Möglichkeiten der energetischen Verwertung von Halmgütern · 1 Möglichkeiten der energetischen Verwertung von Halmgütern Thüringer Landesanstalt für Landwirtschaft Dipl.-Ing

1

Möglichkeiten der energetischen Verwertung von Halmgütern

Thüringer Landesanstalt für Landwirtschaft

Dipl.-Ing. Th. Hering

08.03.2011, Tiefengruben

A Brennstoffeigenschaften

B Einsatzmöglichkeiten Halmgüter (thermisch)

1. Wärmeerzeugungsanlagen2. Stromerzeugungsanlagen

C Rechtliche Rahmensituation

D Zusammenfassung

InhaltsverzeichnisEinleitung

Dipl.-Ing. Th. Hering Stand der Halmgutverbrennung

2

Anteile Erneuerbarer Energien an der Energiebereitstellung in Deutschland (Stand Juni 2009)

Anteile erneuerbarer Energien an der Energiebereitstellung in Deutschland

3,1 3,5

0,2

2,1

9,5

15,1

7,4

4,85,9

7,03)

124)

141)

182)

mind.301)

0

5

10

15

20

25

30

35

Anteile EE am gesamtenEndenergieverbrauch

(Strom, Wärme, Kraftstoffe)

Anteile EE am gesamtenBruttostromverbrauch

Anteile EE an der gesamtenWärmebereitstellung

Anteile EE am gesamtenKraftstoffverbrauch

Anteile EE am gesamtenPrimärenergieverbrauch

[%]

1998 2000

2002 2004

2006 2007

2008

2020 Ziele der

Bundesregierung

1) Quellen: Erneuerbare-Energien-Gesetz, (EEG 2009) vom 25.10.2008 und Erneuerbare-Energien-Wärmegesetz (EEWärmeG) vom 7.8.2008; 2) Quelle: Neue EU-Richtlinie zur Förderung der Nutzung von Energie aus erneuerbaren Quellen

3) Anteil Primärenergieverbrauch berechnet nach (der offiziellen) Wirkungsgradmethode; nach Substitutionsmethode: 9,2 %; 4) Ziel: 12 % energetisch; Quelle: Nationaler Biomasseaktionsplan für Deutschland

EE: Erneuerbare Energien; Quelle: BMU Publikation "Erneuerbare Energien in Zahlen – nationale und internationale Entwicklung", KI III 1; Stand: Juni 2009; Angaben vorläufig


Energieeffizienzen der verschiedenen Nutzungspfade

0

20

40

60

80

100

Wärme KWK Kraftstoff Strom

En

erg

iee

ffiz

ien

z in

%

(Quelle: Biomasseaktionsplan der Bundesregierung)


3

Chemisch-stoffliche Brennstoffeigenschaften z.B.• Stickstoff ⇒ NOx-Emissionen• Schwefel ⇒ SOx-Emissionen, Korrosion• Chlor ⇒ HCl-,PCDD/F-Emissionen, Korrosion• K, Na, Ca, (Mg)⇒ Ascheschmelzverhalten, Korrosion• S, Cl, K, Na, Zn Pb ⇒ Staubemission• Cd ⇒ Ascheverwertung

Physikalisch-mechanische Brennstoffeigenschaften z.B.• Schütt/Pressdichte ⇒ Transport, Lagerdichte• Wassergehalt ⇒ Lagerung, Heizwert, Ausbrand• Aschegehalt ⇒ Auslegung Austragsystem• Störstoffe (Beikrautanteil) ⇒ Ausbrand• Halmgutlänge (Stroh lang/kurz, Ganzpflanze)




4

Brennstoffeigenschaften

Form Art / Sorte Dichte kg/m³

Häcksel Stroh 50 - 70Rundballen Stroh 100 - 120Quaderballen Gräser 120 - 180Quaderballen Stroh 130 - 160Quaderballen Getreideganzpflanzen 150 - 230Hobelspäne Holz 80 - 100Hackgut Fichte 160 - 170Sägemehl Holz 160 - 180Hackgut Buche 250 - 260Pellets Holz u. Stroh 400 - 650Getreidekörner Hafer 500 - 550Getreidekörner Gerste 600 - 650Getreidekörner Weizen/Roggen 700 - 750

Vergleich der Press- und Schüttdichten (bei 85 % TS-Gehalt)


Brennstoffeigenschaften - Vergleich Rohaschegehalte(Vorgebirgslage: Glatthafer)

0,0

2,0

4,0

6,0

8,0

10,0

12,0

14,0

16,0

Ro

hasch

eg

eh

alt

[%

d. T

M]

M AX 2,0 1,9 3,0 2,1 4,9 4,8 8,4 12,8 9,3 10,9 12,0 7,6 4,5 1,2 2,2

M IN 1,5 1,3 1,9 1,6 3,0 4,1 2,6 3,2 3,0 4,8 4,0 3,4 0,6 0,3 0,2

M W 1,7 1,6 2,5 2,1 3,5 4,4 5,5 6,3 6,5 8,0 8,0 5,0 2,0 0,6 0,8

n = 25 n = 23 n = 25 n = 15 n = 5 n = 14 n = 52 n = 55 n = 51 n = 46 n = 47 n = 42 n = 288 n = 12 n = 51

Wi - Roggen

Wi - Weizen

Wi - Gerste

Wi - Trit icale

Hafer Wi - Raps

Wi - Roggen (Avanti)

Wi - Weizen (Batis)

Wi - Gerste

(Theresa)

Hafer (Flämlings-

lord)

Wi - Raps (Express)

Trit icale - GP

Pappel Laubholz Nadelholz

Körner HolzStroh

Gan

zp

fla

nze


5

Vergleich der Anteile der aerosolbildenden ElementeWW WG WWSP GTP DIN-HP MP WWSP/ HP MP GTP/ HP RKP

n = 3 n = 3 n = 8 n = 1 n = 1 n = 2 n = 1 n = 1S mg/kg TM 1700 1300 800 700 0 500 500 6800Cl mg/kg TM 800 900 400 600 100 400 300 200K mg/kg TM 3200 4600 5500 5100 300 2800 3200 10500Na mg/kg TM 58 54 156 60 52 95 56 <0,01Zn mg/kg TM 26 31 9 22 18 12 18 56Pb mg/kg TM 0,021 0,025 0,393 0,38 1,37 0,71 0,6 0,18Summe mg/kg TM 5784 6885 6865 6482 471 3808 4075 17556

Element Einheit

18103Summe

1Pb

24Zn

113Na

15888K

1045Cl

1033S

n = 8mg/kg TM

Heu

28918.10.

23315.10.

27414.10.Staub

mg/Nm³; 13 % O2

DatumNennlast MW:

260 mg/Nm³

entspricht bei Faktor 2,6 etwa

100 mg/Nm³

bei Stroh


Brennstoffeigenschaften - Vergleich Stickstoff(Vorgebirgslage: Glatthafer)

0,00

0,50

1,00

1,50

2,00

2,50

3,00

3,50

4,00

4,50

Sti

cksto

ffg

eh

alt

[%

d.

TM

]

M AX 1,97 2,59 2,22 2,18 2,27 3,85 1,13 0,93 1,27 1,13 1,49 1,42 1,22 2,66 0,28

M IN 1,51 2,10 1,59 1,66 1,54 3,21 0,33 0,28 0,29 0,22 0,42 0,38 0,19 0,11 0,07

M W 1,72 2,36 1,96 1,91 1,87 3,51 0,59 0,58 0,63 0,53 0,76 1,06 0,56 0,49 0,14


Wi - Roggen

Wi - Weizen

Wi - Gerste

Wi - Trit icale

Hafer Wi - Raps

Wi - Roggen (Avant i)

Wi - Weizen (Batis)

Wi - Gerste

(Theresa)

Hafer (Flämlings-

lord)

Wi - Raps (Express)

Trit icale - GP


Körner HolzStroh

Gan

zp

fla

nze


6

Brennstoffeigenschaften - Vergleich Chlor(Vorgebirgslage: Glatthafer)

0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

1,20

1,40

1,60

1,80

2,00

Ch

lorg

eh

alt

[%

d. T

M]

M AX 0,09 0,10 0,18 0,07 0,12 0,07 0,73 0,67 1,56 1,69 1,83 0,53 0,11 0,07 0,02

M IN 0,03 0,07 0,08 0,03 0,05 0,02 0,03 0,02 0,03 0,06 0,06 0,01 0,00 0,01 0,00

M W 0,07 0,08 0,13 0,05 0,10 0,04 0,24 0,23 0,43 0,64 0,58 0,16 0,02 0,02 0,01


Wi - Roggen

Wi - Weizen

Wi - Gerste

Wi - Trit icale

Hafer Wi - Raps

Wi - Roggen (Avant i)

Wi - Weizen (Bat is)

Wi - Gerste

(Theresa)

Hafer (Flämlings-

lord)

Wi - Raps (Express)

Trit icale - GP


Körner HolzStroh

Gan

zp

fla

nze


Brennstoffcharakteristik Vergleich Ascheschmelzverhalten

600

700

800

900

1000

1100

1200

1300

1400

1500

Sintertemperatur Erweichungstemperatur Sphärischtemperatur Halbkugelpunkt Fließtemperatur

Tem

pera

tur

[°C

]

Nacktgetreide Spelzgetreide Triticale-GP

Getreidestroh Miscanthus Waldholz


7



1. Wärmeerzeugungsanlagen2. Stromerzeugungsanlagen


D Zusammenfassung



diskoninuierliche und kontinuierliche Beschickung

Rost-, Kipptisch-Einschubfeuerungen, Zigarrenbrenner

Ganzballen: Mini-, Rund-, Heston-Großballen

Strohhäcksel: Zuführung über Schneckensysteme bzw.

Pneumatische Systeme

Strohpellets:

einsetzbare Brennstoffe: Getreidestroh, Ganzpflanze, Landschaftspflegeheu, Ölleinstroh, Rapsstroh, ...

Anlagen ab 100 kW unterliegen 4. BImSchV (TA-Luft) !!!

Systeme der Strohverbrennung


8

Koordination

F&E

Feldtests

Koordination FNR/TLL

weitere FelduntersuchungenTLL/TLUG/ILK (5 Anlagen) FH Köln (5 Anlagen), DEULA (1), FBZ (1) Zwischenergebnisse !

FuE-Vorhabenprimäre/sekundäre EmissionsminderungenILK DresdenTLL Dornburg

FBZ e.V. Merseburg

TFZ Straubing

DEULA SH

FH Köln

FNR Gülzow

FH Bingen

ATZ Sulzbach Rosenberg

IVD Stuttgart

WKI Braunschweig

TU Hamburg-Harburg

Paul Künzel GmbH Prisdorf

FH Amberg-Weiden

Grimm GmbH Amberg


Untersuchte Brennstoffe

Pellet Ballen/Häcksel

Winterweizen (Referenz) Winterweizen (Referenz) Winterweizen (Referenz) HolzpelletsWintergerste (Referenz) Winterroggen (Referenz) Winterweizen (grau) Triticale-GP PelletsWinterweizen Triticale Triticale GrüngutpelletsWintergerste GNP PelletsWinterroggen Rapspresskuchen PelletsTriticale

StrohGetreidekörner Sonstige

Untersuchte Feuerungsanlagen (Feldtests)

Getreide

[kWth] Pellet Ballen/Häcksel

Reka HKRST 30 30 Vorschubrostfeuerung X X TLLReka HKRST 60 60 Vorschubrostfeuerung X TLLReka HKRST 100 98 Vorschubrostfeuerung X X DEULAPassat C4 40 Brennmuldenfeuerung X X FH KölnBiokompakt AWK 45 SI 45 Unterschubfeuerung X X FBZ, FH KölnHeizomat HSK-RA 60 60 Kettenumlaufrost X X FH KölnÖkotherm C1L 120 Brennmuldenfeuerung X X FH KölnAgroflamm Agro 40 40 Unterschubfeuerung X X TLL, FH Köln, IVD/TFZGuntamatic Powercorn 30 30 Rostfeuerung X TLL, FH Köln, TFZLinka Linka-H 400 400 Brennmuldenfeuerung X TLLHerlt HSV 145 145 Ganzballenvergaser X TLL

Hersteller InstitutionFeuerungsprinzipTypLeistung

Brennstoffe

Stroh


9

Ballenauflöser - Strohpelletierungsanlage Schleiz


Entwicklung von Designbrennstoffen


10

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

CO

[mg/

Nm

³, tr

.; 13

% O

2]

MAX 22 37 54 38 106 361 321 264 140 588 344 182

MIN 3 2 39 2 6 11 21 49 9 148 45 170

MW 6 6 48 6 34 109 110 98 33 260 157 175

TLL FBZ TFZ TLL FBZ TFZ TLL TLL FH Köln FH Köln FH Köln TFZ

Agro 40 AWK SI 45

Powercorn 30

Agro 40 AWK SI 45

Powercorn 30

Agro 40 HKRST 60

RHK–AK 60

Agro RHK–AK 60

Powercorn 30

Feldtest Feldtest Prüfstand Feldtest Feldtest Prüfstand Pellet Feldtest

Häcksel Feldtest

Pellet Feldtest

Feldtest Feldtest Prüfstand

n = 156 n = 73 n = 3 n = 171 n = 69 n = 4 n = 23 n = 11 n = 66 n = 6 n = 6 n = 3

Wintergerstenkörner WinterroggenstrohpelletsWinterweizenstrohpelletsWinterweizenkörner

Nov. 1. Stufe

Nov. 2. Stufe

1. BImSchV

Kohlenmonoxid-Emissionen - Vergleich Referenzbrennstoffe


Gesamtstaub-Emissionen – Vergleich Referenzbrennstoffe

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

Sta

ub

[mg/

Nm

³, tr

.; 13

% O

2]

MAX 65 104 70 34 132 176 44 67 28 143 232 302

MIN 19 72 55 27 102 138 24 29 16 93 145 245

MW 30 85 65 31 114 150 36 48 21 118 192 267

FH Köln FBZ TFZ TLL FBZ TFZ TLL TLL FH Köln FH Köln FH Köln TFZ

Agro 40 AWK SI 45

Powercorn 30

Agro 40 AWK SI 45

Powercorn 30

Agro 40 HKRST 60

RHK–AK 60

Agro 40 RHK–AK 60

Powercorn 30

Feldtest Feldtest Prüfstand Feldtest Feldtest Prüfstand Pellet Feldtest

Häcksel Feldtest

Pellet Feldtest

Feldtest Feldtest Prüfstand

n = 6 n = 6 n = 3 n = 3 n = 3 n = 4 n = 3 n = 10 n = 6 n = 6 n = 6 n = 3

Wintergerstenkörner WinterroggenstrohpelletsWinterweizenstrohpelletsWinterweizenkörner

Nov. 2. Stufe

Nov. 1. Stufe

1. BImSchV


11

Dipl.-Ing. Th. Hering Stand der Heuverbrennung

Reka 54 kW, Heuverbrennung 14.10.2010

0

200

400

600

800

1000

1200[m

g/N

m³;

13

% B

ezu

g O

2]

MAX 271 662 176 32

MIN 61 519 131 9

MW 171 569 152 24

CO NOX SO2 HCl

Erprobung innovativer Feuerungsysteme TLL – TZNR Dornburg/Jena

wassergekühlte Vorschubtreppen-

rostfeuerung mit Rauchgasrezirkulation

weitere Entwicklungen - Voruntersuchungen

Brennstoffmisch- und wägeanlage

IHT-Anlage


12

Brennmuldenfeuerung - Fa. Linka, Dk, 400 kW

Dipl.-Ing. Th. Hering Stand der Strohverbrennung

Brennmuldenfeuerung Firma Lin-Ka (Dk), 400 kWth

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

CO

, N

OX, S

OX, G

es.-

C [

mg/

Nm

³, tr

.; 11

% O

2]

MAX 925 10074 388 479 25 28 33 303

MIN 258 2052 332 347 5 6 5 30

MW 623 5572 356 417 13 18 15 148

CO: n = 9 CO: n = 27 NOX: n = 9 NOX: n = 27 SOX: n = 9 SOX: n = 27 Ges.-C: n = 9 Ges.-C: n = 27

Weizenstroh Triticalestroh Weizenstroh Triticalestroh Weizenstroh Triticalestroh Weizenstroh Triticalestroh

Ergebnisse der kontinuierlichen Messungen

TA LUFT


13

Thüringer Landesanstalt für Landwirtschaft (TLL), Jena

Brennstoff: Stroh und Ganzpflanzen Leistung: 1,75 MWth

kontinuierliche Beschickungmit einzelnen Scheiben

Kipptisch -Einschubfeuerung


Strohlager 100 t

Strohbahnen Hubtisch

Kesselhalle

Kipp- Ballen- Einfeuerungs-tisch teiler zylinder

Strohkessel 1,7 MW

Zyklon- undTuchfilter

Aschecontainer

Kamin

Rauchgas-sauger

Wärme-speicher55 m³

mit Waage

Anlageschema für Kipptisch-Einschubfeuerung (Fa. Lin-Ka, DK)


14

BKS Bio-Kraftwerk Schkölen GmbHFernwärmeversorgung der Stadt SchkölenBrennstoff: Stroh in BallenformLeistung: 3,15 MWth


Anlageschema für Ganzballen-Feuerung, Zigarrenabbrandkontinuierliche Beschickung mit Heston-Ganzballen (Fa. Volund, DK)


15

Standort Leistung Feuerungssysteme Jährlicher Brennstoffeinsatz InbetriebnahmeEnsted Dänemark

40 MWel aufgelöst/

Stoker 120 000 Mg Stroh

30 000 Mg Hackschnitzel 1998

Cambridgeshire Großbritannien

36 MWel aufgelöst/


(50-miles-Radius)sowie Erdgas 2001

Studstrup Dänemark

30 von 150 MWel

aufgelöst/ Stoker

50 000 Mg Stroh sowie mind. 80 % Kohle 1995

Sangüesa Spanien

25 MWel

mit KWK aufgelöst/

Stoker 160 000 Mg Stroh 2002

Slagelse Dänemark

11,7 MWel

mit KWK aufgelöst/


20 000 Mg Hausmüll 1990

Maribo Dänemark

9,3 MWel

mit KWK aufgelöst/

Stoker 40 000 Mg Stroh 2000

Grena Dänemark

8,5 von 17 MWel

mit KWK

aufgelöst/ pneumatisch

55 000 Mg Stroh 40 000 Mg Kohle

1992

MasnedØ Dänemark

8,3 MWel

mit KWK aufgelöst/


8 000 Mg Hackschnitzel 1996

Mabjerg Dänemark

5,6 von 28 MWel

mit KWK

Zigarrenbrenner, 2 weitere Kessel

35 000 Mg Stroh, 150 000 Mg Hausmüll,

25 000 Mg Hackschnitzel, Erdgas

1993

Haslev Dänemark

5,0 MWel

mit KWK Zigarrenbrenner 25 000 Mg Stroh 1989

RundkØbing 2,3 MWel aufgelöst/ 12 500 Mg Stroh 1990

Ausgewählte strohgefeuerte (Heiz-) Kraftwerke in Europa (nach D. Thrän, M. Kaltschmitt 2001)




1. Stroh- und Ganzpflanzenfeuerungsanlagen2. Stromerzeugungsanlagen


D Zusammenfassung



16

Brennstoffe nach Nr. 8 § 3 der 1. BImSchV

Grenzwerte (Typenprüfung) für Anlagen und Brennstoffe nach Nr. 8 § 3 der 1. BImSchV (Bezugs O2 13 %; Quelle: BMU/UBA)

C Neue rechtliche Rahmenbedingungen


Grenzwerte (Praxismessung) für Anlagen und Brennstoffe nach Nr. 8 § 3 der 1. BImSchV (Bezugs O2 13 %; Quelle: BMU/UBA)


17



1. Stroh- und Ganzpflanzenfeuerungsanlagen2. Stromerzeugungsanlagen


D Zusammenfassung



1. Technik für die Ernte, Aufbereitung, Transport und Lagerung von Stroh und Getreide, etc. ist vorhanden und weitestgehend optimiert

2. Thermische Verwertung von Stroh-, ~pellets und Getreide ist technischmöglich, jedoch mit höheren Kosten, Emissionen und genehmigungs-rechtlichen Aufwendungen verbunden

3. Geringe Erfahrung bei der Verstromung von Halmgut in Deutschland –Anreiz des EEG Nawaro Bonus nicht aussreichend –

als Mischbrennstoffe nicht wirtschaftlich sinnvoll (Holz) –Auschließlichkeitsprinzip !!!

4. Anlagen für die Vergasung von Halmgut stehen am Anfang ihrerEntwicklung, zeigen gute Fortschritte in Bezug auf Staub-, CO-, NOx-Emissionen, Verschlackungen

Gasnutzung zur Verstromung bisher ohne Praxisrelevanz

Getrennte Verbrennung/Vergasung von Getreidekörnern und Stroh gegenwärtig relevanter als Ganzpflanzennutzung

D Zusammenfassung


18

D Zusammenfassung

Genehmigungsverfahren und Überwachung für rechtlich zugelassenegrößere Anlagen für Stroh und Getreide nach 4. BImSchV (TA Luft), erfordern höhere Invest-, Verwaltungs- und Betriebskosten, etc.

Je inhomogener der Brennstoff umso höher die Anforderungen an die Feuerungsanlage bzw. je einfacher die Feuerungsanlage umso höher

die Anforderungen an die Qualität des Brennstoffes.


Weitere Informationen unter

www.tll.de/nawaro bzw.

[email protected]

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