Lernkarten
Brennstoffeigenschaften
Wie sind Heizwert und Brennwert definiert, wie können Sie bestimmt werden, wodurch
unterscheiden sie sich, wovon sind sie abhängig.
1) Brennstoffeigenschaften (ohne Unterlagen)
Heizwert = Reaktionswärme der vollständigen Oxidation eines Stoffs, wobei das Wasser im Produkt
dampfförmig vorliegt und die Produkte auf die Ausgangstemperatur abgekühlt werden.
Brennwert = dito, ausser dass das Wasser flüssig vorliegt.
Die Bestimmung erfolgt durch Verbrennung und Messung der Wärme in einem Kalorimeter.
Heizwert und Brennwert sind abhängig von der Brennstoffzusammensetzung (Gehalt an C, H, O, S, N
usw.), der Bindungsform, dem Wassergehalt.
Differenz ist die Verdampfungswärme des Wasserdampfs im Abgas.
Brennstoffeigenschaften
Wieso ist der Heizwert von Holz in MJ/kg deutlich geringer als der Heizwert von Heizöl?
Der Hauptunterschied kann durch den O-Gehalt der Biomasse erklärt werden, der rund 50 Gew.-%
ausmacht und rund eine Halbierung des Heizwerts pro kg erklärt. Weitere Unterschiede sind möglich
als Folge der Bindungsform.
Brennstoffeigenschaften
Schätzfrage: Wieviel höher ist der Heizwert von Heizöl als derjenige von trockenem Brennholz
pro Kilogramm: 0%, 10% 20%, 50%, 100%, 200%, 500%?
Heizöl hat einen Heizwert von rund 42.6 MJ/kg, atro Holz rund 18.3 MJ/kg. Der Heizwert von Heizöl
ist also „rund 100% höher“ oder „rund das Doppelte“ oder genauer „130% höher“, „das 2,3-fache“.
Brennstoffeigenschaften
Was sind – nebst der geringeren Energiedichte – die wichtigsten Nachteile von Holz als
Brennstoff im Vergleich zu Erdgas? Was sind die Vorteile?
- Holz als Feststoff muss vorab in Gase umgewandelt werden. Dies ist ein heterogener Prozess, der
schwieriger zu kontrollieren ist als ein homogener Prozess, da Stofftransportphänomene (Diffusion)
entscheidend sind.
- Erdgas, also Methan, ist ein reiner Kohlenwasserstoff. Holz enthält dagegen (nebst O) störende
Stoffe wie N (führt zu NOX), S (führt zu SO2), K, Ca, Cl, ... (führen zu Salzen u.a.).
- Vorteile von Holz im Vergleich zu Erdgas: Bei Umgebungsdruck: Viel höhere volumetrische Energiedichte;
Holzlagerung ist also unproblematisch, Gas benötigt dagegen einen Gasanschluss mit Justin-time
Versorgung. (Es ist zwar auch "CO2-neutral"; das ist aber keine Verbrennungseigenschaft)
Brennstoffeigenschaften
Welche Prozesse und welche Schadstoffe aus dem Anbau von Biomasse können zu Klimaver-
änderungen beitragen und wodurch kann ihre Emission beeinflusst werden?
Bodenbewirtschaftung führt zu CO2 (relevant) sowie CH4 und N2O (sehr relevant, da hohe Treibhauseffektivität).
Alle Stoffe werden freigesetzt durch Umgraben der oberen Erdkrusten, N2O wird
durch N-Düngung erhöht, CH4 durch Gülleausbringung.
Wirkungsgrad. Wie sind folgende Kenngrössen definiert:
– Feuerungstechnischer Wirkungsgrad
– Kesselwirkungsgrad
– Jahresnutzungsgrad
Feuerungstechnischer Wirkungsgrad:
-Berücksichtigt ABgasverluste einer Feuerung (Therm. und Chem. Verluste). WIchtige Einflussgrössen: Abgastemperatur, der Luftüberschuss, Gehalt an CO und unverbrannten Komponenten im Abgas.
- Keine Verluste durch Strahlung/Konvektion. --> Nur indirekte Messung.
- Zur Berechnung des feuerungstechnischen Wirkungsgrades wird Energieinhalt der einzelnen Abgaskomponenten bestimmt. Ausgehend von Verbrennungsgleichung von Holz können thermischen und chemischen Abgasverluste berechnet werden.
Kesselwirkungsgrad
- Berücksichtigt nebst den Abgasverlusten Strahlungs- und Rostverluste
- Strahlungsverluste entstehen durch Wärmeabgabe, Rostverluste und unverbrannte Rückstände
- Unter dem Begriff Betriebsverluste werden Abgas-, Strahlungs- und Rostverluste zusammengefasst
- Ein hoher Kesserwirkungsgrad wird erreicht durch einen hohen feuerungstechnischen Wirkungsgrad, gute Isolation der Feuerung und guten Ausbrand der Rostasche.
-Direkte Messung: Heizwert und Wärmeabgabe.
-Indirekte Messung: Abgasverluste wie im Feuerungstech. Wirkungsgrad und Strahlungsverluste.
Jahresnutzungsgrad
-Der Jahresnutzungsgrad wird aus dem Verhältnis der während einer Heizperiode erzeugten Nutzwärme und der in Form von Heizwert im Holz zugeführten Energiemenge bestimmt.
- Aussage über Qualität des Heizsystems
-Kein Rückschluss auf Schwächen bei Feueranlage/Wärmeverteilung
- Integrierter Wert des Kesselwirkungsgrades( zus. Systemverluste durch Abkühlen/Anfahren)
Kumulierter Energieaufwand
Bestimmen Sie den kumulierten Energieaufwand keaend der Holzpellets in MJPrimärenergie/MJEndenergie
in der Schweiz für folgende Annahmen: Die Holzpellets werden aus nassem Sägemehl hergestellt,
das mit Heizöl getrocknet wird. Für die Trocknung werden 51 g Heizöl pro kg Holzpellets eingesetzt.
Zudem verbraucht die Pelletierung 0,50 kWh Strom pro kg Holzpellets, der aus einem thermischen
Kraftwerk mit 40% Wirkungsgrad stamme. Die Verluste für den Transport von Strom und
Holzpellets sowie der Energieaufwand für Bau und Entsorgung von Heizanlagen und Kraftwerk
seien vernachlässigbar. Heizöl hat eine Dichte von 0,85 kg/l und einen Heizwert von 42,6 MJ/kg,
für die Holzpellets liegt eine Analyse mit einen Heizwert von 4,9 kWh/kg vor.
Siehe Bild
Verfahrensauswahl
Nennen Sie je einen Biomasse-Brennstoff, der gut zur Verbrennung bzw. zur Vergärung
geeignet ist und geben Sie den Grund dafür an.
Verbrennung: Holz gut geeignet.
Grund: Wassergehalt < 50%, Gehalt an N, S, P, K, Cl usw. gering (< 1 Gew.-%)
Anaerobe Vergärung: Klärschlamm gut geeignet.
Grund: w >> 50%, Ligningehalt gering (<< 10 Gew.-%), hohe Gehalte an N, P, K.
