Holzbrennstoffe - Axpo-Holz

Holzbrennstoffe
In Holzkraftwerken werden im Grunde drei Arten von Holzbrennstoffen eingesetzt: Waldholz,
Restholz aus der holzverarbeitenden Industrie und Altholz. Diese drei Holzkategorien
unterscheiden sich deutlich in den brennstofftechnischen Eigenschaften sowie im Preis. Im
Vergleich zu fossilen Regelbrennstoffen wie Kohle oder Erdgas ist Holz ein schwieriger
Brennstoff, der einige entscheidende Nachteile aufweist. Neben der geringen Energiedichte,
die den Umschlag von grosse Brennstoffmengen erforderlich macht, sind dies vor allem der
oft hohe Wassergehalt, niedrig schmelzende Aschen und der relativ hohe Chlorgehalt. Die
beiden letztgenannten Faktoren verschlechtern die verbrennungstechnischen Eigenschaften
und verursachen Verschmutzungen und Korrosionen von Feuerraum und Kesselheizflächen.
Insbesondere Altholz hat eine heterogene und häufig variierende Zusammensetzung sowohl
bezüglich chemischer Inhaltsstoffe als auch hinsichtlich Stückigkeit und holzfremder
Bestandteile. Von den drei Holzkategorien sind Wald- und Industrierestholz die qualitativ
besseren Brennstoffe, die einfacher und mit weniger Beeinträchtigungen zu verfeuern sind.
Jedoch sind die Brennstoffkosten für diese Holzsortimente hoch. Altholz hat den geringsten
Preis, dessen Einsatz als Brennstoff macht aber eine aufwendigere Anlagentechnik
erforderlich, um stark schwankende und schlechte Brennstoffqualitäten zu beherrschen.
Der Holzverbrauch der neu entstandenen Holzkraftwerke lässt bei vielen Menschen die
Sorge um die Wälder aufkommen. Dem Spaziergänger überkommt ein Unbehagen, wenn er
sieht, wie ein Baum, der in einem Jahrhundert gewachsen ist, in Minuten gefällt wird und mit
einem Krach zu Boden stürzt. Die Holznutzung in grossem Stil ist seit Jahrhunderten von der
Angst vor Holzverknappung begleitet. Die Auseinandersetzung um die Nutzung der Wälder
ist seit dem 16. Jahrhundert, als zum ersten Mal Holzverknappung auftrat, über die Zeit um
1800, als ein Höhepunkt der Klagen über Holzmangel erreicht wurde, bis hinein in die
Gegenwart eine Konstante in der Geschichte der Menschheit. Infolge der wachsenden
Nachfrage nach dem Energieträger Holz wird vor einer neuen, totalen Ausplünderung und
Nährstoffverarmung der Waldgebiete gewarnt. Als Kohle- und Kernkraftgegner fordert man
die Umstellung auf nachwachsende Rohstoffe; als Waldfreund dagegen hätte man am
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Waldholz
liebsten einen "natürlichen" Wald. Aber anstatt den vom Menschen unberührten Wald als
Ideal zu erheben, kann und sollte man doch nur ein solches Ökosystem Wald als Norm
setzen, das den Menschen einbezieht. Auch ein forstwirtschaftlich genutzter Wald erfüllt
ökologische Funktionen und kann vielfältig und artenreich sein. Seine klimawirksame
Bedeutung ist darüber hinaus höher einzustufen als die eines natürlichen Waldes. Denn in
einem Urwald halten sich Zuwachs und Absterben die Waage - das Fassungsvermögen für
Kohlenstoff ist ausgeschöpft. Anders sieht es in einem forstwirtschaftlich genutzten Wald
aus, dem auf nachhaltige Weise jährlich Holz entnommen wird. Er hat im Vergleich zu
Urwäldern eine höhere Speicherkapazität für Kohlenstoff. Wird der Wald genutzt, wachsen
neue Bäume nach, die wiederum Kohlenstoff binden können. Im Moment der Ernte verlässt
das Holz das biologische System und findet Eingang in die Holzindustrie. Dort hört die CO2-
Speicherwirkung des Holzes nicht auf, sondern wird in den Holzprodukten weitergeführt. Und
wenn diese schliesslich am Ende ihrer Nutzung zur Produktion von Elektrizität und Wärme
verbrannt werden, kann dadurch fossiler Brennstoff mit einem hohen CO2- Ausstoss ersetzt
werden. Dieser Umstand wird in der Diskussion um die CO2-Bilanz von Wäldern und
Holzkraftwerken oft ausgeblendet. Erst in der Verbindung von Waldwirtschaft, Holzindustrie
und Energiegewinnung aus hölzernen Reststoffen und Abfallprodukten wird das
klimarelevante Potenzial der Wälder voll ausgenutzt. Nutzwälder schneiden damit bezüglich
Klimaschutz besser ab als Naturwälder.
1 Waldholz
Das Hauptziel der Forstwirtschaft ist die Produktion von möglichst hochwertigem Stammholz.
Um das Holzwachstum zu beschleunigen und auf qualitativ hochwertige Bäume zu
konzentrieren, werden in bestimmten Zeitabständen, meist in Zyklen von 10 Jahren,
konkurrierende, schlecht gewachsene und kranke Bäume entfernt. Solche
Durchforstungsmassnahmen sind für die Erzielung eines einwandfreien Baumbestandes
absolut notwendig, damit dieser nach mehreren Jahrzehnten als hochwertiges Stammholz
verkauft werden kann. Bei Durchforstungen fällt in grossem Umfang sogenanntes
Schwachholz in Form von kleinen Stämmen von 7 bis 25 cm Durchmesser an. Die besseren
Qualitäten finden Absatz als Industrieholz in der Papier- und Holzwerkstoffindustrie, die
übrige Schwachholzernte wird als Energieholz vermarktet. Dieses wird oftmals bereits direkt
an der Waldstrasse vollständig gehackt und als Hackschnitzel dem Holzkraftwerk angeliefert.
Als Schlagabraum wird das bei der Stammholzernte oder bei Durchforstungen im Wald
verbleibende Holz bezeichnet. Dazu gehören primär das Kronenderbholz (Kronenmaterial
mit Astdurchmessern zwischen ca. 7 und 14 cm) und das Reisholz (kleinere Äste mit einem
Durchmesser von weniger als 7 cm). Bei der Stammholzernte fallen zwischen 15% (Fichte)
und rund 20% (Eiche) der eingeschlagenen Holzmenge als nicht aufgearbeitetes
Kronenderbholz und Reisholz an. Anstatt diese forstwirtschaftlichen Reststoffe im Wald
liegen zu lassen, können sie ebenfalls als Energieholz genutzt werden.
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Waldholz
Abbildung 1 Schwachholz aus Durchforstungen zur energetischen Nutzung
Der Holzertrag eines Waldes orientiert sich am jeweiligen Holzzuwachs. Dieser Zuwachs
wird massgeblich durch die Baumartenzusammensetzung und die Altersstruktur des
Baumbestandes bestimmt. Daneben wird der Zuwachs auch vom Klima und den
Bodeneigenschaften beeinflusst. In der Schweiz werden jährlich ca. 5 Mio. m 3 Holz geerntet.
Bei einer produktiven Waldfläche von rund 1 Mio. Hektar ergibt das eine jährliche
Holznutzung von 5 m 3 pro Hektar. Stellt man der Holzernte den jährlichen Holzzuwachs in
Höhe von 8.7 m 3 pro Hektar und Jahr gegenüber, wird deutlich, dass derzeit in der Schweiz
mehr Holz nachwächst als geerntet wird. Die Zunahme des Holzvolumens setzt sich
zusammen aus 5.8 m 3 Nadelholz und 2.9 m 3 Laubholz und entspricht einem
Massenzuwachs von ca. 4.5 Tonnen pro Hektar und Jahr. Für die Umrechnung wurden
Rohdichten von 430 kg/m 3 für Nadelholz und von 680 kg/m 3 für Laubholz verwendet.
Dieser für den Schweizer Wald ermittelte Holzzuwachs ist eher gering, wenn man ihn mit
den Zuwachswerten vergleicht, die in Deutschland gemessen wurden. Abbildung 2 zeigt den
durchschnittlichen jährlichen Zuwachs verschiedener Baumarten, der aus dem Vergleich der
Ergebnisse der deutschen Bundeswaldinventur von 1987 und 2002 für das Gebiet der alten
Bundesländer errechnet wurde. Demnach variieren die durchschnittlichen Gesamtzuwächse
je nach Baumart zwischen minimal bei 4.6 Tonnen pro Hektar bei Kiefern und maximal 8.5
Tonnen pro Hektar bei Buchen. Im Schnitt lag der jährliche Zuwachs über alle Baumarten bei
12.6 m 3 pro Hektar. Bei einer mittleren Raumdichte von 520 kg/m 3 (64% Nadelbäume und
36% Laubbäume) errechnet sich ein mittlerer Massenzuwachs von 6.55 Tonnen pro Hektar.
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Waldholz
In Abbildung 2 wurde dem Holzzuwachs der verschiedenen Baumarten zudem das
Ertragspotenzial von Chinaschilf (Miscanthus) gegenüber gestellt. Je nach
Standortbedingungen können von diesem typischen Vertreter einer schnellwachsenden
Energiepflanze ab dem dritten Bestandsjahr zwischen 10 und 30 Tonnen Trockenmasse je
Hektar und Jahr geerntet werden.
Kiefer
Eiche
Fichte
Weiden/Pappeln
Buche
Chinaschilf
4.6
Abbildung 2 Durchschnittlicher jährlicher Zuwachs an Derbholz (oberirdische Biomasse mit
einem Durchmesser über 7 cm inkl. Rinde) von verschiedenen Baumarten. Angaben jeweils in
Tonnen Holztrockenmasse pro Hektar und Jahr.
Wenn man basierend auf den vorgestellten Daten davon ausgeht, dass in Nordeuropa
nachhaltig 6 Tonnen trockene hölzerne Biomasse pro Hektar produziert werden können,
errechnet sich ausgehend von einem Heizwert von 18.5 MJ/kg ein jährlicher
flächenspezifischer Energieertrag in Höhe von 3.1 kWh/m 2 . Bei Anbau von Chinaschilf,
dessen Heizwert der Trockensubstanz 17.6 MJ/kg beträgt, könnte der Energieertrag auf 9.8
kWh/m 2 gesteigert werden. Die Leistungsdichte der pro Fläche zu erntenden Biomasse ist
dann 0.35 W/m 2 bei Holz und 1.1 W/m 2 bei Chinaschilf. Wird die Biomasse in einem
Kraftwerk mit einem Wirkungsgrad von 40% zur Stromerzeugung eingesetzt, reduziert sich
die Leistungsdichte auf 0.14 bzw. 0.44 W/m 2 .
Bei einem für Mitteleuropa typischen jährlichen Lichteinfall von ca. 1000 kWh pro m 2
Bodenfläche wird deutlich, dass mit dem Anbau von Biomasse im Falle von Waldholz nur ca.
0.3 Prozent des eingestrahlten Lichtes in nutzbare Energie umgewandelt wird. Im Falle des
ertragreichen Chinaschilfs sind es gerade einmal 1 Prozent.
5.9
7.2
8
8.5
20
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Industrierestholz
2 Industrierestholz
Das qualitativ hochwertige Rundholz wird in Sägewerken zu Brettern und Balken
weiterverarbeitet. Die durchschnittliche Nutzholzausbeute der Sägewerken liegt bei rund 65
bis 70%. Die verbleibenden Reste sind das sogenannte Industrierestholz. Den grössten
Anteil haben die in Abbildung 3 gezeigten Schwarten und Spreissel. Daneben entstehen
beim Einschneiden des Rundholzes auch grössere Mengen an Sägemehl. Weitere
Restholzsortimente sind Kappstücke und andere Verschnittreste. Die grösseren Sägewerke
besitzen zudem Entrindungsmaschinen. Im Mittel bestehen etwa 5 bis 10% der Masse eines
Baumes aus Rinde, die im Falle der Werksentrindung im Sägewerk anfallen. Während Rinde
für die stoffliche Verwertung unbrauchbar ist, eignet sie sich grundsätzlich für die
energetische Nutzung. In der Praxis hat Rinde jedoch zumeist einen recht hohen
Wassergehalt und enthält zudem Verschmutzungen mit Erde, was ihre Eignung als
Brennstoff beeinträchtigt.
Industrierestholz ist ein begehrter Rohstoff für die Holzwerkstoffindustrie sowie die Zellstoff-
und Papierindustrie. Neue Mitbewerber um Industrierestholz sind die Produzenten von
Holzpellets, die vor allem einen Bedarf an Sägespäne und Sägemehl haben, sowie die
Holzkraftwerke, die ihren Brennstoffbedarf mit Industrierestholz decken wollen.
Abbildung 3 Schwarten und Spreissel
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Altholz
3 Altholz
Am Ende ihrer Nutzung werden Holzprodukte zu Altholz. Das weitaus grösste
Altholzaufkommen gibt es im Bausektor und dort vor allem bei Gebäudeabbrüchen. Auch in
Siedlungsabfällen, insbesondere im Sperr- und Gewerbemüll, ist ein hoher Anteil an Altholz
enthalten. Zur Gewinnung dieser Altholzfraktionen, die teilweise stark mit Schadstoffen
belastet sind, ist jedoch ein hoher Sortieraufwand erforderlich. Am begehrtesten sind daher
die Althölzer aus Verpackungsabfällen, insbesondere Paletten und Kisten, die meist aus
naturbelassenem Holz gefertigt und daher unproblematisch für die energetische oder
stoffliche Verwertung verwendbar sind. Um das zur Verfügung stehende Altholz herrscht ein
intensiver Wettbewerb zwischen der Holzwerkstoffindustrie und den Betreibern von
Holzkraftwerken, denn neben der energetischen Verwertung kann Altholz auch stofflich zu
Span- und Faserplatten für die Bau- und Möbelbranche verarbeitet werden.
Abbildung 4 Altholzflüsse in der Schweiz im Jahr 2009
Die Verwertungswege der 640'000 Tonnen Altholz, die jährlich in der Schweiz anfallen, sind
in Abbildung 4 illustriert. 180'000 Tonnen werden im Inland verwertet, wobei ca. 140'000
Tonnen in Holzkraftwerken verfeuert werden (siehe Tabelle 1), der verbleibende Rest wird in
Kehrichtverbrennungsanlagen und in Zementwerken entsorgt. 437'000 Tonnen Altholz
werden exportiert. Ein erheblicher Teil der 310'000 Tonnen an stofflich verwertbarem Altholz
wird in der norditalienischen Spanplattenindustrie eingesetzt. 90 Prozent der 116'000 Tonnen
Althölzer, die gemäss den schweizerischen Bestimmungen für ein stoffliches Recycling nicht
zugelassen sind, werden in deutschen Altholzkraftwerken verbrannt. 11'000 Tonnen werden
mit der Deklaration "problematische Holzabfälle" exportiert, davon die Hälfte ebenfalls nach
Deutschland.
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Altholz
Tabelle 1 Altholz-Verwertungskapazitäten der schweizerischen Holzkraftwerke
Kraftwerksstandort Jährlicher Altholzeinsatz
in Tonnen
Anteil Altholz am
Brennstoffeinsatz
Domat/Ems 46'000 20 %
Otelfingen 26'000 100 %
Weiningen 24'000 100 %
Kleindöttingen 22'000 100 %
Niedergösgen 15'000 30 %
Basel 10'000 26 %
Altholz wird in mehrere Qualitätsklassen eingeteilt. Die Grundlage dafür wurde in
Deutschland mit der seit dem 1. März 2003 geltenden Altholzverordnung geschaffen, in der
der Begriff Altholz definiert und die Anforderungen an die Verwertung und Beseitigung von
Altholz festgelegt werden. In der deutschen Altholzverordnung wird das Altholz in fünf
Qualitätsstufen eingeteilt, wobei die Zuordnung nach Herkunft und Anwendung erfolgt. Die
einzelnen Altholzklassen sind in Tabelle 2 spezifiziert. Die Altholzverordnung unterscheidet
ferner Verwertung und Beseitigung, wobei PCB-Altholz vom Recycling ausgenommen und
somit beseitigt werden muss. In der Verordnung werden auch die Anforderungen an die
energetischen Verwertungsverfahren festgelegt. Welche Altholzkategorien in einem
Altholzkraftwerk eingesetzt werden können, ist u.a. abhängig von den Genehmigungen. So
dürfen in Anlagen, die der 4. BImSchV unterliegen, ausschliesslich die Kategorien A I und A
II eingesetzt werden. Anlagen in denen Altholz der Kategorien A III und A IV verbrannt wird,
müssen die Emissionsgrenzwerte der 17. BImSchV einhalten. Des Weiteren bestehen zum
Teil für einzelne Kraftwerke zusätzliche Auflagen hinsichtlich des maximal zulässigen A IV-
Anteils, der sich im Bereich von 5 – 25% bewegt.
In der Regel wird den Altholzkraftwerken eine Mischung aus verschiedenen
Altholzkategorien angeliefert. In vielen Fällen ist eine Aufschlüsselung der Einzelfraktionen
überhaupt nicht möglich, da ausschliesslich pauschal mit der höchsten Kategorie deklarierter
Brennstoff als sogenannte Mischfraktion bezogen wird. Die Anwendung einer Mischregel ist
in diesem Fall nicht zulässig, d.h. die 17. BImSchV muss eingehalten werden, auch wenn nur
ein geringer Anteil an Altholz der Kategorien A III oder A IV mitverbrannt wird.
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Altholz
Abbildung 5 Altholz der Kategorie A II
Die deutsche Altholzverordnung wurde in der Schweiz nicht umgesetzt, demzufolge werden
in der Schweiz die Althölzer nach anderen Anforderungen klassifiziert. Dies ist insofern
bedauerlich, weil sich die deutschen Regelungen mit der Klassifizierung, Aufbereitung und
Verwertung von Altholz auf dem europäischen Altholzmarkt etabliert haben, und daher die
deutsche Altholzverordnung inzwischen eine Art Pilotfunktion in Europa hat. Während das
deutsche System eine Zuordnung zu den einzelnen Altholzklassen mittels vereinfachter
Prüfverfahren ermöglicht, die von den Verwertungsbetrieben in Eigenverantwortung und mit
Eigenüberwachung selbst vorgenommen werden können, ist dies im schweizerischen
System nicht möglich. Die Klassifizierung wird anhand von Schadstoffgehalten
vorgenommen, was zur Folge hat, dass zur Qualitätskontrolle und Klasseneinteilung eine
aufwendige Probenahme mit anschliessender Laboranalyse erforderlich ist, um die
Einhaltung der Richtwerte sicherzustellen.
In der Schweiz wird die Zulässigkeit der stofflichen und energetischen Verwertung von
Altholz in der "Vollzugshilfe Holzabfälle" geregelt, die in der Version vom März 2007 vorliegt
und sich nach wie vor im Entwurfsstadium befindet. In der Vollzugshilfe werden für 11
verschiedene chemische Elemente Grenzwerte vorgegeben, anhand der die Althölzer in drei
Klassen eingeteilt werden. Die Grenzwerte sind in Tabelle 3 aufgelistet. Altholz, dessen
Schadstoffgehalt unterhalb der Richtwerte der Spalte 1 der Tabelle liegt, gilt als
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Altholz
naturbelassenes Restholz und kann für die Produktion von Holzwerkstoffen (Spanplatten)
verwendet werden. Wenn nur einer der Richtwerte gemäss Spalte 1 überschritten wird, ist
eine stoffliche Verwertung nicht mehr zulässig. Liegt der Schadstoffgehalt noch unterhalb der
Richtwerte der Spalte 2, ist das Altholz zur thermischen Nutzung in einer Altholzfeuerung
zugelassen. Wenn jedoch einer der Schadstoffrichtwerte gemäss Spalte 2 überschritten wird,
ist eine Einstufung als problematische Holzabfälle erforderlich, was zur Folge hat, dass
dieses Holz dann nicht mehr in Altholzfeuerungen eingesetzt werden darf, sondern
stattdessen in einer Kehrichtverbrennungsanlage oder in einem Zementwerk entsorgt
werden muss.
Tabelle 2 Altholzkategorien nach deutscher Altholzverordnung
A I Naturbelassenes oder lediglich mechanisch bearbeitetes
Altholz, das bei seiner Verwendung nicht mehr als unerheblich
mit holzfremden Stoffen verunreinigt wurde.
A II Verleimtes, gestrichenes, beschichtetes, lackiertes oder
anderweitig behandeltes Altholz ohne halogenorganische
Verbindungen in der Beschichtung und ohne Holzschutzmittel.
A III Altholz mit halogenorganischen Verbindungen in der
Beschichtung ohne Holzschutzmittel.
A IV Mit Holzschutzmitteln behandeltes Altholz, wie Bahnschwellen,
Leitungsmasten, Hopfenstangen, Rebpfähle sowie sonstiges
Altholz, das aufgrund seiner Schadstoffbelastung nicht den
Altholzkategorien A I, A II oder A III zugeordnet werden kann,
ausgenommen PCB-Altholz.
PCB-Altholz Altholz, das mit Mitteln behandelt wurde, die polychlorierte
Biphenyle enthalten. Altholz mit einem PCB-Gehalt grösser 5
ppm gilt als PCB-Altholz.
Die Art der Probenahme sowie die Messmethodik können bei der Analyse der
Schadstoffgehalte zu grossen Differenzen bei den Untersuchungsergebnissen führen. Dabei
werden die Analysenresultate bei geschredderten Fraktionen entscheidend durch die
Feinanteile beeinflusst, da sich Schadstoffe vor allem in Stäuben anreichern. Probenahmen
an gebrochenem Material, bei denen die Feinanteile nicht berücksichtigt werden, sind daher
kaum repräsentativ. Letztlich hat der Probenehmer durch seine Art der Probenahme den
grössten Einfluss auf das Analysenergebnis, indem er beispielsweise bewusst oder
unbewusst eher saubere oder verschmutzte bzw. beschichtete Einzelstücke auswählt, so
dass deren Zusammensetzung in der Probe nicht repräsentativ ist.
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Altholz
Abbildung 6 Beispiel für Altholz der Kategorie A IV
Um den Einfluss des Probennehmers auf die Wahl der Probe einzuschränken, wird in der
Vollzugshilfe Holzabfälle die folgende Probenahmemethode beschrieben: Mit einem
Radlader sollen aus einem Haufwerk 100 m 3 Material entnommen und mit einer Höhe von
zwei Metern ausgebreitet werden. Dann werden mit einem Greiferbagger an fünf Stellen bis
zu einem Meter Tiefe und nochmals bis auf zwei Metern Tiefe jeweils ein Kubikmeter
Material entnommen. Diese beiden jeweils fünf Kubikmeter umfassenden Haufen werden mit
dem Greifer gemischt und zu zwei Mieten von rund 15 Metern Länge und einem Meter Breite
verteilt. Die eigentliche Probenahme erfolgt dann von einem Probenehmer, der von beiden
Mieten mittels einer Schaufel an fünf verschiedenen Stellen eine Probemenge von
mindestens einem halben Kubikmeter entnimmt. Dieses Vorgehen hat sich jedoch als
impraktikabel erweisen, weil der Aufwand dafür viel zu gross ist. In der Praxis entnimmt der
Probenehmer entweder die Holzproben direkt aus einem Haufen oder aus einem
Förderorgan ohne die aufwendige Prozedur mit Radlader und Greiferbagger. Dabei wird in
Kauf genommen, dass diese Art der Probenahme zu einer fehlerhaften Gewichtung der
vorhandenen Holzfraktionen führen kann.
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Altholz
Tabelle 3 Altholzkategorien nach schweizerischer Vollzugshilfe Holzabfälle
Parameter Spalte 1
Richtwerte für die
stoffliche Verwertung
[mg/kg TS]
Spalte 2
Richtwerte für die
energetische Verwertung
[mg/kg TS]
Arsen 2 5
Blei 30 500
Cadmium 2 5
Chrom 30 1
Kupfer 20 100
Quecksilber 0.4 1
Chlor 600 5000
Fluor 100 200
Zink 400 1000
PCP 3 5
PCB 3 5
PAK kein Wert, Gehalt muss
jedoch gemessen werden
4 Chemische Zusammensetzung
4.1 Hauptelemente
kein Wert, Gehalt muss
jedoch gemessen werden
Holz besteht zu 45% aus Cellulose, zu 20% aus Hemicellulose und zu 30% aus Lignin. Alle
diese Substanzen sind aus den chemischen Elementen Kohlenstoff, Wasserstoff und
Sauerstoff aufgebaut. Die Restbestandteile sind Harze und Wachse, die zusammen etwa
4.5% der Holzmasse ausmachen. 0.5 bis maximal 1% der Holzmasse sind mineralische
Bestandteile (Salze), welche bei der Verbrennung als Asche verbleiben. Verglichen mit
anderen Biomassebrennstoffen haben Holzbrennstoffe mit 47 bis 50% der Trockenmasse
den höchsten Kohlenstoffgehalt, während die Mehrzahl der nichtholzigen Brennstoffe meist
einen Kohlenstoffgehalt von rund 45% aufweisen. Der Sauerstoffgehalt liegt zwischen 40
und 45% und der Wasserstoffgehalt bei rund 6%. Daraus errechnet sich eine chemische
Summenformel von C10H14O7. Abweichungen davon weist Rinde auf, die in der Regel reicher
an Kohlenstoff ist und dadurch auch einen etwas höheren atro-Heizwert hat (bis 19.5 MJ/kg).
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Chemische Zusammensetzung
Auch der Gehalt an Stickstoff und Schwefel sowie aschebildenden Mineralstoffen ist bei
Rinde höher als beim Holz.
Tabelle 4 Elementarzusammensetzung von Biomassen
Fichtenholz (ohne
Rinde)
Buchenholz (ohne
Rinde)
C H O N S Cl Asche
in % der Trockensubstanz in mg/kg TS %
50.3 6.2 43.1 0.2 50 < 30 0.4
49.0 6.1 44.3 0.3 70 50 0.5
Fichtenrinde 52.6 6.0 39.0 0.6 630 90 1.8
Buchenrinde 50.1 5.8 40.9 0.5 790 160 2.6
Altholz Kleindöttingen 47.1 6.0 43.3 1.1 < 3000 866 4-6
Weizenstroh 45.6 5.8 42.4 0.48 820 1900 5.7
Roggenstroh 46.6 6.0 42.1 0.55 850 4000 4.8
Rapspresskuchen 51.5 7.38 30.1 4.97 5500 190 6.2
Zum Vergleich:
Steinkohle 72.5 5.6 11.1 1.3 9400 < 1000 8.3
Braunkohle 65.9 4.9 23.0 0.7 3900 < 1000 5.1
4.2 Stickstoff und Schwefel
Die beiden Elemente Stickstoff und Schwefel sind im naturbelassenen Holz nur in niedriger
Konzentration enthalten. Der Stickstoffgehalt liegt zwischen 0.2 und 0.5% und der
Schwefelgehalt zwischen 100 und 400 mg/kg. Bei Rinde sind Schwefelgehalte zwischen 400
und 800 mg/kg möglich. Gegenüber Holz haben eiweissreiche Pflanzen aufgrund der
vorhandenen Proteine einen rund 10-fach höheren Stickstoff- und Schwefelgehalt.
Beispielsweise hat ein aus entölter Rapssaat gewonnener Rapspresskuchen einen
Stickstoffgehalt von 5% und einen Schwefelgehalt von 5'500 mg/kg.
Auch im Altholz können stickstoffhaltige Holzprodukte enthalten sein. Besonders hohe
Stickstoffgehalte weisen insbesondere Span- und Faserplatten auf. Für deren Herstellung
wird Abfallholz in Grosszerspanern zu Spänen zerkleinert, die anschliessend auf 3-5%
Holzfeuchte getrocknet und sortiert werden. Die Späne werden anschliessend mit
stickstoffhaltigen Kunstharzen wie Harnstoff, Melamin oder Phenolharzen eingesprüht und in
Dr.-Ing. Markus Franz | Holzbrennstoffe 12

Chemische Zusammensetzung
beheizten Pressen zu Platten verdichtet. Der Kunstharzklebstoff härtet bei rund 180°C aus.
Häufig wird auch noch ein stickstoffhaltiger Härtungsbeschleuniger, z.B. Ammoniumchlorid,
hinzugegeben. Der Kleberanteil in Spanplatten beträgt bis zu 8%. Oft werden die
Spanplatten beschichtet. Die Dekorschicht besteht aus einem melaminharzgebundenen
Dekorpapier, über das zum Schutz eine Melaminharz-Overlayschicht gelegt wird.
Kunststoffbeschichtete Holzfaserplatten können dadurch einen Stickstoffgehalt zwischen 3
und 5% aufweisen.
Abbildung 7 Zerkleinerte Spanplatten mit hohem Stickstoffgehalt zur Verbrennung in einem
Holzkraftwerk
Schwefelhaltige Altholzbestandteile haben eine geringere Bedeutung. Der Schwefelgehalt
kann z.B. erhöht sein, wenn bei einem mit Leimharzen gebundenen Holzwerkstoffen anstatt
Ammoniumchlorid der Härtungsbeschleuniger Ammoniumsulfat verwendet wurde. Derart
gehärtete Materialien können 800 bis 1000 mg/kg Schwefel enthalten.
4.3 Chlor
Naturbelassene Holzbrennstoffe zeigen mit ca. 0.005 bis 0.02% (50 bis 200 mg/kg) sehr
niedrige Chlorgehalte. Hingegen hat Getreidestroh mit Anteilen von ca. 0.2 bis 0.4% vielfach
höhere Chlorgehalte, die auf die Düngung der Getreidefelder zurückzuführen sind. Denn in
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Chemische Zusammensetzung
Düngemitteln können chlorhaltige Verbindungen enthalten sein, z.B. Kaliumchlorid, die von
den Getreidepflanzen aufgenommen werden.
Auch Altholz kann wegen der unterschiedlichen Behandlungen des Holzes sehr hohe
Chlorgehalte bis 0.5% aufweisen. Viele gebräuchliche Holzwerkstoffe werden mit Folien,
Laminaten oder Holzfurnieren, die aus PVC gefertigt sind, beschichtet. Der hohe Chlorgehalt
des PVC's in Höhe von 57% führt dazu, dass PVC-beschichtete Hölzer einen
Gesamtchlorgehalt bis 2% aufweisen können. Ein Chloreintrag war früher auch durch
Bindemittel möglich, die mit dem chlorhaltigen Härtungsbeschleunigern Ammoniumchlorid
versetzt waren. Zu Beginn der 90er Jahre wurde jedoch die Produktion der Holzwerkstoffe
auf chloridfreie Härtersysteme umgestellt. Chlor wurde vielfach auch durch Holzschutzmittel,
die die chlororganischen Wirkstoffe Pentachlorphenol (PCP), Lindan und DDT enthielten, in
das Holz eingetragen. Insbesondere zwischen etwa 1950 und 1980 wurden diese
mittlerweile verbotenen Substanzen in diversen Holzschutzmittel-Produkten auf den Markt
gebracht.
4.4 Schwermetalle
Bedingt durch die sehr unterschiedliche Nutzungsgeschichte kann Altholz vielfältig mit
Schwermetallen belastet sein. Besonders die Schwermetalle Blei und Zink sind in hohen
Konzentrationen zu finden. Vor allem in Anstrichfarben wurden früher häufig Blei- und
Zinksalze als Weisspigmente eingesetzt. Als weisse Anstrichfarbe wurde Bleiweiss sehr
geschätzt, das Bleicarbonat enthält. Insbesondere alte Fensterrahmen, denen neben dem
bleihaltigen Weissanstrich auch noch Reste von Bleikitt anhaften, mit dem die Glasscheiben
fixiert wurden, weisen recht hohe Bleigehalte auf. Bei der Verbrennung entstehen Blei- und
Zinkchloride, die bei hohen Temperaturen flüchtig sind und daher mit den Rauchgasen aus
dem Feuerraum ausgetragen werden, aber auf den kühleren Verdampferrohren wieder
kondensieren und dort Korrosionsprozesse in Gang setzen.
Auch viele wässrige Holzschutzmittel sind bedeutende Quellen von Schwermetallen im
Altholz. Um das Holz vor Fäulnis- und Insektenschäden zu schützen, werden Kombinationen
verschiedener schwermetallhaltiger Salze verwendet, wie z.B. Chrom-Kupfer-Salze, Chrom-
Kupfer-Arsen-Salze oder Chrom-Kupfer-Bor-Salze, die als wässrige Lösung zumeist durch
Druckimprägnierung in das Holz eingebracht werden. Die Einbringmengen der Salze liegen
zwischen etwa 3 und 12 kg pro Kubikmeter Holz. Bei einer durchschnittliche Dichte des
Nadelholzes von 500 kg/m 3 berechnet sich daraus ein Eintrag an Elementen von 6'000 bis
20'000 mg/kg. Ein weiteres Schwermetall, welches in der Vergangenheit als salzartiges
Holzschutzmittel verwendet wurde, ist Quecksilber, das vornehmlich als wasserlösliches
Quecksilber-II-chlorid eingesetzt wurde. Das Salz wird im Holz zu unlöslichem Quecksilber-I-
chlorid reduziert und liegt dann fest fixiert vor. Die Einbringmenge lag bei üblichen
Rezepturen zwischen 0.4 und 0.8 kg/m 3 . Vor allem Telefon- und Elektromasten sowie Obst-,
Wein- und Hopfenstangen wurden damit behandelt.
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Chemische Zusammensetzung
Abbildung 8 zeigt exemplarisch die Gehalte von Blei und Zink sowie den Chlorgehalt von
Altholzproben, die den Altholzanlieferungen der beiden schweizerischen Holzkraftwerke in
Kleindöttingen und Basel entnommen wurden. Der grosse Wertebereich, in dem die
Analysenresultate schwanken, verdeutlicht die heterogene Zusammensetzung von Altholz.
Wie bereits erwähnt, ist das Analysenergebnis dabei nicht nur von der Lieferung anhängig,
auch die Art und Weise, wie eine Altholzprobe genommen wird, hat einen Einfluss auf das
Analysenergebnis.
Gehalt in mg/kg TS
2000
1800
1600
1400
1200
1000
800
600
400
200
0
Abbildung 8 Konzentrationen von korrosionsrelevanten Elementen im Altholz (Altholzproben
aus Aargau und Basel)
Die Schwermetallgehalte sind ein wesentliches Unterscheidungsmerkmal zwischen
naturbelassenen und nicht-naturbelassenen Holzbrennstoffen. Holzbrennstoffe aus dem
Wald sind erheblich geringer mit Schwermetallen belastet als Altholz. Da die Schwermetalle
bei der Verbrennung in den Verbrennungsrückständen verbleiben, kann über eine
Schwermetallanalyse der Holzasche abgeleitet werden, ob naturbelassenes Holz oder
Altholz verbrannt wurde. Auch bei Holzpellets ist der Nachweis für die Verwendung
unbelasteter Holzrohstoffe dadurch zu erbringen, dass Grenzwerte für bestimmte
Schwermetallgehalte unterschritten werden müssen.
4.5 Alkalien und Erdalkalien
Chlor Blei Zink
Höchstwert
Tiefstwert
Mittelwert
Die in Holzbrennstoffen relevanten Alkalimetalle sind Natrium und Kalium. Der Natriumgehalt
liegt im Bereich zwischen 0.13 und 0.5%, und der Kaliumgehalt zwischen 0.13 und 0.35%
jeweils bezogen auf die Trockenmasse. Von den Erdalkalien sind insbesondere das Calcium
Dr.-Ing. Markus Franz | Holzbrennstoffe 15

Chemische Zusammensetzung
und das Magnesium im Holz vorhanden. Der Calciumgehalt ist mit 0.3 bis ca. 1%
vergleichsweise hoch. Deutlich niedriger ist der Magnesiumgehalt mit ca. 0.04 bis 0.1%. Die
Alkali- und Erdalkalimetalle verbleiben bei der Verbrennung in der Asche und können sich
dort stark anreichern. Wie das Analysenbeispiel der Tabelle 6 zeigt, können in einer
Fichtenholzasche 21.4% Calcium, 3% Magnesium und 3.6% Kalium enthalten sein.
4.6 PAK
Steinkohlenteeröl, ein Nebenprodukt der Verkokung von Steinkohle in Kokereien und
Gaswerken, ist das älteste organische Holzschutzmittel. Die systematische Entwicklung von
Holzimprägniermitteln begann mit der Verwendung von Buchenholz für Eisenbahnschwellen.
Dank der Imprägnierung mit Teeröl konnte die Lebensdauer der Eisenbahnschwelle im Laufe
eines Jahrhunderts von fünf auf 50 Jahre erhöht werden. Die Bahnschwellen wurden in
Teeröl getränkt bis ein Teerölgehalt von 20% erreicht war. Teeröl wurde auch als
Carbolineum für den Hausgebrauch zur Imprägnierung von Jägerzäunen und Bauholz
verkauft. Erst 1984 wurde die Öffentlichkeit auf die gesundheitsschädigende Wirkung dieser
Imprägniermittel aufmerksam. Die Teeröle sind ein Gemisch aus überwiegend
polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen (PAK), die teilweise krebserregend sind.
Obwohl Bahnschwellen und Jägerzäune im Grunde beliebte Brennstoffe sind, da die Teeröle
den Heizwert des Holzes um 10 bis 20% erhöhen, ist der Umgang mit teerölimprägnierten
Hölzern aus abfallrechtlichen Gründen problematisch, weil diese wegen der enthaltenen
krebserregenden Stoffe als Sonderabfälle eingestuft werden müssen.
Abbildung 9 Teerölimprägnierte Bahnschwellen
Dr.-Ing. Markus Franz | Holzbrennstoffe 16

Brennstofftechnische Eigenschaften
5 Brennstofftechnische Eigenschaften
5.1 Wassergehalt
Die brennstofftechnischen Eigenschaften der unterschiedlichen Holzbrennstoffe werden vor
allem durch den Wassergehalt bestimmt. Der Wassergehalt ist insofern ein wichtiges
qualitätsbestimmendes Merkmal des Brennstoffs. Ein hoher Wassergehalt vermindert den
Heizwert des Holzes und führt zu niedrigen Verbrennungstemperaturen, die wiederum hohe
Kohlenmonoxid-Emissionen sowie Teer- und Russbildung zur Folge haben. Auch das Zünd-
und Ausbrandverhalten des Holzbrennstoffs wird wesentlich durch den Wassergehalt
beeinflusst.
Das nasse Frischholz setzt sich aus der trockenen Holzmasse und der im Holz
gebundenen Wassermasse zusammen. Wird die Wassermasse gemäss Gleichung
1 auf die Masse des Frischholzes (Feuchtgewicht) bezogen, erhält man den Wassergehalt
w.
Gleichung 1
Streng zu unterscheiden vom Wassergehalt ist der Begriff der Holzfeuchte, der im Bereich
der Forstwirtschaft häufig verwendet wird. Anders als beim Wassergehalt wird zur
Berechnung der Holzfeuchte u die Wassermasse auf die Trockenmasse bezogen (vgl.
Gleichung 2).
Gleichung 2
Die Feuchte kann entsprechend Gleichung 3 in den Wassergehalt umgerechnet werden
bzw. gemäss Gleichung 4 kann aus dem Wassergehalt die Feuchte berechnet werden:
In Holzbrennstoffen kann viel Wasser enthalten sein. Frischholz kann mehr Wasser als
Gleichung 3
Gleichung 4
Holzsubstanz enthalten, d.h. der Wassergehalt ist grösser als 50%, was einer Holzfeuchte
grösser als 100% entspricht. Der Wassergehalt von waldfrischem Holz liegt je nach Baumart,
Alter und Jahreszeit zwischen 45 und 60%. Nach zweijähriger Freiluftlagerung wird der
Dr.-Ing. Markus Franz | Holzbrennstoffe 17

Brennstofftechnische Eigenschaften
sogenannte lufttrockene Zustand (lutro) erreicht, der je nach Jahreszeit und Witterung bei
einem Wassergehalt von etwa 15 bis 20% liegt. In beheizten Innenräumen reduziert sich der
Wassergehalt des Holzes weiter auf 6.5 bis 9 %. Dementsprechend ist bei Holzbauteilen und
Möbeln von diesen Wassergehalten auszugehen. Nur mit einer Trocknung bei Temperaturen
über 100°C lässt sich die Holzfeuchte vollständig entfernen. Völlig wasserfreies Holz wird als
absolut trocken (atro) bezeichnet.
Tabelle 5 Einteilung der Holzhackschnitzel in fünf Wassergehaltsklassen
Klassenbezeichnung Wassergehalt Bezeichnung
W20 � 20% lufttrocken
W30 � 30% lagerbeständig
W35 � 35% begrenzt lagerbeständig
W40 � 40% feucht
W50 � 50% erntefrisch
5.2 Heizwert
Eine weitere wichtige Kennzahl von Holzbrennstoffen ist der Heizwert, der früher auch als
unterer Heizwert bezeichnet wurde. Dieser ist zu unterscheiden vom Brennwert (früher
auch oberer Heizwert genannt). Der Heizwert beschreibt die gesamte Wärmemenge, die bei
der vollständigen Verbrennung freigesetzt wird ohne Berücksichtigung der
Kondensationswärme des in den Rauchgasen enthaltenen Wasserdampfs. Beim Heizwert
wird somit unterstellt, dass der bei der Verbrennung gebildete Wasserdampf dampfförmig
bleibt, und dass die Wärmemenge, die bei einer eventuellen Kondensation durch
Rauchgasabkühlung frei werden könnte (2.441 kJ pro Gramm Wasser), nicht nutzbringend
verwendet wird. Wenn auch die Kondensationswärme des Wasserdampfs nutzbar gemacht
wird, indem beispielsweise die Rauchgase so tief abgekühlt werden, dass der Wasserdampf
kondensieren kann, ist der Brennwert massgebend. Generell wird in der Feuerungstechnik
der Energieinhalt des Brennstoffs mit dem Heizwert beschrieben, was dazu führen kann,
dass bei Brennwertkesseln, bei denen die Kondensationswärme nutzbar gemacht wird, der
Kesselwirkungsgrad rechnerisch einen Wert grösser als 100% erreichen kann.
Bei der Verbrennung wird der im Holzbrennstoff enthaltene Kohlenstoff in Gegenwart von
Luftsauerstoff zu Kohlendioxid oxidiert. Die dabei freigesetzte Energie bestimmt den
Heizwert des trockenen Brennstoffs. Die chemische Reaktionsgleichung für die
stöchiometrische Verbrennung von Holz kann wie folgt angeschrieben werden:
Dr.-Ing. Markus Franz | Holzbrennstoffe 18

Brennstofftechnische Eigenschaften
Gleichung 5
Gemäss Gleichung 5 kann nur der im Holz vorhandene Kohlenstoff oxidiert werden. Obwohl
in einigen Publikationen gegensätzlich dargestellt, kann der Wasserstoff bei der Oxidation
keine Energiemengen liefern, da er schon vollständig oxidiert ist, d.h. die Oxidationsstufe +1
besitzt. Auch trägt der brennstoffeigene Sauerstoff nichts zur Oxidation bei, da der Sauerstoff
bereits vollständig reduziert, also in der Oxidationsstufe -2, vorliegt. Dass in Biomassen
ausser Kohlenstoff und Wasserstoff auch erhebliche Mengen an gebundenem Sauerstoff
enthalten sind, ist der Grund, warum Holz und andere pflanzliche Biobrennstoffe im
Vergleich zu Kohle oder Mineralölen einen deutlich geringeren Heizwert haben. Ein Teil der
Kohlenwasserstoffverbindungen liegt im Holz also bereits partiell oxidiert vor. Während
Steinkohle einen Heizwert von 30 MJ/kg und Heizöl einen Heizwert von 43 MJ/kg hat, liegt
der Heizwert von absolut trockenem Holz je nach Holzart nur zwischen 18.0 und 18.8 MJ/kg.
Die niedrigen Heizwerte zeigen Laubhölzer insbesondere Erle, Pappel und Weide, während
der maximale Heizwert von 18.8 MJ/kg von Nadelhölzern erreicht wird aufgrund eines
erhöhten Gehaltes an Harzen und Ölen.
Der Heizwert des Holzes ist also nur wenig von der Holzart abhängig und wird stattdessen
fast ausschliesslich vom Wassergehalt beeinflusst. Zwischen dem Wassergehalt und dem
Heizwert besteht ein linearer Zusammenhang, so dass über eine Messung des
Wassergehaltes eine Aussage zum Heizwert des Holzes gemacht werden kann. Ebenso
kann auch mittels einer Wassergehaltsbestimmung bei der Anlieferung des Holzes die dem
Holzkraftwerk zugeführte Energiemenge abgeschätzt werden. Für die Berechnung des
Heizwertes aus dem Wassergehalt kann Gleichung 6 verwendet werden.
Gleichung 6
Dabei ist der Heizwert des Frischholzes in MJ/kg mit dem Wassergehalt w. ist
der Heizwert des Holzes im wasserfreien, absolut trockenen Zustand. Der Faktor 2.44 leitet
sich aus der Wärmeenergie (2441 kJ/kg) ab, die pro Anteil Wasser für die Aufheizung des
Wassers von 25°C bis zur Verdampfung und für die Verdampfung aufgebracht werden muss.
In Abbildung 10 wurde der mit Gleichung 6 berechnete Heizwert mit zunehmendem
Wassergehalt dargestellt. Hierbei wurde ein atro-Heizwert von 18.5 MJ/kg zugrunde gelegt.
Auf der mit zunehmendem Wassergehalt linear abnehmenden Heizwertgeraden sind
folgende Abschnitte besonders relevant: Trockenes Altholz mit einem Wassergehalt von 7%,
wie beispielsweise Bauteile und Möbel aus beheizten Innenräumen, hat einen Heizwert 17
MJ/kg. Luftrockenes Holz mit einem Wassergehalt von 15% hat einen Heizwert von ca. 15
MJ/kg. Frischholz mit einem Wassergehalt von 50% hat einen Heizwert von 8 MJ/kg. Ab
einem Heizwert von 6 MJ/kg ist eine selbstgängige Verbrennung nicht mehr möglich. Diese
Dr.-Ing. Markus Franz | Holzbrennstoffe 19

Brennstofftechnische Eigenschaften
Schwelle wird bei einem Wassergehalt von 60% erreicht. Und bei einem Wassergehalt von
rund 88% ist der Heizwert gleich Null.
Heizwert [MJ/kg]
Abbildung 10 Heizwert von Holz in MJ/kg bei zunehmendem Wassergehalt (Huatro = 18.5
MJ/kg)
20
18
16
14
12
10
8
6
4
2
0
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
5.3 Ascheschmelzverhalten
Je nach Aschezusammensetzung und Temperaturniveau im Feuerraum ist entweder ein
Erweichen oder auch ein völliges Aufschmelzen der Aschepartikel möglich. Das
Erweichungs- und Schmelzverhalten wird dabei vor allem durch Alkali- und Erdalkalimetalle
beeinflusst. Natrium und Kalium bewirken eine Erniedrigung der Schmelztemperatur, die
Erdalkalimetalle Magnesium und Calcium erhöhen die Schmelztemperatur. Ein hoher Anteil
an Silicium und Chlor führen ebenfalls zu einer Erniedrigung der Schmelztemperatur.
Niedrig schmelzende Brennstoffaschen können Schäden an der Feuerfestausmauerung und
erhebliche Kesselverschmutzungen infolge von Anbackungen und Verschlackungen
verursachen. Besonders kritisch ist auch am Brennstoff anhaftendes Restglas, das sich im
Feuerraum zu einer honigzähen Schmelze verwandelt. Bei Wirbelschichtfeuerungen können
sich Agglomerate (Bettschweine) aus klebrigen Aschepartikeln und Sandkörnern bilden, die
nicht mehr fluidisiert werden können und aus der Wirbelschicht ausfallen. Des Weiteren
können sich an den kalten Luftdüsen des Düsenbodens Anbackungen aufbauen, die die
Luftverteilung beeinträchtigen. Es ist daher wichtig, das Ascheschmelzverhalten der
verwendeten Brennstoffe zu kennen, um ungeplante Anlagenstillstände infolge eines
Ascheerweichens zu vermeiden.
Wassergehalt
Dr.-Ing. Markus Franz | Holzbrennstoffe 20

Brennstofftechnische Eigenschaften
Um Ascheschmelzversuche durchführen zu können, ist es zunächst erforderlich, Asche
herzustellen. Für Biomassebrennstoffe wurde eine spezielle Methode zur Bestimmung des
Aschegehalts entwickelt (CEN/TS 14775). Bei der Veraschung wird die Ofentemperatur mit
einem Temperaturanstieg von 5 Kelvin pro Minute auf 250°C gesteigert. Diese
Temperaturstufe wird für 60 Minuten gehalten, damit die flüchtigen Stoffe aus der Probe
entweichen können. Anschliessend wird die Temperatur weiter mit 5 Kelvin pro Minute bis
zur Maximaltemperatur von 550°C angehoben, welche dann für 120 Minuten gehalten wird.
Das in der Vergangenheit angewandte DIN-Verfahren (DIN 51719), das zur Bestimmung des
Aschegehalts von Steinkohle, Koks, Braunkohle und Holzkohle erarbeitet wurde, schreibt
eine deutlich höhere Veraschungstemperatur von 815°C vor. Bei dieser Temperatur
verbrennt jedoch die Mehrzahl der Biomassebrennstoffe spontan mit Flammenbildung.
Zudem versintert Strohasche bei einer Ofentemperatur von 850°C bereits in der
Keramikschale und ist dann für eine weitere Untersuchung nicht mehr brauchbar. Die
Herstellung der Asche nach dem neuen CEN-Verfahren ist geeigneter, da die Asche weniger
durch eine Verbrennung sondern vielmehr in einem Pyrolyseprozess entsteht. Dadurch
treten keine Ascheverluste durch das Entweichen von flüchtigen Alkalichloriden oder infolge
der CO2–Freisetzung aus Carbonaten auf. Aufgrund dieser Verluste werden mit dem DIN-
Verfahren zumeist zu geringe Aschegehalte gemessen. Darüber hinaus reagieren die bei
850°C hergestellten Aschen unempfindlicher auf Temperatur, während die bei 550°C
hergestellten Aschen wegen der stark erhöhten Kalium- und Siliciumgehalte und einem
geringeren Calciumgehalt bereits bei tieferen Temperaturen zu sintern und zu erweichen
beginnen.
In Tabelle 6 sind die Anteile der chemischen Elemente in Fichten-, Gras und Strohasche
aufgelistet, die bei 550°C verascht wurden. Fichtenasche hat einen sehr hohen
Calciumgehalt, hingegen ist der Anteil an Natrium und Kalium gering. Dies wird sich in einer
hohen Schmelztemperatur für diese Asche widerspiegeln. Bei Gras- und Strohasche ist der
Anteil an Kalium sehr hoch, der Anteil an Calcium dagegen niedriger als bei Fichtenasche.
Entsprechend niedriger wird der Schmelzpunkt der Gras- und Strohaschen sein.
Tabelle 6 Chemische Zusammensetzung von Brennstoffaschen in g/kg Asche
Na K Mg Ca Cl Si P
Fichte 1.6 36.0 30.4 213.6 0.3 21.0 7.1
Gras 2.7 125.0 14.9 62.0 16.6 154.0 29.0
Stroh 7.6 133.5 9.1 46.5 3.1 255.0 15.6
Zur Bestimmung des Ascheschmelzverhaltens wird die Asche zu einem Probekörper
verpresst, der die Form eines aufrecht stehenden Zylinders mit einer Höhe von 3 bis 5 mm
Dr.-Ing. Markus Franz | Holzbrennstoffe 21

Brennstofftechnische Eigenschaften
und einem der Höhe identischen Durchmesser hat. Beim Erhitzen des Probekörpers in
einem Muffelofen bis auf eine Höchsttemperatur von 1500°C werden verschiedene Stadien
der Verformung bis zum Schmelzen durchlaufen. Die Verformungen werden über eine
optische Einrichtung mittels Videokamera festgehalten. In DIN CEN/TS 15370 werden
Temperaturen definiert, die sich auf Veränderungen in der Form des Probekörpers beziehen.
In Abbildung 11 sind die Merkmale des Probekörpers dargestellt, durch die das
Schmelzverhalten der Brennstoffasche charakterisiert wird, und Tabelle 7 enthält eine
Beschreibung dieser Merkmale.
Abbildung 11 Phasen während des Schmelzvorgangs der Asche
Tabelle 7 Bezeichnungen der charakteristischen Temperaturpunkte beim
Ascheschmelzversuch
Bezeichnung Beschreibung
Sintertemperatur (SIT) Markante Volumenverringerung, bei der der Probekörper
Erweichungs-
temperatur (EWT)
Halbkugeltemperatur
(HKT)
Fliesstemperatur
(FLT)
schrumpft ohne sein Form zu ändern. Die für die
Erweichungstemperatur kennzeichnenden Merkmale sind noch
nicht erkennbar.
Erste Anzeichen des Erweichens der Asche, z.B. Rundwerden
der Kanten, Beginn des Blähens.
Der Probekörper hat angenähert die Form einer Halbkugel. Der
geschmolzene Probekörper ist halb so hoch wie seine
Grundlinie
Der Probekörper ist auf die Hälfte der Höhe, die er bei der
Halbkugeltemperatur hatte, auseinander geflossen.
In Tabelle 8 sind die charakteristischen Temperaturpunkte der Aschen von Fichtenholz, Gras
und Stroh aufgeführt. Beim Vergleich der Werte wird deutlich, dass Stroh mit einem
Dr.-Ing. Markus Franz | Holzbrennstoffe 22

Brennstofftechnische Eigenschaften
Sinterbeginn von nur 750°C ein problematischer Brennstoff ist. Gras hat einen Sinterbeginn
von 1010°C und liegt damit deutlich höher als Stroh. Fichte hat den höchsten Sinterbeginn
mit 1370°C. Auch bei der Erweichungstemperatur liegt die Stufung wie beim Sinterbeginn.
Während Fichtenasche eine sehr hohe Ascheerweichungstemperatur von 1400°C aufweist,
schmilzt die Strohasche schon bei einer sehr niedrigen Temperatur von 770°C.
Tabelle 8 Charakteristische Temperaturpunkte in Grad Celsius beim Schmelzversuch
SIT EWT HKT FLT
Fichte 1370 1400 1450 1460
Gras 1010 1070 1200 1320
Stroh 750 770 1110 1320
5.4 Holzfremde Bestandteile
Holzfremde Bestandteile können zu zahlreichen Problemen bei der Förderung und
Brennstoffbeschickung sowie zu Beeinträchtigungen des Feuerungs- und Kesselbetriebs
führen. Dazu gehören vor allem mineralische Verschmutzungen, die sowohl bei Waldholz als
auch bei Altholzfraktionen auftreten. Infolge von Rückarbeiten im Wald haftet dem
Stammholz oftmals noch Erde und Sand an, und bei der Verladung von lose auf dem
Waldboden gelagertem Hackgut werden vom Radlader meist noch Erde und Steine
aufgenommen.
Vielen Altholzteilen haften noch Dämmstoffe, Glas, Putz, Teerpappe u.a.m. an. Zudem
werden bei Abrissarbeiten noch Kunststofffolien, Gipskartonplatten oder Mauerreste in das
separierte Altholz eingetragen. Besonders problematisch sind im Altholz enthaltene
Packbänder, Drähte und Stofffetzen, die sich um Fördereinrichtungen wickeln können und
dadurch zu Verstopfungen und Lagerschäden führen.
Eisenmetallteile sind im Altholz in relativ hoher Zahl enthalten, insbesondere Nägel, Drähte,
Schrauben und Klammern, zuweilen sind auch grössere, massive Eisenteile anzutreffen.
Eisenmetalle führen in vielen Fällen durch mechanische Einwirkungen zu direkten Schäden
an der Fördertechnik oder im Feuerungssystem. Aluminium stellt einen Sonderfall unter den
metallischen Störstoffen dar. Bedingt durch seinen relativ niedrigen Schmelzpunkt können
innerhalb des Brennstoffbetts Aluminiumschmelzen entstehen, welche sich entweder
zwischen den Roststäben ansammeln und dort erstarren, oder durch den Rost hindurch
tropfen und auf der Rost-Unterkonstruktion erstarren. Im ersteren Fall werden die
Luftdurchtrittsöffnungen verstopft, was zu einer mangelhaften Rostabkühlung und einer
ungleichmässigen Luftverteilung führt. Der zweite Fall kann ein Verklemmen oder eine
Blockierung der Rostmechanik zur Folge haben. Auch die Düsenböden der
Dr.-Ing. Markus Franz | Holzbrennstoffe 23

Brennstofftechnische Eigenschaften
Wirbelschichtfeuerungen sind anfällig gegenüber Aluminiumschmelzen, die die
Austrittsöffnungen der Luftdüsen verkleben können. Die Entfernung von
Aluminiumansammlungen erfordert einen grossen Arbeitsaufwand bei der Revision.
Abbildung 12 Altholz mit holzfremden Bestandteilen
6 Mechanische Eigenschaften
Zu den mechanischen Eigenschaften der unterschiedlichen Holzbrennstoffe gehören vor
allem die Korngrössenverteilung, die Schüttdichte und das Schüttgutverhalten. Während die
Wahl der Feuerungstechnik u.a. von der vorliegenden Stückgrösse des Brennstoffs
beeinflusst wird, bestimmen die Schüttdichte und insbesondere das Schüttgutverhalten die
Dimensionierung und Konstruktion der Lager- und Fördertechnik sowie der
Beschickungseinrichtungen für die Feuerungsanlage.
6.1 Rohdichte
Die Rohdichte beschreibt das Verhältnis der Holzmasse zum Rauminhalt eines massiven
Holzstückes. Die Rohdichte variiert je nach der Holzfeuchte. Die Tabelle 9 zeigt die
Rohdichten verschiedener Holzarten für den absolut trockenen Zustand. In der Tabelle sind
Durchschnittswerte angegeben; die tatsächlichen Werte können je nach Standort, Baumteil
und Alter ganz erheblich variieren. Die Dichte-Skala entspricht im Allgemeinen, wenn auch
nicht immer, der Härte-Skala. Die Härte ist das gebräuchlichste Merkmal, nach denen die
Dr.-Ing. Markus Franz | Holzbrennstoffe 24

Mechanische Eigenschaften
Holzsorten eingeordnet werden. Harthölzer sind Eiche, Buche, Esche, Ulme, Ahorn; als
mittelhart wird ihnen auch die Lärche zugerechnet. Fichte, Tanne, Kiefer, Douglasie und Erle
gelten als Weichhölzer; sehr weich sich Linde, Pappel und Weide.
Tabelle 9 Rohdichte von absolut trockenem Holz (Darrdichte)
Weichhölzer (bis 0.55 g/cm 3 ) Harthölzer (über 0.55 g/cm 3 )
Fichte 0.43 Eiche 0.66
Tanne 0.41 Bergahorn 0.59
Kiefer 0.49 Esche 0.65
Douglasie 0.47 Buche 0.68
Lärche 0.55 Birke 0.61
Linde 0.49 Hain-/Weissbuche 0.75
Pappel 0.41 Hasel 0.56
Weide 0.33 Ulme 0.64
Eine Wasseraufnahme ist mit einer Zunahme des Holzvolumens verbunden. Diese
Volumenzunahme findet bis zu einem bestimmten Wassergehalt statt, danach bleibt das
Holzvolumen auch bei weiterer Wasseraufnahme konstant. Der Wassergehalt, bei dem die
Volumenzunahme endet, wird Fasersättigungspunkt genannt. In der umgekehrten Situation,
wenn nasses Holz getrocknet wird, beginnt es zu schrumpfen, sobald der
Fasersättigungspunkt unterschritten wird. Die Volumenreduktion beim Trocknen wird mit
dem sogenannten Schwindmass quantifiziert. Die Fasersättigungspunkte und das
Schwindmass sind in Tabelle 10 für wichtige Holzarten aufgelistet. Die Volumenzunahme
beim Aufsättigen mit Wasser bzw. die Schrumpfung beim Trocknen hat entsprechende
Auswirkungen auf die Dichte des feuchten Holzes, die bei Berechnungen von Schüttdichten
berücksichtigt werden müssen.
Tabelle 10 Fasersättigungspunkt und Schwindmass
Fasersättigungspunkt Schwindmass
Buche 25 % 17.9 %
Eiche 19 % 12.2 %
Fichte 25 % 11.9 %
Kiefer 21 % 6.1 %
Dr.-Ing. Markus Franz | Holzbrennstoffe 25

Mechanische Eigenschaften
6.2 Schüttdichte
Das erforderliche Lager- und Transportvolumen der Holzbrennstoffe wird von der
Schüttdichte bestimmt. Die Schüttdichte eines Haufwerks aus Hackschnitzeln ist definiert als
der Quotient aus der Masse des Haufwerks und dem Volumen, den das Haufwerk einnimmt.
Dabei setzt sich die Masse des Haufwerks aus der absolut trockenen Holzmasse , der
Masse des im Holz gebundenen Wassers und der Masse der die Hohlräume
ausfüllenden Luft zusammen. Unter Vernachlässigung der Masse der Luft kann für die
Schüttdichte geschrieben werden:
Ausgehend von Gleichung 1 kann eine Beziehung hergeleitet werden, mit der die
Wassermasse aus der Trockenmasse und dem Wassergehalt berechnet werden kann.
Gleichung 7
Gleichung 8
Das Einsetzen von Gleichung 8 in Gleichung 7 führt zu einem Ausdruck für die Schüttdichte
des Haufwerks als Funktion der Schüttdichte der absolut trockenen Hackschnitzel
und des Wassergehalts .
Gleichung 9
In Abbildung 13 sind Schüttdichten von Hackschnitzeln aus vier unterschiedlichem Holzarten
als Funktion des Wassergehalts aufgetragen. Diese steigen gemäss Gleichung 9 mit
zunehmendem Wassergehalt an. Bei einem Wassergehalt unterhalb des
Fasersättigungspunktes, d.h. unter ca. 25%, sind die Schüttdichtebestimmungen zweier
unterschiedlich feuchter Holzhackgut-Proben genau genommen nur vergleichbar, wenn dem
Volumenschwund, der zwischen dem jeweiligen Fasersättigungspunkt und der Darrdichte
stattfindet, durch einen Korrekturfaktor Rechnung getragen wird. Diese Volumenänderung
verläuft nahezu linear. Mit jedem Prozentpunkt abnehmendem Wassergehalt kann die
Schüttdichte – angegeben in kg/m 3 – um 0.7% nach oben korrigiert werden. Die jeweiligen
Schüttdichten in Abbildung 13 wurden bei geringen Wassergehalten um dieses
Schwindmass korrigiert.
Dr.-Ing. Markus Franz | Holzbrennstoffe 26

Mechanische Eigenschaften
Schüttdichte in kg/m 3
600
500
400
300
200
100
0
0 10 20 30 40 50
Abbildung 13 Schüttdichten der Hackschnitzel von verschiedenen Holzarten in Abhängigkeit
des Wassergehalts (einschliesslich Korrektur des Volumenschwunds).
6.3 Korngrössenverteilung
Die Korngrössenverteilung des Brennstoffs ist eine kraftwerksspezifische Grösse, die durch
die Art des eingesetzten Feuerungssystems festgelegt wird. Im Allgemeinen tolerieren
Rostfeuerungen eine gröbere Korngrössenverteilung als Wirbelschichtfeuerungen. Darüber
hinaus stellen auch die mechanischen Entnahme-, Förder- und Beschickungssysteme
entsprechende Anforderungen an die Brennstoffstückigkeit. Die erforderliche
Korngrössenverteilung ist also ein wesentlicher Bestandteil der Brennstoffspezifikation, die
für jedes Holzkraftwerk individuell ist und sich im Wesentlichen aus der verwendeten
Feuerungs- und Fördertechnik ergibt.
Wassergehalt in %
Als Überlängen werden jene Brennstoffbestandteile bezeichnet, die die Maximalgrösse des
vorgesehenen Brennstoffgrössenspektrums überschreiten. Überlängen können zu
Blockaden und auch zu unmittelbaren Schäden an den Förderorganen führen oder deren
Durchsatzleistung senken. Daneben können auch Brückenbildungen in Silos oder
Buche
Eiche
Fichte
Kiefer
Austragsbehältern durch Überlängen verursacht werden. Beim Feinanteil handelt es sich um
diejenigen Brennstoffpartikel, die das vorgesehene Grössenspektrum unterschreiten. Hohe
Feinanteile können auf dem Brennstoffförderweg zu Verpressungen und bei trockenem
Brennstoff zu Staubproblemen führen. Hohe Feinanteile können aber auch die Ursache von
Verschmutzungen und Verschlackungen im Feuerraum und im Dampferzeuger sein.
Dr.-Ing. Markus Franz | Holzbrennstoffe 27

Mechanische Eigenschaften
Tabelle 11 Anforderungen unterschiedlicher Feuerungssysteme an die Brennstoffgrösse
Rostfeuerung Wurfschwebefeuerung Wirbelschichtfeuerung
Feinanteil < 1 mm max. 5% max. 10% max. 20%
Idealgrösse < 250 mm < 100 mm < 100 mm
Maximalgrösse 300 mm 200 mm 250 mm
Um die in Tabelle 11 angegebenen Korngrössenanforderungen erfüllen zu können, ist eine
Zerkleinerung des Holzes erforderlich. Im Bereich von Waldrestholz werden hierzu
überwiegend Hacker eingesetzt, die nach dem Prinzip der schneidenden Zerkleinerung
arbeiten. Das Hackorgan besteht aus mehreren Einzelmessern, die auf einer
Schwungscheibe (Scheibenhacker) oder auf einer rotierenden Trommel (Trommelhacker)
angeordnet sind. Durch die Höhe des Überstandes der Messerklingen kann die Schnittlänge
eingestellt werden. Beim Hacken entstehen keine Überlängen und kaum Feinanteile. Die
gewonnenen Hackschnitzel haben saubere Schnittstellen und gleichmässige Kantenlängen
(siehe Abbildung 14).
Abbildung 14 Holzhackschnitzel aus Stammholz
Dr.-Ing. Markus Franz | Holzbrennstoffe 28

Mechanische Eigenschaften
Zur Zerkleinerung von Altholz können keine Hacker verwendet werden, bei denen eine
geordnete Längszuführung paralleler Baum- oder Astteile erforderlich ist. Stattdessen
kommen Zerkleinerungsmaschinen zum Einsatz, die eine Zuführung des Holzes in Wirrlage
erlauben. Je nach Anforderungen an die Korngrösse muss die Zerkleinerung ein- oder
zweistufig durchgeführt werden. Zum Vorbrechen werden langsam laufende Ein- oder
Zweiwellen-Zerkleinerer eingesetzt. In einem Zweiwellen-Zerkleinerer wird das Altholz
zwischen zwei Walzen, die mit ineinandergreifenden Zähnen oder Stacheln bestückt sind
und gegenläufig mit einer Drehzahl von 30-40 U/min drehen, zerkleinert. Einwellen-
Zerkleinerer drücken das Altholz mit ihren Zähnen durch einen Zerkleinerungskamm. Mit
diesen Zerkleinerungsmaschinen, die das Material zerreisen und dabei auch zerfasern, ist
eine Zerkleinerung auf eine Spanngrösse von ca. 150-400 mm möglich, jedoch ist der Anteil
an Überlängen relativ hoch. Die Vorzerkleinerung ist meist ausreichend für eine
Rostfeuerung, bei der noch nicht ausreichend zerkleinerte Holzteile weniger störend sind.
Für Wirbelschicht- oder Wurfschwebefeuerungen ist aber eine Nachzerkleinerung des
Altholzes in einem Schredder erforderlich. Dieser besteht aus einer Rotortrommel, die sich
mit ca. 1000 U/min dreht. Auf dem Rotorumfang sind fest verschraubte Messerplatten oder
frei schwingenden Schlegel positioniert, die das Material an einer feststehenden Prallplatte
vorbei reissen und es dabei zerkleinern. Unterhalb des Rotors ist ein Siebkorb angeordnet.
Je nach Lochweite werden Holzspäne mit einer Korngrösse zwischen ca. 40-120 mm
gewonnen. Bei dieser Art der Zerkleinerung resultiert verfahrensbedingt ein hoher Feinanteil.
In Abbildung 15 ist geschreddertes Altholz zu sehen, und in Abbildung 16 ist die zweistufige
Zerkleinerung von Altholz mittels Zweiwellen-Zerkleinerer und Schredder gezeigt.
Abbildung 15 Geschreddertes Altholz mit hohem Feinanteil und Überlängen
Dr.-Ing. Markus Franz | Holzbrennstoffe 29

Mechanische Eigenschaften
Abbildung 16 Zweistufige Zerkleinerung von Altholz mit Zweiwellen-Zerkleinerer und
Schredder
7 Brennstoffbeschaffung
Für die organisatorische Zuordnung der Brennstoffbeschaffung gibt es zwei Möglichkeiten:
Entweder ist das Kraftwerk selbst für die Beschaffung verantwortlich und der Holzeinkauf ist
in die Organisation des Holzkraftwerks integriert, oder es besteht ein Vertrag mit einem
Exklusivlieferanten. Die Entwicklung läuft dabei oft vom Modell Exklusivlieferant in Richtung
Brennstoffversorgung in Eigenregie des Kraftwerks.
Um gegenüber Investoren, Banken oder Behörden die dauerhaft gesicherte Brennstoff-
versorgung eines Holzkraftwerks dokumentieren zu können, wird häufig schon im Laufe der
Projektentwicklung oder nach Erteilung der Baubewilligung ein langfristiger Vertrag mit
einem Brennstofflieferanten abgeschlossen. Dieser Exklusivlieferant verfügt häufig selbst
nicht über die notwendigen Holzmengen und muss zur Holzbeschaffung wiederum auf
mehrere Unterlieferanten zurückgreifen. Dieses Modell hat allenfalls noch den Vorteil, dass
dem Kraftwerksbetreiber ein direkter Ansprechpartner gegenüber steht und er selbst auf den
Verwaltung- und Logistikaufwand der Brennstoffbeschaffung verzichten kann. Meist über-
wiegen jedoch die Nachteile. Denn der Kraftwerksbetreiber begibt sich in eine grosse
Abhängigkeit und hat keinen unmittelbaren Einfluss auf die Brennstoffqualität bzw. ihm fehlt
eine kurzfristige Handhabe bei Anlieferung von schlechter Brennstoffqualität. Beim
Brennstofflieferanten geschieht der Holzeinkauf in der Regel nach Kostengesichtspunkten,
was häufig dazu führt, dass Brennstoff beschafft wird, der nicht der Anlagenspezifikation
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Brennstoffbeschaffung
entspricht. Bei knappem Brennstoffmarkt werden auch Lieferungen nahezu beliebiger
Qualität durchgesetzt. Manchmal wird zudem die Brennstoffaufbereitung zum
Exklusivlieferanten ausgelagert. Dem Exklusivlieferanten fällt dann auch noch eine
Teilverantwortung für den störungsfreien Anlagenbetrieb zu, da schlecht aufbereiteter
Brennstoff zu gravierenden Betriebsbeeinträchtigungen führen kann. Neben mangelhaften
Kenntnissen der Auswirkungen schlechter Brennstoffqualität auf den Kraftwerksbetrieb fehlt
es meist auch an der nötigen Motivation auf Seiten des Brennstofflieferanten.
Der Erfolg des Kraftwerksbetriebs und der Erfolg des Brennstoffmanagements sind leider
nicht deckungsgleich. Die Strategie der Abtrennung der Brennstoffbeschaffung vom
Kraftwerk, die sich an der Auffassung orientiert, einerseits dadurch den Betreiber zu
entlasten und andererseits nur so eine dauerhafte Brennstoffversorgung vertraglich
absichern zu können, steht und fällt mit dem Verhältnis der beiden Vertragspartner
untereinander. Stoff für Kontroversen gibt es jedenfalls genug. Die Alternative ist die
Organisation des Holzeinkaufs direkt vom Kraftwerk. Der Kraftwerksbetreiber ist dann nicht
mehr von einem einzelnen Lieferanten abhängig und kann auf eine grössere Anzahl von
Brennstofflieferanten zurückgegriffen. Er hat zudem die Möglichkeit, den Markt spielen zu
lassen und Marktopportunitäten auszunutzen. Bei Anlieferungen von schlechter
Brennstoffqualität kann der Kraftwerksbetreiber durchaus auch die Annahme verweigern,
und er hat die Möglichkeit ggf. einzelne Lieferanten mit temporären Anlieferungsverboten zu
massregeln. Die Brennstoffbeschaffung in Eigenregie stellt sich dann oftmals als die bessere
Lösung heraus.
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