Inhaltsverzeichnis

  Inhaltsverzeichnis  

1.  Einleitung  1

2.  Aufgabenstellung und Zielsetzung  6

3.  Grundlagen  8

3.1.  Brennstoffeigenschaften von Holz  8

3.1.1.  Zusammensetzung von Holz  9

3.1.2.  Wassergehalt und Heizwert von Holz  12

3.2.  Besondere Aspekte bei der Holzverbrennung  14

3.2.1.  Verbrennungsverlauf  14

3.2.2.  Emissionen bei der Verbrennung von Holz  16

3.3.  Emissionsrechtliche Anforderungen  17

3.4.  Qualitätsanforderungen an Pellets und Hackschnitzel  19

3.5.  Kesseltechnik  21

3.5.1.  Aufbau und Funktion der Feuerungsanlage  23

3.5.2.  Regelung der Feuerraumtemperatur  30

3.5.3.  Regelung der Kesselwassertemperatur  32

4.  Einsatz eines Holzkessels im Anlagenbetrieb  35

4.1.  Monovalenter Anlagenbetrieb  36

4.1.1.  Pelletsfeuerungen  36

4.1.2.  Hackschnitzelfeuerungen  36

4.2.  Bivalenter Anlagenbetrieb  40

5.  Herleitung von Auslegungskriterien  43

5.1.  Kriterien der optimalen Dimensionierung des Holzkessels  43

5.2.  Darlegung der Auslegungskriterien anhand von zwei  

  Objektbeispielen  44

5  2 1 Erstellung der Jahresdauerlinie der beiden Objekte  45

Inhaltsverzeichnis

5.2.2.  Berechnung der Jahresheizarbeit der beiden Objekte  47

5.2.3.  Berechnung der Jahresbrennstoffkosten für beide Objekte  50

5.2.4.  Ermittlung der Investitionskosten der Systemvarianten  74

5.2.5.  Bestimmung einer Lösungsvariante für beide Objekte  76

5.3.  Betriebsverhalten der Kessel im Tagesverlauf  82

5.4.  Realisierungsmöglichkeit der Anlagenhydraulik  86

5.4.1.  Hydraulische Lösungsmöglichkeit für Objekt A  86

5.4.2.  Hydraulische Lösungsmöglichkeit für Objekt B  88

5.4.3.  Hydraulische Lösungsmöglichkeit mit Pufferspeicher  90

6.  Zusammenfassung und Ausblick  93

7.  Literaturverzeichnis  95

  Verzeichnis der Bilder  

  Verzeichnis der Bilder  

3.1  Pelletierung mit einer Ringmatrizenpresse  20

3.2  Integralfeuerung der Firma Bioflamm  22

3.3  Schrägschnecken- und Schubbodenaustragung  23

3.4  Rostflächenetagen des Einschubbrenners  24

3.5  Rückseite des Einschubbrenners mit Primär- und  

  Sekundärluftgebläse  25

5  1 Holzkessel Typ RRK und Niedertemperaturkessel Euroval NT  51

  Verzeichnis der Tabellen  

  Verzeichnis der Tabellen  

3.1  Emissionsanforderungen an nicht genehmigungsbedürftige  

  Holzfeuerungen nach BImSchV  18

3.2  Zusammenstellung der Grenzwerte und Bedingungen nach der  

  österreichischen Norm für Holzhackgut (ÖNorm M7 133)  19

5.1.  Rechteckflächen der beiden Jahresdauerlinien mit der jeweils  

  errechneten Heizarbeit  49

5.2  Leistungsaufteilung der fünf Systemvarianten bei einer  

  Nennleistung von 500 kW  51

5.3  Zusammenfassung der Ergebnisse der Berechnung für Objekt A  61

5.4  Zusammenfassung der Ergebnisse der Berechnung für Objekt B  71

5.5  Investitionskosten der fünf möglichen Systemvarianten  75

5.6  Kennzahlensystem am Beispielheizwerk (Krankenhaus) einer  

  bivalenten Anlage  78

  Verzeichnis der Abbildungen  

  Verzeichnis der Abbildungen  

1.1  Primärenergieverbrauch nach Energieträgern in Deutschland  2

1.2  Potentiale regenerativer Energien in Deutschland (Abschätzung)  3

1.3.  Holzvorrat, jährlicher Zuwachs und Nutzung  4

2.1  Hydraulikschemen einer Kombination von Holzkessel und  

  Öl-/Gaskessel mit Pufferspeicher und ohne Pufferspeicher  6

3.1  Schematische Zusammensetzung von festen Brennstoffen  9

3.2  Anteil an brennbaren Gasen von Festbrennstoffe  10

3.3  Elementarzusammensetzung von Holz bei 20 Wassergehalt  11

3.4  Zusammenhang zwischen Wassergehalt x bzw. u und dem  

  unteren Heizwert H u  13

3.5  Zuständige Verordnung in Abhängigkeit der Brennstoffgruppe  

  und Feuerungswärmeleistung  17

3.6  Schematische Darstellung einer Unterschubfeuerung  21

3.7  Schematische 3D-Grafik eines Zyklonabscheiders  26

3.8  Auswirkungen der elektronischen Regeleinheit  27

3.9  Sicherungseinrichtungen an der Feuerungsanlage  29

3.10  Schema einer Rückbrand-Sicherheitseinrichtung  30

3.11  Anheizphasen und Regelphase der Feuerraumtemperaturregelung  31

3.12  Prinzipieller Ablauf der Regelung der Kesselwassertemperatur  32

4.1  Anlagenschema eines Hackschnitzelkessels mit Pufferspeicher  37

4.2  Beispiel eines Anlagenschemas eines bestehenden Kesselhauses  

  für eine Nahwärmeversorgung  39

  Verzeichnis der Abbildungen  

4.3  Beispiel einer Jahresdauerlinie bei Kombination einer  

  Hackschnitzelfeuerung mit Ölfeuerung zur Spitzen- und  

  Schwachlastabdeckung  41

5.1  Jahresdauerlinie der Schule mit Turnhalle und Schwimmbad  45

5.2  Jahresdauerlinie der Schule  46

5.3  Jahresdauerlinie der Schule mit Rechteckflächen  47

5.4  Jahresdauerlinie der Schule mit Turnhalle und Schwimmbad mit  

  Rechteckflächen  48

5.5  Objekt A: Heizarbeit des Holzkessels bei 350 kW Nennleistung  53

5.6  Objekt A: Heizarbeit des Holzkessels bei 300 kW Nennleistung  54

5.7  Objekt A: Heizarbeit des Holzkessels bei 250 kW Nennleistung  56

5.8  Objekt A: Heizarbeit des Holzkessels bei 200 kW Nennleistung  57

5.9  Objekt A: Heizarbeit des Holzkessels bei 150 kW Nennleistung  59

5.10  Objekt A: Jahresheizarbeitsanteil von Holzkessel und  

  Niedertemperaturkessel in Abhängigkeit der Holzkesselleistung  61

5.11  Objekt A: Verhalten der Brennstoffkosten bei steigendem  

  Leistungsanteil des Holzkessels  62

5.12.  Objekt B: Heizarbeit des Holzkessels bei 350 kW Nennleistung  63

5.13  Objekt B: Heizarbeit des Holzkessels bei 300 kW Nennleistung  65

5.14  Objekt B: Heizarbeit des Holzkessels bei 250 kW Nennleistung  66

5.15  Objekt B: Heizarbeit des Holzkessels bei 200 kW Nennleistung  68

5.16  Objekt B: Heizarbeit des Holzkessels bei 150 kW Nennleistung  69

5.17  Objekt B: Jahresheizarbeitsanteil von Holzkessel und  

  Niedertemperaturkessel in Abhängigkeit der Holzkesselleistung  72

5.18  Objekt B: Verhalten der Brennstoffkosten bei steigendem  

  Leistungsanteil des Holzkessels  73

  Verzeichnis der Abbildungen  

5.19  Investitionskosten von Holzkessel Typ EuroBioTec RRK/System  

  Binder und Niedertemperaturkessel Typ Euroval NT in  

  Abhängigkeit ihrer Nennleistung  74

5.20  Systemabhängige Investitionskosten von Holzkessel und  

  Niedertemperaturkessel mit Gesamtinvestition  76

5.21  Objekt A: Gegenüberstellung der jährlichen Gesamtbrennstoffkosten  

  und Kesselinvestitionskosten  79

5.22  Objekt B: Gegenüberstellung der jährlichen Gesamtbrennstoffkosten  

  und Kesselinvestitionskosten  81

5.23  Objekt A: Tagesverlauf der benötigten Kesselleistung an einem  

  Wintertag (Januar)  82

5.24  Objekt A: Tagesverlauf der benötigten Kesselleistung an einem  

  Wintertag (September)  83

5.25  Objekt B: Tagesverlauf der benötigten Kesselleistung an einem  

  Wintertag (November)  84

5.26  Objekt B: Tagesverlauf der benötigten Kesselleistung an einem  

  Sommertag (August)  85

5.27  Anlagenschema der hydraulischen Systemlösung für Objekt A  86

5.28  Anlagenschema der hydraulischen Systemlösung für Objekt B  88

5  29 Anlagenschema einer möglichen Systemlösung mit Pufferspeicher  91

Verwendete Formelzeichen

Verwendete Formelzeichen

1 Einleitung 1

1 Einleitung

Holz als eines der ältesten Rohstoffe, steht dem Menschen seit der Entdeckung des Feuers vor etwa 400000 Jahren als Energieträger zur Verfügung.

Erst im Laufe der Industrialisierung Mitte des 19. Jahrhunderts wurde Holz als Brennstoff durch Kohle und zu Beginn des 20. Jahrhunderts durch Erdöl bzw. Erdgas ersetzt.

Der Ersatz durch fossile Energieträger führte in den letzten 100 Jahren zu einem Anstieg der CO 2 -Konzentration um 27% mit der Folge einer Erhöhung der mittleren Welttemperatur um ca. 0,5%. /1/

Bei unveränderter Emission ist eine globale Erwärmung von ca. 2 bis 5°C in 100 Jahren zu erwarten. Die Geschwindigkeit der Temperaturveränderung ist zwei bis ist fünf mal so groß wie sie sein dürfte, damit sich die Vegetation anpassen kann; allgemein geht man von maximal 0,1°C pro Jahrzehnt als soeben, ohne zu große Einbrüche, verträglich aus. Es sind also großflächige Zusammenbrüche von Ökosystemen zu erwarten. /2/

Politisch wurden auf der Konferenz der Vereinten Nationen für Umwelt und Entwicklung im Juni 1992 in Rio de Janeiro in der Agenda 21 alle wesentlichen Politikbereiche einer umweltverträglichen, nachhaltigen Entwicklung

angesprochen. Mit dem von 170 Staaten verabschiedeten Aktionsprogramm für das 21. Jahrhundert wurden Handlungsaufträge gegeben, um u. a. eine nachhaltige Nutzung der natürlichen Ressourcen sicherzustellen.

In Deutschland hat sich zudem die Bundesregierung verpflichtet, das CO 2 -Minderungsziel zu erfüllen, das eine Reduktion der CO 2 -Emissionen um 25%, bis zum Jahr 2005 gegenüber 1990 vorsieht.

Zur Erfüllung dieses Ziels ist neben dem Einsparen von Energie und der rationellen Energienutzung, der Einsatz von kohlenstoffarmen und erneuerbaren Energieträgern notwendig.

1 Einleitung 2

Abbildung 1.1: Primärenergieverbrauch nach Energieträgern in Deutschland (1999) /3/

Die Grafik aus Abbildung 1.1 veranschaulicht, dass die regenerativen Energieträger einen sehr geringen Anteil an den Gesamtenergieträgern in Deutschland ausmachen.

In anderen europäischen Ländern wie z.B. Österreich, Schweiz, Finnland oder Schweden werden schon heute zwischen 15 und 20% des Primärenergiebedarfs durch Biomasse abgedeckt. Diese Länder zählen zu den Vorreitern auf diesem Gebiet.

Auch der weltweite Anteil an erneuerbaren Energien am

Primärenergieverbrauch beträgt ca. 17%, wobei 66% aus nicht kommerziellem Brennholz und anderen Biomassen kommen und die restlichen 33% Wasserkraft stellt. /4/

Auf den Gesamtbedarf betrachtet ist der Anteil an regenerativen Energien enttäuschend niedrig, obwohl das theoretische Potential an nutzbaren erneuerbaren Energiequellen um ein vielfaches größer ist als der aktuelle weltweite Primärenergieverbrauch.

Nach einer Studie des Deutschen Institutes für Wirtschaftsforschung besitzt Biomasse unter den regenerativen Energieträgern das weitaus größte Potential in Deutschland.

1 Einleitung 3

Abbildung 1.2: Potentiale regenerativer Energien in Deutschland (Abschätzung) /3/

Zur Erhöhung des Anteils von Biomasse am Primärenergieverbrauch kann insbesondere die zur Verfügung stehende energetisch nutzbare Holzmenge einen Beitrag leisten.

Holz als Energieträger wird hierbei aus Forstwirtschaft und

Landwirtschaftspflege gewonnen oder als Restholz aus der be- und verarbeitenden Holzindustrie erlangt. Seit über 200 Jahren wird in Deutschland eine nachhaltige Forstwirtschaft betrieben, d.h. es wird dem Wald nicht mehr Holz entnommen als nachwächst. Heute werden etwa zwei Drittel des jährlichen Zuwachses von ca. 60 Mio. m³ dem Wald entnommen. Der Rest verbleibt im Wald und vergrößert den Holzvorrat./6/

1 Einleitung 4

Abbildung 1.3: Holzvorrat, jährlicher Zuwachs und Nutzung /6/

Für die energetische Nutzung von Holz in Holzheizanlagen sprechen ökologische und wirtschaftliche Argumente. Zu den ökologischen Vorteilen zählt die CO 2 -Verbrennung, d.h. bei der Verbrennung von Holz wird die Menge an CO 2 freigesetzt, die der Baum zuvor beim Wachstum aufgenommen hat und führt deshalb zu keiner Veränderung des CO 2 -Gehaltes in der Atmosphäre. Aufgrund der sicheren Brennstofflagerung und der kurzen Transportwege werden durch den Ersatz fossiler Energieträger durch Holz

Umweltbeeinträchtigungen durch Öltankerkatastrophen, Pipeline-Leckagen und Gasexplosionen vermieden.

Im Bereich der wirtschaftlichen Argumentation ermöglicht die

Holzenergienutzung eine lokale und regionale Wertschöpfung. Die bei der Errichtung einer Holzheizanlage getätigten Investitionen verbleiben in der Region und fördern die Entwicklung eines neuen Wirtschaftfaktors mit Standort gebundenen Arbeitsplätzen.

1 Einleitung 5

Heutzutage hat die Holzheizungstechnik bei den holzbefeuerten Zentralheizungsanlagen einen Automationsstand erreicht, der den Öl- und Gasfeuerungen im Bereich Komfort und Wirkungsgrad kaum nachsteht. Bei den automatisch beschickten und sich selbst reinigenden Pelletskesselanlagen muss lediglich ca. alle sechs bis acht Wochen der Aschekasten entleert werden. Moderne Pellets- und Hackschnitzelanlagen zeichnen sich durch eine vollständige und schadstoffarme Verbrennung aus.

Für größere Anlagen zur Wärmeversorgung von Industriebetrieben, kommunalen Einrichtungen und Wohngebieten werden neben Pellets auch Hackschnitzel eingesetzt, die ebenfalls vollautomatisch vom Lagerraum in die Kesselanlage befördert werden. Dabei ist zu beachten, dass die Regelbarkeit eines Hackschnitzelkessels begrenzt ist. Um erhöhte Schadstoffemissionen zu vermeiden, sollte der Kessel vorwiegend im Bereich seiner Nennleistung betrieben werden. Da Hackschnitzelkessel in der Regel nicht unter 20% ihrer Nennleistung betrieben werden können, wird durch einen zusätzlichen fossil befeuerten Kessel ein redundantes Feuerungssystem zur Verfügung gestellt. Ein Öl- oder Gaskessel dient hier zur Abdeckung der Spitzen- und Schwachlast.

Neben der reinen Wärmeerzeugung ist bei großen Leistungen auch der Einsatz der Kraft-Wärme-Kopplung zur zusätzlichen Stromerzeugung möglich. Hier lassen sich die Systeme in Verbrennung und Vergasung des Holzes unterteilen. Beim Verbrennungssystem wird mittels der Rauchgaswärme überhitzter Dampf erzeugt, der sich in einer Turbine zur Stromerzeugung entspannt und danach zur Wärmeauskopplung kondensiert. Die Technik zur Holzvergasung (z.B. mit Hackschnitzel) mit anschließender Nutzung des Schwachgases in Kraftmaschinen befindet sich derzeit noch in der Entwicklungsphase.

2 Aufgabenstellung und Zielsetzung 6

2 Aufgabenstellung und Zielsetzung

Der Weg der Heizsystemhersteller führt immer mehr dahin, komplette Systemlösungen anzubieten, die aus einzelnen optimal aufeinander abgestimmten Systemkomponenten bestehen. Eine Systemlösung für ein Einfamilienhaus für die Deckung des Heizbedarfs und zur

Trinkwassererwärmung könnte z.B. aus den Komponenten Wärmeerzeuger, Kombi-Pufferspeicher und thermischer Solaranlage bestehen.

Der Heizsystemhersteller FRÖLING, Overath, hat sich zum Ziel gesetzt, für die Versorgung von Nahwärmenetzen eine Systemlösung für Pellets- und Hackgut-Großkessel ab 100 kW Nennleistung anzubieten. Ein dem heutigen Stand der Technik gerecht werdendes Nahwärmenetz sollte aus ökologischen Gründen einen regenerativen Brennstoff als Hauptenergieträger nutzen. Daher bietet sich Holz in Form von Pellets oder Hackschnitzeln als umweltschonender und CO 2 - neutraler Brennstoff für einen Grundlastkessel an. Ein mit Öl oder Gas betriebener Niedertemperaturkessel ist für die Abdeckung der Spitzenlast zuständig.

Ausgangspunkt der Systemlösung der Fa. FRÖLING waren zwei vereinfachte Hydraulikschemen, die die Kombination der beiden Kessel einmal mit und einmal ohne Pufferspeicher zeigen.

Abbildung 2.1: Hydraulikschemen einer Kombination von Holzkessel und Öl-/Gas-Kessel mit

Pufferspeicher und ohne Pufferspeicher (Werksbilder Firma FRÖLING)

2 Aufgabenstellung und Zielsetzung 7

Problem hierbei ist, wie die aufzubringende Gesamtleistung der Anlage auf die beiden Kessel prozentual aufgeteilt werden muss, um einen optimalen Betrieb des Systems zu gewährleisten. Zudem stellt sich hier die Frage, welche Auswirkungen ein möglicher Einsatz eines Pufferspeichers auf die Betriebsweise hat.

Da Herstellerfirmen überwiegend entweder nur auf Öl-/Gaskessel oder auf Holzkessel spezialisiert sind, liegen keine fundierten Kenntnisse darüber vor, wie groß der Holzkessel in bivalenten Anlagen im Hinblick auf einen optimalen Betrieb dimensioniert werden muss. Daher werden von der planerischen Seite noch viele Fehler bei der Auslegung gemacht, die zu einem unwirtschaftlichen Betrieb des Holzkessels mit hohen Emissionen führen.

Die noch sehr junge Technik der wirtschaftlichen und umweltfreundlichen Holzverbrennung ist zum jetzigen Zeitpunkt in Verbindung mit fossilen Brennstoffen nirgends in der Literatur behandelt. Daher sind durch Gespräche mit Planern und Holzkesselherstellern und durch Untersuchung von bestehenden Anlagen die Grundlagen zu erarbeiten.

Ziel dieser Diplomarbeit ist es, Auslegungskriterien für Holzkessel in einem bivalenten Anlagensystem herzuleiten, die einen technisch und wirtschaftlich sinnvollen Betrieb ermöglichen. Grundlage dieser Herleitung ist die durch die Brennstoffeigenschaften bestimmende Holzkesseltechnik, die sich im Betriebsverhalten von Öl- oder Gaskesseln unterscheidet.

3 Brennstoffeigenschaften von Holz 8

3 Grundlagen

3.1 Brennstoffeigenschaften von Holz

Für die Auslegung und den Betrieb einer Holzheizanlage sind die Brennstoffeigenschaften wichtige Ausgangsgrößen, da sie Einfluss auf Lagerdimensionierung, Fördereinrichtung, Feuerung, Abgasreinigungssystem, Ascheverwertung und Regelung nehmen.

Für das Anlagenkonzept und die Betriebsweise der Anlage bedeutet das, dass neben dem Nutzerverhalten der Verbraucher auch auf den vorgesehenen Brennstoff und dessen Eigenschaften zu achten ist.

3 Brennstoffeigenschaften von Holz 9

3.1.1 Zusammensetzung von Holz

Holz und andere Festbrennstoffe lassen sich in brennbare und in nichtbrennbare Substanzen unterteilen. Die nicht-brennbaren Bestandteile sind Asche und Wasser, wogegen die flüchtigen Bestandteile und der Restkoks die brennbare Substanz bilden.

Abbildung 3.1: Schematische Zusammensetzung von festen Brennstoffen /7/

Holz hat jedoch im Vergleich zu Kohlebrennstoffen einen hohen Anteil an vergasbaren, flüchtigen Bestandteilen und einen geringen Aschegehalt.

3 Brennstoffeigenschaften von Holz 10

Abbildung 3.2: Anteil an brennbaren Gasen von Festbrennstoffe

Aufgrund des hohen Anteils an brennbaren Bestandteilen verbrennt Holz mit einer langen Flamme und erfordert deshalb einen für die Verbrennung großen und hohen, der Flammenbildung angepassten, Feuerraum mit Nachverbrennungszone.

Die wichtigsten Hauptbestandteile von naturbelassenem Holz sind Cellulose mit etwa 47% und die Hemicellulose mit etwa 25%, die im Wesentlichen als Grund-und Gerüstsubstanz fungieren. Des Weiteren bildet Lignin als Bindesubstanz mit ca. 24%, und organische und anorganische Nebenbestandteile, wie Harze, Öle und Mineralstoffe mit ca. 4%, den Rest.

Die Elementarzusammensetzung ermöglicht Rückschlüsse auf den Heizwert des Brennstoffs und macht zu erwartende Emissionen und Ascheanfälle bei der Verbrennung erkennbar.

3 Brennstoffeigenschaften von Holz 11

Abbildung 3.3: Elementarzusammensetzung von Holz bei 20% Wassergehalt

Die wesentlichen Elementarbestandteile von Holz sind der Kohlenstoff und der Wasserstoff, da sie den Heizwert bestimmen und bei der Verbrennung zu Kohlendioxid und Wasser oxidieren.

3 Brennstoffeigenschaften von Holz 12

3.1.2 Wassergehalt und Heizwert von Holz

Bei der energetischen Nutzung von Holz ist der Wassergehalt die entscheidende Kenngröße. Der Wasser- oder Feuchtegehalt hat eine bedeutende Einflussnahme auf den Heizwert und auf die Verbrennung. In Freiluftlagerung erreicht das Holz den so genannten lufttrockenen Zustand (lutro) von 15% bis 20%. Durch Erwärmung auf Temperaturen über 100°C lässt sich die Holzfeuchte vollkommen entfernen. Dieser Zustand wird als absolut trocken (atro) bezeichnet.

Der Wassergehalt kann in zwei unterschiedliche Formen dargestellt werden:

Holzfeuchte (u):

− G

⋅ = G ⁰ u % 100 u 0

Hierbei handelt es sich um die Differenz zwischen dem Frischgewicht und dem absolutem Trockengewicht bezogen auf das absolute Trockengewicht in Prozent.

Wassergehalt (x):

− G

⋅ = 0 u % 100 x

G

u

Diese Definition bezieht sich auf das Frischgewicht und wird häufig im Zusammenhang mit dem Heizwert angegeben.