Anlagenkonzepte zur Kraftstoffbereitstellung

Die analysierte Referenzanlage zur Bio-SNG Produktion basiert aus technologischer Sicht auf der am Standort Güssing installierten Demonstrationsanlage. Die Technologie wurde auf eine kommerzielle Anlagengröße und an einen kommerziellen Anlagenbetrieb übertragen. Die Analyse wurde mit Hilfe eines auf der Basis der Software MATLAB® Simulink entwickelten Fließschemasimulationsprogramms durchgeführt.

Um die Stoff- und Energiebilanzen für eine Ethanolanlage abzuschätzen, wurde eine Konzeptstudie einer Anlage erstellt und eine Prozesssimulation durchgeführt. Die Prozessdaten beruhen auf Literaturwerten und eigenen Analysen. Das Referenzkonzept wurde so dimensioniert, dass sich eine Ethanolproduktion von 38.000 t/a und somit der Produktionskapazität einer kleinen Ethanolanlage auf Zucker- oder Stärkebasis ergibt. Aufgrund der Herausforderungen bei der Strohlogistik und der noch jungen Technologie, erscheint dies derzeit als realistische Dimension für einen Einstieg in die industrielle Produktion von Ethanol aus Stroh.

Als Anlagenkonzept zur BtL-Produktion (Biomass to liquid) wurde das vom KIT entwicklelte bioliq®-Konzept vorgestellt, welches den Einsatz von Stroh vorsieht. Als Modellanlage dient ein skaliertes Modell aus Veröffentlichungen des KIT sowie aus dem EU-Vorhaben RENEW entsprechend adaptiert auf die Produktion von FT-Diesel (Fischer Tropsch).

Leistungsbereich von 30-50 kW in pelletierter Form vorliegen.

Für den Einsatz von Strohpellets in Kleinfeuerungsanlagen von 30-50 kW wird eine Pelletieranlage mit einer Produktionskapazität von 20.000 – 40.000 t/a in Betracht gezogen werden, da dies der typischen Jahresleistung einer Pelletierlinie bei der Holzpelletierung entspricht. Neben den kleinen bis mittleren Pelletwerken mit nur einer Produktionsschiene, könnten auch Großproduzenten von Holzpellets diese Jahresdurchsätze realisieren, indem sie eine der Pelletpressen für die Strohpelletierung nutzen. Als Basis für eine Referenzanlage bildet eine Pelletpresse mit einem Durchsatz von etwa 40.000 t/a. Hierbei handelt es sich um eine Ringmatrizenpresse mit einer elektrischen Anschlussleistung von 330 kW.

Zunächst muss der Strohballen mittels Ballenauflöser in einen kontinuierlichen Materialfluss überführt werden. Danach erfolgt eine grobe Häckslung mit anschließender Feinzerkleinerung mit Hilfe von Schneidmühlen. Der Zerkleinerungsgrad ist zum einen abhängig vom gewählten Pelletdurchmesser - für 6 mm Pellets wird das Material üblicherweise < 4 mm zerkleinert [103]. Zum anderen ist die entstehende Korngrößenverteilung für optimale formschlüssige Bindungen in Pellets verantwortlich. Ein weiterer entscheidender Parameter ist der Wassergehalt der Strohfaser. Zur optimalen Einstellung wird das Stroh in einem Mischer durch Zugabe von Wasser oder Dampf auf einen Wassergehalt von etwa 14 Ma.-%

konditioniert. Im Anschluss daran gelangt das vorbehandelte Material in die Pelletpressen. Entscheidend ist hierbei das optimale Pressverhältnis (Durchmesser der Matrizenbohrungen zu Länge des Presskanals), welches für halmgutartige Biomassen größer als für die Pelletierung von Holz sein sollte, um entsprechende Pelletqualitäten zu erreichen. Der produktionsbedingte Feinanteil wird abgesiebt und zurückgeführt. Nach der Pelletierung können die erzeugten Pellets Temperaturen von 80 – 130 °C aufweisen [103],[13]. Durch die anschließende Kühlung, zumeist nach dem Gegenstromprinzip, wird die Form- und Lagerstabilität der Strohpellets noch erhöht. Nach der Kühlung werden die fertigen Strohpellets entweder automatisch in Säcken von 15 – 25 kg, Big Bags von etwa 650 kg verpackt oder in Silos bzw. Hallen gelagert und stehen dem Einsatz in Kleinfeuerungsanlagen zur Verfügung. Der schematische Aufbau der beschriebenen Strohpelletieranlage ist mit den wesentlichen Stoff- und Energieströme in Abbildung 37 dargestellt.

Abbildung 37: Schematische Darstellung der Strohpelletieranlage (FSP=Frischsubstanz Pellets)

Anlagenkonzept Pelletskessel

Anlagen dieser Leistungsklasse haben eine minimale Größe von 30 kWFWL, da aufgrund der zum Teil schwierigen Brennstoffeigenschaften technische Einbauten berücksichtigt werden müssen, die in kleineren Leistungsgrößen wirtschaftlich nicht darstellbar sind. Typische Anwendungsgebiete sind der Einsatz in Mehrfamilienhäusern oder landwirtschaftlichen Gebäudekomplexen zur Deckung des Wärmebedarfs. Hierbei sollten die Vollbenutzungsstunden der Anlage im monovalenten Betrieb 2.500 h/a jedoch nicht unterschreiten. Die ausgewählte Referenzanlage kann für diese Anlagengröße als typisch angenommen werden, wobei die anlagenspezifischen Kennzahlen dem Prüfbericht einer Pelletfeuerung entnommen wurden. Es ist jedoch zu berücksichtigen, dass bei dieser Prüfung aufgrund fehlender Pelletnormen für Strohpellets normierte Holzpellets verwendet wurden [97]. Die Anlage ist jedoch nach Herstellerangaben auch für den Einsatz von Agropellets geeignet [98].

Bei der betrachteten Referenzanlage handelt es sich um einen Kessel mit einer Leistung von 40 kW_FWL, der laut Herstellerangaben für den Einsatz von Holzpellets, Hackgut, Miscanthuspellets und Briketts sowie Strohpellets und Energiekorn geeignet ist. Der Brennstoff wird aus einem entsprechend großen Vorratsbehälter bzw. -bunker mittels Raumaustragsschnecke über eine Brandschutzklappe und Einschubschnecke der Brennkammer des Kessels zugeführt. In der ausschamottierten Brennkammer erfolgt der Ausbrand des Brennstoffes und der Verbrennungsgase unter getrennter Primär- und Sekundärluftzugabe. Die Primärluft wird dabei über die Rostbohrungen und die Sekundärluft durch radiale Öffnungen am Brennkammeraustritt zugeführt. Um eine Verschlackung des Brennstoffes zu verhindern, wird dieser über einen beweglichen Stufenrost kontinuierlich bis zum Aschekasten bewegt.

Die heißen Abgase treten oberhalb der Brennkammer in den dreizügigen Rohrwärmeübertrager ein, indem die Erwärmung des Kesselwassers erfolgt.

Abbildung 38: Schematische Darstellung des Pelletskessels

Anlagenkonzept Heizwerk (400 kWFWL)

Die energetische Nutzung von Stroh zur Erzeugung von Wärmeenergie durch eine Feuerungsanlage mittlerer Leistung stellt ein weiteres Konversionskonzept für den Brennstoff Stroh dar. Die typische Anwendung dieser Anlagengröße liegt in der Beheizung von kleinen Wohngebieten, kommunalen Einrichtungen, in der Landwirtschaft oder aber in der Nutzung der Prozesswärme. Oft wird diese Anlagengröße zur Deckung der Wärmegrundlast in einem Heizwerk vorgesehen und daher bivalent betrieben. Die analysierte Referenzanlage basiert auf einer kommerziell erhältlichen Feuerungsanlage eines dänischen Herstellers. Die Nennleistung dieser Anlage beträgt 400 kW. Die daraus resultierenden Massen- und Energiemengen wurden unter Annahme eines üblichen Nutzungskonzeptes dieser Anlage im bivalenten Betrieb in einem Heizwerk bei einer Vollbenutzungsstundenzahl von 2.500 h/a ermittelt.

Dieser Anwendungsfall ist charakteristisch für die Nutzung der entstehenden Wärmeenergie in einem Nahwärmenetz zur Beheizung eines nahegelegenen Wohngebietes.

Die Brennstoffförderung der Strohballen zur Feuerungsanlage erfolgt über ein Förderband mit anschließender Ballenzerkleinerung. Das zerkleinerte Stroh wird zur Abtrennung der feinen Strohpartikel pneumatisch durch einen Zyklon transportiert. Die Brennstoffdosierung der Strohhäcksel in den Brennraum des Kessels erfolgt mittels einer Stokerschnecke. Danach wird das Strohhäcksel unter Zugabe von Verbrennungsluft oxidiert. Das durch die exotherme Reaktion gebildete heiße Abgas erhitzt das in den Wärmeübertrager strömende Kesselwasser. Die dadurch gewonnene Wärmeenergie kann somit in ein angeschlossenes Nahwärmenetz übertragen und dem Verbraucher zur Verfügung gestellt werden. Zur Einhaltung der vorgeschriebenen Emissionsgrenzwerte wird das entstandene Abgas durch einen Zyklon und anschließend durch einen nachgeschaltetem Schlauchfilter gereinigt und somit ein Großteil der bei der Verbrennung gebildeten Staubpartikel abgeschieden werden (< 50 mg/m³ (i.N., 11 Vol.-% O₂)). Die im Brennraum entstandene Asche wird automatisch über eine Förderschnecke in einen Aschenbehälter gefördert. Die wesentlichen Stoff- und Energieströme für das vorgestellte Anlagenkonzept sind in Abbildung 39 dargestellt.

Abbildung 39: Verfahrensschema Strohfeuerungsanlage

5.3.2 Anlagenkonzepte zur Strom- bzw. KWK-Bereitstellung Anlagenkonzept Heizkraftwerk

Eine weitere Möglichkeit der energetischen Nutzung von Stroh ist die gekoppelte Erzeugung von Strom und Wärme in einem Heizkraftwerk (HKW). Der Vorteil der Kraft-Wärme-Kopplung ist die höhere Brennstoffausnutzung, da nicht wie bei alleiniger Stromerzeugung die überschüssige Wärme an die Umgebung abgegeben wird, sondern zu Heizzwecken bzw. als Prozesswärme genutzt werden kann. Dies kann sich besonders positiv auf die ökologische aber ökonomische Bilanz einer solchen Technologie im Vergleich zu der getrennten Erzeugung von Wärme oder Strom in herkömmlichen Anlagenkonzepten auswirken. Deshalb wurde die KWK-Kopplung durch die Verbrennung von Stroh in einem Heizkraftwerk als ein weiterer Konversionspfad für den biogenen Festbrennstoff Stroh betrachtet. Die Daten zur Methodik und Datenbasis sowie eine Kurzbeschreibung der ausgewählten Referenzanlage sind im folgenden Abschnitt aufgeführt.

Die analysierte Referenzanlage steht am Standort Rudkøbing in Dänemark. Diese Anlage wurde bereits im Jahr 1990 installiert und wird seitdem kontinuierlich betrieben. Die Feuerungswärmeleistung dieser Anlage beträgt 11,2 MW. Jedoch muss dazu gesagt werden, dass die verwendete Datenbasis nur eine Momentaufnahme darstellt, da dynamische Parameter, wie z. B. Brennstoffqualität, Anlagenstandzeit und vor allem ein veränderlicher Wärmebedarf, einen direkten Einfluss auf die angegebenen Prozessgrößen haben.

Die einzelnen Prozessschritte der analysierten Referenzanlage sind in Abbildung 40 schematisch dargestellt. Im ersten Abschnitt erfolgt die Brennstoffbeschickung durch ein automatisches Kransystem und anschließender Zerkleinerung der Quaderballen in einem Ballenauflöser. Die Strohhäcksel werden danach über einen pneumatisch betriebenen Kolben in den Brennraum des Kessels gefördert. Dort wird das Stroh auf einem wassergekühlten Schüttelrost, welcher modular aufgebaut ist, verbrannt. Der dadurch entstehende Abgasvolumenstrom erhitzt nach dem Durchströmen der Nachbrennkammer das in

Rostasche kann ggf. als Düngemittel in der Landwirtschaft genutzt werden.

Abbildung 40: Verfahrensschema Strohheizkraftwerk

Anlagenkonzept Biogas

Das Schema der konzipierten Anlage ist in Abbildung 41 dargestellt und gibt einen Überblick über den Prozessablauf. Die Substrate entstammen unterschiedlichen Quellen und müssen verschiedenen Aufbereitungsverfahren unterzogen werden. Die Rindergülle kann in bestehenden Lagerbehältern des viehhaltenden Betriebes zwischengelagert werden und bedarf keiner gesonderten Aufbereitung im Vorfeld der Vergärung. Das Stroh wird auf dem Feld zu Ballen gepresst und so zur Biogasanlage transportiert. In dieser Art kann es, vor Witterungseinflüssen geschützt, zwischengelagert werden.

Kleegras wird als frische Pflanze geerntet und muss siliert werden, um es ganzjährig nutzen zu können.

Aufgrund des für die Silierung sehr geringen TS-Gehaltes des Klees (16 %), sollen Strohhäcksel eingearbeitet werden. Um das Stroh als Häckselgut nutzen zu können, werden die Strohballen mittels Radlader o. ä. in einen Ballenauflöser gegeben, vorzerkleinert und anschließend per Förderschnecke in

Häcksellänge. Durch das Zumischen und Mitsilieren des Strohs sollen Sickersäfte gebunden und das Stroh durch Einweichen/Wässern weiter aufgeschlossen werden. Gegebenenfalls muss dann der Zuckergehalt noch mit Hilfe von Melasse erhöht und die Silierung mit weiteren Maßnahmen optimiert werden. Der Silierverlauf mit Strohanteilen ist derzeit sicherlich noch Gegenstand der Forschung, sollte aber für die gewählte Referenzanlage des Jahres 2020 gut beherrschbar sein. Die Kleegras–Stroh–Silage wird über einen Feststoffdosierer in den Vorlagebehälter gefördert und dort mit Gülle angemischt.

Anschließend wird das konditionierte Substratgemisch über eine Pumpe in den Hauptfermenter gefördert.

Abbildung 41: Verfahrensschema Biogasgewinnung

Die Vergärung findet im mesophilen Temperaturbereich statt und ist zweistufig ausgeführt, um Kurzschlussströmungen zu vermeiden. Nach dem Austritt des vergorenen Substrates aus dem Nachgärer, gelangt dies in das Gärrestlager. Dort erfolgt über einen Pressschneckenseparator die Fest-Flüssig-Trennung eines Teils des Gärrestes. Das flüssige Rezirkulat wird dann dem Anmischbehälter bzw. den Fermentern zugeführt. Der verbleibende Gärrest wird als Dünger und Humusbildner auf die betriebseigenen Flächen ausgebracht. Das in den Fermentern gewonnene Biogas wird einer Gasreinigung (Entschwefelung und Trocknung) unterzogen und im Blockheizkraftwerk (BHKW) verbrannt. Über den Generator des BHKW wird Strom erzeugt und in das öffentliche Netz eingespeist. Die Abwärme des BHKW wird z.T. zur Beheizung des Prozesses verwendet. Der Großteil der Wärme steht für anderweitige Beheizungszwecke zur Verfügung.

5.3.3 Anlagenkonzepte zur Kraftstoffbereitstellung