BIOMASSE UMWANDELN

a) Biomasse verbrennen und vergasen Im Projekt Herstellung und Eigenschaften von Holzpellets als Brennstoff [1a] wurde der Einfluss von Presshilfsmitteln auf die Herstellung von Holzpellets, deren Eigenschaften während der Lagerung, sowie deren Verbrennungseigen-schaften aufgezeigt. Im weiteren wurde mit einer Energie- und Ökobilanz beurteilt, wie hoch die Umweltbelastung der Pelletversorgung für Heizzwecke im Vergleich zu Holzschnitzeln und anderen Brennstoffen ist.

Ziel des Projekts Grundlagen der Aerosol-bildung [1c] in Holzfeuerungen ist die Identifika-tion der Hauptmechanismen für die Bildung von Aerosolen. Weiter soll untersucht werden, wie diese Mechanismen durch die Betriebsparameter einer Holzfeuerung beeinflusst werden. Im Be-richtsjahr wurde der Einfluss von Primärluftüber-schuss, Glutbetthöhe, Abgasrückführung und Wasserkühlung des Brennstoffbetts auf die Partikelemissionen an einer 100-kW-Unterschub-feuerung untersucht. Zur Realisierung der gefor-derten Betriebsarten wurde die Versuchsanlage so modifiziert, dass eine räumlich klar definierte Trennung der verschiedenen Zonen in der Feue-rung gewährleistet werden kann, was nach Inbe-triebnahme mit Messungen bestätigt werden konnte. Die Resultate zeigen, dass der Luftüber-schuss im Glutbett und die davon abhängige Glutbetthöhe in der Anlage mit getrennten Ver-brennungszonen einen starken Einfluss auf die Partikelemissionen haben. Die Staubemissionen können zudem durch den Einsatz der Abgas-rückführung beeinflusst werden.

Ziel der vorliegenden Arbeit Auslegungs-grundlagen für Holzfeuerungen [2] war die Erarbeitung eines Modells zur Berechnung der Holzverbrennung als Hilfsmittel zur Optimierung

von Feuerungsanlagen. Der Ansatz beruht auf einer Aufteilung der Verbrennung in eine hete-rogene Feststoffumsetzung auf dem Rost und die nachfolgenden Gasphasenreaktionen im Feuerraum. Der Vergleich von Messungen und Modell bestätigte die Einsatztauglichkeit des Lösungsansatzes. Die Arbeit wurde im Be-richtsjahr abgeschlossen und ist in zwei Publi-kationen [37, 38] dokumentiert:

Die Systemoptimierung automatischer Holz-feuerungen [1d] hat zum Ziel, dass bestehende Holzfeuerungen ökologisch und ökonomisch optimal eingesetzt und betrieben werden. Den Schwerpunkt bilden Holzkessel ab 300 kW – 1 MW, die seit mindestens fünf Jahren in Betrieb sind. Beurteilt werden die Bereiche, Brennstoff, Technik und Betrieb in Bezug auf technische und wirtschaftliche Optimierung. Als Verbesserungs-möglichkeit werden betriebliche und logistische Massnahmen aufgezeigt und wo möglich umge-setzt. Für Massnahmen mit Investitionsfolgen werden Potenzial und Kosten aufgezeigt und die Realisierung unterstützt.

Feldmesskampagne Partikelemissionen aus Holzfeuerungen [5a]: Partikel gelten als wichti-ger Luftschadstoff. Um eine Aussage über den Feinpartikelausstoss von Holzfeuerungen ma-chen zu können, wurden 14 verschiedene An-lagen unter Praxisbedingungen ausgemessen.

Bei Feuerungen mit einer guten Verbrennung stammen über 90% der Partikelfracht aus den Partikelfraktionen mit Durchmessern unter 300 nm im lungengängigen Bereich. In allen Feuerungskategorien lassen sich Feuerungen mit geringen Partikelemissionen ausmachen. Die Maxima der einzelnen Feuerungskategorien streuen erheblich.

Auslegung und Optimierung von Holzspei-cheröfen [5b]: Der Schweizerische Verband der Hafner- und Plattengeschäfte, VHP will ein neues

Planungswerkzeug schaffen, das dem Ofenbauer erlaubt, die energietechnische Einbindung der Feuerung in ein Haus richtig zu dimensionieren.

Die Wärmeabgabe im Aufstellungsraum und im ganzen Haus muss dabei den Behaglichkeitsan-forderungen genügen. Es werden die Grundla-gen erarbeitet, auf die das rechnergestützte Planungsmittel aufbaut. Laboruntersuchungen zum thermodynamischen Verhalten von charak-teristischen Ofenbauteilen sowie numerische Verfahren zur Simulation sind Teile der wissen-schaftlichen Arbeiten. Der VHP ist über seine Aus- und Weiterbildungsinfrastruktur sowie seine Vertriebskanäle besorgt, dass das Pla-nungswerkzeug in der Praxis angewendet wird.

Beim Projekt Entwicklung neuartiger Holz-Hybridheizsysteme [8] werden Öfen unter-sucht, die Wärme sowohl direkt an den Raum, als auch an einen Wasserkreislauf abgeben. Die Wärmeübertragung erfolgt in einem Absorber, der wie ein Sonnenkolektor konstruiert ist. Der Absorber befindet sich auf der Aussenseite der Ofenspeichermasse. Die bisherigen Resultate zeigen, dass Speicheröfen mit Wasserabsorbern interessante Wärmeerzeuger für Niedrigenergie-häuser (MINERGIE, Passiv-Haus) sind. Der Haupt-vorteil gegenüber klassischen Speicheröfen sind die steuerbare Wärmeabgabe und die einfache hydraulische Einbindung.

Die Ziele der Vertretungen in der International Energy Agency (IEA), Bioenergy Task 32 Biomass Combustion and Co-firing [1b] und IEA Task 33, Thermal Gasification of Biomass [3] sind die Sicherstellung des Erfahrungs- und Informationsaustausches mit den Mitgliedstaaten über Aspekte der Verbrennung/Vergasung von Biomasse, die Zusammenarbeit auf ausgewähl-ten Gebieausgewähl-ten, die Mitwirkung bei der Festlegung zukünftiger Schwerpunkte für Forschung, Ent-wicklung und Information, den internationalen Stand der Technik und Gesetzgebung zu kennen sowie die schweizerischen Anstrengungen be-kannt zu machen.

Grundlagen zur Teerbildung bei der Holz-vergasung [6]: Das Projekt beinhaltet das Studi-um von Massnahmen zur Minderung von Teeren im Produktgas und deren Beschreibung. Die Resultate von heterogenen Versuchen zeigen, dass mit dem Laborreaktor die Reaktionsbedin-gungen für Teere in realen Grossanlagen simu-liert werden können. Die Arbeiten wurden abge-schlossen und dokumentiert [39].

Im Rahmen des Projekts Teer- und Partikel-messung gemäss Tar Protocol [4] wurde die Probenahmeeinrichtung für das Standardverfah-ren mit gleichzeitiger Beprobung im Roh- und Reingas ausgelegt und realisiert. Um die Einsatz-tauglichkeit des Verfahrens zu testen, wurden Messungen mit verschiedenen Brennstoffen an einem Vergaser der Firma Xylowatt S.A. durch-geführt. Im weiteren wurden die Teere auf ver-schiedene Inhaltsstoffe analysiert und die Korre-lation zum Gesamtteergehalt bestimmt. Die definitive Fassung des Tar protocol soll im Juni 2002 an der EU-Konferenz in Amsterdam vorge-stellt werden.

Ziel des Projekts Test of different biomass into the IISc open top co-current gasifier [7]

war die Untersuchung der Eigenschaften ver-schiedener biogener Abfälle. An sieben verschie-denen Stoffen konnte das Leistungspotenzial und die jeweiligen Emissionen getestet werden:

Holzschnitzel, Abfallholz, gepresste Sägemehl-Briketts sowie Pellets aus Holz, Kaffeeabfällen und Hühnermist. Dabei wurden je nach gewähl-ten Kriterien (Leistung, Wirkungsgrad, Gaszu-sammensetzung, Partikelausstoss usw.) unter-schiedliche Spitzenreiter gefunden.

Mit dem Projekt Redox-Kreisprozess zur Pro-duktion von reinem Wasserstoff aus dem Rohgas eines Holzvergasers (Redox-Filter) hätte ein Verfahren entwickelt werden sollen, welches das teer- und partikelbeladene Rohgas in reinen Wasserstoff umwandelt. Das Projekt wurde aufgegeben und neu definiert (siehe Jah-resbericht Solarchemie/Wasserstoff).

Ziel der Ökobilanz für die Stromerzeugung aus Holzbrennstoffen und Altholz [9] ist die Erarbeitung von Zertifizierungsgrundlagen zur Beurteilung verschiedener Holzverstromungsan-lagen hinsichtlich ihrer Eignung für eine Aus-zeichnung Ökostrom.

b) Biogene Abfälle vergären

Valorisation énergétique (biogaz) d'huiles comestibles usagées avec différents déchets d'origine agro-alimentaire (OFEN-HUILES) [10]: In dem Projekt wird die energetische Ver-wertung von Ölabfällen aus dem Lebensmittel-bereich mittels einer Pilotanlage (Co-Vergärungs-prozess) auf die technische und wirtschaftliche Machbarkeit hin untersucht.

Ökobilanz von Strom aus landwirtschaftli-chen Biogasanlagen und Klärschlamm-Biogasanlagen in ARA [11, 12]: Ziel dieser

Studien ist, die Ökobilanz der Stromgewinnung aus landwirtschaftlicher Biogasproduktion und aus Klärschlamm-Biogasproduktion zu bestim-men und damit die Zertifizierungsgrundlagen für die Stromproduktion und der Stromvermarktung zu schaffen.

Vertretung der Schweiz im IEA Bioenergy Agreement, [13] IEA Bioenergy Task 37 Energy from Biogas and Landfill Gas: Ziel ist der In-formationsaustausch, die Anregung neuer Pro-jekte und die Erhöhung des Bekanntheitsgrads der anaeroben Vergärung von organischen Ab-fällen sowie der Biogasaufbereitung und -nutzung von Abfalldeponien.

Vertretung der Schweiz im EU Centre Informa-tion Biogaz [14]: Die ursprüngliche Aufgaben-stellung bestand darin, den Kontakt zwischen der Schweiz und dem seit Frühjahr 2001 im Auf-bau befindenden europäischen Biogasdokumen-tations- und Informationszentrums zu gewährlei-sten. Diese verlagerte sich jedoch allmählich auf gemeinsame Informationsveranstaltungen mit französischen und europäischen Institutionen über die Erfahrungen, Möglichkeiten und das Know-how auf dem Gebiet der Vergärung von Abfällen in der Schweiz.

c) Biotreibstoffe

Pflanzenöleinsatz im schnellaufenden, di-rekteingespritzten PKW-Dieselmotor [15]:

Projektziel war die Eignungsprüfung des von W.

Mahler entwickelten Verbrennungssystems für

kaltgepresste, naturbelassene Pflanzenöle im schnelllaufenden PKW- Dieselmotor mit Di-rekteinspritzung (Ford Escort). Der Abschlussbe-richt zeigt, dass sich die engen Verhältnisse im PW-Diesel Motor für die Anwendung des Mahlerverbrennungsystem nicht eignet.

Das BFE finanziert gemeinsam mit der KTI eine Untersuchung zur Gemischaufbereitung im Brennraum pflanzenölbetriebener direkt-eingespritzter Dieselmotoren System Mah-ler [16]. Mit diesem Projekt will man ver-suchen, den Mahler-Motor so zu optimieren, dass er zum Vielstoff-Motor wird.

EINZELPROJEKTE

In der Studie Rationelle Energieanwendung in der Landwirtschaft / vermehrter Einsatz erneuerbarer Energieträger [17] wird der Energieverbrauch in der schweizerischen Land-wirtschaft aus verschiedenen Datenquellen zu-sammengestellt und miteinander verglichen.

Fleischverarbeitung in der Schweiz [18]: Mit einer durch die BSE-Problematik bedingten Änderung der Tierseuchenverordnung können seit Anfang 2001 nur noch bestimmte Fleischab-fälle als Futtermittel eingesetzt werden. Mit die-sem Fütterungs- und Exportverbot hat eine grosse Umlagerungen der Fleischabfälle und der Fleischabfallprodukte stattgefunden. Die Studie ist als Instrument bei der Entwicklung von Stra-tegien zur optimalen energetischen Nutzung des hochwertigen Materials gedacht.

Nationale Zusammenarbeit

Die meisten Biomasse-Projekte wurden direkt mit der Industrie und Fachhochschulen, der ETH oder privaten Organisationen durchgeführt. Dieses Vorgehen erlaubt einen effizienten Technologie-transfer von den Denkfabriken in die Wirtschaft.

Die Finanzierung von Projekten wird laufend schwieriger und zeitaufwändiger. Die Projekt-partner werden nur noch teilfinanziert und ha-ben demzufolge ihr Interesse in Eigenleistungen

auszuweisen. Die Gruppe Biomasse an der ETH-Zürich wurde aufgelöst. Forschungsarbeiten mit den Unternehmen im Bereich Verbrennung sind schwieriger zu realisieren, weil bei den meisten Produkten auf dem Markt heute schon gesetzli-che Rahmen-bedingungen eingehalten werden und daher Typenprüfungen vorliegen müssen.

Für neue kostspielige und risikoreiche Entwick-lungs-projekte fehlen der Industrie oft die Mittel.

Internationale Zusammenarbeit

Die Aktivitäten im Rahmen des IEA Bioenergy Agreement mit den Tasks Verbrennung,

Verga-sung und Vergärung sind in unveränderter Art weiterverfolgt worden. Im Berichtsjahr hat die

Schweiz die Leitung des IEA Tasks Biogas-nutzung aus Vergärung und Deponiegas über-nommen. Auch die EU nimmt mit ihren zahlrei-chen Programmen zukünftig eine immer wichti-gere Rolle ein. Doppelspurigkeiten in der Zu-sammenarbeit mit EU und IEA sind zwar vorhan-den, es wird jedoch versucht diese möglichst zu vermeiden. Unter den aufgeführten

Internet-Adressen können zahlreiche Berichte und Infor-mationen heruntergeladen werden:

www.forestresearch.co.nz/ieabioenergy/index.htm www.ieabioenergy.com/f_tasks.htm

www.novaenergie.ch/iea-bioenergy-task37/index.htm http://europa.eu.int/en/comm/dg17/prog5/index.htm www.ieabioenergy-task32.com/

Pilot- und Demonstrationsprojekte

a) Biomasse verbrennen und vergasen Ziel des Projektes APOLLO 2 [19] war eine emis-sionsarme, übersichtliche und bedienungs-freundliche Pilot-Anlage, die Hühnermist als Brennstoff verwendet zu planen, zu bauen und zu testen. Weiter war eine Ökobilanz und eine Wirtschaftlichkeitsanalyse vorgesehen. Die Ge-samtbeurteilung zeigt, dass die thermische Nutzung der Hofdüngerbrennstoffe gleich oder leicht besser abschneiden kann im Vergleich zur konventionellen Verwendung in der Landwirt-schaft. Die Wirtschaftlichkeit kann erst ab einer Grösse von zwei Hühnerhallen erreicht werden.

Beim Projekt Abgaskondensation am Wärme-verbund in Schwanden [20] konnte die Ab-gaskondensation noch nicht auf ihre Leistungen getestet werden. Der Holzkessel hatte plötzlich so starke Leistungsschwankungen, dass es nicht möglich war die Kondensationsanlage in einen ruhigen Betrieb zu führen. In der nächsten Be-richtsperiode wird nach den Ursachen gesucht und der Leistungstest allenfalls nachgeholt.

Seit einem halben Jahr erzeugt die Holzverga-sungsanlage der Xylowatt SA [21] Strom und Wärme für ein Sägereiunternehmen (s. Titelbild).

Die Verfahrenstechnik des Vergasers wurde auf der Basis einer Zusammenarbeit mit dem Indian Institute of Science in Bangalore für einen euro-päische Einsatz angepasst. In Indien werden mit diesem Vergaser seit langem biogene Abfälle für die Stromerzeugung genutzt. Diese im Contrac-ting betriebene Anlage eignet sich besonders, weil Holzabfälle kontinuierlich zur Verfügung stehen und ein hoher Bedarf an Strom und Wärme vorhanden ist. Rund 60 kg Holzschnitzel werden pro Stunde zugeführt, um 60 kWh Strom und 120 kWh Wärme zu erzeugen. Diese wird im firmeneigenen Netz für die Holz-trocknung und Gebäudeheizung verwendet.

Weitere Projekte an idealen Standorten sind in Arbeit. Die Entwicklungsarbeiten für die

Holz-vergasungsanlage wurden unterstützt durch Verenum in Zürich, die beiden Eidg. Technischen Hochschulen (ETH), den Motorenhersteller Lieb-herr und das Bundesamt für Energie.

Beim Projekt Optimierung eines Gleichstrom-vergasers im industriellen Massstab für die Vergasung von feuchten Holzschnitzeln und Altholz sowie Entwicklung der trockenen Gasreinigung [22] hat es erhebliche Verzöge-rungen geben. Im Zusammenhang mit der Hei-zungserneuerung im AC-Zentrum Spiez war es möglich, eine Vergaser-Pilotanlage zu installie-ren. Die Anlage ist vollständig im System einge-bunden, doch konnte sie trotz einigen hundert Betriebsstunden nicht abgenommen werden. Die technischen und wirtschaftlichen Probleme las-sen das weitere Vorgehen noch offen.

Beim Projekt Luftheizung mit Holzofen bei einer EFH-Sanierung [8b] wurde die alte Hei-zung mit Oelfeuerung durch eine LuftheiHei-zung ersetzt. Die Wärmeerzeugung für das gesamte Haus erfolgt über den neuen, im Wohnzimmer aufgestellten Holzspeicherofen. Über ein Luft-register gibt der Ofen ca. zwei Drittel der Wärme an die Lüftung ab. Die Erfahrungen zeigen, dass das Konzept nur bei Gebäuden realisiert werden sollte, die annähernd den Passiv-Haus-Standart erreichen.

b) Biogene Abfälle vergären

Bioenergie, Fasern und Protein aus Gras [23]:

Diese Demonstrationsanlage mit kombinierter Wertschöpfung aus Biogas (Treibstoff für BHKW und Einspeisung ins Gasnetz), sowie von ver-marktbaren Halbfabrikaten (Fasern und Protei-nen) soll ein breites Publikum für die wirtschaftli-chen und energetiswirtschaftli-chen Möglichkeiten des nachwachsenden Rohstoffes Biomasse sensibili-sieren. Die Anlage ging Mitte Jahr in Betrieb.

Perkolationsanlage zur Aufbereitung von Grünabfällen [24]: Das Perkolationsverfahren wurde bereits für Restmüll eingesetzt. Für das Aufbereiten von rein organischen Abfällen zeichnet sich eine zukunftsweisende, kostengün-stige Lösung ab. An einer Pilotanlage, die im Frühjahr 2001 bei der Forschungsanstalt Tänikon in Betrieb gehen wird, sollen die nötigen verfah-renstechnischen Parameter erfasst werden.

Mikroturbine 100 kW an Biogasanlage [25]:

Um Biogas in Zukunft wirtschaftlicher und effizi-enter zu nutzen wurde dieses Projekt vom BFE initiiert. Die Mikroturbinen stellen durch ihr grundsätzlich einfaches Wirkprinzip, ihre kleine Baugrösse und die langen Wartungsintervalle eine attraktive Lösung dar. Erste Versuche wur-den Ende 2000 erfolgreich durchgeführt und in diesem Jahr werden erste Aussagen über Lang-zeitverhalten und Betriebskosten und -daten erwartet.

Brennstoffzelle 1-kW-SOFC HEXIS an