Der Schutz des Klimas und die Sicherstellung der Energieversorgung haben in Europa höchste Priorität. Intensiv wird daher an nachhaltigen Energiekonzepten und an Maßnahmen gearbeitet, die den prognostizierten Anstieg der durchschnittlichen Temperaturen verlangsamen können. Eine besonders wichtige Rolle wird dabei der Nutzung von Biomasse zugeschrieben. Der nachwachsende Energieträger muss nicht importiert werden und verbrennt klimaneutral. Europaweit wird deshalb zunehmend auf Energie aus Biomasse gesetzt, auch bei der Versorgung mit Fernwärme und der Stromerzeugung.
Globale Energie- und Klimasituation zwingt zum Handeln
Fossile Energie, die im Laufe von mehr als 500 Millionen Jahren eingelagert wurde, ist in weniger als 200 Jahren zu großen Teilen verbraucht worden. Nach den bisherigen Prognosen werden die weltweiten Erdgas- und Erdölreserven nur noch für ca. 70 bzw. gut 40 Jahre verfügbar sein. Zudem liegen die Abbaugebiete zum großen Teil in politisch instabilen Regionen und die Gefahr wächst, dass die Rohstoffreserven als Machtinstrumente missbraucht werden.
Zwei PYRTEC-Biomasse-Kessel von Köb und ein Viessmann Vitomax 300 Großkessel (als Spitzenlast- und Reservekessel) erzeugen Wärme für 60 Wohn- und Geschäftsgebäude.
Die bei der Nutzung der fossilen Energieträger freigesetzten CO2-Emissionen sind höchstwahrscheinlich verantwortlich für die zunehmende Erwärmung der Atmosphäre und tragen somit erheblich zum Klimawandel bei. Nach Ansicht des Weltklimarates (IPCC) darf die Durchschnittstemperatur um nicht mehr als 2 Grad Celsius gegenüber der vorindustriellen Zeit ansteigen, wenn eine globale Klimakatastrophe verhindert werden soll. Dazu müssen die CO2-Emissionen bis 2050 halbiert werden. Tatsächlich sind sie aber seit 1990 um 25 Prozent gestiegen.
Angesichts der begrenzten weltweiten Rohstoffreserven und des drohenden Klimawandels durch zu hohe CO2-Emissionen hat die Politik eine Doppelstrategie formuliert, die neben der Steigerung der Energieeffizienz die Substitution der fossilen Energieträger durch erneuerbare Energien vorsieht [1]. Das politische Ziel der EU ist es, bis 2020 den Verbrauch fossiler Energie um 20 bis 30 Prozent zu reduzieren und den Anteil der erneuerbaren Energien auf 20 Prozent zu erhöhen. Die deutsche Bundesregierung möchte die CO2-Emissionen sogar um 40 Prozent absenken.
Zur Steigerung der Effizienz bei der Nutzung von Öl und Gas sind heute bereits im Wärmesektor, der in Deutschland mit rund 40 Prozent den größten Anteil am Energieverbrauch und damit auch an den CO2-Emissionen hat, wirtschaftliche und gleichzeitig hocheffiziente Technologien verfügbar. So werden auf dem Markt moderne Brennwertsysteme angeboten. Das Spektrum reicht dabei von Geräten kleiner Leistung für Etagenwohnungen und Einfamilienhäuser bis hin zu Großanlagen für die gerwerbliche und industrielle Nutzung (kleines Bild oben links: Der Einsatz der Brennwerttechnik macht sich gerade bei öl- und gasbetriebenen größeren Heizungsanlagen bezahlt (Vitomax 200 mit 5 MW Feuerungsleistung und nachgeschaltetem Abgaswärmetauscher).
Brennwerttechnik erreicht Wirkungsgrade bis 98 Prozent und bietet für praktisch jeden Bedarf eine sichere und wirtschaftliche Lösung.
Die Möglichkeiten der Substitution fossiler Energieträger durch erneuerbare Energien haben in den letzten Jahren an Bedeutung gewonnen:
- Im Wärmemarkt etabliert hat sich die Solarthermie, die für die Warmwasserbereitung und für die Heizungsunterstützung genutzt wird.
- Wachsende Bedeutung verzeichnet die Nutzung von Naturwärme mit Wärmepumpen. Sie reduzieren den fossilen Energieanteil auf den eingesetzten Strom.
- Die Vorteile der Biomasse machen sie als Energieträger besonders attraktiv: Biomasse wächst ständig nach. Sie ist ein heimischer Energieträger, sie ist unabhängig von der Jahreszeit und dem Wetter ständig verfügbar und kann mit vertretbarem Aufwand gelagert bzw. gespeichert werden. Biomasse gibt es als festen Brennstoff (Holz), aus Biomasse können aber auch gasförmige und flüssige Brennstoffe gewonnen werden. Und ihre energetische Nutzung ist CO2-neutral. Bei ihrer Verbrennung wird nur so viel Kohlendioxid frei, wie zuvor von den Pflanzen beim Wachstum aus der Atmosphäre aufgenommen wurde. Ein Aspekt, der angesichts des drohenden Klimawandels immer wichtiger wird. Das alles sind Gründe, weshalb die energetische Nutzung von Biomasse heute als wichtige Option für eine sichere und umweltschonende Energieversorgung gilt.
Biomasse wird die fossilen Brennstoffe nicht vollständig ersetzen können. Vorsichtige Schätzungen gehen davon aus, dass das Potenzial von Biomasse aber ausreichen wird, um im Jahr 2020 ein Fünftel des Endenergiebedarfs in Europa abzudecken. Biomasse wird somit entscheidend dazu beitragen, dass die fossilen Ressourcen geschont, die Abhängigkeit davon verringert und das Klima geschont wird.
Holz – attraktiver Bioenergieträger für Heizwerke und KWK-Anlagen
94 Prozent der zur Wärmeerzeugung eingesetzten erneuerbaren Energien stammen aus Biomasse, weit überwiegend in Form von Holzpellets, Scheitholz und Hackschnitzeln. Als Brennstoff ersetzt Holz immer häufiger den herkömmlichen Öl- oder Gas-Heizkessel – zunehmend auch in Gebäuden mit höherem Wärmebedarf wie z. B. in größeren Wohn- und Verwaltungsgebäuden.
Vollautomatische Biomasse-Kessel wie der PYROT-540 (540 kW Wärmeleistung) für Holzpellets, Hackschnitzel und Späne sind auch zur Beheizung größerer Mehrfamilienhäuser geeignet.
Die Abläufe der Brennstoffzuführung, Zündung, Verbrennung und Ascheaustragung sind weitgehend automatisiert, so dass der Aufwand für die Betreuung der Heizungsanlage annähernd mit dem von modernen Öl-Heizkesseln vergleichbar ist.
In den letzten Jahren werden aber auch verstärkt Heizwerke für Nah- und Fernwärmenetze sowie Anlagen zur Kraft-Wärme-Kopplung gebaut, die mit Holz betrieben werden. Bereits in den 1990er Jahren wurden in Deutschland mehrere Biomasse-Heizwerke – vor allem in Süddeutschland, Niedersachsen und Thüringen – als Pilotanlagen errichtet. EU, Bundesregierung und fast alle Bundesländer haben Förderprogramme aufgelegt, um den Einsatz von umweltschonenden Techniken zur Wärme- bzw. zur gekoppelten Wärme- und Stromerzeugung zu fördern. Den derzeitigen Stand der Technik verdeutlichen die beiden folgenden Beispiele.
Biomasse-Heizwerk Markt Schwaben
Am 4. Juli 2007 wurde das E.ON-Biomasse-Heizwerk in Markt Schwaben in Betrieb genommen. Rund 60 Wohn- und Geschäftsgebäude werden seitdem mit Fernwärme aus zwei Holzfeuerungen versorgt.
Prinzipdarstellung des ORC-Moduls: 1 Regenerator, 2 Kondensator, 3 Turbine, 4 Elektrischer Generator, 5 Umwälzpumpe, 6 Vorwärmer, 7 Verdampfer, 8 Fernwärme-Vorlauf, 9 Fernwärme-Rücklauf, 10 Thermoöl-Vorlauf, 11 Thermoöl-Rücklauf
Das Heizwerk wurde auf einer Fläche von rund 1600 Quadratmetern im Gewerbe- und Wohngebiet Burgerfeld errichtet. Baubeginn war im August 2006. In einem ebenerdigen Hallenbau, der in einen Technikbereich und ein Hakschnitzellager unterteilt ist, wurden zwei Biomassekessel Köb PYRTEC 1250 mit jeweils 1250 kW Nennwärmeleistung installiert. Darüber hinaus fungiert ein ölbetriebener Heizkessel mit 1860 kW Leistung als Spitzenlast und Reservekessel.
Bei den Kesseln der PYRTEC-Baureihe handelt es sich um Rostfeuerungen für Hackschnitzel, Späne und Pellets, die mit den entsprechenden Einrichtungen für die Brennstoffzuführung, pneumatische Abreinigung und Entaschung vollautomatisch betrieben werden können. Brennstoff in Markt Schwaben sind jährlich bis zu 2700 Tonnen Wald- und Sägerestholz aus den Wäldern der Region. So profitiert nicht nur die Umwelt von diesem Biomasse-Heizwerk, sondern auch die regionale Forstwirtschaft, denn sie liefert den Energieträger.
Das Hackschnitzellager kann rund 540 Kubikmeter Biomasse aufnehmen; diese Menge reicht für fünf Tage Volllastbetrieb. Die erzeugte Wärme für Heizung und Warmwasserbereitung – rund 7,5 Millionen Kilowattstunden jährlich – deckt regenerativ den Bedarf der 60 Abnehmer im Ortsteil Burgerfeld. Beheizt werden mehrere Reihenhauszeilen sowie Gewerbeobjekte im angrenzenden Industriegebiet. Auch an die Zukunft ist gedacht: Das Heizwerk ist so ausgelegt, dass bei einer Erweiterung Burgerfelds auch weitere Neubauten mit Fernwärme aus Biomasse versorgt werden können.
Das speziell aufbereitete Fernwärmewasser verlässt je nach herrschender Witterung die Anlage mit einer Temperatur von 75 bis 90 °C und wird im geschlossenen Kreislauf über die insgesamt 2,9 Kilometer lange Trasse mit Kunststoffmantel-Rohrleitungen verteilt und mit einer Temperatur von 55 bis 60 °C zurückgeführt. Das Heizkraftwerk mindert den Ausstoß des klimaschädlichen Kohlendioxids um rund 1 900 Tonnen jährlich. Das Projekt wird im Rahmen des Gesamtkonzepts vom Technologie- und Förderzentrum (TFZ) in Straubing gefördert.
Biomasse-Kraftwerk auf ORC-Basis
Das zur Viessmann Gruppe gehörende österreichische Unternehmen Mawera verfügt über besondere Kompetenzen in der Herstellung von Holzfeuerungsanlagen größerer Leistung bis 13 MW und für alle Arten von Holzbrennstoffen sowie in der Planung und Realisierung von innovativen Biomasse-Heizkraftwerken. So erstellte der Holzfeuerungsspezialist u. a. eine Reihe von Biomasse-KWK-Anlagen mit Stirlingmotor und elektrischen Leistungen zwischen 35 und 70 kW. Mawera realisierte aber auch das erste österreichische Biomasse-Heizkraftwerk auf ORC-Basis mit einer elektrischen Leistung von 1,1 MW.
Fußach im Vorarlberg: Erstes österreichisches Altholz-Biomasse-Heizkraftwerk auf ORC-Basis mit einer elektrischen Leistung von 1.100 kW.
Das Kraftwerk in Fußach, Vorarlberg, stellt eine innovative Kombination aus Biomasse-Feuerung, ORC-Prozess (Organic Rankine Cycle) und Absorptionskältemaschine dar. Die Anlage mit einer Feuerungswärmeleistung von 9,75 MW (Auslegung mit 20% Leistungsreserve) ging 2002 in Betrieb und ermöglicht die Bereitstellung von Strom, Wärme und Kälte vollständig aus Altholz. Durch den ganzjährigen Volllastbetrieb wird ein vergleichsweise hoher Gesamtwirkungsgrad von bis zu 88,5% erzielt. Minimale Wärmeverluste sowie eine jährliche Stromproduktion von rund 8250 MWh/a sind die überaus positiven Resultate dieser Anlage.
Mit verunreinigtem Altholz konnte man bisher nicht viel mehr machen, als es auf der Deponie zu entsorgen, denn die stoffliche Verwertung alter Möbel, Spanplatten und anderer Holzteile ist kaum möglich. Auch eine Verbrennung schien problematisch, denn die Frage der Schadstoff-Emissionen war nicht geklärt. Ein weiteres Problem war bis dato die Brennstoffqualität. Denn bei der Verbrennung von Eisen- und weiteren Metall- und Nichtmetallteilen, wie sie häufig in Altholz zu finden sind, entstehen Schlacken, die mit der Zeit herkömmliche Brennkammern unbrauchbar machen können. Die in Fußach zum Einsatz kommende Technik löst diese Problematik, indem sie einerseits durch eine eigene Brennstoffaufbereitung alle metallischen und nicht-metallischen Störstoffe ausscheidet und andererseits sowohl in der Feuerung (Low-NOx-Feuerung) als auch in der nachgeschalteten Abgasreinigung für Emissionen unterhalb der gesetzlich erlaubten Grenzwerte sorgt. So werden die Abgase in einem Multizyklonabscheider vorgereinigt und anschließend durch einen hocheffizienten Gewebefilter mit integrierter Trockensorption geleitet.
Den Schlüssel zur ökologisch wie ökonomisch sinnvollen energetischen Nutzung des Altholzes liefert die Kombination aus einer Low-NOx-Feuerung auf Basis eines Flachschubrostes und Organic Rankine Cycle. Im ORC-Modul erfolgt die Umwandlung der Verbrennungswärme in nutzbare Elektrizität (Bild 6). Dazu wird die erzeugte Wärme direkt über einen Thermoölkreislauf (Wärmeträgermedium ist ein vollsynthetisches Thermoöl) an die Stromerzeugungseinheit, den ORC-Prozess, abgegeben. Die Umwandlung der thermischen Energie in elektrischen Strom erfolgt mittels einer Turbine. Der nicht verwendbare Teil der Wärme wird als Fernwärme oder nach Umwandlung in der Absorptionskältemaschine als Kälte zur Verfügung gestellt.
Das Prinzip der Stromerzeugung mittels ORC-Prozess entspricht dem des herkömmlichen Dampfturbinenprozesses. Der Unterschied zu diesem liegt allerdings darin, dass anstelle von Wasserdampf ein organisches Arbeitsfluid – im Falle des hier vorgestellten Kraftwerks handelt es sich um Silikonöl – eingesetzt wird. Da Silikonöl eine geringere Verdampfungstemperatur als Wasser hat, kann der Prozess besser dem Brennstoff Biomasse mit seinen relativ niedrigen Verbrennungstemperaturen angepasst werden. Weitere Vorteile im Vergleich zum herkömmlichen Dampfturbinenprozess: Die Axialturbine, die im ORC-Prozess eingesetzt wird, arbeitet mit geringerer Umlaufgeschwindigkeit und Drehzahl, was die mechanische Beanspruchung reduziert. Der ORC-Prozess arbeitet vollautomatisch, das eingesetzte Arbeitsfluid verbraucht sich nicht, die Betriebskosten sind somit sehr gering. Zudem ermöglicht der Thermoölkreislauf einen drucklosen Betrieb bei gleichzeitig hohen Temperaturen, wodurch kein Kesselwärter erforderlich ist.
Neben dem ORC-Prozess ist die Absorptionskältemaschine die zweite wichtige Komponente des Fußacher Biomasse-Heizkraftwerks. Durch einen Wärmeaustausch zwischen dem Wasser des Fernwärmenetzes und einem Kältemittel kann Wärme in Kälte umgewandelt und in einem Kühlwasserkreislauf abgeführt werden. Die installierte Kältemaschine arbeitet mit einer Kälteleistung von 2400 kW und liefert dauerhaft Kaltwasser mit einer Temperatur von 5°C. Im Falle dieses Projektes wird die Kälte einem Industriebetrieb in der unmittelbaren Nachbarschaft zur Verfügung gestellt.
Fazit
Knapper werdende fossile Rohstoffe und der Treibhauseffekt durch steigende CO2-Emissionen sind entscheidende Argumente für die verstärkte Nutzung von Biomasse als Energieträger. Biomasse kann einen entscheidenden Beitrag zur Verminderung der Abhängigkeit von Öl und Gas und zur Reduzierung der CO2-Emissionen leisten. So gehen selbst vorsichtige Schätzungen davon aus, dass im Jahr 2020 bis zu 20 Prozent des Endenergiebedarfs durch Biomasse in Form von Holz, Biogas und Bioöl gedeckt werden kann.
Zur Versorgung ganzer Wohngebiete sowie von Gewerbe- und Industriegebäuden mit Wärme via Nah- und Fernwärmenetze sowie mit Strom stehen heute moderne Biomasse- bzw. Holzheizkraftwerke zur Verfügung, deren Technik hocheffizient, zuverlässig und wirtschaftlich arbeitet. Neben der Verringerung der Abhängigkeit von Energielieferungen aus dem Ausland und des Kohlendioxid-Ausstoßes sind auch kurze Transportwege für die Belieferung mit dem Brennstoff Holz aus nahegelegenen Wäldern und die daraus folgende regionale Wertschöpfung wichtige Argumente für den Bau von Heiz- bzw. Kraftwerken mit Holzfeuerungen.
Autorenbeitrag
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Wolfgang Rogatty
Viessmann Werke GmbH, Allendorf
Literatur:
[1] Doppelstrategie als Beitrag des Wärmemarktes zum nationalen Energiekonzept.
BHKS-Almanach 2007
