Holzbrennstoffe - Axpo-Holz
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<strong><strong>Holz</strong>brennstoffe</strong><br />
In <strong>Holz</strong>kraftwerken werden im Grunde drei Arten von <strong><strong>Holz</strong>brennstoffe</strong>n eingesetzt: Waldholz,<br />
Restholz aus der holzverarbeitenden Industrie und Altholz. Diese drei <strong>Holz</strong>kategorien<br />
unterscheiden sich deutlich in den brennstofftechnischen Eigenschaften sowie im Preis. Im<br />
Vergleich zu fossilen Regelbrennstoffen wie Kohle oder Erdgas ist <strong>Holz</strong> ein schwieriger<br />
Brennstoff, der einige entscheidende Nachteile aufweist. Neben der geringen Energiedichte,<br />
die den Umschlag von grosse Brennstoffmengen erforderlich macht, sind dies vor allem der<br />
oft hohe Wassergehalt, niedrig schmelzende Aschen und der relativ hohe Chlorgehalt. Die<br />
beiden letztgenannten Faktoren verschlechtern die verbrennungstechnischen Eigenschaften<br />
und verursachen Verschmutzungen und Korrosionen von Feuerraum und Kesselheizflächen.<br />
Insbesondere Altholz hat eine heterogene und häufig variierende Zusammensetzung sowohl<br />
bezüglich chemischer Inhaltsstoffe als auch hinsichtlich Stückigkeit und holzfremder<br />
Bestandteile. Von den drei <strong>Holz</strong>kategorien sind Wald- und Industrierestholz die qualitativ<br />
besseren Brennstoffe, die einfacher und mit weniger Beeinträchtigungen zu verfeuern sind.<br />
Jedoch sind die Brennstoffkosten für diese <strong>Holz</strong>sortimente hoch. Altholz hat den geringsten<br />
Preis, dessen Einsatz als Brennstoff macht aber eine aufwendigere Anlagentechnik<br />
erforderlich, um stark schwankende und schlechte Brennstoffqualitäten zu beherrschen.<br />
Der <strong>Holz</strong>verbrauch der neu entstandenen <strong>Holz</strong>kraftwerke lässt bei vielen Menschen die<br />
Sorge um die Wälder aufkommen. Dem Spaziergänger überkommt ein Unbehagen, wenn er<br />
sieht, wie ein Baum, der in einem Jahrhundert gewachsen ist, in Minuten gefällt wird und mit<br />
einem Krach zu Boden stürzt. Die <strong>Holz</strong>nutzung in grossem Stil ist seit Jahrhunderten von der<br />
Angst vor <strong>Holz</strong>verknappung begleitet. Die Auseinandersetzung um die Nutzung der Wälder<br />
ist seit dem 16. Jahrhundert, als zum ersten Mal <strong>Holz</strong>verknappung auftrat, über die Zeit um<br />
1800, als ein Höhepunkt der Klagen über <strong>Holz</strong>mangel erreicht wurde, bis hinein in die<br />
Gegenwart eine Konstante in der Geschichte der Menschheit. Infolge der wachsenden<br />
Nachfrage nach dem Energieträger <strong>Holz</strong> wird vor einer neuen, totalen Ausplünderung und<br />
Nährstoffverarmung der Waldgebiete gewarnt. Als Kohle- und Kernkraftgegner fordert man<br />
die Umstellung auf nachwachsende Rohstoffe; als Waldfreund dagegen hätte man am<br />
Dr.-Ing. Markus Franz | <strong><strong>Holz</strong>brennstoffe</strong> 1
Waldholz<br />
liebsten einen "natürlichen" Wald. Aber anstatt den vom Menschen unberührten Wald als<br />
Ideal zu erheben, kann und sollte man doch nur ein solches Ökosystem Wald als Norm<br />
setzen, das den Menschen einbezieht. Auch ein forstwirtschaftlich genutzter Wald erfüllt<br />
ökologische Funktionen und kann vielfältig und artenreich sein. Seine klimawirksame<br />
Bedeutung ist darüber hinaus höher einzustufen als die eines natürlichen Waldes. Denn in<br />
einem Urwald halten sich Zuwachs und Absterben die Waage - das Fassungsvermögen für<br />
Kohlenstoff ist ausgeschöpft. Anders sieht es in einem forstwirtschaftlich genutzten Wald<br />
aus, dem auf nachhaltige Weise jährlich <strong>Holz</strong> entnommen wird. Er hat im Vergleich zu<br />
Urwäldern eine höhere Speicherkapazität für Kohlenstoff. Wird der Wald genutzt, wachsen<br />
neue Bäume nach, die wiederum Kohlenstoff binden können. Im Moment der Ernte verlässt<br />
das <strong>Holz</strong> das biologische System und findet Eingang in die <strong>Holz</strong>industrie. Dort hört die CO2-<br />
Speicherwirkung des <strong>Holz</strong>es nicht auf, sondern wird in den <strong>Holz</strong>produkten weitergeführt. Und<br />
wenn diese schliesslich am Ende ihrer Nutzung zur Produktion von Elektrizität und Wärme<br />
verbrannt werden, kann dadurch fossiler Brennstoff mit einem hohen CO2- Ausstoss ersetzt<br />
werden. Dieser Umstand wird in der Diskussion um die CO2-Bilanz von Wäldern und<br />
<strong>Holz</strong>kraftwerken oft ausgeblendet. Erst in der Verbindung von Waldwirtschaft, <strong>Holz</strong>industrie<br />
und Energiegewinnung aus hölzernen Reststoffen und Abfallprodukten wird das<br />
klimarelevante Potenzial der Wälder voll ausgenutzt. Nutzwälder schneiden damit bezüglich<br />
Klimaschutz besser ab als Naturwälder.<br />
1 Waldholz<br />
Das Hauptziel der Forstwirtschaft ist die Produktion von möglichst hochwertigem Stammholz.<br />
Um das <strong>Holz</strong>wachstum zu beschleunigen und auf qualitativ hochwertige Bäume zu<br />
konzentrieren, werden in bestimmten Zeitabständen, meist in Zyklen von 10 Jahren,<br />
konkurrierende, schlecht gewachsene und kranke Bäume entfernt. Solche<br />
Durchforstungsmassnahmen sind für die Erzielung eines einwandfreien Baumbestandes<br />
absolut notwendig, damit dieser nach mehreren Jahrzehnten als hochwertiges Stammholz<br />
verkauft werden kann. Bei Durchforstungen fällt in grossem Umfang sogenanntes<br />
Schwachholz in Form von kleinen Stämmen von 7 bis 25 cm Durchmesser an. Die besseren<br />
Qualitäten finden Absatz als Industrieholz in der Papier- und <strong>Holz</strong>werkstoffindustrie, die<br />
übrige Schwachholzernte wird als Energieholz vermarktet. Dieses wird oftmals bereits direkt<br />
an der Waldstrasse vollständig gehackt und als Hackschnitzel dem <strong>Holz</strong>kraftwerk angeliefert.<br />
Als Schlagabraum wird das bei der Stammholzernte oder bei Durchforstungen im Wald<br />
verbleibende <strong>Holz</strong> bezeichnet. Dazu gehören primär das Kronenderbholz (Kronenmaterial<br />
mit Astdurchmessern zwischen ca. 7 und 14 cm) und das Reisholz (kleinere Äste mit einem<br />
Durchmesser von weniger als 7 cm). Bei der Stammholzernte fallen zwischen 15% (Fichte)<br />
und rund 20% (Eiche) der eingeschlagenen <strong>Holz</strong>menge als nicht aufgearbeitetes<br />
Kronenderbholz und Reisholz an. Anstatt diese forstwirtschaftlichen Reststoffe im Wald<br />
liegen zu lassen, können sie ebenfalls als Energieholz genutzt werden.<br />
Dr.-Ing. Markus Franz | <strong><strong>Holz</strong>brennstoffe</strong> 2
Waldholz<br />
Abbildung 1 Schwachholz aus Durchforstungen zur energetischen Nutzung<br />
Der <strong>Holz</strong>ertrag eines Waldes orientiert sich am jeweiligen <strong>Holz</strong>zuwachs. Dieser Zuwachs<br />
wird massgeblich durch die Baumartenzusammensetzung und die Altersstruktur des<br />
Baumbestandes bestimmt. Daneben wird der Zuwachs auch vom Klima und den<br />
Bodeneigenschaften beeinflusst. In der Schweiz werden jährlich ca. 5 Mio. m 3 <strong>Holz</strong> geerntet.<br />
Bei einer produktiven Waldfläche von rund 1 Mio. Hektar ergibt das eine jährliche<br />
<strong>Holz</strong>nutzung von 5 m 3 pro Hektar. Stellt man der <strong>Holz</strong>ernte den jährlichen <strong>Holz</strong>zuwachs in<br />
Höhe von 8.7 m 3 pro Hektar und Jahr gegenüber, wird deutlich, dass derzeit in der Schweiz<br />
mehr <strong>Holz</strong> nachwächst als geerntet wird. Die Zunahme des <strong>Holz</strong>volumens setzt sich<br />
zusammen aus 5.8 m 3 Nadelholz und 2.9 m 3 Laubholz und entspricht einem<br />
Massenzuwachs von ca. 4.5 Tonnen pro Hektar und Jahr. Für die Umrechnung wurden<br />
Rohdichten von 430 kg/m 3 für Nadelholz und von 680 kg/m 3 für Laubholz verwendet.<br />
Dieser für den Schweizer Wald ermittelte <strong>Holz</strong>zuwachs ist eher gering, wenn man ihn mit<br />
den Zuwachswerten vergleicht, die in Deutschland gemessen wurden. Abbildung 2 zeigt den<br />
durchschnittlichen jährlichen Zuwachs verschiedener Baumarten, der aus dem Vergleich der<br />
Ergebnisse der deutschen Bundeswaldinventur von 1987 und 2002 für das Gebiet der alten<br />
Bundesländer errechnet wurde. Demnach variieren die durchschnittlichen Gesamtzuwächse<br />
je nach Baumart zwischen minimal bei 4.6 Tonnen pro Hektar bei Kiefern und maximal 8.5<br />
Tonnen pro Hektar bei Buchen. Im Schnitt lag der jährliche Zuwachs über alle Baumarten bei<br />
12.6 m 3 pro Hektar. Bei einer mittleren Raumdichte von 520 kg/m 3 (64% Nadelbäume und<br />
36% Laubbäume) errechnet sich ein mittlerer Massenzuwachs von 6.55 Tonnen pro Hektar.<br />
Dr.-Ing. Markus Franz | <strong><strong>Holz</strong>brennstoffe</strong> 3
Waldholz<br />
In Abbildung 2 wurde dem <strong>Holz</strong>zuwachs der verschiedenen Baumarten zudem das<br />
Ertragspotenzial von Chinaschilf (Miscanthus) gegenüber gestellt. Je nach<br />
Standortbedingungen können von diesem typischen Vertreter einer schnellwachsenden<br />
Energiepflanze ab dem dritten Bestandsjahr zwischen 10 und 30 Tonnen Trockenmasse je<br />
Hektar und Jahr geerntet werden.<br />
Kiefer<br />
Eiche<br />
Fichte<br />
Weiden/Pappeln<br />
Buche<br />
Chinaschilf<br />
4.6<br />
Abbildung 2 Durchschnittlicher jährlicher Zuwachs an Derbholz (oberirdische Biomasse mit<br />
einem Durchmesser über 7 cm inkl. Rinde) von verschiedenen Baumarten. Angaben jeweils in<br />
Tonnen <strong>Holz</strong>trockenmasse pro Hektar und Jahr.<br />
Wenn man basierend auf den vorgestellten Daten davon ausgeht, dass in Nordeuropa<br />
nachhaltig 6 Tonnen trockene hölzerne Biomasse pro Hektar produziert werden können,<br />
errechnet sich ausgehend von einem Heizwert von 18.5 MJ/kg ein jährlicher<br />
flächenspezifischer Energieertrag in Höhe von 3.1 kWh/m 2 . Bei Anbau von Chinaschilf,<br />
dessen Heizwert der Trockensubstanz 17.6 MJ/kg beträgt, könnte der Energieertrag auf 9.8<br />
kWh/m 2 gesteigert werden. Die Leistungsdichte der pro Fläche zu erntenden Biomasse ist<br />
dann 0.35 W/m 2 bei <strong>Holz</strong> und 1.1 W/m 2 bei Chinaschilf. Wird die Biomasse in einem<br />
Kraftwerk mit einem Wirkungsgrad von 40% zur Stromerzeugung eingesetzt, reduziert sich<br />
die Leistungsdichte auf 0.14 bzw. 0.44 W/m 2 .<br />
Bei einem für Mitteleuropa typischen jährlichen Lichteinfall von ca. 1000 kWh pro m 2<br />
Bodenfläche wird deutlich, dass mit dem Anbau von Biomasse im Falle von Waldholz nur ca.<br />
0.3 Prozent des eingestrahlten Lichtes in nutzbare Energie umgewandelt wird. Im Falle des<br />
ertragreichen Chinaschilfs sind es gerade einmal 1 Prozent.<br />
5.9<br />
7.2<br />
8<br />
8.5<br />
20<br />
Dr.-Ing. Markus Franz | <strong><strong>Holz</strong>brennstoffe</strong> 4
Industrierestholz<br />
2 Industrierestholz<br />
Das qualitativ hochwertige Rundholz wird in Sägewerken zu Brettern und Balken<br />
weiterverarbeitet. Die durchschnittliche Nutzholzausbeute der Sägewerken liegt bei rund 65<br />
bis 70%. Die verbleibenden Reste sind das sogenannte Industrierestholz. Den grössten<br />
Anteil haben die in Abbildung 3 gezeigten Schwarten und Spreissel. Daneben entstehen<br />
beim Einschneiden des Rundholzes auch grössere Mengen an Sägemehl. Weitere<br />
Restholzsortimente sind Kappstücke und andere Verschnittreste. Die grösseren Sägewerke<br />
besitzen zudem Entrindungsmaschinen. Im Mittel bestehen etwa 5 bis 10% der Masse eines<br />
Baumes aus Rinde, die im Falle der Werksentrindung im Sägewerk anfallen. Während Rinde<br />
für die stoffliche Verwertung unbrauchbar ist, eignet sie sich grundsätzlich für die<br />
energetische Nutzung. In der Praxis hat Rinde jedoch zumeist einen recht hohen<br />
Wassergehalt und enthält zudem Verschmutzungen mit Erde, was ihre Eignung als<br />
Brennstoff beeinträchtigt.<br />
Industrierestholz ist ein begehrter Rohstoff für die <strong>Holz</strong>werkstoffindustrie sowie die Zellstoff-<br />
und Papierindustrie. Neue Mitbewerber um Industrierestholz sind die Produzenten von<br />
<strong>Holz</strong>pellets, die vor allem einen Bedarf an Sägespäne und Sägemehl haben, sowie die<br />
<strong>Holz</strong>kraftwerke, die ihren Brennstoffbedarf mit Industrierestholz decken wollen.<br />
Abbildung 3 Schwarten und Spreissel<br />
Dr.-Ing. Markus Franz | <strong><strong>Holz</strong>brennstoffe</strong> 5
Altholz<br />
3 Altholz<br />
Am Ende ihrer Nutzung werden <strong>Holz</strong>produkte zu Altholz. Das weitaus grösste<br />
Altholzaufkommen gibt es im Bausektor und dort vor allem bei Gebäudeabbrüchen. Auch in<br />
Siedlungsabfällen, insbesondere im Sperr- und Gewerbemüll, ist ein hoher Anteil an Altholz<br />
enthalten. Zur Gewinnung dieser Altholzfraktionen, die teilweise stark mit Schadstoffen<br />
belastet sind, ist jedoch ein hoher Sortieraufwand erforderlich. Am begehrtesten sind daher<br />
die Althölzer aus Verpackungsabfällen, insbesondere Paletten und Kisten, die meist aus<br />
naturbelassenem <strong>Holz</strong> gefertigt und daher unproblematisch für die energetische oder<br />
stoffliche Verwertung verwendbar sind. Um das zur Verfügung stehende Altholz herrscht ein<br />
intensiver Wettbewerb zwischen der <strong>Holz</strong>werkstoffindustrie und den Betreibern von<br />
<strong>Holz</strong>kraftwerken, denn neben der energetischen Verwertung kann Altholz auch stofflich zu<br />
Span- und Faserplatten für die Bau- und Möbelbranche verarbeitet werden.<br />
Abbildung 4 Altholzflüsse in der Schweiz im Jahr 2009<br />
Die Verwertungswege der 640'000 Tonnen Altholz, die jährlich in der Schweiz anfallen, sind<br />
in Abbildung 4 illustriert. 180'000 Tonnen werden im Inland verwertet, wobei ca. 140'000<br />
Tonnen in <strong>Holz</strong>kraftwerken verfeuert werden (siehe Tabelle 1), der verbleibende Rest wird in<br />
Kehrichtverbrennungsanlagen und in Zementwerken entsorgt. 437'000 Tonnen Altholz<br />
werden exportiert. Ein erheblicher Teil der 310'000 Tonnen an stofflich verwertbarem Altholz<br />
wird in der norditalienischen Spanplattenindustrie eingesetzt. 90 Prozent der 116'000 Tonnen<br />
Althölzer, die gemäss den schweizerischen Bestimmungen für ein stoffliches Recycling nicht<br />
zugelassen sind, werden in deutschen Altholzkraftwerken verbrannt. 11'000 Tonnen werden<br />
mit der Deklaration "problematische <strong>Holz</strong>abfälle" exportiert, davon die Hälfte ebenfalls nach<br />
Deutschland.<br />
Dr.-Ing. Markus Franz | <strong><strong>Holz</strong>brennstoffe</strong> 6
Altholz<br />
Tabelle 1 Altholz-Verwertungskapazitäten der schweizerischen <strong>Holz</strong>kraftwerke<br />
Kraftwerksstandort Jährlicher Altholzeinsatz<br />
in Tonnen<br />
Anteil Altholz am<br />
Brennstoffeinsatz<br />
Domat/Ems 46'000 20 %<br />
Otelfingen 26'000 100 %<br />
Weiningen 24'000 100 %<br />
Kleindöttingen 22'000 100 %<br />
Niedergösgen 15'000 30 %<br />
Basel 10'000 26 %<br />
Altholz wird in mehrere Qualitätsklassen eingeteilt. Die Grundlage dafür wurde in<br />
Deutschland mit der seit dem 1. März 2003 geltenden Altholzverordnung geschaffen, in der<br />
der Begriff Altholz definiert und die Anforderungen an die Verwertung und Beseitigung von<br />
Altholz festgelegt werden. In der deutschen Altholzverordnung wird das Altholz in fünf<br />
Qualitätsstufen eingeteilt, wobei die Zuordnung nach Herkunft und Anwendung erfolgt. Die<br />
einzelnen Altholzklassen sind in Tabelle 2 spezifiziert. Die Altholzverordnung unterscheidet<br />
ferner Verwertung und Beseitigung, wobei PCB-Altholz vom Recycling ausgenommen und<br />
somit beseitigt werden muss. In der Verordnung werden auch die Anforderungen an die<br />
energetischen Verwertungsverfahren festgelegt. Welche Altholzkategorien in einem<br />
Altholzkraftwerk eingesetzt werden können, ist u.a. abhängig von den Genehmigungen. So<br />
dürfen in Anlagen, die der 4. BImSchV unterliegen, ausschliesslich die Kategorien A I und A<br />
II eingesetzt werden. Anlagen in denen Altholz der Kategorien A III und A IV verbrannt wird,<br />
müssen die Emissionsgrenzwerte der 17. BImSchV einhalten. Des Weiteren bestehen zum<br />
Teil für einzelne Kraftwerke zusätzliche Auflagen hinsichtlich des maximal zulässigen A IV-<br />
Anteils, der sich im Bereich von 5 – 25% bewegt.<br />
In der Regel wird den Altholzkraftwerken eine Mischung aus verschiedenen<br />
Altholzkategorien angeliefert. In vielen Fällen ist eine Aufschlüsselung der Einzelfraktionen<br />
überhaupt nicht möglich, da ausschliesslich pauschal mit der höchsten Kategorie deklarierter<br />
Brennstoff als sogenannte Mischfraktion bezogen wird. Die Anwendung einer Mischregel ist<br />
in diesem Fall nicht zulässig, d.h. die 17. BImSchV muss eingehalten werden, auch wenn nur<br />
ein geringer Anteil an Altholz der Kategorien A III oder A IV mitverbrannt wird.<br />
Dr.-Ing. Markus Franz | <strong><strong>Holz</strong>brennstoffe</strong> 7
Altholz<br />
Abbildung 5 Altholz der Kategorie A II<br />
Die deutsche Altholzverordnung wurde in der Schweiz nicht umgesetzt, demzufolge werden<br />
in der Schweiz die Althölzer nach anderen Anforderungen klassifiziert. Dies ist insofern<br />
bedauerlich, weil sich die deutschen Regelungen mit der Klassifizierung, Aufbereitung und<br />
Verwertung von Altholz auf dem europäischen Altholzmarkt etabliert haben, und daher die<br />
deutsche Altholzverordnung inzwischen eine Art Pilotfunktion in Europa hat. Während das<br />
deutsche System eine Zuordnung zu den einzelnen Altholzklassen mittels vereinfachter<br />
Prüfverfahren ermöglicht, die von den Verwertungsbetrieben in Eigenverantwortung und mit<br />
Eigenüberwachung selbst vorgenommen werden können, ist dies im schweizerischen<br />
System nicht möglich. Die Klassifizierung wird anhand von Schadstoffgehalten<br />
vorgenommen, was zur Folge hat, dass zur Qualitätskontrolle und Klasseneinteilung eine<br />
aufwendige Probenahme mit anschliessender Laboranalyse erforderlich ist, um die<br />
Einhaltung der Richtwerte sicherzustellen.<br />
In der Schweiz wird die Zulässigkeit der stofflichen und energetischen Verwertung von<br />
Altholz in der "Vollzugshilfe <strong>Holz</strong>abfälle" geregelt, die in der Version vom März 2007 vorliegt<br />
und sich nach wie vor im Entwurfsstadium befindet. In der Vollzugshilfe werden für 11<br />
verschiedene chemische Elemente Grenzwerte vorgegeben, anhand der die Althölzer in drei<br />
Klassen eingeteilt werden. Die Grenzwerte sind in Tabelle 3 aufgelistet. Altholz, dessen<br />
Schadstoffgehalt unterhalb der Richtwerte der Spalte 1 der Tabelle liegt, gilt als<br />
Dr.-Ing. Markus Franz | <strong><strong>Holz</strong>brennstoffe</strong> 8
Altholz<br />
naturbelassenes Restholz und kann für die Produktion von <strong>Holz</strong>werkstoffen (Spanplatten)<br />
verwendet werden. Wenn nur einer der Richtwerte gemäss Spalte 1 überschritten wird, ist<br />
eine stoffliche Verwertung nicht mehr zulässig. Liegt der Schadstoffgehalt noch unterhalb der<br />
Richtwerte der Spalte 2, ist das Altholz zur thermischen Nutzung in einer Altholzfeuerung<br />
zugelassen. Wenn jedoch einer der Schadstoffrichtwerte gemäss Spalte 2 überschritten wird,<br />
ist eine Einstufung als problematische <strong>Holz</strong>abfälle erforderlich, was zur Folge hat, dass<br />
dieses <strong>Holz</strong> dann nicht mehr in Altholzfeuerungen eingesetzt werden darf, sondern<br />
stattdessen in einer Kehrichtverbrennungsanlage oder in einem Zementwerk entsorgt<br />
werden muss.<br />
Tabelle 2 Altholzkategorien nach deutscher Altholzverordnung<br />
A I Naturbelassenes oder lediglich mechanisch bearbeitetes<br />
Altholz, das bei seiner Verwendung nicht mehr als unerheblich<br />
mit holzfremden Stoffen verunreinigt wurde.<br />
A II Verleimtes, gestrichenes, beschichtetes, lackiertes oder<br />
anderweitig behandeltes Altholz ohne halogenorganische<br />
Verbindungen in der Beschichtung und ohne <strong>Holz</strong>schutzmittel.<br />
A III Altholz mit halogenorganischen Verbindungen in der<br />
Beschichtung ohne <strong>Holz</strong>schutzmittel.<br />
A IV Mit <strong>Holz</strong>schutzmitteln behandeltes Altholz, wie Bahnschwellen,<br />
Leitungsmasten, Hopfenstangen, Rebpfähle sowie sonstiges<br />
Altholz, das aufgrund seiner Schadstoffbelastung nicht den<br />
Altholzkategorien A I, A II oder A III zugeordnet werden kann,<br />
ausgenommen PCB-Altholz.<br />
PCB-Altholz Altholz, das mit Mitteln behandelt wurde, die polychlorierte<br />
Biphenyle enthalten. Altholz mit einem PCB-Gehalt grösser 5<br />
ppm gilt als PCB-Altholz.<br />
Die Art der Probenahme sowie die Messmethodik können bei der Analyse der<br />
Schadstoffgehalte zu grossen Differenzen bei den Untersuchungsergebnissen führen. Dabei<br />
werden die Analysenresultate bei geschredderten Fraktionen entscheidend durch die<br />
Feinanteile beeinflusst, da sich Schadstoffe vor allem in Stäuben anreichern. Probenahmen<br />
an gebrochenem Material, bei denen die Feinanteile nicht berücksichtigt werden, sind daher<br />
kaum repräsentativ. Letztlich hat der Probenehmer durch seine Art der Probenahme den<br />
grössten Einfluss auf das Analysenergebnis, indem er beispielsweise bewusst oder<br />
unbewusst eher saubere oder verschmutzte bzw. beschichtete Einzelstücke auswählt, so<br />
dass deren Zusammensetzung in der Probe nicht repräsentativ ist.<br />
Dr.-Ing. Markus Franz | <strong><strong>Holz</strong>brennstoffe</strong> 9
Altholz<br />
Abbildung 6 Beispiel für Altholz der Kategorie A IV<br />
Um den Einfluss des Probennehmers auf die Wahl der Probe einzuschränken, wird in der<br />
Vollzugshilfe <strong>Holz</strong>abfälle die folgende Probenahmemethode beschrieben: Mit einem<br />
Radlader sollen aus einem Haufwerk 100 m 3 Material entnommen und mit einer Höhe von<br />
zwei Metern ausgebreitet werden. Dann werden mit einem Greiferbagger an fünf Stellen bis<br />
zu einem Meter Tiefe und nochmals bis auf zwei Metern Tiefe jeweils ein Kubikmeter<br />
Material entnommen. Diese beiden jeweils fünf Kubikmeter umfassenden Haufen werden mit<br />
dem Greifer gemischt und zu zwei Mieten von rund 15 Metern Länge und einem Meter Breite<br />
verteilt. Die eigentliche Probenahme erfolgt dann von einem Probenehmer, der von beiden<br />
Mieten mittels einer Schaufel an fünf verschiedenen Stellen eine Probemenge von<br />
mindestens einem halben Kubikmeter entnimmt. Dieses Vorgehen hat sich jedoch als<br />
impraktikabel erweisen, weil der Aufwand dafür viel zu gross ist. In der Praxis entnimmt der<br />
Probenehmer entweder die <strong>Holz</strong>proben direkt aus einem Haufen oder aus einem<br />
Förderorgan ohne die aufwendige Prozedur mit Radlader und Greiferbagger. Dabei wird in<br />
Kauf genommen, dass diese Art der Probenahme zu einer fehlerhaften Gewichtung der<br />
vorhandenen <strong>Holz</strong>fraktionen führen kann.<br />
Dr.-Ing. Markus Franz | <strong><strong>Holz</strong>brennstoffe</strong> 10
Altholz<br />
Tabelle 3 Altholzkategorien nach schweizerischer Vollzugshilfe <strong>Holz</strong>abfälle<br />
Parameter Spalte 1<br />
Richtwerte für die<br />
stoffliche Verwertung<br />
[mg/kg TS]<br />
Spalte 2<br />
Richtwerte für die<br />
energetische Verwertung<br />
[mg/kg TS]<br />
Arsen 2 5<br />
Blei 30 500<br />
Cadmium 2 5<br />
Chrom 30 1<br />
Kupfer 20 100<br />
Quecksilber 0.4 1<br />
Chlor 600 5000<br />
Fluor 100 200<br />
Zink 400 1000<br />
PCP 3 5<br />
PCB 3 5<br />
PAK kein Wert, Gehalt muss<br />
jedoch gemessen werden<br />
4 Chemische Zusammensetzung<br />
4.1 Hauptelemente<br />
kein Wert, Gehalt muss<br />
jedoch gemessen werden<br />
<strong>Holz</strong> besteht zu 45% aus Cellulose, zu 20% aus Hemicellulose und zu 30% aus Lignin. Alle<br />
diese Substanzen sind aus den chemischen Elementen Kohlenstoff, Wasserstoff und<br />
Sauerstoff aufgebaut. Die Restbestandteile sind Harze und Wachse, die zusammen etwa<br />
4.5% der <strong>Holz</strong>masse ausmachen. 0.5 bis maximal 1% der <strong>Holz</strong>masse sind mineralische<br />
Bestandteile (Salze), welche bei der Verbrennung als Asche verbleiben. Verglichen mit<br />
anderen Biomassebrennstoffen haben <strong><strong>Holz</strong>brennstoffe</strong> mit 47 bis 50% der Trockenmasse<br />
den höchsten Kohlenstoffgehalt, während die Mehrzahl der nichtholzigen Brennstoffe meist<br />
einen Kohlenstoffgehalt von rund 45% aufweisen. Der Sauerstoffgehalt liegt zwischen 40<br />
und 45% und der Wasserstoffgehalt bei rund 6%. Daraus errechnet sich eine chemische<br />
Summenformel von C10H14O7. Abweichungen davon weist Rinde auf, die in der Regel reicher<br />
an Kohlenstoff ist und dadurch auch einen etwas höheren atro-Heizwert hat (bis 19.5 MJ/kg).<br />
Dr.-Ing. Markus Franz | <strong><strong>Holz</strong>brennstoffe</strong> 11
Chemische Zusammensetzung<br />
Auch der Gehalt an Stickstoff und Schwefel sowie aschebildenden Mineralstoffen ist bei<br />
Rinde höher als beim <strong>Holz</strong>.<br />
Tabelle 4 Elementarzusammensetzung von Biomassen<br />
Fichtenholz (ohne<br />
Rinde)<br />
Buchenholz (ohne<br />
Rinde)<br />
C H O N S Cl Asche<br />
in % der Trockensubstanz in mg/kg TS %<br />
50.3 6.2 43.1 0.2 50 < 30 0.4<br />
49.0 6.1 44.3 0.3 70 50 0.5<br />
Fichtenrinde 52.6 6.0 39.0 0.6 630 90 1.8<br />
Buchenrinde 50.1 5.8 40.9 0.5 790 160 2.6<br />
Altholz Kleindöttingen 47.1 6.0 43.3 1.1 < 3000 866 4-6<br />
Weizenstroh 45.6 5.8 42.4 0.48 820 1900 5.7<br />
Roggenstroh 46.6 6.0 42.1 0.55 850 4000 4.8<br />
Rapspresskuchen 51.5 7.38 30.1 4.97 5500 190 6.2<br />
Zum Vergleich:<br />
Steinkohle 72.5 5.6 11.1 1.3 9400 < 1000 8.3<br />
Braunkohle 65.9 4.9 23.0 0.7 3900 < 1000 5.1<br />
4.2 Stickstoff und Schwefel<br />
Die beiden Elemente Stickstoff und Schwefel sind im naturbelassenen <strong>Holz</strong> nur in niedriger<br />
Konzentration enthalten. Der Stickstoffgehalt liegt zwischen 0.2 und 0.5% und der<br />
Schwefelgehalt zwischen 100 und 400 mg/kg. Bei Rinde sind Schwefelgehalte zwischen 400<br />
und 800 mg/kg möglich. Gegenüber <strong>Holz</strong> haben eiweissreiche Pflanzen aufgrund der<br />
vorhandenen Proteine einen rund 10-fach höheren Stickstoff- und Schwefelgehalt.<br />
Beispielsweise hat ein aus entölter Rapssaat gewonnener Rapspresskuchen einen<br />
Stickstoffgehalt von 5% und einen Schwefelgehalt von 5'500 mg/kg.<br />
Auch im Altholz können stickstoffhaltige <strong>Holz</strong>produkte enthalten sein. Besonders hohe<br />
Stickstoffgehalte weisen insbesondere Span- und Faserplatten auf. Für deren Herstellung<br />
wird Abfallholz in Grosszerspanern zu Spänen zerkleinert, die anschliessend auf 3-5%<br />
<strong>Holz</strong>feuchte getrocknet und sortiert werden. Die Späne werden anschliessend mit<br />
stickstoffhaltigen Kunstharzen wie Harnstoff, Melamin oder Phenolharzen eingesprüht und in<br />
Dr.-Ing. Markus Franz | <strong><strong>Holz</strong>brennstoffe</strong> 12
Chemische Zusammensetzung<br />
beheizten Pressen zu Platten verdichtet. Der Kunstharzklebstoff härtet bei rund 180°C aus.<br />
Häufig wird auch noch ein stickstoffhaltiger Härtungsbeschleuniger, z.B. Ammoniumchlorid,<br />
hinzugegeben. Der Kleberanteil in Spanplatten beträgt bis zu 8%. Oft werden die<br />
Spanplatten beschichtet. Die Dekorschicht besteht aus einem melaminharzgebundenen<br />
Dekorpapier, über das zum Schutz eine Melaminharz-Overlayschicht gelegt wird.<br />
Kunststoffbeschichtete <strong>Holz</strong>faserplatten können dadurch einen Stickstoffgehalt zwischen 3<br />
und 5% aufweisen.<br />
Abbildung 7 Zerkleinerte Spanplatten mit hohem Stickstoffgehalt zur Verbrennung in einem<br />
<strong>Holz</strong>kraftwerk<br />
Schwefelhaltige Altholzbestandteile haben eine geringere Bedeutung. Der Schwefelgehalt<br />
kann z.B. erhöht sein, wenn bei einem mit Leimharzen gebundenen <strong>Holz</strong>werkstoffen anstatt<br />
Ammoniumchlorid der Härtungsbeschleuniger Ammoniumsulfat verwendet wurde. Derart<br />
gehärtete Materialien können 800 bis 1000 mg/kg Schwefel enthalten.<br />
4.3 Chlor<br />
Naturbelassene <strong><strong>Holz</strong>brennstoffe</strong> zeigen mit ca. 0.005 bis 0.02% (50 bis 200 mg/kg) sehr<br />
niedrige Chlorgehalte. Hingegen hat Getreidestroh mit Anteilen von ca. 0.2 bis 0.4% vielfach<br />
höhere Chlorgehalte, die auf die Düngung der Getreidefelder zurückzuführen sind. Denn in<br />
Dr.-Ing. Markus Franz | <strong><strong>Holz</strong>brennstoffe</strong> 13
Chemische Zusammensetzung<br />
Düngemitteln können chlorhaltige Verbindungen enthalten sein, z.B. Kaliumchlorid, die von<br />
den Getreidepflanzen aufgenommen werden.<br />
Auch Altholz kann wegen der unterschiedlichen Behandlungen des <strong>Holz</strong>es sehr hohe<br />
Chlorgehalte bis 0.5% aufweisen. Viele gebräuchliche <strong>Holz</strong>werkstoffe werden mit Folien,<br />
Laminaten oder <strong>Holz</strong>furnieren, die aus PVC gefertigt sind, beschichtet. Der hohe Chlorgehalt<br />
des PVC's in Höhe von 57% führt dazu, dass PVC-beschichtete Hölzer einen<br />
Gesamtchlorgehalt bis 2% aufweisen können. Ein Chloreintrag war früher auch durch<br />
Bindemittel möglich, die mit dem chlorhaltigen Härtungsbeschleunigern Ammoniumchlorid<br />
versetzt waren. Zu Beginn der 90er Jahre wurde jedoch die Produktion der <strong>Holz</strong>werkstoffe<br />
auf chloridfreie Härtersysteme umgestellt. Chlor wurde vielfach auch durch <strong>Holz</strong>schutzmittel,<br />
die die chlororganischen Wirkstoffe Pentachlorphenol (PCP), Lindan und DDT enthielten, in<br />
das <strong>Holz</strong> eingetragen. Insbesondere zwischen etwa 1950 und 1980 wurden diese<br />
mittlerweile verbotenen Substanzen in diversen <strong>Holz</strong>schutzmittel-Produkten auf den Markt<br />
gebracht.<br />
4.4 Schwermetalle<br />
Bedingt durch die sehr unterschiedliche Nutzungsgeschichte kann Altholz vielfältig mit<br />
Schwermetallen belastet sein. Besonders die Schwermetalle Blei und Zink sind in hohen<br />
Konzentrationen zu finden. Vor allem in Anstrichfarben wurden früher häufig Blei- und<br />
Zinksalze als Weisspigmente eingesetzt. Als weisse Anstrichfarbe wurde Bleiweiss sehr<br />
geschätzt, das Bleicarbonat enthält. Insbesondere alte Fensterrahmen, denen neben dem<br />
bleihaltigen Weissanstrich auch noch Reste von Bleikitt anhaften, mit dem die Glasscheiben<br />
fixiert wurden, weisen recht hohe Bleigehalte auf. Bei der Verbrennung entstehen Blei- und<br />
Zinkchloride, die bei hohen Temperaturen flüchtig sind und daher mit den Rauchgasen aus<br />
dem Feuerraum ausgetragen werden, aber auf den kühleren Verdampferrohren wieder<br />
kondensieren und dort Korrosionsprozesse in Gang setzen.<br />
Auch viele wässrige <strong>Holz</strong>schutzmittel sind bedeutende Quellen von Schwermetallen im<br />
Altholz. Um das <strong>Holz</strong> vor Fäulnis- und Insektenschäden zu schützen, werden Kombinationen<br />
verschiedener schwermetallhaltiger Salze verwendet, wie z.B. Chrom-Kupfer-Salze, Chrom-<br />
Kupfer-Arsen-Salze oder Chrom-Kupfer-Bor-Salze, die als wässrige Lösung zumeist durch<br />
Druckimprägnierung in das <strong>Holz</strong> eingebracht werden. Die Einbringmengen der Salze liegen<br />
zwischen etwa 3 und 12 kg pro Kubikmeter <strong>Holz</strong>. Bei einer durchschnittliche Dichte des<br />
Nadelholzes von 500 kg/m 3 berechnet sich daraus ein Eintrag an Elementen von 6'000 bis<br />
20'000 mg/kg. Ein weiteres Schwermetall, welches in der Vergangenheit als salzartiges<br />
<strong>Holz</strong>schutzmittel verwendet wurde, ist Quecksilber, das vornehmlich als wasserlösliches<br />
Quecksilber-II-chlorid eingesetzt wurde. Das Salz wird im <strong>Holz</strong> zu unlöslichem Quecksilber-I-<br />
chlorid reduziert und liegt dann fest fixiert vor. Die Einbringmenge lag bei üblichen<br />
Rezepturen zwischen 0.4 und 0.8 kg/m 3 . Vor allem Telefon- und Elektromasten sowie Obst-,<br />
Wein- und Hopfenstangen wurden damit behandelt.<br />
Dr.-Ing. Markus Franz | <strong><strong>Holz</strong>brennstoffe</strong> 14
Chemische Zusammensetzung<br />
Abbildung 8 zeigt exemplarisch die Gehalte von Blei und Zink sowie den Chlorgehalt von<br />
Altholzproben, die den Altholzanlieferungen der beiden schweizerischen <strong>Holz</strong>kraftwerke in<br />
Kleindöttingen und Basel entnommen wurden. Der grosse Wertebereich, in dem die<br />
Analysenresultate schwanken, verdeutlicht die heterogene Zusammensetzung von Altholz.<br />
Wie bereits erwähnt, ist das Analysenergebnis dabei nicht nur von der Lieferung anhängig,<br />
auch die Art und Weise, wie eine Altholzprobe genommen wird, hat einen Einfluss auf das<br />
Analysenergebnis.<br />
Gehalt in mg/kg TS<br />
2000<br />
1800<br />
1600<br />
1400<br />
1200<br />
1000<br />
800<br />
600<br />
400<br />
200<br />
0<br />
Abbildung 8 Konzentrationen von korrosionsrelevanten Elementen im Altholz (Altholzproben<br />
aus Aargau und Basel)<br />
Die Schwermetallgehalte sind ein wesentliches Unterscheidungsmerkmal zwischen<br />
naturbelassenen und nicht-naturbelassenen <strong><strong>Holz</strong>brennstoffe</strong>n. <strong><strong>Holz</strong>brennstoffe</strong> aus dem<br />
Wald sind erheblich geringer mit Schwermetallen belastet als Altholz. Da die Schwermetalle<br />
bei der Verbrennung in den Verbrennungsrückständen verbleiben, kann über eine<br />
Schwermetallanalyse der <strong>Holz</strong>asche abgeleitet werden, ob naturbelassenes <strong>Holz</strong> oder<br />
Altholz verbrannt wurde. Auch bei <strong>Holz</strong>pellets ist der Nachweis für die Verwendung<br />
unbelasteter <strong>Holz</strong>rohstoffe dadurch zu erbringen, dass Grenzwerte für bestimmte<br />
Schwermetallgehalte unterschritten werden müssen.<br />
4.5 Alkalien und Erdalkalien<br />
Chlor Blei Zink<br />
Höchstwert<br />
Tiefstwert<br />
Mittelwert<br />
Die in <strong><strong>Holz</strong>brennstoffe</strong>n relevanten Alkalimetalle sind Natrium und Kalium. Der Natriumgehalt<br />
liegt im Bereich zwischen 0.13 und 0.5%, und der Kaliumgehalt zwischen 0.13 und 0.35%<br />
jeweils bezogen auf die Trockenmasse. Von den Erdalkalien sind insbesondere das Calcium<br />
Dr.-Ing. Markus Franz | <strong><strong>Holz</strong>brennstoffe</strong> 15
Chemische Zusammensetzung<br />
und das Magnesium im <strong>Holz</strong> vorhanden. Der Calciumgehalt ist mit 0.3 bis ca. 1%<br />
vergleichsweise hoch. Deutlich niedriger ist der Magnesiumgehalt mit ca. 0.04 bis 0.1%. Die<br />
Alkali- und Erdalkalimetalle verbleiben bei der Verbrennung in der Asche und können sich<br />
dort stark anreichern. Wie das Analysenbeispiel der Tabelle 6 zeigt, können in einer<br />
Fichtenholzasche 21.4% Calcium, 3% Magnesium und 3.6% Kalium enthalten sein.<br />
4.6 PAK<br />
Steinkohlenteeröl, ein Nebenprodukt der Verkokung von Steinkohle in Kokereien und<br />
Gaswerken, ist das älteste organische <strong>Holz</strong>schutzmittel. Die systematische Entwicklung von<br />
<strong>Holz</strong>imprägniermitteln begann mit der Verwendung von Buchenholz für Eisenbahnschwellen.<br />
Dank der Imprägnierung mit Teeröl konnte die Lebensdauer der Eisenbahnschwelle im Laufe<br />
eines Jahrhunderts von fünf auf 50 Jahre erhöht werden. Die Bahnschwellen wurden in<br />
Teeröl getränkt bis ein Teerölgehalt von 20% erreicht war. Teeröl wurde auch als<br />
Carbolineum für den Hausgebrauch zur Imprägnierung von Jägerzäunen und Bauholz<br />
verkauft. Erst 1984 wurde die Öffentlichkeit auf die gesundheitsschädigende Wirkung dieser<br />
Imprägniermittel aufmerksam. Die Teeröle sind ein Gemisch aus überwiegend<br />
polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen (PAK), die teilweise krebserregend sind.<br />
Obwohl Bahnschwellen und Jägerzäune im Grunde beliebte Brennstoffe sind, da die Teeröle<br />
den Heizwert des <strong>Holz</strong>es um 10 bis 20% erhöhen, ist der Umgang mit teerölimprägnierten<br />
Hölzern aus abfallrechtlichen Gründen problematisch, weil diese wegen der enthaltenen<br />
krebserregenden Stoffe als Sonderabfälle eingestuft werden müssen.<br />
Abbildung 9 Teerölimprägnierte Bahnschwellen<br />
Dr.-Ing. Markus Franz | <strong><strong>Holz</strong>brennstoffe</strong> 16
Brennstofftechnische Eigenschaften<br />
5 Brennstofftechnische Eigenschaften<br />
5.1 Wassergehalt<br />
Die brennstofftechnischen Eigenschaften der unterschiedlichen <strong><strong>Holz</strong>brennstoffe</strong> werden vor<br />
allem durch den Wassergehalt bestimmt. Der Wassergehalt ist insofern ein wichtiges<br />
qualitätsbestimmendes Merkmal des Brennstoffs. Ein hoher Wassergehalt vermindert den<br />
Heizwert des <strong>Holz</strong>es und führt zu niedrigen Verbrennungstemperaturen, die wiederum hohe<br />
Kohlenmonoxid-Emissionen sowie Teer- und Russbildung zur Folge haben. Auch das Zünd-<br />
und Ausbrandverhalten des <strong>Holz</strong>brennstoffs wird wesentlich durch den Wassergehalt<br />
beeinflusst.<br />
Das nasse Frischholz setzt sich aus der trockenen <strong>Holz</strong>masse und der im <strong>Holz</strong><br />
gebundenen Wassermasse zusammen. Wird die Wassermasse gemäss Gleichung<br />
1 auf die Masse des Frischholzes (Feuchtgewicht) bezogen, erhält man den Wassergehalt<br />
w.<br />
Gleichung 1<br />
Streng zu unterscheiden vom Wassergehalt ist der Begriff der <strong>Holz</strong>feuchte, der im Bereich<br />
der Forstwirtschaft häufig verwendet wird. Anders als beim Wassergehalt wird zur<br />
Berechnung der <strong>Holz</strong>feuchte u die Wassermasse auf die Trockenmasse bezogen (vgl.<br />
Gleichung 2).<br />
Gleichung 2<br />
Die Feuchte kann entsprechend Gleichung 3 in den Wassergehalt umgerechnet werden<br />
bzw. gemäss Gleichung 4 kann aus dem Wassergehalt die Feuchte berechnet werden:<br />
In <strong><strong>Holz</strong>brennstoffe</strong>n kann viel Wasser enthalten sein. Frischholz kann mehr Wasser als<br />
Gleichung 3<br />
Gleichung 4<br />
<strong>Holz</strong>substanz enthalten, d.h. der Wassergehalt ist grösser als 50%, was einer <strong>Holz</strong>feuchte<br />
grösser als 100% entspricht. Der Wassergehalt von waldfrischem <strong>Holz</strong> liegt je nach Baumart,<br />
Alter und Jahreszeit zwischen 45 und 60%. Nach zweijähriger Freiluftlagerung wird der<br />
Dr.-Ing. Markus Franz | <strong><strong>Holz</strong>brennstoffe</strong> 17
Brennstofftechnische Eigenschaften<br />
sogenannte lufttrockene Zustand (lutro) erreicht, der je nach Jahreszeit und Witterung bei<br />
einem Wassergehalt von etwa 15 bis 20% liegt. In beheizten Innenräumen reduziert sich der<br />
Wassergehalt des <strong>Holz</strong>es weiter auf 6.5 bis 9 %. Dementsprechend ist bei <strong>Holz</strong>bauteilen und<br />
Möbeln von diesen Wassergehalten auszugehen. Nur mit einer Trocknung bei Temperaturen<br />
über 100°C lässt sich die <strong>Holz</strong>feuchte vollständig entfernen. Völlig wasserfreies <strong>Holz</strong> wird als<br />
absolut trocken (atro) bezeichnet.<br />
Tabelle 5 Einteilung der <strong>Holz</strong>hackschnitzel in fünf Wassergehaltsklassen<br />
Klassenbezeichnung Wassergehalt Bezeichnung<br />
W20 � 20% lufttrocken<br />
W30 � 30% lagerbeständig<br />
W35 � 35% begrenzt lagerbeständig<br />
W40 � 40% feucht<br />
W50 � 50% erntefrisch<br />
5.2 Heizwert<br />
Eine weitere wichtige Kennzahl von <strong><strong>Holz</strong>brennstoffe</strong>n ist der Heizwert, der früher auch als<br />
unterer Heizwert bezeichnet wurde. Dieser ist zu unterscheiden vom Brennwert (früher<br />
auch oberer Heizwert genannt). Der Heizwert beschreibt die gesamte Wärmemenge, die bei<br />
der vollständigen Verbrennung freigesetzt wird ohne Berücksichtigung der<br />
Kondensationswärme des in den Rauchgasen enthaltenen Wasserdampfs. Beim Heizwert<br />
wird somit unterstellt, dass der bei der Verbrennung gebildete Wasserdampf dampfförmig<br />
bleibt, und dass die Wärmemenge, die bei einer eventuellen Kondensation durch<br />
Rauchgasabkühlung frei werden könnte (2.441 kJ pro Gramm Wasser), nicht nutzbringend<br />
verwendet wird. Wenn auch die Kondensationswärme des Wasserdampfs nutzbar gemacht<br />
wird, indem beispielsweise die Rauchgase so tief abgekühlt werden, dass der Wasserdampf<br />
kondensieren kann, ist der Brennwert massgebend. Generell wird in der Feuerungstechnik<br />
der Energieinhalt des Brennstoffs mit dem Heizwert beschrieben, was dazu führen kann,<br />
dass bei Brennwertkesseln, bei denen die Kondensationswärme nutzbar gemacht wird, der<br />
Kesselwirkungsgrad rechnerisch einen Wert grösser als 100% erreichen kann.<br />
Bei der Verbrennung wird der im <strong>Holz</strong>brennstoff enthaltene Kohlenstoff in Gegenwart von<br />
Luftsauerstoff zu Kohlendioxid oxidiert. Die dabei freigesetzte Energie bestimmt den<br />
Heizwert des trockenen Brennstoffs. Die chemische Reaktionsgleichung für die<br />
stöchiometrische Verbrennung von <strong>Holz</strong> kann wie folgt angeschrieben werden:<br />
Dr.-Ing. Markus Franz | <strong><strong>Holz</strong>brennstoffe</strong> 18
Brennstofftechnische Eigenschaften<br />
Gleichung 5<br />
Gemäss Gleichung 5 kann nur der im <strong>Holz</strong> vorhandene Kohlenstoff oxidiert werden. Obwohl<br />
in einigen Publikationen gegensätzlich dargestellt, kann der Wasserstoff bei der Oxidation<br />
keine Energiemengen liefern, da er schon vollständig oxidiert ist, d.h. die Oxidationsstufe +1<br />
besitzt. Auch trägt der brennstoffeigene Sauerstoff nichts zur Oxidation bei, da der Sauerstoff<br />
bereits vollständig reduziert, also in der Oxidationsstufe -2, vorliegt. Dass in Biomassen<br />
ausser Kohlenstoff und Wasserstoff auch erhebliche Mengen an gebundenem Sauerstoff<br />
enthalten sind, ist der Grund, warum <strong>Holz</strong> und andere pflanzliche Biobrennstoffe im<br />
Vergleich zu Kohle oder Mineralölen einen deutlich geringeren Heizwert haben. Ein Teil der<br />
Kohlenwasserstoffverbindungen liegt im <strong>Holz</strong> also bereits partiell oxidiert vor. Während<br />
Steinkohle einen Heizwert von 30 MJ/kg und Heizöl einen Heizwert von 43 MJ/kg hat, liegt<br />
der Heizwert von absolut trockenem <strong>Holz</strong> je nach <strong>Holz</strong>art nur zwischen 18.0 und 18.8 MJ/kg.<br />
Die niedrigen Heizwerte zeigen Laubhölzer insbesondere Erle, Pappel und Weide, während<br />
der maximale Heizwert von 18.8 MJ/kg von Nadelhölzern erreicht wird aufgrund eines<br />
erhöhten Gehaltes an Harzen und Ölen.<br />
Der Heizwert des <strong>Holz</strong>es ist also nur wenig von der <strong>Holz</strong>art abhängig und wird stattdessen<br />
fast ausschliesslich vom Wassergehalt beeinflusst. Zwischen dem Wassergehalt und dem<br />
Heizwert besteht ein linearer Zusammenhang, so dass über eine Messung des<br />
Wassergehaltes eine Aussage zum Heizwert des <strong>Holz</strong>es gemacht werden kann. Ebenso<br />
kann auch mittels einer Wassergehaltsbestimmung bei der Anlieferung des <strong>Holz</strong>es die dem<br />
<strong>Holz</strong>kraftwerk zugeführte Energiemenge abgeschätzt werden. Für die Berechnung des<br />
Heizwertes aus dem Wassergehalt kann Gleichung 6 verwendet werden.<br />
Gleichung 6<br />
Dabei ist der Heizwert des Frischholzes in MJ/kg mit dem Wassergehalt w. ist<br />
der Heizwert des <strong>Holz</strong>es im wasserfreien, absolut trockenen Zustand. Der Faktor 2.44 leitet<br />
sich aus der Wärmeenergie (2441 kJ/kg) ab, die pro Anteil Wasser für die Aufheizung des<br />
Wassers von 25°C bis zur Verdampfung und für die Verdampfung aufgebracht werden muss.<br />
In Abbildung 10 wurde der mit Gleichung 6 berechnete Heizwert mit zunehmendem<br />
Wassergehalt dargestellt. Hierbei wurde ein atro-Heizwert von 18.5 MJ/kg zugrunde gelegt.<br />
Auf der mit zunehmendem Wassergehalt linear abnehmenden Heizwertgeraden sind<br />
folgende Abschnitte besonders relevant: Trockenes Altholz mit einem Wassergehalt von 7%,<br />
wie beispielsweise Bauteile und Möbel aus beheizten Innenräumen, hat einen Heizwert 17<br />
MJ/kg. Luftrockenes <strong>Holz</strong> mit einem Wassergehalt von 15% hat einen Heizwert von ca. 15<br />
MJ/kg. Frischholz mit einem Wassergehalt von 50% hat einen Heizwert von 8 MJ/kg. Ab<br />
einem Heizwert von 6 MJ/kg ist eine selbstgängige Verbrennung nicht mehr möglich. Diese<br />
Dr.-Ing. Markus Franz | <strong><strong>Holz</strong>brennstoffe</strong> 19
Brennstofftechnische Eigenschaften<br />
Schwelle wird bei einem Wassergehalt von 60% erreicht. Und bei einem Wassergehalt von<br />
rund 88% ist der Heizwert gleich Null.<br />
Heizwert [MJ/kg]<br />
Abbildung 10 Heizwert von <strong>Holz</strong> in MJ/kg bei zunehmendem Wassergehalt (Huatro = 18.5<br />
MJ/kg)<br />
20<br />
18<br />
16<br />
14<br />
12<br />
10<br />
8<br />
6<br />
4<br />
2<br />
0<br />
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1<br />
5.3 Ascheschmelzverhalten<br />
Je nach Aschezusammensetzung und Temperaturniveau im Feuerraum ist entweder ein<br />
Erweichen oder auch ein völliges Aufschmelzen der Aschepartikel möglich. Das<br />
Erweichungs- und Schmelzverhalten wird dabei vor allem durch Alkali- und Erdalkalimetalle<br />
beeinflusst. Natrium und Kalium bewirken eine Erniedrigung der Schmelztemperatur, die<br />
Erdalkalimetalle Magnesium und Calcium erhöhen die Schmelztemperatur. Ein hoher Anteil<br />
an Silicium und Chlor führen ebenfalls zu einer Erniedrigung der Schmelztemperatur.<br />
Niedrig schmelzende Brennstoffaschen können Schäden an der Feuerfestausmauerung und<br />
erhebliche Kesselverschmutzungen infolge von Anbackungen und Verschlackungen<br />
verursachen. Besonders kritisch ist auch am Brennstoff anhaftendes Restglas, das sich im<br />
Feuerraum zu einer honigzähen Schmelze verwandelt. Bei Wirbelschichtfeuerungen können<br />
sich Agglomerate (Bettschweine) aus klebrigen Aschepartikeln und Sandkörnern bilden, die<br />
nicht mehr fluidisiert werden können und aus der Wirbelschicht ausfallen. Des Weiteren<br />
können sich an den kalten Luftdüsen des Düsenbodens Anbackungen aufbauen, die die<br />
Luftverteilung beeinträchtigen. Es ist daher wichtig, das Ascheschmelzverhalten der<br />
verwendeten Brennstoffe zu kennen, um ungeplante Anlagenstillstände infolge eines<br />
Ascheerweichens zu vermeiden.<br />
Wassergehalt<br />
Dr.-Ing. Markus Franz | <strong><strong>Holz</strong>brennstoffe</strong> 20
Brennstofftechnische Eigenschaften<br />
Um Ascheschmelzversuche durchführen zu können, ist es zunächst erforderlich, Asche<br />
herzustellen. Für Biomassebrennstoffe wurde eine spezielle Methode zur Bestimmung des<br />
Aschegehalts entwickelt (CEN/TS 14775). Bei der Veraschung wird die Ofentemperatur mit<br />
einem Temperaturanstieg von 5 Kelvin pro Minute auf 250°C gesteigert. Diese<br />
Temperaturstufe wird für 60 Minuten gehalten, damit die flüchtigen Stoffe aus der Probe<br />
entweichen können. Anschliessend wird die Temperatur weiter mit 5 Kelvin pro Minute bis<br />
zur Maximaltemperatur von 550°C angehoben, welche dann für 120 Minuten gehalten wird.<br />
Das in der Vergangenheit angewandte DIN-Verfahren (DIN 51719), das zur Bestimmung des<br />
Aschegehalts von Steinkohle, Koks, Braunkohle und <strong>Holz</strong>kohle erarbeitet wurde, schreibt<br />
eine deutlich höhere Veraschungstemperatur von 815°C vor. Bei dieser Temperatur<br />
verbrennt jedoch die Mehrzahl der Biomassebrennstoffe spontan mit Flammenbildung.<br />
Zudem versintert Strohasche bei einer Ofentemperatur von 850°C bereits in der<br />
Keramikschale und ist dann für eine weitere Untersuchung nicht mehr brauchbar. Die<br />
Herstellung der Asche nach dem neuen CEN-Verfahren ist geeigneter, da die Asche weniger<br />
durch eine Verbrennung sondern vielmehr in einem Pyrolyseprozess entsteht. Dadurch<br />
treten keine Ascheverluste durch das Entweichen von flüchtigen Alkalichloriden oder infolge<br />
der CO2–Freisetzung aus Carbonaten auf. Aufgrund dieser Verluste werden mit dem DIN-<br />
Verfahren zumeist zu geringe Aschegehalte gemessen. Darüber hinaus reagieren die bei<br />
850°C hergestellten Aschen unempfindlicher auf Temperatur, während die bei 550°C<br />
hergestellten Aschen wegen der stark erhöhten Kalium- und Siliciumgehalte und einem<br />
geringeren Calciumgehalt bereits bei tieferen Temperaturen zu sintern und zu erweichen<br />
beginnen.<br />
In Tabelle 6 sind die Anteile der chemischen Elemente in Fichten-, Gras und Strohasche<br />
aufgelistet, die bei 550°C verascht wurden. Fichtenasche hat einen sehr hohen<br />
Calciumgehalt, hingegen ist der Anteil an Natrium und Kalium gering. Dies wird sich in einer<br />
hohen Schmelztemperatur für diese Asche widerspiegeln. Bei Gras- und Strohasche ist der<br />
Anteil an Kalium sehr hoch, der Anteil an Calcium dagegen niedriger als bei Fichtenasche.<br />
Entsprechend niedriger wird der Schmelzpunkt der Gras- und Strohaschen sein.<br />
Tabelle 6 Chemische Zusammensetzung von Brennstoffaschen in g/kg Asche<br />
Na K Mg Ca Cl Si P<br />
Fichte 1.6 36.0 30.4 213.6 0.3 21.0 7.1<br />
Gras 2.7 125.0 14.9 62.0 16.6 154.0 29.0<br />
Stroh 7.6 133.5 9.1 46.5 3.1 255.0 15.6<br />
Zur Bestimmung des Ascheschmelzverhaltens wird die Asche zu einem Probekörper<br />
verpresst, der die Form eines aufrecht stehenden Zylinders mit einer Höhe von 3 bis 5 mm<br />
Dr.-Ing. Markus Franz | <strong><strong>Holz</strong>brennstoffe</strong> 21
Brennstofftechnische Eigenschaften<br />
und einem der Höhe identischen Durchmesser hat. Beim Erhitzen des Probekörpers in<br />
einem Muffelofen bis auf eine Höchsttemperatur von 1500°C werden verschiedene Stadien<br />
der Verformung bis zum Schmelzen durchlaufen. Die Verformungen werden über eine<br />
optische Einrichtung mittels Videokamera festgehalten. In DIN CEN/TS 15370 werden<br />
Temperaturen definiert, die sich auf Veränderungen in der Form des Probekörpers beziehen.<br />
In Abbildung 11 sind die Merkmale des Probekörpers dargestellt, durch die das<br />
Schmelzverhalten der Brennstoffasche charakterisiert wird, und Tabelle 7 enthält eine<br />
Beschreibung dieser Merkmale.<br />
Abbildung 11 Phasen während des Schmelzvorgangs der Asche<br />
Tabelle 7 Bezeichnungen der charakteristischen Temperaturpunkte beim<br />
Ascheschmelzversuch<br />
Bezeichnung Beschreibung<br />
Sintertemperatur (SIT) Markante Volumenverringerung, bei der der Probekörper<br />
Erweichungs-<br />
temperatur (EWT)<br />
Halbkugeltemperatur<br />
(HKT)<br />
Fliesstemperatur<br />
(FLT)<br />
schrumpft ohne sein Form zu ändern. Die für die<br />
Erweichungstemperatur kennzeichnenden Merkmale sind noch<br />
nicht erkennbar.<br />
Erste Anzeichen des Erweichens der Asche, z.B. Rundwerden<br />
der Kanten, Beginn des Blähens.<br />
Der Probekörper hat angenähert die Form einer Halbkugel. Der<br />
geschmolzene Probekörper ist halb so hoch wie seine<br />
Grundlinie<br />
Der Probekörper ist auf die Hälfte der Höhe, die er bei der<br />
Halbkugeltemperatur hatte, auseinander geflossen.<br />
In Tabelle 8 sind die charakteristischen Temperaturpunkte der Aschen von Fichtenholz, Gras<br />
und Stroh aufgeführt. Beim Vergleich der Werte wird deutlich, dass Stroh mit einem<br />
Dr.-Ing. Markus Franz | <strong><strong>Holz</strong>brennstoffe</strong> 22
Brennstofftechnische Eigenschaften<br />
Sinterbeginn von nur 750°C ein problematischer Brennstoff ist. Gras hat einen Sinterbeginn<br />
von 1010°C und liegt damit deutlich höher als Stroh. Fichte hat den höchsten Sinterbeginn<br />
mit 1370°C. Auch bei der Erweichungstemperatur liegt die Stufung wie beim Sinterbeginn.<br />
Während Fichtenasche eine sehr hohe Ascheerweichungstemperatur von 1400°C aufweist,<br />
schmilzt die Strohasche schon bei einer sehr niedrigen Temperatur von 770°C.<br />
Tabelle 8 Charakteristische Temperaturpunkte in Grad Celsius beim Schmelzversuch<br />
SIT EWT HKT FLT<br />
Fichte 1370 1400 1450 1460<br />
Gras 1010 1070 1200 1320<br />
Stroh 750 770 1110 1320<br />
5.4 <strong>Holz</strong>fremde Bestandteile<br />
<strong>Holz</strong>fremde Bestandteile können zu zahlreichen Problemen bei der Förderung und<br />
Brennstoffbeschickung sowie zu Beeinträchtigungen des Feuerungs- und Kesselbetriebs<br />
führen. Dazu gehören vor allem mineralische Verschmutzungen, die sowohl bei Waldholz als<br />
auch bei Altholzfraktionen auftreten. Infolge von Rückarbeiten im Wald haftet dem<br />
Stammholz oftmals noch Erde und Sand an, und bei der Verladung von lose auf dem<br />
Waldboden gelagertem Hackgut werden vom Radlader meist noch Erde und Steine<br />
aufgenommen.<br />
Vielen Altholzteilen haften noch Dämmstoffe, Glas, Putz, Teerpappe u.a.m. an. Zudem<br />
werden bei Abrissarbeiten noch Kunststofffolien, Gipskartonplatten oder Mauerreste in das<br />
separierte Altholz eingetragen. Besonders problematisch sind im Altholz enthaltene<br />
Packbänder, Drähte und Stofffetzen, die sich um Fördereinrichtungen wickeln können und<br />
dadurch zu Verstopfungen und Lagerschäden führen.<br />
Eisenmetallteile sind im Altholz in relativ hoher Zahl enthalten, insbesondere Nägel, Drähte,<br />
Schrauben und Klammern, zuweilen sind auch grössere, massive Eisenteile anzutreffen.<br />
Eisenmetalle führen in vielen Fällen durch mechanische Einwirkungen zu direkten Schäden<br />
an der Fördertechnik oder im Feuerungssystem. Aluminium stellt einen Sonderfall unter den<br />
metallischen Störstoffen dar. Bedingt durch seinen relativ niedrigen Schmelzpunkt können<br />
innerhalb des Brennstoffbetts Aluminiumschmelzen entstehen, welche sich entweder<br />
zwischen den Roststäben ansammeln und dort erstarren, oder durch den Rost hindurch<br />
tropfen und auf der Rost-Unterkonstruktion erstarren. Im ersteren Fall werden die<br />
Luftdurchtrittsöffnungen verstopft, was zu einer mangelhaften Rostabkühlung und einer<br />
ungleichmässigen Luftverteilung führt. Der zweite Fall kann ein Verklemmen oder eine<br />
Blockierung der Rostmechanik zur Folge haben. Auch die Düsenböden der<br />
Dr.-Ing. Markus Franz | <strong><strong>Holz</strong>brennstoffe</strong> 23
Brennstofftechnische Eigenschaften<br />
Wirbelschichtfeuerungen sind anfällig gegenüber Aluminiumschmelzen, die die<br />
Austrittsöffnungen der Luftdüsen verkleben können. Die Entfernung von<br />
Aluminiumansammlungen erfordert einen grossen Arbeitsaufwand bei der Revision.<br />
Abbildung 12 Altholz mit holzfremden Bestandteilen<br />
6 Mechanische Eigenschaften<br />
Zu den mechanischen Eigenschaften der unterschiedlichen <strong><strong>Holz</strong>brennstoffe</strong> gehören vor<br />
allem die Korngrössenverteilung, die Schüttdichte und das Schüttgutverhalten. Während die<br />
Wahl der Feuerungstechnik u.a. von der vorliegenden Stückgrösse des Brennstoffs<br />
beeinflusst wird, bestimmen die Schüttdichte und insbesondere das Schüttgutverhalten die<br />
Dimensionierung und Konstruktion der Lager- und Fördertechnik sowie der<br />
Beschickungseinrichtungen für die Feuerungsanlage.<br />
6.1 Rohdichte<br />
Die Rohdichte beschreibt das Verhältnis der <strong>Holz</strong>masse zum Rauminhalt eines massiven<br />
<strong>Holz</strong>stückes. Die Rohdichte variiert je nach der <strong>Holz</strong>feuchte. Die Tabelle 9 zeigt die<br />
Rohdichten verschiedener <strong>Holz</strong>arten für den absolut trockenen Zustand. In der Tabelle sind<br />
Durchschnittswerte angegeben; die tatsächlichen Werte können je nach Standort, Baumteil<br />
und Alter ganz erheblich variieren. Die Dichte-Skala entspricht im Allgemeinen, wenn auch<br />
nicht immer, der Härte-Skala. Die Härte ist das gebräuchlichste Merkmal, nach denen die<br />
Dr.-Ing. Markus Franz | <strong><strong>Holz</strong>brennstoffe</strong> 24
Mechanische Eigenschaften<br />
<strong>Holz</strong>sorten eingeordnet werden. Harthölzer sind Eiche, Buche, Esche, Ulme, Ahorn; als<br />
mittelhart wird ihnen auch die Lärche zugerechnet. Fichte, Tanne, Kiefer, Douglasie und Erle<br />
gelten als Weichhölzer; sehr weich sich Linde, Pappel und Weide.<br />
Tabelle 9 Rohdichte von absolut trockenem <strong>Holz</strong> (Darrdichte)<br />
Weichhölzer (bis 0.55 g/cm 3 ) Harthölzer (über 0.55 g/cm 3 )<br />
Fichte 0.43 Eiche 0.66<br />
Tanne 0.41 Bergahorn 0.59<br />
Kiefer 0.49 Esche 0.65<br />
Douglasie 0.47 Buche 0.68<br />
Lärche 0.55 Birke 0.61<br />
Linde 0.49 Hain-/Weissbuche 0.75<br />
Pappel 0.41 Hasel 0.56<br />
Weide 0.33 Ulme 0.64<br />
Eine Wasseraufnahme ist mit einer Zunahme des <strong>Holz</strong>volumens verbunden. Diese<br />
Volumenzunahme findet bis zu einem bestimmten Wassergehalt statt, danach bleibt das<br />
<strong>Holz</strong>volumen auch bei weiterer Wasseraufnahme konstant. Der Wassergehalt, bei dem die<br />
Volumenzunahme endet, wird Fasersättigungspunkt genannt. In der umgekehrten Situation,<br />
wenn nasses <strong>Holz</strong> getrocknet wird, beginnt es zu schrumpfen, sobald der<br />
Fasersättigungspunkt unterschritten wird. Die Volumenreduktion beim Trocknen wird mit<br />
dem sogenannten Schwindmass quantifiziert. Die Fasersättigungspunkte und das<br />
Schwindmass sind in Tabelle 10 für wichtige <strong>Holz</strong>arten aufgelistet. Die Volumenzunahme<br />
beim Aufsättigen mit Wasser bzw. die Schrumpfung beim Trocknen hat entsprechende<br />
Auswirkungen auf die Dichte des feuchten <strong>Holz</strong>es, die bei Berechnungen von Schüttdichten<br />
berücksichtigt werden müssen.<br />
Tabelle 10 Fasersättigungspunkt und Schwindmass<br />
Fasersättigungspunkt Schwindmass<br />
Buche 25 % 17.9 %<br />
Eiche 19 % 12.2 %<br />
Fichte 25 % 11.9 %<br />
Kiefer 21 % 6.1 %<br />
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Mechanische Eigenschaften<br />
6.2 Schüttdichte<br />
Das erforderliche Lager- und Transportvolumen der <strong><strong>Holz</strong>brennstoffe</strong> wird von der<br />
Schüttdichte bestimmt. Die Schüttdichte eines Haufwerks aus Hackschnitzeln ist definiert als<br />
der Quotient aus der Masse des Haufwerks und dem Volumen, den das Haufwerk einnimmt.<br />
Dabei setzt sich die Masse des Haufwerks aus der absolut trockenen <strong>Holz</strong>masse , der<br />
Masse des im <strong>Holz</strong> gebundenen Wassers und der Masse der die Hohlräume<br />
ausfüllenden Luft zusammen. Unter Vernachlässigung der Masse der Luft kann für die<br />
Schüttdichte geschrieben werden:<br />
Ausgehend von Gleichung 1 kann eine Beziehung hergeleitet werden, mit der die<br />
Wassermasse aus der Trockenmasse und dem Wassergehalt berechnet werden kann.<br />
Gleichung 7<br />
Gleichung 8<br />
Das Einsetzen von Gleichung 8 in Gleichung 7 führt zu einem Ausdruck für die Schüttdichte<br />
des Haufwerks als Funktion der Schüttdichte der absolut trockenen Hackschnitzel<br />
und des Wassergehalts .<br />
Gleichung 9<br />
In Abbildung 13 sind Schüttdichten von Hackschnitzeln aus vier unterschiedlichem <strong>Holz</strong>arten<br />
als Funktion des Wassergehalts aufgetragen. Diese steigen gemäss Gleichung 9 mit<br />
zunehmendem Wassergehalt an. Bei einem Wassergehalt unterhalb des<br />
Fasersättigungspunktes, d.h. unter ca. 25%, sind die Schüttdichtebestimmungen zweier<br />
unterschiedlich feuchter <strong>Holz</strong>hackgut-Proben genau genommen nur vergleichbar, wenn dem<br />
Volumenschwund, der zwischen dem jeweiligen Fasersättigungspunkt und der Darrdichte<br />
stattfindet, durch einen Korrekturfaktor Rechnung getragen wird. Diese Volumenänderung<br />
verläuft nahezu linear. Mit jedem Prozentpunkt abnehmendem Wassergehalt kann die<br />
Schüttdichte – angegeben in kg/m 3 – um 0.7% nach oben korrigiert werden. Die jeweiligen<br />
Schüttdichten in Abbildung 13 wurden bei geringen Wassergehalten um dieses<br />
Schwindmass korrigiert.<br />
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Mechanische Eigenschaften<br />
Schüttdichte in kg/m 3<br />
600<br />
500<br />
400<br />
300<br />
200<br />
100<br />
0<br />
0 10 20 30 40 50<br />
Abbildung 13 Schüttdichten der Hackschnitzel von verschiedenen <strong>Holz</strong>arten in Abhängigkeit<br />
des Wassergehalts (einschliesslich Korrektur des Volumenschwunds).<br />
6.3 Korngrössenverteilung<br />
Die Korngrössenverteilung des Brennstoffs ist eine kraftwerksspezifische Grösse, die durch<br />
die Art des eingesetzten Feuerungssystems festgelegt wird. Im Allgemeinen tolerieren<br />
Rostfeuerungen eine gröbere Korngrössenverteilung als Wirbelschichtfeuerungen. Darüber<br />
hinaus stellen auch die mechanischen Entnahme-, Förder- und Beschickungssysteme<br />
entsprechende Anforderungen an die Brennstoffstückigkeit. Die erforderliche<br />
Korngrössenverteilung ist also ein wesentlicher Bestandteil der Brennstoffspezifikation, die<br />
für jedes <strong>Holz</strong>kraftwerk individuell ist und sich im Wesentlichen aus der verwendeten<br />
Feuerungs- und Fördertechnik ergibt.<br />
Wassergehalt in %<br />
Als Überlängen werden jene Brennstoffbestandteile bezeichnet, die die Maximalgrösse des<br />
vorgesehenen Brennstoffgrössenspektrums überschreiten. Überlängen können zu<br />
Blockaden und auch zu unmittelbaren Schäden an den Förderorganen führen oder deren<br />
Durchsatzleistung senken. Daneben können auch Brückenbildungen in Silos oder<br />
Buche<br />
Eiche<br />
Fichte<br />
Kiefer<br />
Austragsbehältern durch Überlängen verursacht werden. Beim Feinanteil handelt es sich um<br />
diejenigen Brennstoffpartikel, die das vorgesehene Grössenspektrum unterschreiten. Hohe<br />
Feinanteile können auf dem Brennstoffförderweg zu Verpressungen und bei trockenem<br />
Brennstoff zu Staubproblemen führen. Hohe Feinanteile können aber auch die Ursache von<br />
Verschmutzungen und Verschlackungen im Feuerraum und im Dampferzeuger sein.<br />
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Mechanische Eigenschaften<br />
Tabelle 11 Anforderungen unterschiedlicher Feuerungssysteme an die Brennstoffgrösse<br />
Rostfeuerung Wurfschwebefeuerung Wirbelschichtfeuerung<br />
Feinanteil < 1 mm max. 5% max. 10% max. 20%<br />
Idealgrösse < 250 mm < 100 mm < 100 mm<br />
Maximalgrösse 300 mm 200 mm 250 mm<br />
Um die in Tabelle 11 angegebenen Korngrössenanforderungen erfüllen zu können, ist eine<br />
Zerkleinerung des <strong>Holz</strong>es erforderlich. Im Bereich von Waldrestholz werden hierzu<br />
überwiegend Hacker eingesetzt, die nach dem Prinzip der schneidenden Zerkleinerung<br />
arbeiten. Das Hackorgan besteht aus mehreren Einzelmessern, die auf einer<br />
Schwungscheibe (Scheibenhacker) oder auf einer rotierenden Trommel (Trommelhacker)<br />
angeordnet sind. Durch die Höhe des Überstandes der Messerklingen kann die Schnittlänge<br />
eingestellt werden. Beim Hacken entstehen keine Überlängen und kaum Feinanteile. Die<br />
gewonnenen Hackschnitzel haben saubere Schnittstellen und gleichmässige Kantenlängen<br />
(siehe Abbildung 14).<br />
Abbildung 14 <strong>Holz</strong>hackschnitzel aus Stammholz<br />
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Mechanische Eigenschaften<br />
Zur Zerkleinerung von Altholz können keine Hacker verwendet werden, bei denen eine<br />
geordnete Längszuführung paralleler Baum- oder Astteile erforderlich ist. Stattdessen<br />
kommen Zerkleinerungsmaschinen zum Einsatz, die eine Zuführung des <strong>Holz</strong>es in Wirrlage<br />
erlauben. Je nach Anforderungen an die Korngrösse muss die Zerkleinerung ein- oder<br />
zweistufig durchgeführt werden. Zum Vorbrechen werden langsam laufende Ein- oder<br />
Zweiwellen-Zerkleinerer eingesetzt. In einem Zweiwellen-Zerkleinerer wird das Altholz<br />
zwischen zwei Walzen, die mit ineinandergreifenden Zähnen oder Stacheln bestückt sind<br />
und gegenläufig mit einer Drehzahl von 30-40 U/min drehen, zerkleinert. Einwellen-<br />
Zerkleinerer drücken das Altholz mit ihren Zähnen durch einen Zerkleinerungskamm. Mit<br />
diesen Zerkleinerungsmaschinen, die das Material zerreisen und dabei auch zerfasern, ist<br />
eine Zerkleinerung auf eine Spanngrösse von ca. 150-400 mm möglich, jedoch ist der Anteil<br />
an Überlängen relativ hoch. Die Vorzerkleinerung ist meist ausreichend für eine<br />
Rostfeuerung, bei der noch nicht ausreichend zerkleinerte <strong>Holz</strong>teile weniger störend sind.<br />
Für Wirbelschicht- oder Wurfschwebefeuerungen ist aber eine Nachzerkleinerung des<br />
Altholzes in einem Schredder erforderlich. Dieser besteht aus einer Rotortrommel, die sich<br />
mit ca. 1000 U/min dreht. Auf dem Rotorumfang sind fest verschraubte Messerplatten oder<br />
frei schwingenden Schlegel positioniert, die das Material an einer feststehenden Prallplatte<br />
vorbei reissen und es dabei zerkleinern. Unterhalb des Rotors ist ein Siebkorb angeordnet.<br />
Je nach Lochweite werden <strong>Holz</strong>späne mit einer Korngrösse zwischen ca. 40-120 mm<br />
gewonnen. Bei dieser Art der Zerkleinerung resultiert verfahrensbedingt ein hoher Feinanteil.<br />
In Abbildung 15 ist geschreddertes Altholz zu sehen, und in Abbildung 16 ist die zweistufige<br />
Zerkleinerung von Altholz mittels Zweiwellen-Zerkleinerer und Schredder gezeigt.<br />
Abbildung 15 Geschreddertes Altholz mit hohem Feinanteil und Überlängen<br />
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Mechanische Eigenschaften<br />
Abbildung 16 Zweistufige Zerkleinerung von Altholz mit Zweiwellen-Zerkleinerer und<br />
Schredder<br />
7 Brennstoffbeschaffung<br />
Für die organisatorische Zuordnung der Brennstoffbeschaffung gibt es zwei Möglichkeiten:<br />
Entweder ist das Kraftwerk selbst für die Beschaffung verantwortlich und der <strong>Holz</strong>einkauf ist<br />
in die Organisation des <strong>Holz</strong>kraftwerks integriert, oder es besteht ein Vertrag mit einem<br />
Exklusivlieferanten. Die Entwicklung läuft dabei oft vom Modell Exklusivlieferant in Richtung<br />
Brennstoffversorgung in Eigenregie des Kraftwerks.<br />
Um gegenüber Investoren, Banken oder Behörden die dauerhaft gesicherte Brennstoff-<br />
versorgung eines <strong>Holz</strong>kraftwerks dokumentieren zu können, wird häufig schon im Laufe der<br />
Projektentwicklung oder nach Erteilung der Baubewilligung ein langfristiger Vertrag mit<br />
einem Brennstofflieferanten abgeschlossen. Dieser Exklusivlieferant verfügt häufig selbst<br />
nicht über die notwendigen <strong>Holz</strong>mengen und muss zur <strong>Holz</strong>beschaffung wiederum auf<br />
mehrere Unterlieferanten zurückgreifen. Dieses Modell hat allenfalls noch den Vorteil, dass<br />
dem Kraftwerksbetreiber ein direkter Ansprechpartner gegenüber steht und er selbst auf den<br />
Verwaltung- und Logistikaufwand der Brennstoffbeschaffung verzichten kann. Meist über-<br />
wiegen jedoch die Nachteile. Denn der Kraftwerksbetreiber begibt sich in eine grosse<br />
Abhängigkeit und hat keinen unmittelbaren Einfluss auf die Brennstoffqualität bzw. ihm fehlt<br />
eine kurzfristige Handhabe bei Anlieferung von schlechter Brennstoffqualität. Beim<br />
Brennstofflieferanten geschieht der <strong>Holz</strong>einkauf in der Regel nach Kostengesichtspunkten,<br />
was häufig dazu führt, dass Brennstoff beschafft wird, der nicht der Anlagenspezifikation<br />
Dr.-Ing. Markus Franz | <strong><strong>Holz</strong>brennstoffe</strong> 30
Brennstoffbeschaffung<br />
entspricht. Bei knappem Brennstoffmarkt werden auch Lieferungen nahezu beliebiger<br />
Qualität durchgesetzt. Manchmal wird zudem die Brennstoffaufbereitung zum<br />
Exklusivlieferanten ausgelagert. Dem Exklusivlieferanten fällt dann auch noch eine<br />
Teilverantwortung für den störungsfreien Anlagenbetrieb zu, da schlecht aufbereiteter<br />
Brennstoff zu gravierenden Betriebsbeeinträchtigungen führen kann. Neben mangelhaften<br />
Kenntnissen der Auswirkungen schlechter Brennstoffqualität auf den Kraftwerksbetrieb fehlt<br />
es meist auch an der nötigen Motivation auf Seiten des Brennstofflieferanten.<br />
Der Erfolg des Kraftwerksbetriebs und der Erfolg des Brennstoffmanagements sind leider<br />
nicht deckungsgleich. Die Strategie der Abtrennung der Brennstoffbeschaffung vom<br />
Kraftwerk, die sich an der Auffassung orientiert, einerseits dadurch den Betreiber zu<br />
entlasten und andererseits nur so eine dauerhafte Brennstoffversorgung vertraglich<br />
absichern zu können, steht und fällt mit dem Verhältnis der beiden Vertragspartner<br />
untereinander. Stoff für Kontroversen gibt es jedenfalls genug. Die Alternative ist die<br />
Organisation des <strong>Holz</strong>einkaufs direkt vom Kraftwerk. Der Kraftwerksbetreiber ist dann nicht<br />
mehr von einem einzelnen Lieferanten abhängig und kann auf eine grössere Anzahl von<br />
Brennstofflieferanten zurückgegriffen. Er hat zudem die Möglichkeit, den Markt spielen zu<br />
lassen und Marktopportunitäten auszunutzen. Bei Anlieferungen von schlechter<br />
Brennstoffqualität kann der Kraftwerksbetreiber durchaus auch die Annahme verweigern,<br />
und er hat die Möglichkeit ggf. einzelne Lieferanten mit temporären Anlieferungsverboten zu<br />
massregeln. Die Brennstoffbeschaffung in Eigenregie stellt sich dann oftmals als die bessere<br />
Lösung heraus.<br />
Dr.-Ing. Markus Franz | <strong><strong>Holz</strong>brennstoffe</strong> 31