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21.9.2007
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Biobrennstoffe - Potentiale und Eigenschaften

Dr. Ruth Brökeland, C.A.R.M.E.N. e. V., Straubing

1 Einleitung

Die energetische Nutzung von Biomasse gewinnt zunehmend an Bedeutung und wird in der zukünftigen Energieversorgung einen wichtigen Beitrag leisten. Die vorhandenen Potentiale werden bisher bei weitem nicht ausgeschöpft werden, wobei die Nutzung von land- und forstwirtschaftlichen Reststoffen Vorrang vor einem gezielten Anbau von Energiepflanzen hat. Die hier dargestellten Potentiale beziehen sich auf Festbrennstoffe aus Biomasse.

Die Eigenschaften dieser Festbrennstoffe unterscheiden sich maßgeblich von denen fossiler Energieträger, was einen großen Einfluß auf die zur Brennstoffbereitstellung und zur Verbrennung eingesetzte Technik hat. In diesem Beitrag werden die üblichen Brennstofformen von Biomasse und ihre technischen Eigenschaften beschrieben und auf ihre technische Eignung hin bewertet.

2 Potentiale

2.1 Beschreibung der Biomassearten

Waldrestholz

Unter Waldrestholz wird Schwachholz verstanden, das bei Durchforstungen und bei der Holzernte anfällt und aus waldpflegerischen Gründen aus dem Wald entfernt werden muß. Das energetische Potential wird zur Zeit nur zu einem Bruchteil genutzt. Zudem nahm der gesamte Holzvorrat Deutschlands in den letzten Jahren zu, da mehr Holz nachgewachsen ist als eingeschlagen wurde. Unter Wahrung des Prinzips der Nachhaltigkeit, das in der Forstwirtschaft seit über 200 Jahren gilt und wonach nicht mehr Holz aus dem Wald entnommen werden darf als nachwächst, kann hier von einer langfristigen Sicherung dieses Energiepotentials ausgegangen werden.

Kurzumtriebsholz

Schnellwachsende Baumarten, die nach einem Rückschnitt wieder austreiben, können in kurz bewirtschafteten Umtriebszeiten geerntet werden, um Holz z. B. für energetische Zwecke zu nutzen. Die Gattungen Pappel und Weide haben sich bisher für diese Kulturform bewährt. Andere Gattungen werden auf ihre Eignung hin überprüft. Durch die Form der Bewirtschaftung und den Anbau auf Ackerflächen gehört diese Kultur eher zur Land- als zur Forstwirtschaft. Die Ernte findet im Winter zur Zeit der niedrigsten Feuchte im unbelaubten Zustand und im günstigsten Fall bei gefrorenem Boden statt.

Stroh

Stroh gehört genau wie Waldrestholz zu den Reststoffen, die jährlich anfallen und nicht wie andere nachwachsende Rohstoffe gezielt angebaut werden. Nach Kaltschmitt u. Wiese (1993) können nur ca. 15% des gesamten Strohaufkommens energetisch genutzt werden, da ein Großteil des Strohs als Einstreu, zur Tierfütterung, in Großgärtnereien und Kleingartenkolonien anderweitig verwertet oder in Nachbarländer exportiert wird.

Getreideganzpflanzen

Bei der Nutzung von Getreideganzpflanzen wird die oberirdische Pflanze, also Korn und Stroh verwendet. Beide Anteile besitzen nahezu den gleichen Heizwert (bezogen auf das Gewicht). Nach KTBL (1994) beträgt das Korn-Stroh-Verhältnis im Mittel 1:1,1 und der Getreideertrag 6 t/ha, so daß von einem Gesamtertrag von 12,6 t/(ha*a) ausgegangen werden kann. Um diesen Ertrag soweit wie möglich nutzen zu können, sollten Erntetechniken gewählt werden, die die Kornverluste minimieren, welche z. B. durch Abrieb an der Ballenoberfläche auftreten.

Der Anbau von Getreideganzpflanzen zur energetischen Nutzung ist auf Stillegungsflächen unter Beibehaltung der Auszahlung der Stillegungsprämien erlaubt und bietet dadurch der Landwirtschaft einen Anreiz. Wenn Stillegungsflächen innerhalb eines Betriebes rotieren sollen, bietet sich diese einjährige Kultur gegenüber dem Anbau von mehrjährigen Kulturen an.

Miscanthus

Miscanthus sienensis oder Chinaschilf wurde ursprünglich als Zierpflanzen in Europa eingeführt. Die euphorische Begeisterung über diese Pflanzenart bezüglich ihrer Verwendungsmöglichkeiten und jährlichen Erträge hat sich inzwischen gelegt. In mehreren Langzeitversuchen auf verschiedenen Standorten in Deutschland sind die hohen Erwartungen, die an Miscanthus gestellt wurden, nicht erfüllt worden. Hohe Kosten bei der Anlage der Flächen und hohe Auswinterungsverluste im ersten Standjahr bereiten die größten Probleme. Zur Zeit kann deshalb ein Anbau von Miscanthus unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten nicht empfohlen werden. Für die Zukunft könnten durch erfolgreiche Züchtung die Anbauschwierigkeiten dieser Pflanze beseitigt werden, so daß sie hier der Vollständigkeit halber mit betrachtet wird.

Sonstige

Es ließen sich noch weitere Quellen für Biobrennstoffe ausführen, deren Potentiale sich allerdings im Vergleich zu denen der bereits genannten Biomassearten nur schlecht bestimmen lassen. Der Grund hierfür liegt vor allem in ihrer mangelnden statistischen Erfassung. Zum Teil sind grobe oder kleinräumige Mengenabschätzungen für bestimmte Biobrennstofffraktionen vorhanden. Zu diesen zusätzlichen Brennstoffquellen, die zum Teil als sogenannte Billigmacher in Heizwerken eingesetzt werden, gehören

· Sägerestholz, das hauptsächlich in Form von Hackschnitzeln und Spänen als Nebenprodukt in Sägewerken anfällt. Der Anteil an Spreißel und Schwarten dürfte inzwischen zurückgegangen sein, da diese Fraktion durch den Einsatz moderner Profilzerspaner als Hackschnitzel anfallen.

· Industrierestholz, das in der holzverarbeitenden Industrie als stückiges Material, Hackschnitzel, Späne und Schleifstäube anfällt.

· Altholz, das unbelastet vor allem aus Holzverpackungen und Abbruchhölzern besteht. Für die Verwertung von belastetem Altholz (z. B. Holz aus dem Sperrmüll, Bahnschwellen) bestehen besondere gesetzliche Regelungen, die z. B. eine aufwendige Rauchgasreinigung vorschreiben. Altholz steht in relativ großen Mengen zur Verfügung, eine genaue Potentialabschätzung läßt nicht durchführen, da es statistisch nur unzureichend erfaßt wird.

· Landschaftspflegematerial, das als Holz oder Heu anfällt und von den Flächen abgefahren werden muß.

· Straßenbegleitgrün, das i. d. R. gehäckselt und wieder auf die Flächen ausgebracht wird.

· Knickholz; Knicks sind freiwachsende Hecken, die als Begrenzungen von Ackerflächen auf Knickwällen angepflanzt wurden, aus sehr unterschiedlichen Gehölzarten bestehen und regelmäßig (ca. alle 10 bis 15 Jahre) auf den Stock gesetzt (geknickt) werden. Landschafts- und Naturschutzgesetze und Knickerlässe regeln den Schutz und die Pflege der Knicks.

· Treibgut (Treibsel, Teek); Schwemmaterial, das am Fuß von Dünen und vor allem auf den Außenböschungen der See- und Stromdeiche abgesetzt wird.

2.2 Ermittlung der Potentiale

Aus den Veröffentlichungen der statistischen Landesämtern lassen sich die vorhandenen Wald- und Ackerflächen entnehmen. Zur Berechnung der einzelnen Potentiale müssen diese Flächenangaben mit dem zugrunde gelegten Ertrag in Tabelle 1 verrechnet werden. Bei der Ermittlung des Potentials an Waldrestholz wird auf diesem Wege verfahren, wobei der in Tabelle 1 genannte Ertrag für das technisch nutzbare Potential an Waldholz steht, das für eine energetische Nutzung zur Verfügung stehen könnte.

Zur Berechnung des Potentials an Stroh muß die Getreideanbaufläche herangezogen werden, die in den Berichten der statistischen Landesämter nicht einzeln ausgewiesen werden. Da der Anteil des Getreideanbaus je nach Region schwanken kann, wird für jedes Bundesland Anteil der Getreideflächen an der gesamten Ackerfläche nach den Angaben von Kaltschmitt u. Wiese (1993) ermittelt (siehe Tabelle 2). Wie bereits in Kapitel 2.1 erläutert können voraussichtlich nur 15% des gesamten Strohaufkommens energetisch genutzt werden.

Da der Anbau von Kurzumtriebsholz, Getreideganzpflanzen und Miscanthus in Deutschland bisher kaum über einen Versuchsanbau herausgekommen ist, ist eine Potentialabschätzung hier schwieriger als bei den Reststoffen. Eine Möglichkeit besteht darin, für einen Energiepflanzenanbau als Potential den Ertrag aller stillegbaren Flächen als Basis nehmen. Hierzu sei bemerkt, daß bei einem (zukünftigen) Vertragsanbau von Energiepflanzen die Landwirte nicht auf Stillegungsflächen angewiesen sind. Bei den hier dargestellten Potentialen wurde die Größe der Flächenstillegung für das Jahr 1998 zugrunde gelegt, die mindestens 5% und darf höchstens 33% betragen durfte (Bmelf 1997). Die untere Grenze wird hier zur Berechnung des Potentials von Energiepflanzen angesetzt. Es sei darauf hingewiesen, daß sich dabei die Potentiale der drei Energiepflanzenarten gegenseitig ausschließen, da jeweils die gleiche Anbaufläche als Berechnungsgrundlage verwendet wird.

Tabelle 1: Erträge verschiedener Biomassearten

TM = Trockenmasse

Tabelle 2: Anteil der Getreideanbaufläche an der gesamten Ackerfläche in den einzelnen Bundesländern (nach Kaltschmitt u. Wiese 1993

2.3 Darstellung der Potentiale

Die vollständige Darstellung der Potentiale für jeden Landkreis der Bundesrepublik kann hier aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht erfolgen. Dazu sei auf Brökeland (1998) verwiesen, wo für die insgesamt mehr als 400 Landkreise und Städte die Potentiale der hier beschriebenen Biomassearten in t OE/a (Tonnen Öläquivalent pro Jahr) genannt werden. Die Feuchtegehalte der Biobrennstoffe, die unmittelbar auf die Heizwerte Einfluß nehmen und die für die Potentialberechnung zugrunde gelegt werden, sind ebenfalls ausgewiesen.

Als Beispiel werden die vorhandenen Potentiale in Bayern und im Vergleich dazu für Deutschland in Abbildung 1 gezeigt. Deutlich ist zu erkennen, daß jeweils das Potential an Waldrestholz mit Abstand das größte der hier betrachteten Biobrennstoffe darstellt. Bei Bedarf könnten sogar größere Mengen an Holz bereitgestellt werden als in dieser Untersuchung an Ertrag zugrunde gelegt wurde.

Zur Berechnung der Potentiale an Energiepflanzen wurde 5% Stillegungsfläche als Kulturfläche angenommen. Auch diese Größe ist veränderlich und wurde hier relativ niedrig angesetzt. Dabei ist der Anbau von nachwachsenden Rohstoffen nicht auf Stillegungsflächen angewiesen. Wenn sich in Zukunft ein Markt für Biobrennstoffe entwickelt und die Nutzung von Reststoffen weitgehend an ihre Grenzen stößt, ist ein Vertragsanbau für Energiepflanzen denkbar, der dann auch ohne Stillegungsprämie auf normalen Ackerflächen stattfinden und wirtschaftlich sein kann. Grundsätzlich bleibt aber zu bedenken, daß schon jetzt nachwachsende Rohstoffe für die energetische als auch für die stoffliche Nutzung teilweise um die Anbauflächen konkurrieren und somit eine Darstellung einzelner Potentiale erschwert wird.

Abbildung 1: Potentiale verschiedener Biobrennstoffe in Bayern und in Deutschland

2.4  Der Energieholzmarkt In Deutschland am Beispiel Bayern

Angebot und Nachfrage auf dem Energieholzmarkt in Bayern sowie verschiedene Vermarktungskonzepte haben Wagner und Wittkopf (2000) dargestellt. Unter dem Begriff “Energieholz” wurden hierbei sowohl Waldenergieholz als auch sonstige Energieholzsortimente (Industrierest-, Alt- und Flurholz) berücksichtigt. Die Ergebnisse dieser Potentialerhebung (Quellen und Verfügbarkeit) sind in Tabelle 3 wiedergegeben.

Tabelle 3: Potentiale der unterschiedlichen Energieholzsortimente in Bayern in Mio. t_atro/a

2.5  Primärenergieverbrauch in Deutschland

Seit der Wiedervereinigung schwankt der Primärenergieverbrauch in Deutschland um einen Wert von ca. 14,5 Exajoule (EJ) (BMWi 1999). Biomasse kann im Vergleich dazu nur einen geringen Beitrag zur Deckung des Primärenergiebedarfs leisten. Sie ist aber wichtiger Bestandteil des jetzigen und zukünftigen Energiemixes bei einer dezentralen Energieversorgungsstruktur.

Nach den Angaben des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie (BMWi 1999) werden ca. 34% des Primärenergieverbrauchs für Heizzwecke aus fossilen Energieträgern gedeckt. Bei einem Vergleich mit den hier dargestellten Potentialen und unter Berücksichtigung der Tatsache, daß sich die Potentiale der Energiepflanzen gegenseitig ausschließen, könnten Biobrennstoffe zwischen 10% (bei Nutzung von Waldrestholz, Stroh und Kurzumtriebsholz) und maximal 12% (Nutzung von Waldrestholz, Stroh und Miscanthus) der genannten fossilen Energieträger ersetzen.

Das Potential zur Energieeinsparung wird in vielen Bereichen nicht ausgeschöpft. Durch Maßnahmen zur Einsparung und rationellen Energienutzung könnte der bisherige Energieverbrauch schätzungsweise um 30 bis 50% gesenkt und entsprechend der Anteil regenerativer Energien erhöht werden.

Abbildung 2: Primärenergieverbrauch in Deutschland 1998 (BMWi 1999)

3  Eigenschaften

3.1  Allgemeine Eigenschaften

Grundsätzlich haben Biobrennstoffe im Vergleich zu Heizöl oder Gas einen deutlich höheren Feuchte- bzw. Wassergehalt. Frisch geerntetes Holz besteht etwa zur Hälfte aus Wasser und macht dadurch den wesentlichen Anteil des Gewichtes aus. Bei ausreichend langer Lagerzeit kann es auf eine Feuchte von 25 bis 35% herab trocknen. Halmgüter wie z. B. Stroh haben verfahrensbedingt schon bei der Ernte eine deutlich geringere Feuchte als Holz.

Der Heizwert (H_u) von Biomasse ist im wasserfreien Zustand des Brennstoffs dagegen deutlich geringer als bei fossilen Brennstoffen. Mit zunehmender Feuchte des Biobrennstoffs sinkt dabei der Heizwert, da das darin enthaltene Wasser vor der eigentlichen Verbrennung im der Feuerungsanlage unter Energieaufwand verdampft werden muß. Tabelle 4 stellt Heizwerte von Biobrennstoffen bei verschiedenen Feuchten denen fossiler Brennstoffe gegenüber.

Ein weiteres Problem, das bei feuchten Brennstoffen auftreten kann, ist Schimmelbildung, die nicht nur die Qualität beeinträchtigen, sondern auch durch erhöhte Sporenkonzentration in der Umgebungsluft zur gesundheitlichen Belastung der Arbeitskräfte führen kann. Unter Umständen muß beim Umschlag der pilzbefallenen Brennstoffe mit Atemschutzmasken gearbeitet werden.

Tabelle 4: Vergleich von Heizwerten biogener und fossiler Brennstoffe

Auch die Inhaltstoffe der Biobrennstoffe haben einen nicht zu unterschätzenden Einfluß auf die Verwendbarkeit in Feuerungsanlagen und die Emissionen. Ein Vorteil der Biomasse liegt in den sehr geringen Schwefelgehalten. Nachteilig dagegen können bei proteinreichen Pflanzen wie Getreideganzpflanzen und (je nach Zeitpunkt des Schnittes) Landschaftspflegeheu der Gehalt an Stickstoff sein, da dieser Nährstoff nicht in der Asche gebunden wird, sondern als Stickoxid in die Atmosphäre gelangt.

Halmgüter können zudem einen gegenüber Holz deutlich höheren Chlorgehalt in der Pflanzenmasse aufweisen, da Chloride als Begleitstoffe in Düngemitteln enthalten sind und beim Wachstum mit aufgenommen werden. Neben der Gefahr der Dioxin- und Furanbildung können Chlorkorrosionen an Bauteilen der Feuerungsanlage entstehen und diese zerstören. In Tabelle 5 sind emissionsrelevante Inhaltstoffe verschiedener Brennstoffe aufgeführt. Besonders bei Betrachtung der heizwertbezogenen Gehalte der Inhaltstoffe werden die Abstände zu den fossilen Brennstoffen deutlich.

Die Aschegehalte der Biobrennstoffe können in weiten Bereichen schwanken. Holzige Brennstoffe haben dabei in der Regel einen deutlich geringeren Aschegehalt als halmgutartige. Wichtiger als die Menge ist dagegen das Ascheerweichungsverhalten. Bei Getreidestroh liegt der Ascheerweichungspunkt bei ca. 930°C (Hartmann u. Strehler 1995), so daß es zu Schlackebildung und damit zu Funktionsstörungen im Verbrennungsraum kommen kann. Schlacken müssen i. d. R. manuell beseitigt werden muß. Der Erweichungspunkt von Holzasche liegt im Vergleich dazu bei 1260°C.

Tabelle 5: Mittlerer und relativer Gehalt emissionsrelevanter Inhaltstoffe der Brennstoffe (Hartmann u. Strehler 1995)

Ergänzend wird hier auf Schwermetalle hingewiesen, die ebenfalls in Biobrennstoffen enthalten sein können. Sie gelangen über den Boden und die Luft in die Pflanzenmasse und werden bei einer Freisetzung nach der Verbrennung wieder freigesetzt. Sie werden damit im Kreislauf geführt und so zu keiner Erhöhung der Schwermetallgehalte in der Atmosphäre beitragen, da die Quelle der Schwermetalle nicht die Biomasse selbst ist. Doch bestehen gesetzliche Vorschriften zu Höchstgrenzen von Schadstoffen, die im Rauchgas und in der Asche enthalten sein dürfen. Schwermetalle werden überwiegend an der kleinsten Fraktion der Flugasche gebunden, so daß bei Deponierung der Feinstflugasche diese Stoffe aus dem Kreislauf weitgehend ausgegliedert werden.

3.2  Brennstofformen, spezifische Eigenschaften

Grundsätzlich muß jede Biomasse aufbereitet werden, bevor sie als Biobrennstoff transportiert, gelagert und in einer Feuerungsanlage verbrannt werden kann. Neben der Feuchte des Brennstoffs ist hier vor allem die Brennstofform entscheidend, so daß die gesamte verfahrenstechnische Kette von der Ernte bis zur Ascheausbringung auf die jeweilige Brennstofform abgestimmt werden muß. Die Tabellen 6 und 7 nennen technische Eigenschaften verschiedener Brennstofformen aus Holz und Halmgut und bewerten ihre jeweilige Eignung zum Einsatz in automatischen Anlagen.

Schleifstäube und Späne werden in der Regel am Ort ihres Entstehens, also in Betrieben der holzverarbeitenden Industrie, z. B. in Einblasfeuerungen verbrannt. Soll dieser Brennstoff an andere Verbraucher abgegeben werden, ist eine Verdichtung zu Pellets oder Briketts unumgänglich, da anderenfalls unnötig hohe Transport- und Lagerkosten und Staubemission entstehen würden.

Briketts selbst werden hier nicht näher betrachtet, da es hierfür keine speziellen Feuerungsanlagen gibt. Sie können in üblichen Scheitholzfeuerungen oder -öfen eingesetzt werden, eignen sich allerdings nicht für die Verwendung in automatisch arbeitenden Anlagen.

Für Pellets und Briketts aus Holz existieren Normen, in denen die Maße, Rohdichte, Wasseranteil, Aschegehalte, Heizwert und Inhaltstoffe festgeschrieben sind (Din 51731 1996; Önorm M 7135 1990).

Je nach Aufbereitungsform der Biomasse können die Staubgehalte der Brennstoffe stark variieren. Hohe Staubgehalte können beim Umschlag der Biomasse zu Belastungen der Umgebungsluft und zu erhöhten Staubemissionen im Rauchgas führen. Hier werden z. B. hohe Anforderungen an die Stabilität von Pellets gestellt, da instabile Pellets und eine geringe Abriebfestigkeit bei diesem recht trockenen Brennstoff eher zu Staubemissionen führen als bei feuchteren Hackschnitzeln, die Stäube leichter binden können.

Tabelle 6: Technische Eigenschaften von Holz als Brennstoff (verändert nach Strehler 1988)

++ = sehr gute Eignung, + = gute Eignung, o = möglich, - = schlechte Eignung, -- = sehr schlechte Eignung

Tabelle 7: Technische Eigenschaften von Halmgut als Brennstoff (verändert nach Strehler 1988)

++ = sehr gute Eignung, + = gute Eignung, o = möglich, - = schlechte Eignung, -- = sehr schlechte Eignung

3.3  Anforderungen an die Technik

Der im Vergleich zu fossilen Brennstoffen hohe Anteil flüchtiger Bestandteile bei Biomasse bewirkt große Mengen an Brenngasen, die nach der Trocknung des Brennstoffs in der Feuerungsanlage durch die Vergasung entstehen. Um einen möglichst vollständigen Ausbrand der Brenngase zu erreichen, ist eine ausreichend lange Verweilzeit und damit eine relativ große Dimensionierung des Feuerraums erforderlich. Unterstützt wird die Verbrennung durch Einblasen von Primär- und Sekundärluft.

Zur Vermeidung von Stickoxidemissionen bei proteinreichen Brennstoffen bestehen grundsätzlich technische Möglichkeiten der Entstickung, bei denen Reduktionsmittel in den Feuerraum oder ins Rauchgas eingedüst werden. Diese Techniken kommen aus wirtschaftlichen Gründen nur für größere Anlagen in Frage.

Um die schädigenden Wirkungen des Chlors zu vermeiden, sollte schon bei der Düngung im Energiepflanzenanbau auf die Verwendung von chloridarmen Düngemitteln geachtet werden. Ein nachträglicher Schutz der Anlagenteile vor Chlorkorrosion und Schädigungen durch Salzsäure lassen sich nur durch die Verwendung von Edelstahlkomponenten erreichen, was zu einer Erhöhung der Investitionen führen würde.

Eine Schlackebildung aus der Asche halmgutartiger Brennstoffe wird in der Regel mit luft- oder wassergekühlten Rosten begegnet, um den Ascheerweichungspunkt nicht zu erreichen.

Grundsätzlich lassen sich die genannten technischen Probleme beim Umgang mit Bio-brennstoffen lösen bzw. wurden diese bereits gelöst. Neben großen Fortschritten in der Verbrennungstechnik, die einen erhöhten Automatisierungsgrad und geringere Emissionen zur Folge haben, kann für viele Brennstofflinien auf vorhandene Techniken und Erfahrungen zurück gegriffen werden (z. B. Ballenlinien, Hackschnitzelketten). Und auch für (neue) Energiepflanzen sind technische Neuentwicklungen vorhanden, die z. T. ihre Praxisreife bereits erlangt haben.

Tabelle 8: Eigenschaften von Biobrennstoffen und daraus resultierende technische Anforderungen

4  Zusammenfassung

Die Potentiale an Biobrennstoffen reichen zwar nicht aus, den gesamten Wärmebedarf der Bundesrepublik zu decken, sie werden aber zukünftig einen wichtigen Beitrag zu einer dezentralen Energieversorgung mit einem hohen Anteil an regenerativer Energiequellen leisten. Durch Maßnahmen zur Energieeinsparung läßt sich der Anteil regenerativer Energiequellen und damit auch von Biomasse steigern.

Die technischen Probleme, die Biobrennstoffe aufgrund ihrer von fossilen Energieträgern stark abweichenden Eigenschaften bereiten, können gelöst werden bzw. wurden bereits gelöst. Moderne Feuerungsanlagen zeichnen sich durch einen hohen Automatisierungsgrad, gutes Ausbrandverhalten und geringe Emissionswerte aus.