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Holzpellet-KWK-Anlagen in der Praxis

Wärme und Strom aus erneuerbaren Rohstoffen

Holzpellets sind ein nachhaltiger und umweltschonende Brennstoff, mit Hilfe der Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) selbsterzeugte Wärme und Strom sind äußerst effizient. Holzpellet-KWK-Anlagen sind also eine unschlagbare Kombination. Mehr zu dieser spannenden Form der Energieversorgung lesen Sie hier!

Holzpellets und ein Heizkörperthermostat.
Quelle: Sergej Toporkov / https://de.fotolia.com/

Der Brennstoff Holzpellets spielt für die klimafreund­liche Wärmeversorgung von Haushalten, Gewerbe- und Fertigungsbetrieben eine immer wichtigere Rolle. Holzpelletfeuerungen sind vielseitig einsetzbar und bieten mit zertifizierter Brennstoffqualität einen komfortablen Heizungsbetrieb. Knapp 450.000 installierte Feuerungen in Deutschland stellen eine nachhaltige und umweltschonende Wärmeversorgung mit heimischem Brennstoff sicher.

Darüber hinaus werden Holzpellets immer häufiger zur kombinierten Erzeugung von Wärme und Strom mit Hilfe der Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) eingesetzt, die auch in der Energiewende-Diskussion an Bedeutung gewinnt – allerdings hauptsächlich noch mit fossilen Energieträgern.

Der selbsterzeugte Strom kann den Großteil des eigenen Bedarfs decken. Auf Strom aus dem öffentlichen Verbundnetz kann somit ganz oder weitgehend verzichtet werden. Dies hilft den ohnehin überlasteten Stromnetzen und macht zentrale fossile Stromerzeugungskapazitäten überflüssig. Die Vorteile von KWK-Anlagen werden mit Pellets optimal ausgeschöpft, da der Brennstoff in Deutschland aufgrund der großen Mengen an Sägeresthölzern (Späne, Hackschnitzel) breit verfügbar und preisstabil ist.

Die Grafik zeigt das verfügbare Holzpotential für den Ausbau von Pelletfeuerungen in Deutschland.
Quelle: Deutsches Pelletinstitut
Die Pelletproduktion ist aus Qualitätsgründen auf reine Holzspäne und Hackschnitzel angewiesen, wie sie in Deutschland in den zahlreichen Sägewerken anfallen.

Mit der Entwicklung der Pelletfeuerungen haben sich auch Produktion und Verbrauch von Holzpellets in Deutschland gesteigert. Die Pelletproduktion ist aus Qualitätsgründen auf reine Holzspäne und Hackschnitzel angewiesen, wie sie in Deutschland in den zahlreichen Sägewerken anfallen. Von der dort verfügbaren Menge von rund 7 Mio. t durchschnittlich pro Jahr werden heute rund 2 Mio. t zur Pelletproduktion genutzt. Aus qualitativen Gründen sind zur Herstellung von hochwertigen Pellets für den Wärmemarkt keine Waldresthölzer nutzbar, die bei der Holzernte anfallen, aber auch kein gebrauchtes Holz oder Altholz.

Der Wunsch nach Unabhängigkeit bei der Wärme- und Stromversorgung ist in den letzten Jahren angestiegen, was das Interesse an der Selbstversorgung steigert. In der Wärmeversorgung ist man mit Holzpellets bereits seit einigen Jahren schon weitgehend unabhängig von stark schwankenden Weltmarktpreisen.

Denn ausgereifte Pelletfeuerungstechnik gepaart mit zertifizierter Brennstoffqualität braucht den Vergleich mit Heizöl und Gas nicht zu scheuen. Aber auch Strom kann mit Holzpellets bereitgestellt werden. Auf der Basis von Kraft-Wärme-Kopplung (Holzpellet-KWK-Anlagen) sind sie im größeren Leistungsbereich (thermisch: 22 bis 270 kW; elektrisch: 9 bis 180 kW) seit einigen Jahren in der Praxis erprobt. Mittlerweile gibt es auch Anlagen im kleineren Leistungsbereich (9 kWth und 0,6 kWel).

Wärmebedarf steuert Stromerzeugung

Holzpellet-KWK-Anlagen werden in der Regel wärmegeführt betrieben. Das heißt, es wird dann Strom erzeugt, wenn Wärme gebraucht wird. Wird keine Wärme benötigt, wird auch kein Strom erzeugt. Neben kleineren Wohngebäuden arbeiten diese Anlagen bei einem großen Wärmebedarf besonders effektiv, zum Beispiel in Hotels, Herbergen, Wohn- und Geschäftsquartieren, Mehrfamilienhäusern, Büro- und Verwaltungsgebäuden sowie Schwimmbädern und Sporthallen.

Durch die wärmegeführte Betriebsweise wird bei einem geringen Wärmebedarf in der Regel weniger Strom erzeugt als benötigt wird. Dies ist besonders in den Sommermonaten der Fall. In diesem Zeitraum wird Strom aus dem Verbundnetz bezogen. Umgekehrt kann Strom, wenn davon mehr erzeugt als benötigt wird, in das Netz eingespeist werden.

Eine Alternative zum Netzbezug stellt die Kombination der Holzpellet-KWK-Anlage mit einer Photovoltaikanlage und einem Batteriesystem dar. Scheint die Sonne, wird der benötigte elektrische Strom von der Photovoltaikanlage erzeugt. Ein zusätzliches Batteriesystem kann den überschüssigen Strom speichern und ihn bereitstellen, wenn die Sonne nicht scheint.

Umgekehrt kann die Sonne den Strombedarf in den Wintermonaten nicht ohne weiteres allein decken. Da in kalten Monaten i.d.R. viel Wärme und Strom benötigt werden, stellt die Holzpellet-KWK-Anlage dann den Strom bereit. Nicht benötigter Strom kann in diesem Fall auch gespeichert werden. Ebenso ist es möglich, mit einem separaten Holzpelletkessel einen größeren Wärmebedarf zu decken.

"Mit dem effizienten Zusammenspiel von Holzpellet-KWK-Anlage mit Photovoltaikanlage und einem Batteriesystem erhält der Kunde eine Komplettlösung zur vollkommenen Eigenversorgung mit erneuerbaren Energien", erklärt Beate Schmidt-Menig, Geschäftsleitung der ÖkoFEN Heiztechnik GmbH. Anlagenlaufzeiten werden gezielt optimiert, der Wartungsaufwand minimiert und der Nutzungsgrad der Anlagen maximiert.

Eine Holzpellet-KWK-Anlage mit Brennwerttechnik.
Quelle: ÖkoFEN Heiztechnik GmbH
Holzpellet-KWK-Anlage mit Brennwerttechnik: Der stromproduzierende Holzpelletkessel erzeugt elektrischen Strom mit Hilfe eines Stirlingmotors.

Mit einem ausreichend großen Pufferspeicher können Holzpellet-KWK-Anlagen unabhängig von der aktuellen Wärmeabnahme betrieben werden. Ist die Wärmeerzeugung höher als der Wärmebedarf, speichert der Pufferspeicher das Überangebot an Wärme. Er minimiert bei einem schwankenden Wärmebedarf ein Nachregeln oder Abschalten der Anlage und stellt so einen flexiblen Betrieb mit niedrigem Kesselverschleiß sicher. Auch kann ein Wärmenetz zwischen nahe beieinanderliegenden Gebäuden als Puffersystem in Betracht gezogen werden.

Technische Verfahren für Holzpellet-KWK-Anlagen

Grundsätzlich gibt es zwei Betriebsarten, um mit Holzpellets kombiniert Wärme und Strom zu erzeugen:

Ein stromproduzierender Holzpelletkessel ist für den kleineren Leistungsbereich geeignet. Derzeit werden Anlagen mit bis zu 9 kWth und 600 Wel angeboten. Anlagen mit einer Leistung von 55 kWth und 4,5 kWel werden momentan in Feldtests erprobt. Wird mehr Strom und/oder Wärme benötigt, ermöglicht ein Kaskadenbetrieb eine höhere Leistung. Kaskadenanlagen kombinieren mehrere kleinere Kessel zu einer Gesamtanlage.

Abhängig von der Regelungstechnik können so bis zu acht stromproduzierende Holzpelletkessel als Gesamtsystem betrieben werden. Nicht nur der höhere Leistungsbereich ist ein Vorteil, sondern auch die gewonnene Betriebssicherheit für den Fall des zeitweisen Ausfalls einer Anlage sowie eine gute Anpassung an den tatsächlichen Wärmebedarf.

Stromproduzierende Holzpelletkessel erzeugen elektrischen Strom mit Hilfe eines Stirlingmotors. Montiert ist dieser im oberen Teil des Brennraums, wo die höchsten Temperaturen auftreten. Stirlingmotoren arbeiten mit zwei hermetisch abgeschlossenen und räumlich voneinander getrennten Zylindern. Der Zylinder mit dem Verdrängerkolben hat Kontakt mit dem heißen Brennraum. Dieser verdrängt das Medium – meist Luft oder Edelgas – in den Arbeitskolben. Die entstandene Bewegung lässt den Arbeitskolben in einer statischen Kupferspule auf und ab schwingen, wodurch elektrischer Strom erzeugt wird.

Für einen besonders effizienten Betrieb des Stirlingmotors sollte ein möglichst großer Temperaturunterschied zwischen dem Zylinder mit Arbeits- und dem Zylinder mit Verdrängerkolben bestehen. Dies wird durch die gezielte Rückführung des Wassers aus dem Heizkreislauf an den Zylinder des Arbeitskolbens erreicht. Die produzierte Wärme bleibt somit im Prozess enthalten und führt nicht zu einer Verschlechterung des Wirkungsgrades.

Wegen der geringen Abkühlung der Rauchgase lässt sich ein stromproduzierender Holzpelletkessel ebenso mit Brennwerttechnik betreiben. Hierbei kondensiert das im Heizgas enthaltene Wasser im Wärmeübertrager, was zusätzliche Wärme freisetzt. Somit sind heizwertbezogene Wirkungsgrade von über 100 Prozent auch bei Holzpelletanlagen mit KWK möglich.

Die Grafik zeigt den Energiefluss der Kraft-Wärme-Kopplung mit Holzpellets in einem Holzpellet-BHKW.
Quelle: Burkhardt GmbH
Energiefluss der Kraft-Wärme-Kopplung mit Holzpellets: Ein Holzpellet-BHKW besteht mindestens aus einem Holzvergaser und einem Blockheizkraftwerk.

Holzpellet-BHKW sind für mittlere und größere Leistungsbereiche ausgelegt: Einzelanlagen können derzeit ein Spektrum von 22 kWth bis zu 270 kWth sowie von 9 kWel bis zu 180 kWel bedienen. Einzelanlagen können für Einsatzbereiche mit einem höheren Wärmebedarf, wie schon beschrieben, als Kaskade modular erweitert und betrieben werden.

"Großprojekte, wie das klimafreundliche Beheizen eines gesamten Flughafens mit umliegendem Gewerbegebiet – zum Beispiel in Münster-Osnabrück –, sind mit Holzpellet-BHKW kein Problem", erklärt Gerhard Burkhardt, Geschäftsführer beim Anlagenhersteller Burkhardt GmbH aus Mühlhausen.

Weiterführende Informationen: https://depi.de

Dienstag, 01.05.2018

Von Kevin Spieker
Bereich Heizungstechnik - Holzfeuerungen, Deutsches Pelletinstitut GmbH