Forschung: Anbau von Energiepflanzen


Anbau von Energiepflanzen - Ganzpflanzengewinnung mit verschiedenen Beerntungsmethoden (ein- und mehrjährige Pflanzenarten); Schwachholzverwertung 

J. Maier; R. Vetter1 und V. Siegle2     
1994 - 1997

1Institut für umweltgerechte Landbewirtschaftung Müllheim
2Institut für Verfahrenstechnik und Dampfkesselwesen, Universität Stuttgart


Problemstellung

 Die Mitverbrennung von weitgehend CO2neutraler fester Biomasse in vorhandenen Steinkohlekraftwerken wird als eine Möglichkeit diskutiert, schnell und mit geringerem lnvestitionsbedarf als bei neu einzurichtenden Biomasseanlagen die Ziele der Klimakonferenzen - d.h. vor allem die Reduktion des CO2-Ausstoßes - kurz- bzw. mittefristig umzusetzen. Neben sowieso vorhandenen Biomassen wie Restholz und Stroh könnte durch speziell angebaute Energiepflanzen das verfügbare Potential an nutzbaren Biomassen im Umkreis eines Kraftwerkes erhöht werden.

Ziel

 Prüfung verschiedener ein- und mehrjähriger landwirtschaftlicher Kulturen auf ihre Anbaueignung als Festbrennstoff. Außerdem werden ihre Brennstoffeigenschaften (sowie das von Waldresthölzern) und das Verbrennungsverhalten in einer Kohlestaubfeuerung untersucht. Die Energiebilanz und wirtschaftliche Aspekte werden berücksichtigt.

Untersuchungsmethode

 Die 17 untersuchten Kulturpflanzen wurden an insgesamt 5 Standorten der Rheinebene und des Albvorlandes auf Großparzellen angebaut, um auch die Beerntung mit landwirtschaftlichen Erntemaschinen zu prüfen. Sie wurden - ebenso wie Waldrestholzsortimente - in einer 500 kW-Kohlestaubverbrennungsanlage hinsichtlich . Verbrennungsverhalten resp. Emissionsverhalten bei unterschiedlichen Beimischungsanteilen der Mitverbrennung untersucht.

Ergebnis

1. Unter den beiden pedoklimatisch unterschiedlichen Standortbedingungen können mit unterschiedlichen ein- und mehrjährigen Kulturen unter Praxisbedingungen Erträge von 50 bis 150 dt TM/ha Energieganzpflanzen erzielt werden. Bei den einjährigen Kulturen ragt die Hirse und der Hanf mit potentiellen Erträgen von über 200 bzw. 150 dt TM/ha heraus. Dem Hanf vergleichbar sind die gebildeten Erträge von Maisganzpflanzen, die damit auf etwas höherem Ertragsniveau als die untersuchten Wintergetreideganzpflanzen liegen. Wintertriticale zeigt das höhere Ertragspotential gegenüber Winterroggen und Wintergerste. Das Sommergetreide liegt mit seinen Ganzpflanzenerträgen im Bereich zwischen 50 und 100 dt TM/ha und damit unter dem Niveau des Wintergetreides.

2. Der für eine Mitverbrennung in Kohlekraftwerken wegen des Mahlvorganges und der Lagerung erforderliche niedrige Wassergehalt im Festbrennstoff kann bei den Kulturen Getreide, Hanf, Gras, Miscanthus und Weiden ohne künstliche T~rocknung durch entsprechende Ernteverfahren erreicht werden. Bei letzteren ist hierzu allerdings eine Freilufttrocknung erforderlich. Hirse und Mais erreichen jedoch ohne künstliche Nachtrocknung keine auch für eine längere Lagerung ausreichend niedrige Gutfeuchte. Für die Ernte sind in der Praxis vorhandene Maschinen einsetzbar.

3. Der geringste Energieaufwand zur Produktion von Festbrennstoffen wurde bei den Weiden festgestellt. Bei ihnen wurde das 24-fache der eingesetzten Energie gewonnen.
Bei oberirdischem Topinamburaufwuchs, Getreideganzpflanzen, Hanf und Gras liegt der Energieertrag im Bereich zwischen dem etwa 14- und 9-fachen des Energieaufwandes. Bei Wintertriticale entspricht der Energiegewinn bei einem Ertrag von 130 dt TM/ha etwa 6.000 Liter Heizöl.

4. Für die Eignung von Energiepflanzen zur Verbrennung als Festbrennstoff in Kohlekraftwerken spielen die einen Brennstoff charakterisierenden Inhaltsstoffe, und hier vor allem das Chlor, eine entscheidende Rolle. Die Gehalte an Chlor waren bei den untersuchten Energiepflanzen im Durchschnitt deutlich über denen der Steinkohle. Eine Abstufung in Bezug auf unerwünschten Chlorgehalt kann in der Reihenfolge Waldholz, Kurzumtriebsholz, Körner (Raps, Getreide etc.) , 'Faserpflanzen' (Hanf, Kenaf, Topinambur, Miscanthus), Getreideganzpflanzen, Getreidestroh und Süßgräser erfolgen. Lediglich die Waldresthölzer sowie die Pappel aus Kurzumtriebs~plantagen sind chlorärmer als Kohle. Vergleichbar mit Kohle ist der Hanfstengel. Vorteilhaft ist der geringe Schwefelgehalt der Biomassen. Der Stickstoffgehalt ist verbrennungstechnisch nicht problematisch. Alle Biomassen wurden auf ihre Brennstoffeigenschaften untersucht.

5. Bei der Betrachtung der Kosten für die Bereitstellung der Biomassen wird vor allem der Einfluß des Ertragsniveaus deutlich. Beim Anbau von Wintertriticaleganzpflanzen mit einem mittleren Ertragsniveau von 108 dt TM/ha muß bei den unterstellten Bedingungen die Dezitonne Trockenmasse frei Kraftwerk mindestens einen Erzeugerpreis von 13 DM erbringen, um dem Landwirt einen Anreiz zur Energiepflanzenproduktion anstelle der Stillegung zu bieten. Aus den Bereitstellungskosten resultieren für die verschiedenen Energiepflanzen Energieträgerpreise, die bei den niedrigsten erzielten Erträgen sowie bei der Mindestpreisstufe (Schwellenpreis Stilllegung) von 2,2 (Hanf) bis circa 3,5 Pfennig pro Kilowattstunde (Sommertriticale, Weiden) reichen (ohne Betrachtung des Topinambur). Die Energieträgerpreise, die über diesem Niveau liegen, könnten ggf. mit inländischer (ca. 3,7 Pf/kWh), aber nicht mehr mit importierter Steinkohle (1,2 Pf/kWh) konkurrieren.

 6. Die Vollständigkeit des Ausbrandes entscheidet darüber, wieviel CO (bzw. davon beeinflußt NOx) am Ende des Verbrennungsprozeßes freigesetzt wird. Bei reiner Pappelverbrennung genügt eine Aufmahlung auf 2,5 mm, um einen hohen Ausbrand mit den erwünschten geringen Emissionen zu erzielen. Bei Gras reicht eine gröbere Aufmahlung von 4 - 6 mm bis zu einer Zumischung von 30% aus. Darüber hinaus sind feinere Aufmahlungen von 1,5 mm nötig, um einen befriedigenden Ausbrand zu erreichen. Bei Getreideganzpflanzen, die sich aus dem Korn- und Strohteil mit unterschiedlicher Energiedichte zusammensetzen, konnte im Vorhaben die optimale Aufmahlung (= hoher Ausbrand) nicht endgültig geklärt werden. Hierfür sind technische Möglichkeiten zu suchen, die diesen Sachverhalt berücksichtigen.

 7. Insgesamt sind hinsichtlich der Einhaltung von Emissionsgrenzwerten nach der für Kohlekraftwerke geltenden 13. BlmSchV bei der Mitverbrennung bzw. der reinen Verbrennung von Biomassen in Staubfeuerungsanlagen bisher folgende Schlußfolgerungen aus den Erkenntnissen der Verbrennungsversuche zu ziehen: Der CO-Grenzwert von 250 mg/m3 ist auch bei der Mitverbrennung von gröberer Biomasse bis zu circa 20 % Anteil problemlos einzuhalten. Bei den NOx- und SO2-Emissionen ist keine Erhöhung der Emissionswerte bei einer Mitverbrennung zwingend. Erstere können durch primärseitige Maßnahmen 'In Grenzen' gehalten werden, letztere nehmen mit zunehmendem Biomasseanteil sogar ab.

Konsequenzen für die Praxis

 Aufgrund der ökonomischen Rahmenbedingungen sind speziell angebaute Energiepflanzen keine kostengünstigere Alternative zu einheimischer, schon gar nicht zu importierter Steinkohle. Darüber hinaus sind noch einige technische Details hinsichtlich der Aufbereitung und Mitverbrennung zu klären, bevor die Praxisreife erreicht werden kann. Ein landwirtschaftlicher Anbau wird vor allem von der Änderung der Rahmenbedingungen abhängen.

Literatur

 Vetter, R.; Maier, J.(1996). Production of energy crops in summerdry regions of Southwest-Germany for solid fuel. In: Biomass for energy and the environment, Proceedings of the 9th European Bioenergy Conference, Copenhagen.

Maier, J.; Vetter, R.; Siegle, V.; Spliethoff, H. (1997). Anbau von Energiepflanzen Ganzpflanzengewinnung mit verschiedenen Beerntungsmethoden (ein- und mehrjährige Pflanzenarten); Schwachholzverwertung. Abschlußbericht zum Forschungsvorhaben (Ord.-Nr. 22-94.11), Hrsg. Ministerium Ländlicher Raum, Stuttgart.

 

Fördernde Institution:    MLR

Förderkennzeichen:  22-94.11