Mit Holzvergasung Kohle machen

Kompakt informieren

• Die ersten Hersteller von Holzvergaser-KWK-An­lagen produzieren bereits in Kleinserien.
• Die Wirtschaftlichkeit der Holzvergasung ist u.a. stark von der örtlichen Verfügbarkeit im EEG günstig bewerteter Brennstoff(gemische) abhängig.
• Neben der Wärmenutzung können durch den Verkauf des „Abfallprodukts“ Holzkohle zusätzliche ­Erträge erwirtschaftet werden.
• Mit Kleinstanlagen ist zurzeit ein wirtschaftlicher Betrieb nur unter besonderen Voraussetzungen möglich.

„Früher waren unsere Tagungen brechend voll, in den letzten Jahren haben sich die Reihen gelichtet.“ Dieter Bräkow, Fördergemeinschaft Erneuerbare Energie, Berlin, ist trotz der vergleichsweise geringen Resonanz auf die Tagung „Kleine und mittlere Holzvergasungs-KWK-Anlagen“ im Rahmen der Renexpo Ende September 2012 guten Mutes: „Wir sind in einer Phase vorsichtiger Etablierung; die Anzahl der Entwickler, Hersteller und Anbieter von Biomasse-Holzvergasungs-KWK-Anlagen hat deutlich zugenommen.“

Für das Jahr 2012 sei mit einer weiteren Steigerung der installierten Anlagen zu rechnen. Während in den Jahren 2008 bis 2010 jährlich weniger als 50 Biomassevergasungs-KWK-Anlagen in Betrieb gingen, waren es 2011 bereits mehr als 150. Für das Jahr 2012 wird mit über 300 Anlagen gerechnet. Aktuell sind rund 70 Anbieter am Markt, so Bräkow. Wichtig sei, die leidigen Themen Teer und Staub mithilfe neuer Verfahren in den Griff zu bekommen. Bräkow fordert die Branche auf, sich nicht nur auf die Holzvergasung und die anschließende Verstromung zu konzentrieren, sondern auf die gesamte Prozesskette. Dazu gehöre auch, die Wärme aus dem Vergasungsprozess zusätzlich zur BHKW-Abwärme zu nutzen. „Die Wärmenutzung ist ein wesentlicher Teil des Holzver­gasungsprozesses“, betont Bräkow.

Dauerbetrieb erweitert Kundenkreis

Der entscheidende Unterschied heutiger Anlagen im Vergleich zu Aggregaten aus der Zeit vor 2010 sei der Dauerbetrieb durch die verbesserte thermochemische Holzvergasung. Dadurch werde es möglich, einen größeren Kundenkreis anzusprechen und höhere Stückzahlen zu produzieren. Zum Beispiel ging bei Spanner-Re2, Neufahrn, vor Kurzem die 100. Anlage der ­Kategorie 30 bzw. 45 kW_el an den Kunden Abb. 1 . Die Firma Burkhardt in Mühlhausen hat mehr als 55 Anlagen der 180-kW_el-Klasse installiert.

Viele Anbieter im Leistungsbereich zwischen 75 und 250 kW_el könnten derzeit mit fünf bis 25 installierten Anlagen aufwarten. Ausdrücklich lobte Bräkow die Betreiber, die sich noch in der Entwicklungsphase der Holzvergaser-KWK-Anlagen für die neue Technologie entschieden hatten, obwohl sie wussten, dass der Betrieb mit einem hohen persönlichen Einsatz verbunden ist. Jetzt sei es wichtig, das verbesserte Image zu wahren. Beispielsweise sollte nur Biomasse verwertet werden, die nicht durch andere Verfahren besser genutzt werden kann. Anstatt Premium-Holz müsse man auch Biomasse wie Straßenbegleitgrün nutzen Abb. 2. Gleichzeitig warnte Bräkow davor, bei der Wirtschaftlichkeit nur auf das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) zu setzen. Die Betreiber müssten künftig auch die Direktvermarktung des Stroms mit ins Kalkül ziehen.

Aus Teer- und Benzolwerten lernen

„Unser Ziel ist die Entwicklung einer marktfähigen Anlage in zwei bis drei Jahren sowie einer Anlage mit 2 MW elektrischer Leistung bis 2017.“ Reinhold Egeler, Stadtwerke Rosenheim, sieht derzeit noch ein großes Technologiegefälle zwischen Anlagen kleinerer Leistung und Großanlagen. Wichtig sei, die Teer- und Benzolwerte zu reduzieren, denn grüner Strom aus nachwachsenden Rohstoffen mit einer hohen Konzentration an kanzerogenen Stoffen im Produktgas sei der Bevölkerung nicht zu vermitteln.

Die Stadtwerke Rosenheim haben deshalb gemeinsam mit der Hochschule Weihenstephan-Troisdorf im Auftrag des Bayerischen Staatsministeriums für Ernährung, Landwirtschaft und Forsten eines der größten Messprogramme mit Holzvergasungsanlagen durchgeführt. Hierbei ging es darum, mögliche Zusammenhänge zwischen Betriebsparametern, Einsatzstoffen, den resultierenden Gaswerten sowie den Teer- und Benzolwerten aufzudecken. Insbesondere interessierte die Frage: Gibt es eine Korrelation zwischen den Teer- und Benzolwerten sowie zwischen Benzol und Methan? Kann von der Methankonzentration auf Benzol und weiter auf Teer geschlossen werden?

Die Auswertung der Messdaten (Teer, Benzol, Permanentgase) aus 14 verschiedenen Verfahrenskonzepten bestätigt, dass eine Korrelation zwischen Benzol und Methan als Leitsubstanz zu Teer besteht. Die Nachweisführung ist allerdings sehr aufwendig und damit teuer.

Wichtig sei, so Egeler, den Ausstoß unverbrannten Gases im Verbrennungsmotor durch die Minderung des „Motorschlupfes“ so weit wie möglich zu senken. Bislang sei es aber nicht gelungen, einen Emissionsgrenzwert von 1 mg/m³ Produktgas ohne Katalysator einzuhalten. Ein erfreuliches Ergebnis der Messungen sei das hohe technologische Niveau einzelner Anlagenkonzepte. Allerdings habe man bei den Untersuchungen auch ein großes Gefälle bezüglich Technologie und Umweltschutz festgestellt.

Eher Bauchgefühl und weniger Ratio

Wie bei vielen neuen Technologien im Bereich der erneuerbaren Energien werden auch die Käufer von Holzvergasungs-KWK-Anlagen eher von ihrem Bauchgefühl und weniger von der Ratio geleitet. „Die Entscheidung ist oft sehr emotional“, gibt Christian Wilhelm, Fördergesellschaft Erneuerbare Energien, unumwunden zu. Da in Zukunft mit sinkenden EEG-Vergütungen gerechnet werden müsse, seien höhere Einnahmen durch den Verkauf von Wärme notwendig. Wichtigste Einflussfaktoren auf die Wirtschaftlichkeit seien Brennstoffkosten, Investitionskosten, Wärmenutzungsfaktor, Wirkungsgrad und Jahres-Vollbenutzungsstunden. Schon eine Absenkung der EEG-Grundvergütung auf 13 Ct/kWh_el könne zu Verlusten führen, selbst bei 80 % Wärmenutzung Abb. 3.

Bei den Brennstoffen könnten beispielsweise durch den Wechsel in eine andere Einsatzstoffversorgungsklasse (ESVK) höhere Einnahmen erzielt werden. Ein Wechsel von ESVK I, wie Getreide, Gras, Holz aus Kurzumtriebsplantagen (KUP), Rinde und Restwaldholz, zu ESVK II – dazu zählen Baum- und Strauchschnitt, Holz aus KUP, Landschaftspflegematerial und Straßenbegleitgrün – bringe beispielsweise höhere EEG-Einnahmen bei geringeren Brennstoffkosten aber auch einen höheren Aufwand mit sich. Auch durch die Bereitstellung von negativer Regelenergie sowie der Direktvermarktung von Strom könnten die Einnahmen gesteigert werden.

Dr. Annett Pollex vom Deutschen Biomasseforschungszentrum, Leipzig, ergänzt: Holzartige Biomasse kann nur eingesetzt werden, wenn diese nicht als Abfallstoff deklariert ist. Bei der Nutzung von Landschaftspflegeholz für die thermochemische Vergasung müsse zudem auf die Einhaltung der prozessbedingten Korngrößenklassen geachtet werden. Je nach Herkunft des Landschaftspflegeholzes sei mit größeren Anteilen Rinde (= Asche) und Schwermetallen zu rechnen. Anhaftende Verschmutzungen, Sand und Erde steigern die Verschlackung, anhaftendes Streusalz vom Winterdienst könne die Korrosion im Kessel beschleunigen. Die Vergasung minderwertiger Materialien berge zudem die Gefahr, die in der Bevölkerung mühsam aufgebaute Reputation der Holzvergasung zu gefährden.

Kleinanlagen nur für „Verrückte“

Typisch für die aktuelle Marktentwicklung ist einerseits die starke Präsenz an Pionieren, die – meist ohne große Ansprüche an die Wirtschaftlichkeit – Prototypen von Holzvergasungs-KWK-Anlagen aus marktgängigen Komponenten zusammenbauen. Auf der anderen Seite wächst das Angebot an industriell gefertigten Serien­produkten, deren Wirtschaftlichkeit jedoch noch weitgehend auf Förderprogrammen beruht. Dabei darf nicht verkannt werden, dass die Holzvergasungs-Pioniere wichtige Impulse zur Verbesserung des Gasprozesses gesetzt haben und mit ihrem Idealismus die Renaissance einer zuletzt in den 1940er- bis 1950er-Jahren populären Technik einleiteten Abb. 4.

Zu solch einer Gruppe von „Holzvergaser-Verrückten“ gehört die Arge Holzgas in Oberösterreich, die auf der Basis von Serienkomponenten Prototypen von Holzvergasungs-KWK-Anlagen baut und selbst betreibt (für Eigenbau-Anlagen gibt es in Österreich keine Förderung). Die erste Herausforderung dabei ist meist, eine Genehmigung für die Aufstellung der Anlage sowie für die Einspeisung von selbsterzeugtem Strom zu bekommen.

Johann Wolfmair, einer der „Verrückten“, der von der „Seuche Holzvergasung“ angesteckt ist, über seine Erfahrungen beim Bau und Betrieb einer 9-kW_el/30-kW_th-Holzvergasungs-KWK-Anlage für die Beheizung eines 500 m² großen Dreifamilienhauses im Mühlviertel in Oberösterreich:

• Die Anlage erreicht einen elektrischen ­Wirkungsgrad von 25 bis 28 %.
• Das Hoch- und Niederfahren der Anlage ­innerhalb von 5 bis 10 min ist problemlos möglich.
• Ohne Anerkennung als Ökostromanlage und angemessene Vergütung des eingespeisten Stroms ist keine Wirtschaftlichkeit erreichbar.
• Für Holzvergasungsanlagen gibt es seitens der Behörden oftmals noch keine rechtlichen Grundlagen und damit auch keinen Anspruch auf Stromeinspeisung. Wolfmair musste deshalb von der ursprünglich geplanten 20-kW_el/60-kW_th-Anlage ­abrücken, da er nur eine Genehmigung für eine 9-kW_el/30-kW_th-Anlage bekam.
• Trockenes Hackgut ist Voraussetzung für einen stabilen Vergasungsprozess.

Der von Wolfmair gebaute Holzvergaser arbeitet nach dem Gleichstromprinzip. Voraussetzung für ein teerarmes Gas ist eine Reaktionstemperatur von über 1200 °C. Diese Temperatur kann nur bei Volllast gehalten werden, deshalb ist kein Teillastbetrieb möglich. Die Anlage (rund 10000 Euro Materialkosten bei überwiegendem Einsatz gebrauchter Komponenten) ist seit 2006 in Betrieb und hat bisher über 2000 Betriebsstunden erreicht. Sie wurde mehrfach umgebaut und verbessert und ist wie folgt aufgebaut:

• Der Vier-Takt-Ottomotor treibt einen ­Asynchrongenerator im netzparallelen ­Betrieb an.
• Die Verbrennungsgase werden durch einen handelsüblichen 3-Wege-Katalysator nachbehandelt.
• Die Abwärme des Holzvergasers und des Verbrennungsmotors wird über einen Pufferspeicher (400 l) dem Heizungssystem zugeführt. Die Abwärme aus dem nach­geschalteten Brennwert-Abgaswärme­übertrager wird in den Heizungsrücklauf eingespeist.
• Bei zu geringer Wärmeabnahme und vollgeladenen Pufferspeichern geht die Anlage außer Betrieb. Die Jahresbetriebszeit lässt sich durch die Auskopplung der Wärme für Hackgut- oder Heutrocknungsanlagen verlängern.
• Überschüssiger Strom wird in das öffentliche Netz eingespeist. Der erzeugte Strom wird mit 12 bis 16 Ct/kWh vergütet (Ökostromgesetz von 2004). Die Vergütung ist abhängig von der Zusammensetzung des Hackgutes, z.B. für Sägewerksabfälle 12 Ct/kWh, für Waldhackgut 16 Ct/kWh.

Der stark schwankende Marktpreis für Holzhackgut macht die reine Stromerzeugung mit diesem Verfahren, Zitat Wolfmair, „nahezu unrentabel“. Mit dem Aufkommen indus­triell gefertigter Holzvergasungs-KWK-Anlagen kleiner Leistung dürfte die Genehmigung von Selbstbauer-Anlagen künftig schwieriger werden.

Neuausrichtung der Landnutzung

Für Sepp Braun, Biolandbauer aus Freising, bedeutet der Einbau einer Holzvergasungs-KWK-Anlage die konsequente Weiterentwicklung der Landnutzungssysteme ohne künstliche Trennung von Landwirtschaft, Forstwirtschaft und Gartenbau. Seit 2009 läuft auf dem Biobauernhof eine Anlage von Spanner-Re2 mit einer Leistung von 30 kW_el und 66 kW_th. Die zu 100 % wärmegeführte Anlage liefert Wärme für die Heutrocknung, für die Trocknung der Hackschnitzel, die Trinkwarmwasseranlage für die Käserei, den Stall und das Wohnhaus sowie für die Heizung des Wohnhauses.

Die Anlage kommt dadurch auf eine Jahresbetriebszeit von rund 5000 h. Braun nutzt vornehmlich Hackschnitzel aus Strauchschnitt sowie Waldhackschnitzel, für die er etwa 25 Euro/m³ bezahlt. Wichtig sei ein Häckselmaterial mit einem Wassergehalt von unter 15 %. Der Vergasungsprozess des Spanner-Aggregates ist so optimiert, dass teerfreies Gas für die Verstromung zur Verfügung steht.

Braun nutzt die entstehende Holzkohle zusammen mit Kompost zur Verbesserung der Bodenfruchtbarkeit. Besonders wichtig für einen störungsfreien Betrieb sei die Qualität der Hackschnitzel. Sie müssen sehr gleichmäßig gehackt und frei von Dreck, Sand und Steinen sein. Nur so könne die anfallende Holzkohle optimal als Bodenverbesserer genutzt – oder noch besser – für gutes Geld verkauft werden. Die Nachfrage nach reiner, hochwertiger Holzkohle sei in den letzten Jahren enorm gestiegen und inzwischen eine wichtige Einnahmequelle. Die Holzvergasungs-KWK-Anlage kann jeden ersten Montag im Monat nach vorheriger Anmeldung besichtigt werden ( https://biolandhofbraun.de/ ).

Holzkohle wertvoller als Strom

„Mit unserer Vergasungstechnik können wir den Brennstoff Holz gleich dreifach nutzen.“ Hans Söhl, Soehlmetall, Obertaufkirchen, ist überzeugt, dass die Erfolgsgeschichte der Holzvergasung erst am Anfang steht. Mindestens genauso wichtig wie die Erzeugung von Strom aus der Vergasung von Holzabfällen und Häcksel­material sei die Gewinnung reiner Holzkohle, für die inzwischen ein lukrativer Abnehmermarkt mit Wartezeiten bestehe.

Voraussetzung für reine Holzkohle ist eine gute Brennstoffaufbereitung sowie eine gestufte kontrollierte Vergasung, denn nur so werde die Bildung von Teer und anderen Schadstoffen vermieden. Der Festbettvergasung erteilt Soehl eine Absage. Sie sei nicht entwicklungsfähig, da dort die Prozesse eher zufällig ablaufen. Außerdem sei die historisch aus dem Fahrzeugbetrieb kommende Entwicklung nicht skalierfähig.

Entwicklungsziel von Soehlmetall ist eine gestufte Vergasung, mit den Prozessstufen Brennstoffaufbereitung (sieben, trocknen), Pyrolyse, Oxidation, Reduktion, Entstaubung, Filtration, Gastrocknung und KWK-Anlage. Trocknung und Pyrolyse erfolgen in einem extern beheizten Schneckenförderer bei ansteigenden Temperaturen von 100 bis 500 °C. Anschließend werden die Pyrolysegase in einem Gasraum oxidiert und durch Pyrolysekohle reduziert. Typische Problemfelder, wie Gastrocknung und Teerabscheidung, werden durch eine luftgekühlte Kondensationsstrecke ausgelagert. Dieser Verfahrensablauf arbeite bisher ohne gravierende Mängel, betont Soehl. Wichtig sei die Bauteiloptimierung durch höherwertigere Materialien. Dadurch könne die Brennstoffauswahl erweitert und der Holzkohleertrag gesteigert werden.

Holzvergasung bleibt Nischenprodukt

„Holzvergasungs-KWK-Anlagen werden ein Nischenprodukt bleiben, aber die Technik hat inzwischen ihren Platz im Markt gefunden.“ Auch Walter Schätzl, Holzenergie Wegscheid, ist überzeugt, dass die Branche die Pionierphase hinter sich hat und zu größeren Stückzahlen übergehen kann. Schätzl: „Das waren zum Teil grausame Erfahrungen, die wir während der Pionierzeit gemacht haben.“ Aktuell habe das Unternehmen zehn Anlagen der Leistungsklasse 125 kW_el und 230 kW_th am Laufen.

Im Gegensatz zu anderen Unternehmen setzt Holzenergie Wegscheid auf den Gleichstrom-Festbett-Vergaser. Die Geometrie des Vergasers sei so gestaltet, dass Teere bereits im Vergaser gecrackt werden. Ein spezieller Heißgasfilter ermögliche die Umwandlung von Kohlenstoffrückständen und die Filtration von Staub und Asche. Die Abwärme aus dem Holzgaskühler wird zur Trocknung der Hackschnitzel verwendet, deren Feuchtegehalt unter 10 % liegen sollte.

Gute Erfahrungen hätte man mit Birkenholz-Hackschnitzel gemacht, da die Rinde dünn und deshalb der Schadstoffanteil gering sei. Nicht geeignet sei Eichenholz; Hackschnitzel aus Fichte, Kiefer, Tanne und Buche seien für den Vergasungsprozess zu teuer. Für Schätzl ist die negative Bewertung von Abfallholz bei der Stromvergütung nicht nachvollziehbar. Gemäß dem EEG 2012 beträgt die Grundvergütung 14,30 Ct/kWh, zuzüglich eines Bonus für die entsprechende Einsatzstoffversorgungsklasse (ESVK). Für Waldhackschnitzel (ESVK I) werden 6 Ct/kWh_el, für Miscantuspellets, Pferdemist- und Strohpellets (ESVK II) 8 Ct/kWh_el bezahlt. Werde jedoch Pferdemist mit Sägemehl vermischt, sei das Abfall und damit nicht bonusfähig, ebenso Holz aus Abbruchmaterial. Hier seien Lobbygruppen aktiv, die eine energetische Verwertung von Holzabfällen, Bauholz und Paletten verhindern, so Schätzl.

Fazit

Der Markt für Holzvergasungs-KWK-Anlagen ist in Bewegung. Die Zeit der Pilotanlagen ist vorbei; vermehrt werden Kleinserien aufgelegt Abb. 5. Typische Probleme wie hoher Benzol- und Teergehalt im Brenngas werden heute durch eine bessere kontrollierte Vergasung minimiert. Voraussetzung für einen wirtschaftlichen Betrieb ist in jedem Fall die Nutzung der Abwärme aus dem Vergasungsprozess sowie die Motoren- und Abgaswärme. Je nach Vergasungsverfahren und Qualität des Brennstoffes lässt sich die anfallende Holzkohle gut bis sehr gut vermarkten und damit weitere Erlöse erzielen. Trotz der erzielten Fortschritte schätzt die Branche ihren erreichten Standard noch als stark entwicklungsfähig ein.•

Energie aus Holzvergasung

Am 21. Dezember 2012 berichtete auch das Bayerische Fernsehen in dem Magazin für Landwirtschaft und Umwelt „Unser Land“ über die Wiederentdeckung der Holzvergasertechnik zur Erzeugung von Strom und Wärme. Die Informationen aus dem Filmbetrag hat der Sender in einem Artikel online veröffentlicht: http://www.bit.ly/br-holzvergasung

ist freier Fachjournalist für Technische Gebäudeausrüstung, München, wsm@tele2.de