Untersuchungen zum gegenwärtigen Stand der Konversion von Biobrennstoffen

Inhaltsverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

1 Einleitung

2 Direkte Thermische Umwandlung (Verbrennung)
2.1 Ausgangsstoffe
2.2 Grundlagen der Verbrennung
2.3 Feuerungsanlagentechnik
2.3.1 Handbeschickte Feuerungen
2.3.2 Automatisch beschickte Feuerungen
2.4 Regelung kontinuierlich beschickter Anlagen

3 Thermochemische Umwandlung
3.1 Verkohlung
3.1.1 Grundlagen der Verkohlung
3.1.2 Verfahren der Kohleherstellung
3.1.3 Das Produkt Kohle
3.1.4 Nutzung von Kohle
3.2 Vergasung
3.2.1 Grundlagen der Vergasung
3.2.2 Produktgas
3.2.3 Verfahren der Produktgasherstellung
3.2.3.1 Festbettvergaser
3.2.3.2 Wirbelschichtvergaser
3.2.3.3 Flugstromvergaser
3.2.3.4 Verfahrensübersicht
3.2.4 Nutzung des Produktgases
3.2.4.1 Wärmebereitstellung
3.2.4.2 Nutzung in Motoren
3.2.4.3 Nutzung in Gasturbinen
3.2.4.4 Nutzung in Brennstoffzellen
3.2.4.5 Nutzung zur Verflüssigung
3.3 Pyrolyse
3.3.1 Flash - Pyrolyse
3.3.2 Druckverflüssigung
3.3.3 Produkte der Pyrolyse
3.3.4 Aufbereitung der Pyrolyseprodukte
3.3.5 Nutzung der Pyrolyseöle

4 Physikochemische Umwandlung von Biomasse
4.1 Gewinnung von Pflanzenöl
4.1.1 Verfahren zur Gewinnung von Pflanzenöl
4.2 Veredelung zu Pflanzenölmethylester (PME)
4.2.1 Chemische Grundlagen
4.2.2 Verfahren der Rapsölmethylester (RME) - Herstellung
4.3 Motorische Nutzung von Pflanzenöl und Rapsölmethylester (RME)
4.3.1 Pflanzenöl als Kraftstoff
4.3.2 RME als Kraftstoff
4.3.3 Vergleich von Diesel, Rapsöl und RME

5 Biochemische Umwandlung von Biomasse
5.1 Methangärung
5.1.1 Grundlagen der Methangärung
5.1.2 Verfahrenstechnische Umsetzung der Biogaserzeugung
5.1.3 Nutzung von Biogas
5.2 Ethanolgärung
5.2.1 Grundlagen der Ethanolgärung
5.2.2 Maischprozess
5.2.2.1 Zuckeraufschluss
5.2.2.2 Stärkeaufschluss und -abbau
5.2.2.3 Celluloseaufschluss und -abbau
5.2.3 Fermentation (Gärung)
5.2.4 Destillation, Rektifikation
5.2.5 Nutzung von Ethanol
5.2.5.1 Motorische Nutzung

6 Zusammenfassung

Literaturverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1 Einleitung

Auf Grund des Mangels an fossilen Energieträgern hat die Konversion von Biomasse mehr und mehr an Bedeutung gewonnen. In dieser Arbeit soll daher eine Übersicht über Techniken, Verfahren und Nutzungsmöglichkeiten von Biomasse aufgezeigt und bewertet werden. Die folgende Abbildung 1.1 gibt einen ersten Einblick über die hier behandelten Umwandlungsprozesse.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1.1: Überblick der Biomassewege

2 Direkte thermische Umwandlung (Verbrennung)

Bei der thermischen Umwandlung wird die Biomass e mit Sauerstoff oxidiert, wobei Abgase und Asche entstehen. Da es sich um eine stark exotherme Reaktion handelt, kann die freiwerdende Wärmeenergie genutzt werden (Abbildung 2.1).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.1: Thermische Umwandlung von Biomasse

2.1 Ausgangsstoffe

Es kommt hauptsächlich lignocelluloseartige Biomasse zum Einsatz, die aus Cellulose (50%), Lignin (30%) und Hemicellulose (20%) zusammengesetzt ist. Diese drei Substanzen bilden das Grundgerüst pflanzlicher Zellwände.

Es wird weiter in holzartige und halmgutartige Biomasse unterschieden, auf derenn Herkunft und Eigenschaften im Folgenden kurz eingegangen wird.

Holzartige Biomasse

In Tabelle 2.1 ist die chemische Zusammensetzung von Holz hinsichtlich der Masseanteile dargestellt.

Tabelle 2.1: Holzzusammensetzung

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Holz kann in Form von Vollholz bzw. Scheitholz verwendet werden, jedoch kann die Qualität in Bezug auf Feuchte und Dichte sehr unterschiedlich sein. Hauptsächlich wird Restholz genutzt, welches als Holzhackschnitzel vorliegt oder zu Pellets weiter verarbeitet wird. Der wesentliche Vorteil von Pellets liegt in der Normung, durch die eine gleich bleibende Qualität gesichert scheint. Aber auch in dieser Normung gibt es große Unterschiede, wie sie in Tabelle 2.2 dargstellt sind. Pellets nach DIN 51 731 werden zum Beispiel auf Grund ihres hohen Wasser- und Staubgehaltes kritisiert. Aus diesen Gründen wurde die DINplus erstellt, die sich an die Österreichische Normung anlehnt.

Tabelle 2.2: Übersicht der Normung für Pellets in Europa

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Der Heizwert von Holz liegt nach guter Trocknung auf 12 - 20 % Wassergehalt bei etwa

4 - 5 kWh/kg (Heizöl: 11,7 kWh/kg). Wie entscheidend der Wassergehalt den Heizwert beeinflusst, veranschaulicht die Abbildung 2.2. Dargestellt sind die Heizwerte von Laub- und Nadelholz in Abhängigkeit vom Feuchtegehalt. Ab einer Feuchte von etwa 85 % wird mehr Energie zur Verdunstung des Wassers benötigt, als im Holz enthalten ist. Somit sinkt der Heizwert unter 0 MJ/kg[6]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.2: Heizwert in Abhängigkeit vom Feuchtegehalt bei

Nadelholz (hellgrau) und Laubholz (dunkelgrau)6

Halmgutartige Biomasse

Als halmgutartige Biomasse werden Pflanzen mit einjährigem Aufwuchs bezeichnet. Grundsätzlich ist hier die energetische Nutzung möglich, jedoch nur bei Stroh sinnvoll, da dessen Feuchtegehalt vergleichsweise gering ist und die Verfügbarkeit in der EU gewährleistet ist. Das Stroh bezeichnet die bei der landwirtschaftlichen Produktion von mähdruschfähigen Kulturen anfallenden Ernterückstände.

Die bei der Landschaftspflege anfallenden Halmgüter wie Grünschnitt eignen sich aufgrund der Inhomogenität, Feuchte und Aschegehalte weniger zur energetischen Nutzung.

2.2 Grundlagen der Verbrennung

Die Verdunstung des im Holz enthaltenen Wassers ist der erste und energetisch aufwendigste Schritt, um das Holz thermisch umsetzen zu können.

Im nächsten Schritt wird die Temperatur weiter erhöht, bei der sich zuerst die Hemicellulosen zersetzen, gefolgt von der Cellulose und dem Lignin. Während dieser Spaltung entstehen Wasserdampf, Kohlenstoffdioxid, Wasserstoff, Methan und weitere teilweise noch langkettige organische Verbindungen. Dieser Schritt wird als pyrolytische Zersetzung bezeichnet. Steigt die Temperatur weiter, setzt die Vergasung ein, durch die die langkettigen Kohlenwasserstoffe (Pyrolyseöle) gecrackt und in Kurzkettige umgewandelt werden. Die gleichzeitig entstehenden Pyrolysekokse (reiner Kohlenstoff) werden teilweise oder vollständig oxidiert. Bei der teilweisen Oxidation entsteht Kohlenstoffmonoxid, welches in der Nachverbrennungszone zusammen mit den anderen Gasen unter Luftüberschuss vollständig oxidiert wird 1. Die folgende Abbildung 2.3 zeigt die einzelnen Teilschritte der Verbrennung.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.3: Kennzeichnung der Verbrennungsphasen in Bezug auf Oxidationsstufe und Temperatur 1

Stefan Kramp 10

Konversion von Biomasse Hochschule Wismar

(I) Trocknung/Aufheizung

Die Trocknung läuft bis zu Temperaturen von 200 °C ab. Das in den Poren gebundene Wasser wird über den Siedepunkt erhitzt und kann über den Abgasstrom entweichen. Dieser Vorgang benötigt sehr viel Energie (endotherm) auf Grund der hohen Verdampfungsenthalpie des Wassers. Es werden etwa 0,7 Wh/gH2O verbraucht.

(II) Pyrolytische Zersetzung

Bei dieser pyrolytischen Spaltung unter Ausschluss von Sauerstoff (λ = 0) werden bereits vor Erreichen von 200 °C Makromoleküle irreversibel aufgebrochen. Im Bereich von 200-300 °C wird ein Großteil der Stoffe in flüchtige Gase wie Wasserdampf, Kohlenstoffdioxid, Wasserstoff, Methan und organische Dämpfe umgewandelt. Die organischen Dämpfe bestehen aus Teer und anderen aromatischen Kohlenwasserstoffen (KW), die bei Normaldruck zu Pyrolyseöl auskondensieren. Die Cellulose wandelt sich zu 90 % in Gase und Flüssigkeiten um, im Gegensatz zur Hemicellulose, die vollständig vergast. Das Lignin bildet nur etwa 50 % Gase und Flüssigkeiten, der Rest verbleibt jeweils als Feststoff.

Steigt die Temperatur auf über 400 °C, werden auch Kohlenstoff - Sauerstoffverbindungen gespalten und die vorher entstandenen Teere werden wieder in kurzkettige Kohlenwasserstoffe gecrackt. An dieser Stelle sind etwa 80 % des organischen Materials in Gase umgewandelt, die etwa 2/3 der chemisch gebundenen Energie beinhalten. Insgesamt entstehen zusätzlich 20 % feste Bestandteile wie reiner Kohlenstoff und Asche. Diese werden namentlich unter Pyrolysekoksen zusammengefasst. Die für diese Reaktionen benötigte Wärme wird durch die Teiloxidation der entstandenen Produkte bereitgestellt.

(III) Vergasung

Die Temperatur bei der Vergasung liegt über 500 °C. Es werden hauptsächlich die Pyrolysekokse zu Kohlenstoffmonoxid aufoxidiert (Gleichung 2.1), die Kohle wird somit „vergast“. Der dazu nötige Sauerstoff kann teilweise aus der pyrolytischen Zersetzung stammen oder zusätzlich zugeführt werden. Die bei der pyrolytischen Zersetzung entstandenen Stoffe reagieren in einer Vielzahl exothermer und endothermer Reaktionen weiter, wobei die Exothermen leicht überwiegen. Noch flüssig vorliegende langkettige Kohlenwasserstoffe, werden in weitaus Kürzere gespalten und somit „vergast“.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

(IV) Vollständige Oxidation

Bei der Oxidation werden alle vorher gebildeten Stoffe unter enormer Wärmefreisetzung oxidiert. Um den hohen Bedarf an Sauerstoff zu decken, wird in diesem Nachverbrennungsbereich sauerstoffreiche Sekundärluft eingeblasen. Die Verbrennung läuft unter leichtem Sauerstoffüberschuss (λ > 1) ab, um eine möglichst vollständige Oxidation zu erreichen. Alle Gase sollten sich möglichst in Kohlenstoffdioxid und Wasserdampf umwandeln (Gleichung 2.2; 2.3; 2.4).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

2.3 Feuerungsanlagentechnik

Grundsätzlich wird in handbeschickte Feuerungen und automatisierte Feuerungen unterschieden, dessen Besonderheiten und Eigenschaften werden nun genauer diskutiert.

2.3.1 Handbeschickte Feuerungen

Unter den handbeschickten Feuerungen versteht man die chargenweise Befüllung des Brennraumes mit Brenngut. Dabei läuft die Verfeuerung immer in drei Phasen ab. In der

1. Phase wird das Brenngut getrocknet und aufgeheizt. Hier befinden sich große Anteile unverbrannter Stoffe im Abgas. Hat die Charge eine bestimmte Temperatur erreicht, läuft die Verbrennung optimal ab und wird als stationäre Phase beschrieben. In der letzten Phase, der Ausbrandphase, nimmt die Temperatur wieder ab und es wird lediglich noch Kohlenstoff oxidiert.

Allgemein wird in drei Feuerungsprinzipien für handbeschickte Feuerung unterschieden, diese sind in Abbildung 2.4 dargestellt. Beim Durchbrand (a) gelangt die Verbrennungsluft von unten durch einen Rost in das darauf liegende Brenngut. Auf Grund der einfachen Entaschung durch den Rost findet diese Methode heute hauptsächlich in Kaminöfen gebrauch. Da hier aber keine klare Begrenzung zwischen Entgasungs- und Nachverbrennungszone möglich ist, kann die optimale Verbrennungsluftmenge nur schwer angepasst werden. Beim Oberen Abbrand (b) gelangt die Primärluft von der Seite an das Brennmaterial ohne es zu durchströmen. Der wesentliche Vorteil dieses Systems liegt im kontrollierten Abbrand des Brennmaterials von oben nach unten. Nachteile entstehen durch das sich ständig ändernde Feuerraumvolumen sowie durch die Entaschung, die nur im kalten Zustand erfolgen kann.

Im Falle des Unteren Abbrandes (c) nimmt nur die unterste Schicht an der Verbrennung teil und die darüber liegenden Schichten rutschen schwerkraftbedingt nach und liefern so eine Art kontinuierlichen Nachschub. Durch dieses quasikontinuierliche Verhalten kann eine hohe Verbrennungsqualität erreicht werden. Auch die Abbranddauer kann mittels eines großvolumigen Brennstoffschachtes auf über 5 Stunden verlängert werden. Jedoch ist dann eine Zwangsbelüftung in Form eines Saug- oder Druckgebläses dringend erforderlich1.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.4: Feuerungsprinzipien: Durchbrand (a), Oberer Abbrand (b), Unterer Abbrand (c)1

Zu den handbeschickten Feuerungen gehören die Einzelfeuerstätten und die Zentralheizungskessel.

Einzelfeuerstätten

Unter Einzelfeuerstätten versteht man offene oder geschlossene Kamine, Zimmeröfen, Kaminöfen und Speicheröfen, deren Hauptaufgabe darin besteht den jeweiligen Raum, in dem sie sich befinden, direkt zu erwärmen. Als Brennstoff kommt hauptsächlich teures Scheitholz zur Anwendung, jedoch sind die Wirkungsgrade dieser Öfen eher gering. Sie werden in den meisten Fällen nur aus optischen Gründen oder als Zusatzheizung genutzt. Eine Regelung ist nur in begrenztem Maße möglich meist über Schieber und Klappen. Unterschreitet das Raumvolumen 4 m³/kW ist außerdem eine Außenluftversorgung für die Anlage zu installieren1.

Zentralheizungskessel

Der Zentralheizungskessel hingegen erwärmt einen Wasserspeicher, der über ein Heizungsnetz die Räume erwärmt bzw. heißes Nutzwasser bereitstellt. Wärmeabstrahlung durch den Kessel im Heizraum wird hier als Verlustquelle angesehen und durch Dämmmaterialien unterbunden. Die Regelbarkeit ist im Vergleich zu Einzelfeuerstätten, die maximal über Schieber und Klappen regelungsfähig sind, wesentlich verbessert. Die Verbrennungsluftzufuhr kann über ein drehzahlgesteuertes Saug- bzw. Druckgebläse realisiert werden. Dabei wird über die Messung des Luftüberschusses sowie der CO - Gehalte im Abgas die optimale Verbrennungsluftmenge ermittelt. Wirkungsgrade über 90 % sind heute auch bei Scheitholzkesseln möglich. Ein entscheidender Vorteil ist auch die Lastvariabilität auf ca. 50 % der maximalen Leistungsabgabe bei gleich bleibend hohen Wirkungsgraden 1.

2.3.2 Automatisch beschickte Feuerungen

Unter der automatischen Beschickung versteht man die kontinuierliche Zugabe von Brenngut. Dabei kann hinsichtlich des Gasdurchsatzes in Festbett-, Wirbelschicht- und Flugstromreaktor unterschieden werden.

Festbettreaktor

Bei diesen Reaktoren bildet der Festbrennstoff, der hauptsächlich aus Pellets oder Holzhackschnitzel besteht, ein Bett, durch das die Primärluftluft vergleichsweise langsam hindurchströmt. Die sauerstoffreiche Sekundärluft wird dann über dem Brennbett eingeblasen. Die Brennstoffzufuhr kann bei Rostfeuerungen auch direkt über den Rost erfolgen, zum Beispiel in Form von Wander- oder Treppenrosten 1.

Wirbelschichtreaktor

Die Verbrennungsluft wird beim Wirbelschichtreaktor mit einer solch hohen Geschwindigkeit von unten eingeblasen, dass die Brennstoffpartikel angehoben werden. Durch die geringe Größe der verwendeten Brennpartikel wird eine große Reaktionsoberfläche geschaffen und durch turbulente Verhältnisse im Brennraum eine optimale Vermischung mit der Verbrennungsluft realisiert. Mit Hilfe von Sand bestimmter Körnung kann eine zusätzliche Fluidisierung des Brennbettes und eine konstante Verbrennungstemperatur geschaffen werden. Dabei unterscheidet man stationäre Wirbelschichten, bei der sich die Partikel in einer stationären Höhe bewegen, und zirkulierende Wirbelschichten, bei der sich ein Teil der Partikel im Kreislauf bewegen (Abbildung 2.5).

Der wesentliche Vorteil solcher Anlagen liegt in der nahezu vollständigen Oxidation des Brenngutes. Die Investitionskosten sind allerdings enorm hoch, womit ein wirtschaftlicher Betrieb erst ab einer Leistung von mehreren Megawatt möglich ist 1.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.5: Schema der stationären und zirkulierenden Wirbelschicht 1

Flugstromreaktor

Bei der Verbrennung im Flugstrom werden die fein gemahlenen Brennstoffpartikel zusammen mit der Verbrennungsluft eingeblasen. Durch die hohe spezifische Oberfläche beträgt die Reaktionszeit nur wenige Sekunden, wodurch enorme Stoffdurchsätze möglich sind.

2.4 Regelung kontinuierlich beschickter Anlagen

Es gibt drei Möglichkeiten solche Arten von Anlagen zu regeln, die Unterdruckregelung, die Leistungsregelung, die Verbrennungsregelung und eine Kombination. Diese werden im Folgenden näher erläutert.

Unterdruckregelung

Das Hauptziel bei der Unterdruckregelung ist die Gewährleistung der Sicherheit. Durch einen permanenten Unterdruck im Brennraum wird ein Ausströmen von Brenngasen in den Heizraum vermieden und gleichzeitig die Verbrennungsluftmenge, die durch das Glutbett geleitet wird, konstant gehalten. Gesteuert wird dieses System über einen drehzahlgesteuerten Abgasventilator 1.

Leistungsregelung

Die Leistungsbereitstellung steht hier im Vordergrund, d.h. es muss immer genug Wärme zum Beispiel in Form eines Wasserspeichers vorhanden sein.

Bei Einkesselanlagen sollte die Speicherleistung für eine Stunde Volllast ausreichen, um Spitzen abzudecken. Im Ladezustand wird die Leistung gemindert und im Entladezustand gesteigert.

Bei bivalenten Anlagen, in denen zusätzlich mit Gas oder Öl befeuerte Kessel zum Einsatz kommen, kann auf Speicher oft verzichtet werden. Der Zusatzkessel schaltet bei Unterschreitung der Solltemperatur im Vorlauf ein.

Monovalente Mehrkesselanlagen beruhen auf dem Prinzip der Kaskadeschaltung, d.h. der Betrieb von Kessel 2 ist abhängig von der Temperatur in Kessel 1.

Verbrennungsregelung

Bei der Verbrennungsregelung gilt es den höchstmöglichen Wirkungsgrad bei der Verbrennung zu erreichen. Die Grundlage bildet die Einstellung des optimalen Brennstoffluftgemisches, welches abhängig vom Material sowie dessen Feuchte und Schüttdichte ist. Die charakteristische Messgrößen sind die Verbrennungstemperatur, der Luftüberschuss (λ) und der CO-Gehalt im Abgasstrom.

Um einen möglichst genauen Sollwert für den Luftüberschuss zu finden und einzustellen, ist eine CO/Lambda - Regelung die beste Lösung. Die Annäherung an diese kann mittels Variation der Verbrennungsluft- oder Brennstoffmenge erfolgen. Einen enormen Vorteil stellt die ständige Messung der Verbrennungscharakteristik dar, da so flexibel auf wechselnde Brennstoffeigenschaften eingegangen werden kann.

Kombinationen

Soll der Leistungsbedarf bei gleichzeitig hohen Wirkungsgraden gedeckt sein, kommt eine Kombination von Leistungs- und Verbrennungsregelung zum Einsatz. Die Leistungsregelung gibt dabei den Brennstoffbedarf der Verbrennungsregelung vor, d.h. die Verbrennungsregelung ist der Leistungsregelung untergeordnet. Durch dieses System kann zum Beispiel ein automatisch beschickter Pelletofen auf 30 % der maximalen Leistung gedrosselt werden.

3 Thermochemische Umwandlung

3.1 Verkohlung

Holzkohle ist ein hochwertiger Festbrennstoff, der durch die Verkohlung von Vollholz hergestellt werden kann. Ihr Energiegehalt beträgt 8 - 9 kWh/kgHolzkohle. Da bei der Verkohlung nur 20 -30 % des Heizwertes vom Rohstoff in der produzierten Kohle zurückbleiben, konnte sich dessen Nutzung jedoch nicht großtechnisch zur Wärme- oder Stromerzeugung durchsetzen. Eher wird Holzkohle in der chemischen Industrie genutzt oder auf Grund ihres hohen Adsorptionsvermögens als Aktivkohle bei Reinigungsprozessen 1.

3.1.1 Grundlagen der Verkohlung

Grundsätzlich ist die Umsetzung von Holz zu Holzkohle in mehrere Phasen gegliedert, die hinsichtlich der Reaktionstemperatur differenziert werden.

200 °C

Zuerst wird der Rohstoff getrocknet und aufgeheizt, dabei verflüchtigen sich porengebundenes Wasser sowie geringe Mengen von Kohlenstoffdioxid (CO2), Ameisenund Essigsäure. Dieser Prozess ist energiebedürftig also endotherm.

200 - 280 °C

In diesem Temperaturbereich entweichen wesentlich mehr Kohlenstoffdioxid, Essig- und Ameisensäure als unterhalb von 200 °C. Alle gebildeten Gase sind jedoch nicht brennbar, womit noch immer ein hoher Energiebedarf in Form von Wärme besteht.

280 - 500 °C

In der dritten Phase erfolgt die Bildung mehrerer brennbarer Gase wie Methan (CH4), Kohlenstoffmonoxid (CO), Wasserstoff (H2) und verschiedener Aldehyde. Da diese Reaktionen im Holzinnern sehr schnell ablaufen, werden kondensierbare organische Verbindungen mitgerissen und in Tröpfchenform als Rauch sichtbar. Dieses FlüssigkeitsGasgemisch enthält abhängig von Holz und Verfahren sehr heterogene sowie stark toxische Verbindungen. Die gebildeten Gase und Flüssigkeiten enthalten eine chemisch gebundene Energie von 0,245 kWh/kgHolzsubstanz .

Überschreitet die Reaktionstemperatur 400 °C, so wechseln die Reaktionen in den endothermen Bereich. Der zurückbleibende Stoff ist Holzkohle.

500°C

Durchströmt das Gasgemisch mit dieser Temperatur die bereits verkohlten Holzschichten, so führt dies hauptsächlich zur Zersetzung in Kohlenstoffmonoxid (CO) und Wasserstoff (H2).

3.1.2 Verfahren der Kohleherstellung

Traditionell wurde Holzkohle mit dem Meiler hergestellt, was gerade in ärmeren Ländern auch heute noch Anwendung findet. Das moderne und technisch aufwendigere Retortenverfahren ist erheblich umweltverträglicher. Trotzdem stammt etwa die Hälfte der heute auf der Welt verwendeten Holzkohle noch aus dem Meiler.

Meilerverfahren

Es wird davon ausgegangen, dass bereits vor 2000 Jahren mit dieser Methode zuerst im Sauerland Holzkohle hergestellt wurde. Es werden Holzscheite zu einem kegelförmigen Haufen angelegt, der in der Mitte ein Loch besitzt, das mit Reisig gefüllt ist. Weiterhin muss der Meiler nun möglichst luftdicht mit Laub und Erde abgedeckt werden. Wird der Meiler entzündet, verbrennt zuerst das Reisig und ein Teil der Scheite, um das restliche Holz zu trocknen. In dieser Phase tritt weißer Rauch (hauptsächlich Wasserdampf) aus dem Meiler. Verfärbt sich der Rauch gelblich, muss das Loch von oben geschlossen werden, denn es beginnt die exotherme Phase. Dieser gelbe Rauch enthält die vielen brennbaren und stark giftigen Gase, die ungenutzt in die Atmosphäre entweichen. Wird der Rauch farblos, ist die Verkohlung abgeschlossen und der Meiler kann nach der Abkühlung geöffnet werden.

Die Ausbeute beträgt 20 - 25 % der Trockenmasse. Auch heute wird in Südamerika und Südostasien dieses Verfahren weiterhin angewendet, jedoch in ortsfesten gemauerten Meilern mit Chargengrößen von etwa 20 t.

Die enormen Energiemengen, die benötigt werden, stammen hier aus der gezielten Teilverbrennung des eingesetzten Rohstoffs 1.

Retortenverfahren

Das Retortenverfahren ist wesentlich aufwendiger, da die benötigte Energie über die Verbrennung der austretenden Reaktionsgase geliefert wird. Die Ausbeute steigt durch diese Gasnutzung auf bis zu 30 %. Dabei kann in Verfahren mit direkter und indirekter Erwärmung unterschieden werden. Bei indirekten Verfahren wird überhitzter Dampf durch die Verbrennung der Reaktionsgase bereitgestellt, der die Reaktorwand erhitzt und somit die Prozesswärme liefert. Das Spülgasverfahren dagegen nutzt direkt die entstehenden Abgase als Wärmeüberträger. Die inerten Rauchgase durchströmen die Rohstoffschüttung und erhitzen sie dabei.

Um einen kontinuierlichen Abgasstrom zu gewährleisten, nutzt zum Beispiel die „Reichert - Retorte“ meist 6 Retorten im Verbund. Der wesentliche Nachteil liegt in dem enormen technischen Aufwand einer solchen Anlage, die nur mit einer relativ hohen Anlagenkapazität (ca. 100 m³) wirtschaftlich zu betreiben ist. Alle Anlagen benötigen ausschließlich in der Anfahrphase zusätzliche Energie aus externen Quellen, die aus fossilen Brennstoffen bezogen wird 1 .

3.1.3 Das Produkt Kohle

Die produzierte Holzkohle ist ein mehr oder minder kapillarreiches und poröses Material, wobei die physikalischen Eigenschaften stark vom Ausgangsmaterial abhängig sind. Je höher die Dichte des Ausgangsstoffes, desto höher ist auch die Dichte der Holzkohle. Das wichtigste Qualitätsmerkmal ist aber der Gehalt an Kohlenstoff. Nach DIN 51749 muss dieser bei Grillholzkohle mehr als 80 % und bei Holzkohlebriketts mehr als 65 % der Trockenmasse betragen. Auch der bei der Verbrennung entstehende Aschegehalt ist mit höchsten 4 % für Grillholzkohle und höchstens 15 % für Holzkohlebriketts festgelegt. Holzkohlebriketts bestehen aus dem bei der Herstellung von Holzkohle anfallenden Feingutanteil. Dieser wird durch Zusatz von Bindemitteln wie Stärke zu Briketts verpresst. Der Wassergehalt darf jeweils 8 % nicht überschreiten. Außerdem befinden sich noch geringe Anteile von Teer und chemisch gebundenem Sauerstoff und Wasserstoff in der Kohle.

3.1.4 Nutzung von Kohle

Der größte Anteil der produzierten Holzkohle wird in vielen Entwicklungsländern genutzt, um Speisen zuzubereiten. Diese Form der energetischen Nutzung ist dort weit verbreitet, da sie einen praktisch rauchfreien und somit „sauberen“ Brennstoff darstellt. In Industrieländern wird sie hauptsächlich im Freizeitbereich und der Gastronomie als Grillkohle verwendet. In der Erzverhüttung, der Metallurgie und der chemischen Industrie wird sie als Reduktionsmittel stofflich genutzt. Aufgrund ihrer hohen spezifischen Oberfläche und dem damit verbundenen Adsorptionsvermögen kommt sie oft als Filter zum Einsatz und wird deshalb auch als Aktivkohle bezeichnet 1.

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