AG Biofestbrennstoffe – ETI Brandenburg Innovative Technologien zur Biomasseverbrennung – Optimierung von Kleinfeuerungsanlagen AG Biofestbrennstoffe – ETI Brandenburg 03.03.09 Eberswalde Volker Lenz

Kurzvorstellung des DBFZ Wärmemarkt für biogene Festbrennstoffe Inhalt Kurzvorstellung des DBFZ Wärmemarkt für biogene Festbrennstoffe Problemfelder und Lösungsansätze Fazit

Inhaltliche Schwerpunkte DBFZ Bioenergie - systeme Biogas technologie Biokraftstoffe W ä rme aus fester Biomasse Thermo chemische Prozesse und Anlagen Biogaslabor und technikum Brennstofflabor und Motoren pr ü fstand Technikum sowie Pilot Demoanlagen und Feuerungs anlagen fst nde Internationales Biomasse- ver- brennung Prozess- technik

Gebäudeübersicht DBFZ

Aufgaben Das DBFZ wird dazu beitragen, dass Biomasse zukünftig einen größe-ren nachhaltigen Beitrag zur Deckung der Energienachfrage in Deutsch-land und Europa leisten kann. Das DBFZ wird helfen, technisch verbesserte, wirtschaftlichere und ökologisch verträglichere Anlagen zur energetischen Biomassenutzung zu entwickeln. Das DBFZ wird einen Beitrag dazu leisten, dass sich die Energiebereit-stellung als ein weiteres Standbein der deutschen Land- und Forstwirt-schaft erfolgreich etablieren kann. Das DBFZ wird die deutsche Wirtschaft dabei unterstützen, die globalen Märkte für Anlagen und Komponenten zur Energiegewinnung aus Bio-masse erfolgreich zu erschließen. Das DBFZ wird ein kompetenter Ansprechpartner für die Politik und die Wirtschaft sein, wenn es um Fragen der nachhaltigen Bereitstellung von Bioenergie geht.

Primärenergieverbrauch Struktur (Deutschland) Zukünftig ist von einem näherungsweise konstanten Energienachfrageniveau auszugehen …

Ausgangssituation Wärme aus Biomasse (Stand: 2008) Unter der erneuerbaren Wärme- bereitstellung hat die Biomasse auf absehbare Zeit den größten Anteil. Die meiste Wärme aus Biomasse wird durch die Verbrennung von Festbrennstoffen bereitgestellt.

Entwicklung des Holzpelletmarktes in Deutschland Insgesamt Zunahme des Holzbrennstoffein-satzes (HHS, Pellets und Stückholz) von 2002 – 2008 um rund 1/4

Herausforderungen und Veränderungen im Wärmemarkt Ziel: Ausbau der Wärme aus EE Potenzialer- weiterung: Agrar- brennstoffe Anstieg der Emissionen an PM und NOx Brennstoff- anforderungen Technik- anforderungen Kombi mit Solar und sinkende Feu- erungsleistung Normierung und Labelling

Innovative Ansätze Herausforderungen Lösungsansätze wachsende Nachfrage nach Wärme aus biogenen Festbrennstoffen Erweiterung der Brennstoffbasis: Agrarbrennstoffe – Mischungen + geeignete Feuerungsanlagen verschärfte Emissionsgrenzen Optimierung der Feuerungsanlagen und sekundäre Minderungsmaßnahmen sinkender flächenspezifischer Heizleistungsbedarf Kleinstfeuerungen, Einbindung in Puffer-systeme, Regelung, hocheffiziente Netze weitergehende Marktdurchdringung – Komfort- und Zuverlässigkeits-anforderungen Automatisierung, Fernüberwachung, Fernwärme und Labeling von Anlagen und Brennstoffen Verschiebung des Nachfragever-hältnisses von Wärme zu Strom (Kleinst-)KWK-Lösungen CO2-Zertifikate-Handel Mitverbrennung von Biomasse in Kohlekraftwerken

Erweiterung der Brennstoffbasis Bei der derzeitigen Waldbewirtschaftung sind die Holzressourcen in Dtl. weitgehend genutzt. Kurzumtriebsplantagen können eine gewisse Entlastung bringen Reine Agrarbrennstoffe sind in der Verbrennung häufig schwierig (höherer Aschegehalt, höherer Chlor-Gehalt, z.T. höhere Heizwerte, niedriger Ascheerweichungstemperaturen) -> ggf. kann Miscanthus zeitnah an Bedeutung gewinnen Abhilfe als Übergangslösung könnten Mischbrennstoffe bieten -> noch erheblicher Forschungsbedarf, um kostengünstig auf Angebots- und Eigenschaftsschwankungen reagieren zu können

Beispiel – Problem Mischungen Vergleich der Ascheschmelzpunkte verschiedener (Misch)Brennstoffe (nach DIN 51730: ST-Sintertemperatur; ET-Erweichungstemperatur; SphäT-Sphärischtemperatur; HKP-Halbkugelpunkt; FT-Fließtemperatur; *keine Sinterung (TLL, TFZ, TUHH, DBFZ))

Innovative Ansätze Herausforderungen Lösungsansätze wachsende Nachfrage nach Wärme aus biogenen Festbrennstoffen Erweiterung der Brennstoffbasis: Agrarbrennstoffe – Mischungen + geeignete Feuerungsanlagen verschärfte Emissionsgrenzen Optimierung der Feuerungsanlagen und sekundäre Minderungsmaßnahmen sinkender flächenspezifischer Heizleistungsbedarf Kleinstfeuerungen, Einbindung in Puffer-systeme, Regelung, hocheffiziente Netze weitergehende Marktdurchdringung – Komfort- und Zuverlässigkeits-anforderungen Automatisierung, Fernüberwachung, Fernwärme und Labeling von Anlagen und Brennstoffen Verschiebung des Nachfragever-hältnisses von Wärme zu Strom (Kleinst-)KWK-Lösungen CO2-Zertifikate-Handel Mitverbrennung von Biomasse in Kohlekraftwerken

Feinstaubemittenten in Deutschland - eine Verteilung PM10 Agrarbereich, Baumaschinen, Biomassefeuerungen Unsicherheiten: Deutliche Minderung seit 1991: 970.000 t/a ohne natürliche Quellen Gesamt hier: 194.000 t/a (2005) UBA

Feinstaubemittenten unter Holzfeuerungen Strohkessel sind in Deutschland kaum im Einsatz!

Geplante Änderungen 1.BImSchV und Messergebnisse Einbeziehung der Altanlagen: Einbeziehung der Altanlagen ist sehr umstritten! Quelle: UBA 2007

Minderungsmöglichkeiten Schornstein Brennstoff Bedienverhalten Ziel: Vollständige Verbrennung Ziel: Verringerung der Freisetzung von anorganischen Bestandteilen und Metallen Immissions-minderung Kessel Schornsteinzug (Zugbegrenzer) Pufferspeicher (Volllastbetrieb) Sekundäre Maß- nahmen (Abscheider)

Problemfelder - Emissionsminderung moderne Holzheizkessel erreichen Feinstaubemissionswerte um 10 – 30 mg/Nm³ (13% O2) – zukünftige Grenzwerte auch ohne Sekundärmaßnahmen erreichbar insbesondere die Einzelfeuerstätten tragen zu den Feinstaubemissionen aus Biomassefeuerungsanlagen bei – hier entstehen insbesondere auch die toxikologisch besonders relevanten Emissionen (PAK, OC/EC) moderne Öfen erreichen Emissionen um 50 – 70 mg/Nm³ (13% O2) an Feinstaub gute Geräte sind weniger störanfällig, wie einfachere Geräte

Entwicklungsansätze Low-Partikel-Konzept von Nussbaumer: unterstöchimetrische Luftzugabe in der Vergasungszone; Trennung von Vergasung und Verbrennung; überstöchimetrischer Ausbrand Abgasrückführung zur Kühlung des Glutbetts und zur Trennung der Luftzonen automatisierter Ascheaustrag gleichmäßiges und möglichst ungestörtes Glutbett – gleichmäßige Brennstoffzufuhr, wenige Bewegungen im Glutbett optimale Verwirbelung von Brenngasen und Sekundärluft automatische Reinigung der Wärmetauscherrohre Unterbrand scheint Vorteile bei den Feinstaubemissionen zu haben (Stückholzkessel, Specht-Ofen, Sunmaschine) Anpassung von Feinstaubabscheidern auf kleine Leistungen

Mechanische Staubfilter Gewebe, Metallgestricke oder Keramik Potenzial: Abreinigung bis auf unter 1 mg/Nm³ Problem: Reinigung der Filtermedien, thermische Beständigkeit, Verschmutzung durch Kondensate (An- und Abfahrprozesse), Druckverlust

Firma: Otto Spanner GmbH E-Filter Staubpartikel werden an Sprühelektrode geladen und dann am anderen Pol abgeschieden Potenzial: je nach System 50-90 % Abscheidung Problem: Reinigung des Systems Firma: Otto Spanner GmbH

Elektrostatischer Abscheider Elektrostatische Abscheider sind mittlerweile relativ weit entwickelt. Erste Geräte sind am Markt erhältlich, sowohl als Geräte zum Aufstellen zwischen Feuerung und Schornstein, als auch zur Einrüstung in Metallschornsteine. Kosten bei 1.000 bis 2.000 € abzüglich BAFA-Förderung bei neuen Biomassefeuerungsanlagen. Abscheidegrade von 80 – 95 % sind möglich. Damit erreichen viele Holzfeuerungen Feinstaubemissionen deutlich unterhalb von 10 mg/Nm³. Feinascheentsorgung über Schornsteinfeger oder Wartungskundendienst.

Rauchgaskondensation Staubpartikel werden mit ausgewaschen Potenzial: je nach System 10 -60 % Abscheidung Problem: Funktioniert nur im Kondensationsbetrieb; Abwasser Firma: SGL Carbon AG

Kondensierender Sekundärwärmetauscher („Brennwertnutzung“) bezogen auf Staubkon-zentration im Abgas bezogen auf Netto-Wärmeerzeugung Quelle. TFZ; Hackschnitzelkessel (HDG Compact 50) Darstellung aller einzelnen Wertepaare aus jeweils vier Wiederholungsmessungen, Brennstoffwassergehalte bei 16 bis 23 % und Rücklauftemperatur bei 25 °C (WT Wärmetauscher)

Innovative Ansätze Herausforderungen Lösungsansätze wachsende Nachfrage nach Wärme aus biogenen Festbrennstoffen Erweiterung der Brennstoffbasis: Agrarbrennstoffe – Mischungen + geeignete Feuerungsanlagen verschärfte Emissionsgrenzen Optimierung der Feuerungsanlagen und sekundäre Minderungsmaßnahmen verbesserte Effizienz der Anlagen Einbindung ins Heiznetz, Brennwertnutzung sinkender flächenspezifischer Heizleistungsbedarf Kleinstfeuerungen, Einbindung in Puffer-systeme, Regelung, hocheffiziente Netze weitergehende Marktdurchdringung – Komfort- und Zuverlässigkeits-anforderungen Automatisierung, Fernüberwachung, Fernwärme und Labeling von Anlagen und Brennstoffen Verschiebung des Nachfragever-hältnisses von Wärme zu Strom (Kleinst-)KWK-Lösungen

Effizienzverbesserung (1) Öfen mit Wassertaschen und Einbindung ins Heizsystem

Effizienzverbesserung (2) Brennwertnutzung Nutzung der in Abgasen enthaltenen Energie (latente Wärme) 10 bis 15 % Wärmegewinn Pellematic Plus - Ökofen Vorrausetzungen: niedrige Rücklauftemperatur von möglichst unter 30°C anwendbar bei Flächenheizungen (Fußboden oder Wand in Niedriegenergiehäusern)

Brennwerttechnik ÖkoFEN Emissionswerte ÖkoFEN Pelletfeuerungsanlagen Messwerte Pelletfeuerung Pellematic PE 16 Pellet- Brennwert-Feuerung Pellematic PEK 16 Nenn- Wärmeleistung 16 kW Abgastemperatur 127 °C 36 °C Kohlenmonoxid, CO 60 mg/MJ 92 mg/Nm³ (13 % O2) 22 mg/MJ 34 mg/Nm³ (13 % O2) Stickoxide, NOx 69 mg/MJ 106 mg/Nm³ (13 % O2) 71 mg/MJ 108 mg/Nm³ (13 % O2) Organ. Geb. Kohlenstoff 2 mg/MJ 3 mg/Nm³ (13 % O2) Staub 8 mg/MJ 12 mg/Nm³ (13 % O2) 7 mg/MJ 10 mg/Nm³ (13 % O2) Quelle: BLT Wieselburg Prüfberichte 2005

Innovative Ansätze Herausforderungen Lösungsansätze wachsende Nachfrage nach Wärme aus biogenen Festbrennstoffen Erweiterung der Brennstoffbasis: Agrarbrennstoffe – Mischungen + geeignete Feuerungsanlagen verschärfte Emissionsgrenzen Optimierung der Feuerungsanlagen und sekundäre Minderungsmaßnahmen verbesserte Effizienz der Anlagen Einbindung ins Heiznetz, Brennwertnutzung sinkender flächenspezifischer Heizleistungsbedarf Kleinstfeuerungen, Einbindung in Puffer-systeme, Regelung, hocheffiziente Netze weitergehende Marktdurchdringung – Komfort- und Zuverlässigkeits-anforderungen Automatisierung, Fernüberwachung, Fernwärme und Labeling von Anlagen und Brennstoffen Verschiebung des Nachfragever-hältnisses von Wärme zu Strom (Kleinst-)KWK-Lösungen (Stirling)

Fazit Die feste Biomasse wird auch zukünftig noch verstärkt energetisch genutzt werden! Um steigenden Biomassepreisen und zunehmenden Emissionen an Feinstaub und NOx entgegenzuwirken müssen „neue“ Festbrennstoffe erschlossen werden die Verbrennungsanlagen primärseitig optimiert werden insbesondere für Altanlagen sekundäre Abscheidesys-teme entwickelt werden die Energieeffizienz der Anlagen deutlich gesteigert werden Lösungen für Kleinstanwendungen – insbesondere auch im KWK-Bereich – gefunden werden.

Vielen herzlichen Dank für Ihre Aufmerksamkeit. Deutsches BiomasseForschungsZentrum gemeinnützige GmbH Torgauer Straße 116 D-04347 Leipzig www.dbfz.de Tel./Fax. +49(0)341 - 2434 – 112 / -133 Ansprechpartner: Prof. Dr.-Ing. Martin Kaltschmitt Dr.-Ing. Daniela Thrän Dr.-Ing. Frank Scholwin Dipl.-Ing. Volker Lenz Dipl.-Ing. Franziska Müller-Langer