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Biomasse

By Jeremy Dixon,2014-06-01 15:32
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Biomasse

    Interuniversitäres Forschungszentrum (IFZ) der Karl- Franzens- Universität Graz

    Thema:

    Biomasse als Energieträger

    Energiesysteme der Zukunft

     Rohracher, Späth

    WS 2005/06

    Abgabe: 10.01.2006

    Andrea Lakounig

    Bakk. USW-BWL / B 033 619 151

    Matr.Nr.: 0316666

    Mondscheingasse 3 Top3

    8010 Graz

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    Literaturverzeichnis

    1. Einleitung 2

    2. Was ist Biomasse? 2

    3. Energiegewinnung 3

    3.1. thermochemischen Umwandlung 3

    3.2. physikalisch- chemischer Umwandlung 3

    3.3. biochemischen Umwandlung 4

    4. Biogene Festbrennstoffe 4

    5. Hackgut 6

    6. Pellets 7

    7. Potenziale und Nutzung 7

    7.1. Theoretisches Potenzial 7

    7.2. Technisches Potenzial 8

    8. Nutzung 9

    9. Ökonomische Analyse 10

    10. Resümee 11

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    1. Einleitung

    In meiner Arbeit möchte ich auf die Nutzung von Biomasse in Österreich eingehen. Wir leben in einer Zeit, in der die Rücksichtnahme auf das Klima und unsere Umwelt immer größere Bedeutung erlangt. Zudem steigt der Erdölpreis zusehends an und auch der Vorrat wird immer geringer. Es ist also von Nöten sich nach neuen Alternativen umzusehen. Da in Österreich das Potential für Windkraftwerke nicht in allen Regionen groß genug ist, Wasserkraftwerke immer stärkerem Druck von Umweltschützern unterliegen und Gezeitenkraftwerke in einem Binnenland nicht errichtet werden können, stellt die Biomasse eine gute Alternative dar. Neben Solarenergie ist Biomasse in Österreich sicher eine der Zukunftstechnologien. Durch die großen Wald- und Wiesenflächen, sowie die weite Verbreitung der Holzindustrie ist die energetische Nutzung nur noch eine Frage der Kosten. Ich möchte im Folgenden auf die Energiegewinnung aus Biomasse, sowie auf verschiedene Arten der Biomasse eingehen. Zudem möchte ich die Potentiale und Nutzung von Biomasse in Österreich offen legen und abschließend noch die Wirtschaftlichkeit der Anlagen betrachten.

    2. Was ist Biomasse?

    Biomasse ist gespeicherte Sonnenenergie, die Pflanzen mit Hilfe von Photosynthese in organische Materie umwandeln und so die energetische Nutzung möglich machen. Es handelt sich daher also nicht um die direkte Nutzung von Sonnenenergie wie beispielsweise bei Solarzellen und unterliegt daher auch keinen kurzfristigen Angebotsschwankungen. Unter Biomasse versteht man alle Stoffe organischer Herkunft, wie Pflanzen, Tiere, daraus resultierende Rückstände, Nebenprodukte, Abfälle und abgestorbene Pflanzenreste, wie Stroh, etc.. Auch technisch umgewandelte Stoffe wie Papier, Zellstoff, Pflanzenöl, etc. werden zur Biomasse gezählt.

    Zur energetischen Nutzung stehen in Österreich vor allem biogene Festbrennstoffe aus Holz, wie Waldrestholz, Industrierestholz und Altholz, halmgutartige Biomasse, wie Stroh und Heu, Biokraftstoffe aus Pflanzenöl und Biogas aus landwirtschaftlichen und industriellen Abfällen zur Verfügung. Vor allem Holzabfälle sind in Österreich auf Grund der großen Waldgebiete ausreichend vorhanden.

    Das Angebot an Biomasse ist, wie bereits erwähnt, nicht unbedingt von der Sonneneinstrahlung abhängig. Wesentlich wichtiger sind die Niederschlagsmenge

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    und die Bodengüte, sowie die Temperatur in bestimmten geographischen Gebieten. Dabei variiert in Österreich speziell die Niederschlagsmenge kaum, die Bodengüte hingegen schon. Auch die Nutzung durch den Menschen beeinflusst das Wachstum und somit das Angebot an Biomasse beträchtlich. Die Sonneneinstrahlung unterliegt natürlich auch tageszeitlichen und jahreszeitlichen Schwankungen, doch führen Pflanzen auch ohne direkte Sonneneinstrahlung eine photosynthetische Umwandlung durch.

    3. Energiegewinnung

    Um aus Biomasse Energie zu gewinnen gibt es mehrere Möglichkeiten. Viele Energieträger können beispielsweise durch Verbrennung direkt in Wärme umgewandelt werden. Oft ist es aber notwendig, oder sinnvoll, durch energetische Umwandlung hochwertiger zu machen. Dies kann durch thermochemische, physikalisch- chemische und biochemische Verfahren geschehen.

    3.1. thermochemischen Umwandlung

    Bei der thermochemischen Umwandlung wird die gespeicherte Energie, entweder, bei vollständiger Oxidation, als Wärme wieder freigesetzt oder in Sekundärenergieträger, wie Brenngas, umgewandelt und kann danach unter erneuter Wärmeabgabe weiter aufoxidiert werden.

    Heute hat nur die Verbrennung technische Bedeutung, wozu hauptsächlich holz- und halmgutartige Biomassen verwendet werden. Andere Verfahren der

    thermochemischen Umwandlung, wie Verkohlung oder Vergasung, sind noch in der Entwicklung, die bei der Vergasung mit nachgeschalteter Kraft- Wärme- Kopplung am weitesten fortgeschritten ist.

    3.2. physikalisch- chemischer Umwandlung

    Unter physikalisch- chemischer Umwandlung versteht man die Bereitstellung von Bioenergieträgern auf Pflanzenölbasis. Pflanzenöl wird entweder durch Pressung, oder durch Extraktion gewonnen. Bei der Extraktion werden mit Hilfe eines Lösungsmittels bestimmte Bestandteile aus festen oder flüssigen Grundstoffe gelöst. Später werden Lösungsmittel und Substanz wieder voneinander getrennt und können weiter verwertet werden.

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    3.3. biochemischen Umwandlung

    Bei der biochemischen Umwandlung unterscheidet man anaeroben und aeroben Abbau. Unter anaerobem Abbau versteht man jede Umwandlung unter

    Sauerstoffabschluss, wie beispielsweise Gärung. Auf Grund dessen findet man anaeroben Abbau in der Natur in Mooren, Sümpfen, auf Mülldeponien oder in Mägen von Wiederkäuern. Allerdings wird die Gärung auch technisch durchgeführt. Es muss dabei darauf geachtet werden, dass genug Nährstoffe für Bakterien vorhanden sind. Technisch vergärt werden heute vor allem Mais, Gras, Gülle, Molke, Fruchtrückstände, sowie Schlacht- und Gastronomieabfälle.

    Unter aerobem Abbau versteht man die Substanzen von Bakterien, Algen, oder Pilzen zersetzt. Dazu zählt in der Natur vor allem die Humusbildung im Boden, oder die Selbstreinigung von Gewässern. Auch der aerobe Abbau wird technisch forciert. Dies geschieht beispielsweise in der Abwasserreinigung, oder bei der Bioabfallkompostierung. Durch die Freisetzung von Wärme (bis zu 70?) werden beim aeroben Abbau zugleich Keime abgetötet, es kommt zu einer natürlichen Sterilisation. Die Reste werden vor allem als Dünger in der Landwirtschaft eingesetzt.

    4. Biogene Festbrennstoffe

    Unter biogenen Festbrennstoffen versteht man Stoffe, die zum Zeitpunkt ihrer Verwertung in fester Form vorliegen. Dabei unterscheidet man holzartige und halmgutartige Brennstoffe. Diese können als Rückstände und Nebenprodukte bei der Primärproduktion oder bei der industriellen Verarbeitung anfallen, als Energiepflanzen angebaut werden. Es kann aber auch Klärschlamm aus der Abwasserreinigung und Ablauge aus der Papier und Zellstoffindustrie verarbeitet werden.

    Unter holzartigen Brennstoffen versteht man Waldresthölzer, Überreste aus der Holzverarbeitung, sogenannte Säge- und Industrieresthölzer, sowie nach Ende der Nutzungsdauer von Holzprodukten, Altholz. Teilweise werden in

    Kurzumtriebsplantagen auch speziell Pappeln oder Weiden angebaut, um sie energetisch zu nutzen.

    Der Weg von der Ernte bis zur Nutzung von biogenen Festbrennstoffen kann in einer Verfahrenskette (siehe Abbildung 1) dargestellt werden.

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     Energiepflanzenanbau Ernterückstände Org. Nebenprodukte

    Holz / Kurzumtriebsplantagen (z.B.Waldrestholz, Stroh) (z.B.Industrierestholz)

    Ernte und Bergung Bergung Bergung

    Aufbereitung Transport Lagerung

    (z.B. Trocknen, Zerkleinern, (z.B. LKW, Traktor, (z.B. Flachlager, Silo,

    Verdichten, Sortieren) Förderband, Schnecke) Feldmiete)

     Energetische Umwandlung

    (z.B. Verbrennung)

    End- / Nutzenergie

    Abb. 1: Genereller Aufbau der Verfahrensketten zur Bereitstellung und Nutzung biogener

    Festbrennstoffe

    Quelle: Neubarth, Kaltschmitt: Erneuerbare Energien in Österreich

    Als erstes muss das Material verfügbar gemacht und aufbereitet werden. Dazu gibt es verschiedene Ernteverfahren. Vollernteverfahren bieten durch hohe Automatisation die kostengünstigste Erntemethode. Aus technischen Gründen und auf Grund der steilen Hangneigung vor allem im Bergland sind Vollernteverfahren in Österreich allerdings kaum einsetzbar. Bei uns kommen daher immer noch manuelle oder halbmanuelle Verfahren zum Einsatz. Dadurch entstehen relativ hohe Kosten, was dazu führt, dass in Österreich viel Biomasse ungenutzt verrottet. In Sägewerken kommen hingegen stationäre Aufbereitungsanlagen zur Anwendung. Danach muss die Lagerung zum Ausgleich von saisonalen Schwankungen, der Transport und die Trocknung, um die Qualitätsvorgaben zu erfüllen, organisiert werden. Die Lagerung ist vor allem notwendig um eine ganzjährige Versorgung der Feuerungsanlagen gewährleisten zu können. Zusätzlich reduziert sich durch die Lagerung der Wassergehalt, was den Brennwert erhöht, es muss jedoch darauf geachtet werden, dass die Masse nicht durch Schädlings- oder Pilzbefall vernichtet wird. Auch auf den Transport ist großer Wert zu legen. Auf Grund der Rahmenbedingungen in Österreich erfolgt der Transport meist auf landwirtschaftlichen Nutzfahrzeugen oder Lastwägen. Hackschnitzel, oder Pellets werden meist über Förderbänder oder andere Fördereinrichtungen weitertransportiert.

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    Erst danach erfolgt die energetische Umwandlung, beispielsweise durch Verbrennung.

    5. Hackgut

    Hackgut kann in verschiedenster Form vorkommen, beispielsweise als Wald-, Industrie-, Rindenhackgut, oder Hackgut aus Kurzumtriebsplantagen. Die Lagerung von Hackgut ist bei einem niedrigen Wassergehalt unproblematisch. Bei Höherem Wassergehalt muss auf Pilzbefall und intensive biologische Abbauprozesse geachtet werden, da es zu einer Gesundheitsgefährdung kommen kann. Waldhackgut stammt, wie der Name schon sagt, direkt aus dem Wald und wird in zerkleinerter Form der energetischen Nutzung zugeführt. Die Stücke dürfen dabei nicht größer als 15cm sein, ansonsten müssen sie gehackt werden. Dies geschieht meist direkt im Wald durch transportable Anhängerhacker, oder selbstfahrende Aufbauhacker. Durch den hohen Anteil an Nadeln und Blättern, der im Waldhackgut enthalten sein kann, werden dem Waldboden durch den Abtransport viele Nährstoffe entzogen. Zudem sorgen die Blätter für einen hohen Wassergehalt, der zu Pilzbefall führen kann. Aus diesem Grund wird das Hackgut häufig direkt im Wald gelagert, wobei jedoch darauf geachtet werden muss, dass es nicht von Schädlingen, beispielsweise Borkenkäfern, befallen wird.

    Industriehackgut hingegen ist meist Hackgut aus Altholz, dass durch Zerkleinerung von Abfall- und Nebenprodukten aus der Produktion entsteht. Dabei unterscheidet man zwischen „weißen Hackschnitzel“ und „schwarzen Hackschnitzel“. Weiße Hackschnitzel sind ohne Rinde und werden vorzugsweise in der Papier- und Zellstoffindustrie als Grundstoff verwendet. Schwarze Hackschnitzel sind mit Rinde behaftet und werden daher der energetischen Nutzung zugeführt.

    Rindenhackgut fällt bei der Entrindung von Baumstämmen vor allem in Sägewerken an. Nach der Zerkleinerung der meist sehr unterschiedlich großen Teile wird auch Rindenhackgut fast ausschließlich der energetischen Nutzung zugeführt. In Kurzumtriebsplantagen werden die Bäume nach circa 4 Jahren geerntet, sodass sie dann wieder nachwachsen können. Je nach Bodengüte und Wasserzufuhr kann dabei der Ertrag stark variieren. Bei den in Österreich am häufigsten angebauten Weiden und Pappeln unterliegt der Ertrag Schwankungen zwischen 4 und 18, beziehungsweise 7 und 15 t/ (ha*a). Der Vorteil der Kurzumtriebsplantagen liegt darin, dass sie durch ihre günstige Lage vollständig maschinell geerntet werden

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    können, was Zeit und Kosten erspart. Dennoch werden Ernte und Hackung meist zeitlich versetzt durchgeführt, um den Wassergehalt zu reduzieren und die Lagerung zu erleichtern.

    6. Pellets

    Als Pellets bezeichnet man Presslinge aus trockenem, naturbelassenem Holz. Zur Herstellung von Pellets können Säge- und Holzspäne verwendet werden. Die Herstellung erfolgt in 5 Schritten:

    ; Trocknung: der optimale Wassergehalt für den weiteren Prozess wird

    hergestellt

    ; Zerkleinerung: Anpassung des Rohmaterials an die gewünschte Pelletstruktur

    ; Konditionierung: durch Zugabe von Dampf werden Unebenheiten

    ausgeglichen und Haftmechanismen ausgebildet

     Pelletierung: das Material wird gepresst und in die richtige Form gebracht ;

     Kühlung: durch die Kühlung wird dafür gesorgt, dass die Form- und ;

    Lagerbeständigkeit erhalten bleibt

    Zu beachten ist dabei, dass Pellets ohne Zusatz von chemischen Bindemitteln beispielsweise hergestellt werden. Sie werden unter hohem mechanischem Druck geformt. Die Form, Größe, sowie der Heizwert sind dazu eigens in einer Norm, der ÖNORM M7135 1998 , festgelegt. Für die Herstellung der Pellets wird circa 2% der Pellets- Brennstoffenergie benötigt.

    Ebenso wie Pellets werden auch Holzbriketts hergestellt. Sie bestehen aus den gleichen Rohstoffen, sind in ihren Abmessungen jedoch größer. Das ermöglicht auch die Nutzung von Holzbriketts in einfachen Holzöfen.

    7. Potenziale

    Abschließend möchte ich noch auf die Potenziale für Biomasse und deren energetische Nutzung in Österreich eingehen.

    7.1. Theoretisches Potenzial

    Das theoretische Potenzial in Österreich kann anhand des maximalen photosynthetischen Wirkungsgrades bestimmt werden, das heißt, der maximale Ertrag an Pflanzenmasse wird ermittelt. 1993 wurde er mit 30t Trockensubstanz pro

    2Hektar und Jahr angenommen. Die Fläche Österreichs wird mit 60.000 km

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    angenommen, das ist die Gesamtfläche Österreichs abzüglich der Gewässer, Alpenregionen und des Ödlandes. Das führt zu einem theoretischen Biomasseertrag von 180 Mio. t / Jahr. Wenn man von einem durchschnittlichen Heizwert von 18,5 MJ/kg ausgeht resultiert daraus eine theoretisch bereitstellbare Energie von 3.300 PJ/ Jahr.

    Das ist nur das gesamte theoretische Potenzial des Landes, einzelne Potenziale können daraus nicht abgeleitet werden.

    ; Holz: Das Potenzial von Holz besteht aus 2 Komponenten, erstens das in

    stofflicher Verwendung befindliche Holz, zweitens der im Wald vorhandene

    Holzvorrat. Das gesamte Potenzial ist allerdings auch hier schwer

    abschätzbar. Nimmt man den jährl. Holzzuwachs im Ertragswald von 31,8

    Mio.Vfm als Richtwert, so erhält man in Österreich ein Gesamtpotenzial von

    32,3 Mio. fm Holz pro Jahr, und einer Brennstoffpotenzial von Holz von 258

    PJ/ Jahr.

    ; Stroh: Unter Stroh versteht man in diesem Zusammenhang auch den ganzen

    Getreideertrag des Landes, der ebenfalls, abzüglich der Körner, zur

    energetischen Nutzung verwendet werden können. Nimmt man die gesamte

    Ackerfläche Österreichs kommt man auf einen Ertrag von 6,3 Mio. t/ Jahr. Bei

    einem Heizwert von 18,6 MJ/kg ergibt das ein Potenzial von 91 PJ/ Jahr.

    ; Klärschlamm und Ablauge: In Österreich wird die Menge an Klärschlamm

    pro Jahr auf ca. 520.000 t geschätzt. Auf Grund der Tatsache, dass in

    Österreich strikte Regelungen zur Abwasserentsorgung getroffen wurden und

    die Anbindung an die Kanalisation hoch ist, kann man davon ausgehen, dass

    damit der gesamte Klärschlamm erfasst wird. Bei einem Heizwert von 3 17,5

    MJ/kg ergibt das ein theoretisches Potenzial 5,2 PJ/ Jahr( bei einem mittleren

    Heizwert von 10 MJ/kg). Ablauge fällt vor allem in der Papier- und

    Zellstoffindustrie in großen Mengen an. Es wird angenommen, dass jährlich

    circa 2,8 Mio. t anfallen, was ein theoretisches Potenzial von 22,5 PJ/ Jahr

    bedeutet.

    7.2. Technisches Potenzial

     Was das tatsächliche technische Angebotspersonal Österreichs betrifft, liegt das Potenzial der energetischen Nutzung fester Biomasse zur reinen

    Wärmebereitstellung bei 182 PJ/ Jahr. Dies entspricht immerhin 50% des gesamten

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    Bedarfs an Raumwärme, Warmwasser und Prozesswärme bis 500?C. Zusätzlich besteht die Möglichkeit durch eine Kraft- Wärme- Kopplung rund 29,5 PJ/ Jahr an elektrischer Energie und 157 PJ/ Jahr an thermischer Energie gewinnen.

    8. Nutzung

    Wie bereits erwähnt erfolgt die thermische Nutzung fester Biomasse fast ausschließlich durch Verbrennung. Nur in einzelnen Betrieben wird Biomasse in Biogas umgewandelt und danach verbrannt. Die Energie wird dann in Kraft- Wärme- Kopplungen zur Herstellung elektrischer Energie verwendet. Auch wird Biomasse in der Industrie noch kaum genutzt, fast das gesamte Potenzial wird zur Raumwärme- und Warmwasserbereitung verwendet. Die folgende Abbildung 2 gibt einen Überblick über die in Österreich tatsächlich vorhandenen Verbrennungsanlagen, deren Leistungen und die eingesetzten Rohmaterialien.

System Anlagen in Stück Leistung in MW Brennstoffeinsatz

    in PJ/a

Scheitholzofen 600.000 3.600 24

Scheitholzkessel 300.000 7.500 56

Pellet- und 26.890 1.075 8

    Hackschnitzelfeuerungen

    (< 100kW)

Hackschnitzel-2.638 762 9

    /Rindenfeuerungen

    (100 kW 1000 kW)

Hackschnitzel-383 831 9

    /Rindenfeuerungen

    (>1000 kW)

Wirbelschichtfeuerungen 10 632 26

    (KWK- Anlagen)

    923.331 13.820 132 Summe

    Abb. 2: Überblick über in Österreich installierte Anlagen zur thermischen Verwertung von

    Biomasse

    Quelle: Neubarth, Kaltschmitt: Erneuerbare Energien in Österreich

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