Thermische Nutzung von Biomasse - Open Access LMU · ZAE BAYERN Übersicht - Entwicklungen zur...

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Thermische Nutzung von Biomasse

Prof. Dr. Hartmut Spliethoff Lehrstuhl für Energiesysteme, TUM

ZAE Bayern

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Übersicht

- Entwicklungen zur Energieumwandlung- Biomasse

- Einteilung- Biomassepotentiale und -nutzung- CO2-Bilanz von Biomasse

- Biomassenutzung- Übersicht - Thermische Verfahren (Strom- und

Wärmeerzeugung)- Kraftstofferzeugung- Biogas

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1. Entwicklungen zur Energieumwandlung

Primärenergieträger - Zeitalter

Ende der fossilen Energieträger ?

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1. Entwicklungen zur Energieumwandlung

Primärenergieträger in der Welt

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2. Biomasse

Energetische Nutzung von BiomasseDefinition:

– Biomasse wird durch Photosynthese gebildet. Primärreaktion ist dabei die Umwandlung von Kohlendioxid und Wasser in Kohlenhydrate und Sauerstoff

– Unter Biomasse wird die Gesamtmasse der in einem Lebensraum vorhandenen Lebewesen verstanden, also alle Stoffe organischer Herkunft

Biomasse

Pflanzen Tiere Abfallstoffe Reststoffe Papier/Zellstoff

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2. Biomasse

Biogene Festbrennstoffe

Waldrestholz

Landschaftspflegeholz

Industrierestholz

Abriss- und Gebrauchtholz

Biogene Festbrennstoffe

Holzartige Biomasse

Rückstände Energiepflanzen

Halmgutartige Biomasse

Rückstände Energiepflanzen

Schnellwachsende Baumarten

Stroh Energiegetreide

Chinaschilf (Miscanthus)

Raps

Sonnenblume

Hanf

Mais

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2. Biomasse

Nutzung der SonnenergieEnergetischer Vergleich zwischen Solarthermie

und Biomasse

Solarthermie:

Biomasse

am

MJ

am

kJ

am

kWh

⋅=

⋅⋅⋅=

⋅ ²2900

²360010008,0

²1000

aha

t

⋅10

am

MJ

m

ha

aha

MJ

kg

MJ

aha

kg

⋅=⋅

⋅=⋅

⋅ ²4,14

²10000

11440004,1410000

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Quelle Frithjof Staiß, Helmut Bönisch, Helmut Seul, Regenerative Kraftstoffe 2003, ZSW Stuttgart, Basis Primärenergieverbrauch Deutschland 1999 14.194 PJ

Technisches Potenzial PJ/a

Pre

is B

iom

asse

Cen

t/kW

h H

u

200 400 600 800 1.000 1.200

2,0

1,5

1,0

0,5

0,0

-0,5

-1,0

-1,5

-2,0

Alth

olz

Gül

le, D

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r

kont

amin

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beha

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t

Bio

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g. A

bfäl

le Abf

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olz

unbe

hand

elt

Str

oh

Energiepflanzen

Waldrestholz

Primärenergieverbrauch Deutschland 2004 ~ 14.438 PJ/a

Deutschland technisches Potenzial aus Biomasse ~ 1.260 PJ/a (~ 8,7 %)

Deutschland aus Biomasse derzeit ~ 200 PJ/a (~ 1,4 %)

Bereits genutztes Potenzial

ungenutztes Potenzial

2. Biomasse

Kosten-Potenzial Bioenergie Deutschland

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2. Biomasse

Erneuerbare Energien – Deutschland 2004

253

10.626

1.556

2.596

57.997

500

9.356

21.000

25.000

0 5.000 10.000 15.000 20.000 25.000 30.000 35.000 40.000 45.000 50.000 55.000 60.000 65.000

Bioe thanol

B iodiese l

Geothermie

Solarthe rmie

Biomasse

Photovoltaik

Biomasse

Wasserkraft

Windenergie

Endenergie [GWh]

Strom (gesamt 55.856 GWh)(Anteil an der Stromversorgung ca. 9,3 %)

Wärme (gesamt 62.149 GWh)(Anteil an der Brennstoffversorgung ca. 4,2

Kraftstoffe (gesamt 10.879 GWh)(Anteil an der Kraftstoffversorgung ca. 1,6 %)

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2. Biomasse

Anteil der Biomasse am Primärenergieeinsatz europäischer Länder

FIN SWE AUT DK ITA BRD0

10

20

30

0,8

3,63,8

9,2

16,6

19,6

Biomasse:

Brennholz, Sägenebenprodukte, landwirtschaftliche

Reststoffe, Energiepflanzen, Ablaugen aus der

Papier- und Zellstoffindustrie, Alt- und Restholz

Bio

ma

ss

ea

nte

il [%

]

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2. Biomasse

Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) (Biomasse)

Leistungsabhängigbis 150 kW 11,5 ct/kWhbis 500 kWh 9,9 ct/ kWhbis 5 MW 8,9 ct/ kWhbis 20 MW 8,4 ct/ kWh

KWK-Zuschlag 2 ct/ kWh

Innovationsbonus 2 ct/ kWh

NaWaRo-Bonusbis 500 kW 6 ct/kWhbis 5 MW (Holz/and.) 2,5/ 4 ct/kWh

(BZ, GT, DT, ORC, Kalina-Cycle -Anlagen, oder Stirling-Motoren )

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2. Biomasse

EU Ziele zum Einsatz erneuerbarer Energien (EE) in verschiedenen Sektoren

Anteil am Energieverbrauch insgesamt

• 12 % EE bis 2010 – aktuell 6%

Elektrizität (ca. 45 % des EU Energieverbrauchs)

• 21 % EE bis 2010 – aktuell ca. 14 %

Heizung (ca. 30 % des EU Energieverbrauchs)

• Kein spezifisches Ziel festgelegt

Biotreibstoffe (ca. 25 % des EU Energieverbrauchs)

• 5,75 % EE bis 2010 - aktuell 1,4 %

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2. Biomasse

Heizwerte in Abhängigkeit des Wassergehaltes

0 10 20 30 40 50 603

6

9

12

15

18

21

Stroh

Roggenstroh

Gerstenstroh

Holz

Nadelholz

Laubholz

He

izw

ert

[M

J/kg

]

Wassergehalt [%]

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2. Biomasse

Energieinhalte unterschiedlicher Biomasse

6,115,3400Scheitholz

9,115,3600Holzpellets

24,428870Steinkohle

3,815,3250Holzhackschnitzel

Pellets

Häcksel

Ballenform

3642860Heizöl

7,514,4520Stroh

1,014,470Stroh

2,214,4150Stroh

Energiedichte [GJ/m³]

Heizwert Hu [MJ/kg]

Dichte [kg/m³]

Brennstoff

Holzpellets benötigen das 4-fache Lagervolumen im Vergleich zu Heizöl

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Flüchtigengehalt, Restkoks und Aschegehalt

Holz

Flüchtige

76%

Asche

3%

Koks

21%

StrohFlüchtige

73%

Asche

6%

Koks

21%

Braunkohle

Flüchtige

52%

Asche

13%

Koks

35%

Steinkohle

Flüchtige

23%

Asche

9%

Koks

68%

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2. Biomasse

CO2-Emissionen von Biomasse

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2. Biomasse

Studie zur Ermittlungder CO2-Emissionen bei

der thermischenNutzung von Biomasse

Ermittlung des Energieaufwandes und derCO2-Emissionen von

� Anbau von Biomasse� Ernte und Aufbereitung � Transport und

thermische Nutzung

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2. Biomasse

Energieaufwand und CO2-Emissionen der Prozessschritte

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2. Biomasse

CO2-Minderung bei der thermischen Nutzung von Biomasse

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3. Biomasseumwandlung

Einteilung von thermischen Biomassekonversionsverfahren

• Art der Biomasse: Holz, Stroh, Reststoffe, Energiepflanzen

• Brennstoffumwandlung: Verbrennung, Vergasung, atmosphärisch, druckaufgeladen

• Krafterzeugung: Verbrennungsmotor, Gasturbine, Dampfturbine, Stirlingmotor, Brennstoffzelle

• Leistungsgröße• Produkte: Strom, Wärme, Strom und Wärme, Kraftstoffe• Mono- oder Co-Nutzung

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3. Biomasseumwandlung

Biomasseumwandlungsverfahren

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3. Biomasseumwandlung

Zentrale – Dezentrale Nutzung

Power plant output [MW]

100050010050101 50.50.1

Effi

cien

cy [%

]

1520

30

40

50

60

70

steampowerplant

gas turbinepower plant

micro GT

PEM

combined-cyclepower plant

SOFC

diesel engine

spark ignition engine

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3. Biomasseumwandlung

Brennstoffeinsparung durch KWK

%92%25 == gesel ηη

Kraftwerk Kraft-Wärme-Kopplung

%37%37 == gesel ηη

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3. Biomasseumwandlung

Wirtschaftliche Einsatzmöglichkeiten

Quelle: Energie aus Biomasse

ZAE BAYERN3. Biomasseumwandlung

StückholzkesselKesselregelung

Füllschacht

Primärluftzufuhr

Ascheräume

Vergasungszone und Glutbett

Sekundärluftzufuhr

Nachbrennkammer(Gasbrennkammer)

Kesseldämmung

Saugzuggebläse

Lambda-Sonde

Abgastemperaturfühler

Sicherheitswärmetauscher

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3. Biomasseumwandlung

Automatische Feuerung mit

Rostfeuerung 30 -200 kW

– Pellets, Hackschnitzel– luftgekühlter,

bewegtem Stufenrost – direkter

Brennstoffeintrag

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Pelletkesseln in Deutschland

1999 2000 2001 2002 2003 20040

5.000

10.000

15.000

20.000

25.000

30.000

Anzahl Pelletkessel gesamt

27.000

35.000

3. Biomasseumwandlung

Pelletkessel in Deutschland

ZAE BAYERN

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

0 200 400 600 800 1.000 1.200 1.400 1.600 1.800

Sekunden

CO

ppm

CO ppm Brennteller mit ruhigem Brennstoffbett

CO ppm Vorschubrost mit bewegtem Brennstoffbett

3. Biomasseumwandlung

Pelletfeuerung CO - Emissionen

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3. Biomasseumwandlung

Staubemissionen bei Kleinanlagen

< 2,5 µm 2,5 – 10 µm > 10 µm

0.0E+00

1.0E+08

2.0E+08

3.0E+08

4.0E+08

5.0E+08

6.0E+08

7.0E+08

8.0E+08

0.01 0.1 1 10Dp [um]

Num

ber

dN/d

logD

p[1

/cm

³]

Anzahlverteilung

0

50

100

150

200

250

0.01 0.1 1 10Dp [um]

Mas

sdM

/dlo

gDp

[mg/

m³]

Massenverteilung

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3. Biomasseumwandlung

Reduktion der Staubemissionen bei Kleinanlagen

- verbesserte Verbrennungstechniken

- Rauchgasreinigung, E-Filter-70%, Metallgewebefilter-90%, Rauchgaskond.-50%RGK: Brst.-Kostenreduktion Haushalt 120-180 €/a, Kleinheizwerke 1.000-2.000 €/a

Quelle: Kleinelektrofilter, EMPA, Schmatloch 10-20 kVQuelle: Metallgewebefilter, Oskar Winkler FiltertechnikQuelle: CFD Simulation der Partikelflugbahnen in einem

Hackgutkessel mit CFX, ZAE Bayern

ZAE BAYERN

7 - 913

1313

1312

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

50 13 187 0,40 0,52 0,036

€/Rm (Ster) €/Srm €/t €/l €/l €/kWh

Scheitholz Hackgut Pellets Heizöl 1

Heizöl2

Erdgas

€/M

Wh

Wär

me

InvestitionskostenBetriebskostenBrennstoffkosten

3021

48 4862

61

42 37

37

60

32

50

8 - 14

20-23

19

Fern-Wärme*

8 - 13

€/Srm

32

52

3. Biomasseumwandlung

Kostenvergleich bei 15 kW Heizlast

Alle Angaben inkl. MWSt., Zeitraum 20 Jahre, inkl. Förderung, Zinssatz 5%, *Fernwärme: Hackgut monovalent und bivalent mit HeizölBasis Jahresenergiebedarf 19.300 kWh/Jahr Gesamtenergiebedarf

ZAE BAYERN3. Biomasseumwandlung

Stromerzeugung in KleinstanlagenStirlingmotor 1 - 3 kW el

- ca. 1 bis 3 kWel- ηel ca. 6 - 22%-meist Stickstoff oder Helium

Quelle: Sunmachine

Quelle: Stirling Power Module Energieumwandlungsges mbH

Stirlingmotor 35 bzw. 70 kW el

ca. 240 kW bzw. 480 kW thermisch (max. 50% der Spitzenlast)

ηel ca. 12%

Quelle: Mawera, Hackgutkessel mit 35 kW Stirlingmotor

� 600 bzw. 1.000 kW ab Heizhaus

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3. Biomasseumwandlung

Bio-HKW in Pfaffenhofen

� Biomassekessel mit wassergekühlten VibrationsrostFeuerungswärmeleistung: 26,7 MW; Dampfparameter: Temperatur 450°C, Druck 60 bar abs

� Wärmeverkauf : 120 GWh jährlich (ca. 10.000 Haushalte)

� Dampfturbine : 7,5 MVA; jährl. Stromerz.: 42 GWh (10.000 Haushalte)

� Brennstoff : 80.000 t/a100% Waldhackschnitzel

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Biomasse-Heizkraftwerk Pffafenhofen

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3. Biomasseumwandlung

Mitverbrennung von Biomasse in KraftwerkenMassvlakte/ NL

� 2 x 540 MWel� Staubfeuerung� 183 bar/ 47 bar, 540 °C� Wirkungsgrad 40,6 %� Zugabe von verschiedenen

Biomassen/ Abfällen derzeit 6.8 % (Energieinhalt)

� Zukünftig bis 20 %

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3. Biomasseumwandlung

Kraftstofferzeugung

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3. Biomasseumwandlung

Potenziale von Biokraftstoffen

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3. Biomasseumwandlung

Vergasung und Synthese

CH1,4O0,7 ==> -[CH2]-

Aufgabe: Biomasse zu KohlenwasserstoffAufgabe: Biomasse zu Kohlenwasserstoff

MMöögliche Lgliche Löösung: Umsetzung zu Synthesegassung: Umsetzung zu Synthesegas

CH1,4O0,7 ==> CO + H2

Synthesen:Synthesen:

CO + H2 ==> - [CH2]n- + H2O

CO + 2H2 ==> CH3OH

FischerFischer--TropschTropsch

MethanolMethanol

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3. Biomasseumwandlung

Biomass to Liquid (BtL-Kraftstoffe)

++ Nutzung der vorhandenen Infrastruktur Nutzung der vorhandenen Infrastruktur

++ Anpassung an die Anforderungen Anpassung an die Anforderungen

++ Nutzung aller Arten von Biomasse Nutzung aller Arten von Biomasse -- Geringe EnergieausbeuteGeringe Energieausbeute-- Herstellungsverfahren ist komplex und nicht fHerstellungsverfahren ist komplex und nicht füür eine r eine

(stark) dezentralisierte Produktion geeignet(stark) dezentralisierte Produktion geeignet

Carbo-V® Prozess von Choren 2007 Inbetriebnahme einer Demonstrationsanlage mit 2007 Inbetriebnahme einer Demonstrationsanlage mit

ca. 50 ca. 50 MWthMWth / 15000 t/a in Freiberg / 15000 t/a in Freiberg

ZAE BAYERN3. Biomasseumwandlung

Synthetische Kraftstoffe aus Biomasse

Quelle Choren Industries, Carbo-V Verfahren, Regenerative Kraftstoffe 2003, ZSW Stuttgart

Biokoks

Biomasse, Kunststoff, ...(Kohlenstoffhaltig)

Fischer TropschSynthese

oder Methanol-herstellung (K)

Synthesegas

Synth. K

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Zweistufige Vergaser: Güssing/ TUM

C. Pfeifer et al, Ind. Eng. Chem. Res. 2004, 43, 1634-1640

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Biofuel production Market

Kind/Criteria

FT-Diesel

MeOH

SNG

H2

Overall thermalefficiencya

Technicaleffortb

Chances today Efforts for marketpenentration

3. Biomasseumwandlung

Vergleich von Diesel, Methanol, SNG, und Wasserstoff

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3. Biomasseumwandlung

Biogas-anlagen

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3. Biomasseumwandlung

Potential und Entwicklung von Biogas

� Biogas hat das Potential 20% des deutschen Erdgasverbrauches zu ersetzen ( = 4 % des Primärneregieverbrauches)

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3. Biomasseumwandlung

Biogaseinspeisung ins Erdgasnetz

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3. Biomasseumwandlung

GestehungskostenErdgas Strom

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Zusammenfassung

- Biomasse ist ein Festbrennstoff und enthält schwierige Inhaltsstoffe- Biomasse im Wärmemark konkurrenzfähig- Staub- und Feinstaubemissionen bei Kleinanlagen- Kostengünstige Anlagen mit KWK im Leistungsbereich bis 1 MW

fehlen- Im MW-Bereich viele Anlagen zur Stromerzeugung mit Förderung

des EEG- Kraftstofferzeugung

- Dezentrale Nutzung: Einfaches Verfahren- Komplexe Verfahren erfordern große Anlagen