Biomasse

Hauptbestandteile der pflanzlichen Biomasse sind:

-          Kohlenstoff – durch Oxidation wird freigesetzte Wärme definiert, Bildung von CO2

-          Sauerstoff – unterstützt den Oxidationsvorgang

-          Wasserstoff – Energielieferant

-          Hauptnährstoffe (N, K, P, Ca, Mg, S)

Weitere Bestandteile sind Spurenelemente (Schwermetalle, Si, Na, Fe, Mn, etc.)

-> hat Einfluss auf Aschequalität und damit auf ihre Nutzungsmöglichkeit als Düngemittel

Emissionsrelevante Elemente sind Schwefel (S), Stickstoff (N) und Chlor (Cl).

Pflanzen und Getreidekörner mit viel Eiweiss haben mehr Stickstoff (N) und erzeugen daher mehr NOx in der Verbrennung

Regelmässig gedüngte Feldkulturen haben höhere Kalium-Gehalte und erniedrigen so den Schmelzpunkt der Asche und tragen zur Partikelbildung bei.

Schwefel ist ein häufiger Begleitstoff in Düngemitteln und führt bei der Verbrennung zu vermehrter Korrosion.

Chlor ist ein bedeutender Begleitstoff in Kalium-Düngemitteln und bildet bei der Verbrennung Chlorwasserstoffe und Dioxine/Furane.

Heizwert Hu:

Wärmeenergie, die bei vollständiger Oxidation eines Brennstoffes und anschliessender Abkühlung der Verbrennungsgase auf 25 °C ohne Berücksichtigung der Kondensationswärme entsteht.

Brennwert Ho:

Wärmeenergie, die bei der Verbrennung und anschliessender Abkühlung der Verbrennungsgase auf 25 °C, sowie der Kondensation des Wasserdampfes, freigesetzt wird.

Kondensationswärme: aus Wasser erzeugt in der Oxidation des in der Biomasse vorhandenen Wasserstoffs und des Wassers in der Biomasse selber (bei 25 °C; 1 bar).

Phasen der thermo-chemischen Umwandlung (Verbrennung):

1.       Aufheizung, Trocknung (0 … 200 °C)

2.       Pyrolytische Zersetzung λ = 0 (200 … 600 °C)

3.       Vergasung 0 < λ < 1 (500 … 1'000 °C)

4.       Oxidation λ > 1 (700 … 1'200 °C)

Von 1 nach 4 ist zunehmender Oxidationsgrad

Biomasse ist sämtliches durch Photosynthese direkt oder indirekt erzeugtes organisches Material, das nicht über geologische Prozesse verändert wurde. Dazu gehören auch sämtliche Folge- und Nebenprodukte, Rückstände und Abfälle, deren Energiegehalt aus der Biomasse stammt.

Für die Biogene Energieproduktion kommen folgende Energieträger in Frage:

-          Holz (Waldholz, Restholz, Sägespäne, Altholz, …)

-          Stroh und Getreide

-          Biogas (aus Abfällen, aus Ernterückständen, Gülle, Mist, Klärschlamm)

-          Energiepflanzen

-          Usw.

Insgesamt könnten in der Schweiz 9 % der heute benötigten jährlichen Bruttoenergie durch Biomasse nachhaltig bereitgestellt werden.

Vorteile von Holz-Energie:

-          Hochtemperatur-Wärmeprozesse

-          Reduktion der Winterstromlücke

-          Erlaubt saisonale Speicherung von Energie

-          Holz speichert CO2 und mit «Carbon Capture» Technologien können Negativemissionen erzielt werden

Holz sollte stets in Kaskaden genutzt werden also z.B. Vollholzmöbel -> Spanplatte -> Spanplattenrecycling -> Verbrennung.

Holz besteht zu >95 % aus Cellulose, Lignin und Hemicellulose.

Weitere Bestandteile sind Extrastoffe (Harze, Fette), Asche und Proteine

Folgen von zu niedriger Ascheerweichungstemperatur (Deformation-Temperatur (DT)):

-          Verkleben von Bettpartikeln

-          Anbacken an den Wänden und Heizflächen

-          Reduktion des Wärmeübergangs in Wärmeübertragern

Vorgehen bei der Dimensionierung eines Holzkraftwerkes:

1.       Wärmebedarf bestimmen (Temperatur, Druck, Energie, Leistungsverlauf)

2.       Stromproduktion (Anschluss, Leistung, Energie, Wirkungsgrad)

3.       Brennstoff Holz (Menge, Art, Aufbereitung, Lagerung, Logistik, Verfügbarkeit)

4.       Kondensation (Wasser, Luft)

5.       Luftreinhaltung (spezifische Grenzwerte, Emissionen, Ascheentsorgung, Kaminhöhe)

6.       Anlagendimensionierung (Feuerungswärmeleistung)

Es gibt verschiedene Altholzklassen von A1 bis A4 sowie die Klsse PCB-Altholz.

Altholzschlacke muss mindestens ab A2 in Reaktordeponien entsorgt werden.

Kostendeckende Einspeiseverordnung (KEV) bis Ende 2022 – starke Förderung der Stromproduktion mit fixen Vergütungen > 20 Rp./kWhel. Die KEV wurde durch Investitionsbeiträge ersetzt.

Stärkste Faktoren für die Wirtschaftlichkeit von Holzheizkraftwerken sind:

-          Wärmeabsatz und Wärmepreise

-          Brennstoffkosten

-          Übrige Betriebskosten

Weniger starken Einfluss haben:

-          Investitionskosten

-          Lediglich kleine Skalenvorteile

-          Stromproduktion ist oft geringe Einnahmequelle

Bioenergy Carbon-Capture and Storage (BECCS):

Durch die Kombination von Biomassekraftwerken mit CCS lassen sich Negativemissionen erzielen. Anders als bei direktem Luft CCS wird hier auch Energie erzeugt und nicht nur verbraucht.

Pyrogenic Carbon Capture and Storage (PyCCS):

Bei der Pyrolyse wird in einem thermochemischen Prozess die Biomasse unter Ausschluss von Sauerstoff und bei hohen Temperaturen (300-700 °C) in drei Hauptprodukte umgewandelt. Diese sind Biokohle (Kohlenstoffspeicher), Pyrolysegas (Wasserstoff und Kohlenstoffmonoxd) sowie Pyrolyseöl. Die Biokohle, kann auf verschiedene Weise langfristig gespeichert werden. Zu den Optionen gehören die Einbringung in den Boden zur Verbesserung der Bodenqualität und Kohlenstoffspeicherung oder die Ablagerung in speziellen Deponien. Die bei der Pyrolyse entstehenden Gase und Öle können energetisch genutzt werden.

Schadstoffbildung und Verminderung bei Holzheizkraftwerken:

Unterteilung luftgetragener Verbrennungsprodukte in Stoffe aus:

-          Vollständiger Oxidation (CO2 und H2O)

-          Unvollständige Oxidation (CO, CnHm, Teere, Russ, polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK) und brennbare Staubemissionen)

-          Spurenelemente (nicht-brennbare Staubemissionen, Schwermetalle, Stickstoff-, Schwefel-, Chlor- und Kaliumverbindungen, Dioxine und Furane)

Kohlenstoffdioxid

Endprodukt bei vollständiger Oxidation, anthropogenes Treibhausgas, Biomasse ist fast „CO2 neutral“

Wasserdampf

Oxidation des in dem Brennstoff bereitgestellten Wasserstoffs und dem Wasser aus der Biomasse.

Anforderungen für gute Verbrennung:

-          Sekundärluft im Überschuss

-          Hohe Verweilzeiten

-          Hohe Verbrennungstemperaturen

-          Gute Durchmischung durch turbulentes Strömungsprofil

-          Enge Verweilzeitverteilung in der Nachbrennkammer

Lambda (Luftüberschusszahl) sollte so zwischen 1.5 bis 2.5 liegen.

Bei λ = 1 steigen die Kohlenstoffmonoxid-Emissionen, da Verbrennungsgas zu wenig gut vermischt wird und nicht der ganze Kohlenstoff einen Reaktionspartner findet.

Wenn λ zu gross ist sinkt die Verbrennungstemperatur und die Verbrennung wird schlechter.

Stickstoffoxide NOx (NO, NO2 & N2O):

-          Bildung von bodennahem Ozon und saurem Regen

-          Quelle ist Verbrennungsluft und Stickstoff in Brennstoff

-          Thermisches NOx entsteht bei sehr hohen Temperaturen (>1‘400 °C)

-          Promptes NOx in Anwesenheit von Kohlenwasserstoff-Radikalen in der Flammzone bei sehr hohen Temperaturen (>1‘800 °C)

-          Brennstoff-NOx ist normalerweise Hauptquelle bei Biomasse

Holz ca. 0.1-0.4 %                   Gräser ca. 0.4-1.2 %                   Körner ca. 1-4 %    Kohle 0.7-1.3%

Massnahmen zur Reduktion von NOx-Emissionen:

-          Brennstoff mit tiefem N-Gehalt

-          O2-Gehalt in Feuerraum und Ausbrandzone wie oben beschrieben

-          Umwandlung zu Molekularem Stickstoff -> Reaktionen mit NH-, CH-Radikalen, sowie CO und C

-          Gestufte Verbrennung

-          Abgasrezirkulation

Schwefel:

-          Einbindung in Asche (CaSO4, K2SO4)

-          Austrag mit Abgasen (SO2, SO3, H2S)

-          SO2 kann mit alkalischen Waschflüssigkeiten absorbiert werden

Chlor:

-          Salzen (KCl, NaCl)

-          Chlorwasserstoff (HCl)

-          polychlorierten Dioxinen und Furanen (hochgiftige chemische Verbindungen mit erheblichen gesundheitlichen und ökologischen Auswirkungen)

-          Organchlor-Verbindungen

Kalium:

-          In Form von Salzen

-          Führt zu Verschlackung, Bildung von Ablagerungen und Korrosion

K2SO4 hat Schmelzpunkt von 1‘070 °C & KCl von 760 °C (Gemisch 690 °C)

Feste und flüssige Teilchen (Feinstaub):

-          Haben eine Grösse von 1 nm bis 100 μm

-          Beeinflussen Klima (Abkühlung), schädigen Pflanzen und wirken toxisch auf Lebewesen

-          Partikel kleiner als 1 μm werden, nur bedingt von Reinigungsmechanismen der Atemwege erfasst

-          Kleiner als 0.1 μm wird die Luft-Blut-Schranke überschritten

-          Entstehen bei vollständiger sowie unvollständiger Verbrennung

Sekundärmassnahmen zur Reduktion von Schadstoffemissionen:

-          Zentrifugalabscheider (Zyklon), Elektrostatischer Abscheider und Filter für Partikel

-          Absorption und Adsorption für Gasförmige Emissionen

(Absorption ist der Prozess, bei dem ein Gas in eine Flüssigkeit gelöst wird. Adsorption ist der Prozess, bei dem Moleküle eines Gases oder einer Flüssigkeit an der Oberfläche eines Feststoffs haften.)

-          Katalysatoren und chemische Reaktionen für Gasförmige Emissionen

Ökobilanzierung

Iterativer Prozess mit festgelegter funktioneller Einheit:

-          Festlegung des Ziels und Untersuchungsrahmens

-          Sachbilanz

-          Wirkabschätzung

-          Auswertung