EE+BIO

Siehe Bild

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. 

Verbrennung > 99%, anaerobe Vergärung 25% bis 60%, Zielwert sicher > 50%.

 Für Klärschlamm bietet sich an, zuerst eine anaerobe Vergärung zur Biogaserzeugung durchzuführen
und so eine hochwertige Nutzung eines Teils der Ausgangssubstanz zu ermöglichen.
Der Vergärungsrückstand ist homogenisiert und hygienisiert, so dass er für eine weitere Verarbeitung
sowie den allfälligen Transport und eine allfällige Lagerung besser geeignet ist als das
Ausgangsmaterial. Da der Vergärungsrückstand noch C-haltig ist und Schadstoffe enthält, kommt
eine Trocknung und Verbrennung mit Abgasreinigung in Frage. Die durch Vergärung nicht abbaubaren
organischen Verbindungen können so zu (harmlosem) CO2 umgewandelt werden und
Schwermetalle können in der Filterasche kontrolliert zurückgehalten werden. 

Variante 1: Kenntnis der Brennstoffzusammensetzung (Molanteile C, H und O) und Messung
von O2 oder CO2 und CO im Abgas und Bestimmung aus der Stoffbilanz von Edukt zu Produkt.
Variante 2: Kenntnis der Brennstoffzusammensetzung (Molanteile C, H und O) und Messung der
zugeführten Massenströme an C, H und O, das heisst: Brennstoffzufuhr und Wassergehalt des
Holzes sowie Zuluftvolumenstrom (und -temperatur zur Dichtebestimmung). Daraus kann der
Luftüberschuss rechnerisch aus der Bilanz bestimmt werden. 

Die Reaktionstemperatur, die sich ohne Wärmeabfuhr ergibt, wenn also die gesamte Reaktionswärme
zur Aufheizung der Produkte dient. Die adiabate Temperatur kann durch Bilanzierung
der Verbrennung ohne Wärmeabgabe bestimmt werden (1. HS, Satz von Hess).

 Für einen Holzofen ist anzunehmen, dass trockenes Holz mit u < 20% verbrannt wird, sonst
wäre kaum ein relativ guter Betrieb wie angegeben möglich. Somit kann aus dem Nomogramm im
Skript abgelesen werden: CO2 ≈ 21–O2 = 7 Vol.-%, Vtherm ≈ 21.5%, Vchem ≈ 1.5%, Etaf ≈ 77%.
Eine genauere Bestimmung ist durch Einsetzen in die Formeln im Skript möglich. 

 Mit dem Wärmespeicher können die Verbrennung und Leistungsabgabe entkoppelt werden.
Dies ermöglicht es, die Verbrennung in Bezug auf Emissionen und Wirkungsgrad unabhängig vom
Wärmebedarf des Gebäudes zu optimieren. Ohne Speicher würde die Leistung des Stückholzkessels
oft während langer Zeit drastisch reduziert, was zu erhöhten Emissionen führt. 

Das Unterabbrand-Prinzip ergibt die Möglichkeit, in einer verjüngten Zone nach der Gasfreisetzung
Sekundärluft in die brennbaren Gase einzudüsen und gut zu vermischen um anschliessend
die Gase vollständig zu verbrennen. Durch die Trennung von Primär- und Sekundärluft kann
zudem die Leistung begrenzt und über längere Dauer konstant gehalten werden, was bei oberem
Abbrand kaum möglich ist. Die Geometrie zwischen Gasfreisetzung und Sekundärluft bleibt dabei
während des Abbrands erhalten, während bei oberem Abbrand die Zone der Gasfreisetzung während
des Abbrands nach unten wandert und es somit nicht in gleicher Art möglich ist, Sekundärluft
am genau richtigen Ort einzudüsen. 

Primär: Luftstufung und Brennstoffstufung. Funktion Luftstufung unter d) erläutert.
Sekundär: Eindüsung eines Reduktionsmittels, in der Regel Ammoniak (NH3) oder Harnstoff.
Reaktion am Beispiel von NH2 das aus NH3 oder Harnstoff freigesetzt wird: NO + NH2 -> N2 + H2O
Variante 1: nicht-katalytisch (SNCR) bei ca. 850°C, Variante 2: Katalytisch (SCR) bei T ca. 200°
bis 300°C.

 Luftstufung = Gestufte Verbrennung mit Primärluftzahl < 1 zur Umwandlung von Brennstoff-N
zu N2 (chemische „Reduktion“ statt Oxidation von N) und anschliessende Luftzugabe zur Oxidation
der Gase mit Luftüberschusszahl > 1. Reaktion wie bei b), wobei jedoch NO und NH2 aus dem
Brennstoff-N stammen.
Zwischen der Primärluftzugabe und der Sekundärluftzugabe sind eine ausreichend lange Verweilzeit
von > 0,3 s und eine hohe Temperatur von > 1100°C notwendig, damit der N-Abbau effizient
erfolgt und somit eine NOX-Reduktion von > 50% resultiert. Es braucht also eine sogenannte
„Reduktionszone“ oder Reduktionskammer zwischen Primärluft und Ausbrandluft.

Schema pendent. Einzelne Komponenten sind im Skript abgebildet. Zu ergänzen: Bei
Luftstufung ist die Sekundärluft spät (weit hinten) vorzusehen und anschliessend die Nachbrennkammer,
im Aufbau ist dazu eine gegenüber normalen Feuerungen zusätzliche Zone
notwendig. Der Luftüberschuss vor Sekundärluft beträgt ungefähr 0,7, nach Sekundärluft um 1,5.
Die Temperaturen sollte vor Sekundärluft ungefährt 1’150°C betragen, nach Sekundärluft wird sich
eine ähnlich hohe oder leicht tiefere Temperatur einstellen. 

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Zum Starten der Feuerung aus kaltem Zustand wird ein
Anzünden von oben mit einem „Anfeuermodul“ empfohlen. Dazu wird auf eine geeignete Menge
Hartholz fein gespaltenes Nadelholz geschichtet, das wiederum mit etwas wachsgetränkter Holzwolle
entzündet wird. Die nach dem Anzünden sichtbare Flamme sollte dabei weder an darüberliegendem
Holz noch an kalten Feuerraumwänden gekühlt werden und sich kontinuierlich ausbreiten. Die
Leistung steigt nach dem Anzünden langsam an und die sonst oft auftretenden Nachteile werden
vermieden, nämlich Auftreffen der Flamme an kalten Holzscheitern und an Feuerraumwänden sowie
eine überhöhte Leistungsfreisetzung nach dem Anzünden mit Luftmangel im Feuerraum. Im Weiteren
muss aber auch sichergestellt werden, dass der Feuerraum nicht überfüllt wird, da der Leerraum über
dem Holzfeuer in der Regel auch als Brennkammer dient. Im Weiteren darf die Luft nicht oder nicht zu
stark gedrosselt werden. Allerdings ist auch eine unnötig grosse Luftzufuhr mit entsprechend hohem
Luftüberschuss und kalter Flamme nachteilig. Aus all diesen Gründen zeigt sich, dass moderne
Holzöfen ideal betrieben emissionsarm sind, aber gleichzeitig ein grosser Betreibereinfluss und eine
erhebliche Zufälligkeit im Abbrand besteht. Nebst der Holzart und der Bedienung haben auch die
äusseren Bedingungen wie Temperatur- und Windverhältnisse einen unberechenbaren Einfluss auf
den Abbrand. 

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Holzöfen mit oberem Abbrand (einstufige Verbrennung)
-Kurze Verbrennungsphase mit hoher Leistung.
- Optimales Anzünden und Verwendung von geeignetem Holz (trocken und Grösse angepasst) --> geringe Emissionen

Stückholzkessel mit unterem Abbrand (zweistufige Verbrennung)
-eine Zone Feststoffvergasung mit Primärluft, eine darauf folgende Nachbrennkammer mit Sekundärluft für den Gasaubrand, sowie eine anschliessende Zone zur Wärmeabgabe. 
- Bei unteren Abbrand nimmt nur die unterste Schicht des im Füllschacht eingebrachten Brennstoffs momentan an der Verbrennung teil. Dadurch wird der Abbrand auf eine längere Zeitdauer mit geringerer Leistung ausgedehnt. 

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Wirkungsgrade: Konventionelles Kraftwerk: Starke Grössenabhängigkeit, da dp und dT nur für
grosse Anlagen sehr hoch werden (vielstufige Turbinen, Vakuum für Gegendruck) und die spezifischen
Verluste nur für grosse Anlagen gering werden. Holzgas-Kombikraftwerk: Der Einfluss der dp
und dT im Dampfteil kann verringert werden, dank Vorschaltung der Gasturbine wird auch für „kleine“
Leistungen ein hoher Wirkungsgrad möglich. Grössenordnungen Für 25 MWe:
Konventionelles Dampfkraftwerk: 30% elektrisch, Holzgas-Kombikraftwerk 40% elektrisch.
Im T,s-Diagramm für das Kombikraftwerk ist erkennbar: Der Wirkungsgrad des Kombikraftwerks ist
deutlich höher als der einer reinen Dampfturbine, weil die mittlere Temperatur der Wärmezufuhr höher
ist (Carnot-Vergleichsprozess: Obere Temperatur wird höher). Im Vergleich zu einer reinen Gasturbine
ist der Wirkungsgrad höher, weil die Leistung der im Temperaturbereich darunter angeordneten
Dampfturbine zusätzlich anfällt (Umwandlung der Abwärme in Kraft).
Im T,s-Diagramm ist nur der Wirkungsgrad der Umwandlung von „in geeigneter Form verfügbarer“
Wärme in Arbeit erkennbar. Davor müssen die Umwandlungswirkungsgrade von Brennstoff zu
„Wärme in geeigneter Form“ berücksichtigt werden. Dies sind:

Dampfkraftwerk: Umwandlung von Holz zu Heissgas und daraus zu Dampfleistung:
ηe = ηK ηt
Kesselwirkungsgrad ηK von Holz zu Heissgas (99%) und daraus zu Dampf (85%) somit ηK = 84%.

Holzgas-Kombikraftwerk:
1. Umwandlung von Holz zu Holzgas (80%) und daraus zu Wärme in der Gasturbine (99%)
2. Umwandlung der Abwärme zu Dampf (85%)
ηe = ηVergasung ( ηt Gasturbine + ( 1– ηt Gasturbine) ηK ηt Dampfturbine )

 Was ist der Unterschied zwischen einer autothermen und allothermen Vergasung?
Autotherm: Interne Wärmefreisetzung durch partielle Verbrennung im Reaktor.
Allotherm: Wärmezufuhr von aussen durch Beheizung des Reaktors oder durch Zugabe von
erwärmten Sand in den Reaktor.

 Nennen Sie zwei technische Ausführungen von allothermen Reaktoren.
- Festbettpyrolyse mit Wärmeübergang, z.B. beheizter Schneckenreaktor.
- Wirbelschichtvergasung durch Zuführung von in externer Verbrennungswirbelschicht erhitztem Sand,
also einer Zweibettwirbelschicht (zwei kommunizierenden, zirkulierenden Wirbelschichten). 

 Welches Vergasungsmedium und welchen Vergaserbetrieb (auto- oder allotherm) schlagen Sie vor
zur Herstellung von Methan?
In Methan (CH4) ist der H-Anteil viel höher als in Holz. Aus diesem Grund ist eine Vergasung mit Wasserdampf
oder mit Wasserdampf angereicherter Luft sinnvoll, weil durch Zufuhr von H im Vergasungsmedium
der Anteil von H2 im Produktgas erhöht wird und somit näher an das zur Herstellung von
Methan gewünschte herankommt. Beispielhaft:
Die Vergasung von Holz ergibt als Ausbeute an CO und H2 (also nebst CO2, H2O und N2) ungefähr:
Vergasung mit Luft: CO + H2 und somit nach der Methansynthese: 0.5 CH4 + 0.5 CO
Vergasung mit H2O: CO + 2 H2 und somit nach der Methansynthese: CH4
Die Vergasung mit Wasserdampf ist nicht autotherm möglich, sondern muss allotherm erfolgen, wozu
am ehesten eine Zweibettwirbelschichtvergasung mit Verbrennung des Kokses im zweiten Bett zum
Einsatz kommt

Funktionsprinzip einer zweistufigen Vergasung und was ist die Besonderheit des Gases?
Biomasse wird pyrolysiert zu Gas (mit gasförmigem Teer) und Koks (C), Gasfraktion mit Teer wird zu
CO2 verbrannt und anschliessend zur Reduktion des Kokses zu CO verwendet. Da die Teere zu CO2
oxidiert werden und der Koks keine organischen Substanzen mehr enthält, kann theoretisch ein nahezu
teerfreies Gas produziert werden. Eine motorische Nutzung ist damit problemlos möglich (als Anwendung
etwa der gestuften Festbettvergasung DTU), in Grossanlagen kann die gestufte Vergasung
auch als Ausgangsverfahren zur Synthese weiterer Verbindungen dienen (z.B. Fischer-TropschTreibstoffe
beim Carbo-V-Verfahren). 

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Primäreneergie: Energiequellen, die zur Verfügung stehen (Kohle, Erdgas, Wind, Sonne)
Direkt genutzte Primärenergie wird in Energiestatistiken oft nicht erfasst oder nur geschätzt. Dies betrifft vor allem Sonne, Wind, Erdwärme, Umgebungswärme, Holz und Biomasse

Sekundärenergie: Wird durch Energieumwandlung und Raffination erzeugt (Strom, Wasserstoff). Leichterer Transport (Benzin, Brickets). Kann oft nicht genau von Endenergie unterschieden werden.

Endenergie: Handelbares Gut, welches der Verbraucher direkt nutzt (Elektrizität, Benzin, Heizöl). Der Endenergieverbrauch ist kleiner als der Primärenergieverbrauch und er sagt aus, wie effizient Endenergie in Nutzen umgewandelt werden kann. 

Biomasse: Ressourcenpotenzial aller biogener Stoffe, was Primärenergie entspricht. Werden jedoch 100 Tonnen Biomasse zum Kraftwerk geliefert, ist dies Endenergie.
Heizöl, Diesel und Waldhackschnitzel sind Endenergieträger.
Wasserstoff wird dagegen meist als typischer Sekundärenergieträger bezeichnet. Wenn Wasserstoff jedoch für Endkunden verfügbar gemacht wird, wäre der verkaufte Wasserstoff mit Benzin und Diesel als Endenergie gleichzustellen. 
Heizwärme ist Nutzenergie

Aus logistischen und vor allem fiskalischen Grünen. Diesel und Benzin unterstehen einer Mineralölsteuer, Heizöl nicht, obwohl Heizöl EL chemisch praktisch identisch ist mit Diesel. Die ungleiche steuerliche Behandlung ist aus ressourvenökonomischer Sicht fragwürdig, da der wirtschaftliche Vorteil zur Einsparung von Heizöl viel geringer ist als der Anreiz zu Einsparung von Treibstoffen. Steuerpolitisch ist es jedoch gerecht, die Kosten des Verkehrs zumindest teilweise über den Treibstoffpreis zu erheben.

Der Begriff sollte nicht verwendet werden, da der physikalisch keinen sinnvolle Abgrenzun erlaubt. Sinnvoll ist erneuerbare und nicht erneuerbare Energie. 

Ethanol<Heizöl<Holz<Steinkohle<Braunkohle

Wenn die fossilen Ressourcen vollständig verbraucht werden, kann der CO2 Anstieg durch Sequestierung auf ein tieferes Niveau reduziert werden. Dies ist aber mit finanziellem und energietischem Aufwand verbunden und nicht 100% sicher, ausserdem ist die politische Realisierung und Zuständigkeit unklar und analog zu Enlagerung radioaktiver Abfälle ungelöst, sowie eine finanzielle und potenziell ökologische Belastung für folgende Generationen. Das Gleiche gilt aber auch für die CO2 Endlagerungen in der Atmosphäre.

Vorteile: bei grossen Massenströmen an C undbei hohen Ausgangkonzentrationen an CO2. Beides ist bei Kohlekraftwerken gegeben. 

Nachteile: Aufwand erhöht den Primärenergieverbrauch erheblich. Nur die endlagerung in Karbonatform kann wohl als wirklich sicher und unbedenklich gelten, während für die Endlagerung in Form von CO2 das Risiko einer späteren Freisetzung besteht. 

Die Anfangskonzentration ist mit ca 0.04 Vol% viel geringer, der technische und energetische Aufwand für die Aufkonzentrierung damit ungleich höher.

Sequestierung wäre fpür solche Prozesse viel effektiver, bei denen CO2 bereits in sehr hoher Konzentration (>95Vol%) anfällt und heute in die Atmosphäre geleitet wird. 
Dies trifft bei der ehanolproduktion zu, bei der flüssiges Ethanol und gasförmiges CO2 entsteht. Die ergie-intensice Abtrennung des CO2 entfällt somit! Daneben besteht Biogas hauptsächlich aus Methan und CO2. Wenn Biogas zu Erdgas-Qualität aufbereitet wird, könnte das ohnehin abzutrennende CO2 abgetrennt und eingelagert werden. Mengenmässig sind diese Ströme heute unbedeutend, langfristig bieten sie die Möglichkeit einer kontinuirlichen Dekarbonisierung der Atmosphäre durch Nutzung von Biomasse.

Der prozentuale Gewinn der Trocknung ist auch ersichtlich durch die Bestimmung des Heizwerts bezogen auf die trockene Biomasse. 

Diagramm

Der Abgasmassenstrom wird deutlich verringert. Dadurch verringern sich Leistung und Stromverbrauch des Abgasventilators sowie dei Apparatedimensionen der Agasreinigung. Allerdings steigt auch die Verbrennungstemperatur und somit die thermische Belastung des Feuerraums an. 

Der Trockner mit Abgaswärme vor dem Dampfkessel ist im verlustfreien Fall ein Nullsummenspiel.