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2024 | Buch

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Energie aus Biomasse

Ressourcen und Bereitstellung

herausgegeben von: Martin Kaltschmitt, Karl Stampfer

Verlag: Springer Fachmedien Wiesbaden

Buchreihe : Energie aus Biomasse

Enthalten in: Springer Professional "Wirtschaft+Technik" , Springer Professional "Technik" , Springer Professional "Wirtschaft"

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Über dieses Buch

Dieser hier vorliegende erste Band des dreiteiligen Standardwerks zur Energiegewinnung aus Biomasse widmet sich der Biomassebereitstellung frei Konversionsanlage. Damit beinhaltet dieser Band die Grundlagen der Photosynthese und eine systematische Darstellung der potenziell energetisch nutzbaren biogenen Ressourcen aus der Forst- und Landwirtschaft; auch werden Rückstände, Nebenprodukte und Abfälle adressiert. Daran schließen sich die nächsten Schritte in den Versorgungs-/Bereitstellungsketten an (Biomasseproduktion, Ernte und mechanische Aufbereitung, Transport, Trocknung, Lagerung), die mit dem aktuellen Stand der Technik dargestellt werden. Final wird noch auf Algen als einer weiteren Biomasseressource eingegangen.

Die sich anschließenden Prozessschritte der bio-chemischen, der physikalisch-chemischen und der thermo-chemischen Konversion sind in weiteren zwei Bänden der Reihe „Energie aus Biomasse“ beschrieben.

Die drei Bücher dieser Reihe bieten einen umfassenden Überblick der biologischen, physikalischen und chemischen Grundlagen einer Energiegewinnung aus Biomasse. Auch stellen sie den aktuellen Stand der jeweiligen Anlagentechnik bzw. der entsprechenden Konversionsverfahren dar. Den Herausgebern ist es gelungen, unter Mitarbeit einer Vielzahl kompetenter Fachleute aus dem deutschsprachigen Raum ein umfassendes Werk mit allen wesentlichen Möglichkeiten einer Energiegewinnung aus organischen Stoffen zu erarbeiten.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

1. Einleitung und Zielsetzung

Zusammenfassung

Dieses Kapitel gibt zunächst einen Überblick über die Biomasse als Energieträger und definiert hier wesentliche Grundbegriffe. Anschließend wird die heutige und zukünftige Rolle der Biomasse / der Bioenergie im globalen und europäischen Energiesystem diskutiert; dies inkludiert auch eine Analyse der vorhandenen Biomassepotenziale. Final wird dann der Aufbau der Buchreihe adressiert und die unterschiedlichen Buchteile / Kapitel entsprechend abgegrenzt.

Hans Hartmann, Hermann Hofbauer, Martin Kaltschmitt, Jana Schultz, Theresa Siegmund, Karl Stampfer, Daniela Thrän

2. Biomasseentstehung

Zusammenfassung

Die lebende und die tote Biomasse stehen über die Destruenten (Bakterien, Archaeen, Pilze und Protozoen) in einer engen Wechselbeziehung, die sich im Wesentlichen in den beiden Stoffkreisläufen des Kohlenstoffs (C), Stickstoffs (N) sowie anderer Pflanzennährstoffe niederschlägt. Diese Kreisläufe werden durch die Photosynthese angetrieben, die mithilfe der Energie des Sonnenlichts chemische Energie bereitstellt. Dabei werden im Stoffwechsel der Pflanzen aus energiearmen Verbindungen (u. a. Wasser (H₂O), Kohlenstoffdioxid (CO₂), anorganische Pflanzennährstoffe) Biomasse bzw. langkettige organische Verbindungen aufgebaut. Diesen biochemischen Prozess nennt man Primärproduktion. Diese primäre Biomasse wird dann von heterotrophen Organismen als Kohlenstoff(C)-Quelle für ihr Wachstum und zur Deckung ihres Energiebedarfs benutzt; die dabei produzierte Biomasse wird unter dem Begriff der Sekundärproduktion zusammengefasst. Die entsprechenden Grundlagen darzustellen und zu diskutieren ist das Ziel dieses Kapitels.

Iris Lewandowski, Christian Wilhelm, Christian Zörb

3. Forstwirtschaftlich produzierte Biomasse

Zusammenfassung

Ziel dieses Kapitels ist eine Darstellung der Möglichkeiten und der Grenzen der Ressource Holz. Dazu wird u. a. auf die forstwirtschaftlichen Grundlagen eingegangen. Auch werden Aspekte der Waldbewirtschaftung und der Holzproduktion adressiert. Weiterhin werden wesentliche heimische Baumarten vorgestellt. Damit gibt dieses Kapitel einen umfassenden Überblick über die forstwirtschaftlich produzierte Biomasse.

Michael Köhl, Thomas Knoke

4. Landwirtschaftlich produzierte Biomasse

Zusammenfassung

Landwirtschaftlich produzierte Biomasse wird entweder durch den Anbau von Energiepflanzen oder als Rückstand, Nebenprodukt sowie als Abfall aus der Weiterverarbeitung für den Energiemarkt bereitgestellt. In diesem Kapitel geht es um den Anbau von Energiepflanzen. Dabei werden erst die Grundlagen, Voraussetzungen und Grenzen der landwirtschaftlichen Produktion von Biomasse erläutert und dann für den Anbau in Mitteleuropa relevante Energiepflanzen und deren Anbauverfahren und Nutzungsmöglichkeiten beschrieben.

Entsprechend ihren Inhaltsstoffen bzw. ihrer Zusammensetzung und den daraus resultierenden energetischen Nutzungsmöglichkeiten können Energiepflanzen unterteilt werden in Lignocellulose-Pflanzen, die beispielsweise als Ganzpflanzen zur Festbrennstoffbereitstellung (z. B. Pellets, Hackgut) dienen können, sowie in Öl-, Zucker- und Stärkepflanzen; hier werden bestimmte Inhaltsstoffe (d. h. Öl, Zucker, Stärke) genutzt, die von der Pflanze meist in speziellen Ertragsorganen wie Körnern oder Knollen akkumuliert werden und aus denen nach der technischen Gewinnung bestimmte Bioenergieträger (z. B. Bioethanol aus Getreidekörnern) erzeugt werden können.

Iris Lewandowski

5. Nebenprodukte, Rückstände und Abfälle

Zusammenfassung

Unter Rückständen, Nebenprodukten und Abfällen werden hier Stoffe bzw. Stoffströme organischer Herkunft (d. h. Biomasse) verstanden, die bei der Herstellung eines bestimmten (Haupt-)Produktes (meist produziert mit dem Ziel der stofflichen Nutzung primär für den Nahrungs- und / oder Futtermittelsektor bzw. zur stofflichen Nutzung beispielsweise in der Papier- oder Möbelindustrie) aus organischen, nachwachsenden Rohstoffen anfallen und aufgrund grundsätzlicher Überlegungen zur Bioenergiebereitstellung nutzbar sind. Ausgehend davon ist es das Ziel dieses Kapitels, einen Überblick über derartige organische Stoffströme zu geben. Dies inkludiert entsprechende holzartige Rückstands-, Nebenprodukts- und Abfallstoffströme (z. B. Altholz), potenziell verfügbare halmgut- und krautartige Stoffe aus der landwirtschaftlichen Primärproduktion und den entsprechenden nachgelagerten Weiterverarbeitungsprozessen bzw. Industrien sowie sonstige Biomassen, die dieser Stoffstromkategorie zuzuordnen sind; unter letzterer Kategorie werden hier u. a. Exkremente aus der Nutztierhaltung, organische Siedlungsabfälle und organisch belastete Abwässer (einschließlich Klärschlamm) verstanden.

Daniela Thrän, Martin Kaltschmitt, Theresa Siegmund, Tom Karras

6. Bereitstellungskonzepte

Zusammenfassung

Die Biomassebereitstellung ist der Abschnitt im „Lebensweg“ der Biomasse, durch den sichergestellt wird, dass diese zur richtigen Zeit mit der geforderten Qualität und Quantität am Ort der jeweiligen Konversionsanlage (z. B. Feuerungsanlage für Hackschnitzel, Biogasanlage für Exkremente, Ethanol-Produktionsanlage für Getreide) verfügbar ist. Neben dem Begriff der Biomassebereitstellung wird dafür vielfach auch – in Anlehnung an andere Bereiche unserer Volkswirtschaft – der Begriff der Biomasselogistik verwendet.

Ziel des folgenden Kapitels ist es, die Grundlagen und Anforderungen an die Biomassebereitstellung darzustellen und ausgehend davon zu diskutieren, wie unterschiedliche Bereitstellungsketten für Holz und für Halmgüter / agrarisch produzierte Biomasse konzipiert werden können. Final wird noch das Thema der Nachhaltigkeitszertifizierung adressiert, da dies insbesondere für bestimmte Biomassen als Ausgangsmaterial für bestimmte Bioenergieträger immer mehr an Bedeutung gewinnt.

Hans Hartmann, Thomas Hoffmann, Martin Kaltschmitt, David Moosmann, Karl Stampfer, Daniela Thrän

7. Ernteprozesse

Zusammenfassung

Der auf die Anbauphase folgende Prozessschritt der Ernte beinhaltet sämtliche Maßnahmen, durch welche die aufgewachsene Biomasse am Wuchsort (z. B. Wald, Kurzumtriebsplantage, Feld) technisch verfügbar gemacht und bereits teilweise mechanisch umgeformt und / oder vorkonditioniert wird. Dies umfasst die Prozesse Umschneiden / Fällen, Aufarbeiten und Bergen/Rücken sowie ggf. Zerkleinern. Es wird dabei vor allem auf solche Techniken und Verfahren eingegangen, die für eine Biomasseernte mit dem Ziel der energetischen Nutzung typisch sind; als geerntete Ressource werden primär holzartige und halmgutartige Biomassen sowie zucker-, stärke- und ölhaltige Pflanzen adressiert.

Hans Hartmann, Thomas Hoffmann, Martin Kaltschmitt, Karl Stampfer

8. Mechanische Aufbereitungsprozesse

Zusammenfassung

Die mechanische Aufbereitung der geernteten Biomasse hat das Ziel, die physikalisch-mechanischen Merkmale der biogenen Rohmaterialien an die Anforderungen des jeweiligen Konversionsverfahrens bzw. der entsprechenden Umwandlungstechnik anzupassen. Alternativ oder zusätzlich soll dadurch auch die Bereitstellungskette möglichst einfach gestaltet bzw. sollen die Bereitstellungskosten insgesamt minimiert werden. In den meisten Fällen kommt es durch eine derartige mechanische Aufbereitung zu einer Beeinflussung / Veränderung der physikalisch-mechanischen Eigenschaften der Biomasse bzw. der biogenen Festbrennstoffe (u. a. Abmessungen, Dichte, Korngrößenverteilung, Feinanteil). Durch mechanische Sortier- und / oder Trennverfahren kann es zusätzlich zu einer Veränderung der chemischen Eigenschaften einzelner Fraktionen kommen. Außerdem führen die unterschiedlichen Prozesse meist zu einer Vermischung und damit auch zu einer Homogenisierung der chemischen Eigenschaften.

Die entsprechenden Grundlagen, Verfahren, Prozessen und Konzepte, durch die eine mechanische Aufbereitung der Biomasse realisiert werden kann, werden deshalb in diesem Kapitel umfassend adressiert. Dies gilt primär für die Zerkleinerung insbesondere fester Lignocellulose-Biomasse, die Trennung von entsprechenden Stoffgemischen (z. B. Abtrennung von Steinen), die Waschung zur Veränderung der chemisch-stofflichen Zusammensetzung und die Kompaktierung (d. h. Pelletierung, Brikettierung).

Roman Adam, Martin Englisch, Hans Hartmann, Hermann Hofbauer, Martin Kaltschmitt, Volker Lenz, Karl Stampfer

9. Transportprozesse

Zusammenfassung

Bei der Bereitstellung der Biomasse von der Produktionsfläche (z.B. Waldfläche, Ackerfläche, Anfallfläche) bis zur Endnutzung (z.B. Biogasanlage, Verbrennungsanlage) finden typischerweise mindestens ein, in den allermeisten Fällen jedoch mehrere Transportvorgänge mit jeweils unterschiedlichen Transportoptionen statt. Dabei handelt es sich um Transporte mit Fahrzeugen unterschiedlichster Art (z.B. land- und forstwirtschaftliche Maschinen, Lkw, Bahn, Schiff) auf der Anbaufläche bzw. im öffentlichen Raum (z.B. öffentliche Straßen, Schienenwege, Wasserstraßen) und / oder um automatische Förder- bzw. Austrags- und Transportprozesse am Anlagenstandort / an der Konversionsanlage / am Ort der Umwandlung. Typischerweise sind diese unterschiedlichen Transportprozesse so miteinander verschränkt und aufeinander abgestimmt, dass die Distanz zwischen dem Biomasse-Anfallort und der eigentlichen (finalen) Konversion kosteneffizient vor dem Hintergrund der jeweils gültigen (legalen, ökonomischen, ökologischen und technischen) Rahmenvorgaben überbrückt werden kann. Vor diesem Hintergrund beschreibt dieses Kapitel die verschiedenen Transportoptionen, mit denen Biomasse zum Ort der Nachfrage transportiert werden kann.

Karl Stampfer, Ferdinand Hönigsberger, Martin Kaltschmitt

10. Trocknungsprozesse für biogene Festbrennstoffe

Zusammenfassung

Biogene Festbrennstoffe wie Holz, Rinde, Gräser und Stroh haben von Natur aus einen bestimmten Gehalt an Wasser, der den Heizwert reduziert. Jede Form der Reduzierung des Wassergehaltes, sei es eine natürliche Trocknung im Freien oder eine technische Trocknung, erhöht den Heizwert und damit die Umwandlungseffizienz des Brennstoffs in einer Feuerungsanlage.

In diesem Kapitel werden daher die wesentlichen Grundlagen der Holz - Feuchtigkeitsbeziehungen sowie die Grundzüge der Abtrocknung von biogenem Material beschrieben. Die wichtigsten Methoden zur natürlichen und technischen Trocknung biogener Festbrennstoffe mit dem Schwerpunkt Holz werden vorgestellt (u. a. verschiedene Formen der Konvektionstrocknung wie Überström-, Fluidatbett-, Schwebegut- und Durchströmtrocknung); dies gilt auch in Verbindung mit Kontaktrocknungseinheiten. Zudem werden die einzelnen Trocknungsarten hinsichtlich ihres Energiebedarfs analysiert.

Hans Hartmann, Jörg B. Ressel, Klaus Richter, Alfred Teischinger

11. Lagerungsprozesse

Zusammenfassung

Die Lagerung der Biomasse ist ein wesentlicher und – aufgrund des saisonalen Anfalls der Biomasse im Jahresverlauf – unverzichtbarer Bestandteil nahezu jeder Bereitstellungskette. Deshalb wird dieses Thema in diesem Kapitel zunächst für biogene Festbrennstoffe vertieft. Neben den bei der Lagerung von fester Lignocellulose ablaufenden biologischen Vorgängen (u. a. Selbsterhitzung, mikrobielles Wachstum) und deren Abhängigkeit von unterschiedlichen Brennstoffparametern wird auf zahlreiche Lagerrisiken (u. a. Substanzverluste, Selbstentzündung, Gesundheitsrisiko durch Bioaerosole und Holzstaub, Sickerwasserausträge) eingegangen. Soweit möglich, werden Ansätze zur Vermeidung dieser Risiken diskutiert und es werden praxisrelevante Lagertechniken im Detail erläutert. Anschließend wird die Lagerung von Biogassubstraten durch Silierung dargestellt. Neben den Grundlagen und Voraussetzungen wird auch hier auf unterschiedliche Silagetechniken und deren Anwendung eingegangen.

Christiane Dieckmann, Hans Hartmann, Thomas Hoffmann, Martin Kaltschmitt, Thomas Kirisits, Daniel Kuptz

12. Algenbiomasse

Zusammenfassung

Mikro- und Makroalgen sowie Cyanobakterien sind photosynthetisch aktive Biomasse, die in wässriger Umgebung wächst, und verglichen mit Landpflanzen effektiver bei der Nutzung der verfügbaren Sonnenenergie zur Synthese von organischem Material ist. Das Interesse an einer intensiveren Nutzung dieser Organismen ist groß, da sie zum Einen bei der Kultivierung nicht um die nutzbaren und nur begrenzt verfügbaren Agrarflächen konkurrieren und zum Anderen viele Einsatzmöglichkeiten beispielsweise als Energieträger, als Lebensmittel, in der Kosmetikindustrie und auch in der Pharmaindustrie bieten. Diese Biomasse gezielt zu züchten ist jedoch mit einigen Herausforderungen verbunden, da sie einerseits von äußeren Einflüssen wie Temperatur, Nährstoffgehalt und Lichtintensität stark beeinflusst wird und andererseits auch die Ernte bzw. Aufreinigung noch einige Hürden mit sich bringt. In diesem Kapitel werden biologische Grundlagen zur Algenproduktion sowie unterschiedliche Produktionssysteme vorgestellt und diskutiert.

Sinah Kammler, Dorina Strieth, Martin Kaltschmitt

Backmatter

Titel: Energie aus Biomasse
herausgegeben von: Martin Kaltschmitt
Karl Stampfer
Verlag: Springer Fachmedien Wiesbaden
Electronic ISBN: 978-3-658-40828-2
Print ISBN: 978-3-658-40827-5
DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-658-40828-2