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2001 | Buch

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Energie aus Biomasse

Grundlagen, Techniken und Verfahren

herausgegeben von: Priv.-Doz. Dr.-Ing. Martin Kaltschmitt, Dr. Hans Hartmann

Verlag: Springer Berlin Heidelberg

Enthalten in: Professional Book Archive

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Über dieses Buch

Dieses Standardwerk beschreibt umfassend und detailliert die biologischen, physikalischen, chemischen und technischen Grundlagen einer Energiegewinnung aus Biomasse. Es werden die Möglichkeiten der Bereitstellung von Nutz- bzw. Endenergie aus organischen Stoffen sachlich und mit Hilfe aussagekräftiger Abbildungen dargestellt. Die Autoren gehen konkret ein auf die unterschiedlichen Biomasseressourcen und ihre Verfügbarmachung sowie auf deren thermo-chemische, physikalisch-chemische sowie bio-chemische Umwandlung in Sekundärenergieträger bzw. in End- oder Nutzenergie.

> Die 2. Auflage wurde vollständig überarbeitet und teilweise neu strukturiert. Hinzu gekommen sind u.a. folgende Themen: die Bereitstellung flüssiger und gasförmiger Biokraftstoffe über die thermo-chemische Biomasseumwandlung, die Torrefizierung fester Biomassen, die Optionen zur Hydrierung von Pflanzenölen und die Technik der Einspeisung von Biogas in Erdgasnetze. Das Buch bietet einen soliden und umfassenden Überblick nach dem Stand der Technik und informiert über Trends und neuere Entwicklungen. Es ist den Herausgebern gelungen, unter Mitarbeit einer Vielzahl kompetenter Fachleute ein solides Werk "aus einem Guss" zu erarbeiten.

> Es ist geeignet für Studierende, Anlagenbetreiber, Berater, Wissenschaftler und interessierte Laien.

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Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

1. Einleitung und Zielsetzung

Zusammenfassung

Die auf der Erde nutzbaren Energieströme entspringen drei grundsätzlich unterschiedlichen primären Energiequellen. Dies sind die Gezeitenenergie, die Erdwärme und die Solarstrahlung. Dabei ist die von der Sonne eingestrahlte Energie mit Abstand die größte Quelle des regenerativen Energieangebots. Es folgen die Erdwärme, die im Vergleich dazu eine deutlich geringere flächenbezogene Energiedichte (z. B. die auf einen Quadratmeter Erdoberfläche bezogene Energiemenge im Jahresverlauf) hat, und die Gezeitenenergie, die die geringste Bedeutung hat.

Martin Kaltschmitt, Hans Hartmann

2. Biomasseentstehung

Zusammenfassung

Unter Biomasse im erweiterten Sinne wird jegliche Phyto- und Zoomasse verstanden (Kapitel 1.1), von der schätzungsweise 1,84·10¹² t Trockenmasse auf den Kontinenten existieren. Phyto- oder Pflanzenmasse wird zum größten Teil von Organismen gebildet, die ihre Energie durch Umwandlung der Sonnenenergie im Prozess der Photosynthese gewinnen. Demgegenüber wird die Zoomasse mit dem Energiegewinn aus dem Abbau anderer organischer Substanz gebildet. Das Ziel dieses Kapitels ist es vor diesem Hintergrund, die Prozesse und Einflussfaktoren bei der Entstehung von Pflanzenmasse darzustellen und zu diskutieren.

Martin Kaltschmitt, Hans Hartmann

3. Energiepflanzenproduktion

Zusammenfassung

Entsprechend ihrer energetischen Nutzungsmöglichkeiten werden Energiepflanzen unterteilt in Lignocellulosepflanzen, die als Ganzpflanzen der Festbrennstoffbereitstellung dienen, und in Öl- bzw. Zucker- und Stärkepflanzen, deren Einsatz als Energieträger erst nach der technischen Gewinnung des Öls bzw. Ethanols aus bestimmten Pflanzenkomponenten (meist speziellen Ertragsorganen wie Körnern oder Knollen) möglich ist. Im Folgenden werden wesentliche in Mitteleuropa anbaubare Pflanzen, die zu diesen drei Kategorien zählen, dargestellt. Dabei wird kurz auf die für die energetische Nutzung relevanten Eigenschaften eingegangen, und es werden die jeweiligen Standortansprüche, die entsprechenden pflanzenbaulichen Produktionsverfahren sowie das unter diesen Bedingungen gegebene Ertragspotenzial diskutiert. Auch erfolgt eine kurze Analyse ausgewählter Umweltaspekte, die mit der Produktion der jeweiligen Pflanze verbunden sind.

Martin Kaltschmitt, Hans Hartmann

4. Nebenprodukte, Rückstände und Abfälle

Zusammenfassung

Unter Rückständen und Nebenprodukten werden Stoffe organischer Herkunft verstanden, die bei der Herstellung eines bestimmten (Haupt-)Produktes aus landund/oder forstwirtschaftlichen Ausgangsmaterialien anfallen und als Energieträger nutzbar sind. Diese können grundsätzlich im Verlauf der gesamten Bereitstellungskette von der Produktion über die Bereitstellung und Nutzung organischen Materials, das für eine stoffliche Nutzung bestimmt ist, bis zur Entsorgung entstehen. Beispielsweise fällt bei der Stammholzproduktion als Nebenprodukt bzw. Rückstand u. a. Waldrestholz und bei der Weiterverarbeitung des Stammholzes beispielsweise zu Möbeln Industrierestholz an; derartige Sortimente werden bereits heute als Energieträger eingesetzt. Am Ende des Lebensweges des Holzes bleibt — ggf. nach einer entsprechenden stofflichen Aufarbeitung bestimmter Sortimente zu beispielsweise Span- oder Faserplatten und damit eines weiteren stofflichen Nutzungszyklus — Gebraucht- oder Altholz übrig, das als Energieträger genutzt oder — wenn es beispielsweise mit halogenorganischen Verbindungen belastet ist — als Abfall thermisch entsorgt werden kann.

Martin Kaltschmitt, Hans Hartmann

5. Bereitstellungskonzepte

Zusammenfassung

Die Bereitstellung ist der Abschnitt im „Lebensweg“ der Biomasse, durch den sichergestellt wird, dass diese zur richtigen Zeit am Ort der jeweiligen Konversionsanlage (z. B. Feuerungsanlage für Hackschnitzel, Biogasanlage für Exkremente, Ethanolanlage für Zuckerrüben) verfügbar ist. Je nach den jeweiligen technischen, ökonomischen und ökologischen Randbedingungen stehen eine Vielzahl unterschiedlicher Bereitstellungskonzepte zur Verfügung, von denen nachfolgend die wichtigsten dargestellt werden. Hierbei wird unterschieden zwischen Konzepten für holzartige (z. B. Holz aus Kurzumtriebsplantagen), halmgutartige (z. B. Stroh) und sonstige Biomassen (z. B. Exkremente, Rapssaat). Innerhalb des hier aufgespannten Rahmens lassen sich dann die in Kapitel 6 und 7 dargestellten Techniken und Verfahren einordnen.

Martin Kaltschmitt, Hans Hartmann

6. Ernte und Aufbereitung

Zusammenfassung

Mit dem Beginn der Ernte ist die erste Phase der Energiebereitstellungskette (d. h. Produktion) abgeschlossen. Es folgt nun die Bereitstellung, durch die die organische Masse am Standort der Konversionsanlage verfügbar gemacht wird. Während vor der Ernte hauptsächlich die durch die Pflanzenart vorgegebenen chemisch-stofflichen Biomassemerkmale ausgeprägt werden (Kapitel 8.2), findet im Verlauf der nun folgenden Bereitstellungsphase die Beeinflussung und Veränderung der physikalisch-mechanischen Brennstoffeigenschaften statt; das gilt vor allem bei den Festbrennstoffen.

Martin Kaltschmitt, Hans Hartmann

7. Transport, Lagerung, Konservierung und Trocknung

Zusammenfassung

Nach der Ernte bzw. Bergung muss das gewonnene Erntegut bzw. der Rohstoff am Standort der thermochemischen, physikalisch-chemischen oder biochemischen Umwandlungsanlage verfügbar gemacht werden. Das heißt, es muss die zwischen Biomasseanfall und -verwertung liegende zeitliche und räumliche Distanz möglichst effizient und verlustfrei überbrückt werden. Dazu sind entsprechende Transport-, Lagerungs-, Konservierungs- und Trocknungsprozesse erforderlich, die nachfolgend dargestellt und diskutiert werden. Diese Prozesse können — je nach den Randbedingungen vor Ort — in unterschiedlicher Reihenfolge aufeinander folgen. Zwischen ihnen kommt es an verschiedenen Stellen innerhalb der Bereitstellungskette zu Umschlagvorgängen, die als Bindeglied zwischen einzelnen Teilprozessen wirken können und daher im Folgenden in ihrem jeweiligen funktionalen Zusammenhang diskutiert werden.

Martin Kaltschmitt, Hans Hartmann

8. Grundlagen der Festbrennstoffnutzung

Zusammenfassung

Die Bereitstellung von End- bzw. Nutzenergie aus biogenen Festbrennstoffen erfolgt entweder direkt — durch Verbrennung — oder durch eine vorherige Umwandlung in entsprechende Sekundärenergieträger, wobei thermochemische, physikalisch-chemische oder biochemische Verfahren zum Einsatz kommen können. Im Folgenden werden die physikalischen und chemischen Grundlagen der direkten Verbrennung organischer (Fest-)Brennstoffe und der thermochemischen Umwandlungsverfahren dargestellt; ihnen liegen letztlich vergleichbare Mechanismen zugrunde. Zusätzlich werden die wesentlichen Brennstoffeigenschaften und Systemelemente, durch die diese Prozesse signifikant bestimmt bzw. beeinflusst werden, diskutiert. Zuvor werden jedoch die wesentlichen Begriffe definiert, die zum Verständnis der Ausführungen in den Kapiteln 8, 9, 10 und 11 notwendig sind.

Martin Kaltschmitt, Hans Hartmann

9. Direkte thermische Umwandlung (Verbrennung)

Zusammenfassung

Für biogene Festbrennstoffe (z. B. Holz, Stroh) hat die direkte Verbrennung in Feuerungen bis heute die weitaus größte Bedeutung unter den Energiewandlungsprozessen und -verfahren. Verbrennungsanlagen werden eingesetzt zur Produktion von Wärme, die genutzt werden kann als Sekundärenergie (z. B. Dampf, der dann weiter in elektrische Energie umgewandelt werden kann), als Endenergie (z. B. Fernwärme) oder als Nutzenergie (z. B. Strahlungswärme eines Kachelofens).

Martin Kaltschmitt, Hans Hartmann

10. Thermochemische Umwandlung

Zusammenfassung

Neben der klassischen Verbrennung, die in Kapitel 9 diskutiert wurde, kann feste Biomasse über eine thermochemische Umwandlung zunächst in einen Sekundärenergieträger umgewandelt werden, der bezüglich der Handhabung und der Konversionsmöglichkeiten in End- bzw. Nutzenergie einige entscheidende Vorteile aufweist. Dabei laufen grundsätzlich die gleichen Umwandlungsprozesse ab, wie sie auch bei der Verbrennung gegeben sind. Die einzelnen Stufen der thermochemischen Umwandlung werden jedoch — im Unterschied zu der Verbrennung — räumlich und zeitlich getrennt realisiert. Vor diesem Hintergrund ist es das Ziel der folgenden Ausführungen, zunächst die Vergasung und damit die Bereitstellung eines gasförmigen Energieträgers ausführlich darzustellen. Im anschließenden Kapitel 10.2 wird die Pyrolyse diskutiert, die das Ziel hat, einen flüssigen Energieträger — in Kuppelproduktion mit einem festen und einem gasförmigen Energieträger — bereitzustellen. Danach wird noch auf die Holzkohleproduktion und damit die Bereitstellung eines festen Energieträgers eingegangen (Kapitel 10.3).

Martin Kaltschmitt, Hans Hartmann

11. Nutzung von Biomasse mit fossilen Energieträgern

Zusammenfassung

Eine gemeinsame Nutzung von biogenen Festbrennstoffen und fossilen Energieträgern („Co-Utilisation“) ist zur Deckung vieler Versorgungsaufgaben — insbesondere zur Wärmeversorgung — derzeit üblich. So wird beispielsweise die Nahwärmeversorgung eines Wohngebietes auf Biomassebasis oftmals mit biogenen Festbrennstoffen in der Grundlast und mit leichtem Heizöl oder Erdgas in der Spitzenlast realisiert. Auch sind viele in der holzbe- und -verarbeitenden Industrie betriebene Feuerungsanlagen z. B. mit öl- oder gasbefeuerten Zünd- und Stützbrennern ausgerüstet, um u. a. auf wechselnde Leistungsanforderungen der betrieblichen Energienachfrage einfach reagieren zu können. Vor diesem Hintergrund werden im Folgenden zunächst die wesentlichen Konzepte einer gemeinsamen Nutzung von Biomasse mit fossilen Energieträgern diskutiert. Anschließend wird auf die grundlegenden Vor- und Nachteile einer derartigen gemeinsamen Nutzung von Biomasse und fossilen Energieträgern eingegangen.

Martin Kaltschmitt, Hans Hartmann

12. Produktion und Nutzung von Pflanzenölkraftstoffen

Zusammenfassung

In Mitteleuropa kommen hauptsächlich Raps und Sonnenblumen als Ölsaaten für die Produktion von Kraftstoffen auf Pflanzenölbasis in Frage (Kapitel 3). Raps beispielsweise enthält im lagerfähigen Zustand etwa 43 % Öl, 40 % Rohprotein und Extraktstoffe, 7 % Wasser, 5 % Rohfaser und 5 % Asche. Ziel der verschiedenen Ölgewinnungsverfahren ist es, den Ölanteil aus der Saat möglichst effizient abzutrennen, wobei unerwünschte Bestandteile aus dem Samenkorn nicht in das Öl überführt bzw. aus diesem entfernt werden sollen. Hierauf können bereits der Transport, die Trocknung und die Lagerung der Ölsaat einen Einfluss nehmen.

Martin Kaltschmitt, Hans Hartmann

13. Grundlagen der biochemischen Umwandlung

Zusammenfassung

Bei den biogenen Stoffen, die primär für eine biochemische Umwandlung prädestiniert sind, handelt es sich i. Allg. um organisches Material pflanzlicher oder tierischer Herkunft, das meist durch einen hohen Wasseranteil gekennzeichnet ist (Kapitel 4.3). Dies können Nebenprodukte und/oder Rückstände (z. B. tierische Exkremente) oder auch Abfälle (z. B. separat gesammelte Haushaltabfälle, organisch belastete Abwässer) sein. Da solche organischen Stoffe bei der Photosynthese durch biologische Prozesse aufgebaut werden, sind sie prinzipiell auch biologisch abbaubar. Dies kann durch Bakterien und andere Mikroorganismen realisiert werden, die ihre zum Leben benötigte Energie aus dem Energieinhalt der abgebauten chemischen Verbindungen des organischen Materials beziehen.

Martin Kaltschmitt, Hans Hartmann

14. Ethanolerzeugung und Nutzung

Zusammenfassung

Ziel der folgenden Ausführungen ist es, die Grundlagen der alkoholischen Gärung darzustellen. Dazu werden zunächst — in Ergänzung zu Kapitel 3 — kurz die Rohstoffe beschrieben und charakterisiert, aus denen Alkohol produziert werden kann; dabei wird unterschieden zwischen zucker-, stärke- und cellulosehaltigen Ausgangsstoffen. Der Schwerpunkt liegt dabei bei solchen Pflanzenkomponenten, die in Mitteleuropa produziert werden können; andere bedeutende, im Regelfall aber nur in tropischen Gegenden anbaubare Pflanzen werden nur am Rande dargestellt. Anschließend wird auf die biochemischen Grundlagen der alkoholischen Gärung eingegangen.

Martin Kaltschmitt, Hans Hartmann

15. Biogaserzeugung und -nutzung

Zusammenfassung

Die für eine Biogaserzeugung prinzipiell einsetzbaren organischen Stoffe werden im Folgenden vorgestellt und diskutiert; außerdem werden die biochemischen Grundlagen der anaeroben Fermentation dargestellt. Darüber hinaus wird auf die verfahrenstechnischen Mess- und Betriebsgrößen eingegangen, die die technische Umsetzung der Biogaserzeugung bestimmen. Auf den somit definierten Rand- und Rahmenbedingungen basiert die technische Umsetzung der anaeroben Fermentation, die anschließend in Kapitel 15.2 dargestellt wird.

Martin Kaltschmitt, Hans Hartmann

Backmatter

Titel: Energie aus Biomasse
herausgegeben von: Priv.-Doz. Dr.-Ing. Martin Kaltschmitt
Dr. Hans Hartmann
Copyright-Jahr: 2001
Verlag: Springer Berlin Heidelberg
Electronic ISBN: 978-3-662-07025-3
Print ISBN: 978-3-662-07026-0
DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-662-07025-3

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