deposit_hagen
Mathematik und
Informatik
Dissertation
Regenerative Energie aus Biomasse und
elektrochemischer Wandlung
und elektrochemischer Wandlung
Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktors der Ingenieurwissenschaften (Dr.-Ing.)
in der Fakultät für Mathematik und Informatik der FernUniversität in Hagen
vorgelegt von
Dipl.-Ing. Henning Bohn aus Siegen
Hagen, 30. August 2016
2. Gutachter: Prof. Dr.-Ing. M. Pacas, Universität Siegen
Tag der mündl. Prüfung: 21. Juni 2017
Die vorliegende Dissertation entstand während meiner Tätigkeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter im Lehrgebiet Elektrische Energietechnik an der FernUniversität in Hagen.
Prof. Hackstein hat mich in dieser Zeit auf vielfältige Weise gefördert und den Fortschritt meiner Arbeit begleitet. Ich danke ihm von ganzem Herzen für alle Hinweise und An- regungen, für seine unermüdliche Geduld und ganz besonders für seine verständnisvolle Art und die gute Zusammenarbeit.
Erwähnen möchte ich auch die angenehme Atmosphäre der Universität Siegen, die vielen Stunden in der Bibliothek gaben mir Ruhe und Inspiration zugleich. Einen beson- deren Dank möchte ich an Prof. Pacas für die Übernahme des Zweitgutachtens richten sowie an Prof. Heck für die persönliche Begleitung.
Auch meiner Familie danke ich von ganzem Herzen: meiner lieben Frau Beatrix, die einfach immer da war und meinen phantastischen Kindern Annika und Miriam, die alles getan haben, um ihren Papa zu unterstützen. Ich danke meinem Vater für die nachmittäglichen Pausen mit Kaffee – und auch Sarah und Till haben mich immer wieder ermutigt. Wir überlegen gemeinsam, wo der Doktorhut aufbewahrt werden soll.
Knapp sind nicht die erneuerbaren Energien, knapp ist die Zeit.“
Hermann Scheer, 1944 – 2010
Der fortschreitende Klimawandel erhöht den Handlungsdruck zur Vermeidung global zerstörerischer Umweltveränderungen. In Deutschland soll als Bestandteil des Energie- konzeptes der Anteil regenerativer Energien am Bruttostromverbrauch bis zum Jahre 2050 auf 80 % erhöht werden. Bis 2020 sollen 35 % der jährlichen Stromproduktion aus Biomasse und regelbarer Kraft-Wärme-Kopplung stammen.
In dieser Arbeit werden zunächst Eigenschaften von Biomasse, deren Aufbau sowie Möglichkeiten zur Umwandlung betrachtet. Neben direkter Verbrennung cellulosehalti- ger Substrate wie Holz ermöglichen die Verfahren Torrefizierung, Vergasung und Fer- mentierung eine effiziente energetische und stoffliche Nutzung. Als Produkte entstehen dabei feste Bestandteile wie Holzkohle, flüssige Stoffe wie Pyrolyseöle oder Biokraft- stoffe und Gase wie das energiereiche Methan. Eine direkte energetische Verwertung ist in Großkraftwerken mit Gasturbinen oder auch in Kleinst-Blockheizkraftwerken mit Motoren oder Brennstoffzellen möglich. Kleinst-BHKW mit Verbrennungs- oder Stir- lingmotoren stellen hierbei marktreife Systeme dar und werden als Grundlage für eine Potenzialabschätzung dieser Technik herangezogen.
Daneben werden die Notwendigkeit der Speicherung regenerativer elektrischer Ener- gie betrachtet und verschiedene Speichertechniken hinsichtlich ihrer Eigenschaften und Eignung untersucht. Als Ergebnis zeigt sich, dass die etablierte Technik der Pumpspei- cherkraftwerke durch einen Ausbau an Bedeutung gewinnen, jedoch für eine Versorgung zu 80 oder gar 100 % aus regenerativen Quellen nur als mittelfristiger Speicher dienen kann. Zum Ausgleich schwankenden Angebotes bei gleichzeitig schwankender Nachfrage und zur Bedienung der Residuallast verbleibt aktuellen Szenarioanalysen zufolge nur die Power-to-Gas-Technik. Sie ist als einzige geeignet, den saisonalen Speicherbedarf bei einer Vollversorgung aus regenerativen Quellen zu sichern.
Das für die PtG-Technik benötigte CO2 sollte vorzugsweise aus der Produktion von Biogas stammen, wodurch es vom Abfallprodukt zum Wertstoff für die Energietechnik wird. Mittels Elektrolyse und Methanisierung gebildetes Gas kann auf optimale Weise im Erdgasnetz transportiert und gespeichert werden.
Diese Arbeit untersucht das Potenzial der Kleinst-Blockheizkraftwerke und zeigt:
Durch einen Austausch von nur 25 % aller bis zum Jahre 2050 zu renovierenden Gas- heizanlagen gegen BHKW können 14,8 TWh elektrischer Energie bereit gestellt werden, was im Vergleich zum prognostizierten Gesamtspeicherbedarf für regeneratives CH4 von 40 TWh einen erheblichen Beitrag darstellt. Kleinst-BHKW fügen sich, anders als Groß- kraftwerke, mit nur minimalem Aufwand in die bestehende Infrastruktur ein und können auf diese Weise zur Rückverstromung regenerativen Methans eine wichtige und stark aus- baufähige Brückentechnologie darstellen, die zudem Kapazitäten des elektrischen Netzes schont, welche bei großen Leistungszuwächsen durch Elektromobiliät benötigt werden.
The ongoing process of climate change increases urgency of taking measures to avoid destructive environmental alterations. As part of Gemany’s energy policy (Energiekon- zept) the share of renewable energies in electric power is to be raised to 80 % by the year 2050. Additionally a portion of 35 % of the annual consumption has to be gained from biomass and combined heat and power generation (CHP).
This doctoral thesis firstly regards properties of biomass, its structure as well as possi- bilities of conversion. Besides direct combustion of cellusosic substrates such as wood the technical processes of torrefaction, gasification and fermentation provide efficient ways of energetic and material utilization. Such techniques generate solid products as char- coal, liquids as oils or biofuels and gases such as energy-rich methane. Direct energetic utilization can be achieved by large power plants and gas turbines or as well by means of small combined heat and power units using an engine or fuel cell. Mini-CHPs equipped with a combustion or a stirling engine represent market-ready systems and are therefore taken into account for an estimation of this technique’s potential.
Secondary the necessity of storing renewable electric energy is considered as well as various storage solutions focusing on their performance and suitability. A first result shows the well-established technique of pump storages being able to gain importance through upgrading. Still, within a power supply based up to 80 or even 100 % upon re- newable sources pump storages only can serve for medium-term purposes. For balancing simultaneously fluctuating offers and demands as well as serving residual load solely the power-to-gas (P2G) technology remains. Contemporary scenario analysis show it to be the only suitable solution for securing the demanded storage volume in a fully regenerative power supply.
As a chemical precursor the P2G technology requires CO2 which should be gained primarily from biogas plants. By this the waste product is transformed to a resource for energy management. Employing water electrolysis and methanation the produced gas can be transported and stored within the natural gas grid smoothly.
This thesis examines the capability of mini-CHPs for electrical reconversion taking the following approach: Substitution of only 25 % of gas powered heating units during refurbishments up to 2050 is assumed. By this way a total annual amount of 14.8 TWh could be provided which represents a considerable quantity compared to an estimated total storage capacity of 40 TWh for renewable methane. Additionally, in contrast to great power plants these mini-CHPs can be integrated seamlessly into the existing infra- structure of gas and power supplies. Further considaration shows: Mini-CHPs provide a largely scalable intermediate technology that in addition saves resources of the electrical grid needed for the purpose of electric vehicles.
Vorwort V
Kurzfassung VII
Abstract IX
Symbole und Abkürzungen XIII
1 Einführung und Themenstellung 1
1.1 Grundprinzipien der Gewinnung elektrischer Energie . . . 1
1.2 Regenerative Energiequellen in der elektrischen Energieversorgung . . . . 2
2 Allgemeine Vorbetrachtungen 5 2.1 Aufbau elektrischer Netze . . . 5
2.1.1 Entwicklung und Ausdehnung . . . 5
2.1.2 Struktur und Leistung . . . 6
2.1.3 Kraftwerkstypen . . . 8
2.1.4 Lastgang . . . 9
2.2 Integration regenerativer Energien . . . 10
3 Elektrische Energie aus Biomasse 15 3.1 Eigenschaften von Biomasse . . . 16
3.1.1 Einteilung . . . 16
3.1.2 Zusammensetzung . . . 19
3.1.3 Energiegehalt und Energiedichte . . . 25
3.2 Umwandlung und Nutzungsmöglichkeiten von Biomasse . . . 28
3.2.1 Thermochemische Verfahren . . . 29
3.2.2 Physikalisch-chemische Verfahren . . . 35
3.2.3 Biologische Verfahren . . . 37
3.2.4 Produkte . . . 40
3.3 Ausgewählte Verfahren der Energiewandlung . . . 42
3.3.1 Verbrennungsmotor . . . 43
3.3.2 Stirlingmotor . . . 45
3.3.3 Generatoren . . . 50
3.3.4 Brennstoffzellen . . . 51
3.3.5 Kraft-Wärme-Kopplung . . . 52
3.4 Vergleichende Betrachtung der Verfahren . . . 56
3.4.1 Ökobilanzen . . . 57
4 Elektrochemische Wandlung und Speicherung 59 4.1 Speicherung elektrischer Energie . . . 59
4.1.1 Mechanische Speicher . . . 59
4.1.2 Magnetische und elektrische Speicher . . . 68
4.1.3 Elektrochemische Speicher . . . 71
4.2 Elektrochemische Speicherung regenerativer Energie . . . 75
4.2.1 Power-to-Gas-Verfahren . . . 76
4.2.2 Verteilung und Speicherkapazität in Gasnetzen . . . 79
4.2.3 Teil- und Gesamtwirkungsgrade . . . 80
5 Analyse ausgewählter Szenarien 83 5.1 Zielvorgabe Vollversorgung . . . 83
5.1.1 Studie des DLR/Fraunhofer IWES/IfnE . . . 84
5.1.2 Potenzialanalyse für Power-to-Gas-Anlagen . . . 85
5.1.3 Berücksichtigung der Kraft-Wärme-Kopplung . . . 86
5.2 Kleinst-BHKW im Energiemix . . . 89
5.2.1 Abschätzung des theoretischen Potenzials . . . 89
5.2.2 Auswirkungen auf das Gas- und Stromnetz . . . 92
5.3 Zusammenwirken mit der PtG-Technik . . . 94
6 Zusammenfassung und Ausblick 97 6.1 Zusammenfassung der Ergebnisse . . . 97
6.2 Ausblick . . . 99
Appendices 101 A Rechtliche Rahmenbedingungen 101 A.1 Netznutzungsentgelte . . . 101
A.1.1 Erneuerbare-Energien-Gesetz . . . 101
A.1.2 Energiewirtschaftsgesetz . . . 101 B Technische Daten ausgewählter Kleinst-BHKW 103
Abbildungsverzeichnis 105
Tabellenverzeichnis 107
Literaturverzeichnis 109
Stichwortverzeichnis 115
chemische und physikalische Größen
E. . . .Energiedichte G. . . .freie Enthalpie
H0. . . Normal-Reaktionsenthalpie J . . . Massenträgheitsmoment m. . . Masse
mLuft. . . .Luftmenge mPh. . . Phasenzahl p. . . Druck pPol . . . Polpaarzahl P. . . .Leistung
q. . . Energiegehalt, Energiewert qp,dry. . . dry calorific value, Heizwert
getrockneten Substrats qp,net. . . net calorific value, Heizwert qV,gr. . . gross calorific value, Brenn-
wert
Q. . . .Wärmemenge Qzu, Qab. . Zu-/Abwärme R. . . .Gaskonstante
th, tr. . . Aufheizzeit, Reaktionszeit T . . . absolute Temperatur U . . . innere Energie V . . . Volumen Vm. . . Normvolumen w. . . .Wassergehalt W. . . .mechanische Arbeit λ. . . Luftüberschusszahl ρ. . . Dichte, Schüttdichte ω. . . Kreisfrequenz
Abkürzungen
BtL Bio-to-Liquid, flüssige Biokraftstoffe
CAES Compressed Air Energy Storage, Luftdruckspeicher EE Erneuerbare Energien
EEG Erneuerbare-Energien-Gesetz EnWG Energiewirtschaftsgesetz
FAME Fatty Acid Methyl Ester, Fettsäuremethylester
HT Hoch-Temperatur
GHD Gewerbe, Handel, Dienstleistungen
GuD Gas-und-Dampf
KWK Kraft-Wärme-Kopplung PME Pflanzenöl-Methylester PSW Pumpspeicher(kraft)werk RME Rapsöl-Methylester
SMES Superconducting Magnetic Energy Storage, supraleitende Spule SNG Substitute Natural Gas, Erdgassubstitut, synthetisches Erdgas UCTE Union for the Co-ordination of Transmission of Electricity
Auf die Versorgung mit elektrischer Energie gründet sich für den überwiegenden Teil der Menschheit eine Vielzahl elementarer und existenzieller Funktionen. Abhängig von Bevölkerungsgröße, Lebensstandard und Grad der Industrialisierung haben die Länder der Erde dabei sehr unterschiedliche Bedarfe hinsichtlich Quantität und Qualität der bereitgestellten Energie. Auf einer eher niedrigen Ebene sei beispielsweise die Förde- rung und der Transport des Nahrungsmittels Trinkwasser in technisch hochentwickelten Gesellschaften genannt: Die ständige Verfügbarkeit und gleichbleibende Qualität dieses Grundnahrungsmittels ist hier ein als selbstverständlich erachteter Standard. Bestand- teil dessen ist, neben der geologisch-geografischen und chemisch-biologischen Gewinnung und Aufbereitung, ein leistungsfähiges Transportnetzwerk, welches ständig elektrische Energie benötigt, um den erforderlichen Druck und Volumenstrom in den Versorgungs- leitungen aufrecht zu erhalten. Ein weiteres Beispiel stellt die Wertschöpfung von Dienst- leistungen im IT-Bereich dar. Als Produkt einer hochtechnologischen Entwicklung er- fordert diese Art der Kommunikation und Datenverarbeitung eine gleichbleibende und verlässliche Versorgung mit elektrischer Energie wie kaum ein anderer Bereich.
1.1 Grundprinzipien der Gewinnung elektrischer Energie
Die vorgenannten Aufgaben zeigen beispielhaft die Bedeutung elektrischer Energie. Im Laufe der Jahrzehnte seit dem Beginn der Versorgung mit elektrischer Energie wurden verschiedene Wege zu deren Gewinnung gefunden und entwickelt. Eine der ältesten For- men, welche auch am Anfang der sogenannten Industrialisierung stand, ist die Dampf- maschine. Dabei scheint es zunächst so, als sei die Dampfmaschine – beispielsweise nach dem klassischen Konstruktionsprinzip von James Watt – eine antiquierte Maschine, welche eher Museumscharakter hat. Dem ist jedoch nur so, wenn man die äußerliche Bauform und die daraus teilweise notwendigerweise folgenden technischen Wirkungs- grade betrachtet. Auf dem Grundprinzip der Dampfmaschine beruht nach wie vor die Gewinnung des überwiegenden Teiles der weltweit verwendeten elektrischen Energie.
Bei dieser Gewinnung wurden und werden fossile Energieträger wie beispielsweise Kohle oder Erdgas in chemischen Prozessen durch Verbrennung umgewandelt und gespeicherte Energie freigesetzt. Ein anderer, aufgrund seines Anteils an der gesamten gewonnenen elektrischen Energie wichtiger Weg ist die Umwandlung radioaktiver Elemente durch physikalische Prozesse in Kernreaktoren. Auch die dabei freiwerdende Energie in Form von Wärme wird fast ausschließlich in Dampfkraftprozessen gewandelt. Hierin liegt eine
auffällige Gemeinsamkeit fast aller Wandlungsprozesse, welche sich auf fossile oder ato- mare Energieträger gründen. Diese Prozesse werden in der Physik durch das Teilgebiet der Thermodynamik beschrieben.
Seit etwa den 1970er und 80er Jahren rücken mit den o. g. Techniken und Prozessen verbundene Probleme und Auswirkungen auf Umwelt und Gesundheit immer weiter in den Vordergrund und in das Bewusstsein von Menschheit und Gesellschaft. Als Schlag- worte seien hier „Umweltverschmutzung“, „Treibhauseffekt“ und „Klimawandel“ genannt.
Die komplexen und weitreichenden Zusammenhänge dieser Begriffe sollen nun zunächst nur unter einem wichtigen Aspekt betrachtet werden: Bei der Gewinnung elektrischer Energie ist die Notwendigkeit eines Wandels weg von fossilen, nicht erneuerbaren Ener- gieträgern und hin zu „regenerativen Energien“ erkannt worden. Als neues Schlagwort ist aktuell der sog. „Energiewandel“ Gegenstand vieler Diskussionen und Entscheidungen in Wirtschaft, Politik und Gesellschaft. Gemeint ist damit im engeren Sinne eine Umstel- lung der weltweiten Gewinnung elektrischer Energie auf regenerative, also nach menschli- chem Ermessen unerschöpfliche Quellen, welche gleichzeitig dem Prinzip der Nachhaltig- keit unterworfen sein muss. Im weiteren Sinne kann dieser Ansatz auch auf den gesamten menschlichen Energiebedarf, also auch hinsichtlich Wärmebedarf und Transportwesen, ausgedehnt werden – diese Arbeit konzentriert sich jedoch gezielt auf regenerative und nachhaltige Ansätze und Entwicklungen bei Gewinnung und Speicherung elektrischer Energie als sogenannteSekundärenergie.
1.2 Regenerative Energiequellen in der elektrischen Energieversorgung
Zu den regenerativen Energiequellen zählen:
1. direkte Sonnenenergie als elektromagnetische Strahlung – eine Wandlung ist un- ter Ausnutzung des inneren photoelektrischen Effektes durch die sog.Photovoltaik oder auch durch thermodynamische Prozesse (Wärmekraftmaschinen) möglich;
2. indirekte Sonnenenergie, wozu Strömungen in Atmosphäre, Ozeanen und auf der Erdoberfläche (in Flüssen) sowie die Witterungswärme gehören – eine Wandlung ist durch Srömungsmaschinen (beispielsweise Wind- und Wasserkraftwerke) oder auch Wärmekraftmaschinen (Wärmepumpen) möglich;
3. durch biologische Prozesse lebender Organismen gespeicherte Sonnenenergie, was überwiegend nur durch die Photosysnthese der Pflanzen möglich ist – hier wird Biomasse energetisch genutzt;
4. aus der Tiefe des Erdinneren aufsteigende Wärmeenergie aus der Entstehungszeit der Erde und nachfolgenden radioaktiven Umwandlungsprozessen – dieseErdwär- me wird ebenfalls durch Wärmekraftmaschinen genutzt;
5. im Gravitationsfeld des Systems Sonne-Erde-Mond gespeicherte potenzielle Ener- gie – diese spezielle Energieform kann in Gezeitenkraftwerken genutzt werden.
Diese Formen von Energie sind nach menschlichem Ermessen unerschöpflich. Das heißt, innerhalb von Menschen oder Menschheit überschaubarer Zeiträume stehen diese Energieformen immer oder immer wieder neu zur Verfügung: diese Energien sind rege- nerativ.
Der an dritter Stelle genannte Punkt soll nun Gegenstand weiterer Betrachtungen und Untersuchungen sein. Dabei spielen neben grundlegenden physikalischen auch chemische, biologische und elektrochemische Prozesse eine Rolle, was auch die Behandlung reakti- onskinetisch umgekehrter Prozesse ermöglicht und nahe legt. Dies führt zur Möglichkeit der Speicherung elektrischer Energie auf chemischem Wege, was ebenfalls untersucht und diskutiert wird.
Zunächst werden für die Untersuchung benötigte Grundbegriffe und Zusammenhänge der elektrischen Energieversorgung erläutert. Die Integration regenerativer Energiequellen stellt dabei besondere Anforderungen.
2.1 Aufbau elektrischer Netze
Insbesondere im 20. Jahrhundert durchlief die heute als elektrische Energietechnik be- zeichnete Disziplin eine enorme Entwicklung und erhielt große Bedeutung innerhalb der Elektrotechnik. Die Hauptaufgabe lag und liegt in der Versorgung räumlich ausgedehnter Gebiete mit elektrischer Energie, die versorgten Abnehmer stellen sehr unterschiedliche und für das jeweilige Netz charakteristische Anforderungen.
2.1.1 Entwicklung und Ausdehnung
Die schrittweise Entdeckung grundsätzlicher Zusammenhänge der physikalischen Phä- nomeneElektrizität und Magnetismus und deren Beschreibung als einheitlicher Theorie der elektromagnetischen Wechselwirkung ermöglichte, diese Kraft und die damit gewinn- bare Energie nutzbar zu machen. Als wichtige Schritte auf diesem Weg seien hier in einer Übersicht genannt:
• Kondensatoren wie beispielsweise die Leydener Flasche oder Batterien wie das Leclanché-Element, als statische Quellen mit näherungsweise konstanter Gleich- spannung;
• Konstruktion der Glühlampe zur Wandlung in Licht und des Gleichstrommotors zur Wandlung in mechanische Energie;
• Umkehrung der elektromechanischen Wandlung durch Gleichstromgeneratoren, wodurch sukzessive höhere Spannungen, Ströme und Leistungen erreichbar waren;
• Aufbau zunächst kleiner Netze in Gebäuden oder Stadtteilen mit zentraler Erzeu- gung und dezentralen Verbrauchern;
• Konstruktion des Transformators unter Nutzung von Wechselspannung und -strom, wodurch deutlich höhere Leistungen beherrschbar und auf wirtschaftliche Weise über größere Entfernungen transportierbar wurden;
• Entwicklung des Induktionsmotors zur direkten und verschleißarmen elektrome- chanischen Wandlung mit Wechselstrom;
• schrittweise Entwicklung und Vergrößerung der durch Wechselstromtechnik mögli- chen Netze mit immer größeren zentralen Kraftwerksleistungen, unterschiedlichen Netzebenen und hierfür verantwortlichen Betreibern.
Das Ergebnis dieser grob skizzierten Entwicklung stellte sich bis etwa zur Jahrtausend- wende als ein ausgereiftes technisches System der elektrischen Energieversorgung dar, welches insbesondere in hochindustrialisierten Ländern und über deren nationale Gren- zen hinweg zur vollen Ausprägung kam. Dieses System ist von großer volkswirtschaft- licher Bedeutung sowohl hinsichtlich der hierdurch möglichen Wertschöpfung, als auch hinsichtlich der hiermit realisierten Versorgungssicherheit.
2.1.2 Struktur und Leistung
Großräumige Netze der elektrischen Energieversorgung wie nationale europäische oder das verbindenede UCTE-Netz zeichnen sich äußerlich zunächst durch die folgenden Cha- rakteristika aus:
Netzebenen
Aus Erzeugersicht ist die sog. Höchstspannungsebene die oberste (und damit gesamt-) netzbildende Schicht. Der weitaus größte Teil dieser Ebene besteht aus dreiphasigen Maschennetzen mit Nennspannungen von 220 bis 400, teilweise auch bis 600 kV. Im kon- tinentaleuropäischen Raum bilden diese Maschen das eigentliche Übertragungsnetz mit im Mittel über einige 100 bis zu 1.000 km transportierter Energie. Eine Zwischenstel- lung nimmt die 110 kV-Spannungsebene ein: sie dient vorwiegend der Anbindung und Versorgung kleinerer Städte, Regionen oder Industriegebiete. Auch, wenn der Begriff je nach Fachliteratur oder Norm nicht einheitlich verwendet wird, soll diese Ebene hier als Hochspannung bezeichnet werden.
Darunter liegen räumlich geringer ausgedehnte Netze mit Nennspannungen von 10 bis 20, in Sonderfällen auch mit 30 kV, die sog. Mittelspannungsebene. Typische Formen solcher Netze sind beispielsweise das Strahlen- oder Ringnetz. Sie dienen der örtlichen Versorgung von ländlichen Gebieten, Stadtteilen oder einzelnen Industrieanlagen.
Als unterste Ebene mit der kleinsten Netzausdehnung wird in der Energietechnik das sog. Verteilnetz mit 400 V Nennspannung angesehen. Es versorgt lokal Ortsteile oder Nachbarschaften und ist bis zum jeweiligen Einzelverbraucher durchgeführt. Zwischen den Netzebenen sind jeweils Transformatoren in unterschiedlichen und teilweise hoch- spezialisierten Bauformen die koppelnden elektrischen Betriebsmittel.
Neben der Höhe der verwendeten Nennspannung unterscheiden sich die Netzebenen auch erheblich hinsichtlich ihrer
• Erdung: starr, isoliert, über Impedanz;
• Leiter: Freileitung, Erdkabel, Einzel, 2-, 3-, 4- oder auch 5-Leiterausführung;
• Schutz: vor Überlast, Überspannung, Kurzschluss, Lichtbögen;
• Sicherheit: gegen Ausfall oder Berührung;
• Symmetrie: möglichst gleicher Auslastung aller Phasen;
• Qualität: Konstanz von Spannung oder Güte der Sinusform;
• Leistungsfaktor: Blindleistung in der Wechselstromtechnik.
Die jeweils ausgeführte Installation stellt dabei immer eine Gesamtlösung unter Berück- sichtigung sicherheitstechnischer Vorschriften und wirschaftlicher Randbedingungen dar.
Netze für besondere Aufgaben, wie z.B. der sog.Bahnstrom im elektrifizierten Eisen- bahnnetz oder Leitungen mit Hochspannungsgleichstromübertragung ergänzen die hier genannten Ebenen. Die letztgenannte Technik erlangt mit der zunehmenden Integrati- on erneuerbarer Energiequellen eine wachsende Bedeutung und wird in Abschnitt 4.1.2 berücksichtigt.
Leistungsgleichgewicht
Da die Errichtung eines elektrischen Netzes mit hohen Investitionen verbunden ist und auch für Erhalt und Betrieb regelmäßige Aufwendungen nötig sind, folgt sofort, dass übertragbare Leistung und Netzstruktur aus ökonomischen Gründen möglichst optimal an den jeweiligen Bedarf angepasst werden müssen. Auch Ausfallzeiten und -risiken wer- den dabei berücksichtigt. Sehr eindrucksvoll wird dies bei den hohen Preisen für Reserve- und Regelleistung an derStrombörsedeutlich: je schneller eine vorher nicht kalkulierbare Leistung abrufbar sein soll, desto höher ist ihr Preis. Schon das Zur-Verfügung-Halten eines Kraftwerkes verursacht hohe Kosten, selbst wenn keine Leistung abgegeben oder (bei einem Speicher) aufgenommen wird.
Wegen des geringen, aber immer vorhandenen ohmschen Anteils aller beteiligten Be- triebsmittel und Übertragungselemente1 nimmt jedes Netz zwar einen gewissen Anteil PNetz der eingespeisten elektrischen Leistung auf, insbesondere von Wechselstromnetzen kann jedoch keine Energie gespeichert werden. Hieraus erklärt sich auch die hinreichende und gängige Beschreibung eines Netzes durch Spannung, Leistung und Phasenlage bzw.
Leistungsfaktor. Zu jedem Zeitpunkt besteht ein Gleichgewicht zwischen eingespeister Leistung PErzeuger und entnommener Leistung PLast für jedes betrachtete Teilnetz, die Leistungsbilanz:
PErzeuger+PLast+PNetz= 0 (2.1)
Eine Sonderstellung kommt in Wechselstromnetzen derFrequenz als Regelgröße zu, de- ren Abweichung vom Sollwert2 stets eine Fehlanpassung eingespeister und entnommener Leistung anzeigt. Wenn Gleichung (2.1) nicht vollständig erfüllt ist, treten Ausgleichs- vorgänge verbunden mit Frequenzänderungen auf. Die Rückführung auf den Sollwert
1supraleitende Kabel, welche sich derzeit noch in der Erprobungsphase befinden, nicht berücksichtigt
250 Hz bzw. 60 Hz oder auch 16,6 Hz bei Bahnstrom
ist eine der primären Aufgaben der Netzregelung durch Leistungsanpassung. Zum Ver- ständnis dieses Zusammenhangs müssen die besonderen Bedingungen der Erzeugung elektrischer Energie mittels rotierender Maschinen berücksichtigt werden.
2.1.3 Kraftwerkstypen
Eine wichtige Einteilung elektrischer Kraftwerke ist diejenige nach Einsatz- und Aufga- bengebiet.
Grundlastkraftwerke
Grundlastkraftwerke besitzen überwiegend ein aufwendiges Anfahr- und träges Regelver- halten. Daher ist eine wirtschaftliche Betriebsweise nur im möglichst ununterbrochenen Dauerbertieb und unter Volllast möglich. Wegen dieser Eigenschaften kann die Sum- me aller in ein Netz eingespeister Leistungen dieser Kraftwerkskategorie idealerweise maximal der ständig geforderten Mindestlast im Netz, der Grundlast, entsprechen. Als typische Vertreter solcher Kraftwerke seien hier genannt:
• Braunkohle-Kraftwerk: Die Einstellung des für die in energetischer Hinsicht opti- malen Betriebspunktes ist verhältnismäßig aufwendig. Ein Verlassen des optimalen Punktes, also Volllast, führt einerseits zu schnell sinkenden Wirkungsgraden und außerdem zu ungünstigeren Verbrennungsabläufen, was die ohnehin eher ungünsti- ge Umweltverträglichkeit dieses Kraftwerkstyps weiter verschlechtert. Neben dem durch den Verbrennungsprozess erzeugten Kohlenstoffdioxid, zeichnet sich Braun- kohle durch einen nicht zu vernachlässigenden Schwefelgehalt aus. Überdies ist auch Urandioxid immer in gewissen Kleinstmengen enthalten, was, bedingt durch den hohen Massendurchsatz solcher Großkraftwerke, zu Umweltbelastung mit ra- dioaktivem Staub führt.
Kraftwerkseinheiten dieses Typs sind typischerweise in Leistungsbereichen von mehreren 100 bis 1.000 MW realisiert, weil so der thermodynamische Wirkungs- grad und damit die Brennstoffausnutzung am größten ist.
• Kernkraftwerk: Noch anspruchsvoller ist hier der Anfahrprozess des Reaktors mit Kernbrennstoffen. Bedingt durch die unterschiedlichen Halbwertszeiten und Ak- tivitäten der eingesetzten und der gebildeten Nuklide ist die Einstellung eines optimalen Betriebspunktes durch gezieltes Steuern des sog. Abbrandes hochkom- pliziert. Ein Verlassen dieses optimalen Betriebspunktes führt zu schlechter Aus- nutzung des sehr teuren Brennstoffes und wird unter allen Umständen vermieden.
Auch dieser Kraftwerkstyp ist typischerweise in Einheiten von mehreren 100 bis 1.000 MW realisiert.
Mittellastkraftwerke
Mittellastkraftwerke zeichnen sich durch ein schnelleres Regelverhalten als Grundlast- kraftwerke aus. Sie sind mit Einschränkungen geeignet, durch Leistungsanpassung oder
durch vollständiges Zu- oder Abschalten auf unterschiedliche Leistungsanforderungen im Netz zu reagieren. Anfahrzeiten liegen hier im 15-min-Bereich, Regelzeiten im Minuten- bereich. Als Vertreter dieser Kategorie seien beispielsweise genannt:
• Steinkohlekraftwerk
• Laufwasserkraftwerk
Kraftwerke dieser Typen liefern typischerweise Leistungen von einigen 10 bis 100 MW.
Die jährliche Gesamtbetriebszeit erreicht in dieser Kategorie einsatzbedingt in aller Regel nicht die maximal mögliche Betriebsstundenzahl, was einen wichtigen Einfluss auf die Betriebskosten hat.
Spitzenlastkraftwerke
Spitzenlastkraftwerke sind je nach Bedarf des Netzes schnell zu- und abschaltbar. Inner- halb von Minuten kann ihre Leistung zwischen Leerlauf und Volllast variiert werden, eine Regelung ist im Sekundenbereich möglich. Dieser Kraftwerkstyp ist für die Bedienung starker Lastspitzen konzipiert. Wegen des hohen technischen Aufwandes für Bau und Betrieb im Verhältnis zur geringen Einsatzdauer ist dieser Kraftwerkstyp im Vergleich der teuerste, nichtsdestoweniger aber unverzichtbar. Typische Vertreter dieser Kategorie sind:
• Gaskraftwerk
• Pumpspeicherkraftwerk
2.1.4 Lastgang
Im vorigen Abschnitt wurden die wichtigen Kraftwerkskategorien vorgestellt, welche nö- tig sind, um den Leistungsbedarf eines elektrischen Netzes zu decken. Dieser Bedarf ist vor allem tages- und jahreszeitlichen Schwankungen unterworfen. Bild 2.1 zeigt einen typischen täglichen Verlauf der Last im elektrischen Netz aus dem Jahre 2000, also vor der Integration größerer Kapazitäten aus regenerativen Energiequellen.
Der Verlauf des Leistungsbedarfes zeigt, dass an den Kraftwerkspark und an die Re- gelung eines Energieversorgungsnetzes bereits hohe technische Anforderungen gestellt wurden. Während der zu Anfang des Kapitels erwähnten Entwicklung und des Zusam- menwachsens zu größeren Verbünden wurden die Netze hinsichtlich der nötigen Ver- bindungen, Vermaschungen und Kraftwerkseinspeisungen auf Bedarf und Angebot opti- miert. Die Versorgung von Ballungszentren erfordert stärkere und mehr Leitungen, die Maschen hier sind stärker und enger. In dünn besiedelten Gebieten sind die Maschen weiter und weniger stark ausgebaut. Zwischen Verbrauchs- und Erzeugungsschwerpunk- ten existieren als Übertragungswege spezielle Hochleistungstrassen, um schwankenden Bedarf oder Ausfälle kompensieren zu können.
Diese langfristige Entwicklung führte zunächst zur Verdrängung vieler kleinräumig agierende Versorger, z. B. von Elektrizitätswerken in kommunaler Hand, zugunsten einer
Bild 2.1: Tagesbelastungskurve Deutschland (schematisch) an einem typischen Wintertag im Jahr 2000 [38]
eher zentralisierten Versorgungsstruktur. Großkraftwerke boten ökonomische Vorteile hinsichtlich Errichtung, Brennstoffausnutzung und Zuwegung und setzten sich auf Dauer im Markt durch. Eine Folge war auch, dass lokale oder regionale Netze zusammengelegt wurden und – quasi als administratives Pendant zur zentralisierten Versorgung – der Energieversorgungsmarkt von wenigen Gesellschaften mit weiträumiger Monopolstellung beherrscht wurde.
Durch das Gesetz zur Neuregelung des Energiewirtschaftsrechts wurde dieser Entwick- lung seit 1998 entgegen gewirkt: der Strommarkt wurde liberalisiert und ein Wettbewerb geschaffen. Zusätzlich wurde die Nutzung regenerativer Energien gefördert, sodass sich die Gesamtsituation im elektrischen Netz stark verändert hat.
2.2 Integration regenerativer Energien
Auf dem Weg der Integration regenerativer Energiequellen und der damit einhergehen- den Umgestaltung der elektrischen Energieversorgung wird eine schrittweise Verände- rung in der Zusammensetzung des Kraftwerksparks vollzogen.
Aktuelle Situation
Derzeit stammen in Deutschland noch beträchtliche Anteile aus fossilen Energieträgern:
derjenige der Braunkohle liegt beispielsweise noch bei 24 %. Weil diese Kraftwerke au- ßerdem der System- und Ausfallsicherheit des Netzes dienen, werden sie ständig, wie bereits in Abschnitt 2.1.3 beschrieben, unter Volllast in Betrieb gehalten. Solche Netz- komponenten werden auch als must-run bezeichnet. Bild 2.2 zeigt die Verteilung der Bruttostromerzeugung von insgesamt 648 TWh nach Energiequellen in Deutschland für das Jahr 2015. Der Anteil regenerativer Energien beträgt bereits 30 %, wozu die Wind- kraft mit 86 TWh (13,3 %) den größten Beitrag liefert, gefolgt von Biomasse mit 44 TWh (6,8 %) und Photovoltaik mit 39 TWh (6,0 %).
Bild 2.2: Verteilung der Bruttostromerzeugung von 648 TWh in Deutschland im Jahr 2015 nach Energiequellen, Stand Dezember 2015 (vorläufige Zahlen, **rege- nerativer Anteil im Hausmüll) nachBMWi : Erneuerbare Energien auf einen Blick [15]
Überangebot
Durch die beträchtliche installierte Leistung aus Windkraftanlagen besteht bereits heute zeitweise ein Überangebot im elektrischen Netz. Zu besonders ertragreichen Zeiten wird dieser Effekt durch die installierte Photovoltaik noch verstärkt, wodurch eine Abrege- lung, insbesondere von Windkraftanlagen, nötig wird.
Schon im Jahr 2010 musste Strom aus erneuerbaren Energien von rund 127 GWhel (zu 98,6 % aus Windkraft) nach Auskunft der Bundesnetzagentur abgeregelt werden.3 Der Zubau, insbesondere im Bereich der Offshore-Windkraft, wird diese Problematik noch vergrößern. Durch solche Überangebote und die damit verbundene Minderausnutzung der getätigten Investitionen in neue Kraftwerke wird deren Wirtschaftlichkeit gemindert und gleichzeitig weiteres notwendiges und als Zielvorgabe festgeschriebenes Wachstum gefährdet.
Ein wachsender Anteil regenerativer Energie mit fluktuierendem Angebot steigert ei- nerseits die Wahrscheinlichkeit noch größerer Überangebote zu Schwachlastzeiten, an- dererseits steigt das Risiko, dass bei geringem Angebot entsprechend viel Leistung im Netz fehlen kann. Eine direkte und sichtbare Konsequenz aus dieser Entwicklung sind die geplanten und teilweise in Bau befindlichen „Stromautobahnen“: neue Nord-Süd- Verbindungen auf Höchstspannungsebene zum Transport küstennah gewonnener Wind- energie in den Süden Deutschlands.
Residuallast
Wenn im elektrischen Netz alle produzierenden Kraftwerke, wozu insbesondere diejenigen aus regenerativen Quellen zählen, weniger Leistung einspeisen als auf Verbraucherseite angefordert wird, verbleibt die sog.Residuallast. Im derzeitigen Energiemix treten solche Phasen sowohl durch den schwankenden Bedarf auf Verbraucherseite auf als auch wegen des fluktuierenden Angebotes aus regenerativen Energien, was bereits deutlich zur Ver- änderung der Betriebsweise von Spitzen- und Mittellastkraftwerken geführt hat. Anders als in Bild 2.1 müssen Pumpspeicherwerke zur Tagesmitte kaum noch eingreifen, weil genau in diesem Zeitbereich das Angebot aus Photovoltaik besonders hoch ist. Das euro- päische Verbundnetz dient mehr denn je dem Lastausgleich über Ländergrenzen hinweg – hierbei spielt auch der Handel mit regenerativ gewonnener elektrischer Energie eine nicht unwesentliche Rolle.
Je mehr konventionelle Kraftwerke durch regenerative Quellen mit fluktuierendem Angebot ersetzt werden, desto größer wird der Bedarf für Ausgleichsmaßnahmen. In der derzeitigen Situation führt dies oft zur Notwendigkeit, vorhandene konventionelle Kraftwerke als zusätzliche Regelleistung weiter vorzuhalten. Dies kann jedoch nur eine Übergangslösung sein, denn einerseits verursachen für Dauerbetrieb ausgelegte und dann als Regelkraftwerke betriebene Anlagen deutlich höhere Stillstandskosten oder Teillast- verluste als wirtschaftlich sinnvoll, andererseits würde auf Dauer die Transformation zu einer Vollversorgung aus regenerativen Energien so nicht gelingen.
Notwendigkeit der Speicherung
Bild 2.3 zeigt einen modellierten Verlauf des Lastgangs im elektrischen Netz für das Jahr 2050 unter der Annahme, dass eine Vollversorgung aus regenerativen Energien erreicht wird. Durch den großen Anteil regenerativer Energiequellen liegen Angebot und Bedarf zeitweise weit auseinander. Gegenüber der in Bild 2.1 dargestellten Lastkurve kehren
3Deutscher Bundestag : Abregelung von Stromerzeugungsanlagen[22]
Bild 2.3: Lastgang der Einspeisungen erneuerbarer Energien und der Nutzung elektri- scher Energie im Oktober 2050 gemäß einer exemplarischen Simulation auf Basis des Wetterjahres 2006 [32]
sich dann die Verhältnisse hinsichtlich der Fluktuationen um: die Schwankungsbreite des Energiebedarfs wird mehrfach durch die Schwankungsbreite des Energieangebotes übertroffen. Scheinbar geringfügig macht sich in dieser Darstellung die Grundlast aus, welche nach den zugrunde gelegten Annahmen der Simulation aus Wasserkraft, Biomasse (hier Holzheizkraftwerke) und Geothermie gedeckt wird.4 Derzeit entwickelt sich die Nutzung der Biomasse stetig weiter, weswegen die Möglichkeiten und das Potenzial dieser Energiequelle im folgenden Kapitel eingehend betrachtet werden.
4Die hier zitierte Studie wird in Abschnitt 5.1.1 genauer betrachtet.
Der Begriff Biomasse wird abhängig von Fachgebiet und -literatur auf unterschiedliche Weise festgelegt. Nach Basubeispielsweise als
nicht-fossiles und biologisch abbaubares organisches Material, stammend von Pflanzen, Tieren oder Mikroorganismen. Auch Produkte, Nebenprodukte, Reste und Abfälle aus Land- und Forstwirtschaft und damit verbundener Industrien zählen dazu, ebenso nicht-fossile und biologisch abbaubare Anteile industriellen oder städtischen Mülls.1
In einer etwas spezielleren Weise sieht DIN-EN-ISO 17225 Biomasse als
[. . .] organisches, nicht-fossiles Material biologischer Herkunft, das als Brenn- stoff für die Wärme- und Energiegewinnung verwendet werden kann. [62]
Gemeinsam sind diesen Definitionen jedoch immer die folgenden Eigenschaften:
• Biomasse wird von derzeitigen Lebewesen erzeugt und
• besteht (vorwiegend bei Pflanzen) aus deren organischem Material selbst
• und/oder umfasst deren Produkte oder auch Abfallprodukte;
• sie kann in fester, flüssiger und gasförmiger Form vorliegen.
Abzugrenzen ist die Biomasse von fossilen Rohstoffen, welche aus früheren Abschnit- ten der Erdgeschichte stammen und welche letzlich auch Ergebnis stofflicher Umwand- lungen organischen Materials sind. Die dort, überwiegend auch durch Photosynthese, gespeicherte (Sonnen-)Energie stammt jedoch aus nach menschlichem Ermessen nicht überschaubaren Zeiträumen – daher fehlt hier der Aspekt der Erneuerbarkeit.
Der Sauerstoff in der Erdatmosphäre ist das Ergebnis des Stoffwechsels von Mikroorganismen vor etwa 700 Millionen Jahren. Die fossilen Rohstoffe, die den überwiegenden Teil des Energiebedarfs der Menschheit decken, sind gewandelte Biomassen, im Wesentlichen pflanzlichen und mikrobiellen Ur- sprungs. Bis vor etwa 200 Jahren, also vor vergleichsweise kurzer Zeit, waren Biomassen als nachwachsende Rohstoffe die wichtigste Quelle für die Ener- gieversorgung der Menschheit.2
1eigene Übersetzung nach Basu: Biomass Gasification and Pyrolysis [10] S. 27. Weitere Definitionen finden sich auch in Gesetzestexten, vgl. [10] S. 325 f.
2Bley: Biotechnologische Energieumwandlung – Gegenwärtige Situation, Chancen und künftiger For- schungsbedarf [13]
Bei der Photosynthese nehmen Pflanzen Sonnenenergie in Form von Licht und Koh- lenstoffdioxid (CO2) als Gas aus der Umgebung auf. Vorwiegend Sauerstoff (O2) wird wieder abgegeben und somit Energie in organischen Verbindungen und dem entstehen- den Gas gespeichert. Durch die Einwirkung anderer Organismen oder durch direkte stoffliche Umsetzung steht die Energie dann auf biochemischem oder chemischem Wege wieder zur Verfügung. Mittels geeigneter Verfahren kann sie über mehrere Stufen auch in elektrische Energie überführt werden. Zur Beschreibung dieser Umwandlungsprozesse sollen zunächst einige Grundbegriffe erläutert werden.
3.1 Eigenschaften von Biomasse
3.1.1 Einteilung von Biomasse
Biomasse kann hinsichtlich mehrerer Eigenschaften eingeteilt und charakterisiert werden.
Aggregatzustand
Eine vielfach verwendete Einteilung unterscheidet biologisch-organische Energieträger nach ihrem Aggregatzustand:3
1. feste Biomasse Hierzu zählen:
• Hölzer, Holzreste und Abfälle aus Forsten und Holzverarbeitung –holzartige Biomasse, auch spezielle Energiehölzer, wie
– schnellwachsende Baumarten, sog. Kurzumtriebsholz, z. B. Weiden, Pap- peln, Eukalyptus
– Laubbäume, z. B. Buche – Nadelbäume, z. B. Fichte – Borke, Laub
• Getreide – halmgutartige Biomasse, Reste aus Landwirtschaft wie z. B. Heu und Stroh, auch spezielle Energiepflanzen, wie
– Chinaschilf (Miscanthus) – Weizen, Roggen, Gerste – Gras, Rohrglanzgras – Rapsstroh
• Früchte
– Rapskörner
– Oliven- und Traubenpresskuchen
3SoDIN EN ISO 17225-1[62, Teil 1] Biogene Festbrennstoffe
– Steine und Schalen
• Wasserpflanzen oder Hydrophyten – aquatische Biomasse, wie – Algen
– Wasserhyazinthe – Seegras
• Reste aus organischer Umwandlung von Stoffen pflanzlichen oder auch tieri- schen Ursprungs (z. B. durch Gär- oder Fäulnisprozesse) mit niedrigem Was- seranteil
2. flüssige Biomasse
• Pflanzenöle und alle flüssigen Bestandteile, gewinnbar durch Auspressen, Zen- trifugieren oder ähnliche physikalische Methoden
• Abfallstoffe aus Tierhaltung wie z. B. Gülle
• organische Umwandlungsprodukte wie unter 1., jedoch mit hohem Wasseran- teil
3. gasförmige Biomasse
• sog. Biogase als End- oder Zwischenprodukte biologischer Prozesse, vorwie- gend Methan oder Ammoniak, teilweise auch kurzkettige Alkane
Ursprung
Eine andere, ebenfalls oft verwendete, Einteilung von Biomasse unterscheidet die oben bereits aufgezählten Stoffe nach deren Ursprung (Auswahl):4
• Landwirtschaft
– Energiepflanzen sowie
– Ernterückstände wie trockene oder grüne Planzenteile – für Nahrungs- oder Futtermittel nicht verwertbare Früchte – Reste nach Weiterverarbeitung wie z. B. Spreu oder Schalen
• Forstwirtschaft
– Energiehölzer sowie
– Restholz nach Verarbeitung
• Abfallwirtschaft
– Abfälle aus Nahrungsmittelproduktion und -vertrieb – Abfälle aus Tierhaltung und Fleischverarbeitung
4vgl. Panoutsu, C. : Supply of Solid Biofuels: Potential Feedstocks, Cost and Sustainability Issues in EU27 [25, Chapter 1]
– Rückstände beim Einschlag (wie z. B. Rinde) oder bei Verarbeitung (wie z. B.
Sägemehl)
– organische Rückstände aus Klärprozessen – organischer Siedlungsmüll
Chemische Charakteristika
Um Biomasse, insbesodere für eine direkte Verbrennung, besser hinsichtlich ihrer che- mischen Eigenschaften einteilen zu können, sind weitere Klassifizierungen möglich:
• Atomzahlenverhältnis:
Wenn die Verbrennung einer Biomasse in dem Sinne möglichst vollständig ver- läuft, dass eine nahezu stöchiometrische Umsetzung und Bildung der Reaktions- produkte Kohlenstoffdioxid (CO2) und Wasserdampf (H2O) eintritt, so ist damit ein hoherHeizwert des Brennstoffes verbunden. D. h., der Energieertrag pro Stoff- menge oder Masse ist besonders groß. Hierzu werden die Atomzahlenverhältnis- se Wasserstoff/Kohlenstoff und Sauerstoff/Kohlenstoff bestimmt. Für eine asche- lose Verbrennung verringert sich der Heizwert eines Stoffes beispielsweise von 38 auf 15 MJ/kg, wenn das O/C-Verhältnis von 0,1 auf 0,7 steigt. Wenn das H/C- Verhältnis eines Stoffes steigt, sinkt der Heizwert ebenfalls.5
• Ternäres Diagramm:
Durch Auftragen der Atomzahlenverhältnisse entlang der Seiten eines gleichseiti- gen Dreiecks ist eine Charakterisierung des jeweiligen Stoffes hinsichtlich seiner C-H-O-Zusammensetzung möglich. Die Eckpunkte des Dreiecks entsprechen den reinen Elementen (100 %) Kohlenstoff, Wasserstoff bzw. Sauerstoff. Punkte inner- halb des Dreiecks definieren ein bestimmtes Mischungsverhältnis. Auf den Seiten des Dreiecks ist der Anteil des jeweils dritten, gegenüberliegenden Elementes 0 %.
Bild 3.1 zeigt die Lage von Kohle, Koks und typischer Biomasse im ternären Dia- gramm, sowie den Einfluss verschiedener Umwandlungsprozesse bzw. verschiedener Stoffe bei der Umwandlung. Die Beschreibung dieser Umwandlungsprozesse findet sich in Abschnitt 3.2 .
Biomasse hat demnach einen höheren Sauerstoff- und Wasserstoffanteil als Kohle (Coal) welche nahe der C-H-Verbindungslinie liegt und einen sehr geringen Sau- erstoffanteil besitzt. Koks (Char) wiederum, als veredelte Kohle, enthält einen noch höheren Kohlenstoffanteil und liegt nahe der C-Ecke des Diagrammes. Zu- sätzlicher Wasserstoff bzw. Sauerstoff verschiebt die Biomasseumwandlung hin zur H- bzw. zur O-Ecke. Dampf (S) verschiebt Umwandlungsprozesse hin zur H-O- Verbindungslinie. Durch schnelle Pyrolyse (F), also eine thermische Zersetzung unter Luftabschluss, entstehen eher flüssige, kohlenwasserstoffhaltige Reaktionpro- dukte, was einer Annäherung an die Punkte für Ethen (C2H4) oder Methan (CH4) entspricht. Eine langsam ablaufende Pyrolyse (P) erhöht den Kohlenstoffanteil (Karbonisierung).
5Basu, P. : Biomass Gasification and Pyrolysis [10] S. 39 ff.
Bild 3.1: Ternäres C-H-O-Diagramm für Biomasse [10]
3.1.2 Zusammensetzung von Biomasse
Wichtige Bestandteile von Biomasse sind die sog. Kohlenhydrate einschließlich Cellu- lose, Hemicellulose und Lignin, sowie Proteine und Fette. Es sind vorwiegend diese Stoffe, in denen durch Photosynthese Sonnenenergie gespeichert wird, welche anschlie- ßend durch biologische oder technische Umwandlung und chemische Reaktionen genutzt werden kann. In speziellen Umgebungen kann die von Organismen aufgenommene und gespeicherte Energie auch anderen Ursprungs sein, wie beispielsweise im Falle hydrother- maler oder vulkanischer Quellen. Dort nutzen chemolithoautotrophe Bakterien die hohe Umgebungstemperatur für ihr Wachstum oder Schwefelbakterien verwerten durch eine spezielle Art der Photosynthese Wärmestrahlung anstelle von Licht. Diese Arten spielen möglicherweise – wie auch die Cyanobakterien,6 welche das Sonnenlicht effektiver aus- nutzen können als Pflanzen – bei der Entstehungsgeschichte der Erde eine wichtige Rolle, für den aktuellen Energieumsatz in der Biosphäre ist ihr Beitrag jedoch vernachlässigbar gering.
Kohlenhydrate
Als Kohlenhydrate wurden ursprünglich (Natur-)Stoffe bezeichnet, welche neben Koh- lenstoff auch Wasserstoff und Sauerstoff, vorwiegend im Atomverhältnis 2:1 mit der allgemeinen Summenformel CnH2nOn, enthalten.7 Aus chemischer Sicht handelt es sich immer um Polyalkohole, teils auch mit mehreren Hydroxylgruppen pro Kohlenstoffatom
6Koolman/Röhm : Taschenatlas der Biochemie [35]
7Als prominente Ausnahmen zählen aber z. B. Essigsäure (C2H4O2) und Milchsäure (C3H6O3) nicht zu den Kohlenhydraten. [17] S. 933 f.
oder davon abgeleiteten funktionellen Gruppen. Niedermolekulare Kohlenhydrate sind sehr gut wasserlöslich, mit steigender Kettenlänge nimmt diese Eigenschaft jedoch ab.
Typische Vertreter der eigentlichen Kohlenhydrate sind dieSaccharide, verschiedene For- men von Zucker:
• Monosaccharide (Einfachzucker) wie Fructose (Fruchtzucker) oder Glucose (Trau- benzucker) sind die wichtigsten primären Produkte der pflanzlichen Photosynthese.
Fructose kommt in vielen Früchten und in Honig vor und schmeckt deutlich süßer als Glucose.
O 2 OH
OH O
H OH 5 O H
O 1 OH OH 4 OH
O H
O H
Fructose Glucose
Saccharide neigen zur Bildung von Ringen, welche in wässriger Lösung mit den jeweiligen offenkettigen Formen im Gleichgewicht stehen.8 Zur Veranschaulichung der Molekülstruktur dient hier eine sog. Haworth-Projektion mit durch Zahlen hervorgehobenen, bei Verkettung mehrerer Einheiten vornehmlich beteiligten C- Atomen (2 und 5 bei Fructose bzw. 1 und 4 bei Glucose).
• Disaccharide (Doppelzucker), wie Saccharose (Rohrzucker), Maltose (Malzzucker) oder Lactose (Milchzucker) entstehen durch glykosidische Verkettung zweier Mo- nosaccharide. Ein Glykosid ist die Verbindung eines Zuckermoleküls mit einem weiteren (auch nicht-Zucker-) Molekül unter Wasserabspaltung.
1 O
2 O H
OH O H 5
OH O OH
OH OH
4 O H
O H
O
Saccharose
Saccharose hat eine überragende Bedeutung für die Nahrungsmittelindustrie: Kris- tallzucker (Haushaltszucker) besteht aus Saccharose und wird überwiegend aus Pflanzen wie Zuckerrüben oder Zuckerrohr (daherRohrzucker) gewonnen.9
8Diese Ringstrukturen enthalten mehrere Chiralitätszentren, hierβ-D-Fructose undα-D-Glucose. [17]
9α-D-Glucopyranosyl-(1-2)-β-Fructofuranosid, vgl. [17] S. 956. „α“ bedeutet hier: die OH-Gruppe am
1 O
4 OH
OH 1 OH O O
H
OH 4 OH
O H
O H
O
Maltose
Maltose ist vorwiegend ein Abbauprodukt der Stärke. Keimende Gerste (Malz) enthält das Enzym Maltase, welches die langkettigen Stärkemoleküle in das Di- saccharid aufspaltet. Maltose ist z. B. in Kartoffeln oder Pasta sowie in vielen süß schmeckenden Lebensmitteln enthalten.10
1 O
4
OH O
1 OH OH OH
OH OH
4 O H
O H
O
Lactose
Lactose tritt in einer Konzentration von 4 bis 7 % in der Milch von Säugetieren auf und wird aus Molke gewonnen. Sie zeigt eine geringere Wasserlöslichleit als andere Zucker.11
• Polysaccharide (Vielfachzucker), wie z. B. Stärke, Cellulose oder Hemicellulose.
Bei den letztgenannten handelt es sich um hochmolekulare Stoffe aus hunderten oder tausenden von Monosacchariden, welche deutlich schlechter oder gar nicht wasserlöslich sind. Weil diese Polysaccharide einen sehr großen Anteil der verwertbaren Biomasse ausmachen, seien sie hier noch einmal als eigene Bestandteile hervorgehoben:
Stärke
Stärke enthält ausschließlich α-D-Glucoseeinheiten. Amylose besteht aus einer rein li- nearen, 1-4-glykosidischen Kettenstruktur. Wenn zusätzliche 1-6-Verknüpfungen zu Sei-
1. C-Atom (aus welcher die Glykosidverbindung entsteht) befindet sich bezogen auf die Ringebene entgegengesetzt zur Hydroxymethylen-Gruppe am 6. C-Atom. „β“ bedeutet entsprechend, dass sich diese funktionellen Gruppen auf derselben Seite der Ringebene befinden.
104-O-(α-D-Glucopyranosyl)-D-glucopyranose
114-O-(β-D-Glucopyranosyl)-D-glucopyranose): Bei der Galaktose liegt die Hydroxyl-Gruppe am 4. C- Atom oberhalb der Ringebene. Das 1. C-Atom ist mit dem 4. der Glucoseβ-glykosidisch verknüpft.
tenketten vorhanden sind, handelt es sich um Amylopektin. Die Hüllstruktur aus Amy- lopektin macht 80 % eines Stärkekorns aus, 20 % bilden in Form von Amylose den Kern.
Stärke stellt für Pflanzen den wichtigsten Energiespeicher dar. Ein Pendant im Tiereich ist das Glycogen.12
4 OH
O O
H
OH 1
O 4 OH
O O
H
OH 1
O 4 OH
O O
H
OH 1
O 4 OH
O O
H
OH 1
Stärke (Amylose) O
Cellulose
Cellulose enthält sehr lange Ketten von β-Glucoseeinheiten, welche 1-4-glykosidisch ge- bunden sind. Cellulose ist der Hauptbestandteil pflanzlicher Zellwände. Baumwolle und Flachs bestehen aus fast reiner Cellulose, Holz besteht daraus zu etwa 50 %.
Cellulose ist das verbreitetste Polysaccharid und zugleich die organische Sub- stanz, die in absolut größter Menge auf der Erde vorkommt. Cellulose ist im Gegensatz zu Amylose, Amylopektin und Glycogen ausβ-Glucose aufgebaut.
Sie lässt sich jedoch wesentlich schwieriger hydrolytisch abbauen.13
4 OH
O O
H
OH 1 H
O 4
OH
O O
H
OH 1 H
O 4 OH
O O
H
OH 1 H
O 4
OH
O O
H
OH 1 H
O
Cellulose
Als wichtigster Bestandteil der pflanzlichen Zellwand macht Cellulose beispielsweise bis zu 90 % Gewichtsanteil bei Baumwolle aus. Die langen Ketten erreichen Polymerisati- onsgrade von bis zu 10.000, wobei Wasserstoffbrücken zwischen dem Sauerstoffatom des Ringes und der benachbarten Hydroxyl-Gruppe des 3. C-Atoms der Kettenstruktur zu- sätzliche Festigkeit geben. Die biologische Verwertung von Cellulose als Energieträger
12Christen, H. R. :Grundlagen der organischen Chemie [17] S. 958 f. und [44] S. 659 f.
13Schröter/Lautenschläger/Bibrack :Taschenbuch der Chemie [44] S. 660
geschieht zunächst durch Aufspaltung der langen Ketten in niedermolekulare Einheiten wie z. B. Di- oder Monosaccharide. Die β-glykosidische Bindung kann nur von speziellen Enzymen gespalten werden. Im Tierreich besitzen z. B. Wiederkäuer eine Darmflora, die hierzu in der Lage ist. Eine biotechnologische Umwandlung von Cellulose setzt dement- sprechend das Vorhandensein jener speziellen Enzyme voraus.14
Hemicellulose
Ein weiterer wichtiger pflanzlicher Bestandteil ist die Hemicellulose. Anders als die ge- radlinige und regelmäßige Struktur der Cellulose besitzt Hemicellulose einen zufälligen und verzweigten Aufbau mit deutlich niedrigerer Festigkeit. Der Polymerisationsgrad beträgt hier nur ca. 100 – 200. Verschiedene Arten von Biomasse zeigen deutliche Un- terschiede in Aufbau und Zusammensetzung, beispielsweise aus den Monosacchariden D-Xylose, D-Glucose, D-Mannose oder L-Arabinose.15 Bei thermischer Zersetzung von Hemicellulose entsteht im Vergleich zur Cellulose mehr Gas und weniger Teer. Sie ist wasserlöslich und wird bereits durch schwache Säuren und Basen hydrolysiert. Ein ty- pischer Baustein des Grundgerüstes von Hemicellulose ist das Xylan. Die verzweigte Struktur der Hemicellulose entsteht durch vorzugsweise an den 2. und 3. C-Atomen über Kondensationsreaktionen gebundene Seitengruppen. [10]
4 O
O 3 H
OH
1 O 4 O
O
H 2
OH
1 O 4 O
O 3 H
OH
1 O 4 O
O
H 2
OH 1 O
Xylan
Lignin
Lignin ist die drittwichtigste Komponente der pflanzlichen Zellwand und stellt nach Cellulose mengenmäßig den zweitgrößten Bestandteil pflanzlicher Biomasse. Die hoch- verzweigte Struktur von Lignin ist nur schwer darstellbar, dabei sind p-Cumarylalkohol, Coniferylalkohol und Sinapylalkohol die Hauptkonstituenten. Lignin stabilisiert pflanz- liche Fasern durch Verholzung und sorgt für deren Druckfestigkeit.16
HO
OH
HO
O C H3
OH
HO
O C H3
OH OCH3
p-Cumarylalkohol Coniferylalkohol Sinapylalkohol
14[10] S. 36 f. und [17] S. 959 ff.
15Diese Einfachzucker unterscheiden sich hinsichtlich der Lage ihrer Hydroxylgruppen zur Ringebene.
16Die Doppelbindung der Propenylgruppe ist die entscheidende Funktion bei der Polymerisierung, vgl.
[10] S. 38 und [24] S. 193.
Proteine
Proteine sind ein weiterer Bestandteil von Biomasse. Sie bestehen aus Polymeren von Aminosäuren, die durch Peptidbindungen verknüpft sind, sog.Polypeptide. Aufbau und Funktion der Proteine sind sehr vielfältig. Beispielhaft seien hier genannt:
• Eiweiße, wie dasAlbumin, die als Grundstoffe für den Aufbau komplexerer Mole- küle dienen können;
• Hormone, wie dasInsulin, welche für die Regelung von Stoffwechselvorgängen un- entbehrlich sind;
• Enzyme als spezialisierte und hochkomplexe Makromoleküle, die Synthese und Abbau lebenswichtiger Stoffe bewerkstelligen.
Neben Wasserstoff, Sauerstoff und Kohlenstoff enthalten diese Moleküle einen bedeuten- den Anteil von Stickstoff, teilweise auch von Schwefel. In biologischen Abbauprozessen sind insbesondere Enzyme von Bedeutung. Ihre Funktion kann vereinfachend als bio- katalytisch bezeichnet werden und beruht dabei in essentieller Weise auf der räumlichen Struktur gefalteter Polypeptidketten. Diese Tertiärstruktur wird durch intramolekulare Wechselwirkungen an ausgezeichneten Stellen oder kovalente Bindungen, z. B. durch sog.
Disulfidbrücken, stabilisiert. [34]
Fette
Fette bestehen in ihrem Grundgerüst immer aus Glycerol17, dessen drei Alkoholfunktio- nen mit fast ausschließlich geradzahligen, linearen Carbonsäuren verestert sind. Diese Tri-Ester, auchTriglyceride genannt, können sowohl gesättigt als auch ungesättigt sein, also C-C-Mehrfachbindungen enthalten. Als typischer Vertreter dieser Stoffgruppe ist hier die Grundstruktur von Ricinusöl gegeben. Das Glycerol (rot dargestellt) ist dabei zweimal mit Ricinolsäure18 und mit einer weiteren organischen Säure (R) verestert.
O H O C OH
H3
O O
O H H
CH3
O O R
Ricinusöl
17auchGlycerin, Propan-1,2,3-triol
18Ricinolsäure C17H32(OH)COOH ist eine ungesättigte Hydroxysäure. [17] S. 900
Fette spielen sowohl im Pflanzen- als auch im Tierreich eine große Rolle als Energie- speicher. Ferner sind sie zur Aufnahme nicht-wasserlöslicher Vitamine für viele Organis- men essentiell.19
Tabelle 3.1 zeigt die Zusammensetzung einiger Fette. Dabei sind die einzelnen Trigly- ceride nicht immer gleich aufgebaut, was zu variierenden verhältnismäßigen Anteilen der jeweils beteiligte Fettsäuren führt.
Tabelle 3.1: Zusammensetzung einiger Fette und Öle [17]
Gewichts-% Palmitinsäure Stearinsäure Ölsäure Linolsäure
Kokosfett 4 – 10 1 – 5 2 – 10 0 – 2
Palmfett 34 – 43 3 – 6 38 – 40 5 – 11
Butter 23 – 26 10 – 13 30 – 40 4 – 5
Schweineschmalz 28 – 30 12 – 18 41 – 48 6 – 7
Talg 24 – 32 14 – 32 35 – 48 2 – 4
Ricinusöl 0 – 1 – 0 – 9 3 – 7
Olivenöl 5 – 15 1 – 4 69 – 84 4 – 12
Arachidöl 6 – 9 2 – 6 50 – 70 13 – 26
Rapsöl 0 – 1 0 – 2 20 – 38 10 – 15
Baumwollsamenöl 19 – 24 1 – 2 23 – 33 40 – 48
Leinöl 4 – 7 2 – 5 9 – 38 3 – 43
Lebertran 10 – 16 1 – 2 – –
3.1.3 Energiegehalt und Energiedichte
Die voraufgehende Betrachtung der Hauptbestandteile von Biomasse zeigt, dass deren wesentliche, elementare Bestandteile Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff sind. Der Prozess der Energiespeicherung durch Photosynthese aus Luftsauerstoff und Wasser spie- gelt sich hier augenfällig wieder. Stickstoff, Schwefel und Chlor spielen hinsichtlich der Gewichtsanteile zwar eine untergeordnete Rolle, müssen aber bei allen Umwandlungen berücksichtigt werden. Stick- und Schwefeloxide können als Abgase eine Umweltbelas- tung darstellen, Chlor kann innerhalb technischer Anlagen zu gravierenden Korrosions- schäden führen. Daneben kann Biomasse weitere Elemente enthalten, von denen die wichtigsten Aluminium, Calcium, Eisen, Magnesium, Phosphor, Kalium, Silicium, Na- trium und Titan sind, teilweise auch Arsen, Cadmium, Chrom, Kupfer, Quecksilber, Mangan, Molybdän, Nickel, Blei, Antimon, Vanadium und Zink.20Diese letztgenannten Elemente sind zwar nur im Promillebereich und darunter enthalten, gleichwohl sind sie
19Hill/Höfer : Natural fats and Oils [31, Kap. 9.1]
20Normativ als Hauptelemente gem. DIN EN ISO 16967 [60] sowie als Spurenelemente gem. DIN EN ISO 16968 [61] bezeichnet – die Begriffe beziehen sich auf deren Anteil in der Asche. Nicht erfasst sind hierin die Elemente Schwefel und Chlor. In der Literatur finden sich auch weitere, geringfügig abweichende Einteilungen, beispielsweise inMakronährstoffe undMikronährstoffe nach Kaltschmitt/Hartmann/Hofbauer : Energie aus Biomasse [34]
es aber, die Asche bilden, welche bei einer Verbrennung als fester Bestandteil zurück bleibt. Die Hauptbestandteile dagegen werden zu gasförmigen Oxiden umgesetzt.
Nun sollen zunächst die mit einer Verbrennung erreichbaren Energiewerte betrachtet werden. Dabei ist der obere Heizwert oder auch Brennwert qV,gr (gross calorific value) ein
gemessener Wert der spezifischen Verbrennungsenergie eines festen Brenn- stoffs, der in einer Sauerstoffatmosphäre in einer Kalorimeterbombe unter Bedingungen verbrannt wird, bei denen das gesamte Wasser der Reaktions- produkte in Form von flüssigem Wasser vorliegt. [59]
In dieser Definition wird bewusst angenommen, dass sämtlicher durch die Verbren- nung gebildete Wasserdampf kondensiert und damit seine latente Wärme abgibt. Als praxisnahes Beipiel diene hier die sog. Brennwerttechnik, welche vorwiegend bei gasbe- feuerten Heizkesseln zum Einsatz kommt. Durch Abgaskondensation wird ein Teil der Latentwärme nutzbar gemacht und der Energieertrag der Verbrennung nähert sich dem Brennwert.
Tabelle 3.2 zeigt den Energiegehalt und die Zusammensetzung einiger Biomassen, welche als Ausgangsstoffe für technische Prozesse auch als Substrate bezeichnet werden.
Zum Vergleich sind auch die mittleren Brennwerte der fossilen Brennstoffe Braun- und Steinkohle gegeben, wodurch eine wichtige Eigenschaft der Biomasse sichtbar wird: ihr Energiegehalt liegt insbesondere für Feststoffe und Flüssigkeiten deutlich unter demjeni- gen fossiler Brennstoffe. Bei der Gewinnung und beim Transport spielt dies eine wichtige Rolle, da größere Massen und Volumina bewegt werden müssen. Raps nimmt hier eine Sonderstellung ein: der Brennwert von Rapskörnern übertrifft denjenigen von Braunkoh- le, worin seine besondere Eignung als Energiepflanze begründet liegt. Der hohe Stick- stoffanteil führt bei einer Verbrennung jedoch zur Bildung von Stickoxiden, was mit Rücksicht auf Umweltverträglichkeit gesondert betrachtet werden muss.
Zur Charakterisierung technischer Verbrennungsprozesse ist in aller Regel der untere Heizwert oder auch einfach Heizwert qp,net (net calorific value) besser geeignet. Er ist ein
berechneter Wert für die spezifische Verbrennungsenergie eines festen Brenn- stoffs, der in einer Sauerstoffatmosphäre unter Bedingungen verbrannt wird, unter denen das gesamte Wasser der Reaktionsprodukte in dampfförmigem Zustand vorliegt. [59]
Hier wird der gebildete Wasserdampf als nicht-kondensiert angenommen, wodurch ein Teil der Reaktionswärme ungenutzt bleibt. Für technische Prozesse spielt daneben die Energiedichte E des verwendeten Brennstoffes eine große Rolle. Der Heizwert ist stark vom Wassergehalt oder auch Trocknungszustand des Brennstoffes abhängig. Wenn bei einer Verbrennung wegen hohen Wasseranteils ein Teil der Verbrennungswärme für die Verdampfung des Wassers aufgewendet werden muss, sinkt der nutzbare Energieanteil
Tabelle 3.2: Energiegehalt und Zusammensetzung einiger Biomasse-Substrate21
Substrat Brennwert Gewichts-% von
[MJ/kg] C H O N K Ca Mg P S Cl
Bagasse 8,0 45 6,0 35 0,0 0,00
Reisstroh 12,0
Getreidespelzen 14,0
Straßengrasschnitt 14,1 37,1 5,1 33,2 1,49 1,30 2,38 0,63 0,19 0,19 0,88 Sonnenblume (Stroh) 15,8 42,5 5,1 39,1 1,11 5,00 1,90 0,21 0,20 0,15 0,81 Triticale (Körner) 16,9 43,5 6,4 46,4 1,68 0,62 0,06 0,10 0,35 0,11 0,07 Hanf (Stroh) 17,0 46,1 5,9 42,5 0,74 1,54 1,34 0,20 0,25 0,10 0,20 Triticale (Ganzpflanze) 17,0 44,0 6,0 44,6 1,08 0,90 0,19 0,09 0,22 0,18 0,14 Weizen (Körner) 17,0 43,6 6,5 44,9 2,28 0,46 0,05 0,13 0,39 0,12 0,04 Triticale (Stroh) 17,1 43,9 5,9 43,8 0,42 1,05 0,31 0,05 0,08 0,056 0,27 Raps (Stroh) 17,1 47,5 5,8 41,4 0,46 1,38 0,49 0,07 0,21 0,089 0,40 Roggen (Körner) 17,1 45,7 6,4 44,0 1,91 0,66 0,17 0,49 0,11 0,16 Weizen (Ganzpflanze) 17,1 45,2 6,4 42,9 1,41 0,71 0,20 0,12 0,24 0,12 0,09 Weizen (Stroh) 17,2 45,6 5,8 42,4 0,48 1,01 0,31 0,10 0,10 0,082 0,19 Landschaftspflegeheu 17,4 45,5 6,1 41,5 1,14 1,49 0,50 0,16 0,19 0,16 0,31 Roggen (Stroh) 17,4 46,6 6,0 42,1 0,55 1,68 0,36 0,06 0,15 0,085 0,40 Gerste (Stroh) 17,5 47,5 5,8 41,4 0,46 1,38 0,49 0,07 0,21 0,089 0,40 Miscanthus 17,6 47,5 6,2 41,7 0,71 0,72 0,16 0,06 0,07 0,15 0,22
Maisstroh 17,7 45,7 5,3 41,7 0,65 0,12 0,35
Roggen (Ganzpflanze) 17,7 48,0 5,8 40,9 1,14 1,11 0,07 0,28 0,11 0,34 Buchenholz (mit Rinde) 18,4 47,9 6,2 45,2 0,22 0,15 0,29 0,04 0,04 0,015 0,006 Weidenholz (Kurzumtrieb) 18,4 47,1 6,1 44,3 0,54 0,26 0,68 0,05 0,09 0,045 0,004 Pappelholz (Kurzumtrieb) 18,5 47,5 6,2 44,1 0,42 0,35 0,51 0,05 0,10 0,031 0,004 Fichtenholz (mit Rinde) 18,8 49,8 6,3 43,2 0,13 0,13 0,70 0,08 0,03 0,015 0,005 Rinde (Nadelholz) 19,2 51,4 5,7 38,7 0,48 0,24 1,27 0,14 0,05 0,085 0,019
Raps (Körner) 26,5 60,5 7,2 23,8 3,94 0,10
Braunkohle 20,6 65,9 4,9 23,0 0,7 0,39 <0,1
Steinkohle 29,7 72,5 5,6 11,1 1,3 0,94 <0,13
Bagasse: Pressrückstand bei der Zuckergewinnung; Triticale: Kreuzung aus Weizen und Roggen; Miscanthus: (Riesen-)Chinaschilf
und damit auch der Heizwert. Bild 3.2 zeigt exemplarisch die Abhängigkeit des Heiz- wertes bzw. Brennwertes vom Wassergehalt.
Der funktionelle Zusammenhang zwischen Heizwertqp,netund Wassergehalt wenthält neben dem Heizwert des trockenen Brennstoffes qp,dry die Konstante 2,443, welche aus der Verdampfungswärme von Wasser bei 25◦C resultiert. [34] S. 350 ff.
qp,net = qp,dry·(100−w)−2,443w
100 (3.1)
Feste Brennstoffe werden oft als Schüttgut produziert und transportiert, welches na- turgemäß luftgefüllte Hohlräume enthält. Die somit geringere Dichteρ beeinflusst eben-
21Kaltschmitt/Thrän : Biomass-based Green Energy Generation [31, Kap. 7] S. 91
