Verwendung von Verbrennungswärme für Energie

Das Endergebnis der Verbrennung ist nützliche Energie – typischerweise in Form von Wärme, Strom oder Wärme und Strom. Dies kann für die Raumheizung von Gebäuden, die Prozessheizung für den industriellen Bedarf, den Strom für die Nutzung vor Ort oder den Verkauf an das Netz oder die gleichzeitige Erzeugung von Wärme und Strom (sogenannte “Kraft-Wärme-Kopplung” oder KWK) verwendet werden. Am häufigsten wird die Verbrennungswärme in Form von heißem Wasser, heißer Luft oder Dampf erfasst.

Die meisten landwirtschaftlichen Betriebe haben keinen nennenswerten Bedarf an Verbrennungswärme, mit Ausnahme der Hofheizung im Winter in kalten Klimazonen. Landwirtschaftliche Betriebe sollten jedoch das Potenzial für die Bereitstellung von Verbrennungskraftstoff für Privat-, Gewerbe- oder Industriekunden in Betracht ziehen.

Verbrennungsausrüstung

Verbrennungsausrüstung ist in einer Vielzahl von Größen und Konfigurationen erhältlich, obwohl die Auswahl tendenziell kleiner ist als bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe. Es ist in der Regel teurer als Öl- oder erdgasbefeuerte Geräte, aber Biomasse–Brennstoff ist in der Regel weniger teuer – was zu langfristigen Einsparungen für den Benutzer führt. Es gibt viele Beispiele für Biomasseverbrennungssysteme, die zur Beheizung von Gewächshäusern in landwirtschaftlichen Betrieben eingesetzt werden.

Die beiden Hauptkategorien von Biomasseverbrennungsanlagen sind Wohnsysteme und gewerbliche / industrielle Systeme.

Verbrennungsanlagen für Wohngebäude

Ein Kamin ist die allgemeinste Form der Wohnverbrennungsausrüstung – jedoch neigt er auch, sehr ineffizient zu sein (die meiste Hitze herauf den Kamin verloren). Es stehen viele andere Arten von Öfen und Öfen zur Verfügung, die eine effizientere Methode zur Nutzung der Verbrennungswärme im Haushalt bieten. Normalerweise ist das Gerät nur für eine Art von Biomassebrennstoff geeignet, daher ist es wichtig, den geeigneten Ofen für den Brennstoff auszuwählen, den Sie verbrennen möchten.

Holzöfen sind ein effizienteres Mittel zum Verbrennen von Holz – sie steuern die Luftströmungsrate und maximieren die Wärmeentnahme aus dem brennenden Brennstoff. Diese Geräte sind jedoch im Allgemeinen nur zum Verbrennen von Cordholz geeignet.

Kamineinsätze sind im Wesentlichen nur Holzöfen, die in die Öffnung eines vorhandenen Kamins eingebaut werden. Sie funktionieren ähnlich wie ein Holzofen und haben ähnliche Wirkungsgrade.

Pelletöfen sind für die Verbrennung speziell hergestellter Holzpellets ausgelegt. Diese Pellets werden nach sorgfältigen Spezifikationen hergestellt, wodurch die Öfen effizienter arbeiten und sauberer verbrennen können als typische Holzöfen. Einige Pelletöfen können automatisch Kraftstoff in den Ofen einspeisen, wodurch sie etwas einfacher zu bedienen sind.

Biomasseöfen sind für die Verbrennung von Brennstoffpellets aus anderen Materialien als Holz wie Weizenstroh, Maisstroh oder Gräsern ausgelegt. Achten Sie darauf, die Art des Brennstoffs zu kennen, den ein Ofen verbrennen kann, da andere Kraftstoffarten den Ofen beschädigen oder zu einem unsicheren Betriebszustand führen können.

Maisöfen – In einigen Teilen des Landes ist es beliebt, geschälten Mais als Brennstoff zu verbrennen. In gewisser Weise sind Maiskörner ein natürlich hergestelltes Brennstoffpellet. Mais verbrennt überraschend gut, produziert aber ziemlich viel Asche, die anfälliger für “Verschlackung” (Bildung harter Brocken) ist als Holzasche. Im Gegensatz zu den meisten anderen Biomasse-Brennstoffen enthält Mais messbare Mengen an Schwefel (~ 0,1%, was immer noch viel niedriger ist als beispielsweise Kohle). Daher sind Holzpelletöfen im Allgemeinen nicht für Mais geeignet, und stattdessen müssen speziell gebaute Maisöfen verwendet werden. Einige Berichte haben vorgeschlagen, dass Maisöfen auch gut für Biomasse funktionieren, aber erkundigen Sie sich beim Ofenhersteller, um sicherzugehen.

Gewerbliche/ industrielle Verbrennungsanlagen

Kommerzielle Verbrennungsanlagen sind größer und komplexer als Wohngeräte. Typischerweise wird die Zufuhr von Futter in die Brennkammer durch die Verwendung von Förderbändern und / oder Schnecken automatisiert. Der Kraftstoff- und Luftstrom wird sorgfältig kontrolliert, und die Bedingungen innerhalb der Brennkammer werden automatisch angepasst, um maximale Effizienz zu gewährleisten. Moderne Verschmutzungskontrollgeräte (gewöhnlich ein zyklonischer Trennzeichen als Minimum) werden benutzt, um Partikelemissionen innerhalb der regulierten Grenzen für große Ausrüstung zu halten.

Diese Systeme sind in der Regel maßgeschneidert, basierend auf dem Heizbedarf und dem verfügbaren Brennstoff. Während die meisten Wohnsysteme erwärmte Luft erzeugen, sind gewerbliche Geräte in der Regel für die Erzeugung von heißem Wasser oder Dampf ausgelegt.

Verbrennungseffizienz

Der Wirkungsgrad von Verbrennungsanlagen entspricht der erzeugten Nutzwärmemenge geteilt durch die im Kraftstoff insgesamt verfügbare Wärmemenge.

Die Effizienz eines Geräts hängt von der Qualität des Geräts und der Art und Weise ab, wie es betrieben wird. Die meisten Verbrennungsanlagen haben den höchsten Wirkungsgrad, wenn sie mit voller Leistung betrieben werden – der Wirkungsgrad sinkt, wenn die Wärmebelastung gesenkt wird. Typische Volllastverbrennungswirkungsgrade verschiedener Gerätetypen sind in der folgenden Tabelle aufgeführt.

Ausrüstung	Typischer Wirkungsgrad (%)
Wohnkamin	-10 bis 20	Viel warme Luft “tritt” aus dem Schornstein
Wohn-Indoor-Holzofen	40-70	Neuere Modelle haben tendenziell einen viel höheren Wirkungsgrad als Vintage-Öfen. Trockener Kraftstoff und hohe Wärme für maximale Effizienz.
Wohn Pelletofen	70-80	Gleichbleibende Kraftstoffqualität ermöglicht einen hohen Gesamtwirkungsgrad
Outdoor-Holzofen	40-70	Die Effizienz ist während des Startens und Betankens geringer
Kommerzielle Hackschnitzelverbrennung	70-90	Computergesteuert – funktioniert gut mit einer Vielzahl von Brennstoffen und Feuchtigkeitsgehalten

Diese Effizienzwerte basieren auf dem “höheren Heizwert” des Brennstoffs. Denken Sie auch daran, dass der Wirkungsgrad dieser Geräte sinkt, wenn die Heizleistung niedrig ist – sie sind so konzipiert, dass sie am besten bei Spitzen- oder Spitzenhitzenleistung arbeiten.

Umweltverschmutzung und Luftqualitätsprobleme

Biomasse ist ein relativ sauberer Brennstoff in Bezug auf die Luftverschmutzung, WENN er effizient verbrannt wird. Dies mag für Menschen überraschend erscheinen, die an rauchige Feuer oder Holzofen gewöhnt sind. Der Rauch dieser ineffizienten Systeme enthält jedoch große Mengen an nicht verbranntem Kraftstoff, was ein Zeichen für eine geringe Effizienz ist. Ausrüstung der hohen Leistungsfähigkeit hat im Allgemeinen keine sichtbaren Rauchemissionen und keinen nachweisbaren Geruch.

Es gibt vier Haupttypen von Luftverschmutzung, die durch Verbrennung von Biomasse erzeugt werden können: 1) normale Verbrennungsprodukte (Kohlendioxid und Wasser), 2) “zusätzliche” chemische Verbindungen, die während der Verbrennung gebildet werden, wie Schwefeldioxide (SOx) und Stickstoffverbindungen (NOx), 3) nicht verbrannte Biomassemoleküle wie Ruß und 4) Aschepartikel, die klein genug sind, um in der Luft zu schweben (Flugasche und Partikel).

Kohlendioxid und Wasser

Kohlendioxid und Wasserdampf sind die beiden primären Gase, die von einer Brennkammer emittiert werden. Typische Biomasseverbrennung produziert ungefähr 1,8 Kilogramm CO2 und 0,5 Kilogramm Wasserdampf pro trockenes Kilogramm Brennstoff.

Kohlendioxid und Wasserdampf wurden traditionell nicht als Schadstoffe angesehen. Die zunehmende Besorgnis über die globale Erwärmung hat jedoch zu Bedenken der Regierung hinsichtlich der Kohlendioxidemissionen geführt. Einige Regierungen haben CO2-Emissionsgrenzwerte für Verbrennungsanlagen festgelegt. Die Verbrennung von Biomasse wird jedoch normalerweise als “klimaneutral” angesehen, was bedeutet, dass das Kohlendioxid, das durch die Verbrennung von Biomasse emittiert wird, von den wachsenden Pflanzen, die später als Brennstoff verwendet werden, wieder absorbiert wird. Aus diesem Grund sind die Kohlendioxidemissionen aus der Biomasseverbrennung im Allgemeinen nicht eingeschränkt.

Biomasseverbrennungs- “Schornsteine” haben oft weiße, wogende Wolkenfahnen, die von ihren Spitzen aufsteigen. Dies ist der Wasserdampf im Verbrennungsabgas, der beim Abkühlen zu Wassertropfen kondensiert. Einige Leute denken fälschlicherweise, dass die Wolke über einer Biomassebrennkammer ein Zeichen der Verschmutzung ist; In Wirklichkeit sind die Gase aus der Brennkammer oft sehr sauber.

NOx und SOx

Während moderne Biomassebrennkammern im Vergleich zu vielen anderen Brennstoffen im Allgemeinen geringe Emissionen aufweisen, gibt es einige Schadstoffe aus der Biomasseverbrennung, die besorgniserregend sind.

Die Hauptschadstoffe, die bei der Verbrennung von Biomasse zu berücksichtigen sind, sind die Stickoxide NO2 und NO3. Sie werden typischerweise als “NOx” -Emissionen bezeichnet und entstehen, wenn sich Stickstoff in der Luft während der Verbrennung chemisch mit Sauerstoff verbindet. NOx in der Atmosphäre kann sich mit Wasserdampf zu Salpetersäure verbinden und wurde als bedeutende Quelle für sauren Regen identifiziert. Heißere Verbrennung produziert mehr NOx, während kühlere Bedingungen weniger produzieren. Die NOx-Emissionen einer Biomassebrennkammer ähneln typischerweise denen einer kohlebefeuerten Brennkammer oder eines anderen fossilen Brennstoffsystems und hängen im Allgemeinen mehr von der Konstruktion der Verbrennungsausrüstung als von der Art des Brennstoffs ab.

Schwefeloxidverbindungen (“SOx”) sind ein weiteres Verbrennungsprodukt, von dem angenommen wird, dass es eine Quelle für sauren Regen ist – die Moleküle verbinden sich mit Wasser zu Schwefelsäure. SOx-Verbindungen bilden sich, wenn sich Schwefel im Kraftstoff während des Verbrennungsprozesses mit Sauerstoff verbindet. Kohle hat typischerweise einen hohen Schwefelgehalt, während die meisten Biomasse hat sehr wenig.

Ruß und Kreosot

“Ruß” ist ein Oberbegriff für nicht oder teilweise verbrannte Partikel im Abgas. “Kreosot” hingegen bezieht sich auf eine teerhaltige Flüssigkeit, die nach unvollständiger Verbrennung von Biomasse kondensiert (Kohle kann auch Kreosot produzieren). Während Wohnkamine und Holzöfen seit langem Quellen dieser Schadstoffe sind, produzieren hocheffiziente Verbrennungsanlagen wenig oder gar keine dieser Materialien.

Partikel (Asche)

Die meiste Asche aus der Verbrennung verbleibt in der Brennkammer. Kleine Mengen feinster Asche (sogenannte “Flugasche”) werden jedoch mit dem Abgas aus der Brennkammer ausgeblasen. Kommerzielle Verbrennungsanlagen verwenden Aschefangvorrichtungen wie “Zyklonabscheider” und “Beutelhäuser”, um den größten Teil dieser Asche zu entfernen, bevor sie in die Atmosphäre freigesetzt wird.

Luftqualitätsvorschriften

Luftemissionen von sehr großen Verbrennungsanlagen (d. H. Kraftwerken) sind durch Bundesgesetz geregelt. Kleinere Geräte werden durch staatliche und lokale Regeln geregelt. Diese Vorschriften erfordern in der Regel eine vorherige Genehmigung und regelmäßige Tests der Stapelgase, um die Einhaltung der Regeln sicherzustellen. Oft sind die kleinsten Verbrennungsanlagen (d.h. wohnanlagen) nicht auf diese Weise geregelt. Stattdessen müssen Hersteller von Kleingeräten möglicherweise bescheinigen, dass ihre Geräte bestimmte Mindestanforderungen erfüllen.

Für weitere Informationen

Verbrennung: Intro | Rohstoffe | Verarbeitung | Nutzung

• Ressourcen von Wood2Energy, University of Tennessee:
  • Ein Stand der Wissenschaft und Technologie. Ausführliche Publikation zu Verbrennungstechnologien. 2010.
  • Biomasse-Benutzerdatenbank der Vereinigten Staaten und Kanadas. Datenbank der Holz- und Energieindustrie, Produzenten und Nutzer, durchsuchbar nach verschiedenen Merkmalen. 2010.

• Ressourcen von BERC, dem Biomass Energy Research Center:
  • Community-Scale Technology Overview.
  • Vorteile der Nutzung von Biomasseenergie für Schulen und Gemeinden. Informationsblatt.
  • Biomasseenergie und Kohlendioxid. Informationsblatt.
  • Datenblatt zur Verbrennung von Biomasse. Informationsblatt.
  • 50+ Fallstudien zu erstklassigen Biomasse-Energiesystemen weltweit.
  • Leitfaden zur Hackschnitzelheizung für gewerbliche und institutionelle Einrichtungen.
  • Nationale Datenbank gemeinschaftlicher Biomasseprojekte

• Ressourcen von Penn State Cooperative Extension:
  • Kommerzielle Biomasse-Heizgeräte.
  • Mitverbrennung von Biomasse mit Kohle.
• Ressourcen von Cornell Cooperative Extension, Heizung mit Holz:
  • Verbrennungsanlagen vergleichen
  • Sicherheit von Holzofen
  • Ordnungsgemäße Wartung
  • Beste Verbrennungspraktiken
  • Brennholz kaufen
• Pellet Fuels Institute: Industriestandards und Verfügbarkeit.
• Verbrennungsschadstoffe. Utah State University, Kooperative Erweiterung.

Weitere Artikel dieser Serie:

• Biomasse-Rohstoffe für die Verbrennung
• Wie viel Wärme hat Biokraftstoff?
• Einführung in die Verbrennung von Biomasse
• Verarbeitung von Biomasse zur Verbrennung
• Schalenmais als Brennstoff für Gewächshauswärme
• Verwendung von Verbrennungswärme zur Energiegewinnung
• Holzwärme für Gewächshäuser

Mitwirkende an diesem Artikel

Autor

• Daniel Ciolkosz, Erweiterung Associate, Penn State

Peer-Reviewer