"Wenn das erzeugte Gas direkt in einer Brennkammer zur Wärmeerzeugnug eingesetzt wird, ist kein thermodynamischer Unterschied zwischen einer Holzfeuerung und einem Holzvergaser." Hieraus wird ersichtlich, dass die Vergasung ein Teilprozess der Verbrennung ist und das Gas durch eine nicht vollständige Verbrennung entsteht. Das produzierte niederkalorische Brenngas mit einem durchschnittlichen Brennwert von 5 MJ/m3 kann in Brennern zur Wärmebereitstellung und in Verbrennungsmotoren oder Gasturbinen zur Stromerzeugung bzw. zur kombinierten Wärme- und Strombereitstellung eingesetzt werden. Anwendung der Vergasung Die Vergasung der Biomasse stellt eine vielversprechende Technologie - insbesondere zur Stromerzeugung - dar. Es wird hierbei ein hoher Wirkungsgrad, bezogen auf die bereitgestellte elektrische Energie, erzielt. Zum anderen sind prozessbedingte geringere Emissionen im Vergleich zu einer Stromerzeugung über eine direkte Biomasseverbrennung zu erwarten. Deshalb wurden in den letzten Jahren auch erhebliche Forschungsanstrengungen unternommen, diese Technologie großtechnisch verfügbar zu machen. Auf dem Oberhausener Biomassevergasungskongress im September 2001 war es daher eine wichtige Erkenntnis, dass diese elegante Form der Energiegewinnung jetzt die Marktreife erreicht habe [2]. Kommerziell werden gegenwärtig allerdings nur einige wenige Vergasungsanlagen ausschließlich zur Wärmebereitstellung betrieben. Anlagen zur Stromerzeugung - nur hier kommt der eigentliche Vorteil der Vergasung voll zum Tragen - existieren derzeit nur als Pilotprojekte im Rahmen von Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten. Probleme gibt es dabei besonders mit der Gasreinigung, da die vergaste Biomasse hohe Staubgehalte und teilweise erhebliche Anteile an kondensierbaren organischen Stoffen aufweist. Nachgeschaltete Verbrennungsmotoren und Gasturbinen verlangen jedoch ein weitgehend kondensat- und staubfreies Brenngas [3]. Einen idealen Vergaser für die verschiedenen Arten von Biomasse gibt es nicht. Die bekannten Vergasertypen haben sowohl Vorteile als auch Nachteile im Hinblick auf die zu vergasende Biomasse, die gewünschte Gasqualität sowie die Investitions- und Betriebskosten. Die einzelnen Vergasungssysteme unterscheiden sich durch · den Reaktortyp (Festbett-, Wirbelschicht- bzw. Flugstromreaktor) · die Art der Wärmebereitstellung (Wärmezufuhr von außen oder durch teilweise Oxidation des Brennstoffs) · die Richtung der Massenströme der Biomasse und des Vergasungsmediums zueinander (Gegenstrom- oder Gleichstromvergasung), sowie · das eingesetzte Vergasungsmedium (Luft, Sauerstoff, Wasserdampf) Funktion eines Festbett Gleichstromvergasers Das mit dem Brennstoff eingetragene Wasser wird hier zunächst bei einer Temperatur von 100°C - 200°C verdampft (Trocknung). Danach erfolgt die Entgasung und thermische Zersetzung der Inhaltsstoffe in überwiegend gasförmige Bestandteile bei Temperaturen zwischen 300°C und 600°C unter Sauerstoffausschluss (Pyrolyse: lamba=0). Bei Temperaturen meist über 600°C findet die Oxidation des Kohlenstoffs und Wasserstoffs zur Deckung des Wärmebedarfs der endothermen Reduktionsreaktion und der Aufspaltung der in der Pyrolysezone gebildeten Kohlenwasserstoffe statt. Die Entstehung des eigentlichen Holzgases findet bei Temperaturen von ca. 500°C durch die Reduktion der Oxidationsprodukte CO2 und H2O an der glühenden Kohle statt. Grundlage ist hierbei das Boudouard`sche Gleichgewicht der Kohlenstoffreaktion und weitere Gleichgewichtsreaktionen wie das Wassergas- und Methangleichgewicht, die stark von der Temperatur und dem Druck beeinflusst sind [4]. Boudouard-Reaktion: C + CO2 --->CO -162,2 KJ/mol [5] Wasserstoffreaktion: C + H2O --->CO +H2 -119,0 KJ/mol [5] Methanreaktion: C+ 2H2 --->CH4 [5] Durch den Vergasungsprozess entsteht ein Gas, das aus einer Mischung von brennbaren (H2, CO, CH4) und nicht brennbaren Gasen (CO2, N2) besteht. Die durchschnittliche Zusammensetzung ist in Abbildung 1 dargestellt.
Abb.1: Durchschnittliche Zusammensetzung
von Holzgas mit Vergasungsmittel Luft
Die Zusammensetzung des Rohgases hängt
von der Art des Brennstoffs (Stückgröße, Feuchtigkeit und chemische Zusammensetzung),
dem Vergasungsmittel, der Vergasungstemperatur und den Druckverhältnissen im
Reaktor ab.
Möglichkeiten der Gasverwertung
Die drei für das Holzgas zur Zeit interessantesten
Nutzungsmöglichkeiten sind
1. die direkte thermische Nutzung zur
Erzeugung von Wärme,
2. die Nutzung in einem Verbrennungsmotor
und
3. die bislang nur für größere Leistungen
mögliche Nutzung in einer Gasturbine bzw. Gas- und Dampfturbine zur Erzeugung
von Strom und Wärme.
In Zukunft können auch der Stirlingmotor
und die Brennstoffzelle als Energieerzeuger mit Generatorgas zur Option werden
[6].
Ein Überblick über die unterschiedlichen
Verfahren zur Stromerzeugung aus Biomasse ist in Abbildung 2 dargestellt.
Abb. 2: Stromerzeugung aus Biomasse mit
unterschiedlichen Verfahren (Hartmann und Strehler, 1995)
Kraft-Wärme-Kopplung durch ein Blockheizkraftwerk
Die meistdiskutierte und vielversprechende
Nutzung von Bio- und Holzgas ist die Nutzung in Blockheizkraftwerken (BHKW).
Die Vorteile von BHKW´s gegenüber anderen Nutzungsmöglichkeiten lassen sich
durch folgende Effekte beschreiben:
- Hoher Gesamtwirkungsgrad von BHKW gegenüber
getrennter Erzeugung von Strom und Wärme
- Module von BHKW im kleinen Leistungsbereich
(bis 5 MWel) sind als ausgereifte Technik vorhanden; die Motoren sind robust
und vielseitig einsetzbar
- Dezentrale Wärme- und Stromversorgung
in Gebieten mit hohem Biomasseaufkommen durch Einsatz kleiner BHKW-Module möglich
- CO2 Einsparung aufgrund des höheren
Wirkungsgrads gegenüber getrennt erzeugtem Strom und Wärme
Die wesentlichen Komponenten eines BHKW
sind der Verbrennungsmotor und die Wärmetauscher zur Nutzung der Abwärme aus
Kühlwasser, Abgas und Öl. Verbrennungsmotoren mit innerer Verbrennung werden
seit Jahren erfolgreich zur gemeinsamen Produktion von Strom und Wärme eingesetzt.
Für die Gasnutzung werden meist Industriemotoren oder Automotoren modifiziert
und auf den Einsatz von Holzgas umgerüstet. Probleme mit dem gereinigtem Holzgas
können enthaltene Kondensate darstellen, die sich an den Einspritzdüsen festsetzen
können. Diese müssen im Rahmen der Wartungsarbeiten gereinigt werden. Ablagerungen
im Motorraum erfordern verkürzte Ölwechselintervalle. Die Grenzwerte für die
Teerverbindungen liegen bei 100mg/m3 Holzgas [7].
Als Motoren werden daher häufig die Zündstrahldiesel
und auf Fremdzündung (Zündkerzen) umgebaute Dieselmotoren und Ottomotoren eingesetzt.
Am einfachsten ist der Betrieb mit Zündstrahlmotoren. Diese erfordern zwar für
die Einleitung des Verbrennungsvorgangs 5%-20% Zündöl; dafür ist eine gleichbleibende
Gasqualität aber nicht notwendig. Durch Direkteinspritzung wird das angesaugte
Produktgas im Zylinder mit der zur sauberen Verbrennung nötigen Menge Diesel
oder Biodiesel angereichert. Dem Motor wird genau die Menge an Zündöl eingespritzt,
die er benötigt, um die Leerlaufdrehzahl zu halten.
In die Ansaugluft wird ein Gasmischer
geschaltet, der dann soviel Holzgas in den Luftmassenstrom mischt, bis der Motor
die Sollleistung erreicht. Durch Regelung der Zündölmenge kann auf Schwankungen
der Produktgasqualität reagiert werden. Bei vollkommen gestoppter Gasproduktion
ist es möglich, den Motor zu 100% mit Zündöl zu betreiben.
Der Einsatz von Gasmotoren erfordert eine
höhere Gasqualität und befindet sich noch in der Erprobungsphase für den Dauerbetrieb.Eine
Vielzahl von Institutionen und Unternehmen in Europa beschäftigen sich noch
immer mit der Entwicklung und Einführung dieser Technologie.
Die Verwendung von Schwachgasmotoren ist
zu empfehlen, da diese im Vergleich zu den oben genannten Zündstrahlmotoren
eine bessere Gasausbeute haben und somit umweltfreundlich er sind.
Tab. 1: Merkmale verschiedener Motorenbauarten
(Mittleitner 2000) [8]
Prinzipiell können BHKW nach zwei Hauptbetriebsweisen
ausgelegt werden:
- stromgeführt
- wärmegeführt
Beide Betriebsweisen orientieren sich
an dem Bedarf nach Energie und sind damit nachfrageorientiert. Stromgeführte
BHKW produzieren den Strom, der benötigt wird; überschüssige Wärme wird an die
Umgebung abgegeben. Dadurch kann der Gesamtwirkungsgrad sinken. Wärmegeführte
BHKW folgen dem Wärmebedarf und decken, um eine hohe Vollaststundenzahl zu erreichen,
meist die Grundlast des Wärmebedarfs eines Objektes; Stromüberschüsse werden
ins Netz eingespeist.
Eine dritte Möglichkeit des Betriebes
von BHKW´s kann die Entsorgung von biogenen Reststoffen darstellen und ist damit
angebotsorientiert. Hierbei wird soviel Strom und Wärme produziert, wie es das
Angebot ermöglicht. Bei Vergasung von Biomasse kann das durch Zugabe von z.B.
beschichteten Althölzern, erreicht werden.
Um einen hohen Gesamtwirkungsgrad der
Anlage zu erreichen und damit wirtschaftlich zu arbeiten, empfiehlt sich die
Wärmeauslegung für ein BHKW. Für den Fall, dass die Wärme nicht abgenommen wird,
sollte eine Kühlung vorhanden sein. In den warmen Jahreszeiten kann die Wärme
über Wärmepumpen zur Kälteerzeugung herangezogen werden.
Emissionen
Die Emissionen der Holzvergasungsanlage
setzt sich im Wesentlichen aus den Abgasen der Motoren und dem Ascheanfall zusammen.
Besonders der hohe CO-Wert im Abgas kann eine aufwendige Gasreinigung erfordern.
Um den Emissionsgrenzwerten zu genügen, muss das Motorabgas gegebenenfalls über
einen Oxidationskatalysator gefiltert werden.
Folgende Abgasgrenzwerte der Bundesemissionsschutzverordnung
sind dabei einzuhalten:
Tab. 2: Emissionsgrenzwerte im Vergleich
(Kleinhappl 2001) [9]
Die Forcierung der Energiegewinnung aus
Biomasse ist für sich allein gesehen noch nicht als vollständig ökologisch unbedenkliches
Verfahren anzusehen. Sie wirkt wohl positiv in Richtung der Verringerung von
CO2-Emissionen aus fossilen Energiequellen, wesentlich für eine gesamt-positive
Bewertung dieser Technologie ist jedoch, dass auch alle anderen Rückstände,
wie insbesondere die Asche aus der Biomassevergasungsanlage, einer ökologisch
sinnvollen kreislaufwirtschaftlichen Verwendung wieder zugeführt werden können.
Es geht also bei der dezentralen Energiegewinnung
aus Biomasse neben der Schließung des CO2-Kreislaufes vor allem um die Schließung
des Aschenkreislaufes. Asche aus dem Holzvergaser sollte vor der landbaulichen
Verwertung in einem Labor untersucht werden. Bei der Vergasung fallen überwiegend
feine Aschepartikel an, die mit einem Fliehkraftabscheider von dem Holzgas getrennt
werden.
Da mit der Feinheit der Aschefraktionen
die Schwermetallkonzentrationen für fast alle umweltrelevanten Elemente (Zn,
Pb, Cd, Hg) deutlich zunehmen [10], wurde an der Universität Karlsruhe am Lehrstuhl
für Geochemie eine Qualitative Analyse mit der energiedispersiven Röntgenfloureszenz-Methode
für Ascherückstände aus dieser mit Hackschnitzeln betriebenen Vergasungsanlage
durchgeführt. Das Ergebnis ergab einen erhöhten Gehalt an Kupfer, Zink (je100-300mg/g),
Brom (100-300mg/g) und Spuren von Eisen. Die enthaltenen Nährstoffe (Ca, K,
Mg, P) rechtfertigen nach dieser Analyse aber die Ausbringung der Ascherückstände.
Bei Verwendung von belasteten Altholz
sollte allerdings eine Deponierung der Aschefraktionen einer landbaulichen Verwertung
vorgezogen werden.
Literaturangabe:
[1] Nussbaumer, T. (1992): Neue Konzepte
zur schadstoffarmen Holzenergienutzung, BEW (Bundesanstalt für Energiewirtschaft),
Zürich
[2] Europäischer Fachkongress: Grüne
Investitionen in die Biomasse Vergasung, 27. - 28. September 2001, Oberhausen
[3] 4. Internationales Fachsymposium "Marktreife
Holzvergaser-Technik" 13. Dezember 2001, Karlsruhe
[4] Steinbrecher, N., Walter, J. (2000);
Marktübersicht dezentrale Holzvergasung S.6, Institut für angewandte Ökologie
e.V., Darmstadt, 2001
[5] Grundlagen der Abfallwirtschaft, Thermische
Verfahren zur Abfallbehandlung, Kapitel 8-15, Bauhaus Uni Weimar
[6] Hartmann H., Strehler A. (1995), Stellung
der Biomasse in der Landwirtschaft, Münster
[7] Nussbaumer, T. (2001): Potentiale
und Technik der Holzvergasung, Grüne Investitionen in die Biomassevergasung,
27.-28 September 2001 in Oberhausen
[8] Mittleitner, J. (2000), Stand der
Technik von Biogasanlagen, Bayrische Landesanstalt für Landtechnik
[9] Kleinhappl, M. (2001): Biomassevergasung
in einem Festbettvergaser, Kongress Marktreife Holzvergasertechnik, Karlsruhe
Dezember 2001
[10] Obernberger, I. (1998): Ashes and
particulate emissions from biomass combustion Series Thermal Biomass Utilization,
Volume 3, dbv-Verlag , S.10-19