Alternative Festbrennstoffe
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Technologie<br />
der Energierohstoffe<br />
<strong>Alternative</strong> <strong>Festbrennstoffe</strong> –<br />
Möglichkeiten und Grenzen<br />
PLT Sommerkolloquium 2011<br />
14. Juli 2011 in Aachen<br />
Peter Quicker<br />
Lehr- und Forschungsgebiet Technologie der Energierohstoffe<br />
RWTH Aachen<br />
www.teer.rwth-aachen.de<br />
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Technologie<br />
der Energierohstoffe<br />
Übersicht<br />
<strong>Alternative</strong> <strong>Festbrennstoffe</strong><br />
• Wo liegen die Herausforderungen?<br />
• Lohnt der Aufwand?<br />
• Was kann man tun?<br />
• Ein aktueller Projektansatz des TEER<br />
• Ein Projektbeispiel des TEER<br />
• Fazit<br />
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Technologie<br />
der Energierohstoffe<br />
Was sind alternative <strong>Festbrennstoffe</strong>?<br />
• Traditionelle <strong>Festbrennstoffe</strong>:<br />
Kohle (Braun- und Steinkohle)<br />
Torf<br />
Waldholz<br />
• <strong>Alternative</strong> <strong>Festbrennstoffe</strong>:<br />
Stroh (Getreide & Raps)<br />
Landschaftspflegematerial, Grüngut<br />
Energiegräßer (z.B. Miscanthus)<br />
Mühlenabfälle, Schalen, Kerne<br />
Gärreste<br />
u.v.m.<br />
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Technologie<br />
der Energierohstoffe<br />
Übersicht<br />
<strong>Alternative</strong> <strong>Festbrennstoffe</strong><br />
• Wo liegen die Herausforderungen?<br />
• Lohnt der Aufwand?<br />
• Was kann man tun?<br />
• Ein aktueller Projektansatz des TEER<br />
• Ein Projektbeispiel des TEER<br />
• Fazit<br />
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Technologie<br />
der Energierohstoffe<br />
Wo liegen die Herausforderungen?<br />
• Emissionen Stromerzeugung im Vergleich<br />
Kum. Emissionen rel. zu Braunkohle<br />
Steinkohle<br />
Braunkohle<br />
Gas – GuD<br />
Atomenergie<br />
Holz – KWK<br />
Photovoltaik<br />
Wind<br />
Wasser<br />
Quelle: IER Uni Stuttgart, 2005<br />
CO 2 SO 2 NO x Staub<br />
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Technologie<br />
der Energierohstoffe<br />
Wo liegen die Herausforderungen?<br />
• Emissionen Halmgut: Stickoxide<br />
NO x -Emissionen<br />
von kommerziell<br />
verfügbaren<br />
Halmgutfeuerungen<br />
Quelle: ATZ Entwicklungszentrum<br />
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Technologie<br />
der Energierohstoffe<br />
Wo liegen die Herausforderungen?<br />
• Emissionen Halmgut: Dioxine & Furane<br />
Zum Vergleich:<br />
Emissionswerte deutscher<br />
Müllverbrennungsanlagen:<br />
- „schlechteste“ Anlage:<br />
20 pg TE/m³<br />
- Durchschnitt:<br />
< 5 pg TE/m³<br />
Grenzwert: 100<br />
Quelle: Launhardt 2002<br />
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Technologie<br />
der Energierohstoffe<br />
Wo liegen die Herausforderungen?<br />
• Emissionen Halmgut: Dioxine & Furane<br />
Im Teillastbereich<br />
Grenzwert: 100<br />
noch gravierendere<br />
Freisetzung an<br />
PCDD/F möglich<br />
!<br />
Quelle: Launhardt 2002<br />
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Technologie<br />
der Energierohstoffe<br />
Wo liegen die Herausforderungen?<br />
• Verbrennungsverhalten - Ascheschmelze<br />
Roggenstrohpellets<br />
Gerstenkorn<br />
Quelle: ATZ Entwicklungszentrum<br />
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Technologie<br />
der Energierohstoffe<br />
Wo liegen die Herausforderungen?<br />
• Verbrennungsverhalten – Ascheschmelze<br />
versinterte Schlacke bei der Klärschlammverbrennung auf dem Vorschubrost<br />
verglaste Schlacke in einer zirkulierenden<br />
Wirbelschicht Feuerung<br />
für Altholz<br />
Quelle: Albert 2006<br />
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Technologie<br />
der Energierohstoffe<br />
Wo liegen die Herausforderungen?<br />
• Verbrennungsverhalten - Ascheschmelze<br />
!<br />
Quelle: Schopf, Saacke Group 2011<br />
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der Energierohstoffe<br />
Wo liegen die Herausforderungen?<br />
• Verbrennungsverhalten – Korrosion<br />
Quelle: Albert 2006, Deventer u. Mockenhaupt 2006<br />
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Technologie<br />
der Energierohstoffe<br />
Übersicht<br />
<strong>Alternative</strong> <strong>Festbrennstoffe</strong><br />
• Wo liegen die Herausforderungen?<br />
• Lohnt der Aufwand?<br />
• Was kann man tun?<br />
• Ein aktueller Projektansatz des TEER<br />
• Ein Projektbeispiel des TEER<br />
• Fazit<br />
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der Energierohstoffe<br />
Lohnt der Aufwand?<br />
• Bioenergiepotenzial – Reststoffe<br />
700<br />
± 200 PJ/a<br />
Quelle: Faulstich 2007, nach Fritsche et al 2004, Nitsch et al. 2004, Thrän et al. 2005<br />
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der Energierohstoffe<br />
Lohnt der Aufwand?<br />
• Bioenergiepotenzial – NaWaRo<br />
Fläche [Mio. ha]<br />
8<br />
7<br />
6<br />
5<br />
4<br />
3<br />
2<br />
1<br />
0<br />
Quelle: ATZ Entwicklungszentrum 2007<br />
1<br />
ATZ 2006<br />
1 – 7 Mio. ha !<br />
IE 2005<br />
DLR 2004<br />
FNR 2002<br />
Öko Inst. 2004<br />
BMELV 2002<br />
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der Energierohstoffe<br />
Lohnt der Aufwand?<br />
• Bioenergiepotenzial<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Technisches<br />
Gesamtpotenzial<br />
Ohne Stammholz<br />
nutzbare Fläche<br />
3,5 – 4,5 Mio. ha<br />
Anbaumix<br />
stellvertretend für<br />
Biogassubstrate,<br />
<strong>Festbrennstoffe</strong> und<br />
Treibstoffproduktion<br />
Quelle: ATZ Entwicklungszentrum 2007
Technologie<br />
der Energierohstoffe<br />
Lohnt der Aufwand?<br />
• Bioenergiepotenzial<br />
Aktuelles Gesamtpotenzial<br />
setzt sich zur Hälfte aus<br />
Abfällen & Resten<br />
zusammen!<br />
Beim derzeitigen<br />
Primärenergiebedarf von<br />
rund 14.000 PJ/a<br />
etwa 10 % aus Biomasse<br />
möglich<br />
Quelle: ATZ Entwicklungszentrum 2007
Technologie<br />
der Energierohstoffe<br />
Übersicht<br />
<strong>Alternative</strong> <strong>Festbrennstoffe</strong><br />
• Wo liegen die Herausforderungen?<br />
• Lohnt der Aufwand?<br />
• Was kann man tun?<br />
• Ein aktueller Projektansatz des TEER<br />
• Ein Projektbeispiel des TEER<br />
• Fazit<br />
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Technologie<br />
der Energierohstoffe<br />
Was kann man tun?<br />
• Brennstoffkonfektionierung, z.B.<br />
Laugung zur Abreicherung von Asche- und Chlorgehalt<br />
Additivierung zur<br />
Anpassung des Ascheschmelzverhaltens<br />
Reduktion der Schadgasfreisetzung<br />
Minderung der Staubentwicklung<br />
Pyrolyse zur Heizwerterhöhung, Reduktion flüchtiger Bestandteile<br />
• Anpassung der Anlagentechnik, z.B.<br />
Stickoxidminderung durch gestufte Verbrennung<br />
Feinstaubreduktion durch Low-Particle-Konzept<br />
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Technologie<br />
der Energierohstoffe<br />
Was kann man tun?<br />
• Anlagentechnik: NO x -Minderung durch gestufte Verbrennung<br />
Quelle: ATZ Entwicklungszentrum<br />
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Technologie<br />
der Energierohstoffe<br />
Was kann man tun?<br />
• Anlagentechnik: Low-Particle-Konzept<br />
Sauerstoffarmut im Glutbett<br />
verminderte Oxidation<br />
salzförmiger Komponenten<br />
niedrigere Temperaturen<br />
mindern Verdampfung<br />
geringere Gesamtluftzufuhr<br />
erniedrigt Gasgeschwindigkeit<br />
geringerer Abgasstrom erhöht<br />
Partikelkonzentration <br />
Staubkoagulation zu größeren Partikeln<br />
Quelle: Oser, Nussbaumer<br />
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Technologie<br />
der Energierohstoffe<br />
Übersicht<br />
<strong>Alternative</strong> <strong>Festbrennstoffe</strong><br />
• Wo liegen die Herausforderungen?<br />
• Lohnt der Aufwand?<br />
• Was kann man tun?<br />
• Ein aktueller Projektansatz des TEER<br />
• Ein Projektbeispiel des TEER<br />
• Fazit<br />
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Technologie<br />
der Energierohstoffe<br />
Projektbeispiel Stroh-Energie.NRW<br />
• Ansatz<br />
Simultane<br />
Anpassung von<br />
Brennstoff und<br />
Anlagentechnik<br />
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Technologie<br />
der Energierohstoffe<br />
Projektbeispiel Biokoks für Gießereien<br />
• Projektinhalt<br />
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Technologie<br />
der Energierohstoffe<br />
Projektbeispiel Biokoks für Gießereien<br />
• Untersuchte Biomassen<br />
Rapsstroh<br />
Roggenstroh<br />
Weizenstroh<br />
Haselnussschalen<br />
Kokosnussschalen<br />
Ölpalmkernnussschalen<br />
Altholz (A1, A1-3, A4)<br />
Grünschnitt<br />
Landschaftspflegeholz<br />
Gärrest<br />
Rinde<br />
Waldrestholz<br />
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Technologie<br />
der Energierohstoffe<br />
Projektbeispiel Biokoks für Gießereien<br />
• Motiavtion<br />
CO 2 -Emissionen deutscher Kupolöfen im Jahr 2008 ca. 1,5 Mio. t<br />
Abhängigkeit der deutschen Gießereien von Koksimporten<br />
In der Vergangenheit nachfragebedingte Versorgungsengpässe<br />
Entwicklung der Gießereikokspreise schwer abschätzbar<br />
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Technologie<br />
der Energierohstoffe<br />
Projektbeispiel Biokoks für Gießereien<br />
• Carbonisierungsversuche in Laborreaktor (Batch-Retorte)<br />
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Technologie<br />
der Energierohstoffe<br />
Projektbeispiel Biokoks für Gießereien<br />
• Carbonisierungsversuche in Laborreaktor (Batch-Retorte)<br />
Vortrocknung<br />
Zerkleinerung<br />
Heizrate: 8,5 °C/min<br />
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der Energierohstoffe<br />
Projektbeispiel Biokoks für Gießereien<br />
Carbonisat aus Asche [%] Flü [%] Ho [kJ/kg] C [%] H [%] N [%] S [%] Cl [%] P wf [%]<br />
Richtwerte 10 - 15 7 - 15 0,8 0,7 – 1,5 0,01 0,1<br />
Rapsstroh 14,0 19,1 26.690 73,3 2,37 1,70 1,32 0,20<br />
Rapsstroh-Briketts 1 18,9 13,0 25.620 72,9 1,45 0,93 1,89 0,46 0,173<br />
Rapsstroh-Briketts 2 18,0 25,2 25.530 70,6 2,97 1,09 1,71 0,33<br />
Roggenstroh 18,0 11,5 24.960 75,0 1,22 0,84 0,86 0,15<br />
Roggenstroh-Briketts 14,4 6,3 27.810 77,8 1,38 0,71 < 0,10 0,36<br />
Weizenstroh 14,0 8,8 27.780 82,0 1,33 0,91 0,87 0,17<br />
Weizenstroh-Briketts 15,5 6,4 27.730 76,6 1,45 0,73 0,11 0,34<br />
Rinde 9,0 7,5 30.400 88,3 1,37 1,12 0,82 < 0,05 0,114<br />
Grünschnitt 62,0 4,7 12.280 34,2 0,65 0,76 0,11 0,18<br />
Altholz AI-III 6,7 29,1 30.310 86,0 1,82 2,68 0,22 0,25 0,033<br />
Altholz AIV 7,6 5,2 30.970 89,0 1,49 0,60 < 0,10 < 0,05 0,027<br />
Altholz AI 1,3 6,3 32.870 94,9 1,73 0,47 < 0,10 < 0,05<br />
Waldrestholz 3,6 10,6 31.750 88,4 2,64 0,69 < 0,10 < 0,05<br />
LPH-Fichte >3mm 7,7 4,9 31.050 90,2 1,45 1,00
Technologie<br />
der Energierohstoffe<br />
Projektbeispiel Biokoks für Gießereien<br />
• Biomassen für Technikumsversuche<br />
Rinde Altholz A1 Waldrestholz Rapsstroh Kokos<br />
Erzeugung Pyrolysate im Drehrohrreaktor<br />
Brikettierversuche<br />
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Technologie<br />
der Energierohstoffe<br />
Projektbeispiel Biokoks für Gießereien<br />
• Pyrolyse im Technikum<br />
Rinde<br />
100%<br />
51,4 % C<br />
Pyrolysegas<br />
• Ofenwandtemperatur: 700 °C<br />
• Eintrag ca. 0,8 kg/h<br />
• Koksausbeute: 22 – 36 %<br />
Biokoks<br />
ca. 34%<br />
81 – 86 % C<br />
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Technologie<br />
der Energierohstoffe<br />
Projektbeispiel Biokoks für Gießereien<br />
• Ausbeuten<br />
Anteil [%]<br />
Gew.-%<br />
Ausgangstoff Koks Öl Gas<br />
Asche<br />
im Koks<br />
Rinde 31 17 52 9<br />
Altholz A I 22 24 55 1,3<br />
Waldrestholz 26 19 55 7,7<br />
Rapsstroh 17 17 56 14<br />
Kokosnussschalen 22 16 61 2,1<br />
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Technologie<br />
der Energierohstoffe<br />
Projektbeispiel Biokoks für Gießereien<br />
• Brikettierung<br />
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Technologie<br />
der Energierohstoffe<br />
Projektbeispiel Biokoks für Gießereien<br />
• Nächster Schritt: Praxisversuche<br />
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Technologie<br />
der Energierohstoffe<br />
Projektbeispiel Biokoks für Gießereien<br />
• Nächster Schritt: Praxisversuche<br />
Übliche Gattierungskomponenten:<br />
Roheisen<br />
Stahl<br />
Kreislauf<br />
Eisenersatzstoffe<br />
Legierungselemente<br />
Kalkstein<br />
Stückige<br />
Carbonisate<br />
Umwelt<br />
Metallurgie<br />
Messgrößen:<br />
Abgas- und Staubzusammensetzung<br />
vor dem Filter<br />
Zusammensetzung des Reingases<br />
und Staubzusammensetzung<br />
Geruch<br />
Rinneneisentemperatur<br />
Schmelzleistung<br />
Chemische Zusammensetzung des<br />
Rinneneisens<br />
thermische Analyse<br />
Schlackenmenge und<br />
Zusammensetzung<br />
Prüfung der mechanischen<br />
Kennwerte und des Gefüges<br />
Staubförmige<br />
Carbonisate<br />
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Technologie<br />
der Energierohstoffe<br />
Übersicht<br />
<strong>Alternative</strong> <strong>Festbrennstoffe</strong><br />
• Wo liegen die Herausforderungen?<br />
• Lohnt der Aufwand?<br />
• Was kann man tun?<br />
• Ein aktueller Projektansatz des TEER<br />
• Ein Projektbeispiel des TEER<br />
• Fazit<br />
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Technologie<br />
der Energierohstoffe<br />
Fazit<br />
• Das Potenzial alternativer biogener <strong>Festbrennstoffe</strong> ist groß<br />
• Die Herausforderungen bei der Nutzung ebenso<br />
• Lösungsansätze<br />
Brennstoffkonfektionierung wie dies bei fossilen BS gängige Praxis ist<br />
und gleichzeitig<br />
Anpassung der Anlagentechnik<br />
<strong>Alternative</strong> Einsatzgebiete, z.B. in industriellen Prozessen (Metallurgie)<br />
• Letztlich sind Biobrennstoffe so einzusetzen, dass die größte<br />
Effizienz erzielt werden kann<br />
Zunächst Reststoffe & Abfälle nutzen<br />
Für NaWaRo-Fraktionen sind sinnvolle Prozessketten zu wählen<br />
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Technologie<br />
der Energierohstoffe<br />
Danke für‘s Zuhören!<br />
Peter Quicker<br />
Lehr- und Forschungsgebiet Technologie der Energierohstoffe<br />
RWTH Aachen<br />
www.teer.rwth-aachen.de<br />
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