tung der technischen Trocknung von Holzhackschnitzeln

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ifeu Institut für Energieund Umweltforschung
Heidelberg GmbH
Vergleichende ökologische Bewertung der technischen Trocknung
von Holzhackschnitzeln
für den Arbeitskreis HolzHackschnitzel im Bundesverband BioEnergie e.V.
Regine Vogt
Horst Fehrenbach
ifeu - Institut für Energie- und Umweltforschung Heidelberg GmbH
Wilckensstr. 3, D – 69120 Heidelberg
Tel.: +49/(0)6221/4767-0, Fax: +49/(0)6221/4767-19
E-mail: [email protected], Website: www.ifeu.de
Heidelberg, Oktober 2010
Ökologischer Vergleich technische Trocknung Holzhackschnitzel
Seite 1
Inhaltsverzeichnis
1
Aufgabenstellung und Vorgehen
3
2
Ökologischer Vergleich der Nutzung von dezentraler KWK-Wärme
3
2.1
2.2
2.2.1
2.2.2
2.2.3
Systemraum und Vorgehen
Ergebnisse
Standardvergleich
Sensitivitätsbetrachtungen
Effizienzbetrachtung
4
9
10
12
15
Ökologischer Vergleich von technischer und Naturtrocknung von
Holzhackschnitzeln
16
Ergebnisse
Standardvergleich
16
19
20
23
4
Zusammenfassung
26
5
Literatur
29
6
Anhang – Wirkungskategorien und Indikatoren
31
3
3.1
3.2
3.2.1
3.2.2
Abbildungsverzeichnis
Abbildung 1 Systemraum des ökologischen Vergleichs „Nutzung 1 kWh KWKWärme zur Trocknung von Holzbrennstoffen“ ................................................ 5
Abbildung 2 Ergebnisse des ökologischen Vergleichs „Nutzung 1 kWh KWKWärme zur Trocknung von Holzbrennstoffen“ .............................................. 11
Abbildung 3 Ergebnisse Sensitivitäten des ökologischen Vergleichs „Nutzung
1 kWh KWK-Wärme zur Trocknung von Holzbrennstoffen“.......................... 14
Abbildung 4 Systemraum Varianten für den Vergleich verschiedener
Aufbereitungsverfahren für Holzhackschnitzel ............................................. 17
Seite 2
Tabellenverzeichnis
Tabelle 1
Tabelle 2
Tabelle 3
Tabelle 4
Tabelle 5
Tabelle 6
Tabelle 7
Tabelle 8
Tabelle 9
Tabelle 10
Tabelle 11
Tabelle 12
Tabelle 13
Tabelle 14
Tabelle 15
Rechenwerte für Trocknung und Feuerung von technisch
getrockneten Holzhackschnitzeln und Holzpellets.......................................... 7
Nach Heizwertgleichung (1) berechnete Heizwerte für
unterschiedliche Wassergehalte von Holzbrennstoffen.................................. 8
Ergebnisse des ökologischen Vergleichs „Nutzung 1 kWh KWKWärme zur Trocknung von Holzbrennstoffen“ in
Einwohnerdurchschnittswerten (EDW) ......................................................... 12
Rechenwerte technische und Naturtrocknung von
Holzhackschnitzeln ....................................................................................... 19
Ergebnisse Treibhauseffekt des ökologischen Vergleichs
technische und Naturtrocknung von Hackschnitzeln
(unterschiedliche Einheiten beachten).......................................................... 20
Ergebnisse kumulierter Energieaufwand (KEA) fossil des
ökologischen Vergleichs technische und Naturtrocknung von
Hackschnitzeln (unterschiedliche Einheiten beachten) ................................ 21
Ergebnisse PM10-Risiko des ökologischen Vergleichs technische
und Naturtrocknung von Hackschnitzeln (unterschiedliche
Einheiten beachten)...................................................................................... 21
Ergebnisse Inanspruchnahme Waldholz für den ökologischen
Vergleich technische und Naturtrocknung von Hackschnitzeln .................... 22
Sensitivitätsbetrachtung Treibhauseffekt ökologischer Vergleich
technische und Naturtrocknung von Hackschnitzeln –
Systemraum Variante A – Ergebnisse in kg CO2-Äq/t frische
Hackschnitzel................................................................................................ 24
Sensitivitätsbetrachtung Treibhauseffekt ökologischer Vergleich
technische und Naturtrocknung von Hackschnitzeln –
Systemraum Variante B – Ergebnisse in g CO2-Äq/kWh erzeugte
Wärme .......................................................................................................... 25
Sensitivitätsbetrachtung Inanspruchnahme von Waldholz
ökologischer Vergleich technische und Naturtrocknung von
Hackschnitzeln – Systemraum Variante B – Ergebnisse in kg
Holz/kWh erzeugte Wärme ........................................................................... 25
Charakterisierungsfaktoren für Treibhauspotenzial (nach IPCC
2007)............................................................................................................. 31
Charakterisierungsfaktoren für PM10-Risikopotenzial.................................. 31
Zur Berechnung der EDW verwendete Jahresgesamtfrachten
und -verbrauch in Deutschland und Belastung durch einen
Einwohner ..................................................................................................... 32
Bewertungsvorschlag des UBA (1999) zur ökologischen
Gefährdung und Abstand zum Umweltziel, weitere Einstufung
IFEU.............................................................................................................. 32
1
Seite 3
Aufgabenstellung und Vorgehen
In Deutschland waren zum Stand Ende 2009 rd. 4.300 Biogasanlagen in Betrieb. Angeregt durch den KWK Bonus nach dem Erneuerbare Energien Gesetz und der zunehmenden Schwierigkeit eines wirtschaftlichen Betriebs wird mittlerweile weitgehend versucht,
die bei der Biogasnutzung im BHKW ebenfalls entstehende Wärme zu nutzen. Allerdings
nutzen immer noch 9% der Biogasanlagen nur den Wärmeanteil der zur Beheizung des
Fermenters benötigt wird und ansonsten beschränkt sich die Nutzung meistens auf die
Beheizung der Privathäuser oder der betriebseigenen Wirtschaftsgebäude (72% der Anlagen). Nur 25% der Anlagen speisen darüber hinaus Wärme in ein Nahwärmenetz ein
und 15% verfolgen eine sonstige Nutzung, wobei es sich zumeist um Trocknungsverfahren handelt (FNR 2009). Nach geltendem Recht (EEG 2009) sind darunter v. a. die Gärresttrocknung und die Trocknung von Holzpellets förderwürdig. Die Trocknung von Holzhackschnitzeln ist nicht in der Positivliste des EEG (2009) aufgeführt. Allerdings ist die
technische Trocknung von Holzhackschnitzeln mit vielfältigen Vorteilen verbunden und
könnte eine weitere sinnvolle Anwendung für die überschüssige Wärme aus BiogasBHKW darstellen.
Üblicherweise werden Holzhackschnitzel derzeit naturgetrocknet. Im Gegensatz zur technischen Trocknung können dadurch aber nur Wassergehalte im Mittel von 30% erreicht
werden. Auch ist die Naturtrocknung mit Masseverlusten durch biologischen Abbau verbunden. Hinzu kommt, dass bei Einsatz von naturgetrockneten Hackschnitzeln in kleinen
und mittleren Feuerungsanlagen mit einem ungünstigeren Abbrandverhalten zu rechnen
ist, wodurch sich die Effizienz der Feuerung verringert. Auch führen höhere Wassergehalte tendenziell zu ungünstigerem Emissionsverhalten, v. a. hinsichtlich Geruchsemissionen
und Rußentwicklung. Ein weiterer Vorteil der technischen Trocknung liegt darin, dass mit
der homogenen Produktqualität erst eine planbare Logistik und Versorgung in größerem
Maßstab möglich wird.
Vor dem gegebenen Hintergrund werden im Rahmen dieser Studie zwei Fragestellungen
untersucht:
1) Ist die Nutzung von dezentraler KWK-Wärme wie z.B. Überschusswärme aus Biogasanlagen zur technischen Trocknung von Holzhackschnitzeln eine ökologisch
sinnvolle Anwendung?
2) Wie stellt sich die technische Trocknung von Holzhackschnitzeln gegenüber der
Naturtrocknung ökologisch dar?
Zur Beantwortung der genannten Fragen ist eine zweigeteilte Vorgehensweise erforderlich, da zum einen der KWK-Wärmeeinsatz im Mittelpunkt der Fragestellung steht und
zum anderen die Aufbereitung von Hackschnitzeln. Die beiden unterschiedlichen Fragestellungen werden nachfolgend getrennt untersucht.
2
Ökologischer Vergleich der Nutzung von dezentraler KWK-Wärme
Der ökologische Vergleich der Nutzung von dezentraler KWK-Wärme wird am Beispiel der
an Biogasanlagen anfallenden Überschusswärme untersucht. Grundsätzlich kämen auch
andere Quellen in Frage. Im gegebenen Zusammenhang stellen aber insbesondere Biogasanlagen einen interessanten Wärmelieferanten dar, da wie eingangs geschildert die
Seite 4
dort erzeugte Wärme bislang nicht umfassend genutzt werden kann. Vor dem Hintergrund
der derzeitigen Regelung im EEG (2009) ist hierbei insbesondere von Interesse, ob es
aus ökologischer Sicht Gründe gibt, die Trocknung von Holzpellets über den KWK-Bonus
zu fördern, die Trocknung von Hackschnitzeln aber nicht. Insofern wird insbesondere untersucht wie sich der Einsatz der Überschusswärme zur Trocknung der beiden genannten
Holzbrennstoffe auf die Umwelt auswirkt. Die funktionelle Einheit wird entsprechend mit
einer Kilowattstunde Wärme (1 kWh Wärme) festgelegt, die zur Trocknung der beiden
genannten Holzbrennstoffe eingesetzt wird.
Neben der Trocknung von Holzbrennstoffen kommen auch weitere Anwendungen in Frage wie die Trocknung von Gärrest oder die direkte Nutzung der Wärme über ein Nahwärmenetz. Diese Anwendungen werden nicht unmittelbar in den ökologischen Vergleich
einbezogen, da dies eine sehr umfassende Systemraumbetrachtung erforderlich machen
würde. Nach ISO 14040 und 14044 müsste jeglicher aus dem Wärmeeinsatz entstehender Nutzen durch Systemraumerweiterung berücksichtigt werden. Eine entsprechend umfassende Untersuchung ist im Rahmen dieser Studie nicht möglich. Allerdings wird in einer ergänzenden Betrachtung die Effizienz der Wärmenutzung, die bei der Trocknung der
Holzbrennstoffe gegeben ist, mit der Effizienz einer direkten Wärmenutzung über Nahwärmenetze verglichen.
2.1
Der im Rahmen dieser Studie betrachtete Systemraum für den Vergleich „Nutzung 1 kWh
Wärme“ zur Trocknung von verschiedenen Holzbrennstoffen ist in Abbildung 1 dargestellt.
Für das Rohmaterial Waldholz wird davon ausgegangen, dass es sich um identisches
Ausgangsmaterial handelt, unabhängig davon, ob daraus Hackschnitzel oder im Weiteren
Holzpellets hergestellt werden. Diese Annahme ist sinnvoll, da zum einen unterschiedliche Herkünfte des Rohmaterials in der Praxis durch wirtschaftliche und nicht etwa durch
technische Aspekte bestimmt sind und zum anderen dadurch eine Gleichbehandlung der
beiden Holzbrennstoffe gewährleistet ist. Ebenfalls aus Gründen der Gleichbehandlung
wird angenommen, dass die Pelletierung auf Basis von Hackschnitzeln erfolgt. Dies stellt
bei Waldholz als Ausgangsmaterial einen in der Praxis üblichen Erzeugungsweg dar.
Damit sind die Aufwendungen zur Bereitstellung einer bestimmten Menge Hackschnitzel
grundsätzlich für beide Holzbrennstoffe gleich.
Die Aufwendungen zur Bereitstellung der Hackschnitzel umfassen Aufwendungen für die
Waldpflege und die Entnahme des Holzes, das Hacken und den Transport zur Trocknungsanlage bzw. Pelletieranlage. Als Einsatzmaterial für die Holzbrennstoffe wird von
Holz aus naturnahem Anbau ausgegangen. Entsprechend werden in der Waldpflege keine Düngemittel (inkl. Kalk) und keine Pestizide eingesetzt. Die Waldarbeiten bestehen
einzig aus diversen Maschineneinsätzen. Der Aufwand wird nach (IFEU 1999) modelliert.
Für das Hacken wird nach (FNR 2007) von einem Energiebedarf von 1,2 l Diesel/t Holzhackschnitzel ausgegangen.
Die für die Trocknung erforderliche Wärme stammt im hier betrachteten Beispiel wie erwähnt aus Biogasanlagen. Die durch die Biogasnutzung im BHKW anfallende Wärme
steht etwa je zur Hälfte zum einen als Abgaswärme zur Verfügung (400-500°C) und zum
anderen als Kühlwasserwärme (etwa 95°C) (IFEU 2008). Das Abgas kann nicht direkt
genutzt werden, zum einen aus Gründen der Brand- und Explosionsgefahr, zum anderen
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ergeben sich insbesondere bei der Pelleterzeugung Probleme durch Ablagerungen von,
im Abgas enthaltenen, mineralischen Stoffen, die zu einer unerwünschten Erhöhung des
Feinanteils im Endprodukt führen. Üblicherweise wird die Abgaswärme entsprechend über
Wärmetauscher in die Kühlwasserwärme eingebracht und durch die resultierende Warmwasserwärme wird wiederum über Wärmetauscher die Trocknungsluft auf ca. 90°C erwärmt.
Waldholz
Diesel
Diesel
Strom
HHS Trocknung
Waldpflege/
Entnahme
Hacken
1 kWh Wärme
Trocknung
Rohmaterial
Strom
Pelletierung
Nutzen:
Abbildung 1
Kessel
Kessel
Wärme
Wärme
fossil erzeugte Wärme aus Heizöl und/oder Erdgas
Systemraum des ökologischen Vergleichs „Nutzung 1 kWh KWK-Wärme
zur Trocknung von Holzbrennstoffen“
Bei der Trocknung zur Erzeugung von technisch getrockneten Hackschnitzeln und der
Trocknung von Hackschnitzeln für die Pelleterzeugung kommen üblicherweise, bedingt
durch die Anlagengröße, unterschiedliche Trocknungsverfahren zur Anwendung. Anlagen
zur Pelleterzeugung haben im Durchschnitt eine Kapazität von etwa 30.000 t Pellets pro
Jahr. Dagegen werden Trocknungsanlagen für Hackschnitzel i.d.R. aus Gründen der
Transportwürdigkeit der Hackschnitzel eher im regionalen Zusammenhang betrieben und
weisen Verarbeitungskapazitäten von bis zu 5.000 t/a auf1.
Trocknungsverfahren
Entsprechend den Anlagengrößen kommen zur Erzeugung von technisch getrockneten
Holzhackschnitzeln üblicherweise Batch-Verfahren zum Einsatz, v. a. die Satztrocknung.
1
Durchschnittliche Kapazitäten nach persönlicher Mitteilung Herr Steinbeis, Fa. Ecolohe, Sept. 2010
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Bei der Satztrocknung wird das Trockengut in Container o. ä. eingebracht und von unten
mit Trockenluft belüftet. Die Trocknungsdauer liegt im Winter bei etwa fünf, im Sommer
bei etwa drei Tagen. Um mittels Satztrocknung einen sicheren definierten Endwassergehalt zu erreichen, ist derzeit eine Trocknung in atro-Nähe (absolut trocken) erforderlich.
Bei den deutlich größeren Pelletierwerken werden die eingesetzten Hackschnitzel üblicherweise mittels kontinuierlichen Verfahren, i.d.R. mit Bandtrocknung getrocknet. Grundsätzlich käme auch eine Trommeltrocknung in Frage. Da die Trommeltrocknung aber mit
Abgas betrieben wird, wird sie seitens des Deutschen Energieholz- und Pelletverbandes
(DEPV) aus den o. g. Gründen abgelehnt2. Das Rohmaterial für Holzpellets muss auf jeden Fall in atro-Nähe getrocknet werden. Holzpellets müssen einen Wassergehalt unter
10% aufweisen, da ansonsten die Pellets bei der Lagerung zerfallen können und eine
Schimmelbildung einsetzt. Auch sind spezielle Pelletfeuerungen meist auf stabile und
trockene Presslinge angewiesen (FNR 2007).
Der Wärmebedarf für die Trocknung wird bei beiden Holzbrennstoffen mit 0,9 kWh/kg
Brennstoff angegeben3. Bei gleichem Ausgangsmaterial und gleichem Wärmebedarf wird
konsequenterweise auch von dem gleichen erreichbaren Endwassergehalt und Heizwert
des Endproduktes ausgegangen. Die entsprechenden für die Trocknung der beiden Holzbrennstoffe angesetzten Rechenwerte sind in Tabelle 1 aufgeführt. Darin ebenfalls angegeben ist der Strombedarf für die Erzeugung von technisch getrockneten Holzhackschnitzeln und von Holzpellets nach Herstellerangaben (vgl. Fußnote 3). Für die Herstellung technisch getrockneter Holzhackschnitzel besteht der Strombedarf ausschließlich im
Betrieb eines Gebläses für die Trocknung. Die Pelletierung umfasst neben dem Strombedarf für die Trocknung auch den Strombedarf für eine weitere Zerkleinerung der Hackschnitzel und v. a. das eigentliche Pressen der Pellets. Bei der Pelletierung wird das zerkleinerte Material mit hohem Druck durch eine Matrize gepresst und auf die gewünschte
Länge geschnitten. Als fremde Bindemittel ist nach dem Entwurf der E DIN EN 14961-2
und entsprechend auch nach den Zertifizierungssystemen ENplus und DINplus lediglich
die Zugabe von max. 2% Presshilfsmittel (z.B. Stärke) erlaubt. Dieser Aspekt wird aufgrund des geringen Massenanteils in der Bilanzierung nicht berücksichtigt. Da hier die
Gleichwertigkeit der technisch getrockneten Holzhackschnitzel im Fokus steht, ist dies
auch als konservativ anzusehen.
Die nach Herstellerangaben verwendeten Daten wurden des Weiteren, soweit verfügbar,
mit Literaturwerten verglichen. Der DEPV (2010) gibt den Energiebedarf für die Herstellung von Pellets aus trockenen Sägespänen mit 2,7% der Endenergie an, bei einem
Heizwert von ca. 5 kWh/kg. Dies entspräche einem Energiebedarf von 0,135 kWh/kg Pellet exkl. Trocknung. In einer schwedischen Studie (IVL 2009), in der verschiedene Herstellungswege für Holzpellets verglichen wurden, finden sich Angaben zum Energiebedarf
bezogen auf den Energiegehalt. Umgerechnet auf Basis des hier verwendeten Rechenwertes für den Heizwert der Holzbrennstoffe (s. Tabelle 1), entspricht der in (IVL 2009)
verwendete mittlere Brennstoffbedarf für die Trocknung 0,93 kWh/kg Pellet und der
Strombedarf berechnet sich je nach Ausgangsmaterial zu 0,19 kWh/kg Pellet (Roh2
3
Persönliche Mitteilung Herr Behr, Herr Bentele, Aug. 2010
Angaben für Hackschnitzel nach Mitteilung Hr. Steinbeis, Fa. Ecolohe; Angaben für Holzpellets nach Mitteilung Dr. Felix Bosse, Geschäftsführer ERW-Erdwärme GmbH, Mitgründer und ehemaliger Geschäftsführer HPS, Holzkontor und Pelletierwerk Schwedt, Aug. 2010
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Sägemehl) bzw. 0,32 kWh/kg Pellet (Rundholzschnitzel). Wird zudem ein Wirkungsgrad
des Brennstoffbedarfs für die Trocknung von 90% angesetzt, ergibt sich der Wärmebedarf
für die Trocknung zu 0,84 kWh/kg Pellet.
Tabelle 1
Rechenwerte für Trocknung und Feuerung von technisch getrockneten
Holzhackschnitzeln und Holzpellets
Trocknung
Wassergehalt Holzinput
Wassergehalt Endprodukt
Heizwert Endprodukt (Hu)
Rechenwert Trocknung Wärmebedarf
im Jahresmittel
Strombedarf für Trocknung (Gebläse)
Strombedarf Pelletfertigung
Feinstaubemissionen Trocknung im
Jahresmittel
Feuerung
Feuerungstechnischer Wirkungsgrad
Kesselwirkungsgrad
Nutzungsgrad
Feinstaubemissionen Feuerung
NOx-Emissionen Feuerung
Techn. getrocknete HHS
Holzpellets
%
%
kWh/kg
kWh/kg
Brennstoff
kWh/kg HHS
kWh/kg Pellets
kg/t Brennstoff
40
8
4,64
0,9
40
8
4,64
0,9
0,37
0,13
0,35
%
%
%
mg/m³
mg/m³
93
90
80
34
186
93
90
80,5
20
189
0,04
Vor dem Hintergrund der Werte nach (IVL 2009) und den Angaben des DEPV zeigen sich
die im Rahmen dieser Studie verwendeten Rechenwerte für die Holzpelleterzeugung als
durchweg niedriger und sind damit bei gegebener Fragestellung als konservativ gewählt
anzusehen. Über die beschriebenen Literaturangaben hinaus wurden auch weitere Angaben gesichtet, allerdings war nach diesen nicht differenzierbar, welche Energieart gemeint
ist. Z.B. heißt es in (C.A.R.M.E.N. 2005), dass der Aufwand für die Herstellung und
Transport von Pellets sich auf 5% des Energiegehaltes beläuft, bei einem Heizwert von
4,9 kWh/kg. Rechnerisch ergibt dies einen Wert von 0,245 kWh/kg, wobei jedoch weder
die Anteile an elektrischer und thermischer Energie genannt sind, noch, ob es sich bei der
Angabe um Primär- oder Sekundärenergie handeln soll4. Eine ähnliche Angabe ohne weitere Erläuterung findet sich in (neue energie 2010), wonach der Energieaufwand zur Pelletproduktion zwischen 3-10% des Heizwertes der Pellets liegt. Entsprechende Angaben
konnten nicht weiter ausgewertet werden.
Der in Tabelle 1 aufgeführte, als Rechenwert verwendete Heizwert der Endprodukte,
wurde mittels der aus (FNR 2007) abgeleiteten Heizwertgleichung berechnet (s. u.), ausgehend von einem durchschnittlichen Heizwert von absolut trockenem Holz von
5,1 kWh/kg (DBFZ 2009), (LWF BY 2007).
4
Sinnvoll wäre eine entsprechende Aussage nur bei Angabe des Primärenergieaufwandes. Dafür erscheint
der Wert von 0,245 kWh/kg allerdings sehr niedrig, wenn berücksichtigt wird, dass die Stromerzeugung
etwa das 2,6-fache an Primärenergieeinsatz benötigt.
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Heizwertgleichung:
Hu (WG) = Hu (atro) * (100%-WG) – 0,678 * WG
(1)
WG: Wassergehalt in %
Hu (atro): Heizwert von absolut trockenem Holz in kWh/kg
0,678 kWh/kg Wasser: physikalische Verdampfungswärme bezogen auf 25°C
Für spätere durchgeführte Sensitivitätsbetrachtungen und für den in Kapitel 3 erfolgenden
Vergleich mit naturgetrockneten Holzhackschnitzeln wurden die durch veränderte Wassergehalte veränderten Heizwerte ebenfalls mit obiger Heizwertgleichung berechnet. Die
Ergebnisse daraus sind in Tabelle 2 aufgeführt.
Tabelle 2
Nach Heizwertgleichung (1) berechnete Heizwerte für unterschiedliche
Wassergehalte von Holzbrennstoffen
Wassergehalt in %
0%
8%
15%
20%
30%
Heizwert in kWh/kg
5,1
4,64
4,23
3,94
3,37
Der gegenüber dem verwendeten Rechenwert (4,64 kWh/kg) häufig in der Literatur zitierte (z.B. (C.A.R.M.E.N. 2005), (Roland Berger 2010)) Heizwert für Pellets von 4,9 kWh/kg
würde, ausgehend vom durchschnittlichen atro-Heizwert von 5,1 kWh/kg, nach der Heizwertgleichung nur bei einem Wassergehalt von 3,5% erreicht. Höhere Heizwerte bei gegebenem Wassergehalt von 8% sind nur möglich, wenn v. a. Kiefer- und ansonsten Fichtenholz eingesetzt wird. Eine Heizwertsteigerung durch die Zugabe von Bindemitteln
(max. 2%, z.B. Stärke, s. o.) führt ebenfalls zu keiner nennenswerten Heizwerterhöhung.
Stärke selbst hat einen Heizwert von 4,9 kWh/kg und die maximal zulässige Beigabe von
2% ändert den Heizwert von Holzpellets nur marginal. Insofern ist die Verwendung des
berechneten Heizwertes von 4,64 kWh/kg für eine Betrachtung von durchschnittlichem
Holzrohmaterial plausibel.
Emissionsseitig sind bei der Trocknung von Hackschnitzeln v. a. Feinstaubemissionen
zu beachten. Nach dem IFEU vorliegenden vertraulichen Daten einer Pelletieranlage
(Bandtrocknung) ergeben sich in der Trockenabluft Messwerte von 5-10 mg/m³. Nach
Betreiberangaben kann ein Wert von 8 mg/m³ eingehalten werden. Dieser vergleichsweise geringe Konzentrationswert führt bedingt durch den hohen Luftdurchsatz der Trocknung insgesamt zu so hohen Feinstaubfrachten, dass diese die Feinstaubfrachten der
ebenfalls am Standort, zur Erzeugung der Trocknungswärme, bestehenden Holzfeuerung
überwiegen. Aus den verfügbaren Daten (Luftdurchsatz bei Trockenluftwärme von rd.
90°C) berechnet sich eine Feinstaubfracht von 0,35 kg/t Pellets.
Für die Satztrocknung zur Erzeugung von technisch getrockneten Holzhackschnitzeln
liegen bislang keine Messwerte zu Feinstaubemissionen vor. Entsprechende Emissionen
wurden hier abgeschätzt, wobei ebenfalls der Konzentrationswert von 8 mg/m³ zugrunde
gelegt wurde. Der Luftdurchsatz wurde nach Betreiberangaben berechnet5. Für die
5
Hr. Steinbeis, Fa. Ecolohe
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Trocknung einer Charge von 40 Tonnen werden danach 19.500 m³ Trockenluft pro Stunde durchgesetzt, im Winter über 5 Tage, im Sommer über 3 Tage. Daraus wurde ein mittlerer Jahreswert berechnet unter der konservativen Annahme, dass sich Winter- und
Sommermonate gleich verteilen (Trocknungsdauer im Jahresmittel 4 Tage). Bei der genannten Feinstaubkonzentration von 8 mg/m³ ergibt sich die Feinstaubfracht im Jahresmittel dann zu 0,37 kg/t Hackschnitzel. Dieser Wert dürfte eine Überschätzung darstellen,
da zum einen der Luftdurchsatz in der Praxis i.d.R. niedriger ausfällt (nur wenige Monate
kalte Temperaturen und überwiegende Trocknung im Sommer) und zum anderen die angesetzten 8 mg/m³ tendenziell zu hoch sein dürften, da einerseits die Holzschüttung eine
Filterwirkung darstellt und andererseits die Luft mit geringer Geschwindigkeit durchgesetzt
wird, wodurch entsprechend weniger Partikel mitgerissen werden.
Feuerung
Ebenfalls einzubeziehen in die Betrachtung ist die Feuerung der erzeugten technisch getrockneten Holzhackschnitzel und Holzpellets. Wie aus Tabelle 1 ersichtlich, wird angenommen, dass die Holzpellets einen etwas höheren Nutzungsgrad erreichen. Der feuerungstechnische Wirkungsgrad ist dagegen nach (TFZ 2010) für beide Holzbrennstoffe
gleich. Insofern ist auch hier bzgl. des Nutzungsgrades eine aus Sicht der technisch getrockneten Holzhackschnitzel konservative Herangehensweise gegeben.
Um die Feinstaubemissionen der Trocknung einordnen zu können, wurden auch bei der
Feuerung entsprechende Emissionen erhoben. Ebenso wurden NOx-Emissionen einbezogen, da NOx Sekundärpartikelbildner darstellen, d.h. aus den NOx-Gasmolekülen können sich durch chemische Umwandlungsprozesse in der Atmosphäre so genannte Sekundärpartikel bilden, die die gleichen humantoxischen Wirkungen nach sich ziehen können wie die primären Feinstaubpartikel. Die für die Berechnung zugrunde gelegten, in
Tabelle 1 aufgeführten Emissionen, wurden aus (TFZ 2010) entnommen. Die Emissionswerte gelten für handelsübliche Brennstoffe und die Messungen wurden ab der Brennstoffauflage bis zur Abbrandperiode durchgeführt, so dass die Messergebnisse als repräsentativ für die Praxis anzusehen sind.
2.2
Ergebnisse
Nachfolgend sind die Ergebnisse für den ökologischen Vergleich „Nutzung von einer Kilowattstunde KWK-Wärme zur Erzeugung von technisch getrockneten Holzhackschnitzeln
bzw. zur Erzeugung von Holzpellets“ dargestellt. Ausgewertet wurden die folgenden als
relevant angesehenen Wirkungskategorien und Indikatoren (Erläuterung s. Anhang)
-
Treibhauseffekt (in kg CO2-Äquivalenten)
-
Primärenergieaufwand (fossiler kumulierter Energieaufwand (KEA) in kJ)
-
PM10-Risiko (Humantoxizität, in kg PM10-Äquivalente)
-
Inanspruchnahme von Waldholz (in kg)
Kapitel 2.2.1 zeigt die Ergebnisse für die zuvor beschriebenen Randbedingungen und
verwendeten Rechenwerte (Standardvergleich). In Kapitel 2.2.2 werden darüber hinaus
für relevante Bereiche Sensitivitätsbetrachtungen erläutert und durchgeführt. In Kapitel
2.2.3 wird die eingangs erwähnte Effizienzbetrachtung diskutiert.
2.2.1
Seite 10
Standardvergleich
Die Ergebnisse des Standardvergleichs sind in Abbildung 2 dargestellt und lesen sich wie
folgt:
Bezugsgröße ist jeweils die funktionelle Einheit 1 kWh Wärme, die zur Trocknung eingesetzt wurde. Im jeweils ersten Balkensegment sind nach oben abgetragen die Belastungen, die sich aus der Erzeugung der Holzbrennstoffe ergeben. Diese sind weiter differenziert in die Sektoren: Bereitstellung, Trocknung, Pelletierung, Feuerung. Nach unten abgetragen sind die Gutschriften – hier die Erzeugung einer äquivalenten Menge Wärme aus
Erdgas. Der rechts daneben stehende Balken bildet das Nettoergebnis, die Differenz von
Belastungen und Gutschriften. Zeigt der Balken nach unten (negative Werte) entspricht
dies einer Nettoentlastung, zeigt er nach oben (positive Werte) einer Nettobelastung.
Generell zeigt sich in den Ergebnissen für die Erzeugung von technisch getrockneten
Holzhackschnitzeln und die Erzeugung von Holzpellets ein sehr ähnliches Bild. Die technisch getrockneten Holzhackschnitzel weisen im Treibhauseffekt und im kumulierten fossilen Energieaufwand tendenziell einen leichten Vorteil auf, bedingt durch den geringeren
Strombedarf bei der Erzeugung. Damit ist aus ökologischer Sicht die Erzeugung von
technisch getrockneten Holzhackschnitzeln und Holzpellets mit dezentraler KWK-Wärme
gleichwertig. Unterschiedliche Förderungen bzgl. des Wärmeeinsatzes zur Trocknung
lassen sich aus ökologischer Sicht nicht begründen.
Im PM10-Risikopotenzial und bei der Inanspruchnahme von Waldholz weisen beide Holzbrennstoffe die gleichen Nettobelastungen auf. Bei gegebenen Randdaten bzw. Rechenwerten (vgl. Kap. 2.1) wird für beide Holzbrennstoffe gleichviel Waldholz verbraucht, da
mit 1 kWh Wärme gleichviel Holz getrocknet werden kann. Das PM10-Risikopotenzial
wird vor allem durch Emissionen aus der Feuerung geprägt, und darunter v. a. durch
NOx-Emissionen. Diese Emissionen liegen deutlich höher als die aus der Wärmeerzeugung erreichte Gutschrift (äquivalente Wärmemenge aus Erdgas). Im Nettoergebnis resultiert eine Belastung. Die NOx-Emissionen der Feuerung bedingen zu mehr als 80% die
Emissionen an PM10-Äquivalenten aus der Feuerung und zu knapp 70% die gesamten
Belastungen im PM10-Risikopotenzial. Demgegenüber treten die Feinstaubemissionen
aus der Trocknung in den Hintergrund. Diese werden entsprechend, trotz unsicherer Datenlage, im Folgenden nicht über Sensitivitätsbetrachtungen variiert, der Einfluss wird als
gering erachtet.
Zur weiteren Einordnung der Ergebnisse werden diese nachfolgend, konform mit den
nach ISO 14040 und 14044 gegebenen Möglichkeiten, normiert und gewichtet. Eindeutig
ist, dass beide Holzbrennstoffe aus ökologischer Sicht als gleichwertig anzusehen sind.
Offen aber ist, wie die unterschiedlichen Ergebnisse in den Wirkungskategorien – Nettoentlastungen im Treibhauseffekt und beim fossilen Primärenergiebedarf, Nettobelastungen im PM10-Risikopotenzial und der Inanspruchnahme von Waldholz – zu werten sind.
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Kumulierter Energieaufwand (KEA)
fossil
Treibhauseffekt
5.000
0,0
0
in kJ/kWh Trockenwärme
in kg CO 2-Äq./kWh Trockenwärme
0,2
-0,2
-0,4
Netto
Belastungen
Feuerung
Pelletierung
Trocknung
Bereitstellung
Gutschrift
Wärme aus Erdgas
-0,6
-0,8
-1,0
Belastungen
Feuerung
Pelletierung
-10.000
Trocknung
Bereitstellung
Gutschrift
Wärme aus Erdgas
-15.000
-20.000
-1,2
-1,4
-25.000
Ha
i
hn
sc
ck
l
t ze
l
ze
nit
ch
s
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Ha
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lle
Pe
0,004
0,002
0,001
0,000
-0,001
-0,002
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c
Ha
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t ze
Netto
Belastungen
Feuerung
Pelletierung
Trocknung
Bereitstellung
Gutschrift
Wärme aus Erdgas
ts
l le
Pe
in kg Waldholz/kWh Trockenwärme
1,8
0,003
Abbildung 2
ts
l le
Pe
Inanspruchnahme Waldholz
PM10-Risiko (Humantoxizität)
in kg PM10-Äq/kWh Trockenwärme
Netto
-5.000
1,6
1,4
1,2
1,0
0,8
Netto
Belastungen
0,6
Gutschrift
0,4
0,2
0,0
i tz
hn
sc
k
c
Ha
el
ts
l le
Pe
Ergebnisse des ökologischen Vergleichs „Nutzung 1 kWh KWK-Wärme zur
Trocknung von Holzbrennstoffen“
Normierung und Wichtung sind zwei verschiedene Elemente der Ökobilanzierung, die
eine bessere Einordnung der Ergebnisse ermöglichen. Zur Normierung werden die Nettoergebnisse der untersuchten Wirkungskategorien in so genannte Einwohnerdurchschnittswerte umgerechnet. Dabei werden die Nettoergebnisse durch die entsprechenden Belastungen dividiert, die durch einen Einwohner in Deutschland entstehen. Die erhaltene Einheit sind Einwohnerdurchschnittswerte (EDW). Die Ergebnisse der Normierung sind in
Seite 12
Tabelle 3 aufgeführt. Die für die Umrechnung verwendeten Jahresfrachten und
-verbräuche in Deutschland finden sich im Anhang (Tabelle 14).
Tabelle 3
Ergebnisse des ökologischen Vergleichs „Nutzung 1 kWh KWK-Wärme zur
Trocknung von Holzbrennstoffen“ in Einwohnerdurchschnittswerten (EDW)
Treibhauseffekt
KEA fossil
PM10-Risiko
Hackschnitzel
-0,00010
-0,14106
0,00008
0,00307
Pellets
-0,00010
-0,13742
0,00008
0,00307
Diese Normierung dient einzig und allein der Einschätzung, welche Bedeutung die Ergebnisse der einzelnen Wirkungskategorien vor dem Hintergrund der Emissionssituation in
Deutschland haben. Danach zeigt sich in der Relation der Zahlen, dass der kumulierte
fossile Primärenergiebedarf den größten Zahlenwert aufweist und damit nach Zahlen den
größten Einfluss in Deutschland hat. Es folgt mit großem Abstand die Inanspruchnahme
von Waldholz und schließlich mit weiterem Abstand in etwa gleicher Größenordnung der
Treibhauseffekt und das PM10-Risikopotenzial.
Die letztendliche Bedeutung der Wirkungskategorien untereinander kann nur qualitativ
eingeordnet werden und wird durch entsprechende Wichtung hervorgehoben. Die Einschätzung wie wichtig das Ergebnis in einer Wirkungskategorie ist, ist letztendlich immer
eine Einschätzung vor dem Hintergrund der aktuellen Situation. Nach UBA (1999) wurde
die Bedeutung einzelner Wirkungskategorien nach ihrem Grad der ökologischen Gefährdung und nach dem Abstand zu einem gesetzten Umweltziel bewertet (s. Anhang, Tabelle
15). Danach sind insbesondere der Treibhauseffekt und die Naturraumbeanspruchung
von sehr großer Bedeutung. Die Ergebnisse für das PM10-Risikopotenzial und den
Verbrauch fossiler Ressourcen sind demgegenüber nachgelagert von großer bzw. mittlerer Bedeutung. In Anbetracht der zahlenmäßigen deutlich höheren Bedeutung des fossilen Primärenergieverbrauchs in Deutschland (in EDW) können die Ergebnisse dieser beiden Wirkungskategorien allerdings als etwa gleich gelagert gelten.
Damit verbleibt für die Einordnung des Ergebnisses der Vergleich der Auswirkungen im
Treibhauseffekt und bei der Naturraumbeanspruchung. In der vorliegenden Studie wurde
für die Inanspruchnahme für Waldholz unterstellt, dass das Holz aus einem nachhaltigen,
naturnahen Waldbau stammt. Unter dieser Voraussetzung ist die Naturraumbeanspruchung niedrig und das Ergebnis für den Treibhauseffekt für die Gesamtbeurteilung ausschlaggebend, bei dem die Holzbrennstoffe Nettoentlastungen aufweisen.
2.2.2
Im Rahmen der Sensitivitätsbetrachtung werden die Aspekte weiter geprüft, für die ein
Einfluss auf das Ergebnis zu erwarten ist. Bezüglich der Erzeugung von Holzpellets besteht eine mögliche Datenunsicherheit im angesetzten Heizwert. Nach Literaturangaben
wird dieser häufig mit 4,9 kWh/kg angegeben. In Kapitel 2.1 wurde erläutert, dass bei dem
gleichen angenommenen mittleren Ausgangsmaterial ein entsprechend hoher Heizwert
nur bei einem Wassergehalt von 3,5% erreicht würde. Auch wenn dies eher unwahr-
Seite 13
scheinlich ist und anzunehmen ist, dass sich die Literaturwerte auf den Einsatz von ganz
bestimmten Kiefernhölzern beziehen, wird im Folgenden eine Sensitivitätsberechnung
durchgeführt, bei der den Holzpellets eine Heizwert von 4,9 kWh/kg zugeordnet wird,
während für die technisch getrockneten Holzhackschnitzel der Standardwert von
4,64 kWh/kg beibehalten wird. In diesem als „Sensi Pellet“ bezeichneten Szenario wird
zudem ein weiterer Aspekt untersucht. Für die Pelleterzeugung ist es wahrscheinlich und
teilweise bereits üblich, dass das Rohmaterial importiert wird, da die Anlagengröße (vgl.
Kap. 2.1) i.d.R. einen weiten Einzugsradius erfordert. Dagegen sind Trocknungsanlagen
für Holzhackschnitzel deutlich kleiner ausgelegt, da sie üblicherweise ein regionales Konzept verfolgen, sowohl bzgl. Rohstoffherkunft als auch Vertrieb. Insofern wird in der Sensitivitätsbetrachtung „Sensi Pellet“ neben der Variation des Heizwertes, der sich allein auf
die Gutschrift auswirkt, auch der Aufwand der Rohstoffbereitstellung variiert, was sich
allein auf die Belastung auswirkt. Anstelle der gesetzten Anlieferung des Rohmaterials
über 30 Kilometer, wird in der Sensitivität von einem Import aus Kanada ausgegangen.
Die für die Sensitivitätsbetrachtung angenommenen Transportaufwendungen umfassen
einen Lkw-Transport über 500 km in Kanada an den Hafen von Montreal, einen Seeschifftransport über 6.300 km nach Hamburg und einen weiteren Lkw-Transport über 500 km
an einen Bestimmungsort.
Als weitere Sensitivität wird eine mögliche Variante der Erzeugung von technisch getrockneten Holzhackschnitzeln betrachtet. In Kapitel 2.1 wurde ausgeführt, dass mit der Satztrocknung zur Erreichung eines definierten Endwassergehaltes die Trocknung in atroNähe erforderlich ist. Der resultierende Wassergehalt von 8% ist aber bei den Hackschnitzeln im Gegensatz zu den Holzpellets nicht unbedingt erforderlich. Auch weisen
Untersuchungen am Technologie- und Förderzentrum (TFZ) Straubing darauf hin, dass zu
trockene Holzbrennstoffe bei der Feuerung zu ansteigenden CO- und Feinstaubemissionen führen. Das Optimum für eine möglichst schadstoffarme Verbrennung liegt
danach bei einem Wassergehalt von 15% (Strehler 2009). Ein weiterer Vorteil eines Wassergehaltes von 15% statt 8% liegt in einem geringeren Verbrauch von Trocknungswärme. Da die einzusetzende Trocknungsenergie gegen Ende des Trocknungsprozesses
exponentiell ansteigt, kann nach Angaben des AK Hackschnitzel die erforderliche Wärme
um etwa die Hälfte reduziert werden. Die technische Realisierung könnte in einem Trocknungsverfahren mit Wälzbett-Trockner liegen. Nach Herstellerangaben dieses Verfahrens
(Allgaier Process Technology) kann der Prozess über die Wärmemenge und Luftgeschwindigkeit so eingestellt werden, dass das Trocknungsgut mit genau 15% Wassergehalt das Wälzbett verlässt. Bislang liegen für Hackschnitzel noch keine konkreten Messdaten vor. Im Rahmen der Sensitivitätsbetrachtung wird angenommen, dass der Endwassergehalt von 15% erreicht wird und dass die hierfür erforderliche Wärmeenergie zur
Trocknung sich halbiert (0,45 statt 0,9 kWh/kg Brennstoff). Die Sensitivität ist in den nachfolgenden Ergebnissen als „Contitrockn. HHS“ bezeichnet.
Die Ergebnisse der Sensitivitätsbetrachtung sind in Abbildung 3 dargestellt. Bezugsgröße
ist wiederum jeweils die funktionelle Einheit 1 kWh Wärme, die zur Trocknung eingesetzt
wurde. Die Abbildungen lesen sich wie in Kapitel 2.2.1 beschrieben. Neben den Ergebnissen für technisch getrocknete Holzhackschnitzel aus dem Standardvergleich („Hackschnitzel“) enthalten die Abbildungen die Ergebnisse der zuvor erläuterten Sensitivitätsbetrachtungen.
Seite 14
Kumulierter Energieaufwand (KEA)
fossil
10.000
Treibhauseffekt
5.000
0,5
in kJ/kWh Trockenwärme
in kg CO2-Äq./kWh Trockenwärme
1,0
0,0
-0,5
-1,0
Netto
Belastungen
Feuerung
Pelletierung
Trocknung
Bereitstellung
Gutschrift
Wärme aus Erdgas
-1,5
-2,0
-2,5
Ha
z
nit
ch
s
ck
el
lle
Pe
si
n
Se
0
-5.000
-10.000
-15.000
-20.000
-25.000
-30.000
-35.000
-40.000
t
Co
l
ze
nit
ch
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HS
.H
kn
c
t ro
nti
0,008
0,006
0,004
0,002
0,000
-0,002
-0,004
3,5
in kg Waldholz/kWh Trockenwärme
in kg PM10-Äq/kWh Trockenwärme
0,010
S
et
ell
HH
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n.
s
k
n
c
Se
tro
nti
Co
PM10-Risiko (Humantoxizität)
Netto
Belastungen
Feuerung
Pelletierung
Trocknung
Bereitstellung
Gutschrift
Wärme aus Erdgas
Netto
Belastungen
Feuerung
Pelletierung
Trocknung
Bereitstellung
Gutschrift
Wärme aus Erdgas
Netto
3,0
Belastungen
Gutschrift
2,5
2,0
1,5
1,0
0,5
0,0
i
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Abbildung 3
l
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Co
.H
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oc
HS
Ergebnisse Sensitivitäten des ökologischen Vergleichs „Nutzung 1 kWh
KWK-Wärme zur Trocknung von Holzbrennstoffen“
Zunächst zeigt sich, dass der höher angenommene Heizwert für die Holzpellets von 4,9
statt 4,64 kWh/kg nur einen geringen Einfluss auf das Ergebnis hat. Er führt erwartungsgemäß zu einer etwas höheren Gutschrift im Treibhauseffekt und beim Verbrauch an fossilen Energieträgern (Balkensegment „Wärme aus Erdgas“). Dadurch würde zwar der im
Standardvergleich leichte Vorteil der technisch getrockneten Hackschnitzel aufgehoben,
Seite 15
aber es bleibt bei dem Gesamtergebnis, dass aus ökologischer Sicht die Erzeugung technisch getrockneter Holzhackschnitzel und Holzpellets mit dezentraler KWK-Wärme gleichwertig ist.
Der ebenfalls im Szenario „Sensi Pellet“ angenommene Import von Rohmaterialien für die
Pelletfertigung führt dagegen zu deutlich sichtbaren Auswirkungen auf das Ergebnis, die
insgesamt nachteilig für die Holzpellets ausfallen. Einzig auf die Inanspruchnahme von
Waldholz hat der Import keine Auswirkung. Allerdings muss auch hier sicher gestellt sein,
dass das Holz weiterhin aus nachhaltigem, naturnahem Waldbau stammt, um keine negativen Effekte auf die Naturraumbeanspruchung auszulösen.
Die im Weiteren untersuchte Sensitivität der kontinuierlichen Trocknung im Wälzbett
(„Contitrocknung HHS“) zeigt erwartungsgemäß zunächst in etwa eine Verdopplung der
Belastungen, da bei Halbierung des Wärmebedarfs, mit 1 kWh Wärme als funktionelle
Einheit, doppelt so viel Holz als im Standardfall getrocknet werden kann (Verdopplung
Emissionen Trocknung) und es wird doppelt so viel Holz bzw. Hackschnitzel verfeuert
(Verdopplung Emissionen Feuerung). Umgekehrt wird durch die doppelte einsetzbare
Holzmenge auch deutlich mehr Wärme aus der Hackschnitzelfeuerung erzeugt und erhält
wie gehabt eine Gutschrift durch ersetzte Erdgaswärme. Die erzielten höheren Gutschriften liegen im Gegensatz zu den Belastungen nicht doppelt so hoch, sondern bleiben etwas unterhalb einer Verdopplung, da mit dem erreichten Wassergehalt von 15% auch der
Heizwert niedriger ausfällt (vgl. Tabelle 2). Der höhere Endwassergehalt von 15% statt
8% hat auch zur Folgen, dass nicht doppelt so viel, sondern nur etwa 1,8 Mal so viel Holz
aus dem Wald entnommen wird wie im Standardfall. Aus Sicht des Einsatzes von dezentraler KWK-Wärme zur Trocknung von Holzbrennstoffen überwiegen die Vorteile eines
solchen Trocknungsverfahrens, da die Wärme effizienter genutzt werden kann, wie auch
nachfolgend kurz dargestellt wird.
2.2.3
Effizienzbetrachtung
Zur Beurteilung der Effizienz des Einsatzes der KWK-Wärme zur Trocknung der Holzbrennstoffe wird die eingesetzte Wärmemenge mit der rein physikalisch notwendigen
Verdampfungswärme verglichen. Diese beläuft sich auf 0,678 kWh/kg Wasser (bezogen
auf 25°C). Unter den gegebenen Randbedingungen – Anfangswassergehalt 40% und
Endwassergehalt 8% – entspricht der Wärmebedarf von 0,9 kWh/kg Brennstoff einer Verdampfungsleistung von 1,69 kWh/kg verdampftes Wasser. Damit wird in beiden Fällen,
den technisch getrockneten Holzhackschnitzeln und den Holzpellets die überschüssige
KWK-Wärme mit einer Effizienz von 40% eingesetzt. Durch das gegebene Temperaturniveau der Trockenluft von rd. 90°C entspricht die erreichte Verdampfungsleistung guten
durchschnittlichen Werten. In der Praxis gilt, umso höher die Temperatur der Trocknungsluft, umso eher wird der theoretische Wert der Verdampfungsleistung erreicht.
Durch das in der Sensitivität untersuchte Beispiel einer kontinuierlichen Trocknung der
Hackschnitzel auf 15% Wassergehalt kann die Effizienz der KWK-Wärmenutzung gesteigert werden. Unter der Annahme, dass sich der Wärmebedarf für die entsprechende
Trocknung auf 0,45 kWh/kg halbiert, reduziert sich mit den dazu geltenden Randbedingungen – Anfangswassergehalt 40% und Endwassergehalt 15% – die Verdampfungsleistung auf 1,08 kWh/kg verdampftes Wasser. Damit würde die Effizienz der Wärmenutzung
bemessen am physikalisch notwendigen Wert auf 63% steigen.
Seite 16
Wie eingangs erwähnt soll an dieser Stelle auch ein Vergleich mit der direkten Nutzungsmöglichkeit der dezentral anfallenden KWK-Wärme über ein Nahwärmenetz erfolgen.
Dabei wird davon ausgegangen, dass eine ganzjährige Abnahme möglich ist (Grundlastdeckung) und es wird wie bei der Trocknung der Holzbrennstoffe ausschließlich die Effizienz der Wärmenutzung betrachtet (keine Infrastrukturaufwendungen o. ä.). Die Wärmeverluste im Nahwärmenetz sind abhängig von der transportierten Leistung und der Netzlänge. Verluste oberhalb 20% sind i.d.R. unwirtschaftlich. Gemäß EEG (2009) ist für die
Förderung ein Maximalwert für Verluste von 25% bezogen auf den Nutzwärmebedarf
(Wärmeentnahme Endverbraucher) vorgeschrieben. Dieser Wert entspricht etwa maximalen Verlusten von 20% bezogen auf die eingespeiste Wärme. Für die Effizienzbetrachtung
wird von einem mittleren Verlustwert von 10% bezogen auf die eingespeiste Wärme ausgegangen (IFEU et al. 2008). Gerade im ländlichen Raum können die Verluste aber deutlich darüber liegen. Bei einem angenommenen Verlust von 10% ergibt sich umgekehrt die
Effizienz der Wärmenutzung zu 90% und liegt damit höher als die für die Trocknung von
Holzbrennstoffen erreichbare Effizienz der Wärmenutzung bemessen an der physikalisch
erforderlichen Wärme. Jedoch ist die direkte Wärmenutzung über Nahwärmenetze häufig
nicht möglich, da entsprechende Wärmesenken in wirtschaftlich vertretbarer Entfernung
fehlen.
3
Ökologischer Vergleich von technischer und Naturtrocknung von
Holzhackschnitzeln
Zur Beantwortung der Frage, wie sich die technische Trocknung frischer Hackschnitzel
gegenüber der Naturtrocknung aus ökologischer Sicht darstellt, werden diese beiden
Möglichkeiten vergleichend untersucht. In diesem Vergleich soll geprüft werden, ob der
Wärmeeinsatz bei der technischen Trocknung auch mit entsprechenden Vorteilen verbunden ist. Im Gegensatz zur zuvor durchgeführten Betrachtung steht insofern nicht mehr
die Art der Nutzung der eingesetzten KWK-Wärme in Frage, sondern die unterschiedlichen Aufbereitungsmöglichkeiten für Holzhackschnitzel.
Dieser Vergleich kann auf zwei verschiedenen Ebenen durchgeführt werden bzw. können
zwei verschiedene Fragen gestellt werden:
A. Wie viel Wärme kann ein Verfahren aus einer Tonne frische Hackschnitzel erzeugen?
B. Wie viel frische Hackschnitzel bzw. Holz muss das Verfahren einsetzten, um eine
Kilowattstunde Wärme zu erzeugen?
Die erste Frage hebt auf das Potenzial eines Verfahrens ab, fossile Ressourcen einzusparen und damit auch Treibhausgasemissionen zu mindern. Bei der zweiten Frage liegt
der Fokus auf der Inanspruchnahme von Holz bzw. letztendlich auf der Inanspruchnahme
von Naturraum. Im ersten Fall ist entsprechend der Fragestellung die funktionelle Einheit
1 t frische Hackschnitzel, bei der zweiten Frage 1 kWh erzeugte Wärme.
3.1
Entsprechend den unterschiedlichen Betrachtungsebenen bzw. Fragestellungen ergeben
sich auch unterschiedliche Varianten für den betrachteten Systemraum, die in Abbildung 4
Seite 17
dargestellt sind. Die Systemraum Variante A stellt den Vergleich für die Trocknung von „1
t frische Hackschnitzel“ dar, die Systemraum Variante B den Vergleich für die Erzeugung
von „1 kWh Wärme“ aus Hackschnitzeln.
Bei der Systemraum Variante A ist Ausgangspunkt die Tonne frische Hackschnitzel. Alle
vorgelagerten Prozessschritte sind gleich (auch bei Sensitivitätsbetrachtungen) und werden nicht betrachtet. Bei der Systemraum Variante B ist dies nicht der Fall. Hier liegt der
Bezugspunkt auf der einheitlich erzeugten Wärmemenge von einer Kilowattstunde, die
dafür nötige Bereitstellung der Holzhackschnitzel muss alle vorgelagerten Prozessschritte
beinhalten. Letzteres war auch im zuvor durchgeführten Vergleich zwischen Hackschnitzel und Pelltes bei den Sensitivitätsbetrachtungen der Fall, bei denen sich die Holzmenge
geändert hat (s. Kap. 2.2.2), weswegen dort ebenfalls alle der Hackschnitzeltrocknung
vorgelagerten Prozessschritte einzubeziehen waren.
Systemraum Variante A
Systemraum Variante B
Hackschnitzel
Hackschnitzel
HHS Trocknung
Naturtrocknung
1 t Hackschnitzel
Wärme
Wärme
HHS Trocknung
Naturtrocknung
Strom
Strom
Kessel
Kessel
Kessel
Kessel
Wärme
Wärme
Nutzen:
Abbildung 4
Wärme
fossil erzeugte Wärme aus Heizöl und/oder Erdgas
Systemraum Varianten für den Vergleich verschiedener Aufbereitungsverfahren für Holzhackschnitzel
Trocknungsverfahren
Die weiteren Annahmen für die technische Trocknung der Hackschnitzel entsprechen den
Annahmen wie sie zuvor für den Vergleich der Nutzung von KWK-Wärme verwendet wurden (s. Tabelle 1). Allerdings ist nunmehr zu beachten, dass die Wärme zur Trocknung
nur im Fall der technischen Trocknung erzeugt werden muss. Die KWK-Wärme steht damit nicht wie zuvor allen untersuchten Varianten gleichermaßen zur Verfügung, sondern
jetzt stellt sich die Frage wie diese Wärme zu bewerten ist gegenüber der Naturtrocknung,
Seite 18
die diese Wärme nicht benötigt. Vereinfachend wird dieser Aspekt in Form von Extrembetrachtungen berücksichtigt. Die beiden denkbaren Extreme zur Bewertung der zur Trocknung eingesetzten Wärme sind, dass zum einen diese Wärme frei ohne Vorlasten zur
Verfügung steht und zum anderen aber, diese Wärme an anderer Stelle fehlt, so dass sie
dort durch den Einsatz eines fossilen Energieträgers ersetzt werden muss. Entsprechend
werden für die technische Trocknung der Hackschnitzel die folgenden beiden Varianten
gerechnet:
1) „Techn.Trockn.1“ die Trocknungswärme wird aus Erdgas erzeugt
2) „Techn.Trockn.2“ die Trocknungswärme resultiert aus Überschusswärme, die ansonsten nicht genutzt würde (ohne Vorlasten)
Bei der Naturtrocknung erfolgt die Trocknung durch einfache Lagerung der Hackschnitzel
über einen längeren Zeitraum von üblicherweise mindestens drei Monaten. Dabei ist die
Naturtrocknung mit Massenverlusten verbunden. Bei der Lagerung von feuchtem Hackgut
in unbelüfteten Haufen können die Massenverluste bis zu 30% pro Jahr erreichen (ATB
2004). Ursache sind überwiegend Schimmelpilze. Die Schimmelpilzbildung lässt sich nur
bei Lagerung grober Hackschnitzel (> 10 cm) vermindern. Nach (FNR 2007) liegen die
Verluste dann bei ca. 4%. Eine analoge Verminderung der Verluste (4%) kann bei feinerem Material nur durch eine aktive Belüftung erreicht werden. Bei einer nur zeitweiligen
Belüftungskühlung, die ein gewisses Maß an Selbsterhitzung zulässt, verdoppeln sich die
Verluste wiederum auf ca. 7-8%. Andere Maßnahmen, wie Einlagerung von Material mit
möglichst geringem Wassergehalt, Vermeidung der Einlagerung von Nadeln oder Blättern
als leicht angreifbares organisches Material, Minimierung der Lagerdauer, Niederschlagsschutz, guter Luftzutritt, optimale Schütthöhe, können die Verluste ebenfalls vermindern,
jedoch nicht unter 10%, hierfür wäre wie geschildert eine aktive Belüftung nötig. Für den
ökologischen Vergleich wird von einem Massenverlust von 10% ausgegangen. Der durch
die Trocknung üblicherweise erreichbare Wassergehalt liegt bei etwa 30%. Der daraus
resultierende Heizwert ist wiederum über die Heizwertgleichung berechnet (vgl. Tabelle 2)
und ergibt sich zu 3,37 kWh/kg. Die Randdaten der Bilanzierung sind in Tabelle 4 aufgeführt.
Feuerung
Bei der Feuerung haben technisch getrocknete Hackschnitzel gegenüber naturgetrockneten insbesondere den Vorteil, dass sie mit genaueren Eigenschaften erzeugt werden können. Qualitätseigenschaften wie Heizwert, Schüttdichte, Wassergehalt weisen eine deutliche engere Bandbreite auf. Dieser Aspekt ist insbesondere beim Einsatz der Holzbrennstoffe in kleinen und mittleren Feuerungsanlagen bedeutend, die im Gegensatz zu industriellen Anlagen Inhomogenitäten der Brennstoffe nicht gut abfangen können (andere
Feuerungstechnik und -temperatur). Auch erfolgt in diesem Leistungsbereich die Beschickung und Feuerungsführung noch wenig automatisiert bzw. ist die Automatisierung wiederum von einer homogenen Brennstoffqualität abhängig. Insgesamt führt die durch technisch getrocknete Hackschnitzel erreichbare definierte Produktqualität zu einer effizienteren und schadstoffarmen Verbrennung. Allerdings ist dieser Bereich bislang nur wenig
durch vergleichende Messdaten belegt.
Für die Effizienz der Feuerung wird insofern die Annahme getroffen, dass technisch getrocknete Holzhackschnitzel einen um 5% besseren Nutzungsgrad aufweisen als Naturge-
Seite 19
trocknete. Die Annahme begründet sich darauf, dass durch den geringeren Wassergehalt
eine niedrigere Abgastemperatur erforderlich ist und entsprechend die Verluste über das
Abgas geringer ausfallen. Die Annahme wird über Sensitivitätsberechnungen geprüft.
Tabelle 4
Rechenwerte technische und Naturtrocknung von Holzhackschnitzeln
Trocknung
Wassergehalt Holzinput
Wassergehalt Endprodukt
Heizwert Endprodukt (Hu)
Trocknungsdauer im Jahresmittel
Masseverluste Trocknung
Feuerung
Kesselwirkungsgrad
Nutzungsgrad
Feinstaubemissionen Feuerung
NOx-Emissionen Feuerung
%
%
kWh/kg
%
%
%
mg/m³
mg/m³
Techn. getrocknete HHS
Naturgetrocknete HHS
40
8
4,64
4 Tage
-
40
30
3,37
rd. 3 Monate
10
90
80
34
186
90
75
34
186
Ebenfalls aufgrund der Unterschiede im Wassergehalt ist bei naturgetrockneten Hackschnitzeln mit einem ungünstigeren Abbrandverhalten zu rechnen bzw. mit teils höheren
Emissionen (v. a. Geruchs- und Rußemissionen). Vergleichende Messungen liegen hierzu
allerdings ebenfalls nicht vor. Vereinfachend wird hier angenommen, dass die Feinstaubund NOx-Emissionen der Feuerung von technisch getrockneten und naturgetrockneten
Hackschnitzeln sich nicht unterscheiden. Dies dürfte insbesondere hinsichtlich der
Feinstaubemissionen aus der Verbrennung von naturgetrockneten Hackschnitzeln eine
Unterschätzung darstellen.
3.2
Ergebnisse
Nachfolgend sind die Ergebnisse für den ökologischen Vergleich „Trocknung von Hackschnitzeln“ dargestellt. Für diesen Vergleich wurden die gleichen Wirkungskategorien wie
zuvor ausgewertet (soweit zutreffend). Kapitel 3.2.1 zeigt die Ergebnisse für die zuvor
beschriebenen Randbedingungen und verwendeten Rechenwerte (Standardvergleich). In
Kapitel 3.2.2 werden darüber hinaus für relevante Bereiche Sensitivitätsbetrachtungen
erläutert und durchgeführt.
Die Ergebnisse sind abweichend zur vorangegangenen Auswertung in Kapitel 2.2.1 hier
tabellarisch dargestellt, um möglichst übersichtlich die beiden betrachteten Systemraum
Varianten A und B auswerten zu können. Dabei sind die unterschiedlichen Einheiten zu
beachten. Bei Systemraum Variante A beziehen sich die Ergebnisse auf 1 t frische Holzhackschnitzel, bei Systemraum Variante B auf 1 kWh erzeugte Wärme.
Seite 20
3.2.1
Standardvergleich
Die Ergebnisse des Standardvergleichs sind in Tabelle 5 bis Tabelle 8 aufgeführt. Ähnlich
wie bei dem ökologischen Vergleich der Nutzung von KWK-Wärme zur Trocknung zeigt
sich auch hier, dass die Erzeugung und Nutzung von Holzhackschnitzeln zur Wärmeerzeugung gegenüber einer Wärmeerzeugung aus Erdgas in den Wirkungskategorien
Treibhauseffekt und Verbrauch fossiler Primärenergie zu deutlichen Nettoentlastungen
führt, während beim PM10-Risikopotenzial und der Inanspruchnahme von Holz das fossile
System vorteilhafter abschneidet.
Das Ergebnis zum Treibhauseffekt (Tabelle 5) zeigt für beide untersuchte Systemraumvarianten, dass die technische Trocknung von Hackschnitzeln mit aus Erdgas erzeugter
Wärme sich am wenigsten günstig darstellt.
Bei der Systemraum Variante A weist die technische Trocknung mit Abwärme das beste
Ergebnis auf. Ausgehend von 1 t frische Hackschnitzel können durch diese technische
Trocknung Hackschnitzel mit einer höheren Trockensubstanzmasse und einem höheren
Heizwert erzeugt werden, da im Gegensatz zur Naturtrocknung keine Massenverluste
gegeben sind und ein deutlich geringerer Endwassergehalt erreicht wird. Entsprechend
kann aus 1 t frischer Hackschnitzel über die technische Trocknung auch mehr Wärme
erzeugt werden als bei der Naturtrocknung. Die dadurch höhere erzielte Gutschrift für
ersetzte Wärme aus Erdgas überwiegt die Belastungen (Strombedarf) bei der technischen
Trocknung der Hackschnitzel mit Abwärme.
Bei der Systemraum Variante B zeigt sich für mit Abwärme technisch getrocknete und für
naturgetrocknete Hackschnitzel ein fast gleiches Ergebnis. Hier ist die Bezugsgröße 1
kWh erzeugte Wärme. Damit ist die für Systemraum Variante A geschilderte Fähigkeit der
technisch getrockneten Hackschnitzel, mehr Wärme erzeugen zu können, hier nicht relevant. Dass für die Erzeugung von 1 kWh Wärme bei der Naturtrocknung mehr Holz eingesetzt werden muss, fällt beim Treibhauseffekt nicht ins Gewicht. Der nur wenig höhere
Aufwand bei der Bereitstellung wird durch die Belastungen aus dem Strombedarf der
technischen Trocknung mit Abwärme übertroffen.
Tabelle 5
Ergebnisse Treibhauseffekt des ökologischen Vergleichs technische und
Naturtrocknung von Hackschnitzeln (unterschiedliche Einheiten beachten)
Bereitstellung
Trocknung
Feuerung
Gutschrift Wärme aus Erdgas
Netto
in kg CO2-Äq/t frische Hackschnitzel
Techn.
Techn.
NaturTrockn. 1
Trockn. 2
trocknung
(außerhalb Systemraum, da gleich)
187,6
16,4
-706,6
-706,6
-569,1
-518,9
-690,2
-569,1
in g CO2-Äq/kWh erzeugte Wärme
Techn.
Techn.
NaturTrockn. 1 Trockn. 2 trocknung
3,0
3,0
3,7
77,6
6,8
-291,9
-291,9
-291,9
-211,3
Abweichungen in den Summen ergeben sich durch Rundungsungenauigkeiten
-282,1
-288,1
Seite 21
Das Ergebnis zur Einsparung von fossilem Primärenergiebedarf (Tabelle 6) entspricht
dem Ergebnis für den Treibhauseffekt.
Tabelle 6
Ergebnisse kumulierter Energieaufwand (KEA) fossil des ökologischen
Vergleichs technische und Naturtrocknung von Hackschnitzeln (unterschiedliche Einheiten beachten)
Bereitstellung
Trocknung
Feuerung
Netto
in MJ/t frische Hackschnitzel
Techn.
Techn.
NaturTrockn. 1
Trockn. 2
trocknung
3.001
164
-11.702
-11.702
-9.425
-8.701
-11.538
-9.425
in kJ/kWh erzeugte Wärme
Techn.
Techn.
40
40
49
1.240
68
-4.834
-4.834
-4.834
-3.554
-4.726
-4.784
Das in Tabelle 7 gezeigte Ergebnis zum PM10-Risikopotenzial ergibt wie erwähnt Nettobelastungen. Darunter am wenigsten günstig stellt sich auch hier die technische Trocknung mit Erdgaswärme dar. Der Vergleich zwischen technischer Trocknung mit Abwärme
und Naturtrocknung ist hier nur bedingt belastbar. Wie in Kapitel 3.1 beschrieben gibt es
keine vergleichenden Messungen für die Feuerung von technisch getrockneten oder naturgetrockneten Hackschnitzeln, weswegen diese Emissionen konservativ als gleich angenommen wurden. Mit dieser Annahme weisen die naturgetrockneten Hackschnitzel
notwendigerweise das günstigste Ergebnis auf, da keine Feinstaubemissionen bei der
Trocknung anfallen.
Tabelle 7
Ergebnisse PM10-Risiko des ökologischen Vergleichs technische und Naturtrocknung von Hackschnitzeln (unterschiedliche Einheiten beachten)
Bereitstellung
Trocknung
Feuerung
Netto
in kg PM10-Äq/t frische Hackschnitzel
Techn.
Techn.
NaturTrockn. 1
Trockn. 2
trocknung
0,46
0,27
1,59
1,59
1,59
-0,79
-0,79
-0,63
1,26
1,07
0,95
g PM10-Äq/kWh erzeugte Wärme
Techn.
Techn.
0,03
0,03
0,03
0,19
0,13
0,66
0,66
0,66
-0,33
-0,33
-0,33
0,55
0,47
0,36
Seite 22
In Tabelle 8 ist das Ergebnis für die Inanspruchnahme von Waldholz aufgeführt. Dieser
Aspekt ist ausschließlich bei der Systemraum Variante B relevant, da bei der Systemraum
Variante A von der identischen Menge frische Hackschnitzel ausgegangen wird und damit
von der identischen Menge Holz, die eingesetzt werden muss. Der Unterschied zwischen
den Verfahren äußert sich über das unterschiedliche Vermögen Wärme zu erzeugen wie
in den vorangegangenen Ergebnissen gezeigt. In Systemraum Variante B ist dagegen die
Inanspruchnahme von Waldholz relevant. Um die gleiche Wärmemenge zu erzeugen
muss bei der Naturtrocknung aufgrund der Massenverluste und des geringeren erreichbaren Heizwertes mehr Waldholz eingesetzt werden.
Tabelle 8
Ergebnisse Inanspruchnahme Waldholz für den ökologischen Vergleich
technische und Naturtrocknung von Hackschnitzeln
Bereitstellung
Netto
Techn.
Techn.
NaturTrockn. 1
Trockn. 2
trocknung
-
in kg Holz/kWh erzeugte Wärme
Techn.
Techn.
0,41
0,41
0,51
0,41
0,41
0,51
Auf die Darstellung der Normierung der Ergebnisse auf Einwohnerdurchschnittswerte
(EDW) wird an dieser Stelle verzichtet. Es ergibt sich eine analoge Aussage wie in Kapitel
2 beschrieben. Zahlenmäßig hat der Verbrauch fossiler Primärenergie die größte Relevanz, in großem Abstand gefolgt von der Inanspruchnahme von Waldholz und schließlich
mit weiterem Abstand in etwa gleicher Größenordnung der Treibhauseffekt und das
PM10-Risikopotenzial. Für die abschließende Bewertung der Ergebnisse gilt wie im vorangegangenen Vergleich zur Nutzung von dezentraler KWK-Wärme, dass dies durch
Abwägen erreicht werden muss anhand der Bedeutung der Umweltwirkungen.
Das PM10-Risikopotenzial wird an dieser Stelle nicht zur Differenzierung zwischen den
Verfahren herangezogen. Zum einen ist die ökologische Bedeutung der von Treibhauseffekt und Naturraumbeanspruchung untergeordnet, insbesondere aber lässt die Datengrundlage keine belastbare Differenzierung zu. Die Einsparung fossiler Primärenergie hat
eine mittlere ökologische Bedeutung, vor dem Hintergrund der deutschen Emissionssituation ist sie aber sehr relevant. Da die Ergebnisse allerdings analog zu den Ergebnissen
für den Treibhauseffekt ausfallen, kann die abschließende Bewertung anhand der beiden,
nach UBA Methode wichtigsten Wirkungskategorien, dem Treibhauseffekt und der Naturraumbeanspruchung erfolgen.
Bei Systemraum Variante A ist die Inanspruchnahme von Waldholz immer gleich und
damit auch die Naturraumbeanspruchung. Für diese Systemraumvariante sind folglich die
Unterschiede im Treibhauseffekt maßgeblich. Hier zeigt die technische Trocknung von
Hackschnitzeln genau dann Vorteile, wenn die zur Trocknung verwendete Wärme als ansonsten nicht genutzte Abwärme anfällt. Sollte dies nicht der Fall sein und z.B. eine rege-
Seite 23
nerative Wärmequelle mit Vorlasten genutzt werden, so dürfte diese bis zu 70% der Belastungen ausmachen, die durch fossile Erdgaswärme verursacht wird bevor das Ergebnis im Treibhauseffekt sich zu Gunsten der Naturtrocknung ändert.
Bei der Systemraum Variante B unterscheidet sich die Inanspruchnahme von Waldholz,
da zur Erzeugung von 1 kWh Wärme bei der Naturtrocknung aufgrund der Massenverluste und des geringeren Heizwertes mehr Holz eingesetzt werden muss. Umgekehrt zeigen
sich hier aber nur geringe Unterschiede im Treibhauseffekt zwischen der technischen
Trocknung mit Abwärme und der Naturtrocknung. Letztere zeigt hier einen kleinen Vorteil,
da zur Herstellung kein Strom eingesetzt werden muss. Vor dem Hintergrund der Inanspruchnahme von Waldholz gilt aber auch bei dieser Betrachtung, dass die technische
Trocknung mit Abwärme sich gegenüber der Naturtrocknung vorteilhaft zeigt. Dieser Vorteil ist dann nicht mehr gegeben, wenn die Abwärme zur Trocknung nicht frei verfügbar
ist, da sich dann das Ergebnis im Treibhauseffekt zu Gunsten der Naturtrocknung verschieben würde, wodurch sich deren Nachteil bei der Inanspruchnahme von Waldholz
relativiert. Eine Gleichwertigkeit zwischen den beiden Verfahren wäre dann etwa gegeben, wenn die Wärme zur technischen Trocknung aus Holz erzeugt würde. Diese Wärmeerzeugung ist nur mit geringen Treibhausgasemissionen verbunden und die benötigte
Menge Holz entspricht etwa der Differenz an eingesetztem Holz zwischen technischer
und Naturtrocknung.
3.2.2
Im Rahmen der Sensitivitätsbetrachtung werden die Aspekte weiter geprüft, für die ein
Einfluss auf das Ergebnis zu erwarten ist. Insbesondere sind dies die für die Naturtrocknung zugrunde gelegten Annahmen wie Massenverlust, Endwassergehalt und Nutzungsgrad der Feuerung. Auf Seiten der technischen Trocknung wird die auch in Kapitel 2.2.2
untersuchte Möglichkeit einer Wälzbett-Trocknung mit Abwärme hier vergleichend gegenüber gestellt. Die insgesamt betrachteten Sensitivitäten sind nachfolgend kurz charakterisiert:
Naturtr.Sens1: alternativ zum Standardvergleich wird der Massenverlust von 10% auf 4%
reduziert und der Nutzungsgrad der Feuerung wird dem der technisch getrockneten
Hackschnitzel gleich gesetzt.
Naturtr.Sens2: alternativ zum Standardvergleich wird der Endwassergehalt statt 30% mit
20% angenommen. Dadurch erhöht sich der Heizwert der naturgetrockneten Hackschnitzel von 3,37 auf 3,94 kWh/kg Hackschnitzel (vgl. Tabelle 2).
ContiTrockn: alternativ zum Standardvergleich wird für die technische Trocknung statt der
Satztrocknung eine kontinuierliche Wälzbett-Trocknung betrachtet; der Endwassergehalt wird auf 15% eingestellt (statt 8%), wodurch sich der Trocknungswärmebedarf halbiert (0,45 statt 0,9 kWh/kg Hackschnitzel)
Ausgewertet wird hier ausschließlich die Wirkungskategorie Treibhauseffekt und der Indikator Inanspruchnahme von Waldholz, da wie unter den Standardergebnissen beschrieben, diese beiden Aspekte ausschlaggebend sind.
In Tabelle 9 ist das Ergebnis der Sensitivitätsbetrachtungen für den Treibhauseffekt nach
Systemraum Variante A dargestellt. Im Ergebnis zeigt sich, dass die Annahmen für die
Naturtrocknung robust sind, d. h. das Ergebnis im Standardvergleich hat Bestand. Auch
Seite 24
wenn die Massenverluste geringer ausfallen und der gleiche Nutzungsgrad angenommen
wird (Naturtr.Sens1) oder ein geringerer Endwassergehalt und höherer Heizwert (Naturtr.Sens2), schneidet die technische Trocknung mit Abwärme am günstigsten ab
(TechnTrockn.2). Der Spielraum zum Einsatz einer Wärmequelle mit Vorlasten verkürzt
sich allerdings. Gegenüber der Sensitivität Naturtr.Sens1 dürfen die Vorlasten für die
Trocknungswärme nur noch 25% der durch fossile Erdgaswärme verursachten Belastungen ausmachen, gegenüber der Sensitivität Naturtr.Sens2 aber immerhin noch rd. 63%
bis es zu einer Gleichstellung zwischen technischer Trocknung mit Abwärme und Naturtrocknung kommt.
Die ebenfalls durchgeführte sensitive Betrachtung für die Wälzbett-Trocknung (ContiTrockn) zeigt, dass auch dieses Verfahren vorteilhaft gegenüber der Naturtrocknung abschneidet, unter der Voraussetzung, dass die Trocknungswärme durch bislang ungenutzte Abwärme bereit gestellt wird. Gegenüber dem Standardfall wird, aufgrund des geringeren Heizwertes der so getrockneten Hackschnitzel, eine etwas geringere Wärmemenge
erzeugt und der Stromaufwand der Trocknung liegt etwas höher, da der spezifische Bedarf sich auf den Output bezieht.
Tabelle 9
Sensitivitätsbetrachtung Treibhauseffekt ökologischer Vergleich technische
und Naturtrocknung von Hackschnitzeln – Systemraum Variante A – Ergebnisse in kg CO2-Äq/t frische Hackschnitzel
Techn. Trockn. 2
Bereitstellung
Trocknung
Feuerung
Netto
Naturtr. Sens 1
Naturtr. Sens 2
16,4
-706,6
-647,5
-582,2
-690,2
-647,5
-582,2
Conti-Trockn.
17,8
-697,2
679,5
Tabelle 10 zeigt das Ergebnis der Sensitivitätsbetrachtungen für den Treibhauseffekt für
die Systemraum Variante B. Hier ergeben sich gegenüber dem Standardvergleich nur
geringfügige Unterschiede, da in diesem Vergleich definitionsgemäß immer die gleiche
Menge Wärme erzeugt wird und die unterschiedlichen benötigten Holzmengen sich im
Treibhauseffekt kaum bemerkbar machen (Emissionen aus Bereitstellung gering).
Die Wälzbett-Trocknung (Conti-Trockn.) zeigt auch hier wie bei der Systemraum Variante
A etwas höhere Belastungen aus der Trocknung gegenüber „Techn.Trockn.2“, da für die
Erzeugung von 1 kWh Wärme aufgrund des geringeren Heizwertes etwas mehr Holz eingesetzt werden muss.
Tabelle 10
Seite 25
Sensitivitätsbetrachtung Treibhauseffekt ökologischer Vergleich technische
und Naturtrocknung von Hackschnitzeln – Systemraum Variante B – Ergebnisse in g CO2-Äq/kWh erzeugte Wärme
Bereitstellung
Trocknung
Feuerung
Netto
Techn. Trockn. 2
3,0
6,8
-291,9
Naturtr. Sens 1
3,3
-291,9
Naturtr. Sens 2
3,7
-291,9
Conti-Trockn.
3,1
7,4
-291,9
-282,1
-288,6
-288,2
-281,4
Das Ergebnis der Sensitivitätsbetrachtung für die Inanspruchnahme von Waldholz ist in
Tabelle 11 aufgeführt. Sie ist hier nur für die Systemraum Variante B ausgewertet, da bei
der Systemraum Variante A sich an dieser Stelle keine Unterschiede zeigen. Gegenüber
dem Standardvergleich ist durch die Sensitivitätsbetrachtung der Naturtrocknung ersichtlich, dass die Inanspruchnahme von Waldholz bei den Sensitivitäten erwartungsgemäß
abnimmt. Allerdings hat auch hier das Ergebnis Bestand, die geringste Inanspruchnahme
bleibt bei der technischen Trocknung mit Abwärme. Auch die ebenfalls ausgewertete Conti-Trocknung weist eine geringere Inanspruchnahme an Waldholz auf als die Sensitivitäten
der Naturtrocknung. Gegenüber der Standardtrocknung mit Abwärme liegt diese allerdings ein wenig höher, da wie auch beim Treibhauseffekt beschrieben, zur Erzeugung der
gleichen Menge Wärme bei der Conti-Trocknung aufgrund des geringeren Heizwertes
etwas mehr Holz eingesetzt werden muss.
Tabelle 11
Sensitivitätsbetrachtung Inanspruchnahme von Waldholz ökologischer Vergleich technische und Naturtrocknung von Hackschnitzeln – Systemraum
Variante B – Ergebnisse in kg Holz/kWh erzeugte Wärme
Bereitstellung
Netto
Techn. Trockn. 2
0,41
-
Naturtr. Sens 1
0,45
-
Naturtr. Sens 2
0,50
-
Conti-Trockn.
0,42
-
0,41
0,45
0,50
0,42
4
Seite 26
Zusammenfassung
Die vorliegende Studie hat zur Aufgabe die ökologischen Auswirkungen einer technischen
Trocknung von Holzhackschnitzeln zu untersuchen. Im Besonderen wurden hierzu zwei
verschiedene Fragestellungen betrachtet. So wurden technisch getrocknete Holzhackschnitzel zum einen mit Holzpellets verglichen und zum anderen mit naturgetrockneten
Holzhackschnitzeln.
Vergleich technisch getrocknete Hackschnitzel und Holzpellets
Der Vergleich zwischen technisch getrockneten Hackschnitzeln und Holzpellets soll v. a.
die Frage beantworten, ob es aus ökologischer Sicht Gründe für eine unterschiedliche
Förderung der beiden Holzbrennstoffarten gibt wie sie nach dem (EEG 2009) gegeben ist.
Hier zeigen die Ergebnisse, dass technisch getrocknete Holzhackschnitzel aus ökologischer Sicht den Holzpellets gleichwertig sind bzw. sogar hinsichtlich Treibhauseffekt und
Einsparung von fossiler Primärenergie einen leichten Vorteil aufweisen. Die Ergebnisse
basieren aus Gründen der Gleichbehandlung auf der Annahme, dass von gleichem Rohmaterial ausgegangen wird und folglich, da zudem der Trocknungswärmebedarf bei beiden Brennstoffen gleich hoch ist, gleiche Heizwerte im Endprodukt erreicht werden. Dieser Aspekt wurde im Rahmen einer Sensitivitätsbetrachtung hinsichtlich zweier Parameter
geprüft. Zum einen wurde der Einfluss eines etwas höheren Heizwertes bei den Holzpellets untersucht, zum anderen, der Einfluss durch unterschiedliche geografische Holzherkünfte. In ersterem Fall bleibt das Ergebnis robust, trotz etwas höherem angenommenen
Heizwert für die Holzpellets bleiben die technisch getrockneten Hackschnitzel ökologisch
gleichwertig. Dagegen ist der Einfluss der geografischen Holzherkunft relevant. Die deutlich größeren Holzpelletieranlagen sind in der Praxis auf einen größeren Einzugsbereich
für das Rohmaterial angewiesen als die auf regionale Strukturen ausgerichteten Anlagen
zur technischen Trocknung von Hackschnitzeln. In der Sensitivität betrachtet wurde der
extreme Fall, dass das Rohmaterial für Holzpellets aus Übersee importiert wird. Durch die
damit verbundenen Umweltbelastungen würden die Holzpellets in einen deutlichen Nachteil geraten.
Neben der Frage der ökologischen Gleichwertigkeit zwischen technisch getrockneten
Hackschnitzeln und Holzpellets wurde im Rahmen der Untersuchung auch die Frage nach
der Effizienz der Nutzung von insbesondere Biogas-BHKW Abwärme zur Trocknung der
Holzbrennstoffe gestellt. Da nach gegebener Datengrundlage bei Hackschnitzeln und
Pellets die gleiche Wärmemenge eingesetzt werden muss, ist die Effizienz für die beiden
Holzbrennstoffe gleich. Insbesondere Biogas-BHKW Abwärme kann jedoch als effektivste
Maßnahme über Nahwärmenetze genutzt werden. Die Effizienz der Nutzung ist dabei
mehr als doppelt so hoch wie bei der Trocknung von Holzpellets und Hackschnitzeln. Allerdings ist diese direkte Wärmenutzung über Nahwärmenetze häufig nicht möglich, da
entsprechende Wärmesenken in wirtschaftlich vertretbarer Entfernung fehlen. Umgekehrt
gibt es insbesondere bei der Trocknung von Hackschnitzeln ein Potenzial zur Steigerung
der Effizienz. Im Gegensatz zu Holzpellets ist es bei Hackschnitzeln sinnvoll nur auf einen
Wassergehalt von 15% (statt 8%) zu trocknen. Eine entsprechende Trocknung ist ggf. mit
dem Verfahren der Wälzbett-Trocknung möglich. Entscheidend dabei ist, dass der Endwassergehalt sicher für die gesamte Charge erreicht wird (keine Vernässungszonen).
Gelingt dies, kann die Effizienz der Wärmenutzung von 40% auf 63% gesteigert werden.
Seite 27
Für das (EEG 2009) steht die nächste Novellierung für das Jahr 2012 an. Die möglichen
Änderungen werden derzeit geprüft. Aus ökologischer Sicht sollte hier neben der Förderung der Trocknung von Holzpellets aus Gründen der Gleichbehandlung auch die Trocknung von Hackschnitzeln zugelassen werden. Im (EEG 2009) war vor allem von einer
Förderung abgesehen worden, da das Risiko einer Fehlentwicklung bzw. von missbräuchlichen Anwendungen gegeben war. Dieses Risiko kann ausgeschlossen werden, wenn
die Wärmeverwendung nachgewiesen wird. Möglich ist dies durch den Nachweis getätigter Investitionen z.B. für installierte Wärmetauscher und durch Liefer- bzw. Abnahmeverträge der entsprechenden Wärmemengen verbunden mit Betriebsdaten zu vermarkteten
Mengen an getrockneten Hackschnitzeln. Künftig möglich wäre ein Nachweis ggf. auch,
wenn das erzeugte Hackschnitzelprodukt mit dem Blauen Engel ausgezeichnet ist. Entsprechend den vorgesehenen Vergabegrundlagen für das Umweltzeichen ist dabei sehr
umfassend die Herstellung der Hackschnitzel zu dokumentieren und es ist eine Mindesteffizienz der Trocknung nachzuweisen.
Vergleich technisch getrocknete und naturgetrocknete Hackschnitzel
Der Vergleich zwischen technisch getrockneten und naturgetrockneten Hackschnitzeln
soll v. a. die Frage beantworten, ob der Wärmeeinsatz bei der technischen Trocknung
auch mit entsprechenden ökologischen Vorteilen verbunden ist. Zur Beantwortung der
Frage wurden zwei verschiedene Betrachtungsebenen untersucht. Zum einen wurde danach gefragt wie viel Wärme aus der gleichen Menge eingesetzte Hackschnitzel erzeugt
werden kann und zum anderen wie viel Holz umgekehrt in Anspruch genommen werden
muss, um die gleiche Wärmemenge zu erzeugen. Die beiden ergebnisrelevanten Umweltwirkungen sind die Beiträge zum Treibhauseffekt und die Naturraumbeanspruchung
ausgedrückt über den Indikator Inanspruchnahme von Waldholz. Für letzteres ergeben
sich Unterschiede nur, wenn die Frage nach der einzusetzenden Holzmenge gestellt wird.
Im Ergebnis zeigen sich für beide Betrachtungsweisen, dass sich die technische Trocknung gegenüber der Naturtrocknung vorteilhaft darstellt, wenn es sich bei der zur Trocknung eingesetzten Wärme um ansonsten ungenutzte Abwärme handelt, d. h. wenn der
Trocknungswärme keine Vorlasten anzurechnen sind. Würde dagegen zur Trocknung
Wärme aus Erdgas eingesetzt werden, ergibt sich kein Vorteil. Im Rahmen der Untersuchung wurde auch die Frage nach dem Spielraum zwischen Trocknung mit Abwärme ohne Vorlast und Trocknung mit Wärme aus Erdgas gestellt. Diese ist für die beiden Betrachtungsweisen verschieden zu beantworten.
Bei der Betrachtungsebene, die von der gleichen Menge eingesetzte Hackschnitzel ausgeht, ist der Einsatz von Trocknungswärme mit Vorlasten v. a. im Treibhauseffekt relevant. Hier dürfte die eingesetzte Trocknungswärme bis zu 70% der Belastungen ausmachen, die sich aus der fossilen Erdgaswärme ergeben, bevor sich ein Gleichstand der
technischen und der Naturtrocknung im Ergebnis für den Treibhauseffekt einstellt. Dies
gilt weitgehend auch dann, wenn die naturgetrockneten Hackschnitzel einen geringeren
Wassergehalt aufweisen als angenommen. Der Spielraum verringert sich erst auf ca.
25%, wenn die Massenverluste der Naturtrocknung nur 4% statt 10% betragen würden.
Dies dürfte aber nur bei einer aktiven Belüftung möglich sein, für die dann umgekehrt
Aufwendungen der Belüftung zu berücksichtigen wären.
Bei der Betrachtungsebene, die von der gleichen Menge erzeugte Wärme ausgeht, weist
die Naturtrocknung einen leichten Vorteil auf. Umgekehrt muss aber für naturgetrocknete
Seite 28
Hackschnitzel mehr Waldholz in Anspruch genommen werden. Müssten für die technische Trocknung von Hackschnitzeln für die eingesetzte Trocknungswärme Vorlasten berücksichtigt werden, dann hätte dies im Treibhauseffekt eine Steigerung des leichten Vorteils der naturgetrockneten Hackschnitzel zur Folge, während die Inanspruchnahme von
Waldholz davon unberührt bleibt. Wann hier der Punkt der Gleichwertigkeit der beiden
Verfahren eintritt, ist hier schwer zu beurteilen, da es sich um verschiedene Umweltwirkungen mit gegenläufigem Ergebnis handelt. Eine Gleichwertigkeit wäre aber z.B. dann
gegeben, wenn für die technische Trocknung der Hackschnitzel Wärme aus einer Holzfeuerung gewonnen würde. Diese wäre nur mit geringen Treibhausgasbelastungen verbunden, würde aber umgekehrt etwa die Menge Waldholz erfordern, die infolge der Massenverluste bei der Naturtrocknung mehr aufgewendet werden muss.
Abschließend kann die Aussage getroffen werden, dass die technische Trocknung von
Hackschnitzeln aus ökologischer Sicht gegenüber der Naturtrocknung auf jeden Fall vorteilhaft ist, wenn die zur Trocknung eingesetzte Abwärme ohne Vorlasten anfällt, es sich
also um bislang ungenutzte Überschusswärme handelt. Ansonsten ist bei Einsatz von
regenerativer Wärme mit Anrechnung der für diese anfallenden Vorlasten, eine Gleichwertigkeit zwischen technisch getrockneten und naturgetrockneten Hackschnitzeln zu
erwarten. Aufgrund der durch technisch getrocknete Hackschnitzel erreichbaren höheren
und homogeneren Produktqualitäten sind diese für den Einsatz in der Praxis insbesondere bei kleinen und mittleren Feuerungsanlagen zu bevorzugen, da sie in diesem Leistungsbereich überhaupt erst eine Automatisierung und damit Optimierung der Feuerung in
Richtung effiziente und schadstoffarme Verbrennung erlauben.
5
Seite 29
Literatur
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(DIN EN 14961-1: 2010) Feste Biobrennstoffe – Brennstoffspezifikationen und -klassen –
Teil 1: Allgemeine Anforderungen, März 2010
(E DIN EN 14961-2: 2010) Feste Biobrennstoffe – Brennstoffspezifikationen und -klassen
– Teil 2: Holzpellets für nichtindustrielle Verwendung, Mai 2010
(E DIN EN 14961-4: 2010) Feste Biobrennstoffe – Brennstoffspezifikationen und -klassen
– Teil 4: Holzhackschnitzel für nichtindustrielle Verwendung, Mai 2010
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Seite 30
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(Roland Berger 2010) Technisch getrocknete Hackschnitzel – ein neuer, nachhaltiger
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(Umsicht o.J.) Leitfaden Nahwärme. Fraunhofer Umsicht, S. 23
6
Seite 31
Anhang – Wirkungskategorien und Indikatoren
Kumulierter fossiler Primärenergiebedarf
Die energetischen Rohstoffe werden anhand des Primärenergieverbrauchs bewertet. Als
Wirkungsindikatorwert wird der fossile Primärenergieverbrauch als kumulierter Energieaufwand (KEA) angegeben.
Treibhauspotential
Schadstoffe, die zur zusätzlichen Erwärmung der Erdatmosphäre beitragen, werden unter
Berücksichtigung ihres Treibhauspotenzials bilanziert, welches das Treibhauspotenzial
des Einzelstoffs relativ zu Kohlenstoffdioxid kennzeichnet. Als Indikator wird das Gesamttreibhauspotenzial in CO2-Äquivalenten angegeben. Folgende Substanzen und Charakterisierungsfaktoren wurden berücksichtigt.
Tabelle 12
Charakterisierungsfaktoren für Treibhauspotenzial (nach IPCC 2007)
Treibhauspotenzial
kg CO2 Äq./kg
Kohlenstoffdioxid CO2
1
Methan, fossil CH4
27,75
Methan, regenerative
25
Distickstoffmonoxid N2O
298
PM10-Risikopotenzial
Die großräumige PM10-Belastung der Außenluft wird durch direkte Staubemissionen und
Sekundärpartikel verursacht, die sich aus Vorläufersubstanzen wie NOx, SO2, NH3 und
NMVOC bilden. Die Zuordnung erfolgt mit aerosol formation factors. Als Indikator wird das
PM10-Risikopotenzial in PM10-Äquivalenten angegeben. Folgende Substanzen und Charakterisierungsfaktoren wurden berücksichtigt.
Tabelle 13
Charakterisierungsfaktoren für PM10-Risikopotenzial
PM10-Risikopotenzial
kg PM10-Äq./kg
Partikel ≤ PM10
1,00
NOx als NO2
0,88
SO2
0,54
NH3
0,64
NMVOC
0,012
Die Inanspruchnahme von Waldholz als Ressource wird hier anhand der Masse bewertet.
Als Indikatorwert wird der Verbrauch von Waldholz in kg angegeben.
Seite 32
Tabelle 14
Zur Berechnung der EDW verwendete Jahresgesamtfrachten und
-verbrauch in Deutschland und Belastung durch einen Einwohner
Gesamt-BRD
Quelle
EDW
Einwohner
82.095.000
Ressourcen
Holzeinschlag
Einwohner
65.000.000 m3
Aggregierte Werte
KEA, fossil
Treibhauspotenzial (IPCC 200
PM10-Äquivalente
11.345.000 TJ
930.287.431 t CO2-Äq
2.024.417 t PM10-Äq
StBA (31.12.2008)
a)
0,79 m3
b)
c)
d)
138.194 MJ
11.332 kg
24,7 kg
a)
Daten zur Umwelt - Umweltzustand in Deutschland online,
http://www.umweltbundesamt-umwelt-deutschland.de/umweltdaten/open.do
b)
AGEB AG Energiebilanzen e.V.: Energieverbrauch in Deutschland im Jahr 2008; http://www.agenergiebilanzen.de/viewpage.php?idpage=118
c)
Umweltbundesamt (Hrsg.) - Nationale Trendtabellen für die deutsche Berichterstattung atmosphärischer Emissionen (THG) 1990-2007 (Endstand 12.11.2008). Dessau, November 2008
d)
Umweltbundesamt (Hrsg.) - Nationale Trendtabellen für die deutsche Berichterstattung atmosphärischer Emissionen 1990-2007 (Endstand 20.02.2009). Dessau, Februar 2009
Tabelle 15
Stand
Juni/Juli
2009,
Bewertungsvorschlag des UBA (1999) zur ökologischen Gefährdung und
Abstand zum Umweltziel, weitere Einstufung IFEU
Wirkungskategorie
Naturraumbeanspruchung
Treibhauseffekt
Ressourcenbeanspruchung (fossil)
Humantoxizität
Partikel (PM10)
Einordnung UBA
ökologische
Abstand zum
Gefährdung
Umweltziel
A
A
A
A
C
B
Einstufung
IFEU
A
A
C
B a)
A = sehr groß. B = groß. C = mittel D = gering
a) Begründung für die Rangbildung:
Partikel: Nach jüngeren Erkenntnissen führen Staubpartikel von <10µm ∅ zu erheblichen Gesundheitsgefahren, Wirkung lokal regional, keine Persistenz → B

tung der technischen Trocknung von Holzhackschnitzeln

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