Strom und Wärme aus Biomasse

Auch im Bereich der Biomasse bietet sich die Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) zur effizienten Nutzung des Brennstoffs an. So lässt sich beispielsweise durch eine gezielt unvollständige Verbrennung von Holzhackschnitzeln ein Brenngas für den Einsatz in einem Blockheizkraftwerk (BHKW) gewinnen.

"Die Sonne strahlt 3.600-mal mehr Energie auf die Erde als wir verbrauchen. Man muss sie nur einfangen, speichern und nutzbar machen." Wenn Thomas Bleul, Geschäftsführer von Spanner Re², von gespeicherter Sonnenenergie spricht, dann meint er Biomasse, insbesondere Holz.

Denn das Unternehmen bietet Holz-Kraft-Anlagen zur holzbasierten Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) an. Sie setzen sich aus einem Holzvergaser und einem nachgeschalteten Blockheizkraftwerk (BHKW) zusammen.

"Mit unserer Technik veredeln wir Restholz, das bei der Durchforstung oder Holzverarbeitung anfällt, hocheffizient in Strom und Wärme." Anwendung finden die Anlagen besonders dort, wo ganzjährig viel Energie benötigt wird und die Wärme zum Beispiel zur Holz-, Getreide- oder Heutrocknung verwendet wird, in ein Wärmenetz eingespeist oder im Bereich Wellness genutzt werden kann. Der erzeugte Strom wird vorzugsweise selbst verbraucht oder in das öffentliche Stromnetz eingespeist.

So seien die Systeme interessant für Kunden sowohl in der Forst- und Landwirtschaft als auch im holzverarbeitenden Gewerbe, in Hotels und Gaststätten, bei Nahwärmenetzen, Kleinbetrieben, der Industrie und öffentlichen Einrichtungen. "Wir sind überzeugt, dass Holz-Kraft einen wesentlichen Teil in der Zukunft der erneuerbaren Energien spielen wird. Denn die Technologie erzeugt wetterunabhängig Strom und Wärme aus der heimischen und nachwachsenden Ressource Holz", erklärt Bleul.

Mit Holz-Kraft könnten Kunden ihre Energieversorgung selbst in die Hand nehmen und sich von großen Konzernen sowie fossilen Energieimporten unabhängig machen.

Über 700 Holz-Kraft-Anlagen seien bereits weltweit installiert. Das Produktspektrum startet mit der kompakten HKA 10 bei 9 kW elektrischer und 22 kW thermischer Leistung. Der Holzvergaser und das BHKW sind in einem Gehäuse untergebracht. Als Brennstoff kommen naturbelassene Holzhackschnitzel, Pellets und Briketts zum Einsatz. Über Förderschnecken wird der Brennstoff automatisch vom Brennstoffbunker in die Anlage eingebracht. Integrierte Metallabscheider separieren in der Brennstoffschleuse Fremdstoffe aus dem Hackgut bevor es eine weitere Förderschnecke zum Reformer transportiert.

Der Reformer ist das Herzstück der Anlage. Hier wird durch ein spezielles Pyrolyse-Verfahren nahezu teerfreies Holzgas erzeugt, unterstreicht das Unternehmen. "Durch ein kompaktes Glutbett mit Temperaturüberwachung garantieren wir eine geregelte Holzgaserzeugung und damit den besonderen Wirkungsgrad unserer Anlagen."

Das erzeugte Holzgas wird über Wärmeübertrager abgekühlt, bevor die Gasqualität durch einen Gasfilter nochmals gesteigert wird. In einem robusten Motor wird das Gas schließlich nahezu rückstandslos verbrannt und in Verbindung mit einem Generator klassisch in KWK Strom und Wärme umgewandelt.

Die nächstgrößeren Holz-Kraft-Anlagen, die HKA 35, HKA 45 und HKA 49, warten mit einer elektrischen Leistung von jeweils 35 kW, 45 kW bzw. 49 kW auf. Die thermische Leistung liegt entsprechend bei 79,5 kW, 102,3 kW und 111,3 kW. Der Brennstoffverbrauch liegt bei allen vier Anlagen bei 0,9 kg/kWh elektrischer Energie, immer abhängig von der Qualität der eingesetzten Holzhackschnitzel.

Idealerweise ist das Holz naturbelassen mit ­einem Wassergehalt unter 13 Prozent. Empfohlen werde ein Wassergehalt der eingesetzten Hackschnitzel von etwa zehn Prozent. Es sei auch darauf zu achten, dass keine Verunreinigungen wie Erde oder Steine vorhanden sind. Bei den Kunden kämen darüber hinaus unterschiedliche Materialien zum Einsatz, wie Straßenbegleitgrün oder naturbelassene Obstkisten.

Die durchschnittliche Anlagenlaufzeit sei auf rund 8.000 Betriebsstunden pro Jahr ausgelegt. Viele Kun-den würden gar jährliche Laufzeiten von über 8.500 Stunden erreichen, was einer Anlagenverfügbarkeit von 98 Prozent entspreche.

In diesem Jahr hat Spanner Re² das Produktangebot mit der HKA 70 zu höheren Leistungen ausgebaut. Die neue holzbasierte KWK-Anlage weist eine Leistung von 70 kW elektrisch und 140 kW thermisch auf. Mit einem turbogeladenen 6,3 l Motor, einer erhöhten Wärmenutzung und einem speziellen Kühlungsverfahren habe man bei dieser neuen Generation die bewährte Holz-Kraft-Technik hocheffizient weiterentwickeln können.

Standardmäßig werde ein Synchrongenerator verbaut, somit erfolge der Anlagenstart mittels Holzgas und nicht mehr stromgeführt, was auch bei weniger stabilen Netzen für einen sicheren Anlagenbetrieb sorge. "Wir haben uns auf die Fahne geschrieben, Erneuerbare Energien wettbewerbsfähig zu machen", erklärt Bleul. "Bei unserem neuen Produkt, der HKA 70, konnten wir unsere langjährige Erfahrung gut unter Beweis stellen: Mit einer elektrischen Wirkungsgradsteigerung von 20 Prozent ist die Anlage leistungsstärker und wandelt den regionalen Energieträger Holz noch effizienter in Strom und Wärme um."

Mit der Anlage könnten nach dem aktuellen Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) bei 8.000 Betriebsstunden jährlich etwa 74.000 Euro Stromeinnahmen generiert werden. Dazu kämen der Wärmeerlös sowie die Nutzung des Stroms im ­Eigenbereich, dadurch erhöhe sich die Wirtschaftlichkeit um bis zu weitere 30.000 Euro im Jahr.

Wie das Unternehmen betont, könne die Anlage mit aufbereitetem Restholz betrieben werden. Gerade jetzt, wo der Holzeinschlag durch Schädlingsbefall und Sturmschäden sehr hoch und die Nachfrage nach Hackschnitzel am Markt sehr niedrig sei, stelle die HKA 70 eine attraktive Lösung dar und ebne dem Betreiber den Weg in eine Energieunabhängigkeit. Denn die Anlage sei bei einem guten Wärmekonzept und einer hohen Eigenstromnutzung auch bei geringen Laufzeiten wirtschaftlich.

Somit eigne sich die Holz-Kraft-Anlage nicht nur bei den bereits genannten Anwendungen mit ganzjährig sehr hohem Energiebedarf (sprich Sägewerke, Heizwerke oder Hotelgewerbe), sondern auch bei saisonal schwankenden Energieanforderungen, wie bei lohntrocknenden land- und forstwirtschaftlichen Betrieben, die Laufzei-ten von 4.000 Stunden im Jahr andenken. Wie die kleineren Holz-Kraft-Anlagen könne auch die HKA 70 dank der modularen Bauweise zur Leistungssteigerung bis zu insgesamt 1 MW elektrischer Leistung in einer Kaskade zusammengeschaltet werden.

Ein jüngstes Beispiel für eine solche Kaskadenlösung liefert Spanner Re² in Kwadacha (Kanada). Die Gemeinde ist nicht an das öffentliche Stromnetz angeschlossen. Der Strom wurde bislang mit Dieselaggregaten erzeugt. Bei Außentemperaturen von -30 bis -40 °C brauchte man in Kwadacha innerhalb von nur zehn Tagen rund 150.000 l Diesel, der zudem über 1.000 km weit importiert werden musste. "Das ist eine Hausnummer", bekräftigt Bleul. Doch nun setzt man auf eine schlüsselfertige Komplettlösung aus drei Holz-Kraft-Anlagen mit einer elektrischen Gesamtleistung von 135 kW.

Zum Einsatz kommt ausschließlich Totholz aus der Region. So sei dieses Projekt ein weiterer Meilenstein in Richtung Energiezukunft.

Grundsätzlich spüre man bei Spanner Re² einen Trend unter den Kunden, sich in Energieangelegenheiten unabhängig machen zu wollen – und das branchenübergreifend. Doch leider sei der Markt für Holzvergaser medial gesehen leider nicht "sexy". So sei die Technologie zwar ausgereift, aktuell friste sie allerdings immer noch ein Nischendasein. Die Strom- und Wärmeerzeugung aus Holz sei in der breiten Öffentlichkeit leider zu wenig bekannt, ausreichendes Potential aber definitiv vorhanden.

Für Kunden, die über den Grundlastbedarf an Strom und Wärme hinaus auch einen Spitzenlastbedarf an Wärme haben, bietet sich ein gemeinsames Konzept von Spanner Re² und HDG Bavaria an. "Viele unserer Kunden kombinieren schon seit Jahren HDG Hackschnitzelheizungen mit Holz-Kraft-Anlagen von Spanner Re²", erklärt Martin Ecker, Geschäftsführer von HDG Bavaria.

Ein Ansatz, der in Zukunft noch weiter ausgebaut werden soll, ergänzt Bleul. "Wir sind überzeugt, durch den engen Austausch den Kunden noch individuellere Lösungen bieten zu können." Dabei kommt es auf eine intelligente Verbindung an, um die Vorteile der Systeme auch optimal zu nutzen. So wird die erzeugte Wärme von beiden Anlagen in einen gemeinsamen Speicher eingespeist. Ein Puffermanagement soll dann einerseits dafür garantieren, dass möglichst viel Wärmeenergie der Holz-Kraft-Anlage genutzt wird, um die Laufzeit und damit die Wirtschaftlichkeit der Anlage zu optimieren. Und andererseits jederzeit die Wärmeversorgung sicherzustellen, indem das Hackschnitzel-Heizsystem bei Bedarfsspitzen flexibel und vollautomatisch zugeschaltet wird. In Summe entstehe so ein wirtschaftliches und sicheres Gesamtsystem.

Im Markt finden sich vielfältige Angebote, um Strom und Wärme aus Biomasse zu gewinnen. So bietet beispielsweise Fröling Heizkessel- und Behälterbau die Holzverstromungsanlage CHP in Eigenentwicklung an. Der neue Festbettvergaser ist in drei Leistungsstufen von 45 kW bis 56 kW elektrisch und bis zu 115 kW thermisch erhältlich. Der Energieträger Hackschnitzel müsse gute Qualität vorweisen. Das heißt, es werden ein Wassergehalt von maximal zehn Prozent und ein möglichst geringer Feinanteil vorgeschrieben. Im Rahmen von Gesamtkonzepten könne bei Projekten dazu auch eine Hackguttrocknung durch Abwärme realisiert werden.

Für die Gewinnung von Holzgas setzt auch Fröling auf einen thermochemischen, mehrstufigen Umwandlungsprozess. Naturbelassenes Hackgut wird über ein Zwei-Klappen-Schleusensystem einem Reformer zugeführt. Hier findet die Vergasung in den Prozessschritten Trocknung, Pyrolyse, Oxidation und Reduktion statt. Die bei der Pyrolyse entstehenden Produkte (wie Teer, Koks, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Wasserstoff und Methan) werden in der Oxidationszone durch gezielte Luftzuführung teilweise verbrannt bzw. gecrackt.

In der Reduktionszone ­erfolgt die Umwandlung in ein sehr ­teerarmes Holz-gas, das noch in einem Wasser/Gas-Rohrwärmeübertrager auf etwa 110 °C abgekühlt und in einem Gewebefilter trocken gereinigt wird, bevor es der Gasregelstrecke des Gasmotors zugeführt wird. Beim Startvorgang werde das noch nicht motortaugliche Holzgas unmittelbar nach dem Reformer automatisch abgefackelt. Die Zündung des Industriemotors erfolge mit Holzgas, das heißt, es sei kein Sekundärbrennstoff erforderlich und auch kein Motorstarten mit einem Generator.

Aus den ersten Markterfahrungen heraus haben sich bei Fröling zwei Ausführungsvarianten ergeben. Bei der Containeranlage wird das gesamte System betriebsbereit in einem Container installiert und im Werk in Betrieb genommen. Nach der Auslieferung kann die Anlage beim Kunden sofort weiter betrieben werden. Bei der Indooranlage werden die Holzvergasungsanlage und das BHKW jeweils auf einem Stahlpodest montiert, vorinstalliert und steckerfertig vorverkabelt. Vor Ort werden die entsprechenden Komponenten miteinander verbunden, installiert und vom Werkskundendienst in Betrieb genommen.

Fröling bewertet den aktuellen Markt für Holzvergaser-BHKW international als gut, in Deutschland jedoch momentan als schwierig. Das Marktpotential sei vielfältig, doch es sollte eine ganzjährige Wärmenutzung vorherrschen, damit die Anlagen auch ganzjährig betrieben werden können.

Ein bewährtes Anwendungsbeispiel aus der Praxis findet sich beim Einsatz zur Fernwärme im österreichischen Jennersdorf. Die Stadtgemeinde wird zum Teil über eine Holzhackgutheizung beheizt. Zur Optimierung des Sommerbetriebes übernehmen dort vier Holzverstromungsanlagen von Fröling nicht nur die Wärmeversorgung, sondern erzeugen parallel dazu Strom mit insgesamt 200 kW.

Das System beinhaltet auch eine effiziente Trocknung des Brennstoffes am Schubboden. Dazu wird in erster Linie die Abwärme aus dem Technikraum genutzt. Auch das nach der Brennstoffsiebung ausgeschiedene, nicht geeignete Hackgut wird genutzt und in einem Hackschnitzelkessel verbrannt.

Die neue Anlage zur Biomasse-KWK von Hargassner liefert 20 kW elektrische und rund 60 kW thermische Leistung.

Sie stelle "eine interessante Lösung für den mittleren Leistungsbereich" dar, speziell für Gewerbebetriebe, öffentliche Bauten und Nahwärmenetzbetreiber. Als Grundvoraussetzung für eine Holzgasanlage nennt Hargassner eine gesicherte Rohstoffversorgung zu konstanter Qualität und kalkulierbarem Preis, eine gesicherte Stromabnahme, eine gesicherte ganzjährige Wärmeabnahme (Nahwärmekunden, Prozesswärmebedarf) sowie eine technische Umsetzbarkeit (Platzangebot, Vortrocknung, Netzzugang) samt technisch versiertem und engagiertem Personal.

Die eigenentwickelten Holzgassysteme von Kuntschar Energieerzeugung haben eine elektrische Leistung von 100 kW bis 150 kW und eine thermische Leistung von 190 kW bis 280 kW.

Geschäftsführer, Erfinder und Konstrukteur Walter Kuntschar setzt dabei auf eine Vergasungstechnik nach dem Reduktionsverfahren. Die Holzgasanlage arbeitet nach dem Prinzip der Hochtemperaturvergasung. Bei Temperaturen von bis zu 1.200 °C werden die bei der Vergasung entstehenden Teere und höheren Kohlenwasserstoffe aufgespalten und in ihre Grundbestandteile Kohlenstoff und Wasserstoff zerlegt.

Die Reinigung des Synthesegases erfolgt durch eine Hochtemperaturfilterung, mit dem Vorteil, dass sich die Filter durch Abglüheffekte selbstständig regenerieren. Insgesamt zeichne sich die Anlage vor allem durch eine hohe Vergaser-Leistungsfähigkeit aus, in dem bei einem verhältnismäßig kleinen Vergaserraum von etwa 0,5 m³ ein Brennstoffdurchsatz von 0,7 Srm/h bzw. 150 kg/h das BHKW mit Gas versorgt. Die anfallende Abwärme wird bei der Hackguttrocknung genutzt.

Bei der Standardanlage werden Holzhackschnitzel mit einer maximalen Feuchte von 15 Prozent und einer Stückgröße von 30 mm bis 70 mm Kantenlänge eingesetzt, wobei der Feinanteil unterhalb von zwei Prozent liegen muss. Außerdem muss der Brennstoff frei von metallischen Bestandteilen oder mineralischer Verschmutzung sein.

Der Vergaser wird im Unterdruck betrieben, um ein Austreten von Gasen zu verhindern. Dafür ist es notwendig, die Hackschnitzel mit möglichst wenig Luft in den Vergaser zu befördern. Deshalb werden die Hackschnitzel mit einem hydraulischen Kolben in den Vergaser gepresst. Über die einzelnen Reaktionszonen (Trocknung, Pyrolyse, Oxidation, Reduktion) erfolgt dort die Gasproduktion im Gleichstrom unter gezielter Luftzufuhr.

Die bei der Verbrennung des Hackgutes mit Luftsauerstoff entstehenden Oxidationsprodukte werden in der glühenden Holzkohle (Reaktionszone) in ihre chemischen Bestandteile Wasserstoff, Kohlenmonoxid und Methan umgewandelt. Der Motor wird ausschließlich mit dem erzeugten Holzgas gestartet und betrieben, so dass keine anderen Hilfsstoffe wie Biodiesel benötigt werden.

"Holz ist als Rohstoff zu wertvoll, um ihn nur zu verheizen. Im Holz steckt mehr: das Holzgas! Es zu extrahieren ist weit ­effektiver, um damit Motoren zur Stromerzeugung zu betreiben. Ein Holzgas­system produziert allerdings weit mehr als Holzgas, es erzeugt auch jede Menge Wärme." Bei Kuntschar Energieerzeugung sieht man vor allem Industriebe­triebe mit Wärmebedarf und Nahwärme­netze als ideale Einsatzgebiete. Doch sei der aktuelle Markt in Deutschland wie bei den Biogasanlagen durch die Kürzung der Einspeisevergütung schwieriger geworden.

Auch bei Cleanstgas (Clean Staged Gasification) – ein Gemeinschaftsunternehmen von KWB und Ebner Industrieofenbau – hatte man sich mit der Entwicklung von Holzverstromungsanlagen im Leistungsbereich bis 500 kW elektrische Leistung beschäftigt. Drei Pilotanlagen wurden errichtet. Sie wandeln Holzhackgut in einem gestuften Verfahren in Holzgas um.

Dabei werden die drei Prozessschritte Pyrolyse, Oxidation und Reduktion apparatebaulich getrennt. Dies ermögliche eine genaue Einhaltung der optimalen Prozessparameter. Das erzeugte teerarme Rohgas werde gekühlt und gereinigt. Das so gewonnene Holzgas komme schließlich in einem speziell abgestimmten Gasmotor zum Einsatz. Der Gesamtwirkungsgrad der Anlagen betrage bis zu 85 Prozent. Aus 1 kg handelsüblichem Waldhackgut würden bis zu 1,4 kWh Strom und 2,5 kWh Wärme gewonnen.

Als ideale Einsatzgebiete hatte man Biomasse-Nahwärmenetze, die holzverarbeitende Industrie, Hotelanlagen, Wellnessbäder, kommunale Gebäude sowie das produzierende Gewerbe und die Industrie im Blick, das heißt, Anwendungen mit einem möglichst ganzjährig gleich bleibenden Wärmebedarf.

Wie man seitens KWB betont, seien die Anlagen zwar fertig entwickelt, jedoch nicht serienreif in den Markt eingeführt worden. "Wir finden in Westeuropa nicht die passenden (förder-)politischen Rahmenbedin-gungen." So werde derzeit keine BHKW-Technik mit Holzvergasern angeboten. Vielmehr fokussiere man sich auf die Kernkompetenzen im Bereich der Holzheizungen (sprich Pellets-, Hackgut- sowie Stückholzheizungen) und Solarthermie bis hin zu Wärmepumpen und Speichertechnik.