Wärmeerzeugung aus halmgutartiger Biomasse Besonderheiten ... · 1 Wärmeerzeugung aus halmgutartiger Biomasse Besonderheiten und Anforderungen Thüringer Landesanstalt für Landwirtschaft

1

Wärmeerzeugung aus halmgutartiger Biomasse

Besonderheiten und Anforderungen

Thüringer Landesanstalt für Landwirtschaft

Dipl.-Ing. Th. Hering

28.10.2010, Haus Düsse

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• Cd ⇒ Ascheverwertung

Physikalisch-mechanische Brennstoffeigenschaften z.B.• Schütt/Pressdichte ⇒ Transport, Lagerdichte• Wassergehalt ⇒ Lagerung, Heizwert, Ausbrand• Aschegehalt ⇒ Auslegung Austragsystem, Staubemission• 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)


Gleiche Ballenbreiteund ~ höhe

FG < 20 %, keineFeuchtenester

Gleiche Ballenlänge

Exakte Ballenmaße z.B. 1,20 x 1,30 x 2,20 m (Z3150)

Gleichmäßige Pressdichte> 120 kg/m³

Geringer Beikrautanteil, < 10 %

Physikalisch-mechanische Parameter von Halmgutballen

Dipl.-Ing. Th. Hering Stand der Strohverbrennung

5

Ballentransport mit Plattenwagen

Einsatz von Heston-Ballenpresse und Ballensammelwagen

Ablage der Ballen in Reihen


Balleneinlagerung mit Teleskoplader

neue Lagerhalle

herkömmliche Lagerhalle

Lagerung im Freien


6

Brennstoffeigenschaften - Vergleich Rohaschegehalte

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


Brennstoffeigenschaften - Vergleich Stickstoff

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


7

Brennstoffeigenschaften - Vergleich Chlor

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


8



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


9

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

Dipl.-Ing. Th. Hering Alternative Brennstoffe in Anlagen < 1 MW

10

Ballenauflöser - Strohpelletierungsanlage


Entwicklung von Designbrennstoffen


11

Neuartige und konventionelle Feuerungsanlagen


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


12

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


Erprobung innovativer Feuerungsysteme TLL – TZNR Dornburg/Jena

wassergekühlte Vorschubtreppen-

rostfeuerung mit Rauchgasrezirkulation

weitere Entwicklungen - Voruntersuchungen


Brennstoffmisch- und wägeanlage

IHT-Anlage

13

Vorschubrostfeuerung im Leistungsbereich 20 kWth bis 5 MWthFa. REKA - Reka-HKRST 60, 54 kWth

Strohfeuerungsanlagen für Häckselgut mit Ballenauflöser


Ergebnisse der Messungen am Reka-HKRST 60, 54 kWth

REKA 56 kW, Wi-Weizenstrohhäcksel (Referenz)

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

CO

, N

OX, S

O2, G

es.-

C, S

tau

b [m

g/N

m³,

tr.;

13 %

O2 ]

MAX 264 456 135 6 67

MIN 49 386 111 2 29

MW 98 423 120 3 48

CO NOX SO2 Ges.-C Staub

n = 11 n = 11 n = 11 n = 10 n = 10

Messung durch ILK


14

Vorschubrostfeuerung Fa. REKA - Reka-HKRST 60, 54 kWth

2,5 3,1

94,4

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

[%]

PM 10 PM 2,5 PM < 2,5

REKA 56 kW, Wi-Weizenstrohhäcksel (Referenz)

n = 7 Wi-Weizenstrohhäcksel (Referenz)


Stadtwerke Göppingen Firma Ökotherm (D), 600 kWth


Bildquelle: www.oeko-therm.net

15

Ballenvergaser 145 kW/Herlt


Thüringer Landesanstalt für Landwirtschaft (TLL), Jena

Brennstoff: Stroh und Ganzpflanzen Leistung: 1,75 MWth

kontinuierliche Beschickungmit einzelnen Scheiben

Kipptisch -Einschubfeuerung


16

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)


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


17

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


“Zuwachsen” des Einspeise-kanals bis zur Blockade des Ballenvorschubes

zu geringe Pressdichte vermin-dert Vorschub der Ballen


18

Vor und nach Reinigung des Strohkessels


Zerkleinerung der Strohascheschlacke in ehemaliger Düngermühle

Maximale Korngröße 40 mm


19

Strohheizkraftwerk Masned∅ (Dänemark) KWK mit 8,3 MWel - 40.000 t Stroh, 8.000 t Holz


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)


20



1. Stroh- und Ganzpflanzenfeuerungsanlagen2. Stromerzeugungsanlagen


D Zusammenfassung



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


21

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




1. Stroh- und Ganzpflanzenfeuerungsanlagen2. Stromerzeugungsanlagen


D Zusammenfassung



22

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


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.


23

Weitere Informationen unter

www.tll.de/nawaro bzw.

[email protected]

Documents

Wärmeerzeugung aus halmgutartiger Biomasse Besonderheiten ... · 1 Wärmeerzeugung aus halmgutartiger Biomasse Besonderheiten und Anforderungen Thüringer Landesanstalt für Landwirtschaft