3. - Landwirtschaftliche Lehranstalten Bayreuth

Roßmann 

P 07 B Rm 001 

Landwirtschaftliche Lehranstalten des Bezirks Oberfranken, Bayreuth 

Energie aus Feststoffen 

14. Februar 2007 

Getreide als Brennstoff in Kleinfeuerungsanlagen 

Dipl. Phys. Paul Roßmann 

Technologie- und Förderzentrum (TFZ), Straubing 

Folie 1 

Technologie- und Förderzentrum 

im Kompetenzzentrum für Nachwachsende Rohstoffe

Vortragsgliederung 

Roßmann 

P 07 B Rm 001 

1. Brennstoffeigenschaften 

2. Technische Konzepte (Prinzipien, Erfahrungen, 

Neuentwicklungen) 

3. Schadstoffemissionen (CO, Staub, NO X ) 

4. Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen 

5. Rechtliche Einordnung 

6. Schlussfolgerungen 

Folie 2 



Technik der Energienutzung: Konzepte 

1. Anpassung des Brennstoffs an die Feuerung 

Roßmann 

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– Herstellung definierter Brennstoffmischungen 

(z.B. Hackschnitzel-Körner-Gemisch) 

– die Verwendung von Zuschlagsstoffen (z.B. Branntkalk, Kaolin) 

2. Anpassung der Feuerung an den Brennstoff 

– die Begrenzung der Verbrennungstemperaturen im Glutbett 

– das kontinuierliche In-Bewegung-Halten von Brennstoff und Asche 

Folie 3 



Angepasste Feuerungen für Getreidekörner 

Roßmann 

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Schubbodenfeuerung 

mit Wasserkühlung 

(ab ca. 30 kW) 

Folie 4 

Vorschubrostfeuerung 

(z.T. mit wassergekühltem Rost) 

ab ca. 15 kW 



Leistungsminderung beim Getreideeinsatz 

Nennleistung [kW], 

tats. Leistung [kW, %] 

Roßmann 

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90 

80 

70 

60 

50 

40 

30 

20 

10 

0 

Kesselleistung 

Weizen/Gerste Braugerste Sommergerste Strohpellets 

Folie 5 

Brennstoff 

Nennleistung tatsächl. Leistung bei Volllast in Prozent der Nennleistung 

Quelle: Lasselsberger, BLT Wieselburg 



Verbrennungswirkungsgrad (feuerungstechnisch) 

Roßmann 

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Wirkungsgrad (feuerungstechnisch) 

Anzahl 

Werte 

100 

% 

90 

80 

70 

10 

0 

Holzhackschnitzel 

86,4 88,2 

87,2 87,4 

85,2 

Buche 

Fichte 

Nadelreiche Fichte 

Pappel 

Weide 

Rinde 

87,5 

85,9 

Fichtenrinde 

Kiefernrinde 

Folie 6 

sonstige 

Holzbrennstoffe 

88,2 87,6 87,7 86,7 87,3 

Holzpellets 

Schwartenhackgut 

Straßenrandholz 

Sägespäne 

Hobelspäne 

Halmgut 

83,2 84,2 

81,5 

Stroh (gehäckselt) 

Getreide-GP-Pellets 

Miscanthus (gehäckselt) 

Körner 

und 

Ölkuchen 

83,2 83,0 

9 6 3 6 3 3 3 3 6 3 3 4 3 3 3 3 3 

Triticalekörner 

Rapspresskuchen 



CO-Emissionen (49 kW HS-Feuerung) 

(hier nur Brennstoffe bis w = 20 %) 

Roßmann 

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delta-p_co.axg 

Kohlenmonoxidemissionen 

1500 

mg/Nm³ 

Anzahl 

Werte 

1000 

750 

500 

250 

0 

88 


98 91 

492 

584 

9 6 3 6 3 3 3 3 5 3 3 4 3 3 3 3 3 

Buche 

Fichte 


Pappel 

Weide 

Folie 7 

Rinde 

26 93 

Fichtenrinde 

Kiefernrinde 

sonstige 


8 74 

591 

902 

1268 

Holzpellets 



Sägespäne 

Hobelspäne 

Halmgut 

1016 

24 52 




Körner 

und 

Ölkuchen 

12 20 





Staub-Emissionen (49 kW-Hackschnitzel-Feuerung) 

(hier nur Brennstoffe bis w = 20 %) 

Roßmann 

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delta-p-staubvdi_heiß.axg 

700 

13 % O 2 

500 

400 

300 

200 

100 

Staubemissionen mg/Nm³ 

Anzahl 

Werte 

0 


Grenzwert 1. BimschV 

59 

20 

58 96 

9 6 3 6 3 3 3 3 6 3 3 4 3 3 3 3 3 

Buche 

Fichte 


Pappel 

Weide 

Fichtenrinde 

Kiefernrinde 

Folie 8 

Rinde 

26 

32 

sonstige 


14 

26 

189 

106 118 135 

Holzpellets 



Sägespäne 

Hobelspäne 

Halmgut 

457 

642 




Körner 

und 

Ölkuchen 

230 

173 136 





NO x -Emission in Abhängigkeit vom Stickstoffgehalt 

NO x -Emission (E NOx ) 

Roßmann 

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011hh022.prz 

700 

mg/Nm³ 

(13 % O 2 ) 

500 

400 

300 

200 

100 

0 

Triticale-Ganzpflanze 

Triticale-Körner 

E NOx = 414 + 122 ln N 

R² = 0,91 

n = 40 

0 1 2 3 4 % (TM) 5 

Stickstoffgehalt im Brennstoff (N) 

Folie 9 


Emissionsbegrenzung 

TA-Luft: Stroh (bis 1 MW) 



Messergebnisse: Brennstoffvergleich 

(Mittelwerte aus 3 je Messungen, Heizomat RHK-AK 50, Betrieb bei höchster Wärmeleistung) 

600 

mg/Nm³ 

(13 % O 2) 

500 

400 

300 

200 

100 

0 

Roßmann 

P 07 B Rm 001 

383 

101 

505 

68 

400 

92 

480 

39 

153 

211 

563 

Folie 10 

171 

183 

TA-Luft Grenzwert 

Stroh (bis 1 MW) 

Gerste Weizen Weizenkleie Mühlenabputz Miscanthus Hackschnitzel 

61 

472 

39 

193 

3 3 


im Kompetenzzentrum für Nachwachsende Rohstoffe 

24 

187 

Staub 

CO 

NOx 

CnHm 

239 

11 

Staubgrenzwert 

1.BImSchV

Messergebnisse: Brennstoffmischung 

600 

mg/Nm³ 

(13 % O 2) 

500 

400 

300 

200 

100 

0 

Roßmann 

P 07 B Rm 001 

24 

187 

239 

Staub 

CO 

NOx 

CnHm 

11 

129 

TA-Luft Grenzwert 

Stroh (bis 1 MW) 

100 % Hackschnitzel 70% Hackschnitzel + 

30% Weizen 

68 

245 

Mittelwerte aus 3 Messungen, Heizomat RHK-AK 50, Betrieb bei höchster Wärmeleistung 

Folie 11 

1 

140 

416 

529 

17 

30% Hackschnitzel + 

70% Weizen 

400 

92 

480 

100 % Weizen 



39 

Staubgrenzwert 

1.BImSchV

Entwicklung der Brennstoffpreise in Deutschland 

Brennstoffpreis 

(ct pro Liter Heizöläquivalent) 

Roßmann 

P 07 B Rm 001 

70 

65 

60 

55 

50 

45 

40 

35 

30 

25 

20 

15 

10 

5 

0 

ct/l HEL 

Jan 

01 

Scheitholz (hart, trocken), inkl. MwSt. 

33 cm, gespalten, bis 10 km Lieferung 

Getreidekörner (Triticale) 

Erzeugerpreise Bayern inkl. MwSt. 

Jul 

01 

Jan 

02 

Jul 

02 

Jan 

03 

Jul 

03 

Folie 12 

Heizöl, inkl. MwSt. 

3000 l 

Hackschnitzel (Wassergehalt 35%) 

bis 20 km Anlieferung inkl. MwSt. 

Jan 

04 

Holzpellets, inkl. MwSt. 

5 t lose, 50 km Umkreis 

Jul 

04 

Jan 

05 

Jul 

05 

Jan 

06 

Jul 

06 

Jan 

07 



Datenquellen: 

C.A.R.M.E.N., 

Tecson, 

eigene Erhebungen

Modellkostenrechnung (1): Investitionen 

a 150 €/m³ Aufstellraumvolumen (Keymer 2003), b 150 €/m³ Lager/Tankraumvolumen, außer Hackschnitzel: 75 €/m³, Lagerung des Jahresbedarfs, 

Raumausnutzungsfaktor: 2,5 (H EL ), 1,25 (Hackgut), 1,5 (Pellets/Körner); c gemäß Kostenfunktionen TFZ sowie Ergänzungen für Heizölfeuerungen, 

bei Hackgut, Pellets und Körnern inkl. Raumaustrag; d Speicherladepumpe, Rücklaufanhebung, Sensoren, Druckausgleichsgefäß, Sicherheitseinrichtungen, etc. 

Investition für Getreidefeuerung: 20 % Zuschlag zu Pelletfeuerung 

Roßmann 

P 07 B Rm 001 

Kosten-Heizsysteme30kW-050121.xls 

Folie 13 

Einheit Heizöl Holzhackgut 

Holzpellets 



Getreidekörner 

Anlagen- und Betriebsdaten 

Anlagen-Nennwärmeleistung kW 30 30 30 30 

Wärmebedarf Heizung und Brauchwasser MWh/a 51 51 51 51 

Gesamtnutzungsgrad % 85% 79% 84% 77% 

Summe Brennstoffeinsatz MWh/a 60 64,6 60,7 66,2 

Arbeitszeitbedarf für Reinigung und Betrieb h/a 1 20 10 30 

Investitionen 

Heizraum a € 1.980 3.300 2.640 2.640 

Öltank € 4.500 

Lagerraum b € 2.277 6.302 4.472 5.110 

Feuerungsanlage komplett mit Regelung c € 4.172 13.414 11.990 14388 

Wärmespeicher c € – 1.051 1.051 1.051 

Installationsteile d € 800 1.100 1.100 1.100 

Lieferung, Montage, Inbetriebnahme € 1.300 1.700 1.500 1.500 

Summe bauliche Investitionen € 4.251 9.602 7.112 7.750 

Summe Investitionen Technik/Installation € 10.772 17.265 15.642 18.040

Modellkostenrechnung (2): 

Kapital-, verbrauchs- und betriebsgebundene Kosten 

Roßmann 

P 07 B Rm 001 

Kosten-Heizsysteme30kW-050121.xls 

Folie 14 

Einheit Heizöl Holzhackgut 

Holzpellets 

Getreidekörner 

kapitalgebundene Kosten e 

Annuität Gebäude und bauliche Einrichtungen €/a 270 609 451 492 

Annuität Technik/Installation €/a 1.109 1.778 1.611 1.857 

Summe kapitalgebundene Kosten €/a 1.379 2.387 2.062 2.349 

verbrauchsgebundene Kosten 

angelegter Brennstoffpreis 0,58 €/l 15 €/m³ 175 €/t 77 €/t 

Brennstoffkosten €/a 3.522 1.008 2.261 1.312 

Hilfsstromverbrauch f €/a 36 61 61 61 

Summe verbrauchsgebundene Kosten €/a 3.558 1.070 2.322 1.373 

betriebsgebundene Kosten 

Wartung/Instandsetzung (baul. Einrichtungen) g €/a 43 96 71 77 

Wartung/Instandsetzung (Technik/Installation) h €/a 162 259 235 361 

Arbeitskosten für Reinigung und Betrieb i 

€/a 9 172 86 259 

Emissionsmessung €/a 34 89 89 89 

sonstige Kaminkehrerleistungen j 

€/a 23 39 39 39 

Summe betriebsgebundene Kosten €/a 270 656 520 825 

sonstige Kosten 

Versicherung k €/a 75 134 114 129 

Summe jährliche Gesamtkosten €/a 5.282 4.247 5.018 4.676 

Kosten der Nutzenergiebereitstellung €/kWh 0,104 0,083 0,098 0,092 

e Zinssatz 6 % und 15 Jahre Abschreibungsdauer für maschinentechnische Teile und 50 Jahre für Heiz- und Lagerraum; f bei Heizölkessel: 0,7 % der therm. Arbeit, 

bei Biomassefeuerungen 1,2 % der therm. Arbeit, Strompreis: 0,1 €/kWh; g 1 % der baulichen Investition; h 1,5 % der maschinentechnischen Investition, 

außer Körnerverbrennung: 2 %; i Lohnanspruch 8,62 €/h, j Kaminkehren, Rauchrohrreinigung und Lüftung prüfen; k 0,5 % der Gesamtinvestition 



Rechtliche Einordnung 

Regelbrennstoffe nach 1. BImSchV (Anlagen bis 100 kW): 

§ 3 Brennstoffe: 

Ziffer 8 "Stroh oder ähnliche pflanzliche Stoffe" 

�Als stroh- oder strohähnliche Stoffe gelten: 

Energiepflanzen, z. B. Schilf, Miscanthus, Heu, Maisspindeln. 

�Getreide ist kein zugelassener Brennstoff nach der 1. BImSchV ! 

(Interpretation LAI, Mai 2004) 

Ausnahmen nach § 20 der 1. BImSchV: 

Ausnahmen sind zulässig wenn die Beschränkungen "im Einzelfall wegen besonderer 

Umstände 

� durch einen unangemessenen Aufwand oder in sonstiger Weise zu einer unbilligen 

Härte führen und 

� schädliche Umwelteinwirkungen nicht zu befürchten sind". 

Ausnahmegenehmigungen erteilt das Landratsamt. 

Roßmann 

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Folie 15 



Rechtliche Einordnung (2) 

Vollzug der Ausnahmeregelungen nach § 20 in Bayern: 

Mit Schreiben des BayStUGV vom 22.4.2005 an die Regierungen werden einheitliche 

Auflagen für Ausnahmegenehmigungen festgelegt: 

1. Getreideganzpflanzen oder Getreidekörner dürfen nur von Anbauflächen stammen, 

die mindestens 1 Jahr lang nicht mit chloridhaltigen Mineraldüngemitteln gedüngt 

wurden, 

2. Besondere Emissionsbegrenzungen nach Prüfzeugnissen (nach DIN EN 303-5): 

-NO x : 500 mg/Nm³ (13 % O 2 ) 

- Staub: 75 mg/Nm³ (13 % O 2 ) 

3. Staub-Emissionsbegrenzungen bei wiederkehrenden Messungen (Kaminkehrer): 

- bis 50 kW: 100 mg/Nm³ (13 % O 2 ) 

- 50 bis 100 kW: 75 mg/Nm³ (13 % O 2 ) 

4. CO-Emissionsbegrenzungen bei wiederkehrenden Messungen (Kaminkehrer): 

- bis 50 kW: 1,0 g/Nm³ (13 % O 2 ) 

- 50 bis 100 kW: 0,5 g/Nm³ (13 % O 2 ) 

5. Einsatz nur in Betrieben der Land- u. Forstwirtschaft, Gartenbau, Agrargewerbe 

Roßmann 

P 07 B Rm 001 

Folie 16 



Aktueller Diskussionsstand zur Novellierung 1. BImSchV 

(Vorschläge im Eckpunktepapier des Umweltbundesamts vom Nov. 2006) 

• Aufnahme von in Brennstoffliste ist geplant für: Getreidekörner Getreide- 

GP, Getreidepellets, Mühlenrückstände (ab 15 kW) 

• Zunächst nur Öffnung für Getreideanbauer und -verarbeiter 

(nach Versuchsphase von 3 bis 4 Jahren evtl. Öffnung) 

• Generelle Emissionsbegrenzungen wie bei Holz (4 bis 500 kW): 

- Staub: 0,6 mg/Nm³ bei 11 % O 2 (Kaminkehrermessungen) 

- CO: 1 g/Nm³ bei 11 % O 2 (Kaminkehrermessungen) 

• Spezielle Emissionsbegrenzungen (nur für Getreide u.ä.): 

- PCDD/F: 0,1 ng/Nm³, bei 11 % O 2 (Prüfstandsmessungen) 

-NO x : 0,6 mg/Nm³, bei 11 % O 2 (Prüfstandsmessungen) 

Roßmann 

P 07 B Rm 001 

Folie 17 



Schlussfolgerungen 

• Kein Einsatz von Körnern und Stroh in konventionellen 

Hackschnitzel- oder Pelletfeuerungen! 

• Auch bei technisch geeigneten Feuerungen besteht das Risiko 

von Korrosionsproblemen und erhöhten Schadstoffemissionen 

• Primär- und ggf. Sekundärmaßnahmen sind zur Emissionsminderung 

erforderlich. 

• Für weiterentwickelte körnertaugliche Feuerungen besteht eine 

interessante wirtschaftliche Perspektive, sofern die rechtlichen und 

umweltrelevanten Fragen zufriedenstellend gelöst werden 

(insbesondere für die Verwertung von minderwertigem Getreide). 

Roßmann 

P 07 B Rm 001 

Folie 18 



Lehrstuhl für Energiesysteme Boltzmannstrasse 15 85747 Garching http://www.es.mw.tum.de 

Seminar "Energie aus Feststoffen" der 

Landwirtschaftlichen Lehranstalten des Bezirks Oberfranken, Bayreuth, 14.2.07 

Stand der Technik der Vergasung 

von Biomasse 

Jürgen Karl 

Lehrstuhl für Energiesysteme 

Technische Universität München 

Biomasse 

Microturbine, 

Brennstoffzelle 

Strom 

Bedienstation 

Rücklauf Heiznetz 

Vorlauf Heiznetz 


1. Motivation für die thermische Vergasung 

Randbedingungen der Stromerzeugung 

Stand der Technik Strom aus Biomasse 

2. Stand der Technik thermische Vergasung 

Teerporblem 

autotherme und allotherme Vergasung 

Motivation 

Stand der Technik 

Konzepte 

SNG 

Fazit 

Fazit 

3. Vergasungskonzepte 

Funktionsweise und Entwicklungsstand 

Biomass Heatpipe Reformer 

4. Zukunftsoption: Substitute Natural Gas (SNG) 

Methanisierung von Holz 

Energiebilanz


Motivation 

Motivation 


CH4 

CO2-Bilanz der 

Biomasse 

Konzepte 

CO2 

CO2 

SNG 

Zusammenfassung 

Biomasse 

Biomasse 

Biomasse Verbrennung 

Bei der Verbrennung biogener 

Brennstoffe entsteht nur soviel CO2 wie 

vorher durch die Pflanze aufgenommen 

wurde 

CO2 wird im gleichen Maß beim 

Verrotten oder Kompostieren 

freigesetzt (evtl. auch als 

Methan...) 

natürliche Verrottung 

Nutzung von Biomasse ist 

CO2 frei! 

aber... 

... Biomasse muss dezentral in (teuren) 

Kleinanlagen eingesetzt werden ... 


Optionen zur Stromerzeugung 

aus Biomasse 

Beispiel: 

Heizkraftwerk Pfaffenhofen 

Beispiel: 

Dampfschraubenmotor 

Biomasse-Heizkraftwerk 

Hartberg, Österreich 

Dampfkraftwerk 

ab Leistungen von ca. 1 MW 

el. Wirkungsgrad im 

Kondensationsbetrieb > 20% 

Dampfmotor 

el. Leistung < 1 MW 

(günstiger) 

Sattdampferzeuger 

Wirkungsgrad 

ca. 8-12 % 

ORC-Prozess 

el. Leistung 300 kW - 7 MW 

el. Wirkungsgrad 14-18% 

(ohne Dampferzeuger) 

geringer Personalaufwand 

(kein Dampfkessel!) 

Stirlingmotor 

el. Leistung < 75 kW 

kein Dampferzeuger 

Wirkungsgrad ca. 10 % 

Beispiel: Sunmachine, Kempten 

Beispiel: 

Heizkraftwerk Sauerlach


BIGCC-Kraftwerk 

Värnamo 6 MWel 


Biomasse Vergasung 

Motivation 

Stand Stand der der Technik 

Technik 

Autotherme (Luft-) Vergaser 

Festbett, Wirbelschicht und Flugstromvergaser 

Vorteil der Festbettvergaser: 

Kleinanlagen sind einfach realisierbar 

Nachteile: geringe Heizwerte, 

Teerproblem... 

Konzepte 

SNG 


Allotherme 

(Wasserdampf-) Vergaser 

meist Wirbelschichtvergaser 

Vorteil: Wasserstoffgehalte bis 70%, 

hohe Heizwerte 

Nachteile: aufwändiger Wärmeeintrag, 

bisher nur "Großanlagen" 

Biomasse HKW 

Güssing 10 MWFWL 2 MWel 


Kernproblem der Vergasung 

Teerproblematik: 

"Schwachgas" muß für die Nutzung im Motor unter 

70 °C abgekühlt werden... 

Beispiel: 

Teer/Koksbeläge nach 

"Vergasung" bei 550°C 

Anschlussflansch 

Produktgasleitung 

Innenansicht 

Reformerdeckel 

Deckel 

Produktgaszyklon


Imbertvergaser 

Festbett-Vergasungsanlagen 

(mit Kohle) wurden bereits im 

19. Jahrhundert für die 

Erzeugung von Stadtgas 

bislang gab es ca. 1000 (?) 

div. Vergaserkonzepte (z.B. 

Harbore, Espenhain...) 

Festbettvergasung stellt höchste Anforderungen and 

die Brennstoffqualität... 


1. "Teerfreie" Vergaser 

Vergasungstemperaturen >> 1000°C 

(thermische Crackung der Teere) 

2. Entfernung der Teere 

Gaswäsche mit Wasser (belastetes Abwasser) 

Gaswäsche mit organischen Lösungsmitteln 

(Benzin, RME) 

Katalytische Crackung der Teere 

Elektrofilter (belastete Stäube) 

3. Konzepte mit Heißgasreinigung 

und Nutzung der Teere 

Systeme mit Gasturbinen... 

Systeme mit 

Hochtemperaturbrennstoffzellen... 

Mögliche 

Lösungen: 

Anschlussflansch 

Produktgasleitung 

und allothermer Vergasung... 

Innenansicht 

Reformerdeckel 

Deckel 

Produktgaszyklon


Motivation 

Einfluss einer 

vorgeschalteten 

Vergärung bzw. Vergasung 


fühlbare Wärme 

15-30 % 

Konzepte 

SNG 


el. Leistung 

22 - 30 % 

chemisch 

gebundene Energie 

70 -85 % 

bei der thermischen 

Vergasung entstehen Wärmeverluste 

bei der Vergärung wird der 

Brennstoff nicht vollständig in 

CH4 umgesetzt 

100 % Biomasse 

100 % 

Abwärme 

48 - 55 % 

Vergaser 

jeder Prozessschritt 

verursacht zusätzliche 

Verluste 

Kaltgaswirkungsgrad ��KG = 80% 

x el. Wirkungsgrad Motor �FC = 34% 

Gesamtwirkungsgrad� ��System = 27% 


Einfluss der Gaszusammensetzung 

Motivation 


MJ/m³ 

34 

21 

Heizwert des Brenngases 

4 11 

Konzepte 

Erdgas 

45 

Biogas 

SNG 

Synthesegas 

(Wasserdampfvergasung) 

40 

Gaszusammensetzung 

beeinflusst den 

Heizwert und damit 

den Wirkungsgrad 

von Gasmotor oder 

Gasturbine 


Beispiel: GE Jenbacher J 

620 GS 

Holzgas(Luftvergasung) 

35 

30 

el. Wirkungsgrad in % 

Gesamtanlage 

25 

20 

1500 2000 2500 3000 el. Leistung in MW 

spezifische 

Investitionskosten 

100 % 

113 % 

140 % 

Biomasse-Heizkraftwerk 

Güssing, Österreich


Biomasse 

Dampf 

Wirbelschichtvergaser 

Biomasse 

Synthesegas 

Rauchgas 

Festbettvergaser 

Gegenstrom-Vergaser 

Gleichstrom-Vergaser 

Querstrom-Vergaser 

Motivation 


Wirbelschicht- 

Reformer 

stationäre und 

zirkulierende 

Wirbelschicht 

autotherme und 

allotherme Betriebsweise 

möglich 

Konzepte 

Luft 

SNG 

Heatpipes 


Holzgas 


Brennkammer 

Asche 

Beispiel: Heatpipe-Reformer 

Beispiel: Imbert-Vergaser 

Sonderkonzepte, z.B. 

Luft/ 

Sauerstoff 

Pyrolysegas 

Kohlenstaub 

Flugstromvergaser 

Kohlestaub- bzw. 

Pyrolysegas- 

Brenner 

heisses 

Rauchgas 

Biomasse 

Pyrolyse 

Großanlagen 

mit Sauerstoffvergasung 

Synthesegas 

Lufteintrag 

partielle 

Oxidation 

Reaktor 

1000-1500 °C 

katalytische 

Crackung 

der Teere 

beheizte 

Förderschnecke 

Quenchwasser 

Koksstaub 

Koksbett 

(Flash-)-Pyrolyse: 

Schlackebadvergaser 

(British-Lurgi-Vergaser) 

allotherme "Gestufte 

Reformierung" ("Blauer Turm") 

gestufte Vergasung 

Quencher 

Holzgas 

Schlacke 

Asche 

Wasserbad 

Beispiel: "Viking Gasifier" 

Schlackeaustrag 

Beispiel: CarboV-Vergaser 


Biomasse 

Technische Probleme bei der 

Festbettvergasung 

Luft 

Luft 

20 - 400 °C 

� = � 

Trocknungszone 

Gastemperatur 

Luftzahl � 

� = 1 

1500 - 2000 °C 

Pyrolyse 

Verbrennung 

(Oxidationszone) 

Vergasung 

(Reduktionszone) 

700 - 900 °C 

� = 0,2 - 0,6 

Produktgas 

Teersträhne 

Asche 

Beispiel: 

Gegenstromvergaser 

Pyrolysegase durchströmen 

zuerst Verbrennungs- und dann 

Reduktionszone 

sehr niedrige Teergehalte sind möglich 

Inhomogener Brennstoff (Stückigkeit und Feuchte) führt zu 

ungleichmässigem Abbrand in der Oxidationszone und Kanalbildung im Festbett 

gleichbleibende Hackschnitzelqualität kann nur schwer 

garantiert werden werden ...


EU-Projekt 

ENK5-CT-2000-00311 

Biomass 

Heatpipe 

Reformer 

Reformer 

EU-Project n° NNE5-2000-181 

Biomass Heatpipe Reformer 

Heatpipes ermöglichen 

allotherme Vergasung 

hohe Heizwerte erlauben 

Strom- und Wärmeerzeugung 

mit Heißgasreinigung in 

kleinen Anlagen (200 kW - 

5 MW) für dezentrale KWK 

Filterschicht 

Heatpipes 

Brennkammer 


EU-Projekt 

ENK5-CT-2000-00311 

Biomass 

Heatpipe 

Reformer 

Heatpipes ermöglichen 

allotherme Vergasung 

hohe Heizwerte erlauben 

Strom- und Wärmeerzeugung 

mit Heißgasreinigung in 

kleinen Anlagen (200 kW - 

5 MW) für dezentrale KWK 

biomasse 

microturbine, 

fuel cell 

power 

control 

unit 

Nächster Schritt 

Dauertest einer 

halbkommerziellen 

Demonstrationsanlage... 

heating grid 

please visit 

www.heatpipe-reformer.com ...


Systemgrößen von Vergasern 

Motivation 


Konzepte 

SNG 


10 kW 100 kW 1 MW 10 MW 100 MW 1000 MW 

KWK mit Biomasse 

SNG mit Polygeneration 

SNG ohne Polygeneration 

BtL aus Biomasse 

BtL aus Kohle 

2 nd 1 

Limitierung: Logistik 

st Limitierung: Wärmeverkauf 


Quelle: STEAG 

Russia 

1999 

Norway 

UK 

Situation der Erdgasversorgung 

in Europa 

Uzbekistan 

Kasakhsta 

Ukraine 

NL 

Turkmenistan 

Tunesia Egypt 

Algeria 

Russia 

2025 

Probleme: 

CO2-Emissionen 

begrenzte Reichweite 

(ca. 40 - 60 Jahre) 

Versorgungssicherheit... 

Turkmenistan


Weitere Option für die dezentrale Nutzung von Biomasse 

Motivation 

SNG: Substitute Natural Gas 


Konzepte 

Prinzip: 

Herstellung von synthetischem "Erdgas" aus Synthesegas ("Methanisierung") 

SNG 

SNG 


+ CO2, H2O, etc. 

CO + 3 H2 

CHxOy +H2O 

(Biomasse) 

1. Schritt: 

Thermische 

Vergasung 

CO + 3 H2 CH4 + H2O 

2. Schritt: 

Methanisierung 

Hinweis: 

Methanisierung erfordert wasserstoffreiches 

Synthesegas und eine druckaufgeladene 

Vergasung... 

Vorteile: 

Auch Lignocellulosen können zur 

Methanerzeugung genutzt werden 

Erdgas kann dezentral ins bestehende 

Erdgasnetz eingespeist werden 


Motivation 

Fazit 


Konzepte SNG 

Die thermische Vergasung von Biomasse ist 

derzeit kommerziell noch nicht uneingeschränkt 

einsetzbar 


Fazit 

Hauptproblem ist die aufwändige (Kalt-) 

Gasreinigung (Teerproblem) 

Biomass Heatpipe Reformer löst das Teerproblem durch die Kombination 

mit Heißgasreinigung und Mikroturbine 

langfristig interessant ist die allotherme Vergasung vor allem 

zur Erzeugung von synthetischem Erdgas 

(SNG = 'Substitute Natural Gas') aus Biomasse

ORC - Technik 

Stromerzeugung aus Hackschnitzel 

Landwirtschaftliche Lehranstalten Oberfranken 

Bayreuth 14.02.2006 

Dipl. Phys. Dieter Lichtenberger 

Gammel Engineering GmbH - An den Sandwellen 114, 93326 Abensberg 

Tel. 09443/929-0 - Fax 09443/92 92 92 - e-mail gammel@gammel.de - www.gammel-engineering.de 

Seite 1 von 39

Agenda 

� Ausgangsbedingungen 

� ORC-Technologie Stand der Technik 

� EEG-Stromvergütung und Wirtschaftlichkeit 

� Erweiterung Biomasseheizkraftwerk Bayreuth 

Seite 2 von 39

L 

Auszug unserer Biomasseprojekte in Bayern 

M 

10 

30 

36 

I 

40 

02 

23 

19 

09 

14 

16 

28 

35 

34 

08 

N 

22 

11 

13 

C 

21 

04 

05 

07 

12 15 

H 

20 06 

18 

01 

03 

24 

A 

B 

G 

17 25 27 

E 

Regensburg 

37 

31 

D 

F 

München 

J 

K 

41 

38 

39 

29 26 33 

Heizwerke 

01 Aunkirchen 31 Metten 

02 Thurnau 32 Inzell 

03 Kissing 33 Serrahn 

04 Ascha 34 Altdorf 

05 Eberstetten 35 Herrieden 

06 Furth 36 Bad Gögging 

07 Aichach 37 Schrobenhausen 

08 Neualbenreuth 38 Rohr 

09 Obernsees 39 Feuchtwangen 

10 Immenstadt 40 Weißenstadt 

11 Rötz 

41 Kelheim 

12 Mainburg 

13 Berching 

14 Weisendorf 

15 Mallersdorf 

16 Pegnitz 

17 Rosenheim 

18 Straubing 

19 Bayreuth 

20 Schatzhofen 

21 Beilngries 

22 Roth 

23 Hollfeld 

24 München-Riem 

25 Bad Endorf 

26 Ruhpolding 

27 Traunreut 

28 Hersbruck 

29 Reit im Winkl 

30 Hindelang 

Heizkraftwerke 

A Taufkirchen 

B Sauerlach 

C Roding 

D Hengersberg 

E Pösing 

F Vilshofen 

G Altötting 

H Wolnzach 

I Bad Staffelstein 

J Fridolfing 

K Kirchdorf 

L Neuwied 

M Eigenzell 

N Plößberg 

Weißenhorn 

Dillingen 

Ruderatshofen 

Bad Tölz 

Schwendi 

Kaufering 

Seite 3 von 39

Übersicht unserer realisierten Leistungsbereiche 

Unter 5 MW Bis 20 MW 

Über 20 MW 

Neualbenreuth 

Gesamtleistung: 600 kW 

Biomasse: 600 kW 

Bad Obernsees 

Gesamtleistung: 1,35 MW 


Berching 



Roding 


Biomasse: 800kW 

Furth 



Bayreuth 



Wolnzach 


Biomasse: 1,3 MW 

Mainburg 



Aichach 



Reit im Winkl 



Sauerlach 



Hengersberg 

Gesamtleistung: 13 MW 

Biomasse: 13 MW 

Vilshofen 



Pösing 



Taufkirchen 



Seite 4 von 39

Über 90 realisierte Biomasse-Projekte 

Know-how 

Integrierte 

Planung 

Innovation 

Erfahrung 

Seite 5 von 39

Wesentliche Vorteile der Biomassenutzung 

� Verringerung von Schadstoffemissionen 

Geschlossener Kohlendioxidkreislauf 

Abgaswerte deutlich unter gesetzlichen Vorgaben 

Optimierte Verfeuerung 

� Energieeinsparung 

Wirtschaftlich optimierte Anlagengröße 

Optimale Technologie der Wärmeerzeugung 

� Schaffung und Sicherung von regionalen Arbeitsplätzen 

Schaffung zusätzlicher Absatzmärkte für die örtlichen Waldbesitzer 

Einbindung örtlicher Firmen bei Realisierung und Wartung der Anlage 

� Versorgungssicherheit 

Abdeckung durch Grund- und Spitzenlastkessel mit unterschiedlichen Brennstoffen 

Seite 6 von 39

Öffentlichkeitsarbeit 

Projektphasen zur Realisierung eines Biomasseheiz(kraft)werkes 

Rechts- und Steuerberatung 

Unterstützung im laufenden Betrieb 

Inbetriebnahme 

Qualitätssicherung der Ausführung 

Ausführungsplanung 

Planung bis Genehmigung 

Förderantragstellung 

Gründung Betreibergesellschaft Finanzierungsnachweis 

Wirtschaftlichkeitsberechnung 

nach VDI 2067 

Energiekonzept Brennstoffbeschaffung 

Wärmeakquisition 

Projektidee 

Vorplanung Wärmetrasse 

Standortuntersuchungen 

Seite 7 von 39

Jahresdauerlinie - Verteilung des Jahreswärmebedarfs 

Relative Wärmelast 

1,0 

0,9 

0,8 

0,7 

0,6 

0,5 

0,4 

0,3 

0,2 

0,1 

0,0 

Spitzenlastkessel 

500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500 7000 7500 8000 8500 

Jahresstunden 

Biomassekessel 

Heizöl-/Erdgas-/Rapsölkessel 

Maximal 20% des Jahreswärmebedarfs 

Biomassekessel 

Mindestens 80% des Jahreswärmebedarfs 

Entscheidend für den langfristigen Projekterfolg: 

� bedarfsgerechte Planung 

� wärmegeführte Anlage 

Seite 8 von 39

Projektphasen zur Realisierung in Sauerlach 

Fernwärmenetz 

Sauerlach 

Heizkraftwerk 

Seite 9 von 39

Projektphasen zur Realisierung in Sauerlach 

� Die Wärmeabnehmer 

-Industriegebiet 

-Ortszentrum 

- kommunale Gebäude 

-Wohnsiedlungen 

Länge des Fernwärmenetzes: 14 km 

� Die Leistung 

- Biomasseleistung: 3 MWth in erster Ausbaustufe 

- Biomasseleistung: 2 MWth in zweiter Ausbaustufe 

- Spitzenlast-(Raps)ölbrenner: 4 MWth 

- elektrische Nennleistung: 400 kWel 

� Kosten einschließlich Fernwärmenetz 

- EUR 8,9 Mio netto 

� Zeitlicher Ablauf 

- Inbetriebnahme 2002 

- weitere Ausbaustufen: 2003 + 2004 

Seite 10 von 39

ORC-Technologie 

ORC Technologie 

Seite 11 von 39

Technologische Rahmenbedingungen 

Anaerobe 

Vergärung 

Brennstoffzelle 

Gasaufbereitung 

Gasmotor 

Stromerzeugung 

Thermische 

Vergasung 

Gasturbine 

ENERGETISCHE NUTZUNG VON BIOMASSE 

Rauchgas/Luft- 

Wärmeübertragung 

Heißluftturbine 

Kraft-Wärme-Kopplung 

Fern-/Nahwärme 

Stirlingmotor 

Industrielle Prozesswärme 

Dampfturbine 

Dampferzeuger 

Dampfkolbenmotor 

Verbrennung 

Kessel mit 

Thermoölerhitzer 

Dampfschraubenmotor 

Heißwasserkessel 

ORC- 

Prozess 

Seite 12 von 39

Vergleich im T-s-Diagramm (qualitativ) 

Seite 13 von 39

Vergleich Wasserdampf / organischer Dampf 

Wasserdampf: 

� kleine Molekülmasse mit 

hoher Geschwindigkeit 

� Erosion von mechanischen 

Teilen und Turbinenschaufeln 

� optimierte Turbine mit vielen 

Stufen und hohe mechanische 

Belastung 

Organischer Dampf: 

� hohe Molekülmasse mit 

langsamer Geschwindigkeit 

� niedrigere Verluste 

� geringer Verschleiß an Turbine 

� niedrige Drehzahl der Turbine 

Seite 14 von 39

Technologien - Stromerzeugung aus Holz - Leistungsbereiche 

kW 

100.000 

90.000 

80.000 

70.000 

60.000 

50.000 

40.000 

30.000 

20.000 

10.000 

5.000 

1.000 

500 

100 

Stirlingmotor 

Wärme 

Strom 

Holzvergaser 

Einstufige 

Dampfturbine 

Biomasse- 

ORC-Prozess 


Holzvergasung 

Mehrstufige 

Dampfturbine 

Seite 15 von 39

Technologien zur Stromerzeugung – Wirkungsgrade 

Seite 16 von 39

Technologien zur Stromerzeugung – Wirkungsgrade 

Seite 17 von 39

Die Stärken der ORC-Technologie 

� sehr gute Teillastfähigkeit 

� hoher Turbinenwirkungsgrad 

� hohe Technologiereife 

� kompakter Aufbau 

� unbeaufsichtigter Betrieb 

� hohe Automatisierbarkeit 

� geringe Instandhaltungskosten 

Seite 18 von 39

Vorteile ORC im Vergleich Dampfanlagen 

� Sicherheit 

- Verzicht auf eine Dampfüberhitzung, wodurch die Systemtemperaturen deutlich unter 300°C bleiben 

- Kein Tropfenschlag in der Turbine 

- Geringere Systemdrücke von 8-10 bar 

� Robuste Anlagenkonzeption 

- Niedrige Turbinendrehzahl, dadurch Verwendung einer getriebelosen Turbine möglich 

- hermetisch geschlossenes System 

- Ideal in Verbindung mit bewährten und ausgereiften Rostfeuerungen 

� Geringer Überwachungs- und Wartungsaufwand 

- Kein direkt befeuerter Dampferzeuger - unterliegt nicht dem Dampfkesselrecht 

- Keine Wasseraufbereitung erforderlich 

Seite 19 von 39

Biomasse-ORC-Prozess, optimiert mit Split-System 

Brennstoff 

Kondensator 

G 

Regenerator 

Feuerung 

Verdampfer 

Vorwärmer 2 

Speisepumpe 

Vorwärmer 1 

80°C 

60°C 

1000°C 360°C 

M M M 

310°C 

Thermoöl- 

Erhitzer 

M M 

TÖ-ECO 1 TÖ-ECO 2 

240°C 

270°C 

220 °C 

Verbrennungs- 

Luftvorwärmer 

175°C 

Thermoölkreislauf 

ORC-Kreislauf 

Heizwasserkreislauf 

Verbrennungsluft 

160 °C 

Seite 20 von 39

3-D-Ansicht ORC Modul 

Verdampfer 

Regenerator 

Kondensator 

Generator 

Seite 21 von 39

ORC Modul 

Seite 22 von 39

ORC Modul 

Seite 23 von 39

ORC Modul-Baureihen, -Leistungsklassen 

Modul 

AD 315 TF-plus 






AD 650 RF-plus 








Erforderliche 

Feuerungswärmeleistung 

kW th 

2.150 

2.430 

2.740 

3.075 



4.320 

4.850 

5.490 

6.460 

7.100 

8.080 

9.050 

10.335 

Generatorklemmenleistung 

kW el 

315 

355 

400 

450 

500 

560 

650 

750 

850 

1.000 

1.100 

1.250 

1.400 

1.600 

Heizwärmeleistung 

kW th 

1.495 

1.670 

1.900 

2.135 

2.350 

2.605 




4.495 

4.930 

5.680 

6.325 

7.160 

Seite 24 von 39

ORC Modul-Baureihen, -Leistungsklassen 

Wärmequelle 

Thermoöl- 

Temperaturen 

(ein/aus) 

Thermische 

Leistung vom 

Thermoöl 

Heißwasser- 

Temperaturen (ein/ 

aus) 

Thermische 

Leistung an das 

Heißwasser 

Elektrische 

Nettoleistung 

Modulabmessungen 

T500-CHP 

Thermoöl in 

geschlossenem 

Kreislauf 

300 / 250 °C 

2900 kW 

60 / 80 °C 

2320 kW 

500 kW 

13,5 X 3 X 3,1 m 

Anlage mit 

Einzelrahmen 

T600-CHP 

Thermoöl in 

geschlossenem 

Kreislauf 

300 / 250 °C 

3500 kW 

60 / 80 °C 

2800 kW 

600 kW 

13,5 X 3 X 3,1 m 

Anlage mit 

Einzelrahmen 

T800-CHP 

Thermoöl in 

geschlossenem 

Kreislauf 

300 / 250 °C 

4500 kW 

60 / 80 °C 

3580kW 

800 kW 

15 X 3 X 3,3 m 

Anlage mit 

Einzelrahmen 

T1100-CHP 

Thermoöl in 

geschlossenem 

Kreislauf 

300 / 250 °C 

6200 kW 

60 / 80 °C 

4930 kW 

1100 kW 

13 X 6 X 6,2 m 

Anlage mit 

mehreren 

Rahmen 

T1500-CHP 

Thermoöl in 

geschlossene 

m Kreislauf 

300 / 250 °C 

9000 kW 

60 / 90 °C 

7350 kW 

1500 kW 

15 X 7 X 5 m 

Anlage mit 

mehreren 

Rahmen 

T2000-CHP 

Thermoöl in 

geschlossene 

m Kreislauf 

300 / 250 °C 

12000 kW 

65 / 95 °C 

9800 kW 

2000 kW 

17 X 7 X 5 m 

Anlage mit 

mehreren 

Rahmen 

Seite 25 von 39

EEG und 

Wirtschaftlichkeit 

Seite 26 von 39

Erneuerbare Energien Gesetz EEG 2004 

Industrie 

Unternehmen 

Wärme 

EEG-Gesetz: Feste Einspeisevergütung durch Netzbetreiber 

Mineralölsteuer: Keine Befreiung 

Stromsteuer: Keine Befreiung 

Biomasse gemäß 

Biomasse Verordnung 

„Bio“-KWK- Anlage 

Strom 

Netzeinspeisung 

Seite 27 von 39

Novellierung Erneuerbare Energien Gesetz 2004 

Vergütung für Strom aus Biomasse 

Grundvergütung: 

bei Inbetriebnahme in 2007: 

- bis zu einer Leistung von 150 kW 10,99 Ct/kWh 


- bis zu einer Leistung von 5.000 kW 8,51 Ct/kWh 

- bis zu einer Leistung von 20.000 kW 8,03 Ct/kWh 

Herangezogen wird hierbei die mittlere Jahresleistung => Vorteil für wärmegeführte Anlagen 

Nawaro-Bonus: 

„Strom ausschließlich aus 

a) Pflanzen..., die in landwirtschaftlichen, forstwirtschaftlichen oder gartenbaulichen 

Betrieben oder im Rahmen der Landschaftspflege anfallen... 

b) Gülle..., oder aus in einer landwirtschaftlichen Brennerei... angefallener Schlempe...“ 


- bis zu einer Leistung von 5.000 kW 2,5 Ct/kWh bei Einsatz von Holzbrennstoffen 

- bis zu einer Leistung von 5.000 kW 4,0 Ct/kWh bei sonstigen Nawaro-Biomassen 

Seite 28 von 39

Novellierung Erneuerbare Energien Gesetz 2004 

Vergütung für Strom aus Biomasse 

KWK-Bonus: 

„...erhöhen sich um jeweils 2,0 Ct/kWh, soweit es sich um Strom im Sinne ... des Kraft- 

Wärme-Kopplungsgesetzes handelt...“ 

Technologie-Bonus: 

„... erhöhen sich um weitere 2,0 Ct/kWh, wenn der Strom in Anlagen gewonnen wird, die auch 

in Kraft-Wärme-Kopplung betrieben werden, und ... der Strom mittels … ORC-Anlagen ... 

gewonnen wird.“ 

Alle Bonus sind kumulierbar. So ergibt sich z. B. bei einer 500-kW-ORC-Anlage mit KWK und 

NawaRo-Einsatz eine Gesamtvergütung von rund 20 Ct/kWh! 

Der Vergütungszeitraum beträgt 20 Jahre; die Degressionsrate beträgt 1,5 % auf die 

Grundvergütung (ab 1.1.2005). Die Bonus unterliegen keiner Degression. 

Seite 29 von 39

Stromvergütung nach EEG 

ct/kWh 

25,0 

20,0 

15,0 

10,0 

5,0 

0,0 

stromgeführt 

Stromvergütung nach EEG 

stromgeführt 

mit NaWaRo 

wärmegeführt 

wärmegeführt 

mit NaWaRo 

NaWaRo-Bonus 

Bonus für Einsatz 

innovativer Technik 

Bonus für Kraft-Wärme- 

Kopplung 

Grundvergütung 

Seite 30 von 39

Investitionsanteile 

Investitionsanteile 

21% 

15% 

2% 

1% 

1% 

2% 

2% 

2% 

15% 

21% 

18% 

Grundstück/ Erschließung 

Baukonstruktionen 

Biomassefeuerung u. -kesselanlage 

Kraft-Wärme-Kopplungsanlgen 

Spitzenlastkesselanlage 

Kaminanlage 

Netzregelung, Prozessleitsystem 

Rohrdämmung 

Elektroinstallationen 

Fernwärmenetz 

Baunebenkosten 

Seite 31 von 39

Beispiel Gewinn- und Verlust, 3% Holzpreissteigerung 

3.500.000 

3.000.000 

2.500.000 

2.000.000 

1.500.000 

1.000.000 

500.000 

0 

-500.000 

-46.443 

2005 

-143.453 

2006 

Jährliche Prognose 

Kumulierte Prognose 

69.772 

2007 

89.226 

2008 

104.509 

2009 

Gewinn- und Verlustprognose in EUR/a 

113.978 

2010 


2011 

124.512 

2012 

136.463 

2013 

149.158 

2014 


2015 

184.748 

2016 

206.676 

2017 

226.031 

2018 

244.815 

2019 

270.545 

2020 

285.533 

2021 

277.100 

2022 

290.314 

2023 

304.315 

2024 

Seite 32 von 39

Beispiel Gewinn- und Verlust, 3% Holzpreissteigerung 

300.000 

200.000 

100.000 

0 

-100.000 

-200.000 

-300.000 

-400.000 

-500.000 

-139.819 2007 

Gewinn- und Verlustprognose, nur 50% Wärmenutzung, stromgeführt 

85.240 

2008 

72.962 

2009 

70.444 

2010 

64.656 

2011 

Jährliche Prognose 

Kumulierte Prognose 

36.716 

2012 

26.451 

2013 

15.877 

2014 

4.986 

2015 

-6.228 2016 

-9.674 2017 

-13.133 2018 

2019 

-16.603 

2020 

-27.291 

2021 

-30.774 

2022 

-34.259 

2023 

-95.703 

2024 

-113.179 

2025 

-131.206 

2026 

-149.802 

Seite 33 von 39

Erweiterung 

HKW Bayreuth 

Seite 34 von 39

Lageplan 

Seite 35 von 39

Erdgeschoß 

Seite 36 von 39

Schnitt 

Seite 37 von 39

Ansichten 

Seite 38 von 39

ORC - Technik 

Stromerzeugung aus Hackschnitzel 

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit 

Dipl. Phys. Dieter Lichtenberger 

Gammel Engineering GmbH - An den Sandwellen 114, 93326 Abensberg 

Tel. 09443/929-0 - Fax 09443/92 92 92 - e-mail gammel@gammel.de - www.gammel-engineering.de 

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3. - Landwirtschaftliche Lehranstalten Bayreuth

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