennstoff/Biomasseart

C

H

O

WRHa (Nadelholz) WRHa (Laubholz)

51,0 49,0 52,0 52,0 51,0 51,0

6,3 6,2 5,9 5,8 6,0 6,0

42,0 44,0 38,0 38,0 40,0 40,0

0,10 0,10 0,50 0,30 0,50 0,50

0,04 0,08 0,20 0,20 0,20 0,15

0,09 0,12 0,50 1,50 0,50 0,40

0,015 0,006 0,02 0,01 0,10 0,04 0,05 0,04 0,08 0,05 0,025 0,03

Fichtenholz (mit Rinde) Buchenholz (mit Rinde) Pappelholz (Kurzumtrieb) Weidenholz (Kurzumtrieb) Roggenstroh Weizenstroh Triticalestroh Gerstenstroh Rapsstroh Maisstroh Sonnenblumenstroh Hanfstroh

49,8 47,9 48,0 48,0 46,6 45,6 43,9 47,5 48,0 45,7 42,5 46,1

6,3 6,2 6,2 6,1 6,0 5,8 5,9 5,8 6,0 5,3 5,1 5,9

43,2 45,2 43,0 43,0 42,1 42,4 43,8 41,4 41,0 41,7 39,1 42,5

0,13 0,22 0,40 0,50 0,55 0,48 0,42 0,46 0,80 0,65 1,11 0,74

0,13 0,15 0,25 0,25 1,68 1,01 1,05 1,38 1,00

0,70 0,29 0,50 0,50 0,36 0,31 0,31 0,49 1,50

0,08 0,04 0,05 0,05 0,06 0,10 0,05 0,07 0,07

5,00 1,54

0,015 0,005 0,015 0,006 0,03 < 0,01 0,05 0,03 0,085 0,40 0,082 0,19 0,056 0,27 0,089 0,40 0,30 0,50 0,12 0,35 1,90 0,21 0,20 0,15 0,81 1,34 0,20 0,25 0,10 0,20

Roggenganzpflanzen Weizenganzpflanzen Triticaleganzpflanzen

48,0 5,8 45,2 6,4 44,0 6,0

40,9 42,9 44,6

1,14 1,41 1,08

1,11 0,71 0,90

0,07 0,28 0,21 0,12 0,24 0,19 0,09 0,22

0,11 0,12 0,18

0,34 0,09 0,14

Roggenkörner Weizenkörner Triticalekörner Rapskörner

45,7 43,6 43,5 60,0

6,4 6,5 6,4 7,1

44,0 44,9 46,4 23,0

1,91 2,28 1,68 3,80

0,66 0,46 0,62 0,84

0,17 0,49 0,05 0,13 0,39 0,06 0,10 0,35 0,50 0,26 0,73

0,11 0,12 0,11 0,10

0,16 0,04 0,07 0,07

Miscanthus Gras (Heu), gemischt

47,0 6,1 46,0 5,9

42,0 40,0

0,70 1,3

0,70 1,50

0,20 0,06 0,05 0,35 0,17 1,50

0,20 0,20

0,20 0,70

Nadelholz (ohne Rinde) Laubholz (ohne Rinde) Rinde (Nadelholz) Rinde (Laubholz)

a

N K Ca Mg P in % der Trockenmasse

S

Cl

< 0,02 0,02 0,03 0,03 < 0,02 0,04

0,01 0,01 0,02 0,02 0,01 0,01

0,03 0,04 0,10 0,08 0,15 0,10 0,08 0,21 0,10

WRH - Wald(rest)holz

Bestimmte Brennstoffeigenschaften einer Biomasse können allein durch die Auswertung der spezifischen Laboranalysen des Rohmaterials abgeleitet werden und somit auf besonders günstige oder ungünstige Verbrennungscharakteristika deuten. Laborergebnisse mit Messwerten außerhalb des Biomasse-spezifischen Kenndatenbereiches lassen häufig auf bewusste oder unbewusste Verunreinigungen / Beimischungen oder Art-untypische Aufwuchsbedingungen (Boden, Klima


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etc.) schließen. So können z. B. erhöhte N, S oder Cl-Gehalte ein Anzeichen für chemische Verunreinigungen durch Insektizide, Leime, Lacke, Holzkonservierungsstoffe oder unzulässige Presshilfsmittel sein. Die im Folgenden zusammengefassten energieträgerspezifischen Eigenschaften von Festbrennstoffen sind primär für die thermochemische Umwandlung relevant und hängen stark von der Elementarzusammensetzung des betrachteten Brennstoffs ab.

3.3.1 Energieträgerspezifische Einflussgrößen Die nachfolgend beschriebenen energieträgerspezifischen Eigenschaften sind primär für die thermochemische Umwandlung eines Festbrennstoffs relevant und hängen stark von dessen Elementarzusammensetzung ab. Wassergehalt Die im Brennstoff enthaltene Wassermenge wird bei Festbrennstoffen üblicherweise mit dem Wassergehalt angegeben. Dabei wird die enthaltene Wassermasse auf die Gesamtmasse des feuchten Brennstoffs bezogen /5/. Der Wassergehalt von Pellets wird von den Konditionen während der Pelletierung (Wassergehalt des Pressgutes) sowie der Pelletlagerung einschließlich der Lagerdauer bestimmt. Üblicher Weise liegt er zwischen 8 bis 12 %. Da in der Regel biologische Ab- und Umbauprozesse von Biomassen erst bei Wassergehalten von deutlich über 16 % angeregt werden – verbunden mit Energieverlusten – besteht bei Pellets keine akute Gefahr. Dennoch sollte die aus einer Erhöhung des Wassergehaltes resultierende Neigung des Brennstoffs zur Selbsterwärmung und Selbstentzündung nicht außer Acht gelassen werden /10/. In Bezug auf die thermochemische Konversion ist ein geringer Wassergehalt vorteilhaft, da der nutzbare Energieinhalt eines Brennstoffes bezogen auf dessen Gesamtmasse mit dessen Wassergehalt sinkt (vgl. Heizwert /Brennwert) /7/. Zwischen dem Wassergehalt und dem Heizwert eines Brennstoffs besteht ein linearer Zusammenhang. In Abb. 3.5 wird deutlich, dass beispielsweise der Heizwert von Holz (hier 18,5 MJ/kg) mit zunehmenden Wassergehalt bzw. ansteigender Brennstofffeuchte linear abnimmt. Bei rund 88 % Wassergehalt bzw. 730 % Brennstofffeuchte sinkt er gegen Null. Der Wassergehalt einer Biomasse beeinflusst den Energiegehalt wesentlich mehr als die Biomasseart /10/.

48


Abb. 3.5: Unterschied zwischen Heizwert und Brennwert bei variierenden Wassergehalten eines Holzbrennstoffs, /10/

Heizwert/Brennwert Der Heizwert Hu und der Brennwert Ho werden in der internationalen Normung mit qnet (engl. net calorific value) und qgr (engl. gross calorific value) zur Bezeichnung des Energieinhaltes von Brennstoffen verwendet. Unter dem Heizwert wird die Wärmemenge verstanden, die bei der vollständigen Oxidation eines Brennstoffes ohne Berücksichtigung der Kondensationswärme des im Rauchgas befindlichen Wasserdampfes freigesetzt wird (d. h., das bei der Verbrennung gebildete Wasser im gasförmigem Zustand wird nicht berücksichtigt). Der Brennwert gibt die bei vollständiger Oxidation einer bestimmten Brennstoffmenge freigesetzte Wärmemenge an, unter Berücksichtigung der Reaktionswärme des im Rauchgas kondensierten Wasserdampfes. Bei festen und flüssigen Brennstoffen wird der Brennwert auf 1 kg Brennstoff, bei gasförmigen auf 1 m³ Gas unter Normbedingungen (0°C; 1013,2 mbar) bezogen. Die Differenz zwischen Brennwert und Heizwert entspricht der Verdampfungsenthalpie des entsprechenden Wasserdampfes bei 25 °C (2442 kJ/kg) /8/, /24/. Nachfolgend wird nach Kaltschmitt et al. (/10/) eine Näherungsformel zur Berechnung des auf Trockenmasse bezogenen Heizwertes Hu von biogenen Festbrennstoffen angegeben (Gleichung 3.1), deren mittlerer Fehler etwa 4 % entspricht. (3.1) Hu (wf) = 34,8 C + 93,9 H + 10,5 S + 6,3 N – 10,8 O Für die Ermittlung des Brennwertes Ho wurde die Gleichung 3.2 abgeleitet. Deren Ergebnis wird in kJ/kg ausgegeben, wenn für Kohlenstoff (C), Wasserstoff (H) und Stickstoff (N) die Werte in Massen-% aus der Elementaranalyse der trockenen Biomasse eingesetzt werden. Ho (wf) = 1,87 C2 – 144 C – 2802 H + 63,8 C H + 129 N + 20147

(3.2)


49

Der Heizwert trockener biogener Festbrennstoffe wird demnach hauptsächlich durch den Gehalt an oxidierbaren Elementen (primär Kohlenstoff und Wasserstoff) bestimmt. Zusätzlich wird durch die Oxidation bestimmter Hauptnährstoffe Energie freigesetzt (z. B. Schwefel, Stickstoff). Aufgrund der meist geringen Konzentrationen derartiger Elemente in biogenen Festbrennstoffen wird davon der Heizwert i. Allg. kaum beeinflusst. Dagegen reduziert der Sauerstoffgehalt des Brennstoffs – insgesamt gesehen – dessen Heizwert, da die oxidierbaren Komponenten in sauerstoffhaltigen Verbindungen bereits in einer höheren Oxidationsstufe vorliegen und oft nur eingeschränkt unter Energieabgabe weiter oxidiert werden können /10/. Für die Umrechnung des Heizwertes in den Brennwert der Biomasse kann Gleichung 3.3 herangezogen werden. Dabei ist Hu der Heizwert der Biomasse (in MJ/kg) bei einem bestimmten Wassergehalt w (in %). Hu (wf) ist der Heizwert der biogenen Trockenmasse im "wasserfreien" (absolut trockenen) Zustand. Die Konstante 2,443 resultiert aus der Verdampfungswärme des Wassers in MJ/kg, bezogen auf 25 °C /10/.

Hu

H u (wf) (100 w) 2,443 w

(3.3)

100

Da der Heizwert wesentlich vom Wassergehalt der Biomasse beeinflusst wird, nimmt beispielsweise der Heizwert von Holz und damit auch die bei der thermochemischen Konversion freigesetzte Energiemenge mit zunehmendem Wassergehalt linear ab (Abb. 3.5). Heizwerte verschiedener Biomassen sollten daher stets bezogen auf die wasserfreie Masse angegeben werden /5/. Der auf Trockensubstanz bezogene Heizwert der Biomasse korreliert mit der Rohdichte des Materials (Tabelle 3.3 und 3.5) /18/. Verglichen mit fossilen Festbrennstoffen (d. h. Kohle) ist der Heizwert biogener Festbrennstoffe geringer, wobei Holzbrennstoffe einen etwas höheren Heizwert als Halmgüter aufweisen (Abb. 3.6). Der durchschnittlich höhere Kohlenstoffgehalt von Rinden bedingt den höheren Trockenmasseheizwert gegenüber rindenfreiem Holz, allerdings verringert der erhöhte Trocknungsaufwand des Materials häufig diesen Vorteil. Aschegehalt Der Aschegehalt von Festbrennstoffen hat sowohl Auswirkungen auf die Schadstoffemissionen als auch auf die technische Auslegung und Konstruktion der Feuerungsanlage. Im Allgemeinen steigt mit einem zunehmenden Aschegehalt des Brennstoffs die Gefahr von Versinterung / Verschlackung im Glutbett /13/. Deshalb werden Feuerungsanlagen zur Verbrennung solch kritischer Brennstofffraktionen meist mit wasser- oder luftgekühlten Rosten, mit Bewegtrosten oder mit automatischen Ascheaustragungssystemen aus dem Brennraum ausgestattet. Weiterhin führt ein erhöhter Brennstoffaschegehalt i. d. R. zu einem Anstieg der Staubemissionen und des damit verbundenen Aufwandes für eine ggf. notwendige Entstaubung. Dies ist besonders bei Anlagen mit einem bewegten Glutbett, das vermehrt mechanischen Einflüssen ausgesetzt ist, relevant. Deutliche

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Unterschiede hinsichtlich des Aschegehaltes sind zwischen Holz- und Halmgütern zu erkennen. Während halmgutartige Biomasse mit einem Aschegehalt von 5,2 12,2 Ma-% der Trockenmasse ein vergleichbares Verhalten zu fossilen Brennstoffen aufweist, zeichnen sich holzartige Energieträger der gemäßigten Zone mit Gehalten von etwa d 1 Ma-% der Trockenmasse aus. Durch den hohen Anteil an anorganischen Bestandteilen liegt der Aschegehalt tropischer Hölzer z. T. über 5 % /7/, /10/. Der Einfluss des Aschegehaltes auf den Heizwert zeigt Abb. 3.6.

Abb. 3.6: Abhängigkeit des Heizwertes vom Aschegehalt am Beispiel unterschiedlicher biogener Festbrennstoffe (bezogen auf Trockenmasse), /10/

Ascheschmelzverhalten Bei thermischen Prozessen wie der Verbrennung treten im Glutbett physikalische Veränderungen der Asche auf. Je nach Temperatur kommt es zum Verkleben („Versintern“) bis zum Aufschmelzen der Asche. Dieses Erweichungsverhalten wird nach DIN 51731 bzw. für biogene Festbrennstoffe nach der prEN 15370 mit der Bestimmung von definierten Temperaturen zur Charakterisierung des Schmelzvorganges einer Brennstoffprobe beschrieben (Abb. 3.7). Dabei wird zwischen der Schrumpftemperatur (engl. shrinkage starting temperature, SST), der Erweichungstemperatur (engl. deformation temperature, DT), der Halbkugel (engl. hemnisphere temperature, HT) und der Fließtemperatur (engl. flow temperature, FT) unterschieden.


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Abb. 3.7: Charakterisierende Phasen des Ascheschmelzverhaltens eines Probekörpers nach Normprüfverfahren prEN 15370 (Ausgangsform bei 550°C, H = Höhe der Probe, r2 = Radius der Probe), /10/

Die Bestimmung der Temperaturen kann in Anlehnung an den Verbrennungsprozess unter oxidierenden bzw. reduzierenden Bedingungen erfolgen. Das Erweichungsverhalten von Aschen hängt von der Aschezusammensetzung und somit vor allem vom Brennstoff ab. Je niedriger die Ascheerweichungstemperatur des Brennstoffs bzw. des darin enthaltenen Ascheanteils liegt, desto früher beginnt die Agglomeration und Schlackenbildung, welche zu Ablagerungen und Erosion in der Feuerungsanlage und den dazugehörigen Abgaskomponenten führt. Während für Holz Temperaturen von 1.300 - 1.400°C aus technischer Sicht für die meisten Einsatzfälle unkritisch sind, liegen die entsprechenden Temperaturen bei Halmgütern im Regelfall unter 1.200°C, für Getreidekörner sogar unter 700°C /7/, /10/. Tabelle 3.6: Verbrennungstechnische Kennwerte naturbelassener Festbrennstoffe (Mittelwertsangaben bezogen auf Trockensubstanz), /4/, /10/ Brennstoff/ HeizBrennAsche- flüchtige Ascheerweichunga Biomasseart wert wert gehalt Bestandteile in in in in DTb HTb FTb MJ/kg MJ/kg % % in °C in °C in °C 19,1 20,5 0,3 Nadelholz (ohne Rinde) 18,9 20,1 0,3 Laubholz (ohne Rinde) 19,2 20,4 1,5 77,2 1 440 1 460 1 490 Rinde (Nadelholz) 19,0 20,0 1,5 Rinde (Laubholz) 19,2 20,5 3,0 WRHc (Nadelholz) 18,7 19,7 5,0 WRHc (Laubholz) 20,2 0,6 82,9 1 426 1 583 Fichtenholz (mit Rinde) 18,8 19,7 0,5 84,0 Buchenholz (mit Rinde) 18,4 18,4 19,8 2,0 81,2 1 335 1 475 Pappelholz (KUPd) 18,4 19,9 2,0 80,3 1 283 1 490 Weidenholz (KUPd) 17,4 18,5 4,8 76,4 1 002 1 147 1 188 Roggenstroh 17,2 18,5 5,7 77,0 998 1 246 1 302 Weizenstroh 17,1 18,3 5,9 75,2 911 1 125 1 167 Triticalestroh 17,5 18,5 4,8 77,3 980 1 113 1 173 Gerstenstroh 17,6 18,8 5,0 75,8 1 273 1 403 Rapsstroh 17,7 18,9 6,7 76,8 1 050 1 120 1 140 Maisstroh 15,8 16,9 12,2 72,7 839 1 178 1 270 Sonnenblumenstroh 17,0 18,2 4,8 81,4 1 336 1 420 1 456 Hanfstroh

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Tabelle 3.6 (Fortsetzung) Roggenganzpflanzen Weizenganzpflanzen Triticaleganzpflanzen Roggenkörner Weizenkörner Triticalekörner Rapskörner Miscanthus Gras (Heu), gemischt

17,7 17,1 17,0 17,1 17,0 16,9 26,6 17,7 17,1

19,0 18,7 18,4 18,4 18,4 18,2 28,1 19,0 18,0

4,2 4,1 4,4 2,0 2,7 2,1 4,3 4,0 7,0

79,1 77,6 78,2 80,9 80,0 81,0 85,2 77,6

977 833 710 687 730

1 155 982 887 795

1 207 1 019 810 933 840

973

1 097

1 170

a DT deformation temperature, HT hemisphere temperature, FT flow temperature (nach CEN/TS 15 370; b hier: Bestimmung nach DIN 51 730, Abweichungen zu Ergebnissen nach neuer Standardmethode sind möglich; c WRH - Wald(rest)holz; d KUP – Kurzumtriebsplantagenholz

Flüchtige Bestandteile Flüchtige Bestandteile sind gasförmige Verbindungen, die unter festgelegten Bedingungen beim Erhitzen eines Brennstoffs entweichen. Sie bestehen zum Großteil aus brennbaren Gasen und dienen gewissermaßen als Maß für die Zündfreudigkeit des Brennstoffes in einer Feuerungsanlage. Biogene Festbrennstoffe weisen mit bis zu 83 % der Trockenmasse einen hohen Anteil an flüchtigen Bestandteilen auf.

Abb. 3.8: Thermisches Verhalten von Biomasse, dargestellt am Beispiel von feuchtem Holz als Massenabnahme in Abhängigkeit von der Temperatur bei der Erwärmung ohne Sauerstoffzufuhr, /10/

Einige im Biobrennstoff enthaltene Extraktstoffe haben besonders leicht flüchtige Eigenschaften (z. B. Terpene, Terpentine) und können z. T. bereits bei Umgebungstemperaturen während der Brennstofflagerung ausgasen. Dabei besteht die Gefahr, dass sich die Gase in gesundheitsgefährdenden Konzentrationen im Lagerraum anreichern /6/.


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Holzkohle Holzkohle wird primär aus Lignin gebildet, da beim Abbau der makromolekularen Substanz die Biopolymere Cellulose und Hemizellulose bei einer Temperatur von 400°C bereits weitestgehend zerstört sind (Abb. 3.2).

3.3.2 Verbrennungsprodukte beeinflussende Eigenschaften Die Verbrennungsprodukte aus der Oxidation von biogenen Festbrennstoffen können in luftgetragene Emissionen und Partikelrückstände (Asche) unterteilt werden, deren Mengen und Konzentration sowohl vom Brennstoff der Feuerungsanlage als auch von der Betriebsart bestimmt wird. Letztere kann je nach Lastanforderungsprofil (Volllast-/Teillastbetrieb) und dem individuellen Verbraucherverhalten (insbesondere bei handbeschickten Anlagen) die Effizienz einer Feuerungsanlage beeinflussen. Zur Einschätzung der brennstoffspezifischen Emissionen und Rückstände dient die Elementaranalyse eines Brennstoffes (Tabelle 3.1). Zur Abschätzung kritischer Emissionen aus der Verbrennung von biogenen Festbrennstoffen werden die Konzentrationen relevanter Inhaltsstoffe, wie Stickstoff (N), Schwefel (S) und Chlor (Cl) sowie einiger Spurenelemente (d. h. maßgeblich Schwermetalle und Alkalien) diskutiert. Neben den Hauptprodukten der vollständigen Oxidation – Kohlenstoffdioxid (CO2) und Wasserdampf (H2O) – werden bei der Verbrennung biogener Brennstoffe eine Reihe weiterer Emissionen freigesetzt, deren Ursache in Tabelle 3.7 und Wirkung in Tabelle 3.5 zusammenfassend dargestellt ist. Tabelle 3.7: Charakterisierung der Elementarzusammensetzung von Abgasen aus Biomassefeuerungsanlagen, /5/, /8/, /10/, /21/

Inhaltsstoffe Verbindungen Wasserdampf H2O KohlenstoffCO2 dioxida) KohlenstoffCO monoxid KohlenwasserCnHm stoffe in der Gasphase ChlorverbinHCl dungenb)

Schwefelverbindungenc)

Ursache der vollständigen Oxidation der Hauptbrennstoffbestandteile (C, H, O)

Stoffe

unvollständige Verbrennung unvollständige Verbrennung hohe

Dioxine, Furane (PCDD/F)

SO2 SO3 H2SO3 H2SO4

Abhängigkeit vom Brennstoffgehalt (z. B. bei halmgutartigen Biomassen, Hochtemperaturkorrosion eher geringe Abhängigkeit vom Brennstoff; temperaturabhängig; nur bei chemisch behandelten Biobrennstoffen relevant (z. B. Altholz) abhängig vom Brennstoffgehalt; bei der Verbrennung des Abgases wird SO2 aufoxidiert zu SO3 SO2 und SO3 reagieren bei Taupunktunterschreitungen mit Wasserdampf zu korrosiver schwefliger Säure (H2SO3) bzw. Schwefelsäure (H2SO4)

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Stickoxide Partikel

a)

NO, NO2 und N2O Asche, unverbranter Brennstoff, Teer, Ruß

Verbindungen aus molekularen Stickstoff der Verbren

nungsluft und dem im Brennstoff enthaltenen Stickstoff Anteil anorganischen Materials im Brennstoff, unvollständige Verbrennung, Ruß (C) kann auch als Zwischenprodukt der Verbrennung auftreten

Im Gegensatz zur Verbrennung von fossilen Energieträgern, wird die Biomasseverbrennung als CO2-neutral eingestuft, da bei ihrer thermischen Nutzung nur so viel CO2 freigesetzt wird, wie sie während ihres Wachstums der Atmosphäre entzogen hat. b) 40 – 95 % der brennstoffbedingten Cl-Verbindungen werden in der Asche gebunden c) i. d. R. liegen zum Ende der Verbrennung ca. 99 % SO2 und 1 % SO3 vor

Teilweise handelt es sich bei den in Tabelle 3.7 aufgeführten Gasen um umwelt- und gesundheitsgefährdende Emissionen. So stellen Partikel in modernen Biomassefeuerungsanlagen einen Großteil der Staubemissionen dar. Sie haben eine Größe zwischen 0,001 bis 100 μm. Partikel der vollständigen Verbrennung bestehen aus Ascheteilchen (z. B. CaO, Al2O3, SiO2, KCl) sowie Fremdstoffen (z. B. Erde, Sand, Schwermetalle). Partikel der unvollständigen Verbrennung setzen sich zusammen aus den kohlenstoffhaltigen Zersetzungsprodukten (meist resultierend aus einem unvollständigen Ausbrand) aus Kohlenstoff-Syntheseprodukten (z. B. Ruß) oder aus Brennstoffteilchen, die direkt aus dem Glutbett mitgerissen werden und sich nun unverbrannt im Abgas wiederfinden /5/. Holzfeuerungsanlagen emittieren vor allem Partikel mit einer Größe d 10 ȝm, d. h. Feinstaub2. Je nach Aschegehalt des Brennstoffs, besonders aber in Abhängigkeit seiner Brennstoffform (Pellet, Brikett, HHS oder Stückholz), hat der weit überwiegende Teil der Staubpartikel eine Größe unterhalb von 1 ȝm, die auch als Aerosole3 bezeichnet werden. Aerosole sind gut lungengängig, können z. T. auch direkt ins Blut übertreten und sich somit im gesamten Körper von Lebewesen verteilen. Die Staubemissionen aus der Verbrennung von Holzpellets in Kleinfeuerungsanlagen können zu über 90 % der Aerosolfraktion zugeordnet werden, weshalb – bei entsprechend hoher Konzentration der Emissionsquellen und fortwährender Belastung – eine nennenswerte Gesundheitsgefährdung durch Feinstaub bestehen kann /12/. Weitere Erkenntnisse zur Ursache, Ausbreitung und 2 Der Begriff „Feinstaub“ bzw. „Feinstpartikel“ beschreibt eine komplexe Mischung aus festen und/oder flüssigen in die Luft ausgestoßenen organischen und anorganischen Schadstoffen. Die Partikel variieren nach Größe, Zusammensetzung und Herkunft und werden anhand der Partikelgröße bzw. ihres aerodynamischen Durchmessers beschrieben (PM means particulate matter) /27/. 3 Aerosole werden durch die Freisetzung von aerosolbildenden Komponenten (relevante Elemente: K, Na, S, Cl, Zn, Pb) aus dem Brennstoff und der nachfolgenden Partikelbildung via Nukleation aschebildender Dämpfe sowie durch Partikelwachstum via Kondensation und Agglomeration gebildet. Die Flugascheemissionen aus der vollständigen Verbrennung von Biomasse bestehen im Wesentlichen aus Kaliumsulfaten, Kaliumchloriden und Kaliumcarbonaten (Salze) /17/.


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Wirkung von Feinstäuben werden derzeit in verschiedenen Studien und Forschungsprojekten erarbeitet. Die Zusammensetzung und Eigenschaften der bei der Brennstoffkonversion anfallenden Asche werden v. a. durch die im Brennstoff als Spurenelemente und Alkali- bzw. Erdalkalimetalle bestimmt. In der anfallenden Asche finden sich vorwiegend Kalzium (Ca), Magnesium (Mg), Kalium (K), Phosphor (P) und Natrium (Na) sowie kleinere Mengen an Eisen (Fe) und Mangan (Mn). Als Asche werden die anorganischen Verbrennungsrückstände des organischen Brennstoffs, d. h. der Mineralstoffe bezeichnet. Asche besteht vor allem aus Oxiden und Karbonaten diverser Metalle (z. B. CaO, MgO, K2O, P2O5, Na2CO3, NaHCO3, SiO2, Al2O3, Fe2O3). Bei der Nutzung von Holzpellets in modernen Feuerungsanlagen kann nach prEN 14961-2 von einem Ascheanfall zwischen 0,5 – 1,5 % der eingesetzten Brennstoffmenge ausgegangen werden. Beim Einsatz von Holz mit einem hohen Rindenanteil oder mit Laub- oder Nadelanteil wird sich der Ascheanfall erhöhen /10/, /19/. Die Anteile und Konzentrationen einiger Spurenelemente sowie der Alkali- und Erdalkalimetallen im Brennstoff beeinflussen auch dessen Ascheerweichungsverhalten, wobei die Wirkung der einzelnen Elemente bisher nur von wenigen eindeutig geklärt werden konnte. So wird einer erhöhten Konzentration von Silizium (Si), Kalium (K) und Natrium (Na) im Brennstoff tendenziell eine Senkung der Ascheerweichungstemperatur zugeschrieben, während Kalzium (Ca) und Magnesium (Mg) die Ascheerweichungstemperatur eher heben /17/. Da hierbei die Wirkmechanismen der Einzelelemente im Zusammenspiel von sinkenden und steigenden Ascheschmelztemperaturen noch nicht abschließend geklärt werden konnte, sollten die Gleichungen 3.4 und 3.5 nur als näherungsweise Abschätzung der Erweichungstemperatur (DT) und Fließtemperatur (FT) eines Brennstoffs herangezogen werden. Darin werden die Elementgehalte in % der Brennstofftrockenmasse eingesetzt und die Temperaturen in °C angegeben /10/. (3.4) DT = 1172 – 53,9 K + 252,7 Ca – 788,4 Mg FT = 1369 – 43,4 K + 192,7 Ca – 698 Mg

(3.5)

Neben dem Aschegehalt und der Erweichungstemperatur kann auch der Düngewert der Aschen aus der Verbrennung naturbelassener Biomassen und damit dessen Entsorgung bzw. Verwertungsoptionen auf die Konzentration der mineralischen Bestandteile (wie P, Ca, Mg und K) der Biomasse zurückgeführt werden.

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Universität Stuttgart, Institut für Verfahrenstechnik und Dampfkesselwesen, Bericht Nr. 50

4 Gesetzliche Anforderungen des Holzpelleteinsatzes zur Wärmebereitstellung ........................................................................................... 60 4.1 Anforderungen an Emissionen und Energieeffizienz ................................ 60 4.2 Entsorgung von Aschen und Rückständen ................................................ 64 4.3 Nachhaltigkeitsanforderungen ................................................................... 65 Literaturverzeichnis ......................................................................................... 67

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4 Gesetzliche Anforderungen des Holzpelleteinsatzes zur Wärmebereitstellung


Entsprechend ihrer Aufwuchs- und Standortbedingungen können die verbrennungstechnischen Eigenschaften biogener Brennstoffe sehr schwanken. Für eine möglichst effiziente und emissionsarme Verbrennung, ist es deshalb unerlässlich, den Brennstoff optimal auf die Feuerungsanlage abzustimmen. Die Einhaltung der gesetzlichen Emissionsgrenzwerte muss für jeden Betriebszeitpunkt garantiert werden. Eine wichtige Vorraussetzung für konstante Abbrandverhältnisse stellt die Bereitstellung einer möglichst homogenen Brennstoffqualität dar. Diese kann durch Produktstandards und darauf aufbauenden Zertifizierungssystemen erreicht werden. Weiterhin muss vor dem Betrieb einer Feuerungsanlage geklärt werden, wie und wo die anfallenden Rückstände aus der Verbrennung verwertet oder entsorgt werden können. Nachfolgend werden daher die administrativen Rahmenbedingungen des Holzpelleteinsatzes in KFA in Deutschland dargestellt.

4.1 Anforderungen an Emissionen und Energieeffizienz Bundesimmissionsschutzverordnung (BImSchV) In Deutschland kommt für den Einsatz von Pellets aus biogenen Rohstoffen – je nach Leistungsgröße der Feuerungsanlage – die 1. BImSchV (z. B. bis 1 MWNWL bei Pellets aus naturbelassenem Holz oder bis 0,1 MWNWL bei Strohpellets) bzw. die TA Luft (bis 50 MWFWL) zur Anwendung kommen. Bis Ende 2009 galten für den Einsatz von naturbelassenem Holz einheitliche Emissionsgrenzwerte je Leistungsklasse, unabhängig von der Brennstoffform (Tabelle 4.1). Mit dem Inkrafttreten der Novellierung der 1. BImSchV in 2010 erfolgte – eine Absenkung der minimalen Leistungsklasse für Grenzwertanforderungen von 15 auf 4 kWNWL, – eine drastische sukzessive Verschärfung der Staub- und CO-Grenzwerte, – die Fixierung zusätzlicher Grenzwerte für NOx und Dioxine für Stroh und strohähnliche Brennstoffe.


4.1 Anforderungen an Emissionen und Energieeffizienz

61

Somit müssen kurz- bis mittelfristig die Brennstoffanforderungen/-qualitäten bzw. die Feuerungstechnologien noch besser aufeinander abgestimmt sein, um die hohen gesetzlichen Anforderungen erfüllen zu können. Als eine technologische Herausforderung wird deshalb insbesondere für halmgutartige Brennstoffe die weitere Verschärfung der Grenzwerte ab dem Jahr 2015 gesehen. Mit der derzeit am Markt angebotenen Anlagentechnologie scheint dies für den Einsatz von Holzpellets durchaus machbar (zumindest für die Prüfstandsmessung zur Feuerungsanlagenzulassung) und für automatisch beschickte Holzpelletkessel eher unproblematisch.

Tabelle 4.1: Emissionsgrenzwerte für die Verbrennung von Holzpellets im Vergleich zu anderen biogenen Festbrennstoffen in Feuerungsanlagen bis 1 MW /2/, /3/, /19/ Grenzwerte gemäß 1. BImSchV (Sept. 2002) bzw. TA-Luft (Juli 2002) Brennstoff naturbelassenes Holz

Holzpellets

Stroh, Getreide (Körner, Pellets, Ganzpflanzen)

b)

a)

NWL

Staub

CO

NOx

kW t15 - 50 >50 - 150 >150 - 500 >500 - 1.000 t15 - 50 >50 - 150 >150 - 500 >500 - 1.000

mg/m³N

mg/m³N 4.000 2.000 1.000 500 4.000 2.000 1.000

mg/m³N

Dioxine/ Furane ng/m³N

-

-

150

150

Grenzwerte der Novellierung 1. BImSchV a) (gültig seit März 2010) Dioxine/ e) NWL Staub CO NOx Furane kW mg/m³N mg/m³N mg/m³N ng/m³N t4 - 500 >500

-

-

t4 - 500

c)

100 / d) 20 c)

60 / d) 20

>500

500

c)

t 15 - 100 >100 - 1.000

f)

150

4.000

40

200

-

-

t4 - 5 MWth werden Empfehlungen an Mindestumwandlungswirkungsgrade gestellt. Zusätzlich sollten, je regenerativ erzeugten MWh Herkunftsnachweise in elektronischer Form geführt werden, die innerhalb der Mitgliedsstaaten der EU die Rückverfolgbarkeit der erneuerbaren Energiequelle gewährleisten. Dennoch bietet die RED die Chance nationale Förderprogramme gezielt auf effiziente, innovative Anwendungstechniken auszurichten, da für die Förderung von industriell erzeugter biogener Wärme-, Kälte- oder Stromerzeugung ein Umwandlungswirkungsgrad von mindestens t 70 % empfohlen wird, während beim Einsatz von Biomasse in Wohngebäuden ein Konversionswirkungsgrad der Anlage von t 85 % angeregt wird /17/. Dieser Grenzwert sollte für moderne Pelletkleinfeuerungsanlagen zur Wärmebereitstellung keine Herausforderung darstellen, während der Einsatz von Pellets zur reinen Stromerzeugung in industriellen Großkraftwerken nicht förderwürdig wäre. Der Erarbeitung von allgemein anerkannten und international verbindlichen Nachhaltigkeitskriterien an Biomassen haben sich inzwischen die Standardisierungskomitees CEN/TC 383 und ISO/TC 248 gewidmet. Bis es soweit ist, hat die EC Anfang 2010 beschlossen, vorerst keine verbindlichen Nachhaltigkeitsanforderungen an den Einsatz fester und gasförmiger Bioenergieträger zur Wärme-, Kälte- oder Stromerzeugung zu stellen. Stattdessen enthält der Bericht nichtbindende Empfehlungen für Biomasse-importabhängige Länder, wie eine nachhaltige Biomassebereitstellung im Energiesektor sichergestellt werden kann. Diese sollten auch zur Vereinheitlichung der laufenden nationalen Aktivitäten bei der Installation von Nachweissystemen einbezogen werden /6/.

2 Die Umsetzung der EU-Richtlinie 2009/28/EG in nationales Recht erfolgte 2009 im Rahmen der Biomassestrom-Nachhaltigkeitsverordnung (BioSt-NachV) für flüssige Biobrennstoffe und der Biokraftstoff-Nachhaltigkeitsverordnung (Biokraft-NachV), deren Fokus sich auf den Einsatz von flüssigen oder gasförmigen Bioenergieträgern zur Kraftstoffproduktion bezieht.


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68


/14/ Richtlinie 2005/32/EG des Europäischen Parlaments und des Rates vom 6. Juli 2005 zur Schaffung eines Rahmens für die Festlegung von Anforderungen an die umweltgerechte Gestaltung energiebetriebener Produkte und zur Änderung der Richtlinie 92/42/EWG des Rates sowie der Richtlinien 96/57/EG und 2000/55/EG des Europäischen Parlaments und des Rates, Amtsblatt der Europäischen Union /15/ Richtlinie 2009/125/EG des Europäischen Parlaments und des Rates vom 21. Oktober 2009 zur Schaffung eines Rahmens für die Festlegung von Anforderungen an die umweltgerechte Gestaltung energieverbrauchsrelevanter Produkte. Amtsblatt Nr. L 285 /16/ Richtlinie 2008/50/EG des Europäischen Parlaments und des Rates vom 21. Mai 2008 über Luftqualität und saubere Luft für Europa. Amtsblatt der Europäischen Union /17/ Richtlinie 2009/28/EG des Europäischen Parlaments und Rates vom 23. April 2009 zur Förderung der Nutzung von Energie aus erneuerbaren Quellen und zur Änderung und anschließenden Aufhebung der Richtlinien 2001/77/EG und 2003/30/EG, Amtsblatt der Europäischen Union /18/ Stahl E (Mai 2006) Qualität und Verwertungsmöglichkeiten von Holzaschen in NRW. Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, Lehr- und Forschungsgebiet Abfallwirtschaft, Diplomarbeit /19/ TA-Luft (Juli 2002) Erste allgemeine Verwaltungsvorschrift zum Bundes– Immissionsschutzgesetz (Technische Anleitung zur Reinhaltung der Luft) /20/ Witt J, Rensberg N et al (Dezember 2009) Analyse des heutigen und zukünftigen Marktpotenzials von Holzpellets im deutschen und europäischen Kontext. unveröffentlichte Studie, Deutsches BiomasseForschungsZentrum (DBFZ), Industrieauftrag, Leipzig /21/ Witt J, Thrän D et al (Juni2008) Marktexpertise Biomassebereitstellung und – nutzung. unveröffentlichte Studie, Institut für Energetik und Umwelt gGmbH (IE), Industrieauftrag, Leipzig /22/ Witt J, Wirkner R, Thrän D (Oktober 2008) Nachhaltigkeitsaspekte und – anforderungen in einem internationalen Pelletmarkt. 8. Industrieforum Pellets, Tagungsband, S 144 – 150, Stuttgart

5 Qualitätsanforderungen an den Brennstoff ................................................... 70 Literaturverzeichnis ......................................................................................... 79

70

5 Qualitätsanforderungen an den Brennstoff


Die brennstoffspezifischen Eigenschaften biogener Rohstoffe werden aufgrund der unterschiedlichen natürlichen Standortgegebenheiten und relativ kurzen Aufwuchszeiten niemals eine vergleichbare Homogenität wie fossile Brennstoffe erreichen. Bei der Holzpelletproduktion wird diesem natürlichen Nachteil begegnet, indem der Rohholzinput aus Sägewerken, der Holzbe- und -verarbeitenden Industrie oder in Form von Wald(rest)hölzern zentral als Spanmasse abgelagert wird und so bereits bei der Lagerung sowie bei dessen Austragung eine erste Vermischung erfährt. Im Pelletierungsprozess können zusätzliche Konditionierungsmaßnahmen (z. B. Zugabe von Wasser, Dampf und/oder Presshilfsmitteln) für eine möglichst hohe homogene Qualität der Holzpresslinge sorgen. In ein und demselben Pelletwerk können somit unterschiedliche Brennstoffqualitäten produziert werden. Deshalb muss die Qualität des Endproduktes mit dem Pellethersteller zuvor abgestimmt werden, um die Brennstoffanforderungen der Feuerungsanlage und die Ansprüche der Kunden erfüllen zu können /11/. Ende der 90’iger Jahre wurden mit der Installation der ersten PelletFeuerungsanlagen in Schweden, Deutschland und Österreich nationale Produktstandards für Holzpresslinge entwickelt, in denen wichtige brennstoffspezifische Eigenschaften anhand von Grenzwerten definiert werden (Abb. 5.1). Einige europäische Staaten haben diese Produktstandards übernommen oder angepasst (z. B. DIN in der Schweiz: SN 166000; SS 187120 in Norwegen: NS 3165) /8/. Die regelmäßige Überprüfung und Qualitätssicherung der Pellets wird von Zertifizierungsprogrammen übernommen, wie “ÖNORM M 7135 geprüft“ oder „DINplus“1. Beide Regelwerke stellen heute nahezu identische Qualitätsanforderungen an Holzpellets und haben inzwischen in Europa und teilweise darüber hinaus eine 1

Das Zertifizierungsprogramm „DINplus: Holzpellets zur Verwendung in Kleinfeuerstätten“ stellt

seit 2004 eine Erweiterung von „DIN 51731 geprüft“ dar und vereint die wichtigsten Produktanforderungen der ÖNORM M 7135 und der DIN 51731. Zertifikatsgeber in Deutschland ist DIN CERTCO. Die Anforderungen der DINplus wurden 2010 dem EU-Standard der EN 14961-2, Holzpelletklasse A1 angepasst.


Qualitätsanforderungen an den Brennstoff

71

hohe Akzeptanz und Marktpräsenz erreicht (Stand Oktober 2009: >150 zertifizierte Betriebe, entspricht etwa 30 % aller Pelletwerke in Europa) /5/, /9/, /12/. Anderswo werden die Qualitätskennwerte von Holzpellets in Form von Labels oder Prüfkennzeichen präsentiert, z. B. „Pellet Gold“ in ITL, „NF 434“ in FR. Deren Prüf- und Überwachungspflichten unterscheiden sich jedoch wesentlich von den etablierten Zertifizierungsprogrammen in DE und AT /7/, /3/, /1/. Deshalb empfehlen bzw. verweisen inzwischen viele europäische Hersteller automatisch beschickter KFA und Einzelraumöfen auf die Verwendung zertifizierter Holzpellets nach DINplus bzw. „ÖNORM M 7135 geprüft“. Häufig stellen sie sogar eine Voraussetzung für die Gewährleistung des kontinuierlichen, emissionsarmen Anlagenbetriebes dar.

Abb. 5.1: Unterscheidung von Regelwerken nach Klassifizierungssystem, Produktstandards und Qualitätssicherungssystemen für Holzpellets anhand ausgewählter Beispiele

Prinzipiell bieten international anerkannte Qualitätsstandards eine gute Chance den grenzüberschreitenden Handel in einem weltweit wachsenden Markt zu erleichtern und damit die Konkurrenzfähigkeit biogener Festbrennstoffen zu stärken. Weiterhin kann das Kundenvertrauen in den jeweiligen Brennstoff durch eine höhere Markttransparenz gestärkt und neuen Akteuren der Einstieg in die Branche erleichtert werden /13/. Deshalb beauftragte die Europäischen Kommission das Technisches Komitee (CEN/TC 335 Solid Biofuels) mit der Entwicklung europäischer Standards für biogene Festbrennstoffe. Seit etwa 10 Jahren haben zahlreiche europäische Experten aus wissenschaftlichen Institutionen und der Industrie in fünf Arbeitsgruppen inzwischen 28 Produkt- und Qualitätsstandards sowie Prüfund Terminologienormen entwickelt, die derzeit den Status europäischer Vornormen (prEN bzw. TS für Technical Specification) tragen (Abb. 5.2). Ab dem Jahr 2010 werden die ersten Europäischen Normen (EN) als Vollstandard verfügbar sein /2/, /10/. Als eine der ersten dieses Normungspaketes wird die EN 14961 „Feste Biobrennstoffe – Brennstoffspezifikationen und -klassen – Teil 1: Allgemeine Anforderungen“ im Frühjahr 2010 in Kraft treten. Damit ist für nahezu jeden biogenen Festbrennstoff eine Identifikation der Rohstoffherkunft, eine Klassifizierung der

72


Brennstoffform und Kategorisierung relevanter Qualitätsparameter zur Einordnung und dem Vergleich aufgeführt, u. a. auch für Pellets /4/. Die Teile 2 – 7 der EN 14961 beschreiben Produktstandards für Festbrennstoffe für den nichtindustriellen Brennstoffeinsatz. Weitere Teile sollen in den Folgejahren ergänzt werden.

CEN/TC 335 – Feste Biobrennstoffe

prEN 14588 Terminologie, Definitionen und Beschreibungen

EN 14961-1 Brennstoffspezifikationen und -klassen Teil 2-7: Produktnormen für die nicht-industrielle Nutzung prEN 14961- 3 (Holzbriketts), prEN 14961-2 prEN 14961-6 - 4 (Hackschnitzel) , - 5 (Scheitholz), Holzpellets Nicht-Holzpellets -7 (Nichtholz-Briketts)

Prüfnormen zur Bestimmung der chemisch-stofflichen und mechanisch-physikalischen Eigenschaften; Standards für Probenahme & -vorbereitung (z. B. 14918, 15103/4, 15149-1, 15210-1, 15289, 15297, 15370)

prEN 15234-1: Qualitätssicherung von biogenen Festbrennstoffen Teil 2: Holzpellets; Teile 3 bis 7: sonstige Brennstoffe (analog zur 14961)

Abb. 5.2: Systematisierung der EU-Standards für biogene Festbrennstoffe, einschließlich spezifischer Regelwerke für Holzpellets, Stand Frühjahr 2010

Im Teil 2 der EN 14961 werden für Holzpellets drei Qualitätsklassen definiert, die sich zum Teil in den einsetzbaren Rohstoffen, den zulässigen Grenzwerten für den Aschegehalt, dem Heizwert, Stickstoff- und Chlorgehalt sowie im Ascheschmelzverhalten unterscheiden. In dem Standard ist u. a. eine Vielzahl von Grenzwerten für Schwermetalle aufgeführt, die den Einsatz von chemisch behandeltem Holz zur Pelletproduktion ausschließen (Klassen A1 und A2) bzw. auf minimale Verunreinigungsmengen begrenzen (Klasse B) sollen. In der Norm werden keine konkreten Anforderungen an das Ascheschmelzverhalten von Holzpellets genannt, dennoch sollen die verfügbaren Analysewerte der Ascheerweichungstemperaturen dokumentiert werden. Die Brennstoffanalysen müssen nach den neuen europäischen Prüfnormen erfolgen /14/. Die Prüfnormen zur Beurteilung der verschiedenen Qualitätskennwerte wurden eigens im Rahmen der europäischen Normungsinitiative TC 335 entwickelt, um erstmals EU-weit einheitliche Mess- und Prüfmethoden zur Bestimmung der brennstoffspezifischen Eigenschaften (z. B. Wassergehalt prEN 14774, Aschegehalt EN 14775, Mechanische Festigkeit prEN 15210-1 oder Ascheschmelzverhalten prEN 15370-1) heranziehen zu können /6/. Analog zur EN 14961 wird ein Multipartstandard EN 15234 zur Qualitätssicherung für biogene Festbrennstoffe entlang der gesamten Bereitstellungskette entwickelt. Die auf Holzpellets abgestimmte prEN 15234-2 soll nach dem Inkrafttreten (voraussichtlich 2011) die Qualität der Pellets von der Rohstoffbereitstellung, über die Pelletproduktion und den Transport des Brennstoffes bis zur Auslieferung an den Endkunden sicherstellen. Die Vorgaben für eine transparente Dokumentation z. B.: – –

der Brennstoffherkunft, der Produktionsparameter während der Brennstoffherstellung,


–

73

aller beteiligten Akteure während der Brennstoffbereitstellung sowie der Übergabekonditionen

soll das Kundenvertrauen in das Produkt stärken und zur internen Qualitätsverbesserung beitragen /15/, /16/. Mit der Einführung des europäischen Normungspaketes wurde 2009/10 das Zertifizierungssystem ENplus für die Anforderungen des deutschen und österreichischen Marktes entwickelt. Auf Basis der prEN 14961-2 werden Holzpellets in drei Qualitätsklassen (A1, A2, B) unterteilt und im Handbuch die Vorgaben der prEN 15234(-2) zur Qualitätssicherung des Brennstoffs entlang der Bereitstellungskette für Pelletproduzenten und Händler integriert. Im Rahmen des neuen Zertifizierungssystems wird somit nicht nur für die Produktqualität nach der Herstellung sondern bis zur Auslieferung an den Endverbraucher garantiert. Neben der Qualitätssicherung soll die Integration eines Marktmonitorings Möglichkeiten für eine Erhöhung der Versorgungssicherheit bieten. Zusätzlich wird dazu angehalten, Rohstoffe aus nachhaltiger Forstwirtschaft zur Pelletproduktion zu verwenden (PEFC oder FSC zertifiziert) und deren tatsächlichen Anteil einschließlich dessen Herkunft zu dokumentieren. Bei einem Anteil von > 20 % des Imports von Rohstoffen oder Pellets aus nicht-EU-Ländern ist der Nachhaltigkeitsnachweis verpflichtend zu erbringen. Das Zertifizierungssystem wird im Frühjahr 2010 in Deutschland und Österreich eingeführt und soll später auf weitere EU-Staaten ausgedehnt werden /2/. Parallel zur Entwicklung und Markteinführung der europäischen Standards und Zertifizierungssysteme verfolgt die „International Organisation for Standardisation“ (ISO) mit der Gründung des Technischen Komitee „ISO/TC 238 Solid Biofuel“ im Jahr 2007 das Ziel, die in der EU und anderswo gültigen Standards und Prüfnormen für biogene Festbrennstoffe in den kommenden Jahren international zu vereinheitlichen. Die Veröffentlichung erster Regelwerke ist für 2011 geplant /9/. Diese werden voraussichtlich zum größten Teil methodisch und inhaltlich an die europäischen CEN-Standards angelehnt werden. Eine Übersicht internationaler Regelwerke mit spezifischen Qualitätsanforderungen an Premiumpellets2 bietet Tabelle 5.1. Weitere relevante Produktstandards und Gütezeichen (GZ)3 für Holz- und Nicht-Holzpellets sind in Tabelle 5.2 aufgeführt. Diese können je nach den Brennstoffanforderungen der Feue-

2

Für den Begriff „Premiumpellets“ gibt es keine offizielle Definition. In der Fachwelt werden mit

diesem i. d. R. hochqualitative Pellets bezeichnet, die aus chemisch unbehandeltem Holz hergestellt werden und keine oder nur marginale Mengen an Rinde enthalten. Sie besitzen einen geringen Aschegehalt und eine hohe Abriebfestigkeit. Premiumpellets sind für den Einsatz in automatisch-bestückten Öfen sowie in Heizkesseln im unteren bis mittleren Leistungsbereich geeignet. 3 Gütezeichen präsentieren Bildmarken oder Labels von Qualitätssicherungssystemen, wozu sowohl Zertifizierungs- als auch Prüfprogramme oder Attestierungen zählen

74


rungsanlage im mittleren oder höheren Leistungsbereich und teilweise auch für Industriepellets4 herangezogen werden.

4 „Industriepellets“ weisen z. T. geringere Qualitätsanforderungen gegenüber Premiumpellets auf und werden in größeren Heizanlagen oder in Kraftwerken eingesetzt. Da Anlagen im höheren Leistungsbereich meist über eine robustere Brennstoffzuführung, eine flexiblere Regelungstechnik und i. d. R. auch mit Abgasaufbereitungskomponenten ausgestattet sind, kann ein suboptimales Verbrennungsverhalten besser kompensiert werden.


75

Tabelle 5.1: Übersicht internationaler Regelwerke für Premiumpellets Deutschland

Land Standard / Gütezeichen (GZ) eingeführt seit

Standard / GZ 1996

Standard 1990

GZ 1997

2007 2000 Standard: DIN DINplus (gültig ÖNORM M ÖNORM 1) bis 2010, Bezug 7135 geprüft 51731

letzte Aktualisierung Bezeichnung

auf DIN 51731 + GZ: DINgeprüft ÖNORM M 7135) 4)

HP5

Klasse

HP5 / HP1

naturbelas-senes Holz einschließl. Rinde

Rohmaterial

Schweiz 1)

Italien

GZ 2007

GZ gültig bis

GZ 2006

2009 Umweltzeichen UZ 38

2006 Swisspellets

Pellet Gold

Österreich GZ 2004

5)

naturbelassenes Holz oder Rinde

HP 1 unbehandeltes bzw. naturbelassenes Holz naturbelassenes Holz & Nebenprodukte der Holzindustrie

Kennwerte * Dimension

1)

Stammholz, chem. unbehandeltes IRH ohne Rinde, chem. unbehan-deltes Altholz ohne

1)

Rinde

2)

Einheit Durchmesser

D

mm

4 - 10

4 D < 10

4 D < 10

5-7

Länge

L

mm

< 50

5 xD )

5 xD )

5 xD

< 50

-

W

%

12

10

10

10

10

10

Aschegehalt

A

% (TM)

1,5

Heizwert

HU

MJ/kg

DU

%

17,5 - 19,5 ) -

%

-

%

-

2,3 -

6)

F PHM

%

keine

2

6)

Wassergehalt

1)

Mechan. Festigkeit 1, 2)

Abrieb

Feinanteil

2)

Presshilfsmittel / Zuschlagstoffe

BD

Schüttdichte Rohdichte 3)

1

0,5 )

2

1,0

1

18 ) (> 97,7)

18 ) (97,7)

2

18 -

> 16,9 ) ( 97,7)

2,3

2,3

4,5

2,3

-

-

-

-

2

keine

10 mJ > 300 °C 9 barÜ

> 15 g/m³ k.A. > 10 mJ > 450 °C 8,7 barÜ

> 30 g/m³ k.A. > 10 mJ > 380 °C 10 barÜ

200 barm/s 1

208 barm/s 2

156 barm/s 1

keine Angaben verfügbar

8.3 Auftreten explosionsfähiger Atmosphären – Zoneneinteilung Aus den sicherheitstechnischen Kennzahlen ergibt sich, dass bei der Produktion von Holzpellets Stoffe eingesetzt werden, die explosionsfähig sind. Somit muss für das Innere und für das äußere der Anlagen bewertet werden, mit welcher Wahrscheinlichkeit explosionsfähige Atmosphären auftreten. Dazu werden im relevanten Regelwerk (BetrSichV /1/, DIN EN 1127-1 /3/) folgende Zonen definiert Tabelle 8.2: Zonendefinition

Zone explosionsfähige Atmosphäre in Form einer Wolke aus in der Luft enthaltendem brennbaren Staub 20 21 22

ist ständig, über lange Zeiträume oder häufig vorhanden kann sich im Normalbetrieb gelegentlich bilden tritt im Normalbetrieb normalerweise nicht oder aber nur kurzzeitig auf

Die Definitionen können wie folgt interpretiert werden: – Zone 20 kennzeichnet Bereiche, in denen explosionsfähige Staub/LuftGemische als ständig vorhanden vorausgesetzt werden müssen. Neben Prozessen, bei denen dies tatsächlich ständig der Fall ist, sind hierunter auch Prozesse zu verstehen, bei denen über eine längere Zeitspanne (z.B. während eines mehrstündigen Prozessschrittes) oder in kurzen Abständen regelmäßig wiederkehrend explosionsfähige Staub/Luft-Gemische auftreten

202

–

–

–

8 Brand- und Explosionsschutz

In der Zone 21 kann es im Normalbetrieb (einschließlich An- und Abfahren) gelegentlich zu explosionsfähiger Atmosphäre kommen. Dies tritt jedoch in unregelmäßigen Abständen oder mit eingeschränkter Wahrscheinlichkeit auf, so dass nicht zwingend zu jedem Zeitpunkt damit gerechnet werden muss. In der Zone 22 kommt es im Normalbetrieb nicht zu explosionsfähigen Staub/Luft-Gemischen, hier sind nur störungsbedingte Zustände zu betrachten. Treten entsprechende Störungen aber zu häufig auf oder stehen solche Störungen zu lange an (z.B. unerkannte Störung oder mangelhafte Gegenmaßnahme bei einer Störung), so ist eine höherwertige Einstufung erforderlich. Schichten, Ablagerungen und Anhäufungen von brennbarem Staub sind wie jede andere Ursache, die zur Bildung einer gefährlichen Atmosphäre führen kann, bei der Zoneneinteilung zu berücksichtigen.

8.3.1 Zoneneinteilung für Aufstellungsbereiche Aufgrund der Konstruktion der Anlagen durch hinreichende Staubdichtheit der Apparate, gekapselte Fördersysteme, keine Öffnungen im Normalbetrieb, sowie der ausreichenden Dimensionierung der Aspiration werden zusammen mit grundlegenden Reinigungsmaßnahmen Staubablagerungen im Aufstellungsbereich, also außerhalb von Apparaten, üblicherweise reduziert. Damit sind die Einstufungskriterien nach DIN EN 60079-10-2 /10/ für Zone 22 erfüllt. Auf eine generelle Zoneneinteilung kann dann verzichtet werden, wenn die im Folgenden dargestellten, erhöhten Reinigungsanforderungen umgesetzt werden: – – –

Es muss eine regelmäßige, schichtweise protokollierte Kontrolle und wenn erforderlich Reinigung gewährleistet sein Es dürfen keine Fußspuren auf dem Boden erkennbar sein Es dürfen keine geschlossenen Staubdecken vorhanden sein, welche Farbe und Struktur von Apparaten oder Anlagenteilen verdecken

Allerdings ist der Umkreis von 1 m um offene Anlageneinrichtungen herum einer Zone 22 zuzuordnen. Als Reinigungsgeräte sind explosionsgeschützte mobile oder stationäre Staubsauger einzusetzen. Die Beseitigung von großen Materialanhäufungen, z.B. nach dem manuellen Ausräumen von Pressen, kann mit Besen und Schaufel durchgeführt werden. Das Abblasen mit Druckluft ist grundsätzlich unzulässig. Zum einen werden Staubwolken gebildet, die lokal auch explosionsfähig sein können, zum anderen wird der Staub feinst verteilt und kann z.B. auf Kabelpritschen bei Staubakkumulation zu einer Brandgefahr werden.

8.3 Auftreten explosionsfähiger Atmosphären – Zoneneinteilung

203

Der Betreiber ist verpflichtet durch geeignete organisatorische Maßnahmen (Betriebsanweisung mit regelmäßiger Kontrolle durch Vorgesetzte) für die Aufrechterhaltung der getroffenen Maßnahmen zu sorgen. In Freianlagen ist die witterungsbedingte Abreinigung zu beachten, sodass hier zunächst von einer zonenfreien Einstufung der Freianlagen auszugehen ist. Es ergeben sich somit die grundsätzlichen Zonenzuordnungen für die aufgeführten Bereiche in Abhängigkeit der dargestellten Kriterien. Tabelle 8.3: Zoneneinteilung für Aufstellungsbereiche

Bereich / Kriterium Innerhalb von Gebäuden + Es werden grundlegende Reinigungsanforderungen realisiert + Erhöhte Reinigungsanforderungen werden eingehalten + Im Umkreis (1 m) um betriebsmäßig öffenbare Anlageneinrichtungen Freianlagen (witterungsbedingte Abreinigung)

Zone nach BetrSichV 22 zonenfrei 22 zonenfrei

8.3.2 Zoneneinteilung der produktberührten Anlagenbereiche Bei der Zoneneinteilung für das Innere der Anlagenteile ist die Korngrößenverteilung und die Feuchtigkeit der gehandhabten Hölzer zu berücksichtigen. – – –

–

–

Silo: Zur Vergleichmäßigung der Produktion werden Silos als Zwischenpuffer bzw. Lager eingesetzt. Die resultierende Zone hängt von der Korngröße des eingelagerten Materials ab. Trockner: Innerhalb des Trockners nimmt die Feuchtigkeit auf ca. 10 % ab, so dass innerhalb des Trockners mit einer Explosionsgefahr zu rechnen ist. Förderwege: Hier ist nach Feinanteil des transportierten Materials und nach Fördergeschwindigkeit zu differenzieren. Ein hoher Feinanteil und eine hohe Fördergeschwindigkeit führt oft zu explosionsfähigen Atmosphären, ein geringer Feinanteil sowie geringe Fördergeschwindigkeiten führen eher selten zu explosionsfähigen Atmosphären. Hammermühlen: Die Zoneneinteilung wird durch den Feuchtegehalt des Materials bestimmt. Bei der Vermahlung von Material mit einer Feuchte von mehr als 35 % kann auf eine Zoneneinteilung verzichtet werden, bei einer Vermahlung im Trockenspanbereich ist immer mit dem Auftreten explosionsfähiger Atmosphäre zu rechnen. Filter: Die Zoneneinteilung ist von dem zu filternden Material abhängig. Abscheider für Absaugungen von Pelletwegen sind schwächer einzustufen als Abscheider nach einer Trockenvermahlung.

204

– –


Pressen: Hier werden die konditionierten Späne zu Pellets verpresst. Der Feinanteil wird durch das Verpressen reduziert. Kühler: Hier werden die frischen verpressten Pellets gekühlt. Als Feinanteil ist lediglich Pelletsbruch und Abrieb zu erwarten.

Exemplarisch ergibt sich für die in den vorigen Kapitel dargestellte Musteranlage folgende Zoneneinteilung: Tabelle 8.4: Exemplarische Zoneneinteilung für Holzpelletanlagen

Apparat Silo und Pufferbehälter Trockene Späne Trockene, vermahlene Späne Pellets Bandtrockner Förderer Langsam laufend Schnell laufend

Hammermühle Nassvermahlung Trockenvermahlung Filter Pelletabsaugung Feingutabsaugung Pressen

Kühler

Begründung

Zone

Wenig Feinanteile Hoher Feinanteil Geringer Feinanteil, Bruch und Abrieb

20 20 22

Ruhendes Materialbett, eher Brandgefahr

22

Geringer Feinanteil, z.B. Pellets Mittlerer Feinanteil, z.B. Trockenspäne Hoher Feinanteil, z.B. Mahlgut Geringer Feinanteil, z.B. Pellets Mittlerer Feinanteil, z.B. Trockenspäne Hoher Feinanteil, z.B. Mahlgut

22 21 21 22 21 20

Aufgrund der Feuchte nur Brandgefahr Bildung relevanter Feinanteile betriebsmäßig möglich

k.g.e.A

Lediglich Bruch und Abrieb als Feinanteil zu berücksichtigen Feinanteile werden separiert und akkumuliert Bindung der Feinanteile durch Wasserdampf im Konditionierer, Verpressung des Materials in kompakte Pellets; Abrieb ist zu beachten. Es kommt gelegentlich zur Staubwolkenbildung Aufgabe von kompakten Pellets mit geringem Feinstaubanteil; hoher Kühlluftdurchsatz; es ist nur im Ausnahmefall kurzfristig mit einem explosionsfähigen Staub / LuftGemisch zu rechnen.

21/22

20

20/22 21

22

k.g.e.A.: keine gefährliche explosionsfähige Atmosphäre Die Zoneneinteilung als zentrales Element der Gefährdungsbeurteilung ist immer auf den Einzelfall abzustimmen, wobei branchentypische Leitfäden und technische Regeln und Normen als Erkenntnisquelle heranzuziehen sind.

8.4 Vermeidung von Zündquellen

205

8.4 Vermeidung von Zündquellen Seit dem 01.07.2003 dürfen in Europa nur noch Geräte und Schutzsysteme in Verkehr gebracht werden, die den Anforderungen der Richtlinie 94/9/EG /16/ entsprechen. Mit dieser Richtlinie wird eine Verbindung zwischen dem Auftreten explosionsfähiger Gemische und dem Auftreten wirksamer Zündquellen geschaffen, um das akzeptierte Restrisiko zu unterschreiten. Im Regelfall ist der Betreiber angehalten, in seinen Anlagen Geräte einzusetzen, die der Richtlinie 94/9/EG /16/ entsprechen. Nach Anhang IV B der BetrSichV /1/ kann ein Betreiber jedoch abweichend davon auch Geräte in Betrieb nehmen, deren Übereinstimmung nicht nach der Richtlinie 94/9/EG /16/ nachgewiesen wurde. In diesen (Einzel-)fällen ist der Anlagenbetreiber jedoch verpflichtet selbst eine Risikoanalyse durchzuführen und damit sicherzustellen, dass alle erforderlichen Maßnahmen getroffen worden sind, um das Explosionsrisiko unterhalb des akzeptierten Restrisikos zu halten. Er wird dadurch selbst zum Hersteller seiner Anlage. Die Auswahl geeigneter Geräte erfolgt durch die Verknüpfung zwischen der Zone (Verantwortungsbereich des Betreibers) und der Kategorie (Verantwortungsbereich des Herstellers): Tabelle 8.5: Zusammenhang zwischen Kategorie und Zone

Einsetzbar Kategorie Sicherheit Sicherheit gewähr- Allgemeine Ander Geräte leistet forderung an Gerä- in Zone te 1

Sehr hoch

Auch bei selten auftretenden Gerätestörungen

Sehr selten auftre- 20 tende Zündquellen 21 müssen vermieden 22 werden

2

hoch

Auch bei häufig auftretenden Gerätestörungen

selten auftretende Zündquellen müssen vermieden werden

21

Bei normalem Betrieb

Ständig oder häufig auftretende Zündquellen müssen vermieden werden

22

3

normal

22

206


8.5 Technische Maßnahmen zur Vermeidung wirksamer Zündquellen Da explosionsfähige Atmosphären in den Anlagen nicht vermieden werden können, sind Maßnahmen zu ergreifen, die Entzündung zu verhindern. Nach den Anforderungen der DIN EN 1127-1 /3/ bzw. TRBS 2152-3 /20/ sind dabei dreizehn mögliche Zündquellen zu betrachten. Diese Zündquellen werden im Folgenden kurz definiert. 1.

2.

3.

4.

5.

Elektrische Betriebsmittel Hier besteht neben der Bildung zündwirksamer heißer Oberflächen durch Überhitzung auch eine Zündgefahr durch elektrische Funken, welche z.B. beim Öffnen und Schließen elektrischer Stromkreise (Licht einschalten) oder durch Wackelkontakte auftreten können. Heiße Oberflächen Neben trivialen heißen Oberflächen, wie Heizkörper, Trockenschränken oder Heizspiralen, können heiße Oberflächen durch Reibung erzeugt werden. Hierbei wird mechanische Energie in Wärme überführt (z.B. Kupplungen, Bremsen, Wellendurchführungen, Lager). Neben der eigentlichen Zündung einer explosionsfähigen Atmosphäre können auch Staubschichten oder andere brennbare Feststoffe soweit erhitzt werden, dass diese als Zündquelle wirksam werden. Statische Elektrizität Abhängig vom Prozess und den Materialeigenschaften können elektrostatische Entladungen sowohl bei isolierenden als auch bei isoliert aufgestellten leitfähigen Materialien auftreten. Die Zündwirksamkeit der spezifischen Entladeform (Funkenentladung, Coronaentladung, Büschelentladung, Gleitstielbüschelentladung, Schüttkegelentladung) ist von der Zündwilligkeit des explosionsfähigen Gemisches abhängig. Mechanische Funken Aus festen Materialien können durch Reib-, Schlag- und Abtragevorgänge Teilchen herausgetrennt werden, welche aufgrund des Energieeintrages beim Trennprozess eine erhöhte Temperatur annehmen können. Diese kann durch Oxidationsprozesse noch weiter erhöht werden (z.B. Eisen). Durch diese Funken können zum einen geeignete Brennstoff-Luft-Gemische gezündet werden, zum anderen können durch diese Funken in abgelagerten Stäuben Glimmnester hervorgerufen werden, die wiederum als Zündquelle wirken. Chemische Reaktion (Selbstentzündung, Zersetzung) Ist die Wärmeproduktionsrate in einer Staubschüttung größer als die Wärmeverlustrate zur Umgebung, kann eine exotherme Reaktion als wirksame Zündquelle wirken. Neben der Wärmebilanz haben das Volumen/Oberflächenverhältnis des Reaktionssystems, die Umgebungstemperatur sowie die Verweilzeit einen Einfluss auf die Temperatur-

8.5 Technische Maßnahmen zur Vermeidung wirksamer Zündquellen

6.

7.

8.

9.

10.

11.

12.

13.

207

erhöhung und damit auf die Wirksamkeit der Zündquelle. Neben der eigentlichen Temperaturerhöhung sind auch daraus entstehende Glimmnester oder Brände zu berücksichtigen. Offene Flammen und heiße Gase (Rauchen, Schweißen, Schneiden) Durch Verbrennungsreaktion werden Temperaturen von über 1000°C erreicht. Neben heißen Gasen treten bei Staubflammen und/oder rußenden Flammen auch glühende Feststoffpartikel auf, die für eine explosionsfähige Atmosphäre zündwirksam sein könnten. Auch beim Schweißen und Schneiden entstehen Funken, die zündwirksam sind. Blitzschlag Aufgrund der hohen Energiedichte sind Blitze immer als zündwirksam zu betrachten. Des Weiteren können durch die im Bereich der Einschlagstelle fließenden Ströme zündwirksame Funken erzeugt werden. Elektrische Ausgleichsströme Ausgleichströme in leitfähigen elektrischen Anlagen können als Rückströme zu Stromerzeugungsanlagen oder infolge von Körper- oder Erdschlüssen bei Fehlern in elektrischen Anlagen oder auch infolge magnetischer Induktion fließen. Werden diese betreffenden Anlagenteile getrennt, verbunden oder gebrückt, kann durch den elektrischen Funken oder den Lichtbogen eine explosionsfähige Atmosphäre gezündet werden. Ultraschall Bei der Anwendung von Ultraschall absorbiert der beschallte Stoff die Energie und kann sich dabei so stark erwärmen, dass eine Entzündung eintreten kann. Elektromagnetische Wellen (Frequenz: 3*1011 Hz bis 3*1015 Hz) Strahlung in diesem Spektralbereich kann insbesondere bei Fokussierung zu einer Zündquelle von explosionsfähiger Atmosphäre werden oder auf festen Oberflächen einen Brand auslösen. Insbesondere bei Laserstrahlen kann auch bei großen Entfernungen die Leistungsdichte noch zu einer Zündung ausreichen. Hochfrequente Strahlung (Frequenzen von 104 Hz bis 3 x 1012) Anlagen, die eine solche hochfrequente elektrische Energie abgeben, sind z.B. Funksendemasten oder Hochfrequenzgeneratoren zum Erwärmen, Trocknen oder auch Schweißen. Leitfähige Teile in einem solchen Strahlungsfeld wirken als Empfänger und können unter geeigneten Umständen eine explosionsfähige Atmosphäre zünden. Ionisierende Strahlung Durch Röntgenröhren oder radioaktive Stoffe erzeugte ionisierende Strahlung kann infolge von Energieabsorption explosionsfähige Atmosphäre entzünden. Aber auch die Strahlungsquelle kann sich soweit aufheizen, dass sie als Zündquelle in Betracht zu ziehen ist. Adiabatische Kompression

208


Hier können so hohe Temperaturen auftreten, die für explosionsfähige Gemische zündwirksam sind. Stoßwellen bilden sich z.B. beim plötzlichen Entspannen von Hochdruckgasen in Rohrleitungen aus. An Einbauten oder Krümmungen bilden sich dann besonders hohe Temperaturen. Für die gehandhabten Stäube spielt diese Zündquelle eine untergeordnete Rolle. Für Anlagen zur Herstellung von Holzpellets können die Zündquellen in drei Gruppen differenziert werden: Triviale Zündquellen Diese Zündquellen sind durch den Einsatz geeigneter Betriebsmittel bzw. organisatorischer Maßnahmen einfach zu vermeiden: Tabelle 8.6: Triviale Zündquellen

Zündquelle Elektrische Betriebsmittel Offene Flammen und heiße Gase (Rauchen, Schweißen, Schneiden) Blitzschlag Elektrische Ausgleichsströme Ultraschall Elektromagnetische Wellen (Frequenz: 3*1011 Hz bis 3*1015 Hz) Hochfrequente Strahlung (Frequenzen von 104 Hz bis 3 x 1012) Ionisierende Strahlung Adiabatische Kompression

Maßnahme Vermeidung durch Auswahl der Geräte gemäß der erforderlichen Kategorie Vermeidung durch Heißarbeitserlaubnis Vermeidung durch Blitzschutzanlage Vermeidung durch Potentialausgleich Vermeidung durch Auswahl der Geräte gemäß der erforderlichen Kategorie

Für Holzpelletanlagen im Regelfall nicht relevant

Signifikante Zündquellen: Diese Zündquellen sind für Anlagen zur Herstellung von Holzpellets typisch. Aufgrund spezieller apparativer Anforderungen sind hier detailliertere Überlegungen erforderlich, wie nachfolgend gezeigt. Mechanische Funken und heiße Oberflächen durch Reib- und Schleifvorgänge können zündwirksam sein, wenn die Relativgeschwindigkeit bei einem bewegten Einbau über 1 m/s liegt. Diese Relativgeschwindigkeit wird typischerweise bei Elevatoren, Ventilatoren und Mühlen überschritten. Abhängig von der erforderlichen Kategorie kann mit Anwendung des Schutzprinzipes „sichere Konstruktion“ nach DIN EN 13463 Teil 1 /6/ zusammen mit Teil 5 auch bei höheren Relativgeschwindigkeiten das Auftreten relevanter

8.5 Technische Maßnahmen zur Vermeidung wirksamer Zündquellen

209

Zündquellen vermeiden werden. Dabei sind insbesondere folgende Aspekte zu berücksichtigen: – Möglichst außenliegende Lager – Geeignete Materialkombinationen, d.h. kein Einsatz von Leichtmetallen oder harten Werkstoffen – Robuste Gestaltung der inneren Einbauten, für bestimmungsgemäße Nutzung geeignet – Ausreichender Wandabstand zwischen bewegten und stehenden Bauteilen – Regelmäßige Inspektion und Wartung insbesondere der Wellendurchführungen und Einbauten Mit dem Konstruktionsmerkmal „Sichere Konstruktion“ lassen sich Geräte der Kategorie 2 (sicher auch bei häufigen Fehlern, einsetzbar maximal in Zone 21) bauen. Um die Kategorie 3 (sicher auch bei sehr seltenen Fehlern, einsetzbar in Zone 20) zu erreichen, kann dieses Schutzprinzip bei Schnellläufern, wie Elevatoren oder Hammermühlen, nicht als alleinige Maßnahme angewendet werden. Für eine sichere Anlagengestaltung ist dann ein ergänzender konstruktiver Explosionsschutz erforderlich. Letztendlich kann mit den zuvor dargestellten konstruktiven Maßnahmen der für die jeweilige Zone erforderliche Kategorienachweis, unter Berücksichtigung der Besonderheit von Schnellläufern, geführt werden. Tabelle 8.7: Signifikante Zündquellen

Zündquelle Heiße Oberflächen Mechanische Funken

Maßnahme Vermeidung durch Auswahl der Geräte gemäß der erforderlichen Kategorie Vermeidung durch Auswahl der Geräte gemäß der erforderlichen Kategorie

Prozessinduzierte Zündquellen Diese Zündquellen werden durch den Prozess erzeugt, z.B. bei pneumatischen Förderungen oder bei der Pressung der Pellets. Tabelle 8.8: Prozessindizierte Zündquellen

Zündquelle Statische Elektrizität Chemische Reaktion (Selbstentzündung, Zersetzung)

Maßnahme Vermeidung durch ausreichende Erdung Vermeidung durch vorbeugende Maßnahmen

Chemische Reaktionen können in Form von Selbstentzündungsvorgängen zu wirksamen Zündquellen werden. Im Falle der Lagerung der Trockenspäne in Silos sind Selbstentzündungsvorgänge durch Begrenzung der Einlagerungstemperatur und der Lagerzeit zu vermeiden.

210


Selbstentzündungsvorgänge im Trockner sind durch Begrenzung der Trocknungstemperatur, regelmäßige Inspektionsintervalle sowie Leerfahren und Einleiten einer Kühlphase vor längeren Stillständen zu vermeiden. Glimmbrände sind durch die Begrenzung der Oberflächentemperaturen der elektrischen und nicht–elektrischen Betriebsmittel im Aufstellungsbereich der Anlagen weitgehend vermieden. Innerhalb der Anlage werden jedoch Prozesse durchgeführt, die weitergehende Maßnahmen zur Vermeidung von Glimmbränden erfordern. –

–

–

Fördern gegen verstopfte Förderwege (z.B. Schnecken, Trogkettenförderer) Verstopft ein Förderweg wird die Bewegungsenergie der Transportorgane in Wärmeenergie in dem verstopften Material umgewandelt. Dies kann zu Glimmbränden führen. Durch den Einsatz von Schanzwächtern- und klappen, wird ein Verstopfen erkannt und die zuführenden Förderer sind abzuschalten. Hammermühlen und zugeordnete Abförderung der Produkte Bei einem Eintrag von Fremdkörpern in die Mühle kann sich der Fremdkörper soweit aufheizen, dass er in dem weiteren Produktionsablauf ein Glimmnest erzeugt. Dem Bereich der Vermahlung ist daher ein Magnetund Schwerlastabscheider vorzuschalten. Die Wahrscheinlichkeit des Eintrags von Fremdstoffen in die Hammermühle ist somit reduziert, jedoch nicht gänzlich ausgeschlossen (z.B. Abriss eines Schlägels). Daher ist der Materialausgang der Mühle mit einem Funkenerkennungs- und Löschsystem auszurüsten. Ein Verstopfen der Mühle kann durch eine Lager- und Innenraumtemperaturüberwachung detektiert werden. Pelletpressen, Pelletkühler und zugeordnete Abluftsysteme Im Bereich der Pressen besteht eine erhöhte Gefahr der Brandentstehung bzw. der Entstehung von überhitzten, glimmenden Partikeln. Der Materialaustrag des Kühlers sowie der Bereich der Kühlerabluft ist daher per Funkenerkennungs- und Löschsystem zu überwachen. Ein Verstopfen der Pressen wird mit einer Temperaturüberwachung der Koller überwacht.

Funkendetektionen als alleinige Schutzmaßnahmen zum Explosionsschutz sind nicht ausreichend, da sie nicht als Schutzsystem im Sinne der RL 94/9/EG /16/ geprüft sind. Sie sind jedoch als vorbeugende Maßnahmen das Bindeglied zum Brandschutz. Die eingesetzten Geräte müssen nach Richtlinie 94/9/EG /16/ wie folgt gekennzeichnet sein:

8.6 Beherrschen von Explosionen

211

Tabelle 8.9: Erforderliche Kennzeichnung von Geräten gemäß 94/9/EG /16/

Zone

Kennzeichnung nicht-elektrische

elektrische

Erforderliche Prüfung

20

Ex II 1 D, Angabe der maximalen Oberflächentemperatur, Prüfnummer/Prüfstelle

Baumusterprüfung, Konformitätserklärung Hersteller

21

Ex II 2 D, Angabe der maximalen Oberflächentemperatur

Ex II 1 D, IP 6X, Angabe der maximalen Oberflächentemperatur, Prüfnummer/Prüfstelle Ex II 2 D, IP 6X, Angabe der maximalen Oberflächentemperatur, Prüfnummer/Prüfstelle

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Ex II 3 D, Angabe der maximalen Oberflächentemperatur

Ex II 3 D, IP 5X, Angabe der maximalen Oberflächentemperatur

Konformitätserklärung Hersteller, Ergebnisse der Gefährdungsanalyse in der Dokumentation, Prüfung je nach Zündschutzart, Baumusterprüfung nur für elektrische Betriebsmittel Konformitätserklärung Hersteller, Ergebnisse der Gefährdungsanalyse in der Dokumentation

8.6 Beherrschen von Explosionen Nicht immer lassen sich alle Zündquellen allein durch vorbeugende Maßnahmen mit ausreichender Sicherheit vermeiden. Trotz umfassender Inspektions-, Wartungs- und Überwachungsmaßnahmen können heiße Oberflächen durch Schleifund Reibvorgänge an schnelllaufenden mechanischen Aggregaten, wie z.B. in Hammermühlen, nicht mit absoluter Sicherheit ausgeschlossen werden. Auch in zentralen Aspirationsfiltern kann ein Eintrag von Zündquellen aufgrund der Vielzahl von Absaugpunkten nicht immer mit Sicherheit ausgeschlossen werden. Konstruktive Schutzmaßnahmen werden auch dann projektiert, wenn Anlagen ein besonders großes Schadenspotential aufweisen (z.B. große Silokomplexe) oder wenn weitergehende Schutzinteressen bestehen. So kann die Verfügbarkeit von Anlagen durch die Begrenzung von Flammen- und/oder Druckwirkungen im Falle einer Explosion erhöht werden, da die Explosion nur einen definierten und speziell ausgelegten Bereich betrifft. Prinzipiell ist bei konstruktiven Explosionsschutzmaßnahmen das Auftreten explosionsfähiger Gemische und das gleichzeitige Auftreten wirksamer Zündquellen zulässig. Eine Explosion findet statt, die Auswirkung sowie die Ausbreitung der Explosion wird jedoch begrenzt. Mögliche Maßnahmen lassen sich wie folgt differenzieren:

212

– –

– –


Druckfeste Bauweise: Die Anlage ist für den maximalen Explosionsüberdruck ausgelegt. Druckstoßfeste Bauweise: Die Anlage ist für einen reduzierten maximalen Explosionsüberdruck ausgelegt und mit Einrichtungen zur Druckentlastung ausgerüstet. Eine Verformung der Anlagenteile ist zulässig, ein unkontrolliertes Aufreißen jedoch nicht. Explosionsunterdrückung: Mit aktiven Sensoren wird das Anlaufen einer Explosion erkannt und, um die Reaktion abzubrechen, wird Löschmittel in die Anlage eingebracht. Explosionstechnische Entkopplung: Mit aktiven (z.B. Löschmittelsperre) oder passiven (z.B. Explosionsschutzventil) Aktoren wird ein Überschlagen einer Explosion von einem Anlagenteil in einen anderen unterbunden.

Basis für die Anwendung konstruktiver Maßnahmen ist eine ganzheitliche Systemanalyse unter Berücksichtigung des vorgesehenen Einsatzzweckes und der vorgesehenen Stoffe. Dabei ist zu berücksichtigen, dass ausgehend von einer verbleibenden wirksamen Zündquelle (z.B. aus einer Hammermühle) nicht die gesamte betrachtete Anlage mit konstruktiven Maßnahmen auszuführen ist, sondern der Bereich, der von einer potentiellen Explosion betroffen ist, eingegrenzt werden kann. Für des Schutzkonzept „Konstruktiver Explosionsschutz“ sind demnach folgende Aspekte zu bearbeiten: – – – –

Festlegen des zu schützenden Bereiches Dimensionierung der Größe der Entlastungseinrichtung bzw. der Explosionsunterdrückung Gewährleistung der Festigkeit der Apparate Auswahl der Entkopplungseinrichtung

Ob zuerst die Größe der Entlastungsfläche bzw. die Explosionsunterdrückung dimensioniert wird oder erst die Festigkeit des zu schützenden Bereiches festgelegt wird, hängt vom Einzelfall ab. U.U. ist die verfügbare Fläche zur Druckentlastung begrenzt, z.B. auf einem Silodach. Hier ist dann die Festigkeit des Behälters so zu variieren, dass die installierbare Entlastungsfläche ausreichend groß bemessen ist. Im anderen Fall kann z.B. die mit vertretbarem Aufwand erreichbare Festigkeit von eckigen Behältern (Filter, Mühlennachbehälter) limitiert sein. Dann ist die Größe der Entlastungsfläche so zu variieren, dass der reduzierte maximale Explosionsüberdruck die erreichbare Festigkeit des geschützten Volumens nicht übersteigt. Bei diesen Variationen sind jedoch immer die spezifischen Randbedingungen aus den angewendeten Normen einzuhalten. Das Schutzprinzip „Konstruktiver Explosionsschutz“ ist nur dann effizient wirksam, wenn die Explosion tatsächlich durch die Druckentlastungsfläche bzw. die Explosionsunterdrückung im Zusammenspiel mit einer ausreichenden Behälterfestigkeit beherrscht werden kann. Daher darf es nicht zu einem unkontrollierten Aufreißen oder Versagen des Behälters kommen. Mögliche Folgeschäden können Sekundärexplosionen durch Staubablagerungen oder Brände im Aufstellungsbereich sein oder auch die Gefährdung von Personen.

8.6 Beherrschen von Explosionen

213

Für den Nachweis der Festigkeit wird die harmonisierte Norm EN 14460 /7/ angewendet. Dabei stehen drei Alternativen zur Verfügung: – – –

Konstruktion nach EN 13445 /5/ Druckprüfung als Typprüfung Explosionsprüfung als Typprüfung

Bei diesen drei genannten Nachweisverfahren ist immer eine Druckprüfung für jedes Gerät durchzuführen. Diese kann als Wasserdruckprobe oder als Luftdruckprobe durchgeführt werden und der erforderliche Druck muss mindestens 3 Minuten anliegen. Der Prüfdruck muss dem 0,9 fachen des Auslegungsdruckes entsprechen, wobei bleibende Verformungen dann nicht zulässig sind. Kann eine Druckprüfung aus technischen und/oder sicherheitstechnischen Gründen nicht erfolgen, so ist die Güte der Geräte nachzuweisen durch: – – –

Nachweis der Werkstoffzertifikate nach EN 10204 /4/ Zerstörungsfreie Schweißnahtprüfung mindestens mit Ultraschall, wobei insbesondere Knotenpunkte zu überprüfen sind Vergleich der tatsächlichen Maße mit den technischen Zeichnungen

Dieser alternative Nachweis ist jedoch als Ausnahme zu sehen und sollte nicht von vornherein bei einem konstruktiven Explosionsschutzkonzept in Betracht gezogen werden.

8.6.1 Dimensionierung der Entlastungsfläche Um die Auswirkungen einer Explosion auf eine definiertes Maß zu begrenzen ist eine Druckentlastungsfläche vorzusehen. Überschreitet der Druck im Behälter durch die anlaufende Explosion einen Schwellenwert, nämlich den Ansprechdruck der Entlastungseinrichtung, öffnet sich die Fläche und durch die weitere Expansion der Explosion wird das Gemisch durch die Entlastungsöffnung nach außen transportiert. Dies betrifft sowohl verbrannte als auch unverbrannte Stoffe, so dass die Verbrennungsreaktion auch im Außenraum stattfindet. Dadurch wird auch in der Umgebung ein Druckaufbau mit Flammenerscheinung beobachtet, weswegen dieser Bereich als gefährdeter Bereich auszuweisen ist. Die Dimensionierung der Entlastungsfläche erfolgt nach der harmonisierten EN 14491 /8/, wodurch die Konformitätsvermutung nach RL 94/9/EG /16/ ausgelöst wird. Bei der Anwendung anderer Dimensionierungsansätze (z.B. NFPA 68 /15/ oder VDI 3673 /22/) ist der Nachweis, dass die Schutzziele nach 94/9/EG /16/ erreicht werden, separat und schriftlich zu führen. Die empirisch ermittelten Berechnungsgleichungen beruhen auf der Entlastung eines einzelnen Behälters, der vollständig im turbulenten Zustand mit einem optimalen Staub-Luft-Gemisch gefüllt ist.

214


Wenn im Einzelfall die tatsächlichen Prozessparameter davon abweichen, kann bei Anwendung der Gleichungen aus EN 14491 /8/ die Entlastungsfläche unteroder überdimensioniert sein. Zum Beispiel wird beim tangentialen Produkteintrag in ein Silo unter bestimmten Vorraussetzungen nicht das gesamte Silovolumen mit einem optimalen Staub-Luft-Gemisch gefüllt sein. In diesen Fällen kann von den Berechnungsansätzen nach EN 14491 /8/ abgewichen werden, wobei die Dimensionierung der kleineren Entlastungsfläche auf Basis von veröffentlichten oder experimentellen Daten beruhen muss, die anhand von repräsentativen Druckentlastungsversuchen bestimmt wurden. Grundsätzlich sollte das Design der Schutzmaßnahme „Druckentlastung“ folgende Aspekte berücksichtigen: – – – – – –

frühzeitige Entlastung verbrannter Gase, Positionierung der Druckentlastungsflächen in der Nähe potentieller Zündquellen, Vermeidung von Verdämmungen und Hindernissen zwischen möglichen Zündquellen und den Druckentlastungsflächen (Vermeidung von Turbulenzen), Vermeidung langgestreckter Strukturen (seitliche statt stirnseitiger Entlastung), Vermeidung von Blockaden z.B. durch einknickende Filterstützkörbe. Wie in der Norm EN 14460 /7/ wird auch in der Norm EN 14491 /8/ eine ausreichende Benutzerinformation gefordert.

8.6.2 Explosionsunterdrückung Wie bei der Explosionsdruckentlastung wird auch bei der Explosionsunterdrückung eine Initialexplosion zugelassen (Abb. 5). Diese wird mit Detektoren, typischerweise Flammen- und/oder Druckmelder erkannt und an eine Auswerteeinheit gemeldet. Diese verarbeitet das registrierte Signal und kann dabei bei Druckschwankungen im Prozess zwischen normalen Schwankungen und anlaufender Explosion unterscheiden. Ist das Explosionskriterium erfüllt wird das Löschmittel in den geschützten Behälter eingeblasen. Dies erfolgt innerhalb von wenigen dutzend Millisekunden. Der Druck im Behälter steigt bis zu einem vorher festgelegt reduzierten Explosionsüberdruck an, dann wird dir Explosionsreaktion durch das Einglasen des Löschmittels abgebrochen. Aufgrund der Komplexität der Explosionsunterdrückung ist das Gesamtsystem, bestehend aus Art und Positionierung der Detektoren, Art er Steuerzentrale sowie Art, Menge und Position der Löschmitteleindüsung vom Hersteller der Unterdrückungsanlage auszulegen.

8.6 Beherrschen von Explosionen 1. Zündung

2. Druckdetektoren registrieren Druckanstieg

3. Löschpulver strömt aus

Druckwellen

4. Löschpulver löscht Explosionsflamme

215

5. Explosion unterdrückt

Löschmittel

Zündung Feuerball Zeit: 0 ms Druck: 0 mbar

20 ms 35 mbar

30 ms 85 mbar

50 ms 200 mbar

80 ms 150 mbar

Abb. 8.5: Prinzipskizze Explosionsunterdrückung, Quelle: Firmenschrift ATEX Explosionsschutz GmbH, Möhnesee

8.6.3 Auswahl der Entkoppelungseinrichtungen Maßnahmen der explosionstechnischen Entkopplung sind aus zwei Gründen notwendig. Zum einen ist durch die Risikobewertung der druckstoßfest ausgeführte Bereich festgelegt. Die Ausbreitung der Explosion über diesen definierten Bereich hinaus ist zu vermeiden. Hierbei wird der druckstoßfest ausgeführte Bereich von dem nicht druckstoßfest ausgeführten Bereich entkoppelt. Zum anderen sind auch innerhalb mehrerer verketteter und druckstoßfest ausgeführter Apparate Maßnahmen zur Entkopplung vorzusehen. Relevanz haben zwei Effekte: –

–

Explosionen gehen immer mit Ausbreitung einer Flammen- und einer Druckfront einher. Dabei breitet sich die Druckwelle in der Regel schneller aus als die Flammenfront. Die Druckwelle läuft somit eher in den angeschlossenen Behälter ein, wodurch es zu einer „Vorkompression“ des explosionsfähigen Gemisches im zweiten Behälter kommt. Aus dem höheren Vordruck beim Einlaufen der Flammenfront resultiert ein höherer Explosionsüberdruck, da der Explosionsüberdruck proportional dem Vordruck im System ist. Eine beginnende Explosion läuft vergleichsweise langsam ab. So steht eine entsprechend lange Zeit für das Öffnen von Entlastungsflächen bzw. Auslösen einer Unterdrückung zur Verfügung. Im Falle von gekoppelten Behältern wird beim Übergang von dem einen auf den anderen Behälter Turbulenz generiert. Dadurch kommt es zu einer Vergrößerung der Flammenoberfläche und damit der Reaktionsfront. Daher kann die Explosion als Flammenstahl in den verbundenen Behälter einlaufen, wobei dann die Reaktion in diesem deutlich schneller abläuft und so die Reaktionszeit

216


der Entlastungseinrichtung nicht ausreicht, die Explosion zu entlasten. Der Druckaufbau wird nicht abgebrochen, der Explosionsüberdruck steigt über den dimensionierten Festigkeitswert. Mögliche Systeme zur Entkopplung werden in der TRBS 2152 Teil 4 /20/, DIN EN 1127-1 /3/ sowie der DIN EN 15089 /9/ beschrieben, wobei letztere auch Prüfverfahren und Qualitätsanforderungen für diese Systeme beschreibt. Es können passive und aktive Systeme unterschieden werden. Bei den passiven Systemen handelt es sich um Systeme, die ohne Fremdeinwirkung (z. B. ein über einen Sensor angesteuerter Antrieb) funktionieren. Beispiele von passiven Systemen sind u.a.: – – – –

Zellenradschleusen Taktschleusen Materialpuffer Rückschlagklappen

Aktive Systeme benötigen stets eine Detektion der Explosion. Diese kann durch eine optische Infrarotdetektion (Flammenmelder) oder eine Druckdetektion erfolgen. Optische Melder können schneller sein als Druckdetektoren und eine Explosion im Anfangsstadium bereits erkennen, außerdem kann eine genaue Lokalisierung einer Flamme erfolgen (z.B. beim Einlauf in eine Rohrleitung). Sie können jedoch leicht verschmutzen und damit blind werden. Druckdetektionen können statisch oder dynamisch vorgenommen werden. Statische Druckdetektoren können durch mechanische Einwirkungen oder Vibrationen ausgelöst werden, weswegen sie paarweise in einem Winkel von 90 ° zueinander eingesetzt werden. Dynamische Detektoren analysieren den auftretenden Druckverlauf und können daher zwischen einer Explosion und betriebsüblichen Druckschwankungen differenzieren. Zu den aktiven Systemen gehören: – –

Schnellschlussorgane wie Schnellschlussschieber und Schnellschlussbalgenquetschventile Löschmittelsperren

Ob ein bestimmtes Schutzsystem für den geplanten Einsatzzweck geeignet ist, muss im Rahmen der Risikobewertung ermittelt werden. In die Analyse muss beispielsweise einbezogen werden, ob – – –

die Druckdetektoren zur Ansteuerung von aktiven Löschmittelsystemen bei Prozessen mit hohen und unregelmäßigen Druckschwankungen geeignet sind, die Entkopplung von Absaugleitungen durch einfache Rückschlagklappen auch bei den zu erwartenden Materialbeladungen zuverlässig funktioniert, die Zellenradschleusen auch für stark abrasives Material geeignet sind.

8.7 Organisatorische Maßnahmen

217

Aufgrund der Komplexität einer explosionsschutztechnischen Entkopplung ist die Eignung des Schutzsystems für den geplanten Einsatzzweck durch ein Systemzertifikat des Herstellers zu bestätigen.

8.7 Organisatorische Maßnahmen Die Betriebssicherheitsverordnung ermöglicht Arbeitgebern im Vergleich zu früheren Regelwerken einen größeren Spielraum bei der sicheren Gestaltung ihrer Betriebe durch die Stärkung ihrer betrieblichen Eigenverantwortung. Neben der Auswahl der Betriebsmittel (technische Maßnahmen) kommen den organisatorischen Maßnahmen eine ganz entscheidende Bedeutung zu. Organisatorische Maßnahmen sind immer dann zu treffen, wenn mit technischen Maßnahmen allein der Explosionsschutz an den Arbeitsplätzen nicht gewährleistet und aufrecht erhalten werden kann. Da in den Betrieben in erster Linie Menschen tätig sind und diese im Falle menschlichen Fehlverhaltens Risiken und Gefährdungen verursachen können, hat es sich gezeigt, dass insbesondere nur durch Einbeziehung der Beschäftigten eine sichere Arbeitsumgebung geschaffen und aufrechterhalten werden kann. Die organisatorischen Maßnahmen müssen daher auch mögliche Wechselwirkungen zwischen Explosionsschutzmaßnahmen und Arbeitsabläufen berücksichtigen. In der Praxis hat sich daher eine Kombination von technischen und organisatorischen Explosionsschutzmaßnahmen bewährt, die sicherstellen, dass die Arbeitnehmer die ihnen übertragenen Arbeiten ohne Gefährdung ihrer Sicherheit und Gesundheit oder der Sicherheit und Gesundheit anderer ausführen können. Folgende Aspekte sind im Explosionsschutz zu berücksichtigen:

218


Tabelle 8.10: Anforderungen zur Umsetzung organisatorischer Maßnahmen

Thema Kennzeichnung

Unterweisung der Arbeitnehmer

Betriebsanweisungen

Koordination

Überwachung Zutritts-Verbote

Brandschutz Prüfungen

Maßnahmen x Kennzeichnung explosionsgefährdeter Bereiche an ihren Zugängen mit Warnzeichen x Verbot von Zündquellen, wie zum Beispiel das Rauchen und die Verwendung von offenem Feuer und Licht (Hinweise, Kennzeichnung) x Unterweisung der Mitarbeiter für Tätigkeiten in explosionsgefährdeten Bereichen x Umgang mit brennbaren Stoffen x Bei brennbaren Flüssigkeiten - Maßnahmen zur Aufnahme und Beseitigung von Leckagen, x Bei brennbaren Stäuben - Maßnahmen zur Beseitigung von Staubablagerungen x Verhalten bei Alarm, Räumung, Not-Aus, etc. x Fachpersonal in Schulungen zu speziellen Themen des Explosionsschutzes weiterbilden x Schriftliche Arbeits- bzw. Betriebsanweisungen nach BetrSichV x Arbeitsfreigabesystem für Arbeiten in explosionsgefährdeten Bereichen x Anforderungen an die Koordination und Abstimmung bezüglich der zu treffenden Schutzmaßnahmen x Einbeziehung von benachbarten Anlagen und des laufenden Betriebes x Gegenseitige Gefährdung von verschiedenen Arbeitsgruppen unterschiedlicher Arbeitgeber x Inspektions-/Kontrollgänge hinsichtlich der technischen Dichtheit der Anlage x Zutritt zu den Anlagen ist nur befugten Personen zu gestatten x Betriebsfremde haben sich in der Meldestelle der jeweiligen Anlage zu melden x Flucht- und Rettung von Beschäftigten ermöglichen x Ermittlung der Art, Umfang und Fristen erforderlicher Prüfungen nach §§ 14 und 15 BetrSichV x Festlegung der Personen zur Prüfung oder Erprobung von Arbeitsmitteln vor der Inbetriebnahme und wiederkehrend mindestens in einem Abstand von 3 Jahren durch eine befähigte Person (z.B. Elektrofachkraft für elektrische Anlagen, Schlosser) im Hinblick auf den Einsatz von Geräten in explosionsgefährdeten Bereichen

8.7 Organisatorische Maßnahmen

219


Prüfungen (Fortsetzung)

x Folgende Prüfungen sind erforderlich: x Elektrische Anlagen x Prüfung auf Erdung x Potentialausgleich x Blitzschutz x Ausführung und Beschaffenheit der nicht elektrischen Betriebsmittel

x Über die Prüfungen sind Protokolle zu erstellen und mindestens bis zur nächsten Prüfung aufzubewahren Die gesetzlichen Anforderungen an organisatorische Maßnahmen bezüglich Betriebsanweisungen, Prüfung von Betriebsmitteln und Befähigte Personen können wie folgt skizziert werden: Erarbeitung von Betriebsanweisungen Betriebe, in denen Explosionsgefährdungen auftreten, müssen für ihre Mitarbeiter verbindliche Betriebsanweisungen mit Bezug auf die zu erwartenden Gefährdungen und die zu treffenden Schutzmaßnahmen erstellen. In den Betriebsanweisungen sind die arbeitsplatzspezifischen Gefahren für Mensch und Umwelt darzustellen und auf die getroffenen bzw. einzuhaltenden Schutzmaßnahmen, in verständlicher Sprache so hinzuweisen, dass die Mitarbeiter diese befolgen können. Aus den Betriebsanweisungen muss klar hervorgehen, wo welche Explosionsgefährdungen bestehen, welche ortveränderlichen Arbeitmittel verwendet werden dürfen und ob gegebenenfalls besondere persönliche Schutzausrüstung zu tragen ist. Ein Schwerpunkt stellt dabei das Arbeitsfreigabesystem dar. In explosionsgefährdeten Bereichen lässt es sich unter bestimmten Vorraussetzungen nicht vermeiden, dass gefährlichen Arbeiten wie Schweißen, Schneiden, Brennen durchgeführt werden müssen. In derartigen Fällen verlangt der Gesetzgeber eine besondere Sorgfaltspflicht. Als sinnvoll hat sich ein schriftliches Arbeitsfreigabesystem bewährt, das alle Beteiligten verpflichtet, schriftlich Gefährdungen zu beurteilen und die erforderlichen Schutzmaßnahmen vor, während und nach Durchführung der Tätigkeiten zu ergreifen. Prüfung von Arbeits- und Betriebsmitteln Eine zentrale Vorschrift der Betriebssicherheitsverordnung stellen die Prüfpflichten des § 10 dar. Der Arbeitgeber hat dafür zu sorgen, dass Arbeitsmittel, deren Sicherheit von den Montagebedingungen abhängen: – – –

nach der Montage vor der ersten Inbetriebnahme auf ihre ordnungsgemäße Montage und sichere Funktion überprüft werden.

220


Daneben hat er Arbeitsmittel, die Schäden verursachenden Einflüssen unterliegen, in regelmäßigen Abständen zu überprüfen. Die Prüffristen hat der Arbeitgeber im Rahmen der Gefährdungsbeurteilung nach § 3 BetrSichV selbst zu bestimmen. Die Ergebnisse der Prüfungen nach § 10 sind aufzuzeichnen. Die Aufzeichnungen müssen jederzeit der zuständigen Aufsichtsbehörde am Betriebsort vorgelegt werden können, um einen effizienten Vollzug der Betriebssicherheitsverordnung sicherzustellen. Der Gesetzgeber hat die erforderlichen Prüfungen für Anlagen in explosionsgefährdeten Bereichen gemäß § 14 hinsichtlich Montage, Installation, Aufstellungsbedingungen und sicherer Funktion, Konzeptprüfung nach Anhang 4, Nr. 3.8 sowie der wiederkehrenden Prüfungen nach § 15 BetrSichV mit der TRBS 1201 Teil 1 /18/ weiter konkretisiert. Geräte, die in explosionsgefährdeten Bereichen eingesetzt werden, sind vor ihrer Inbetriebnahme nach § 14 und danach wiederkehrend nach § 15 der BetrSichV demnach durch eine befähigte Person zu prüfen. Befähigte Personen Für die Prüfung der Anlagen und Geräte sind befähigte Personen nach TRBS 1203 /19/ erforderlich. Die Gewährleistung der hinreichenden Ausbildung der befähigten Personen liegt in der Verantwortung des Betreibers. Als befähigte Personen dürfen auch Mitarbeiter von Fremdfirmen und Dienstleistungsfirmen mit entsprechender Qualifikation in Anspruch genommen werden. Allerdings ist der Betreiber immer noch verpflichtet, die fachliche Eignung der eingesetzten Mitarbeiter zu gewährleisten (z.B. über entsprechende schriftliche Vereinbarungen mit der Fremdfirma). Unternehmen sind verpflichtet im Sinne der §§ 14 und 15 der BetrSichV befähigte Personen zu ernennen. Bei der Auswahl der Mitarbeiter muss seitens des Unternehmens darauf geachtet werden, dass die Mitarbeiter die entsprechenden Funktionen der Verfahrenstechnik, des Maschinenbaus und der Elektrotechnik einschließlich der Steuerung beherrschen und aufgrund ihrer langjährigen Erfahrungen in den industriellen Verarbeitungsprozessen praktische und bereits ausgeübte Erkenntnisse über die Prozesssystematik aufweisen. Mitarbeiter, die als befähigte Personen tätig werden sollen, müssen neben der beruflichen Qualifikation ausreichende Kenntnisse auf dem Gebiet des Explosionsschutzes aufweisen. Die Benennung und Bekanntmachung der befähigten Personen muss nach Durchführung der erforderlichen Qualifizierung der betroffenen Mitarbeiter seitens der Betriebsführung erfolgen. In Deutschland ist die befähigte Person in drei Abstufungen definiert, im übrigen Europa gibt es nur den Begriff der "Competent Person". In der österreichischen Umsetzung der RL 1999/92/EG /17/ wird für alle Behälter, die brennbaren Staub enthalten, ein ergänzender konstruktiver Explosionsschutz gefordert. In der französischen Umsetzung wird dieser ergänzende Schutz für Silokomplexe größer 5.000 m³ gefordert. Die belgische und niederländische Umsetzung der eu-

8.8 Brandschutzmaßnahmen

221

ropäischen Richtlinie stellt konkretere Anforderungen an die Durchführung der Zoneneinteilung.

8.8 Brandschutzmaßnahmen Anlagen zur Herstellung von Holzpellets sind baurechtlich Sonderbauten und von einer spezifischen Zweckarchitektur gekennzeichnet, die sich der Nutzung unterordnet. Es wird eine flexible Bauweise (Stahl oder Stahlbeton) bevorzugt, die den Einbau von Anlagen erleichtert. Typischerweise ist ein kleines PersonalFlächenverhältnis gegeben, die Nutzer sind ortskundig, gesund und gehfähig. Zur Erlangung der Baugenehmigung ist mit dem Bauantrag ein Brandschutzkonzept einzureichen. Für Sonderbauten für industrielle und gewerbliche Zwecke basieren die Brandschutzmaßnahmen auf der Industriebaurichtlinie (IndBauRL) /14/, welche die qualitativen Schutzziele der Bauordnung quantitativ konkretisiert. Die Bauordnung zielt im weitesten Sinne auf einen Nachbarschaftsschutz ab. Daher ist zu gewährleisten, dass bei einem Brand in einer Nutzungseinheit dieser keine negativen Auswirkungen auf andere (Nachbarn) hat. Der Abbrand des eigenen Brandabschnittes ist dabei zulässig. So werden dem Abschottungsprinzip folgend in der IndBauRL /14/ maximal zulässige Größen von Brandabschnitten und Anforderungen an das Tragwerk und an die Baustoffauswahl gestellt. Es resultiert ein minimalistisches Brandschutzkonzept, welches jedoch für eine Baugenehmigung ausreicht, da die baurechtlichen Schutzziele eingehalten werden. Die Durchführung einer Nutzungsanalyse ist für das baurechtliche Brandschutzkonzept nicht zwingend erforderlich. Die Brandlasten werden nur hinsichtlich ihres Beitrages zur freigesetzten Wärmemenge bewertet, die Entzündung und die Abbrandgeschwindigkeit gehen nicht ein. Aus der Gefahrstoffverordnung /12/ und der Betriebssicherheitsverordnung /1/ heraus werden an den Betreiber Anforderungen zum Schutz der Arbeitnehmer vor Bränden gestellt. Dabei sind insbesondere die Gefährdungen, die von den gehandhabten Stoffen und eingesetzten Betriebsmittel ausgehen, zu berücksichtigen. Die Gefährdungsbeurteilung ist hinsichtlich des Schutzziels Personenschutz (Flucht und Rettung) durchzuführen. Als Wirtschaftseinheit ist das Unternehmen an einem langfristigen Erhalt der Wertschöpfungskette interessiert. Dabei ist hinsichtlich eines geeigneten Brandschutzkonzeptes die Frage der Wertigkeit von Maschinen, Ausgangsstoffe und Fertigwaren für den Fortbestand der Unternehmung zu beantworten. Komplexe Maschinen sind in der Regel Einzelanfertigungen, die eine mitunter lange Wiederbeschaffungszeit haben. Wird die neue Maschine geliefert ist sie in den Produktionsprozess zu integrieren, zu validieren und zu qualifizieren. Erst dann können Kunden wieder mit Produkten beliefert werden. Es ist die Frage zu klären, ob durch den Ausfall einer Schlüsselmaschine nicht die gesamte Produktion an dem Standort zum Erliegen kommt.

222


Besonderes Augenmerk ist auch auf Nutzungsänderungen zu legen. Durch unzureichendes Management of Change werden von den Betriebsabteilungen Änderungen durchgeführt, die keiner Genehmigung zugeführt werden. Dies kann zum Beispiel Anbauten an bestehende Gebäude betreffen oder das Zusammenwachsen von vormals durch ausreichenden Abstand getrennte Gebäude durch Überdachungen zur Zwischenlagerung und Umschlag von Produkten oder Nutzung als Aufstellungsfläche für technische Anlagen, wie etwa Filter oder Lüftungsanlagen. Für eine dauerhaft erfolgreiche Nutzung einer Anlage ist eine ganzheitliche Brandschutzbetrachtung zu erstellen, die die Prämissen der Bereiche Baurecht, Arbeitsschutz und Sachwertschutz bewertet und zu einem Gesamtkonzept zusammenführt. Dabei sind folgende Fragen zu klären: – – – –

Welche Schutzziele sollen erreicht werden? Neben der baurechtlichen Genehmigung kann hier auch der Schutz von Maschinen von Bedeutung sein. Wie kommt es zu einer Entzündung und Ausbreitung eines Brandes? Im Bereich von Trocknern, Hammermühlen oder Pressen erfolgt ein großer Energieeintrag in das Produkt. Welche Schäden sind bei einem Brand zu erwarten? Das Schadensausmaß in einem kleinen Rückgutförderer ist im allgemeinen geringer zu bewerten als ein brand im Trockenspansilo. Womit kann Bränden und ihren Gefahren wirksam begegnet werden? Z.B. ist aufgrund der großen Silodimensionen ist ein manueller Löschangriff mit Wasser problematisch

Bei der Erarbeitung des Gesamtkonzeptes ist dafür Sorge zu tragen, dass Maßnahmen, die aus dem Sachwertschutz freiwillig durchgeführt werden, z.B. Brandmeldeanlage, nicht als Erleichterung für baurechtliche Anforderungen eingesetzt werden. Es besteht die Gefahr, dass bei einer Nutzungsänderung neben der Anlage auch der Anlagenschutz zurückgebaut wird und so die Grundlage für die Erleichterung entfällt. Als vorbeugende Brandschutzmaßnahmen sind zu nennen: – – –

Sauberkeit der Betriebsräume gewährleisten Keine Ablagerungen auf Kabelpritschen zulssen Heißarbeitserlaubnis einführen

Neben dem reinen Selbstentzündungsphänomen kann es in Siloanlagen auch durch extern eingetragene Zündquellen zur Bildung von Hot Spots und Ausbreitung von Glimmbränden kommen. Initiiert werden diese Glimmbände durch den Eintrag heißer Partikel, z.B. überhitztes Material aus Trocknern, Pressen oder Mühlen. Zur Überwachung der Betriebsbedingungen bieten sich Funkendetektionen oder CO-Überwachungen an.


223

Abwehrende Schutzmaßnahmen Auch mit den vorgestellten technischen vorbeugenden Maßnahmen ist kein vollständiger Schutz vor Glimmbränden möglich, wenngleich das durch die vorbeugenden Schutzmaßnahmen verbleibende Restrisiko allgemein akzeptiert wird. Aufgrund des hohen Schadenspotentials sind daher zusätzliche abwehrende Maßnahmen vorzusehen. In Holzpelletanlagen sind daher ergänzend Funkenerkennungs- und Löschsysteme als Brandschutzmaßnahme installiert. Dabei haben sich die folgenden Installationsorte in Anlagen zur Holzpelletherstellung als Brandschutzmaßnahme bewährt. – – – –

jeweils nach den Trocknerausgängen im Materialausgang der Trockenspanmühle jeweils im Materialausgang der Pelletpressen jeweils in den Materialausgängen und der Aspirationen der Pelletkühler

Im Falle eines Silobrandes zeigen die klassischen Löschmittel nicht die gewünschte Wirkung, da Wasser in Kanälen innerhalb der Schüttung herunter rinnt, ohne zwangsläufig den Brandherd zu löschen und Schaum die Schüttungsoberfläche bedeckt und den freie Zug der Brandgase behindert. Dadurch sinkt das Sauerstoffangebot und die Brandgase (meist brennbares Kohlenmonoxid) können sich aufgrund der unvollständigen Verbrennung unterhalb der Schaumdecke akkumulieren. Bei einem unkontrollierten Öffnen des Silos kann Sauerstoff zugeführt werden, so dass der schwelende Glimmbrand in einen offenen Brand überschlagen kann. Zudem kann durch den Einsatz von Löschstrahlen Staub aufgewirbelt werden, welcher sich an der heißen Oberfläche entzündet und zur Explosion gebracht werden kann. Grundsätzlich ist bei der Auswahl der abwehrenden Maßnahmen zu berücksichtigen, dass der Silobrand ein langsamer Prozess ist (eher Tage und Wochen als Stunden) und damit genügend Zeit bleibt, wirkungsvolle Maßnahmen vorzubereiten und durchzuführen.

224



/2/ /3/ /4/ /5/ /6/ /7/ /8/ /9/ /10/ /11/ /12/ /13/ /14/ /15/ /16/

/17/

BetrSichV – Betriebssicherheitsverordnung (18.12.2008) Verordnung über Sicherheit und Gesundheitsschutz bei der Bereitstellung von Arbeitsmitteln und deren Benutzung bei der Arbeit, über Sicherheit beim Betrieb überwachungsbedürftiger Anlagen und über die Organisation des betrieblichen Arbeitsschutzes FireEx Consultant GmbH, Richard Siwek, CH-4304 Giebenach, www.fireex.eu DIN EN 1127-1 (Februar 2008) Explosionsfähige Atmosphären - Explosionsschutz - Teil 1: Grundlagen und Methodik DIN EN 10204 (Januar 2005) Metallische Erzeugnisse - Arten von Prüfbescheinigungen DIN EN 13445 (August 2002) Unbefeuerte Druckbehälter, Teil 1: Allgemeines DIN EN 13463-1 (Juli 2009) Nicht-elektrische Geräte für den Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen - Teil 1: Grundlagen und Anforderungen DIN EN 14460 (Juli 2006) Explosionsfeste Geräte DIN EN 14491 (August 2007) Schutzsysteme zur Druckentlastung von Staubexplosionen DIN EN 15089 (Juli 2009) Explosionsentkopplungssysteme DIN EN 60079-10-2 (März 2010) Explosionsfähige Atmosphäre Teil 10-2: Einteilung der Bereiche - Staubexplosionsgefährdete Bereiche Explosionsschutzverordnung (Januar 2004) Elfte Verordnung zum Geräte- und Produktsicherheitsgesetz GefStoffV – Gefahrstoffverordnung (18.12.2008) Verordnung zum Schutz vor Gefahrstoffen Gestis-Stoffdatenbank Institut für Arbeitsschutz der Deutschen Gesetzlichen Unfallversicherung (IFA), http://www.dguv.de/ifa/de/gestis/expl/index.jsp IndBauRL (Mai 2001) Richtlinie über den baulichen Brandschutz mit Industriebau NFPA 68 (2007) Standard on Explosion Protection by Deflagration Venting Richtlinie 94/9/EG des Europäischen Parlaments und des Rates vom 23. März 1994 zur Angleichung der Rechtsvorschriften der Mitgliedsstaaten für Geräte und Schutzsysteme zur bestimmungsgemäßen Verwendung in explosionsgefährdeten Bereichen (ATEX 95) Richtlinie 1999/92/EG des Europäischen Parlamentes und des Rates vom 16. Dezember 1999 über die Mindestvorschriften zur Verbesserung des


/18/ /19/ /20/ /21/ /22/

225

Gesundheitsschutzes und der Sicherheit der Arbeitnehmer, die durch explosionsfähige Atmosphären gefährdet werden können (ATEX 137) TRBS 1201 Teil 1 (September 2006) Prüfung von Anlagen in explosionsgefährdeten Bereichen und Überprüfung von Arbeitsplätzen in explosionsgefährdeten Bereichen TRBS 1203 (März 2010) Befähigte Personen TRBS 2152-3 (November 2009) Gefährliche, explosionsfähige Atmosphäre - Vermeidung der Entzündung gefährlicher explosionsfähiger Atmosphäre TRBS 2152 Teil 4 (Juni 2008) Maßnahmen des konstruktiven Explosionsschutzes, welche die Auswirkungen einer Explosion auf ein unbedenkliches Maß beschränken VDI 3673 Blatt 1 (November 2002) Druckentlastung von Staubexplosionen,

9 Wirtschaftlichkeit von Pelletkesseln ............................................................. 228 9.1 Brennstoffpreise....................................................................................... 228 9.2 Wirtschaftlicher Vergleich verschiedener Heizsysteme .......................... 230 Literaturverzeichnis ....................................................................................... 233

228

9 Wirtschaftlichkeit von Pelletkesseln228

9 Wirtschaftlichkeit von Pelletkesseln

Das Heizen mit Biomasse hat in den letzten Jahren deutlich zugenommen. Dank des gestiegenen Bedienungskomforts, der Anlagenzuverlässigkeit und verbesserter Umwelteigenschaften interessieren sich immer mehr Verbraucher für diese klimafreundliche Art zu Heizen. Vor allem Holzpelletanlagen haben inzwischen einen hohen Bekanntheitsgrad erreicht. In diesem Kapitel wird der wirtschaftliche Vergleich von Pelletheizsystemen zu den am verbreitetesten alternativen Systemen auf Basis von Erdgas und Heizöl beschrieben.

9.1 Brennstoffpreise Pellets stellen im Vergleich zu fossilen Energieträgern eine konkurrenzfähige Alternative dar. Dies begründet sich vor allem durch die heutzutage möglichen geringeren Brennstoffkosten. Die Kosten für Öl und Gas haben sich zusätzlich in den letzten Jahren sehr volatil entwickel. So erreichte der Heizölpreis im Sommer 2008 einen Rekordstand von über 90 ct/l. Da die Erdgaspreise noch vielfach an den Ölpreis gekoppelt sind, ist hier die Entwicklung ähnlich. Jedoch ist zu beobachten, dass sich viele Anbieter von der Anlehnung an den Ölpreis lösen. Vor der konkreten Wirtschaftlichkeitsbetrachtung ist in Abbildung 9.1 die Entwicklung der Energiepreise für Pellets, Erdgas und Heizöl dargestellt. Basis der Daten sind Verbraucherpreise für die Abnahmen von 3.000 l Heizöl, 33.540 kWh Gas bzw. 6 t Pellets (inkl. MwSt. und sonstigen Kosten). Die Bezugsgröße für den Energieinhalt ist der untere Heizwert. Die Grafik verdeutlicht die Vorteile der Pellets bezogen auf den spezifischen Brennstoffpreis bei den angegebenen Abnahmemengen wie sie für ein größeres Einfamilienhaus oder ein Zweifamilienhaus möglich sind. Die Pelletpreise zwischen Mai 2009 und Mai 2010 sind in Abbildung 9.2 dargestellt. Der Preis schwankte zwischen diesen 12 Monaten zwi-


9.1 Brennstoffpreise

229

schen 204 und 230 €/t um etwa 11% (Basis 230 €/t). In Heizöläquivalent läge der Preis etwa zwischen 41,6 und 46,9 ct/l Heizöl.

Abb. 9.1: Energiepreisentwicklung in Deutschland zwischen 2005-2011 /1/

Abb. 9.2: Entwicklung des Pelletpreises in Deutschland /1/

230


Wie bei allen Heizungssystemen ist auch bei einer Pelletheizung jeweils eine individuelle Auslegung zu beachten. Von Raumöfen mit Warmwasseraufbereitung bis zu Zentralheizungen für mehrere Wohneinheiten wird auf dem Markt alles angeboten. Zusätzlich gibt es viele seriöse Angebote für Pellet-SolarthermieKombianlagen. Hierdurch kann die Pelletheizung im Sommer meist vollständig außer Betrieb bleiben, da das Brauchwasser allein durch die Solaranlage erwärmt werden kann. Pelletkessel sollten immer mit einem Warmwasserspeicher kombiniert werden, was die Investition erhöht. So wird jedoch die Anzahl der Starts minimiert und die Anlage läuft länger im optimalen Arbeitspunkt, da der Speicher als Puffer zwischen Heizungsnetz und Kessel fungiert. Bezüglich der Gaspreise ist zu beachten, dass der Gasmarkt liberalisiert ist und es somit derzeit schwer fällt, einen repräsentativen Preis festzulegen. Streut man eine Anfrage an zahlreiche Anbieter erhält man Gaspreise die sich um bis zu 100% unterscheiden.

9.2 Wirtschaftlicher Vergleich verschiedener Heizsysteme Im nachfolgenden Beispiel (s. Tabelle 9.1) wird ein Heizsystem eines Ein- bis Zweifamilienhauses (je nach baulicher Ausführung) mit einem jährlichen Wärmebedarf (Pos. 1) von 20.000 kWh/a untersucht. Der spezifische Verbrauch wurde mit 80 kWh/m² angenommen. Ein Passivhaus erreicht dagegen bis zu 15 kWh/m² und KfW 60-Häuser 60 kWh/m². Der Jahresnutzungsgrad (Pos. 2) für Pelletheizungen basiert auf der praktischen Erfahrung einiger Pelletheizanlagenbesitzer. Die benötigte Brennstoffenergie (Pos. 3) ergibt sich als Quotient aus Wärmebedarf und Jahresnutzungsgrad. Der Heizwert (Pos. 4) gibt den Energieinhalt des Brennstoffs wieder und ist erforderlich um die benötigte Brennstoffmenge zu ermitteln. Der Brennstoffpreis (Pos. 5) stellt eine Momentaufnahme der Marktpreise dar. Basis der Daten sind Verbraucherpreise für die Abnahmen von 3.000 l Heizöl, 33.540 kWh Gas bzw. 6 t Pellets (inkl. MwSt. und sonstigen Kosten). Die Bezugsgröße für den Energieinhalt ist der untere Heizwert. Der Brennstoffbedarf (Pos. 6) ergibt sich als Quotient aus Brennstoffenergie (Pos. 3) und Heizwert (Pos. 4) mit zusätzlicher Berücksichtigung eines Faktors zur Korrektur der Einheiten. Die Investitionskosten (Pos. 7) beinhalten alle Kosten für die Installation der Heizungsanlage. Die Heizkörper und das Heizungsnetz sind nicht berücksichtigt. Zu den Kosten gehören u.a. der Heizkessel mit Peripherie, das Brennstofflager mit Brennstofftransport, der Kamin und die Montage sowie die Inbetriebnahme der Anlage. In 2009 konnten von diesen Kosten mögliche Fördermittel reduziert werden. Ein bekanntes Förderinstrument war das Marktanreizprogramm MAP für Pelletheizungen, die hierdurch einen erheblichen Vorteil erfuhren. Das Förderprogramm wurden jedoch im Mai 2010 eingestellt uns steht dem Bauherrn derzeit nicht zur Verfügung. Damit muss der Pelletkessel ohne Förderprogramme neben den konkurrierenden Systemen bestehen. Die Kapitalkosten (Pos. 8) setzen sich aus den Abschreibungen und den Zinsen zusammen. Sie haben nach den Brennstoffkosten den größten Einfluss auf die

9.2 Wirtschaftlicher Vergleich verschiedener Heizsysteme

231

Wirtschaftlichkeit der Anlage. Die Abschreibung wurde für folgendes Beispiel linear über 20 Jahre gebildet. Der Zins wurde dynamisch für jedes Jahr kalkuliert. Die Gesamtzinsen wurden durch die Abschreibungszeit dividiert um einen durchschnittlichen Zins zu erhalten. Abschreibungen zuzüglich durchschnittlichen Zinses ergeben die Kapitalkosten. Bezüglich des Zinssatzes wurde der Pelletkessel mit 4% und die Erdgas- und Heizölkessel mit 5% berücksichtigt, da davon ausgegangen werden kann, im Falle der Nutzung regenerativer Energie von der KfW zinsgünstige Darlehen in Anspruch nehmen zu können. Der Zinssatz ist ggf. geringer anzusetzen, was den Vorteil für die Pelletheizung enorm erhöht. Die Brennstoffkosten (9) ergeben sich als Produkt aus Brennstoffpreis (5) und Brennstoffbedarf (6). Die sonstigen Kosten (10) beinhalten Kaminkehren, Stromverbrauch und Emissionsmessungen. Durch die höhere Verschmutzung fester Brennstoffe stellt sich hier der Nachteil für die Pelletheizung heraus. Die spezifischen Kosten geben die Kosten in Euro pro Wärmeeinheit MWh wieder und sind der Indikator für die Beurteilung der Wirtschaftlichkeit der verschiedenen Heizsysteme. Tabelle 9.1: Vergleich der Wirtschaftlichkeit von Heizsystemen basierend auf Pellets, Heizöl und Erdgas Pos. Parameter

Einheit

1

Wärmebedarf

kWh/a

2

Jahresnutzungsgrad

%

3

Brennstoffenergie

kWh/a kWh/kg

4

Heizwert Hu

Pellet

Heizöl

Erdgas

20.000

20.000

20.000

83

88

90

24.096

22.727

22.222

4,9

kWh/l

9,97

kWh/m³ €/t 5

Brennstoffpreis

0,63

€/m³

t/a Brennstoffbedarf

223

€/l

€/MWh

6

10

0,66 45,51

63,19

66,00

4,92

l/a

2280

m³/a

2222

7

Investition

€

13.000

9.100

8.300

8

Kapitalkosten, 20 Jahre

€

923

693

632

9

Brennstoffkosten

€/a

1.097

1.436

1.467

10 Sonstige Betriebskosten

€/a

160

85

65

11 Gesamtkosten

€/a

2.180

2.214

2.164

12 Spezifische Kosten

€/MWh

108,98

110,71

108,18

232


Als Ergebnis ist zum einen festzuhalten, dass der Pellet bezüglich Brennstoffpreis (5) erheblich günstiger ist als Heizöl und Erdgas. Wird als Basis der Brennstoffpreis für Pellets mit 45,51 €/MWh angenommen, so sind die Kosten für Heizöl rund 39% und die für Erdgas um rund 45% höher. Demgegenüber stehen höhere Kapital- und Betriebskosten beim Pelletkessel, die diesen Vorteil beinahe kompensieren. Bei den spezifischen Kosten ergibt sich nahezu ein Gleichstand zwischen Erdgaskessel mit 108,18 €/MWh und Pelletkessel mit 108,98 €/MWh. Der Unterschied beträgt bei dem angenommenen jährlichen Wärmeverbrauch von 20.000 kWh bzw. 20 MWh eine Einsparung bei Erdgas in Höhe von 16 €/Jahr. Gegenüber dem Heizölkessel, der mit 110,71 €/MWh abschließt, weist der Pelletkessel geringere Kosten in Höhe von 1,6% aus. Werden auch die Nachkommastellen berücksichtigt, ergeben sich Einsparungen in Höhe von rund 34 €/Jahr. Wenn der Zinssatz für Erdöl- und Erdgasheizungen bei 5% fixiert wird und der bezüglich Pelletheizungen von 4% auf 3,5% sinkt, wird in dem angegebenen Beispiel der Pelletkessel günstiger als der Erdgas und Heizölkessel. Ein derartiger Zinsunterschied ist als realistisch einzustufen. Es bleibt festzuhalten, dass die Wirtschaftlichkeit der Heizsysteme vor allem von den Brennstoffpreisen, dem Anschaffungspreis und dem Zinssatz für den Kredit abhängt. Damit ist die Berechnung individuell für jeden Einzelfall durchzuführen.


233


Solar Promotion GmbH, 2010; pelletsmagazin.de/downloads/grafiken

Pelletmagazin,

www.

10 Forschung und Entwicklung ....................................................................... 236 10.1 Optimierung der Pelletproduktion ......................................................... 237 10.2 Optimierung der Einsatzfähigkeit von Pellets zur energetischen Nutzung ......................................................................................................... 239

236

10 Forschung und Entwicklung


Pellets werden in Deutschland seit 2001 großtechnisch produziert. Nach Kenntnis des Autors war die erste Industrieanlage zur Produktion von Holzpellets in Deutschland die Anlage der Westerwälder Holzpellets GmbH in Langenbach bei Kirburg im Westerwald. Diese wurde auf Initiative des Gesellschafters und Geschäftsführers Markus Mann auf seinem Firmengelände neben einem Biomasseheizkraftwerk, dessen Wärme für die Trocknung der Späne genutzt wird, errichtet. In diesem Kapitel wird auf technische Aspekte sowie auf Biomassepotentiale eingegangen. Daher sei hier erwähnt, dass die Entwicklung im Bereich Marketing und Aufklärung mit diesem Werk begonnen hat. Massenweise Schulungen von Heizungsfirmen, Schornsteinfegern, Präsentationen etc., wie sie damals durch das Unternehmen durchgeführt wurden, sind heute nicht mehr erforderlich und damit nicht mehr Bestandteil des Themas Entwicklung. Dennoch hat dieser Pioniergeist ausschlaggebenden Einfluss auf die Geschwindigkeit der Verbreitung von Holzpellets als Energieträger genommen. Die Entwicklung und Effizienzsteigerung der Pelletkessel schreitet enorm voran. Die derart hochentwickelten Kessel mit Ihren hervorragenden Wirkungsgraden stellen entsprechend hohe Anforderungen an den Brennstoff. Die Situation in Deutschland, Österreich, Italien etc. ist nicht mit z.B. dem skandinavischem Markt zu vergleichen. Hier wurden Pellets eingesetzt lange bevor in Deutschland die erste Pelletproduktion ihren Betrieb aufnahm. Die Pelletkessel sind derart robust, dass die Ansprüche an die Pelletqualität, verglichen zum deutschen Markt, gering sind. Für die Produktion qualitativ hochwertiger Pellets stellt die Kenntnis der folgenden Ausgangsparameter eine essentielle Grundlage dar. Zunächst muss der Pelletierer die charakteristischen Eigenschaften des Rohmaterials kennen, um die individuellen Prozesskomponenten der Rohmaterialaufbereitung entsprechend zu justieren. Zum anderen bestimmen die Qualitätsanforderungen des Endproduktes bzw. des Konsumenten über die notwendigen Konditionierungsmaßnahmen und Pressparameter während des Produktionsprozesses (z. B. Einsatz von Bindemittel, Maße der Pellets). Letztendlich beeinflusst jedoch auch das Brennstoffhändling


10.1 Optimierung der Pelletproduktion

237

und dessen Konditionen (Feuchtigkeit, Lagerzeit u. s. w.) während des Pellettransports, der Lagerung sowie die konstruktive Gestaltung und Funktionsfähigkeit der Feuerungsanlage selbst über den erfolgreichen Einsatz des Brennstoffs. Das Zusammenspiel dieser vielfältigen Komponenten stellt in der Praxis eine große Herausforderung dar, da mehrere z.T. konkurrierende Akteure innerhalb der Brennstoffbereitstellungskette auf die Pelletqualität Einfluss nehmen können und bei der (Weiter-)Entwicklung von optimierten Feuerungsanlagen von standardisierten Brennstoffkennwerten ausgegangen wird. Trotz zunehmendem Bewusstsein der Branche ein geschlossenes Brennstoffqualitätssicherungssystem für den Endkunden bereitzustellen, zeigt der ein oder andere Schadensfall, dass weiterer Forschungs- und Qualifizierungsbedarf sowie Optimierungsmaßnahmen in der Pelletproduktion, der Brennstoff- und Feuerungsanlagenstandardisierung, der Bereitstellung von verifizierbaren Mess- und Prüfmethoden, der Pelletlagerung sowie der Minderung von Schadstoffemissionen aus der Verbrennung notwendig sind. Einige der wichtigsten „Baustellen“ werden nachfolgend beschrieben.

10.1 Optimierung der Pelletproduktion Pellets werden derzeit zum größten Teil aus holzartiger Biomasse hergestellt, wobei nur zu einem geringen Anteil rindenhaltiges Material eingesetzt wird – unabhängig davon, ob die Pellets für den Premiumpellet- oder Industriepelletmarkt bestimmt sind. Insbesondere wird Rinde vor der Pelletierung vom Rohstoff getrennt, da die Presswerkzeuge dem abrasiven verhalten der Rinde nicht gewachsen sind und somit die Produktionskosten durch erhöhten Verschleiß unwirtschaftlich werden. In Anbetracht der begrenzt verfügbaren qualitativ hochwertigen technischen Rohstoffpotenziale zur Pelletproduktion erscheint eine sinnvolle Stoffstromlenkung innerhalb des Pelletmarktes zunehmend notwendig, um sowohl den effizienten Einsatz von Holzpellets im Kleinverbrauchermarkt als auch den wachsenden Bedarf an Industriepellets für den Kraftwerkssektor bedienen zu können. Die Steuerung des Materialstroms kann sowohl politisch (z. B. Rohstoffrestriktionen bzw. Anreize für den Einsatz von alternativen Biomassen für den Kraftwerkssektor, wie in GB oder Polen) als auch monetär (z. B. deutliche Preisdifferenz zwischen Agropellets und Holzpremiumpellets) erfolgen. Sie muss jedoch von den Pelletierern und Brennstoffhändlern aktiv unterstützt werden, um potenzielle Kunden über die Vor- und Nachteile unterschiedlicher Pelletqualitäten fachgerecht aufzuklären. Die flexible Produktion von Pellets unterschiedlicher Rohstoff- und Endproduktqualitäten erfordert zukünftig für Planer, Anlagenhersteller und Pelletierer ein bedeutend umfangreicheres Wissen zu den charakterisierenden Eigenschaften der Rohmaterialien und der Einbeziehung von Binde- oder Zuschlagstoffen in den Pelletierprozess. Hierbei sollte auch die Beimischung von flüssigen oder in Dampf gelösten Additiven in Betracht gezogen werden,

238


die sowohl zur Brennstoffqualitätssteigerung als auch zur Prozessoptimierung beitragen können. Darüber hinaus bietet der enzymatische Aufschluss des biogenen Rohmaterials zur Aktivierung neuer Brückenbindungen eine zusätzliche Option zur verfahrenstechnischen Weiterentwicklung des Pelletierprozesses. Der Einsatz neuer Rohstoffaufbereitungs- und Konditionierungsmaßnahmen bedingt jedoch die Bereitstellung von technischen Anlagenkomponenten, die z. B. eine möglichst homogene Beimischung von alternativen Additiven (neben pulverförmigen Presshilfsmitteln) garantieren und auch bei z. T. härteren Rohstoffeinsätzen (Harthölzern) minimale Verschleiß- und Wartungsintervalle verursachen. Ebenso kann mittelfristig die gezielte Mischung unterschiedlicher Rohstoffqualitäten eine Möglichkeit zur Kompensation von ungünstigen Pelletierund Verbrennungseigenschaften sein und dabei die Erschließung neuer kostengünstiger und / oder regionaler Rohstoffpotenziale ermöglichen. Die kontinuierliche Analyse und Evaluierung von Energie- und Kosteneinsparpotenzialen während der Pelletproduktion kann weiterhin zur Senkung bzw. Sicherung eines möglichst konstanten Pelletpreisniveaus beitragen. Bei der Planung neuer Pelletwerke sollte insbesondere die Verwendung nachhaltiger möglichst regionaler Rohstoffaufkommen einbezogen werden. Das individuelle Standortkonzept in seiner Dimension und Langlebigkeit muss stets auch als ein Beitrag zur regionalen Wertschöpfung gesehen werden. Somit sind kurz- bis mittelfristig folgende Forschungs- und Entwicklungsschwerpunkte für die Optimierung des Pelletproduktionsprozesses relevant: – – – –

– –

Charakterisierung der Eigenschaften biogener Rohmaterialien zur Pelletierung, unter Einbeziehung land- und forstwirtschaftlicher Biomasse sowie industrieller Reststoffe, Lagerkonditionen und Alterungsprozesse Ermittlung des Rohstoffpotentials weltweit auch in Entwicklungsländern sowie Bewertung der Logistikkonzepte zur Erschließung der Rohstoffmärkte Bereitstellung von effektiven und möglichst flexiblen Rohstoffaufbereitungsverfahren zur Zerkleinerung und Trocknung von Halmgut und Biomasse aus Früchten für die Pelletproduktion Untersuchungen zur Beimischung von Additiven zur Optimierung der physikalisch-mechanischen Brennstoffeigenschaften von nicht-Holzpellets oder Mischpellets (z. B. zur Erhöhung der Brennstofffestigkeit) sowie zur Kompensation ungünstiger chemisch-stofflicher Brennstoffeigenschaften (z. B. zur Reduzierung von Partikelemissionen oder zur Verbesserung des Ascheschmelzverhaltens) Verbesserung der technischen Möglichkeiten der Zumischung von Bindemitteln und Zuschlagstoffen; Optimierung der Konditionierungsparameter wie Wasser-/Dampfeinsatz, Zeit- und Energieaufwand) Verfahrenstechnische Weiterentwicklung des Pressverfahrens unter Berücksichtigung möglichst flexibler rohstoffspezifischer Adaptierungen (Reduzierung des Energieeinsatzes, Minimierung der Wartungs- und

10.2 Optimierung der Einsatzfähigkeit von Pellets zur energetischen Nutzung

– – –

239

Instandhaltungszeiten/-kosten, Optimierung von Matrizen und Kollerkonstruktion, verschleißresistentere Materialien) Analyse und Beschreibung variabler Brennstoffeigenschaften während der Pelletlagerung und des Transports Optimierung der Messmethoden und Prüfstandards zur brennstoffspezifischen Analyse, Validierbarkeit der Untersuchungsergebnisse Weiterentwicklung der Produktstandards und Qualitätssicherungsmaßnahmen für Holz- und Nicht-Holzpellets nach Anwendungstechnologie und Leistungsklasse

10.2 Optimierung der Einsatzfähigkeit von Pellets zur energetischen Nutzung Parallel zur Optimierung und Weiterentwicklung der Pelletproduktion ist die technische Reifung der Verbrennungsanlagen erforderlich, die – trotz der Notwendigkeit hoher Kostenreduktionen bei der Anlagenherstellung zur Steigerung der Wettbewerbsfähigkeit im Vergleich zu fossilen Feuerungsanlagen – mit Hilfe von angepassten Feuerraumkonstruktionen den Einsatz von Pellets mit höheren Ascheund emissionsseitigen Schadstoffgehalten garantieren. Die Verwendung von korrosionsbeständigen Materialien, Luft- oder Wasser-gekühlten Rosten sowie kostengünstige Sekundärmaßnahmen zur Schadstoffreduzierung des Abgases sind bereits in der Entwicklung. Prozessoptimierte Steuerelemente, die sowohl die Brennstoff- als auch die Luftzuführung im Brennraum individuell und automatisch regeln können, sollten ebenfalls weiter entwickelt werden. Dazu gehört beispielsweise auch der standardisierte Einbau von langlebigen Lambdasonden in Kleinfeuerungsanlagen, die Synchronisierung des Brennstoffeintrages in den Feuerraum entsprechend des aktuellen Lastanforderungsprofils (Wärmebedarf), der Brennraumtemperatur und Abgasemissionen (CO/TOC-Gehalts) und der Gesamteffektivität der Verbrennungsanlage (Nutzungsgrad). Weiterhin könnte mittel- bis langfristig eine Vereinheitlichung der konstruktiven Gestaltung der Brennstoffzufuhr (einschließlich Brennstoffschnecken) in den Pelletkessel/-öfen sowie der Brennkammer eine zunehmende Homogenisierung der Pelletsqualitäten mit sich bringen. Verschiedene Praxisuntersuchungen haben jedoch auch gezeigt, dass neben der Pellet-Feuerungsstätte auch die hydraulische Einbindung der Anlage in das vorhandene Leitungsnetz große Optimierungspotenziale bietet. Zusätzlich kann eine Reduzierung von Teillastzuständen durch den Einbau von Pufferspeichern und der Kombination der Pelletheizung mit einer solarthermischen Brauchwassererwärmungen erreicht werden. Abgasseitig wird der Einbau von Zugbegrenzern im Schornstein weiter ausgebaut. Die Feinstaubemissionen von Pelletanlagen werden bereits heute in mehreren Forschungsprojekten (z. B. am TFZ, der TU-Hamburg-Harburg und dem

240


DBFZ) u. a. hinsichtlich ihrer Herkunft, Zusammensetzung und Wirkmechanismen auf Menschen analysiert. Es wird erwartet, dass die aktuellen wissenschaftlichen Studien und laufenden Praxisuntersuchungen im Ergebnis auf effektive Maßnahmen zur Feinstaubvermeidung bzw. Reduzierung verweisen. Neben den bereits laufenden Forschungsaktivitäten besteht weiterer Bedarf zur Optimierung der Einsatzmöglichkeiten von Pellets zur energetischen Nutzung hinsichtlich der – – – – – – – – –

Brennstoffzuführung und Ascheaustragung in bzw. aus dem Feuerraum Feuerraumgestaltung des Kessels bzw. Ofens zur Optimierung des Brennstoffausbrandes, der Reduzierung von Schadstoffemissionen und der effektiven Wärmeübertragung Verfügbarkeit von (in DE) zulassungsfähigen Feuerungsanlagen im kleinen und mittleren Leistungsbereich zum Einsatz halmgutartiger Pellets oder Mischpellets (z. B. Holz plus Halmgut oder sonstiger Biomasse) Bereitstellung effektiver Partikelabscheider Optimierung des Jahresnutzungsgrades der Feuerungsanlage unter Einbeziehung von Wärmedämm- und -rückgewinnungsmaßnahmen sowie der Kombination von Pellet- mit Solaranlagen Senkung der Produktionskosten der Feuerungsanlage sowie der technischen Anlagenkomponenten zur Brennstoffförderung und Abgasaufbereitung Einsatz von Pellets in Anlagen zur gekoppelten Strom- und Wärmeerzeugung (z. B. Stirlinganlagen) Fixierung von Nachhaltigkeitskriterien zur Bewertung des Pelleteinsatzes zur Energiebereitstellung Torrefaction / Karbonisierung verschiedener Biomassen mit anschließender Pelletierung für den Einsatz in Kohlekraftwerken

Vor dem Hintergrund der o. g. zahlreichen Forschungsaspekte bleibt zu hoffen, dass die Optimierung des Energieträgers Pellets in den nächsten Jahren weiter vorankommt und die dafür notwendigen Forschungsmittel von der Industrie, dem Mittelstand und der öffentlichen Hand in ausreichender Höhe zur Verfügung gestellt werden. Bis die ökonomische Konkurrenzfähigkeit von Pellets zur Stromund Wärmeerzeugung gegenüber fossilen Brennstoffen nicht sichergestellt werden kann, werden die politischen und gesetzlichen Rahmenbedingungen (z. B. Zielquoten des Einsatzes von Biomasse oder die Ausgestaltung des EEG bzw. EEWärmeG) das Wachstum des internationalen und der nationalen Märkte bestimmen. Für die Akteure der Branche und potenziellen Investoren bedeutet dies, dass nur bei langfristig stabilen Rahmenbedingungen und Förderprogrammen eine höhere Auslastung der bestehenden Pelletproduktionskapazitäten möglich ist und die aktuellen Pelletproduktionsmengen auch weiterhin zur Substitution fossiler Brennstoffe eingesetzt werden können. Für den mittel- und langfristigen Ausbau des Pelletmarktes ist jedoch neben stabilen Rahmenbedingungen auch die Mobilisierung zusätzlicher Rohstoffpotenziale (z. B. Einsatz von Waldrestholz, Energiepflanzen, Stroh) zur Absicherung der Produktionskapazitäten dringend notwendig.

Anhang ............................................................................................................... 242 Physikalische Größen und deren Umrechnungsformeln ................................ 242 Umrechnung der wichtigsten Einheiten des fps- in das SI-System /1/ ...... 242 Wichtige Einheiten der Mechanik /1/ ........................................................ 243 Wichtige Einheiten der Wärmelehre /1/ .................................................... 244 Wärmemenge Q ............................................................................................. 245 Wärmedurchgangszahl k für verschiedene Stoffe und Materialien ............... 245 Heizwerte und Energieäquivalente verschiedener Brennstoffe ..................... 246 Allgemeine Umrechnungsfaktoren für Holzmengen ..................................... 246 Verbrennungstechnische Daten von Buche und Fichte/Tanne bei 18% Wassergehalt.................................................................................................. 247 Raumgewichte verschiedener Hölzer bei 15% Wassergehalt ........................ 247 Hersteller für Pelletkessel .............................................................................. 247 Pelletlieferanten ............................................................................................. 249 Pelletproduzenten in Deutschland ................................................................. 250 Förderdatenbanken ........................................................................................ 252 Informationsquellen ....................................................................................... 252 Literaturverzeichnis ....................................................................................... 254

242

Anhang

Anhang

Physikalische Größen und deren Umrechnungsformeln

Umrechnung der wichtigsten Einheiten des fps- in das SI-System /1/ fps

SI (m kg s)

Länge

1 ft = 1/3yd = 12 in

Fläche

1 ft2 = 144 in2

1 ft = 0,3048 m; 1 mi = 1609,34 m 1 ft2 = 0,092903 m2

Volumen

1 ft3 = 1728 in3 = 6,22882 gal (UK) 1 gal (US) = 0,83268 gal (UK)

1 ft3 = 0,0283169 m3

Geschwindigkeit

1 ft/s

1 bu (US) = 35,2393 l; 1 bbl (US) = 115,627 l 1 ft/s = 0,3048 m/s

Beschleunigung

1 knot = 1,150785 mile/h = 1,6877 ft/s 1 ft/s2

1 ft/s2 = 0,3048 m/s2

Masse

Kraft Arbeit

1 lb = cwt/112; 1 sh tn =2000 lb 1 slug = 32,174 lb; 1 ln tn = 2240 lb 1 lbf

1 slug = 14,5939 kg

1 pdl = 0,031081 lbf

1 pdl = 0,138255 N

1 ft lb = 0,323832 calIT

1 ft lb = 1,35582 J

1 btu = 252 calIT = 778,21 ft lb Druck

2

-3

2

1 lb/ft = 6,9444·10 lb/in

1 lb = 0,453592 kg

1 lbf = 4,44822 N

1 btu = 1,05506 kJ 1 lb/ft2 = 47,88 N/m2

S. Döring, Pellets als Energieträger, DOI 10.1007/978-3-642-01624-0, © Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2011

Physikalische Größen und deren Umrechnungsformeln

Dichte

Temperatur Leistung spezif. Wärmekapazität

1 lb/in2 = 0,068046 atm

1 lb/in2 = 6894,76 N/m2

1 atm = 29,92 in Hg = 33,90 ft water 1 lb/ft3 = 5,78704·10-4 lb/in3

1 atm = 1,01325 bar 1 lb/ft3 = 16,0185 kg/m3

1 lb/gal = 6,22882 lb/ft3

1 lb/gal = 99,7633 kg/m3

32 degF = 0°C; 212 degF = 100°C 1 ft lb/s = 1,8182· 103 hp = 1,28505·10-3 btu/s

1 degF = 0,5556°C

1 btu/(lb degF)

Wärmeleitfähig- 1 btu/(ft h degF) keit Wärmeüber1 btu/(ft2 h degF) gangs(durchgangs)koeffizient

1 ft lb/s = 1,35582 W 1 btu/(lb degF) = 4,1868 kJ/(kg·K) 1 btu/(ft h degF) = 1,7306 W/(m·K) 1 btu/(ft2 h degF) = 5,6778 W/(m2·K)

Wichtige Einheiten der Mechanik /1/ Einheit

Symbol

Physikalische bzw. technische Größe

Beschreibung durch Basiseinheiten

Kilogramm

kg

Masse

kg/s

Massestrom

kg • m2

Massenmoment 2. Grades

kg/m3

Dichte

m3/kg

spezifisches Volumen

m2/s

kinematische Viskosität

N

Kraft

1 N= 1 kg • m/s2

Pascal

Pa

Druck

1 Pa= lkg/(m • s2)

Joule

J

Arbeit, Energie

1 J = 1 kg • m2/s2

Kilogramm je Sekunde Kilogramm mal Quadratmeter Kilogramm je Kubikmeter Kubikmeter je Kilogramm Quadratmeter je Sekunde Newton

243

244

Anhang

Watt

W

Leistung

Newtonmeter

N•m

Kraftmoment

Newton je Quadratmeter

N/m2

Spannung

Pascalsekunde Pa • s

dynamische Viskosität

1 W= 1 kg • m2/s3 1 N • m= 1 kg • m2/s2 1 N/m2 = 1 kg/(m • s2) 1 Pa • s = 1 kg/(m • s)

Joule je Kubikmeter Tonne

J/rn3

Energiedichte

1 J/m3 = lkg/(m • s2)

t

Masse

1 t= 1 • 103 kg

Gramm

g

Masse

1 g= 1 • 10-3kg

Wichtige Einheiten der Wärmelehre /1/ Einheit a)

Symbol

Physikalische bzw. technische Größe

Kelvin

K

Quadratmeter je Sekunde Joule

m²/s

thermodynamische Temperatur, Temperaturdifferenz Temperaturleitfähigkeit

J

Wärmemenge

Watt

W

Wärmestrom

Joule je Kilogramm Joule je Kelvin

J/kg

spezifische innere Energie

J/K

Wärmekapazität

Joule je Kilogramm und Kelvin Watt je Quadratmeter Watt je Quadratmeter und Kelvin Watt je Meter und Kelvin Kelvin je Watt

J/(kg • K) W/m2

Beschreibung durch Basiseinheiten

1 J = 1 kg • m2/s2 1 W= 1kg • m2/s3 1 J/kg = 1 m2/s2

1 J/K= 1kg • m2/(s2 • K) spezifische Wärmekapazität 1 J/(kg • K) = 1 m2/(s2 • K) Wärmestromdichte

1 W/m2 = 1 kg/s3 W/(m2 • Wärmeübergangskoeffizient 1 W/(m2 • K) = 1 K) kg/(s3 • K) W/(m • K) Wärmeleitfähigkeit 1 W/(m • K) = 1 kg • m/(s3 • K) K/W Wärmewiderstand 1 K/W = 1 K • s3/(kg • m2)

Wärmedurchgangszahl k für verschiedene Stoffe und Materialien

Grad Celsius

°C

Celsius-Temperatur

245

1 °C= 1 K

Wärmemenge Q Wärme ist die Energie, welche zwischen dem System und der Umgebung ausgetauscht werden kann ohne Arbeit zu verrichten. Dabei bezieht es sich auf die kinetische Energie der Moleküle. Diese Moleküle sind, außer im absoluten Nullpunkt, immer in Bewegung. Umso größer diese kinetische Energie nun ist, desto höher ist auch die Temperatur. Durch das Hinzuführen oder Abführen von Wärme lässt sich die Temperatur ändern.

Q

m c p 'T

Wärmedurchgangszahl k für verschiedene Stoffe und Materialien von Wasser Wasser Wasser

über Gusseisen Stahl Kupfer, Messing

nach Luft/ Rauchgas Luft/ Rauchgas Luft/ Rauchgas

W/(m²K) 10… 11 11… 24 14… 30 280… 300 290… 350 350… 400

Wasser

Gusseisen

Wasser

Wasser

Stahl

Wasser

Wasser

Kupfer, Messing

Wasser

Gusseisen

Luft/ Rauchgas

3… 10

Stahl

Luft/ Rauchgas

11… 15

Kupfer, Messing

Luft/ Rauchgas

9… 17

Luft/ Rauchgas Luft/ Rauchgas Luft/ Rauchgas Luft/ Rauchgas Dampf Dampf Dampf

Schamottensteine

Luft/ Rauchgas

6… 7

Gusseisen Stahl Kupfer, Messing

Luft/ Rauchgas Luft/ Rauchgas Luft/ Rauchgas

Dampf

Gusseisen

Wasser

7… 11 11… 30 14… 21 815… 1050

246

Anhang

Dampf

Stahl

Wasser

Dampf

Kupfer, Messing

Wasser

930… 1400 1150… 29001

Alle Werte sind Richtwerte

Heizwerte und Energieäquivalente verschiedener Brennstoffe Brennstoff Steinkohle Steinkohlenkoks Braunkohle-Briketts Heizöl EL Heizöl S Motorenbenzin Erdgas H Stadtgas

Heizwert (kWh/kg) 8,218 7,967 5,583 11,863 11,398 12,096 8,816 kWh/m³ 4,443 kWh/m³

Elektr. Strom Alle Werte sind Richtwerte

SKE-Faktor

RÖE-Faktor

1,009 0,979 0,686 1,457 1,400 1,486

0,707 0,685 0,480 1,020 0,980 1,040

1,083

0,758

0,546

0,382

0,123

0,086

Allgemeine Umrechnungsfaktoren für Holzmengen

1t

atro

tatro

Fm

Rm

Sm³

1,0

1,3 – 2,5

2,9

4,86

1,0 0,7 0,41

1,4 1,0 0,59

2,43 1,70 1,0

1 Fm 0,4 – 0,75 1 Rm 0,3 1 Sm³ 0,2 Alle Werte sind Richtwerte Abkürzungen: atro = Fm = Rm = Sm³

=

absolut trocken (0% Wassergehalt) Festmeter: 1m³ Massivholz Raummeter: 1m³ geschichtetes Holz unter Einschluss der Luft zwischenräume Schüttraumkubikmeter: Raummeter geschütteter Holzteile (z.B. Hackgut)

Hersteller für Pelletkessel

247

Verbrennungstechnische Daten von Buche und Fichte/Tanne bei 18% Wassergehalt Hackgutschüttdichte Heizöläquivalent Energie

kg/Sm³ l/t

Buche 280 408

MJ/t

14.700

kWh/t

4.083

Fichte 182 4.17t 15.00 0 4.167

Alle Werte sind Richtwerte

Raumgewichte verschiedener Hölzer bei 15% Wassergehalt Massivholz Einheit

Fm/kg (Festmeter) Buche 716 Eiche 702 Fichte 472 Kiefer 527 Alle Werte sind Richtwerte

Scheitholz, geschichtet Rm/kg (Raummeter) 445 436 304 340

Hackgut Sm³/kg (Schüttraum-qm) 295 289 194 217

Hersteller für Pelletkessel Firma

Ort

Leistungsbereich in kW

Arca Heizsysteme e.K.

D – 91207 Lauf a.d.P.

4,5 bis 15

BIOKOMPAKT Heiztechnik GmbH

A – 4391 Waldhausen

45 bis 130

Biomasse-Zentrum-Saar-Mosel

D – 66679 Britten

2 bis 40

Biotech Energietechnik GmbH

A – 5101 Bergheim

9 bis 200

Biotherm Pelletheizungen

D – 35630 Ehringhausen

14,9 und 23

Brötje GmbH

D – 26180 Rastede

4 bis 24

Buderus / Bosch Thermotechnik GmbH

D – 35576 Wetzlar

2,4 bis 32,2

248

Anhang

calimax Energietechnik GmbH

A – 6844 Altach

1,8 bis 12

CARL CAPITO Heiztechnik GmbH

D – 57290 Neunkirchen

4,4 bis 30

Eder Tech GmbH

A – 5733 Bramberg

4,3 bis 30

ETA Heiztechnik GmbH

A – 4716 Hofkirchen

7 bis 90

Ferro Wärmetechnik GmbH

D – 91126 Schwabach

3,9 bis 950

Fröhling Ges.m.b.H

A – 4710 Grieskirchen

15 bis 100

Georg Fischer GmbH & Co.KG

D – 89312 Günzburg

10 bis 30

Gilles Energie und Umwelttechnik GmbH

A – 4810 Gmunden

12,5 bis 153

GMH-Umwelt GmbH

D – 86573 Obergriesbach

15 bis 50

Hargassner GmbH

A – 4952 Wenig/Innkreis

9 bis 200

HDG Bavaria GmbH

D – 84323 Massing

4,5 bis 200

Herz Armaturen Ges.m.b.H

A – 82722 Sebersdorf

4,8 bis 60

Hoval GmbH

D – 85609 Dornbach

10 bis 160

Janfire GmbH Junkers / Bosch Thermotechnik GmbH

D 18513 Wendisch Baggendorf D – 73249 Wernau (Neckar)

4 bis 600 9 bis 35

KWB Deutschland Kraft und Wärme aus Biomasse GmbH

D – 48653 Coesfeld

10 bis 300

Liebi LNC AG

CH – 3753 OeyDiemtigen

4,3 bis 75

Lindner und Sommerauer SL-Technik GmbH A – 5120 St. Pantaleon

2,4 bis 23,5

MHG Heiztechnik GmbH

D – 21244 Buchholz

4 bis 27

Oertli-Rohleder GmbH

D – 71696 Möglingen

12 bis 25

ÖkoFen Heiztechnik GmbH

D – 86866 Mickhausen

8 bis 224

Olymp – OEM Werke GmbH

A – 6430 Ötztal-Bhf

3 bis 45

Paradigma Deutschland GmbH

D – 76307 Karlsbad

10 bis 56

Paul Künzel GmbH & Co.

D – 25497 Prisdorf

10 bis 20

pel-lets Innovative Heiztechnik GmbH

D – 28757 Bremen

10 bis 60

Pelletswärme MB GmbH

D – 18513 Wendisch

4 bis 23,7

Pelletlieferanten Perhofer Gesellschaft m.b.H.

A – 8190 Birkenfeld

15 und 30

RAPIDO GF Wärmetechnik GmbH

D – 41748 Viersen

4,3 bis 26

Rennergy Systems AG

D – 87474 Buchenberg

9 bis 200

SBS – Heizkessel GmbH

D – 48268 Greven

10 bis 28

SHT Heiztechnik aus Salzburg GmbH

A – 5101 SalzburgBergheim

2,3 bis 11,9

SOLARFOCUS GmbH

A – 4451 St. Ulrich

3,9 bis 14

SOLARvent Biomasse-Heizsysteme GmbH

D – 63743 Aschaffenburg

4 bis 54

Sonnig-Solar GmbH

D – 91732 Merkendorf

4 bis 30

Strebelwerk Ges.m.b.H.

A – 270 Wiener Neustadt

3 bis 500

Vaillant GmbH

D – 42859 Remscheid

13, 20, 30

Viessmann Werke GmbH & Co KG

D – 35108 Allendorf

4 bis 42.000

Wagner & Co. GmbH Solartechnik

D – 35091 Cölbe

10 bis 45

Windhager Zentralheizung GmbH

D – 86405 Meitingen

2,9 bis 78

Wolf GmbH

D – 84048 Mainburg

2,4 bis 35

ZWS GmbH

D – 47506 NeukirchenVluyn

4 bis 45

Tabelle ohne Anspruch auf Vollständigkeit

Pelletlieferanten Firma AGRAVIS Raiffeisen AG ante-holz GmbH BayWa AG Biomasseprodukte Enviva Pellets GmbH & CO.KG GEE Energiy GmbH & Co. KG German Pellets GmbH Gregor Ziegler GmbH Hans Engelke Energie OHG Hofgut Mauer Humus & Bioenergie GmbH

Ort Münster BromskirchenSomplar München Feldkirchen Vilsbiburg Hamburg Wismar Plößberg Berlin Münchingen

249

250

Anhang

HOLZ- ENERGIEZENTRUM WÜRTTEMBERG Hubert Heitmann e.K. juwi GmbH Kleeschulte GmbH & Co. KG Ley Mineralöl GmbH Albert Ludwig Brennstoffe e.K. Maier Korduletsch Energie GmbH PowerPellets Vertriebs GmbH & Co.KG Raab Pelltec GmbH Raiffeisen Waren-Zentrale Rhein-Main eG Rheinbraun Brennstoff GmbH SCHARR QÄRME GmbH & Co. KG Schellinger KG

Obersteinenberg

StegMühle von Berg GmbH & Co. KG VIS NOVA Trading GmbH WAGNER GmbH Brennstoffe.Containerdienst Westerwälder Holzpellets GmbH WPG Westfälische Propan-GmbH ZG Raiffeisen eG Tabelle ohne Anspruch auf Vollständigkeit

Büchen Wörrstadt Büren Konstanz Blaustein Vilshofen Olsberg Eiselfing Köln Frechen Stuttgart Weingarten Oberstetten/Niederstetten Bremen Grünstadt Langenbach Detmold Karlsruhe

Pelletproduzenten in Deutschland Firma BSVG Biostoffverwertungsgesellschaft Klix GmbH EPC GmbH European Pellet Company MH Bioenergie Stackelitz GmbH HOWEE Holzwertstoffe Eberswalde GmbH Holzkontor und Pelletierwerk Schwedt GmbH FNG Fehrbellin Naturholz GmbH BEN BioEnergie Niedersachsen GmbH German Pellets GmbH Holzindustrie Schlitz GmbH & Co KG Gebr. Hosenfeld GmbH & Co. KG

Ort

Kapazität t/a

Großdubrau

10.000

Torgau Stackelitz

150.000 3.000

Eberswalde

50.000

Schwedt/Od er Fehrbellin Buchholz i. d. N. Wismar Schlitz Hosenfeld

100.000 40.000 43.000 605.000 kA 40.000

Pelletproduzenten in Deutschland

Naturholzzentrum Hardegsen Tangermünder Holzpelletwerke GmbH Woodox Management GmbH Pelltec GmbH STAWAG Stadtwerke Aachen AG Westpellets GmbH & Co. KG WEAG & Mohr GmbH & Co. KG Sägewerk Assenmacher juwi Bio GmbH Energiepellets Oberhonnefeld GmbH Westerwälder Holzpellets GmbH Sorpetaler Fensterbau GmbH & Co. KG Baust Holzbetriebs-GmbH ante-holz GmbH IWO-Pellet Rhein.Main GmbH Holzwerk Grasellenbach Monnheimer GmbH& Co. KG Süd-Energie Bioplus GmbH Bio-Energie Mudau GmbH & Co. KG BioPell GmbH Emil Steidle GmbH & Co. KG Sonnen – Pellets Krauchenwies GmbH & Co. KG Trocknungsgesellschaft Bopfingen und Umgebung Allspan GmbH Spanverarbeitung Naturholzzentrum Kehl Bioenergie Sonnen Pellet GmbH Haas Holzprodukte GmbH Glechner Pellet-Produktions GmbH Binderholz Deutschland GmbH IN-Energie GmbH & Co. Betreiber KG Anton Heggenstaller GmbH Holzwerke Pröbstl GmbH

Hardegsen Tangermünde Düsseldorf Sonsbeck Aachen Titz Ameln Trier Ormont Wörrstadt Oberhonnefeld Gierend Langenbach SundernHagen EsloheBremke Bromskirche n Offenbach Grasellenbach Monsheim Mudau Empfingen Sigmaringen Krauchenwi es

kA 100.000 180.000 6.000 40.000 4.000 15.000 6.000 8.000 30.000 40.000 1.000 10.000 40.000 25.000 10.000 8.000 30.000 50.000 30.000 40.000

Bopfingen

10.000

Karlsruhe Kehl Buchenbach Galkenberg Simbach a. Inn Kösching Großmehring / Interpark KühbachUnterbernbach FuchstalAsch

3.000 kA 60.000 12.000 15.000 150.000 30.000 120.000 60.000

251

252

Anhang

FireStixx Hartleitner GmbH & Co. KG Horst Römer Leimholz Trocknungsgenossenschaft Weißenburg eG JuraPellets GmbH & Co. KG Holz Schiller GmbH enviva Pellets GmbH & Co. KG EVS GmbH & Co. KG FP Franken-Pellets GmbH & Co. KG Tröger – Der Einrichter Gregor Ziegler GmbH Theodor Herbert GmbH & Co. KG Tabelle ohne Anspruch auf Vollständigkeit

Ziertheim Emskirchen

10.000 8.000

Ellingen

6.000

Ursensollen Regen Straubing Hengersberg Stadtsteinach Arzberg Plößberg Motten

2.000 30.000 120.000 90.000 15.000 5.000 30.000 7.000

Förderdatenbanken x Förderbank des Bundeswirtschaftsministeriums www.foerderdatenbank.de x Fördermittelsuche der Deutschen Energie-Agentur (dena) www.energiefoerderung.info x KfW www.kfw-foerderbank.de x Informationen zum Staus des Marktanreizprogramms, welches im Mai 2010 stillgelegt wurde www.bafa.de

Informationsquellen Deutscher Energie-Pellet-Verband e.V. (DEPV) www.depv.de Deutsches Pelletinstitut (DEPI) www.depi.de Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe (FNR)

Informationsquellen

253

www.fnr.de Deutsche Energie Agentur www.dena.de C.A.R.M.E.N. e.V. www.carmen-ev.de Technologie- und Förderzentrum im Kompetenzzentrum für Nachwachsende Rohstoffe (TFZ) www.tfz.bayern.de Aktion Holzpellets der Energieagentur NRW www.aktion-holzpellets.de

254

Anhang

Literaturverzeichnis /1/ DUBBEL interaktiv 2.254, 2002 Springer Verlag, Berlin, Heidelberg, New York

255

Sachwortverzeichnis

Sachwortverzeichnis

A Abreinigung 170, 187 Abriebfestigkeit 42 Adiabatische Kompression 207 Allmetallabscheider 141 Arbeits- und Betriebsmittel 219 Asche 55 Aschegehalt 49 Aschen 64 Ascheschmelzverhalten 50 ATEX 215 Aufstellungsbereiche 202

B Bandtrockner 116 Becherwerke 111 befähigte Person 218 Betonsilo 164 Betriebsanweisungen 219 BImSchV 60 Blauer Engel 61 Blitzschlag 207 Brennstoffeigenschaften 40 Brennteller 167 Brennwert 48, 171, 172, 173 Brückenbildung 117 Bundesimmissionsschutzverordnung 60

C Cellulose 24

D Darrdichte 45 DIN EN 1127-1 198 DIN EN 14961-1 16 DINplus 70 Druckentlastung 212 Druckfeste Bauweise 212 Druckstoßfeste Bauweise 212 Düsenboden 190 Düsenrostkessel 183

E Einblasleitung 161 Eingangskontrolle 84 Einzelstammentrindung 87 Elektrische Ausgleichsströme 207 Elektromagnetische Wellen 207 Emissionen 53 EN 14961 71 EN 15234 72 ENplus 73 Entkopplung 212 Entkopplungseinrichtungen 215 Entladeförderer 100 Entlastungsfläche 213 Entrindung 87 Erdtank 164 Explosionsunterdrückung 212, 214 Extrakte 25

F Fallschachtbrenner 166, 167 Faserstruktur 44 Feinstaub 54 Fette 26, 30 Feuchtemessung 116 Feuchtigkeitsmessgeräte 115 Flüchtige Bestandteile 52 Förderband 107 Förderschnecke 108

G Gefahrendreieck 197 Gerbstoffe 26 Getreideganzpflanzen 16 Glimmbrände 210 Größenverteilung 42

H Hacker 90 Halogenheizung 115 Hammermühle 94, 144, 210

S. Döring, Pellets als Energieträger, DOI 10.1007/978-3-642-01624-0, © Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2011

Sachwortverzeichnis Harz 31 Harze 26 Heizwert 48, 115 Hemicellulosen 24 Hersteller 196 Hochfrequente Strahlung 207 Holzfeuchte 113 Holzkohle 53

I Infrarottrocknung 115 Initialexplosion 214 Ionisierende Strahlung 207

K Kaminpelletofen 165 Kategorie 199 Kleinfeuerungsanlage 165 Koller 149 Kombinationskessel 175 Korrosionserscheinung 193 Krananlagen 103 Kratzbodensysteme 102 Kratzkettenförderer 105

L Lagerdichte 44 Lagerraum 159 Lignin 25, 30 Löschmittelsperren 216 Luftqualitätsrichtlinie 62

M Magnetabscheider 137 Mahlbarkeit 44 Mechanische Funken 206 Mineralien 26, 31 Miscanthus 16 Mischer 145

N Nassspanlager 95, 97

O Ökodesign-Richtline 63 ÖNORM M 7135 70 Oxidation 37

P Partikelabscheider 178, 179 Pelletbrenner 166, 173, 174, 175 Pelletkühler 210 Pelletpotenzialermittlung 20 Pelletpresse 147, 210 Probennahme 135 Prozessindizierte Zündquellen 209 Pufferspeicher 175, 176, 177 pyrolytische Zersetzung 37

R Reifebehälter 146 Retortenbrenner 166, 167 Richtlinie 94/9/EG 196 Rindenanteil 31 Ringmatrizen 147 Röhrenbündeltrommeltrockner 124 Rohstoffeigenschaften 23 Rohstoffpotenziale 21 Rostfeuerung 122 Rostfeuerungen 186 Rotary Debarker 88 Rundholz 83

S Saugentnahme 162 Scheibenhacker 92 Schneckenhacker 93 Schnellschlußorgane 216 Schubbodensysteme 98 Schuppenrost 187 Selbstentzündung 206 Senkförderer 100 Sieb 153 Solartechnik 176 Stammholzplatz 83 Stammholzzerkleinerung 90 Stärkedosierung 145 Stärken 26 Statische Elektrizität 206 Staubbrenner 122 Staubemissionen 118 Stroh 17 Stückigkeit 42 Stufenrost 169, 186, 188

T Tagesbehälter 166 Terpene 26, 31 Terpentine 26 Thermalöl 124 TRBS 2152-3 198 Trockenspansilo 127 Trockner 112 Trocknung 36 Trocknungsanalge 113 Trommelhacker 90 Trommeltrockner 120

U Ultraschall 207 Unterschubfeuerung 167, 180

V Verbrennungsanlage 158

256

257

Sachwortverzeichnis

Vergasung 37 Verschlackung 193 Vibrationsförderrinne 109

W Wachse 31 Wärmeübertragung 37 Wassergehalt 47, 113 Windsichter 143 Wirbelschichtfeuerung 189 Wurfbeschickung 192

Z Zersetzung 206 Zirkulierende Wirbelschichtfeuerung 191 Zone 199 Zonendefinition 201 Zoneneinteilung 202, 203 Zufeuerung 158, 193, 194 Zugbodensysteme 98 Zündquellen 198

Pellets als Energieträger: Technologie und Anwendung

Photonik: Grundlagen, Technologie und Anwendung

Photonik: Grundlagen, Technologie und Anwendung

Mathematik und Technologie

Mathematik und Technologie

Ingenieurgeologie: Grundlagen und Anwendung

Elektromagnetische Felder: Theorie und Anwendung

Elektromagnetische Felder: Theorie und Anwendung

Pharmazeutische Technologie. Für Studium und Beruf

Transparente Kunststoffe: Entwurf und Technologie (German Edition)

Pharmazeutische Technologie

Elektromagnetische Felder: Theorie und Anwendung (Springer-Lehrbuch)

Marktforschung: Methodische Grundlagen und praktische Anwendung GERMAN

Marktpsychologie: Grundlagen und Anwendung 3. Auflage (Lehrbuch)

Regressionsanalyse: Theorie, Technik und Anwendung, 3. Auflage

Levitiertes Wasser in Forschung und Anwendung

Wetterderivate. Grundlagen, Exposure, Anwendung und Bewertung

Mambo: Installation, Administration, Anwendung und Entwicklung

Entwicklung und Anwendung explizit korrelierter Wellenfunktionsmodelle

Ernahrung und Fasten als Therapie

Wissens- und Technologietransfer als Innovationstreiber

Krebspatienten als Patienten und Partner

Pharmazeutische Technologie

Druckrohrleitungen aus Holz - Anwendung und Bemessung German

Lebensmittelphysik: Physikalische Kenngrößen - Messung und Anwendung

Sanktionen in der Schule: Grundlagen und Anwendung

Informatik als Dialog zwischen Theorie und Anwendung: Festschrift fur Volker Claus zum 65. Geburtstag

Psychopharmakologie: Anwendung und Wirkungsweisen von Psychopharmaka und Drogen

Psychopharmakologie: Anwendung und Wirkungsweisen von Psychopharmaka und Drogen

Hochspannungstechnik. Grundlagen - Technologie - Anwendungen

Pellets als Energieträger: Technologie und Anwendung

Photonik: Grundlagen, Technologie und Anwendung

Photonik: Grundlagen, Technologie und Anwendung

Mathematik und Technologie

Mathematik und Technologie

Ingenieurgeologie: Grundlagen und Anwendung

Elektromagnetische Felder: Theorie und Anwendung

Elektromagnetische Felder: Theorie und Anwendung

Pharmazeutische Technologie. Für Studium und Beruf

Transparente Kunststoffe: Entwurf und Technologie (German Edition)

Pharmazeutische Technologie

Elektromagnetische Felder: Theorie und Anwendung (Springer-Lehrbuch)

Marktforschung: Methodische Grundlagen und praktische Anwendung GERMAN

Marktpsychologie: Grundlagen und Anwendung 3. Auflage (Lehrbuch)

Regressionsanalyse: Theorie, Technik und Anwendung, 3. Auflage

Levitiertes Wasser in Forschung und Anwendung

Wetterderivate. Grundlagen, Exposure, Anwendung und Bewertung

Mambo: Installation, Administration, Anwendung und Entwicklung

Entwicklung und Anwendung explizit korrelierter Wellenfunktionsmodelle

Ernahrung und Fasten als Therapie

Wissens- und Technologietransfer als Innovationstreiber

Krebspatienten als Patienten und Partner

Pharmazeutische Technologie

Druckrohrleitungen aus Holz - Anwendung und Bemessung German

Lebensmittelphysik: Physikalische Kenngrößen - Messung und Anwendung

Sanktionen in der Schule: Grundlagen und Anwendung

Informatik als Dialog zwischen Theorie und Anwendung: Festschrift fur Volker Claus zum 65. Geburtstag

Psychopharmakologie: Anwendung und Wirkungsweisen von Psychopharmaka und Drogen

Psychopharmakologie: Anwendung und Wirkungsweisen von Psychopharmaka und Drogen

Hochspannungstechnik. Grundlagen - Technologie - Anwendungen

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