Biomassevergasung - eine Chance für die Landwirtschaft?

Holz als Brennstoff

Im Zusammenhang mit der Bereitstellung erneuerbarer Energien wird vermehrt darüber berichtet, Biogas über entsprechende Techniken zu vergasen und das gewonnene Gas zur Energieerzeugung zu nutzen oder aber darauf aufbauend synthetische Treibstoffe, wie BTL ( Biomas To Lig, z. B. BTL Diesel), herzustellen. Die folgenden Ausführungen geben einen Überblick über den derzeitigen technischen Stand.

Biomassevergasung – eine Möglichkeit der regenerativen Energiebereitstellung?

Nachdem in den 80er Jahren in der deutschen Kraftwerkswirtschaft die SO2- und die NOx-Emissionen deutlich verringert wurden, steht seit Anfang der 90er Jahre die CO2-Emissionsminderung im Mittelpunkt der Forschung und Entwicklung in der Kraftwerkstechnik. Eine Möglichkeit, um zu dieser CO2-Minderung beizutragen, ist der verstärkte Einsatz von Biomasse bei der Stromerzeugung. Die Bundesregierung fördert mit den EEG verankerten hohen Einspeisevergütungen die energetische Nutzung von Biomasse sehr stark. Die Folge ist, dass zurzeit eine Vielzahl von Biomasse Verbrennungsanlagen entstehen. Die meisten von ihnen besitzen eine Leistung von fast 20 MW el, da sich diese Leistungsgröße unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten am besten darstellt. Alle gerade entstehenden Anlagen sind ausnahmslos Verbrennungsanlagen mit Rost- oder Wirbelschichtfeuerung, welche in einen konventionellen Dampfkraft-Prozess integriert sind. Bezüglich des Wirkungsgrades dieser für die Kraftwerkswirtschaft relativ kleinen Anlagen wurden in den vergangenen Jahren deutliche Verbesserungen erzielt. So wird für die Holzverbrennungsanlage in Altenstadt ein Bruttowirkungsgrad von 31,6 % und für die in Königs Wusterhausen gerade neu entstehende Holzverbrennungsanlage gar ein Bruttowirkungsgrad von 36,4 % angegeben.

Als Alternative zur konventionellen Verbrennung der Biomasse steht - wie auch bei den fossilen Brennstoffen - die Vergasung zur Verfügung. In den letzten 20 Jahren wurden mehrere Biomassevergasungsverfahren entwickelt und in Versuchsanlagen erprobt. Aufgrund unterschiedlicher Schwierigkeiten konnte bis heute jedoch keines der Verfahren zur Marktreife gebracht werden, so dass es gegen die konventionellen Biomasse-Verbrennungsanlagen konkurrieren könnte. Dabei liegen die Vorteile der Biomassevergasung eindeutig auf der Hand. Mit der Gewinnung eines Gases aus der Biomasse sind die Realisierung eines Kombiprozesses und damit das Erreichen höherer Wirkungsgrade möglich. Darüber hinaus gibt es auch noch die Möglichkeit, das Produkt für andere Zwecke wie z. B. die Methanolsynthese zu nutzen. Ein wesentliches Problem der Biomassevergasung ist, dass zurzeit aufgrund geringer Jahresbetriebsstunden bei den existierenden Anlagen das Vertrauen in die Zuverlässigkeit der Technologie fehlt. In der Regel handelt es sich um Versuchsanlagen, die nur kurz betrieben werden, um wissenschaftliche Erfahrungen zusammen. So fehlt bei den meisten Anlagen der Nachweis einer ausreichenden Verfügbarkeit über eine längere Betriebsdauer.

Grundlagen der Vergasung

Bei der Vergasung wird die Biomasse in ein Gas umgewandelt. An Hand des in Abbildung 1 abgebildeten Gleichstromvergasers sollen die ablaufenden Reaktionen kurz erläutert werden.

Biomassevergasung schematisch

Abbildung 1. Quelle: TU Hamburg-Harburg

Die Biomasse - in diesem Fall Holz - wird von oben in den Vergaser gegeben. Durch die Aufwärmung wird das im Brennstoff vorhandene Wasser verdampft (Trocknung). Bei der weiteren Aufheizung des Brennstoffes in der Pyrolysezone spalten sich aus dem Holz die flüchtigen Bestandteile ab. Es entsteht ein teerhaltiges Pyrolysegas und Kohlenstoff in Form von „Holzkohle“. Der Kohlenstoff und das Pyrolysegas oxidieren unter Wärmefreisetzung mit dem seitlich in die Oxidationszone eintretenden Sauerstoff bei Temperaturen bis zu 1 200 °C zu CO2. Das heiße CO2-haltige Gas strömt weiter nach unten. Da kein Sauerstoff zur weiteren Oxidation vorhanden ist, reagiert das CO2 in der Reduktionszone mit dem noch vorhandenen Kohlenstoff zu CO. Sowohl in der Oxidationszone als auch in der Reduktionszone reagiert vorhandener Wasserdampf unter Wärmeaufnahme mit dem Kohlenstoff zu Wasserstoff (H2) und Kohlenmonoxid (CO). Da bei diesen Reaktionen Wärme verbraucht wird, sinkt die Gasaustrittstemperatur auf circa 600 bis 800 °C ab. Die Vergasung liefert Wärme und ein Produktgas, das als Hauptkomponenten Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Wasserstoff, Methan sowie Stickstoff enthält. Als unerwünschte Nebenprodukte entstehen dabei auch langkettige Kohlenwasserstoffverbindungen (Teere). Die Zusammensetzung des Gases ist abhängig von der eingesetzten Biomasse und dem Vergasungsmittel sowie den Prozessparametern Temperatur, Reaktionszeit und Druck. Das aus der Vergasung gewonnene Gas wird gereinigt und lässt sich anschließend in einem Gasmotor oder in einer Gasturbine nutzen.

Teerproblematik

Um mit dem Produktgas Gasturbinen oder -motoren betreiben zu können, müssen die bei der Pyrolyse entstandenen Teere im Vergaser selbst oder in den dem Vergaser nachgeschalteten Aggregaten aus dem Produktgas entfernt werden. Dies kann durch Aufheizen des teerhaltigen Gases auf Temperaturen größer 1 000 °C innerhalb des Reaktors und/oder durch den Einsatz einer Gaswäsche, eines Katalysators oder eines Elektrofilters geschehen. Eine nachträgliche Abscheidung außerhalb des Vergasers ist jedoch apparativ und damit finanziell aufwändig.

Vergasungstechnik

Bei den Vergasungstechniken findet man analog zu den Verbrennungstechniken die Vergasung im Festbett, im Wirbelbett und im Flugstrom. Von den vielen unterschiedlichen technischen Ansätzen seien an dieser Stelle nur zwei exemplarisch herausgegriffen - das Carbo-V-Verfahren und eine Anlage in Güssing.

Bei den Carbo-V-Verfahren findet die Vergasung in zwei Stufen statt. Zunächst wird die Biomasse bei 500 °C in ihre flüchtigen und festen Bestandteile aufgespalten. Es entsteht ein teerhaltiges Gas und „Holzkohle“. Das Gas wird bei Temperaturen von mehr als 1 200 °C verbrannt, wobei die Teere in CO2 und H2 zerfallen. Mit dem heißen Rauchgas und der Holzkohle wird anschließend ein CO- und H2-haltiges, nahezu teerfreies Produktgas, erzeugt. Bevor dieses Produktgas dem Gasmotor zugeführt wird, werden in einer Reinigungsstufe die Staubanteile und die restlichen Teergehalte abgeschieden. Der Vergaser konnte in mehr als 5 000 Betriebsstunden seine Funktionalität unter Beweis stellen, die Betriebsdauer mit dem nachgeschalteten Gasmotor beträgt circa 500 Stunden. In einem nächsten Schritt soll das Produktgas zur Erzeugung von Methanol als regenerativem Kraftstoff genutzt werden.

In Güssing (Österreich) wurde Anfang 2002 einer allotherme Wirbelschicht-Verga-sungsanlage in Betrieb genommen. Die Biomasse wird in einer Wirbelschicht mit Dampf als Oxidationsmittel vergast. Zur Wärmebereitstellung für den Vergasungsprozess wird ein Teil der in der Wirbelschicht entstehenden Holzkohle in einer zweiten Wirbelschicht verbrannt. Durch die Vergasung unter Dampf wird ein relativ teerarmes Gas erzeugt. Die in dem Rohgas noch vorhandenen Teere werden mit Biodiesel ausgewaschen. Nach einer anschließenden Staubabscheidung kann das gesäuberte Gas zum Antrieb eines Motor-BHKW genutzt werden. Das verbrauchte Biodiesel wird in der zweiten Wirbelschicht mitverbrannt, so dass keine teerhaltigen Rückstände entsorgt werden müssen.

Neben diesen beiden Anlagen gibt es noch eine Reihe weiterer Anlagen mit Erfolg versprechenden Technologien. Bei vielen dieser Forschungs- oder Pilotanlagen konnte jedoch bislang noch kein längerfristiger, kontinuierlicher Betrieb des Vergasers gefahren werden. Dafür sind zwei Hauptgründe zu nennen: Die Problem verursachenden Komponenten sind oft die peripheren Anlagenteile und nicht so sehr der Vergaser selbst. So sind zum Beispiel immer wieder Probleme bei der Brennstoffzufuhr (Verstopfung von Fördereinrichtungen, Brückenbildung, Verkeilen von Schnecken), der Ascheabfuhr oder der Rohgas- Reinigungseinrichtung zu verzeichnen. Da es sich bei den Vergasungsanlagen meistens um Forschungsanlagen handelt, ist der Dauerbetrieb der Anlagen kostenintensiv. Daher werden die Anlagen nur zu Versuchszwecken gefahren. Doch gerade der Dauerbetrieb einer Vergasungsanlage ist zwingend notwendig, um die Zuverlässigkeit der Technologie nachzuweisen und Vertrauen in diese Technologien zu gewinnen.

Die Vergasungstechnik von Biomasse hat in den vergangenen Jahren Fortschritte gemacht. Gleich- und Gegenstrom-Festbettvergaser haben einen hohen Entwicklungsstand erreicht. Mit mehrstufigen Verfahren konnte die Gasreinheit verbessert werden. Für Anlagen mit großen Leistungen stehen Wirbelschicht-Vergaser zur Verfügung. Um die aktuellen Entwicklungen zu beurteilen und die aussichtsreichsten Verfahren zu bewerten, wird im Arbeitsbereich „Wärmekraftanlagen und Schiffsmaschinen“ der TUHH in Zusammenarbeit mit dem Institut für Verfahrenstechnik und Dampfkesselwesen der Universität Stuttgart ein Projekt durchgeführt, in dem zum einen die Einflussparameter der Teerbildung erforscht werden und zum anderen verschiedene Vergasungsanlagen insbesondere hinsichtlich der Betriebsstabilität und der Gasqualität verglichen und optimiert werden.

Kraftstoff aus Biomasse

Bei dem im Forschungszentrum Karlsruhe entwickelten zweistufigen Verfahren konzentriert man sich auf den häufigsten Biomassetyp, die Lignozellulose wie Holz oder Stroh. Aus diesen Biomassereststoffen können bis zu 10 % des Primärenergiebedarfs in Deutschland gedeckt werden. In dezentralen Anlagen wird zuerst die trockene und verkleinerte Lignozellulose durch Schnellpyrolyse (Zersetzung beim schnellen Erhitzen unter Luftausschluss) verflüssigt. Dabei entsteht ein pumpfähiger Rohteer-Koks-Slurry, ein Gemisch aus Pyrolyseöl und -koks, mit einer zehnmal höheren Energiedichte als die ursprüngliche Biomasse, der in Bahnkesselwagen zu einer zentralen Großanlage transportiert werden kann. In dieser Anlage wird dann in einem speziellen Flugstrom-Druckvergaser aus dem Slurry ein Synthesegas erzeugt, das nach einer Aufbereitung mit industriellen Verfahren in hochwertige Kraftstoffe und Chemikalien umgewandelt werden kann. Nach der erfolgreichen Verifizierung des Verfahrenskonzeptes rücken Aspekte wie technische Vereinfachung, Zuverlässigkeit und vor allem Wirtschaftlichkeit in den Vordergrund der Entwicklung. Mit zentralen Großanlagen lassen sich Kraftstoffe wirtschaftlicher herstellen als in vielen kleinen Anlagen und nur auf diesem Weg kann die Herstellung von Synthesekraftstoff aus Biomasse gegenüber versteuerten Kraftstoffen aus Erdöl konkurrenzfähig sein.

Alte Holzgastechnik

In die Holzvergasung werden große Hoffnungen gesetzt. Denn mit dieser Technik könnten auch im kleineren Stil Strom und Wärme aus Holz gewonnen werden. Fortschritte sind erkennbar. Tüftler und Anwendungspioniere lassen sich trotz der Probleme nicht davon abhalten, Arbeit und teilweise viel Geld in Anlagen zu investieren, um diese Technik voran zu bringen. Beispiele sind das „Rottaler Modell“ von Markus Dallinger, der einen 250 kW el-Holzvergaser des indischen Marktführers Ankur betreibt, für den er die Gasreinigung zurzeit noch verbessert. Aus 1,2 bis 1,3 kg Waldhackgut lassen sich auf diese Weise zwei Kilowattstunden Wärme und eine Kilowattstunde Strom erzeugen. Wenn die Rottaler Anlage serienreif ist, erhält der Holzvergasungspionier den Alleinvertrieb zumindest für den deutschen Sprachraum.

Die Stadt Waldmünchen in der Oberpfalz übernimmt seit einem halben Jahr mit einer Holzvergasungsanlage des Bergisch-Gladbacher Herstellers A.H.T. eine Pionierrolle. Sie heizt mit dem ehemals mit Erdgas betriebenen BKHW ihr Schwimmbad und speist den wärmegeführt erzeugten Strom nach EEG ein. Das BHKW hat eine elektrische Leistung von 300 kW, wird mit Erdgas angefahren und dann auf Holzgas mit 250 kW umgestellt. Zur Seite steht den Waldmünchenern bei der Betreuung der Anlage die Fachhochschule Amberg, die selbst einen Holzvergaser-Prototypen laufen hat.

Neue Holzgastechnik

Unter Leitung von Dr.-Ing. Jürgen Karl haben Forscher der Technischen Universität München im Rahmen eines EU-Projekts einen neuartigen Vergasertyp entwickelt, der sich besonders auch für Anlagen im kleineren Leistungsbereich eignet. Die wesentliche Innovation dieses „ Heatpipe-Reformer“-Konzeptes besteht darin, dass die Wärmezufuhr besonders einfach und kostengünstig über so genannte „Heatpipes“ (Wärmerohre) in einem kompakten allothermen Vergaser erfolgt. Das auf diese Weise gewonnene Gas kann in Gasmotoren oder kleinen Gasturbinen (Leistung unter 250 kW) zur Stromerzeugung eingesetzt werden. Es ist auch zur Stromgewinnung in Brennstoffzellen geeignet, und es kann ein flüssiger Energieträger, zum Beispiel Methanol, gewonnen werden. Aufgrund des Erfolges des BioHPR wird in einem weiteren EU-Projekt die direkte Umwandlung der chemischen Energie des im Reformer gewonnenen Gases in elektrische Energie mittels Hochtemperatur-Brennstoffzellen untersucht. Ob diese neue Technik, die ihre Bewährungsprobe in einen Prototyp bestanden hat, den Durchbruch zur praktischen Anwendung schafft, wird davon abhängen, ob sie in einer größeren Demonstrationsanlage weiter bis zur kommerziellen Einsatzreife entwickelt wird.

Die Heatpipe-Reformer Technologie bietet eventuell eine Lösung für die wirtschaftliche, dezentrale Erzeugung von Strom und Wärme aus Festbrennstoffen, also für die Kraft-Wärme-Kopplung im Leistungsbereich unter 1 MW FWL. Aufgrund steigender Ölpreise und sinkender Versorgungssicherheit mit Öl und Erdgas werden diese Märkte in den kommenden Jahren stetig wachsen. Entsprechend dem derzeitigen Entwicklungsstand sollen zunächst KWK-Anlagen im Leistungsbereich von 500 kW für Holzpellets und Holz-Hackschnitzel errichtet werden.

Weitere Informationen

  • Ludwig Holly (2006), Bayerisches Landwirtschaftliches Wochenblatt 1/2006
  • Forschungszentrum Karlsruhe (2003), Presseinformation 17/2003
  • Franz Schachinger, Franz Wittmann (2005), Bayerisches Landwirtschaftliches Wochenblatt 47/2005

Autor: Stefan Blome