Herleitung von Auslegungskriterien für einen optimalen Betrieb von Hackschnitzel- bzw. Pellet-Kesselanlagen

Fachhochschule Köln University of Applied Sciences

Fakultät für Anlagen, Energie- und Maschinensysteme
Studiengang: Versorgungs- und Entsorgungstechnik
Studienrichtung: Technische Gebäudeausrüstung
Fachgebiet: Heizungstechnik

Diplomarbeit

Herleitung von Auslegungskriterien für einen optimalen Betrieb
von Hackschnitzel- bzw. Pellet- Kesselanlagen

von

Daniel Hechler

Köln, Mai 2003

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
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

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 CO2-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 CO2-Minderungsziel zu erfüllen, das eine Reduktion der CO2-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.

!! Abbildung 1.1 ist in der Download-Version enthalten !!

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.

!! Abbildung 1.2 ist in der Download-Version enthalten !!

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/

!! Abbildung 1.3 ist in der Download-Version enthalten !!

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 CO2-Verbrennung, d.h. bei der Verbrennung von Holz wird die Menge an CO2 freigesetzt, die der Baum zuvor beim Wachstum aufgenommen hat und führt deshalb zu keiner Veränderung des CO2-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.

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.

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/1/ Enquete Kommission “Schutz der Erdatmosphäre“ des Deutschen Bundestages “Mehr Zukunft für die Erde, Nachhaltige Energiepolitik für dauerhaften Klimaschutz“ Economia Verlag GmbH, Bonn

/2/ Prof. Dr. rer. nat. Wilhelm Teuerle, Fachhochschule Köln, Fachbereich Versorgungstechnik “Umwelt und Entwicklung – Umsetzung der Agenda 21“ Vorlesung WS 1997/1998

/3/ Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.V. (FNR) “Energie aus Biomasse – Ein Lehrmaterial“ 2002, FNR

/4/ Holzabsatzfonds (Hrsg.) “Holzenergie für Kommunen – Ein Leitfaden für Initiatoren“ 1998, Bonn

/5/ Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.V. (FNR) “Leitfaden Bioenergie – Planung, Betrieb und Wirtschaftlichkeit von Bioenergieanlagen“
2000, FNR

/6/ Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.V. (FNR) “Jahresbericht 2001/2002“