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Energie aus Rohstoffen der Land- und Forstwirtschaft (Fach) / ZuFa 31-40 (Lektion)

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  • Energieholz Herkunft: - Waldholz: Niederwald, Hochwald, Flurholz - Restholz von Verarbeitungsprozessen: Sägerestholz, Späne, Rinde - Holz im Abfall: Abfallholz, Abbruchholz - Energieholz aus Plantagen
  • Kurzumtriebsflächen = kein Wald, Umtriebszeiten bis zu 30 Jahren, binnen 10 Jahren nach Aufforstung bei Behörde gemeldet -bei uns: Weiden (2-4 J), Pappeln (6-10 J), Erlen (6-12 J), Robinien (>12 J) -Produktivität: Weiden und Pappeln 10-15 t/ha.a, Erlen und Robinien 6-8 t/ha.a (Tendenz steigend) -Ö: meisten in OÖ, dann Stmk, Ktn, NÖ -> 1700 ha insgesamt -Anbau: Reihenabstand 0,75m  Pflanzenabstand 0,6m  Gassenabstand 2,5 m (bei skandinavischer Methode nur 1,5m)
  • Flurholz: von: Nicht-Waldflächen Windschutzanlagen  sonstige: Parks, Grünschnitt, Landschaftspflegemaßnahmen (Straßenrand, Allee, Hecken), Ufergehölze, Bäume auf Wiesen (Streuobst), Obstbäume
  • Holzabfälle = 9: Rinden (2,2 Mio t) Schwarten & Spreißel (0,6 Mio t) Sägemehl & Sägespäne (2,3 Mio t) Holzstäube & Holzschlämme (0,1 Mio t) Bau- und Abbruchholz (0,3 Mio t) alte Möbel Holzwolle imprägnierte Hölzer Holzemballagen mit schädlichen Verunreinigungen
  • Sägenebenprodukte SNP = Restholz + Sägespäne + Rinde Restholz = Kappholz + Spreißel + Schwarten Schnittholzausbeute = 60-65%
  • Sägerundholz Produktion 17 Mio Efm -> 10 Mio m³ Schnittholz + 8 Mio FMe Sägenebenprodukte + 2 Mio FMe RindeFMe = Festmeteräquivalenten
  • Papierindustrie 8,3 Mio Efm o. Rinde -> 50% Industrierundholz aus Wald und 50% Hackgut aus Sägeindustrie
  • Formen des Holzes: Stückholz (unmittelbare Verbrennung) Hackgut (maschinell zerkleinert, 1-100mm) Holzpresslinge (Briketts und Pellets)
  • Lagerung von Holz bei optimaler Lagerung trocknen Fichte und Buche in 1 Jahr auf 20% Wassergehalt
  • ÖNORM - Holzartige Biomasse: -Wald- und Plantagenholz sowie anderes naturbelassenes Holz (=Vollbäume mit/ohne Wurzeln, Stammholz, Waldrestholz, Stümpfe/Wurzeln, Rinde, sortiertes Holz aus Parks/Gärten/Straßenrändern/Treibholz/Weingärten/Obstgärten, Mischungen) -Industrie-Restholz -Gebrauchtholz
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  • ÖNORM – Eigenschaften: Partikelgröße – P16  Feingutanteil  Wassergehalt – Anteil an Wasser im wasserhaltigen Holz; w(%) = (Gu – Go) / Gu * 100 (Gu… Frischgewicht, Go… Darrgewicht)  Aschegehalt  Stickstoff Schwefel  Chlor  Heizwert  Schüttdichte  Ascheschmelzverfahren  Holzfeuchte – Anteil an Wasser bezogen auf trockene Masse; u(%) = (Gu-Go) / Go * 100 -> bei 50% Wassergehalt = 100% Feuchte  Qualitätsansprüche für Holzpresslinge
  • ÖNORM – Handelsformen: -Hackschnitzel = gehackte holzartige Biomasse-Stücke in festgelegter Partikelgröße, hergestellt durch mechanische Behandlung mit scharfen Werkzeugen -Schredderholz = zerkleinertes Holz in Stücken unterschiedlicher Größe durch Zerkleinern mit stumpfen Werkzeugen
  • ÖNORM – Holzpresslinge -Briketts: zylinderförmig/quaderförmig, Durchmesser 4-12 cm, Länge 40cm, Energiegehalt 4,7-4,9 kWh/kg, meiste Verwendung in Einzelofenheizungen, Kamin- und Kachelöfen -Pellets: Durchmesser 6mm, Länge 5x Durchmesser, aus verdichteten trockenen Spänen, Heizwert 4,8 kWh/kg, Schüttdichte 650 kg/m³, Wassergehalt 8-10% -> Mehr Kapazität als Produktion und noch weniger Verbauch!** **Also die Produktionskapazität von Pellets (=was produziert werden kann) übersteigt die Produktionsmenge; und die Produktion übersteigt den Verbrauch. Wir haben also viel zu viele Pellets, und keiner braucht sie.
  • ÖNORM – Maßeinheiten für Brennholz -Festmeter (fm) = 1m³ feste Holzmasse -Raummeter (rm) = 1m³ geschichtete Holzteile inklusive Luftzwischenräume -Schüttraummeter (Srm) = 1rm geschütteter Holzteile (Hackgut,…), also 1m³ geschütteter Holzteile inklusive Luftzwischenräume -Atro-Tonne (atro-t) = 1 t absolut trockenes Holz1 fm Rundholz =1,4 rm Schichtholz = 2,5 Srm Hackschnitzel fm * 1,4 = rm rm * 1,8 = Srm fm * 2,5 = Srm
  • Heizwert: = Wärmeenergie die bei vollständiger Verbrennung von 1kg Feststoff entsteht, wenn der entstandene Wasserdampf abgeführt wird = Heizwert der trockenen Masse – Verdampfungswärme des Wasseranteils (Kondensationswärme) -> Heizwert der Holzbestandteile: Harze/Wachse 38 MJ/kg TS Lignin 30 MJ/kg TS aber Hemizellulose und Cellulose nur 20 MJ/kg TS und machen bis zu 90% des Holzes aus -Darrdichte wirkt sich auf Heizwert aus: hohe Darrdichte -> hoher Heizwert niedrige Darrdichte -> niedriger Heizwert -> Baumarten Heizwerte nach Gewicht: Tanne – Kiefer – Fichte – Birke-> Baumarten Heizwerte nach kg/fm oder kg/rm: Buche hat höheren Heizwert als Fichte -> Heizwertvergleich: 1l Öl = 2,5 kg Holz höchster Heizwert bei Flüssiggas (Propan) -> Heizöläquivalente: 1000 l Heizöl =5-6 rm Laubholz (Hartholz) =7-8 rm Nadelholz (Weichholz) =10-15 Srm Hackgut
  • Brennwert: = Wärmeenergie die bei vollständiger Verbrennung von 1kg Feststoff entsteht, inklusive der freiwerdenden Energie wenn der Wasserdampf kondensiert wird
  • Darrdichte: = Rohdichte von absolut trockenem Holz -Hartholz: Darrdichte >55g/cm³ (Laubholz)-Weichholz: Darrdichte <55g/cm³ (Nadelholz)
  • Übernahmearten o Nach Volumen: + einfache Bestimmung, keine Zusatzkosten + Abrechnung von verschiedenen Lieferanten und Teilmengen möglich - Unsicherheit über Energieinhalt - Konflikte wegen unterschiedlicher Lieferqualitäten - fehlender Anreiz zur Optimierung des Energieinhaltso Nach Gewicht und Wassergehalt: + unabhängig von Holzart und Schüttdichte + genauer Energieinhalt + wenig Konflikte wegen Abrechnung + Motivation zur Optimierung des Energieinhalts - Messung von Gewicht und Wassergehalt - Trockengewicht errechnen - Zeit- und Kostenaufwand hocho Nach erzeugter Wärmemenge: + unabhängig von Holzart, Schüttdichte und Wassergehalt + kostengünstig - abhängig vom Jahresnutzungsgrad der Anlage - abschätzen vom Jahresnutzungsgrad - Abrechnung bei verschiedenen Lieferanten fast unmöglich
  • Atro-Übernahme und praktische Durchführung der Holzübernahme o Atro-Übernahme: 1) Wiegen von Transporter + Ladung 2) repräsentative Entnahme von Proben 3) Schutz der Stichproben vor Witterung und Austrocknung 4) eventuell Probemenge reduzieren 5) Analyseprobe 6) Ermittlung Wassergehalt 7) leeren Transporter wiegen 8) Holzmasse bei Lieferung berechnen 9) Energiemenge der Lieferung berechneno Praktische Durchführung von Energieholzübernahme: Rundholz: Anschneiden von Stämmen Hackschnitzel: Proben entnehmen -> Wassergehalt mit Darrschrankmethode bestimmen -> wichtig bei Gewichtsübernahme: korrekte Probenentnahme, richtige Durchmischung und Reduktion der Proben, Manipulation und Kennzeichnung der Proben, Kontrolle/ Eichung/ Wartung der verwendeten Geräte
  • Lagedichten von Holzarten Jungwuchspflege -> 0,1 m³/rm Äste und Schlagabraum -> 0,1 m³/rm Durchforstungsbäume -> 0,25 m³/rm Hackschnitzel -> 0,4 m³/rm Rundholzsortiment -> 0,7 m³/rm
  • Transportkosten: o (billig –> teuer:) Hackgut – Rundholz – Bäume aus Durchforstung – Schlagrücklasso (billig –> teuer:) Direkt Hacken – Selbstbeladung – Bündel o mehr Einsparung von Kosten je höhere Auslastung und höher ausgelastet je niedrigerer Wassergehalto 3. Foliensatz -> Folie 99?
  • Schlagrücklassnutzung: Nadeln und Schaftholz ohne Rinde -> hoher Nährstoffgehalt (36%) Rinde und Astholz mit Rinde -> niedriger Nährstoffgehalt (~15%) -> Biomassegehalt bei Schaftholz ohne Rinde sehr hoch!Bündeln von Schlagrücklass: 1) Im Bestand: Fällen/Aufarbeiten (Harvester/Motorsäge) 2) zwischen Bestand und Forststraße: Rücken (Seilgerät mit Prozessor/Forwarder) 3) auf der Forststraße: Industrieholz/Sägerundholz oder Energieholz bündeln und lagern 4) zwischen Forststraße und Werk: Energieholz transportieren 5) im Werk: Hacken von EnergieholzBündeln von Schlagabraum: Skandinavien schneidet wirtschaftlich viel besser ab als Österreich; sie machen es mit Forwarder, wir mit LKW
  • Maschinen zur Holzzerkleinerung: o Hacker -Trommelhacker-Scheibenhacker -Schneckehacker -> Eigenschaften: homogenes Ausgangsmaterialfür Rundholz, Astmaterial, Wipfelholz, ganze Bäume hohe Produktivität bei Rundholz und Bündelo Schredder -> Eigenschaften: inhomogenes Ausgangsmaterial, hoher Fremdstoffanteil für Recyclingholz, Schlagabraum, Wurzelstöcke, Splitterholz, Palette, Abbruchholz
  • Technik der Energieumwandlung: Technik der Energieumwandlung: Joule [J] = Energie, Speichergröße 1 J = 1Ws = 1Nm  (Newton*Meter)3,6 kJ = 1Wh Watt [W] = Leistung, Energieumsatz pro Zeiteinheit P = W / t [P=Leistung]1 W = 1 J/s = 1Nm/s -> Deka, Hekto, Kilo, Mega, Giga, Tera, Peta, Exa
  • Weitere EH für Energie: cal kcal = Wärmeeinheit SKE = Steinkohleneinheit = Energieinhalt von 1kg Steinkohle = 8,1 kWh tÖE = tonne Öleinheit = Energieinhalt von 1 t Öl = 11,6 MWh BTU = British Thermal Unit
  • Von der Sonne abgeleitete Energieformen: -Wasserkraft -Windkraft -Biomasse (=gespeicherte Sonnenenergie) Def.: lebende und abgestorbene Zoo- und Phytomasse inklusive ihren natürlichen Rückständen; und Umwandlungsprodukte und Abfälle technischer Verwertung von nicht fossilem, organischen Material; Abgrenzung zu fossile bildet der Torf (= fossiles Sekundärprodukt der Verrottung) -fossile Energieträger (=gespeicherte, mineralisierte Biomasse)
  • Energietechnik: = technische Umwandlung und Speicherung von Energie mit Ziel Nutzenergie -> historisch: Feuer, Nutztiere, Wasserkraft, Windkraft, Geothermie -> heute: Nutzenergie bereitstellen Primärenergie –> Sekundärenergie –> Endenergie –> Nutzenergie
  • Wirtschaftswachstum - Auswirkungen auf Energieverbrauch? Wirtschaftswachstum = Energieverbrauchanstieg; meist verbraucht werden Öl, Kohle und Gas; 2009-2035: 30% Anstieg im Verbrauch fossiler Energie -> steigende CO2 Emissionen -> beschleunigter Treibhauseffekt; Temperaturanstieg vom Mensch verursacht, weil steigend mit steigender CO2 Konzentration
  •  Status Energieversorgung und Klimawandel: -stark fossil abhängig -starker Anstieg im Verbrauch prognostiziert -Nutzung erneuerbarer wächst, aber Anteil am Gesamtaufkommen stagniert -Treibhausgase werden steigen -Klimawandel schreitet voran und ist durch Menschen verursacht -Folgen von +2° schwer abschätzbar -Maßnahmen greifen kaum
  • Kaya Formel: CO2 Ausstoß ist abhängig von: -Anzahl der Menschen -BIP pro Kopf -Energieintensität der Wirtschaft -CO2-Intensität der Energie -> Entkopplung Wohlstand und Energiebedarf (Effizienzsteigerung) -> Entkopplung Energie von CO2 (Erneuerbare)-> einzige Lösung = Effizienzsteigerung und Erneuerbare
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  • Nutzungspotential von Energiequellen: o Theoretisches Potential (physikalisches Angebot)o Technisches Potential (derzeit technisch nutzbar)o Wirtschaftliches Potential (unter Ausschöpfung aller wirtschaftlich konkurrenzfähigen Maßnahmen)o Erwartungspotential (tatsächlich zu erwartend, meist kleiner als wirtschaftliches aber kann bei Subventionen auch größer sein)o Visionäres Potential (Frage des Zeithorizonts)o Ökologisches Potential (ökologisch verträglicher Anteil)
  • Verfügbarkeiten Erneuerbarer: größte Potentiale in Südamerika, Afrika und Asien meiste Nutzung in Asien (danach Afrika) meiste Energie in Asien (danach Europa und Nordamerika)
  • Nutzung der erneuerbaren Energie weltweit derzeit 50% des nachhaltigen Potentials genutztOft schlechte Effizienz und hohe Emissionen 20% des derzeitigen Primärenergieverbrauchs -> Ziel = Effizienz in Kombination mit erneuerbaren Energien -> derzeit KEINE Alternative zur Begrenzung des Pro-Kopf-Energieverbrauchs
  • Klimarelevanz der Biomassenutzung: Land- und Forstwirtschaft kann 25-50 Energieeinheiten Biomasse pro aufgewendeter EH fossiler Energie erzeugen-> Energieerzeugung aus Biomasse produziert 10-20x weniger CO2 als Kraftwerke mit fossilen Brennstoffen-> Emissionen bei Verbrennung fossiler Energieträger: Erdgas 58 kg CO2/GJ Öl 75 kg CO2/GJ Kohle 95 kg CO2/GJ -> Fazit: Biogene Brennstoffe von extensiv genutzten Flächen bzw. landwirtschaftliche Nebenprodukte sind, in Bezug auf die bei der Verbrennung im Schornstein gemessenen CO2- Emissionen, tatsächlich als CO2‐neutral im Vergleich zu fossilen Brennstoffen einzustufen.
  • Faktoren der Biomassenutzung: + Importabhängigkeit reduziert + Transportwege verkürzt + Wertschöpfung in Region - regionale ökologische Auswirkungen - Konkurrenz zur Nahrungsmittelproduktion und auch Papier-/Zellstoff-/Sägeindustrie -> Abwanderungsdrohung der Industrien bei Preisanstieg der Rohstoffe Ziel: effizientes Nebeneinander mit Priorisierung (Nahrung -> Futter -> stofflich -> energetisch) -> Nebenprodukte fallen in allen Phasen der Biomassenutzung an -> energetisch nutzbar -> geschlossener Kreislauf mit dem Ziel einer nachhaltigen Bodennutzung (nachhaltige kaskadische Biomassenutzung)
  • Biomasse als Brennstoff: besteht aus Cellulose, Hemicellulose, Lignin, Harze/Fette, Protein, Asche
  • Brennstofftechnische Charakterisierung o Immediatanalyse: -freies Wasser (W) -flüchtige Bestandteile (VM) -fester Kohlenstoff (FC) -Asche (A) W + VM + FC + A = 100% Gewicht VM + FC = organische Trockensubstanz VM + FC + A = Trockensubstanz (TS)o Elementaranalyse: -freies Wasser -Asche -C, H, O, N, S, Cl A + Elementanteile = 100% Gewichto Holz – typische Eigenschaften: -Wassergehalt: erntefrisch 40% lufttrocken 20%-Anteil Flüchtige: ca 20%-Elementgehalt: C 50%, O 43%, H 6%
  • Energieinhalt Biomasse: o Brennwert = um die Kondensationswärme des gebildeten H2O höher als Heizwert -> Bestimmung mit Kalorimetero Heizwert = bei vollständiger Verbrennung ist HW die zu den gasförmigen Produkten CO2, H2O, SO2, N2 freigesetzte Energie bezogen auf Brennstoffmenge -> Bestimmung bei feuchten Brennstoffen durch Formel(zB. Wasserstoff 120 MJ/kg, Erdgas 50, Steinkohle 30, Holz waldfrisch 18, Holz lufttrocken 14)-> für Brennstoffe die kein Wasser enthalten sind Heizwert und Brennwert gleich
  • Energiebegriff: 1 kWh = 3600 kJ = 860 kcalo Brennstoffenergieo Wärmeinhalto Potentielle Energieo Kinetische Energie
  • Biomass conversion o Biologisch: Biogas, Bio-Ethanol aus: zucker-/stärkehaltige Pflanzen, Ölsaaten, Gülle, Biomüllo Thermisch: Verbrennung -> Hitze, Abgas Vergasung -> Synthesegas, Produktgas Pyrolyse -> Gas, Öl, Kohle (auch: Torrefizierung und hydrothermale Karbonisierung -> Qualitätssteigerung fester Energieträger) aus: Holz, Rinde, Schwarzlauge, Altholz, Hausmüllo Thermisch oder biologisch: Stroh, Klärschlamm, tierische Nebenprodukte-> Entscheidung durch: Zucker/Stärke-Anteil Wasser-Anteil Ascheanteilo Nicht-thermisch: Umesterung -> Ölpflanzen, Altspeiseöl Ethanolgärung -> zucker- und stärkehaltigeanaerobe Fermentation -> zucker- und stärkehaltige organische-> Herausforderungen bei energetischer Nutzung:- Bei biologisch: schlechter Umsatz von Lignocellulose -> Aufschlussverfahren (thermisch, enzymatisch, Pilze)- Bei Verbrennung:niedrige Aschschmelztemperaturen Korrosionsprobleme bei LW Biomasse -> Ausweichen auf Niedertemperaturverfahren (Pyrolyse)
  • Thermische Verfahren: Verbrennung o Industriell für Feststoffe: -Festbettfeuerung (Rostfeuerung oder Unterschubfeuerung) -Wirbelschichtfeuerung (zirkulierend oder stationär) -Stabfeuerung (pneumatisch) -> dimensionsloser Druckverlust (= Druckverlustbeiwert) und dimensionslose Geschwindigkeit der Reihe nach steigend!1) Trocknung (Wasser verdampft, 50-150°)2) Entgasung/Pyrolyse (flüchtige Bestandteile entweichen -> helle Flamme, 150-600°)3) Heterogene Kohlenstoffoxidation (fester C von O in Luft oxidiert -> CO2)
  • Luftstufung bei Verbrennung = gestufte Luftzufuhr- erlaubt kontrollierte Temperaturführung (Temperaturspitzen vermeiden, flexibel bei Heizwertschwankungen)- Luftzahl < 1 erlaubt Kontrolle der Abbrandgeschwindigkeit unabhängig von der Abgasqualität- Abgasrezirkulation zur verbesserten Kontrolle der TemperaturführungLuftzahl = (tatsächliche Luftzufuhr) / (zur vollständigen Oxidation stöchiometrisch notwendige Luftzufuhr)
  • Wirbelschichtfeuerung Lockerungspunkt = minimale Fluidisierung Prinzip der Fluidisierung = Fluidisieren ist eine spezielle Anwendung der modernen Wirbelschichttechnik, zur Behandlung von Schüttgütern kleiner Teilchengröße. Ziel dieses verfahrenstechnischen Prinzips ist es, staubförmige Schüttguter mit mittleren Korndurchmessern zwischen 10 bis 200 μm durch Einblasen von Luft aufzulockern, zu durchmischen und problemlos auszutragen, also flüssigkeitsähnlicher Zustand. Wirbelschichtfeuerung – stationäre Wirbelschicht:- moderne stationäre WSF- unterstöchiometrisches Wirbelbett - gestufte Luftzufuhr - Grobascheabzug -> größter CFB (circulating fluidized bed) Boiler in Polen mit 460 MW Vergleich Rost- und Wirbelschichtfeuerung: (Festbett vs. WSF) - konkurrieren im Bereich 10 MWth-50 MWth [Megawatt Thermal]- Rostfeuerung ist billiger, für einfache Brennstoffe bevorzugt - Erhöhter Hilfsenergiebedarf für Fluidisierungsgebläse bei WS - WS ermöglicht homogenen, vollständigen Ausbrand für schwierige Brennstoffe und ermöglicht Entschwefelung mit CaCO3 - zirkulierende WS für 50 MWth bis 600 MWth Flugstromfeuerung: - für pneumatisch förderbare Brennstoffe - gestufte Luftzufuhr und Rauchgasrezirkulation zur Kontrolle der Temperaturführung

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