Benutzer:Benedikt Schneider/Holzgas-Heizkraftwerk Senden

Holzgas-Heizkraftwerk Senden
Abb. 1: Das Holzgas-Heizkraftwerk in Senden Abb. 1: Das Holzgas-Heizkraftwerk in Senden
Lage
Benedikt Schneider/Holzgas-Heizkraftwerk Senden (Bayern) Bayern, Deutschland
Koordinaten	48° 19′ 50″ N, 10° 2′ 47″ O48.33060194444410.046268055556
Land	Deutschland
Daten
Primärenergie	Elektrische Energie
Brennstoff	Holzhackschnitzel
Leistung	Elektrische Leistung: 4,96 MW Thermische Leistung: 6,4 MWth
Eigentümer	SWU
Projektbeginn	2005
Betriebsaufnahme	2012
Eingespeiste Energie pro Jahr	Strom: 36 GWh Wärme: 41 GWh
Website	http://www.swu.de/geschaeftskunden/energie-wasser/energie-wassergewinnung/holzgas-heizkraftwerk.html
Stand	06.06.2012

Das Holzgas-Heizkraftwerk in Senden (Bayern) hat einen Gesamtwirkungsgrad von 80 %. Dieser teilt sich in einen elektrischen Wirkungsgrad von 33% und einem thermischen Wirkungsgrad von 47% auf. Pro Jahr werden rund 36 Millionen Kilowattstunden Strom und 41 Millionen Kilowattstunden Wärme erzeugt. Die elektrische Leistung beträgt dabei 4,96 Megawatt und 6,4 thermische Megawatt (MWth). Dieses 33 Millionen teure Projekt ist das erste seiner Art in Deutschland. Betreiber dieses hochmodernen Kraftwerkes sind die in Ulm, Neu-Ulm und Alb-Donau-Kreis ansässigen Stadtwerke Ulm (SWU).

Bauplanung

Die Entstehungsgeschichte

Da die Wichtigkeit von erneuerbaren Energien immer weiter zunimmt und auch durch staatliche Förderung EEG (Erneuerbare-Energien-Gesetz) immer interessanter für Erzeuger wird, beschloss die SWU (Stadtwerke Ulm) 2005 den Bau eines Holzgas-Heizkraftwerkes durchzuführen. Die SWU treibt den Ausbau von erneuerbaren Energien stetig voran, was dazu führt, dass neben der Nutzung von Wasserkraft Biomasse zunehmend an Bedeutung gewinnt. Die Umsetzung zukunftsfähiger und hocheffizienter Technologie sichert hierbei eine langfristig wettbewerbsfähige Energieerzeugung in der Region um Senden. Die SWU möchte eine umweltfreundliche Strom- und Wärmeversorgung anbieten und auch ein Musterbeispiel moderner, dezentraler und umweltschonender Energieerzeugung sein. Deshalb entschied sich die SWU für ein Holzgas-Heizkraftwerk und begann auch mit der Planung des Kraftwerkes. 2008 wurde der Bau durch den Sendener Stadtrat endgültig genehmigt. Daraufhin wurde ein Fördermittelantrag beim Bundeslandwirtschaftsministerium gestellt, welcher im September 2008 auch mit 6,6 Mio. Euro genehmigt wurde. 2009 gab auch der Bundesemissionsschutz „grünes Licht“ für die Ausführung des Baus. Veranschlagte Grenzwerte für die Luftverschmutzung waren: 10 mg Staub, 150 mg Kohlenmonoxid und 350 mg NOx. Im Oktober 2009 wurde der Bau des Heizkraftwerkes durch den Aufsichtsrat der SWU endgültig beschlossen. Baubeginn war Anfang des Jahres 2010 und die Fertigstellung bereits im Herbst 2011. Im folgenden Winter wurde der erste Testlauf durchgeführt, bei welchem jedoch ein Fehler an der Brennkammer festgestellt wurde. In der Leitung zwischen Vergaser und Brennkammer brach Beton ab. Nach dem Austausch dieses Bauteils wurde das Kraftwerk ab dem 27.02.2012 erneut hochgefahren. Es konnte schon eine geringe Menge an Holzgas erzeugt werden, jedoch musste das Kraftwerk wieder abgestellt werden um den Produktgaskühler, welcher durch zahlreiche Testläufe verschmutzt wurde, zu reinigen. Ende der 16. Kalenderwoche soll das Kraftwerk endgültig an das Netz gehen.

Standortauswahl

Die erste Standortauswahl für das Holzgas-Heizkraftwerk war auf einem für LKW's schwer zugänglichen Grundstück in Neu-Ulm, deshalb beschloss die SWU das Kraftwerk auf einem anderen Grundstück zu erbauen. Da der jetzige Standort schon zum Teil im Besitz der SWU war, zeigte sich dies als die bessere Alternative. Das jetzige Grundstück hat eine Größe von 31.400 Quadratmeter und liegt im neuen Sendener Industriegebiet.

Ressourcen

Das Holzgas-Heizkraftwerk in Senden hat einen täglichen Holzbedarf von 6,1 Tonnen pro Stunde, das sind ca. 40.000 bis 45.000 Tonnen pro Jahr. Das Holz wird von ca. 10 Lieferanten aus einem Umkreis von 50 bis 70 km bezogen. Das für das Holzgas-Heizkraftwerk verwendete Holz stammt vorwiegend aus der Region. Dabei handelt es sich um Schwemmgut von Wehranlagen der SWU-Wasserkraftwerke, Waldresthölzer bzw. Waldhackgut, das vorwiegend aus Schwachholzabschnitten stammt. Auch wird Hackgut aus Kurzumtriebsplantagen verwendet, welche aus einer Anpflanzung schnell wachsender Bäume und Sträucher besteht. Ziel dieser Anlagen ist es Holz mit kurzer Umtriebszeit als nachwachsenden Rohstoff zu produzieren. Des Weiteren stammt das Holz aus der Landschaftspflege der Region. Eine Tonne Holz kostet zwischen 106 und 110 Euro. Dieser Preis bezieht sich auf die absolute Trockenmasse NaWaRo-fähigem (nachwachsende Rohstoffe) Reinholz. Der für das Heizkraftwerk verwendete Biodiesel kommt aus einer Karlsruher Raffinerie und wird für die Produktgaswäsche verwendet. Nach mehrmaliger Verwendung im Waschvorgang wird der teerbeladene Diesel zur Stützfeuerung in der Brennkammer genutzt. Hierbei werden pro Stunde 25 kg Biodiesel verbrannt. Der Olivinsand dient als Wärmeträger um die zur Vergasung benötigte Hitze von der Brennkammer zur Vergasungskammer zu führen und das Holz zu erhitzen. Der Bedarf pro Stunde liegt bei 80 kg. Die Holzvergasungsanlage hat einen stündlichen Trinkwasserverbrauch von 150 Liter. Hauptsächlich findet es Verwendung in Form von sehr heißem, trockenem Wasserdampf um die Wirbelschicht im Vergaser in eine Art flüssigen Zustand zu versetzen.

Technischer Prozess

Speicher- und Trocknungsprozess

Abb. 2: Abladestation

In der Abladestation (Abb.2) wird die Biomasse auf eine Förderfläche geschüttet. Am Ende der Förderfläche befindet sich ein Förderband, mit der die Biomasse zum Brennstoffsieb transportiert wird (Abb.3). Dort werden zu große Holzstücke von den verwendbaren Hackschnitzeln getrennt, da zu große Teile für die Vergasung nicht verwendet werden können und die Anlage beschädigen oder verstopfen würden. In diesem Prozess kann auch minderwertige Ware wieder auf die LKW's verladen werden. Nun wird die Biomasse über ein Förderband auf 3 Brennstoffsilos verteilt. Diese 13 m hohen Silos mit einem Durchmesser von 12 m und einem Fassungsvermögen von je 1064 Kubikmetern dienen als Speicherkapazität für Wochenenden bzw. für Tage, an denen das Holzgas-Heizkraftwerk nicht beliefert werden kann. Das Holz aus den Speichersilos gelangt über ein Förderband in das daneben stehende Trocknungssilo. In diesem nach oben hin geöffneten Behälter wird die Biomasse durch Trocknungsluft aus einem Niedertemperaturkreislauf aus dem Waschungsprozess des Holzgases nahezu komplett entwässert. Von dort aus kann je nach Bedarf Biomasse in den Vergaser eingespeist werden.

Vergasungsprozess

Nicht wie bei Holzvergasern aus der Vergangenheit, bei denen der gesamte Prozess in einer Kammer stattfand, wird in der Sendener Holzvergasungsanlage der Vergasungsprozess aufgeteilt in Brennkammer und Vergasungskammer. Somit kann vermieden werden, dass Sauerstoff, der für die Erhitzung des Holzes benötigt wird, in die Vergasungskammer gelangt und Holzgas schon dort verbrennt. In der Holzvergasungsanlage kommt ein sogenannter Wirbelschichtvergaser (Abb.4) zum Einsatz. In dessen Brennkammer wird Olivinsand durch Druckluft mit 15 m/s nach oben geschossen. Durch eine vom TÜV vorgeschriebene Stützfeuerung mit Biodiesel, einem Teil des gewonnenen Holzgases und dem als Nebenprodukt angefallenen Holz-Koks aus dem Produktgasfilter wird der Sand auf 940° C erhitzt. Der heiße Sand wird nun über die Brennkammer in den Zyklon radial eingeschossen, wo sich Sand und verbliebene Luft trennen. Der Sand fällt abwärts und wird von trockenem Wasserdampf in den Wirbelschichtvergaser eingeblasen. Der im Zyklon übrig gebliebene Sauerstoff wird für die Verbrennung in der Nachbrennkammer verwendet. Im Vergaser erhitzt der Sand die Biomasse und trennt durch die Hitze die gasförmigen von den festen Bestandteilen. Durch den von unten im Vergaser eingeblasenen Wasserdampf verhält sich der Sand dort wie eine Flüssigkeit und kann somit die Biomasse gleichmäßig erhitzen. Der vom Prozess herunter gekühlte Olivinsand und die festen von der Vergasung übrig gebliebenen Bestandteile werden in die Verbrennungskammer zurück geführt. Die Überreste aus dem Vergaser unterstützen hier weiter den Erhitzungsprozess durch die Verbrennung mit Sauerstoff und der Kreislauf des Olivinsandes kann von neuem beginnen. In der über dem Zyklon separat angebrachten Nachbrennkammer werden kleinste Überreste der Verbrennung nochmals verbrannt. Die Abgase und aufgewirbelten Aschebestandteile werden nun über ein Rohr dem Rauchgasfilter zugeführt. Dort werden die von der Brennkammer übrige Asche und Rußpartikel herausgefiltert. Die heißen Abgase sind jetzt frei von festen Bestandteilen und werden durch den Rauchgaskühler über den Kamin in die Luft abgegeben. Auch die Wärme aus dem Kühlprozess der Abgase wird in einen Thermoölkreislauf eingespeist.

Filter- und Waschprozess

Das im Vergaser entstandene Gas wird durch den Produktgaskühler (Abb.5) von 850 bis 900°C auf 120 bis 150°C herunter gekühlt. Auch diese thermische Energie geht nicht verloren und wird in den Thermoöl-Kreislauf eingespeist. Danach gelangt es in den Produktgasfilter. Dieser Filter besteht aus Gewebekerzen, die mit Kalksteinmehl vorbelegt wurden, um sie wiederverwendbar zu machen. In diesem Filter werden die ersten Teere und andere grobe Bestandteile ausgefiltert und der Brennkammer zugeführt. Nach diesem Vorgang hat das Gas noch eine Temperatur von ca. 100 bis 120°C und wird von unten in den Produktgaswäscher eingeleitet. Das aufsteigende Gas wird in dieser Waschanlage mit Biodiesel berieselt, wobei die letzten Teere herausgewaschen werden. Nebenbei kondensiert das restliche Wasser, welches sich noch im Gas befindet. Somit ist das Gas nach der Waschung sauber und trocken. Anschließend wird der Biodiesel mit Luft herunter gekühlt und wiederverwendet oder für die vom TÜV vorgeschriebene Stützfeuerung in der Brennkammer genutzt. Das fertig vorbereitete Synthesegas (Holzgas) wird nun dem Spitzenkessel oder den Verbrennungsmotoren zugeführt.

Verwendung des Produktgases

Abb. 6: Gasmotor

Anfänglich wird das komplette, in den ersten beiden Schritten entstandene Holzgas, dem Spitzenkessel zugeführt. Somit kann vermieden werden, dass bei den ersten Waschdurchläufen nicht herausgefilterte Teere fälschlicherweise in den empfindlichen Gasmotoren abgelagert werden. Die im Spitzenkessel entstandene Wärme wird für die Erhitzung des Thermoöls genutzt. Die Abgase werden direkt an den Kamin weitergeleitet. Eine Woche nach der Inbetriebnahme des Kraftwerkes kann das Holzgas auf die Motoren (Abb. 6) umgeleitet werden. Hierbei wird nur noch das überschüssige Gas, welches nicht mehr in den Motoren verbrannt werden kann, im Spitzenkessel verbrannt. Die beiden Gasmotoren mit jeweils 20 Zylindern, 2280 PS und 125 Liter Hubraum erzeugen eine elektrische Leistung von 4,2 Megawatt. Auch die Abwärme und die Abgaswärme der Motoren werden genutzt und dem Thermoölkreislauf zugeführt. Die kalten Abgase werden auch über den Schornstein in die Luft abgegeben.

Verwendung der entstandenen Wärme im Thermoöl

Die im Thermoöl gesammelte Wärme wird dem ORC-Prozess (Abb. 7) zugeführt. Grundsätzlich entspricht das Prinzip der Stromerzeugung mittels Organic-Rankine-Cycle-Technologie (ORC-Prozess) dem des konventionellen Wasserdampf-Prozesses, allerdings mit dem wesentlichen Unterschied, dass statt Wasser ein organisches Arbeitsmittel (Silikonöl) mit speziell abgestimmten thermodynamischen Eigenschaften verwendet wird. Das heiße Thermoöl gibt im Verdampfer des ORC-Prozesses die Energie an das Silikonöl ab, welches dabei verdampft. Der Silikonöldampf wird über eine Turbine geleitet, die einen Generator antreibt. Danach wird das gasförmige Silikonöl in einem nachfolgenden Regenerator und Kondensator wieder verflüssigt. Die vom Silikonöl im Kondensator abgegebene Wärme wird an das Heißwasser des Fernwärmenetzes übertragen. Das flüssige Silikonöl wird in der Arbeitsmittelpumpe auf Systemdruck gebracht und wieder dem Verdampfer zugeführt. Der ORC-Prozess stellt eine elektrische Leistung von 0,73 Megawatt und eine Wärmeleistung von 6,43 Megawatt zur Verfügung. Die nach dem ORC-Prozess noch übrig gebliebene Wärme im Thermoölkreislauf wird der Fernwärmeauskopplung durch einen Wärmetauscher an die Fernwärmeleitungen abgegeben.

Thermo-chemische Konversion

Der Vergasungsprozess

Abb. 8: Die vier Phasen des Vergasungsprozesses

Der Holzvergasungsprozess wird wie in (Abb.8) beschrieben in verschiedene Phasen aufgeteilt.

Trocknung

In der ersten Phase der Holzverbrennung wird das im Holz gebundene Wasser auf bis zu 150°C erhitzt wodurch es verdampft. In einer Holzvergasungsanlage findet dies in einem separaten Trocknungsprozess statt.

Pyrolytische Zersetzung

Dieser Vorgang läuft unter Hitzeeinfluss und ohne Zufuhr von zusätzlichem Sauerstoff ab. Sukzessiv findet bei 200 bis 300°C die Zersetzung der Hemicellulose statt. Ab 325 bis 375°C wir die Cellulose aufgespalten in Kohlenstoffdioxid CO2, Methanol CH4O und leicht flüchtige Teere. Bei über 375 °C zersetzt sich Lignin in schwerflüchtige Teere und Kohlenwasserstoffe. Zusätzlich bilden sich kondensierbare organische Substanzen wie langkettige, kondensierbare Kohlenwasserstoffe (Teere) und Öle. Sowie brennbare und nicht brennbare Gase wie Kohlenmonoxid CO, Kohlenstoffdioxid CO2, Wasserstoff H2 und weitere Stoffe, die nur geringfügig vertreten sind. Als fester Rückstand bleibt der kohlenstoffreiche Koks, der wieder in die Brennkammer zurückgeführt wird.

Vergasung (Reduktion)

Versuch zur Holzgasherstellung um die brennbarkeit von Holzgas zu bestätigen

Die Reduktionsreaktion spielt bei der Vergasung eine bedeutsame Rolle, da das in der Pyrolyse entstandene Koks mit hochoxidierten Produkten reagiert. Es wird zum Beispiel CO2 zu CO reduziert, wodurch ein Großteil der brennbaren Gase entsteht. Diese Reaktion ist stark endotherm, da zusätzliche Energie zugeführt wird. Dies geschieht in Form von heißem Sand und Wasserdampf.

Oxidation

Bei der Oxidation werden die entstandenen, gasförmigen, flüssigen und festen Stoffe durch weitere Wärmeeinwirkung zur Reaktion mit Sauerstoff gebracht. Dadurch werden Koks und ein Teil der höheren Kohlenwasserstoffverbindungen in kleinere gasförmige Moleküle gespalten, zum Beispiel Kohlenmonoxid CO, Wasser H2O, Kohlenstoffdioxid CO2 und Methan CH4. Diese Gase werden in der Brennkammer verbrannt.

Chemische Zusammensetzung von Holzgas

Holzgas setzt sich zusammen aus 20% Kohlenmonoxid CO, 20% Wasserstoff H2, 2% Methan CH4, 13% Kohlenstoffdioxid CO2, 45% Stickstoff N2 und Teeren. Der Teergehalt ist allerdings stark von der Vergasungsmethode und der Holzart abhängig. Bei der Sendener Holzvergasungsanlage wird der Bestandteil an Teer durch eine Produktgaswäsche aus dem Gas gereinigt um die Motoren nicht zu verschmutzen oder zu beschädigen.

Vor- und Nachteile

Nachteile

Da jede Energieerzeugung gewisse Nachteile mit sich bringt, hat auch dieses Kraftwerk kontraproduktive Argumente hinsichtlich der langjährigen Entwicklungsphase und der Tatsache, dass diese Holzvergasungsanlage erst die zweite ihrer Art ist. Die vielen Verschleißteile in der Anlage und die hochmoderne Technik machen das Kraftwerk besonders pflegeintensiv. Ein weiterer Aspekt ist die zeitintensive Vorbereitungsphase um das Kraftwerk in Betrieb nehmen zu können. Außerdem arbeitet auch dieses Kraftwerk nicht ohne jeglichen Schadstoffausstoß. CO2-Gase und weitere flüchtige Stoffe werden über den Kamin in die Luft ausgestoßen. Zusätzlich entsteht bei der Verwendung von Olivinsand in der Vergasungskammer Chrom(VI)-oxid das in die Asche abgegeben wird. Dies ist auch die Ursache weswegen die Asche deponiert und nicht weiter verwendet werden kann. Zusätzlich ist das für den Holzabbau und die Belieferung benötigte Benzin nicht zu vernachlässigen. Die Menge der hierbei verwendeten fossilen Energieträger wird zurzeit von einer Studie erfasst und ausgewertet. Ein weiterer kostenaufwendiger Nachteil ist die Stützfeuerung mit Biodiesel in der Brennkammer, die als Vorsichtsmaßnahme wegen zu hoher Explosionsgefahr bei Ansammlung von nicht verbranntem Gas in der Brennkammer vom TÜV vorgeschrieben wird.

Vorteile

Ein entscheidender Vorteil im Gegensatz zu anderen Kraftwerken ist der überdurchschnittlich hohe Wirkungsgrad von 33% elektrischer Leistung und 47% thermischer Leistung. Dies macht die Anlage besonders energieeffizient und somit auch umweltfreundlich. Auch die Verwendung von nachwachsenden Rohstoffen ist ein Argument, welches für das Kraftwerk spricht. Außerdem wird bei der Verbrennung von Holz bzw. Holzgas nur so viel CO2 freigegeben, wie der Baum über seine Lebensdauer aufnehmen konnte. Vorteilhaft ist auch die Einsparung fossiler Energie, welche benötigt worden wären, um die gleiche Menge an Energie auf andere Art und Weise zu erzeugen. Ein Beispiel dafür ist die alternative Beheizung von Gebäuden durch Fernwärme anstatt mit Heizöl.

Planung für die Zukunft

Die weitere Planung sieht vor, dass das Fernwärmenetz vom Sendener Gewerbegebiet St. Florianstraße aus weiter auf die privaten Haushalte ausgebaut wird. Dieser Ausbau sieht zusätzlich vor, dass Wärmeenergie von einem Neu-Ulmer Kraftwerk über die bereits bestehende 5 km lange Fernwärmeleitung in das Sendener Fernwärmenetz eingespeist wird. Des Weiteren ist auf dem bereits bestehenden Gelände genug Platz für ein weiteres Holzgas-Heizkraftwerk. Hierfür gibt es allerdings noch keine weitere Planung.