1 Der Leitfaden feste Biobrennstoffe
1.1 Ausgangslage
Abb. 1.1: Formen biogener Festbrennstoffe in Deutschland
Abb. 1.2: Technisches Brennstoffpotenzial biogener Festbrennstoffe in Deutschland für 2007 und für das B 2020 Szenario
Abb. 1.3: Anlagenbestand und installierten elektrischen Leistung der in Betrieb befindlichen Biomasse(heiz)kraftwerke
Abb. 1.4: Zubau und Bestand von ORC- und Dampfturbinenanlagen 2000 bis 2011
Abb. 1.5: Entwicklung des Anlagenbestandes und der installierten elektrischen Leistung nach Größenklassen von thermochemischen Vergasungsanlagen 2008 bis 2011
2 Produktion, Bereitstellung und Eigenschaften biogener Festbrennstoffe
2.1 Anfall und Produktion holzartiger Biomasse
Abb. 2.1: Genereller Aufbau der Verfahrensketten zur Bereitstellung biogener Festbrennstoffe
Tab. 2.1: Typische (erntbare) Massen- und Energieerträge in der Land- und Forstwirtschaft
Abb. 2.2: Herkunft von Holzbrennstoffen und Wege vom Wald zum Endverbraucher
Tab. 2.2: Übersicht über Angebotsformen und Beschaffungsmöglichkeiten von Holzbrennstoffen
Abb. 2.3: Sägerestholzanfall bei der Rohholzbearbeitung
Tab. 2.3: Möglichkeiten des Pflanzverbandes von Kurzumtriebsplantagen
Tab. 2.4: Jährlicher Trockenmassezuwachs von Weiden und Pappeln bei niedrigem, mittlerem und hohem Ertragsniveau
Tab. 2-1-1: Steckbrief Pappel
Tab. 2-1-2: Steckbrief Weiden
2.2 Ernte und Bergung holzartiger Biomasse
Abb. 2.4: Verfahrensketten zur Bereitstellung von Waldhackgut mit unterschiedlichem Wassergehalt (w)
Abb. 2.5: Bereitstellung von Hackschnitzeln aus Kurzumtriebsplantagenholz - Verfahrensablauf bei Bündel- und Hackgut - Linien
Tab. 2.5 A: Steckbrief Anbau Mähacker
Tab. 2.5 B: Steckbrief Selbstfahrender Mähacker
2.3 Anfall und Produktion halmgutartiger Biomasse
2.4 Ernte und Bergung halmgutartiger Biomasse
2.5 Nachernteverfahren für Holz und Halmgut
Tab. 2.6: Transportmittel für den Transport von Schüttgutbrennstoffen
Tab. 2.7: Bauarten mobiler Hacker und ihre technischen Merkmale
Tab. 2.8: Europäische Normanforderungen an Holzpellets
Abb. 2.9: Funktionsprinzipien verschiedener Ballenauflöser
Abb. 2.10: Funktionsweise eines Scheibensiebs
Abb. 2.11: Arbeitsweise einer Kolbenstrangpresse mit schwungmasseunterstütztem Antrieb
Abb. 2.12: Arbeitsweise einer Kollergangpresse mit Ringmatrize
Abb. 2.13: Prinzip einer Produktionsanlage für Holzpellets
Tab. 2.9: Jährliche Trockenmasseverluste bei der Holzlagerung in Haufen im Freien
Abb. 2.14: Möglicher Temperaturanstieg bei der Hackschnitzellagerung in Abhängigkeit vom Wassergehalt und der Lagerdauer
Abb. 2.15: Beispiel für die Anordnung von Belüftungsschächten bei Satztrocknern (Draufsicht)
Abb. 2-5-1: Wassergehaltsverlauf bei der Lagerung verschiedener Holzarten
Abb. 2-5-2: Strömungswiderstand von Holzhackschnitzeln bei unterschiedlichen Teilchengrößen
Tab. 2-5-1: Durchschnittliche Kapazitäten verschiedener Transportmittel
Tab. 2-5-2: Transport von Rund- und Quaderballen
2.6 Brennstoffzusammensetzung und -eigenschaften
Tab. 2.9: Mittlere Gehalte an Hauptelementen in naturbelassenen Biomasse-Festbrennstoffen im Vergleich zu Stein- und Braunkohle
Abb. 2.16: Heizwert von Holz in Abhängigkeit vom Wassergehalt bzw. der Feuchte
Tab. 2.10: Verbrennungstechnische Kenndaten von naturbelassenen Biomasse-Festbrennstoffen im Vergleich zu Stein- und Braunkohle
Tab. 2.11: Klassifizierung von Holzhackschnitzeln nach der Größenverteilung gemäß der Europäischen Anforderungsnorm für nicht-industrielle Verwendung
Tab. 2.12: Typische Schütt- und Stapeldichten biogener Festbrennstoffe (Planungsmittelwerte bei 15 % Wassergehalt)
Tab. 2.13: Typische Schütt- und Stapeldichten biogener Festbrenstoffe
Tab. 2.14: Planungszahlen zur Beurteilung des Energiegehaltes einer Brennstoffmenge
Abb. 2.17: Energieinhalt in einem Raummeter Scheitholz bzw. in einem Kubikmeter Holzhackschnitzel bei unterschiedlichem Wassergehalt
Tab. 2-6-1: DIN EN 14961-2 Holzpellets für nichtindustrielle Verwendung
Tab. 2-6-2: DIN EN 14961-3 Holzbriketts für nichtindustrielle Verwendung
Tab. 2-6-3: DIN EN 14961-4 Holzhackschnitzel für nichtindustrielle Verwendung
Tab. 2-6-4: DIN EN 14961-5 Stückholz für nichtindustrielle Verwendung
Tab. 2-6-5: DIN 51605 Kraftstoffe für pflanzenöltaugliche Motoren - Rapsölkraftstoff
Tab. 2-6-6: DIN EN 14214 Fettsäure-Methylester (FAME) für Dieselmotoren - Anforderungen und Prüfverfahren
Tab. 2-6-7: Umrechnungsfaktoren von Scheitholz verschiedener Sortimente und Lagerformen
Tab. 2-6-8: Umrechnungsfaktoren von Hackschnitzeln aus verschiedenen Sortimenten
Tab. 2-6-9: Umrechnung zwischen Raummeter und Festmeter für weitere Holzsortimente
Tab. 2-6-10: Raumgewichte verschiedener Holzarten in Abhängigkeit von der Holzfeuchte (u)
Tab. 2-6-11: Raumgewichte verschiedener Holzarten in Abhängigkeit vom Wassergehalt (w)
Tab. 2-6-12: Wassergehalt (w) und Holzfeuchte (u) verschiedener Holzsortimente
Tab. 2-6-13: Umrechnungstabelle für Hackschnitzel
Tab. 2.6-14: Heizwerte verschiedener Holzarten bezüglich der Raumgewichte
Tab. 2-6-15: Formeln zum Wassergehalt
Tab. 2-6-16: Formeln zu Brenn- und Heizwerten
Tab. 2-6-17: Faustzahlen für Überschlagsrechnungen
Tab. 2-6-18: Schütt- und Stapeldichten fester Bioenergieträger mit einem Wassergehalt von 15 %
Tab. 2-6-19: Darrdichte verschiedener Hölzer
Tab. 2-6-20: Heizwerte fester Bioenergieträger (Mittelwerte)
Tab. 2-6-21 A: Spurenelementgehalte fester Bioenergieträger (Teil A), exemplarisch
Tab. 2-6-21 B: Spurenelementgehalte fester Bioenergieträger (Teil B), exemplarisch
Tab. 2-6-21 C: Spurenelementgehalte fester Bioenergieträger (Teil C), exemplarisch
3 Anlagentechnik zur Energiebereitstellung
Abb. 3.1: Systematik der Umwandlungsschritte und Prozesse zur Erzeugung von Wärme, Strom und Bio-Kraftstoffe aus fester Biomasse
3.1 Technische Randbedingungen und Entwicklungsstand
3.2 Verbrennungskonzepte
Abb. 3.4: Phasen der Verbrennung
Abb. 3.5: Darstellung der NOx-Entstehung in Abhängigkeit von der Verbrennungstemperatur
Abb. 3.6: Messergebnisse Rostfeuerung 20MWth mit 100% Holzige Biomasse, Holzige Biomasse mit 10% Stroh und Holzige Biomasse mit 30% Stroh
Abb. 3.7: Schema des Biomasseflusses von der Anlieferung bis zum Kessel
Abb. 3.8: Beispiel eines Systems zur Verteilung des Brennstoffs im Lager
Abb. 3.9: Ebenerdiges, oberirdische überdachtes Holzhackschnitzel-Silo
Abb. 3.10: Wechselcontainerlager
Abb. 3.11: Erdversenktes Tiefsilo
Abb. 3.12: Balleneinlagerung in herkämmliche Lagerhalle mit Telekoplader
Abb. 3.13: Schematische Darstellung unterschiedlicher Systeme zur Lageraustragung
Tab. 3.1: Merkmale und Kenndaten ausgewählter automatischer Lageraustragesysteme (Kleinanlagen)
Abb. 3.14: Ballenaustrag mit Strohbahn, Ballenauflöser und pneumatischer Strohabfuhr
Tab. 3.2: Bauart und Verwendung von Schneckenfördersystemen
Tab. 3.3: Bauart und Verwendung von Fördersystemen (außer Schnecken)
Abb. 3.15: Einordnung der Feuerungssysteme in Abhängigkeit der Anlagengröße und Form der Biomasse
Tab. 3.4: Feuerungsarten und deren Charakteristika; Brennstoffeignung, Leistungsbereich
Abb. 3.16: Schematische Darstellung einer Vorofenfeuerung
Abb. 3.17: Schematische Darstellung einer Unterschubfeuerung
Abb. 3.18: Vorschubrostfeuerung nach dem Gegenstromprinzip
Abb. 3.19: Funktionsweise Vorschubrostfeuerung mit einer Kolbenbeschickung
Abb. 3.20: Schematische Darstellung einer Ballenfeuerung mit stirnseitigem Ballenabbrand (Zigarrenabbrandfeuerung)
Abb. 3.21: Schematische Darstellung einer stationären Wirbelschicht
Abb. 3.22: Schematische Darstellung einer zirkulierenden Wirbelschichtfeuerung
Abb. 3.23: Funktionsweise einer Muffeleinblasfeuerung
Abb. 3.24: Funktionsprinzip eines Dreizug-Rauchrohrkessels
Abb. 3.25: Funktionsprinzip eines Dreizug-Wasserrohrkessels
Abb. 3.26: Biomasse gefeuerter Naturumlaufdampferzeuger
Abb. 3.27: Beispiel einer Jahresdauerlinie eines Biomasse-Kessels
Abb. 3.28: Wasser-Dampf-Kreislauf eines Dampfturbinen-Kraftwerkes größerer Leistung
Abb. 3.29: Wasser-Dampf-Kreislauf eines Dampfturbinen-Heizkraftwerkes kleiner und mittlerer Leistung
Abb. 3.30: Schematische Darstellung einer Biomasse-KWK mit ORC-Prozess
Tab. 3.5: Wesentliche typische Kenndaten von thermisch angetriebenen Kältemaschinen
Tab. 3.6: Beispiele für Biomasse-Kraft-Wärme-Kälte-Kopplungsanlagen
Abb. 3.31: Einrichtungen zur Wärmeverteilung
Abb. 3.32: Schema einer indirekten Hausstation
Tab. 3.7: Übersicht über verschiedene Staubabscheideverfahren
Abb. 3.33: Schema eines Zyklons mit Anordnung zum Multizyklon
Abb. 3.34: Funktionsweise des Gewebefilters (Schlauchfilter)
Abb. 3.35: Exemplarischer Aufbau eines zwei-feldrigen Plattenelektrofilters
Abb. 3.36: Verschiedene Wäschertypen, Einfacher Rauchgaswäscher ohne Einbauten
Abb. 3.37: Stickstoffoxidemissionen als Funktion des Brennstoffstickstoffgehalts
Abb. 3.38: Luftstufung (oben) und Brennstoffstufung (unten) im Feuerraum
Tab. 3.8: Anteile der einzelnen Aschefraktionen an der Gesamtasche
Tab. 3.9: Grenzwerte verschiedener Aschefraktionen
Abb. 3.39: Prüfschema für die Holzascheverwertung
Abb. 3-2-1: Steckbrief Vorofenfeuerung
Abb. 3-2-2: Steckbrief Unterschubfeuerung
Abb. 3-2-3: Steckbrief Rostfeuerungen
Abb. 3-2-4: Steckbrief Zigarrenbrenner
Abb. 3-2-5: Steckbrief Stationäre Wirbelschichtfeuerung
Abb. 3-2-6: Steckbrief Zirkulierende Wirbelschichtfeuerung
Abb. 3-2-7: Steckbrief Staubfeuerung
Abb. 3-2-8: Steckbrief Entstaubungseinrichtungen Zyklon Multizyklon
Abb. 3-2-9: Entstaubungseinrichtungen Gewebefilter
Abb. 3-2-10: Entstaubungseinrichtungen Elektrofilter
Abb. 3-2-11: Minderung von Chlorwasserstoffen
Abb. 3-2-12: Stickstoffoxidminderung Luft und Brennstoffstufung
Tab. 3-2-1: Gegenüberstellung der Vor- und Nachteile versch. Feuerungsarten
Tab. 3-2-2: Übersichtüber die Möglichkeiten der Rauchgasreinigung
Tab. 3-2-3: Minderung von Chlorwasserstoffen
Tab. 3-2-4: Minderung von Dioxine und Furane
Tab. 3-2-5: Maßnahmen zur Reduzierung von Schwefeloxide-Emissionen
Tab. 3-2-6: Stickstoffoxidminderung Rauchgasrückführung
Tab. 3-2-7: Stickstoffoxidminderung Selektive Nicht-Katalytische Entstickung
Tab. 3-2-8: Stickstoffoxidminderung Selektive Katalytische Entstickung
Tab. 3-2-9: Merkmale und Kenndaten ausgewählter automatischer Lageraustragssysteme
Tab. 3-2-10: Übliche Hubhöhen verschiedener Fahrzeuge für den Brennstoffumschlag
Tab. 3-2-11: Beispiele geeigneter Fördereinrichtungen für feste Bioenergieträger
Tab. 3-2-12: Mögliche Düngemitteltypen für Holzaschen nach der DüMV
3.3 Vergasungskonzepte
Abb. 3.40: Systemaufbau der Vergasung Warme, Strom und Biokraftstoff
Tab. 3.10: Hauptreaktionen der Vergasung
Abb. 3.41: Vergleich unterschiedlicher Vergasungskonzepte in Bezug auf Vergasungsmittel und Art der Wärmebereitstellung
Abb. 3.42: Grundformen von Festbettvergaser (VM Vergasungsmittel)
Tab. 3.11: Merkmale, Leistungsbereiche und Produktgaszusammensetzung verschiedener Festbettreaktoren
Abb. 3.43: Grundformen von Wirbelschichtvergasern: stationäre Wirbelschicht, zirkulierende Wirbelschicht, Zweibettwirbelschicht
Abb. 3.44: Prozessschema AER-Verfahren
Tab. 3.12: Zusammensetzung und Heizwerte von Produktgasen aus der atmosphärischen Vergasung von trockenem Holz in verschiedenen Wirbelschichtvergasern
Abb. 3.45: Schema eines Flugstromvergasers
Tab. 3.13: Zusammensetzung und Heizwerte von Produktgasen aus der atmosphärischen Vergasung in einem Sauerstoffgeblasenen Flugstromvergaser
Tab. 3.14: Verwendungsspezifische Minimalanforderungen an Produktgase
Tab. 3.15: Eigenschaften verschiedener Abscheidetechniken zur Rohgasreinigung
Abb. 3.46: Aufbau eines Gegenstromvergasers zur Wärmebereitstellung (Bioneer-Vergaser)
Abb. 3.47: Anlagenschema einer KWK-Anlage mit Gegenstromvergasung und Gasmotor (Harboore)
Abb. 3.48: Anlagenschema einer KWK-Anlage mit allothermer Wirbelschichtdampfvergasung und Gasmotor
3.4 Elektro- und Leittechnik
3.5 Aufstellung von Bioenergieanlagen, erforderliche Gebäude, Platzbedarf
Tab. 3.16: Beispiel zur Ermittlung des Platzbedarfs zur Brennstofflagerung
Tab. 3.17: Abmessungen von Biomassekesseln (ohne Abgasentstaubung)
Tab. 3.18: Richtwerte für die erforderlichen Flächen und Volumina von Hackschnitzelheiz(kraft)werken
Tab. 3.19: Richtwerte für die erforderlichen Flächen und Volumina eines Strohheizwerkes
4 Rechtliche Rahmenbedingungen
4.1 Überblick über die für Bioenergievorhaben relevanten Regelwerke
4.2 Genehmigungsrecht
Tab. 4.2: Emissionsgrenzwerte nach der 1. BImSchV für Anlagen, die ab dem 22.03.2010 und vor dem 31.12.2014 errichtet werden
Tab. 4.3: Emissionsgrenzwerte nach der 1. BImSchV für Anlagen, die nach dem 31.12.2014 errichtet werden
Tab. 4.4: UVP-pflichtige Vorhaben sowie Vorhaben mit UVP-Vorprüfung
Tab. 4.5: Emissionsgrenzwerte für Biomasse-Feuerungsanlagen nach TA Luft
Tab. 4.6: Begriffsbestimmungen der Altholzverordnung gemäß
Abb. 4.2: Emissionsrechtliche Grundlagen in Abhängigkeit von Brennstoff und Feuerungswärmeleistung
Tab. 4.7: Übersicht über die Vorschriften nach BImSchG und AltholzV sowie über die Emissionsgrenzwerte für Biomasse-Brennstoffe
4.3 Förderungsrecht
Tab. 4.8: Einsatzstoffe zur Feststoffverbrennung der Einsatzstoffvergütungsklassen I und II nach § 2 und Anlagen 2 und 3 der Biomasseverordnung
Tab. 4.9: Übersicht über Grund- und Rohstoffvergütung für die Stromerzeugung aus Anlagen zur Nutzung fester Biomasse zur Stromerzeugung
Tab. 4.10: Übersicht über den Zuschlag für Anlagen in Kraft-Wärme-Kopplung
Tab. 4.11: Wesentliche Bestandteile eines Brennstoffliefervertrages
Tab. 4.12: Wesentliche Bestandteile von Wärmelieferverträgen
Tab. 4-4-1: Faktoren zur Umrechnung von normierten Massenkonzentrationen auf auf energiemengenbezogene Emissionen
Tab. 4-4-2: Faktoren zur Umrechnung von Emissionsangaben bei unterschiedlichem Bezugssauerstoffgehalt
5 Kosten und Wirtschaftlichkeit
5.1 Investitionskosten von Bioenergieanlagen
Tab. 5.1: Untergliederung nach DIN 276 (Kosten im Hochbau)
Abb. 5.1: Spezifische Investitionskosten von automatisch beschickten biomassebefeuerten Kesseln
Abb. 5.2: Spezifische Kosten (pro kWel) ) von Dampfturbinen inkl. Generator, Steuerung, Getriebe
Abb. 5.3: Spezifische Kosten (pro kWel) ) von ORC-Anlagen
Abb. 5.4: Spezifische Kosten (pro KWel) von Vergaseranlagen ink. Teerreformierung ohne BHKW
Abb. 5.5: Richtwerte für die spezifischen Verlegekosten von Nahwärmeleitungen
Abb. 5.6: Hausstationskosten ohne Anschlüsse
Abb. 5.7: Hausstationskosten inklusive Anschlüsse
5.3 Brennstoffkosten (frei Anlage)
Abb. 5.8: Betrachtete Hauptprozessketten
Tab. 5.2: Für die Kostenrechnungen verwendete Kenndaten biogener Festbrennstoffe
Tab. 5.3: Verfahren und Maschineneinsatz zur Hackschnitzelbereitstellung aus Waldrestholz
Tab. 5.4: Kosten der Hackschnitzelbereitstellung frei Waldstraße für verschiedene Ernteverfahren und Brusthöhendurchmesser bzw. Kronenfuß
Tab. 5.5: Kosten der Waldhackschnitzellagerung
Tab. 5.6: Transportkosten für Waldhackschnitzel
Tab. 5.7: Bereitstellungskosten für Fichtenhackschnitzel frei Konversionsanlage
Abb. 5.9: Kostenvariationen – Hackschnitzelbereitstellung frei Konversionsanlage
Tab. 5.8: Anlagekosten für eine Pappelplantage
Tab. 5.9: Kosten der Hackschnitzelbereitstellung aus Pappeln unter Berücksichtigung verschiedener Ertragsniveaus frei Feldrand
Tab. 5.10: Kosten der Lagerung von Hackschnitzeln aus Pappelplantagen
Tab. 5.11: Transportkosten für Hackschnitzel aus KUP
Tab. 5.12: Bereitstellungskosten von Pappelhackschnitzeln aus KUP frei Konversionsanlage mit Freilagerung
Abb. 5.10: Kostenvariationen – KUP-bereitstellung
Tab. 5.13: Energetisch nutzbarer Getreidestrohanteil am gesamten deutschlandweiten Getreidestrohaufkommen
Tab. 5.14: Bereitstellungskosten von Stroh frei Zwischenlager
Tab. 5.15: Kosten der Strohballenlagerung
Tab. 5.16: Aufladen und Transportkosten für Stroh-Quaderballen
Tab. 5.17: Brennstoffkosten von Getreidestroh frei Feuerungsanlage (ohne MWSt.)
Abb. 5.11: Kostenvariationen – Strohbereitstellung
Tab. 5.18: Anlagekosten für eine Miscanthusplantage
Tab. 5.19: Bereitstellungskosten von Miscanthusballen frei Zwischenlager
Tab. 5.20: Kosten der Miscanthus-Ballenlagerung
Tab. 5.21: Aufladen und Transportkosten für Miscanthus-Quaderballen
Tab. 5.22: Brennstoffkosten von Miscanthus frei Feuerungsanlage mit Altgebäudelagerung (ohne MWSt.)
Abb. 5.12: Kostenvariationen – Miscanthusbereitstellung
Abb. 5.13: Bandbreite der Bereitstellungskosten für Landschaftspflegematerial
Abb. 5.14: Brennstoffbereitstellungskosten (gesamte Bandbreite) der betrachteten biogenen Festbrennstoffe
5.4 Brennstoffpreise
5.6 Ermittlung der Energieerzeugungskosten anhand von Beispielen