In: Hartmann, H.; Böhm, T.: Bestimmung des Wassergehaltes und der physikalisch-mechanischen Brennstoffeigenschaften; In: Eigen-schaften biogener Festbrennstoffe - Bestimmung, Beeinflussung, Standardisierung; Schriftenreihe "Nachwachsende Rohstoffe" Band17, Landwirtschaftsverlag, Münster, 2001, S. 46-64

Bestimmung des Wassergehaltes und der physikalisch-mechanischen Brennstoffeigenschaften

Hans Hartmann und Thorsten Böhm

Technische Universität München (TUM), Bayerische Landesanstalt für Landtechnik Vöttinger Straße 36, D-85354 Freising-Weihenstephan

email: hartmann@tec.agrar.tu-muenchen.de

1 Einleitung und Abgrenzung

Anders als die chemisch-stofflichen Eigenschaften kennzeichnen der Wassergehalt und die physikalisch-mechanischen Kenngrößen die momentane Zustandsform des Festbrennstoffs. Sie sind relativ stark veränderbar, da sie sich durch Ernteverfahren, Aufbereitung bzw. Trock-nung an die jeweiligen Bedürfnisse der Lagerung oder des Konversionsverfahrens anpassen lassen. Für ihre Bestimmung sind zuverlässige und zeitsparende Methoden in der Praxis er-forderlich. Nachfolgend werden die derzeit üblichen Bestimmungsmethoden vorgestellt und Ergebnisse aus verschiedenen Messreihen für einige Parameter diskutiert.

Die Frage, welche Messgrößen den "physikalischen Brennstoffeigenschaften" zuzurechnen sind, wurde bislang nicht eindeutig geregelt. Gelegentlich wird der Wassergehalt und auch der Heiz- und Brennwert, der Aschegehalt, das Ascheerweichungsverhalten sowie der Gehalt an flüchtigen Bestandteilen als separate Merkmalgruppe aufgefasst (vgl. /10/) oder auch zu den chemisch-stofflichen Eigenschaften gezählt (vgl. /7/); oft aber werden sie auch als physika-lisch-mechanische Parameter geführt. Eine solche Zuordnung entspricht auch dem Aufgaben-bereich der Working Group 4 ("Physical/mechanical tests", WG 4) im internationalen Nor-mungsgremium für Biomassebrennstoffe (CEN TC 335, "Standardisation of Solid Biofuels"). Diese internationale Arbeitsgruppe befasst sich außerdem noch mit den Bestimmungsmetho-den für die Schütt- und Rohdichte, die Größenverteilung, den Gehalt von Verunreinigungen, die Abriebfestigkeit und die Fließfähigkeit bzw. Brückenbildungsneigung.

Neben dem Wassergehalt bilden diese letztgenannten Parameter den Schwerpunkt des vorlie-genden Beitrags.

2 Bedeutung der Parameter

Der Wassergehalt ist die wesentliche Einflussgröße, die den Heizwert biogener Festbrennstof-fe (im Rohzustand) bestimmt; er ist somit die maßgebliche Größe für die Wertfeststellung der Biomasse (d. h. für die Feststellung der Lieferpreise). Außerdem beeinflusst er die Lagerfä-higkeit des Brennstoffs. Wassergehalte über 16 % führen in der Regel zu biologischen Ab- oder Umbauprozessen, die mit Brennmasse-Verlusten verbunden sind /10/.

Die physikalisch-mechanischen Kenngrößen stehen in hohem Maße in Wechselwirkung zu-einander, d .h. dass beispielsweise die Größenverteilung im Hackgut Auswirkungen auf die Brückenbildungsneigung hat oder dass eine hohe Rohdichte meist auch mit einer hohen Schüttdichte verbunden ist. Die Bedeutung der einzelnen Bestimmungsgrößen wird in Tabel-le 1 zusammengefasst.

- 2 -

Tabelle 1 Physikalische Qualitätsmerkmale von Biomassebrennstoffen und ihre Bedeutung

Qualitätsmerkmal Bedeutung/Auswirkung Wassergehalt Heizwert (im Rohzustand), Lagerfähigkeit (Pilzwachstum bzw.

Lagerverluste), Selbstentzündung, Brennstoffgewicht, Verbren-nungstemperatur

Größenverteilung/-Feinanteil

Störungen in Förderelementen, Rieselfähigkeit, Brückenbildungsnei-gung, Belüftungs- u. Trocknungseigenschaften, Staubentwicklung

Rohdichte (Teilchendichte)

Schütt- und Lagerdichte, pneumatische Fördereigenschaften, Brenn-eigenschaften (spezifische Wärmeleitfähigkeit, Entgasungsrate usw.)

Schütt- bzw. Lagerdichte

Lager- und Transportaufwendungen, Leistung der Förderelemente, Vorratsbehältergröße usw.

Abriebfestigkeit Feinanteil (Staubentwicklung, Entmischung) Brückenbildungs-neigung

Rieselfähigkeit, Störungen bei Umschlagprozessen

3 Bestimmungsmethoden

Viele der nachfolgend beschriebenen Bestimmungs- und Prüfmethoden sind nicht explizit für biogene Festbrennstoffe geeignet, sondern stellen Adaptationen aus verwandten Bereichen dar (z. B. aus der Kohlewirtschaft oder der Futtermittelindustrie). Ihre Übertragung auf Biomasse ist aufgrund besonderer Brennstoffmerkmale nicht immer unproblematisch. Nachfolgend werden die bestehenden Möglichkeiten und Probleme diskutiert.

3.1 Wassergehaltsbestimmung

3.1.1 Holzhackschnitzel

Aufgrund der hohen wirtschaftlichen Bedeutung des Wassergehalts ist in der Praxis eine mög-lichst genaue Bestimmung dieses Parameters wünschenswert. Die Messung nach der Tro-ckenschrankmethode /3/ ist zwar weit verbreitet aber für viele Praxisfälle zu zeitaufwendig. Beispielsweise müssen Holzhackschnitzel bis zur Gewichtskonstanz 36 bis 48 Stunden trock-nen; eine Zeitersparnis ist also nur durch Verwendung von Schnellbestimmungsmethoden möglich. In jüngster Zeit wurden hierfür vielversprechende technische Ansätze entwickelt und teilweise auch für Biomasse zur Einsatzreife in Labor- und Vor-Ort-Anwendungen gebracht.

Aufgrund der Vielfalt der physikalisch-technischen Prinzipien für die Wassergehalts-bestimmung sind die am Markt angebotenen und in der Praxis je nach Probenmaterial und Verwendungszweck eingesetzten Methoden sehr verschieden. Man unterscheidet die direkten Verfahren, bei denen der Wassergehalt einer Probe auf thermischem oder chemisch-analytischem Wege bestimmt wird, und die indirekten Verfahren, bei denen der Wassergehalt häufig über Schätzungen (nach Messgerätkalibrierung unter Bezugnahme auf ein Referenz-verfahren) bestimmt wird. Bei den letztgenannten Gruppen erfolgt die Messung zumeist ohne Zerstörung oder Veränderung des Messgutes.

Grundsätzlich können die verschiedenen physikalischen oder chemischen Methoden in 8 Hauptgruppen eingeteilt werden, die thermogravimetrischen und analytischen Verfahren (bei-de sind “direkte Messverfahren”) und die “indirekten Messverfahren“, zu denen elektrische, radiometrische, optische, thermische, hygrometrische und akustische Verfahren gezählt wer-den. Für Biomasse-Brennstoffe ist die Systemauswahl begrenzt, zumal es für die Praxis der Biomassenutzung vor allem auf eine möglichst schnelle und kostengünstige Bestimmung des Wassergehalts ankommt.

- 3 -

In einer Umfrage unter den Herstellern und Anbietern konnten für Schüttgüter wie Holzhack-schnitzel insgesamt 13 Systeme bzw. Messgeräte identifiziert werden (Abb. 1); sie wurden für die nachfolgend vorgestellten Vergleichsmessungen ausgewählt. Das messtechnische Vorge-hen und die Funktionsprinzipien werden in weiterführenden Arbeiten beschrieben /8/, /12/.

Thermogravimetrische Verfahren

Elektrische Verfahren

Hygrometrische Verfahren

Optische Verfahren Infrarot-Reflexions-Verfahren

Luftfeuchte-Ausgleichs-Verfahren

Mikrowellen-Trocknung

Infrarot-Trocknung

Gefriertrocknung

Trockenschrank-Verfahren

Mesa: MM 55Pier-Electr.: Messkopf Typ 2

Schaller: Holzfeuchterechner

CEM: Smart System 5

Ultra-X: UX 2081Sartorius: MA 30Christ: Beta I

Memmert: 80 °C

Gruppe Hersteller/Messgerät

Memmert: 105 °C (Referenz)

KapazitiveVerfahren Arnold: FSV-G50-T-K-U

Liebherr: Litronic FMSMikrowellen-Verfahren hf-Sensor: Sonde Moist 200

Time-Domain-Reflecto-metrie Verfahren (TDR) Imko: Trime-GMC

Pandis: FMG 3000

Messverfahren

Abb. 1 In Vergleichsmessungen geprüfte Verfahren und Geräte für die Bestimmung des Wassergehalts von Holzhackschnitzeln

Zu den Schnellbestimmungsverfahren zählen im Wesentlichen die untersuchten Geräte von Schaller, hf-sensor, Imko und Pandis (für Einzelprobenbestimmung) sowie Liebherr, Arnold, Mesa und Pier (Bestimmung von fließenden Gütern). Die letztgenannten kommen gewöhnlich in der Prozesskontrolle und -optimierung in einem kontinuierlichen Gutstrom zum Einsatz. Im Versuch musste daher ein solcher Materialfluss durch einen speziellen Laboraufbau simuliert werden, wobei die Probe entweder über oder unter dem Messkopf geschwenkt wurde (vgl. /8/). Einige Schnellbestimmungssysteme waren bereits vorkalibriert, so dass der Wassergehalt direkt abgelesen werden konnte (Infrarot- und Mikrowellentrocknung, kapazitives Pandis- und Luftfeuchteausgleichsverfahren). Ande-re Verfahren mussten dagegen individuell kalibriert werden, um für Holzbrennstoffe einsetzbar zu sein (Mikrowellen-, TDR-, IR-Reflektometrie- Mesa/Pier, kapazitive Ar-nold/Liebherr-Verfahren). Für die erforder-liche Kalibrierung wurde eine einfache line-are bzw. multiple Regression durchgeführt, in der die Messwerte (d. h. die dimensions-losen Anzeigewerte) mit den Referenzwer-ten (d. h. Trockenschrankmessungen bei 105 °C) in Beziehung gesetzt wurden (Abb. 2) bzw. zusätzlich noch mit den parallel gemessenen Werten für die Schüttdichte korreliert wurden.

0

10

20

30

40

50

%

70

0 10 2Anze

Was

serg

ehal

t w(R

efer

enzm

essu

ng)

0 30 40 50igewert

A: Anzeigewert (dimensionslos)

Abb. 2 Beispiel für eine eindimensionale Kalibrierfunktion (Beispiel hier: Mesa) mit Bestimmtheitsmaß r² und Standardfehler s

w = -12,28 + 1,72 A r² = 0,97

s = 2,46

Bei den Messungen, für die insgesamt 43 verschiedene Proben von Holzhackschnit-zeln (Buche, Fichte und Pappel) als Prüfma-

- 4 -

terial verwendet wurden (verschiedene Waldbestände, unterschiedliche Trocknungsstadien, diverse Hacker), war die absolute Höhe der mittleren Abweichung bei den verschiedenen Schnellbestimmungsverfahren gegenüber der Referenzmethode (105 °C) relativ gering im Vergleich zur Streubreite (Abb. 3). Erwartungsgemäß wird bei 80 °C Trocknungstemperatur und auch bei der Gefriertrocknung im Mittel ein um etwa 0,6 bzw. 0,4 Prozentpunkte niedri-gerer Wassergehalt gemessen. Überraschend kommt es aber auch bei der Mikrowellen- und Infrarot-Trocknung im Median zu Abweichungen nach unten. Offenbar ist auch bei diesen Verfahren nicht mit einer erhöhten Freisetzung flüchtiger Bestandteile aus der Holztrocken-masse zu rechnen, da die Einwirkdauer hoher Temperaturen im Trocknungsgut begrenzt ist. Allerdings ist die Streubreite gerade bei den IR-Trocknern deutlich höher, was auch auf die (unvermeidlich) geringe und damit wenig repräsentative Probenmenge von maximal 12 (Sar-torius) bzw. 60 g (Ultra-X) zurückzuführen ist. Weitaus größere Schwankungen wurden aber bei den "zerstörungsfreien" Schnellbestimmungsverfahren beobachtet, wenngleich die Medi-ane der absoluten Abweichungen lediglich bei -2,3 bis +1,4 Prozentpunkten liegen (Abb. 3). Auffallend gute Ergebnisse lieferte das Infrarot-Reflexionsverfahren (Mesa), wobei hier of-fenbar auch die gerätetechnische Ausführung ausschlaggebend war (Anzahl und Art der ver-wendeten Wellenlängen, Empfindlichkeit des Detektors, Verwendung von Vergleichsstrahlen, verrechnete Anzahl Messwerte je Sekunde). Dies lässt sich anhand der Unterschiede zwischen den beiden geprüften IR-Messgeräten erkennen. Ähnlich positiv können die kapazitiven Ver-fahren beurteilt werden, bei denen das Arnold-Messsystem am erfolgreichsten abgeschnitten hat. Der Vergleich zu anderen kapazitiven Methoden wie dem Pandis-Messbehälter ist aller-dings problematisch, da dieser vom Hersteller speziell für Messungen an Holzhackschnitzeln vorkalibriert worden war und somit im Versuchsablauf nicht an die vorliegende Brennstoffba-sis angepasst werden konnte. Auch die Ergebnisse zu den übrigen kapazitiven und IR-reflektometrisch arbeitenden Geräten müssen vorsichtig interpretiert werden, da diese für ei-nen kontinuierlichen Gutstrom entwickelt wurden, der in den hier durchgeführten Labormes-sungen lediglich durch einen entsprechenden Versuchsaufbau nachempfunden werden konnte. Stationäre Labor- oder Vor-Ort-Schnelltestanwendungen sind aber – nicht zuletzt auch auf-grund der hier vorgestellten Ergebnisse – denkbar.

AnzahlWerte

-15

-10

-5

0

5

10

20

Abso

lute

Abw

eich

ung

%-punkte

Trocknungsverfahren für EinzelprobenSchnellbestimmungsverfahren

für kontinuierl. Gutstrom

-0,6 -0,4 -1,3-0,1

-1,3 -2,3-0,5 -1,0

0,11,4

0,3 0,1 -0,8

Kalibrierung unter Einbeziehung der Schüttdichte

42 12 8 43 43 15 43 85 27 42 43 43 41

Mikrow

elle -

hf-se

nsor

Trock

ensc

hrank

80 °C

Gefrier

trock

nung

Mikrow

ellen

trock

nung

- CEM

IR-Tr

ockn

ung -

Sartori

us

IR-Tr

ockn

ung -

Ultra

-X

Umgebu

ngsfe

uchte

- Sch

aller

TDR - Imko

kapa

zitiv

- Pan

dis

kapa

zitiv

- Lieb

herr

kapa

zitiv

- Arno

ld

IR-R

eflex

ion - M

esa

IR-R

eflex

ion - P

ier*

Minimum

25. Perzentil

Median

75. PerzentilMaximum

* * *

*

Abb. 3 Abweichungen der Einzelmessungen des Wassergehaltes (bez. auf Gesamtmasse) gegenüber dem Referenzverfahren (Trockenschrank bei 105 °C)

- 5 -

Anders als die vorgenannten Geräte ist das Umgebungsfeuchte-Messverfahren für die meisten Biomasse-Brennstoffe nicht einsetzbar, obgleich die Messgenauigkeit im Versuch ver-gleichsweise hoch war (Bild 3). Das Verfahren ist aber nur für den Messbereich bis 14 % Wassergehalt geeignet und kommt somit vor allem für die Prüfung von Pellets jedoch nicht für Holzhackschnitzel in Frage.

Die in Abb. 3 dargestellten Extremwerte wurden vor allem im Hochfeuchtebereich ab 35 % Wassergehalt gemessen; sie gingen dagegen im Niedrigfeuchtebereich (bis 20 %) häufig nicht über ±2 Prozentpunkte hinaus. Eine weitergehende Betrachtung der Einzelergebnisse findet sich bei /8/.

3.1.2 Scheitholz

Im Vergleich zu den Schnellbestimmungsmethoden von Holzhackschnitzeln sind die Mög-lichkeiten der Wassergehaltsbestimmung bei Scheitholz begrenzt. Am häufigsten werden hierfür Geräte angeboten, bei denen der Wassergehalt als Funktion der elektrischen Leitfähig-keit bestimmt wird. Die Messbereiche der Geräte reichen aber häufig nicht über den Fasersät-tigungspunkt (ca. 19 bis 25 % Wassergehalt) hinaus, da darüber kaum noch ein Zusammen-hang zwischen dem Wassergehalt und dem elektrischen Widerstand des Prüflings besteht. Dies spiegelt sich auch in den durchgeführten Vergleichsmessungen wider (Abb. 4). Bei allen Messgeräten wurden mit zunehmendem Wassergehalt (bereits ab ca. 20 %) erhebliche Ab-weichungen zur Referenzmethode beobachtet. Daher geben die meisten Hersteller den zuläs-sigen Messbereich auch nur mit maximal ca. 30 % Wassergehalt an. Lediglich ein Gerät (Gann) ist nach Herstellerangaben bis 50 % Wassergehalt einsetzbar; die Messgenauigkeit ist in diesem Bereich jedoch unakzeptabel gering. Diese Einschätzung wird auch durch in der Literatur berichtete Messwerte bestätigt /2/, /6/. Generell führt die Schnellbestimmung des Wassergehalts von Scheitholz offenbar tendenziell zu einer Unterschätzung dieses Parame-ters, so dass bezüglich der Einsatztauglichkeit bzw. der Genauigkeit der Kalibrierung Zweifel angebracht sind.

AnzahlWerte

-40-35-30-25-20-15-10-50

10

Abso

lute

Abw

eich

ung

%-punkte

Ahlborn

- kap

azitiv

Ahlborn

- Leit

fähigk

eit

Testo

- elek

tr. W

iderst

and

Gann -

Einsch

lag-E

lektro

de

Gann -

Ram

m-Elek

trode

Gann -

Einsch

lag-E

lektro

de

Gann -

Ram

m-Elek

trode

37 29 37 47 46 18 18

geringer Wassergehaltw < 30 %

hoher Wassergehaltw = 30 bis 50 %

-4,8 -5,2 -3,7 -3,9

0,70

-21,1

-10,6

37 29 37 47 46 18 18

Abb. 4 Vergleich verschiedener Schnellbestimmungsgeräte für den Wassergehalt von Scheit-holz. Abweichung zum Referenzverfahren (Trockenschrank 105°C) für Scheitholz (Fichte, Buche)

- 6 -

3.2 Größenverteilung von Hackschnitzeln

Bei der Definition von Qualitätsklassen – wie sie z. B. in der österreichischen Norm für Holz-hackschnitzel festgelegt wurden (vgl. /14/) – werden oft bestimmte Maximalwerte für die Korngrößenzusammensetzung vorgegeben. Um die Mengenanteile einzelner Korn- oder Teil-chengrößen in einer Probe bestimmen zu können, ist es erforderlich, die jeweiligen Fraktionen separat abzutrennen und anschließend deren Trockenmasse zu bestimmen. Für diese Abtren-nung werden üblicherweise Siebe verwendet. Zur Mechanisierung der Messung werden dafür meist mehrere flache Siebe übereinander gestapelt und mit einer definierten Amplitude und Drehzahl horizontal geschwenkt bzw. geschüttelt. Bei diesem Verfahren handelt es sich um das sogenannte Plansieb- oder Plansichterverfahren (Abb. 5); das messtechnische Vorgehen ist in der DIN 66165 geregelt /4/.

Im praktischen Einsatz mit biogenen Festbrennstoffen haben sich allerdings verschiedene Nachteile herausgestellt; hierzu zählt die Tatsache, dass die größte Lochweite sich stets im oberen Siebboden befindet, so dass der größte Teil des Probenmaterials dieses Sieb und meist auch das Darauffolgende erst passieren muss, bevor es auf den "richtigen" Boden gelangt. Damit sind zwangsläufig nicht nur hohe Durchlaufzeiten verbunden; die Tatsache, dass die größeren Löcher zu Beginn der Siebung passiert werden müssen bewirkt auch, dass längliche senkrecht zugeführte Teilchen häufig durch die Löcher hindurch auf den nächsten oder sogar übernächsten Siebboden gelangen und so das Ergebnis verfälschen. Diese überlangen Teil-chen müssen dann aufwändig von Hand abgelesen und der korrekten Fraktion individuell zu-geordnet werden.

Diese Nachteile sollen durch Anwendung eines Trommelsiebverfahrens (Abb. 5) vermieden werden. Hierbei besteht der Vorteil, dass sich die Abscheidereihenfolge gegenüber den Plan-siebmaschinen umkehrt; die feinen Teilchen werden nunmehr zuerst abgeschieden. Lange und dünne Teilchen gelangen somit seltener in die falsche Korngrößenklasse. In einem laufenden Versuchsprogramm an der Landtechnik Weihenstephan werden die wichtigsten Einflussgrö-ßen auf das Siebergebnis auch im Vergleich zur Plansichtermethode untersucht. Hierfür wird ein funktionsgetreuer Nachbau einer in Dänemark (vgl. /11/) entwickelten Rotationssiebma-schine verwendet.

Abb. 5 Schematische Darstellung der Funktionsweise von Siebeinrichtungen für die Be-stimmung der Größenverteilung von Schüttgütern

- 7 -

3.3 Rohdichte (Einzeldichte)

Die Rohdichte ("envelope density") eines Körpers wird gelegentlich mit der Reindichte ("ske-leton density") verwechselt. Bei Letzterer geht das äußere Volumen abzüglich des Porenvolu-mens (d. h. der Hohlräume) in die Dichteberechnung mit ein. Diese Reindichte ist beispiels-weise bei porösen Körpern interessant, bei denen die Dichte des eigentlichen Aufbaumaterials bestimmt werden soll. Bei der Rohdichtebestimmung wird dagegen das Porenvolumen mit einbezogen, so dass nur die äußere Hülle des Körpers ("envelope") berücksichtigt wird.

Somit errechnet sich die Rohdichte eines Körpers aus dem Quotienten von Masse und Volu-men einschließlich Porenraum. Während die Massebestimmung keine Schwierigkeiten berei-tet, ist die Messung des Volumens – insbesondere von unregelmäßigen Körpern – mit einigen Problemen und Fehlerquellen behaftet. Als praktikable Möglichkeiten für die Dichtebestim-mung von biogenen Festbrennstoffen kommen vor allem die nachfolgenden in der Praxis an-gewendeten Verfahren in Frage (Abb. 6):

– Auftriebsmessung, d. h Bestimmung des vom Prüfkörper in einer Flüssigkeit verursach-ten Auftriebs,

– Flüssigkeitsverdrängung, d. h. Volumenbestimmung durch die vom Körper verdrängte Flüssigkeit,

– Feststoffverdrängung, d. h. Volumenbestimmung durch ein vom Körper verdrängtes pul-verförmiges Medium,

– Stereometrie, d. h. Bestimmung des Volumens aus den geometrischen Abmessungen des Körpers.

Volumenbestimmungsverfahren

Auftriebsmessung bzw.Flüssigkeitsverdrängung

Feststoff-verdrängungStereometrie

Mit Netz- bzw. Hilfsmittelnz. B.• Tenside• Ultraschall

Imprägnierungdes Prüflingsz. B. durch• Paraffin• Celloidin• Klarlack• Plastikfolie• Holzwachs

in hydrophoben Medienz. B. • Quecksilber• Petroleum• Benzol• Toluol• Dekalin• Aceton• Alkohol• Glycerin• Dichlormethan

in Wassermit pulverförmigen Medienz. B. "DryFlo"

Berechnung nach den

Abmessungen (bei regelmäßigen

Körpern)

Abb. 6 Verfahren zur Volumenbestimmung im Rahmen der Rohdichtebestimmung bei bio-genen Festbrennstoffen

In umfangreichen Messserien mit verschiedenen Brennstoffarten (u. a. verschiedene Holz- und Halmgutpellets, Briketts, Holz etc.) wurden die verschiedenen Messprinzipien und Durchführungsvarianten im Rahmen eines laufenden Forschungsprojektes /9/ verglichen. Ne-ben dem feststoff-pyknometrischen und dem stereometrischen Verfahren kam vor allem die Auftriebsmessung in Wasser zum Einsatz (Abb. 7). Dabei wurden verschiedene Imprägnie-rungen gegen das Eindringen des Wassers in den Prüfkörper verwendet (Klarlack, Holzwachs, Paraffin). Zur Minderung der Bläschenbildung am Prüfkörper wurden außerdem neben rei-

- 8 -

nem Wasser ("ohne alles") auch Benet-zungsmittel (1, 2 bzw. 10 %) und Ultra-schallwellen eingesetzt. Die Ergebnisse werden am Beispiel von Holzpellets (6 mm Durchmesser) in Abb. 8 dargestellt. Die angegebenen Mittelwerte und Abweichun-gen stellen Mittelwerte für jeweils 3 Pellet-sorten à 50 Einzelmessungen dar.

Abb. 7 Messaufbau für die Rohdichte-bestimmung nach dem Auftriebsverfahren (nach Sartorius)

Wenngleich aufgrund fehlender Standard-probenkörper bzw. einer fehlenden Refe-renzmethode eine endgültige Bewertung schwierig ist, legen die Ergebnisse den Schluss nahe, dass die Verwendung von Imprägnierungsmitteln und Benetzungsmit-teln im Wasserbad sinnvoll ist. Der Verzicht auf solche Hilfsmittel und auch die stereo-metrische sowie die feststoff-pyknometri-sche Messung führt dagegen offenbar ten-denziell zu einer Überschätzung des Volu-mens und somit zu einem geringeren Roh-dichtewert. Beim Benetzungsmittel führen steigende Konzentrationen zu höheren gemessenen Dichten.

rela

tive

Abwe

ichu

ng

%

Geo Pyc

(4er-

Gruppe

n)

ohne

alles

- Sart

orius

ohne

alles

Stereo

metrie

(4er-G

r.)

Stereo

metrie

(einz

eln)

ohne

alles

(V)

Netzmitte

l 1 %

Netzmitte

l 2 %

(einz

eln)

Paraffin

Netzmitte

l 2 %

(4er-

Gr.)

Klarlac

k/Netz

mittel 2

%

Paraffin

/Netzmitte

l 2 %

Holzwac

hs/Netz

m. 2 %

Ultrasc

hall

Netzmitte

l 10 %

86889092949698100102104106

110

Gesamtmittelwert (theoretisch)

95,5 95,8 95,896,5 96,9

99,199,6

101,3 101,4102,0 102,1

102,6 102,7

104,4 104,5

Abb. 8 Vergleich verschiedenerer Messverfahren und Hilfsmittel (Imprägnierung, Netzmittel Ultraschall-Wasserbad) bei der Dichtebestimmung bei drei verschiedenen Holzpelletarten (je 50 Messungen, insgesamt 150 Werte pro Variante). Alle Varianten nach dem Auftriebsmess-prinzip, außer Feststoffverdrängung und Stereometrie

- 9 -

3.4 Schüttdichte

Die Schüttdichte wird berechnet aus dem Quotienten der Masse des in einen Behälter geschüt-teten Brennstoffs und dem Füllvolumen des Behälters. Das Messergebnis ist dabei abhängig vom Wassergehalt, der Holzart, der Form der Teilchen, deren Größenverteilung und der Ver-dichtung im Messbehälter. In der Regel wird die Schüttdichte im wasserfreien Zustand ange-geben.

Die Bestimmung der Schüttdichte erfolgt bislang nach DIN 51705 /5/, deren Überarbeitung seit März 2000 im Entwurf vorliegt. Diese Norm wurde hauptsächlich für Kohlebrennstoffe entwickelt; mit Biomassebrennstoffen liegen derzeit noch keine belastbaren Erfahrungen vor. Für die Bestimmung wird ein leerer würfelförmiger Behälter aus Holz oder Metall (Volumen: 0,2 m³, Kantenlänge je 585 mm) verwendet. Speziell für hochverdichtete Presslinge wird auch nach einer anderen Norm, dem ASAE-Standard S269.4 /1/, vorgegangen. Hierbei ist ein zylinderförmiger Behälter mit den Innenmaßen von 380 mm Durchmesser und 495 mm Höhe (56,15 l) vorgeschrieben (Abb. 9).

Abb. 9 Normbehälter für die Schüttdichtebestimmung von Festbrennstoffen

Eine Verringerung der Größe des Messbehälters führt tendenziell zu erhöhten Messfehlern. Messreihen mit dem ASAE-Behälter (56,15 l) sowie einem auf etwa ein Viertel proportional reduzierten Behältervolumen (14,85 l) zeigen, dass dies insbesondere bei den Holzbrenn-stoffen mit grober Struktur der Fall sein kann; vorläufige Messergebnisse belegen, dass eine solche Messbehälterverkleinerung zu einem um ca. 3 % verringerten Dichtewert bei Grob-hackschnitzeln (bis ca. 10 cm Kantenlänge) führt, während bei Holzpellets (6 mm Durchmes-ser) keine Messdifferenzen sichtbar werden. Weitere Vergleichsmessungen werden derzeit an der Landtechnik Weihenstephan durchgeführt.

3.5 Abriebfestigkeit von Presslingen

Die Abriebfestigkeit hat sich in der Vergangenheit als eine wichtige Messgroße für die Güte von Holzpresslingen erwiesen, da sie die Staubbelastung beim Umschlag und bei der Einlage-rung des Brennstoffs beeinflusst. Sie wurde daher beispielsweise auch in den Anforderungs-katalog für Holzpellets nach der Önorm M 7135 (Entwurf) aufgenommen /15/.

Zur Prüfung wird in der Holzpellet-Praxis ein Messprinzip eingesetzt, bei dem das Prüfgut einer definierten mechanischen Beanspruchung ausgesetzt wird. Dazu werden hauptsächlich zwei Verfahren eingesetzt, der Pellettester nach Pfost (auch beschrieben in ASAE Standard S269.4 /1/) und der Lignotester (Tabelle 1).

- 10 -

Beim ASAE-Verfahren wird eine abgesiebte und gewogene Probe in einem geschlossenen quaderförmigen Kasten gedreht. Eine gesiebte Probe von 500 g Pellets (ohne Feinmaterial) wird dabei über eine Dauer von 10 Minuten bei 50 U/min bearbeitet. Als Abrieb wird der Massenanteil bezeichnet, der nach diesem Vorgang durch ein Sieb fällt, welches die gleiche Maschenweite besitzt wie bei der Bestimmung des Feinanteils.

Beim Lignotester wird dagegen eine mit ca. 100 g deutlich geringere Probenmenge eingewo-gen und während einer bestimmten Messdauer und bei bestimmten Förderdruck (z. B. 60 Sek. 70 mbar, vgl. /15/) in einem Luftstrom verwirbelt. Das geschieht in einer perforierten Kam-mer in der die Pellets pneumatisch gegen eine metallische Prallplatte geschleudert werden; der Abrieb wird dabei durch die Perforation kontinuierlich entfernt. Wie beim ASAE-Verfahren wird auch hier die verbliebene Probe (ohne Feingehalt und Staub) zurückgewogen; das Ergebnis in Prozent der Ausgangsmasse stellt den Messwert für die Abriebfestigkeit dar. Der Vorteil dieses Verfahrens liegt u. a. in dem geringen Zeitbedarf.

Vergleichsuntersuchungen zwischen den dargestellten und anderen Testverfahren zeigen, dass sich die gemessenen Werte gut ineinander überführen lassen /16/, wenn für die betrachteten Pelletarten entsprechende Versuchsreihen durchgeführt wurden. Unklarheit besteht jedoch noch hinsichtlich der Vergleichbarkeit der Werte bei verschiedenen Pelletgrößen oder -formen. Für Briketts sind die dargestellten Verfahren nicht geeignet.

Tabelle 1 Prüfverfahren für die Bestimmung der Abriebfestigkeit von Pellets (nach /15/, /16/)

ASAE Verfahren (nach Pfost)

Lignotester

Art der Pellet-behandlung:

Rotation in quaderförmiger Kiste

Pneumatische Verwirbelung in Prall-kammer

Messkonstanten: 50 U/min 70 mbar Förderdruck

Dauer der Belas-tung:

10 Min 1 Min

Probenmenge: 500 g 100 g

3.6 Brückenbildungsneigung

Bei der Entnahme aus Silos oder Tagesvorratsbehältern kann es zur Bildung von Hohlräumen (Brücken) kommen, die dazu führen, dass der Brennstoff nicht mehr in die darunter liegenden Förderaggregate nachrutscht.

- 11 -

Die Brückenbildungsneigung ist ein seltener Untersuchungsparameter, daher existiert derzeit noch keine standardisierte Prüfmethode. Ein mögliches Messverfahren wurde in Schweden entwickelt; dabei wird eine quaderförmige Kiste, die mit einem stufenlos aufschiebbaren Bo-den ausgestattet ist, in definierter Weise befüllt. Ab einer bestimmten Öffnungsweite des Bo-denschlitzes bildet sich ein durchgehender Fallschacht aus, der als Maß für die Brücken-bildungsneigung gilt (Abb. 10).

Die Brückenbildungsneigung biogener Festbrennstoffe nimmt mit dem Wassergehalt, der Schütthöhe und vor allem mit dem Anteil verzweigter oder überlanger Teilchen zu. Gleich-mäßige Partikelgrößen und glatte Oberflächen (z. B. Pellets, rindenfreies Hackgut) vermin-dern dagegen das Brückenbildungsrisiko /13/. Eine nachträgliche Sortierung zum Erreichen gleichmäßigerer Materialeigenschaften führt somit zu einer deutlichen Verbesserung bei die-sem Parameter. Weitergehende Untersuchungen über die Einflussgrößen für die Brückenbil-dungsneigung werden derzeit in Dänemark mit einem identischen Prüfgerät durchgeführt /11/.

Abb. 10 Bestimmung der Brückenbildungsneigung in einem schwedischen Prüfstand /13/

4 Schlussfolgerungen

Für Kohlebrennstoffe teilweise existierende nationale Normen sind nicht immer problemlos auf biogene Festbrennstoffe anwendbar. Das zeigt sich unter anderem bei der Wassergehalts-bestimmung im Labor. Bei den Schnelltestanwendungen stehen vielversprechende zum Teil aber noch nicht ausreichend an die Materialeigenschaften von Biomasse angepasste Mess-techniken zur Verfügung. Das gilt vor allem für Holzhackschnitzel, weniger jedoch für die Anwendung mit Scheitholz.

Bei der Bestimmung der physikalischen Eigenschaften von Biomasse-Festbrennstoffen sind eine Vielzahl von Verfahren und Messtechniken parallel gebräuchlich. Einheitliche Vorge-hensweisen sind erst mit der Einführung von internationalen Prüfnormen möglich; mit deren Ausarbeitung wurde inzwischen begonnen. Allerdings sind für die Festlegung solcher nor-mierter Prüfverfahren noch umfangreiche (internationale) Forschungs- und Entwicklungsar-beiten erforderlich.

- 12 -

5. Literatur /1/ American Society of Agricultural Engineers (Hrsg.): ASAE Standard S269.4 (Cubes, Pellets

and Crumbles - Definitions and Methods for Determining Density, Durability and Moisture Content); American Society of Agricultural Engineers (ASAE), St. Joseph, MI, USA, 1991

/2/ Böhner, G., Wagner, L.; Säcker, M.: Elektrische Messung hoher Holzfeuchten bei Fichte. Holz als Roh- und Werkstoff 51 (1993), S. 163-166

/3/ Deutsches Institut für Normung (Hrsg.): DIN 51718 (Feste Brennstoffe - Bestimmung des Wassergehaltes und der Analysenfeuchtigkeit). Deutsches Institut für Normung, Beuth Verlag GmbH, Berlin, 1995, 3 S.

/4/ Deutsches Institut für Normung (Hrsg.): DIN 66165 (Partikelgrößenanalyse: Siebanlyse – Durchführung). Deutsches Institut für Normung e.V. (Hrsg.), Beuth Verlag, Berlin, 1987

/5/ Deutsches Institut für Normung (Hrsg.): DIN 51705 (Prüfung fester Brennstoffe - Bestim-mung der Schüttdichte (Entwurf der überarbeiteten Fassung)). Deutsches Institut für Nor-mung, Beuth Verlag, Berlin, 2000

/6/ Du, Q.P.; Geissen, A.; Noack, D.: Die Genauigkeit der elektrischen Holzfeuchtemessung nach dem Widerstansprinzip. Holz als Roh- und Werkstoff 49, 1991, S. 1-6

/7/ Hartmann, H.; Böhm, T.; Maier, L.: Naturbelassene biogene Festbrennstoffe – Umweltrele-vante Eigenschaften und Einflussmöglichkeiten. Bayerisches Staatsministerium für Landes-entwicklung und Umweltfragen (Hrsg.), München, 2000, Reihe "Materialien", Nr. 154

/8/ Hartmann, H.; Böhm, T.: Rapid Moisture Content Determination of Wood Chips – Results from Comparative Trials. In: Proceedings 1st World Conference on Biomass for Energy and Industry, 5-9 June 2000 in Sevilla, Spain (in press).

/9/ Hartmann, H.; Böhm, T.; Maier, L.: Laufende Untersuchungen im Rahmen des Forschungs-projektes "Voraussetzungen zur Standardisierung biogener Festbrennstoffe (97NR055) der Bundesfachagentur für Nachwachsende Rohstoffe (FNR), Abschluss: Herbst 2002.

/10/ Kaltschmitt, M; Hartmann, H. (Hrsg.): Energie aus Biomasse – Grundlagen, Techniken und Verfahren, Springer, Berlin, 2001, 770 S.

/11/ Kofman, P.: Research Programme 2000 of the Danish Centre for Forest, Landscape and Plan-ning, Vejle, Dänemark

/12/ Kupfer, K. et al: Materialfeuchtemessung. Kontakt & Studium, Expert-Verlag, Renningen-Malmsheim, 1997, 395 S.

/13/ Mattsson, J.E.: Basic Handling Characteristics of Wood Fuel: Angle of Repose, Friction Against Surfaces and Tendency to Bridge Building for Different Assortments; Scand. J. For. Res. 1990, 5, S. 583-597

/14/ ÖNORM M7133: Energiehackgut, Anforderungen und Prüfbestimmungen. Österreichisches Normungsinstitut, Wien, Austria, 1988.

/15/ ÖNORM M7135 (Entwurf): Presslinge aus naturbelassenem Holz oder naturbelassener Rinde. Anforderungen und Prüfbestimmungen. Österreichisches Normungsinstitut, Wien, Austria, 2000 (Gründruck).

/16/ Winowiski, T.: Zur Pellet-Qualitätsmessung. Die Mühle + Mischfuttertechnik, 136 (4), 1999, S. 113-114