Pellets als Energieträger: Technologie und Anwendung

Pellets als Energieträger

Stefan Döring

Pellets als Energieträger Technologie und Anwendung

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Dr.-Ing. Stefan Döring Plant Engineering GmbH Matthias-Erzberger-Straße 34 56564 Neuwied Deutschland stefan.doering@p lant-engineering.de

ISBN 978-3-642-01623-3 e-ISBN 978-3-642-01624-0 DOI 10.1007/978-3-642-01624-0 Springer Heidelberg Dordrecht London New York Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar. © Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2011 Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der Übersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung oder der Vervielfältigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielfältigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutschland vom 9. September 1965 in der jeweils geltenden Fassung zulässig. Sie ist grundsätzlich vergütungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechtsgesetzes. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Einbandentwurf: eStudio Calamar S.L., Figueres/Berlin Gedruckt auf säurefreiem Papier Springer ist Teil der Fachverlagsgruppe Springer Science+Business Media (www.springer.com)

Vorwort Das vorliegende Buch ist eine knappe Beschreibung rund um den Energieträger Holzpellet. Es soll einer Vielzahl von Lesern, Lehrenden wie Lernenden, Unternehmern oder Investoren, Finanziers, Betreibern, Anlagenbauern und anderen Interessierten von Nutzen sein. Davon ausgehend sind in diesem Buch zunächst die Entwicklung des Pelletmarktes mit den Handelsströmen und Preisentwicklungen, Biomassepotentiale für die Pelletierung, die Verbrennungseigenschaften, die gesetzlichen Randbedingungen sowie unterschiedliche Qualitätsanforderungen an die Pellets dargestellt. Aufbauend auf diese Kapitel wird die Technik der Pelletierung beispielhaft beschrieben. Die energetische Verwertung der Pellets wird anschließend behandelt. Der Ausklang enthält eine umfassende Darstellung des Brand- und Explosionsschutzes, der Wirtschaftlichkeit von Pellets im Vergleich zu fossilen Energieträgern und einen kurzen Ausblick auf Forschungsprojekte. Besonders danken möchte ich dem Springer Verlag, der mir die Möglichkeit eröffnete, ein derartiges Buch zu schreiben und zu veröffentlichen. Weiterer Dank gilt den Autoren, die mich bei der Erstellung des Buches unterstützt haben und die ich sehr schätze. Hier insbesondere Herrn Prof. Dr.-Ing. Martin Kaltschmitt, Frau MSc Dipl.-Ing. (FH) Janet Witt, Herrn Dipl.-Ing. Stefan Schwing von der Firma INBUREX Consulting GmbH, Frau MSc und Dipl.-Kffr. Christiane Hennig sowie Frau Dipl.-Geogr. Nadja Rensberg. Neben den genannten Mitautoren waren weitere Fachleute an der Gestaltung und Durchsicht beteiligt. Beispielhaft sind hier meine Mitarbeiter Alexander Hirsch, Arthur Pinneker, Hubert Schillings, Wolfgang Schlaug, Roland Paul und Christoph Roos zu nennen. Weiterer Dank gilt Herrn Manfred Pfeifer und Herrn Jens Neumeister für die wertvolle Unterstützung. Den in den jeweiligen Kapiteln erwähnten Firmen und übrigen Quellen danke ich herzlich für die Bereitstellung und Freigabe des Bildmaterials. Neben den genannten Personen waren weitere Fachleute an dem Werk beteiligt, auch ihnen danke ich an dieser Stelle herzlich. Ohne deren engagierte Unterstützung wäre die Realisierung des Buches nicht möglich gewesen. Das Buch entstand parallel zu meiner beruflichen Haupttätigkeit. Alle aufgezeigten Zusammenhänge, Fakten und Zahlen wurden nach bestem Wissen und Gewissen sowie mit hoher Sorgfalt recherchiert und dargestellt. Dennoch können Fehler und Unvollkommenheiten nicht ausgeschlossen werden. Daher wäre ich für konstruktive und zielorientierte Anmerkungen mit Blick auf eine mögliche Neuauflage sehr dankbar. Leutesdorf im August 2010 Stefan Döring

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung ............................................................................................................ 2 1.1 Politische Zielsetzungen und energiewirtschaftliche Rahmenbedingungen 2 1.2 Pelletmarktentwicklung ............................................................................... 4 1.2.1 Internationale Märkte ........................................................................... 5 Industriepelletmärkte ................................................................................ 5 Premiumpelletmärkte ................................................................................ 6 Pelletmischmärkte..................................................................................... 7 Exportmärkte ............................................................................................ 8 Gesamtbilanz .......................................................................................... 10 1.2.2 Handelsströme .................................................................................... 11 1.2.3 Preisentwicklung ................................................................................ 12 Literaturverzeichnis ......................................................................................... 13 2 Biomassen für die Pelletproduktion ................................................................ 16 2.1 Klassifizierung ........................................................................................... 16 2.2 Rohstoffe und technische Potenziale ......................................................... 17 2.2.1 Methodischer Ansatz .......................................................................... 18 2.2.2 Rohstoffauswahl ................................................................................. 19 2.2.3 Technisches Potenzial ........................................................................ 21 2.3 Rohstoffeigenschaften ............................................................................... 23 2.3.1 Molekularer und elementarer Aufbau................................................. 23 2.3.2 Rohstoffparameter zur Beeinflussung der Pelletqualität .................... 27 Literaturverzeichnis ......................................................................................... 32 3 Verbrennungstechnische Eigenschaften ......................................................... 36 3.1 Grundlagen der Verbrennung .................................................................... 36 3.2 Physikalisch-mechanische Brennstoffeigenschaften.................................. 41 3.3 Chemisch-stoffliche Brennstoffeigenschaften ........................................... 45 3.3.1 Energieträgerspezifische Einflussgrößen............................................ 47

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Inhaltsverzeichnis

3.3.2 Verbrennungsprodukte beeinflussende Eigenschaften ....................... 53 Literaturverzeichnis ......................................................................................... 56 4 Gesetzliche Anforderungen des Holzpelleteinsatzes zur Wärmebereitstellung ........................................................................................... 60 4.1 Anforderungen an Emissionen und Energieeffizienz ................................ 60 4.2 Entsorgung von Aschen und Rückständen ................................................ 64 4.3 Nachhaltigkeitsanforderungen ................................................................... 65 Literaturverzeichnis ......................................................................................... 67 5 Qualitätsanforderungen an den Brennstoff ................................................... 70 Literaturverzeichnis ......................................................................................... 79 6 Pelletproduktion ............................................................................................... 82 6.1 Stammholzplatz und Stammholzaufbereitung ........................................... 83 6.1.1 Entrindung .......................................................................................... 87 6.1.2 Stammholzzerkleinerung .................................................................... 90 6.2 Nassspanlager ............................................................................................ 95 6.2.1 Außenlager für nasse Hackschnitzel und Späne ................................. 96 6.2.2 Automatisiertes Innenlager ................................................................ 98 Schubbodensysteme / Zugbodensysteme ................................................ 98 Be- und Entladeförderer bzw. Hebe- und Senkförderer........................ 100 Kratzbodensysteme und Kratzkettenförderer........................................ 102 Krananlagen .......................................................................................... 103 6.3 Transportsysteme für nassen Rohstoff ..................................................... 104 6.3.1 Kratz- und Trogkettenförderer ......................................................... 105 6.3.2 Förderband ....................................................................................... 107 6.3.3 Förderschnecke ................................................................................ 108 6.3.4 Vibrationsförderrinne ....................................................................... 109 6.3.5 Becherwerke..................................................................................... 111 6.4 Trockner .................................................................................................. 112 6.4.1 Bandtrockner .................................................................................... 116 6.4.2 Trommeltrockner.............................................................................. 120 6.4.3 Steuerung und Regelung .................................................................. 124 6.4.4 Kennzahlen für Trockner ................................................................. 124 6.5 Lager für trockene Späne ......................................................................... 127 6.5.1 Schubboden ...................................................................................... 127 6.5.2 Silo ................................................................................................... 127 6.6 Pelletierung .............................................................................................. 131 6.6.1 Allgemeine Prozessbeschreibung ..................................................... 131 6.6.2 Anlagentechnik ................................................................................ 137 Magnetabscheider ................................................................................. 137 Allmetallabscheider .............................................................................. 141 Windsichter........................................................................................... 143

Inhaltsverzeichnis

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Hammermühle ...................................................................................... 144 Additiv- bzw. Stärkedosierung ............................................................. 145 Mischer ................................................................................................. 145 Reifebehälter bzw. Homogenisierungssilo ........................................... 146 Pelletpresse ........................................................................................... 147 Kühler ................................................................................................... 152 Sieb ....................................................................................................... 153 Pelletsilos .............................................................................................. 154 Literaturverzeichnis ....................................................................................... 156 7 Energetische Verwertung von Pellets ........................................................... 158 7.1 Lagerung und Förderung von Pellets ....................................................... 158 7.2 Kleinfeuerungsanlagen ............................................................................ 165 7.3 Mittlere Feuerungsanlagen....................................................................... 180 7.4 Großfeuerungsanlagen ............................................................................. 186 7.5 Zufeuerung von Pellets ............................................................................ 193 Literaturverzeichnis ....................................................................................... 195 8 Brand- und Explosionsschutz ........................................................................ 196 8.1 Anforderungen des Regelwerkes ............................................................. 196 8.2 Erarbeitung des Schutzkonzeptes............................................................. 197 8.3 Auftreten explosionsfähiger Atmosphären – Zoneneinteilung ................ 201 8.3.1 Zoneneinteilung für Aufstellungsbereiche ....................................... 202 8.3.2 Zoneneinteilung der produktberührten Anlagenbereiche ................. 203 8.4 Vermeidung von Zündquellen ................................................................. 205 8.5 Technische Maßnahmen zur Vermeidung wirksamer Zündquellen......... 206 8.6 Beherrschen von Explosionen.................................................................. 211 8.6.1 Dimensionierung der Entlastungsfläche ........................................... 213 8.6.2 Explosionsunterdrückung ................................................................. 214 8.6.3 Auswahl der Entkoppelungseinrichtungen ....................................... 215 8.7 Organisatorische Maßnahmen ................................................................. 217 8.8 Brandschutzmaßnahmen .......................................................................... 221 Literaturverzeichnis ....................................................................................... 224 9 Wirtschaftlichkeit von Pelletkesseln ............................................................. 228 9.1 Brennstoffpreise ....................................................................................... 228 9.2 Wirtschaftlicher Vergleich verschiedener Heizsysteme .......................... 230 Literaturverzeichnis ....................................................................................... 233 10 Forschung und Entwicklung........................................................................ 236 10.1 Optimierung der Pelletproduktion ......................................................... 237 10.2 Optimierung der Einsatzfähigkeit von Pellets zur energetischen Nutzung239 Anhang ............................................................................................................... 242

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Inhaltsverzeichnis

Physikalische Größen und deren Umrechnungsformeln ................................ 242 Umrechnung der wichtigsten Einheiten des fps- in das SI-System /1/ ...... 242 Wichtige Einheiten der Mechanik /1/ ........................................................ 243 Wichtige Einheiten der Wärmelehre /1/ .................................................... 244 Wärmemenge Q ............................................................................................. 245 Wärmedurchgangszahl k für verschiedene Stoffe und Materialien ............... 245 Heizwerte und Energieäquivalente verschiedener Brennstoffe ..................... 246 Allgemeine Umrechnungsfaktoren für Holzmengen ..................................... 246 Verbrennungstechnische Daten von Buche und Fichte/Tanne bei 18% Wassergehalt.................................................................................................. 247 Raumgewichte verschiedener Hölzer bei 15% Wassergehalt ........................ 247 Hersteller für Pelletkessel .............................................................................. 247 Pelletlieferanten ............................................................................................. 249 Pelletproduzenten in Deutschland ................................................................. 250 Förderdatenbanken ........................................................................................ 252 Informationsquellen ....................................................................................... 252 Literaturverzeichnis ....................................................................................... 254 Sachwortverzeichnis.......................................................................................... 255

Autoren

Neben meiner Person haben folgende Autoren zu dem Buch beigetragen:

Kapitel 1 Prof. Dr.-Ing. Martin Kaltschmitt, MSc Dipl.-Kffr. Christiane Hennig MSc Dipl.-Ing. (FH) Janet Witt Kapitel 2 Dipl.-Geogr. Nadja Rensberg MSc Dipl.-Ing. (FH) Janet Witt Kapitel 3, 4, 5 MSc Dipl.-Ing. (FH) Janet Witt Kapitel 8 Dipl.-Ing. Stefan Schwing Kapitel 10 MSc Dipl.-Ing. (FH) Janet Witt

1 Einleitung ............................................................................................................ 2 1.1 Politische Zielsetzungen und energiewirtschaftliche Rahmenbedingungen 2 1.2 Pelletmarktentwicklung ............................................................................... 4 1.2.1 Internationale Märkte ........................................................................... 5 Industriepelletmärkte ................................................................................ 5 Premiumpelletmärkte ................................................................................ 6 Pelletmischmärkte .................................................................................... 7 Exportmärkte ............................................................................................ 8 Gesamtbilanz .......................................................................................... 10 1.2.2 Handelsströme .................................................................................... 11 1.2.3 Preisentwicklung ................................................................................ 12 Literaturverzeichnis ......................................................................................... 13

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1 Einleitung

1 Einleitung

1.1 Politische Zielsetzungen und energiewirtschaftliche Rahmenbedingungen In den energie- und umweltpolitischen Diskussionen gewinnt die Energiebereitstellung aus regenerativen Energien i. Allg. und aus Biomasse im Besonderen zunehmend an Bedeutung. Dabei ist die Biomasse von allen regenerativen Energien die derzeit mit Abstand wichtigste Option. Beispielsweise stammen in Deutschland rund 75 % der gesamten aus erneuerbaren Energien bereitgestellten Endenergie aus Biomasse; und weltweit ist der Anteil tendenziell noch höher. Entsprechend den ambitionierten Zielen der Kommission der Europäischen Gemeinschaften, die sich viele EU-Mitgliedsstaaten – u. a. auch Deutschland – zu Eigen gemacht haben, soll dieser Anteil absolut gesehen zukünftig noch deutlich weiter zunehmen. Dies gilt vor allem mit Blick auf fossile Energieträger, mit denen zunehmend ressourcenschonender umgegangen werden muss. Um diese politischen Zielvorgaben am Markt – unter großer Akzeptanz der Bevölkerung – erfolgreich umsetzen zu können, müssen zunehmend innovative Biomassenutzungsoptionen entwickelt und marktverfügbar gemacht werden. Hier gilt es jedoch, die mit einer energetischen Biomassenutzung zum Teil noch verbundenen Probleme und Herausforderungen zu meistern. Eine derartige Herausforderung ist beispielsweise die zukünftig merklich an Bedeutung gewinnende Notwendigkeit, die begrenzt verfügbare Ressource Biomasse möglichst effizient nutzbar zu machen. Eine andere derartige Aufgabe ist es, die tatsächlichen und/oder potenziellen Umwelteffekte – und das meint nicht nur die potenziellen Auswirkungen auf das Klima, sondern auch und insbesondere toxikologisch relevante Stofffreisetzungen, die auf die mit der Biomassenutzung vor Ort befassten Personen einwirken können – deutlich zu reduzieren. Deshalb können neue und innovative Biomassenutzungsoptionen immer nur im Rahmen einer Optimierung der gesamten Bereitstellungskette – und damit von der Biomasseproduktion über die Bereitstellung bis zur Nutzung – realisiert werden. Hierbei muss angestrebt werden, die einzelnen Komponenten einer derartigen Bereitstellungskette sowie

S. Döring, Pellets als Energieträger, DOI 10.1007/978-3-642-01624-0_1, © Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2011

1.1 Politische Zielsetzungen und energiewirtschaftliche Rahmenbedingungen

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ihr Zusammenspiel aus technischer, ökonomischer und ökologischer sowie letztlich auch aus sozialer Sicht zu verbessern und zu optimieren. Dies gilt ebenfalls für die Wärmebereitstellung mit naturbelassenem Holz, das in den letzten Jahren aufgrund der stark schwankenden Energiepreise für fossile Brennstoffe und der gefühlten Abnahme der Versorgungssicherheit insbesondere im Gasmarkt (u. a. aufgrund der politisch motivierten Lieferunterbrechungen Russlands gegenüber der Ukraine) immer mehr an Bedeutung gewonnen hat und deshalb durch eine deutliche Marktausweitung gekennzeichnet war. Zusätzlich wurde und wird diese Entwicklung durch die administrative Rahmensetzung in Deutschland – aber auch in anderen europäischen Ländern – unterstützt, da damit außerdem ein merklicher Beitrag zum Klimaschutz und zur Wertschöpfung im ländlichen Raum – zusätzlich zu der angestrebten Verbesserung der Versorgungssicherheit – geleistet werden kann. Mit der Zunahme der Marktbedeutung einer Wärmebereitstellung aus biogenen Festbrennstoffen haben aber auch die damit verbundenen negativen Auswirkungen an Bedeutung in der umwelt- und energiepolitischen Diskussion gewonnen. Dies gilt zum Einen im Hinblick auf die nachhaltige Verfügbarmachung des Rohstoffs – insbesondere auch vor dem Hintergrund der Nachfrage der Holzwerkstoffindustrie, die in den letzten Jahren ebenfalls deutlich zugenommen hat – und zum Anderen bezüglich der mit der Holzverbrennung in bestimmten Feuerungsanlagen verbundenen toxikologisch ggf. relevanten Emissionen u. a. an Stäuben und an Geruchsstoffen. Die verstärkte Etablierung von Holzpellets insbesondere für den Einsatz in Kleinfeuerungsanlagen erscheint vor diesem Hintergrund durchaus eine ernst zu nehmende und in vielerlei Hinsicht sehr vielversprechende Option. Mit dieser in den letzen beiden Jahrzehnten auch in Deutschland am Markt etablierten Möglichkeit können eine große Zahl der genannten Herausforderungen – unter Ausnutzung der damit verbundenen Vorteile – einer akzeptablen Lösung nähergebracht werden. Dies gilt insbesondere für die folgenden Aspekte: –

–

Pellets erlauben – wird die gesamte Bereitstellungskette betrachtet – eine vergleichsweise sehr effiziente – und damit ressourcenschonende – Wärmebereitstellung, die im Regelfall den gültigen Nachhaltigkeitsanforderungen adäquat Rechnung trägt. Die brennstofftechnischen Eigenschaften von Pellets sind durch nationale und europäische Normen klar definiert. Des Weiteren sind entsprechende Qualitätsmanagement-Konzepte verfügbar, die helfen, die in den jeweiligen Normen geforderte Qualität sicher und nachprüfbar einzuhalten. Dies hat zum Einen den Vorteil, dass sich dadurch nationale und internationale Brennstoffmärkte herausbilden können, die ggf. preis-stabilisierend wirken können und einen hohen Grad der Versorgungssicherheit ermöglichen. Zum anderen können – sind die Brennstoffeigenschaften bekannt und werden sie sicher eingehalten – die Feuerungsanlagen in Bezug darauf von den Herstellern aus technischer Sicht optimiert werden.

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1 Einleitung

–

Pellets als Schüttgut ermöglichen einen vollautomatischen Betrieb der Feuerungsanlagen und dadurch auch die Möglichkeit, die Anlagen – weitgehend unabhängig von dem z. T. ungenügenden Benutzerverhalten – aus Umweltsicht zu optimieren. Deshalb erreichen sie im Vergleich der heute am Markt verfügbaren Kleinfeuerungsanlagen für biogene Festbrennstoffe (d. h. Stückholz, Hackgut, Pellets) die geringsten Emissionswerte und damit die beste Umweltbewertung.

Die Wärmebereitstellung aus Pellets ist damit durch eine Vielzahl von Vorteilen im Vergleich zu der aus Stückholz oder Hackgut gekennzeichnet. Hinzu kommt noch, dass die Pellet-Bereitstellungskette wesentlich flexibler im Vergleich zu den anderen Wärmebereitstellungsoptionen aus biogenen Festbrennstoffen ist. Dies gilt u. a. im Hinblick auf den einzusetzenden Rohstoff. Werden die festgelegten Brennstoffspezifikationen eingehalten, könnte potenziell zukünftig auch ein bestimmter Anteil anderer fester Biomassen (z. B. Stroh) zugemischt werden, wenn durch entsprechende F&E-Arbeiten nachgewiesen werden kann, dass dies u. a. keine negativen Auswirkungen auf die Verbrennung und die damit verbundenen Stofffreisetzungen hat. Auch kann der Pelletbrennstoff – aufgrund seiner Handelbarkeit und der bekannten Brennstoffeigenschaften – vergleichsweise einfach in einer Vielzahl weiterer Energiemärkte eingesetzt werden. Dies gilt u. a. für die Nutzung in Biomasse-KWK-Anlagen im mittleren und größeren Leistungsbereich und für eine Zufeuerung in vorhandenen Kohlekraft- und heizkraftwerken, um aus Klimaschutzgründen Kohle zu substituieren und dadurch die damit verbundenen Klimagasemissionen fossilen Ursprungs zu vermeiden. Aufgrund dieser Vorteile hat sich im Bereich der Holzpellets in den letzten Jahren ein sehr dynamischer Markt in Deutschland und in Europa – sowie z. T. auch weltweit – entwickelt, von dem auszugehen ist, dass er sich in den kommenden Jahren signifikant ausweiten und mit den weiter steigenden Ansprüchen an die Pelleteigenschaften – getrieben durch die zunehmenden Forderungen nach einer immer weitergehenden Reduzierung der Umweltauswirkungen einer Wärmebereitstellung aus biogenen Festbrennstoffen – auch weiter verändern wird. Gleichzeitig wird sich dieser Markt zunehmend internationalisieren.

1.2 Pelletmarktentwicklung In diesem Kapitel wird die Entwicklung des Pelletmarktes in Deutschland, der EU und ausgewählten Überseemärkten untersucht. Dabei werden die Marktparameter Produktionskapazitäten und –mengen, Verbrauchsmengen sowie der Verlauf des Holzpelletpreises berücksichtigt. Eine anschließende Abbildung der Handelsströme soll die Größe und Ausbildung des Pelletmarktes aufzeigen. Die Darstellung der einzelnen Parameter erfolgt für den Zeitraum von 2001 bis 2009. Der internationale Pelletmarkt hat im letzten Jahrzehnt ein enormes Wachstum erfahren. Eine Vielzahl neuer Akteure ist in den Markt eingestiegen und hat in vie-

1.2 Pelletmarktentwicklung

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len Ländern bereits eine flächendeckende Pelletinfrastruktur einschließlich Produzenten, Händlern und Konsumenten geschaffen. Der ehemalige Nischenmarkt der 80er ist zu einer respektablen Branche mit Wettbewerbsniveau gereift. Dabei haben sich charakteristische Marktstrukturen herausgebildet, die sich hinsichtlich der gehandelten Pelletqualität und in Bezug auf die Einsatzbereiche der Pellets unterscheiden. Märkte, in denen – – – –

Pellets für die Stromerzeugung in Kraftwerken eingesetzt werden (im Folgenden bezeichnet als Industriepelletmarkt), qualitativ hochwertige (i. d. R. zertifizierte) Holzpellets, die vorrangig für die Wärmeerzeugung im kleineren Leistungsbereich genutzt werden (im Folgenden bezeichnet als Premiumpelletmarkt), Pellets sowohl für die Strom- als auch Wärmeerzeugung (im Folgenden bezeichnet als Pelletmischmarkt) eingesetzt werden, kein/geringer eigener Verbrauch, sondern nur eine Pelletproduktion zu verzeichnen ist (im Folgenden bezeichnet als Exportpelletmarkt).

Nachstehend werden die vier Marktformationen anhand ihrer typischen Vertreter vorgestellt und ihre politischen und strukturellen Rahmenbedingungen beispielhaft in einigen Ländern erläutert.

1.2.1 Internationale Märkte Industriepelletmärkte Zu den Industriepelletmärkten in Europa zählen Belgien, die Niederlande und Großbritannien. In diesen Märkten werden Pellets hauptsächlich zur Mitverbrennung in Kohlekraftwerken eingesetzt. So werden z. B. in den Niederlanden über 95 % der gesamt verbrauchten Pellets in der Mitverbrennung eingesetzt (Stand 2008: 790 000 Tonnen). Im Vergleich zum Jahr 2003 ist das eine Vervierfachung der genutzten Pellets /4/. Diese positive Entwicklung des Pelleteinsatzes ist auf eine staatliche Förderung – das MEP (Milieukwaliteit Elektriciteitsproductie) Programm - ein sogenanntes Einspeisesystem, das zwischen 2003 und 2006 in Kraft war und eine Vergütung von 6 bis 7 €ct pro kWh erzeugtem Strom aus holzartiger Biomasse bot, zurückzuführen. Die längste Laufzeit für die in diesem Zeitraum abgeschlossenen Einspeisevergütungsverträge beträgt 10 Jahre, d.h., dass die Förderung in 2012 bzw. 2015 ausläuft. Entsprechend wird zu diesen Zeitpunkten mit einem Rückgang der Mitverbrennung von Pellets in Kohlekraftwerken gerechnet. Im Rahmen des gegenwärtigen Förderprogramms (SDE – Stimuleringsregeling Duurzame Energie) zu einer nachhaltigen Stromerzeugung wird die Mitverbrennung von Holzpellets nicht gefördert /5/.

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1 Einleitung

Holzpellets in 1.000 t/a

1.200

Kapazität in 1.000 t/a Produktion in 1.000 t/a inländischer Verbrauch in 1.000 t/a

800

400

Belgien

Niederlande

2008

2007

2008

2007

2006

2005

2004

2003

2002

2001

2008

2007

2006

2005

0

UK

Abb. 1.1: Entwicklung von Industriepelletmärkten von 2001 bis 2008

Die holländische Holzpelletproduktion ist quantitativ sehr niedrig (Produktionsmenge: 120 000 Tonnen, Produktionskapazität: 130 000 Tonnen in 2008), z. B. im Vergleich zum Premiumpelletmarkt Deutschland mit einer Produktion von 1,5 Mio. Tonnen, und auch perspektivisch begrenzt. Damit ist dieser Markt auf hohe Holzpelletimporte angewiesen. Limitierende Faktoren sind vor allem ein geringes heimisches Waldvorkommen sowie bestehende stoffliche Nutzungskonkurrenzen für holzartige Reststoffe wie z. B. für die Spanplattenindustrie in Belgien und die holländische Milchindustrie /5/. Eine vergleichbare Entwicklung und Größe weist der britische Pelletmarkt auf. Auch hier hat sich der Markt seit Beginn in 2002 langsam entwickelt und ist durch nationale holzartige Rohstoffvorkommnisse begrenzt. In Abb. 1.1 sind die wichtigsten Industriepelletmärkte zusammenfassend dargestellt. Premiumpelletmärkte In den Premiumpelletmärkten werden Holzpellets von höherer Qualität überwiegend in Ein- und Mehrfamilienhäusern zur Wärmeerzeugung eingesetzt. In Europa sind Deutschland, Österreich, Italien und in Übersee die USA Vertreter dieser Gruppe. Im Vergleich zu den Industriepelletmärkten werden auf diesen Märkten bedeutend größere Mengen Holzpellets sowohl produziert als auch konsumiert.

1.2 Pelletmarktentwicklung 3.200 4.800

Kapazität in 1.000 t/a Produktion in 1.000 t/a inländischer Verbrauch in 1.000 t/a

2.800 Holzpellets in 1.000 t/a

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2.400 2.000 1.600 1.200 800 400

2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009

0

Deutschland

Österreich

Italien

USA

Abb. 1.2: Entwicklung von Premiumpelletmärkten von 2001 bis 2009

Ein Markt mit besonders schnellem Wachstum in den letzten Jahren, ist der deutsche Holzpelletmarkt. Förderprogramme auf Bundes- und Länderebene (z. B.: das Marktanreizprogramm) sowie steigende Preise für fossile Energieträger haben Hauseigentümern Anreize zur Installation von Holzpelletheizsystemen gegeben. Somit hat sich in Deutschland seit 2000 einer der größten Pelletmärkte weltweit herausbilden können. Die Produktionskapazität lag 2009 bei 2,5 Mio. Tonnen mit einer realisierten Produktionsmenge von etwa 1,6 Mio. Tonnen. Der Verbrauch betrug 1,1 Mio. Tonnen /2/. Während der inländische Bedarf bis 2005 größtenteils über Importe gedeckt wurde, kann Deutschland die inländische Nachfrage nun mit eigenen Produktionsstätten seit 2007 befriedigen. Im Jahr 2009 lag das Produktionsvolumen deutlich über dem Bedarf und es wurden etwa 30 % der Gesamtproduktionsmenge exportiert. Einen Überblick zur Entwicklung von Premiumpelletmärkten gibt Abb. 1.2. Pelletmischmärkte Pelletmischmärkte sind durch eine anteilige Pelletnutzung sowohl im Kraftwerksektor als auch zur dezentralen Wärmeerzeugung in Feuerungsanlagen im kleineren und mittleren Leistungsbereich gekennzeichnet. Vertretermärkte sind Dänemark, Finnland und Schweden, der letztere Markt mit der längsten Tradition in der Pelletproduktion und -nutzung in Europa. Insgesamt sind die Produktions- sowie Verbrauchsmengen der Pelletmischmärkte vergleichbar mit denen der Premiumpelletmärkte. Der schwedische Holzpelletmarket hat sich Anfang der 80er Jahre entwickelt und ist heute nach Verbrauchszahlen der größte Holzpelletmarkt der Welt. Das

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1 Einleitung

Aufkommen der Pelletindustrie wurde durch die nationalen energiepolitischen Rahmenbedingungen begünstigt, die seit der Ölkrise 1979 alternative Energieformen u.a. durch die Einführung einer Energiesteuer sowie CO2-Steuer auf fossile Energieträger indirekt gefördert hat. In Schweden finden momentan Holzpellets sowohl Einsatz in Block(heiz)kraftwerken und Fernwärmewerken als auch für die Wärmeerzeugung in privaten Hauhalten. Begonnen hat dieser Markt stärker als Industriepelletmarkt, inzwischen hat sich auch ein Kleinverbrauchermarkt herausgebildet, der allerdings noch den kleineren Marktanteil hat (etwa 35 %) /5/. 2.800

Kapazität in 1.000 t/a Produktion in 1.000 t/a inländischer Gesamtverbrauch in 1.000 t/a Kleinverbrauchermarkt in 1.000 t/a

Holzpellets in 1.000 t/a

2.400 2.000 1.600 1.200 800 400

2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009

0

Schweden

Dänemark

Finnland

Abb. 1.3: Entwicklung von Pelletmischmärkten von 2001 bis 2009

2009 hatte Schweden eine installierte Pelletproduktionskapazität von 2,3 Mio. Tonnen mit einem Produktionsvolumen von 1,6 Mio. Tonnen, welches überwiegend im Inland eingesetzt wurde. Die Exportquote liegt derzeit bei etwa 5 %. Der Gesamtverbrauch von Holzpellets im Lande beträgt 1,9 Mio. Tonnen (695 000 Tonnen auf dem Kleinverbrauchermarkt). Für die Deckung der inländischen Nachfrage importiert Schweden überwiegend Pellets aus Kanada, den Baltischen Staaten sowie Finnland aber auch Polen und Russland. Auch der dänische Markt ist auf hohe Importe angewiesen, allerdings ist der inländische Verbrauch halb so groß wie in Schweden (1,1 Mio. Tonnen). In Abb. 1.3 sind die Markdaten für Schweden, Dänemark und Finnland dargestellt. Exportmärkte Die größten Exportmärkte zur Deckung der europäischen Pelletnachfrage sind Russland und Polen sowie Kanada in Übersee. Der polnische Holzpelletmarkt ist noch sehr jung mit vergleichbar geringen Produktionsmengen, weist allerdings starke Wachstumsraten sowie unerschlossene Potenziale auf. Polen hat ein hohes

1.2 Pelletmarktentwicklung

9

Waldvorkommen und eine damit verbundene ausgeprägte holzverarbeitende Industrie, was die zukünftige Entwicklung dieses Marktes für die Holzpelletindustrie begünstigt. In Polen hat die Holzpelletproduktion in 2003 begonnen. Seit der Markteinführung ist ein kontinuierlicher Zubau der Kapazitäten zu erkennen (2003: 40 000 Tonnen, 2009: 640 000 Tonnen). Die produzierten Pellets sind hauptsächlich für den Export nach Dänemark, Schweden, Deutschland und Italien bestimmt. Erst seit dem letzten Jahr ist ein zunehmender inländischer Verbrauch zu beobachten. Ursache für diese Entwicklung wird in der Veränderung der Energiepolitik Polens gesehen mit einer Ausrichtung auf die Energiegewinnung aus regenerativen Energiequellen /6/. Inwieweit sich Biomasse(heiz)kraftwerke bzw. Mitverbrennung in Kohlekraftwerken in den nächsten Jahren herausbilden und damit den eigenen Pelletkonsum beleben, ist abzuwarten. Darüber hinaus soll Kanada als momentan größter Exporteur für den europäischen Holzpelletmarkt vorgestellt werden. Hauptsächlich liefert Kanada Pellets für den Kraftwerkseinsatz in den Niederlanden, Dänemark und Großbritannien. So hat sich die Exportquote von kanadischen Holzpellets nach Europa von 35 % (2001: circa 150 000 Tonnen) der Gesamtproduktionsmenge auf 55 % (2009: circa 760 000 Tonnen) erhöht. Darüber hinaus versorgt Kanada den US-amerikanischen Markt mit Holzpellets (23 % der Produktionsmenge in 2009) /7/. In 2009, wurden etwa 1,4 Mio. Tonnen Holzpellets produziert bei einer installierten Produktionskapazität von mehr als 2,0 Mio. Tonnen. Nach Branchenmeinungen haben Produktionskapazität sowie –menge ein großes Wachstumspotenzial auf diesem Markt, da es noch ein ungenutztes Rohstoffpotenzial gibt (wie z. B. ein Überschuss aus Sägewerken sowie durch den Waldbefall des Bergkiefernkäfers). In Anbetracht einer bisher noch gedämpften inländischen Nachfrage könnten die Exportmengen für den europäischen Markt entsprechend zunehmenFehler! Verweisquelle konnte nicht gefunden werden.. Momentan liegt der Holzpelletverbrauch in Kleinfeuerungsanlagen bei etwa 230 000 Tonnen. Der Kraftwerkseinsatz findet bisher nicht Anwendung, aber perspektivisch wird eine Ausweitung der Mitverbrennung erwartet. So wurden erste Gesetzgebungen, die eine Verringerung der Kohlefeuerung vorsehen, auf den Weg gebracht, was den Einsatz von Pellets perspektivisch fördern kann. Die Entwicklung der Produktionskapazitäten und –mengen sowie Verbrauch auf den Hauptexportmärkten ist in Abb. 1.4 aufgezeigt.

10

1 Einleitung 2.800 Kapazität in 1.000 t/a Produktion in 1.000 t/a inländischer Verbrauch in 1.000 t/a

Holzpellets in 1.000 t/a

2.400 2.000 1.600 1.200 800 400

Polen

Kanada

2009*

2006 2007 2008

2009* 2005

2007 2008

2004 2005 2006

2002 2003

2009 2001

2006 2007 2008

2004 2005

2003

0

Russland

Abb. 1.4: Entwicklung des Exportpelletmarktes 2001-2009, *geschätzt

Gesamtbilanz Derzeit werden weltweit über 11 bis 12 Mio. Tonnen Pellets produziert, wovon gut 1/3 für den Export bestimmt ist. Die Staaten der Europäischen Union einschließlich der osteuropäischen Länder und Russland weisen dabei die höchsten Pelletproduktions- und verbrauchsmengen auf (70-80 %). Außerhalb Europas stellen derzeit Kanada und die USA bedeutende Pelletmärkte dar, deren Wachstumspotenzial in den kommenden Jahren sehr gute Chancen eingeräumt wird. Darüber hinaus wird zukünftig wahrscheinlich die Bedeutung einiger asiatischer Länder (z. B. China, Indien, Japan) sowie Brasilien, Chile und Australien zunehmen. Das typische Rohmaterial für Pellets zur Strom- und / oder Wärmebereitstellung stellt Holz dar. Vorrangig für die Industriepelletproduktion werden zu einem geringen Umfang auch landwirtschaftliche Reststoffe wie Stroh oder Bagasse verwendet. Für eine vergleichende Darstellung der Entwicklung der verschiedenen Pelletmärkte seit 2001 sind die einzelnen Marktparameter in einer Übersicht zusammengefasst. Es wird ersichtlich, dass der Holzpelleteinsatz sowie die Produktion in der Gesamtbilanz in den letzten Jahren kontinuierlich gewachsen sind (Abb 1.5).

1.2 Pelletmarktentwicklung 3.200 4.800

Kapazität in 1.000 t/a Produktion in 1.000 t/a inländischer Gesamtverbrauch in 1.000 t/a Kleinverbrauchermarkt in 1.000 t/a

2.800 Holzpellets in 1.000 t/a

11

2.400 2.000 1.600 1.200 800 400

01 03 05 07 09 01 03 05 07 09 03 05 07 09 01 03 05 07 09 01 03 05 07 09 01 03 05 07 08 05 07 08 01 03 05 07 08 05 07 08 03 05 07 09 01 03 05 07 09 05 07 08 03 05 07 09

0 DE

AT

IT

SE

DK

FI

BE

NL

GB

PL

CA

RU

US

Abb. 1.5: Übersicht zur Entwicklung des Pelletmarktes in ausgewählten Ländern weltweit, 2001-2009

1.2.2 Handelsströme Zum Aufzeigen der Import- und Exportströme von Holzpellets für den europäischen Markt ist in Abb. 1.6 der globale Handel von Holzpellets aufgeführt. Der Holzpellethandel findet überwiegend innerhalb regionaler Cluster statt. Das heißt, der Handel zwischen den einzelnen Ländern erfolgt im grenznahen Bereich. Beispielsweise exportieren Polen, die baltischen Staaten und Finnland Pellets nach Schweden und Dänemark. Weltweit betrachtet sind insbesondere Kanada und Russland wichtige Pelletexporteure für den europäischen Pelletmarkt.

Reykjavik

FI Tórshavn

SE Helsinki Mariehamn Tallinn

Oslo

EE

Stockholm

Moskau Riga

DK

LV

LT

Kopenhagen

Vilnius

Douglas

IE

Dublin

Amsterdam

Berlin

NL

London Brüssel Saint Peter Port

Minsk

UK

Prag

LU Paris

Warschau

PL

Kiew

DE

BE

Saint Helier

CZ

Luxemburg

SK

Kischinau

Wien BratislavaBudapest

FR

Bern

AT

Vaduz

HU RO

Ljubljana

SI

Zagreb

Bukarest

Belgrad Sarajevo San Marino Sofia Andorra la Vella

IT

Skopje

Rom

PT

Lissabon

BG

Podgorica Tirana

Madrid

ES

GR Athen

Algier

Tunis

MT

Abb. 1.6: Bedeutende Handelsströme im europäischen Holzpelletmarkt 2008

12

1 Einleitung

1.2.3 Preisentwicklung Im Allgemeinen können zwei typische Preissegmente unterschieden werden: die Kleinverbrauchermärkte und die Industriemärkte. Unternehmen wie ENDEX N.V. (Energy Derivates Exchange), FOEX Indexes Ltd. und Argus Media Ltd. veröffentlichen Industrieholzpelletpreise. Allerdings kann im Rahmen dieser Preisindizes einerseits nicht auf eine lange Historie zurückgegriffen werden und andererseits ist die Abbildung noch sehr fragmentarisch. So beobachtet ENDEX den Verlauf erst seit 2008 und FOEX seit 2007 (veröffentlicht seit September 2009). Die Preise erhoben von ENDEX sind CIF-Preise der Amsterdam- RotterdamAntwerpenhäfen (ARA), die wichtigsten Häfen für Industriepellets in Europa. Die Preiserhebung basiert auf Angaben von Produzenten, Händlern und Kraftwerksbetreibern. FOEX erhebt einen sogenannten PIX Pellet Nordic Index unter Berücksichtigung der Preisangaben von Industriepellethändlern in den skandinavischen und baltischen Ländern /3/. Zusätzlich zu diesen Indizes wurden nationale Angaben zu Industriepelletpreisen vergleichend herangezogen. Die Preisangaben für Premiumpellets werden von nationalen Verbänden und ebenfalls im pellets@las Projekt erhoben bzw. veröffentlicht. Beispielhaft sind die Preisverläufe für die wichtigsten Premiumpelletmärkte sowie dem Pelletmischmarkt Schweden abgebildet. Insgesamt ist bei der industriellen Ware eine durchschnittliche Schwankungsbreite von 100 bis 140 €/t zu erkennen und bei der zertifizierten Ware zwischen 170 und 270 €/t (Abb. 1.7). 300

Holzpelletpreise €/t

250 200 150 100 50

ENDEX (CIF) Großbritannien (CIF) Russland (FOB) Österreich (Premium) Schweden (Premium)

Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez

0

PIX (CIF) Niederlande (CIF) Lettland (CIF) Deutschland (Premium) Italien (Premium)

2007

2008

2009

Abb. 1.7: Preisentwicklung für Industrie- und Premiumpellets von 2007 bis 2009

Literaturverzeichnis

13

Literaturverzeichnis /1/

Bradley D (2006) Canada Biomass-Bioenergy Report. Ottawa

/2/

DEPV: Entwicklung Pelletproduktion, Pelletproduktion und Inlandsbedarf Deutschland. URL: www.depv.de/startseite/marktdaten/entwicklungpelletproduktion

/3/

Hawkins Wright (May 2009) Forest Energy monitor. Hawkins Wright Ltd Vol 1 Issue 1. Richmond Surres, UK

/4/

IEA Bioenergy Task 40 (2009) Sustainable International Bioenergy Trade - Country report for the Netherlands 2008

/5/

Pelletsindustrins Riksförbund (PiR): Statistik Sverigemarknaden. URL: www.pelletsindustrin.org/web/Leveransstatistik.aspx

/6/

Pellets@las (July 2009) Pellet market country report Poland

/7/

Wood pellet association of Canada (January 2009) Local actions create global reactions

2 Biomassen für die Pelletproduktion................................................................ 16 2.1 Klassifizierung ........................................................................................... 16 2.2 Rohstoffe und technische Potenziale ......................................................... 17 2.2.1 Methodischer Ansatz .......................................................................... 18 2.2.2 Rohstoffauswahl ................................................................................. 19 2.2.3 Technisches Potenzial ........................................................................ 21 2.3 Rohstoffeigenschaften ............................................................................... 23 2.3.1 Molekularer und elementarer Aufbau ................................................ 23 2.3.2 Rohstoffparameter zur Beeinflussung der Pelletqualität .................... 28 Literaturverzeichnis ......................................................................................... 33

16

2 Biomassen für die Pelletproduktion

2 Biomassen für die Pelletproduktion

Als Biomasse wird die Gesamtheit in einem Lebensraum vorkommender, organischer Substanzen bezeichnet, wobei zwischen Phyto- und Zoomasse unterschieden wird /8/. Biogene Brennstoffe stellen den Anteil des Gesamtaufkommens an Biomasse dar, der zur energetischen Nutzung eingesetzt werden kann, um daraus Strom, Wärme oder Kraftstoffe bereitzustellen. Bioenergieträger können anhand ihres Aggregatzustandes in fest, flüssig und gasförmig untergliedert werden. Für die Pelletproduktion sind davon nur die biogenen Festbrennstoffe relevant (mit einem möglichst niedrigen Wassergehalt).

2.1 Klassifizierung In Abb. 2.1 werden die vielfältigen Sortimente an biogenen Festbrennstoffen vorgestellt, die als Rückstände, Neben- oder Abfallprodukte sowohl in der land- und forstwirtschaftlichen Pflanzenproduktion als auch in der industriellen Weiterverarbeitung oder am Ende einer Nutzungskette anfallen. Energiepflanzen aus dem landwirtschaftlichen Anbau (z. B. KUP, Miscanthus, Getreideganzpflanzen) können zusätzliche Potenziale zur Pelletproduktion darstellen. In Anlehnung an den europäischen Standard DIN EN 14961-1 erfolgt die Einordnung biogener Festbrennstoffe in holz- oder halmgutartige Biomasse, Biomasse von Früchten und definierte bzw. undefinierte Mischungen.

S. Döring, Pellets als Energieträger, DOI 10.1007/978-3-642-01624-0_2, © Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2011

2.2 Rohstoffe und technische Potenziale

17

Biogene Festbrennstoffe 1 Holzartige Biomasse 1.1 Wald- und Plantagenholz sowie andere Frischhölzer (u.a. Laub-/ Nadelholz, KUP, Sträucher)

Vollbäume ohne Wurzeln 1.1.1 mit Wurzeln 1.1.2 Stammholz 1.1.3 Waldrestholz 1.1.4 Stümpfe / Wurzeln 1.1.5 Rinde

1.1.6

1.2 Industrierestholz

1.3 Gebrauchtholz

(mit/ohne Rinde)

(mit/ohne Rinde)

chem. unbehandelte Rückstände 1.2.1 chem. behandelte Rückstände, Fasern und Holzbestandteile 1.2.2 Bei-/Mischungen 1.2.3

sortiertes Holz aus der Landschaftspflege und aus Gärten 1.1.7

chem. unbehandelte Rückstände 1.3.1 chem. behandelte Rückstände 1.3.2 Bei-/ Mischungen 1.3.3

2 Halmgutartige Biomasse 2.1 aus Landwirt- 2.2 Nebenprod. & Rückstände der schaft & Industrie Gartenbau (u.a. Ganzpflanzen, Stroh, Körner, Hülsen, Stängel, Blätter)

Getreide 2.1.1 Gräser

2.1.2

Ölsaaten 2.2.3 Wurzelfrüchte 2.1.4 Hülsenfrüchte 2.1.5 Blumen 2.1.6

(u.a. Getreide, Gräser, Früchte, Ölsaaten)

3 Biomasse von Früchten 3.1 Obst und Gartenfrüchte

3.2 Nebenprod. u. Rückstände der Industrie

(u.a.. Beeren-/Kern-/ Steinobst, roher Olivenpresskuchen)

(u.a.. Beeren-/ Kernobst, Nüsse, extrahierter Olivenpresskuchen)

chemisch unhandelte Rückstände 2.2.1 chem. behandelte Rückstände 2.2.2

Beerenobst 3.1.1 Stein- /Kernobst 3.1.2 Nüsse und Eicheln 3.1.3

chemisch unhandelte Rückstände 3.2.1 chem. behandelte Rückstände 3.2.2

Bei-/Mischungen 2.2.3

Bei-/Mischungen 3.1.4

Bei-/Mischungen 3.2.3

getrennt gesammelte halmgutartige Biomassen aus der Landschäftspflege und aus Gärten 2.1.7

4 / 1.4 / 2.3 / 3.3 Definierte / undefinierte Mischungen Mischungen

Beimischungen

Bei-/Mischungen

undefinierte / natürlich vermischte Biomassegemenge

definierte / bewusst vermischte Biomassegemenge

2.1.8

Bei-/Mischungen 1.1.8

Abb. 2.1 Klassifizierung und Spezifizierung biogener Festbrennstoffe nach DIN EN 14961-1

2.2 Rohstoffe und technische Potenziale Für die Produktion von Holzpellets werden in Mitteleuropa vorwiegend chemisch unbehandelte Industrieresthölzer ohne Rinde verwendet, die beispielsweise als Resthölzer in Sägewerken oder als Koppelprodukte der holzbe- und verarbeitenden Industrie in Form von Spänen, Holzmehl oder Kapphölzern anfallen. Noch zu einem eher geringen Anteil werden Frischhölzer (Waldresthölzer oder auch minderqualitative Rundhölzer – sogenannte Kalamitäten – z. B. aus Wäldern mit Sturmschäden oder Borkenkäferbefall) als Rohmaterial für die Holzpelletproduktion verwendet, da sie u. a. aufgrund ihres höheren Wassergehaltes und des Rindenanteils einen aufwändigeren Produktionsprozess bedingen. Der Einsatz von Plantagenhölzern aus dem Anbau von schnell wachsenden Baumarten wie Pappeln oder Weiden mit mehrjährigen Erntezyklen (KUP) wird derzeit vielerorts vorbereitet – bisher jedoch nur an wenigen Standorten realisiert. Perspektivisch wird mit einer Zunahme des Frischholzeinsatzes bei der Pelletproduktion gerechnet, um weitere Biomassekontingente zu erschließen. Ebenfalls wird erwartet, dass die Nachfrage nach Biobrennstoffen weiter wächst und die Einsatzfähigkeit nichtholzartiger Rohstoffe (z. B. Stroh, Miscanthus) voranschreitet, um die z. T. bedeutenden bisher ungenutzten Potenziale einer weiteren Nutzung zuzuführen. Ein weiterer Ausbau und die Erschließung zusätzlicher Biomassekontingente zur Pelletproduktion kann jedoch mittelfristig zu einer Verknappung der begrenzt vorhandenen natürlichen biogenen Rohstoffressourcen beitragen, was zahlreiche Nutzungskonkurrenzen bedingt und bereits vorhandene Konkurrenzen weiter verschärft. Zum einen können sich Konkurrenzfelder hinsichtlich der Landflächennutzung und des Biomasseanbaus entwickeln, was sich auf das Angebot bzw. das

18

2 Biomassen für die Pelletproduktion

verfügbare Rohstoffpotenzial auswirkt. Zum anderen werden sich die Konkurrenzen in Bezug auf die unterschiedlichen technischen Nutzungsoptionen der biogenen Energieträger, insbesondere zur stofflichen Nutzung von Holz weiter verschärfen. Zur Identifizierung von Nutzungskonkurrenzen der energetischen Biomassenutzung können vier Ebenen unterschieden werden, in denen die Indikatoren in Abhängigkeit von den Rahmenbedingungen unterschiedlich stark ausgeprägt sind (Abb. 2.2). Als Indikatoren wirken beispielsweise: – – – –

Verfügbarkeit einer Konversionstechnologie zum Zeitpunkt x Optionen des Biomasseeinsatzes/Stoffstromlenkung für ausgewählte Technologiekonzepte Flächenkonkurrenzen des Biomasseanbau zur Strom-, Wärme-, Kraftstoffbereitstellung Rohstoffpreise für die energetische Nutzung in Konkurrenz zum Nahrungsmittelanbau und der stoffliche Nutzung

Landnutzung Fläche

Biomasseanbau Biomasse

Biomassekonversion Bioenergieträger

Nutzung von Bioenergie Bioenergie

Ackerfläche vs. Grünland vs. sonstige Nutzung Ebene 1

Nahrungsmittel vs. stoffliche Nutzung vs. Bioenergie Ebene 2

Wärme vs. Strom vs. Kraftstoff Ebene 3

Fossile Energien vs. Erneuerbare Energien vs. Effizienz Ebene 4

Abb. 2.2: Ebenen von Nutzungskonkurrenzen bei der energetischen Nutzung von Biomasse

2.2.1 Methodischer Ansatz In Anlehnung an die Ergebnisse der Studie „Nachhaltige Biomassenutzungsstrategien im europäischen Kontext“ /22/ werden die relevanten Rohstoffpotenziale zur Pelletproduktion für Deutschland die EU Staaten abgeleitet. Für die Staaten Russland, Kanada und USA werden die relevanten Biomassepotenziale von vorhandenen Potenzialstudien abgeleitet /2/, /5/,/16/,/18/,/23/. Die Potenzialermittlung ist methodisch auf eine Stoffstrombilanz zur Ermittlung des technisch erschließbaren und energetisch verfügbaren Biomassepotenzi-

2.2 Rohstoffe und technische Potenziale

19

als – ausgehend von dem theoretischen Potenzial - zurückzuführen. Das ermittelte technische Rohstoffpotenzial beschreibt den Anteil des theoretischen Potenzials der verfügbaren Biomasse, der unter Berücksichtigung der gegebenen stofflichen Biomassenutzung (Nahrungs-, Futtermittel- und Holzverarbeitung etc.) sowie struktureller und ökologischer Restriktionen (z. B. Erhaltung von Stoffkreisläufen, Flächenansprüche der Biotopvernetzung etc.) mit den verfügbaren Technologien nutzbar ist. Das technische Potenzial beschreibt den Anteil des theoretischen Potenzials, der unter Berücksichtigung derzeitiger technischer Möglichkeiten – unter Berücksichtigung verfügbarer Nutzungstechniken, ihrer Wirkungsgraden und hinsichtlich der Standortverfügbarkeit - nutzbar ist /22/. In Hinblick auf die Ermittlung technisch verfügbarer Energieträgerpotenziale, werden ausschließlich thermo-chemische Umwandlungsprozesse bei der Biomassenutzung der betrachteten Rohstoffpotenziale berücksichtigt und entsprechend brennstoffspezifische Heizwerte einbezogen. Grundlage der Potenzialermittlung sind europäische sowie regionsspezifische Agrar- und Forst- und Abfallstatistiken, Daten der FAO sowie zahlreiche Annahmen zur Fortschreibung der Entwicklung /22/. Für folgende Biomassefraktionen werden dabei technische Rohstoffpotenziale ermittelt: – – – – – –

Forstwirtschaftliche Potenziale. Potenzial aus Einschlag = Rundholz + Brennholz + Waldrestholz + (Ernteverluste) Potenzial aus ungenutztem Zuwachs = theoretisches Potenzial - Einschlag Landwirtschaftliches Potenzial. Potenzial zum Energiepflanzenanbau (KUP, Miscanthus, Getreideganzpflanzen) Potenzial aus Reststoffen und Nebenprodukten. – Industrierestholzpotenzial aus Sägewerken, Holzwerkstoff-, Holzschliff- und Zellstoffindustrie – Strohpotenzial (Getreidestroh, Mais-, Raps-, Sonnenblumenstroh) – Landschaftspflegematerial

2.2.2 Rohstoffauswahl Aufgrund dessen, dass die vielfältigen biogenen Festbrennstoffe z. T. sehr unterschiedliche Brennstoffeigenschaften aufweisen, können je nach Einsatzbereich der Brennstoffe nur entsprechend geeignete Brennstoffe eingesetzt werden. Im Hinblick auf einen qualitativen Einsatz der vorhandenen Biomassen können unterschiedliche Inputströme zur Pelletproduktion – klassifiziert und spezifiziert nach dem europäischen Standard DIN EN 14961-1 - aufgeschlüsselt werden (Abb. 2.3). Dabei werden die Potenziale nach folgenden Zielmärkten unterteilt: –

Holzpellets für den Kleinverbrauchermarkt

20

2 Biomassen für die Pelletproduktion

– –

Holzpellets für den mittleren und höheren Leistungsbereich Sonstige Pellets, z. B. für den Einsatz im Kraftwerkssektor, z. T. auch geeignet in Anlagen für Agrarbrennstoffe.

In Abb. 2.3 sind die Inputströme der Biomassepotenziale, aufgeschlüsselt nach deren qualitativem Einsatzbereich, dargestellt. Waldrestholz stellt eine Mischfraktion von Hölzern unterschiedlicher Baumbestandteile dar (inklusiv Rinde), wie Kronenderbholz, Reisholz und kurze Stammabschnitte. Bei der Potenzialermittlung nicht berücksichtigte Fraktionen - Stümpfe und Wurzeln, Blumen, Obst- und Gartenfrüchte - fallen nicht überall als Potenzial an oder sind in den Ländern nicht entsprechend verfügbar. Holzpellets für den Kleinverbrauchermarkt

Holzpellets für den mittleren und höheren Leistungsbereich

Sonstige Pellets zum Einsatz im Kraftwerkssektor oder in Anlagen für Agrarbrennstoffe

1.1.1 Vollbäume mit Wurzeln 1.1.2 Vollbäume ohne Wurzeln 1.1.3 Stammholz 1.1.4 Waldrestholz 1.1.5 Stümpfe / Wurzeln 1.1.6 Rinde 1.1.7 sortiertes Holz aus Landschaftspflege und Gärten 1.2.1 chem. unbehandelte Rückstände (Industrierestholz) 1.2.2 chem. behandelte Rückstände, Fasern und Holzbestandteile 1.3.1 chem. unbehandelte Rückstände (Gebrauchtholz) 1.3.2 chem. behandelte Rückstände 2 halmgutartige Biomasse 3 Biomasse von Früchten

Abb. 2.3 Qualitative Zuordnung biogener Festbrennstoffe (nach DIN EN 14961-1) gemäß potenzieller Inputströme für die Pelletpotenzialermittlung

Aufgrund der Vielzahl unterschiedlicher und zukünftig weiter steigender Biomassenutzungsoptionen - Nutzungskonkurrenzen -, wird für die Brennstoffpelletproduktion nur 1/3 des gesamten technischen forst- und landwirtschaftlichen Brennstoffpotenzials berücksichtigt. Das Industrierestholzpotenzial wird bereits heute am umfassendsten zur Pelletproduktion genutzt und fließt daher mit 50 % in die Abschätzung des Pelletproduktionspotenzials ein.

2.2 Rohstoffe und technische Potenziale

21

2.2.3 Technisches Potenzial Die technischen Rohstoffpotenziale zur Pelletproduktion liegen in den EU-28 Staaten im Jahr 2010 zwischen 500 und 750 TWh/a. Das entspricht einer Pelletproduktionskapazität von 100 – 150 Mio. t (Tab. 2.1). Dabei liegen die größten Potenziale zur Pelletproduktion zu einem großen Teil im Bereich der Waldrestholznutzung und des Energiepflanzenanbaus zur Produktion von Holzpellets zum Einsatz im mittleren und höheren Leistungsbereich oder sonstiger Pellets (z. B. beim Anbau von Getreideganzpflanzen). In Hinblick auf eine qualitative Differenzierung der Potenziale nach Einsatzbereichen liegt das Potenzial zur Produktion von Pellets zum Einsatz in Kleinfeuerungsanlagen derzeit für die EU-28 Staaten bei etwa 200 TWh. Das Pelletproduktionspotenzial für den Einsatz im mittleren und höheren Leistungsbereich verzeichnet über den Betrachtungszeitraum ein kontinuierliches Wachstum und liegt im Jahr 2010 zwischen 130 und 390 TWh. Dabei ist die Spannweite des Potenzials mit Unsicherheiten und der perspektivisch hohen Biomassenachfrage des Energiepflanzenanbaus zu erklären. Das technische Potenzial zur Produktion sonstiger Pellets liegt aktuell bei etwa 170 TWh. Tabelle 2.1: Technische Pelletproduktionspotenziale für die EU-28 Staaten und Deutschland im Jahr 2010, in Anlehnung an /22/, /25/

EU-28

Deutschland

Holzpellets für den Kleinverbrauchermarkt

TWh/a

200

28 - 30

Mio. t/a

40

5- 6

Holzpellets für den mittleren und höheren Leistungsbereich

TWh/a

130 – 390

15 – 60

Mio. t/a

25– 80

3 – 12

TWh/a

170

17 - 23

Mio. t/a

35

3- 5 60 - 110

Sonstige Pellets Potenzial zur Pelletproduktion (gesamt)

TWh/a

500 - 750

Mio. t/a

100 – 150

12 - 22

Pelletproduktionsanlagen

Anzahl*

667 – 1 000

80 - 147

* bei einer Produktionskapazität von jeweils 150.000 t

Das in Deutschland verfügbare Rohstoffpotenzial zur Pelletproduktion aus der Land- und Forstwirtschaft sowie der holzbe- und verarbeitenden Industrie einschließlich des anrechenbaren Rohholzsortimentes liegt nach moderater Abschätzung derzeit zwischen 60 und 110 TWh (Tab. 2.2). Die größten Rohstoffpotenziale für die Pelletproduktion sind in Frankreich, Deutschland, Spanien, Polen und Schweden zu verzeichnen (Abb. 2.4).

2 Biomassen für die Pelletproduktion sonstige Pellets 35.000 sonstige Pellets - Strohpotenzial Holzpellets - mittlerer und höherer Leistungsbereich (max.) 30.000 Holzpellets - Kleinverbraucher Holzpellets - Kleinverbraucher (max.) - ungenutzter Zuwachs 25.000

Technisches Pelletbrennstoffpotenzial 2010 [TWh/a]

180 160 140 120 100

20.000

80

15.000

60 10.000 40 5.000

20

TR

BG

RO

CZ

HU

SLO

PL

SK

LT

LV

E

ET

S

P

A

NL

IRL

GB

IRL

F

GR

D

FIN

DK

0 B +L

0

Technisches Pelletproduktionspotenziaol [1.000 t/a]

22

Abb. 2.4: Qualitative Einordnung des technischen Brennstoffpotenzials zur Pelletproduktion im Jahr 2010

Unter Berücksichtigung regionaler Potenzialstudien lassen sich neben den Brennstoffpotenzialen in Europa signifikante Potenziale zum Einsatz in die Pelletproduktion in Nordamerika und Russland aufzeigen. Unter Berücksichtigung zahlreicher Biomassenutzungsoptionen liegt das Pelletproduktionspotenzial in Nordamerika (USA und Kanada) zwischen 1 000 und 2 000 TWh/a. In den USA sind vor allem beträchtliche Brennstoffpotenziale aus industriellen und landwirtschaftlichen Reststoffen und Nebenprodukten zu verzeichnen, wohingegen Russland über ein bedeutendes forstwirtschaftliches Potenzial für den Einsatz in die Pelletproduktion verfügt (Tab. 2.2). Tabelle 2.2: Pelletproduktionspotenziale für Russland, Kanada und die USA im Jahr 2010, in Anlehnung an /2/, /5/,/16/,/18/,/23/

Kanada

USA

Russland

Forstwirtschaftliches Potenzial

TWh/a

0 - 80

170

250

Landwirtschaftliches Potenzial (Energiepflanzenanbau)

TWh/a

400

630

400

Potenzial aus Reststoffen und Nebenprodukten

TWh/a

140

590

100

TWh/a

220 - 620

760 – 1 390

350 – 750

Mio. t/a

44 - 125

150 - 280

70 - 150

Potenzial zur Pelletproduktion (gesamt)

Zusammenfassend ist festzustellen, dass die vorhandenen Biomassepotenziale für die Pelletproduktion in der EU, Nordamerika und Russland bisher nicht ausgeschöpft werden. Perspektivisch liegen die Potenziale zur Pelletproduktion zu einem großen Teil im Bereich der Waldrestholznutzung und des Energiepflanzenanbaus. Langfristig wird erwartet, dass das Potenzial zur Produktion von

2.3 Rohstoffeigenschaften

23

Holzpellets für den Kleinverbrauchermarkt leicht sinkt, da mit einer zunehmenden Rohholznutzung zwar der Einschlag zunimmt und somit auch mehr Restholzkontingente anfallen, gleichzeitig jedoch das Potenzial aus ungenutztem Zuwachs sinkt. Weiterhin werden aufgrund der zunehmenden Nutzungskonkurrenz um preiswerte Holzkontingente auch in der stofflichen Verwertung verstärkt bisher vernachlässigte Restholzsegmente einer weiteren Nutzung zugeführt /21/,/24/. Der Anbau von Energiepflanzen, wie die Kultivierung von KUP, kann aktuell nur als zusätzliche Option zur Rohstoffbereitstellung für die Pelletproduktion betrachtet werden. Hier müssen die Rahmenbedingungen und Anreize für den landwirtschaftlichen Anbau von KUP kurz- bis mittelfristig weiter verstärkt werden, um die aktuellen Prognosen zum Wachstumspotenzial des Pelletmarktes in Europa und weltweit mit nachhaltigen Rohstoffkontingenten bedienen zu können.

2.3 Rohstoffeigenschaften 2.3.1 Molekularer und elementarer Aufbau Die Kenntnis der chemischen Zusammensetzung von Biomasse ist für die Beurteilung der Einsatzfähigkeit des Rohstoffs für die Pelletierung und thermische Nutzung von großer Bedeutung. Dabei lässt sich der molekulare Aufbau der Biomasse – der vorrangig für die Rohstoffaufbereitung (z. B. zur Pelletierung) relevant ist – von dem elementaren Aufbau unterscheiden, dessen Kenntnis insbesondere beim Verständnis des thermischen Zersetzungsprozesses wertvoll ist. In Bezug auf die pflanzliche Trockenmasse setzt sich Biomasse zu rund 90 % aus Kohlenstoff (C) und Sauerstoff (O) sowie zu rund 6 % aus Wasserstoff zusammen, die von der Pflanze in Form von CO2, O2, H2O oder HCO3 aufgenommen werden. Diese drei Hauptbestandteile der Pflanzensubstanz sind in allen organischen Verbindungen enthalten (z. B. in Lignin, Cellulose, Pektin, Zuckern, Fetten, Stärken und Eiweißen). Die verbleibenden Anteile der Trockensubstanz dienen der pflanzlichen Nährstoffspeicherung. Bis zu 5 % der Trockenmasse können den wichtigen Makronährstoffen (N, K, Ca sowie in geringeren Mengen P, Mg, S, und Fe1) zugeordnet werden. Dagegen treten Mikronährstoffe nur als Spurenelemente in einer Konzentration zwischen 0,001 bis 0,03 % auf (Zn, Cu, B, Mn, Mo, Fe). Die Nährstoffe liegen bis auf wenige Ausnahmen ungebunden in der Phytomasse vor (nicht in organische Substanz eingebunden). Bisher nicht abschließend geklärt ist die Notwendigkeit und Zuordnung von Chlor, Silizium und Natrium in Pflanzen /8/. Betrachtet man den molekularen Aufbau der Pflanzen, bestehen feste Biomassen zu etwa 95 % aus den drei Biopolymeren Cellulose, Hemicellulose und Lignin. Der verbleibende Anteil setzt sich zusammen aus einer Vielzahl 1 Eisen (Fe) kann sowohl den Makro- als auch Mikronährstoffen zugeordnet werden.

24

2 Biomassen für die Pelletproduktion

von Begleitstoffen, den so genannten Extrakten (wie Harze, Fette, Gerbstoffe, Stärke, Zucker, Eiweiße und Mineralstoffe). Artspezifisch variieren die auf Trockenmasse bezogenen Anteile der chemischen Bestandteile (Tabelle 2.3). Tabelle 2.3: Molekularer Aufbau von biogenen Rohstoffen, /14/, /17/, /9/

Komponenten Grundsubstanz: Holocellulose

Lignin

Begleitstoffe:

Extrakte

Typische Anteile und Bestandteile Cellulose (langkettiges Makromolekül) 20 – 55 % Holz: 40 – 55 % Hemicellulose (kurzkettiges, verzweigtes Makromolekül) 10 – 40 % Holz: 20 – 35 % 3-dimensionales Makromolekül 10 – 35 % Nadelholz: 25 – 35 % Laubholz: 18 – 32 % Fette, Öle, Harze, Wachse Eiweiße, Stärke, Zucker, Kautschuk Gerb-, Farb-, Bitter- und Riechstoffe, Kampfer organische und anorganische Säuren, Salze Mineralstoffe

Cellulose Die überwiegend aus linearen Glukosepolymeren geformte Cellulose ist die in der Natur am häufigsten vorkommende Substanz. Sie bildet die Gerüstsubstanz der Pflanzen und die Grundsubstanz der unverholzten Zellwand. Infolge des hohen Kristallinisationsgrades ist Cellulose trotz einer relativ hohen Anzahl hydrophiler Gruppen nicht wasserlöslich, wirkt aber hygroskopisch (wasseraufnehmend). Cellulose gibt der Biomasse aufgrund ihres molekularen Aufbaus eine hohe Formstabilität, insbesondere durch die Verleihung von Zug- und Biegefestigkeit. Beim Holz und den meisten anderen biogenen Rohstoffen ist die Zugfestigkeit (Cellulosegehalt) im Mittel doppelt so hoch wie die Druckfestigkeit (Ligningehalt), woraus die relativ hohe Biegefestigkeit des Holzes resultiert. Laubhölzer bilden als Reaktion auf der zugbeanspruchten Seite des Baumes so genanntes Zugholz aus, welches eine besonders Festigkeit aufweist. Cellulosen werden zur Papier- und Dämmstoffherstellung aus Zellstoff und Holzschliff verwendet sowie in der Textil-, Kosmetik-, Lebensmittelindustrie eingesetzt /14/, /9/. Hemicellulosen Als Hemicellulosen (auch Polyosen genannt) werden komplex verzweigte Polysaccharide bezeichnet, die multifunktional die Pflanze unterstützen; beispielsweise die Stützwirkung in der Zellmembran oder als Reserve-, Quell- und Klebstoffstoff zur Verkittung der Zellwände. Hemicellulose tritt immer als Cellulosebegleiter auf. Während in Nadelhölzern Hexosane die Grundbausteine der Hemicellulose darstellen, sind es in Laubhölzern Pentosane, die diesem wiederum plastische Eigenschaften verleihen (Holz wird biegsamer). Aufgrund der amorphen Molekülstruktur von Hemicellulosen, nehmen sie leicht Wasser auf, geben dies jedoch nur

2.3 Rohstoffeigenschaften

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verlangsamt wieder ab und verzögern so das Austrocknen und Absterben des Zellgewebes. Hemicellulosen werden aus landwirtschaftlichen Produkten (z. B. Maiskolben, Haferspelzen) gewonnen und u. a. als Bindemittel für Aktivkohle oder Briketts, in der Papierherstellung (Erhöhung der Festigkeit), in der Lebensmittelindustrie (Verdickungsmittel, Gelierung /8/, /14/, /17/. Lignin Chemisch gesehen, wird Lignin als komplexe Polymerkette aus Phenylpropangruppen mit thermoplastischen Eigenschaften beschrieben. Lignin tritt nie separat auf, sondern immer als Cellulosebegleitsubstanz. Die rötlich braune Substanz Lignin ist der eigentliche Füll- und Verholzungsstoff der Pflanze, der durch seine quellende (geringer als bei Cellulose), verklebende und versteifende Wirkung für die Druckstabilität der Pflanze verantwortlich ist. So sorgt ein hoher Ligningehalt dafür, dass der Spross einer Pflanze auch bei einem nachlassendem Wasserdruck (Tugor) aufrecht stehen bleibt und abtrocknen kann, wie beispielsweise bei den Halmen reifer Getreidepflanzen auf dem Feld. Holzartige Biomassen weisen wesentlich höhere Ligninanteile als einjährige Pflanzen (jährlicher Erntezyklus) auf und können deshalb auch – trotz relativ geringer Wassergehalte – hohen Dauerbeanspruchungen bestehen. Der Ligningehalt variiert je nach Biomasseart und auch innerhalb der Pflanze. So sind die höchsten Ligninwerte typisch für die niedrigsten, höchsten und innersten Teile eines Stammes, für Nadelholzäste, Rinde und Druckholz2. Als organische Substanz beginnt der natürliche Ligninabbau mit der Ernte der Pflanze /Fällen des Baumes und kann durch äußere Faktoren beschleunigt werden (UV-Licht, Wärme und Feuchtigkeit). Lignin fällt in großen Mengen als Nebenprodukt der Zellstoffindustrie an und wird inzwischen sowohl synthetisch als auch energetisch genutzt /8/, /14/, /17/. Extrakte Zu den Nebenbestandteilen / Begleitstoffen bzw. Extrakten gehören über 500 verschiedenen Verbindungen. Zum Teil werden bei der chemischen Zuordnung der Elementargehalte die anorganischen Bestandteile der Pflanzen (K, Ca, Mg, Fe, Mn etc.) separat als „Asche“ aufgeführt, während dann die Extraktstoffe nur rein organischen Bestandteile beinhalten /17/. In diesem Fall werden sie den Mineralstoffen zugeordnet. Extraktstoffe machen zwar z. T. nur minimale Anteile an der Molekularsubstanz von Pflanzen aus, können aber wesentliche Eigenschaften des Rohstoffmaterials bestimmen, wie z. B. /9/: –

die Widerstandsfähigkeit gegen Pilze und Insekten (Gerbstoffe, Terpene, Phenole)

2 Als Druckholz wird das bei Nadelbäumen auf der druckbelasteten Seite (z. B. durch Hauptwindrichtung) gebildete Reaktionsholz bezeichnet. Druckholz ist schwerer, härter und dichter als das Normalholz.

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2 Biomassen für die Pelletproduktion

– – – –

Geruch (z. B. Tanne, Kiefer) und Farbe (z. B. Wallnuss, Douglasie) wasserabweisend (Harze, Wachse, Fette, Öle) Imprägnierbarkeit (schlechter bei harzhaltigen Hölzern) Brennbarkeit (bei harzreichen Hölzern besser)

Während die Hölzer der gemäßigten Klimazone zwischen 1 bis 10 % an Extraktstoffen aufweisen, sind bei tropischen Hölzern Massenanteile zwischen 2 bis 30 % nachweisbar. Typischerweise liegt ihre Massen-bezogene Konzentration bei 3 – 7 %. Es werden 2 Gruppen der Extraktstoffe unterschieden. Zum einen die primären Nebenbestandteile (z. B. Stärke, Zucker, Fette, fettige Öle und Eiweiß) die vor allem im Herbst als Speicher- und Reservestoffe angelegt werden, um im Frühjahr beim Austrieb zur Verfügung zu stehen. Deshalb haben Laubbäume einen höheren Anteil an Extraktstoffen als Nadelbäume (Ausnahme: Lärche). Zum anderen gibt es die Vielzahl der sekundären Nebenbestandteile, zu denen beispielsweise Kernholzstoffe, Mineralien, Farb- und Gerbstoffe, Harze, ätherische Öle, Reiz- und Giftstoffe zählen. Bis auf wenige Ausnahmen weist das Kernholz mehr Inhaltsstoffe als der Splintholz auf /8/, /17/, /9/. Harze, Terpentine Harze dienen zum Wundverschluss von Pflanzengewebe, härten an der Luft aus und sind hydrophob. Hohe Harzgehalte weisen Koniferen auf. Terpentine sind flüssige Extraktstoffe, die zusammen mit Harzen auftreten und giftig sind /17/. Beide Substanzen werden als Lösungsmittel, Harzleime, Geruchstoffe oder als Terpentinöl wirtschaftlich genutzt /9/. Bei harzreichen Nadelhölzern kann die Sammlung der Extrakte durch Harzung der Bäume erfolgen (Einritzen der Rinden). Terpene Terpene sind chemisch ähnlich aufgebaut wie Harze. Sie schützen die Pflanze vor dem Eindringen von Bakterien und Pilzen. Terpene sind ebenfalls hydrophobe und leicht flüchtige Verbindungen /9/. Gerbstoffe und Wachse Beide Substanzen sind vor allem in der Rinde von Bäumen enthalten, zum thermischen, mechanischen und chemischen Schutz des pflanzlichen Gewebes. Sie erhöhen die Widerstandskraft der Pflanze gegen äußere Eindringliche, wie Pilze und Insekten /9/. Fette, Stärken Fette sind vor allem in Nadelbäumen im Winter in erhöhter Konzentration nachweisbar. Dagegen werden Stärken typischerweise in der Wachstumsphase von Laubbäumen eingelagert und z. T. während des Winters in Fette umgewandelt /14/. Mineralien Mineralien enthalten eine Vielzahl der Makro- und Mikronährstoffe der Pflanzen (z. B. P, Mg, S, K, Si), die unterschiedliche Stoffwechselfunktionen übernehmen.

2.3 Rohstoffeigenschaften

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Der Gehalt an Kieselsäure (Si) hat beispielsweise einen Einfluss auf die Widerstandsfähigkeit gegenüber Insekten (insbesondere bei tropischen Baumarten) /14/. In Tabelle 2.4 sind die organischen Anteile und anorganischen Substanzen (Asche) verschiedener Biomassen auf Trockenmasse bezogen angegeben. Im Vergleich zu halmgutartiger Biomasse (einjährigen Pflanzen) enthalten holzartige Rohstoffe wesentlich geringere Proteingehalte. Tabelle 2.4: Molekulare Bestandteile unterschiedlicher Biomassen (keine Angaben zu fehlenden Massebestandteilen), /8/

Brennstoff

Cellulose Hemicellulose

Holzbrennstoffe (Angaben in Gew.-%) Tanne 42,3 22,5 Kiefer 41,9 21,5 Fichte 41,0 24,3 Esche 40,2 25,0 Buche 45,4 22,2 Birke 40,9 27,1 Pappel 48,4 18,2 Weide 42,9 21,9

Lignin

Harze/Fette

Protein

Asche

28,6 29,5 30,0 26,0 22,7 27,3 21,6 24,7

2,3 3,2 k.A. 2,2 0,7 2,2 2,4 2,0

– – – – – – –

1,2 1,3 k.A. 1,3 1,6 1,8 1,3 1,2

4 3 3 k.A. 13 5

6 6 2 5 11 6

Halmgutartige Brennstoffe (Angaben in % der Trockenmasse (TM)) Weizenstroh 38 29 15 – Präriegras 37 29 19 – Miscanthus 43 24 19 – Zuckerhirse 23 14 11 – Rohrschwingel 25 25 14 – Maisstroh 38 26 19 –

Im Hinblick auf die Angaben zur Molekular- und Elementarzusammensetzung verschiedener Rohstoffe in diesem Kapitel sei darauf hingewiesen, dass diese sowohl zwischen den Biomassearten als auch innerhalb einer Art und sogar bei Betrachtung verschiedener Pflanzenteile einer Pflanze (z. B. Stammholz, Rinde, Nadeln / Blätter, Wurzeln) sehr stark variieren kann. Weiterhin kann es innerhalb einer Vegetationsperiode bzw. in den verschiedenen Entwicklungsabschnitten einer Pflanze zu Schwankungen der Elementarzusammensetzung kommen. Standortspezifische Faktoren wie Klima, Wetter und Boden oder pflanzenbauliche Maßnahmen (z. B. Düngung) beeinflussen die Pflanzensubstanz zusätzlich. Insbesondere bei Biomassen mit einer kurzen Wachstumsphase (z. B. Stroh und Ganzpflanzen) sind deshalb nur eingeschränkt verallgemeinernde Rückschlüsse auf den Elementgehalt anhand der Biomasseart möglich.

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2 Biomassen für die Pelletproduktion

2.3.2 Rohstoffparameter zur Beeinflussung der Pelletqualität Pellets stellen ihrer Definition nach prEN 14588 einen verdichteten Biobrennstoff aus pulverisierter Biomasse dar, die mit oder ohne Additive verpresst wurden, normalerweise eine zylindrische Form haben, mit einer typischen Länge von 5 – 40 mm und gebrochene Enden aufweisen /19/. Aus technischer Sicht eignen sich nahezu alle biogenen Festbrennstoffe zur Pelletierung. Optimale Pelletiererfolge werden jedoch nur erreicht, wenn sich das Rohmaterial in seiner Partikelstruktur / Korngrößenverteilung, dem Wassergehalt und der chemischen Zusammensetzung relativ konstant verhält /10/. Dabei bestimmt die molekulare Zusammensetzung der Biomasse maßgeblich über die natürliche Eignung des Rohmaterials zur Pelletierung, während der Wassergehalt und die physikalisch-mechanischen Eigenschaften des Rohstoffs stattdessen den Aufbereitungsaufwand und die Lagerfähigkeit der Biomasse kennzeichnen. Deshalb werden in Tabelle 2.5 die chemischen Eigenschaften der molekularen Masse des Rohmaterials auf den Pelletierprozess zusammenfassend dargestellt und anschließend insbesondere deren Einfluss auf den Pelletproduktionsprozess erläutert. Zusätzlich wurde die Bedeutung des Wasser- und Rindenanteils des Rohstoffs als Qualitätsparameter aufgenommen. Tabelle 2.5: Ausgewählte Rohstoffparameter zur Beeinflussung der Pelletqualität und des Produktionsprozesses, /7/, /8/, /12/, /13/, /15/, /17/, /20/, /26/

Parameter Auswirkungen Molekulare Zusammensetzung Grundsubstanz ‚ Massenanteile von Cellulose, Hemicellulose und Lignin beeinflussen den Kohlenstoffgehalt des Rohstoff und damit den auf Trockenmasse bezogenen Energiegehalt (Heizwert) der Pellets Cellulose ‚ große Anzahl hydrophiler Gruppen beeinflusst die Wasserauf- und Wasserabnahme des Rohmaterials (Trocknungseigenschaften) Hemicellulose ‚ amorphe Struktur begünstigt die Wasseraufnahme des Rohmaterial, verzögert jedoch die Wasserfreisetzung und damit die Trocknungszeit der Rohmaterialpartikel (Energieaufwand Trocknung) ‚ Quell- und Klebfunktion unterstützt die Pelletierbarkeit des Rohstoffs Lignin ‚ natürliches Presshilfsmittel (Brückenbindung /Klebwirkung); Erhöhung der mechanischen Festigkeit der Pellets ‚ hydrophobe Struktur erhöht die Stabilität der Pellets gegenüber (Luft-) Feuchtigkeit nach dem Aushärten des Lignins im Kühler; Versiegelung der Pelletoberfläche ‚ hoher Ligninanteil des Rohmaterials ist an äußerem Glanz der Pellets erkennbar ‚ Ligninabbau setzt bei ca. 150°C ein (Verlust /Reduzierung der Klebwirkung) und beeinflusst damit die Auswahl der technischen Trocknung (Temperaturniveau) des Rohmaterials

2.3 Rohstoffeigenschaften

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Begleitstoffe / Extrakte: Stärke, Zucker, ‚ natürliche Presshilfs-/ Bindemittel, unterstützen die Bindefähigkeit des Eiweiße Pressgutes durch Klebwirkung Ö Stabilität / mechanische Festigkeit (Abrieb) der Pellets ‚ Durchsatz der Presse / Energieaufwand wird z. T. aufgrund der Schmierfunktion optimiert (z. B. mit Kartoffelstärke), kann jedoch teilweise auch reduziert werden, z. B. bei Melasse (Zucker) Fette, Öle, ‚ Schmierfunktion beeinflusst Durchsatz der Presse / Energieaufwand Harze, Wachse

‚ Abnahme der Stabilität / mechanischen Festigkeit der Pellets ‚ hydrophobe Struktur erhöht auch die Stabilität der Pellets ‚ ‚ ‚

Terpene Mineralien, v.a. K, Ca, Na, Mg, Sia) etc.

gegenüber (Luft-)Feuchtigkeit (vgl. Lignin) natürliche Presshilfsmittel, unterstützen Bindung der Rohstoffpartikel und damit die mechanische Festigkeit (Abrieb) der Pellets Temperaturniveau der Rohstofftrocknung beeinflusst Bindungskräfte / Klebwirkung (hohe Temperaturen begünstigen Selbstentzündungsrisiko, aufgrund leicht flüchtiger Bestandteile) Wachsschicht /-ummantelung von Faserrohstoffen (z. B. bei Getreide) senkt Pelletierbarkeit (und beeinflusst die Auswahl der Zerkleinerungstechnik

‚ leicht flüchtige, z. T. giftige Gase (Lagerung) ‚ anorganische Bestandteile beeinflussen Aschegehalt

und Ascheschmelzverhalten der Pellets ‚ Si erhöht den Abrieb sowie Verschleiß der Pressen (Koller, Matrizen) und Fördersysteme Ausgewählte Bestandteile Wasser ‚ Wassergehalt beeinflusst die Faserlänge beim Zerkleinern und den Trocknungsaufwand ‚ Der optimale Wassergehalt der Späne beeinflusst entscheidend die Festigkeit der Pellets gegen Abrieb ‚ Wassergehalt des Rohstoffs bestimmt den Trocknungsbedarf/-aufwand. ‚ Wassergehalt von Roh- und Brennstoff beeinflusst die Lagerfähigkeit (Pilzwachstum, Lagerverluste, Risiko der Selbstentzündung) des Materials, die Brennstoffmasse und deren Heizwert ‚ Die Zugabe von Wasser als Bindemittel in der Pelletierung verbessert die Gleitfähigkeit zu trockenen Materials, während die Heißdampfzugabe eher zur thermischen Aktivierung der Rohstoff-eigenen oder eingebrachten Bindemittel genutzt wird. Rinde ‚ Der hohe Gehalt an Lignin und Extraktstoffen (Gerbstoffe) macht Rohmaterial empfindlicher gegenüber Druck- und Temperatureinwirkung / Schmierfunktion optimiert Durchsatz der Presse / Energieaufwand ‚ hoher Anteil an Mineralstoffen erhöht Aschegehalt

Grundsubstanz Während Cellulose sich zu 48 % aus Kohlenstoff (52 % O, 6 % H) zusammen setzt, weist Lignin sogar zu 64 % Kohlenstoff (30 % O, 6 % H) auf. Eine adäquate

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2 Biomassen für die Pelletproduktion

Ausweisung der chemischen Zusammensetzung von Hemicellulosen ist aufgrund der großen Heterogenität nicht sinnvoll. Die ungleiche molekulare Zusammensetzung der Rohstoffe beeinflusst den Gesamtkohlenstoffgehalt des Bioenergieträgers und damit dessen auf Trockenmasse bezogenen Energiegehalt. Prinzipiell wurde für Nadelholz ein – im Vergleich zu Laubholz – durchschnittlich etwa 2 % höherer Heizwert festgestellt. Diese Steigerung sowie auch der um weitere 2 % höhere Heizwert der Nadelholzrinde, ist auf den höheren Ligningehalt der Nadelhölzer bzw. z. T. auch auf den erhöhten Gehalt an Extraktstoffen zurückzuführen. Beide Stoffgruppen kennzeichnen sich dadurch, dass ihr Teilheizwert mit ca. 27,0 bzw. 35,9 MJ/kg deutlich höher ist als der für Cellulose (ca. 17,3 MJ/kg) oder Hemicellulosen (ca. 16,2 MJ/kg) /8/. Lignin Da Lignin in abgestorbenen Pflanzen zunehmend aushärtet (trocknet) und damit seine Bindefähigkeit verliert, ist in der Pelletierung eine Aktivierung /Erweichung des Lignins durch Wärmezufuhr möglich. Eine ausreichende Temperaturerhöhung kann bei relativ frischem Rohmaterial z. T. allein durch die Reib- und Druckwirkung des Pressgutes in der Matrize erreicht werden. Technisch unterstützt kann die Aktivierung des Lignins (z. B. bei älterem, länger gelagertem Rohmaterial) durch die Warmwasser- oder Heißdampfzugabe im Konditionierer /1/. Infolge der hydrophoben Struktur (wasserabweisend) des Lignins wird eine zügige Absorption des Wassers (Wassereinbindung) jedoch begrenzt /11/. Deshalb wirkt die Heißdampfzugabe (geringes Wasservolumen, hoher Wärmeeintrag) wahrscheinlich für die Ligninaktivierung optimaler als die Zumischung von Warmwasser. Zudem werden die Verweilzeiten der Pressgutmischung begrenzt. Die Formstabilität und mechanische Festigkeit der Pellets wird nur erreicht, wenn das Pressgut direkt nach der Pelletierung rasch abgekühlt wird, um das zuvor erweichte Lignin bzw. eventuell zugesetzte Bindemittel nun auszuhärten (ÖKühler /7/, /12/, /13/. Die Zulassung von chemisch extrahiertem Lignin (aus der Zellstoffindustrie) zum Einsatz als Presshilfsmittel in der Pelletproduktion wird unterschiedlich gehandhabt und ist von den national geltenden Standards bzw. gesetzlichen Rahmenbedingungen abhängig. In Deutschland sind nur naturbelassene Bindemittel aus land- und forstwirtschaftlicher Biomasse zugelassen, wenn die Pellets in Feuerungsanlagen in den Geltungsbereich der 1. BImSchV fallen /3/, /4/. Stärke, Zucker, Eiweiße Klebwirkung unterstützt Bindung der Rohstoffpartikel beim Pressen. Durch die Zugabe von Presshilfsmitteln auf Basis von Getreide- und Kartoffelstärken oder Melasse wird die natürliche Konzentration der Extraktstoffe im Pressgut erhöht (Stärkung der mechanischen Festigkeit der Pellets) und die Gleitfähigkeit / Schmierfunktion des Pressgutes verbessert /1/. Melasse kann jedoch auch zur Reduzierung der Durchsatzleistung der Presse führen /20/.

2.3 Rohstoffeigenschaften

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Fette, Öle Schmier- und Gleitwirkung der Extraktstoffe kann den Energieaufwand des Pressvorgangs mindern und parallel dazu den Materialdurchsatz durch die Presse erhöhen /20/. Wachse Biomassen, die mit einer Wachsschicht umhüllte Rohstoffoberflächen aufweisen (z B. Getreidepflanzen), weisen ohne Vorbehandlung eine tendenziell schlechtere Pelletierbarkeit gegenüber holzartigen Biomassen auf. Die Auflösung der Wachsschicht ist beispielsweise mit einem Doppelschneckenextruder möglich, der das Rohmaterial zerfasert statt es in Schneid- oder Hammermühlen zu zerkleinern (typisch für Holz). Mit einer parallelen Wasserdampfbehandlung kann dieser Prozess unterstützt werden. Faserpellets weisen in der Regel eine höhere mechanische Festigkeit und einen geringeren Feinanteil als vergleichbare Strohpellets aus Häckselgut auf /7/. Harze Infolge des Temperaturanstieges in der Presse während der Pelletierung (Druck-, Reibkräfte) werden die harzhaltigen Bestandteile des Rohmaterials erweicht und unterstützen durch ihre Klebeigenschaften die mechanische Festigkeit der Pellets (ähnliche Wirkung wie Lignin) /7/. Terpene Bei der Lagerung von Holz kann es durch den leicht flüchtigen Charakter der Terpene zu Ausgasungen kommen, die in abgeschlossenen Lagerräumen zu gesundheitsgefährdenden Konzentration führen kann (zusammen mit CO und Hexanal) /6/. Mineralien Durch mineralische Verunreinigungen (z. B. mit Sand, Steinen etc.) des Rohmaterials während der Lagerung oder dem Transport kann der natürliche Mineralstoffgehalt erhöht werden /26/. Wassergehalt Ein zu hoher Wassergehalt des Ausgangsmaterials vermindert die physikalischmechanischen Eigenschaften der Pellets und insbesondere deren Festigkeit (Abrieb). Die Pellets können rissig werden und quellen infolge des Dampfaustritts unmittelbar nach dem Austritt aus der Presse auf. Diese Qualitätsminderung kann auch bei einem inhomogenen Wassergehalt des Rohmaterials vor der Pelletierung auftreten /27/. Rindenanteil Höherer Anteil an Extrakten und mineralischen Verunreinigungen verstärkt deren damit verbundenen Wirkungen. Der relativ hohe Ligninanteil in der Rinde kann jedoch schon bei geringen Beimischungsquoten in den meisten Fällen eine Verbesserung der Durchsatzleistung der Pelletpresse bewirken /20/. Für den Holzpelleteinsatz stellt die Beimischung des Rindenanteils jedoch ein entscheidendes

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2 Biomassen für die Pelletproduktion

Qualitätskriterium dar, da Rinde einen bedeutend höheren Gehalt an Schwermetallen und Asche enthält. Neben dem Ausschlusskriterium des Rindenanteils kann aber auch der regional- und witterungsbedingte Aufwuchsort eines Baumes eine natürlich erhöhte Konzentration von spezifischen Elementargehalten wie Alkalien / Erdalkalien (z. B. K, Ca, Mg) und Metallen (z. B. Si, Fe, Zn, Cd, Pb) verursachen, die das Holzrohmaterial für die Premiumpelletproduktion als kritisch bis unbrauchbar einstufen lassen, da sie zu technischen Problemen beim Einsatz in KFA führen können. Zur Qualitätssicherung des Rohstoffinputs werden deshalb Schnelltestverfahren und Laboranalysen genutzt, die die wesentlichen Holzeigenschaften im Anlieferungszustand analysieren und protokollieren. Die Häufigkeit dieser Qualitätsnachweise wird vertraglich geregelt; zusätzlich sollten Rückstellproben im Pelletwerk von jeder Lieferung Rohmaterial genommen werden.

Literaturverzeichnis

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2 Biomassen für die Pelletproduktion

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3 Verbrennungstechnische Eigenschaften ......................................................... 36 3.1 Grundlagen der Verbrennung .................................................................... 36 3.2 Physikalisch-mechanische Brennstoffeigenschaften ................................. 41 3.3 Chemisch-stoffliche Brennstoffeigenschaften ........................................... 45 3.3.1 Energieträgerspezifische Einflussgrößen ........................................... 47 3.3.2 Verbrennungsprodukte beeinflussende Eigenschaften ....................... 53 Literaturverzeichnis ......................................................................................... 56

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3 Verbrennungstechnische Eigenschaften

3 Verbrennungstechnische Eigenschaften

3.1 Grundlagen der Verbrennung Als Verbrennung wird die Oxidation eines Brennstoffs unter Energiefreisetzung verstanden. Kohlenstoff (C) bzw. Wasserstoff (H) werden in Gegenwart von Sauerstoff (O) zu Kohlenstoffdioxid (CO2) bzw. Wasser (H2O) oxidiert. Chemisch gesehen lässt sich die Oxidation von Holz durch folgende Reaktionsgleichung beschreiben /10/, /15/:

CH1,44 O0,66 + 1,04 O2 Ö CO2 + 0,72 H2O(Dampf) + Energie(Wärme) Bei einer vollständigen Oxidation aller oxidierbarer Bestandteile, spricht man von einer vollständigen Verbrennung. Die Luftüberschusszahl O muss dabei immer gleich oder größer eins sein (O t 1). Bei einer unvollständigen Verbrennung, d. h. bei O d 1, verbleiben nach Ablauf der Oxidationsreaktion noch un- oder teiloxidierte Brennstoffmengen, die anschließend unter Energiefreisetzung weiter oxidiert werden können. Voraussetzungen für eine vollständige Verbrennung ist eine hohe Verbrennungstemperatur, eine gute Vermischung der brennbaren Gase mit der Verbrennungsluft, ein kleiner Luftüberschuss und eine ausreichende Aufenthaltszeit der Brennstoffteilchen in der heißen Verbrennungszone. Der Ablauf der Oxidation von Festbrennstoffen kann in mehrere Prozessphasen gegliedert werden, die zum Teil gleichzeitig, zum Teil nacheinander ablaufen. In Abb. 3.1 ist die Verbrennung von Holz schematisch dargestellt und wird nachfolgend beschrieben /10/, /15/, /16/, /22/, /23/, /28/: – –

Mit dem Eintritt der Biomasse in den Feuerraum beginnt das Aufheizen (Erwärmung) des Brennstoffs durch Rückstrahlung von Flamme, Glutbett und Feuerraumwänden. Ab ca. 100°C setzt die Trocknung des Brennstoffs durch Verdampfung und Wegtransport des Wassers ein. Dabei wird das Wasser sowohl aus der porösen Struktur des organischen Materials als auch aus dem Inneren der Zellen (bei höheren Temperaturen) ausgetrieben.

S. Döring, Pellets als Energieträger, DOI 10.1007/978-3-642-01624-0_3, © Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2011

3.1 Grundlagen der Verbrennung

–

–

–

–

37

Während die Biomasse im Innern noch trocknet, beginnt ab einer Oberflächentemperatur von etwa 200°C die pyrolytische Zersetzung mit der Aufspaltung der Makromoleküle (d. h. Cellulose, Hemizellulose, Lignin). Dabei werden die flüchtigen Bestandteile (CO, CH4, H2ODampf etc.), Teere und organischen Dämpfe / Aromate an die Holzoberfläche transportiert und freigesetzt. Übrig bleibt fester Kohlenstoff (Holzkohle). Bei etwa 500°C beginnt die Vergasung des festen Kohlenstoffs (etwa 15 – 20 % der Biomasse) mit Kohlenstoffdioxid, Wasserdampf und Sauerstoff zu Kohlenstoffmonoxid. Parallel dazu vermischen sich die flüchtigen Verbindungen (etwa 80 – 85 %) mit dem zugeführten Sauerstoff und eine homogene Verbrennungsreaktion der Gase setzt ein. Die Oxidation der Holzkohle beginnt bei etwa 700°C mit einer heterogenen Gas-Feststoff-Reaktion, weshalb diese Phase bedeutend langsamer als die Verbrennung der Gase im Feuerraum abläuft. Je nach Brennstoff und Feuerungssystem steigen die Temperaturen in Holzfeuerungsanlagen während der 2-stufigen Verbrennung auf bis zu 1.500°C (max. 2.000°C, typischerweise jedoch zwischen 900 – 1.300°C) in der Hauptreaktionszone und liegen die Temperaturen bei 600 – 700°C am Ende der Brennkammer. Die hohen Temperaturen in der Brennkammer sind auf die exotherm verlaufende Oxidationsreaktion der bei der pyrolytischen Zersetzung gebildeten Produkte mit Sauerstoff zurückzuführen und begünstigen die Wärmeübertragung der Flammen an die umliegenden Wände der Feuerungsanlage (Wärmetauscher). Es verbleiben als wesentliche Bestandteile des Abgases Kohlenstoffdioxid (CO2) und Wasserdampf (H2ODampf) sowie ein geringer Anteil an unverbrannten Bestandteilen in der Asche zurück.

Die geschilderten Verbrennungsvorgänge laufen in Abhängigkeit von den lokalen Temperaturen in verschiedenen Bereichen des Brennstoffs gleichzeitig ab. Die Reaktionsgeschwindigkeit hängt vor allem von der Größe der Brennstoffteile und von der Temperatur in der Feuerung ab. Bei automatisch beschickten Feuerungsanlagen finden zu jedem Zeitpunkt die beschriebenen Vorgänge parallel statt, da sowohl kontinuierlich neuer Brennstoff im Feuerraum zugeführt wird, als auch bereits entgaster Brennstoff in Form von Holzkohle vorhanden ist und verbrennt. Versucht man den thermochemischen Verbrennungsprozess in Bezug auf die thermische Zersetzung der Molekularstruktur der Biomasse nachzuvollziehen, beginnt die irreversible Zerstörung der ersten Makromoleküle mit der Erwärmung des Brennstoffs in einem Temperaturbereich zwischen 150 – 200°C (Abb. 3-2). In Abhängigkeit von der Aufheizrate (K/min) und dem Rohstoff wird zunehmend pflanzliche Substanz abgebaut, bis nur noch fester Kohlenstoff (Holzkohle) verbleibt. Die Massenanteile der dabei freigesetzten gasförmigen Zersetzungsprodukte (CO2, H20, CH4 etc.) werden von den Rohstoff-spezifischen Anteilen an Cellulose, Hemizellulose und Lignin bestimmt. Nach Durchschreiten des Temperaturbereiches von etwa 320 - 340°C ist bei Holz bereits etwa 30 % Gewichtsverlust zu verzeichnen, bei 400°C wird die maximale Freisetzung von Gasen und Dämpfen (Abbau von Flüchtigen Bestandteilen, Abb. 3.8) und auch des

38

3 Verbrennungstechnische Eigenschaften

Celluloseabbaus erreicht, der bei etwa 450°C beendet ist. Die Biomasse markiert einen Gewichtsverlust von etwa 70 %. Mit der weiteren Erwärmung der Biomasse erfolgt der noch verbliebene Ligninabbau bis zu einer Temperatur von etwa 700°C. Anschließend setzt die Oxidation (Verbrennung) der Holzkohle ein /10/.

Abb. 3.1: Abbrandverhalten von Holz (nicht dargestellt ist der parallel zum Gasausbrand ablaufende Abbrand des Kohlenstoffs mit Primärluft), /5/

Der genaue Ablauf des thermo-chemischen Umwandlungsprozesses wird bei biogenen Festbrennstoffen wesentlich durch die brennstoffspezifischen Eigenschaften beeinflusst. Das gilt insbesondere für die Prozesse, die der Schadstoffbildung zugrunde liegen. Bei der thermischen Umwandlung muss daher den jeweiligen Besonderheiten des verwendeten Brennstoffs adäquat Rechnung getragen werden /10/. Hierfür ist es sinnvoll den Brennstoff (die Pellets) sowohl nach seiner Herkunft bzw. der Rohstoffart als auch nach dessen Brennstoffeigenschaften mittels qualitativer Kennwerte zu beschreiben.

3.1 Grundlagen der Verbrennung

39

Abb. 3.2: Thermische Zersetzung von Holz und seinen Bestandteilen Cellulose, Hemizellulose und Lignin in Abhängigkeit von der Temperatur, /10/

In Tabelle 3.1 werden deshalb nicht nur die Zusammensetzung und Merkmale biogener Festbrennstoffe diskutiert und ihre Auswirkungen auf den Verbrennungsprozess zusammengestellt. Für einen ganzheitlichen Ansatz zur Bewertung eines Versorgungskonzeptes sollten jedoch zusätzliche Faktoren vor- und nachgelagerter Prozesse in die Betrachtung einfließen, wie z. B. die Betriebsart der Anlage, die Brennstoffbereitstellung (Transport, Lagerung) und die Ascheverwertung. So kann beispielsweise ein zu hoher Wassergehalt des Brennstoffs nicht nur Wirkungsgradverluste der Feuerungsanlage verursachen, sondern auch erhöhte Substanzverluste während der Lagerung und einen Pilzbefall des Brennstoffs begünstigen, womit gesundheitsgefährdende Emissionen verbunden sein können. Aus den Brennstoff-charakterisierenden Kenngrößen und Qualitätsmerkmalen lassen sich Aussagen zur Funktionalität der Kombination von Brennstoff und Feuerungsanlage sowie zum Verlauf der thermochemischen Konversion ableiten. Dabei beeinflussen die energieträgerspezifischen bzw. verbrennungstechnischen Eigenschaften den Energieinhalt und das Abbrandverhalten eines Brennstoffes, die chemische Zusammensetzung mögliche Emissionen sowie die Aschecharakteristika. Im Unterschied dazu ist die Angabe der physikalisch-mechanischen Eigenschaften für die Auswahl bzw. Eignung der Verbrennungstechnik sowie für die Lagerung und den Transport relevant /9/, /26/.

40

3 Verbrennungstechnische Eigenschaften

Tabelle 3.1: Zusammensetzung und qualitative Eigenschaften von Biomassepellets sowie deren Auswirkungen auf die Verbrennung, /3/, /5/, /8/, /10/, /11/, /13/, /14/, /25/

Parameter

Auswirkungen

Physikalisch- mechanische Brennstoffeigenschaften Stückigkeit / Brennstoffform (Abmessungen, Geometrie) Partikel- und Faserstruktur

Zuordnung zu mechanischen Systemen (Fördersystemen) und Feuerungsanlagentypen; Zündfähigkeit, Ausbrennzeit

Stückigkeit, Mahlbarkeit (Auswahl und Auslegung der Zerkleinerungstechnik zur Brennstoffaufbereitung für die Pelletierung bzw. zur Brennstoffeinbringung in den Feuerraum) Größenverteilung / Homogenität des Brennstoffs, Rieselfähigkeit, BrückenbildungsFeinanteil neigung, Störung der Förderelemente, Betriebskontinuität; Abbrandverhalten, Staubentwicklung / Explosionsgefahr Abriebfestigkeit Feinanteil (Förderverhalten, Entmischungsgefahr, Staubentwicklung, Transportverluste) Lagerdichte (Schütt- Auswahl, Dimensionierung und Aufwendungen der Lager-, Förderbzw. Stapeldichte) und Transporttechnik sowie der Vorratsbehälter Rohdichte (TeilLagerdichte, Auswahl und Dimensionierung der Fördersysteme; chendichte) energieträgerspezifische Eigenschaften (spezifische Wärmeleitfähigkeit, Ausbrennzeit / Entgasungsrate, etc.) Chemisch-stoffliche Brennstoffeigenschaften Wassergehalt

Trocknungsbedarf des Brennstoffs; Lagerfähigkeit (Pilzwachstum, Lagerverluste) des Brennstoff, Risiko der Selbstentzündung; Brennstoffmasse, Heizwert, Verbrennungstemperatur, Ausbrennzeit Heizwert, Brennwert Energiegehalt des Brennstoffs; Dimensionierung der Feuerungsanlage und des Lagers Flüchtige Bestandthermischen Zersetzung, Verbrennungsverhalten / Zündfreudigkeit teile des Brennstoffs Aschegehalt Partikelemissionen (Staub), Dimensionierung der Feuerungsanlage; Ascheanfall / Verschlackungsgefahr, Ascheverwertung und – entsorgung; Reinigungsbedarf, Bedienkomfort Ascheerweichungsverhalten

Neigung zu Ablagerungen und Verschlackung, Auswahl der Feuerungsanlage (z. B. Rostauslegung und -kühlung); Betriebssicherheit und –kontinuität, Wartungsbedarf

3.2 Physikalisch-mechanische Brennstoffeigenschaften

41

Tabelle 3.1 (Fortsetzung)

Kohlenstoff (C), Wasserstoff (H), Sauerstoff (O) Stickstoff (N) Schwefel (S)

Chlor (Cl)

Phosphor (P)

Energiegehalt des Brennstoffs; Luftbedarf während der Verbrennung; Zusammensetzung der Konversionsprodukte (Produkt- bzw. Abgas) und der Asche Abgasemissionen (NOx, HCN, N2O, N3H) Abgasemissionen (SOx, SO2, SO3 / H2SO4); Aerosolbildung (Feinstaub); erhöhte Korrosionsgefahr Abgasemissionen (HCl, Cl2, Dioxine & Furane PCDD/F); Aerosolbildung (Feinstaub); erhöhte Korrosionsgefahr; Verschlackung im Zusammenwirken mit Alkali-/Erdalkalimetallen Schadstoffeinbindung in der Asche/ Ascheverwertung (Düngewert)

Alkali- / Erdalkalimetalle (K, Ca, Mg, Na)

Ascheerweichungsverhalten (K und Na senken, Ca und Mg heben Ascheerweichungstemp.); Schadstoffeinbindung in die Asche (Ca, Mg); Ascheverwertung (Düngewert: Ca, K, Mg); Hochtemperaturkorrosion (K); Feinstaubemissionen / Aerosolbildung (K, Na) Spurenelemente, v.a. Abrieb an Förderanlagen; Metalle Ascheerweichungsverhalten (Si), Aschemenge, -qualität und – (Fe, Zn, Al, Cd, Cu, verwertung; Cr, Ni, Hg, Pb, Si, Aerosolbildung (Zn, Pb), z. T. katalytische Wirkung auf PCDD/FAs) Bildung

3.2 Physikalisch-mechanische Brennstoffeigenschaften Die physikalisch-mechanischen Eigenschaften kennzeichnen die äußeren Brennstoffmerkmale, die sich u. a. durch Parameter wie Größenverteilung, Feinanteil, Brückenbildungsneigung, Schütt– und Lagerdichte beschreiben lassen. Diese Merkmale werden wesentlich von den Rohstoffbereitstellungs- (Ernte) und Aufbreitungstechnologien (bei Pellets: Zerkleinern, Konditionieren, Pelletierung) bestimmt und lassen sich somit an die jeweiligen Brennstoffanforderungen anpassen. Die Brennstoffbeschaffenheit hat einen entscheidenden Einfluss auf die Handhabbarkeit des Brennstoffs bei Transport- und Lagervorgängen /8/, /10/.

42

3 Verbrennungstechnische Eigenschaften

Brückenbildungsneigung Korngrößenverteilung

Abriebfestigkeit (Presslinge)

Heizwert

Aschegehalt

Wassergehalt

Verunreinigungen

Schüttdichte

Ascheerweichungsverhalten

Rohdichte Abb. 3.3: Wechselwirkungen physikalisch-mechanischer Brennstoffeigenschaften und chemisch-stofflicher Kennwerte, /10/

Stückigkeit, Brennstoffform Pellets haben entsprechend ihrer Definition nach prEN 14588 normalerweise eine zylindrischen Form mit einer typischen Länge von 5 – 40 mm und einen Durchmesser < 25 mm (DIN EN 14961-1) /4/, /19/. Briketts grenzen sich gegenüber Pellets durch ihren größeren Durchmesser (t 25 mm) sowie die überwiegend stapelbare, längliche Form ab/2/, /19/. Entsprechend den EU-Produktstandards prEN 14961-2 (für Holzpellets) und prEN 14961-6 (für Nicht-Holzpellets) werden als Brennstoff für den Einsatz in Feuerungsanlagen im kleinen und mittleren Leistungsbereich Pellets mit einem Durchmesser von 6 oder 8 mm Durchmesser bezeichnet /19/, /20/. In Deutschland und Österreich haben sich in diesem Leistungsbereich seit längerem die 6 mm-Pellets etabliert, während in Skandinavien und Frankreich auch andere Pelletdurchmesser verwendet werden. Größenverteilung und Feinanteil (Abriebfestigkeit) Für die mechanischen Entnahme–, Förder– und Beschickungssysteme von Konversionsanlagen ist besonders die Pelletlängenverteilung sowie der Feinanteil im Schüttgut und somit neben der mittleren Teilchenlänge auch die Anteile einzelner Größenklassen und vor allem die Maximallänge der Pellets von Bedeutung /5/. Deshalb wurde bei der Standardisierung von Pellets die Größen-/Längenverteilung des Brennstoffs als ein Qualitätskennwert definiert1 /19/. Der Feinanteil eines Brennstoffs ist das Maß für dessen Abriebfestigkeit und gibt Aufschluss über die Robustheit des Brennstoffs (d. h. Staubentwicklung, Zerfall und Entmischung) gegenüber mechanischen Beanspruchungen, wie beispielsweise bei Umschlag-, Transportprozessen (Tabelle 3.2). Die 1 nach prEN 14961-2 müssen Pellets für die nicht-industrielle Nutzung eine Mindestlänge von 3,15 mm und höchstens 40 mm haben, wobei 1 % der Pellets diese Längenbegrenzung bis maximal 45 mm überschreiten darf

3.2 Physikalisch-mechanische Brennstoffeigenschaften

43

Bruchenden der Pellets stellen die bedeutendste Ursache für einen erhöhten Feinanteil dar, weshalb die Abriebfestigkeit mit der Anzahl der Pellets pro kg korreliert /13/. Tabelle 3.2: Richtwerte zur überschlägigen Kalkulation des Feingutanfalls entsprechend der eingesetzten Logistik- bzw. Transporttechnologie, /1/

Transportfahrzeug bzw. Umschlagvorgänge

Entfernung / Entladung in

Silopumpwagen 50 km LKW mit pneumatischer Entladerampe 100 km LKW ohne automatische Entladerampe 100 km Schüttgutwagons der Bahn inkl. Be- und 400 km Entladung Binnenschiffstransport inkl. Be- und Entladung (1.000-5.000 t Zuladung) Hochseeschiffstransport inkl. Be- und Entladung (bis zu 15.000 t Zuladung) Umschlagprozesse je 1 t Holzpellets: Automatische Abfüllung von LKW aus Hochsilolager Umschlag Freifläche/Lager auf LKW Umschlag von LKW auf Zug Umschlag von LKW auf Binnenschiff mit Zwischenlagerung Umschlag von LKW auf Hochseeschiff mit Zwischenlagerung Umschlag von Zug auf Hochseeschiff a)

Erhöhung des Feingutanteils um (Spannbreiten von - bis in %)a) 0,3 – 0,5 % 0,5 – 0,8 % 0,3 – 0,5 % 0,5 – 1,0 % 1,5 – 2,5 % 1,5 - 3,5 %

0,3 – 0,5 % 1,5 – 3,5 % 0,5 – 1,5 % 1,5 – 3,5 % 1,5 – 3,5 % 1,5 – 3,5 %

Spannbreiten in Abhängigkeit von der Umschlagtechnik

Brückenbildungsneigung (Rieselfähigkeit) Bei der Entnahme von Pellets (Schüttgut) aus Silos oder Vorratsbehältern kann es zur Bildung von unerwünschten Hohlräumen (so genannten Brücken oder Schächten) kommen. Das heißt, dass der Brennstoff nicht mehr nachrutscht und somit das Fördersystem keinen Brennstoff zur Feuerungsanlage transportieren kann. Die Brückenbildungsneigung eines Brennstoffs nimmt mit dem Wassergehalt, der Schütthöhe und mit der steigenden Anzahl heterogener Teilchen zu. Gleichmäßige Partikelgrößen / Pelletlängen sowie glatte Oberflächen vermindern das Risiko der Brückenbildung /8/, /10/.

44

3 Verbrennungstechnische Eigenschaften

Brückenbildung

Schachtbildung

Abb. 3.4: Brücke-und-Schacht.cdrPhänomene ungünstiger Fließfähigkeit von Schüttgütern, /10/

Partikel- und Faserstruktur (Mahlbarkeit) Die Partikel- und Faserstruktur der Rohstoffteilchen ist bei Pellets vor allem beim Aufmahlen des Brennstoffs zum Einsatz im Kraftwerkssektor mit Staubrennern, Einblas- oder Wirbelschichtfeuerung von Bedeutung. Mit Hilfe von Brennstoffmühlen (Schneid- und Hammermühlen) werden Pellets auf einen ähnlichen Zerkleinerungsgrad wie die eingesetzten fossilen Brennstoffe (i. d. R. Kohle) zermahlen und damit eine parallele oder gemeinsame Brennstoffzuführung in den Feuerraum zu ermöglichen. Die Mahlbarkeit der Pellets wird vor allem vom Wassergehalt und der mechanischen Festigkeit des Brennstoffs sowie von der Faserstruktur und Geometrie der verpressten Rohstoffteilchen bestimmt. Eine Balance zwischen guter Mahlbarkeit der Pellets und hoher Lagerdichte ist zu beachten /23/, /25/. Roh- und Lagerdichte Die Dichte eines Festbrennstoffs kann entsprechend verschiedener Kriterien in Roh– und Lagerdichte (Schütt- bzw. Stapeldichte) unterschieden werden. Die Rohdichte beschreibt die eigentliche Materialdichte des Brennstoffs (Tabelle 3.3). In Bezug auf die Lagerung und den Transport ist weiterhin die Schütt- bzw. die Stapeldichte des Brennstoffs von Relevanz, welche das erforderliche Lager- und Transportvolumen bestimmt.

3.3 Chemisch-stoffliche Brennstoffeigenschaften

45

Tabelle 3.3: Rohdichten von absolut trockenem Holz („Darrdichte“), /10/

Weichhölzer (bis 550 kg/m3) Fichte 430 kg/m3 Tanne 410 kg/m3 Weißkiefer 490 kg/m3 Douglasie 470 kg/m3 Lärche 550 kg/m3 Erle 490 kg/m3 Linde 490 kg/m3 Aspe/Espe/Zitterpappel 450 kg/m3 Pappel 410 kg/m3 Weide 520 kg/m3

Harthölzer (über 550 kg/m3) Eiche 670 kg/m3 Bergahorn 500 kg/m3 Esche 670 kg/m3 Buche 680 kg/m3 Birke 640 kg/m3 Hainbuche/Weißbuche 750 kg/m3 Schwarzkiefer 560 kg/m3 Hasel 560 kg/m3 Robinie 730 kg/m3 Ulme 640 kg/m3

Biogene Rohstoffe weisen im Allgemeinen im Vergleich zu fossilen Energieträgern bedeutend geringere Roh– bzw. Lagerdichten auf, während die Schüttdichte von Holzpellets (650 kg/m³) bereits die untere Schwankungsbreite von Kohle erreicht (500 – 600 kg/m³ Braunkohle; 720 – 810 kg/m³ Steinkohle). Jedoch spielt bei einem Brennstoffvergleich auch immer die Energiedichte (d. h. Energieinhalt / Volumen in Abhängigkeit von der Rohdichte) eine entscheidende Rolle. Sie bestimmt maßgeblich das bereitzustellende Brennstoffvolumen zur Erzeugung einer definierten Energiemenge /8/, /10/, /25/. Tabelle 3.4: Typische Lagerdichten biogener Festbrennstoffe (geschüttet bzw. gestapelt) bei einem Wassergehalt von 15 %, /10/

Holzbrennstoffe

Halmgutbrennstoffe

Scheitholz (gestapelt) Hackgut

Dichte in kg/m3 Buche 445 Fichte 305 Weichholz 200 Hartholz 280

Rundballen

Nadelholz

Häckselgut

Rinde Sägemehl Hobelspäne Pellets

175 160 90 650

Quaderballen

Stroh Heu Stroh, Miscanthus Heu Getreideganzpflanzen Miscanthus Getreideganzpflanzen

Getreidekörner Pellets

Dichte in kg/m3 85 100 140 160 190 110 150 750 550

3.3 Chemisch-stoffliche Brennstoffeigenschaften Die wesentlichen Bestandteile von Festbrennstoffen sind Kohlenstoff (C), Wasserstoff (H) und Sauerstoff (O), die den Heizwert und damit den Energieinhalt des

46

3 Verbrennungstechnische Eigenschaften

(trockenen) Brennstoffes bestimmen (Tabelle 3.5). Biogene Brennstoffe weisen im Vergleich zu fossilen Bioenergieträgern bedeutend höhere Sauerstoff- und niedrigere Kohlenstoffgehalte auf. Tabelle 3.5: Gehalte an Hauptelementen in naturbelassenen Biomasse-Festbrennstoffen im Vergleich zu Stein- und Braunkohle, /4/, /10/

Brennstoff/Biomasseart

C

H

O

WRHa (Nadelholz) WRHa (Laubholz)

51,0 49,0 52,0 52,0 51,0 51,0

6,3 6,2 5,9 5,8 6,0 6,0

42,0 44,0 38,0 38,0 40,0 40,0

0,10 0,10 0,50 0,30 0,50 0,50

0,04 0,08 0,20 0,20 0,20 0,15

0,09 0,12 0,50 1,50 0,50 0,40

0,015 0,006 0,02 0,01 0,10 0,04 0,05 0,04 0,08 0,05 0,025 0,03

Fichtenholz (mit Rinde) Buchenholz (mit Rinde) Pappelholz (Kurzumtrieb) Weidenholz (Kurzumtrieb) Roggenstroh Weizenstroh Triticalestroh Gerstenstroh Rapsstroh Maisstroh Sonnenblumenstroh Hanfstroh

49,8 47,9 48,0 48,0 46,6 45,6 43,9 47,5 48,0 45,7 42,5 46,1

6,3 6,2 6,2 6,1 6,0 5,8 5,9 5,8 6,0 5,3 5,1 5,9

43,2 45,2 43,0 43,0 42,1 42,4 43,8 41,4 41,0 41,7 39,1 42,5

0,13 0,22 0,40 0,50 0,55 0,48 0,42 0,46 0,80 0,65 1,11 0,74

0,13 0,15 0,25 0,25 1,68 1,01 1,05 1,38 1,00

0,70 0,29 0,50 0,50 0,36 0,31 0,31 0,49 1,50

0,08 0,04 0,05 0,05 0,06 0,10 0,05 0,07 0,07

5,00 1,54

0,015 0,005 0,015 0,006 0,03 < 0,01 0,05 0,03 0,085 0,40 0,082 0,19 0,056 0,27 0,089 0,40 0,30 0,50 0,12 0,35 1,90 0,21 0,20 0,15 0,81 1,34 0,20 0,25 0,10 0,20

Roggenganzpflanzen Weizenganzpflanzen Triticaleganzpflanzen

48,0 5,8 45,2 6,4 44,0 6,0

40,9 42,9 44,6

1,14 1,41 1,08

1,11 0,71 0,90

0,07 0,28 0,21 0,12 0,24 0,19 0,09 0,22

0,11 0,12 0,18

0,34 0,09 0,14

Roggenkörner Weizenkörner Triticalekörner Rapskörner

45,7 43,6 43,5 60,0

6,4 6,5 6,4 7,1

44,0 44,9 46,4 23,0

1,91 2,28 1,68 3,80

0,66 0,46 0,62 0,84

0,17 0,49 0,05 0,13 0,39 0,06 0,10 0,35 0,50 0,26 0,73

0,11 0,12 0,11 0,10

0,16 0,04 0,07 0,07

Miscanthus Gras (Heu), gemischt

47,0 6,1 46,0 5,9

42,0 40,0

0,70 1,3

0,70 1,50

0,20 0,06 0,05 0,35 0,17 1,50

0,20 0,20

0,20 0,70

Nadelholz (ohne Rinde) Laubholz (ohne Rinde) Rinde (Nadelholz) Rinde (Laubholz)

a

N K Ca Mg P in % der Trockenmasse

S

Cl

< 0,02 0,02 0,03 0,03 < 0,02 0,04

0,01 0,01 0,02 0,02 0,01 0,01

0,03 0,04 0,10 0,08 0,15 0,10 0,08 0,21 0,10

WRH - Wald(rest)holz

Bestimmte Brennstoffeigenschaften einer Biomasse können allein durch die Auswertung der spezifischen Laboranalysen des Rohmaterials abgeleitet werden und somit auf besonders günstige oder ungünstige Verbrennungscharakteristika deuten. Laborergebnisse mit Messwerten außerhalb des Biomasse-spezifischen Kenndatenbereiches lassen häufig auf bewusste oder unbewusste Verunreinigungen / Beimischungen oder Art-untypische Aufwuchsbedingungen (Boden, Klima

3.3 Chemisch-stoffliche Brennstoffeigenschaften

47

etc.) schließen. So können z. B. erhöhte N, S oder Cl-Gehalte ein Anzeichen für chemische Verunreinigungen durch Insektizide, Leime, Lacke, Holzkonservierungsstoffe oder unzulässige Presshilfsmittel sein. Die im Folgenden zusammengefassten energieträgerspezifischen Eigenschaften von Festbrennstoffen sind primär für die thermochemische Umwandlung relevant und hängen stark von der Elementarzusammensetzung des betrachteten Brennstoffs ab.

3.3.1 Energieträgerspezifische Einflussgrößen Die nachfolgend beschriebenen energieträgerspezifischen Eigenschaften sind primär für die thermochemische Umwandlung eines Festbrennstoffs relevant und hängen stark von dessen Elementarzusammensetzung ab. Wassergehalt Die im Brennstoff enthaltene Wassermenge wird bei Festbrennstoffen üblicherweise mit dem Wassergehalt angegeben. Dabei wird die enthaltene Wassermasse auf die Gesamtmasse des feuchten Brennstoffs bezogen /5/. Der Wassergehalt von Pellets wird von den Konditionen während der Pelletierung (Wassergehalt des Pressgutes) sowie der Pelletlagerung einschließlich der Lagerdauer bestimmt. Üblicher Weise liegt er zwischen 8 bis 12 %. Da in der Regel biologische Ab- und Umbauprozesse von Biomassen erst bei Wassergehalten von deutlich über 16 % angeregt werden – verbunden mit Energieverlusten – besteht bei Pellets keine akute Gefahr. Dennoch sollte die aus einer Erhöhung des Wassergehaltes resultierende Neigung des Brennstoffs zur Selbsterwärmung und Selbstentzündung nicht außer Acht gelassen werden /10/. In Bezug auf die thermochemische Konversion ist ein geringer Wassergehalt vorteilhaft, da der nutzbare Energieinhalt eines Brennstoffes bezogen auf dessen Gesamtmasse mit dessen Wassergehalt sinkt (vgl. Heizwert /Brennwert) /7/. Zwischen dem Wassergehalt und dem Heizwert eines Brennstoffs besteht ein linearer Zusammenhang. In Abb. 3.5 wird deutlich, dass beispielsweise der Heizwert von Holz (hier 18,5 MJ/kg) mit zunehmenden Wassergehalt bzw. ansteigender Brennstofffeuchte linear abnimmt. Bei rund 88 % Wassergehalt bzw. 730 % Brennstofffeuchte sinkt er gegen Null. Der Wassergehalt einer Biomasse beeinflusst den Energiegehalt wesentlich mehr als die Biomasseart /10/.

48

3 Verbrennungstechnische Eigenschaften

Abb. 3.5: Unterschied zwischen Heizwert und Brennwert bei variierenden Wassergehalten eines Holzbrennstoffs, /10/

Heizwert/Brennwert Der Heizwert Hu und der Brennwert Ho werden in der internationalen Normung mit qnet (engl. net calorific value) und qgr (engl. gross calorific value) zur Bezeichnung des Energieinhaltes von Brennstoffen verwendet. Unter dem Heizwert wird die Wärmemenge verstanden, die bei der vollständigen Oxidation eines Brennstoffes ohne Berücksichtigung der Kondensationswärme des im Rauchgas befindlichen Wasserdampfes freigesetzt wird (d. h., das bei der Verbrennung gebildete Wasser im gasförmigem Zustand wird nicht berücksichtigt). Der Brennwert gibt die bei vollständiger Oxidation einer bestimmten Brennstoffmenge freigesetzte Wärmemenge an, unter Berücksichtigung der Reaktionswärme des im Rauchgas kondensierten Wasserdampfes. Bei festen und flüssigen Brennstoffen wird der Brennwert auf 1 kg Brennstoff, bei gasförmigen auf 1 m³ Gas unter Normbedingungen (0°C; 1013,2 mbar) bezogen. Die Differenz zwischen Brennwert und Heizwert entspricht der Verdampfungsenthalpie des entsprechenden Wasserdampfes bei 25 °C (2442 kJ/kg) /8/, /24/. Nachfolgend wird nach Kaltschmitt et al. (/10/) eine Näherungsformel zur Berechnung des auf Trockenmasse bezogenen Heizwertes Hu von biogenen Festbrennstoffen angegeben (Gleichung 3.1), deren mittlerer Fehler etwa 4 % entspricht. (3.1) Hu (wf) = 34,8 C + 93,9 H + 10,5 S + 6,3 N – 10,8 O Für die Ermittlung des Brennwertes Ho wurde die Gleichung 3.2 abgeleitet. Deren Ergebnis wird in kJ/kg ausgegeben, wenn für Kohlenstoff (C), Wasserstoff (H) und Stickstoff (N) die Werte in Massen-% aus der Elementaranalyse der trockenen Biomasse eingesetzt werden. Ho (wf) = 1,87 C2 – 144 C – 2802 H + 63,8 C H + 129 N + 20147

(3.2)

3.3 Chemisch-stoffliche Brennstoffeigenschaften

49

Der Heizwert trockener biogener Festbrennstoffe wird demnach hauptsächlich durch den Gehalt an oxidierbaren Elementen (primär Kohlenstoff und Wasserstoff) bestimmt. Zusätzlich wird durch die Oxidation bestimmter Hauptnährstoffe Energie freigesetzt (z. B. Schwefel, Stickstoff). Aufgrund der meist geringen Konzentrationen derartiger Elemente in biogenen Festbrennstoffen wird davon der Heizwert i. Allg. kaum beeinflusst. Dagegen reduziert der Sauerstoffgehalt des Brennstoffs – insgesamt gesehen – dessen Heizwert, da die oxidierbaren Komponenten in sauerstoffhaltigen Verbindungen bereits in einer höheren Oxidationsstufe vorliegen und oft nur eingeschränkt unter Energieabgabe weiter oxidiert werden können /10/. Für die Umrechnung des Heizwertes in den Brennwert der Biomasse kann Gleichung 3.3 herangezogen werden. Dabei ist Hu der Heizwert der Biomasse (in MJ/kg) bei einem bestimmten Wassergehalt w (in %). Hu (wf) ist der Heizwert der biogenen Trockenmasse im "wasserfreien" (absolut trockenen) Zustand. Die Konstante 2,443 resultiert aus der Verdampfungswärme des Wassers in MJ/kg, bezogen auf 25 °C /10/.

Hu

H u (wf) (100  w)  2,443 w

(3.3)

100

Da der Heizwert wesentlich vom Wassergehalt der Biomasse beeinflusst wird, nimmt beispielsweise der Heizwert von Holz und damit auch die bei der thermochemischen Konversion freigesetzte Energiemenge mit zunehmendem Wassergehalt linear ab (Abb. 3.5). Heizwerte verschiedener Biomassen sollten daher stets bezogen auf die wasserfreie Masse angegeben werden /5/. Der auf Trockensubstanz bezogene Heizwert der Biomasse korreliert mit der Rohdichte des Materials (Tabelle 3.3 und 3.5) /18/. Verglichen mit fossilen Festbrennstoffen (d. h. Kohle) ist der Heizwert biogener Festbrennstoffe geringer, wobei Holzbrennstoffe einen etwas höheren Heizwert als Halmgüter aufweisen (Abb. 3.6). Der durchschnittlich höhere Kohlenstoffgehalt von Rinden bedingt den höheren Trockenmasseheizwert gegenüber rindenfreiem Holz, allerdings verringert der erhöhte Trocknungsaufwand des Materials häufig diesen Vorteil. Aschegehalt Der Aschegehalt von Festbrennstoffen hat sowohl Auswirkungen auf die Schadstoffemissionen als auch auf die technische Auslegung und Konstruktion der Feuerungsanlage. Im Allgemeinen steigt mit einem zunehmenden Aschegehalt des Brennstoffs die Gefahr von Versinterung / Verschlackung im Glutbett /13/. Deshalb werden Feuerungsanlagen zur Verbrennung solch kritischer Brennstofffraktionen meist mit wasser- oder luftgekühlten Rosten, mit Bewegtrosten oder mit automatischen Ascheaustragungssystemen aus dem Brennraum ausgestattet. Weiterhin führt ein erhöhter Brennstoffaschegehalt i. d. R. zu einem Anstieg der Staubemissionen und des damit verbundenen Aufwandes für eine ggf. notwendige Entstaubung. Dies ist besonders bei Anlagen mit einem bewegten Glutbett, das vermehrt mechanischen Einflüssen ausgesetzt ist, relevant. Deutliche

50

3 Verbrennungstechnische Eigenschaften

Unterschiede hinsichtlich des Aschegehaltes sind zwischen Holz- und Halmgütern zu erkennen. Während halmgutartige Biomasse mit einem Aschegehalt von 5,2 12,2 Ma-% der Trockenmasse ein vergleichbares Verhalten zu fossilen Brennstoffen aufweist, zeichnen sich holzartige Energieträger der gemäßigten Zone mit Gehalten von etwa d 1 Ma-% der Trockenmasse aus. Durch den hohen Anteil an anorganischen Bestandteilen liegt der Aschegehalt tropischer Hölzer z. T. über 5 % /7/, /10/. Der Einfluss des Aschegehaltes auf den Heizwert zeigt Abb. 3.6.

Abb. 3.6: Abhängigkeit des Heizwertes vom Aschegehalt am Beispiel unterschiedlicher biogener Festbrennstoffe (bezogen auf Trockenmasse), /10/

Ascheschmelzverhalten Bei thermischen Prozessen wie der Verbrennung treten im Glutbett physikalische Veränderungen der Asche auf. Je nach Temperatur kommt es zum Verkleben („Versintern“) bis zum Aufschmelzen der Asche. Dieses Erweichungsverhalten wird nach DIN 51731 bzw. für biogene Festbrennstoffe nach der prEN 15370 mit der Bestimmung von definierten Temperaturen zur Charakterisierung des Schmelzvorganges einer Brennstoffprobe beschrieben (Abb. 3.7). Dabei wird zwischen der Schrumpftemperatur (engl. shrinkage starting temperature, SST), der Erweichungstemperatur (engl. deformation temperature, DT), der Halbkugel (engl. hemnisphere temperature, HT) und der Fließtemperatur (engl. flow temperature, FT) unterschieden.

3.3 Chemisch-stoffliche Brennstoffeigenschaften

51

Abb. 3.7: Charakterisierende Phasen des Ascheschmelzverhaltens eines Probekörpers nach Normprüfverfahren prEN 15370 (Ausgangsform bei 550°C, H = Höhe der Probe, r2 = Radius der Probe), /10/

Die Bestimmung der Temperaturen kann in Anlehnung an den Verbrennungsprozess unter oxidierenden bzw. reduzierenden Bedingungen erfolgen. Das Erweichungsverhalten von Aschen hängt von der Aschezusammensetzung und somit vor allem vom Brennstoff ab. Je niedriger die Ascheerweichungstemperatur des Brennstoffs bzw. des darin enthaltenen Ascheanteils liegt, desto früher beginnt die Agglomeration und Schlackenbildung, welche zu Ablagerungen und Erosion in der Feuerungsanlage und den dazugehörigen Abgaskomponenten führt. Während für Holz Temperaturen von 1.300 - 1.400°C aus technischer Sicht für die meisten Einsatzfälle unkritisch sind, liegen die entsprechenden Temperaturen bei Halmgütern im Regelfall unter 1.200°C, für Getreidekörner sogar unter 700°C /7/, /10/. Tabelle 3.6: Verbrennungstechnische Kennwerte naturbelassener Festbrennstoffe (Mittelwertsangaben bezogen auf Trockensubstanz), /4/, /10/ Brennstoff/ HeizBrennAsche- flüchtige Ascheerweichunga Biomasseart wert wert gehalt Bestandteile in in in in DTb HTb FTb MJ/kg MJ/kg % % in °C in °C in °C 19,1 20,5 0,3 Nadelholz (ohne Rinde) 18,9 20,1 0,3 Laubholz (ohne Rinde) 19,2 20,4 1,5 77,2 1 440 1 460 1 490 Rinde (Nadelholz) 19,0 20,0 1,5 Rinde (Laubholz) 19,2 20,5 3,0 WRHc (Nadelholz) 18,7 19,7 5,0 WRHc (Laubholz) 20,2 0,6 82,9 1 426 1 583 Fichtenholz (mit Rinde) 18,8 19,7 0,5 84,0 Buchenholz (mit Rinde) 18,4 18,4 19,8 2,0 81,2 1 335 1 475 Pappelholz (KUPd) 18,4 19,9 2,0 80,3 1 283 1 490 Weidenholz (KUPd) 17,4 18,5 4,8 76,4 1 002 1 147 1 188 Roggenstroh 17,2 18,5 5,7 77,0 998 1 246 1 302 Weizenstroh 17,1 18,3 5,9 75,2 911 1 125 1 167 Triticalestroh 17,5 18,5 4,8 77,3 980 1 113 1 173 Gerstenstroh 17,6 18,8 5,0 75,8 1 273 1 403 Rapsstroh 17,7 18,9 6,7 76,8 1 050 1 120 1 140 Maisstroh 15,8 16,9 12,2 72,7 839 1 178 1 270 Sonnenblumenstroh 17,0 18,2 4,8 81,4 1 336 1 420 1 456 Hanfstroh

52

3 Verbrennungstechnische Eigenschaften

Tabelle 3.6 (Fortsetzung) Roggenganzpflanzen Weizenganzpflanzen Triticaleganzpflanzen Roggenkörner Weizenkörner Triticalekörner Rapskörner Miscanthus Gras (Heu), gemischt

17,7 17,1 17,0 17,1 17,0 16,9 26,6 17,7 17,1

19,0 18,7 18,4 18,4 18,4 18,2 28,1 19,0 18,0

4,2 4,1 4,4 2,0 2,7 2,1 4,3 4,0 7,0

79,1 77,6 78,2 80,9 80,0 81,0 85,2 77,6

977 833 710 687 730

1 155 982 887 795

1 207 1 019 810 933 840

973

1 097

1 170

a DT deformation temperature, HT hemisphere temperature, FT flow temperature (nach CEN/TS 15 370; b hier: Bestimmung nach DIN 51 730, Abweichungen zu Ergebnissen nach neuer Standardmethode sind möglich; c WRH - Wald(rest)holz; d KUP – Kurzumtriebsplantagenholz

Flüchtige Bestandteile Flüchtige Bestandteile sind gasförmige Verbindungen, die unter festgelegten Bedingungen beim Erhitzen eines Brennstoffs entweichen. Sie bestehen zum Großteil aus brennbaren Gasen und dienen gewissermaßen als Maß für die Zündfreudigkeit des Brennstoffes in einer Feuerungsanlage. Biogene Festbrennstoffe weisen mit bis zu 83 % der Trockenmasse einen hohen Anteil an flüchtigen Bestandteilen auf.

Abb. 3.8: Thermisches Verhalten von Biomasse, dargestellt am Beispiel von feuchtem Holz als Massenabnahme in Abhängigkeit von der Temperatur bei der Erwärmung ohne Sauerstoffzufuhr, /10/

Einige im Biobrennstoff enthaltene Extraktstoffe haben besonders leicht flüchtige Eigenschaften (z. B. Terpene, Terpentine) und können z. T. bereits bei Umgebungstemperaturen während der Brennstofflagerung ausgasen. Dabei besteht die Gefahr, dass sich die Gase in gesundheitsgefährdenden Konzentrationen im Lagerraum anreichern /6/.

3.3 Chemisch-stoffliche Brennstoffeigenschaften

53

Holzkohle Holzkohle wird primär aus Lignin gebildet, da beim Abbau der makromolekularen Substanz die Biopolymere Cellulose und Hemizellulose bei einer Temperatur von 400°C bereits weitestgehend zerstört sind (Abb. 3.2).

3.3.2 Verbrennungsprodukte beeinflussende Eigenschaften Die Verbrennungsprodukte aus der Oxidation von biogenen Festbrennstoffen können in luftgetragene Emissionen und Partikelrückstände (Asche) unterteilt werden, deren Mengen und Konzentration sowohl vom Brennstoff der Feuerungsanlage als auch von der Betriebsart bestimmt wird. Letztere kann je nach Lastanforderungsprofil (Volllast-/Teillastbetrieb) und dem individuellen Verbraucherverhalten (insbesondere bei handbeschickten Anlagen) die Effizienz einer Feuerungsanlage beeinflussen. Zur Einschätzung der brennstoffspezifischen Emissionen und Rückstände dient die Elementaranalyse eines Brennstoffes (Tabelle 3.1). Zur Abschätzung kritischer Emissionen aus der Verbrennung von biogenen Festbrennstoffen werden die Konzentrationen relevanter Inhaltsstoffe, wie Stickstoff (N), Schwefel (S) und Chlor (Cl) sowie einiger Spurenelemente (d. h. maßgeblich Schwermetalle und Alkalien) diskutiert. Neben den Hauptprodukten der vollständigen Oxidation – Kohlenstoffdioxid (CO2) und Wasserdampf (H2O) – werden bei der Verbrennung biogener Brennstoffe eine Reihe weiterer Emissionen freigesetzt, deren Ursache in Tabelle 3.7 und Wirkung in Tabelle 3.5 zusammenfassend dargestellt ist. Tabelle 3.7: Charakterisierung der Elementarzusammensetzung von Abgasen aus Biomassefeuerungsanlagen, /5/, /8/, /10/, /21/

Inhaltsstoffe Verbindungen Wasserdampf H2O KohlenstoffCO2 dioxida) KohlenstoffCO monoxid KohlenwasserCnHm stoffe in der Gasphase ChlorverbinHCl dungenb)

Schwefelverbindungenc)

Ursache der vollständigen Oxidation der Hauptbrennstoffbestandteile (C, H, O)

‚ Stoffe

‚ unvollständige Verbrennung ‚ unvollständige Verbrennung ‚ hohe

Dioxine, Furane (PCDD/F)

‚

SO2 SO3 H2SO3 H2SO4

‚ ‚

Abhängigkeit vom Brennstoffgehalt (z. B. bei halmgutartigen Biomassen, Hochtemperaturkorrosion eher geringe Abhängigkeit vom Brennstoff; temperaturabhängig; nur bei chemisch behandelten Biobrennstoffen relevant (z. B. Altholz) abhängig vom Brennstoffgehalt; bei der Verbrennung des Abgases wird SO2 aufoxidiert zu SO3 SO2 und SO3 reagieren bei Taupunktunterschreitungen mit Wasserdampf zu korrosiver schwefliger Säure (H2SO3) bzw. Schwefelsäure (H2SO4)

54

3 Verbrennungstechnische Eigenschaften

Tabelle 3.7 (Fortsetzung)

Stickoxide Partikel

a)

NO, NO2 und N2O Asche, unverbranter Brennstoff, Teer, Ruß

‚ Verbindungen aus molekularen Stickstoff der Verbren‚

nungsluft und dem im Brennstoff enthaltenen Stickstoff Anteil anorganischen Materials im Brennstoff, unvollständige Verbrennung, Ruß (C) kann auch als Zwischenprodukt der Verbrennung auftreten

Im Gegensatz zur Verbrennung von fossilen Energieträgern, wird die Biomasseverbrennung als CO2-neutral eingestuft, da bei ihrer thermischen Nutzung nur so viel CO2 freigesetzt wird, wie sie während ihres Wachstums der Atmosphäre entzogen hat. b) 40 – 95 % der brennstoffbedingten Cl-Verbindungen werden in der Asche gebunden c) i. d. R. liegen zum Ende der Verbrennung ca. 99 % SO2 und 1 % SO3 vor

Teilweise handelt es sich bei den in Tabelle 3.7 aufgeführten Gasen um umwelt- und gesundheitsgefährdende Emissionen. So stellen Partikel in modernen Biomassefeuerungsanlagen einen Großteil der Staubemissionen dar. Sie haben eine Größe zwischen 0,001 bis 100 μm. Partikel der vollständigen Verbrennung bestehen aus Ascheteilchen (z. B. CaO, Al2O3, SiO2, KCl) sowie Fremdstoffen (z. B. Erde, Sand, Schwermetalle). Partikel der unvollständigen Verbrennung setzen sich zusammen aus den kohlenstoffhaltigen Zersetzungsprodukten (meist resultierend aus einem unvollständigen Ausbrand) aus Kohlenstoff-Syntheseprodukten (z. B. Ruß) oder aus Brennstoffteilchen, die direkt aus dem Glutbett mitgerissen werden und sich nun unverbrannt im Abgas wiederfinden /5/. Holzfeuerungsanlagen emittieren vor allem Partikel mit einer Größe d 10 ȝm, d. h. Feinstaub2. Je nach Aschegehalt des Brennstoffs, besonders aber in Abhängigkeit seiner Brennstoffform (Pellet, Brikett, HHS oder Stückholz), hat der weit überwiegende Teil der Staubpartikel eine Größe unterhalb von 1 ȝm, die auch als Aerosole3 bezeichnet werden. Aerosole sind gut lungengängig, können z. T. auch direkt ins Blut übertreten und sich somit im gesamten Körper von Lebewesen verteilen. Die Staubemissionen aus der Verbrennung von Holzpellets in Kleinfeuerungsanlagen können zu über 90 % der Aerosolfraktion zugeordnet werden, weshalb – bei entsprechend hoher Konzentration der Emissionsquellen und fortwährender Belastung – eine nennenswerte Gesundheitsgefährdung durch Feinstaub bestehen kann /12/. Weitere Erkenntnisse zur Ursache, Ausbreitung und 2 Der Begriff „Feinstaub“ bzw. „Feinstpartikel“ beschreibt eine komplexe Mischung aus festen und/oder flüssigen in die Luft ausgestoßenen organischen und anorganischen Schadstoffen. Die Partikel variieren nach Größe, Zusammensetzung und Herkunft und werden anhand der Partikelgröße bzw. ihres aerodynamischen Durchmessers beschrieben (PM means particulate matter) /27/. 3 Aerosole werden durch die Freisetzung von aerosolbildenden Komponenten (relevante Elemente: K, Na, S, Cl, Zn, Pb) aus dem Brennstoff und der nachfolgenden Partikelbildung via Nukleation aschebildender Dämpfe sowie durch Partikelwachstum via Kondensation und Agglomeration gebildet. Die Flugascheemissionen aus der vollständigen Verbrennung von Biomasse bestehen im Wesentlichen aus Kaliumsulfaten, Kaliumchloriden und Kaliumcarbonaten (Salze) /17/.

Literaturverzeichnis

55

Wirkung von Feinstäuben werden derzeit in verschiedenen Studien und Forschungsprojekten erarbeitet. Die Zusammensetzung und Eigenschaften der bei der Brennstoffkonversion anfallenden Asche werden v. a. durch die im Brennstoff als Spurenelemente und Alkali- bzw. Erdalkalimetalle bestimmt. In der anfallenden Asche finden sich vorwiegend Kalzium (Ca), Magnesium (Mg), Kalium (K), Phosphor (P) und Natrium (Na) sowie kleinere Mengen an Eisen (Fe) und Mangan (Mn). Als Asche werden die anorganischen Verbrennungsrückstände des organischen Brennstoffs, d. h. der Mineralstoffe bezeichnet. Asche besteht vor allem aus Oxiden und Karbonaten diverser Metalle (z. B. CaO, MgO, K2O, P2O5, Na2CO3, NaHCO3, SiO2, Al2O3, Fe2O3). Bei der Nutzung von Holzpellets in modernen Feuerungsanlagen kann nach prEN 14961-2 von einem Ascheanfall zwischen 0,5 – 1,5 % der eingesetzten Brennstoffmenge ausgegangen werden. Beim Einsatz von Holz mit einem hohen Rindenanteil oder mit Laub- oder Nadelanteil wird sich der Ascheanfall erhöhen /10/, /19/. Die Anteile und Konzentrationen einiger Spurenelemente sowie der Alkali- und Erdalkalimetallen im Brennstoff beeinflussen auch dessen Ascheerweichungsverhalten, wobei die Wirkung der einzelnen Elemente bisher nur von wenigen eindeutig geklärt werden konnte. So wird einer erhöhten Konzentration von Silizium (Si), Kalium (K) und Natrium (Na) im Brennstoff tendenziell eine Senkung der Ascheerweichungstemperatur zugeschrieben, während Kalzium (Ca) und Magnesium (Mg) die Ascheerweichungstemperatur eher heben /17/. Da hierbei die Wirkmechanismen der Einzelelemente im Zusammenspiel von sinkenden und steigenden Ascheschmelztemperaturen noch nicht abschließend geklärt werden konnte, sollten die Gleichungen 3.4 und 3.5 nur als näherungsweise Abschätzung der Erweichungstemperatur (DT) und Fließtemperatur (FT) eines Brennstoffs herangezogen werden. Darin werden die Elementgehalte in % der Brennstofftrockenmasse eingesetzt und die Temperaturen in °C angegeben /10/. (3.4) DT = 1172 – 53,9 K + 252,7 Ca – 788,4 Mg FT = 1369 – 43,4 K + 192,7 Ca – 698 Mg

(3.5)

Neben dem Aschegehalt und der Erweichungstemperatur kann auch der Düngewert der Aschen aus der Verbrennung naturbelassener Biomassen und damit dessen Entsorgung bzw. Verwertungsoptionen auf die Konzentration der mineralischen Bestandteile (wie P, Ca, Mg und K) der Biomasse zurückgeführt werden.

56

3 Verbrennungstechnische Eigenschaften

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Literaturverzeichnis

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58

3 Verbrennungstechnische Eigenschaften

Universität Stuttgart, Institut für Verfahrenstechnik und Dampfkesselwesen, Bericht Nr. 50

4 Gesetzliche Anforderungen des Holzpelleteinsatzes zur Wärmebereitstellung ........................................................................................... 60 4.1 Anforderungen an Emissionen und Energieeffizienz ................................ 60 4.2 Entsorgung von Aschen und Rückständen ................................................ 64 4.3 Nachhaltigkeitsanforderungen ................................................................... 65 Literaturverzeichnis ......................................................................................... 67

60

4 Gesetzliche Anforderungen des Holzpelleteinsatzes zur Wärmebereitstellung

4 Gesetzliche Anforderungen des Holzpelleteinsatzes zur Wärmebereitstellung

Entsprechend ihrer Aufwuchs- und Standortbedingungen können die verbrennungstechnischen Eigenschaften biogener Brennstoffe sehr schwanken. Für eine möglichst effiziente und emissionsarme Verbrennung, ist es deshalb unerlässlich, den Brennstoff optimal auf die Feuerungsanlage abzustimmen. Die Einhaltung der gesetzlichen Emissionsgrenzwerte muss für jeden Betriebszeitpunkt garantiert werden. Eine wichtige Vorraussetzung für konstante Abbrandverhältnisse stellt die Bereitstellung einer möglichst homogenen Brennstoffqualität dar. Diese kann durch Produktstandards und darauf aufbauenden Zertifizierungssystemen erreicht werden. Weiterhin muss vor dem Betrieb einer Feuerungsanlage geklärt werden, wie und wo die anfallenden Rückstände aus der Verbrennung verwertet oder entsorgt werden können. Nachfolgend werden daher die administrativen Rahmenbedingungen des Holzpelleteinsatzes in KFA in Deutschland dargestellt.

4.1 Anforderungen an Emissionen und Energieeffizienz Bundesimmissionsschutzverordnung (BImSchV) In Deutschland kommt für den Einsatz von Pellets aus biogenen Rohstoffen – je nach Leistungsgröße der Feuerungsanlage – die 1. BImSchV (z. B. bis 1 MWNWL bei Pellets aus naturbelassenem Holz oder bis 0,1 MWNWL bei Strohpellets) bzw. die TA Luft (bis 50 MWFWL) zur Anwendung kommen. Bis Ende 2009 galten für den Einsatz von naturbelassenem Holz einheitliche Emissionsgrenzwerte je Leistungsklasse, unabhängig von der Brennstoffform (Tabelle 4.1). Mit dem Inkrafttreten der Novellierung der 1. BImSchV in 2010 erfolgte – eine Absenkung der minimalen Leistungsklasse für Grenzwertanforderungen von 15 auf 4 kWNWL, – eine drastische sukzessive Verschärfung der Staub- und CO-Grenzwerte, – die Fixierung zusätzlicher Grenzwerte für NOx und Dioxine für Stroh und strohähnliche Brennstoffe.

S. Döring, Pellets als Energieträger, DOI 10.1007/978-3-642-01624-0_4, © Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2011

4.1 Anforderungen an Emissionen und Energieeffizienz

61

Somit müssen kurz- bis mittelfristig die Brennstoffanforderungen/-qualitäten bzw. die Feuerungstechnologien noch besser aufeinander abgestimmt sein, um die hohen gesetzlichen Anforderungen erfüllen zu können. Als eine technologische Herausforderung wird deshalb insbesondere für halmgutartige Brennstoffe die weitere Verschärfung der Grenzwerte ab dem Jahr 2015 gesehen. Mit der derzeit am Markt angebotenen Anlagentechnologie scheint dies für den Einsatz von Holzpellets durchaus machbar (zumindest für die Prüfstandsmessung zur Feuerungsanlagenzulassung) und für automatisch beschickte Holzpelletkessel eher unproblematisch.

Tabelle 4.1: Emissionsgrenzwerte für die Verbrennung von Holzpellets im Vergleich zu anderen biogenen Festbrennstoffen in Feuerungsanlagen bis 1 MW /2/, /3/, /19/ Grenzwerte gemäß 1. BImSchV (Sept. 2002) bzw. TA-Luft (Juli 2002) Brennstoff naturbelassenes Holz

Holzpellets

Stroh, Getreide (Körner, Pellets, Ganzpflanzen)

b)

a)

NWL

Staub

CO

NOx

kW t15 - 50 >50 - 150 >150 - 500 >500 - 1.000 t15 - 50 >50 - 150 >150 - 500 >500 - 1.000

mg/m³N

mg/m³N 4.000 2.000 1.000 500 4.000 2.000 1.000

mg/m³N

Dioxine/ Furane ng/m³N

-

-

150

150

Grenzwerte der Novellierung 1. BImSchV a) (gültig seit März 2010) Dioxine/ e) NWL Staub CO NOx Furane kW mg/m³N mg/m³N mg/m³N ng/m³N t4 - 500 >500

-

-

t4 - 500

c)

100 / d) 20 c)

60 / d) 20

>500

500

c)

t 15 - 100 >100 - 1.000

f)

150

4.000

40

200

-

-

t4 - <100

100 / 20

d)

c)

d)

-

-

c)

d)

-

-

c)

d)

-

-

c)

d)

1000 / 400 500 / 400 800 / 400

500 / 400 c) 1000 / d) e,d) 400 / 250

c)

600 / 500

d)

0,1

e)

400

a)

alle Grenzwerte beziehen sich auf 13 % Bezugssauerstoff b) Stroh und ähnliche pflanzl. Stoffe, nicht als Lebensmittel bestimmtes Getreide (Getreidekörner, -körner, -ganzpflanzen, -ausputz, -spelzen und halmreste) sowie Pellets aus den vorgenannten Brennstoffen; zulässig nur in automatisch beschickten Feuerungsanlagen; Einsatz bis 48 Monate nach Verkündung der novellierten 1. BmSchV nur in Betrieben der Land- und Forstwirtschaft, des Gartenbaus und in Betrieben des agrargewerblichen Sektors, die im Umgang mit Getreide Erfahrung haben, bis zu einer NWL von 100 kW; Anlagen ab 100 kW FWL unterliegen der TA-Luft (Grenzwerte mit Bezugssauerstoff 11 % wurden umgerechnet auf 13 % anhand Faktor 1,25) c) für Neuanlagen (außer Einzelraumfeuerungsanlagen) bzw. für Bestandsanlagen je nach Zeitpunkt der Errichtung: - bis einschließlich 31. Dezember 1994: ab 1. Januar 2015 - vom 1. Januar 1995 bis einschließlich 31. Dezember 2004: ab 1. Januar 2019 - vom 1. Januar 2005 bis einschließlich 01. Juli 2009: ab 1. Januar 2025 d) für Anlagen, die nach dem 31.12.2014 errichtet werden e) Nachweis durch Hersteller im Rahmen einer Typenprüfung (einmalig) f) zusätzl. Grenzwert für flüchtige organ.Kohlenstoffverbindungen (Gesamt-C): 40 mg/Nm³ (bzw. 50 mg/Nm³ bei 11% Bezugssauerstoff)

Umweltzeichen „Blauer Engel“ Besonders emissionsarme und energieeffiziente Pelletfeuerungen werden vom Deutschen Institut für Gütesicherung und Kennzeichnung e.V. (RAL) mit dem Umweltzeichen „Blauer Engel“ ausgezeichnet. Die Kriterien werden vom Umweltbundesamt zusammen mit Experten aus der Wissenschaft festgelegt. Das RAL-Umweltzeichen 111 wurde bislang an 23 Öfen bis 15 kW von 6 Herstellern, das RAL-Umweltzeichen 112 an 54 Kessel bis 50 kW von 15 Herstellern verliehen (Stand: Herbst 2009). Ende 2010 findet eine Neubewertung der Feuerungsanlagen statt /20/.

62

4 Gesetzliche Anforderungen des Holzpelleteinsatzes zur Wärmebereitstellung

Tabelle 4.2: Anforderungen des Umweltzeichens „Blauer Engel“ an Holzpelletfeuerungen, /12/, /13/ f)

Produkt

a)

NWL

kW

Grenzwerte "Blauer Engel" (gültig bis 31.12.2010) e) Rationelle Energienutzung Emissionen Cgesamt NOx Wirkungsgrad CO Staub Hilfstrombedarf mg/m³N mg/m³N mg/m³N mg/m³N Nennlast Teillast Nennlast Nennlast Nennlast Teillast Nennlast Nennlast Teillast

Pelletöfen b) d) 25 180 400 150 10 15 t t d d15 (RAL-UZ 111) Pelletkessel c) d) 20 90 200 150 5 5 t t d d50 (RAL-UZ 112) a) ausschließlicher Einsatz von Holzpellets, vorzugsweise gemäß DINplus oder nach ÖNORM M 7135 bzw. DIN 51731 b) mit automatischer Zündung und Verbrennungsregelung c) mit automatischer Zündung, Wärmetauscherreinigung sowie Leistungs- und Verbrennungsregelung d) der erzeugten thermischen Leistung e) bezogen auf Abgas im Normzustand (0°C, 1013 mbar) mit einem Volumengehalt an Sauerstoff von 13% f) sonst. Anforderungen an: Staubgehalt im Abgas bei Teillast, Hilfsstrombedarf bei Teillast- u. Stand-by-Betrieb, elektr. Leistungsaufnahme wichtiger Anlagenteile, wasserseitiger Widerstand, Einstell- u. Bedienungsanleitg., Angebot v. Dienstleistungen

Luftqualitätsrichtlinie Ziel der seit Juni 2008 gültigen „Richtlinie über Luftqualität und saubere Luft für Europa“ ist die weitgehende Reduktion von gesundheits- und umweltschädlichen Wirkungen durch Emissionen diverser Schadstoffe, wie SO2, NO, NO2, CO, Benzol, Partikel (Feinstäube PM10/PM2,5)1 und Blei sowie Ozon. Dabei werden Grenz- und Zielwerte für die verschiedenen Schadstoffe festgelegt und einheitliche Prüf- und Messmethoden sowie Alarm- und Informationswerte definiert, um eine rechtzeitige und ausreichende Information der Öffentlichkeit zu gewährleisten. Erstmals werden auch Grenzwerte für die lungengängigen PM2,5-Partikel aufgeführt, deren Konzentration bis zum Jahr 2020 gegenüber den Werten aus 2010 um 20 % gesenkt werden sollen. Die Betrachtung der Schadstoffemissionen erfolgt flächenbezogen und unabhängig vom Verursacherprinzip. Im Alltag werden die Auswirkungen der Richtlinie am deutlichsten durch die Umweltzonen in großen Städten sichtbar. Diese wurden eingerichtet, um eine Überschreitung der aus der Vorgänger-Richtlinie 1999/30/EG übernommenen Grenzwerte für verschiedene Schadstoffe zu beurteilen. Für die Feinstaubkonzentration PM10 gelten beispielsweise seit 2005 die folgenden Bestimmungen: – 50 ȝg/m3 dürfen nicht öfter als 35-mal im Kalenderjahr überschritten werden. – Die mittlere jährliche Konzentration darf maximal 20 μg/m3 erreichen. 1 Der Begriff „Feinstaub“ bzw. „Feinstpartikel“ (PM für den englischen Terminus: particulate matter) beschreibt eine komplexe Mischung aus festen und/oder flüssigen in die Luft ausgestoßenen organischen und anorganischen Schadstoffen. Sie variieren nach Größe, Zusammensetzung und Herkunft und werden anhand der Partikelgröße bzw. des aerodynamischen Durchmessers beschrieben /10/.

4.1 Anforderungen an Emissionen und Energieeffizienz

63

Für die Überwachung dieser Grenzwerte sind in Deutschland die Bundesländer zuständig. Die neue Luftqualitätsrichtlinie soll bis Mitte 2010 durch eine entsprechende Anpassung des Bundesimmissionsschutzgesetzes (BImSchG) sowie durch eine neue Rechtsverordnung in deutsches Recht umgesetzt werden /16/. Ökodesign-Richtline Die EU-Richtlinie 2005/32/EG limitiert die Umweltwirkungen, die durch die Herstellung, den Gebrauch und die Entsorgung eines Produktes verursacht werden. Mit der Ökodesign-Richtlinie (Ökodesign-RL) wurde die Grundlage für die Bewertung und umweltgerechte Gestaltung energiebetriebener Produkte gelegt, die in Deutschland mit der „Energiebetriebene-Produkte-Richtlinie“ (EBPG) in nationales Recht umgesetzt wurde. Auf Basis der Ökodesign-RL werden derzeit für verschiedene Produktgruppen Durchführungsmaßnahmen entwickelt, auf deren Grundlage noch im Jahr 2010 u. a. eine Verordnung für Festbrennstoff-KFA verabschiedet werden soll /14/, /15/. Betrachtet werden – –

Einzelraumfeuerungen zum Heizen und Kochen in privaten Haushalten bis max. 50 kW sowie Zentralheizungskessel, unterteilt in zwei Leistungsklassen bis 50 kW und bis 500 kW.

Den Heizanlagen vor- oder nachgelagerte Komponenten wie z. B. Brennstoffzuführung, Regelung oder Pufferspeicher werden nicht in die Untersuchung einbezogen. Aktuell werden die verfügbaren KFA ausschließlich hinsichtlich ihrer technischen Eigenschaften und Innovationspotenziale, deren Beeinflussung durch das Verbraucherverhalten und der Marktsituation geprüft und bewertet. Voraussichtlich werden aber auch Anforderungen an die Energieeffizienz und Emissionen von KFA gestellt (z. B. NOx). Dadurch könnte es zu Überschneidungen mit der novellierten 1. BImSchV kommen (Tabelle 4-1), die dann an die neue europäische Verordnung erneut angeglichen werden muss. Die Ökodesign-RL wird aber nicht die nationalen Emissionsrichtlinien ersetzen können, da sie keine Regelungen zum Anlagenbetrieb einschließlich der einzuhaltenden Emissionsgrenzwerte sowie den zulässigen Brennstoffen enthält. Sie bezieht sich ausschließlich auf das Inverkehrbringen von Neuanlagen (Prüfstandsuntersuchungen), nicht auf deren Betrieb /1/. Weitere Bestimmungen Neben den o. g. Richtlinien existieren für Holzpelletfeuerungsanlagen eine Reihe weiterer Richtlinien, die sich beispielsweise mit der Begriffbestimmung von Pelletfeuerungsanlagen beschäftigen, an deren Fertigung spezielle technische Anforderungen stellen, Prüfstandsmessungen definieren oder sich auf die Kennzeichnung der Anlagen beziehen, wie die DIN 18894 (Pelletöfen), DIN EN 15270 (Pelletbrenner) oder der DIN EN 14785-B1 (Raumheizer für Holzpellets).

64

4 Gesetzliche Anforderungen des Holzpelleteinsatzes zur Wärmebereitstellung

4.2 Entsorgung von Aschen und Rückständen Während der Bereich der Anlagengenehmigung und Emissionsbegrenzung bereits umfassend auf nationaler und EU-Ebene geregelt ist, existieren für die Ascheentsorgung /-verwertung aus biogenen Brennstoffen bisher keine konsistenten Standards. Nachfolgend wird deshalb nur auf Deutschland Bezug genommen, während Informationen zu anderen EU-Staaten beispielsweise in /7/ nachzulesen sind. Aschen sind Abfälle im Sinne des Kreislaufwirtschafts- und Abfallgesetzes (KrW-/AbfG), da der Hauptzweck des Betriebes einer Holzverbrennungsanlage auf die Erzeugung von Energie und nicht auf die Produktion von Asche gerichtet ist /9/. Nach den Grundsätzen der Kreislaufwirtschaft hat die Verwertung von Abfällen Vorrang vor deren Beseitigung /11/. Deshalb liegt eine Rückführung von Biomasseasche auf land- und forstwirtschaftliche Flächen nahe, um den durch Biomasseentzug entstandenen Nährstoffbedarf teilweise wieder auszugleichen. Der Nutzen resultiert aus der Düngewirkung der Aschen, die maßgeblich von Gehalten an Phosphor, Calcium, Magnesium und Kalium bestimmt wird; deren Konzentration je nach Art und Herkunft der Biomasse jedoch stark variieren kann. Dabei ist zu berücksichtigen, dass alle Pflanzen auch Schwermetalle in geringen Mengen als essentielle Spurenelemente aufnehmen. Zusätzlich gelangen Schwermetalle beispielsweise durch Deposition in oder auf die Pflanzen, die bei der energetischen Nutzung der Biomasse unverbrannt und konzentriert in der Asche zurückbleiben /20/. Bei Aschen aus Festbrennstoffverbrennungsanlagen wird entsprechend ihrem Anfallort nach Grob- und Rostasche, Zyklonasche (Feinasche, Flugasche) und Filterasche (Feinstasche) unterschieden, deren Verwertung sich entsprechend ihrer Schwermetallbelastung unterscheidet. Nach dem 2009 in Kraft getretenen Düngegesetz (DüngG) dürfen Düngemittel nur verwendet oder gewerbsmäßig in den Verkehr gebracht werden, wenn sie einem zugelassenen Düngemitteltyp (gemäß Düngemittelverordnung, DüMV) entsprechen und vorschriftsmäßig gekennzeichnet sind. Die Düngung muss entsprechend §1 DüMV „nach Art, Menge und Zeit auf den Bedarf der Pflanzen und des Bodens unter Berücksichtigung der im Boden verfügbaren Nährstoffe und organischen Substanz sowie der Standort- und Anbaubedingungen“ ausgerichtet sein /4/, /5/. Prinzipiell dürfen aus der Verbrennung von naturbelassenem Holz ausschließlich die „unbelastete“ Aschen aus dem Brennraum (Grob- oder Rostasche) eingesetzt werden. Die Verwendung von Zyklonasche ist nur zulässig, wenn sie aus einem Abscheider stammt, dem ein Elektro- oder Gewebefilter nachgeschaltet ist. Die Asche muss im Labor (v. a. auf Schwermetalle) analysiert und klassifiziert werden. Sie kann in Reinform als Kalk- oder Kaliumdünger verwendet werden. Eine andere Möglichkeit ist die Nutzung als Zuschlagsstoff für den Düngemitteltyp „kohlensaurer Kalk“, in mineralischen Mehrstoffdüngern oder in organischmineralischen Düngemitteln. Voraussetzung ist, dass Grenzwerte für verschiedene Schwermetalle und die für den jeweiligen Düngemitteltyp festgelegten Mindestnährstoffgehalte eingehalten werden /11/. Die Waldgesetze der Bundesländer prä-

4.3 Nachhaltigkeitsanforderungen

65

zisieren die Fälle, bei denen eine Düngung mit Holzaschen im Wald zulässig ist /8/. Bei einer privaten Verwertung der Aschen aus Holz-KFA im Garten ist das Bodenschutzrecht anzuwenden (BBodSchG, BBodSchV). Dabei gilt, dass für Materialien – die auf Böden aufgebracht werden – eine jährliche Zusatzbelastung der Böden durch Schwermetalle nicht überschritten werden darf. Eine kalkulatorische Analyse am Fraunhofer-Institut UMSICHT bestimmte die maximale Aufbringungsmenge für Grobasche, aus der Verbrennung naturbelassener Holzhackschnitzel, mit der relativ niedrigen jährlichen Menge von 40 g/m² bzw. 20 g/m² für Holzpelletaschen. Durch natürliche Bodenbelastungen und Immissionen (z. B. aus der Luft) werden die Aufbringungsmengen zusätzlich reduziert. Eine Ausbringung der Aschen im Garten ist daher nicht oder nur sehr eingeschränkt ratsam /18/. In der Praxis wird die anfallende Asche meist über den Hausmüll entsorgt. Für Aschen, die nicht als Düngemittel ausgebracht werden können, sind andere Entsorgungswege zu suchen. Gegebenenfalls können „schwach belastete“ Aschen als Bauzuschlagstoff Verwendung finden (z. B. in der Zementindustrie), oder sie müssen so beseitigt werden, dass das Wohl der Allgemeinheit nicht beeinträchtigt wird. Die Möglichkeit zur Ablagerung auf einer Deponie bemisst sich dabei nach der Auslaugfähigkeit der einzelnen Schadstoffe gemäß Anhang B bzw. D der TA Siedlungsabfall bzw. TA Abfall. Danach dürften Feuerraumaschen üblicherweise obertägig abgelagert werden, während „stark belastete Aschen“ (z. B. Filterstäube) wegen hoher TOC- und Eluatbelastungen in aller Regel unterirdisch abgelagert werden müssen /21/, /20/.

4.3 Nachhaltigkeitsanforderungen Der Begriff der Nachhaltigkeit kann bis Anfang des 18. Jahrhunderts zurückverfolgt werden, wo er das Konzept für eine planmäßige und dauerhaft schonende Bewirtschaftung der Wälder beschrieb. Seit Ende des 20. Jahrhunderts werden nachhaltige Bewirtschaftungskriterien an nahezu alle Branchen der Gesellschaft gestellt, wobei sowohl ökonomische, ökologische und soziale Komponenten heranzuziehen sind /22/. Die Renewable Energy Directive (RED) ist die europäische Richtlinie 2009/28/EG zur Förderung der Nutzung von Energie aus erneuerbaren Quellen. Darin werden verbindliche nationale Gesamtziele und Maßnahmen zur Nutzung von erneuerbaren Energiequellen in den Mitgliedstaaten der EU benannt sowie die Berichterstattung für die Europäische Kommission reglementiert. Erstmals werden ökologische Nachhaltigkeitskriterien definiert, die sicherstellen sollen, dass bei der Berechnung der Zielerfüllungsquote jedes einzelnen Landes ein Mindestmaß an THG-Einsparungen erreicht wird. Besonders kritisch werden dabei Landnut-

66

4 Gesetzliche Anforderungen des Holzpelleteinsatzes zur Wärmebereitstellung

zungsänderungen durch den Anbau von Energiepflanzen zur Produktion von Biokraftstoffen und flüssigen Biobrennstoffen bewertet2. Letztendlich stellt die RED für den Nachweis einer nachhaltigen Pelletnutzung derzeit kein geeignetes Instrument dar, da keine verbindliche Anforderungen an die Akteure der Bereitstellungskette gestellt werden. Für die Förderung von regenerativ erzeugter Wärme, Kälte oder Strom in Anlagen mit einer installierten Leistung > 5 MWth werden Empfehlungen an Mindestumwandlungswirkungsgrade gestellt. Zusätzlich sollten, je regenerativ erzeugten MWh Herkunftsnachweise in elektronischer Form geführt werden, die innerhalb der Mitgliedsstaaten der EU die Rückverfolgbarkeit der erneuerbaren Energiequelle gewährleisten. Dennoch bietet die RED die Chance nationale Förderprogramme gezielt auf effiziente, innovative Anwendungstechniken auszurichten, da für die Förderung von industriell erzeugter biogener Wärme-, Kälte- oder Stromerzeugung ein Umwandlungswirkungsgrad von mindestens t 70 % empfohlen wird, während beim Einsatz von Biomasse in Wohngebäuden ein Konversionswirkungsgrad der Anlage von t 85 % angeregt wird /17/. Dieser Grenzwert sollte für moderne Pelletkleinfeuerungsanlagen zur Wärmebereitstellung keine Herausforderung darstellen, während der Einsatz von Pellets zur reinen Stromerzeugung in industriellen Großkraftwerken nicht förderwürdig wäre. Der Erarbeitung von allgemein anerkannten und international verbindlichen Nachhaltigkeitskriterien an Biomassen haben sich inzwischen die Standardisierungskomitees CEN/TC 383 und ISO/TC 248 gewidmet. Bis es soweit ist, hat die EC Anfang 2010 beschlossen, vorerst keine verbindlichen Nachhaltigkeitsanforderungen an den Einsatz fester und gasförmiger Bioenergieträger zur Wärme-, Kälte- oder Stromerzeugung zu stellen. Stattdessen enthält der Bericht nichtbindende Empfehlungen für Biomasse-importabhängige Länder, wie eine nachhaltige Biomassebereitstellung im Energiesektor sichergestellt werden kann. Diese sollten auch zur Vereinheitlichung der laufenden nationalen Aktivitäten bei der Installation von Nachweissystemen einbezogen werden /6/.

2 Die Umsetzung der EU-Richtlinie 2009/28/EG in nationales Recht erfolgte 2009 im Rahmen der Biomassestrom-Nachhaltigkeitsverordnung (BioSt-NachV) für flüssige Biobrennstoffe und der Biokraftstoff-Nachhaltigkeitsverordnung (Biokraft-NachV), deren Fokus sich auf den Einsatz von flüssigen oder gasförmigen Bioenergieträgern zur Kraftstoffproduktion bezieht.

Literaturverzeichnis

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Literaturverzeichnis /1/ Behnke A (Oktober 2009) Die Ökodesignrichtlinie: Umsetzung für Kleinfeuerungsanlagen mit festen Brennstoffen. Umweltbundesamt, 9. Industrieforum Pellets, Tagungsband, S 48 – 54, Stuttgart /2/ BImSchV (August 2003) Erste Verordnung zur Durchführung des BundesImmissionsschutzgesetzes (Artikel 1 der Verordnung zur Neufassung der Ersten und Änderung der Vierten Verordnung zur Durchführung des BundesImmissionsschutzgesetzes) – Verordnung über kleine und mittlere Feuerungsanlagen –. Bundesgesetzblatt /3/ BImSchV (Februar 2010) Erste Verordnung zur Durchführung des BundesImmissionsschutzgesetzes (Verordnung über kleine und mittlere Feuerungsanlagen – 1. BImSchV). vom 26. Januar 2010, BGBl. 2010, Teil I, Nr. 4, Bonn /4/ DüMV (Dezember 2008) Verordnung über das Inverkehrbringen von Düngemitteln, Bodenhilfsstoffen, Kultursubstraten und Pflanzenhilfsmitteln (Düngemittelverordnung - DüMV). BGBl. I S 2524 /5/ DüngG (Juli 2009) Düngegesetz. Ausfertigungsdatum 09.01.2009, BGBl. I S. 54 (136), zuletzt geändert durch Art. 2 G v. 31.7.2009 I 2539 /6/ EC (Februar 2010) Report from the Commission to the Council and the European Parliament on sustainability requirements for the use of solid and gaseous biomass sources in electricity, heating and cooling. SEC(2010) 65, SEC(2010) 66 /7/ Haglund N et al (August 2008) Guideline for classification of ash from solid biofuels and peat utilised for recycling and fertilizing in forestry and agriculture. NT TR 613. NORDTEST, Nordic Innovation Centre, Oslo (NOR) /8/ Kölling C, Stetter U (2008) Holzasche – Abfall oder Rohstoff, Wege zu einer sinnvollen Verwertung. In: LWG aktuell 63/2008 S. 54-56, Hrsg Bayerische Landesanstalt für Wald und Forstwirtschaft, Freising /9/ KrW-/AbfG (Dezember 2008) Gesetz zur Förderung der Kreislaufwirtschaft und Sicherung der umweltverträglichen Beseitigung von Abfällen (Kreislaufwirtschafts- und Abfallgesetz - KrW-/AbfG). BGBl. I S. 2705, 27. September 1994, zuletzt geändert durch Artikel 5 der Verordnung, BGBl. I S. 2986 /10/ Lenz V (Juli 2008) Aktuelle Ergebnisse zur Toxizität von Strohfeinstäuben. 1. Internationale Fachtagung – Strohenergie 2008, Jena /11/ LfU Hrsg (2009) Merkblatt – Verwertung und Beseitigung von Holzaschen. Bayerisches Landesamt für Landwirtschaft (LfL) und Bayerische Landesanstalt für Wald und Forstwirtschaft (LWF) /12/ RAL Hrsg (2007) RAL-UZ 111 – Holzpelletöfen. Vergabegrundlage für Umweltzeichen. RAL Deutsches Institut für Gütesicherung und Kennzeichnung e. V., Sankt Augustin /13/ RAL Hrsg (2007) RAL-ZU 112 – Holzpelletheizkessel. Vergabegrundlage für Umweltzeichen, RAL Deutsches Institut für Gütesicherung und Kennzeichnung e. V., Sankt Augustin, 2007

68

4 Gesetzliche Anforderungen des Holzpelleteinsatzes zur Wärmebereitstellung

/14/ Richtlinie 2005/32/EG des Europäischen Parlaments und des Rates vom 6. Juli 2005 zur Schaffung eines Rahmens für die Festlegung von Anforderungen an die umweltgerechte Gestaltung energiebetriebener Produkte und zur Änderung der Richtlinie 92/42/EWG des Rates sowie der Richtlinien 96/57/EG und 2000/55/EG des Europäischen Parlaments und des Rates, Amtsblatt der Europäischen Union /15/ Richtlinie 2009/125/EG des Europäischen Parlaments und des Rates vom 21. Oktober 2009 zur Schaffung eines Rahmens für die Festlegung von Anforderungen an die umweltgerechte Gestaltung energieverbrauchsrelevanter Produkte. Amtsblatt Nr. L 285 /16/ Richtlinie 2008/50/EG des Europäischen Parlaments und des Rates vom 21. Mai 2008 über Luftqualität und saubere Luft für Europa. Amtsblatt der Europäischen Union /17/ Richtlinie 2009/28/EG des Europäischen Parlaments und Rates vom 23. April 2009 zur Förderung der Nutzung von Energie aus erneuerbaren Quellen und zur Änderung und anschließenden Aufhebung der Richtlinien 2001/77/EG und 2003/30/EG, Amtsblatt der Europäischen Union /18/ Stahl E (Mai 2006) Qualität und Verwertungsmöglichkeiten von Holzaschen in NRW. Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, Lehr- und Forschungsgebiet Abfallwirtschaft, Diplomarbeit /19/ TA-Luft (Juli 2002) Erste allgemeine Verwaltungsvorschrift zum Bundes– Immissionsschutzgesetz (Technische Anleitung zur Reinhaltung der Luft) /20/ Witt J, Rensberg N et al (Dezember 2009) Analyse des heutigen und zukünftigen Marktpotenzials von Holzpellets im deutschen und europäischen Kontext. unveröffentlichte Studie, Deutsches BiomasseForschungsZentrum (DBFZ), Industrieauftrag, Leipzig /21/ Witt J, Thrän D et al (Juni2008) Marktexpertise Biomassebereitstellung und – nutzung. unveröffentlichte Studie, Institut für Energetik und Umwelt gGmbH (IE), Industrieauftrag, Leipzig /22/ Witt J, Wirkner R, Thrän D (Oktober 2008) Nachhaltigkeitsaspekte und – anforderungen in einem internationalen Pelletmarkt. 8. Industrieforum Pellets, Tagungsband, S 144 – 150, Stuttgart

5 Qualitätsanforderungen an den Brennstoff ................................................... 70 Literaturverzeichnis ......................................................................................... 79

70

5 Qualitätsanforderungen an den Brennstoff

5 Qualitätsanforderungen an den Brennstoff

Die brennstoffspezifischen Eigenschaften biogener Rohstoffe werden aufgrund der unterschiedlichen natürlichen Standortgegebenheiten und relativ kurzen Aufwuchszeiten niemals eine vergleichbare Homogenität wie fossile Brennstoffe erreichen. Bei der Holzpelletproduktion wird diesem natürlichen Nachteil begegnet, indem der Rohholzinput aus Sägewerken, der Holzbe- und -verarbeitenden Industrie oder in Form von Wald(rest)hölzern zentral als Spanmasse abgelagert wird und so bereits bei der Lagerung sowie bei dessen Austragung eine erste Vermischung erfährt. Im Pelletierungsprozess können zusätzliche Konditionierungsmaßnahmen (z. B. Zugabe von Wasser, Dampf und/oder Presshilfsmitteln) für eine möglichst hohe homogene Qualität der Holzpresslinge sorgen. In ein und demselben Pelletwerk können somit unterschiedliche Brennstoffqualitäten produziert werden. Deshalb muss die Qualität des Endproduktes mit dem Pellethersteller zuvor abgestimmt werden, um die Brennstoffanforderungen der Feuerungsanlage und die Ansprüche der Kunden erfüllen zu können /11/. Ende der 90’iger Jahre wurden mit der Installation der ersten PelletFeuerungsanlagen in Schweden, Deutschland und Österreich nationale Produktstandards für Holzpresslinge entwickelt, in denen wichtige brennstoffspezifische Eigenschaften anhand von Grenzwerten definiert werden (Abb. 5.1). Einige europäische Staaten haben diese Produktstandards übernommen oder angepasst (z. B. DIN in der Schweiz: SN 166000; SS 187120 in Norwegen: NS 3165) /8/. Die regelmäßige Überprüfung und Qualitätssicherung der Pellets wird von Zertifizierungsprogrammen übernommen, wie “ÖNORM M 7135 geprüft“ oder „DINplus“1. Beide Regelwerke stellen heute nahezu identische Qualitätsanforderungen an Holzpellets und haben inzwischen in Europa und teilweise darüber hinaus eine 1

Das Zertifizierungsprogramm „DINplus: Holzpellets zur Verwendung in Kleinfeuerstätten“ stellt

seit 2004 eine Erweiterung von „DIN 51731 geprüft“ dar und vereint die wichtigsten Produktanforderungen der ÖNORM M 7135 und der DIN 51731. Zertifikatsgeber in Deutschland ist DIN CERTCO. Die Anforderungen der DINplus wurden 2010 dem EU-Standard der EN 14961-2, Holzpelletklasse A1 angepasst.

S. Döring, Pellets als Energieträger, DOI 10.1007/978-3-642-01624-0_5, © Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2011

Qualitätsanforderungen an den Brennstoff

71

hohe Akzeptanz und Marktpräsenz erreicht (Stand Oktober 2009: >150 zertifizierte Betriebe, entspricht etwa 30 % aller Pelletwerke in Europa) /5/, /9/, /12/. Anderswo werden die Qualitätskennwerte von Holzpellets in Form von Labels oder Prüfkennzeichen präsentiert, z. B. „Pellet Gold“ in ITL, „NF 434“ in FR. Deren Prüf- und Überwachungspflichten unterscheiden sich jedoch wesentlich von den etablierten Zertifizierungsprogrammen in DE und AT /7/, /3/, /1/. Deshalb empfehlen bzw. verweisen inzwischen viele europäische Hersteller automatisch beschickter KFA und Einzelraumöfen auf die Verwendung zertifizierter Holzpellets nach DINplus bzw. „ÖNORM M 7135 geprüft“. Häufig stellen sie sogar eine Voraussetzung für die Gewährleistung des kontinuierlichen, emissionsarmen Anlagenbetriebes dar.

Abb. 5.1: Unterscheidung von Regelwerken nach Klassifizierungssystem, Produktstandards und Qualitätssicherungssystemen für Holzpellets anhand ausgewählter Beispiele

Prinzipiell bieten international anerkannte Qualitätsstandards eine gute Chance den grenzüberschreitenden Handel in einem weltweit wachsenden Markt zu erleichtern und damit die Konkurrenzfähigkeit biogener Festbrennstoffen zu stärken. Weiterhin kann das Kundenvertrauen in den jeweiligen Brennstoff durch eine höhere Markttransparenz gestärkt und neuen Akteuren der Einstieg in die Branche erleichtert werden /13/. Deshalb beauftragte die Europäischen Kommission das Technisches Komitee (CEN/TC 335 Solid Biofuels) mit der Entwicklung europäischer Standards für biogene Festbrennstoffe. Seit etwa 10 Jahren haben zahlreiche europäische Experten aus wissenschaftlichen Institutionen und der Industrie in fünf Arbeitsgruppen inzwischen 28 Produkt- und Qualitätsstandards sowie Prüfund Terminologienormen entwickelt, die derzeit den Status europäischer Vornormen (prEN bzw. TS für Technical Specification) tragen (Abb. 5.2). Ab dem Jahr 2010 werden die ersten Europäischen Normen (EN) als Vollstandard verfügbar sein /2/, /10/. Als eine der ersten dieses Normungspaketes wird die EN 14961 „Feste Biobrennstoffe – Brennstoffspezifikationen und -klassen – Teil 1: Allgemeine Anforderungen“ im Frühjahr 2010 in Kraft treten. Damit ist für nahezu jeden biogenen Festbrennstoff eine Identifikation der Rohstoffherkunft, eine Klassifizierung der

72

5 Qualitätsanforderungen an den Brennstoff

Brennstoffform und Kategorisierung relevanter Qualitätsparameter zur Einordnung und dem Vergleich aufgeführt, u. a. auch für Pellets /4/. Die Teile 2 – 7 der EN 14961 beschreiben Produktstandards für Festbrennstoffe für den nichtindustriellen Brennstoffeinsatz. Weitere Teile sollen in den Folgejahren ergänzt werden.



CEN/TC 335 – Feste Biobrennstoffe

prEN 14588 Terminologie, Definitionen und Beschreibungen

EN 14961-1 Brennstoffspezifikationen und -klassen Teil 2-7: Produktnormen für die nicht-industrielle Nutzung prEN 14961- 3 (Holzbriketts), prEN 14961-2 prEN 14961-6 - 4 (Hackschnitzel) , - 5 (Scheitholz), Holzpellets Nicht-Holzpellets -7 (Nichtholz-Briketts)

Prüfnormen zur Bestimmung der chemisch-stofflichen und mechanisch-physikalischen Eigenschaften; Standards für Probenahme & -vorbereitung (z. B. 14918, 15103/4, 15149-1, 15210-1, 15289, 15297, 15370)

prEN 15234-1: Qualitätssicherung von biogenen Festbrennstoffen Teil 2: Holzpellets; Teile 3 bis 7: sonstige Brennstoffe (analog zur 14961)

Abb. 5.2: Systematisierung der EU-Standards für biogene Festbrennstoffe, einschließlich spezifischer Regelwerke für Holzpellets, Stand Frühjahr 2010

Im Teil 2 der EN 14961 werden für Holzpellets drei Qualitätsklassen definiert, die sich zum Teil in den einsetzbaren Rohstoffen, den zulässigen Grenzwerten für den Aschegehalt, dem Heizwert, Stickstoff- und Chlorgehalt sowie im Ascheschmelzverhalten unterscheiden. In dem Standard ist u. a. eine Vielzahl von Grenzwerten für Schwermetalle aufgeführt, die den Einsatz von chemisch behandeltem Holz zur Pelletproduktion ausschließen (Klassen A1 und A2) bzw. auf minimale Verunreinigungsmengen begrenzen (Klasse B) sollen. In der Norm werden keine konkreten Anforderungen an das Ascheschmelzverhalten von Holzpellets genannt, dennoch sollen die verfügbaren Analysewerte der Ascheerweichungstemperaturen dokumentiert werden. Die Brennstoffanalysen müssen nach den neuen europäischen Prüfnormen erfolgen /14/. Die Prüfnormen zur Beurteilung der verschiedenen Qualitätskennwerte wurden eigens im Rahmen der europäischen Normungsinitiative TC 335 entwickelt, um erstmals EU-weit einheitliche Mess- und Prüfmethoden zur Bestimmung der brennstoffspezifischen Eigenschaften (z. B. Wassergehalt prEN 14774, Aschegehalt EN 14775, Mechanische Festigkeit prEN 15210-1 oder Ascheschmelzverhalten prEN 15370-1) heranziehen zu können /6/. Analog zur EN 14961 wird ein Multipartstandard EN 15234 zur Qualitätssicherung für biogene Festbrennstoffe entlang der gesamten Bereitstellungskette entwickelt. Die auf Holzpellets abgestimmte prEN 15234-2 soll nach dem Inkrafttreten (voraussichtlich 2011) die Qualität der Pellets von der Rohstoffbereitstellung, über die Pelletproduktion und den Transport des Brennstoffes bis zur Auslieferung an den Endkunden sicherstellen. Die Vorgaben für eine transparente Dokumentation z. B.: – –

der Brennstoffherkunft, der Produktionsparameter während der Brennstoffherstellung,

Qualitätsanforderungen an den Brennstoff

–

73

aller beteiligten Akteure während der Brennstoffbereitstellung sowie der Übergabekonditionen

soll das Kundenvertrauen in das Produkt stärken und zur internen Qualitätsverbesserung beitragen /15/, /16/. Mit der Einführung des europäischen Normungspaketes wurde 2009/10 das Zertifizierungssystem ENplus für die Anforderungen des deutschen und österreichischen Marktes entwickelt. Auf Basis der prEN 14961-2 werden Holzpellets in drei Qualitätsklassen (A1, A2, B) unterteilt und im Handbuch die Vorgaben der prEN 15234(-2) zur Qualitätssicherung des Brennstoffs entlang der Bereitstellungskette für Pelletproduzenten und Händler integriert. Im Rahmen des neuen Zertifizierungssystems wird somit nicht nur für die Produktqualität nach der Herstellung sondern bis zur Auslieferung an den Endverbraucher garantiert. Neben der Qualitätssicherung soll die Integration eines Marktmonitorings Möglichkeiten für eine Erhöhung der Versorgungssicherheit bieten. Zusätzlich wird dazu angehalten, Rohstoffe aus nachhaltiger Forstwirtschaft zur Pelletproduktion zu verwenden (PEFC oder FSC zertifiziert) und deren tatsächlichen Anteil einschließlich dessen Herkunft zu dokumentieren. Bei einem Anteil von > 20 % des Imports von Rohstoffen oder Pellets aus nicht-EU-Ländern ist der Nachhaltigkeitsnachweis verpflichtend zu erbringen. Das Zertifizierungssystem wird im Frühjahr 2010 in Deutschland und Österreich eingeführt und soll später auf weitere EU-Staaten ausgedehnt werden /2/. Parallel zur Entwicklung und Markteinführung der europäischen Standards und Zertifizierungssysteme verfolgt die „International Organisation for Standardisation“ (ISO) mit der Gründung des Technischen Komitee „ISO/TC 238 Solid Biofuel“ im Jahr 2007 das Ziel, die in der EU und anderswo gültigen Standards und Prüfnormen für biogene Festbrennstoffe in den kommenden Jahren international zu vereinheitlichen. Die Veröffentlichung erster Regelwerke ist für 2011 geplant /9/. Diese werden voraussichtlich zum größten Teil methodisch und inhaltlich an die europäischen CEN-Standards angelehnt werden. Eine Übersicht internationaler Regelwerke mit spezifischen Qualitätsanforderungen an Premiumpellets2 bietet Tabelle 5.1. Weitere relevante Produktstandards und Gütezeichen (GZ)3 für Holz- und Nicht-Holzpellets sind in Tabelle 5.2 aufgeführt. Diese können je nach den Brennstoffanforderungen der Feue-

2

Für den Begriff „Premiumpellets“ gibt es keine offizielle Definition. In der Fachwelt werden mit

diesem i. d. R. hochqualitative Pellets bezeichnet, die aus chemisch unbehandeltem Holz hergestellt werden und keine oder nur marginale Mengen an Rinde enthalten. Sie besitzen einen geringen Aschegehalt und eine hohe Abriebfestigkeit. Premiumpellets sind für den Einsatz in automatisch-bestückten Öfen sowie in Heizkesseln im unteren bis mittleren Leistungsbereich geeignet. 3 Gütezeichen präsentieren Bildmarken oder Labels von Qualitätssicherungssystemen, wozu sowohl Zertifizierungs- als auch Prüfprogramme oder Attestierungen zählen

74

5 Qualitätsanforderungen an den Brennstoff

rungsanlage im mittleren oder höheren Leistungsbereich und teilweise auch für Industriepellets4 herangezogen werden.

4 „Industriepellets“ weisen z. T. geringere Qualitätsanforderungen gegenüber Premiumpellets auf und werden in größeren Heizanlagen oder in Kraftwerken eingesetzt. Da Anlagen im höheren Leistungsbereich meist über eine robustere Brennstoffzuführung, eine flexiblere Regelungstechnik und i. d. R. auch mit Abgasaufbereitungskomponenten ausgestattet sind, kann ein suboptimales Verbrennungsverhalten besser kompensiert werden.

Qualitätsanforderungen an den Brennstoff

75

Tabelle 5.1: Übersicht internationaler Regelwerke für Premiumpellets Deutschland

Land Standard / Gütezeichen (GZ) eingeführt seit

Standard / GZ 1996

Standard 1990

GZ 1997

2007 2000 Standard: DIN DINplus (gültig ÖNORM M ÖNORM 1) bis 2010, Bezug 7135 geprüft 51731

letzte Aktualisierung Bezeichnung

auf DIN 51731 + GZ: DINgeprüft ÖNORM M 7135) 4)

HP5

Klasse

HP5 / HP1

naturbelas-senes Holz einschließl. Rinde

Rohmaterial

Schweiz 1)

Italien

GZ 2007

GZ gültig bis

GZ 2006

2009 Umweltzeichen UZ 38

2006 Swisspellets

Pellet Gold

Österreich GZ 2004

5)

naturbelassenes Holz oder Rinde

HP 1 unbehandeltes bzw. naturbelassenes Holz naturbelassenes Holz & Nebenprodukte der Holzindustrie

Kennwerte * Dimension

1)

Stammholz, chem. unbehandeltes IRH ohne Rinde, chem. unbehan-deltes Altholz ohne

1)

Rinde

2)

Einheit Durchmesser

D

mm

4 - 10

4 ” D < 10

4 ” D < 10

5-7

Länge

L

mm

< 50

” 5 xD )

” 5 xD )

” 5 xD

< 50

-

W

%

” 12

” 10

” 10

” 10

” 10

” 10

Aschegehalt

A

% (TM)

” 1,5

Heizwert

HU

MJ/kg

DU

%

17,5 - 19,5 ) -

%

-

%

-

2,3 -

6)

F PHM

%

keine

” 2

6)

Wassergehalt

1)

Mechan. Festigkeit 1, 2)

Abrieb

Feinanteil

2)

Presshilfsmittel / Zuschlagstoffe

BD

Schüttdichte Rohdichte 3)

1

” 0,5 )

2

” 1,0

”1

• 18 ) (> 97,7)

• 18 ) (97,7)

2

• 18 -

> 16,9 ) (• 97,7)

” 2,3

2,3

” 4,5

2,3

-

-

-

-

”2

keine

<2 )

6)

-

-

-

1,0 - 1,4

• 1,12

• 1,12 )

-

” 0,3

” 0,3 )

Schwefel

S

%

” 0,08

” 0,04 )

% mg/kg (TM) mg/kg (TM) mg/kg (TM) mg/kg (TM) mg/kg (TM) mg/kg (TM) mg/kg (TM) mg/kg (TM)

2

2 2

” 0,03 ” 0,8 ” 0,5 ”8 ”5 ” 10 ” 0,05 ” 100

” 0,02 ) < 0,8 < 0,5 <8 <5 < 10 < 0,05 <100

3)

zusätzliche Parameter

EOX : 3 mg/kg (TM) 1

Erläuterungen TM : Trockenmasse

) die untersuchten Regelwerke verwenden entweder die mechan. 3 ) def. AscheFestigkeit oder den Abrieb als schmelztemKennwert, da beide direkt voneinperaturen: SST: ander abgeleitet werden können, ist in shrinkage star-ting der Tab. der umgerechnete Wert temp.; DT: eingeklammert deformation temp. 2 ) i.d.R. < 3,15 mm (IT: initial deformation temp.); HT: hemnisphere temp., FT: flow temp.

) gilt auch in CH als: SN 166000

2

) wasser- & aschefrei

3

) extrahierbare organ. gebun-dene Halogene

3

-

-

%

1

” 2

kg/m³

°C

Cl As Cd Cr Cu Pb Hg Ni Zn

2

kg/dm³

N

Chlor Arsen Cadmium Chrom Kupfer Blei Quecksilber Nickel Zink

2

-

2

• 18 ) (97,7)

Stickstoff

Ascheschmelz-verhalten

1

2

” 0,5 ) 2

4 ” D < 10

1)

” 0,5 )

2

” 0,04 ) 2

” 0,02 ) -

-

-

> 600

1,15 - 1,4

> 1,15

-

-

” 0,3

” 0,3 )

2

” 0,04

” 0,05

2

” 0,02 ” 0,8 ” 0,5 ”8 ”5 ” 10 ” 0,05 ” 100 EOX: 3 mg/kg (TM)

< 0,03 < 0,8 < 0,5 <8 <5 < 10 < 0,05 <100

2

” 0,3 ) ” 0,04 ) ” 0,02 ) ”8 ”5 EOX: 3 mg/kg (TM)

max 20 M ass- 1) max 20 M ass-% = L bis 1) Rohstoff muss % = L bis 7,5 x 7,5 x D im Jahr zu D t70% aus 2 ) wasserfrei nachhal-tiger 2 3 ) wasserfrei ) Abweichungen von 0,02 Forstwirt-schaft 4) erlaubt DIN 51731 sein (PEFC/FSC 5) oder anderen ÖNORM M 4) chem. unveränderte 7134 Produkte aus primären land-anerkannten 6) & forswirt-schaftl. Zertifizierungschem. unBiomassen systeme) veränderte Produkte aus primären land- & forswirt-schaftl. Bio-massen

4

• 1,12 -

2

” 0,3 )

3

3

3) 3)

Na <0,03 mg/kg (T M), Formaldehydgehalt normativ (mg/100g)

1

1 ) der seit ) basierend auf prEN 2001 in CH 14961-2, PFI, gültige Pellet- DINplus und standard SN ÖNORM M 7135 166000 ist 2 iden-tisch ) lt. prEN 14961-1: mit der DIN 1.1.2.1; 1.1.2 3 51731 ) wasserfrei 4

) Art & Anteil müssen

76

5 Qualitätsanforderungen an den Brennstoff

Tabelle 5.1: Übersicht internationaler Regelwerke für Premiumpellets (Fortsetzung) 1)

Frankreich

1)

Schweden

Skandinavien

GZ 2009

Standard 1998

GZ 2005

NF 434: "Marque NF Granulés biocombustibles"

SS 187120

Swan (Nordic Ecolabelling)

Bois premium

Group I

2007

Stammholz, chem. unbe-handelte Rück-stände aus der Holzindustrie

3,

PFI Standard Specification for Residential/ Commercial Densified

A2

Stammholz, chem. unbehandelte Rückstände aus der

Vollbäume ohne Wurzeln, Stammholz, WRH, Rinde, chem. unbehandelte Rückstände aus der

7)

4)

Fuel / GZ: PFI QA/QC Program Super Premium

A1

Holzindustrie

class I: ” 6 ± 0,5 class II: ” 8 ± 0,5

-

chemisch unbehandeltes Material

8)

6 ± 1 oder

6 ± 1 oder 1

1

6,35 bis 7,25 )

1

8±1 )

8±1 ) 2

Premium

2

1

1

6,35 bis 7,25 ) 1

5 ” L ” 30

” 4 xD

” 5 xD

3,15 ” L ” 40 )

3,15 ” L ” 40 )

” 1% > ~ 38,1 )

”8

” 10

” 10

” 10

” 10

” 6

” 1,5

” 0,5

”1

3)

” 0,7

” 0,7

1

(2,5) ”1 2

” 0,5

” 0,7

> 16,9 ) -

• 17,1

• 16,5
-

(< 2,5)

(< 2,5)

” 0,8

” 1,0

” 1 ( ” 0,5 )

2

16,7 ) 97,5 3)

”2

3

Grenzwert )

5)

6)

• 650

• 600

I: 630 < BD ” 700 II: 700 < BD ” 780

-

-

-

-

IT ist anzugeben

IT (SST) • 1300 HT • 1400

4

3)

• 97,5

kein

2)

6)

”2

• 16,3
2

) • 97,5

) • 97,5

(< 2,5)

(< 2,5)

(< 2,5)

” 0,5

” 0,5

3

3

5)

6)

” 1 ( ” 0,5 )

4)

”2

4)

• 600

• 600

-

-

2

) 1

ist zu dokumentieren; bei Standard + GZ: DINplus = informativ; GZ: ENplus = normativ

ist zu dokumentieren

-

” 0,3

” 0,3

” 0,5

-

” 0,03

” 0,03

” 0,03

-

4

” 0,03 -

4)

” 0,02 -

” 0,02 ” 1,0 ” 0,5 ” 10 ” 10 ” 10 ” 0,1 ” 10 ” 100

” 0,02 ” 1,0 ” 0,5 ” 10 ” 10 ” 10 ” 0,1 ” 10 ” 100

” 0,0003 ) -

max. 1200 kW Primärenergieeinsatz/ t Pelletproduktion 1 ) gilt auch in 1) gültig in NOR, NOR (NS FIN, DK, SE, ICE ) Art (mineralisch/ 3165) und FIN 2 organisch) und Anteil ) befristet gültig bis müssen angegeben werden 2 31.12.2012 ) im 3 Lieferzustand ) lt. prEN 14961-1: 3 3 ) am Werksausgang ) Art & M en- 1.1.2.1; 1.1.2 4 4 ge angeben ) wasserfrei ) Frischholz muss

) Lieferzustand

2

4

) wasserfrei

im Jahr zu t 70% aus nachhaltig zertifizieirter Forstwirtschaft sein

1

ist zu dokumentieren

4)

0,03 ) ”1 ” 0,5 ” 10 ” 10 ” 10 ” 0,05 ” 10 ” 100

)

~ 640 bis ~ 737 ) ~ 640 bis ~ 737 )

” 0,08

-

” 1% > ~ 38,1 ) ” 8

4

0,3 ) 0,05 )

1

Standard: EN 14961-2 (Stand Mrz. 2010) GZ: ENplus (mit A1 oder A2 gekennzeichnet); GZ: DINplus (2010) gilt nur für A1

Holzindustrie

4, 5)

6±1

USA Standard / GZ 2008

class I + II

unbelastete Biomasse

Holz

2)

EU Standard / GZ Standard ab Herbst 2010 gültig; GZ seit 2010 gültig (Bezug auf prEN 14961-2)

1

1

” 0,0003 ) -

Das Zertifizierungssystem EN plus A1+A2 wird zunächst in DE+AT eingeführt und soll in den kommenden Jahren in der EU ausgeweitet werden. 1

) wahlweise, muss angegeben werden

1

) ” 300 ppm (Originalwert umgerechnet)

2

) max. 1 % darf länger als 40 mm sein, max. Länge < 2 45 mm ) muss angegeben werden (BTU/pound)

3

) frisch ) Art & M enge ist anzugeben ) gilt für: lose Pellets vor der Verladung ab Werk, BigBags vor Abfüllung, Sackware bei Auslieferung an Endkunden

4

3

5

4

) Art muss angegeben werden ) PFI Quality assurance/quality control (QA/QC) Program ; ist nicht für den Überseetransport anwendbar

6

) gilt für Sackware bis 20 kg vor Abfüllung

7

) lt. prEN 14961-1: 1.1.3; 1.2.1

5

) max 20 M ass-% = 8) lt. prEN 14961-1: 1.1.1; 1.1.3, 1.1.4, 1.1.1. 6 u. L bis 7,5 x D 1.2.1

6

) chem. unbehandelte Biomasse

*: Für die Ermittlung der Brennstoffkennwerte werden z.T. unterschiedliche Prüfmethoden ausgewiesen und angewendet, was die Vergleichbarkeit der Grenzund Analysewerte einschränkt. Alle Angaben ohne Gewähr.

Qualitätsanforderungen an den Brennstoff

77

Tabelle 5.2: Übersicht internationaler Regelwerke für sonstige Holz- und Nichtholz-Pellets Deutschland GZ Standard

Land Standard / Gütezeichen (GZ)

1996

1996

eingeführt seit letzte Aktualisierung Bezeichnung

DIN 51731

HP 4

Klasse

1)

1)

Schweden

Österreich Standard

Standard 2007

1990 2000 ÖNORM M 7135

DIN 51731 geprüft

Holzpellets 2

HP5

Rindenpellets 1

Rindenpellets 2

Rohmaterial naturbelassenes Holz einschließlich anhaftender Rinde Kennwerte* Dimension

unbehandeltes Holz

Standard 1998

ÖNORM C 4000

SS 187120

Miscanthuspellets

Group 2 Group 3

Miscanthus Ganzpflanze gemäß prEN 14961-1

unbehandelte Rinde

unbelastete Biomasse

Einheit 1

Durchmesser

D

4 - 10

10 - 40

mm

D06: 6 ± 1 ) D08: 8 ± 1 D10: 10 ± 1

10 ” D < 40 4 ” D < 104) 10 ” D < 40

-

-

” 5 xD

” 6 xD

1

Länge

L

mm

1

< 50

< 100

” 4 xD )

Wassergehalt

W

%

” 12

” 12

” 10

Aschegehalt

A

% (TM)

” 1,5

” 1,5

” 0,5 ) )

HU

MJ/kg

17,5 - 19,5

17,5 - 19,5 2)

M

%

-

%

-

Heizwert 1)

Mechan. Festigkeit Abrieb

1, 2)

Feinanteil

2)

Presshilfsmittel / Zuschlagstoffe

” 10

• 18 )

-

-

(> 97,7)

-

• 97,5

-

-

-

-

” 2,3

-

(< 2,5)

-

-

”1

1,5

1,5

-

-

-

-

-

keine

”2

”2

”2

kg/m³

-

-

-

-

kg/dm³

1,0 - 1,4

1,0 - 1,4

• 1,0

• 1,12 )

-

-

-

%

0,3

0,3

” 0,3 )

Schwefel

S

%

0,08

0,08

” 0,04 )

Cl As Cd Cr Cu Pb Hg Ni Zn

% mg/kg (TM) mg/kg (TM) mg/kg (TM) mg/kg (TM) mg/kg (TM) mg/kg (TM) mg/kg (TM) mg/kg (TM)

0,03 0,8 0,5 8 5 10 0,05 100

0,03

” 0,02 ) -

4

2

3

2

” 0,08 )

2

” 0,04 ) -

• 500

• 500

-

-

-

5

5

” 0,5

” 0,3 )

2

” 0,05

” 0,08

5)

4

2

” 0,07 -

” 0,03 -

5)

4

2

” 0,08 )

2

” 0,04 ) -

” 0,3 ) )

) -

aschebildende Elemente informativ

1

1

) max 20 M ass-% = L bis 7,5 x D

2

2

) wasserfrei

) wasser- & aschefrei (waf)

IT ist anzugeben

> 800 2

” 0,6 )

3)

) gilt in CH als: SN 166000

3

kein Grenzwert )

)

• 580

EOX : 3 mg/kg (TM) TM : Trockenmasse

2

> 16,9 ) > 16,9 )

-

2

” 0,6 )

2

)

• 1,1

2

0,8 0,5 8 5 10 0,05 100

3 3 ) charakteris) extrahierbare organisch tische Aschegebundene Halogene ) die untersuchten Regelwerke schmelztemverwenden entweder die mechan. peraturen: SST: Festigkeit oder den Abrieb als shrinkage starKennwert, da beide direkt voneinander abgeleitet werden können, ist in ting temp.; DT: deformation der Tab. der umgerechnete Wert temp.; HT: hemeingeklammert 2 nisphere temp., ) i.d.R. < 3,15 mm FT: flow temp. 1

2

keine

°C

Erläuterungen

” 12 ” 1,5

• 18 )

%

zusätzliche Parameter

” 10 ” 1,5

2

2

2

”6 )

%

3)

1

• 18 )

N

Chlor Arsen Cadmium Chrom Kupfer Blei Quecksilber Nickel Zink

2

A4.0: ” 4 ) A6.0: ”6

”6 )

Stickstoff

Ascheschmelz-verhalten

” 10

2 3

F

Rohdichte

D06: L ” 30 ) D08: L ” 35 D10: L ” 40 ” 10

1

” 4 xD )

PHM BD

Schüttdichte

2)

1

” 5 xD )

1 ) Klasse ist anzugeben

3

) bis zu 0,8% wenn brereits das unbehandelte Rohholz einen höheren Aschegehalt aufweist

2 ) Heizwert im Lieferzustand informativ

4

3

) Abweichungen von 0,02 erlaubt

) Art & M enge sind anzugeben

1 ) gilt auch in NOR (NS 3165) und FIN 2 ) bei Anlieferung 3 ) Art & Menge sind anzugeben 4

) ist anzugeben

5

) wasserfrei

78

5 Qualitätsanforderungen an den Brennstoff

Tabelle 5.2: Übersicht internationaler Regelwerke für sonstige Holz- und Nichtholz-Pellets (Fortsetzung) Standard / GZ

Standard

USA Standard / GZ

2008

Veröffentlg. geplant für Herbst 2010

seit 2005 in Entwicklung;

EU

2008

NF 434: "Marque NF Granulés biocombustibles"

Standard: EN 14961-2 GZ: EN B

Frankreich Gütezeichen

(Stand

prEN 14961-6 Juni 2020)

Weißrussland IndustrieStandard

PFI Standard Specification for TU RB Residential/Commercial Densified 600012401.002 2004 Fuel / PFI QA/QC 4)

Program Bois standard

Bois industriel

Agro+

Agro

B Wald- & Plantagenholz, Rückstände aus der Holzindustrie,

kraut- & fruchtartige Biomasse aus der Landwirtschaft

Holz

Stroh

Gebrauchtholz

6”D”9±1

1

2

” 10

” 15

” 11

” 15

” 10

” 10

” 1,5

”3

”5

”7

” 3,5

”6 )

3,15 ” L ” 40 )

9

Minimaler Heizwert ist anzugeben

” 12 9

”8 )

” 8

” 12

”2

”6

” 1,5 > 16,9

14,7 )

• 16,0
• 14,5 )

2

)

2

• 95

• 95

• 95

• 92

• 96,5

• 97,5

• 97,5

• 96,5

• 97,5

• 97,5

-

(< 5)

(< 5)

(< 5)

(< 8)

(< 3,5)

(< 2,5)

(< 2,5)

(< 3,5)

(< 2,5)

(< 2,5)

-

3

”3 )

” 0,5

” 0,5

-

3

3

-

3

3

2)

3

”2 ) 3

2)

3

5)

”3 ) 3%

6)

” 1 ( ” 0,5 )

5

”1 ) 5

5

”1 )

3

” 10

15,5 )

2)

3)

” 10 ”4 )

30 - 50

” 1% > ~ 38,1 )

15,2 )

2

1

1

3,15 ” L ” 40 )

9

8-9

16,2 )

”2 )

1

1

6,35 bis 7,25 )

3

5 ” L ” 50

1

Utility

chemisch unbehandeltes Material

6 ± 1 , 8 ± 1 oder 10 ± 1 )

1

5 ” L ” 30

1

Standard

halmgutartige Biomasse aus Landwirtschaft und Gartenbau

8±1 )

10 ” L ” 30 10 ” L ” 30

Schilfgras

7,8)

6 ± 1 oder

6 ” D ” 16 6 ” D ” 8 ± 1 6 ” D ” 16 ± 1

Miscanthus

5

”1 )

2)

”2 )

), z. B. Stärke, Getreide- oder Kartoffelmehl, Pflanzenöle

4

• 650

• 650

• 650

• 650

• 600

• 650

• 650

• 650

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

• 1000

• 800

anzugeben; Stan-dard = informativ; GZ = normativ

5

4

0,3 ) 4

0,08 ) 4

0,05 ) ”1 ” 0,5 ” 10 ” 10 ” 10 ” 0,05 ” 10 ” 100

4

4

1,5 )

4

0,2 )

0,5 )

1,5 )

4

0,2 )

0,08 ) 4

0,05 ) ”1 ” 0,5 ” 10 ” 10 ” 10 ” 0,05 ” 10 ” 100

4

0,2 ) ”1 ” 0,5 ” 10 ” 40 ” 10 ” 0,1 ” 15 ” 60

) 1

3

) ist zu dokumentieren

” 1,0

” 0,7

” 0,5

” 1,0

-

” 0,04

” 0,2

” 0,2

” 0,3

-

” 0,03 ” 1,0 ” 0,5 ” 10 ” 10 ” 10 ” 0,1 ” 10 ” 100

” 0,1 ” 1,0 ” 0,5 ” 50 ” 20 ” 10 ” 0,1 ” 10 ” 60

” 0,08 ” 1,0 ” 0,5 ” 50 ” 20 ” 10 ” 0,1 ” 10 ” 60

1

-

-

1

” 0,1 ” 1,0 ” 0,5 ” 50 ” 20 ” 10 ” 0,1 ” 10 ” 60

500-650

-

) ist zu dokumentieren

4

0,2 ) ”1 ” 0,5 ” 10 ” 40 ” 10 ” 0,1 ” 15 ” 60

)

~ 609 bis ~ 737 ) ~ 609 bis ~ 737 )

4

4

)

” 0,0003 ) -

1

” 0,0003 ) -

-

GZ: EN B wird zunächst in DE+AT eingeführt 1

) Lieferzustand

1

) wahlweise, muss angegeben werden

2 ) Art (mineralisch/ organisch) & Anteil müssen angegeben werden

2)

3

) am Werksausgang

4

) wasserfrei

5

4

3

max. 1 % darf länger als 40 mm sein, max. Länge < 45 mm

) frisch ) Art & M enge müssen angegeben werden

) gilt für: lose Pellets vor der Verladung ab Werk, Big Bags vor Abfüllung, Sackware bei Auslieferung an Endkunden 6

) gilt für Sackware bis 20 kg vor Abfüllung

7

) lt. prEN 14961-1: 1.1; 1.2; 1.3 ) für GZ: EN B Rohstoffinput eingegrenzt, lt. prEN 14961-1:

8 9

1

) Werte umgerechnet

2

) muss angegeben werden (BTU/pound)

3

) Art muss angegeben werden ) PFI Quality assurance/quality control (QA/QC) Program ; ist nicht für den Überseetransport anwendbar 5

) Gehalt ist anzugeben

*: Hinweis: Für die Ermittlung der Brennstoffkennwerte werden z.T. unterschiedliche Prüfmethoden ausgewiesen und angewendet, was die Vergleichbarkeit der Grenz- und einschränkt. Alle Angaben ohne Gewähr.Analysewerte

Qualitätsanforderungen an den Brennstoff

79

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5 Qualitätsanforderungen an den Brennstoff

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6 Pelletproduktion ............................................................................................... 82 6.1 Stammholzplatz und Stammholzaufbereitung ........................................... 83 6.1.1 Entrindung .......................................................................................... 87 6.1.2 Stammholzzerkleinerung .................................................................... 90 6.2 Nassspanlager ............................................................................................ 95 6.2.1 Außenlager für nasse Hackschnitzel und Späne ................................. 96 6.2.2 Automatisiertes Innenlager ................................................................ 98 Schubbodensysteme / Zugbodensysteme ................................................ 98 Be- und Entladeförderer bzw. Hebe- und Senkförderer........................ 100 Kratzbodensysteme und Kratzkettenförderer........................................ 102 Krananlagen .......................................................................................... 103 6.3 Transportsysteme für nassen Rohstoff ..................................................... 104 6.3.1 Kratz- und Trogkettenförderer ......................................................... 105 6.3.2 Förderband ....................................................................................... 107 6.3.3 Förderschnecke ................................................................................ 109 6.3.4 Vibrationsförderrinne ....................................................................... 110 6.3.5 Becherwerke..................................................................................... 111 6.4 Trockner .................................................................................................. 113 6.4.1 Bandtrockner .................................................................................... 116 6.4.2 Trommeltrockner.............................................................................. 120 6.4.3 Steuerung und Regelung .................................................................. 124 6.4.4 Kennzahlen für Trockner ................................................................. 124 6.5 Lager für trockene Späne ......................................................................... 126 6.5.1 Schubboden ...................................................................................... 126 6.5.2 Silo ................................................................................................... 127 6.6 Pelletierung .............................................................................................. 131 6.6.1 Allgemeine Prozessbeschreibung ..................................................... 131 6.6.2 Anlagentechnik ................................................................................ 137 Magnetabscheider ................................................................................. 137 Allmetallabscheider .............................................................................. 141 Windsichter........................................................................................... 143 Hammermühle ...................................................................................... 144 Additiv- bzw. Stärkedosierung ............................................................. 145 Mischer ................................................................................................. 146 Reifebehälter bzw. Homogenisierungssilo ........................................... 147 Pelletpresse ........................................................................................... 147 Kühler ................................................................................................... 152 Sieb ....................................................................................................... 153 Pelletsilos .............................................................................................. 154 Literaturverzeichnis ....................................................................................... 156

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6 Pelletproduktion

6 Pelletproduktion

Moderne Pelletierungsanlagen im industriellen Maßstab bewegen sich in einem Leistungsbereich von ca. 30.000 bis 500.000 t/a. Dabei bestehen diese Anlagen in der Regel im oberen Leistungsbereich aus mehreren Produktionslinien mit Einzelleistungen von jeweils ca. 100.000 bis 200.000 t/a pro Strang. Die Anlagenkomponenten dieser parallel arbeitenden Produktionslinien können in zwei Gruppen eingeteilt werden. Zum einen in zentrale Einheiten, die von den jeweiligen Strängen gemeinsam genutzt werden und dezentrale Einheiten, die jedem Strang autark zur Verfügung stehen. Zu den zentralen Anlagenkomponenten gehören je nach Konzeption der Anlage: – Entrindung – Zerkleinerung – Nasslager und Transportsysteme – Trockner – Trockenspanlager – Pelletierung – Pelletlager und Verladestation – Verpackung Unter ökonomischen Gesichtspunkten ist es nicht sinnvoll jede Linie eigenständig zu konzipieren. Die gemeinsamen Anlagenkomponenten stellen einen Kompromiss zwischen größtmöglich gesicherter Produktionskapazität und Investitionskosten dar. Da es sich bei den zentralen Einheiten um Anlagenkomponenten mit hohen Standzeiten handelt, ist das Risiko eines Ausfalls der Gesamtanlage als verhältnismäßig gering einzustufen.

S. Döring, Pellets als Energieträger, DOI 10.1007/978-3-642-01624-0_6, © Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2011

6.1 Stammholzplatz und Stammholzaufbereitung

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Abb. 6.1: Pelletproduktion, ca. 130.000 t/a inklusive Stammholzaufbereitung

6.1 Stammholzplatz und Stammholzaufbereitung In der Vergangenheit wurden bevorzugt Sägespäne als Nebenprodukt aus Sägewerken für die Erzeugung von Pellets verwendet. Weltweit sinkt derzeit jedoch das Angebot an Sägespänen bei einer gleichzeitigen Erhöhung der Nachfrage nach Pellets. Dies hat zur Folge, dass Rundholz, welches im Sägewerk nicht eingesetzt werden kann, vermehrt als Ausgangsmaterial für die Herstellung von Pellets Anwendung findet. Die Größe und der Aufbau eines Holzplatzes richtet sich im Wesentlichen nach der zu verarbeitenden Rundholzart, der Rundholzqualität (wie z. B. Längen- und Durchmesserspektrum, Krümmung, Wurzel- und Astansätze, Wuchsfehler), nach Art, Umfang und Gestalt möglicher zu verarbeitender Resthölzer und Nebenprodukte der Sägeindustrie, geographischem Standort sowie der jährlichen Verarbeitungs- und damit der jährlichen Ausbringungsmenge. Vorwiegend werden zur Herstellung von Pellets Industrieholzqualitäten in Kurzlängen und geringen Durchmessern eingesetzt. Der Holzplatz sollte hinsichtlich der Rundholzverarbei-

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6 Pelletproduktion

tung ausreichende Flexibilität bieten, um sich ändernden Beschaffungskriterien Rechnung zu tragen und damit eine langfristige Rundholzversorgung sicherzustellen. Aus ökonomischer Sicht ist eine kontinuierliche Vollauslastung des Holzplatzes anzustreben, um die Betriebskosten möglichst niedrig zu halten. Anderseits sind auch ausreichend Reserven für Leistungsspitzen, Wartezeiten, verkürzte Arbeitszeiten oder einen Dauerbetrieb des Holzplatzes bei der Auslegung von Anlagenkomponenten zu berücksichtigen, um Produktionsengpässe zu minimieren und eine hohe Verfügbarkeit zu erreichen. Speziell im industriellen Bereich kommt dem Holzplatz als erstem Prozessglied in der Pelletherstellung eine wesentliche Bedeutung zu, die über die Verfügbarkeit und Wirtschaftlichkeit der nachgelagerten Prozesse entscheidet. Auch der Winterbetrieb bei extremen Minusgraden ist zu berücksichtigen, da der Entrindungsgrad hier entsprechend geringer ausfällt. Hauptaufgabe des Holzplatzes ist neben der Bevorratung und Zerspanung die Entrindung des angelieferten Rundholzes. Für die Herstellung von qualitativ hochwertigen Pellets und Einhaltung des vorgeschriebenen Aschegehalts für die private Nutzung ist eine Entrindung des eingesetzten Rundholzes unerlässlich. Das nachstehende Arbeitsfließbild stellt ein Optimum für Holzplatzanlagen in der Pelletindustrie dar. Speziell in Betrieben kleinerer Größenordnungen kann die Anlagenkonzeption angepasst werden oder eine andere Reihenfolge aufweisen. Im folgenden Fließbild durchlaufen die Stämme folgende Anlagenteile: – – – – – – –

Flurförderfahrzeug Kettenförderer Stammholzvereinzeler Walzenentrinder Kettenförderer Metalsuchgerät Hacker

Dredger Chain Conveyor Step Feeder Rotary Debarker Chain Conveyor Metal Detector Wood Chipper

Die Rinde fällt unter dem Entrinder auf einen Kratzkettenförderer (Rail Waste Conveyor). Sie kann optional in einem Rindenschredder (Bark Mill) zerkleinert werden und wird in eine Rindenbox gefördert. Oberhalb der Entrindung ist auf dem Fließbild die Option dargestellt, per Radlader (Dredger) über einen Kettenförderer (Chain Conveyor) oder eine Vibrationsrinne (Vibration Channel) bereits kurzes entrindetes Stammholz oder Kappstücke aus dem Sägewerk aufzugeben um diese im anschließenden Hacker zu zerkleinern. Am Beginn der Arbeiten im Pelletwerk steht üblicherweise die Eingangskontrolle des angelieferten Rundholzes. In der Regel erfolgt eine Überprüfung in Form einer Gewichtskontrolle mittels LKW-Waage am Werkseingang. Da der Feuchtigkeitsgehalt im Rundholz variieren kann, wird von jeder Ladung eine Feuchtprobe meist mittel Handkettensäge entnommen. Durch einen Darrofen kann der Feuchtegehalt in den Sägespänen ermittelt werden. Schneller erfolgt die Be-

6.1 Stammholzplatz und Stammholzaufbereitung

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stimmung des Wassergehaltes mit einer Halogenwaage (s. S. 114). Bei Anlagenkonzepten mit Einzelstammentrindung kann die Eingangskontrolle automatisch mittels eichfähiger Durchlaufmessung erfolgen und in die Holzplatzanlagen integriert werden.

Abb. 6.2: Anlieferung von Industrieholz und Eingangskontrolle /1/

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6 Pelletproduktion

Abb. 6.3: Fließbild zur Entrindung für eine Kapazität von 250.000 t/a /1/

6.1 Stammholzplatz und Stammholzaufbereitung

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Um ein mehrfaches Handling zu vermeiden, sind die Holzplatzanlagen nach Möglichkeit direkt vom LKW zu beschicken. Einer kurzen Abladedauer kommt hier eine besondere Bedeutung zu. Das Annahme- und Vorratsdeck der Holzplatzanlage ist entsprechend lang auszuführen. Industrielle Betriebe verwenden zur LKW-Entladung vielfach entsprechend große Radlader, um die Abladezeiten zu minimieren. Den hohen Belastungen während des Abladevorgangs muss bei der konstruktiven Auslegung des Decks und seiner eingesetzten Förderketten speziell Rechnung getragen werden. Um Produktionsengpässe zu vermeiden verlangt eine optimale Betriebsführung aber immer eine gewisse Vorratshaltung an Rundholz.

Abb. 6.4: Flurförderfahrzeug zur Beschickung von Holzplatzanlagen /1/

6.1.1 Entrindung Je nach Ausbringungsleistung, Rundholzabmessungen und –qualität finden in der Pelletindustrie verschiedene Entrindungskonzepte Anwendung. Einzelstammentrindungen mit Lochrotor kommen bei geradschaftigem Rundholz mit einer minimalen Länge von 1,7 m, Durchmessern ab 100 mm und geringen Leistungen zum Einsatz. Vorteile von Einzelstammentrindungen sind vergleichsweise niedrigere Anschaffungskosten und ein sehr gutes Entrindungsergebnis.

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6 Pelletproduktion

Abb. 6.5: Schemazeichnung Einzelstammentrindung von Söderhamn Eriksson /1/

Für größere Entrindungsleistungen werden sog. Rotary Debarker eingesetzt. Durch ihren modularen Aufbau ist deren Leistung nahezu unbegrenzt erweiterbar. Die Rinde wird hier während des Längstransports durch nockenbestückten Wellen aufgeschlagen und durch Rotation vom Stammholz getrennt. Speziell bei Industrieholzqualitäten hat sich der Einsatz von Rotary Debarkern bewährt und bietet ausreichend Flexibilität bei der Rundholzbeschaffung. Das vorgeschaltete Vereinzelungs-und Zuteilsystem muss eine sichere und störungsfreie Beschickung der Entrindungsanlagen gewährleisten. Je nach Entrindungstyp muss das Zuteilsystem die Rundhölzer stammweise oder in kleinen ausgerichteten Rundholzbündeln der Entrindung zuführen. Neben der geforderten Leistung spielen auch hier die Rundholzabmessungen eine ganz entscheidende Rolle bei der Auslegung. Um Feinteile wie z.B. Steine aus dem Prozess auszuschleusen, bietet sich der Einsatz von Reinigungsstrecken in Form von Rollengängen hinter den Entrindungsanlagen an. Die Rinde wird in den meisten Fällen zur Gewinnung von Energie und Wärme in Pelletwerken verwendet. Dies setzt häufig eine Zerkleinerung der Rinde voraus. Für diesen Arbeitsgang werden vorwiegend Hammermühlen verwendet. Der Transport erfolgt am rationellsten mittels breiten Kratzkettenförderern. Bei der Auslegung ist das maximale Rindenaufkommen zu berücksichtigen. Bei Temperaturen unter 0°C ist beim Betrieb des Kratzers Vorsicht geboten. Es ist darauf zu achten, dass die Rinde insbesondere beim Einsatz von Wasser, großvolumig zusammenfrieren und / oder am Kratzförderer anhaften kann. Das Wasser wird im Entrinder häufig automatisch zugegeben um den Entrindungsgrad zu optimieren. Im Rindenlager kann die Rinde dadurch ebenfalls großvolumig zusammenfrieren.

6.1 Stammholzplatz und Stammholzaufbereitung

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Abb. 6.6: Schemazeichnung Rotary Debarker /1/

Abb. 6.7: Entrindung mit Rotary Debarker in zwei Linien /1/

Um Beschädigungen am Hacker durch größere Stahlteile zu vermeiden, werden den Hackanlagen Metallsuchspulen vorgeschaltet. Bei Erkennen von Metall werden die entsprechenden Rundhölzer vor dem Hacker ausgeschleust oder müssen manuell entnommen werden. Resthölzer können dem Hackereinlaufband mittels Vibrationsförderer zugeführt werden.

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6 Pelletproduktion

Zur Zerkleinerung des Rundholzes werden i. d. R. Trommelhacker eingesetzt. Trommelhacker besitzen auch bei schlechten Rundholzqualitäten ein gutes Einzugsverhalten und erzeugen – im Vergleich zu anderen Varianten – ein relativ homogenes Ausgangsmaterial für die Pellets. Je nach Hackertyp kann der Einsatz von Sieben oder eine Nachzerkleinerung mit z.B. Hammermühlen erforderlich sein. Neben den oben aufgeführten Punkten spielt die Geräuschbelastung auf dem Holzplatz insbesondere im industriellen Bereich eine wichtige Rolle. Eine Minimierung der Geräuschentwicklung ist bei der Holzplatzkonzeptionierung anzustreben. Sicherheitstechnische Aspekte sind ebenso zu beachten und zu berücksichtigen Stammholz stellt, wie bereits erwähnt, in der Regel nicht das Hauptmaterial für die Pelletierung dar. Die Pelletproduktion basiert hauptsächlich auf der Verarbeitung der Sägewerksnebenprodukte. Zu den Nebenprodukten zählen neben Sägespänen und Sägemehl auch Holzhackschnitzel, Kappstücke. Diese müssen ebenso durch verschieden technische Anlagen und Verfahrensschritte für die Pelletproduktion aufbereitet werden. Ziel der Aufbereitung ist es, einen geometrisch möglichst gleichmäßigen Sägespan zu erzeugen. Je besser die Homogenisierung des Nassspans erfolgt, desto einfacher gestalten sich die Aufgaben des Trockners und der Pelletierung.

6.1.2 Stammholzzerkleinerung Im Folgenden wird auf den Hacker und die Hammermühle detaillierter eingegangen. Die Hackanlage bildet den zweiten Schritt in der Verarbeitung der Rundhölzer. Aufgabe der Hackanlage ist es entrindetes Rundholz und Kappstücke zu Holzhackschnitzel zu zerkleinern. Die Hackanlage ist die erste Zerkleinerungsstufe in der Pelletierung. Kernstück einer Hackanlage ist der Hacker. Beim Hacker erfolgt die Zerkleinerung hauptsächlich durch schneidende Werkzeuge. Drei Hackertypen werden nachfolgend naher erläutert. Je nach Funktion handelt es sich um Scheiben-, Trommel – oder Schneckenhacker. Vor dem Hacker sollte, wie bereits erwähnt, ein Metallsuchgerät installiert sein. Das Gehäuse eines Hackers ist eine massiv verschweißte Stahlblechkonstruktion. Der Trommelhacker wird häufiger in der Pelletproduktion eingesetzt. Grund dafür ist, dass an die Hackschnitzelqualität in der Pelletproduktion nicht dieselben hochwertigen Ansprüche gestellt werden wie in der Zellstoffindustrie. Der Trommelhacker ist auch in der Lage, nicht nur Rundhölzer sondern auch lange und kurze Stückabfälle sowie Rundholzendscheiben zu zerkleinern. Zudem spricht für den Trommelhacker ein schneller Messerwechsel, geringer Platzbedarf und ein einfaches Handling. Ein weiterer Vorteil gegenüber dem Scheibenhacker ist, dass er das Rundholz vollständig zerkleinert. Der Scheibenhacker hinterlässt aufgrund

6.1 Stammholzplatz und Stammholzaufbereitung

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seiner Arbeitsweise kurze Reststücke an Rundholz. Diese Reststücke bedeuten wiederum ein Mehraufwand an Anlagen und Fördertechnik. Zudem muss auch keine zusätzliche Siebanlage vor dem Trommelhacker installiert werden um Splitter zu entfernen. Der Trommelhacker besteht aus einer Trommel. Am Trommelumfang können mehrere Schneidmesser angebracht werden. Die Schneidmesser sind versetzt oder durchgehend angeordnet. Die Holzzufuhr erfolgt rechtwinklig zur Trommelachse durch Einzugswalzen. Diese sind oberflächenvergütet. Ihre Anzahl variiert je nach Hackergröße. Zusätzlich sind auch Gegenmesser angebracht um kurzes Material einfacher zu zerkleinern.

Abb. 6.8: Trommelhacker mit Zuführband von Rudnick & Enners /2/

Abb. 6.9: Schnitt durch einen Trommelhacker von Vecoplan mit Motor, durchgehend angeordneten Messern und Einzugswalzen /3/

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6 Pelletproduktion

Die Größe der Hackschnitzel ist abhängig von der Anzahl der Messer, der Drehzahl der Trommel sowie der Einzugsgeschwindigkeit. Einwandfreie Hackschnitzel erhält man nur mit scharfen Messern. Stumpfe Messer brechen die Fasern und erhöhen den Energiebedarf. Die Standzeit der Messer sollte mindestens 8 Stunden (1 Schicht) betragen. Sie ist von folgenden Parametern abhängig: – – – –

Feuchte des Holzes Stahlqualität Winkel mit dem das Messer auf das Holz auftrifft Restverschmutzungsgrad

Der Winkel zwischen Messer und Faserrichtung schwanken je nach erforderlicher Aufgabenstellung, da die Höhe der Gegenschneide und der Trommeldurchmesser an die jeweilige Aufgabenstellung angepasst wird. Entscheidend ist , dass der Hackvorgang quer zur Faserrichtung des Holzes erfolgt. Dies kann bei einem Stammende oder bei Kurzhackgut nicht gewährleistet werden. Die dadurch entstehenden Überlängen müssen über das Nachzerkleinerungssieb begrenzt werden. Große Hackmaschinen besitzen Trommeldurchmesser bis 2500mm bei Antriebsleistungen bis 1800 kW.

Abb. 6.10: Rundholz und Hackschnitzel nach Hackereinsatz

Scheibenhacker sind in der Sägeindustrie eher selten und werden vor allem in der Papier- bzw. Zellstoffindustrie eingesetzt. Er besteht prinzipiell aus einer Einzugsvorrichtung und einem Hackorgan. Das Hackorgan besteht aus einer rotierenden Messerscheibe in der mehrere Messer angebracht sind. Die Anzahl der Messer kann je nach Typ und Hersteller variieren. Der Schnittwinkel zwischen Messerscheibe und Faserrichtung beträgt konstant ~45°. Je nach Typ und Hersteller wird die Materialzuführung horizontal oder in einer 45° Schräge angeordnet. Große sta-

6.1 Stammholzplatz und Stammholzaufbereitung

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tionäre Anlagen in den USA besitzen einen Scheibendurchmesser von bis zu 3.000 mm, mit der man einen Rundholzdurchmesser bis zu 800 mm verarbeiten kann. Das Rundholz wird durch eine oder mehrere gegenläufig rotierende, profilierte Einzugsrollen auf die Messerscheibe zugeführt. Eine Gegenschneide sorgt dafür, dass eine günstige Krafteinwirkung auf das Holz stattfindet. Durch Schlitze in der Messerscheibe gelangen die Hackschnitzel auf die Rückseite der Scheibe. Auf der Rückseite befinden sich Wurfschaufeln, die den Hackschnitzel in den Auswurfkanal schleudern. Um eine weitere Zerkleinerung der Hackschnitzel zu gewährleisten, kann der Eingang des Auswurfkanals mit Prallrippen abgedeckt werden. Durch die Anordnung der Prallrippen werden die Hackschnitzel mit Hilfe der Wurfschaufeln zusätzlich zerschlagen. Die Hackschnitzellänge ist abhängig von der Höhe des Überstandes der Messerklingen über dem Scheibenrand. Eine Siebanlage ist dem Scheibenhacker vorzuschalten, da Hackschnitzel kaum zerkleinert werden können.

Abb. 6.11: Schneidprinzip und Darstellung des Hackorgans eines Scheibenhackers mit Nachzerkleinerung /11/

Der Schneckenhacker wird eingesetzt, um Grobhackschnitzel gleichmäßiger Größe zu erzeugen. Kernstück des Schneckenhackers ist eine konisch geformte Schnecke mit spiralförmigen Windungen. Die Hackschnecke wird meist waagerecht in einem konisch verlaufender Trichter verbaut. Die Außenseiten der Schnecke sind zu einem Messer angeschliffen. Ein Einzugssystem ist nicht notwendig. Das Holz wird axial zur Schneckenwelle zugeführt. Durch die Rotation der Schnecke wird das Holz erfasst, eingezogen und geschnitten. Der Auswurf der Holzhackschnitzel erfolgt über Wurfschaufeln, die am hinteren Ende der Schnecke

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6 Pelletproduktion

angebracht sind. Die Größe der Hackschnitzel ist abhängig von der Steigung der Schneckenwindungen.

Abb. 6.12: Bauprinzip des Schneckenhackers /11/

Nach der Entrindung des Stammholzes und dem Hacker erfolgt je nach Hackerauslegung eine Nachzerkleinerung in einer Hammermühle. Die Hammermühle bildet den dritten Schritt in der Verarbeitung der Rundhölzer. Aufgabe der Hammermühle ist es, die Holzhackschnitzel zu Holzspänen zu zerkleinern. Die Zerkleinerung des Materials findet durch Schlagwerkzeuge statt. Die Hackschnitzel sollten möglichst frei von Störstoffen wie Steinen und Metall sein. Störstoffe wirken sich negativ auf den Betrieb aus und erhöhen den Verschleiß der Metallschläger. Weiterhin kommt es zu Funkenbildung, die vermieden werden muss. Die akzeptable Abtrennung der Störstoffe kann durch entsprechende Schwergutschleusen im Mühleneinlauf erfolgen. Die Hammermühle ist sehr robust aufgebaut. Kernstück der Hammermühle ist ein Rotor an dem mehrere Metallschläger pendelnd aufgehängt sind. Die Metallschläger sind hartmetallbeschichtet und beweglich. Durch den Einsatz auswechselbarer Siebeinsätze kann gewährleistet werden, dass die gewünschte Partikelgröße nicht überschritten wird. Die Korngröße des Ausgangsmaterials wird durch die Sieblochdurchmesser bestimmt. Der Antriebsmotor wird meist direkt angeflanscht. Durch die Bewegung des Rotors werden hohe Umfangsgeschwindigkeiten der Metallschläger erzeugt. Die Hackschnitzel prallen auf die Metallschläger und werden durch die Kräfte, die durch die große Impulsänderung entstehen, zerkleinert. Ebenfalls findet eine Zerkleinerungswirkung durch die Reibe- und Abscherarbeit an den Lochkanten der Siebeinsätze statt. Die Öffnungsweite der Sieblöcher bestimmt die Hackschnitzelgeometrie, die Durchsatzleistung und den spezifischen Energieverbrauch. Auch bei steigendem

6.2 Nassspanlager

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Wassergehalt im Mahlgut sinkt die Leistung. Steigt der Wassergehalt im Mahlgut an, so steigt auch der spezifische Energieverbrauch.

Abb. 6.13: Nasshammermühlen von Rudnick & Enners /2/

6.2 Nassspanlager Bei der Pelletherstellung im industrieellen Maßstab handelt es sich um Produktionsverfahren, die auf eine kontinuierliche Versorgung mit Einsatzstoffen angewiesen sind. Um Versorgungsengpässe zu vermeiden, empfiehlt sich eine Lagerhaltung von mindestens fünf Arbeitstagen. In der Praxis hat sich allerdings der Trend zu einer wesentlich höheren Lagerhaltung durchgesetzt. In der Regel werden Einsatzmaterialien für mehrere Wochen vorgehalten. Auf diesem Weg können zum Beispiel Lieferengpässe von Lieferanten überwunden werden. Als „Worst Case“ kann in diesem Zusammenhang der Stillstand der Anlage wegen mangelnder Einsatzstoffe betrachtet werden. Eine größere Lagerhaltung beinhaltet weitere ökonomische Vorteile. Die verlängerten Planungszeiträume erlauben es dem Anlagenbetreiber auf dynamische Marktsituationen angemessen zu reagieren. In der Regel ermöglichen diese Freiheitsgrade eine Verbesserung der Wertschöpfung im kontinuierlichen Betrieb. Exemplarisch sei der Lieferantenwechsel im laufenden Betrieb genannt, ohne den Produktionsablauf zu gefährden. Ebenfalls kann auf die Qualitäten der Einsatzstoffe Einfluss genommen werden. Die gesteigerten Investitionskosten sind nur gering im Verhältnis zum Einsparpotential. Lagereinheiten haben die Aufgabe, den Produktionsprozess kontinuierlich mit Einsatzstoffen zu versorgen. Beziehungsweise die Endprodukte Zwischen- oder Einzulagern. Zu diesem Zweck kommen überdachte und nichtüberdachte Lager-

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6 Pelletproduktion

plätze, Lagerhallen, Silos und ähnliche Speichervorrichtungen zum Einsatz. Wegen der Notwendigkeit der „Pufferung“ der Massen- und Volumenströmen in der laufenden Produktion ist eine ausreichende Dimensionierung entscheidend für einen reibungslosen Betrieb der Anlage.

6.2.1 Außenlager für nasse Hackschnitzel und Späne Aus Kostengründen hat sich die Lagerung der Nassspäne auf versiegelten Flächen ohne Überdachung durchgesetzt. Bei der Auslegung des Außenlagers ist zu beachten, dass die Bodenplatte oder der Bodenbelag so zu bemessen ist, dass die Achslasten gängiger LKWs und Radladermodelle aufgenommen werden können. Je nach Auslegung des Außenlagers sind Lagerhöhen von über 6 m üblich. Aus diesem Grund müssen die Begrenzungswände entsprechend bemaßt sein, wenn die Fläche optimal genutzt werden soll. Weiter muss berücksichtigt werden, dass beim Ein-/ Auslagern bzw. Umschichten des Stückgutes gelegentliche Kollisionen der Radladerschaufel mit den Begrenzungswänden unvermeidlich sind. Dieser Tatsache muss mit entsprechenden Sicherheitszuschlägen Rechnung getragen werden. Aus diesem Grund sollte der untere Bereich der Wände aus entsprechendem Stahlbeton gefertigt werden. Die Lagerhöhe hat entsprechenden Einfluss auf die Fundamentierung der Begrenzungswände.

Abb. 6.14: Freilager auf versiegeltem Untergrund ohne Begrenzungswände

6.2 Nassspanlager

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Die Vorgaben zur Entwässerung der versiegelten Flächen, bzw. die Aufbereitung des anfallenden Wassers können sich je nach zuständiger Genehmigungsbehörde unterscheiden. Die individuellen Anforderungen an den Anlagenbetreiber sind im Detail zu klären. Traditionell werden in diesen Außenlagern Holzspäne für die Pelletproduktion vorgehalten. Die aktuelle Entwicklung lässt allerdings den Schluss zu, dass in der Zukunft vermehrt holzartige Substitutbrennstoffe wie zum Beispiel Reststoffe aus der Getreideproduktion Verwendung finden können. Der Wassergehalt der Holzspäne bewegt sich im Bereich von 30 bis 60 %. Bei extremen Umgebungsbedingungen können die Werte nach oben bzw. unten abweichen. Je nach Holzsorte, Wassergehalt und Lagerbedingungen kann es bei längeren Lagerzeiten zu einem Temperaturanstieg im Inneren der Schüttung kommen. Unter besonders ungünstigen Umständen kann diese Erwärmung zu einer Selbstentzündung führen. Um das Gefahrenpotential zu vermindern sollten Holzspäne, Hackschnitzel und Rundhölzer nicht unmittelbar nebeneinander gelagert werden.

Abb. 6.15: Nassspanlager mit Befüllung durch Kratzkettenförderer, wettergeschützt /2/

Mit der Lagerdauer steigt die Gefahr, dass sich die Qualitäten der Einsatzstoffe verschlechtern. Da es sich bei Biomassen um einen inhomogenen, natürlichen Rohstoff handelt, beeinflussen unterschiedliche physikalische, chemische und biologische Vorgänge die Holzqualität negativ. Dabei stellt die Zersetzung der Holzmatrix durch Bakterien und Pilze nur ein Beispiel dar. Die Lagerung ohne Wetter-

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6 Pelletproduktion

schutz begünstigt diese Vorgänge. Daher wäre die Lagerhaltung nach dem Prinzip „first in first out“ zu bevorzugen. Es versteht sich von selbst, dass sich solch ein Außenlager in unmittelbarer Nähe des Trockners befindet. Um eine störungsfreie Produktion zu garantieren ist die räumliche Nähe der einzelnen Produktionsschritte zwingend notwendig. Dem Trockner vorgelagert ist eine automatische Fördereinrichtung mit einer entsprechenden Lagereinheit.

6.2.2 Automatisiertes Innenlager Um den Trockner kontinuierlich zu bestücken, ist diesem in der Regel ein automatisiertes Innenlager vorgeschaltet. Maßgeblichen Einfluss auf die Gestaltung dieses Anlagenteils haben die räumlichen Gegebenheiten. Je nach Konzeption der Gesamtanlage sind die Grundflächen bzw. die Bauhöhen solcher Lagereinheiten begrenzt. Weiter müssen die individuellen Eigenschaften der Einsatzstoffe bei der Auswahl des jeweiligen Lager- bzw. Transportsystems berücksichtigt werden. Im praktischen Betrieb haben sich folgende Systeme erfolgreich bewährt: – – – – –

Schubbodensysteme / Zugbodensysteme Stationäres Moving Floor System Be-/Entladeförderer bzw. Hebe-/Senkförderer Kratzbodensysteme Kranbunker

Schubbodensysteme / Zugbodensysteme Bei Schubbodensystemen handelt es sich um parallel angeordnete Rechen, die mit einem hydraulischen Antrieb versehen sind. Durch ihre lückenlose Anordnung eignet sich dieses System besonders für Stück- und Schüttgüter. Schubbodensysteme sind verhältnismäßig wartungsarm und platzsparend. Besonders zu beachten ist, dass die Schubbodensysteme für Radlader befahrbar ausgelegt werden sollten. Anderenfalls kann es im praktischen Betrieb zu Problemen kommen, da eine nicht sachgerechte Handhabung zum Ausfall der Anlage führen kann. Generell gibt es zwei Mitnehmersysteme: – –

Rechenkonstruktion Leiterkonstruktion

Die Gleitschienen, auf denen sich die Rechen oder Leitern bewegen, werden in die Bodenplatte eingegossen, wodurch die Fundamentierung entsprechend aufwendig und kostenintensiv wird. Über die Gleitschienen laufen die rechenförmi-

6.2 Nassspanlager

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gen Mitnehmer. Diese werden über Zweiwege-Hydraulikzylinder vor und zurück bewegt. Die keilförmige Geometrie der Mitnehmer garantiert den Transport der Einsatzstoffe in die gewünschte Richtung. Das Gesamtsystem besteht aus mehreren Rechen- Gleitschienenkombinationen, die parallel arbeiten. Je nach Anforderungsprofil und Ausführung können die Rechen einzeln angefahren werden. Um Brückenbildungen zu vermeiden, sind die Lagerwände entsprechend glatt und reibungsfrei auszuführen. Wegen der aufwendigen Fundamentierung gehört die Betonbemessung in der Regel zum Lieferumfang der Anlagenhersteller. Wegen der hohen abrasiven Beanspruchung kommen Spezialbetone zum Einsatz. Die Auslegung der hydraulischen Anlagenkomponenten ist direkt von dem Gewicht bzw. der Füllhöhe der Einsatzstoffe abhängig. Neben der Möglichkeit der Ventilsteuerung kann ebenfalls jeder Rechen mit einer separaten Hydraulikpumpe angetrieben werden. Dies hat vor allem energetische Vorteile.

Abb. 6.16: Schubboden und Hydraulikzylinder für Späne von Rudnick & Enners /2/

Schubbodensysteme eignen sich zum Transport nasser Späne. Allerdings ist die Verwendung dieser Anlagen bei trockenen Einsatzstoffen nur in geschlossener, nicht befahrbarer Ausführung empfehlenswert. Der Grund dafür ist die extrem ho-

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6 Pelletproduktion

he Staubbelastung bei trockenen Materialien. Neben der Eigenbewegung der Schubbodenelemente, fördert das Abwerfen auf den Schubboden und das Verbringen der Einsatzstoffe auf folgende Gewerke die Staubentwicklung. Es ist zwar möglich, durch eine entsprechende Kapselung der Anlage der Staubentwicklung entgegenzuwirken, allerdings ist der Aufwand hoch. Das Befahren mit Radladern stellt dazu ein erhebliches Explosionspotential dar. An heißen Motorenkomponenten und Auspufffunken können sich kritische Stäube entzünden. Aus diesen Gründen werden bei trockenen Materialien häufig alternative Techniken eingesetzt. In folgender Abbildung ist ein Schubbodensystem schematisch dargestellt.

Abb. 6.17: Schubbodensystem von VAS /4/

Verwandt mit dem Schubboden ist der von Rudnick&Enners entwickelte stationäre Moving Floor, mit dem speziell bei großen Leistungsanforderungen (>150 Srm/h) eine energetisch interessante Lösung zur Verfügung steht. Be- und Entladeförderer bzw. Hebe- und Senkförderer In der technischen Anwendung werden Be- und Entladeförderer auch Hebe- und Senkförderer genannt. Mit diesem Fördersystem können Lagerboxen vollautomatisch gefüllt und entladen werden. Im Gegensatz zum Schubbodensystem ist keine aufwendige Fundamentierung notwendig. Im Fall des Be- und Entladeförderers besteht der Lagerboden in der Regel aus einer gewöhnlichen Betonoberfläche, da dieser Bereich keiner besonderen Beanspruchung unterliegt.

6.2 Nassspanlager

101

Der Be- und Entladeförderer ist unter dem Dach aufgehängt. Aus diesem Grund müssen die Wände und das Dach so dimensioniert sein, dass die statischen und dynamischen Lasten aufgenommen werden können. Im Betrieb bewegt sich die Anlage sowohl vertikal, als auch horizontal. Dieser Umstand muss in der Bemessung der Wände und der Anschlusspunkte berücksichtigt werden. Die Anlage besteht aus einer Fördereinheit, die an Stahlseilen über Umlenkrollen von einer Hubvorrichtung angefahren wird. Durch Variation der Geschwindigkeiten ist eine gleichmäßige Befüllung bzw. Entleerung des Lagerraumes möglich. In folgender Abbildung ist solch eine Förderanlage schematisch dargestellt. Die Vorteile solch einer Anlage sind: – – – –

einfache Fundamente vollautomatischer Betrieb möglich geringer Personalaufwand kontinuierlicher Massen- und Volumenstrom

Wegen des vollautomatischen Betriebes der Anlage muss sichergestellt sein, dass sich keine Personen im Gefahrenbereich der Anlage aufhalten können.

Abb. 6.18: Schematische Darstellung eines Be- und Entladeförderers von Vecoplan /3/

Die Funktion des Systems kann wie folgt beschrieben werden:

102

6 Pelletproduktion

1. Mittels LKW, Radlader oder Kratzkettenförderer wird das Einsatzmaterial angeliefert. Dabei kann es sich um verschiedene Schüttgüter wie zum Beispiel Sägemehl, Hackschnitzel, oder Agrargüter handeln. 2. Das Einsatzmaterial wird von einem Radlader über einen Aufgabetrichter in den Lagerraum eingebracht. Alternativ kann die Beschickung automatisch über Kratzkettenförderer oder ähnliches stattfinden. 3. Der vertikal und horizontal fahrbare Be- und Entladeförderer transportiert das Material entweder vom einen zum anderen Lagerabschnitt, oder trägt dieses aus. Dabei erfolgt die Austragung durch Absenken der Austragungseinheit bei gleichzeitigem Betrieb der horizontalen Mitnehmer. Spezielle Aufhängungen der Tragseile ermöglichen eine dem Füllstand der Bunker angepasste vertikale Ausrichtung der Förderanlage. Durch eine unterschiedliche Entnahme aus den Bunkern ist es möglich, das Material zu mischen und so zu homogenisieren. Das Steuerungsprogramm wird dem jeweiligen Einsatzstoff individuell angepasst. Der Austragungsförderer übergibt das Material in diesem Fall an einen Kratzkettenförderer. 4. Der Kratzkettenförderer transportiert den Einsatzstoff quer zur Austragungsrichtung zum Verteilerförderband, der die Späne an die nachgelagerten Anlagentechnik übergibt. Diese anschließenden Fördereinrichtungen sind exemplarisch. Je nach Anforderungen kommen andere Anlagen zum Einsatz.

Kratzbodensysteme und Kratzkettenförderer Kratzbodensysteme bestehen aus umlaufenden Kettensträngen, die lastseitig von einem Taschenrad angetrieben werden. Zwischen zwei gleichmäßig angetriebenen Kettensträngen befindet sich in regelmäßigen Abständen ein Mitnehmer, der das Fördergut Richtung Austrag transportiert. Da diese Mitnehmer über den Boden „kratzen“ hat sich der Trivialname Kratzboden bzw. Kratzbodensysteme etabliert. Die Geometrie der Mitnehmer ist vom Fördergut abhängig und wird vom Hersteller entsprechend angepasst. Kratzbodensysteme werden mit Elektro- oder Hydraulikmotoren angetrieben. In der Vergangenheit kamen an dieser Stelle mechanische Ratschensysteme zum Einsatz. Zum Teil sind diese noch heute in Betrieb. Wegen der aufwendigen Fundamentierung ergeben sich analog zum Schubboden verhältnismäßig hohe Kosten bei der Installation. Beide Systeme werden dann eingesetzt, wenn wegen mangelnder Bauhöhen Krananlagen und vergleichbare Fördereinrichtungen nicht eingesetzt werden können.

6.2 Nassspanlager

103

Abb. 6.19:: Kratzbodenkonstruktion von Holtec /1/

Kratzkettenförderer bestehen aus einem Ober- und Untertrum. Das Einsatzmaterial wird in der Regel vom Obertrum mitgenommen und abgeworfen. Der Untertrum fungiert als Leertrum und läuft zurück. Kratzkettenförderer sind in ihrer Steigungsfähigkeit nicht begrenzt. Auf kurze Distanzen sind Steigungen von bis zu 90° realisierbar. Mit dieser Technik sind auch Überkopfförderer mit Steigungen von über 90° keine Seltenheit. Diese Fördereinrichtungen können gekapselt ausgeführt werden. Dadurch sind die Geräuschemissionen verhältnismäßig gering. Weiter sind solche Anlagen nahezu staubdicht, was dem Arbeits- und Explosionsschutz entgegen kommt. Das Arbeitsprinzip ist analog zum Kratzbodensystem. Krananlagen Die Krananlagen sind meist in Zweiträgerkonstruktion mit oben laufender Katze ausgeführt. Als Hubwerke dient ein robustes kupplungsloses Einmotorenwindwerk mit z.B. vier Einzelseilen. Die Kräne sollten alle für einen reibungslosen Betrieb notwendige Einrichtungen wie Aufsetzautomatik und Eingrabfunktion besitzen. Die Hublast wird mittels Lastmessbolzen und Wiegeprozessor erfasst. Alle Antriebe werden in der Regel über Frequenzumrichter angesteuert. Als Kransteuerung kommt eine SPS z.B. SIMATIC S7 zum Einsatz. Halb- und Vollautomatik für die Beschickung, Einlagerung und Mischung des Materials sind wahlweise möglich. Visualisierung über Industrie-PC mittels Visualisierungssoftware ist wie bei allen übrigen Systemen die Regel. Da es sich um eine gängige Technologie handelt, existieren am Markt eine Vielzahl an Herstellern. Aus diesem Grund ist es möglich, dieses Transportsystem

104

6 Pelletproduktion

individuell den jeweiligen Bedürfnissen anzupassen. Hochwertige Greifkrane sind in der Lage, kritische Eisatzstoffe zu heben. Dabei schützt eine ausgefeilte Sensortechnik die Anlage vor Überlastung. In modernen Krananlagen wird die optimale Befüllung der Greifer durch eine Aufsetzautomatik bzw. eine „Eingrabfunktion“ garantiert. Um den kontinuierlichen Massen- und Volumenstrom garantieren zu können, muss die Krananlage ausreichend dimensioniert werden. Es ist notwendig, dass die Fördermengen den Anlagenanforderungen auch bei relativ leerem Bunker und dementsprechenden langen Wegen gerecht werden. Es ist zu beachten, dass in Deutschland für Krananlagen eine Abnahmepflicht besteht. Vor der ersten Inbetriebnahme eines Kranes (Hebezeuges) ist in Deutschland eine Abnahmeprüfung nach BGG 905 (Berufsgenossenschaftliche Grundsätze) durch einen von der Berufsgenossenschaft ermächtigten Sachverständigen erforderlich. Diese Abnahmeprüfung reicht von der Sichtung der für einen Kran vorliegenden Dokumente bis hin zur Prüfung aller sicherheitstechnisch relevanten Funktionen, Sicherheitsabstände und angrenzenden Bereiche. Zur näheren Erläuterung wird in diesem Zusammenhang u.a. auf die Unfallverhütungsvorschrift Krane BGV D 6 verwiesen. Die jährlich wiederkehrende Prüfung ist dann durch einen Sachkundigen (BGV D 6 §26) durchzuführen. Dem Betreiber von Kranen wird empfohlen, seine Kranführer nach den geltenden Grundsätzen der Berufsgenossenschaften (BGG 921) zu schulen.

6.3 Transportsysteme für nassen Rohstoff Die Fördertechnik ist verantwortlich für den physikalischen Transport der Massen- und Volumenströme im gesamten Produktionsablauf. Es handelt sich somit um eine Schnittstellentechnologie bei der die betriebssichere Darstellung der Massen- und Volumenströme zwischen den beteiligten Anlagenkomponenten bzw. Verbrauchseinrichtungen im Vordergrund steht. Als Teildisziplin des Maschinenbaus befasst sich die Fördertechnik mit der Auslegung solcher Systeme. Darunter versteht man die Konzeption, Dimensionierung, Projektierung und Ausführung solcher Lager- und Transportsysteme. Fördereinrichtungen lassen sich prinzipiell unterteilen in: – –

Stückgutförderer (z.B. Paletten) Schüttgutförderer (z.B. Späne und Pellets)

Abhängig von den Einsatzbedingungen haben sich weitere Unterteilungsmerkmale etabliert. Dazu gehören exemplarisch: – – –

Steigförderer Flurfördermittel Hebezeuge

Die vielschichtigen Anwendungsfälle haben dazu geführt, dass sehr unterschiedliche Lösungsansätze verfolgt wurden. Die konsequenten Weiterentwick-

6.3 Transportsysteme für nassen Rohstoff

105

lungen in Bezug auf veränderte Einsatzbedingungen haben eine Fülle an unterschiedlichen Transportsystemen hervorgebracht. Aus diesem Grund wird im Weiteren nicht detailliert auf alle am Markt erhältlichen Systeme eingegangen. Die vorgestellten Anlagen sind exemplarisch und werden in der Pelletindustrie erfolgreich eingesetzt. Je nach Anwendungsfall kommen auch hier nicht beschriebene Systeme zum Einsatz. Eine Übersicht über die Förderer von Stückgut wird hier nicht angegeben, da diese in der Pelletproduktion nur von untergeordneter Bedeutung sind. Diese Anlagen werden lediglich in den Verpackungsanlagen der Ausgangsstoffe verwendet. Im Folgenden werden einige Systeme ohne Anspruch auf Vollzähligkeit aufgeführt: 1. Bandförderer (Förderband, Stahlbandförderer, Drahtgurtförderer, Riemen-, Seilförderer, Rohrgurtförderer) 2. Becherwerke (Gurtbecherwerk, Kettenbecherwerk, Pendelbecherwerk) 3. Kettenförderer (Kratzer-, Trogketten-, Gliederband-, Schleppketten-, Tragketten-, Schaukel-, Umlaufförderer, Taschenförderer, Kreisförderer, Schleppkreisförderer) 4. Förderer mit Schnecken (Schneckenförderer, Schneckenrohrförderer) 5. Schwingförderer (Vibrationsförderer, Schüttelrutsche, Schwingrinne, Schwingrohr) 6. Rollen- und Kugelbahnen (Rollenbahn, Röllchen-, Scheibenrollenbahn, Kugelbahn) 7. Stauförderer 8. Fallrohre und Rutschen 9. Förderer mit Luft/Gas (Pneumatische Förderer, pneumatische Rinne, Luftkissenförderer, Lufttisch) 10.hydraulische Förderer (hydraulische Rinne, hydraulischer Rohrförderer) In den weiteren Unterkapiteln werden die wichtigsten Fördertechniken für die Späneförderung vorgestellt.

6.3.1 Kratz- und Trogkettenförderer Kratzkettenförderer (KKF) und Trogkettenförderer (TKF) sind für horizontale, ansteigende und vertikale Förderung von Sägemehl und anderen Schüttgütern geeignet. Steigungen bis zu 90% können über kurze Distanzen überwunden werden. Auch Steigungen größer als 90° (Überkopfförderer) sind im Einsatz. Weiterhin ist der KKF relativ geräuscharm und nahezu staubdicht in der geschlossenen/gekapselten Ausführung. Trogbreiten von 400 mm bis 2000 mm sind ebenfalls standardmäßig erhältlich. Auch Sonderkonstruktionen wie z.B. Überkopfförderer (Förderer mit über 90° Steigwinkel) sind nicht ungewöhnlich und technisch realisierbar. Die Fördersysteme können in offener, als auch gekapselter; nahezu staubdichter Ausführung gefertigt werden.

106

6 Pelletproduktion

Der Förderer besteht aus einem Ober- und einem Untertrum. Meist wird das Material über dem Förderer abgeworfen, so dass es vom Obertrum mitgenommen wird. Am Ende des Förderers wird es der nachfolgenden Einheit übergeben. Der Untertrum läuft leer zurück.

Abb. 6.20: Konstruktionszeichnung eines Trogkettenförderers von Knoblinger /5/

Abb. 6.21: Kratzkettenförderer mit Spänen von Rudnick & Enners

6.3 Transportsysteme für nassen Rohstoff

107

6.3.2 Förderband Förderbänder gehören zu den Steigförderern und zeichnen sich durch eine hohe Produktivität gekoppelt mit einem verhältnismäßig geringen Energiebedarf aus. In der Regel werden Förderbänder stationär ausgeführt. Allerdings sind in der Industrie auch mehr oder weniger mobile Anlagen im Einsatz. Dabei handelt es sich um Sonderanlagen, die für die individuellen Einsatzbedingungen ausgelegt wurden. Wegen ihrer sehr hohen Betriebssicherheit werden Förderbänder seit Jahrzehnten in der Industrie und dem Bergbau eingesetzt. Besonders im Bergbau werden mit Förderbändern große Distanzen überwunden. Zurzeit kommt das weltweit längste Förderband in der Westsahara zum Einsatz. Vom Bergbauort Bou Craa wird Phosphat ca. 100 km bis zur Atlantikküste transportiert. In holzverarbeitenden Betrieben kommen vor allem Flach-, Trogoder gemuldete Förderbänder für hohe Zufuhr- und Austrageleistungen zum Einsatz. Verstärkte Ausführungen dienen als Hackerzuführbänder.

Abb. 6.22: Förderband für hohe Spänekapazitäten hinter Schubboden von Rudnick & Enners

Bei einem Rohrgurtförderer handelt es sich um eine spezielle Form des Transportbandes. Dieses gekapselte Fördersystem hat individuelle Vorteile. Durch die geschlossene Ausführung wird der Einsatzstoff staub- und emissionsfrei transportiert, wodurch das Explosionsrisiko erheblich gemindert wird. Da die Transportröhren in den meisten Fällen in Stahl ausgeführt sind, ergibt sich eine hohe Tragfähigkeit. Deswegen sind bei diesem Transportsystem weite Pylonenabstände möglich. Da die Trassenführung optimal an die räumlichen Gegebenheiten angepasst werden kann, stehen dem Anlagenbauer viele konstruktive Freiräume offen. Der Einsatz von speziellen Gurtbeschichtungen ist mitverantwortlich für einen wirtschaftlichen Transport von Schüttgütern über größere Entfernungen, wodurch

108

6 Pelletproduktion

diese zur Effizienzsteigerung dieses Transportsystems beitragen. Extreme Steigwinkel sind mit diesem System nicht möglich. Man bewegt sich im Bereich von 0° bis ca. 25°. Dies ist in den meisten Anwendungsfällen ausreichend wenn man bedenkt, dass bei einer Förderlänge von 100 m eine Höhendifferenz von mehr als 42 m überwunden werden kann. Da die Installation eines Rohrgurtförderers ohne wesentliche Beeinträchtigung des Produktionsablaufes in bestehenden Anlagen möglich ist, wird diese Alternative verstärkt eigesetzt. Aus ökonomischen Gesichtspunkten kann solch ein Transportsystem bereits ab einer Förderlänge von ca. 15 m sinnvoll sein. Weiten von über 250 m sind Stand der Technik. Bei Mulden- und Rollenbändern läuft der Gurt im Vor- und Rücklauf teilweise oder ganz auf Rollen. Die Wahl des Transportgurtprofils hängt unter anderem vom Transportgut und eventuellem Neigungs- oder Steigungswinkel des Bandförderers ab.

Abb. 6.23: Rohrgurtförderer zur Überbrückung großer Distanzen von Rudnick & Enners /2/

6.3 Transportsysteme für nassen Rohstoff

109

6.3.3 Förderschnecke Förderschnecken eignen sich hervorragend zur Dosierung und gleichmäßigen Förderung von Schüttgütern. In der Holzindustrie werden Förderschnecken in erster Linie zum Transport von Sägespänen und Hackschnitzeln verwendet. Da in der Industrie Förderschnecken weit verbreitet sind, gibt es am Markt viele unterschiedliche Varianten. Deswegen sind Speziallösungen wie zum Beispiel explosionsgeschützte Bauformen Stand der Technik und leicht zu erhalten. Austrageschnecken, die unmittelbar unter einem Produktlager angeordnet sind, weisen teilweise unterschiedliche Steigungen auf, damit die Förderschnecke nicht überfüllt wird. Insbesondere werden Schnecken für die dosierte und gleichmäßige Förderung von Spänen eingesetzt wenn beispielsweise Späne unterschiedlicher Feuchte aus zwei Schubböden gemischt werden. Förderschnecken werden als ein- oder zweiwellige Förderschnecken für horizontale und ansteigende Förderung ausgeführt. Mehrwellige Schnecken werden häufig unter Hackern oder unter Vorratsbehältern vor Pelletpressen eingesetzt.

Abb. 6.24: Konstruktion Schneckenboden unter kleinem Spänesilo von Knoblinger /5/

Bei Entnahmeschnecken, die vollkommen mit Material überlagert sind (z.B. Austragung aus dem Reifebunker vor dem Pelletpressen) ist darauf zu achten, dass die Steigung der Schnecke progressiv ist um eine Überfüllung zu vermeiden.

110

6 Pelletproduktion

6.3.4 Vibrationsförderrinne Vibrationsförderer kommen beim horizontalen Transport von kurz- und langstückigen Holzabfällen, Hackschnitzeln und Sägemehl zum Einsatz. Wegen der gegebenen Eigenfrequenz bietet sich die Kombination mit einer Siebzone an. Der Antrieb erfolgt entweder durch Unwuchtmotoren, oder durch einen Schwingankerantrieb. Beim Motorenantrieb werden zwei gegenläufige Unwuchtmotoren verwendet, die durch Überlagerung die Kreisbewegung der Einzelmotoren die gewünschte lineare Schwingung des Vibrationsförderers erzeugen. Die Frequenz ist in der Regel direkt Drehzahlabhängig. Diese Variante ist sehr robust und wartungsarm. Der Schwingankerantrieb arbeitet mit einer Spule, die durch wechselnde Feldstärken einen federnd gelagerten Anker in Schwingung versetzt. Dieser überträgt die Eigenfrequenz auf das Fördergut. Der Vorteil dieser Technik ist die stufenlose Regulierbarkeit der Fördergeschwindigkeit. Über das Einstellen des Spulenfeldes kann direkt auf die Frequenz Einfluss genommen werden. Die höheren Anlagenkosten stellen einen Nachteil dar. Vibrationsförderer eignen sich gut als Austragungsvorrichtung für Schubbodenanlagen. Auf diesem Weg kann zum Beispiel eine gleichmäßige Brennstoffzuführung in Biomassekraftwerken gewährleistet werden. Vibrationsrinnen „egalisieren“ die Produkthöhen z.B. nach einem Schubboden und weisen, insbesondere angeordnet nach einem Schubboden, Vorteile gegenüber Kratzkettenförderern auf.

Abb. 6.25: Vibrorinne von Rudnick & Enners /2/

Die oben abgebildete Vibrorinne verfügt über einen Schubkurbelantrieb. Durch die geringe Frequenz <10 Hz und die hohe Amplitude eignet sich diese Bauart zur horizontalen Förderung mit Geschwindigkeiten bis ca. 30 m/min bei gleichmäßiger Verteilung und Dosierung des Schüttgutes. Rinnen mit Unwuchtmotoren haben eine hohe Frequenz von ca. 50 bis 60 Hz und eine geringe Amplitude. Um ansprechende Förderleistungen erreichen zu können werden diese Rinnen in der Regel in Förderrichtung geneigt. Schwingankerrinnen sind in der Biomasseförderung wenig verbreitet.

6.3 Transportsysteme für nassen Rohstoff

111

Erhältlich sind Vibrationsförderer, je nach Verwendungszweck, auch z.B. in schwerer oder Schwerstausführung, resonanzverstärkter Ausführung, bzw. mit Inspektions- und Wartungsklappen, Federlagerung, Schwertführung, verstärkten Schwingarmen, verstärkten Schwingelementen, Laufüberwachung, Frequenzumrichter, Not-Aus-Reißleine usw. Vibrationsförderrinnen mit Siebzonen sowie Siebmaschinen finden ebenfalls wie erwähnt häufig Anwendung. Besonders beim Transport von Stammholz vor Hackern sollte auf eine Schwerstausführung mit mindestens 12 mm Wandstärke geachtet werden.

6.3.5 Becherwerke Becherwerke sind einer der ältesten Steigförderer für Schüttgüter. Das klassische Becherwerk, auch Elevator genannt, kommt bevorzugt bei großen Steigungen bzw. bei der senkrechten Förderung zum Einsatz. Somit gehört diese Anlage zur Familie der Steigförderer. Bei einem Becherwerk sind an einem doppelten oder zentralen Zugmittel in regelmäßigen Abständen Behälter angebracht. Bei dem Zugmittel handelt es sich in der Regel um eine umlaufende Gelenkkette oder einen Gurt. Je nach Art des Zugmittels unterscheidet man zwischen Kettenbecherwerk und Gurtbecherwerk. Die Behälter sind häufig V- oder U-förmig ausgelegt und können aus Stahl oder Kunststoff bestehen. Die verwendeten Materialien sind direkt vom Fördergut abhängig. Kunststoffe werden bevorzugt bei einem erhöhten Explosionsrisiko verwendet. Über Rutschen (Schurren) oder analoge Vorrichtungen wird das Becherwerk befüllt. Der aufsteigende Trum befördert das Material aufwärts. Die Entladung erfolgt durch Umkippen am oberen Wendepunkt. Eine Entladerutsche führt das Material dem Weitertransport zu. Becherwerke können offen, oder geschlossen ausgeführt werden. Die geschlossenen Varianten sind nahezu staubfrei. Insbesondere wird bezüglich der Staubbelastung empfohlen, das Becherwerk durch Anschluss an ein Saugsystem in minimalem Unterdruck zu betreiben. Der Umlauf erfolgt über zwei Wellen, wobei sich der Antrieb an der oberen Welle befindet. Die Fördergeschwindigkeit für Pellets sollte 1 m/s nicht überschreiten. Anderenfalls besteht die Gefahr, dass die Pellets beim Schöpfen zerschlagen werden. Wegen der Explosionsgefahr sollten auch trockene Späne maximal mit dieser Geschwindigkeit gefördert werden. Die minimale Bechergeschwindigkeit ergibt sich aus dem Fördergut. Je leichter dies ist, desto geringer kann die Bechergeschwindigkeit gefahren werden. Die Zentrifugalkraft muss ausreichen, um das Material an der oberen Umlenktrommel auszuschleudern. Je geringer die Bechergeschwindigkeit, desto schonender ist der Transport für das Material ( Reibung und Bruch an den Umlenktrommeln ) und umso geringer ist die Förderleistung in m³/Std. In der Agrartechnik erfolgt die Aufgabe in den meisten Fällen im ablaufenden Schacht. Wird das Material hier aufgegeben, muss folgendes beachtet werden.

112

6 Pelletproduktion

Durch die ablaufenden Becher entwickelt sich ein Sog. Es kann mehr Material in den Becherelevator gelangen als dieser aufnehmen kann. Damit muss gewährleistet sein, dass die kontinuierlich zulaufende Menge an Material kleiner ist als das maximale Fördervolumen. Dies kann durch einen Schieber oder eine Zudosierung mittels eines Fördergerätes erfolgen. Aufgegebene Ware im ablaufenden Schacht wird durch die Umlenktrommel geschleust. Hier entsteht Reibung und Verschleiß. Es entsteht eine Materialvermahlung. Wird das Material im aufwärts laufenden Schacht aufgegeben muss folgendes beachtet werden. Durch die auflaufenden Becher entsteht ein Gegendruck, der das Material, vor allem wenn es sehr leicht ist, wieder zurückwirft. Die Fördermenge kann dadurch stark verringert werden. Muss leichtes Material im auflaufenden Schacht zugegeben werden empfiehlt sich eine Stopfschnecke. Fördergut, das im auflaufenden Schacht zugegeben wird, wird sehr schonend transportiert. Dies ist für Pellets unumgänglich. Der Gurt des Becherelevators ist mittels einer Rücklaufsperre nur in eine Richtung zu bewegen. Der Becherelevator sollte zusätzlich mit Drehzahlwächtern und Schieflaufwächtern bestückt werden.

Abb. 6.26: 3D-Ansicht eines Becherelevators von Salmatec /6/

Wegen des hohen Eigengewichts der Einzelkomponenten wie Becher und Zugmittel sind die notwendigen Antriebsleistungen entsprechend hoch. Aus diesem Grund ist die Förderhöhe aus technischen und wirtschaftlichen Gründen begrenzt. Für Pelletanlagen wird diese begrenzte Höhe jedoch niemals erreicht. Im praktischen Betrieb kommen Becherwerke mit einer Förderhöhe von maximal 120 m zum Einsatz. In der Pelletindustrie werden in der Regel Förderhöhen von 40 m nicht überschritten. Die höchsten Becherwerke kommen vor dem Pellet- oder Trockenspansilo zum Einsatz. Ein weiterer Nachteil eines Becherwerkes ist die in vie-

6.4 Trockner

113

len Fällen erforderliche Grube. Je nach Anwendungsfall muss diese gegen eindringendes Wasser aufwändig geschützt werden.

6.4 Trockner Der Trockner hat technisch betrachtet eine besondere Aufgabe in einer Pelletproduktion. Finanziell stellt er eines der aufwändigsten Anlagenteile dar. Technisch muss hier meist intensives Engineering investiert werden, da Typ und Auslegung sehr stark von der Wärmequelle abhängig sind. Wird in der Auslegung und Konstruktion nicht die optimale Variante gewählt, beeinflusst dies die wirtschaftliche und technische Situation der Pelletfabrik nachhaltig negativ. Um eine gleichbleibend gute Qualität während der Pelletierung sowie einen störungsfreien Betrieb zu gewährleisten, muss das vorhandene Rohmaterial mittels Trocknungsanlagen aufbereitet werden. Um den gewünschten Trocknungsgrad der Späne zu erreichen, stehen verschiedene Technologien zur Verfügung. Auf zwei weit verbreitete Systeme, den Band- und den Trommeltrockner, wird im Folgenden detailliert eingegangen. Weitere Möglichkeiten werden anschließend kurz erwähnt. Zunächst müssen zwei unterschiedliche Bezeichnungen erläutert werden, die häufig zu Kommunikationsschwierigkeiten führen. Es gibt die Holzfeuchte und den Wassergehalt des Spans. 10% Wassergehalt bedeutet nicht 10% Feuchte, sondern 11,1 % Feuchte. Die Holzfeuchte u wird auf das absolute Trockengewicht bezogen. Sie ist definiert als das Verhältnis der Masse des Wassers in einem gegebenen Stück Holz (Gewicht feucht) zur Masse des vollständig getrockneten Holzes (Gewicht total trocken), s. Gl. (6.3.1). Die wasserfreie Masse des Holzes wird üblicherweise als darrtrockene Masse bezeichnet, da das Trocknen in einem Darrofen ein übliches Verfahren zu ihrer Bestimmung ist.

u u: x: mF: mT:

mF  mT u100% mT

(6.3.1)

Holzfeuchte Wassergehalt Gewicht feucht Gewicht total trocken

Der Wassergehalt x wird auf das Feuchtgewicht bezogen. Er wird aus der Differenz zwischen dem realen Gewicht (Feuchtgewicht) und dem Gewicht in total trockenem Zustand dividiert durch das Feuchtgewicht gebildet s. Gl. (6.3.2).

114

6 Pelletproduktion

x

mF  mT u100% mF

(6.3.2)

Der Zusammenhang zwischen Feuchte und Wassergehalt ist in folgender Abbildung dargestellt. 160 150 140

Holzfeuchte u [%]

120 100 100

80 67 60 43 40 25 20 11 0 0

10

20

30

40

50

60

70

Wassergehalt x [%]

Abb. 6.27: Zusammenhang Feuchte und Wassergehalt

Der Wassergehalt hat Einfluss auf den Heizwert der Sägespäne und damit der Pellets. Abb. 6.28 verdeutlicht die Abhängigkeit des Heizwertes von der Feuchte. Die Feuchte kann auf unterschiedliche Art und Weise ermittelt werden. Die verschiedenen Möglichkeiten sind in Abb. 6.29 dargestellt. In Sägewerken wird häufig die Methode über die elektrische Leitfähigkeit angewendet, wozu der Handel eine Vielzahl von Geräten anbietet. Bei dieser Methode werden zwei Elektroden in das Holz eingeschlagen, die die Leitfähigkeit messen. Als Ergebnis der Messung wird die Feuchte angezeigt. Diese Methode ist recht ungenau. Genauer dagegen ist die gravimetrische Ermittlung. Hierbei wird das Gewicht des Holzes im Istzustand (feucht) gewogen. Anschließend kommt es in eine Trockenkammer und wird bei Temperaturen zwischen 100 und 120 °C über mehrere Stunden so lange getrocknet, bis keine Gewichtsabnahme mehr festzustellen ist. Anschließend wird das Gewicht erneut gemessen. Anhand der o.a. Formeln kann die Feuchte oder der Wassergehalt bestimmt werden.

6.4 Trockner

115

Heizwert Hu in Abhängigkeit vom Wassergehalt Richtwerte

Heizwert Hu [kWh/kg]

6 5 4 3 2 1 0 0

20

40

60

80

100

Wassergehalt [%]

Abb. 6.28: Abhängigkeit des Heizwertes vom Wassergehalt (eigene Messungen)

Alternativ zum Trockenofen, der bei 100 bis 120 °C arbeitet, können halogene Feuchtigkeitsmessgeräte verwendet werden. Bei dieser Methode handelt es sich um eine Weiterentwicklung der Infrarottrocknung. Die Strahlertechnologie basiert auf dem Halogenstrahler-Prinzip. Durch die kompakte Bauweise der Halogenstrahler erreichen diese sehr rasch die gewünschte Betriebstemperatur und können präzise geregelt werden. Das Resultat ist in der Regel eine kürzere Messdauer gegenüber den herkömmlichen Methoden sowie eine bessere Wärmeverteilung über die Probe. Die gleichmäßige Wärmeeinstrahlung auf die Probe in Kombination mit der feinen Temperaturregelung führt zu außerordentlich gut reproduzierbaren Messresultaten. Genaue Messresultate sind, je nach Probe und Feuchtegehalt, innerhalb von 3–10 Min. verfügbar. Der Nachteil der Methode ist, dass neben Wasser auch andere Substanzen verdampfen können, die im Ergebnis nicht von Wasser unterschieden werden. Als Probenmaterial werden lediglich wenige Gramm benötigt. Das Verfahren gewährleistet eine zuverlässige Feuchteermittlung innerhalb weniger Minuten. Weiterhin können die Messergebnisse direkt an den PC übertragen werden. Diese Messtechnik ist hervorragend für die Überprüfung des Wassergehalts und die Qualitätskontrolle in Spänen und den fertigen Pellets geeignet. Es handelt sich um die Kombination aus Wägetechnologie und ultraschneller Halogenheizung.

116

6 Pelletproduktion Methoden zur Feuchteermittlung

Gravimetrisch

Chemisch

Infrarottrocknung

Karl-FischerTitration

Halogentrocknung

Kalziumkarbid

Trockenschrank/ Waage

Mikrowellentr.

Spektroskopisch

Andere

InfrarotSpektroskopie

Dichtebestimmung

MikrowellenSpektroskopie

Refraktometrie

NMR

Leitfähigkeit

Gaschromatographie

Phosphorpentoxyd

Destillation

Abb. 6.29: Methoden zur Feuchtemessung

Der Wassergehalt beeinflusst die Qualität der Pellets in hohem Maße. Dem Trockner kommt daher im Pelletierungsprozess eine wesentliche Bedeutung zu. Je nach Holzart schwankt der erforderliche Wassergehalt vor den Pressen. Allgemein liegt der optimale Wassergehalt bei etwa 10%. Zu beachten ist jedoch, dass die Späne im Produktionsprozess zwischen Trockner und Pelletpresse Wasser verlieren. Hierauf wird in den folgenden Abschnitten eingegangen.

6.4.1 Bandtrockner Seinen Ursprung hat der Bandtrockner in der Trocknung von Gras in der Landwirtschaft. Er wird vorzugsweise eingesetzt, wenn die Wärme auf einem niedrigen Energieniveau bereitgestellt wird. Günstig ist ein Verhältnis von 90/70°C oder ähnlich für das Verhältnis Vorlauf-/Rücklauftemperatur an den Wärmetauschern des Trockners. Neben Warm- und Heißwasser können jedoch auch Dampf oder

6.4 Trockner

117

Thermoöl als Energieträger eingesetzt werden. Die Lufttemperatur ist meist auf 120 °C begrenzt. Entsprechend wirkt sich dies auf die maximale Vorlauftemperatur der Wärmetauscher für die Lufterwärmung aus. Die Funktionsweise des Trockners unterscheidet sich kaum von denen anderer Trocknungssysteme. Prinzipiell wird Umgebungsluft angesaugt und durch Wärmetauscher geleitet. Durch die Wärmetauscher fließt Heizmedium. Die Luft wird im Wärmetauscher erwärmt. Typische Werte für Bandtrockner sind Lufttemperaturen nach den Wärmetauschern von 90 bis 110 °C. Diese aufgewärmte Luft ist sehr ungesättigt und kann somit viel Feuchtigkeit aufnehmen. Die ungesättigte Luft wird durch die Späne und das Trocknerband gesogen. Auf dem Weg durch die Späne geben diese die Feuchtigkeit an die Luft ab. Unter dem Band ist die Luft abgekühlt und nahezu mit Feuchtigkeit gesättigt. Sie strömt durch den Saugzugventilator und den Kamin ins Freie. Die Materialaufgabe geschieht durch einen kleinen Zwischenpuffer, um zu gewährleisten, dass die Verteilschnecken, die die Späne auf dem Band verteilen müssen, garantiert mit Spänen versorgt werden können. Der Behälter muss nicht größer als 1 m³ sein, ist jedoch abhängig von der Trocknerleistung. Vom Nassschubboden werden die Späne in den Zwischenpuffer gefördert. In diesem wird die Materialhöhe gemessen. Die Messwerte der Füllhöhe sind die Regelwerte für die vorgeschaltete Fördertechnik. Am Ausgang des Puffers sind kleine Austrageschnecken angeordnet, die die nassen Späne den Verteilschnecken übergeben. Da der Puffer für nasse Späne mit schlechten Fließeigenschaften geeignet sein muss, sollten einige konstruktive Merkmale beachtet werden. Der Puffer darf nicht von oben nach unten konisch zusammenlaufen, da hierdurch Brückenbildung unterstützt wird und es somit dazu kommen kann, dass kein Material mehr ausgetragen wird (Betriebsunterbrechung). Zur weiteren Vermeidung von Brückenbildung kann in dem Behälter eine Haspel integriert werden. Weiterhin sollte der Pufferspeicher im Winter beheizt sein, da nasse Späne einfrieren können, was ebenfalls zu Betriebsunterbrechungen führen kann. Beim Bandtrockner werden die zu trocknenden Späne gleichmäßig auf einem luftdurchlässigen Kunststoff- oder Stahlband verteilt. Die gleichmäßige Verteilung des Materials geschieht durch eine einfache Schnecke, die überfüllt gefahren wird. Ein Füllstandssensor steuert die an die Schnecke zu übergebende Massenströme. Alternativ und sicherer ist eine Umlaufschnecke. Auch bei dieser Lösung wird zu viel Material auf die erste Schnecke gegeben. Die überschüssigen Späne werden zurück und somit im Kreis gefördert. Wichtig ist die gleichmäßige Belegung des Bandes, so dass ein vollständiger „Späneteppich“ entsteht. Sobald dieser Teppich, aufgrund von z.B. fehlerhafter Produktaufgabe, eine Lücke aufweist, d.h. Stellen ohne Späne, wird die erwärmte Luft versuchen durch diese Lücke dem Weg des geringsten Widerstandes zu folgen. Entsprechend strömt weniger Luft durch die Späne, wodurch der Trocknungswirkungsgrad abnimmt. Neben der Eigenschaft des luftdurchlässigen Förderinstruments nimmt das Band mit der darauf befindlichen Produktschicht die Aufgabe eines Filters wahr. Das Band mit der Produktschicht darf nicht mehr Staub in den Kamin und damit an die Umgebung abgeben,

118

6 Pelletproduktion

als es die Genehmigungsvorschriften zulassen. Der Antrieb des Bandes erfolgt über glatte oder geriffelte Antriebswalzen. Umlenkwalzen lenken das Band entsprechend der Trocknerkonstruktion um. Das Band muss seitlich mit flexiblen Dichtlippen ausgestattet sein, da andernfalls Luft und Späne an den Seiten als Falschluft am Band vorbei in den Kamin gelangt. Das würde den Wirkungsgrad reduzieren und weiterhin zu höheren Staubemissionen führen. Am Ende des Trocknungsbandes werden die Späne in einem Schneckentrog gesammelt. Die Schnecke übergibt die Späne an die nachfolgende Fördertechnik. Um einen möglichst homogenen trockenen Span zu erhalten, müssen die Späne ihre Lage verändern, da ansonsten die oberen Späne immer trockener als die unteren sind. Denn diese werden mit ungesättigterer Luft durchströmt und geben somit mehr Feuchtigkeit ab. Für die Homogenisierung gibt es verschiedene Lösungen. Eine Variante ist, dass etwa in der Mitte des Trockners eine Haspel angeordnet wird, die den „Späneteppich“ wendet. Eine zweite Variante ist, dass die oberen Späne am Ende des Trockners durch eine Förderschnecke „abgefräst“ und der nachfolgenden Fördertechnik übergeben werden. Die unteren Späne fallen in einen Schneckentrog und werden wieder in etwa der Mitte des Trockners gleichmäßig mittels Verteilschnecke auf den „Späneteppich“ verteilt und durchlaufen den weiteren Prozess als oberste Schicht. Beides, Haspel bei Variation 1 und Schnecken bei Variation 2, können in der Höhe entsprechend den Erfahrungen des Betriebspersonals angepasst werden. Somit wird die Dicke der Spanschicht manuell eingestellt. Am Ende des Bandes befindet sich weiterhin eine Reinigungsbürste, die das Band von haftenden Spänen befreit. Weiterhin wird das Band regelmäßig mit Hochdruckwasser (bis zu 150 bar) durch Hochdruckdüsen, die an der Unterseite des Trockners angeordnet sind, gereinigt. Wird der Reinigungsprozess durch diese Bandwaschanlage unterlassen, so setzt sich das Band nach und nach mit Schmutz zu, wird undurchlässiger für Luft und erhöht für diese somit den Strömungswiderstand. Dies bedeutet zum einen höheren Stromverbrauch, da der Ventilator mehr arbeiten muss und zum anderen einen geringeren Wirkungsgrad, da weniger Luft durch die Späne strömen wird. Sollte das Band stark verschmutzt sein, kann dem Wasser ein Lösungsmittel zugegeben werden. Das Schmutzwasser sollte umweltgerecht aufgefangen und entsorgt werden. Die Intervalle für den Reinigungsprozess müssen nach Betriebserfahrung individuell festgelegt werden. Das Prinzipschema eines Bandtrockners mit Rückführschnecke ist in Abb. 6.30 dargestellt.

6.4 Trockner

119

Abb. 6.30: Prinzipskizze eines Bandtrockners mit Rückführschnecke von SwissCombi /9/

Das Heizregister, in dem die Umgebungsluft erwärmt wird, ist in der Regel oberhalb des Trocknerbandes über die Trocknerlänge verteilt angeordnet. Wird mit einem Nieder- und einem Hochtemperaturkreis gefahren, so ist der Niedertemperaturkreis in Strömungsrichtung der Luft vor dem Hochtemperaturkreis angeordnet. Das Gehäuse von Bandtrocknern besteht aus einer Stahlkonstruktion, die in den temperierten Bereichen isoliert ist. Der Stahlbau ist in Aufgabestation, Abgabestation und in möglichst identische Mittelsegmente (Modulbauweise) gegliedert. Der Raum unter dem Trockner sollte gut zugänglich gestaltet sein, da hier häufiger Späne herausgenommen werden müssen. Der gesamte Trockner muss nicht zwingend einen Wetterschutz haben. Dies wird aber dennoch empfohlen, um auch bei Wartungsarbeiten wettergeschützt arbeiten zu können und das Material zu schonen. Der oder die Kamine bzw. Abluftleitungen sind auf dem Stahlbau montiert. In Abb. 6.31 ist ein Beispiel eines Bandtrockners dargestellt.

Abb. 6.31: 3D-Modell eines Bandtrockners von Plant Engineering

120

6 Pelletproduktion

6.4.2 Trommeltrockner Die ersten Anwendungen von Trommeltrocknern gehen auf die Jahre um 1906 zurück. Wie beim Bandtrockner ist auch beim Trommeltrockner die homogene Verteilung des Materials während des gesamten Trocknungsprozesses von größter Bedeutung. Hier unterscheiden sich die Hersteller in der Art der Einbauten, mit denen das Material möglichst gleichmäßig verteilt wird. Weiterhin ist von Bedeutung, dass das Material entsprechend häufig gewendet wird damit die Trocknungsluft effektiv die zu trocknenden Oberflächen des Trockengutes erreicht. Diese Faktoren bestimmen u.a. den Wirkungsgrad des Trockners. Die benötigte Energiemenge pro Tonne Wasserverdampfung in MWh/t H2O kann zur Beurteilung des thermischen Wirkungsgrades herangezogen werden. Im Gegensatz zum Bandtrockner kommt der Trommeltrockner zum Einsatz, wenn höhere Durchsätze erforderlich sind und die Wärmeenergie in Form von Rauchgasen oder Abgasen mit höheren Temperaturen zur Verfügung stehen. Trommeltrockner unterscheidet man u.a. in Einzug- und Mehrzugtrommeln. In der Einzugtrommel durchläuft das Material mit den Rauchgasen den Trockner und verlässt ihn ohne eine Umlenkung zu erfahren. In Mehrzugtrocknern wird das Material mit den Trocknungsgasen am Ende der Trommel umgelenkt um nach der Wendekammer in den zweiten Zug zu gelangen. Hierin strömt das Gemisch wieder Richtung Trocknereintritt. Bis zu drei Züge werden installiert. In der Pelletindustrie kommen meist Einzugtrockner zum Einsatz. Diese haben Vorteile hinsichtlich des elektrischen Energieverbrauchs und einer gleichmäßigen Holzfeuchte am Trockneraustritt. Die ggf. erforderliche Brandbekämpfung kann in Einzugtrocknern effektiver als in Mehrzugtrocknern erfolgen. In einer vorgelagerten Energieerzeugungsanlage oder Brennkammer wird heißes Abgas erzeugt. Dies kann durch die Verbrennung von fossilen oder regenerativen Energieträgern geschehen. Der Trockner für ein Pelletwerk wird meist über das Rauchgas einer vollautomatischen Rostfeuerung beheizt. Als Brennstoffe dienen u.a. die anfallende Platzrinde in Sägewerken sowie weitere Holznebenprodukte. Alternativ zur Rostfeuerung können vollautomatische Brenner für Gas, Öl und seltener Staub eingesetzt werden. In Abhängigkeit der gewählten Brennstoffe kommen unterschiedliche Brennkammern zum Einsatz. Die auf dem Rost entstehenden Rauchgase gelangen in die dem Trockner vorgelagerte Mischkammer. Um den Wirkungsgrad eines Trommeltrockners zu erhöhen und den Aufwand für die Abluftreinigung zu minimieren, wird häufig ein Teil der Trocknerabluft zurück in den Trockner geführt (Umluft). Dies geschieht, indem sich das Rauchgas aus der Energieerzeugungsanlage mit den rückgeführten, sogenannten Brüden, auf die für den Trocknungsprozess erforderliche Lufteintrittstemperatur in der Mischkammer vermischt und anschließend in den Trockner gesogen wird. Alternativ zu der Umluft kann Frischluft in der Mischkammer zugemischt werden. Die Rauchgase aus der Energieerzeugungsanlage haben eine Temperatur von etwa 800 bis 950 °C. Durch die Rückluft, die eine Temperatur von etwa 100 bis 130 °C auf-

6.4 Trockner

121

weist, wird das Rauchgas auf eine Trocknereintrittstemperatur von beispielsweise 400 bis 450 °C gekühlt. Die Mischkammer wird aus Stahlblech gefertigt und ausgemauert oder besteht aus hitzebeständigem Material. In der Kammer befindet sich meist ein hitzebeständiger Schließkegel, der das Energiesystem beim Abfahren der Anlage oder im Notfall mit Hilfe eines Hydraulik- oder Pneumatikzylinders vom Trocknersystem trennt. Im Falle einer Rindenfeuerung ist für die Produktion von Pellets mit geringem Aschegehalt (z.B. DIN-Pellets) die Installation eines aufwändigen Heißgaszyklons erforderlich um die hohe Aschefracht der Rindenfeuerung zu reduzieren. Mit einem Saugzugventilator wird das Rauchgasgemisch in die Trockentrommel gesaugt. Überwiegend werden Hochleistungs-Radialventilatoren eingesetzt. Die Auslegung berücksichtigt den pneumatischen Anlagenwiderstand des Trockners und der ggf. erforderlichen Abluftreinigungsanlage. Das zu trocknende Material wird zumeist oberhalb der Rauchgasleitung durch die Nassgutschleuse in den Trockner eingeleitet. Meist wird das Trocknungsgut aus Vorratssilos oder Schubböden mit Schnecken oder Kratzkettenförderern in eine Zellenradschleuse transportiert. Die Zellenradschleuse dichtet die Trockneratmosphäre von der Umgebung ab, damit keine kalte Falschluft in den Trockner gelangt, die den Wirkungsgrad reduzieren würde. Die Trommel besteht im Wesentlichen aus einem verschweißten Stahlblechmantel. Über Laufringe wird die Trommel auf Laufrollenstationen waagerecht gelagert. Der axiale Schub wird durch z.B. Gegenrollen aufgenommen. Der Trommelantrieb erfolgt beispielsweise über eine große Kette, ein Getriebe und den Antriebsmotor. Durch die im Trockner angeordneten Einbauten (Hubschaufeln, Kaskaden, sternförmige Rieseleinbauten, Wendeleisten etc.) wird das Trocknungsgut auf dem Weg durch den Trockner immer wieder angehoben, vermischt und auf den gesamten Trommel- oder Trocknungsquerschnitt verteilt. Gleichzeitig wird es durch den Heißgasluftstrom durch die Trommel gefördert. Das Trocknungsmaterial wird im Trockner unabhängig von der Korngröße gleichmäßig getrocknet. Das in den Spänen befindliche Wasser wird durch direkten Kontakt mit den ungesättigten Rauchgasen von diesen aufgenommen. Durch die Aufnahme des Wassers werden die Rauchgase zum einen abgekühlt und zum anderen immer weiter mit Wasser gesättigt. Das Wasser in den kleinen Spänen verdampft schneller als das Wasser in den größeren Spänen. Die leichten kleineren Späne werden entsprechend schneller durch den Trockner gefördert als die trägeren größeren Späne. Am Ende der Trommel, wo die Späne den gewünschten Wassergehalt aufweisen, sind die Rauchgase durch die Wasseraufnahme entsprechend abgekühlt. Nachdem die Späne den Trockner mit den Rauchgasen durchlaufen haben, wird das Rauchgas-Späne-Gemisch in den nachgeschalteten Multizyklonen getrennt. Die Späne verlassen den Zyklon durch eine Zellenradschleuse und werden dem Hauptmaterialstrom zugeführt. Nach dem Zyklon ist das Rauchgas noch geringfügig mit Staub belastet. Je nach den Randbedingungen der Genehmigung am jewei-

122

6 Pelletproduktion

ligen Standort müssen ggf. weitere Maßnahmen zur Entstaubung installiert werden. Dies können beispielsweise Textil- oder Elektrofilter sein. Das getrocknete Material wird durch entsprechende Fördereinrichtungen, z.B. Trogkettenförderer, den weiteren Produktionsprozessen oder Lagereinrichtungen zugeführt. Die Förderung des Prozessluftstroms und des Trocknungsmaterials durch den gesamten Trocknungsprozess geschieht, wie erwähnt, mittels eines Heißgasventilators. Dies ist der größte elektrische Energieverbraucher der Anlage. Ein Teil des kalten Abgases wird über Rohrleitungen mit Rückluftregelklappen der Mischkammer am Trocknereingang zugeführt, um mit den frischen Heißgasen gemischt zu werden und somit die erforderliche Trocknereintrittstemperatur zu gewährleisten. Das restliche Abgas verlässt den Trockner durch den nachgeschalteten Kamin. Folgende Abbildung zeigt einen Trommeltrockner zur Trocknung von Spänen. Die Kapazität eines solchen Trockners reicht von 10 bis über 100 t/h Feuchtmaterial in der Produktaufgabe. Das Prinzipschaltbild einer solchen Anlage ist beispielhaft in darauffolgender Abbildung dargestellt.

Abb. 6.32: Trommeltrockner zur Trocknung von Spänen

Die nassen Späne werden über einen Kratzkettenförderer oder eine Schnecke der Zellenradschleuse am Trocknereintritt zugeführt. Durch die Zellenradschleuse, die den Trocknungsprozess von der Umgebungsatmosphäre trennt, wird der Trockner mit den nassen Spänen beschickt. Die Späne werden durch die Rauchgase mitgenommen. Leichte Späne werden schneller gefördert als die trägeren schweren Späne. In der Trommel werden die Späne durch entsprechende Einbau-

6.4 Trockner

123

ten möglichst gleichmäßig verteilt und regelmäßig gewendet um einen möglichst hohen Trocknungswirkungsgrad zu erreichen. Im Anschluss an den Trockner wird das Rauchgas-Span-Gemisch in einen Zyklon geleitet, in dem die trockenen Späne vom Rauchgas getrennt werden. Die Späne verlassen den Zyklon am Boden durch eine Zellenradschleuse, die den Zyklon wiederum von den Umgebungsbedingungen abdichtet. Durch entsprechende Fördertechnik werden die Späne dem weiteren Produktionsprozess oder dem Trockenspanlager zugeführt. Die Rauchgase werden durch den Rauchgasventilator entsprechend o.a. Beschreibung weiter transportiert.

Abb. 6.33: PID zum Trommeltrockner von Büttner /8/

Der Wirkungsgrad des Trockners hängt u.a., wie beim Bandtrockner, von der Verschmutzung der Bauteile ab. Diese wiederum hängt wesentlich von den eingesetzten Brennstoffen und den vorliegenden Betriebstemperaturen ab. Sobald größere Materialablagerungen erkennbar sind, sollte der Trockner unverzüglich gereinigt werden. Das Reinigungsintervall beim Trommeltrockner ist vom Betreiber nach Betriebserfahrung und abhängig von verschiedenen Parametern wie z.B. Holzart, Beheizung, Betriebsweise etc. individuell festzulegen. Neben den hier beschriebenen Trommeltrocknern können indirekt beheizte Trommeltrockner zum Einsatz kommen. Der Vollständigkeit halber seien hier als Beispiel der Röhrenbündel- und Röhrenbündeltrommeltrockner genannt. Diese Trockner werden indirekt mittels Dampf, Heißwasser, Warmwasser oder Thermalöl beheizt und überwiegend in Verbindung mit einer Kraft-Wärme-Kopplung eingesetzt. In diesem Anwendungsfall stehen sie in direkter Konkurrenz zum

124

6 Pelletproduktion

Bandtrockner und können je nach Anwendungsfall ggf. günstiger sein. Nach heutigem Informationen ist kein Einsatzfall in Verbindung mit einer Holzpelletproduktionsanlage bekannt.

6.4.3 Steuerung und Regelung Zur Überwachung, Steuerung und Regelung der Trockner sind an den entsprechenden Stellen Sensoren und Messgeräte installiert. Als Beispiel sei die Feuchtemessung am Trockneraustritt, die Ablufttemperatur und beim Bandtrockner der Differenzdruck über das Band aufgeführt. Die Signale werden in einer SPS (Speicherprogrammierbare Steuerung) verarbeitet. Die SPS wird ergänzt durch eine Visualisierung, auf der übersichtlich die notwendigen Daten für den Betrieb und die Optimierung der Anlage erkennbar sind. Besonders für die spätere Optimierung des Trockners ist es sinnvoll, Trendlinien einiger Werte darzustellen. Mit Hilfe der SPS fährt die Anlage automatisch an, ab und reagiert entsprechend bei Alarmmeldungen. Für die Sicherheit des Personals ist neben der Installation einer Hupe die Anordnung von Blinksignalen an übersichtlicher Stelle zu empfehlen. Hierüber werden Alarmmeldungen signalisiert. Die Wärmezufuhr für den Trockner wird ebenfalls durch die SPS geregelt. Da der Trockner lediglich eine Produktionseinheit im gesamten Pelletherstellungsprozess darstellt, wird die SPS des Trockners meist mit Hilfe eines Datenbuskabels mit der Leitwarte der Gesamtanlage verbunden.

6.4.4 Kennzahlen für Trockner Für die Anfrage, den Vergleich und die spätere Beurteilung von Trocknern sind im Folgenden entsprechende Parameter ohne Anspruch auf Vollständigkeit anzufragen bzw. anzugeben. – – – – – – – – – – – –

Spaneintrittsmenge Spanaustrittsmenge Max. mech. Förderleistung Eingangsfeuchte Ausgangsfeuchte Wasserverdampfungsleistung Holzart Spangeometrie Schüttgewicht Art der Wärmequelle Kapazität der Wärmequelle Temperaturniveau der Wärmequelle

[kg/h] [kg/h] [kg/h] [%] [%] [kg/h] [%Nadelholz, Laubholz, etc.] [mm] [kg/m³tr.] [kW] [°C]

6.4 Trockner

– – –

125

[mg/Nm³feucht] [m über NN] [°C]

Staubemissionen Aufstellungshöhe der Anlage Umgebungstemperaturprofil

Für den direkt beheizten Trommeltrockner sind Daten für die direkte Befeuerung erforderlich. –

Brennstoff

-

Holzabfälle, Erdgas, Heizöl

-

Brennstoffmenge

[kg/h]

-

Brennstoffgeometrie

[mm]

-

Feingutanteil

[%]

-

Wassergehalt min./max.

[%]

-

Aschegehalt

[%]

-

Unterer Heizwert

[MJ/kg]

Anhand dieser Angaben sollten spezifische Kennzahlen für den direkten Vergleich der Anbieter ermittelt werden. Hierzu zählen u.a.: – – – – – –

Thermischer Energieverbrauch Elektrischer Energieverbrauch Spez. effektive Trocknerfläche Spezifischer Preis Spezifischer Preis Spezifischer Preis

[MW/t Wasserverdampfung] [kW/t Wasserverdampfung] [m²/t Wasserverdampfung] [€/t Wasserverdampfung] [€/t Stahl] [€/m² Trocknerfläche]

Weiterhin sollte eine Jahresbedarfskurve für den thermischen Energieverbrauch ermittelt werden. Hierfür erhält man von der zum Aufstellungsort nächstgelegenen Wetterstation die Tagesmitteltemperaturen der letzten Jahre. Optimal wäre weiterhin die Verfügbarkeit der Luftfeuchten. Die folgenden Kriterien gelten insbesondere für Niedertemperaturbandtrockner. Es wird ein Referenzjahr ausgewählt oder aus mehreren Jahren der Mittelwert gebildet. Die Kurve der Jahresmitteltemperatur kann den Verlauf aus Abb. 6.34 aufweisen. Der Temperaturverlauf hat direkten Einfluss auf den Wärmebedarf des Trockners bei Produktion einer konstanten Trockenspanmenge. Diese, der Tagesmitteltemperatur gegenläufige Verlauf, ist in Abb. 6.35 gemeinsam mit der Tagesmitteltemperatur dargestellt. Schnee- und Eisbildung in den Spänen erhöhen im Winter den Wärmebedarf zusätzlich. Die Abbildungen sollen verdeutlichen, dass ein Trockner nicht auf eine Jahresmitteltemperatur ausgelegt werden sollte, da reduzierte Produktionsmengen im Winter nicht durch höhere Produktionskapazitäten im Sommer kompensiert werden können. Steht genügend Wärme zur Verfügung, ist als nächstes auf die Transportkapazität des Trockners zu achten. Bei warmen Umgebungsbedingungen und relativ trockenen Spänen wird dieser Parameter den nächste „Bottleneck“ darstellen.

126

6 Pelletproduktion Temperaturverlauf 30,0

Tagesmittelwerte [°C]

25,0 20,0 15,0 10,0 5,0 0,0 -5,0 -10,0 -15,0 1.1

18.1

4.2

21.2

9.3

26.3 12.4 29.4 16.5

2.6

19.6

6.7

23.7

9.8

26.8 12.9 29.9 16.10 2.11 19.11 6.12 23.12

Jahresachse 2007

Abb. 6.34: Beispiel des Verlaufs einer Jahresmitteltemperatur

Wärmebedarfskurve in Abhängigkeit der Tagesmitteltemperaturen

24,0

01.01.2008

01.12.2007

01.11.2007

-12,0 01.10.2007

-8,0

3,50 01.09.2007

-4,0

3,75

01.08.2007

0,0

4,00

01.07.2007

4,0

4,25

01.06.2007

8,0

4,50

01.05.2007

12,0

4,75

01.04.2007

16,0

5,00

01.03.2007

20,0

5,25

01.02.2007

5,50

01.01.2007

Wärmebedarf [MW]

28,0

Wärmebedarf Trockner [MW] Temperatur [°C]

5,75

Tagesmitteltemperaturen [°C]

6,00

Jahresachse 2007

Abb. 6.35: Bandtrockner zur Trocknung von Spänen

6.5 Lager für trockene Späne 6.5.1 Schubboden Der Schubboden wurde in vorhergehenden Kapiteln bereits ausführlich beschrieben. Für nasse Späne ist die Lagertechnik geeignet. Für trockene Späne nur bedingt, da die Staubbelastung der Umgebung extrem hoch ist. Jede Bewegung des Schubbodens selbst, jedoch besonders das Abwerfen auf den Schubboden und vom Schubboden auf folgende Gewerke bringt eine hohe Staubbelastung mit sich.

6.5 Lager für trockene Späne

127

Die Halle über dem Schubboden muss derart gestaltet sein, dass sich keine trockenen Späne ablagern können. Dies gilt für Wände, Decken, Träger und technische Gebäudeausrüstung. Dennoch ist die Gefahr einer Staubexplosion gegenüber alternativen Lagertechniken extrem hoch. Das Befahren mit Radladern stellt durch die Zündquelle Auspuff ein weiteres Risiko dar. Die Lagerung von trockenen Spänen auf Schubböden ist nach heutigem Stand der Technik nur zu empfehlen, wenn es sich um ein geschlossenes, nicht befahrbares System handelt. .

6.5.2 Silo Trockenspansilos sind überwiegend aus monolithischem Stahlbeton mit integrierten Explosionsöffnungen, Türen, Luken, Sichtfenstern und Aussparungen für Technisierungen ausgeführt. Die Spänesilos müssen stets den neuesten gesetzlichen Bestimmungen (Brandschutz F90, Explosionsschutz VDI 3673) entsprechen. Die Komplettierung des Lieferumfanges erfolgt durch Korbleitern, Stehpodeste, Geländer und Löscheinrichtungen. Trockenspansilos sollten mit folgendem Zubehör ausgestattet werden: 1. Geländer aus verzinktem Stahl mit Handlauf, Knie- und Fußleiste (möglichst geschraubt) 2. Dachdecken-Explosionsklappen aus verzinktem Stahlblech, aufklappbar für Kontrolle, mit Sicherheitsrost 3. Wand-Explosionsklappen aus einem Rahmen aus verzinktem Stahlblech, Deckblech aus Edelstahl mit Isolierung, geprüft durch das DMT-Institut für Brand- und Explosionsschutz 4. FH-Luken und FH-Türen aus verzinktem Stahlblech, doppelwandig isoliert, in verschiedenen Größen, für Kontrolle bzw. Wartung, massive Hebelverschlüsse 5. Korbleiter aus verzinktem Stahl, mit Rückenschutz gesicherten Übergängen zu Podesten und Standflächen mit Fallschutz oder als Wechselleiter 6. Stehpodeste aus verzinktem Stahl mit rutschfester Auftrittsfläche, Handlauf, Knie- und Fußleiste 7. Löscheinrichtung als Trockenleitung für Wasser zur gefahrenlosen, schnellen und sicheren Brandbekämpfung 8. Treppenanlagen aus verzinktem Stahl. 9. Großraumtore zur Notentleerung 10.Füllstandssensoren 11.Ggf. Temperatursensoren in verschiedenen Ebenen 12.Zugangstüren für Unterbau ausreichend dimensioniert

128

6 Pelletproduktion

Abb. 6.36 : Austrageschnecke Trockenspansilo

Im Rundbehälterbau wird häufig mit Metallschalung gearbeitet. Ein abgestimmtes Verstrebungssystem der Innenschalung ermöglicht exakte Rundformen. Die Schalung ist so stabil konstruiert, dass Innen- und Außenschalung meist ohne durchführende Maueranker und Abstandrohre montiert werden können, wodurch vorweg das höchstmögliche Maß an Dichtheit gewährleistet wird. Bei speziellen Oberflächenanforderungen wird die Innenschalung mit Vlies- oder Kunststofffolie bespannt. Die Montage der Silos geschieht meist in folgenden Arbeitsschritten: – – – – – – – – –

Fachgerechtes Verlegen der Bodenbewehrung Einbau diverser Technisierungsaussparungen Abschalen und Betonieren der Bodenplatte Verdichten und Abziehen mittels Rüttelbohle, eben oder mit Gefälle bzw. Trichterausbildung Einbau des Wandanschlusses Aufstellen der Außen- oder Innenschalung Fachgerechter Einbau der Wandbewehrung sowie diverse Aussparungen (Rohrdurchführungen, Schieber, ...) Komplettieren der Außen- bzw. Innenschalung Betonieren der Wand und Verdichten mit Innenrüttlern; Dreikantleisten falls gewünscht

Ablaufbeispiel der Montage bei Ausführung mit Decke: – – – –

Einbau eines Wand-Decken-Fugenbandes Ausschalen der Wandinnenseite Aufsetzen der seitlichen Deckenabschalung Einbau der Deckenschalung

6.5 Lager für trockene Späne

– – –

Bewehrung verlegen Betonieren, Verdichten und Abziehen Erforderliche Nachbehandlungsmaßnahmen

Abb. 6.37: Spänesilo aus Stahlbeton von Wolf System GmbH /7/

129

130

6 Pelletproduktion

Abb. 6.38: Prinzipskizze Spänesilo aus Stahlbeton von Wolf System GmbH /7/

6.6 Pelletierung

131

6.6 Pelletierung In diesem Kapitel wird zunächst der Pelletierprozess allgemein beschrieben bevor auf die wichtigsten Aggregate detaillierter eingegangen wird. Im Wesentlichen besteht der Pelletierungsprozess aus folgenden Aggregaten: – – – – – – – – – – – – –

Fe-/Ne-Abscheider Windsichter Feinhammermühle Additivsilo und –dosierung Mischer Homogenisierungssilo Mischer mit Dampfzugabe Pelletpresse Kühler Sieb Fördertechnik Pelletsilo Verladung

6.6.1 Allgemeine Prozessbeschreibung Die folgende grobe Prozessbeschreibung ist als Beispiel gedacht. Eine Vielzahl von Variationen und Anpassungen an besondere Randbedingungen ist teilweise erforderlich. Der Rohstoff wird durch entsprechende Fördertechnik z.B. Kratzkettenförderer aus dem Trockenspanlager in die Produktion gefördert. Der Kratzkettenförderer startet am Boden des Trockenspansilos und ist ansteigend bis unter das Dach der Pelletproduktionshalle ausgeführt. Sollte der horizontale Abstand zwischen Silo und Halle zu gering sein, so dass der Kratzkettenförderer zu steil ansteigen müsste, um die Späne zu transportieren, muss ein Becherelevator zum Einsatz kommen um die notwendige Höhe zu erreichen. Der Kratzkettenförderer übergibt die Späne an einen FE/NE-Abscheider. Dieser separiert Eisen- und Nichteisenmetalle um die nachgeschaltete Hammermühle zu schützen und Funkenerzeugung zu vermeiden. Anschließend gelangt das Material in den Vorlagebehälter der Hammermühle. Der Vorlagebehälter ist erforderlich, um die Hammermühle effektiv und mit einem möglichst kontinuierlichen Massenstrom beschicken zu können. Der vorgelagerte Prozess wird leicht „entkoppelt“, d.h. Materialschwankungen im Zutransport können durch den Behälter kompensiert werden. Füllstandmelder, die am Behälter installiert sind, geben die Regelgröße für den Zutransport vor.

132

6 Pelletproduktion

1

3 2

4

5

6

7 8 9 10 9 11

10 12

16

11 13

14 15

1: Becherelevator 2: Allmetallabscheider 3: Windsichter 4: Hammermühle 5: Schneckentrog 6: Stärkesilo 7: Mischer 8: Reifebehälter 9: Austrageschnecken 10: Mischer 11: Pelletpressen 12: Verbindungsrohrleitung 13: Gegenstromkühler 14: Sieb 15: Förderband für Pellets 16: Fördertechnik für Feinanteil

Abb. 6.39: grobes Fließbild für eine Anlage mit zwei Pressen; 8 bis 10 t/h Pelletproduktion

6.6 Pelletierung

133

Am Boden des Vorlagebehälters sind Austragesysteme z.B. Austrageschnecken angeordnet, die die Hammermühle beschicken. Auf dem Weg zur Hammermühle passieren die Späne einen Windsichter, der schwere Fraktionen wie Steine separiert. Dadurch wird vermieden, dass es in der Hammermühle zu Funkenschlag kommt wenn die Metallhämmer die Steine zermahlen. Im Anschluss an die Windsichter wird das gereinigte Material durch die Hammermühle gesaugt. Der Saugzug befindet sich hinter der Hammermühle. In der Hammermühle werden die Späne mit Hilfe der gehärteten Flacheisenschläger, die an einer rotierenden Welle montiert sind, zerkleinert, bis das Material durch das am Umfang befindliche Sieb gezwungen wird. Die Lochgröße des Siebes bestimmt die Feinheit der Späne nach dem Mahlprozess. Die Späne fallen durch eine abdichtende Zellenradschleuse in den anschließenden Trog, der unterhalb der Hammermühle angeordnet ist. Um den Mahlvorgang und den Materialdurchsatz zu beschleunigen, wird die Hammermühle, wie oben bereits beschrieben, besaugt. Dies geschieht durch eine Einheit aus Saugzugventilator und Filter. Der Filter ist hinter der Hammermühle auf dem gleichen Trog angeordnet. Späne, die mit der Transportluft angesaugt werden, werden im Filter abgeschieden. Der Filter wird pneumatisch gereinigt, wodurch die abgereinigten Späne in den Trog fallen. Im Trog befindliche Schnecken transportieren die Späne aus dem Filter und der Hammermühle zum nachgeschalteten Mischer. Im Mischer kann Stärke als Bindemittel und Wasser zugegeben werden. Die Wasserzugabe ist abhängig von Wassergehalt der Späne, die vor oder nach dem Mischer gemessen wird. Es wird empfohlen, das Wasser vor der Dosierung zu erwärmen. Die Zugabe von Bindemittel ist abhängig von der Pelletqualität, die mehrfach pro Schicht geprüft werden muss. Insbesondere die Oberflächenbeschaffenheit und der Abrieb geben dem Anlagenbediener Auskunft darüber, ob der Anteil an Stärke und Wasser verändert werden muss. Das Stärkesilo ist meist als Polyestersilo mit Druckentlastungsöffnungen ausgeführt. In den meisten Fällen reicht die zugelassene Bauhöhe nicht aus, um die Prozesse untereinander anzuordnen. Daher wird das mit Wasser und Additiv vermischte Material meist mit einem Becherelevator senkrecht nach oben in den Reifebehälter gefördert. In diesem Behälter sollten die Späne fünfzehn bis zwanzig Minuten verweilen um zu homogenisieren. In dieser Zeit kann sich die Feuchte im einzelnen Span sowie unter den Spänen selbst homogenisieren und die Stärke zu quellen beginnen. Am Boden der Reifebehälter sind Austrageschnecken angeordnet. Häufig wird ein Reifebehälter für zwei Pressen vorgesehen. Die Austrageschnecken fördern den Rohstoff horizontal zu den Mischern, die unmittelbar über den Pelletpressen angeordnet sind. Im Mischer kann Wasser oder Dampf zugegeben werden falls erforderlich. Die Dampfzugabe ist abhängig von der Verfügbarkeit von Dampf und hat den Vorteil, dass die Späne und das Bindemittel vorgeheizt und erweicht werden, ohne den Feuchtegehalt großartig zu beeinflussen. Die höhere Temperatur begünstigt ebenfalls die Bindeeigenschaft der Stärke. Sie führt dazu, dass ein hö-

134

6 Pelletproduktion

herer Anteil der Stärke eine Bindung eingeht, womit der Wirkungsgrad des Stärkeeinsatzes optimiert wird. Die Pelletqualität kann optimiert und der Stromverbrauch des Pressvorgangs reduziert bzw. die Durchsatzleistung maximiert werden.

Abb. 6.40: Aufgelöste und nicht aufgelöste Stärkekörner im Pellet

Am Ende des Mischers fallen die Späne nach unten auf Zuführschnecken. Diese kurzen Schnecken speisen die Pelletpresse. Der Span wird zwischen die in der Presse angeordneten Koller eingetragen und mittels Leitschaufeln möglichst gleichmäßige verteilt um eine homogene Belastung zu erwirken. Die Pelletpresse besteht aus einer rotierenden Matrize und drehend gelagerten Kollern. Die Späne werden durch den minimalen Spalt zwischen Koller und Matrize gezwungen, wodurch nur der Ausweg durch die Presskanäle in der Matrize bleibt. Koller und Matrizen werden so zueinander positioniert, dass die Koller die Matrize nahezu berühren. Die im Presskanal geformten Späne werden nach dem Austreten aus der rotierenden Matrize von am Umfang feststehenden Messern auf die gewünschte Länge geschnitten bzw. gebrochen. Dieser Vorgang kann nur bedingt genau eingestellt werden. Unterhalb der Presse sollte eine Probennahmestelle zur Qualitätskontrolle angeordnet sein.

6.6 Pelletierung

135

Abb. 6.41: Probennahme unmittelbar unter den Pressen

Eine weitere Probennahmestelle sollte unterhalb des Siebes vor dem Pelletlager angeordnet sein um die Qualität der Pellets im Silo bewerten zu können. Anschließend fallen die Pellets nach unten durch eine Zellenradschleuse. Optimalerweise ist der Kühler unter der Zellenradschleuse angeordnet, da die etwa 70 bis 95 °C warmen Pellets noch instabil sind. Ist die zugelassene Hallenhöhe nicht ausreichend, so können die Pellets schonend nach oben in den Kühler gefördert werden. Becherelevatoren sind hier zu vermeiden.

Abb. 6.42: Probennahme unmittelbar unter dem Pelletsieb

136

6 Pelletproduktion

Im Gegenstromkühler werden die Pellets auf eine Temperatur abgekühlt, die etwa 5 °C über der Umgebungstemperatur liegt. Auf eine entsprechende Auslegung des Kühlers auch im Sommerbetrieb ist zu achten, da die Qualität erheblich negativ beeinflusst wird, wenn die Pellets unzureichend gekühlt werden. Die abgekühlten Pellets sind stabil und fest. Gekühlt wird mit Umgebungsluft, die möglichst von außen angesaugt wird. Die Luft durchströmt den Kühler im Gegenstrom, d.h. gegen die Fließrichtung der Pellets von unten nach oben. Die durch den Kühler strömende Luft nimmt Feinanteile auf und wird durch einen nachgeschalteten Filter gereinigt bevor sie an die Umgebung abgegeben wird. Der Feinanteil wird dem Produktionsprozess zugeführt. Ist das Sieb unterhalb des Kühlers angeordnet, fallen die Pellets durch Rohrleitungen auf das Sieb. Andernfalls werden die Pellets durch schonende Fördertechnik auf das Sieb aufgegeben. Das Sieb sollte drei Fraktionen ausgeben. Überlängen oben, die mit einer entsprechenden Vorrichtung „geknackt“ werden, Normpellets in der Mitte und Feinanteil im unteren Deck. Die „geknackten“ Überlängen werden den Normpellets zugeführt und mittels Fördertechnik in die Lagersilos transportiert. Dies geschieht mittels Rohrgurtförderern (Band), Kratzkettenförderer, Elevatoren etc. Der Feinanteil wird in das Trockenspanlager oder bei geringen Mengen dem Produktionsprozess zurückgeführt. Zwischen Kühler und Sieb oder nach dem Sieb sollte eine Durchlaufwaage angeordnet sein, um die produzierten Mengen kontrollieren zu können. Die Pelletsilos bestehen meist aus Blech. Unter den Silos sind Schieber angeordnet, die darunterliegende Förderer befüllen. Um eine möglichst gute Entleerung zu erreichen, sind mehrere Schieber in der Achse der Förderer angeordnet. Sollte eine automatische Restentleerung erwünscht sein, kann eine automatische Restentleerungsschnecke installiert werden. Der unter den Silos angeordnete Förderer transportiert die Pellets zu einem Elevator, der diese wiederum in ein Verladesilo abkippt. Bezüglich der Verladung bestehen unterschiedliche Philosophien. Die Verladeleistung und damit die gesamte Fördertechnik muss auf die jeweiligen Bedürfnisse angepasst werden. Eine Schiffsverladung bedingt größere Kapazitäten als eine LKW-Verladung. Entsprechendes gilt für die Bahnverladung. In jedem Fall ist unter dem Verladesilo ein Sieb anzuordnen, damit gewährleistet ist, dass lediglich eine minimale Menge Feinanteil verladen wird. Der Feinanteil wird dem Trockenspansilo zugeführt. Dies kann je nach Wegführung pneumatisch oder mittels mechanischer Fördertechnik geschehen. Die Pellets werden in einen LKW, ein Schiff oder einen Bahnwagon gefördert. Ist unter dem Silo eine Waage angeordnet, so empfiehlt sich eine verfahrbare Beladegarnitur. Steht das Silo auf Wiegezellen empfiehlt sich das gleiche. Alternativ kann die Verladegarnitur fix ausgeführt werden mit dem Resultat, dass sich der LKW unter dem Verladebalg bewegen muss. Die Überdachung ist entsprechend anzupassen.

6.6 Pelletierung

137

6.6.2 Anlagentechnik Im Folgenden wird die zuvor kurz beschriebene Anlagentechnik detaillierte erläutert. Magnetabscheider Der Magnetabscheider hat die Aufgabe, die nachgelagerten Aggregate, insbesondere die Hammermühle und die Pressen vor Metalleintrag zu schützen. Der Metatalleintrag würde zum einen die Anlagen zerstören oder zumindest den Verschleiß extrem fördern, zum anderen vor allem ein Risiko der Funkenerzeugung darstellen. Dies in Verbindung mit trockenen Spänen birgt ein enormes Risiko bezüglich Anlagenbrands. Im Folgenden werden unterschiedliche Systeme dargestellt. Permanent Magnetsysteme werden je nach Aufgabenstellung in Ferrit-, Alnicooder Neodym-Ausführung hergestellt. Durch die Leistungsanforderung vom Markt werden ständig neue Systeme und Ausführungen in Verbindung mit verbesserten Magnetwerkstoffen entwickelt. Plattenmagnete werden zur Separierung eisenhaltiger Fremdkörper beim kontinuierlichen Materialfluss auf Förderbändern, beim freien Fall, in vertikal oder schräg angeordneten Rohrleitungen, unter Rutschen und Gleitbahnen usw. je nach Ausführung und Aufgabenstellung quer oder längs zum Durchlauf angeordnet. Diese Ausführung von Plattenmagneten ist mit starken Keramikmagneten versehen, die so aufgebaut sind, dass ein besonders starkes, tiefes Magnetfeld entsteht. Die Oberflächen des Magneten, die mit dem Materialdurchlauf in Berührung kommen, sind zum Schutz des Magneten aus rostfreiem Stahl (z.B. Werkstoff-Nr. 1.4301) gefertigt. Für Montagezwecke sind die Plattenmagnete auf der Rückseite meist mit einer Grundplatte einschließlich Gewindebohrungen versehen. Um eine schnelle und gründliche Säuberung von Eisenverschmutzungen auf den Plattenmagneten zu ermöglichen, können die Ausführungen auch mit einer Reinigungseinrichtung versehen werden. Diese Vorrichtung ist für Hand- oder Pneumatikbetrieb möglich. Der Einsatz einer Pneumatikeinrichtung empfiehlt sich dann, wenn der Plattenmagnet an einer unzugänglichen Stelle montiert ist. Bei dem Bau der Fördertechnik, die mit einem Magnetsystem kombiniert wird, muss die Auswahl der zu verwendenden Konstruktionsteile besonders beachtet werden. Es ist nicht zu empfehlen, magnetisierbare Materialien im Bereich des Magnetsystems einzusetzen. Bei Verwendung von ferromagnetischen Werkstoffen wird die Funktionsfähigkeit des Enteisenungssystems nachteilig beeinflusst, was z. B. zu Ansammlungen von Fe-Teilen an unerwünschten Stellen führt und die Leistungsfähigkeit des Enteisenungssystems beeinträchtigt. Einige Beispiele von Materialien, die zur Herstellung von Bauteilen geeignet sind ist rostfreier Stahl (z. B. Werkstoff-Nr. 1.4301), Aluminium, Messing und Kunststoff. Der Rohrmagnet wurde speziell für den Einsatz in der Granulatförderung entwickelt. Verschiedene Granulate bis zu einer Korngröße von 8-10 mm und einer

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6 Pelletproduktion

Temperatur von bis zu 80° C, in stehenden oder langsam fließenden Materialsäulen, können untersucht werden. Bei einer Installation direkt auf dem Einzug einer Maschine separiert der Magnetscheider ferromagnetische Verunreinigungen aus dem Granulat, kurz bevor dieses verarbeitet wird. Die Reinigung erfolgt durch Entnahme des Magnetstabsystems und anschließendes Abziehen der Edelstahlhülsen von den Magnetkernen. Die abgeschiedenen Verunreinigungen fallen von den Stäben ab und können analysiert werden. Alternativ kann ein automatisches Abreinigungssystem installiert werden.

Abb. 6.43: Prinzip und Beispiel eines Rohrmagneten von S+S /10/

Es steht eine Vielzahl von Ausführungen zur Verfügung. Um die Möglichkeit des Automatisierungsgrads zu verdeutlichen sei der Rohrmagnet in einer weiteren Ausführung beschrieben. Magnete für Freifallanwendung mit pneumatisch betätigter Klappe werden in Rohrleitungen zur gründlichen Separierung eisenhaltiger Metalle aus verschiedenen Schüttgütern eingesetzt. Bei diesem Typ wird mit Hilfe eines elektromagnetischen Feldes separiert. Das Abreinigen erfolgt hierbei zum Beispiel durch eine Steuerung, welche das elektromagnetische Feld abbaut, sobald ein pneumatisch betätigter Klappkasten in Stellung „Abreinigen“ verriegelt ist. Bei dieser elektromagnetischen Ausführung des Rohrmagneten müssen die Abmessungen so gewählt werden, dass selbst bei verunreinigtem Magnetkern ein genügend großer freier Durchlass gewährleistet ist.

6.6 Pelletierung

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Abb. 6.44: Rohrmagnet mit pneumatisch gesteuerter Klappe von S+S /10/

Der Trommelmagnet wird zur Separierung von eisenhaltigen Verunreinigungen aus Schüttgütern wie Späne und Pellets eingesetzt. Der Materialfluss wird an dem Trommelmagneten vorbeigeführt. Die eisenhaltigen Verunreinigungen werden angezogen und durch den drehenden Außenmantel, der mit Führungsrippen versehen ist, mitgeführt, bis diese die magnetische Zone verlassen haben. Sie können dann entweder weitergeleitet oder in einem separaten Behälter aufgefangen werden. Das System besteht aus starken Keramik-Magneten, die entsprechend angeordnet sind, um ein starkes und tief wirkendes Magnetfeld zu erzeugen. Der rotierende Lagerzapfen wird angetrieben, während der feststehende Achszapfen der Positionierung des Magnetfeldes dient. Das Magnetfeld erstreckt sich über 180°.

Abb. 6.45 : Trommelmagnet mit Weiterleitung der separierten Bestandteile von S+S /10/

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6 Pelletproduktion

Abb. 6.46 : Trommelmagnet, Entsorgung separierter Bestandteile durch Fallrohr von S+S /10/

Der Kopfwalzenmagnet wird zur Separierung von eisenhaltigen Verunreinigungen aus Spänen beim Transport über Förderbänder eingesetzt. Er ersetzt die Antriebswalze am Auslauf des Förderbandes. Durch diese magnetische Stirnwalze werden die eisenhaltigen Verunreinigungen festgehalten und in Richtung Unterseite des Bandes weitergefördert, wo sie abfallen, wenn sie den magnetischen Wirkungsbereich der Kopfwalze verlassen. Das System besteht aus starken Keramik-Magneten. Der Nachteil dieser Anordnung ist, dass mit dem Eisen auch Späne mitgerissen werden. Überbandmagnete sind meist mit einem starken Permanentmagneten aus vollstabilisiertem Strontium-Ferrit-Magnetmaterial versehen. Das Austragsband wird standardmäßig durch einen Aufsteckgetriebemotor angetrieben. Die abgeschiedenen Eisenteile werden ständig durch das umlaufende Gurtband abtransportiert. Die robuste Konstruktion kann optional auch mit einem Hydraulikantrieb ausgestattet werden. Beidseitige Klemmschutzbleche verhindern Personenschäden oder Beschädigungen des Austragsbandes. Bei dieser Technik werden kaum Späne oder Hackschnitzel mit dem Eisenmaterial ausgeschieden.

6.6 Pelletierung

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Abb. 6.47: Überbandmagnet von S+S /10/

Allmetallabscheider Allmetallabscheider werden meist in der Holzaufbereitung eingesetzt. Im Unterschied zum Magnetabscheider schleust dieser auch Nichteisenmetalle (Aluminium, Kupfer, Edelstahl etc.) aus. Die NE- Detektion bzw. Selektierung ist besonders in Brennstofflinien von Kraftwerken und vor Hackmaschinen unbedingt erforderlich. Bei der Ausschleusung von NE- Teilen bieten sich u.a. hauptsächlich zwei verschiedene Lösungsmöglichkeiten an. 1. Separierung per Detektierung Die NE- Materialien wie z.B. Cu, Al werden im Stoffstrom erkannt und über eine Schleuse während des Betriebes separiert. Diese Verfahrenstechnik ist eine der kostengünstigsten Möglichkeiten zur NE- Separierung. Nachteilig ist die Ausschleusung von kleinen Brennstoffchargen in Verbindung mit den detektierten NE- Metallen. Der Vorteil liegt in der kostengünstigsten Lösung zur NE- Separierung.

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6 Pelletproduktion

Abb. 6.48: links: Funktionsprinzip Separierung auf Basis von Detektion und Ausschleusung; rechts: Anwendungsbeispiel /10/

2. Separierung per Induktionsabscheider Induktionsabscheider sortieren vollautomatisch metallische Bestandteile, wie z.B. Aluminium, Edelstahl oder Blei aus dem Schüttgutstrom. Dieser gelangt über eine externe Schwingrinne optimal vereinzelt in den Detektionsbereich des MultikanalMetall-Detektors. Befindet sich ein metallischer Bestandteil im Detektionsbereich, wird dieser von der örtlich auflösenden Metallsuchspule positionsgenau detektiert. Die Auswerteelektronik ermittelt die exakte Position des Metalls und aktiviert zeit- und positionsgenau die richtigen Düsen des Ausblassystems. Das Metallteil wird somit in einen separaten Auslaufschacht gelenkt, ohne dass der Förderstrom unterbrochen wird. Der Verlust von wertvollen Spänen ist minimal. Gegenüber dem Wirbelstromabscheider weist der Induktionsabscheider folgende Vorteile auf: – Es werden alle Arten von Metallen erkannt , sowohl Eisen als auch Nichteisenmetalle und Edelstahl – Eine vorgeschaltete Magnetabscheidung ist nicht zwingend erforderlich – Es können auch Materialverbunde aus Metall und Holz (Nagel in Holzstück, Möbelbeschläge an Altholz) sicher abgeschieden werden.

6.6 Pelletierung

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Abb. 6.49: Prinzip der Induktionsabscheidung und Druckluftseparierung

Windsichter Wie der Fe-/Ne-Abscheider so schützt auch der Windsichter die nachgelagerte Hammermühle vor Verschleiß, Funkenschlag und Zerstörung, indem schwere Teile wie Steine abgeschieden werden. Beim Windsichten werden Schwerteile und Späne anhand ihres Verhältnisses von Massenkraft und Strömungswiderstand mechanisch im Luftstrom getrennt. Es ist ein Klassierverfahren und nutzt das Prinzip der Schwer- oder Fliehkrafttrennung aus. Feine Späne folgen der Strömung, grobe der Massenkraft. Windsichter werden grundsätzlich in zwei Bauweisen gefertigt: Der Materialstrom wird entweder durch einen vertikalen oder durch einen horizontal verlaufenden Luftstrom getrennt (Gegenstrom- bzw. Querstromsichter). Der Steigrohrsichter, Zickzacksichter etc. ist die einfachste Form eines Windsichters, findet in der Pelletierung aber kaum Anwendung. Im Gegensatz zu den verschiedenen Formen des Steigrohrsichters verläuft der Luftstrom beim horizontalen Windsichter waagerecht. Die Feststoffpartikel fallen von oben in diesen Luftstrom. Je nach Gewicht und Luftwiderstand werden sie unterschiedlich stark ausgelenkt. Schwere bzw. kompakte Teile fallen direkt nach unten, andere werden weiter mit dem Luftstrom mitgerissen. Durch die Einstellung der Klappe, die den Luftvolumenstrom regelt und des Umlenkbleches, welches für den Grad der Umlenkung verantwortlich ist, kann bestimmt werden, wie schwer das Material sein darf, welches mit den Spänen in die Hammermühle gelangt oder dem Schwergut folgen soll.

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6 Pelletproduktion

Abb. 6.50: Prinzip eines Windsichters vor einer Hammermühle

Hammermühle Eine Hammermühle (auch Schlagmühle genannt) ist eine Mahlmaschine. Ihre Aufgabe ist eine schnelle und je nach Einsatzgebiet unterschiedlich grobe Zerkleinerung der Späne vor allem auch bei stark heterogenen Materialgemischen. Die Zerkleinerung des Mahlguts geschieht durch die kinetische Schlagwirkung. In einem Metallgehäuse dreht sich ein Rotor, an dessen äußerem Umfang eine anwendungsspezifische Anzahl beweglicher Stahlschläger angebracht sind, die Umfangsgeschwindigkeiten von bis zu 120 m/s und mehr erreichen können. Bei Eintritt in den Schlagkreis des Rotors trifft das Mahlgut auf die rotierenden Schläger bzw. Hämmer. Durch den Schlag der Hämmer wird der größte Zerkleinerungseffekt erzielt. Die Hämmer schleudern die Stücke außerdem auf die Mahlwand, wo sie durch den Aufprall weiter gebrochen werden. Eine weitere Zerkleinerung erfolgt im unteren Bereich zwischen Rotor und Mahlwand. Das Mahlgut verbleibt so lange in der Zerkleinerungszone, bis es die Mühle durch das Lochsieb am äußeren Umfang der Mühle verlässt. Dieses Sieb hat die Funktion einer Oberkornbegrenzung. Durch die entsprechende Wahl des Lochdurchmessers im Sieb lässt sich die maximale Korngröße einstellen. Durch beidseitig angeordnete Mahlwände kann die Drehrichtung des Rotors geändert werden (Reversierung). Dadurch ist es möglich, die Hammerköpfe optimal im Verschleiß auszunutzen. Dies ist nicht bei allen Herstellern möglich.

6.6 Pelletierung

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Abb. 6.51: Hammermühle mit Schlägern

Die Hammermühle ist im Pelletierungsprozess in der Regel als eine Art Polizeihammermühle zu bewerten, da die Späne in der Regel bereits vor dem Trocknungsprozess zerkleinert wurden. Daher kommt eine Feinhammermühle zum Einsatz. Die Aufgabe ist es, einen geometrisch homogenen Span für die Pelletpresse zu erzeugen. Die installierte elektrische Leistung der Hammermühle wird in den meisten Anlagen niemals abgerufen. Additiv- bzw. Stärkedosierung Die Stärke dient zu Optimierung der Bindeeigenschaft während des Pressvorganges in der Matrize. Wichtig sind eine gleichmäßige Dosierung der Stärke und die Vermeidung von „schluckartiger“ Förderung. Optimal ist die Eintragung in einen Luftstrom. Dies ist nach der Hammermühle möglich wenn alle Späne pneumatisch gefördert werden. Die Stärke kann dann in den Luftstrom eingebracht werden und erfährt somit eine optimale Vermischung. Da der Nachteil des hohen Energiebedarfs für den pneumatischen Transport der kompletten Spänemenge nach der Hammermühle zu groß ist, scheidet diese Möglichkeit häufig aus. Ein weiterer Nachteil ist der, dass die Stärke ggf. in den Filterstrümpfen verklebt, der die Luft von den Spänen trennt. Eine weitere Möglichkeit besteht in der Dosierung kurz vor der Hammermühle welches eine optimale Vermischung in der Hammermühle zur Folge hat. Auch hier bleibt die Gefahr bestehen, dass die Stärke die nachgeschalteten Filterstrümpfe verkleben kann. Dies besonders bei feuchter Witterung bzw. feuchter Luft. Weiterhin muss der Expolosionsgutachter bewerten, ob die Zugabe von Stärke die

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6 Pelletproduktion

Explosionsgefahr in der Hammermühle erhöht. Dennoch haben einige Pelletierer gute Erfahrungen mit dieser Methode gesammelt. Eine weiterhin gängige Möglichkeit, die in der weiteren Beschreibung des Pelletierungsprozesses berücksichtigt wird, ist die Dosierung der Stärke in den Mischer nach der Hammermühle und vor dem Reifebehälter. Wichtig ist es, die Dosierschnecke entsprechend klein zu wählen, da lediglich etwa 1% der Spänemasse als Stärke zugegeben wird. Weiterhin ist darauf zu achten, dass die Stärke nicht „schluckartig“ aufgegeben wird, auch wenn ein Mischer vorhanden ist. Der Mischer wird im Anschluss beschrieben. Mischer Der Mischer ist ein waagrechter, zylindrischer Förderer mit einer mittig angeordneten drehenden Welle. An der Welle sind Mischpaddel angeordnet. Der Wassergehalt wird mittels Feuchtemessung ermittelt und dient als Stellwert für die Wassereindüsung. Das Wasser sollte möglichst fein zerstäubt eingebracht werden. Weiterhin wird, wie oben erwähnt, Stärke zudosiert. Das Gemisch wird mittels der Paddel umgewälzt um einen möglichst homogenen Stoffstrom zu erhalten. Die Paddel können bezüglich der Position und Winkel individuell eingestellt werden. Damit wird die Verweilzeit des Produktes im Mischer beeinflusst. Weiterhin sollte die Drehzahl einstellbar sein. Die Verschmutzung des Mischers an den Wänden ist regelmäßig zu kontrollieren. Hierfür sind entsprechend großzügige Wartungsöffnungen vorzusehen, die über die gesamte Breite der Mischkammer ausgeführt sein sollte. Weiterhin sind die Mischer aus rostfreiem Edelstahl auszuführen.

Abb. 6.52: Mischer von Salmatec mit einstellbaren Paddeln

6.6 Pelletierung

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Reifebehälter bzw. Homogenisierungssilo Der Reifebehälter hat die Aufgabe, den Spänen die Zeit zu geben, dass sich die Feuchtigkeit im Span selbst homogenisiert und unter den Spänen selbst möglichst gleichmäßig verteilt um der Presse und dem Presskanal ein möglichst homogenes Produkt zuführen zu können. Durch diesen Prozess wird die Pelletqualität optimiert. Der Behälter sollte derart dimensioniert sein, dass die Späne mindestens 15 Minuten Verweilzeit im Reifebehälter haben, bevor sie dem Mischer über den Pressen zugeführt werden. Unter dem Silo sind Austrageschnecken angeordnet, die die Mischer beschicken. Ein ähnlicher Behälter kann vor den Trockenspanhammermühlen angeordnet sein mit der Aufgabe, die Hammermühlen optimal und effektiv beschicken zu können.

Abb. 6.53: Reifebehälter mit Schneckenaustragung /5/

Pelletpresse Grundsätzlich gibt es zwei Arten von Pressen. Pressen mit vertikal arbeitenden Ringmatrizen wie sie die meisten Hersteller einsetzen und horizontal arbeitende Ringmatrizen wie sie beispielsweise von der Firma Amandus Kahl eingesetzt werden. Die Matrize wird über Elektromotoren und Keilriemen angetrieben. Eine Presse, die rund 4 bis 5 t/h Pellets produziert hat eine installierte Leistung von rund 250 kW. Innerhalb der Matrize sind je nach Hersteller zwei bis drei Koller gela-

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6 Pelletproduktion

gert. Diese sind auf je einer Achse gelagert und werden nicht angetrieben. Auch die Auswahl der Kollerart wird individuell je Anlage ausgewählt und häufig durch Versuche während der Inbetriebnahme festgelegt. Es gibt beispielsweise gelochte Koller, schräg geriffelte und gerade geriffelte Koller. In folgender Abbildung sind gelochte und gerade geriffelte Koller nach der Fertigung dargestellt.

Abb. 6.54: Funktionsprinzip Flach- und Ringmatrizenpresse /6/

6.6 Pelletierung

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Abb. 6.55: oben: gelochte Koller, unten: gerade geriffelte Koller von Salmatec /6/

Die Späne werden über Dosierschnecken in den Pressenraum eingetragen. Leitschaufeln sorgen dafür, dass die Späne zwischen den Kollern eingebracht werden. Durch die Rotationsbewegung der Matrize wird das Material in Drehrichtung mitgenommen und durch den Spalt zwischen Koller und Matrize gezwungen. Die Koller sind so eingestellt, dass sie die Matrize fast berühren. Die Späne müssen den Weg durch die Presskanäle der Matrize wählen und verlassen so die Presse.

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6 Pelletproduktion

Abb. 6.56: Pelletpresse geöffnet und bereit für die Wartung

Der Presskanal hat einen konischen Einlauf bevor die Späne im Presskanal die eigentliche Form erhalten. Der Einlaufkonus wird mit fortlaufendem Betrieb verschlissen und kann ggf. Nachgearbeitet werden. Nach dem Verschleiß des Einlaufkonus wird der eigentliche Presskanal verschlissen und somit gekürzt. Die Form des Konus und die Länge des Presskanals sind abhängig vom Hersteller und eingesetzten Holz. Sogar die geographische Herkunft des Holzes ist von Bedeutung. So kann der Presskanal bei gleicher Holzart in Skandinavien anders ausfallen als in Russland.

Abb. 6.57: Matrizenauswahl, verschiedene Matrizenbohrungen /6/

6.6 Pelletierung

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Abb. 6.58: Einstellung der Kollerposition

Auch die Wahl der Koller ist eine Wissenschaft für sich und muss individuell für jeden Standort getestet werden. Es gibt gelochte, gerad-geriffelte, schräggeriffelte etc. Koller. Bezüglich der Ausrüstung ist eine automatische Schmierung wichtig an die lediglich ein Fettfaß angeschlossen werden muss. Der Hilfskran für die Montage und Demontage von Kollern und Matrizen ist ebenfalls erforderlich.

Abb. 6.59: Zwei Pressen mit je drei Kollern

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6 Pelletproduktion

Kühler Beim Gegenstromkühler wird ein Luftstrom, welcher dem Produkt entgegenströmt, genutzt um die Pellets zu kühlen. Die Methode des Gegenstromkühlens vermeidet den direkten Zustrom kalter Luft auf die heißen Pellets. Dies verhindert das Aufbrechen der Oberflächenstruktur und sichert somit eine hohe Qualität. Das Prinzip der Gegenstromkühlung benötigt nur geringe spezifische Luftmengen.

Abb. 6.60: Prinzip des Gegenstromkühlers von Salmatec /6/

Eine Zellradschleuse regelt die Beschickung mit Pellets während sie den Kühler für Abluft nach oben abdichtet. Der Pelletzufluss wird durch einstellbare Sensoren, welche die Füllhöhe auf der Kühlfläche messen, gesteuert. Unter der Schleuse sorgt ein Verteiler für eine gleichmäßige Verteilung des Materials auf der Kühlfläche, welche das wichtigste Element des Gegenstromkühlers darstellt. Ihre Aufgabe ist es, die Pellets langsam nach unten durchzulassen während kon-

6.6 Pelletierung

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stant kalte Luft nach oben durchströmen soll. Eine homogene Luftverteilung im Kühler ist erforderlich, um alle Pellets gleichermaßen zu kühlen und somit die erforderliche Qualität sicherzustellen. Die Abluft wird nach dem Kühler mittels Zyklonabscheider oder Textilfilter vom Staub befreit bevor sie durch den Ventilator ins freie geleitet wird. Der Kühler muss geometrisch derart konstruiert sein, dass er vollkommen entleert wird und sich keine Produktnester bilden. Die Größe des Kühlers hängt ab von der Temperatur der eintretenden Pellets, der höchstmöglichen Umgebungstemperatur, der spezifischen Wärmekapazität der Pellets und der erwarteten Wasseraufnahme der Kühlluft. Beim Kühlen der Pellets muss die Temperatur auf einen sicheren Wert reduziert werden, um Kondensation vorzubeugen. Die Pellets sollten den Kühler nicht wärmer als 5 °C über der Umgebungstemperatur verlassen. Vor allem aber wird die Härte der Pellets gesteigert. Dies erleichtert sowohl den späteren Transport sowie die anschließende Lagerung und reduziert den Abrieb. Sieb Im Sieb hinter dem Kühler entstehen drei Fraktionen um eine möglichst hohe Pelletqualität ins Silo zu fördern. Im Unterdeck wird der abgesiebte Feinanteil gesammelt und anschließend in das Trockenspansilo oder an geeigneter Stelle in den Produktionsprozess zurück gefördert. Im mittleren Deck werden die Pellets hoher Qualität gesammelt und der Fördertechnik übergeben, die diese in die Silos transportiert. Im oberen Deck verbleiben die Überlängen-Pellets. Diese können durch eine geeignete „Knagge“ geknackt werden um die Länge zu reduzieren. Der hierbei entstehende Feinanteil gelangt in das untere Siebdeck während die geknackten Pellets den guten Pellets zugeführt werden.

Abb. 6.61: Sieb unter Pelletkühler von Knoblinger /5/

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6 Pelletproduktion

Pelletsilos Im Gegensatz zu den Trockenspansilos können Pelletsilos aus Blech und damit günstiger ausgeführt werden. Blechsilos werden vor Ort von unten nach oben aufgebaut, d.h mit dem Silodach wird begonnen. Anschließend wird Ring für Ring untereinander aufgebaut während der Silokörper nach oben wächst. Bezüglich des Fundamentes ist wichtig, dass ein seitlicher Überstand von etwa einem Meter beachtet werden sollte. Weiterhin sollte das Silo am Boden mit Belüftungskanälen ausgeführt werden um die Option der Kühlung zu gewährleisten. Ein mobiler Ventilator kann an den entsprechenden Rohranschlüssen installiert werden. Die Luft wird von unten nach oben durch die Pellets geleitet. Weiterhin kann optional die Temperatur an verschiedenen Stellen des Silos aufgenommen und visualisiert werden. Der Boden des Silos besteht aus der Fundamentplatte, in die die Belüftungskanäle und Auslauftrichter des Silos eingelassen sind. Die Betonplatte ist meist eben. Damit kann das Silo nicht ohne weiteres restentleert werden. Die Installation einer Restentleerungsschnecke ermöglicht diese Option. Allerdings kann die Schnecke nur bei nahezu entleertem Silo und damit sehr selten eingesetzt werden. Zu prüfen ist, ob eine manuelle Entleerung mittels „Bobcat“ oder ähnlichem eine Alternative darstellt. Eine entsprechende Öffnung in der Silowand ist vorzusehen und statisch zu berücksichtigen. Weiterhin sind die Gitterroste für die Belüftung am Boden befahrbar auszuführen.

Abb. 6.62: Blechsilos für die Pelletlagerung mit Zu- und Abtransport sowie Verladestation

Literaturverzeichnis

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Die Fördertechnik zum Silo kann statisch selten vom Silo aufgenommen werden, sodass entsprechender zusätzlicher Stahlbau erforderlich ist. Der Befüllförderer über den Silos kann am Silo abgefangen werden. Die Pellets verlassen das Silo über am Boden angeordnete automatische Schieber und gelangen auf einen Förderer, der die Pellets beispielsweise zu einem Becherelevator transportiert. Von diesem werden sie nach oben in ein Verladesilo oder unmittelbar in einen LKW, Wagon oder ähnliches befördert. Bezüglich der Wiegung kann das Verladesilo mit Wiegezellen ausgerüstet oder eine Waage installiert werden.

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6 Pelletproduktion

Literaturverzeichnis /1/ /2/ /3/ /4/

HOLTEC GmbH & Co. KG, Dommersbach 52, D-53940 Hellenthal Rudnick und Enners Maschinen und Anlagenbau GmbH, D-57642 Alpenrod Vecoplan AG, Vor der Bitz 10, D-56470 Bad Marienberg Verfahrenstechnik & Anlagensysteme Ges. m .b H., Grenzweg 379, A-084 Großgmain /5/ Albert Knoblinger Ges.m.b.H & Co KG, Oberbrunnerweg 10, A-4910 Ried im Innkreis, /6/ Salzhausener Maschinenbautechnik SALMATEC GmbH, Bahnhofstraße 15a, D-21376 Salzhausen /7/ Wolf SYSTEM GmbH, Am Stadtwald 20, D-94486 Osterhofen /8/ Produktbeschreibung, Büttner Gesellschaft für Trocknungs- und Umwelttechnik mbH, Parkstr. 10, 47829 Krefeld, 2009 /9/ Produktbeschreibung, Kunz dry Tec AG, Taubenlochweg 1, CH-5606 Dintikon, 2009 /10/ S+S Separation and Sorting Technology GmbH, Regener Strasse 130, D-94513 Schoenberg /11/ Kaltschmitt M et al, Energie aus Biomasse, 2. Auflage, Springer Verlag Berlin Heidelberg, 2009

7 Energetische Verwertung von Pellets ..................................... 158 7.1 Lagerung und Förderung von Pellets .................................. 158 7.2 Kleinfeuerungsanlagen ....................................................... 165 7.3 Mittlere Feuerungsanlagen ................................................. 179 7.4 Großfeuerungsanlagen ........................................................ 185 7.5 Zufeuerung von Pellets ....................................................... 192 Literaturverzeichnis .................................................................. 194

158

7 Energetische Verwertung von Pellets

7 Energetische Verwertung von Pellets

Im folgenden Kapitel wird nach der Pelletlagerung auf unterschiedliche Verbrennungstechnologien eingegangen, die in der Lage sind, Holzpellets zu verbrennen. Hier kann zwischen Kleinfeuerungsanlagen, mittelgroßen Feuerungsanlagen und Großfeuerungsanlagen unterschieden werden. Kleinfeuerungsanlagen behandeln hier den Leistungsbereich zwischen 5 und 200 kW. Mittelgroße Feuerungsanlagen beschreiben die Leistungsgröße bis 5.000 kW. Großfeuerungsanlagen bilden den Leistungsbereich über 5.000 kW ab. Die Technologie der Vergasung wird kurz angeschnitten. Da die klassische Pyrolyse noch kein verbreiteter Anwendungsfall für Holzpellets ist, wird auf dieses Thema nicht eingegangen. Im Anschluss wird das Thema Emissionen behandelt. und abschließend die Möglichkeit der Zufeuerung von Pellets beschrieben.

7.1 Lagerung und Förderung von Pellets Bezüglich der Lagerung von Pellets müssen grundsätzlich Systeme für kleine Feuerungsanlagen und große Feuerungsanlagen unterschieden werden. Für kleine Feuerungsanlagen in Haushalten und kleinen Betrieben sowie Kommunen haben sich im Laufe der letzten Jahre einige Systeme zur Lagerung und dem Transport der Pellets durchgesetzt. Einige werden in diesem Kapitel vorgestellt. In größeren Verbrennungsanlagen werden überwiegend Silos zur Lagerung eingesetzt. Auf diese Systeme wird nicht weiter eingegangen. Pellets nach DINplus haben einen Feinanteil ab Werk von maximal 1%. Durch die mechanische Beanspruchung beim Transport und das Einblasen in das Pelletlager entsteht weiterer Feinanteil. Dieser kann sich je nach Lagertyp und Fördertechnik entmischen und im unteren Bereich des Lagers ansammeln. Daher wird empfohlen, das Lager regelmäßig in Zeiten geringen Wärmebedarfs vollständig zu entleeren und zu säubern.

S. Döring, Pellets als Energieträger, DOI 10.1007/978-3-642-01624-0_7, © Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2011

7.1 Lagerung und Förderung von Pellets

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Der Lagerraum muss u.a. an die Bedürfnisse des Pelletlieferanten, die Schnittstelle zum Kessel und den Eigenschaften (besonders Fließfähigkeit und Abriebverhalten) der Pellets angepasst werden. Die Belieferung der Pellets mit Silofahrzeugen hat sich durchgesetzt und kann als Standard angenommen werden. Das Silofahrzeug sollte möglichst nahe an das Pelletlager heranfahren können. Zu beachten ist die Größe des Silofahrzeugs. In der Regel ist eine Straßenbreite von 3 m und eine Durchfahrtshöhe von 4 m ausreichend. Mittels Pneumatikschlauch wird der Pellettank des Silofahrzeugs mit dem entsprechenden Anschlussstutzen am Lagerraum verbunden. Der Stutzen an der Hauswand sollte deutlich und dauerhaft als „Einblasstutzen“ gekennzeichnet sein. Die Kupplung des Einblasstutzens ist meist als „Storz Typ A“ ausgeführt. Die Einblasleitung wird weiter in das Pelletlager geführt und sollte nach etwa 50 cm mittels Schlauchschelle im Pelletraum gehaltert werden (s. Abb. 7.1). Auch wenn nicht immer möglich, sollte bereits bei der Planung darauf geachtet werden, dass die Befüllleitung möglichst ohne Bögen ausgeführt werden kann. Bögen erhöhen zum einen den Widerstand und vor allem den Abrieb der Pellets. Weiterhin sollte der Lagerraum an der Außenwand angeordnet sein um den pneumatischen Transportweg möglichst kurz zu halten. Der Stutzen sollte etwa 20 cm unterhalb der Decke an der schmalen Seite des Raums installiert sein. Aus Sicherheitsgründen müssen die metallischen Befüllrohre gegen elektrostatische Aufladung geerdet werden. Die Innenseite der Befüllleitung muss glatt und ohne Störkanten ausgeführt sein (Schweißnasen etc.). Der Absaugstutzen für die Entlüftung ist ebenfalls dauerhaft und deutlich zu kennzeichnen. Kupplung und Durchmesser sollten dem des Einblasstutzens entsprechen. In Flugrichtung der Pellets und am anderen Ende des Lagerraums ist eine freischwingende Prallmatte zu installieren um die Energie der Pellets möglichst sanft aufzunehmen und erhöhtem Abrieb sowie Bruch entgegenzuwirken. Sollte der Lagerraum breit ausgeführt sein, empfiehlt sich die Installation von zwei oder mehreren Befüllstutzen um die Lagerfläche möglichst optimal auszunutzen. Die Lagerkapazität hängt vom Wärmebedarf des Objekts ab. Als Faustregel für Kleinanlagen sollte der 1 bis 1,5-fache Jahresbrennstoffbedarf gelagert werden können. Der Wärmebedarf wiederum ist in hohem Maße vom Baujahr und der Ausführung des Hauses abhängig. Er schwankt zwischen Passivhaus mit einem Bedarf von z.B. 2.500 kWh/a und 500 kg Pellets bis zum alten Bestandshaus mit einem Bedarf von beispielsweise 30.000 kWh/a und 6.000 kg Pellets pro Jahr. Um- und Anbaumaßnahmen sowie energetische Sanierungsmaßnahmen, z.B. Dämmung des Dachs beeinflussen den Verbrauch entsprechend. Ein durchschnittliches Einfamilienhaus benötigt im Jahr etwa 4 bis 5 t Pellets. Da das Pelletlager häufig im Kellerbereich angeordnet wird sei darauf hingewiesen, dass Pellets hygroskopisch (wasseranziehend) sind. Bei Kontakt mit feuchten Wänden und Oberflächen quellen die Pellets auf und sind nicht mehr oder schlecht verwertbar. Die normale witterungsbedingte Luftfeuchtigkeit beeinflusst die Pelletqualität nicht.

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7 Energetische Verwertung von Pellets

Die bestehenden Wände sowie die zu installierenden Lagereinbauten müssen den statischen Anforderungen des Lagers entsprechen. Die Schüttdichte der Pellets von 650 kg/m³ ist zu beachten. Ein Schrägboden muss entsprechend unterstützt werden.

Abb. 7.1: Grundriss eines Pelletlagers /1/

Zur schonenden Einbringung der Pellets wird empfohlen, dass die Einblasleitung im Lagerraum mit einem 30 cm langen und um 15 bis 20° nach unten geneigten Rohr endet. Die Pellets verlassen das Einblasrohr im nach unten gerichteten Bogen und sollen anschließend auf die Prallmatte treffen, die wiederum um 15° nach unten und in den Raum hinein geneigt ist (Abb. 7.2). Die Praxis hat bewiesen, dass die Pellets mit dieser Anordnung schonend eingebracht werden. Selbstverständlich ist auch vom Lieferanten auf den entsprechenden Einblasdruck zu achten. Pelletlager, die länger als drei Meter sind, sollten mit einer geraden Einblasleitung befüllt werden. Die Prallmatte sollte ebenfalls gerade und im Abstand von etwa 20 cm von der Rückwand entfernt angeordnet werden. Je nach Länge des Lagers sollten wie erwähnt zwei Befüllleitungen (lang und kurz) installiert werden. Bezüglich der Förderung der Pellets aus dem Lager wird häufig eine Schnecke eingesetzt, die sich in der Längsachse des Lagerraumes am Boden befindet. Um möglichst alle Pellets der Schnecke zuzuführen, wird der Boden meist als Schrägboden ausgeführt. Die Schräge ist abhängig vom Fließverhalten der Pellets. Bewährt hat sich eine Neigung von 45° (Abb. 7.3). Mit dieser Schräge wird gewährleistet, dass die Pellets selbständig nachrutschen und der Schnecke zugeführt werden.

7.1 Lagerung und Förderung von Pellets

161

Abb. 7.2: Anordnung von Einblasleitung und Prallmatte im Kellerlager bis 3 m Länge /1/

Abb. 7.3: Pelletlager mit Schrägboden /1/

Um die Reibung zwischen Pellet und Oberfläche möglichst gering zu halten und damit das Rutschverhalten zu optimieren, ist die Oberfläche des Schrägbodens möglichst glatt zu gestalten. Glatte Schaltafeln oder Sperrholzplatten haben

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7 Energetische Verwertung von Pellets

sich bewährt. Im Falle der Installation einer Entnahmeschnecke muss diese mit einem Druckentlastungsblech überdeckt werden. Dieses verhindert, dass das Gewicht der darüber gelagerten Pellets auf die Schnecke drückt, erheblichen Abrieb verursacht und vor allem die Schnecke blockiert. Der Spalt, durch den die Schnecke seitlich befüllt wird, sollte etwa 7 cm betragen. Zum Abschluss sei darauf hingewiesen, dass Brand- und Explosionsaspekte beachtet werden müssen. So dürfen sich z.B. keine Elektroinstallationen im Lagerraum befinden. Weiterhin muss die Kesselanlage vor dem Einblasvorgang außer Betrieb genommen werden. Für diese Thematik ist ein entsprechender Sachverständiger hinzuzuziehen. Alternativ zur Förderschnecke mit Schrägboden stehen u.a. folgende weitere Systeme zur Auswahl: – – – –

Pelletlager mit Schrägboden und pneumatischer Saugentnahme (Abb. 7.4 ) Pelletlager ohne Schrägboden mit pneumatischer Saugentnahme (Abb. 7.5) Lagerbehälter aus flexiblem Kunststoff in verschiedenen Formen (Abb. 7.6) Erdlager aus Kunststoff oder Beton (Abb. 7.7 und 7.8)

Das System mit Saugentnahme arbeitet diskontinuierlich, so dass darauf geachtet werden sollte, dass der Tagesbehälter am Kessel über eine ausreichende Kapazität verfügt. Das Saugsystem bietet dem Anwender eine maximale Planungsfreiheit, da längere Wege von bis zu 20m bei Höhenunterschieden von bis zu etwa 5m überwunden werden können. Damit besteht die Möglichkeit, Lager z.B. im Erdreich außerhalb des Gebäudes unterzubringen.

Abb. 7.4: Pelletlager mit Schrägboden und pneumatischer Saugentnahme /1/

7.1 Lagerung und Förderung von Pellets

Abb. 7.5: Pelletlager ohne Schrägboden und pneumatischer Saugentnahme /1/

Abb. 7.6: Konussilo aus Gewebe /1/

163

164

7 Energetische Verwertung von Pellets

Abb. 7.7: Betonsilo als Erdtank mit pneumatischer Entnahme /1/

Abb. 7.8: Erdtank zur externen Pelletlagerung /2/

7.2 Kleinfeuerungsanlagen

165

7.2 Kleinfeuerungsanlagen Kleinfeuerungsanlagen zum Einsatz von Pellets werden derzeit von zahlreichen Herstellern angeboten. Die Anlagen arbeiten bei einer hohen Effizienz mit Wirkungsgraden von teilweise über 90% (nach Herstellerangaben). Sie stehen in unterschiedlichen Leistungsgrößen zur Verfügung, so dass es möglich ist, den Energiebedarf vom Energiesparhaus über Häuser mit höherem Energiebedarf bis hin zu Lager- und Produktionshallen ausreichend zu decken. Die angebotenen Leistungen der Anlagen liegen typischerweise zwischen 5 kW und 200 kW. Größere Anlagen sind ebenfalls erhältlich. Die Kessel werden in der Regel als Heizzentrale ausgeführt. Einige Hersteller bieten als Alternative hierzu eine Ausführung der Anlage als geschmackvollen Kaminofen für das Wohnzimmer an.

Abb. 7.9: Kaminpelletofen der Firma Calimax, Modell Bellina

Die überwiegende Zahl der Kessel sind als vollautomatische Anlagen von der Beschickung bis zur Reinigung ausgeführt. Die Versorgung mit Pellets erfolgt aus dem Pelletlager oder vom Tagesbehälter direkt am Kessel. Der in u.a. Abbildung dargestellte Kessel ist beispielsweise im Leistungsbereich 4 bis 48 kW einsetzbar. Der Wirkungsgrad erreicht laut Hersteller bis zu 95%. Durch ein Lamellenrost aus Edelstahl wird der Brennraum automatisch entascht. Die Pellets werden über eine Zellenradschleuse zur Rückbrandsicherung und eine Einschubschnecke dosiert. Die Zündung erfolgt durch ein keramisches Heizelement. Die Menüführung ist bedienerfreundlich ausgeführt und die Regelung beinhaltet die Möglichkeit, Solar- und Puffertechnik zu berücksichtigen. Eine Besonderheit ist die selbständige Anpassung der Dreizug-Heizflächen an den Wärmebedarf.

166

7 Energetische Verwertung von Pellets

Abb. 7.10: Holzpelletkessel der Firma Viessmann Modell Vitoligno 300-P /3/

Die im Tagesbehälter zwischengelagerten bzw. direkt in den Kessel geförderten Pellets gelangen in die Brennkammer des Kessels. Die Pellets können auf verschiedenen Wegen z.B. mithilfe von Schnecken oder einem Vakuum-Saugsystem zum Pelletkessel gelangen. Generell unterscheidet man drei verschiedene Arten von Pelletbrennern: – – –

Unterschubbrenner Fallschachtbrenner Retortenbrenner

Abb. 7.11: Prinzip der verschiedenen Pelletbrenner (Solarpraxis) /4/; links: Unterschubfeuerung; Mitte: Fallschachtbrenner; rechts: Retortenbrenner mit seitlichem Pelleteintrag

7.2 Kleinfeuerungsanlagen

167

Bei der Unterschubfeuerung gelangen die Pellets über eine Schnecke, die unter dem Brenner angeordnet ist, von unten auf den Brennteller. Die Technik zeichnet sich bei Volllastbetrieb durch eine gute Verbrennung auch ohne Lambdasonde aus. Der meist doppelwandig ausgeführte Topf besteht aus einem hochwarmfesten Edelstahl. Die Zuführung der Primärluft erfolgt über den Boden direkt unter die Glut. Die Sekundärluft wird bei diesem Brenner oberhalb der Flamme über den Mantel des Topfes zugeführt. Dies erfolgt über zahlreiche kleine Öffnungen. Eine periodische Drehbewegung der Rostplatte am Boden des Topfes sorgt für den Durchfall der Asche in die vorgesehene Aschebox. Durch das kleine Glutbett bleibt die Verbrennung gut regelbar und es kann ein hoher Ausbrand gewährleistet werden. Bei schlechter Pelletqualität kann es allerdings zur Schlackebildung auf der Rostplatte kommen, was zu einem erhöhten Reinigungsbedarf der Anlage führt. Für den Fallschachtbrenner werden die Pellets über eine Schnecke oberhalb des Brenntellers eingebracht und fallen von oben auf den Brennteller. Der Retortenbrenner wird dadurch charakterisiert, dass die Pellets seitlich in die Retorte eingebracht werden.

Abb. 7.12: Unterschubretortenbrenner der Firma KWB /5/

Trotz Normierung gibt es bei Pellets Schwankungen in der Länge, der Restfeuchte, des Aschegehalts und somit auch des Heizwerts. Die Regelung muss hierauf entsprechend reagieren können. Die Leistungsvorgabe richtet sich nach dem benötigten Wärmebedarf des angeschlossenen Verbrauchers. Viele Systeme teilen die Verbrennungsluft in einen Primären und einen Sekundären Luftmassenstrom. Die Massenströme sind entweder fix eingestellt, können über Gebläse einzeln

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7 Energetische Verwertung von Pellets

bzw. gemeinsam geregelt und/oder werden ggf. über Luftmassensensoren überwacht. Die primäre Verbrennungsluft nimmt dabei Einfluss auf die Verbrennung in der Brennschale. Sie wird direkt eingeleitet und ist meist über einen Verbrennungstemperaturfühler oder einen Glutbettfühler geregelt. Der Temperaturfühler sorgt für die thermische Sicherheit der Brennkammer durch das Vermeiden zu hoher Brennkammertemperaturen. Diese können zu Schäden des Brennkammermaterials und zu Schäden an den nachgeschalteten Wärmetauschern führen. Die sekundäre Verbrennungsluft wird im Gegensatz zur primären Verbrennungsluft nicht direkt in bzw. unter die Flamme geführt, sondern oberhalb der Verbrennung zugeführt. Sie wird meist über eine Lambda-Sonde sauerstoffgeführt geregelt und sorgt somit für eine Nachverbrennung im Rauchgas und einen nahezu vollständigen Ausbrand der brennbaren Bestandteile. Die Regelung der Verbrennung ist neben den konstruktiven Eigenschaften des Kessels einer der wichtigsten Kriterien für die Entwicklung einer effizienten Anlage. Die Regelung muss sich z.B. auf die unterschiedlichen Heizwerte der Pelletchargen anpassen können und ein großes Lastspektrum der Anlage abdecken. So erreichen Anlagen der neuesten Generation hohe Modulationsgrade und sorgen dafür, dass stets der notwendige Wärmebedarf gedeckt werden kann. Es ist mittlerweile möglich, die Anlagen in Lastfällen von 30% bis 100% zu betreiben. Diese hohen Modulationsgrade sind wichtig, da ein ständiges Ab- und Anfahren des Kessels zu einer erhöhten Schadstoffbildung führt. Durch niedrige Verbrennungstemperaturen beim Start kommt es zu einer unvollständigen Verbrennung. Hier ist u.a. mit einer erhöhten Freisetzung von Kohlenmonoxid zu rechnen. Optimale Verbrennungsbedingungen stellen sich erst nach Erreichen der Betriebstemperatur der Anlage ein.

Abb. 7.13: Anordnung der Sekundärluftdüsen im Nachverbrennungsring der Firma KWB /5/

7.2 Kleinfeuerungsanlagen

169

Die Zündung der Brenner geschieht automatisch mittels Heißluftgebläse bzw. Fön oder Glühstab. Alternativ dazu schalten größere Kessel auf Gluterhaltung um. Es wird bei letzterem lediglich so viel Brennstoff nachgespeist, wie für die Gluterhaltung erforderlich ist. Die Entwicklung geht auf Grund des geringeren Strombedarfs weg von den Heißluftzündern hin zu den elektronischen Zündelementen. Ein weiterer Vorteil der elektronischen Zündungen ist neben ihrer Geräuscharmut der geringe Wartungsaufwand. Die Brennkammer an sich wird aus feuerfesten Materialien, wie z.B. Keramik, ausgeführt. Je nach Geometrie der Brennkammer bleibt ein Teil der Verbrennungswärme dort gespeichert und verbessert somit die Startbedingungen bei Erlöschen der Verbrennung. Die Verbrennung selbst kann in einer Brennschale ablaufen. Speziell entwickelte Verbrennungssysteme wie die Rezirkulationsbrenner benötigen zum Teil keine Lambda-Sonden. Hier wird ein gewisser Teil der Rauchgase in die Brennkammer rezirkuliert und somit eine vollständige Verbrennung gewährleistet. Eine gute Verbrennungsführung und hierüber zu erwartende niedrige Schadstoffwerte, insbesondere das Kohlenmonoxid, sollte mit eines der wichtigsten Kriterien bei der Wahl eines guten Pelletkessels sein. Die Austragung der Asche bzw. die Schürung des Feuers erfolgt über verschiedene Rosttechnologien. Diese können sein: – – – – – – –

Kammrost Kipprost Vorschubrost Stufenrost Heb- und Senkrost Drehrost Lamellenrost

Konstruktive Einflüsse auf die Auslegung des Rostes sind neben der Feuerungsleistung des Kessels auch seine Reinigungseigenschaften, d.h. die Austragequalität anfallender Rostaschen bzw. Schlacken. Die Roststäbe bestehen meist aus hochtemperaturbeständigen Gußlegierungen mit hohen Chromanteilen. Je nach Rostart dient die eingebrachte Primärluft durch den Rost auch zur Kühlung der Roststäbe. Eine sich unter dem Rost befindliche Schnecke kann die Asche aus der Brennkammer in einen entsprechenden Vorratsbehälter transportieren. Viele Systeme verzichten auf diese zusätzliche Schnecke durch die Anordnung der Aschebox direkt unter der Brennschale. Die Vorratsbehälter sind meist sehr großzügig ausgelegt, so dass auf Grund der gering anfallenden Aschemengen eine Entleerung in größeren Zeitabständen möglich ist. Bei sehr geringen Aschegehalten von 0,5% sind die Mengen allerdings sehr gering. Die anfallenden Holzaschen sind biologisch abbaubar und können als Gartendünger verwendet werden. Im Anschluss an die Verbrennung gelangen die Rauchgase durch die Wärmetauscher, die nun die im Rauchgas vorhandene Wärme auf das Wasser im Heizungskreislauf übertragen. Die Effizienz der Anlage hängt in hohem Maße von der

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7 Energetische Verwertung von Pellets

Beschaffenheit dieser Wärmetauscher ab. Während des Betriebs lagern sich Teile der mitgerissenen Flugasche an den Wärmetauscherflächen ab und verschlechtern hierdurch den Wärmeübergang. Es wird folglich weniger Wärme an das zu erwärmende Wasser abgegeben. Die Abgastemperaturen steigen und die Anlage arbeitet ineffizienter. Um diese Verschlechterung des Wirkungsgrades zu reduzieren ist es Stand der Technik, die Wärmetauscher mit Selbstreinigungsanlagen auszustatten.

Abb. 7.14: Pelletkessel der Firma Nessensohn bei Abreinigung der Wärmetauscherrohre über auf- und abbewegende Spiralfedern /6/

Die Wärmetauscher, meist als Rohrbündel ausgeführt, können regelmäßig abgereinigt werden, um z.B. anklebende Aschen zu entfernen. Die Rohre sind auf Grund der Flugascheanteile vertikal angeordnet. Die Reinigungssysteme, meist als Spiralfedern ausgeführt, bewegen sich entlang der Rohre auf und ab. Diese rein mechanische Abreinigung sorgt für einen ausreichenden Reinigungseffekt. Eine Verschlechterung des Wirkungsgrades über die Verschmutzung der Wärmetauscherflächen kann somit reduziert werden. Nachdem die Rauchgase durch bis zu drei Züge im Kessel an den Wärmetauscherflächen vorbei geleitet wurden, gelangen sie aus dem Kessel in die vorgesehene Abgasleitung über Dach. Die Ausle-

7.2 Kleinfeuerungsanlagen

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gung der Wärmetauscherflächen im Kessel erfolgt unter Berücksichtigung der Vermeidung einer Taupunktunterschreitung. Wird der Taupunkt bestimmter Rauchgasbestandteile unterschritten, können saure Bestandteile zu einer Korrosion der Wärmetauscherrohre bzw. anderer Kesselbauteile führen und somit einen Kesselschaden verursachen. Zahlreiche Hersteller sehen aus diesem Grunde gerade bei Niedrigtemperaturnetzen eine Vorwärmung des Wassers vor Eintritt in den Kessel vor.

Abb. 7.15: Querschnitt der Pelletheizanlage Easyfire von KWB /5/

Ganz im Gegenteil hierzu lebt der nachstehend beschriebene BrennwertHolzpelletkessel von diesen niedrigen Rücklauftemperaturen. Das ständige Bestreben der Hersteller, immer höhere Wirkungsgrade zu erreichen, führte zur Entwicklung der ersten Brennwert-Holzpelletkessel. Die Steigerung des Wirkungsgrades wird, wie bei der Brennwert-Erdgastherme, über die zusätzliche Nutzung der bei der Kondensation von Wasser freiwerdenden Energie erreicht (Verdampfungswärme).

172

7 Energetische Verwertung von Pellets

anteilige Verdampfungswärme (Wasserdampf)

Abb. 7.16: Prinzip des Brennwert-Holzpelletskessels nach /7/

Im Brennstoff, so auch in den Holzpellets, wird Energie in chemischer Form gebunden. Durch die während der Verbrennung ablaufenden Oxidationsvorgänge wird diese Energie in Form von Wärme freigesetzt. Ein Teil der Energie wird zur Vergasung bestimmter Bestandteile, so auch das im Brennstoff bzw. der Verbrennungsluft enthaltene Wasser zu Wasserdampf benötigt. Um diese, als latente (versteckte) Wärme bezeichnete Energie zurück zu gewinnen ist es notwendig, die Rauchgase zu kondensieren. Dies kann bei der Pellet-Brennwertheizung, wie auch bei anderen Brennwertheizungen, nur durch möglichst niedrige Rücklauftemperaturen des Heizungsnetzes erfolgen. Ermöglicht wird dies durch die Nutzung von Flächenheizungen wie z.B. der Fußbodenheizung oder Wandheizung. Hier können Rücklauftemperaturen kleiner als 30°C erwartet werden. Die niedrigen Rücklauftemperaturen ermöglichen nun eine Absenkung der Rauchgastemperatur auf 30 bis 40°C. Der im Rauchgas enthaltene Wasserdampf kann kondensiert werden, die latente Wärme wird nutzbar und es können Wirkungsgrade der Kessel über 100%, basierend auf dem Heizwert des Brennstoffs, erreicht werden. Dies bedeutet einen Effizienzsprung der Anlagen von 10 bis 15%. Das anfallende Kondensat kann, wie bei der Brennwert-Erdgastherme, dem hausinternen Abwasserkreislauf zugeführt werden. Bei vollständiger Kondensation würden pro kg Pellet etwa 0,5 l Kondensat anfallen. In der Praxis werden Werte von etwa 0,35 l/kg erreicht. Der ph-Wert des Kondensats liegt erfahrungsgemäß bei 4 bis 6 und ist somit vergleichbar zum Kondensat bei Einsatz von Erdgas als Brennstoff. Im Gegensatz zum heimischen Kaminofen reicht der natürliche Kaminzug nicht aus um einen Unterdruck im Kessel zu gewährleisten. Aus diesem Grunde wird eine Unterdruckregelung eingesetzt, welche das Saugzuggebläse in Abhängigkeit vom erforderlichen Unterdruck im Brennraum regelt. Ist der Unterdruck zu niedrig, z.B. durch Ausfall des Saugzuges, muss die Kesselsteuerung automatisch die Frischluftzufuhr stoppen. Ein Überdruck im Kessel kann zur Entweichung von

7.2 Kleinfeuerungsanlagen

173

Rauchgasen führen. Die Verbrennung verlangsamt bzw. erlischt durch die Verminderung des Sauerstoffs.

Abgas ca. 40°C Vorlauf Edelstahl-Wärmetauscher Rücklauf

Kondensat Stahl-Wärmetauscher Abb. 7.17: Brennwert-Holzpelletkessel der Firma Ökofen /7/

Zur Erhöhung eines gleichmäßigeren Betriebs sollten die Pelletkessel in Kombination mit einem Wärmespeicher betrieben werden. Bei der Verwendung von Pufferspeichern ist allgemein auf die Wasserqualität zu achten. Die Vermehrung von Legionärsbakterien stellt hier bei zu niedriger Speichertemperatur eines der größten Risiken dar. Die Temperatur im Speicher sollte daher ausreichend hoch gehalten werden bzw. es sollte in regelmäßigen Abständen eine zeitlich begrenzte Temperaturerhöhung stattfinden. Den Herstellern ist dieses Problem bekannt. Sie bieten daher in den Steuerungen integriert spezielle Reinigungszyklen des Speichers an. Eine weitere interessante Entwicklung stellen Pelletbrenner dar (s. Abb. 7.18), die sich dazu eignen, vor gebrauchte Öl-/ Gas- oder Holzkessel installiert zu werden. Die Umrüstung kann in den Leistungsbereichen bis über 60 kW erfolgen. Voraussetzung ist neben konstruktiven Eigenschaften der Altanlage, dass durch den Schornsteinzug entsprechender Unterdruck erzeugt wird und die Kesseltemperatur bei etwa 70°C eine Mindestrücklauftemperatur von rund 50°C benötigt. Die Kesselreinigung muss per Hand durchgeführt werden um eine Effiziente Wärmeübertragung gewährleisten zu können. Hersteller geben diese während der Heizperiode mit bis zu zweimal monatlich an. Der Arbeitsaufwand wird mit wenigen Minuten veranschlagt. Der Brenner, ausgeführt als Tunnelbrenner, erreicht einen Wirkungsgrad von über 90% mit einer vollautomatischen Steuerung. Die Konstruktion verzichtet weitgehend auf mechanisch bewegliche Teile um den Wartungsauf-

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7 Energetische Verwertung von Pellets

wand so gering wie möglich zu halten. Der Kessel macht es möglich, den Brennstoff zu wechseln. Man heizt mit Pellets, Erdgas oder Heizöl je nach dem, was für ein Brenner im Kessel montiert ist. Im Bedarfsfall kann selbstverständlich ein Kessel ohne Brenner bezogen werden, wobei der Brenner entsprechend nachgerüstet werden kann. Spezielle Kessel sind als Einheit mit drei untereinander liegenden Kammern konstruiert. Die zwei oberen Kammern dienen zur Holzvergasung, so wie man dies bei den klassischen Vergasungskesseln kennt. Die dritte, unterste Kammer ist an der Vorderseite mit dem jeweiligen Brenner versehen und mit Keramik für optimale Verbrennungsqualität verkleidet. Beide Systeme sind durch einen Wassermantel voneinander getrennt, sodass sie sich gegenseitig wenig beeinflussen und dadurch der Kessel einen hohen Wirkungsgrad beim Heizen mit einzelnen Brennstoffen erreicht.

Abb. 7.18: Nachrüstbarer Pelletbrenner der Firma Pel-lets Innovative Heiztechnik GmbH /9/

Als eine Alternative zum reinen Pelletkessel bieten einige Hersteller Kombinationen an, die Scheitholz und Pellets verbrennen können. Die Kessel haben den Vorteil, dass ein vollwertiger Betrieb der Anlage mit beiden Brennstoffen möglich ist. Hierdurch lässt sich ein höheres Maß an Brennstoffflexibilität erreichen. Der Anwender kann zwischen manueller Scheitholzzuführung oder automatischer Pelletzuführung wählen. Die Pellets werden dabei automatisch zugeführt und mittels Sturzbrandtechnik verbrannt, wie zuvor beschrieben. Die in den unterschiedlichen Leistungsbereichen benötigte Verbrennungsluft wird meist durch ein drehzahlgeregeltes Saugzuggebläse angesaugt. Einige Hersteller bieten die Kessel sogar mit

7.2 Kleinfeuerungsanlagen

175

Lambdaregelung für eine optimierte Verbrennungsregelung an. Die Primärluft wird in das Glutbett geführt, während die Sekundärluft an den Flammenspitzen zugegeben wird. Damit kann ein weiterer Leistungsbereich abgedeckt werden, was Startvorgänge reduziert. Die Kessel erreichen je nach Hersteller Wirkungsgrade von knapp über 90% laut Herstellerangaben.

Abb. 7.19: Kombinationskessel Scheitholz/ Pellet mit Lambdasonde und drehzahlgeregeltem Gebläse von Solarfocus, Typ Therminator II /8/

Diese Kombination des Pelletkessels mit einem entsprechenden Pufferspeicher macht den Holzpelletkessel zu einem idealen Partner der Solarthermie. Viele Anbieter ermöglichen die Kombination von Sonnenenergie mit der Energie aus Holz. Intelligente Steuerungen sorgen für eine möglichst hohe Ausbeute der Sonnenenergie bei gleichzeitiger Optimierung des Kesselbetriebs. So zeigt nachstehende Abbildung die Einbindung eines Pelletkessels in einen Solarthermie Kreislauf. Bei der regelungstechnischen Einbindung in das Heizungssystem werden wechselnde Außentemperaturen ebenso berücksichtigt wie persönliche Wohngewohnheiten. Der Pelletkessel wird lediglich dann gestartet, wenn die benötigte Heizenergie von der Solaranlage nicht vollständig zur Verfügung gestellt werden kann. Ein unwirtschaftliche Brennerstart wird vermieden/reduziert. Entscheidend für die Funktionsweise und die effektive Ausnutzung der Sonnenenergie ist die Regelungstechnik, die für beide Systeme von einer Steuerung übernommen werden sollte. Pufferspeicher und Pelletkessel sind in o.a. Abbildung eine Einheit, wodurch Installationsaufwand reduziert wird. Die Anlage kann mit und ohne So-

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7 Energetische Verwertung von Pellets

larmodul betrieben werden. Wenn der solare Deckungsanteil gesteigert werden soll, müsste ein zusätzlicher Pufferspeicher eingesetzt werden, wie es in u.a. Abbildung bereits dargestellt ist.

Abb. 7.20: Heizkreis mit Pelletkessel, Solartechnik und zusätzlichem Pufferspeicher von Solarfocus /8/

Abb. 7.21: Pelletkessel von Solarfocus mit integriertem Pufferspeicher /8/

7.2 Kleinfeuerungsanlagen

177

Die Sonnenenergie kann je nach Systemgestaltung bis zu 30% des Brennstoffverbrauchs einsparen. Die Größe der Solaranlage hängt davon ab, wie viel investiert werden soll, wie groß die verfügbare Aufstellfläche ist und wie gut das Haus gedämmt ist. Der Flächenbedarf für die Kollektoren ist abhängig von der eingesetzten Technik. Vakuumkollektoren benötigen eine geringere Fläche als Flachkollektoren. Für die solare Unterstützung des Heizsystems werden im Falle von Flachkollektoren rund 4 m² Fläche pro Person benötigt. Für die Warmwasserbereitstellung wären es rund 1,5 m² pro Person. Beim Einsatz von Vakuumkollektoren reduzieren sich die Flächen auf etwa 3m² und 1 m². Zum Abschluss der Kleinfeuerungsanlagen wird auf die Staubemissionen eingegangen, zu denen Holzfeuerungen einen geringen Anteil beitragen. Diesbezüglich werden die Grenzwerte jedoch immer anspruchsvoller. Feinstaub besteht aus winzigen Partikeln mit einem Durchmesser von weniger als 10 Tausendstelmillimeter, was etwa einem Zehntel des Durchmessers eines menschlichen Haares entspricht. Die auch als PM10 bezeichneten Partikel werden zu einem großen Teil durch Verbrennungsvorgänge freigesetzt. Die Kessel selbst befinden sich auf einem sehr hohen Niveau bezüglich der Reduzierung von Staubemissionen. Die Staubpartikel gelangen jedoch in die Umgebungsluft, wenn sie nicht mit der Asche ausgetragen werden. Die Firma Rüegg Cheminée AG entwickelte einen Partikelfilter speziell für die Bedingungen eines Pelletkessels. Diese Entwicklung kommt somit der geforderten Novellierung der ersten Verordnung zur Durchführung des Bundes-Immissionsschutzgesetztes (kurz 1. BImSchV) und der geplanten Verschärfung der Emissionswerte für Feinstaub nach. Der sogenannte Zumik®onPartikelabscheider kann den Ausstoß von Feinstaub aus Holzfeuerungen deutlich reduzieren und trägt zur Luftreinhaltung bei. Er ist zur Nachrüstung geeignet. Die angewandte Technologie unterscheidet sich wesentlich von der mechanischen Filtration. An eine dünne Elektrode in der Mitte des Abgasrohres wird eine hohe Spannung von bis zu 20.000 Volt angelegt. Somit entstehen im Abgasstrom geladene Teilchen, sogenannte Ladungsträger und Gasionen. Die Gasionen lagern sich an die Feinstaubpartikel an und führen somit zu deren Aufladung. Die auf diese Weise geladenen Partikel werden aufgrund der elektrostatischen Kräfte an die Innenwand des Abgasrohres gedrängt und dort abgelagert. Die Ladung der Partikel wird während des Ablagerungsprozesses neutralisiert. Dennoch bleiben die Partikel aufgrund ihrer mechanischen Verzahnung am Abgasrohr kleben. Die sich so aufbauende Staubschicht kann nach herkömmlicher Reinigungstechnik gefahr- und problemlos durch den Schornsteinfeger gereinigt werden. Über eine minimale Luftzufuhr (max. 5m3/h) wird das System gekühlt und sauber gehalten, was zu einer erhöhten Funktionssicherheit und längerer Lebensdauer führt. Die Einheit besteht im Wesentlichen aus drei Komponenten: 1. Der Filtereinsatz mit Elektrode und Thermofühler wird als kompakte Einheit an die Abgasleitung montiert, wobei die Elektrode über eine definierte Öffnung in das Zentrum des Abgasrohres eingeführt wird.

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7 Energetische Verwertung von Pellets

2. Die Zuleitung ist für die Kabel und bei gewissen Anwendungen für die Spülluftführung verantwortlich. 3. Die Regeleinheit versorgt die Elektrode mit der für das System optimalen Hochspannung und schaltet die Anlage bei entsprechender Abgastemperatur ein oder aus. Der Partikelabscheider eignet sich für automatische Holzfeuerungsanlagen (Pellets, Stückholz oder Hackschnitzel) mit einer Leistung kleiner als 70kW und mit Abgasrohrdurchmessern von 150 mm bis 400 mm. Anlagen, die mit einem Partikelabscheider ausgerüstet wurden, erreichten laut Hersteller in der Praxis Abscheidewirkungen von 60-90%.

Abb. 7.22: eingebauter Partikelabscheider im Abgasrohr der Firma Rüegg Cheminée AG /10/

Obwohl der Partikelabscheider als sekundäre Maßnahme nachgerüstet werden kann, müssen folgende Voraussetzungen beim Einbau berücksichtigt werden: – – – –

Das Abgasrohr nach dem Filtereinsatz muss keramisch oder aus Metall sein. Das Adapterrohr um die Elektrode muss zwingend aus Metall sein. Die Abscheidelänge nach dem Filter muss mindestens 2 m betragen. Durchmesser des Abgasrohres 150 mm bis 400 mm

7.3 Mittlere Feuerungsanlagen

– – – – –

179

Zugänglichkeit zum Filtereinsatz muss im eingebauten Zustand gewährleistet sein Spülluftversorgung muss immer gewährleistet sein (~5m3/h) Abgastemperaturen kleiner 400°C Feuerungsleistung für Stückholz kleiner als 35 kW; für Pellet- und Hackschnitzelanlagen bis max. 70 kW Netzanschluss 230 V

Der Partikelabscheider eignet sich sowohl für handbeschickte Stückholzfeuerungen als auch für automatisch befeuerte Pellet- und Schnitzelfeuerungen. Neben der hier beschriebenen Technik bieten weitere Hersteller, unter anderem Kesselhersteller, alternative Möglichkeiten zur Staubreduzierung an.

Abb. 7.23: Installationsschema Partikelfilter der Firma Rüegg Cheminée AG /9//10/

7.3 Mittlere Feuerungsanlagen In diesem Kapitel soll speziell anhand verschiedener Beispiele auf Pelletfeuerungsanlagen im Leistungsbereich zwischen 0,2 und 5 MW eingegangen werden. Dieser Leistungsbereich findet Anwendung in der Beheizung größerer Objekte wie z.B. Hallen im gewerblichen oder industriellen Bereich. Des Weiteren können diese Anlagen innerhalb der Versorgung von industriellen Fertigungsanlagen mit Prozesswärme Anwendung finden. Im Gegensatz zur reinen Hallenbeheizung bietet die Prozesswärmeversorgung einen höheren Jahresnutzungsgrad.

180

7 Energetische Verwertung von Pellets

Eine Kombination von Heizung und Prozesswärmeversorgung ist ebenfalls möglich. Die Pelletfeuerung stellt somit auch hier eine konkurrenzfähige Alternative zu bisher verwendeten Heizöl- bzw. Erdgasfeuerungen dar. Die meisten der beschriebenen Systeme können nicht nur Pellets, sondern auch trockene Holzhackschnitzel verbrennen. Bewährte Feuerungssysteme sind u.a.: – – – – – – –

Rotationsfeuerung Düsenrostfeuerung Unterschubfeuerung Vorschubrostfeuerung Zyklonfeuerung Vorschubrost mit Feuermulde Weitere Systeme und Kombinationen daraus

Im Folgenden werden die Systeme Rotationsfeuerung, Düsenrostfeuerung und Unterschubfeuerungen detaillierter beschrieben. Die Vorschubrostfeuerung ist die bekannteste und wird nicht ausschließlich für Pellets eingesetzt. Ihr Anwendungsgebiet reicht von der mittleren Feuerungsanlage für Pellets und Hackschnitzel über Abfallholz bis hin zur Müllverbrennungsanlage in schwerer Ausführung. Eine Einschubschnecke führt bei der Rotationsfeuerung den Holzbrennstoff kontinuierlich auf einen bewegten Rost, auf dem die Vergasung des Brennstoffs unter Lambda geregelter Primärluftzufuhr stattfindet. Die kontinuierliche Vergasung erfolgt unter Luftmangel. Aufsteigende Brenngase werden mittels Rotationsgebläse mit zerstäubter und einem Drehimpuls versetzter Sekundärluft vermischt. Dadurch wird die perfekte Durchmischung mit den Brenngasen gewährleistet. Das System wird im Leistungsbereich von etwa 100 kW bis 600 kW für trockenen Brennstoff eingesetzt.

Abb. 7.24: Pelletfeuerung nach dem Prinzip der Rotationsfeuerung, Typ Pyrot von KÖB/Viessmann /11/

7.3 Mittlere Feuerungsanlagen

181

Der Düsenrost, wie er durch die Firma Weiss Kessel zum Einsatz kommt und hervorragend für Pellets geeignet ist, wird durch eine längs durch den Feuerraum laufende wassergekühlte Schnecke mit aufgesteckten Gussringelementen gebildet (s. Abb. 7.25). Durch die langsame Drehbewegung des Düsenrostes erfolgt bei gleichzeitiger Eindüsung von Primärluft eine Schürung des eingebrachten Brennstoffes sowie ein kontinuierlicher Aschenaustrag. Daraus resultiert eine vergleichsweise ruhige Verbrennung. Da die Primärluft hier nicht gleichzeitig als Kühlluft für den Düsenrost dient, bieten sich weitgehende Einstellmöglichkeiten des Brennstoffgemisches an. Die optimale Durchmischung des BrennstoffLuftgemisches gewährleistet die zuverlässige Einhaltung und Unterschreitung der geltenden Emissionsgrenzwerte. Das System besteht aus folgenden Komponenten: – – – – – – – – –

Brennkammer Einschubschnecke Düsenrost abgestufte Luftzufuhr auf den zeitlichen und örtlichen Verbrennungsablauf abgestimmte Zonentrennung der Verbrennungsluft den Erfordernissen ausgebildeter, großer Feuer- und Ausbrandraum mit langer Verweildauer der Verbrennungsprodukte in einem Bereich optimaler Temperatur Schauöffnung Wartungs- / Reinigungstür kontinuierliche Entaschung mittels Ascheschnecke

In der Bauform mit Feuerung im Flammrohr ist der Kessel mit einer Leistung zwischen 840 kW und 2.000 kW erhältlich. Mit untergebauter Feuerung und zwei Düsenrosten kann die Leistung auf 3.150 kW erhöht werden. Die Leistungsregelung erfolgt stufenlos zwischen 40% und 100% Last. Der Feuerraumunterdruck wird wie üblich durch einen Frequenzumformer gesteuerten Saugzug gewährleistet. Das Brennstoff-Luft-Verhältnis wird über die O2Regelung und die Feuerraumtemperatur korrigiert. An die Feuerung angeschlossen befindet sich der Kessel. Der Turbocratkessel ist von seine Bauart her ein Dreizugkessel in liegender Ausführung mit Flammkanal, Wendekammer, Außenmantel mit Böden und eingeschweißten Rauchrohren. Eine hohe Rauchgasgeschwindigkeit wirkt einer Flugaschenablagerung in den Rauchrohren entgegen. Durch die automatische Druckluft–Impuls–Reinigungseinrichtung für die Rauchrohre während des Betriebs werden die manuellen Reinigungsintervalle der Kesselzüge und somit Stillstände reduziert. Die Feuerung wurde ursprünglich für Brennstoffe mit niedriger Ascheerweichungstemperatur und hohem Heizwert entwickelt. Zunächst wurde der Kessel in der Möbelindustrie zur Verbrennung von Spanplattenresten sowie einer Mischung aus Schleifstaub und Spänen eingesetzt. Heute eignet sich der Kessel zur Verbrennung von Holzpellets nach DIN 51 731. Seine Flexibilität lässt aber auch Beimischungen von Hackschnitzeln und Gärres-

182

7 Energetische Verwertung von Pellets

ten zu. Auch ist der Einsatz von Braunkohle- oder Torfsticks möglich. Bei Brennstoffen die nicht der 1.BImSchV entsprechen sind Einzelfallprüfungen und abgasseitige Anpassungsarbeiten erforderlich. Die Anlage wird von der Firma Mann Naturenergie in Containerbauweise realisiert (s. Abb. 7.26). In einem oberen Container werden die Pellets gelagert, die mittels Förderschnecke in die Brennstoffzuführung der im unteren Container befindlichen Feuerungs-Kesseleinheit gelangen. Im Container des u.a. Beispiels ist eine Weiss-Feuerung mit einer Leistung von 880 kW installiert. Eine Anlage ist am Hohenloher Krankenhaus in Öhringen im Betrieb. Befüllt kommt die Anlage auf ein Gesamtgewicht von rund 80 Tonnen.

Abb. 7.25: Düsenrostkessel der Firma Weiss Kessel /12/

Abb. 7.26: 880 kW Pelletkessel von Weiss im Container, Lieferant: Mann Naturenergie GmbH & Co. KG, Langenbach /13/

7.3 Mittlere Feuerungsanlagen

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Als weiteres Beispiel wird auf eine Kesselanlage mit Unterschubfeuerung eingegangen. Der Brennstoff wird der Anlage (siehe nachstehende Abbildung) über eine Schnecke zugeführt. Unter Zuführung der Primärluft startet die Verbrennung in der hierfür vorgesehenen Brennpfanne. Der weitere Verbrennungsverlauf erfolgt in der Brennkammer, in welcher auch für die Nachverbrennung notwendige Sekundärluft mit zugeführt wird. Ein aktiver Ausbrandrost sorgt vor der automatischen Ascheaustragung für einen guten Ausbrand. Die ausgetragenen Rostaschen werden im hierzu vorgesehenen Behältnis gesammelt und können zu einem späteren Zeitpunkt entsorgt werden. Ein ausgemauertes Strahlungsgewölbe trennt die Brennkammer vom nachgeschalteten Warmwasser- oder Dampferzeuger. Die Übertragung der im Rauchgas enthaltenen Wärme auf das Betriebsmedium Wasser oder Dampf erfolgt mittels eines 3-Zug-Wärmetauschers. Auf den Wärmetauscher und die Brennkammer kann über die gemeinsame Fronttür zugegriffen werden. Der Austritt der Rauchgase und die Aufrechterhaltung des notwendigen Unterdruckes innerhalb der Anlage wird über den installierten Abgasventilator gewährleistet.

Abb. 7.27: Unterschubrostfeuerung für Pellets ab einer Leistung von 180kW bis 900 kW der Firma SCHMID Holzfeuerungen, Typ UTSP /14/

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7 Energetische Verwertung von Pellets

Beim Vorschubrost wird das Brennmaterial von der hinteren Seite der Feuerung oder dem Kopfende aufgegeben. Die Roststäbe sind so konstruiert, dass diese sich gegenseitig überlappen und dadurch der Rostdurchfall minimiert wird. Im Weiteren ist der Rost so ausgelegt, dass eine saubere, gleichmäßige Verteilung der in verschiedenen Zonen zugeführten Primärluft möglich ist und dadurch eine ruhige, ungestörte Vergasungszone entsteht. Der Rost ist bei größeren Anlagen in verschiedene, meist drei Zonen eingeteilt (Rostwagen). Der Antrieb der Rostwagen erfolgt meist hydraulisch, wobei die Bewegungsintervalle automatisch der Leistung angepasst werden. Alternativ kann ein elektrischer Antrieb eingesetzt werden. Bezüglich der Ausmauerung des Feuerraums gilt das Gleiche wie zuvor. Die in der Brennkammer und dem Ausbrandzug zugeführte Sekundärluft ermöglicht eine gestufte Verbrennung für einen optimalen Ausbrand und eine Reduktion des NOx-Wertes in den Abgasen. Die Asche wird durch den Vorschubrost langsam zum Ende des Rostes transportiert und dort der automatischen Entaschung zugeführt. Unter dem Rost wird je nach Lieferant und Anwendungsfall eine Unterrostentaschung eingesetzt. Damit werden die Teile, welche durch den Rost fallen, einer Aschenschnecke zugeführt und zusammen mit der übrigen Asche direkt in einen Aschecontainer gefördert. Die Rostfeuerung stellt bezüglich der Brennstoffwahl die flexibelste Alternative in diesem Leistungsbereich dar und wird im höheren Leistungsbereich eingesetzt. U.a. Abbildung stellt einen Pelletkessel auf Basis des Vorschubrostes der Firma Kohlbach dar. Die Anlage ist im Leistungsbereich zwischen 1.000 kW und 6.000 kW einsetzbar. Alternativ zu Pellets können Hackschnitzel der Qualität G50 mit einem maximalen Wassergehalt von 20% eingesetzt werden. Die Rostbelastung beträgt aufgrund des hohen Heizwertes der Pellets 912 kW/m² und die Feuerraumbelastung 341 kW/m². Mit diesen Werten ergibt sich ein entsprechend kurzer Vorschubrost. In diesem Falle wird der Rost nicht hydraulisch, sondern elektrisch angetrieben.

Abb. 7.28: Pelletkessel auf Basis einer 1.000 kW Vorschubrostfeuerung mit nebenstehendem Pelletsilo der Firma Kohlbach, Österreich /16/

7.4 Großfeuerungsanlagen

185

Abb. 7.29: Pelletkessel auf Basis einer 1.000 kW Vorschubrostfeuerung mit nebenstehendem Pelletsilo der Firma Kohlbach, Österreich /16/

7.4 Großfeuerungsanlagen In der Reihe der Großfeuerungsanlagen kommen hauptsächlich die Technologien Rostfeuerung, Wirbelschichtfeuerung und Staubfeuerung für feste Brennstoffe zum Einsatz. Rostfeuerungen werden meist in kleineren Leistungsklassen als Wirbelschichtfeuerungen eingesetzt. Die einzuhaltenden Emissionsgrenzwerte beschränken sich bei Einsatz von Pellets und naturbelassenem Holz auf Stickoxyde (NOx), Kohlenmonoxid (CO) und Staub. Der Bildung von CO und NOx wird bei der Entstehung durch sogenannte Primärmaßnahmen entgegengewirkt. Diese Maßnahmen können die Rauchgasrezirkulation und damit Verringerung der Verbrennungstemperatur, die Stufung des Verbrennungsvorgangs (bei Staubfeuerungen) oder gar die Zugabe von Additiven sein. Additive kommen generell bei Brennstoffen zum Einsatz, die Chlor, Schwefel oder Schwermetalle enthalten. Bei naturbelassenem Holz kann hierauf in der Regel verzichtet werden. Die gesetzlichen Vorschriften können mit diesen Primärmaßnahmen für die gasförmigen Emissionen eingehalten werden. Für die Einhaltung der Staubemissionen werden Multizyklone und zusätzlich Gewebe- oder Elektrofilter eingesetzt.

Rostfeuerungen Auf die Rostfeuerung wurde im vorhergehenden Kapitel kurz eingegangen. Der Brennstoff wird durch Schnecken, Klappen, Schieber oder ähnlichem auf den Rost gebracht. Dort verbrennt er auf dem Rücken der Roststäbe. Roste können in ver-

186

7 Energetische Verwertung von Pellets

schiedenen Ausführungen realisiert werden. U.a. gibt es den Planrost mit waagerechter Anordnung, das Schrägrost, das Stufenrost, das Wanderrost, den Schüttelrost, Walzenrost (z.B. Müllverbrennung) etc. Roste für heizwertreiche Brennstoffe sind wassergekühlt ausgeführt um den Verschleiß der Rostbeläge zu minimieren, während Roste für niederkalorische Brennstoffe luftgekühlt werden. Die Roststäbe müssen derart dicht nebeneinander liegen, dass der Brennstoff zwar nicht durchfallen, die Asche jedoch nach unten fallen kann. Weiterhin wird die primäre Verbrennungsluft von unten durch die Roststäbe zur Verfügung gestellt. Je enger die Stäbe aneinander liegen, desto größer der Widerstand für die Verbrennungsluft. Für die Lebensdauer der Roststäbe ist die Kühlung durch die Verbrennungsluft entlang der beiden Stabwangen und am Stabfuss entscheidend. Bei heizwertreichen Brennstoffen wie Holzpellets muss die Oberfläche der Stäbe, die durch Luft gekühlt wird, konstruktiv möglichst groß gestaltet sein. Beim Rost muss der für die Verbrennungsluft notwendige Querschnitt (freie Rostfläche), die Kühlung der Roststäbe, die Schichthöhe und Körnung des Brennstoffs sowie der erforderliche Unterdruck im Feuerraum harmonisch abgestimmt sein. Die Aufgabe des Brennstoffs auf den Rost muss derart ausgeführt sein, dass eine gleichmäßige Verteilung auf dem Rost gewährleistet ist. Andernfalls wird die Luftverteilung durch die unterschiedlichen Gegendrücke beeinflusst, was sich im Feuerbild und damit im Wirkungsgrad und dem Verschleiß wiederspiegelt. Der Wanderrost wird häufig in Kombination mit einer Wurfbeschickung eingesetzt. Die Roststäbe können in Laufrichtung oder quer zur Laufrichtung des Rostes (Klapp- oder Schuppenrost) angeordnet sein. Die Roststäbe sind in einem Verbund angeordnet und werden durch Ketten an den Seiten angetrieben, ähnlich eines breiten Kratzkettenförderers. Im Obertrum wird der Brennstoff aufgegeben und die Verbrennung findet statt. Im Untertrum klappen die Roststäbe beim Klapprost senkrecht nach unten, was die Abreinigung und Kühlung begünstigt. Schwierigkeiten, die bei Pellets nicht zu erwarten sind, bestehen bei Brennstoffen, die am Rost anbacken und das Klappen im Untertrum verhindern.

Abb. 7.30: Hinteres Ende eines Schuppenwanderrostes (Klapprost) /15/

7.4 Großfeuerungsanlagen

187

Der Stufenrost gemäß folgender Abbildung kommt häufig zum Einsatz. Jede zweite Rostreihe wird durch hydraulische Antriebe in Vor- und Rückbewegung versetzt, wodurch der Brennstoff abwärts transportiert und das Feuer geschürt wird. Der Brennstoff durchläuft auf dem Rost drei Verfahrensschritte. Nach dem Einbringen des Brennstoffs wird er zunächst getrocknet. Dies geschieht durch vorgewärmte Luft und hauptsächlich durch die Verbrennungsgase, die kontrolliert über die frisch eingebrachte Brennstofffraktion geführt werden. Anschließend werden die gasförmigen Bestandteile ausgetrieben und gezündet. Die Verbrennung findet statt. In der letzten Zone findet der Ausbrand statt bis die Asche am Ende des Rostes in die Ascheentsorgung fällt.

Abb. 7.31: Stufenrost

Beim Schüttelrost wird die tragende Unterkonstruktion durch Dampfrohre des Wasser-Dampf-Kreislaufs gebildet. Die Roststäbe werden längs der Rohre eingehängt und bilden die Verbrennungsfläche. Ein Elektromotor, der über eine Exzenterwelle mit dem Stützpendel des Rostes verbunden ist, versetzt den Rost in eine Schüttelbewegung von wenigen Millimetern. Diese Technik wird häufig bei Strohfeuerungen eingesetzt.

188

7 Energetische Verwertung von Pellets

Bei Einblasfeuerungen wirkt Luft als Fördermittel. Pellets müssen vor dem Einblasen zermahlen werden. Häufig werden die Pellets derart zermahlen, dass die gleiche Korngröße entsteht, die die Späne vor dem Pelletieren hatten. Diese Korngröße ist für die Brenner meist ein entscheidender Parameter und muss bereits im Produktionsprozess der Pellets beachtet werden. Häufig wird dieser Kennwert vertraglich festgelegt. Die Hammermühle vor den Pelletpressen beeinflusst mit ihrem Siebeinsatz die Korngröße der Späne vor den Pressen. Für die Pelletproduktion ist daher von Bedeutung, dass dieses Sieb eine Lochung aufweist, die die Späne vor der Pelletierung derart zerkleinert, dass die verlangte Brennstoffspezifikation des Kunden erfüllt wird. Die Holzteilchen verbrennen nach dem Einblasen in der Schwebe. Größere Teilchen gelangen auf den Rost und brennen aus. Je nach Einblasung und Korngrößenverteilung im Brennstoff kann es zu ungleichmäßiger Rostbelegung kommen, wodurch Falschluft eingetragen werden kann. Vorteilhaft demgegenüber ist die einfache Möglichkeit der Brennstoffmengenregelung.

Abb. 7.32: Roststäbe eines Stufenrostes, Seitenansicht /15/

Wirbelschichtfeuerung Neben der Verbrennung sind Trocknung und Kühlung von Feststoffen weitere Einsatzgebiete von Wirbelschichten. Wirbelschichtfeuerungen decken den Leistungsbereich von Rostfeuerungen und den darüber hinaus ab. Während eine Rostfeuerung für ein begrenztes Brennstoffspektrum ausgelegt wird, weist die Wirbelschicht eine höhere Flexibilität auf. Unterschiedliche Brennstoffe mit hohem

7.4 Großfeuerungsanlagen

189

Ballastanteil können gleichzeitig verbrannt werden. Geringere NOx-Emissionen aufgrund geringerer Feuerraumtemperaturen und ein geringeres spezifisches Kesselvolumen je MW Feuerungswärmeleistung sind weitere Vorteile der Wirbelschicht. Grundsätzlich unterscheidet man zwischen der stationären (SWSF) und der zirkulierenden Wirbelschicht (ZWSF). Letztere hat die Vorteile der günstigeren Wärmeübergangszahlen, homogenere Brennstoffverteilung, effektivere Brennstoffumsetzung und schnellere Laständerungsgeschwindigkeiten. Allerdings ist der Investitionsbedarf höher und damit der Aufwand für Großanlagen gerechtfertigt. In der Wirbelschichtfeuerung wird ein Inertmaterial, meist Asche und/oder Sand) als Trägermaterial auf einem Düsenboden aus metallischen oder keramischen Materialien aufgegeben. Die Schichthöhe wird durch den zulässigen Gegendruck vorgegeben. Die durch den Düsenboden gepresste Verbrennungsluft wirbelt das Bett auf und hält es im Schwebezustand. Bei der ZWSF wird das Bettmaterial mit der Düsenluft mitgerissen. Es dehnt sich über die gesamte Reaktorhöhe aus und wird aus diesem ausgetragen. Dies wird durch höhere Anströmungsgeschwindigkeiten als bei der stationären Wirbelschicht erreicht. Im Anschluss an den ersten Zug wird das Bettmaterial im Zyklon vom Rauchgas getrennt und wieder dem Wirbelbett zugeführt. Sowohl die hohen Anströmungsgeschwindigkeiten als auch die höheren Verweilzeiten des Brennstoffes innerhalb der Brennkammer führen zu einem höherem Stoffdurchsatz und einem erhöhtem Ausbrand. Es ist zu beachten, dass die zirkulierende Wirbelschicht höhere Ansprüche an einzuhaltende Korngrößen stellt als die stationäre Wirbelschicht. Der Aufbereitungsaufwand steigt entsprechend an.

Abb. 7.33: Düsenboden einer Wirbelschichtfeuerung /15/

190

7 Energetische Verwertung von Pellets

Ein bereist angesprochener Nachteil der Wirbelschichtfeuerung ist, dass höhere Ansprüche an die Korngröße des Brennstoffs gestellt werden. Es können lediglich kleine Partikel eingesetzt werden. Übergrößen, Steine und weitere Fremdkörper sammeln sich auf dem Düsenboden an. Das kann eine ungleichmäßige Luftverteilung und somit ungleiche Betttemperaturen bewirken was zur Folge haben kann, dass die Anlage abgefahren und entleert werden muss. Daher müssen auf dem Weg des Brennstoffs vom Brennstoffbunker zum Kesseleintritt entsprechende Sicherheitsmaßnahmen für die Abscheidung von Überlängen und Störstoffen integriert werden.

Abb. 7.34: Zirkulierende Wirbelschichtfeuerung von Metso Power /15/

7.4 Großfeuerungsanlagen

191

Wurfbeschickung Eine weitere Feuerungstechnologie stellt die sog. Wurfbeschickung dar. Sie benötigt ähnlich der zirkulierenden Wirbelschicht eine höhere Anforderung an die Aufbereitung der Brennstoffe als z.B. die Rostfeuerung. Aus der Aufbereitung werden die Brennstoffe in mehrere Vorlageschächte transportiert. Von hier aus wird der Brennstoff über mehrere Schnecken und Zellradschleusen den Schleuderrädern zugeführt. Im Gegensatz zur Rostfeuerung bzw. Wirbelschicht ist es bei der Wurfbeschickung möglich, unterschiedliche Brennstofffraktionen separat in den Brennraum einzubringen. Die Einbringung erfolgt über die Schleuderräder, welche den Brennstoff in den Brennraum einwerfen. Die Anzahl der Schleuderräder ist primär abhängig von der Anlagengröße. Das Glutbett ist durch diese Art der Einbringung relativ flach und kann somit schnell auf Lastwechsel reagieren. Die Trocknung des Brennstoffs erfolgt bei kleineren Partikeln bereits in der Flugphase, so dass es zu einer schnelleren Entgasung und Entzündung des Brennstoffs auf dem Rost kommt. Die Rostbelastung kann hierdurch auf bis zu 50% gesteigert werden im Vergleich zur Rostfeuerung. Die Verbrennung breitet sich über die gesamte Rostfläche aus. Wichtige Kriterien zur Feuerführung sind neben den eingestellten Wurfbahnen der Schleuderräder die Einbringung von Primärluft unter den Rost, sowie entsprechende Sekundärluftmengen zur Nachverbrennung und rezirkulierende Rauchgasmengen. Die Brennkammertemperaturen liegen ähnlich der Wirbelschicht unter 1000°C. Eine Schlackenbildung wird nahezu vermieden. Der Rost sorgt für eine kontrollierte Bewegung des Brennstoffes und schürt die Verbrennung. Weiterhin wird die Asche durch den Rost ausgetragen. Die Bewegung des Brennstoffes erfolgt entgegen der Einbringungsrichtung.

Abb. 7.35: Wurfbeschickung mit Wanderrost /15/

192

7 Energetische Verwertung von Pellets

7.5 Zufeuerung von Pellets Nicht alle zuvor beschriebene Anlagen sehen den ausschließlichen Einsatz von Pellets vor. Während Kleinfeuerungsanlagen im hohen Maße auf einen reinen Pelleteinsatz abgestimmt sind, nimmt diese Spezialisierung auf eine einzelne Brennstoffsorte mit wachsender Anlagengröße ab. Bereits bei den mittleren Feuerungsanlagen sind viele Anlagen erhältlich, die eine Zufeuerung von Pellets zu Holzhackschnitzeln oder alternativ beides vorsehen. Die Zufeuerung von Pellets oder allgemein Biomasse zu bereits bestehenden Braunkohle- oder SteinkohleHeizkraftwerken (Großfeuerungen) ist eine Option zur Reduzierung der CO2Emissionen. Probleme der Logistik, Bevorratung und der Brennstoffaufbereitung wurden von den Kraftwerken, die Pellets bereits einsetzen, nach anfänglichen Hindernissen entschärft. Folgende Schwierigkeiten traten u.a. auf: – – – –

Verschlackung Korrosionserscheinungen am Überhitzer Beschleunigung der Deaktivierung von Katalysatoren Verwertung der Aschen in der Zement- und Betonindustrie

Die o.a. Schwierigkeiten stellten sich bei einer Zufeuerung von 5 bis 10% Pellets als vernachlässigbar heraus. Die größten Mengen an Pellets werden heute und voraussichtlich auch in Zukunft in Großanlagen zugefeuert. Die Motivation ergibt sich aus der Einsparung von CO2 bei der Verbrennung von Holzpellets im Vergleich zu z.B. Kohle. Holz gilt im Sinne des nationalen Emissionshandels als CO2 neutral. Obliegt der Betreiber mit seiner Anlage dem Emissionshandel, spart er sich somit Mengen an abzugebenden CO2-Zertifikaten ein. Der Einsatz von Pellets muss somit wirtschaftlich nicht nur gegenüber den Kosten weiterer Brennstoffe wie Kohle gerechnet werden, sondern auch je nach Anwendungsfall über die Einsparung von CO2. Aus technischer Sicht spricht bei den Großanlagen innerhalb der Industrie und Energieversorgung nichts gegen eine Zufeuerung von Pellets. Aus Sicht des Emissionshandels ist dies sogar zu begrüßen, da Anlagen zur Erzeugung von Wärme und Strom ab einer Feuerungswärmeleistung von 20 MW zur Teilnahme am Emissionshandel verpflichtet sind, und somit die Abgabeverpflichtung an CO2Zertifikaten über den Einsatz biogener Brennstoffe vermindert werden könnte. Ob der nationale Emissionshandel künftig weiter dazu beitragen wird, den Anteil an Zufeuerung von Pellets bei Großanlagen zu erhöhen, bleibt abzuwarten. Große Mengen an Pellets werden in Kohlestaubfeuerungen zugefeuert. Diese Technik ist bei Anlagen größer 100 t/h bis zu über 2.000 t/h Dampf zu finden. Es existieren Einzelanlagen (teilweise als Pilotprojekt) mit kleineren Leistungen bis zu wenigen t/h Dampf. Damit schließt die Kohlestaubfeuerung an die maximale Leistungskapazität der Rostfeuerung an. Neben der Möglichkeit zur Realisierung größerer Dampferzeuger sind das gute Regelverhalten und die Möglichkeit rostungeeignete Kohlen zu verwerten die Hintergründe der Entwicklung dieser Feuerungstechnik.

7.5 Zufeuerung von Pellets

193

Der Brennstoff wird in Kohlemühlen zu Staub zermahlen, in rohrförmige Brenner eingeblasen und überwiegend oder ausschließlich in der Schwebe verbrannt. Für das Ausbrennen, Abkühlen und Austragen der Asche ist teilweise zusätzlich ein Wander oder Vorschubrost integriert. Der Feuerraum ist so gestaltet, dass die Verbrennungstemperatur entweder unter oder über der Ascheschmelztemperatur liegt. Bei letzterer wird die Schlacke flüssig ausgetragen (Schmelzfeuerung). Aufgrund der hohen Temperaturen entstehen hierbei mehr Stickoxide, es fallen höhere Wartungskosten durch Verschleiß an und die Konstruktion ist aufwendiger. Der Kohlenstaub wird durch Gebläse mit heißer Luft oder rückgeführtem Rauchgas zu den Brennern gefördert. Rauchgas wird eingesetzt, wenn die heiße Luft für die Vortrocknung des Brennstoffs nicht ausreichend ist oder Luft durch den hohen Sauerstoffanteil zur Selbstzündung des Brennstoffs führen kann. Die Mühlen werden in Walzen-, Prall-, Schwerkraft- und Schlägermühlen unterteilt. Die Pellets werden vor dem Einblasen, wie die Kohle, zermahlen. Die Spezifikation des Kraftwerksbetreibers muss daher eingehalten werden. Diese orientiert sich an der Korngröße der Pellets nach der Zermahlung. Die Korngröße entspricht dann etwa der Korngröße nach der Hammermühle, die im Produktionsprozess vor den Pressen angeordnet sind. Daher ist gegebenenfalls das Sieb der Hammermühle an die gewünschte Korngröße anzupassen. Derzeit findet die Zufeuerung aufgrund der oben beschriebenen CO2Mechanismen hauptsächlich in Belgien, Niederlande und Großbritannien statt.

194

7 Energetische Verwertung von Pellets

Literaturverzeichnis /1/ /2/ /3/ /4/ /5/ /6/ /7/ /8/ /9/ /10/ /11/ /12/ /13/ /14/ /15/ /16/

Deutscher Energie-Pellet Verband e.V. DEPV, Informationsblatt 01-2005-A, Stand 2008/2009 Lindner & Sommerauer Heizungsanlagenbau, Werk Trimmelkam 113, A5120 St. Pantaleon, www. sl-heizung.at/index.php?status=pelletseinbau Viessmann Werke GmbH & Co. KG, Viessmannstraße 1, D-35108 Allendorf, www.viessmann.com Meinicke J et al (2007) Pellet- und Holzfeuerungen, Berlin KWB Deutschland - Kraft und Wärme aus Biomasse GmbH, Königsbergerstr. 46, D-86690 Mertingen, www kwbheizung.de Nessensohn GmbH, Steigäcker 6, D-88454 Hochdorf, www.nessensohn.com ÖkoFEN Heiztechnik GmbH, Schelmenlohe 2, D-86866 Mickhausen, www.oekofen.de Solarfocus GmbH, Werkstr. 1, A-4451 St. Ulrich, www.solarfocus.at Pel-lets Innovative Heiztechnik GmbH, Theodor-Neutig-Str. 37, D-28757 Bremen, www.pel-lets.com Rüegg Cheminée AG, Schwäntenmos 4, CH-8126 Zumikon, www.rueggcheminee.com Köb Holzheizsysteme GmbH,,Flotzbachstraße 33, A-6922 Wolfurt, www.viessmann.com Weiss Kessel-, Anlagen- und Maschinenbau GmbH, Kupfewerkstraße 6, D35684 Dillenburg-Frohnhausen, www.weiss-kessel.de Mann Naturenergie GmbH & Co. KG, Schulweg 8-14, D-57520 Langenbach b. Kirburg, www.mann-energie.de Schmid AG, Hörnlistrasse 12, CH-8360 Eschlikon, www.holzfeuerung.ch Franz M Feuerungstechnik, Axo Holz + Energie AG, www.axpoholz.ch/files/artikel/213/Feuerung.pdf KCO Cogeneration und Bioenergie GmbH, ein Unternehmen der KOHLBACH-Gruppe, Grazer Straße 23, A-9400 Wolfsberg, www.kohlbach.at

8 Brand- und Explosionsschutz ........................................................................ 196 8.1 Anforderungen des Regelwerkes ............................................................. 196 8.2 Erarbeitung des Schutzkonzeptes ............................................................ 197 8.3 Auftreten explosionsfähiger Atmosphären – Zoneneinteilung ................ 201 8.3.1 Zoneneinteilung für Aufstellungsbereiche ....................................... 202 8.3.2 Zoneneinteilung der produktberührten Anlagenbereiche ................. 203 8.4 Vermeidung von Zündquellen ................................................................. 205 8.5 Technische Maßnahmen zur Vermeidung wirksamer Zündquellen ........ 206 8.6 Beherrschen von Explosionen ................................................................. 211 8.6.1 Dimensionierung der Entlastungsfläche ........................................... 213 8.6.2 Explosionsunterdrückung ................................................................. 214 8.6.3 Auswahl der Entkoppelungseinrichtungen ....................................... 215 8.7 Organisatorische Maßnahmen ................................................................. 217 8.8 Brandschutzmaßnahmen .......................................................................... 221 Literaturverzeichnis ....................................................................................... 224

196

8 Brand- und Explosionsschutz

8 Brand- und Explosionsschutz

Holzpellets sind alternative Energieträger, die in gleichbleibender Qualität herzustellen und leicht zu transportieren sind. Sie können sowohl im privaten als auch im industriellen Bereich durch Verbrennung in andere Energieformen umgewandelt werden. Die Pellets werden aus Spänen mit nicht zu vernachlässigendem Feinanteil und organischen Bindemitteln hergestellt. Unter geeigneten Umständen kann die in den Pellets enthaltene Energie auch schon während des Produktionsprozesses frei gesetzt werden, was sich in unerwünschten Brand- und Explosionsereignissen äußert. Eine Internet-Recherche mit den Stichworten „Explosion“ „Holzpellets“ liefert ausreichend Beispiele für solche Ereignisse. Neben Menschenleben sind dadurch auch Sachwerte und die Umwelt gefährdet, so dass bei der Herstellung von Holzpellets Maßnahmen zum Brand- und Explosionsschutz vorzusehen sind.

8.1 Anforderungen des Regelwerkes In der letzten Dekade des ausklingenden 20. Jahrhunderts ist der Explosionsschutz in Europa und damit in den Mitgliedsstaaten mit zwei grundlegenden Richtlinien neu geregelt worden. Die Richtlinie 94/9/EG /16/ (in Deutschland in der Explosionsschutzverordnung /11/ umgesetzt) richtet sich vornehmlich an Hersteller von Geräten und Schutzsystemen. Ziel ist das in Verkehr bringen von sicheren Geräten und Komponenten, aus denen letztendlich die Anlagen zusammengesetzt sind. Als grundsätzliche Anforderung sind die Geräte so zu konzipieren, dass Explosionen, die zu einer Gefahr führen können, zu stoppen sind und/oder der Wirkbereich der Explosion auf ein ausreichend sicheres Maß zu begrenzen ist. Der Nachweis, dass die grundlegenden Schutzziele der Richtlinie 94/9/EG /16/ erfüllt werden, ist im

S. Döring, Pellets als Energieträger, DOI 10.1007/978-3-642-01624-0_8, © Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2011

8.2 Erarbeitung des Schutzkonzeptes

197

Rahmen einer Gefahrenanalyse zu führen. Der Hersteller bescheinigt anschließend die Übereinstimmung mit den Schutzzielen der Richtlinie. Um den freien Warenverkehr innerhalb von Europa zu gewährleisten stellen die Anforderungen der Richtlinie 94/9/EG /16/ Maximalanforderungen dar, d.h. kein Mitgliedsland darf weitergehende Anforderungen an Geräte oder Schutzsysteme stellen. Im Rahmen seiner Fürsorgepflicht seinen Beschäftigten gegenüber muss der Arbeitgeber sichere Arbeitsbedingungen gewähren. Bezüglich der Explosionsgefahren sind diese Anforderungen in der Richtlinie 1999/92/EG /17/ bzw. in der deutschen Umsetzung in der Betriebssicherheitsverordnung /1/ konkretisiert. Der Arbeitgeber hat im Rahmen einer Gefährdungsbeurteilung potentielle Explosionsrisiken zu identifizieren, zu bewerten und die erforderlichen Gegenmaßnahmen vorzusehen. Die Ergebnisse der Gefährdungsbeurteilung sind in einem Explosionsschutzdokument zu beschreiben. Dieses Dokument muss sowohl für neue als auch für bestehende Anlagen vorliegen. Im Gegensatz zu der Richtlinie 94/9/EG /16/ legt die Richtlinie 1999/92/EG /17/ nur Minimalanforderungen fest, so dass jedes Mitgliedsland weitergehende Anforderungen zum Arbeitsschutz stellen kann. Dies führt dazu, dass der Explosionsschutz, obwohl anders gewollt, in Europa nicht einheitlich geregelt ist.

8.2 Erarbeitung des Schutzkonzeptes Die bei der Holzpelletproduktion auftretenden Holzstäube und Bindemittel sind aufgrund ihrer organischen Substanz und einer relevanten Korngröße unter 500 μm als explosionsfähig einzustufen. Ziel des dadurch erforderlichen Explosionsschutzkonzeptes ist es, das Explosionsdreieck aus Brennstoff, Luft und Zündquelle zu durchbrechen (Abb. 1). Brennstoff

Brand / Explosion

(Luft-)Sauerstoff

Zündquelle

Abb. 8.1: Gefahrendreieck des Explosionsschutzes

198

8 Brand- und Explosionsschutz

Dies ist mit folgenden Prinzipien möglich: –

–

–

Primärer Explosionsschutz: Das Auftreten explosionsfähiger Gemische wird ausreichend sicher vermieden. Dies kann z.B. durch Verdrängung von Sauerstoff aus dem System erfolgen, was jedoch bei Holzpelletanlagen aufgrund der großen Durchsätze nicht wirtschaftlich ist. Sekundärer Explosionsschutz: Das Auftreten explosionsfähiger Gemische wird zugelassen. Abhängig von der Wahrscheinlichkeit für das Auftreten solcher Gemische werden Anforderung an die Vermeidung wirksamer Zündquellen gestellt. Hierbei sind die 13 Zündquellen aus der DIN EN 1127-1 /3/ bzw. TRBS 2152-3 /20/ zu diskutieren. Dieses Schutzprinzip kommt bei Holzpelletanlagen überwiegend zur Anwendung, da sich Zündquellen, aufgrund der relativen Zündunwilligkeit der Holz- bzw. Bindemittelstäube in den meisten Fällen vermeiden lassen. Tertiärer Explosionsschutz: Das Auftreten explosionsfähiger Gemische und das gleichzeitige Auftreten wirksamer Zündquellen ist zulässig. Eine Explosion findet statt, die Auswirkung sowie die Ausbreitung der Explosion wird jedoch begrenzt. Dieses Schutzprinzip kommt typischerweise für besondere Anlagenteile, z.B. Hammermühlen oder Silozellen zur Anwendung.

Die zuvor genannten Schutzprinzipien sind sowohl singulär als auch kombiniert dazu geeignet, die erforderliche Sicherheit zu gewährleisten. Hierbei ist wichtig die Wechselwirkung zwischen dem gewählten Schutzkonzept und dem Betriebsverhalten der Anlage zu beachten. Sicherheitskonzepte, die das Betriebsverhalten nachhaltig stören, werden auf Dauer nicht akzeptiert. Werden technische Maßnahmen nicht entsprechend gewartet, sind sie ohne Wert. Hierdurch wird das Risiko sogar erhöht, da man sich auf eine nur scheinbar vorhandene Sicherheit verlässt. Jedes technische Sicherheitskonzept ist daher durch organisatorische Maßnahmen zu untermauern. Hierunter fallen Wartungsanweisungen, Betriebsanweisungen für das Verhalten in bestimmten Situationen (Rauchverbot, Feuererlaubnis) und Schulungen, in denen die Beschäftigten im Umgang mit den potentiellen Gefahren sensibilisiert und über installierte Gegenmaßnahmen aufgeklärt werden. Ziel der erforderlichen Sicherheitskonzepte ist nicht ein Null-Risiko zu erreichen, sondern das verbleibende Brand- und Explosionsrisiko auf das gesellschaftlich akzeptierte Restrisiko zu begrenzen. Dabei werden die Wahrscheinlichkeiten für das Auftreten explosionsfähiger Gemische mit der Wahrscheinlichkeit für das Auftreten wirksamer Zündquellen in eine Relation gesetzt (Abb. 2). Anlagen zur Herstellung von Holzpellets lassen sich bezüglich der Brand- und Explosionsgefahren im Allgemeinen in drei Bereiche gruppieren: –

Bereich vor dem Trockner: Hier ist das Material noch feucht und grob, so dass vornehmlich von einer Brandgefahr auszugehen ist. Materialreste, die

8.2 Erarbeitung des Schutzkonzeptes

–

–

199

sich außerhalb der Anlage ansammeln, können trocknen und so entzündbar sein. Die Explosionsgefahr ist jedoch auch bei abgetrocknetem Material eher vernachlässigbar. Bereich Trockner bis zu den Pelletpressen: Hier wird das Material auf ca. 10 % Restfeuchte getrocknet und für die Pressung auf einen Medianwert von ca. 3-4 mm zerkleinert. Daher stehen in diesem Bereich Explosionsgefahren im Vordergrund, je nach spezifischen Randbedingungen sind jedoch auch Brandgefahren (z.B. Ablagerungen auf Kabelpritschen oder Motoren) zu berücksichtigen. Bereich nach den Pressen: Hier ist durch den Abrieb oder Bruch von Pellets von einer größeren Korngrößenverteilung auszugehen, so dass die Brand- und Explosionsgefahren gleichwertig zu bewerten sind. Durch Absiebungen, die zu einer Separation und Akkumulation von Feinanteilen führen, kann die Explosionsgefahr jedoch dominieren. Im Pressenbereich dominiert wegen des großen Energieeintrages eher die Brandgefahr.

Risiko

Zone 20

Zone 21

Zone 22

Restrisiko Wahrscheinlichkeit des Auftretens einer explosionsfähigen Atmosphäre

Häufigkeit / Vorhandensein einer Zündquelle

Kategorie 1

Kategorie 2

Kategorie 3

Abb. 8.2: Zusammenhang zwischen Zone und Kategorie

Um geeignete Sicherheitsmaßnahmen zu erarbeiten sind Kenntnisse über die physikalisch-chemischen Stoffeigenschaften der Hölzer und Bindemittel erforderlich. Diese werden in Form von sicherheitstechnischen Kennzahlen (STK) beschrieben. Bei den Kenzahlen handelt es sich nicht um reine Stoffkonstanten, vielmehr besteht bei Stäuben folgende Abhängigkeit von den Prozessparametern: – – –

Temperatur: Bei höherer Temperatur befindet sich das Gesamtsystem auf einem höheren Energieniveau. Die zur Fortpflanzung bzw. Aufrecherhaltung der Explosion benötigte Energie ist geringer Feinheit: Bei höherer Feinheit ergibt sich ein für eine Explosionsfortpflanzung günstigeres Volumen/Oberflächenverhältnis (Abb. 3). Feuchtigkeit: Um eine Explosion aufrecht zu erhalten ist bei trockeneren Stoffen weniger Wasserballast zu verdampfen (Abb. 4).

200

8 Brand- und Explosionsschutz

Zudem hängen die Kennzahlen auch von der jeweiligen Messmethode ab. Zur Vergleichbarkeit der Kennzahlen werden sie mit normierten Messmethoden ermittelt. Die Tests zur Bestimmung der Kennzahlen sind dahingehend optimiert, dass die Kennzahlen, die die Entzündungswilligkeit eines Stoffe beschreiben, Minimalwerte annehmen und die Kennzahlen, die die Auswirkungen von Explosionen beschreiben, Maximalwerte annehmen. So wird ein konservativer Kennzahlensatz ermittelt, mit welchen die versuchsbedingten Abweichungen sich nicht negativ auswirken. Aufgrund der o.g. Einflussparameter ist es nur in seltenen Fällen möglich, sicherheitstechnische Kennzahlen aus anderen chemisch-physikalischen Größen geschlossen zu berechnen. Pmax [bar]

Kmax [m bar/s] 300

12 Methyl cellulose

Methyl cellulose

PE dust

PE dust

Baking flour

8

Baking flour

200

PVC dust

PVC dust

100

4

0

0 0

200

400

0

600

100

200

300

500

400

M [ μm ]

M [ μm ]

Abb. 8.3: Abhängigkeit der Explosionskenngrößen vom Medianwert /2/

Pmax [bar]

Kmax [m bar/s]

10

200 Peat

8

Tobias acid

150

Cellulose

6 100

4 Peat Tobias acid

2 0

50

Cellulose

1

10

H [ %]

100

0

1

10

100

H [ %]

Abb. 8.4: Abhängigkeit der Explosionskenngrößen vom Wassergehalt, Quelle /2/

Neben den Holzrohstoffen (Hackschnitzel, Späne) wird native Stärke mit einer produktüblichen Feuchte zur Bindung der Holzfeinfraktionen eingesetzt. Als Bindemittel wird unter Umständen auch Lignin zugesetzt. Die genaue Konsistenz der Produkte kann Schwankungen unterworfen sein, da es sich um Naturprodukte handelt. Die sicherheitstechnischen Kenngrößen werden daher im Regelfall konservativ aus Literaturwerten abgeschätzt. Aus /13/ können folgende Werte entnommen werden:

8.3 Auftreten explosionsfähiger Atmosphären – Zoneneinteilung

201

Tabelle 8.1: Sicherheitstechnische Kenngrößen der Einsatzstoffe bei der Holzpelletsproduktion

Probe Brennzahl Glimmtemperatur Selbstentzündungstemperatur 400 ml Untere Explosionsgrenze Obere Explosionsgrenze Mindestzündenergie Zündtemperatur Maximaler Explosionsüberdruck Staubkonstante KSt Staubklasse

k.A.:

Holz

Lignin

Native Stärke

”5 > 275 °C 180 °C

”5 k.G.b. 450 °C k.A.

”3 k.G.b. 450 °C k.A.

> 30 g/m³ 5 - 10 kg/m³ > 10 mJ > 300 °C 9 barÜ

> 15 g/m³ k.A. > 10 mJ > 450 °C 8,7 barÜ

> 30 g/m³ k.A. > 10 mJ > 380 °C 10 barÜ

200 barm/s 1

208 barm/s 2

156 barm/s 1

keine Angaben verfügbar

8.3 Auftreten explosionsfähiger Atmosphären – Zoneneinteilung Aus den sicherheitstechnischen Kennzahlen ergibt sich, dass bei der Produktion von Holzpellets Stoffe eingesetzt werden, die explosionsfähig sind. Somit muss für das Innere und für das äußere der Anlagen bewertet werden, mit welcher Wahrscheinlichkeit explosionsfähige Atmosphären auftreten. Dazu werden im relevanten Regelwerk (BetrSichV /1/, DIN EN 1127-1 /3/) folgende Zonen definiert Tabelle 8.2: Zonendefinition

Zone explosionsfähige Atmosphäre in Form einer Wolke aus in der Luft enthaltendem brennbaren Staub 20 21 22

ist ständig, über lange Zeiträume oder häufig vorhanden kann sich im Normalbetrieb gelegentlich bilden tritt im Normalbetrieb normalerweise nicht oder aber nur kurzzeitig auf

Die Definitionen können wie folgt interpretiert werden: – Zone 20 kennzeichnet Bereiche, in denen explosionsfähige Staub/LuftGemische als ständig vorhanden vorausgesetzt werden müssen. Neben Prozessen, bei denen dies tatsächlich ständig der Fall ist, sind hierunter auch Prozesse zu verstehen, bei denen über eine längere Zeitspanne (z.B. während eines mehrstündigen Prozessschrittes) oder in kurzen Abständen regelmäßig wiederkehrend explosionsfähige Staub/Luft-Gemische auftreten

202

–

–

–

8 Brand- und Explosionsschutz

In der Zone 21 kann es im Normalbetrieb (einschließlich An- und Abfahren) gelegentlich zu explosionsfähiger Atmosphäre kommen. Dies tritt jedoch in unregelmäßigen Abständen oder mit eingeschränkter Wahrscheinlichkeit auf, so dass nicht zwingend zu jedem Zeitpunkt damit gerechnet werden muss. In der Zone 22 kommt es im Normalbetrieb nicht zu explosionsfähigen Staub/Luft-Gemischen, hier sind nur störungsbedingte Zustände zu betrachten. Treten entsprechende Störungen aber zu häufig auf oder stehen solche Störungen zu lange an (z.B. unerkannte Störung oder mangelhafte Gegenmaßnahme bei einer Störung), so ist eine höherwertige Einstufung erforderlich. Schichten, Ablagerungen und Anhäufungen von brennbarem Staub sind wie jede andere Ursache, die zur Bildung einer gefährlichen Atmosphäre führen kann, bei der Zoneneinteilung zu berücksichtigen.

8.3.1 Zoneneinteilung für Aufstellungsbereiche Aufgrund der Konstruktion der Anlagen durch hinreichende Staubdichtheit der Apparate, gekapselte Fördersysteme, keine Öffnungen im Normalbetrieb, sowie der ausreichenden Dimensionierung der Aspiration werden zusammen mit grundlegenden Reinigungsmaßnahmen Staubablagerungen im Aufstellungsbereich, also außerhalb von Apparaten, üblicherweise reduziert. Damit sind die Einstufungskriterien nach DIN EN 60079-10-2 /10/ für Zone 22 erfüllt. Auf eine generelle Zoneneinteilung kann dann verzichtet werden, wenn die im Folgenden dargestellten, erhöhten Reinigungsanforderungen umgesetzt werden: – – –

Es muss eine regelmäßige, schichtweise protokollierte Kontrolle und wenn erforderlich Reinigung gewährleistet sein Es dürfen keine Fußspuren auf dem Boden erkennbar sein Es dürfen keine geschlossenen Staubdecken vorhanden sein, welche Farbe und Struktur von Apparaten oder Anlagenteilen verdecken

Allerdings ist der Umkreis von 1 m um offene Anlageneinrichtungen herum einer Zone 22 zuzuordnen. Als Reinigungsgeräte sind explosionsgeschützte mobile oder stationäre Staubsauger einzusetzen. Die Beseitigung von großen Materialanhäufungen, z.B. nach dem manuellen Ausräumen von Pressen, kann mit Besen und Schaufel durchgeführt werden. Das Abblasen mit Druckluft ist grundsätzlich unzulässig. Zum einen werden Staubwolken gebildet, die lokal auch explosionsfähig sein können, zum anderen wird der Staub feinst verteilt und kann z.B. auf Kabelpritschen bei Staubakkumulation zu einer Brandgefahr werden.

8.3 Auftreten explosionsfähiger Atmosphären – Zoneneinteilung

203

Der Betreiber ist verpflichtet durch geeignete organisatorische Maßnahmen (Betriebsanweisung mit regelmäßiger Kontrolle durch Vorgesetzte) für die Aufrechterhaltung der getroffenen Maßnahmen zu sorgen. In Freianlagen ist die witterungsbedingte Abreinigung zu beachten, sodass hier zunächst von einer zonenfreien Einstufung der Freianlagen auszugehen ist. Es ergeben sich somit die grundsätzlichen Zonenzuordnungen für die aufgeführten Bereiche in Abhängigkeit der dargestellten Kriterien. Tabelle 8.3: Zoneneinteilung für Aufstellungsbereiche

Bereich / Kriterium Innerhalb von Gebäuden + Es werden grundlegende Reinigungsanforderungen realisiert + Erhöhte Reinigungsanforderungen werden eingehalten + Im Umkreis (1 m) um betriebsmäßig öffenbare Anlageneinrichtungen Freianlagen (witterungsbedingte Abreinigung)

Zone nach BetrSichV 22 zonenfrei 22 zonenfrei

8.3.2 Zoneneinteilung der produktberührten Anlagenbereiche Bei der Zoneneinteilung für das Innere der Anlagenteile ist die Korngrößenverteilung und die Feuchtigkeit der gehandhabten Hölzer zu berücksichtigen. – – –

–

–

Silo: Zur Vergleichmäßigung der Produktion werden Silos als Zwischenpuffer bzw. Lager eingesetzt. Die resultierende Zone hängt von der Korngröße des eingelagerten Materials ab. Trockner: Innerhalb des Trockners nimmt die Feuchtigkeit auf ca. 10 % ab, so dass innerhalb des Trockners mit einer Explosionsgefahr zu rechnen ist. Förderwege: Hier ist nach Feinanteil des transportierten Materials und nach Fördergeschwindigkeit zu differenzieren. Ein hoher Feinanteil und eine hohe Fördergeschwindigkeit führt oft zu explosionsfähigen Atmosphären, ein geringer Feinanteil sowie geringe Fördergeschwindigkeiten führen eher selten zu explosionsfähigen Atmosphären. Hammermühlen: Die Zoneneinteilung wird durch den Feuchtegehalt des Materials bestimmt. Bei der Vermahlung von Material mit einer Feuchte von mehr als 35 % kann auf eine Zoneneinteilung verzichtet werden, bei einer Vermahlung im Trockenspanbereich ist immer mit dem Auftreten explosionsfähiger Atmosphäre zu rechnen. Filter: Die Zoneneinteilung ist von dem zu filternden Material abhängig. Abscheider für Absaugungen von Pelletwegen sind schwächer einzustufen als Abscheider nach einer Trockenvermahlung.

204

– –

8 Brand- und Explosionsschutz

Pressen: Hier werden die konditionierten Späne zu Pellets verpresst. Der Feinanteil wird durch das Verpressen reduziert. Kühler: Hier werden die frischen verpressten Pellets gekühlt. Als Feinanteil ist lediglich Pelletsbruch und Abrieb zu erwarten.

Exemplarisch ergibt sich für die in den vorigen Kapitel dargestellte Musteranlage folgende Zoneneinteilung: Tabelle 8.4: Exemplarische Zoneneinteilung für Holzpelletanlagen

Apparat Silo und Pufferbehälter Trockene Späne Trockene, vermahlene Späne Pellets Bandtrockner Förderer Langsam laufend Schnell laufend

Hammermühle Nassvermahlung Trockenvermahlung Filter Pelletabsaugung Feingutabsaugung Pressen

Kühler

Begründung

Zone

Wenig Feinanteile Hoher Feinanteil Geringer Feinanteil, Bruch und Abrieb

20 20 22

Ruhendes Materialbett, eher Brandgefahr

22

Geringer Feinanteil, z.B. Pellets Mittlerer Feinanteil, z.B. Trockenspäne Hoher Feinanteil, z.B. Mahlgut Geringer Feinanteil, z.B. Pellets Mittlerer Feinanteil, z.B. Trockenspäne Hoher Feinanteil, z.B. Mahlgut

22 21 21 22 21 20

Aufgrund der Feuchte nur Brandgefahr Bildung relevanter Feinanteile betriebsmäßig möglich

k.g.e.A

Lediglich Bruch und Abrieb als Feinanteil zu berücksichtigen Feinanteile werden separiert und akkumuliert Bindung der Feinanteile durch Wasserdampf im Konditionierer, Verpressung des Materials in kompakte Pellets; Abrieb ist zu beachten. Es kommt gelegentlich zur Staubwolkenbildung Aufgabe von kompakten Pellets mit geringem Feinstaubanteil; hoher Kühlluftdurchsatz; es ist nur im Ausnahmefall kurzfristig mit einem explosionsfähigen Staub / LuftGemisch zu rechnen.

21/22

20

20/22 21

22

k.g.e.A.: keine gefährliche explosionsfähige Atmosphäre Die Zoneneinteilung als zentrales Element der Gefährdungsbeurteilung ist immer auf den Einzelfall abzustimmen, wobei branchentypische Leitfäden und technische Regeln und Normen als Erkenntnisquelle heranzuziehen sind.

8.4 Vermeidung von Zündquellen

205

8.4 Vermeidung von Zündquellen Seit dem 01.07.2003 dürfen in Europa nur noch Geräte und Schutzsysteme in Verkehr gebracht werden, die den Anforderungen der Richtlinie 94/9/EG /16/ entsprechen. Mit dieser Richtlinie wird eine Verbindung zwischen dem Auftreten explosionsfähiger Gemische und dem Auftreten wirksamer Zündquellen geschaffen, um das akzeptierte Restrisiko zu unterschreiten. Im Regelfall ist der Betreiber angehalten, in seinen Anlagen Geräte einzusetzen, die der Richtlinie 94/9/EG /16/ entsprechen. Nach Anhang IV B der BetrSichV /1/ kann ein Betreiber jedoch abweichend davon auch Geräte in Betrieb nehmen, deren Übereinstimmung nicht nach der Richtlinie 94/9/EG /16/ nachgewiesen wurde. In diesen (Einzel-)fällen ist der Anlagenbetreiber jedoch verpflichtet selbst eine Risikoanalyse durchzuführen und damit sicherzustellen, dass alle erforderlichen Maßnahmen getroffen worden sind, um das Explosionsrisiko unterhalb des akzeptierten Restrisikos zu halten. Er wird dadurch selbst zum Hersteller seiner Anlage. Die Auswahl geeigneter Geräte erfolgt durch die Verknüpfung zwischen der Zone (Verantwortungsbereich des Betreibers) und der Kategorie (Verantwortungsbereich des Herstellers): Tabelle 8.5: Zusammenhang zwischen Kategorie und Zone

Einsetzbar Kategorie Sicherheit Sicherheit gewähr- Allgemeine Ander Geräte leistet forderung an Gerä- in Zone te 1

Sehr hoch

Auch bei selten auftretenden Gerätestörungen

Sehr selten auftre- 20 tende Zündquellen 21 müssen vermieden 22 werden

2

hoch

Auch bei häufig auftretenden Gerätestörungen

selten auftretende Zündquellen müssen vermieden werden

21

Bei normalem Betrieb

Ständig oder häufig auftretende Zündquellen müssen vermieden werden

22

3

normal

22

206

8 Brand- und Explosionsschutz

8.5 Technische Maßnahmen zur Vermeidung wirksamer Zündquellen Da explosionsfähige Atmosphären in den Anlagen nicht vermieden werden können, sind Maßnahmen zu ergreifen, die Entzündung zu verhindern. Nach den Anforderungen der DIN EN 1127-1 /3/ bzw. TRBS 2152-3 /20/ sind dabei dreizehn mögliche Zündquellen zu betrachten. Diese Zündquellen werden im Folgenden kurz definiert. 1.

2.

3.

4.

5.

Elektrische Betriebsmittel Hier besteht neben der Bildung zündwirksamer heißer Oberflächen durch Überhitzung auch eine Zündgefahr durch elektrische Funken, welche z.B. beim Öffnen und Schließen elektrischer Stromkreise (Licht einschalten) oder durch Wackelkontakte auftreten können. Heiße Oberflächen Neben trivialen heißen Oberflächen, wie Heizkörper, Trockenschränken oder Heizspiralen, können heiße Oberflächen durch Reibung erzeugt werden. Hierbei wird mechanische Energie in Wärme überführt (z.B. Kupplungen, Bremsen, Wellendurchführungen, Lager). Neben der eigentlichen Zündung einer explosionsfähigen Atmosphäre können auch Staubschichten oder andere brennbare Feststoffe soweit erhitzt werden, dass diese als Zündquelle wirksam werden. Statische Elektrizität Abhängig vom Prozess und den Materialeigenschaften können elektrostatische Entladungen sowohl bei isolierenden als auch bei isoliert aufgestellten leitfähigen Materialien auftreten. Die Zündwirksamkeit der spezifischen Entladeform (Funkenentladung, Coronaentladung, Büschelentladung, Gleitstielbüschelentladung, Schüttkegelentladung) ist von der Zündwilligkeit des explosionsfähigen Gemisches abhängig. Mechanische Funken Aus festen Materialien können durch Reib-, Schlag- und Abtragevorgänge Teilchen herausgetrennt werden, welche aufgrund des Energieeintrages beim Trennprozess eine erhöhte Temperatur annehmen können. Diese kann durch Oxidationsprozesse noch weiter erhöht werden (z.B. Eisen). Durch diese Funken können zum einen geeignete Brennstoff-Luft-Gemische gezündet werden, zum anderen können durch diese Funken in abgelagerten Stäuben Glimmnester hervorgerufen werden, die wiederum als Zündquelle wirken. Chemische Reaktion (Selbstentzündung, Zersetzung) Ist die Wärmeproduktionsrate in einer Staubschüttung größer als die Wärmeverlustrate zur Umgebung, kann eine exotherme Reaktion als wirksame Zündquelle wirken. Neben der Wärmebilanz haben das Volumen/Oberflächenverhältnis des Reaktionssystems, die Umgebungstemperatur sowie die Verweilzeit einen Einfluss auf die Temperatur-

8.5 Technische Maßnahmen zur Vermeidung wirksamer Zündquellen

6.

7.

8.

9.

10.

11.

12.

13.

207

erhöhung und damit auf die Wirksamkeit der Zündquelle. Neben der eigentlichen Temperaturerhöhung sind auch daraus entstehende Glimmnester oder Brände zu berücksichtigen. Offene Flammen und heiße Gase (Rauchen, Schweißen, Schneiden) Durch Verbrennungsreaktion werden Temperaturen von über 1000°C erreicht. Neben heißen Gasen treten bei Staubflammen und/oder rußenden Flammen auch glühende Feststoffpartikel auf, die für eine explosionsfähige Atmosphäre zündwirksam sein könnten. Auch beim Schweißen und Schneiden entstehen Funken, die zündwirksam sind. Blitzschlag Aufgrund der hohen Energiedichte sind Blitze immer als zündwirksam zu betrachten. Des Weiteren können durch die im Bereich der Einschlagstelle fließenden Ströme zündwirksame Funken erzeugt werden. Elektrische Ausgleichsströme Ausgleichströme in leitfähigen elektrischen Anlagen können als Rückströme zu Stromerzeugungsanlagen oder infolge von Körper- oder Erdschlüssen bei Fehlern in elektrischen Anlagen oder auch infolge magnetischer Induktion fließen. Werden diese betreffenden Anlagenteile getrennt, verbunden oder gebrückt, kann durch den elektrischen Funken oder den Lichtbogen eine explosionsfähige Atmosphäre gezündet werden. Ultraschall Bei der Anwendung von Ultraschall absorbiert der beschallte Stoff die Energie und kann sich dabei so stark erwärmen, dass eine Entzündung eintreten kann. Elektromagnetische Wellen (Frequenz: 3*1011 Hz bis 3*1015 Hz) Strahlung in diesem Spektralbereich kann insbesondere bei Fokussierung zu einer Zündquelle von explosionsfähiger Atmosphäre werden oder auf festen Oberflächen einen Brand auslösen. Insbesondere bei Laserstrahlen kann auch bei großen Entfernungen die Leistungsdichte noch zu einer Zündung ausreichen. Hochfrequente Strahlung (Frequenzen von 104 Hz bis 3 x 1012) Anlagen, die eine solche hochfrequente elektrische Energie abgeben, sind z.B. Funksendemasten oder Hochfrequenzgeneratoren zum Erwärmen, Trocknen oder auch Schweißen. Leitfähige Teile in einem solchen Strahlungsfeld wirken als Empfänger und können unter geeigneten Umständen eine explosionsfähige Atmosphäre zünden. Ionisierende Strahlung Durch Röntgenröhren oder radioaktive Stoffe erzeugte ionisierende Strahlung kann infolge von Energieabsorption explosionsfähige Atmosphäre entzünden. Aber auch die Strahlungsquelle kann sich soweit aufheizen, dass sie als Zündquelle in Betracht zu ziehen ist. Adiabatische Kompression

208

8 Brand- und Explosionsschutz

Hier können so hohe Temperaturen auftreten, die für explosionsfähige Gemische zündwirksam sind. Stoßwellen bilden sich z.B. beim plötzlichen Entspannen von Hochdruckgasen in Rohrleitungen aus. An Einbauten oder Krümmungen bilden sich dann besonders hohe Temperaturen. Für die gehandhabten Stäube spielt diese Zündquelle eine untergeordnete Rolle. Für Anlagen zur Herstellung von Holzpellets können die Zündquellen in drei Gruppen differenziert werden: Triviale Zündquellen Diese Zündquellen sind durch den Einsatz geeigneter Betriebsmittel bzw. organisatorischer Maßnahmen einfach zu vermeiden: Tabelle 8.6: Triviale Zündquellen

Zündquelle Elektrische Betriebsmittel Offene Flammen und heiße Gase (Rauchen, Schweißen, Schneiden) Blitzschlag Elektrische Ausgleichsströme Ultraschall Elektromagnetische Wellen (Frequenz: 3*1011 Hz bis 3*1015 Hz) Hochfrequente Strahlung (Frequenzen von 104 Hz bis 3 x 1012) Ionisierende Strahlung Adiabatische Kompression

Maßnahme Vermeidung durch Auswahl der Geräte gemäß der erforderlichen Kategorie Vermeidung durch Heißarbeitserlaubnis Vermeidung durch Blitzschutzanlage Vermeidung durch Potentialausgleich Vermeidung durch Auswahl der Geräte gemäß der erforderlichen Kategorie

Für Holzpelletanlagen im Regelfall nicht relevant

Signifikante Zündquellen: Diese Zündquellen sind für Anlagen zur Herstellung von Holzpellets typisch. Aufgrund spezieller apparativer Anforderungen sind hier detailliertere Überlegungen erforderlich, wie nachfolgend gezeigt. Mechanische Funken und heiße Oberflächen durch Reib- und Schleifvorgänge können zündwirksam sein, wenn die Relativgeschwindigkeit bei einem bewegten Einbau über 1 m/s liegt. Diese Relativgeschwindigkeit wird typischerweise bei Elevatoren, Ventilatoren und Mühlen überschritten. Abhängig von der erforderlichen Kategorie kann mit Anwendung des Schutzprinzipes „sichere Konstruktion“ nach DIN EN 13463 Teil 1 /6/ zusammen mit Teil 5 auch bei höheren Relativgeschwindigkeiten das Auftreten relevanter

8.5 Technische Maßnahmen zur Vermeidung wirksamer Zündquellen

209

Zündquellen vermeiden werden. Dabei sind insbesondere folgende Aspekte zu berücksichtigen: – Möglichst außenliegende Lager – Geeignete Materialkombinationen, d.h. kein Einsatz von Leichtmetallen oder harten Werkstoffen – Robuste Gestaltung der inneren Einbauten, für bestimmungsgemäße Nutzung geeignet – Ausreichender Wandabstand zwischen bewegten und stehenden Bauteilen – Regelmäßige Inspektion und Wartung insbesondere der Wellendurchführungen und Einbauten Mit dem Konstruktionsmerkmal „Sichere Konstruktion“ lassen sich Geräte der Kategorie 2 (sicher auch bei häufigen Fehlern, einsetzbar maximal in Zone 21) bauen. Um die Kategorie 3 (sicher auch bei sehr seltenen Fehlern, einsetzbar in Zone 20) zu erreichen, kann dieses Schutzprinzip bei Schnellläufern, wie Elevatoren oder Hammermühlen, nicht als alleinige Maßnahme angewendet werden. Für eine sichere Anlagengestaltung ist dann ein ergänzender konstruktiver Explosionsschutz erforderlich. Letztendlich kann mit den zuvor dargestellten konstruktiven Maßnahmen der für die jeweilige Zone erforderliche Kategorienachweis, unter Berücksichtigung der Besonderheit von Schnellläufern, geführt werden. Tabelle 8.7: Signifikante Zündquellen

Zündquelle Heiße Oberflächen Mechanische Funken

Maßnahme Vermeidung durch Auswahl der Geräte gemäß der erforderlichen Kategorie Vermeidung durch Auswahl der Geräte gemäß der erforderlichen Kategorie

Prozessinduzierte Zündquellen Diese Zündquellen werden durch den Prozess erzeugt, z.B. bei pneumatischen Förderungen oder bei der Pressung der Pellets. Tabelle 8.8: Prozessindizierte Zündquellen

Zündquelle Statische Elektrizität Chemische Reaktion (Selbstentzündung, Zersetzung)

Maßnahme Vermeidung durch ausreichende Erdung Vermeidung durch vorbeugende Maßnahmen

Chemische Reaktionen können in Form von Selbstentzündungsvorgängen zu wirksamen Zündquellen werden. Im Falle der Lagerung der Trockenspäne in Silos sind Selbstentzündungsvorgänge durch Begrenzung der Einlagerungstemperatur und der Lagerzeit zu vermeiden.

210

8 Brand- und Explosionsschutz

Selbstentzündungsvorgänge im Trockner sind durch Begrenzung der Trocknungstemperatur, regelmäßige Inspektionsintervalle sowie Leerfahren und Einleiten einer Kühlphase vor längeren Stillständen zu vermeiden. Glimmbrände sind durch die Begrenzung der Oberflächentemperaturen der elektrischen und nicht–elektrischen Betriebsmittel im Aufstellungsbereich der Anlagen weitgehend vermieden. Innerhalb der Anlage werden jedoch Prozesse durchgeführt, die weitergehende Maßnahmen zur Vermeidung von Glimmbränden erfordern. –

–

–

Fördern gegen verstopfte Förderwege (z.B. Schnecken, Trogkettenförderer) Verstopft ein Förderweg wird die Bewegungsenergie der Transportorgane in Wärmeenergie in dem verstopften Material umgewandelt. Dies kann zu Glimmbränden führen. Durch den Einsatz von Schanzwächtern- und klappen, wird ein Verstopfen erkannt und die zuführenden Förderer sind abzuschalten. Hammermühlen und zugeordnete Abförderung der Produkte Bei einem Eintrag von Fremdkörpern in die Mühle kann sich der Fremdkörper soweit aufheizen, dass er in dem weiteren Produktionsablauf ein Glimmnest erzeugt. Dem Bereich der Vermahlung ist daher ein Magnetund Schwerlastabscheider vorzuschalten. Die Wahrscheinlichkeit des Eintrags von Fremdstoffen in die Hammermühle ist somit reduziert, jedoch nicht gänzlich ausgeschlossen (z.B. Abriss eines Schlägels). Daher ist der Materialausgang der Mühle mit einem Funkenerkennungs- und Löschsystem auszurüsten. Ein Verstopfen der Mühle kann durch eine Lager- und Innenraumtemperaturüberwachung detektiert werden. Pelletpressen, Pelletkühler und zugeordnete Abluftsysteme Im Bereich der Pressen besteht eine erhöhte Gefahr der Brandentstehung bzw. der Entstehung von überhitzten, glimmenden Partikeln. Der Materialaustrag des Kühlers sowie der Bereich der Kühlerabluft ist daher per Funkenerkennungs- und Löschsystem zu überwachen. Ein Verstopfen der Pressen wird mit einer Temperaturüberwachung der Koller überwacht.

Funkendetektionen als alleinige Schutzmaßnahmen zum Explosionsschutz sind nicht ausreichend, da sie nicht als Schutzsystem im Sinne der RL 94/9/EG /16/ geprüft sind. Sie sind jedoch als vorbeugende Maßnahmen das Bindeglied zum Brandschutz. Die eingesetzten Geräte müssen nach Richtlinie 94/9/EG /16/ wie folgt gekennzeichnet sein:

8.6 Beherrschen von Explosionen

211

Tabelle 8.9: Erforderliche Kennzeichnung von Geräten gemäß 94/9/EG /16/

Zone

Kennzeichnung nicht-elektrische

elektrische

Erforderliche Prüfung

20

Ex II 1 D, Angabe der maximalen Oberflächentemperatur, Prüfnummer/Prüfstelle

Baumusterprüfung, Konformitätserklärung Hersteller

21

Ex II 2 D, Angabe der maximalen Oberflächentemperatur

Ex II 1 D, IP 6X, Angabe der maximalen Oberflächentemperatur, Prüfnummer/Prüfstelle Ex II 2 D, IP 6X, Angabe der maximalen Oberflächentemperatur, Prüfnummer/Prüfstelle

22

Ex II 3 D, Angabe der maximalen Oberflächentemperatur

Ex II 3 D, IP 5X, Angabe der maximalen Oberflächentemperatur

Konformitätserklärung Hersteller, Ergebnisse der Gefährdungsanalyse in der Dokumentation, Prüfung je nach Zündschutzart, Baumusterprüfung nur für elektrische Betriebsmittel Konformitätserklärung Hersteller, Ergebnisse der Gefährdungsanalyse in der Dokumentation

8.6 Beherrschen von Explosionen Nicht immer lassen sich alle Zündquellen allein durch vorbeugende Maßnahmen mit ausreichender Sicherheit vermeiden. Trotz umfassender Inspektions-, Wartungs- und Überwachungsmaßnahmen können heiße Oberflächen durch Schleifund Reibvorgänge an schnelllaufenden mechanischen Aggregaten, wie z.B. in Hammermühlen, nicht mit absoluter Sicherheit ausgeschlossen werden. Auch in zentralen Aspirationsfiltern kann ein Eintrag von Zündquellen aufgrund der Vielzahl von Absaugpunkten nicht immer mit Sicherheit ausgeschlossen werden. Konstruktive Schutzmaßnahmen werden auch dann projektiert, wenn Anlagen ein besonders großes Schadenspotential aufweisen (z.B. große Silokomplexe) oder wenn weitergehende Schutzinteressen bestehen. So kann die Verfügbarkeit von Anlagen durch die Begrenzung von Flammen- und/oder Druckwirkungen im Falle einer Explosion erhöht werden, da die Explosion nur einen definierten und speziell ausgelegten Bereich betrifft. Prinzipiell ist bei konstruktiven Explosionsschutzmaßnahmen das Auftreten explosionsfähiger Gemische und das gleichzeitige Auftreten wirksamer Zündquellen zulässig. Eine Explosion findet statt, die Auswirkung sowie die Ausbreitung der Explosion wird jedoch begrenzt. Mögliche Maßnahmen lassen sich wie folgt differenzieren:

212

– –

– –

8 Brand- und Explosionsschutz

Druckfeste Bauweise: Die Anlage ist für den maximalen Explosionsüberdruck ausgelegt. Druckstoßfeste Bauweise: Die Anlage ist für einen reduzierten maximalen Explosionsüberdruck ausgelegt und mit Einrichtungen zur Druckentlastung ausgerüstet. Eine Verformung der Anlagenteile ist zulässig, ein unkontrolliertes Aufreißen jedoch nicht. Explosionsunterdrückung: Mit aktiven Sensoren wird das Anlaufen einer Explosion erkannt und, um die Reaktion abzubrechen, wird Löschmittel in die Anlage eingebracht. Explosionstechnische Entkopplung: Mit aktiven (z.B. Löschmittelsperre) oder passiven (z.B. Explosionsschutzventil) Aktoren wird ein Überschlagen einer Explosion von einem Anlagenteil in einen anderen unterbunden.

Basis für die Anwendung konstruktiver Maßnahmen ist eine ganzheitliche Systemanalyse unter Berücksichtigung des vorgesehenen Einsatzzweckes und der vorgesehenen Stoffe. Dabei ist zu berücksichtigen, dass ausgehend von einer verbleibenden wirksamen Zündquelle (z.B. aus einer Hammermühle) nicht die gesamte betrachtete Anlage mit konstruktiven Maßnahmen auszuführen ist, sondern der Bereich, der von einer potentiellen Explosion betroffen ist, eingegrenzt werden kann. Für des Schutzkonzept „Konstruktiver Explosionsschutz“ sind demnach folgende Aspekte zu bearbeiten: – – – –

Festlegen des zu schützenden Bereiches Dimensionierung der Größe der Entlastungseinrichtung bzw. der Explosionsunterdrückung Gewährleistung der Festigkeit der Apparate Auswahl der Entkopplungseinrichtung

Ob zuerst die Größe der Entlastungsfläche bzw. die Explosionsunterdrückung dimensioniert wird oder erst die Festigkeit des zu schützenden Bereiches festgelegt wird, hängt vom Einzelfall ab. U.U. ist die verfügbare Fläche zur Druckentlastung begrenzt, z.B. auf einem Silodach. Hier ist dann die Festigkeit des Behälters so zu variieren, dass die installierbare Entlastungsfläche ausreichend groß bemessen ist. Im anderen Fall kann z.B. die mit vertretbarem Aufwand erreichbare Festigkeit von eckigen Behältern (Filter, Mühlennachbehälter) limitiert sein. Dann ist die Größe der Entlastungsfläche so zu variieren, dass der reduzierte maximale Explosionsüberdruck die erreichbare Festigkeit des geschützten Volumens nicht übersteigt. Bei diesen Variationen sind jedoch immer die spezifischen Randbedingungen aus den angewendeten Normen einzuhalten. Das Schutzprinzip „Konstruktiver Explosionsschutz“ ist nur dann effizient wirksam, wenn die Explosion tatsächlich durch die Druckentlastungsfläche bzw. die Explosionsunterdrückung im Zusammenspiel mit einer ausreichenden Behälterfestigkeit beherrscht werden kann. Daher darf es nicht zu einem unkontrollierten Aufreißen oder Versagen des Behälters kommen. Mögliche Folgeschäden können Sekundärexplosionen durch Staubablagerungen oder Brände im Aufstellungsbereich sein oder auch die Gefährdung von Personen.

8.6 Beherrschen von Explosionen

213

Für den Nachweis der Festigkeit wird die harmonisierte Norm EN 14460 /7/ angewendet. Dabei stehen drei Alternativen zur Verfügung: – – –

Konstruktion nach EN 13445 /5/ Druckprüfung als Typprüfung Explosionsprüfung als Typprüfung

Bei diesen drei genannten Nachweisverfahren ist immer eine Druckprüfung für jedes Gerät durchzuführen. Diese kann als Wasserdruckprobe oder als Luftdruckprobe durchgeführt werden und der erforderliche Druck muss mindestens 3 Minuten anliegen. Der Prüfdruck muss dem 0,9 fachen des Auslegungsdruckes entsprechen, wobei bleibende Verformungen dann nicht zulässig sind. Kann eine Druckprüfung aus technischen und/oder sicherheitstechnischen Gründen nicht erfolgen, so ist die Güte der Geräte nachzuweisen durch: – – –

Nachweis der Werkstoffzertifikate nach EN 10204 /4/ Zerstörungsfreie Schweißnahtprüfung mindestens mit Ultraschall, wobei insbesondere Knotenpunkte zu überprüfen sind Vergleich der tatsächlichen Maße mit den technischen Zeichnungen

Dieser alternative Nachweis ist jedoch als Ausnahme zu sehen und sollte nicht von vornherein bei einem konstruktiven Explosionsschutzkonzept in Betracht gezogen werden.

8.6.1 Dimensionierung der Entlastungsfläche Um die Auswirkungen einer Explosion auf eine definiertes Maß zu begrenzen ist eine Druckentlastungsfläche vorzusehen. Überschreitet der Druck im Behälter durch die anlaufende Explosion einen Schwellenwert, nämlich den Ansprechdruck der Entlastungseinrichtung, öffnet sich die Fläche und durch die weitere Expansion der Explosion wird das Gemisch durch die Entlastungsöffnung nach außen transportiert. Dies betrifft sowohl verbrannte als auch unverbrannte Stoffe, so dass die Verbrennungsreaktion auch im Außenraum stattfindet. Dadurch wird auch in der Umgebung ein Druckaufbau mit Flammenerscheinung beobachtet, weswegen dieser Bereich als gefährdeter Bereich auszuweisen ist. Die Dimensionierung der Entlastungsfläche erfolgt nach der harmonisierten EN 14491 /8/, wodurch die Konformitätsvermutung nach RL 94/9/EG /16/ ausgelöst wird. Bei der Anwendung anderer Dimensionierungsansätze (z.B. NFPA 68 /15/ oder VDI 3673 /22/) ist der Nachweis, dass die Schutzziele nach 94/9/EG /16/ erreicht werden, separat und schriftlich zu führen. Die empirisch ermittelten Berechnungsgleichungen beruhen auf der Entlastung eines einzelnen Behälters, der vollständig im turbulenten Zustand mit einem optimalen Staub-Luft-Gemisch gefüllt ist.

214

8 Brand- und Explosionsschutz

Wenn im Einzelfall die tatsächlichen Prozessparameter davon abweichen, kann bei Anwendung der Gleichungen aus EN 14491 /8/ die Entlastungsfläche unteroder überdimensioniert sein. Zum Beispiel wird beim tangentialen Produkteintrag in ein Silo unter bestimmten Vorraussetzungen nicht das gesamte Silovolumen mit einem optimalen Staub-Luft-Gemisch gefüllt sein. In diesen Fällen kann von den Berechnungsansätzen nach EN 14491 /8/ abgewichen werden, wobei die Dimensionierung der kleineren Entlastungsfläche auf Basis von veröffentlichten oder experimentellen Daten beruhen muss, die anhand von repräsentativen Druckentlastungsversuchen bestimmt wurden. Grundsätzlich sollte das Design der Schutzmaßnahme „Druckentlastung“ folgende Aspekte berücksichtigen: – – – – – –

frühzeitige Entlastung verbrannter Gase, Positionierung der Druckentlastungsflächen in der Nähe potentieller Zündquellen, Vermeidung von Verdämmungen und Hindernissen zwischen möglichen Zündquellen und den Druckentlastungsflächen (Vermeidung von Turbulenzen), Vermeidung langgestreckter Strukturen (seitliche statt stirnseitiger Entlastung), Vermeidung von Blockaden z.B. durch einknickende Filterstützkörbe. Wie in der Norm EN 14460 /7/ wird auch in der Norm EN 14491 /8/ eine ausreichende Benutzerinformation gefordert.

8.6.2 Explosionsunterdrückung Wie bei der Explosionsdruckentlastung wird auch bei der Explosionsunterdrückung eine Initialexplosion zugelassen (Abb. 5). Diese wird mit Detektoren, typischerweise Flammen- und/oder Druckmelder erkannt und an eine Auswerteeinheit gemeldet. Diese verarbeitet das registrierte Signal und kann dabei bei Druckschwankungen im Prozess zwischen normalen Schwankungen und anlaufender Explosion unterscheiden. Ist das Explosionskriterium erfüllt wird das Löschmittel in den geschützten Behälter eingeblasen. Dies erfolgt innerhalb von wenigen dutzend Millisekunden. Der Druck im Behälter steigt bis zu einem vorher festgelegt reduzierten Explosionsüberdruck an, dann wird dir Explosionsreaktion durch das Einglasen des Löschmittels abgebrochen. Aufgrund der Komplexität der Explosionsunterdrückung ist das Gesamtsystem, bestehend aus Art und Positionierung der Detektoren, Art er Steuerzentrale sowie Art, Menge und Position der Löschmitteleindüsung vom Hersteller der Unterdrückungsanlage auszulegen.

8.6 Beherrschen von Explosionen 1. Zündung

2. Druckdetektoren registrieren Druckanstieg

3. Löschpulver strömt aus

Druckwellen

4. Löschpulver löscht Explosionsflamme

215

5. Explosion unterdrückt

Löschmittel

Zündung Feuerball Zeit: 0 ms Druck: 0 mbar

20 ms 35 mbar

30 ms 85 mbar

50 ms 200 mbar

80 ms 150 mbar

Abb. 8.5: Prinzipskizze Explosionsunterdrückung, Quelle: Firmenschrift ATEX Explosionsschutz GmbH, Möhnesee

8.6.3 Auswahl der Entkoppelungseinrichtungen Maßnahmen der explosionstechnischen Entkopplung sind aus zwei Gründen notwendig. Zum einen ist durch die Risikobewertung der druckstoßfest ausgeführte Bereich festgelegt. Die Ausbreitung der Explosion über diesen definierten Bereich hinaus ist zu vermeiden. Hierbei wird der druckstoßfest ausgeführte Bereich von dem nicht druckstoßfest ausgeführten Bereich entkoppelt. Zum anderen sind auch innerhalb mehrerer verketteter und druckstoßfest ausgeführter Apparate Maßnahmen zur Entkopplung vorzusehen. Relevanz haben zwei Effekte: –

–

Explosionen gehen immer mit Ausbreitung einer Flammen- und einer Druckfront einher. Dabei breitet sich die Druckwelle in der Regel schneller aus als die Flammenfront. Die Druckwelle läuft somit eher in den angeschlossenen Behälter ein, wodurch es zu einer „Vorkompression“ des explosionsfähigen Gemisches im zweiten Behälter kommt. Aus dem höheren Vordruck beim Einlaufen der Flammenfront resultiert ein höherer Explosionsüberdruck, da der Explosionsüberdruck proportional dem Vordruck im System ist. Eine beginnende Explosion läuft vergleichsweise langsam ab. So steht eine entsprechend lange Zeit für das Öffnen von Entlastungsflächen bzw. Auslösen einer Unterdrückung zur Verfügung. Im Falle von gekoppelten Behältern wird beim Übergang von dem einen auf den anderen Behälter Turbulenz generiert. Dadurch kommt es zu einer Vergrößerung der Flammenoberfläche und damit der Reaktionsfront. Daher kann die Explosion als Flammenstahl in den verbundenen Behälter einlaufen, wobei dann die Reaktion in diesem deutlich schneller abläuft und so die Reaktionszeit

216

8 Brand- und Explosionsschutz

der Entlastungseinrichtung nicht ausreicht, die Explosion zu entlasten. Der Druckaufbau wird nicht abgebrochen, der Explosionsüberdruck steigt über den dimensionierten Festigkeitswert. Mögliche Systeme zur Entkopplung werden in der TRBS 2152 Teil 4 /20/, DIN EN 1127-1 /3/ sowie der DIN EN 15089 /9/ beschrieben, wobei letztere auch Prüfverfahren und Qualitätsanforderungen für diese Systeme beschreibt. Es können passive und aktive Systeme unterschieden werden. Bei den passiven Systemen handelt es sich um Systeme, die ohne Fremdeinwirkung (z. B. ein über einen Sensor angesteuerter Antrieb) funktionieren. Beispiele von passiven Systemen sind u.a.: – – – –

Zellenradschleusen Taktschleusen Materialpuffer Rückschlagklappen

Aktive Systeme benötigen stets eine Detektion der Explosion. Diese kann durch eine optische Infrarotdetektion (Flammenmelder) oder eine Druckdetektion erfolgen. Optische Melder können schneller sein als Druckdetektoren und eine Explosion im Anfangsstadium bereits erkennen, außerdem kann eine genaue Lokalisierung einer Flamme erfolgen (z.B. beim Einlauf in eine Rohrleitung). Sie können jedoch leicht verschmutzen und damit blind werden. Druckdetektionen können statisch oder dynamisch vorgenommen werden. Statische Druckdetektoren können durch mechanische Einwirkungen oder Vibrationen ausgelöst werden, weswegen sie paarweise in einem Winkel von 90 ° zueinander eingesetzt werden. Dynamische Detektoren analysieren den auftretenden Druckverlauf und können daher zwischen einer Explosion und betriebsüblichen Druckschwankungen differenzieren. Zu den aktiven Systemen gehören: – –

Schnellschlussorgane wie Schnellschlussschieber und Schnellschlussbalgenquetschventile Löschmittelsperren

Ob ein bestimmtes Schutzsystem für den geplanten Einsatzzweck geeignet ist, muss im Rahmen der Risikobewertung ermittelt werden. In die Analyse muss beispielsweise einbezogen werden, ob – – –

die Druckdetektoren zur Ansteuerung von aktiven Löschmittelsystemen bei Prozessen mit hohen und unregelmäßigen Druckschwankungen geeignet sind, die Entkopplung von Absaugleitungen durch einfache Rückschlagklappen auch bei den zu erwartenden Materialbeladungen zuverlässig funktioniert, die Zellenradschleusen auch für stark abrasives Material geeignet sind.

8.7 Organisatorische Maßnahmen

217

Aufgrund der Komplexität einer explosionsschutztechnischen Entkopplung ist die Eignung des Schutzsystems für den geplanten Einsatzzweck durch ein Systemzertifikat des Herstellers zu bestätigen.

8.7 Organisatorische Maßnahmen Die Betriebssicherheitsverordnung ermöglicht Arbeitgebern im Vergleich zu früheren Regelwerken einen größeren Spielraum bei der sicheren Gestaltung ihrer Betriebe durch die Stärkung ihrer betrieblichen Eigenverantwortung. Neben der Auswahl der Betriebsmittel (technische Maßnahmen) kommen den organisatorischen Maßnahmen eine ganz entscheidende Bedeutung zu. Organisatorische Maßnahmen sind immer dann zu treffen, wenn mit technischen Maßnahmen allein der Explosionsschutz an den Arbeitsplätzen nicht gewährleistet und aufrecht erhalten werden kann. Da in den Betrieben in erster Linie Menschen tätig sind und diese im Falle menschlichen Fehlverhaltens Risiken und Gefährdungen verursachen können, hat es sich gezeigt, dass insbesondere nur durch Einbeziehung der Beschäftigten eine sichere Arbeitsumgebung geschaffen und aufrechterhalten werden kann. Die organisatorischen Maßnahmen müssen daher auch mögliche Wechselwirkungen zwischen Explosionsschutzmaßnahmen und Arbeitsabläufen berücksichtigen. In der Praxis hat sich daher eine Kombination von technischen und organisatorischen Explosionsschutzmaßnahmen bewährt, die sicherstellen, dass die Arbeitnehmer die ihnen übertragenen Arbeiten ohne Gefährdung ihrer Sicherheit und Gesundheit oder der Sicherheit und Gesundheit anderer ausführen können. Folgende Aspekte sind im Explosionsschutz zu berücksichtigen:

218

8 Brand- und Explosionsschutz

Tabelle 8.10: Anforderungen zur Umsetzung organisatorischer Maßnahmen

Thema Kennzeichnung

Unterweisung der Arbeitnehmer

Betriebsanweisungen

Koordination

Überwachung Zutritts-Verbote

Brandschutz Prüfungen

Maßnahmen x Kennzeichnung explosionsgefährdeter Bereiche an ihren Zugängen mit Warnzeichen x Verbot von Zündquellen, wie zum Beispiel das Rauchen und die Verwendung von offenem Feuer und Licht (Hinweise, Kennzeichnung) x Unterweisung der Mitarbeiter für Tätigkeiten in explosionsgefährdeten Bereichen x Umgang mit brennbaren Stoffen x Bei brennbaren Flüssigkeiten - Maßnahmen zur Aufnahme und Beseitigung von Leckagen, x Bei brennbaren Stäuben - Maßnahmen zur Beseitigung von Staubablagerungen x Verhalten bei Alarm, Räumung, Not-Aus, etc. x Fachpersonal in Schulungen zu speziellen Themen des Explosionsschutzes weiterbilden x Schriftliche Arbeits- bzw. Betriebsanweisungen nach BetrSichV x Arbeitsfreigabesystem für Arbeiten in explosionsgefährdeten Bereichen x Anforderungen an die Koordination und Abstimmung bezüglich der zu treffenden Schutzmaßnahmen x Einbeziehung von benachbarten Anlagen und des laufenden Betriebes x Gegenseitige Gefährdung von verschiedenen Arbeitsgruppen unterschiedlicher Arbeitgeber x Inspektions-/Kontrollgänge hinsichtlich der technischen Dichtheit der Anlage x Zutritt zu den Anlagen ist nur befugten Personen zu gestatten x Betriebsfremde haben sich in der Meldestelle der jeweiligen Anlage zu melden x Flucht- und Rettung von Beschäftigten ermöglichen x Ermittlung der Art, Umfang und Fristen erforderlicher Prüfungen nach §§ 14 und 15 BetrSichV x Festlegung der Personen zur Prüfung oder Erprobung von Arbeitsmitteln vor der Inbetriebnahme und wiederkehrend mindestens in einem Abstand von 3 Jahren durch eine befähigte Person (z.B. Elektrofachkraft für elektrische Anlagen, Schlosser) im Hinblick auf den Einsatz von Geräten in explosionsgefährdeten Bereichen

8.7 Organisatorische Maßnahmen

219

Tabelle 8.10 (Fortsetzung)

Prüfungen (Fortsetzung)

x Folgende Prüfungen sind erforderlich: x Elektrische Anlagen x Prüfung auf Erdung x Potentialausgleich x Blitzschutz x Ausführung und Beschaffenheit der nicht elektrischen Betriebsmittel

x Über die Prüfungen sind Protokolle zu erstellen und mindestens bis zur nächsten Prüfung aufzubewahren Die gesetzlichen Anforderungen an organisatorische Maßnahmen bezüglich Betriebsanweisungen, Prüfung von Betriebsmitteln und Befähigte Personen können wie folgt skizziert werden: Erarbeitung von Betriebsanweisungen Betriebe, in denen Explosionsgefährdungen auftreten, müssen für ihre Mitarbeiter verbindliche Betriebsanweisungen mit Bezug auf die zu erwartenden Gefährdungen und die zu treffenden Schutzmaßnahmen erstellen. In den Betriebsanweisungen sind die arbeitsplatzspezifischen Gefahren für Mensch und Umwelt darzustellen und auf die getroffenen bzw. einzuhaltenden Schutzmaßnahmen, in verständlicher Sprache so hinzuweisen, dass die Mitarbeiter diese befolgen können. Aus den Betriebsanweisungen muss klar hervorgehen, wo welche Explosionsgefährdungen bestehen, welche ortveränderlichen Arbeitmittel verwendet werden dürfen und ob gegebenenfalls besondere persönliche Schutzausrüstung zu tragen ist. Ein Schwerpunkt stellt dabei das Arbeitsfreigabesystem dar. In explosionsgefährdeten Bereichen lässt es sich unter bestimmten Vorraussetzungen nicht vermeiden, dass gefährlichen Arbeiten wie Schweißen, Schneiden, Brennen durchgeführt werden müssen. In derartigen Fällen verlangt der Gesetzgeber eine besondere Sorgfaltspflicht. Als sinnvoll hat sich ein schriftliches Arbeitsfreigabesystem bewährt, das alle Beteiligten verpflichtet, schriftlich Gefährdungen zu beurteilen und die erforderlichen Schutzmaßnahmen vor, während und nach Durchführung der Tätigkeiten zu ergreifen. Prüfung von Arbeits- und Betriebsmitteln Eine zentrale Vorschrift der Betriebssicherheitsverordnung stellen die Prüfpflichten des § 10 dar. Der Arbeitgeber hat dafür zu sorgen, dass Arbeitsmittel, deren Sicherheit von den Montagebedingungen abhängen: – – –

nach der Montage vor der ersten Inbetriebnahme auf ihre ordnungsgemäße Montage und sichere Funktion überprüft werden.

220

8 Brand- und Explosionsschutz

Daneben hat er Arbeitsmittel, die Schäden verursachenden Einflüssen unterliegen, in regelmäßigen Abständen zu überprüfen. Die Prüffristen hat der Arbeitgeber im Rahmen der Gefährdungsbeurteilung nach § 3 BetrSichV selbst zu bestimmen. Die Ergebnisse der Prüfungen nach § 10 sind aufzuzeichnen. Die Aufzeichnungen müssen jederzeit der zuständigen Aufsichtsbehörde am Betriebsort vorgelegt werden können, um einen effizienten Vollzug der Betriebssicherheitsverordnung sicherzustellen. Der Gesetzgeber hat die erforderlichen Prüfungen für Anlagen in explosionsgefährdeten Bereichen gemäß § 14 hinsichtlich Montage, Installation, Aufstellungsbedingungen und sicherer Funktion, Konzeptprüfung nach Anhang 4, Nr. 3.8 sowie der wiederkehrenden Prüfungen nach § 15 BetrSichV mit der TRBS 1201 Teil 1 /18/ weiter konkretisiert. Geräte, die in explosionsgefährdeten Bereichen eingesetzt werden, sind vor ihrer Inbetriebnahme nach § 14 und danach wiederkehrend nach § 15 der BetrSichV demnach durch eine befähigte Person zu prüfen. Befähigte Personen Für die Prüfung der Anlagen und Geräte sind befähigte Personen nach TRBS 1203 /19/ erforderlich. Die Gewährleistung der hinreichenden Ausbildung der befähigten Personen liegt in der Verantwortung des Betreibers. Als befähigte Personen dürfen auch Mitarbeiter von Fremdfirmen und Dienstleistungsfirmen mit entsprechender Qualifikation in Anspruch genommen werden. Allerdings ist der Betreiber immer noch verpflichtet, die fachliche Eignung der eingesetzten Mitarbeiter zu gewährleisten (z.B. über entsprechende schriftliche Vereinbarungen mit der Fremdfirma). Unternehmen sind verpflichtet im Sinne der §§ 14 und 15 der BetrSichV befähigte Personen zu ernennen. Bei der Auswahl der Mitarbeiter muss seitens des Unternehmens darauf geachtet werden, dass die Mitarbeiter die entsprechenden Funktionen der Verfahrenstechnik, des Maschinenbaus und der Elektrotechnik einschließlich der Steuerung beherrschen und aufgrund ihrer langjährigen Erfahrungen in den industriellen Verarbeitungsprozessen praktische und bereits ausgeübte Erkenntnisse über die Prozesssystematik aufweisen. Mitarbeiter, die als befähigte Personen tätig werden sollen, müssen neben der beruflichen Qualifikation ausreichende Kenntnisse auf dem Gebiet des Explosionsschutzes aufweisen. Die Benennung und Bekanntmachung der befähigten Personen muss nach Durchführung der erforderlichen Qualifizierung der betroffenen Mitarbeiter seitens der Betriebsführung erfolgen. In Deutschland ist die befähigte Person in drei Abstufungen definiert, im übrigen Europa gibt es nur den Begriff der "Competent Person". In der österreichischen Umsetzung der RL 1999/92/EG /17/ wird für alle Behälter, die brennbaren Staub enthalten, ein ergänzender konstruktiver Explosionsschutz gefordert. In der französischen Umsetzung wird dieser ergänzende Schutz für Silokomplexe größer 5.000 m³ gefordert. Die belgische und niederländische Umsetzung der eu-

8.8 Brandschutzmaßnahmen

221

ropäischen Richtlinie stellt konkretere Anforderungen an die Durchführung der Zoneneinteilung.

8.8 Brandschutzmaßnahmen Anlagen zur Herstellung von Holzpellets sind baurechtlich Sonderbauten und von einer spezifischen Zweckarchitektur gekennzeichnet, die sich der Nutzung unterordnet. Es wird eine flexible Bauweise (Stahl oder Stahlbeton) bevorzugt, die den Einbau von Anlagen erleichtert. Typischerweise ist ein kleines PersonalFlächenverhältnis gegeben, die Nutzer sind ortskundig, gesund und gehfähig. Zur Erlangung der Baugenehmigung ist mit dem Bauantrag ein Brandschutzkonzept einzureichen. Für Sonderbauten für industrielle und gewerbliche Zwecke basieren die Brandschutzmaßnahmen auf der Industriebaurichtlinie (IndBauRL) /14/, welche die qualitativen Schutzziele der Bauordnung quantitativ konkretisiert. Die Bauordnung zielt im weitesten Sinne auf einen Nachbarschaftsschutz ab. Daher ist zu gewährleisten, dass bei einem Brand in einer Nutzungseinheit dieser keine negativen Auswirkungen auf andere (Nachbarn) hat. Der Abbrand des eigenen Brandabschnittes ist dabei zulässig. So werden dem Abschottungsprinzip folgend in der IndBauRL /14/ maximal zulässige Größen von Brandabschnitten und Anforderungen an das Tragwerk und an die Baustoffauswahl gestellt. Es resultiert ein minimalistisches Brandschutzkonzept, welches jedoch für eine Baugenehmigung ausreicht, da die baurechtlichen Schutzziele eingehalten werden. Die Durchführung einer Nutzungsanalyse ist für das baurechtliche Brandschutzkonzept nicht zwingend erforderlich. Die Brandlasten werden nur hinsichtlich ihres Beitrages zur freigesetzten Wärmemenge bewertet, die Entzündung und die Abbrandgeschwindigkeit gehen nicht ein. Aus der Gefahrstoffverordnung /12/ und der Betriebssicherheitsverordnung /1/ heraus werden an den Betreiber Anforderungen zum Schutz der Arbeitnehmer vor Bränden gestellt. Dabei sind insbesondere die Gefährdungen, die von den gehandhabten Stoffen und eingesetzten Betriebsmittel ausgehen, zu berücksichtigen. Die Gefährdungsbeurteilung ist hinsichtlich des Schutzziels Personenschutz (Flucht und Rettung) durchzuführen. Als Wirtschaftseinheit ist das Unternehmen an einem langfristigen Erhalt der Wertschöpfungskette interessiert. Dabei ist hinsichtlich eines geeigneten Brandschutzkonzeptes die Frage der Wertigkeit von Maschinen, Ausgangsstoffe und Fertigwaren für den Fortbestand der Unternehmung zu beantworten. Komplexe Maschinen sind in der Regel Einzelanfertigungen, die eine mitunter lange Wiederbeschaffungszeit haben. Wird die neue Maschine geliefert ist sie in den Produktionsprozess zu integrieren, zu validieren und zu qualifizieren. Erst dann können Kunden wieder mit Produkten beliefert werden. Es ist die Frage zu klären, ob durch den Ausfall einer Schlüsselmaschine nicht die gesamte Produktion an dem Standort zum Erliegen kommt.

222

8 Brand- und Explosionsschutz

Besonderes Augenmerk ist auch auf Nutzungsänderungen zu legen. Durch unzureichendes Management of Change werden von den Betriebsabteilungen Änderungen durchgeführt, die keiner Genehmigung zugeführt werden. Dies kann zum Beispiel Anbauten an bestehende Gebäude betreffen oder das Zusammenwachsen von vormals durch ausreichenden Abstand getrennte Gebäude durch Überdachungen zur Zwischenlagerung und Umschlag von Produkten oder Nutzung als Aufstellungsfläche für technische Anlagen, wie etwa Filter oder Lüftungsanlagen. Für eine dauerhaft erfolgreiche Nutzung einer Anlage ist eine ganzheitliche Brandschutzbetrachtung zu erstellen, die die Prämissen der Bereiche Baurecht, Arbeitsschutz und Sachwertschutz bewertet und zu einem Gesamtkonzept zusammenführt. Dabei sind folgende Fragen zu klären: – – – –

Welche Schutzziele sollen erreicht werden? Neben der baurechtlichen Genehmigung kann hier auch der Schutz von Maschinen von Bedeutung sein. Wie kommt es zu einer Entzündung und Ausbreitung eines Brandes? Im Bereich von Trocknern, Hammermühlen oder Pressen erfolgt ein großer Energieeintrag in das Produkt. Welche Schäden sind bei einem Brand zu erwarten? Das Schadensausmaß in einem kleinen Rückgutförderer ist im allgemeinen geringer zu bewerten als ein brand im Trockenspansilo. Womit kann Bränden und ihren Gefahren wirksam begegnet werden? Z.B. ist aufgrund der großen Silodimensionen ist ein manueller Löschangriff mit Wasser problematisch

Bei der Erarbeitung des Gesamtkonzeptes ist dafür Sorge zu tragen, dass Maßnahmen, die aus dem Sachwertschutz freiwillig durchgeführt werden, z.B. Brandmeldeanlage, nicht als Erleichterung für baurechtliche Anforderungen eingesetzt werden. Es besteht die Gefahr, dass bei einer Nutzungsänderung neben der Anlage auch der Anlagenschutz zurückgebaut wird und so die Grundlage für die Erleichterung entfällt. Als vorbeugende Brandschutzmaßnahmen sind zu nennen: – – –

Sauberkeit der Betriebsräume gewährleisten Keine Ablagerungen auf Kabelpritschen zulssen Heißarbeitserlaubnis einführen

Neben dem reinen Selbstentzündungsphänomen kann es in Siloanlagen auch durch extern eingetragene Zündquellen zur Bildung von Hot Spots und Ausbreitung von Glimmbränden kommen. Initiiert werden diese Glimmbände durch den Eintrag heißer Partikel, z.B. überhitztes Material aus Trocknern, Pressen oder Mühlen. Zur Überwachung der Betriebsbedingungen bieten sich Funkendetektionen oder CO-Überwachungen an.

Literaturverzeichnis

223

Abwehrende Schutzmaßnahmen Auch mit den vorgestellten technischen vorbeugenden Maßnahmen ist kein vollständiger Schutz vor Glimmbränden möglich, wenngleich das durch die vorbeugenden Schutzmaßnahmen verbleibende Restrisiko allgemein akzeptiert wird. Aufgrund des hohen Schadenspotentials sind daher zusätzliche abwehrende Maßnahmen vorzusehen. In Holzpelletanlagen sind daher ergänzend Funkenerkennungs- und Löschsysteme als Brandschutzmaßnahme installiert. Dabei haben sich die folgenden Installationsorte in Anlagen zur Holzpelletherstellung als Brandschutzmaßnahme bewährt. – – – –

jeweils nach den Trocknerausgängen im Materialausgang der Trockenspanmühle jeweils im Materialausgang der Pelletpressen jeweils in den Materialausgängen und der Aspirationen der Pelletkühler

Im Falle eines Silobrandes zeigen die klassischen Löschmittel nicht die gewünschte Wirkung, da Wasser in Kanälen innerhalb der Schüttung herunter rinnt, ohne zwangsläufig den Brandherd zu löschen und Schaum die Schüttungsoberfläche bedeckt und den freie Zug der Brandgase behindert. Dadurch sinkt das Sauerstoffangebot und die Brandgase (meist brennbares Kohlenmonoxid) können sich aufgrund der unvollständigen Verbrennung unterhalb der Schaumdecke akkumulieren. Bei einem unkontrollierten Öffnen des Silos kann Sauerstoff zugeführt werden, so dass der schwelende Glimmbrand in einen offenen Brand überschlagen kann. Zudem kann durch den Einsatz von Löschstrahlen Staub aufgewirbelt werden, welcher sich an der heißen Oberfläche entzündet und zur Explosion gebracht werden kann. Grundsätzlich ist bei der Auswahl der abwehrenden Maßnahmen zu berücksichtigen, dass der Silobrand ein langsamer Prozess ist (eher Tage und Wochen als Stunden) und damit genügend Zeit bleibt, wirkungsvolle Maßnahmen vorzubereiten und durchzuführen.

224

8 Brand- und Explosionsschutz

Literaturverzeichnis /1/

/2/ /3/ /4/ /5/ /6/ /7/ /8/ /9/ /10/ /11/ /12/ /13/ /14/ /15/ /16/

/17/

BetrSichV – Betriebssicherheitsverordnung (18.12.2008) Verordnung über Sicherheit und Gesundheitsschutz bei der Bereitstellung von Arbeitsmitteln und deren Benutzung bei der Arbeit, über Sicherheit beim Betrieb überwachungsbedürftiger Anlagen und über die Organisation des betrieblichen Arbeitsschutzes FireEx Consultant GmbH, Richard Siwek, CH-4304 Giebenach, www.fireex.eu DIN EN 1127-1 (Februar 2008) Explosionsfähige Atmosphären - Explosionsschutz - Teil 1: Grundlagen und Methodik DIN EN 10204 (Januar 2005) Metallische Erzeugnisse - Arten von Prüfbescheinigungen DIN EN 13445 (August 2002) Unbefeuerte Druckbehälter, Teil 1: Allgemeines DIN EN 13463-1 (Juli 2009) Nicht-elektrische Geräte für den Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen - Teil 1: Grundlagen und Anforderungen DIN EN 14460 (Juli 2006) Explosionsfeste Geräte DIN EN 14491 (August 2007) Schutzsysteme zur Druckentlastung von Staubexplosionen DIN EN 15089 (Juli 2009) Explosionsentkopplungssysteme DIN EN 60079-10-2 (März 2010) Explosionsfähige Atmosphäre Teil 10-2: Einteilung der Bereiche - Staubexplosionsgefährdete Bereiche Explosionsschutzverordnung (Januar 2004) Elfte Verordnung zum Geräte- und Produktsicherheitsgesetz GefStoffV – Gefahrstoffverordnung (18.12.2008) Verordnung zum Schutz vor Gefahrstoffen Gestis-Stoffdatenbank Institut für Arbeitsschutz der Deutschen Gesetzlichen Unfallversicherung (IFA), http://www.dguv.de/ifa/de/gestis/expl/index.jsp IndBauRL (Mai 2001) Richtlinie über den baulichen Brandschutz mit Industriebau NFPA 68 (2007) Standard on Explosion Protection by Deflagration Venting Richtlinie 94/9/EG des Europäischen Parlaments und des Rates vom 23. März 1994 zur Angleichung der Rechtsvorschriften der Mitgliedsstaaten für Geräte und Schutzsysteme zur bestimmungsgemäßen Verwendung in explosionsgefährdeten Bereichen (ATEX 95) Richtlinie 1999/92/EG des Europäischen Parlamentes und des Rates vom 16. Dezember 1999 über die Mindestvorschriften zur Verbesserung des

Literaturverzeichnis

/18/ /19/ /20/ /21/ /22/

225

Gesundheitsschutzes und der Sicherheit der Arbeitnehmer, die durch explosionsfähige Atmosphären gefährdet werden können (ATEX 137) TRBS 1201 Teil 1 (September 2006) Prüfung von Anlagen in explosionsgefährdeten Bereichen und Überprüfung von Arbeitsplätzen in explosionsgefährdeten Bereichen TRBS 1203 (März 2010) Befähigte Personen TRBS 2152-3 (November 2009) Gefährliche, explosionsfähige Atmosphäre - Vermeidung der Entzündung gefährlicher explosionsfähiger Atmosphäre TRBS 2152 Teil 4 (Juni 2008) Maßnahmen des konstruktiven Explosionsschutzes, welche die Auswirkungen einer Explosion auf ein unbedenkliches Maß beschränken VDI 3673 Blatt 1 (November 2002) Druckentlastung von Staubexplosionen,

9 Wirtschaftlichkeit von Pelletkesseln ............................................................. 228 9.1 Brennstoffpreise....................................................................................... 228 9.2 Wirtschaftlicher Vergleich verschiedener Heizsysteme .......................... 230 Literaturverzeichnis ....................................................................................... 233

228

9 Wirtschaftlichkeit von Pelletkesseln228

9 Wirtschaftlichkeit von Pelletkesseln

Das Heizen mit Biomasse hat in den letzten Jahren deutlich zugenommen. Dank des gestiegenen Bedienungskomforts, der Anlagenzuverlässigkeit und verbesserter Umwelteigenschaften interessieren sich immer mehr Verbraucher für diese klimafreundliche Art zu Heizen. Vor allem Holzpelletanlagen haben inzwischen einen hohen Bekanntheitsgrad erreicht. In diesem Kapitel wird der wirtschaftliche Vergleich von Pelletheizsystemen zu den am verbreitetesten alternativen Systemen auf Basis von Erdgas und Heizöl beschrieben.

9.1 Brennstoffpreise Pellets stellen im Vergleich zu fossilen Energieträgern eine konkurrenzfähige Alternative dar. Dies begründet sich vor allem durch die heutzutage möglichen geringeren Brennstoffkosten. Die Kosten für Öl und Gas haben sich zusätzlich in den letzten Jahren sehr volatil entwickel. So erreichte der Heizölpreis im Sommer 2008 einen Rekordstand von über 90 ct/l. Da die Erdgaspreise noch vielfach an den Ölpreis gekoppelt sind, ist hier die Entwicklung ähnlich. Jedoch ist zu beobachten, dass sich viele Anbieter von der Anlehnung an den Ölpreis lösen. Vor der konkreten Wirtschaftlichkeitsbetrachtung ist in Abbildung 9.1 die Entwicklung der Energiepreise für Pellets, Erdgas und Heizöl dargestellt. Basis der Daten sind Verbraucherpreise für die Abnahmen von 3.000 l Heizöl, 33.540 kWh Gas bzw. 6 t Pellets (inkl. MwSt. und sonstigen Kosten). Die Bezugsgröße für den Energieinhalt ist der untere Heizwert. Die Grafik verdeutlicht die Vorteile der Pellets bezogen auf den spezifischen Brennstoffpreis bei den angegebenen Abnahmemengen wie sie für ein größeres Einfamilienhaus oder ein Zweifamilienhaus möglich sind. Die Pelletpreise zwischen Mai 2009 und Mai 2010 sind in Abbildung 9.2 dargestellt. Der Preis schwankte zwischen diesen 12 Monaten zwi-

S. Döring, Pellets als Energieträger, DOI 10.1007/978-3-642-01624-0_9, © Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2011

9.1 Brennstoffpreise

229

schen 204 und 230 €/t um etwa 11% (Basis 230 €/t). In Heizöläquivalent läge der Preis etwa zwischen 41,6 und 46,9 ct/l Heizöl.

Abb. 9.1: Energiepreisentwicklung in Deutschland zwischen 2005-2011 /1/

Abb. 9.2: Entwicklung des Pelletpreises in Deutschland /1/

230

9 Wirtschaftlichkeit von Pelletkesseln230

Wie bei allen Heizungssystemen ist auch bei einer Pelletheizung jeweils eine individuelle Auslegung zu beachten. Von Raumöfen mit Warmwasseraufbereitung bis zu Zentralheizungen für mehrere Wohneinheiten wird auf dem Markt alles angeboten. Zusätzlich gibt es viele seriöse Angebote für Pellet-SolarthermieKombianlagen. Hierdurch kann die Pelletheizung im Sommer meist vollständig außer Betrieb bleiben, da das Brauchwasser allein durch die Solaranlage erwärmt werden kann. Pelletkessel sollten immer mit einem Warmwasserspeicher kombiniert werden, was die Investition erhöht. So wird jedoch die Anzahl der Starts minimiert und die Anlage läuft länger im optimalen Arbeitspunkt, da der Speicher als Puffer zwischen Heizungsnetz und Kessel fungiert. Bezüglich der Gaspreise ist zu beachten, dass der Gasmarkt liberalisiert ist und es somit derzeit schwer fällt, einen repräsentativen Preis festzulegen. Streut man eine Anfrage an zahlreiche Anbieter erhält man Gaspreise die sich um bis zu 100% unterscheiden.

9.2 Wirtschaftlicher Vergleich verschiedener Heizsysteme Im nachfolgenden Beispiel (s. Tabelle 9.1) wird ein Heizsystem eines Ein- bis Zweifamilienhauses (je nach baulicher Ausführung) mit einem jährlichen Wärmebedarf (Pos. 1) von 20.000 kWh/a untersucht. Der spezifische Verbrauch wurde mit 80 kWh/m² angenommen. Ein Passivhaus erreicht dagegen bis zu 15 kWh/m² und KfW 60-Häuser 60 kWh/m². Der Jahresnutzungsgrad (Pos. 2) für Pelletheizungen basiert auf der praktischen Erfahrung einiger Pelletheizanlagenbesitzer. Die benötigte Brennstoffenergie (Pos. 3) ergibt sich als Quotient aus Wärmebedarf und Jahresnutzungsgrad. Der Heizwert (Pos. 4) gibt den Energieinhalt des Brennstoffs wieder und ist erforderlich um die benötigte Brennstoffmenge zu ermitteln. Der Brennstoffpreis (Pos. 5) stellt eine Momentaufnahme der Marktpreise dar. Basis der Daten sind Verbraucherpreise für die Abnahmen von 3.000 l Heizöl, 33.540 kWh Gas bzw. 6 t Pellets (inkl. MwSt. und sonstigen Kosten). Die Bezugsgröße für den Energieinhalt ist der untere Heizwert. Der Brennstoffbedarf (Pos. 6) ergibt sich als Quotient aus Brennstoffenergie (Pos. 3) und Heizwert (Pos. 4) mit zusätzlicher Berücksichtigung eines Faktors zur Korrektur der Einheiten. Die Investitionskosten (Pos. 7) beinhalten alle Kosten für die Installation der Heizungsanlage. Die Heizkörper und das Heizungsnetz sind nicht berücksichtigt. Zu den Kosten gehören u.a. der Heizkessel mit Peripherie, das Brennstofflager mit Brennstofftransport, der Kamin und die Montage sowie die Inbetriebnahme der Anlage. In 2009 konnten von diesen Kosten mögliche Fördermittel reduziert werden. Ein bekanntes Förderinstrument war das Marktanreizprogramm MAP für Pelletheizungen, die hierdurch einen erheblichen Vorteil erfuhren. Das Förderprogramm wurden jedoch im Mai 2010 eingestellt uns steht dem Bauherrn derzeit nicht zur Verfügung. Damit muss der Pelletkessel ohne Förderprogramme neben den konkurrierenden Systemen bestehen. Die Kapitalkosten (Pos. 8) setzen sich aus den Abschreibungen und den Zinsen zusammen. Sie haben nach den Brennstoffkosten den größten Einfluss auf die

9.2 Wirtschaftlicher Vergleich verschiedener Heizsysteme

231

Wirtschaftlichkeit der Anlage. Die Abschreibung wurde für folgendes Beispiel linear über 20 Jahre gebildet. Der Zins wurde dynamisch für jedes Jahr kalkuliert. Die Gesamtzinsen wurden durch die Abschreibungszeit dividiert um einen durchschnittlichen Zins zu erhalten. Abschreibungen zuzüglich durchschnittlichen Zinses ergeben die Kapitalkosten. Bezüglich des Zinssatzes wurde der Pelletkessel mit 4% und die Erdgas- und Heizölkessel mit 5% berücksichtigt, da davon ausgegangen werden kann, im Falle der Nutzung regenerativer Energie von der KfW zinsgünstige Darlehen in Anspruch nehmen zu können. Der Zinssatz ist ggf. geringer anzusetzen, was den Vorteil für die Pelletheizung enorm erhöht. Die Brennstoffkosten (9) ergeben sich als Produkt aus Brennstoffpreis (5) und Brennstoffbedarf (6). Die sonstigen Kosten (10) beinhalten Kaminkehren, Stromverbrauch und Emissionsmessungen. Durch die höhere Verschmutzung fester Brennstoffe stellt sich hier der Nachteil für die Pelletheizung heraus. Die spezifischen Kosten geben die Kosten in Euro pro Wärmeeinheit MWh wieder und sind der Indikator für die Beurteilung der Wirtschaftlichkeit der verschiedenen Heizsysteme. Tabelle 9.1: Vergleich der Wirtschaftlichkeit von Heizsystemen basierend auf Pellets, Heizöl und Erdgas Pos. Parameter

Einheit

1

Wärmebedarf

kWh/a

2

Jahresnutzungsgrad

%

3

Brennstoffenergie

kWh/a kWh/kg

4

Heizwert Hu

Pellet

Heizöl

Erdgas

20.000

20.000

20.000

83

88

90

24.096

22.727

22.222

4,9

kWh/l

9,97

kWh/m³ €/t 5

Brennstoffpreis

0,63

€/m³

t/a Brennstoffbedarf

223

€/l

€/MWh

6

10

0,66 45,51

63,19

66,00

4,92

l/a

2280

m³/a

2222

7

Investition

€

13.000

9.100

8.300

8

Kapitalkosten, 20 Jahre

€

923

693

632

9

Brennstoffkosten

€/a

1.097

1.436

1.467

10 Sonstige Betriebskosten

€/a

160

85

65

11 Gesamtkosten

€/a

2.180

2.214

2.164

12 Spezifische Kosten

€/MWh

108,98

110,71

108,18

232

9 Wirtschaftlichkeit von Pelletkesseln232

Als Ergebnis ist zum einen festzuhalten, dass der Pellet bezüglich Brennstoffpreis (5) erheblich günstiger ist als Heizöl und Erdgas. Wird als Basis der Brennstoffpreis für Pellets mit 45,51 €/MWh angenommen, so sind die Kosten für Heizöl rund 39% und die für Erdgas um rund 45% höher. Demgegenüber stehen höhere Kapital- und Betriebskosten beim Pelletkessel, die diesen Vorteil beinahe kompensieren. Bei den spezifischen Kosten ergibt sich nahezu ein Gleichstand zwischen Erdgaskessel mit 108,18 €/MWh und Pelletkessel mit 108,98 €/MWh. Der Unterschied beträgt bei dem angenommenen jährlichen Wärmeverbrauch von 20.000 kWh bzw. 20 MWh eine Einsparung bei Erdgas in Höhe von 16 €/Jahr. Gegenüber dem Heizölkessel, der mit 110,71 €/MWh abschließt, weist der Pelletkessel geringere Kosten in Höhe von 1,6% aus. Werden auch die Nachkommastellen berücksichtigt, ergeben sich Einsparungen in Höhe von rund 34 €/Jahr. Wenn der Zinssatz für Erdöl- und Erdgasheizungen bei 5% fixiert wird und der bezüglich Pelletheizungen von 4% auf 3,5% sinkt, wird in dem angegebenen Beispiel der Pelletkessel günstiger als der Erdgas und Heizölkessel. Ein derartiger Zinsunterschied ist als realistisch einzustufen. Es bleibt festzuhalten, dass die Wirtschaftlichkeit der Heizsysteme vor allem von den Brennstoffpreisen, dem Anschaffungspreis und dem Zinssatz für den Kredit abhängt. Damit ist die Berechnung individuell für jeden Einzelfall durchzuführen.

Literaturverzeichnis

233

Literaturverzeichnis /1/

Solar Promotion GmbH, 2010; pelletsmagazin.de/downloads/grafiken

Pelletmagazin,

www.

10 Forschung und Entwicklung ....................................................................... 236 10.1 Optimierung der Pelletproduktion ......................................................... 237 10.2 Optimierung der Einsatzfähigkeit von Pellets zur energetischen Nutzung ......................................................................................................... 239

236

10 Forschung und Entwicklung

10 Forschung und Entwicklung

Pellets werden in Deutschland seit 2001 großtechnisch produziert. Nach Kenntnis des Autors war die erste Industrieanlage zur Produktion von Holzpellets in Deutschland die Anlage der Westerwälder Holzpellets GmbH in Langenbach bei Kirburg im Westerwald. Diese wurde auf Initiative des Gesellschafters und Geschäftsführers Markus Mann auf seinem Firmengelände neben einem Biomasseheizkraftwerk, dessen Wärme für die Trocknung der Späne genutzt wird, errichtet. In diesem Kapitel wird auf technische Aspekte sowie auf Biomassepotentiale eingegangen. Daher sei hier erwähnt, dass die Entwicklung im Bereich Marketing und Aufklärung mit diesem Werk begonnen hat. Massenweise Schulungen von Heizungsfirmen, Schornsteinfegern, Präsentationen etc., wie sie damals durch das Unternehmen durchgeführt wurden, sind heute nicht mehr erforderlich und damit nicht mehr Bestandteil des Themas Entwicklung. Dennoch hat dieser Pioniergeist ausschlaggebenden Einfluss auf die Geschwindigkeit der Verbreitung von Holzpellets als Energieträger genommen. Die Entwicklung und Effizienzsteigerung der Pelletkessel schreitet enorm voran. Die derart hochentwickelten Kessel mit Ihren hervorragenden Wirkungsgraden stellen entsprechend hohe Anforderungen an den Brennstoff. Die Situation in Deutschland, Österreich, Italien etc. ist nicht mit z.B. dem skandinavischem Markt zu vergleichen. Hier wurden Pellets eingesetzt lange bevor in Deutschland die erste Pelletproduktion ihren Betrieb aufnahm. Die Pelletkessel sind derart robust, dass die Ansprüche an die Pelletqualität, verglichen zum deutschen Markt, gering sind. Für die Produktion qualitativ hochwertiger Pellets stellt die Kenntnis der folgenden Ausgangsparameter eine essentielle Grundlage dar. Zunächst muss der Pelletierer die charakteristischen Eigenschaften des Rohmaterials kennen, um die individuellen Prozesskomponenten der Rohmaterialaufbereitung entsprechend zu justieren. Zum anderen bestimmen die Qualitätsanforderungen des Endproduktes bzw. des Konsumenten über die notwendigen Konditionierungsmaßnahmen und Pressparameter während des Produktionsprozesses (z. B. Einsatz von Bindemittel, Maße der Pellets). Letztendlich beeinflusst jedoch auch das Brennstoffhändling

S. Döring, Pellets als Energieträger, DOI 10.1007/978-3-642-01624-0_10, © Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2011

10.1 Optimierung der Pelletproduktion

237

und dessen Konditionen (Feuchtigkeit, Lagerzeit u. s. w.) während des Pellettransports, der Lagerung sowie die konstruktive Gestaltung und Funktionsfähigkeit der Feuerungsanlage selbst über den erfolgreichen Einsatz des Brennstoffs. Das Zusammenspiel dieser vielfältigen Komponenten stellt in der Praxis eine große Herausforderung dar, da mehrere z.T. konkurrierende Akteure innerhalb der Brennstoffbereitstellungskette auf die Pelletqualität Einfluss nehmen können und bei der (Weiter-)Entwicklung von optimierten Feuerungsanlagen von standardisierten Brennstoffkennwerten ausgegangen wird. Trotz zunehmendem Bewusstsein der Branche ein geschlossenes Brennstoffqualitätssicherungssystem für den Endkunden bereitzustellen, zeigt der ein oder andere Schadensfall, dass weiterer Forschungs- und Qualifizierungsbedarf sowie Optimierungsmaßnahmen in der Pelletproduktion, der Brennstoff- und Feuerungsanlagenstandardisierung, der Bereitstellung von verifizierbaren Mess- und Prüfmethoden, der Pelletlagerung sowie der Minderung von Schadstoffemissionen aus der Verbrennung notwendig sind. Einige der wichtigsten „Baustellen“ werden nachfolgend beschrieben.

10.1 Optimierung der Pelletproduktion Pellets werden derzeit zum größten Teil aus holzartiger Biomasse hergestellt, wobei nur zu einem geringen Anteil rindenhaltiges Material eingesetzt wird – unabhängig davon, ob die Pellets für den Premiumpellet- oder Industriepelletmarkt bestimmt sind. Insbesondere wird Rinde vor der Pelletierung vom Rohstoff getrennt, da die Presswerkzeuge dem abrasiven verhalten der Rinde nicht gewachsen sind und somit die Produktionskosten durch erhöhten Verschleiß unwirtschaftlich werden. In Anbetracht der begrenzt verfügbaren qualitativ hochwertigen technischen Rohstoffpotenziale zur Pelletproduktion erscheint eine sinnvolle Stoffstromlenkung innerhalb des Pelletmarktes zunehmend notwendig, um sowohl den effizienten Einsatz von Holzpellets im Kleinverbrauchermarkt als auch den wachsenden Bedarf an Industriepellets für den Kraftwerkssektor bedienen zu können. Die Steuerung des Materialstroms kann sowohl politisch (z. B. Rohstoffrestriktionen bzw. Anreize für den Einsatz von alternativen Biomassen für den Kraftwerkssektor, wie in GB oder Polen) als auch monetär (z. B. deutliche Preisdifferenz zwischen Agropellets und Holzpremiumpellets) erfolgen. Sie muss jedoch von den Pelletierern und Brennstoffhändlern aktiv unterstützt werden, um potenzielle Kunden über die Vor- und Nachteile unterschiedlicher Pelletqualitäten fachgerecht aufzuklären. Die flexible Produktion von Pellets unterschiedlicher Rohstoff- und Endproduktqualitäten erfordert zukünftig für Planer, Anlagenhersteller und Pelletierer ein bedeutend umfangreicheres Wissen zu den charakterisierenden Eigenschaften der Rohmaterialien und der Einbeziehung von Binde- oder Zuschlagstoffen in den Pelletierprozess. Hierbei sollte auch die Beimischung von flüssigen oder in Dampf gelösten Additiven in Betracht gezogen werden,

238

10 Forschung und Entwicklung

die sowohl zur Brennstoffqualitätssteigerung als auch zur Prozessoptimierung beitragen können. Darüber hinaus bietet der enzymatische Aufschluss des biogenen Rohmaterials zur Aktivierung neuer Brückenbindungen eine zusätzliche Option zur verfahrenstechnischen Weiterentwicklung des Pelletierprozesses. Der Einsatz neuer Rohstoffaufbereitungs- und Konditionierungsmaßnahmen bedingt jedoch die Bereitstellung von technischen Anlagenkomponenten, die z. B. eine möglichst homogene Beimischung von alternativen Additiven (neben pulverförmigen Presshilfsmitteln) garantieren und auch bei z. T. härteren Rohstoffeinsätzen (Harthölzern) minimale Verschleiß- und Wartungsintervalle verursachen. Ebenso kann mittelfristig die gezielte Mischung unterschiedlicher Rohstoffqualitäten eine Möglichkeit zur Kompensation von ungünstigen Pelletierund Verbrennungseigenschaften sein und dabei die Erschließung neuer kostengünstiger und / oder regionaler Rohstoffpotenziale ermöglichen. Die kontinuierliche Analyse und Evaluierung von Energie- und Kosteneinsparpotenzialen während der Pelletproduktion kann weiterhin zur Senkung bzw. Sicherung eines möglichst konstanten Pelletpreisniveaus beitragen. Bei der Planung neuer Pelletwerke sollte insbesondere die Verwendung nachhaltiger möglichst regionaler Rohstoffaufkommen einbezogen werden. Das individuelle Standortkonzept in seiner Dimension und Langlebigkeit muss stets auch als ein Beitrag zur regionalen Wertschöpfung gesehen werden. Somit sind kurz- bis mittelfristig folgende Forschungs- und Entwicklungsschwerpunkte für die Optimierung des Pelletproduktionsprozesses relevant: – – – –

– –

Charakterisierung der Eigenschaften biogener Rohmaterialien zur Pelletierung, unter Einbeziehung land- und forstwirtschaftlicher Biomasse sowie industrieller Reststoffe, Lagerkonditionen und Alterungsprozesse Ermittlung des Rohstoffpotentials weltweit auch in Entwicklungsländern sowie Bewertung der Logistikkonzepte zur Erschließung der Rohstoffmärkte Bereitstellung von effektiven und möglichst flexiblen Rohstoffaufbereitungsverfahren zur Zerkleinerung und Trocknung von Halmgut und Biomasse aus Früchten für die Pelletproduktion Untersuchungen zur Beimischung von Additiven zur Optimierung der physikalisch-mechanischen Brennstoffeigenschaften von nicht-Holzpellets oder Mischpellets (z. B. zur Erhöhung der Brennstofffestigkeit) sowie zur Kompensation ungünstiger chemisch-stofflicher Brennstoffeigenschaften (z. B. zur Reduzierung von Partikelemissionen oder zur Verbesserung des Ascheschmelzverhaltens) Verbesserung der technischen Möglichkeiten der Zumischung von Bindemitteln und Zuschlagstoffen; Optimierung der Konditionierungsparameter wie Wasser-/Dampfeinsatz, Zeit- und Energieaufwand) Verfahrenstechnische Weiterentwicklung des Pressverfahrens unter Berücksichtigung möglichst flexibler rohstoffspezifischer Adaptierungen (Reduzierung des Energieeinsatzes, Minimierung der Wartungs- und

10.2 Optimierung der Einsatzfähigkeit von Pellets zur energetischen Nutzung

– – –

239

Instandhaltungszeiten/-kosten, Optimierung von Matrizen und Kollerkonstruktion, verschleißresistentere Materialien) Analyse und Beschreibung variabler Brennstoffeigenschaften während der Pelletlagerung und des Transports Optimierung der Messmethoden und Prüfstandards zur brennstoffspezifischen Analyse, Validierbarkeit der Untersuchungsergebnisse Weiterentwicklung der Produktstandards und Qualitätssicherungsmaßnahmen für Holz- und Nicht-Holzpellets nach Anwendungstechnologie und Leistungsklasse

10.2 Optimierung der Einsatzfähigkeit von Pellets zur energetischen Nutzung Parallel zur Optimierung und Weiterentwicklung der Pelletproduktion ist die technische Reifung der Verbrennungsanlagen erforderlich, die – trotz der Notwendigkeit hoher Kostenreduktionen bei der Anlagenherstellung zur Steigerung der Wettbewerbsfähigkeit im Vergleich zu fossilen Feuerungsanlagen – mit Hilfe von angepassten Feuerraumkonstruktionen den Einsatz von Pellets mit höheren Ascheund emissionsseitigen Schadstoffgehalten garantieren. Die Verwendung von korrosionsbeständigen Materialien, Luft- oder Wasser-gekühlten Rosten sowie kostengünstige Sekundärmaßnahmen zur Schadstoffreduzierung des Abgases sind bereits in der Entwicklung. Prozessoptimierte Steuerelemente, die sowohl die Brennstoff- als auch die Luftzuführung im Brennraum individuell und automatisch regeln können, sollten ebenfalls weiter entwickelt werden. Dazu gehört beispielsweise auch der standardisierte Einbau von langlebigen Lambdasonden in Kleinfeuerungsanlagen, die Synchronisierung des Brennstoffeintrages in den Feuerraum entsprechend des aktuellen Lastanforderungsprofils (Wärmebedarf), der Brennraumtemperatur und Abgasemissionen (CO/TOC-Gehalts) und der Gesamteffektivität der Verbrennungsanlage (Nutzungsgrad). Weiterhin könnte mittel- bis langfristig eine Vereinheitlichung der konstruktiven Gestaltung der Brennstoffzufuhr (einschließlich Brennstoffschnecken) in den Pelletkessel/-öfen sowie der Brennkammer eine zunehmende Homogenisierung der Pelletsqualitäten mit sich bringen. Verschiedene Praxisuntersuchungen haben jedoch auch gezeigt, dass neben der Pellet-Feuerungsstätte auch die hydraulische Einbindung der Anlage in das vorhandene Leitungsnetz große Optimierungspotenziale bietet. Zusätzlich kann eine Reduzierung von Teillastzuständen durch den Einbau von Pufferspeichern und der Kombination der Pelletheizung mit einer solarthermischen Brauchwassererwärmungen erreicht werden. Abgasseitig wird der Einbau von Zugbegrenzern im Schornstein weiter ausgebaut. Die Feinstaubemissionen von Pelletanlagen werden bereits heute in mehreren Forschungsprojekten (z. B. am TFZ, der TU-Hamburg-Harburg und dem

240

10 Forschung und Entwicklung

DBFZ) u. a. hinsichtlich ihrer Herkunft, Zusammensetzung und Wirkmechanismen auf Menschen analysiert. Es wird erwartet, dass die aktuellen wissenschaftlichen Studien und laufenden Praxisuntersuchungen im Ergebnis auf effektive Maßnahmen zur Feinstaubvermeidung bzw. Reduzierung verweisen. Neben den bereits laufenden Forschungsaktivitäten besteht weiterer Bedarf zur Optimierung der Einsatzmöglichkeiten von Pellets zur energetischen Nutzung hinsichtlich der – – – – – – – – –

Brennstoffzuführung und Ascheaustragung in bzw. aus dem Feuerraum Feuerraumgestaltung des Kessels bzw. Ofens zur Optimierung des Brennstoffausbrandes, der Reduzierung von Schadstoffemissionen und der effektiven Wärmeübertragung Verfügbarkeit von (in DE) zulassungsfähigen Feuerungsanlagen im kleinen und mittleren Leistungsbereich zum Einsatz halmgutartiger Pellets oder Mischpellets (z. B. Holz plus Halmgut oder sonstiger Biomasse) Bereitstellung effektiver Partikelabscheider Optimierung des Jahresnutzungsgrades der Feuerungsanlage unter Einbeziehung von Wärmedämm- und -rückgewinnungsmaßnahmen sowie der Kombination von Pellet- mit Solaranlagen Senkung der Produktionskosten der Feuerungsanlage sowie der technischen Anlagenkomponenten zur Brennstoffförderung und Abgasaufbereitung Einsatz von Pellets in Anlagen zur gekoppelten Strom- und Wärmeerzeugung (z. B. Stirlinganlagen) Fixierung von Nachhaltigkeitskriterien zur Bewertung des Pelleteinsatzes zur Energiebereitstellung Torrefaction / Karbonisierung verschiedener Biomassen mit anschließender Pelletierung für den Einsatz in Kohlekraftwerken

Vor dem Hintergrund der o. g. zahlreichen Forschungsaspekte bleibt zu hoffen, dass die Optimierung des Energieträgers Pellets in den nächsten Jahren weiter vorankommt und die dafür notwendigen Forschungsmittel von der Industrie, dem Mittelstand und der öffentlichen Hand in ausreichender Höhe zur Verfügung gestellt werden. Bis die ökonomische Konkurrenzfähigkeit von Pellets zur Stromund Wärmeerzeugung gegenüber fossilen Brennstoffen nicht sichergestellt werden kann, werden die politischen und gesetzlichen Rahmenbedingungen (z. B. Zielquoten des Einsatzes von Biomasse oder die Ausgestaltung des EEG bzw. EEWärmeG) das Wachstum des internationalen und der nationalen Märkte bestimmen. Für die Akteure der Branche und potenziellen Investoren bedeutet dies, dass nur bei langfristig stabilen Rahmenbedingungen und Förderprogrammen eine höhere Auslastung der bestehenden Pelletproduktionskapazitäten möglich ist und die aktuellen Pelletproduktionsmengen auch weiterhin zur Substitution fossiler Brennstoffe eingesetzt werden können. Für den mittel- und langfristigen Ausbau des Pelletmarktes ist jedoch neben stabilen Rahmenbedingungen auch die Mobilisierung zusätzlicher Rohstoffpotenziale (z. B. Einsatz von Waldrestholz, Energiepflanzen, Stroh) zur Absicherung der Produktionskapazitäten dringend notwendig.

Anhang ............................................................................................................... 242 Physikalische Größen und deren Umrechnungsformeln ................................ 242 Umrechnung der wichtigsten Einheiten des fps- in das SI-System /1/ ...... 242 Wichtige Einheiten der Mechanik /1/ ........................................................ 243 Wichtige Einheiten der Wärmelehre /1/ .................................................... 244 Wärmemenge Q ............................................................................................. 245 Wärmedurchgangszahl k für verschiedene Stoffe und Materialien ............... 245 Heizwerte und Energieäquivalente verschiedener Brennstoffe ..................... 246 Allgemeine Umrechnungsfaktoren für Holzmengen ..................................... 246 Verbrennungstechnische Daten von Buche und Fichte/Tanne bei 18% Wassergehalt.................................................................................................. 247 Raumgewichte verschiedener Hölzer bei 15% Wassergehalt ........................ 247 Hersteller für Pelletkessel .............................................................................. 247 Pelletlieferanten ............................................................................................. 249 Pelletproduzenten in Deutschland ................................................................. 250 Förderdatenbanken ........................................................................................ 252 Informationsquellen ....................................................................................... 252 Literaturverzeichnis ....................................................................................... 254

242

Anhang

Anhang

Physikalische Größen und deren Umrechnungsformeln

Umrechnung der wichtigsten Einheiten des fps- in das SI-System /1/ fps

SI (m kg s)

Länge

1 ft = 1/3yd = 12 in

Fläche

1 ft2 = 144 in2

1 ft = 0,3048 m; 1 mi = 1609,34 m 1 ft2 = 0,092903 m2

Volumen

1 ft3 = 1728 in3 = 6,22882 gal (UK) 1 gal (US) = 0,83268 gal (UK)

1 ft3 = 0,0283169 m3

Geschwindigkeit

1 ft/s

1 bu (US) = 35,2393 l; 1 bbl (US) = 115,627 l 1 ft/s = 0,3048 m/s

Beschleunigung

1 knot = 1,150785 mile/h = 1,6877 ft/s 1 ft/s2

1 ft/s2 = 0,3048 m/s2

Masse

Kraft Arbeit

1 lb = cwt/112; 1 sh tn =2000 lb 1 slug = 32,174 lb; 1 ln tn = 2240 lb 1 lbf

1 slug = 14,5939 kg

1 pdl = 0,031081 lbf

1 pdl = 0,138255 N

1 ft lb = 0,323832 calIT

1 ft lb = 1,35582 J

1 btu = 252 calIT = 778,21 ft lb Druck

2

-3

2

1 lb/ft = 6,9444·10 lb/in

1 lb = 0,453592 kg

1 lbf = 4,44822 N

1 btu = 1,05506 kJ 1 lb/ft2 = 47,88 N/m2

S. Döring, Pellets als Energieträger, DOI 10.1007/978-3-642-01624-0, © Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2011

Physikalische Größen und deren Umrechnungsformeln

Dichte

Temperatur Leistung spezif. Wärmekapazität

1 lb/in2 = 0,068046 atm

1 lb/in2 = 6894,76 N/m2

1 atm = 29,92 in Hg = 33,90 ft water 1 lb/ft3 = 5,78704·10-4 lb/in3

1 atm = 1,01325 bar 1 lb/ft3 = 16,0185 kg/m3

1 lb/gal = 6,22882 lb/ft3

1 lb/gal = 99,7633 kg/m3

32 degF = 0°C; 212 degF = 100°C 1 ft lb/s = 1,8182· 103 hp = 1,28505·10-3 btu/s

1 degF = 0,5556°C

1 btu/(lb degF)

Wärmeleitfähig- 1 btu/(ft h degF) keit Wärmeüber1 btu/(ft2 h degF) gangs(durchgangs)koeffizient

1 ft lb/s = 1,35582 W 1 btu/(lb degF) = 4,1868 kJ/(kg·K) 1 btu/(ft h degF) = 1,7306 W/(m·K) 1 btu/(ft2 h degF) = 5,6778 W/(m2·K)

Wichtige Einheiten der Mechanik /1/ Einheit

Symbol

Physikalische bzw. technische Größe

Beschreibung durch Basiseinheiten

Kilogramm

kg

Masse



kg/s

Massestrom



kg • m2

Massenmoment 2. Grades



kg/m3

Dichte



m3/kg

spezifisches Volumen



m2/s

kinematische Viskosität



N

Kraft

1 N= 1 kg • m/s2

Pascal

Pa

Druck

1 Pa= lkg/(m • s2)

Joule

J

Arbeit, Energie

1 J = 1 kg • m2/s2

Kilogramm je Sekunde Kilogramm mal Quadratmeter Kilogramm je Kubikmeter Kubikmeter je Kilogramm Quadratmeter je Sekunde Newton

243

244

Anhang

Watt

W

Leistung

Newtonmeter

N•m

Kraftmoment

Newton je Quadratmeter

N/m2

Spannung

Pascalsekunde Pa • s

dynamische Viskosität

1 W= 1 kg • m2/s3 1 N • m= 1 kg • m2/s2 1 N/m2 = 1 kg/(m • s2) 1 Pa • s = 1 kg/(m • s)

Joule je Kubikmeter Tonne

J/rn3

Energiedichte

1 J/m3 = lkg/(m • s2)

t

Masse

1 t= 1 • 103 kg

Gramm

g

Masse

1 g= 1 • 10-3kg

Wichtige Einheiten der Wärmelehre /1/ Einheit a)

Symbol

Physikalische bzw. technische Größe

Kelvin

K

Quadratmeter je Sekunde Joule

m²/s

thermodynamische Temperatur, Temperaturdifferenz Temperaturleitfähigkeit

J

Wärmemenge

Watt

W

Wärmestrom

Joule je Kilogramm Joule je Kelvin

J/kg

spezifische innere Energie

J/K

Wärmekapazität

Joule je Kilogramm und Kelvin Watt je Quadratmeter Watt je Quadratmeter und Kelvin Watt je Meter und Kelvin Kelvin je Watt

J/(kg • K) W/m2

Beschreibung durch Basiseinheiten

1 J = 1 kg • m2/s2 1 W= 1kg • m2/s3 1 J/kg = 1 m2/s2

1 J/K= 1kg • m2/(s2 • K) spezifische Wärmekapazität 1 J/(kg • K) = 1 m2/(s2 • K) Wärmestromdichte

1 W/m2 = 1 kg/s3 W/(m2 • Wärmeübergangskoeffizient 1 W/(m2 • K) = 1 K) kg/(s3 • K) W/(m • K) Wärmeleitfähigkeit 1 W/(m • K) = 1 kg • m/(s3 • K) K/W Wärmewiderstand 1 K/W = 1 K • s3/(kg • m2)

Wärmedurchgangszahl k für verschiedene Stoffe und Materialien

Grad Celsius

°C

Celsius-Temperatur

245

1 °C= 1 K

Wärmemenge Q Wärme ist die Energie, welche zwischen dem System und der Umgebung ausgetauscht werden kann ohne Arbeit zu verrichten. Dabei bezieht es sich auf die kinetische Energie der Moleküle. Diese Moleküle sind, außer im absoluten Nullpunkt, immer in Bewegung. Umso größer diese kinetische Energie nun ist, desto höher ist auch die Temperatur. Durch das Hinzuführen oder Abführen von Wärme lässt sich die Temperatur ändern.

Q

m ˜ c p ˜ 'T

Wärmedurchgangszahl k für verschiedene Stoffe und Materialien von Wasser Wasser Wasser

über Gusseisen Stahl Kupfer, Messing

nach Luft/ Rauchgas Luft/ Rauchgas Luft/ Rauchgas

W/(m²K) 10… 11 11… 24 14… 30 280… 300 290… 350 350… 400

Wasser

Gusseisen

Wasser

Wasser

Stahl

Wasser

Wasser

Kupfer, Messing

Wasser

Gusseisen

Luft/ Rauchgas

3… 10

Stahl

Luft/ Rauchgas

11… 15

Kupfer, Messing

Luft/ Rauchgas

9… 17

Luft/ Rauchgas Luft/ Rauchgas Luft/ Rauchgas Luft/ Rauchgas Dampf Dampf Dampf

Schamottensteine

Luft/ Rauchgas

6… 7

Gusseisen Stahl Kupfer, Messing

Luft/ Rauchgas Luft/ Rauchgas Luft/ Rauchgas

Dampf

Gusseisen

Wasser

7… 11 11… 30 14… 21 815… 1050

246

Anhang

Dampf

Stahl

Wasser

Dampf

Kupfer, Messing

Wasser

930… 1400 1150… 29001

Alle Werte sind Richtwerte

Heizwerte und Energieäquivalente verschiedener Brennstoffe Brennstoff Steinkohle Steinkohlenkoks Braunkohle-Briketts Heizöl EL Heizöl S Motorenbenzin Erdgas H Stadtgas

Heizwert (kWh/kg) 8,218 7,967 5,583 11,863 11,398 12,096 8,816 kWh/m³ 4,443 kWh/m³

Elektr. Strom Alle Werte sind Richtwerte

SKE-Faktor

RÖE-Faktor

1,009 0,979 0,686 1,457 1,400 1,486

0,707 0,685 0,480 1,020 0,980 1,040

1,083

0,758

0,546

0,382

0,123

0,086

Allgemeine Umrechnungsfaktoren für Holzmengen

1t

atro

tatro

Fm

Rm

Sm³

1,0

1,3 – 2,5

2,9

4,86

1,0 0,7 0,41

1,4 1,0 0,59

2,43 1,70 1,0

1 Fm 0,4 – 0,75 1 Rm 0,3 1 Sm³ 0,2 Alle Werte sind Richtwerte Abkürzungen: atro = Fm = Rm = Sm³

=

absolut trocken (0% Wassergehalt) Festmeter: 1m³ Massivholz Raummeter: 1m³ geschichtetes Holz unter Einschluss der Luft zwischenräume Schüttraumkubikmeter: Raummeter geschütteter Holzteile (z.B. Hackgut)

Hersteller für Pelletkessel

247

Verbrennungstechnische Daten von Buche und Fichte/Tanne bei 18% Wassergehalt Hackgutschüttdichte Heizöläquivalent Energie

kg/Sm³ l/t

Buche 280 408

MJ/t

14.700

kWh/t

4.083

Fichte 182 4.17t 15.00 0 4.167

Alle Werte sind Richtwerte

Raumgewichte verschiedener Hölzer bei 15% Wassergehalt Massivholz Einheit

Fm/kg (Festmeter) Buche 716 Eiche 702 Fichte 472 Kiefer 527 Alle Werte sind Richtwerte

Scheitholz, geschichtet Rm/kg (Raummeter) 445 436 304 340

Hackgut Sm³/kg (Schüttraum-qm) 295 289 194 217

Hersteller für Pelletkessel Firma

Ort

Leistungsbereich in kW

Arca Heizsysteme e.K.

D – 91207 Lauf a.d.P.

4,5 bis 15

BIOKOMPAKT Heiztechnik GmbH

A – 4391 Waldhausen

45 bis 130

Biomasse-Zentrum-Saar-Mosel

D – 66679 Britten

2 bis 40

Biotech Energietechnik GmbH

A – 5101 Bergheim

9 bis 200

Biotherm Pelletheizungen

D – 35630 Ehringhausen

14,9 und 23

Brötje GmbH

D – 26180 Rastede

4 bis 24

Buderus / Bosch Thermotechnik GmbH

D – 35576 Wetzlar

2,4 bis 32,2

248

Anhang

calimax Energietechnik GmbH

A – 6844 Altach

1,8 bis 12

CARL CAPITO Heiztechnik GmbH

D – 57290 Neunkirchen

4,4 bis 30

Eder Tech GmbH

A – 5733 Bramberg

4,3 bis 30

ETA Heiztechnik GmbH

A – 4716 Hofkirchen

7 bis 90

Ferro Wärmetechnik GmbH

D – 91126 Schwabach

3,9 bis 950

Fröhling Ges.m.b.H

A – 4710 Grieskirchen

15 bis 100

Georg Fischer GmbH & Co.KG

D – 89312 Günzburg

10 bis 30

Gilles Energie und Umwelttechnik GmbH

A – 4810 Gmunden

12,5 bis 153

GMH-Umwelt GmbH

D – 86573 Obergriesbach

15 bis 50

Hargassner GmbH

A – 4952 Wenig/Innkreis

9 bis 200

HDG Bavaria GmbH

D – 84323 Massing

4,5 bis 200

Herz Armaturen Ges.m.b.H

A – 82722 Sebersdorf

4,8 bis 60

Hoval GmbH

D – 85609 Dornbach

10 bis 160

Janfire GmbH Junkers / Bosch Thermotechnik GmbH

D 18513 Wendisch Baggendorf D – 73249 Wernau (Neckar)

4 bis 600 9 bis 35

KWB Deutschland Kraft und Wärme aus Biomasse GmbH

D – 48653 Coesfeld

10 bis 300

Liebi LNC AG

CH – 3753 OeyDiemtigen

4,3 bis 75

Lindner und Sommerauer SL-Technik GmbH A – 5120 St. Pantaleon

2,4 bis 23,5

MHG Heiztechnik GmbH

D – 21244 Buchholz

4 bis 27

Oertli-Rohleder GmbH

D – 71696 Möglingen

12 bis 25

ÖkoFen Heiztechnik GmbH

D – 86866 Mickhausen

8 bis 224

Olymp – OEM Werke GmbH

A – 6430 Ötztal-Bhf

3 bis 45

Paradigma Deutschland GmbH

D – 76307 Karlsbad

10 bis 56

Paul Künzel GmbH & Co.

D – 25497 Prisdorf

10 bis 20

pel-lets Innovative Heiztechnik GmbH

D – 28757 Bremen

10 bis 60

Pelletswärme MB GmbH

D – 18513 Wendisch

4 bis 23,7

Pelletlieferanten Perhofer Gesellschaft m.b.H.

A – 8190 Birkenfeld

15 und 30

RAPIDO GF Wärmetechnik GmbH

D – 41748 Viersen

4,3 bis 26

Rennergy Systems AG

D – 87474 Buchenberg

9 bis 200

SBS – Heizkessel GmbH

D – 48268 Greven

10 bis 28

SHT Heiztechnik aus Salzburg GmbH

A – 5101 SalzburgBergheim

2,3 bis 11,9

SOLARFOCUS GmbH

A – 4451 St. Ulrich

3,9 bis 14

SOLARvent Biomasse-Heizsysteme GmbH

D – 63743 Aschaffenburg

4 bis 54

Sonnig-Solar GmbH

D – 91732 Merkendorf

4 bis 30

Strebelwerk Ges.m.b.H.

A – 270 Wiener Neustadt

3 bis 500

Vaillant GmbH

D – 42859 Remscheid

13, 20, 30

Viessmann Werke GmbH & Co KG

D – 35108 Allendorf

4 bis 42.000

Wagner & Co. GmbH Solartechnik

D – 35091 Cölbe

10 bis 45

Windhager Zentralheizung GmbH

D – 86405 Meitingen

2,9 bis 78

Wolf GmbH

D – 84048 Mainburg

2,4 bis 35

ZWS GmbH

D – 47506 NeukirchenVluyn

4 bis 45

Tabelle ohne Anspruch auf Vollständigkeit

Pelletlieferanten Firma AGRAVIS Raiffeisen AG ante-holz GmbH BayWa AG Biomasseprodukte Enviva Pellets GmbH & CO.KG GEE Energiy GmbH & Co. KG German Pellets GmbH Gregor Ziegler GmbH Hans Engelke Energie OHG Hofgut Mauer Humus & Bioenergie GmbH

Ort Münster BromskirchenSomplar München Feldkirchen Vilsbiburg Hamburg Wismar Plößberg Berlin Münchingen

249

250

Anhang

HOLZ- ENERGIEZENTRUM WÜRTTEMBERG Hubert Heitmann e.K. juwi GmbH Kleeschulte GmbH & Co. KG Ley Mineralöl GmbH Albert Ludwig Brennstoffe e.K. Maier Korduletsch Energie GmbH PowerPellets Vertriebs GmbH & Co.KG Raab Pelltec GmbH Raiffeisen Waren-Zentrale Rhein-Main eG Rheinbraun Brennstoff GmbH SCHARR QÄRME GmbH & Co. KG Schellinger KG

Obersteinenberg

StegMühle von Berg GmbH & Co. KG VIS NOVA Trading GmbH WAGNER GmbH Brennstoffe.Containerdienst Westerwälder Holzpellets GmbH WPG Westfälische Propan-GmbH ZG Raiffeisen eG Tabelle ohne Anspruch auf Vollständigkeit

Büchen Wörrstadt Büren Konstanz Blaustein Vilshofen Olsberg Eiselfing Köln Frechen Stuttgart Weingarten Oberstetten/Niederstetten Bremen Grünstadt Langenbach Detmold Karlsruhe

Pelletproduzenten in Deutschland Firma BSVG Biostoffverwertungsgesellschaft Klix GmbH EPC GmbH European Pellet Company MH Bioenergie Stackelitz GmbH HOWEE Holzwertstoffe Eberswalde GmbH Holzkontor und Pelletierwerk Schwedt GmbH FNG Fehrbellin Naturholz GmbH BEN BioEnergie Niedersachsen GmbH German Pellets GmbH Holzindustrie Schlitz GmbH & Co KG Gebr. Hosenfeld GmbH & Co. KG

Ort

Kapazität t/a

Großdubrau

10.000

Torgau Stackelitz

150.000 3.000

Eberswalde

50.000

Schwedt/Od er Fehrbellin Buchholz i. d. N. Wismar Schlitz Hosenfeld

100.000 40.000 43.000 605.000 kA 40.000

Pelletproduzenten in Deutschland

Naturholzzentrum Hardegsen Tangermünder Holzpelletwerke GmbH Woodox Management GmbH Pelltec GmbH STAWAG Stadtwerke Aachen AG Westpellets GmbH & Co. KG WEAG & Mohr GmbH & Co. KG Sägewerk Assenmacher juwi Bio GmbH Energiepellets Oberhonnefeld GmbH Westerwälder Holzpellets GmbH Sorpetaler Fensterbau GmbH & Co. KG Baust Holzbetriebs-GmbH ante-holz GmbH IWO-Pellet Rhein.Main GmbH Holzwerk Grasellenbach Monnheimer GmbH& Co. KG Süd-Energie Bioplus GmbH Bio-Energie Mudau GmbH & Co. KG BioPell GmbH Emil Steidle GmbH & Co. KG Sonnen – Pellets Krauchenwies GmbH & Co. KG Trocknungsgesellschaft Bopfingen und Umgebung Allspan GmbH Spanverarbeitung Naturholzzentrum Kehl Bioenergie Sonnen Pellet GmbH Haas Holzprodukte GmbH Glechner Pellet-Produktions GmbH Binderholz Deutschland GmbH IN-Energie GmbH & Co. Betreiber KG Anton Heggenstaller GmbH Holzwerke Pröbstl GmbH

Hardegsen Tangermünde Düsseldorf Sonsbeck Aachen Titz Ameln Trier Ormont Wörrstadt Oberhonnefeld Gierend Langenbach SundernHagen EsloheBremke Bromskirche n Offenbach Grasellenbach Monsheim Mudau Empfingen Sigmaringen Krauchenwi es

kA 100.000 180.000 6.000 40.000 4.000 15.000 6.000 8.000 30.000 40.000 1.000 10.000 40.000 25.000 10.000 8.000 30.000 50.000 30.000 40.000

Bopfingen

10.000

Karlsruhe Kehl Buchenbach Galkenberg Simbach a. Inn Kösching Großmehring / Interpark KühbachUnterbernbach FuchstalAsch

3.000 kA 60.000 12.000 15.000 150.000 30.000 120.000 60.000

251

252

Anhang

FireStixx Hartleitner GmbH & Co. KG Horst Römer Leimholz Trocknungsgenossenschaft Weißenburg eG JuraPellets GmbH & Co. KG Holz Schiller GmbH enviva Pellets GmbH & Co. KG EVS GmbH & Co. KG FP Franken-Pellets GmbH & Co. KG Tröger – Der Einrichter Gregor Ziegler GmbH Theodor Herbert GmbH & Co. KG Tabelle ohne Anspruch auf Vollständigkeit

Ziertheim Emskirchen

10.000 8.000

Ellingen

6.000

Ursensollen Regen Straubing Hengersberg Stadtsteinach Arzberg Plößberg Motten

2.000 30.000 120.000 90.000 15.000 5.000 30.000 7.000

Förderdatenbanken x Förderbank des Bundeswirtschaftsministeriums www.foerderdatenbank.de x Fördermittelsuche der Deutschen Energie-Agentur (dena) www.energiefoerderung.info x KfW www.kfw-foerderbank.de x Informationen zum Staus des Marktanreizprogramms, welches im Mai 2010 stillgelegt wurde www.bafa.de

Informationsquellen Deutscher Energie-Pellet-Verband e.V. (DEPV) www.depv.de Deutsches Pelletinstitut (DEPI) www.depi.de Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe (FNR)

Informationsquellen

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www.fnr.de Deutsche Energie Agentur www.dena.de C.A.R.M.E.N. e.V. www.carmen-ev.de Technologie- und Förderzentrum im Kompetenzzentrum für Nachwachsende Rohstoffe (TFZ) www.tfz.bayern.de Aktion Holzpellets der Energieagentur NRW www.aktion-holzpellets.de

254

Anhang

Literaturverzeichnis /1/ DUBBEL interaktiv 2.254, 2002 Springer Verlag, Berlin, Heidelberg, New York

255

Sachwortverzeichnis

Sachwortverzeichnis

A Abreinigung 170, 187 Abriebfestigkeit 42 Adiabatische Kompression 207 Allmetallabscheider 141 Arbeits- und Betriebsmittel 219 Asche 55 Aschegehalt 49 Aschen 64 Ascheschmelzverhalten 50 ATEX 215 Aufstellungsbereiche 202

B Bandtrockner 116 Becherwerke 111 befähigte Person 218 Betonsilo 164 Betriebsanweisungen 219 BImSchV 60 Blauer Engel 61 Blitzschlag 207 Brennstoffeigenschaften 40 Brennteller 167 Brennwert 48, 171, 172, 173 Brückenbildung 117 Bundesimmissionsschutzverordnung 60

C Cellulose 24

D Darrdichte 45 DIN EN 1127-1 198 DIN EN 14961-1 16 DINplus 70 Druckentlastung 212 Druckfeste Bauweise 212 Druckstoßfeste Bauweise 212 Düsenboden 190 Düsenrostkessel 183

E Einblasleitung 161 Eingangskontrolle 84 Einzelstammentrindung 87 Elektrische Ausgleichsströme 207 Elektromagnetische Wellen 207 Emissionen 53 EN 14961 71 EN 15234 72 ENplus 73 Entkopplung 212 Entkopplungseinrichtungen 215 Entladeförderer 100 Entlastungsfläche 213 Entrindung 87 Erdtank 164 Explosionsunterdrückung 212, 214 Extrakte 25

F Fallschachtbrenner 166, 167 Faserstruktur 44 Feinstaub 54 Fette 26, 30 Feuchtemessung 116 Feuchtigkeitsmessgeräte 115 Flüchtige Bestandteile 52 Förderband 107 Förderschnecke 108

G Gefahrendreieck 197 Gerbstoffe 26 Getreideganzpflanzen 16 Glimmbrände 210 Größenverteilung 42

H Hacker 90 Halogenheizung 115 Hammermühle 94, 144, 210

S. Döring, Pellets als Energieträger, DOI 10.1007/978-3-642-01624-0, © Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2011

Sachwortverzeichnis Harz 31 Harze 26 Heizwert 48, 115 Hemicellulosen 24 Hersteller 196 Hochfrequente Strahlung 207 Holzfeuchte 113 Holzkohle 53

I Infrarottrocknung 115 Initialexplosion 214 Ionisierende Strahlung 207

K Kaminpelletofen 165 Kategorie 199 Kleinfeuerungsanlage 165 Koller 149 Kombinationskessel 175 Korrosionserscheinung 193 Krananlagen 103 Kratzbodensysteme 102 Kratzkettenförderer 105

L Lagerdichte 44 Lagerraum 159 Lignin 25, 30 Löschmittelsperren 216 Luftqualitätsrichtlinie 62

M Magnetabscheider 137 Mahlbarkeit 44 Mechanische Funken 206 Mineralien 26, 31 Miscanthus 16 Mischer 145

N Nassspanlager 95, 97

O Ökodesign-Richtline 63 ÖNORM M 7135 70 Oxidation 37

P Partikelabscheider 178, 179 Pelletbrenner 166, 173, 174, 175 Pelletkühler 210 Pelletpotenzialermittlung 20 Pelletpresse 147, 210 Probennahme 135 Prozessindizierte Zündquellen 209 Pufferspeicher 175, 176, 177 pyrolytische Zersetzung 37

R Reifebehälter 146 Retortenbrenner 166, 167 Richtlinie 94/9/EG 196 Rindenanteil 31 Ringmatrizen 147 Röhrenbündeltrommeltrockner 124 Rohstoffeigenschaften 23 Rohstoffpotenziale 21 Rostfeuerung 122 Rostfeuerungen 186 Rotary Debarker 88 Rundholz 83

S Saugentnahme 162 Scheibenhacker 92 Schneckenhacker 93 Schnellschlußorgane 216 Schubbodensysteme 98 Schuppenrost 187 Selbstentzündung 206 Senkförderer 100 Sieb 153 Solartechnik 176 Stammholzplatz 83 Stammholzzerkleinerung 90 Stärkedosierung 145 Stärken 26 Statische Elektrizität 206 Staubbrenner 122 Staubemissionen 118 Stroh 17 Stückigkeit 42 Stufenrost 169, 186, 188

T Tagesbehälter 166 Terpene 26, 31 Terpentine 26 Thermalöl 124 TRBS 2152-3 198 Trockenspansilo 127 Trockner 112 Trocknung 36 Trocknungsanalge 113 Trommelhacker 90 Trommeltrockner 120

U Ultraschall 207 Unterschubfeuerung 167, 180

V Verbrennungsanlage 158

256

257

Sachwortverzeichnis

Vergasung 37 Verschlackung 193 Vibrationsförderrinne 109

W Wachse 31 Wärmeübertragung 37 Wassergehalt 47, 113 Windsichter 143 Wirbelschichtfeuerung 189 Wurfbeschickung 192

Z Zersetzung 206 Zirkulierende Wirbelschichtfeuerung 191 Zone 199 Zonendefinition 201 Zoneneinteilung 202, 203 Zufeuerung 158, 193, 194 Zugbodensysteme 98 Zündquellen 198