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M. Kaltschmitt • H. Hartmann (Hrsg.) Energie aus Biomasse Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH M. Kaltschmitt H. Hartmann (Hrsg.) Energie aus Biomasse Grundlagen, Techniken und Verfahren Mit 285 Abbildungen und 124 Tabellen 'Springer Herausgeber: Priv.-Doz. Dr.-Ing. Martin Kaltschmitt Institut für Energetik und Umwelt GmbH Torgauer Str. 116 D-04347 Leipzig Dr. Hans Hartmann Technische Universität München(TUM) Bayerische Landesanstalt für Landtechnik Vöttinger Str. 36 D-85350 Freising ISBN 978-3-662-07026-0 Die Deutsche Bibliothek-CIP-Einheitsaufnahme Energie aus Biomasse : Grundlagen, Techniken und Verfahren I Hrsg.: Martin Kaltschmitt; Hans Hartmann. Mit Beitr. von B. Widmann ... - ISBN 978-3-662-07026-0 ISBN 978-3-662-07025-3 (eBook) DOI 10.1007/978-3-662-07025-3 Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der Übersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funk sendung, der Mikroverfilmung oder der Vervielfältigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Ver vielfältigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutschland vom 9. Sep tember 1965 in der jeweils geltenden Fassung zulässig. Sie ist grundsätzlich vergütungspflichtig. Zu widerhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechtsgesetzes. © Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2001 Ursprünglich erschienen bei Springer-Verlag Berlin Heidelberg New Yo rk 2001 Softcoverreprint ofthe bardeover Istedition 2001 Die Wiederl!;abe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk be rechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, daß solche Namen im Sinne der Warenzeichen-und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jeder mann benutzt werden dürften. Sollte in diesem Werk direkt oder indirekt auf Gesetze, Vorschriften oder Richtlinien (z.B. DIN, vm, VDE) Bezug genommen oder aus ihnen zitiert worden sein, so kann der Verlag keine Gewähr für die Richtigkeit, Vollständigkeit oder Aktualität übernehmen. Es empfiehlt sich, gegebenenfalls für die ei genen Arbeiten die vollständigen Vorschriften oder Richtlinien in der jeweils gültigen Fassung hinzu zuziehen. Einbandgestaltung: MEDIO GmbH, Berlin Satz: Reproduktionsfertige Vorlagen der Herausgeber Gedruckt auf säurefreiem Papier SPIN: 11371052 62/3111 - 5 4 3 2 Vorwort Ein wesentlicher Bestandteil einer nachhaltigen Energieversorgung ist der schonende Umgang mit den der Menschheit insgesamt zur Verfügung stehenden natürlichen Ressourcen. Hierzu kann die Nutzung regenerativer Energien (z. B. Biomasse, Solarstrahlung, Windenergie, Wasserkraft, Erdwärme) in Europa und auch in Deutschland einen anerkannt hohen Beitrag leisten. Deshalb wird auch die Nutzung dieser umweltfreundlichen und klimaverträglichen Energien durch umfangreiche Maßnahmen der öffentlichen Hand auf europäischer und nationaler Ebene zum Teil erheblich unterstützt. Dadurch wurde und wird erreicht, dass regenerative Energien zunehmend stärker zur Deckung der Energienachfrage bei tragen. Biomasse ist in Europa und Deutschland der regenerative Energieträger, der bisher am weitgehendsten genutzt wird; beispielsweise tragen biogene Festbrenn stoffe rund drei mal mehr zur Deckung der Energienachfrage in Deutschland bei als die Wasserkraft, die oft als die "klassische" regenerative Energie angesehen wird. Nach dem Wunsch der Kommission der Europäischen Union soll Bio masse-aufgrundder großen unerschlossenen Potenziale und der relativen Markt nähe im Vergleich zu vielen anderen Optionen zur Nutzung regenerativer Ener gien - in Zukunft einen noch größeren Beitrag im Energiesystem leisten und da mit merklich am Aufbau einer zukünftig umwelt- und klimaverträglicheren und damit nachhaltigeren Energieversorgung mitwirken. Zur schnellen und zielorientierten - und damit letztlich auch erfolgreichen - Umsetzung dieser politischen Zielvorgaben müssen die physikalischen, chemi schen und biologischen Grundlagen einer Energiegewinnung aus Biomasse sowie deren verfahrens- und systemtechnische Umsetzung zur End- bzw. Nutzenergie bereitstellung schnell und einfach - nach dem aktuellen Stand des Wissens und der Technik - verfügbar sein. Dies ist das Ziel des vorliegenden Buches. Dazu werden zunächst die verschiedenen Energiepflanzen bzw. Biomassefraktionen dargestellt und die Techniken und Verfahren zur Produktion bzw. Bereitstellung lehrbuchartig diskutiert. Anschließend werden die vielfältigen Möglichkeiten einer thermochemischen, physikalisch-chemischen und biochemischen Umwand lung von Biomasse in End- bzw. Nutzenergie detailliert erörtert. Damit liegt der Schwerpunkt auf der Diskussion der zum Verständnis einer Energiebereitstellung aus Biomasse notwendigen physikalischen und chemischen Grundlagen und der nach dem aktuellen Stand der Technik vorhandenen verfahrens- sowie system technischen Verfahren. Ökonomische und ökologische Gesichtspunkte sowie energiewirtschaftliche Analysen ebenso wie sonstige nicht technische Aspekte sind damit nicht Gegenstand der nachfolgenden Darstellungen. VI Vorwort Die Herausgeber möchten den Autoren, die zum Gelingen des vorliegenden Buches beigetragen haben, sehr herzlich danken. Ohne ihr hohes Engagement und ihre sehr weitgehende Kooperationsbereitschaft sowie ihr über das übliche Maß deutlich hinausgehendes Entgegenkommen wäre diese Publikation in ihrer jetzigen Form nicht möglich gewesen. Besonderer Dank gilt auch Frau Helga Nielsen und Frau Heike Eismann, Bayerische Landesanstalt fiir Landtechnik, die den größten Teil der Zeichnungen angefertigt haben. Neben den genannten Autoren, die zum Teil auch an Kapiteln mitgewirkt haben, fiir die sie nicht verantwortlich zeichnen, waren weitere Fachleute an der Durchsicht der Texte beteiligt. Unser ganz besonderer Dank gilt hier Herrn em. o. Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn. Paul Viktor Gilli fiir die komplette Durchsicht des Manuskriptes. Herzlich danken möchten wir ferner Frau Dr.-Ing. Daniela Thrän und Herrn Dr.-Ing. Joachim Fischer, Institut fiir Energiewirtschaft und Rationelle Energieanwendung (IER), Universität Stuttgart, Herrn Dipl.-Ing. Thomas Launhardt, Dr. Arno Strehler und Wemer Krauß von der Bayerischen Landesanstalt fiir Landtechnik, Herrn Dipl. FW Norbert Remler, Bayerische Landesanstalt fiir Wald- und Forstwirtschaft, sowie Herrn Dipl.-FW Thomas Hering, Thüringer Landesanstalt fiir Landwirt schaft (TLL), Herrn Dipl.-Phys. Hans Frieß, Bayerisches Landesamt fiir Um weltschutz, Herrn Dipl.-Ing. Peter Heinrich, Fichtner GmbH & Co. KG sowie Herrn Ao.Univ.Prof.DI Dr. Thomas Amon, Institut fiir Land-, Umwelt- und Energietechnik der Universität fiir Bodenkultur Wien. Auch ist vielen weiteren ungenannten Mitarbeitern unser aufrichtiger Dank auszusprechen; ohne ihre tatkräftige Unterstützung wäre die Realisierung dieses Buches nicht möglich gewesen. Nicht zuletzt gilt unser Dank auch denjeweiligen Institutionen. Trotz der hohen Sorgfalt, mit der die Autoren und Herausgeber sowie die Lektoren sich bemüht haben, die dargestellten Zahlen und Fakten sowie die auf gezeigten Zusammenhänge nach dem aktuellen Stand des Wissens und der Tech nik zu recherchieren, können Fehler leider niemals ganz ausgeschlossen werden. Über konstruktive Anmerkungen und zielorientierte Verbesserungsvorschläge fiir eine mögliche zweite Auflage würden sich die Herausgeber und Autoren deshalb sehr freuen. Stuttgart, Freising; im Oktober 2000 Martin Kaltschmitt und Hans Hartmann Liste der Autoren Prof. Dr.-Ing. Günter Baumbach Institut fur Verfahrenstechnik und Dampfkesselwesen (IVD), Universität Stuttgart, Deutschland Dr. W emer Edelmann arbi GmbH, Baar, Schweiz Dr. Jürgen Good VERENUM-Ingenieurbüro fur Verfahrens-, Energie-und Umwelttechnik, Zürich, Schweiz Dr. Hans Hartmann Technische Universität München, Bayerische Landesanstalt fur Landtechnik, Freising-Weihenstephan, Deutschland Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn. Hermann Hofbauer Institut fur Verfahrens-, Brennstoff-und Umwelttechnik, Technische Universität Wien, Österreich Dr. Iris Lewandowski Institut fur Pflanzenbau und Grünland, Universität Hohenheim, Deutschland PD Dr.-Ing. Martin Kaltschmitt Institut fiir Energiewirtschaft und Rationelle Energieanwendung (IER), Universität Stuttgart, Deutschland Dr. Dietrich Meier Institut fiir Holzchemie und chemische Technologie des Holzes, Bundesforschungsanstalt fiir Forst-und Holzwirtschaft (BFH), Hamburg, Deutschland Dipl.-Ing. Dr.techn. Andreas Mory VERBUND-Austrian Hydro Power AG, Klagenfurt, Österreich PD Dr. Thomas Nussbaumer VERENUM-Ingenieurbüro fur Verfahrens-, Energie-und Umwelttechnik, Zürich, Schweiz Univ.-Doz. Dipl.-Ing. Dr.techn. Ingwald Obernherger Ingenieurbüro BIOS, Graz, Österreich Institut fur Grundlagen der Verfahrenstechnik und Anlagentechnik, Technische Universität Graz, Österreich Dipl.-Ing.agr. Edgar Remmele Technische Universität München, Bayerische Landesanstalt fur Landtechnik, Freising-W eihenstephan, Deutschland PD Dr. Thomas Senn Institut fiir Lebensmitteltechnologie, Universität Hohenheim, Deutschland VIII Liste der Autoren Prof. Dr.-Ing. Hartmut Spliethoff Section Thermal Power Engineering, Faculty of Design, Construction and Production, Technical University of Delft, Niederlande Dr.-Ing. Thomas Stelzer Alfons Stelzer GmbH, Kempen, Deutschland Dr. Johannes Welling Institut für Holzphysik und mechanische Technologie des Holzes, Bundesforschungsanstalt für Forst- und Holzwirtschaft (BFH), Hamburg, Deutschland Dr. Bernhard Widmann Technische Universität München, Bayerische Landesanstalt für Landtechnik, Freising-Weihenstephan, Deutschland Inhaltsübersicht 1 Einleitung und Zielsetzung 1.1 Biomasse als nachwachsender Energieträger 1.2 Biomasse im Energiesystem 1.3 Aufbau und Abgrenzungen 2 Biomasseentstehung 2.1 Aufbau und Zusammensetzung 2.2 Primärproduktion 2.3 Einflussfaktoren auf die Biomasseentstehung 2.4 Zeitliche und räumliche Angebotsunterschiede 3 Energiepflanzenproduktion 3 .1 Lignocellulosepflanzen 3.2 Ölpflanzen 3.3 Zucker-und Stärkepflanzen 4 Nebenprodukte, Rückstände und Abrälle 4.1 Holzartige Biomasse 4.2 Halmgutartige Biomasse 4.3 Sonstige Biomasse 5 Bereitstellungskonzepte 5.1 Holzartige Biomasse 5.2 Halmgutartige Biomasse 5.3 Sonstige Biomasse 6 Ernte und Aufbereitung 6.1 Ernteverfahren 6.2 Aufbereitung 7 Transport, Lagerung, Konservierung und Trocknung 7.1 Transport 7.2 Lagerung 7.3 Feuchtkonservierung 7.4 Trocknung 8 Grundlagen der Festbrennstoffnutzung 8.1 Begriffsdefinitionen 8.2 Brennstoffzusammensetzung und -eigenschaften 8.3 Grundlagen der thermochemischen Umwandlung 8.4 Systemelemente zur End-/Nutzenergiebereitstellung X Inhaltsübersicht 9 Direkte thermische Umwandlung (Verbrennung) 9.1 Grundlagen 9.2 Feuerungsanlagentechnik 9.3 Abgasreinigung und -kondensation 9.4 Stromerzeugungstechniken 9.5 Aschen und deren Verwertung 10 Thermochemische Umwandlung 10.1 Vergasung 10.2 Pyrolyse 10.3 Verkohlung 11 Nutzung von Biomasse mit fossilen Energieträgern 11.1 Einteilung und Abgrenzung 11.2 Mitverbrennung in Kohlekraftwerken 11.3 Vergasung und Gasnutzung in Kohlekraftwerken 12 Produktion und Nutzung von Pflanzenölkraftstoffen 12.1 Rohstoffbereitstellung 12.2 Pflanzenölgewinnung 12.3 Weiterverarbeitung von Pflanzenölen 12.4 Produkte und energetische Nutzung 12.5 Anlagenbeispiele 13 Grundlagen der biochemischen Umwandlung 13.1 Biochemische Abbaumöglichkeiten 13.2 Beteiligte Phasen 13.3 Technische Nutzbarmachung 14 Ethanolerzeugung und Nutzung 14.1 Grundlagen 14.2 Maischprozess 14.3 Fermentation 14.4 Destillation, Rektifikation, Absolutierung 14.5 Produkte und energetische Nutzung 14.5 Anlagenbeispiele 15 Biogaserzeugung und Nutzung 15 .1 Grundlagen 15.2 Verfahrenstechnik 15.3 Produkte und energetische Nutzung 15.4 Anlagenbeispiele