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Stroh als Brennstoff für Kleinfeuerungsanlagen - Ein neuer Ansatz für die nachhaltige Energiegewinnung

Fachbericht | Wörter: 1147 | Aufrufe: 7684 | Druckbare Version

Biogene Brennstoffe tragen immer mehr zur Endenergiebereitstellung in Deutschland bei. Ihre Gesamtenergiemenge hat sich von rund 97 Terawattstunden (TWh) im Jahr 2000 auf rund 321 TWh in 2013 gut verdreifacht. Eingesetzt wird die Biomasse vor allem zur Wärme- und Stromerzeugung, wie Abbildung 1 zeigt:



In biogenen Brennstoffen ist solare Strahlungsenergie durch Photosynthese in Form chemischer Energie gespeichert. Bei diesem Prozess nimmt die Pflanze CO2 aus der Atmosphäre auf. Die Energie und das CO2 werden durch Oxidation der Biomasse bei Verbrennung wieder freigesetzt. Herkunft, Aufbereitung und Nutzung der biogenen Energieträger sind vielfältig. Meist kommen Holz oder auf landwirtschaftlichen Flächen speziell angebaute Energiepflanzen zum Einsatz. Eine bislang noch vernachlässigte Möglichkeit stellt die Verwendung von Stroh bei der Energiegewinnung dar. Es fällt als landwirtschaftliches Nebenprodukt in großen Mengen an - allein in Deutschland mit etwa 8 bis 13 Millionen Tonnen pro Jahr.

Auf dem Weg zur Anwendung: Stroh und Anlagentechnik optimieren

Stroh besitzt jedoch relativ niedrige Energiedichten, denn ein Ballen entspricht etwa 500 kWh/m³. Bei seiner Verbrennung sind zudem Herausforderungen, wie ein hoher Ascheanfall bei gleichzeitiger Ascheerweichung/-versinterung und hohe Chlorkonzentrationen, die unter anderem zu Korrosionen in den Anlagen führen, zu beachten. Diesen Problemen nimmt sich ein Team vom Lehr- und Forschungsgebiet Technologie der Energierohstoffe an der RWTH Aachen an. Ziel ist, ein dezentrales Konzept zu entwickeln, das Stroh für die Nutzung in Kleinfeuerungsanlagen nach der ersten Bundes-Immissionsschutzverordnung (BImSchV) nutzbar macht. Dafür wurde ein Ansatz gewählt, der sowohl die Konfektionierung des Brennstoffs als auch die Anpassung der Feuerungstechnik umfasst.

Erster Schritt war, das Stroh durch geeignete Zusatzstoffe anzureichern und zu Pellets zu verarbeiten. Die entsprechenden Additive sollten die Verbrennungseigenschaften optimieren und gleichzeitig die Probleme durch Ascheerweichung, Emissionen und Korrosion minimieren. Dazu wurden zunächst die charakteristischen Erweichungs- und Schmelztemperaturen von Stroh mithilfe eines Erhitzungsmikroskops bestimmt. Auf dieser Basis galt es, verschiedene Additive auf ihre Eignung hin zu bewerten. Hierbei zeigte sich die prinzipielle Eignung von zum Beispiel Kaolin, Kalkhydrat und in besonderem Maße Magnesiumoxid, wobei auch ökonomische Rahmenbedingungen bei der Wahl eines Additivs berücksichtigt werden müssen.



Abbildung 2: Erhöhung der Erweichungstemperatur von Weizenstrohasche durch Zugabe von Magnesiumoxid, Kalkhydrat und Kaolin. Quelle: Lehr- und Forschungsgebiet Technologie der Energierohstoffe, RWTH Aachen

In einem zweiten Schritt wurde eine marktgängige Kleinfeuerungsanlage, die ursprünglich für den Betrieb mit Holzpellets ausgelegt war, auf die besonderen Bedingungen des Brennstoffs Stroh angepasst. Dies umfasst, neben der Integration einer Luftstufung zur Stickoxidreduktion, unter anderem auch Rostmodifikationen, um einen kontinuierlichen Verbrennungsbetrieb zu ermöglichen. Umfangreiche Messeinrichtungen überwachen aktuell sämtliche Verbrennungsversuche, bei denen die im Labormaßstab entwickelten Pelletrezepturen in der veränderten Feuerung erprobt werden.

Die entwickelten Pelletrezepturen konnten erfolgreich in der modifizierten Feuerung verbrannt werden. Dabei wurden die Grenzwerte der ersten BImSchV eingehalten. Zusätzlich ließen sich die Stickstoffoxid-Emissionen durch Luftstufung um bis zu 25 Prozent reduzieren. Die Emission von sauren Gaskomponenten wie Chlorwasserstoff und Schwefeldioxid ließ sich durch die Zugabe von kalkbasierten Additiven um ein Vielfaches herabsetzen. Gegenüber der Verbrennung von Holz sind stark erhöhte Staubemissionen zu beobachten, welchen mit Sekundärmaßnahmen nach Stand der Technik, also mit entsprechenden Filtern, begegnet werden muss. In weiterführenden Arbeiten werden am Institut unter anderem weitere Rostkonzepte und die Auswirkung einer vorherigen Auswaschung des Strohs sowie Wirtschaftlichkeitsaspekte untersucht.

Gezielte Steuerung der Verbrennung: Simulation der thermochemischen Konversion von Stroh

Diese Ergebnisse werden durch Untersuchungen eines Teams vom DBFZ - Deutsches Biomasseforschungszentrum gGmbH in Leipzig ergänzt: Eine der größten Herausforderungen bei der Biomasseverbrennung in Kleinfeuerungsanlagen ist die Reduktion von Emissionen. Numerische Strömungssimulationen, so genannte "Computational Fluid Dynamics" (CFD), liefern wertvolle Informationen, wie sich die Geometrie und Prozessparameter der Brennkammern verbessern lassen.

Im Rahmen eines Forschungsprojekts wird am DBFZ eine Strohfeuerungsanlage mittels CFD untersucht. Die chargenweise Ganzballenfeuerung dient zur Verbrennung vollständiger Strohballen und liegt im Leistungsbereich von etwa einem Megawatt. Die Feuerungsanlage wird vorwiegend zur Wärmeerzeugung genutzt, zur zusätzlichen Stromgewinnung wird ein ORC-System (Organic Rankine Cycle) ergänzt. Dabei wird als Arbeitsmedium ein niedrig siedendes organisches Fluid an Stelle von Wasserdampf verwendet. Das organische Medium kann bei einem niedrigen Temperatur- und Druckniveau eingesetzt werden. Dies bietet prozesstechnische Vorteile und ermöglicht einen Betrieb mit wenig Personalaufwand. Durch die Verwendung eines Wärmeübertragers zwischen Feuerung und ORC-System werden Schäden am System durch korrosive Substanzen, die bei der Strohfeuerung entstehen, vermieden.

Stroh unterscheidet sich von Holz als Brennstoff durch den hohen Aschegehalt, der zu starken anorganischen Emissionen führt. Darüber hinaus begünstigt der erhebliche Chlorgehalt die Bildung weiterer Schadstoffe wie Dioxin oder Salzsäure. Mit Hilfe von CFD-Simulationen wird die Feuerungsanlage daher untersucht und optimiert. Basis für die Simulationen bildet ein am DBFZ weiterentwickeltes Bettmodell, das zur Darstellung der Vorgänge im Glutbett verwendet wird. Mit diesem Modell wird die thermochemische Konversion von Stroh abgebildet.

Die Biomasse wird in der Simulationssoftware OpenFOAM als poröses Medium dargestellt, das Trocknung, Pyrolyse, Vergasung und Verbrennung durchläuft. Für die detaillierte Untersuchung und Optimierung der Teilmodelle wird die Simulation auf einen einzelnen Strohpartikel reduziert.



Abbildung 3: Simulation eines einzelnen Strohpartikels. (Darstellung in Anlehnung an: Kwiatkowski, K ; Zuk, P J ; Dudyński, M ; Bajer, K: Pyrolysis and gasification of single biomass particle – new openFoam solver. In: Journal of Physics: Conference Series Bd. 530 (2014)) Quelle: DBFZ - Deutsches Biomasseforschungszentrum gGmbH, Leipzig

Die Weiterentwicklung des Modells für die Verbrennung von Stroh wird derzeit durch Versuche mittels Simultaner Thermischer Analyse (STA) unterstützt. Besondere Aufmerksamkeit gilt hier der Pyrolyse, da diese einen großen Einfluss auf die Freisetzung von brennbaren Gasen und damit auf die Verbrennung und die Emissionen hat. Bei der Modellierung muss außerdem beachtet werden, dass die mineralischen Bestandteile im Stroh die Geschwindigkeit der Pyrolysereaktionen durch Katalyse beeinflussen. Daher ist es wichtig, das Pyrolysemodell für die Strohverbrennung anzupassen. Durc
h Versuche mit der STA werden die Kinetikparameter ermittelt, die individuell an den Brennstoff angepasst sind.

Die Ergebnisse der CFD-Simulationen werden in dem Forschungsprojekt zur Optimierung der Feuerungsanlage verwendet und fließen dadurch direkt in die Entwicklungen von MetalERG ein. Eine Übertragung in den Markt ist durch diese Zusammenarbeit gewährleistet.

Fazit - Aktuelles aus der Forschung für den Betrieb

Diese Forschungsansätze entwickeln das Thema der Feuerungen im dezentralen Bereich weiter. Sie leisten einen bewusst praxisnahen Beitrag zur Erschließung des Reststoffs Stroh für die Nutzung in Feuerungsanlagen, um das hier weitgehend noch brachliegende Potenzial dieses zunächst minderwertigen Brennstoffs zu erschließen. Denn im Gegensatz zum Einsatz volatiler erneuerbarer Quellen, wie Wind- und Solarkraft, erlaubt das Verbrennen eine kontinuierliche Energieerzeugung und ist deshalb ein wichtiger Teil der Energiegewinnung. Für deren Nachhaltigkeit - bei steigendem Bedarf an Biomasse - gilt es, neben den bereits üblichen Lösungen weitere erneuerbare Quellen für einen wirtschaftlichen Betrieb auszumachen.

Zukunftsweisende Beiträge rund um "Verbrennung und Feuerung" wie diese zeigt am 16. und 17. September der 27. Deutsche Flammentag an der Technischen Universität Clausthal. Veranstalter ist das VDI Wissensforum in Zusammenarbeit mit der Deutschen Sektion des Combustion Institute, der Deutschen Vereinigung für Verbrennungsforschung e.V. und der VDI-Gesellschaft Energie und Umwelt (VDI-GEU).

Nähere Informationen finden Sie unter:

www.vdi.de/flammentag


Autoren, in alphabethischer Reihenfolge:

- Andrea Dernbecher, DBFZ - Deutsches Biomasseforschungszentrum gGmbH, Leipzig
- Bettina Gehbauer-Schumacher, Smart Skript - Fachkommunikation für Architektur und Energie, Griesheim
- Thomas Horst, Lehr- und Forschungsgebiet Technologie der Energierohstoffe RWTH Aachen

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