Biomasse-Heizsystem

Biomasseheizsysteme erzeugen Wärme aus Biomasse . Zur Wärmeerzeugung können direkte Verbrennung , Vergasung , Kraft-Wärme-Kopplung (KWK), anaerobe oder aerobe Vergärung genutzt werden . Biomasseheizungen können voll- oder halbautomatisiert sein, mit Pellets befeuert werden oder als Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen fungieren.

Es gibt vier Haupttypen von Heizsystemen, die Biomasse zur Beheizung eines Kessels nutzen. Zu den Biomasseheizungen zählen vollautomatische, halbautomatische, pelletbetriebene und Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen. ^{[ 1 ]}

In vollautomatischen Anlagen wird zerkleinerte oder gemahlene Biomasse über Förderbänder mit einer kontrollierten Rate in den Kessel gefördert. Diese Rate wird computergesteuert geregelt, um Druck und Temperatur im Kessel konstant zu halten. Vollautomatische Anlagen bieten einen hohen Bedienkomfort, da lediglich der Anlagenbediener den Computer steuern muss. ^{[ 2 ] [ 3 ]}

Halbautomatische oder „Surge Bin“-Systeme ähneln vollautomatischen Systemen, benötigen jedoch mehr Personal für den Betrieb. Sie verfügen über kleinere Vorratsbehälter und ein deutlich einfacheres Fördersystem, dessen Instandhaltung ebenfalls Personal erfordert. Der Grund für die Unterschiede zum vollautomatischen System liegt in der Systemeffizienz. Die im Brennraum erzeugte Wärme kann entweder direkt zur Lufterwärmung oder zur Wassererwärmung in einem Kesselsystem genutzt werden, das als Wärmeträger dient. ^{[ 4 ]} Holzbefeuerte Kessel arbeiten am effizientesten bei maximaler Leistung, wobei der Wärmebedarf an den meisten Tagen des Jahres nicht dem jährlichen Spitzenbedarf entspricht. Da das System nur an wenigen Tagen im Jahr mit hoher Leistung laufen muss, ist es so ausgelegt, dass es den Bedarf den Großteil des Jahres deckt, um seine hohe Effizienz zu gewährleisten. ^{[ 3 ]}

Die dritte Hauptart von Biomasseheizsystemen sind Pelletheizungen . Pellets sind verarbeitetes Holz und daher teurer. Trotz des höheren Preises sind sie jedoch deutlich kompakter und gleichmäßiger und somit effizienter. Zudem lassen sich Pellets relativ einfach automatisch in die Kessel einbringen. Bei diesen Systemen werden die Pellets in einem Getreidesilo gelagert und durch Schwerkraft zum Kessel transportiert. Aufgrund ihrer kompakten Bauweise benötigen Pelletheizungen deutlich weniger Lagerkapazität, was die Kosten senkt. Diese Systeme werden in verschiedensten Anlagen eingesetzt, sind aber besonders effizient und kostengünstig dort, wo der Platz für Lagerung und Fördersysteme begrenzt ist und die Pellets in der Nähe der Anlage produziert werden. ^{[ 3 ]}

Eine Unterkategorie von Pelletsystemen sind Kessel oder Brenner, die Pellets mit höherem Aschegehalt (Papierpellets, Heupellets, Strohpellets) verbrennen können. Ein Beispiel hierfür ist der PETROJET-Pelletbrenner mit rotierender zylindrischer Brennkammer. ^{[ 5 ]} Moderne Pelletkessel können aufgrund der stabileren Brennstoffeigenschaften hinsichtlich des Wirkungsgrades andere Biomasseformen übertreffen. Sie können sogar im Kondensationsbetrieb arbeiten und die Verbrennungsgase auf 30–40 °C anstatt 120 °C abkühlen, bevor sie in den Abgaskanal gelangen. ^{[ 6 ]}

Blockheizkraftwerke sind sehr nützliche Systeme, bei denen Holzabfälle wie Hackschnitzel zur Stromerzeugung genutzt werden, wobei Wärme als Nebenprodukt entsteht. Aufgrund des hohen Betriebsdrucks sind die Betriebskosten sehr hoch. Dieser hohe Druck erfordert einen hochqualifizierten Bediener, was die Betriebskosten zusätzlich erhöht. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass bei der Stromerzeugung auch Wärme entsteht. Ist die Wärmeerzeugung zu bestimmten Jahreszeiten unerwünscht, ist der Einsatz eines Kühlturms notwendig, was die Kosten ebenfalls erhöht.

Es gibt Situationen, in denen Blockheizkraftwerke (BHKW) eine gute Option darstellen. Holzprodukthersteller nutzen Blockheizkraftwerke, da sie große Mengen an Altholz produzieren und sowohl Wärme als auch Strom benötigen. Auch Krankenhäuser und Gefängnisse, die Energie und Warmwasser benötigen, eignen sich optimal für diese Systeme. Die Anlagen sind so dimensioniert, dass sie ausreichend Wärme erzeugen, um den durchschnittlichen Wärmebedarf zu decken, sodass keine zusätzliche Wärme benötigt wird und kein Kühlturm erforderlich ist. ^{[ 3 ]}

Die Nutzung von Biomasse in Heizsystemen ist vorteilhaft, da sie landwirtschaftliche, forstwirtschaftliche, städtische und industrielle Reststoffe und Abfälle zur Erzeugung von Wärme und/oder Strom nutzt und dabei die Umwelt weniger belastet als fossile Brennstoffe. ^{[ 7 ]} Diese Art der Energieerzeugung hat langfristig begrenzte Umweltauswirkungen, da der Kohlenstoff in Biomasse Teil des natürlichen Kohlenstoffkreislaufs ist ; der Kohlenstoff in fossilen Brennstoffen hingegen nicht und trägt bei der Verbrennung dauerhaft zur CO₂-Belastung der Umwelt bei ( CO₂-Fußabdruck ). ^{[ 8 ]} Historisch gesehen, vor der Nutzung fossiler Brennstoffe in nennenswerten Mengen, deckte Biomasse in Form von Holz den größten Teil des Heizbedarfs der Menschheit. ^{[ 9 ]}

Da forstbasierte Biomasse typischerweise aus Holz mit geringerem Marktwert gewonnen wird, fällt sie üblicherweise als Nebenprodukt anderer Holzernteverfahren an. Die Nutzung von Biomasse zur Heizung schafft Absatzmärkte für Holz mit geringerem Wert und ermöglicht so eine gesunde und rentable Forstwirtschaft. ^{[ 10 ]}

Die großflächige Nutzung landwirtschaftlicher Biomasse entzieht der Nahrungsmittelproduktion landwirtschaftliche Flächen , verringert die Kohlenstoffspeicherkapazität nicht nachhaltig bewirtschafteter Wälder und entzieht dem Boden Nährstoffe . Die Verbrennung von Biomasse erzeugt Luftschadstoffe und führt zu einer signifikanten Kohlenstofffreisetzung in die Atmosphäre, die möglicherweise erst nach Jahrzehnten wieder in den Boden gelangt. ^{[ 11 ]} Die Zeitspanne zwischen der Verbrennung von Biomasse und der Kohlenstoffaufnahme aus der Atmosphäre durch das Wachstum von Pflanzen oder Bäumen wird als Kohlenstoffschuld bezeichnet. Das Konzept der Kohlenstoffschuld ist umstritten. Die tatsächlichen Auswirkungen auf den Kohlenstoffhaushalt können von verschiedenen Faktoren abhängen, darunter die zugrunde liegende Philosophie, der Umfang der Ernte, die Landnutzung, die Art der Biomasse (z. B. Gras, Mais, junges Holz, Altholz, Algen), die Bodenart und weitere Aspekte. ^{[ 12 ]}

Die Nutzung von Biomasse als Brennstoff führt zu Luftverschmutzung durch Kohlenmonoxid , Stickoxide (NOx ), flüchtige organische Verbindungen (VOC ), Feinstaub und andere Schadstoffe, teilweise in höheren Konzentrationen als bei traditionellen Brennstoffen wie Kohle oder Erdgas. ^{[ 13 ] [ 14 ]} Ruß – ein Schadstoff, der bei der unvollständigen Verbrennung fossiler Brennstoffe, Biokraftstoffe und Biomasse entsteht – ist möglicherweise der zweitgrößte Verursacher der globalen Erwärmung. ^{[ 15 ]} Eine schwedische Studie aus dem Jahr 2009 über den riesigen braunen Dunst, der periodisch große Gebiete in Südasien bedeckt, ergab, dass dieser hauptsächlich durch die Verbrennung von Biomasse und in geringerem Maße durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe verursacht wurde. ^{[ 16 ]} Forscher maßen eine signifikante Konzentration von ^¹⁴ C , das eher mit jüngerem Pflanzenwachstum als mit fossilen Brennstoffen in Verbindung gebracht wird. ^{[ 17 ]} Moderne Biomasseverbrennungsanlagen reduzieren schädliche Emissionen durch fortschrittliche Technologien wie Sauerstoffregelungssysteme deutlich. ^{[ 18 ]}

Bei der Verbrennung wird der Kohlenstoff aus Biomasse als Kohlendioxid (CO₂ ₎ in die Atmosphäre freigesetzt . Der Kohlenstoffgehalt von trockenem Holz beträgt etwa 50 Gewichtsprozent. ^{[ 19 ]} Stammt die Biomasse aus landwirtschaftlichen Quellen, kann das als Brennstoff genutzte Pflanzenmaterial durch Neuanpflanzungen ersetzt werden. Bei Biomasse aus Wäldern dauert es in der Regel länger, den gespeicherten Kohlenstoff wieder freizusetzen, und die Kohlenstoffspeicherkapazität des Waldes kann sich insgesamt verringern, wenn zerstörerische Forstwirtschaftsmethoden angewendet werden. ^{[ 20 ] [ 21 ] [ 22 ] [ 23 ]}

Der Anfang der 1990er-Jahre aufgestellte Vorschlag, dass Waldbiomasse klimaneutral sei, wurde durch neuere wissenschaftliche Erkenntnisse überholt. Diese bestätigen, dass intakte, reife Wälder Kohlenstoff effektiver binden als abgeholzte Flächen. Wird der Kohlenstoff eines Baumes schlagartig in die Atmosphäre freigesetzt, trägt er wesentlich stärker zum Klimawandel bei als Holz, das über Jahrzehnte langsam verrottet. ^{[ 24 ]} Einige Studien zeigen, dass „der Wald selbst nach 50 Jahren seinen ursprünglichen Kohlenstoffspeicher noch nicht wieder erreicht hat“ und „die optimale Strategie wahrscheinlich der Schutz des bestehenden Waldes ist“. ^{[ 25 ]} Andere Studien belegen, dass die Kohlenstoffspeicherung vom Wald und der Nutzung der geernteten Biomasse abhängt. Wälder werden häufig so bewirtschaftet, dass Bäume unterschiedlichen Alters erhalten bleiben, wobei reife Bäume häufiger und in kleineren Mengen geerntet werden. Diese Wälder interagieren anders mit Kohlenstoff als abgeholzte, reife Wälder. Je effizienter die Umwandlung von Holz in Energie ist, desto weniger Holz wird verbraucht und desto kürzer ist der Kohlenstoffkreislauf. ^{[ 26 ]}

Die seit 2003 gestiegenen Ölpreise und die daraus resultierenden Preiserhöhungen für Erdgas und Kohle haben den Wert von Biomasse für die Wärmeerzeugung gesteigert. Waldrestholz, landwirtschaftliche Abfälle und speziell für die Energiegewinnung angebaute Pflanzen werden mit steigenden Preisen für energiereiche fossile Brennstoffe wettbewerbsfähig. Bemühungen zur Erschließung dieses Potenzials können zur Regeneration schlecht bewirtschafteter Ackerflächen beitragen und ein wichtiger Baustein für eine dezentrale, vielschichtige Branche erneuerbarer Energien sein. In den 2000er Jahren wurden in der Europäischen Union Anstrengungen unternommen, diese Methoden zu fördern und weiterzuentwickeln . In anderen Teilen der Welt haben ineffiziente und umweltschädliche Verfahren zur Wärmegewinnung aus Biomasse in Verbindung mit mangelhaften Forstpraktiken die Umweltzerstörung erheblich verschärft .

• Holz als Brennstoff

• Biomass Thermal Energy Council – Informationen zu Biomasse und Gesetzgebung zu Biomasse in den USA
• Innovatives Biomassekraftwerk basierend auf Kugelheizertechnologie und Heißluftturbine