B. Das Voll – Brennwertsystem für Biomasse aus Hackgut mit höchster Energieeffizienz
Die Vorteile der Einsparung von Brennstoffkosten und Emissionsreduktion

- ein Gewinn für den Trocknungsbetrieb durch  die Nutzung der latenten und sensiblen Wärme aus der Wärmerückgewinnung durch Kondensation der Rauchgasabwärme und der feuchten Abluft  aus dem KD – Trockner.  Ein Gewinn für die Umwelt, der sich rechnet.

> Die Rauchgasabwärme – Nutzenergie aus der Voll – Brennwerttechnik

Bei der Verbrennung von Holz mit Luft – Sauerstoff entstehen Rauchgase, die latente und fühlbare Wärme enthalten. Unter latenter Wärme versteht man die „ verborgene „ Energie, die durch Verdunstung von Wasser (Phasenübergang von flüssig – gasförmig) gebunden ist.
So wird  z.B. 1 kg Wasser bei einer Lufttemperatur von 25 °C mit einer Energie von etwa 2450 KJ
( 680 Watt ) im gasförmigen Zustand gespeichert. Diese gespeicherte Energie, die zur Verdampfung von Wasser aufgewendet wurde, kann durch Kondensation bzw. Kühlung wieder freigesetzt bzw. genutzt werden.
Je höher die Lufttemperatur ist, umso mehr Wasser kann die Luft in Wasserdampf aufnehmen.

Das Potenzial der Nutzenergie aus der Rauchgaskondensation wird durch den „Wasserstoffgehalt“ des Brennstoffes und seiner Feuchtigkeit bzw.  seines „ Wassergehaltes„ bestimmt.
Der Wassergehalt der Rauchgase bei der Holzverbrennung ist daher bestimmt vom elementaren Wasserstoffgehalt im Holz, vom Wasser aus der Feuchtigkeit des Holzes und dem Wasser aus der Feuchtigkeit der Verbrennungsluft.
Im feuchtgesättigten Rauchgas sind bei einer Taupunkttemperatur von 53 °C etwa 100 g Wasser pro m3 – Rauchgas enthalten. Bei der Abkühlung der Rauchgase durch Kondensation unterhalb der Taupunkttemperatur wird die Verdampfungsenthalpie des Wassers als latente Wärme verfügbar.

Die Energie aus dem Holz ist daher entscheidend abhängig von der chemischen Brennstoff-Zusammensetzung  bzw. vom Heizwert und dem Brennwert.

Die chemischen Hauptbestandteile des trockenen Nadelholzes sind etwa 51 % C,  42 % O2, 6 % H2 und ca. 1 % Mineralstoffe.

Der Heizwert von Holz wird durch folgende Aufwendungen gasförmiger H2O –  Verdampfungs-enthalpien  herabgesetzt:  
- Wasser aus der Feuchtigkeit im Holz
- Wasserbildung bei der Verbrennung von H2 im Holz
- Wasser aus der Feuchtigkeit der Verbrennungsluft

• Der Heizwert ( Hu – untere Heizwert ) ist somit die maximal nutzbare Wärmemenge – ohne  Nutzung der Verdampfungsenthalpie bzw. Kondensation des im Rauchgas enthaltenen Wasserdampfes – in Bezug auf die eingesetzte Brennstoffmenge.
• Der Brennwert ( Ho – oberer Heizwert ) ist gegenüber dem Heizwert um die Wärmemenge  höher, die für die Verdampfung des Wasser benötigt wird.

Der Brennwert, ist also der Energieinhalt  der H2O – Verdampfungsenergie, die durch die Kondensation der Rauchgase bzw. durch die latente & sensible Wärmerückgewinnung in geeigneten Wärmetauscher wieder nutzbar wird.

Der Heizwert des Holzes ist nicht nur vom Wassergehalt, sondern auch von der Dichte des Holzes
( Holzart ) abhängig.
Getrocknetes Hackgut wirkt sich besonders effektvoll auf den Heizwert aus, weil dadurch der biologische Abbauprozess ( Substanzverlust durch Vermoderung bei gefährlicher Pilzbildung )
verlangsamt werden kann. Für die Lagerfähigkeit des Hackgutes soll mindestens die Feuchte von
25 % im Holz  gegeben sein.

Der Heizwert für absolut trockenes Nadelholz ( atro KWh/kg ) – beträgt nach experimentellen Bestimmungen bei  680 KWh/kg spez. Verdampfungsenthalpie von Wasser bei 25 °C.

Hu  =   5,28 KWh/kg – bei  atro ( absolut trocken ) =  0 % Wassergehalt

Ho  =   5,55 KWh/kg -  Brennwert für Holz ( experimentell bestimmt ) durch die
                                                 Verdampfungsenthalpie der Wasserbildung aus H2 – Verbrennung
                                                  im Holz

Die Nutzung des Brennwertes aus Holz in einem Voll – Brennwertsystem ist daher die höchste erzielbare Energieeffizienz zur Heiz- und Wertsteigerung beim Trocknen von Energieholz im  KD – Trockner

> Das wirtschaftliche Kombisystem der Biomasse – Brennwertnutzung

Die Umsetzung der Erkenntnisse der Energienutzung des Brennwertes ( oberer Heizwert ) durch Kondensation der Rauchgase in einem Brennwertkessel von  Heizöl – und Erdgas – Feuerungsanlagen ist Stand der Technik.

So sind durch den Kondensationswärmegewinn ( Differenz zwischen Heizwert und Brennwert ) bekanntlich Energieeinsparungen von
-           6 % bei einer Heizölfeuerung
-          11 % bei einer Erdgasfeuerung
erzielbar, sofern die Nutzenergie des Brennwertes in Bezug auf den Heizwert bei vollständiger Kondensation um die 25 °C Rauchgastemperatur abgekühlt und über Wärmetauscher  genutzt wird.
Diese Vorraussetzung der Verwertung der Kondensationswärme z.B. Rücklaufanhebung, Warmwasserbereitung kann in der Praxis kaum im Dauerbetrieb erreicht werden, wenn die Kühlungstemperatur zu hoch ( z.B.  60 °C  Rücklauftemperatur ) ist.

Im neu entwickelten Kombisystem eines Voll – Brennwertsystems lässt sich hingegen voll der  Energiegewinn durch die Rauchgaskondensation des Brennwertes von Holz aus der Hackschnitzel – Feuerungsanlage erzielen.

In diesem Verfahren wird die latente & sensible Rauchgasabwärme und die feucht – warme Abluft aus dem KD – Trockner zusammengeführt und vermischt gemeinsam vollständig kondensiert.

Hierbei wird durch die Kühlung der Rauchgasabwärme bis auf die Außenluft von 25 °C und durch die gleichzeitige Erwärmung der Außenluft für die Trocknungsluft im KD – Trockner der volle Energiegewinn durch vollständige Kondensation genutzt.
Durch diese Energienutzung  zum Trocknen von Energieholz aus Hackgut kann eine Einsparung des Brennstoffes aus Hackgut bis zu  30 % ( je nach Feuchte im Holz ) in einer Hackschnitzelfeuerungsanlage erzielt werden.

Bei dieser kombinierten Wärmerückgewinnungsanlage des Voll – Brennwertsystems bestehend aus einem Bündel von resistenten Glasrohrwärmetauschern wird die latente & sensible Wärme der Rauchgase einer Feuerungsanlage und die feuchte – latente Abluftwärme aus dem
KD – Trockner über die Absaugkanäle zusammengeführt und im Gegenstrom durch die angesaugte Außenluft auf die Temperaturhöhe der Außenluft gekühlt.
Bei der Erwärmung der Außenluft als Trocknungsluft für den KD – Trockner wird die Energie der latenten & sensiblen Wärme in der Rauchgas – Abluft durch die vollständige Kondensation zurück gewonnen.

Mit diesem kombinierten Voll – Brennwertsystem in einer integrierten Hackschnitzelfeuerungsanlage ergibt sich ein erheblicher Kostenvorteil des Trocknerbetriebes und der Investitionen. Dieser ist vor allem durch die Wärmerückgewinnung ( Rauchgas & Abluft )  zur Trocknungsluftvorwärmung des  kontinuierlichen Trocknungsprozesses im KD – Trockner gegeben, nachdem nur mehr die  Verlustenergie bzw. der Betrieb Trocknungsprozesses mit maximal etwa  30 KWh/Srm  als Differenz zur vorgegebenen Trocknerleistung pro Srm Hackgut zu zuführen ist.

Diese ökonomische höchste Energieeffizienz ist vor allem die Brennstoffeinsparung bzw. durch die Heiz – Werterhöhung von getrockneten Hackgut, die mit der technischen Lösung der Abwärmenutzung der Rauchgase und der Abluft aus dem KD – Trockner im kombinierten Voll – Brennwertsystem gegeben.

> Die  Technik der Rauchgaskondensation zur Reduktion von Emissionen

Das Verfahren des Biomasse Voll – Brennwertsystem mit höchster Energieeffizienz ist nicht nur ein Gewinn des Kostenvorteils durch Brennstoffeinsparung im Betrieb, sondern auch ein Gewinn für die Umwelt durch die Reduktion von Rauchgasemissionen, der sich rechnet.

Dieser Gewinn für die Umwelt resultiert durch -
-  die Reduktion der Emissionen von Feinstaub und aerosole Emissionen bis zu 90 %
-  die Brennstoffeinsparung aus der Wärmerückgewinnung des Brennwertes
    bis zu  35 %

Die Rauchgasreinigung bzw. die Reduktion von Emissionen durch vollständige Kondensation der Rauchgase mit Wärmerückgewinnung ist daher kein belastender Kostenfaktor für die Umwelt, sondern ein Gewinn für den Betrieb mit  kurzer Amortisation der Investitionen.

Biomasse – Heizwerke und Heizkraftwerke, die mit naturbelassene, feuchte Biomasse aus Hackgut als Brennstoff für die Energiegewinnung einsetzen, können bei Nutzung der Rauchgasabwärme im  Voll – Brennwertsystem nicht nur den Gesamtanlagenwirkungsgrad der Feuerungsanlage um 5 - 10 % steigern,  sondern gleichzeitig durch die Brennstoffeinsparung von bis zu 35 % auch die Menge an CO2 – Emissionen, Feinstaub und Aerosole, etc. reduzieren.

Die Technik der Rauchgasreinigung im kombinierten Voll – Brennwertsystem

Die neuartige technische Kombination der gemeinsamen Wärmerückgewinnung der Abluftwärme und der Rauchgasabwärme  in der temperatur- und   korrosionsbeständigen Glasrohr – Wärmetauscher-anlage ermöglicht durch die vollständige Kondensation der Rauchgasabwärme bei der Brennwert – Nutzung für die Erwärmung der Trocknungsluft im KD – Trockner auch den bewährten technischen Effekt der Rauchgasreinigung.

Durch die Kondensation kommt es zur Tröpfchenbildung der feuchten Rauchgase im Oberflächen-bereich der Glasrohrwände in der Wärmetauscheranlage, an denen die Feinstaubpartikel anhaften. Durch die Kühlung der Rauchgase bis auf die Außenlufttemperatur von etwa 25 °C der angesaugten Luft kommt es zur vollständigen Kondensation der Rauchgase im Glasrohr. Hierbei binden sich die Partikel der Feinstäube und es kommt durch die Ausscheidung des Kondensates zu einem Wascheffekt, der zur Staubabscheidung führt.
Außer den Feinstäuben werden auch die kondensierbaren Aerosole im Rauchgas mit dem Wascheffekt der vollständigen Kondensation ausgeschieden.

Die Feinstäube mit dem Kondensat werden verstärkt mit einer Düsenrohr – Sprühreinigung in die Auffangwanne mit Absetzbecken geführt. Das in den Absetzbecken gereinigte Kondensatwasser wird wieder für die Glasrohrreinigung der Wärmetauscher verwendet ( Wasserkreislauf ).

Der Schlamm aus abgesonderten Feststoffen ist in Zeitabständen durch Abpumpen zu entsorgen.
Je nach Erfordernis und behördlicher Auflage wird das überschüssige Kondensat nach einer möglichen Neutralisation in das öffentliche Kanalsystem  oder Gewässer abgeführt.

Mit dieser effizienten Rauchgasreinigung in einer Kondensation – Waschanlage können somit alle übrigen Emissionen ( Feinstaub und Aerosole ) nach einer vorgeschalteten  Grobreinigung der Rauchgase z.B.  Multizyklon bis zu 90 % abgeschieden werden.

Das ökonomische – effiziente – technische Energiekonzept des Voll – Brennwertsystem durch Kondensation warmer – feuchter Abluft und der Rauchgasabwärme hat somit eine Doppelfunktion als Wärmrückgewinnungs- und Emissionsreduktion – Filteranlage einer Feuerungsanlage.

>  Aktiver Umweltschutz durch Emissionsreduktion & Brennstoffeinsparung

Die weitgehende Reduzierung der Emissionen von Feinstäuben & Aerosole bei der Verbrennung von Energieholz aus Hackgut ist eine stetige Forderung der Umweltschutzbehörde.
Die Diskussion um die Problematik der Feinstaubemissionen bei Hackschnitzelfeuerungen ist bekannt.
Die Reduzierung der Verbrennungsemissionen durch die Kondensationswäsche der Rauchgase und die gleichzeitige Nutzung der latenten & sensiblen Rauchgaswärme zur Trocknung von Energieholz, um Brennstoff einzusparen, ist die mit hoher Effizienz erreichbare  ökologische Umweltschutzlösung.

Durch diese technisch kombinierte Umweltschutzlösung werden mehrere ökologische und wirtschaftliche Ziele gleichzeitig umgesetzt.

1.  Die Einsparung des Brennstoffbedarfes  durch die Erhöhung des Heizwertes bzw.
      durch Trocknung des Hackgutes mit der Abwärme.
2.  Der geringere Bedarf von Energieholz bei  gleicher Energieleistung reduziert die anfallenden
      Emissionen bei der Verbrennung
3.  Die Reduzierung der Emissionen durch die Kondensationswäsche der übrigen
      Verbrennungsabgase
4.  Weniger Brennstoffeinsatz  bedeutet eine Reduktion der Energiekosten und erhöht außerdem
      den Anlagenwirkungsgrad

> Fallbeispiel – aktiver Umweltschutz, der sich rechnet !
Biomasse – Feuerungsanlage bei  2 MW  &  10.000 MWh/a

I.   Emissionsreduktion durch  Brennstoff – Einsparung von z.B.  25 %
II.  Emissionsreduktion durch die Rauchgas – Kondensationswäsche

Grundlagen – Hackgut – Energieversorgung:
ÖNORM M 7132,  1 fm = 2,857 Srm, Brennstoff – Hackgut Fichte

Brennstoffeinsparung durch  Voll – Brennwertsystem bei etwa 25 % ergibt eine
Emissionsreduktion  von  7,673.700 Nm3/a

I. Emissionsreduktion von 25 %  = 7,673.700 Nm3 bei gegebner behördlicher Auflage

II. Emissionsreduktion durch die  Rauchgas –  Kondensation im Voll – Brennwertsystem nach den Erkenntnissen der Kondensationswäsche.

Emissionsreduktion bei 23,021.250 Nm3/a ( 30,694.950 – 7,673.700 )

Einsparpotential von Emissionen mit Voll – Brennwertsystem im Jahr I. + II.

Einsparung von Emissionen  mit / ohne Rauchgaskondensation im Jahr