Die energetische Nutzung naturbelassener fester Biomasse

Biomasseaschen fallen bei energetischer Nutzung naturbelassener, holz- oder halmgutartiger Brennstoffe in Biomassefeuerungen als mengenmäßig bedeutender Abfallstrom an. Um eine landwirtschaftliche Verwertung aufbereiteter Aschen zu prüfen, untersuchte das Thüringer Landesamt für Landwirtschaft und Ländlichen Raum (TLLLR) in zweijährigen Gefäßversuchen mit Mais und Sommergerste die Phosphor- und Kalium-Düngewirkung von sechs Biomasseaschen im Vergleich zum jeweiligen Mineraldünger. Eine mögliche Verwendung der Aschen zur Kalkung saurer Böden wurde in einem Neutralisationsversuch zusätzlich geprüft. Bei P-Düngung mittels Halmgutaschen lag der Biomasse-Relativertrag mit 80 % bis 100 % (Holzasche: 60–70 %) fast auf Mineraldüngerniveau. Die K-Düngewirkung aller Biomasseaschen war nahezu mit der Düngewirkung des Referenzproduktes vergleichbar. Holzaschen hemmten das Pflanzenwachstum vor allem im ersten Versuchsjahr. Eine Granulierung verbesserte in Einzelfällen die Düngewirkung, führte aber unter Umständen zu verzögerter Wirkung der Nährstoffe. Biomasseaschen, ins Besondere Rohaschen, eigneten sich prinzipiell zur Kalkung und demzufolge Neutralisation saurer Böden.

Die Energiewirtschaft der Zukunft benötigt für eine sichere, flexible und CO₂-neutrale Energieversorgung neben dem Netzausbau insbesondere Kapazitäten zur Speicherung von volatilen regenerativen Energien. Power-to-X-Systeme bieten als Sektorenkopplungstechnologien eine Lösung für die Speicherung und Nutzung in Strom-, Wärme- und gasbasierten Systemen. Sie können daher entscheidend zur Dekarbonisierung des Energie-, Chemie- und Mobilitätssektors beitragen.

Aufgrund der Dezentralisierung der Stromnetze und des zunehmenden Aufbaus von kommunalen Nahwärmenetzen auf Basis biogener Brennstoffe entsteht ein zunehmendes Interesse an den Möglichkeiten der Kraft-Wärme-Kopplung im Energiesektor. Die thermochemische Vergasung bietet hierbei großes Potenzial, unterliegt derzeit aber noch kurzen Wartungsintervallen und ist dadurch mit hohen Betriebskosten verbunden.

Im Rahmen der Forschungsarbeit werden die thermische Verwertung, sowie die nass- und thermochemischen Phosphorrückgewinnungsverfahren für phosphorreiche Reststoffe wie Klärschlamm, Tiermehl, Gärsubstrate und deren Aschen hinsichtlich verschiedener Optimierungsansätze untersucht. Dabei werden zunächst die nationalen Volumenströme für diese Reststoffe identifiziert und ihre stofflichen Zusammensetzungen analysiert. Um eine Aussage über mögliche Optimierungsansätze treffen zu können, werden die nass- und thermochemischen Verfahren näher. Der Fokus liegt dabei auf der Verfahrenstechnik, sowie den phosphathaltigen Endprodukten. Aus der Betrachtung ergeben sich dabei Optimierungsmöglichkeiten im Verbrennungsprozess, speziell bei der Additivzugabe und der Temperaturführung. Eine Verbesserung der phosphathaltigen Produkte kann weiterhin durch mechanische Aufbereitungsschritte erfolgen. Hierzu gehören die Dichtesortierung sowie die Nanofiltration. Eine Verbesserung der Pflanzenverfügbarkeit der P-Produkte ist ebenfalls ein möglicher Optimierungsansatz.

Zur Erntezeit hat Holz aus Kurzumtriebsplantagen (KUP) einen hohen Wassergehalt \((w)\) von 52 bis 58 % bezogen auf die Masse. (Achtung: \(w = \frac{Masse\;des\;Wassers}{{Masse\;des\;absolut\;trockenen\;Holzes}}*100 \left[ \% \right];\) Feuchtigkeit \((u) = \frac{Masse\;des\;Wassers}{{Masse\;des\;feuchten\;Holzes}}*100 \left[ \% \right]\); das bedeutet: \(w = 50 \% \overset{\wedge}{=}u = 100 \%\)). Darüber hinaus ist vieles andere Holz, das energetisch genutzt werden soll, zum Zeitpunkt der Ernte ähnlich feucht wie das aus KUPs. Daher ist ihre Verbrennung in kleinen Heizstationen oder die Vergasung in Festbettvergasern nicht zulässig. Die Lagerung solch feuchter fester Brennstoffe ohne vorherige Trocknung führt zu einem hohen Verlust an Masse und Qualität und verursacht ein finanzielles und energetisches Defizit. Vor diesem Hintergrund und der Tatsache, dass bei der Ernte von KUPs in sehr kurzer Zeit viel Holz anfällt, musste eine verfahrenstechnische Lösung gefunden werden. Eine günstige Lösung für dieses Problem ist das Trocknen der Hackschnitzel in Haufen durch Belüftung mit Umgebungsluft. Um dieses Thema wissenschaftlich zu untersuchen, wurden in Labortests die notwendigen Luftmengen, der Fortschritt des Trocknungsprozesses und die energetischen Anforderungen an die Belüftung ermittelt. Es hat sich gezeigt, dass der hohe Luftvolumenstrom, der zum Abführen des Wassers erforderlich ist, hohe Luftströmungsraten und folglich hohe Druckverluste verursacht. Um diese Verluste zu minimieren, ist es notwendig, dass die Hackschnitzel eine raue Struktur haben und max. 3 % Feinanteile <8 mm. Optional können die Späne von üblichen Häckslern oder Feldhäckslern vor dem Trocknen gesiebt werden. In Bezug auf Kosten und Verfahrenstechnik ist dies jedoch nicht lukrativ und bedeutet zusätzlichen Aufwand. Daher entwickelten Wissenschaftler der Technischen Universität Dresden einen zweistufigen Trommelhacker mit einer zweiten Schnittstufe jenseits der Haupthacktrommel. Diese Maschine produziert großflächige Hackschnitzel mit wenigen feinen Fraktionen, die mit geringem Energie- und Handhabungsaufwand problemlos getrocknet werden können und direkt in kleinen Heizstationen oder Festbettvergasern eingesetzt werden können. Trotz der etwas aufwendigeren Konstruktion ist das Gerät effektiver als herkömmliche Häcksler. Dies wurde erreicht, indem der Stromverbrauch des Hack- und Schneidprozesses minimiert und ein völlig neu entwickeltes hocheffizientes Wurfrad verwendet wurde. Dementsprechend kann bei gleicher Traktorleistung ein höherer Durchsatz erreicht werden.