Alte Technik neu entdeckt

Besteht die Zukunft der Wärme- und Stromversorgung aus Holz? Diese Frage kann mit Sicherheit verneint werden. Verschiedene Experten geben sich jedoch optimistisch, dass sich Holz zu einer vielversprechenden, erneuerbaren Energiequelle entwickeln wird – auch dank der sogenannten Holzvergasung. Wie funktioniert diese energieeffiziente Technologie und wo steht die Schweiz in Bezug auf die Entwicklung von Holzvergasungsprojekten?

Im Rahmen der Energiewende und des Klimaschutzes werden seit längerer Zeit grosse Anstrengungen unternommen, um Alternativen gegenüber nicht erneuerbaren Energien zu finden. Lange Zeit geschah dies vor allem durch die Förderung der Wasser- und Windkraft sowie der Solarenergie. Die Holzvergasung, die vor rund 20 Jahren in Deutschland wiederentdeckt wurde, ist auch eine solche nachhaltige Technologie. Sie wird aber noch vergleichsweise selten genutzt.

Die Idee, mit Holz Wärme zu erzeugen, ist fast so alt wie die Menschheit selbst. Wer bisher mit Holz Strom erzeugen wollte, musste in ein Dampfkraftwerk investieren. Durch Verbrennung von Biomasse entsteht Wasserdampf, der eine Turbine antreibt. Der Wirkungsgrad einer solchen Anlage ist jedoch erst ab einer Leistung von einigen Megawatt zufriedenstellend. Die Technik der Holzvergasung an sich ist kein neues Verfahren, neu hingegen ist deren Nutzung in Wärme-Kraft-Kopplungsanlagen (WKK), die Wärme und Strom produzieren. WKK-Anlagen wurden bis anhin vor allem mit fossilem Erdgas oder Biogas betrieben. Holzvergasungs-WKK werden mit einem regional verfügbaren, nachwachsenden Brennstoff gespeist. Sie leisten dementsprechend einen Beitrag zur dezentralen Energieversorgung aus einer erneuerbaren Quelle. Die Holzvergasung ermöglicht die effiziente Erzeugung von Energie aus Holz auch in kleinem Massstab, also ohne dass dafür ein grosses Kraftwerk notwendig ist. Dies erhöht die wirtschaftliche Attraktivität des klimafreundlichen Brennstoffes Holz.

Der Energieträger Holz liegt schon seit längerem im Trend, man denke nur an seine Nutzung als Wärmelieferant in modernen Pelletöfen oder Holzschnitzelanlagen. Die Holzvergasung, die lange Zeit an «Kinderkrankheiten» bzw. einem schlechten Image litt, sei für die praktische Anwendung bereit. Dies ist die Überzeugung vieler Experten. Davon zeugen auch die 800 kleinen und grossen Anlagen (Stand 2016), die inzwischen in Europa zu finden sind.

Geschichte

Die Holzvergasung ist eine rund 150 Jahre alte Technologie. Die ersten Versuche, aus Kohle ein brennbares Gas zu erzeugen, reichen ins 17. Jahrhundert zurück. In der Industrie kamen seit 1880 immer mehr mit Holz betriebene Gasmotoren zum Einsatz, die jedoch bald durch Dampfmaschinen ersetzt wurden. Holzvergaser dienten auch als alternativer Antrieb von Fahrzeugen, die insbesondere während des Zweiten Weltkriegs infolge Benzinmangels auf Schweizer Strassen unterwegs waren. Aufgrund der erheblichen Abgasbelastung in der Luft und der aufwendigen Wartung konnte sich dieser Antriebstyp längerfristig nicht durchsetzen. Nicht zuletzt waren solche Fahrzeuge sehr langsam. In der Nachkriegszeit geriet die Technologie schnell in Vergessenheit, als die Treibstoffrationierung wieder aufgehoben wurde.

Technologie

Holz wird nach wie vor am häufigsten durch Verbrennung in Wärme verwandelt. Will man mit Holz mechanische oder elektrische Energie erzeugen, braucht es zusätzlich zur Verbrennung weitere technische Schritte. Diese Kombination verschiedener Verfahren wird als Kraft-Wärme-Kopplung bezeichnet, die im Falle der Holzvergasung wie folgt abläuft:

  1. Die Brennstoffaufbereitung umfasst das Zerkleinern sowie die Trocknung der Biomasse.
  2. Bei der eigentlichen Holzvergasung wird Holz durch das thermochemische Verfahren der Teilverbrennung mit geringer Luftzufuhr in ein brennbares Gas umgewandelt. Diese Umwandlung mittels Pyrolysereaktionen findet im Reaktor (Vergasungsinsel), dem Herzstück eines Holzvergasungskraftwerks, statt und durchläuft vier temperaturabhängige Phasen (siehe Grafik).
  3. Im Blockheizkraftwerk (BHKW) treibt das gereinigte Produktgas einen Gasmotor an. Während die mechanische Energie des Motors mit einem Generator in Strom umgewandelt wird, wird seine Abwärme mittels Wärmetauschern in einen Wärmeverbund eingespeist.
     

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Das produzierte Gas setzt sich im Durchschnitt aus folgenden Hauptkomponenten zusammen: Stickstoff (N2) 45 %, Kohlenmonoxid (CO) 20 %, Kohlendioxid (CO2) 13 %, Wasserstoff (H2) 20 % und Methan (CH4) 2 %. Die Anteile von Methan und Kohlenmonoxid bewirken, dass das Gas brennbar ist. Ein Teil des Holzes wird lediglich in Kohle umgewandelt, die als Brennmittel für eine nochmalige Vergasung genutzt werden kann. Neben dem Hauptprodukt Gas stösst der Vergasungsreaktor auch unerwünschte Nebenprodukte in Form von Russ, Asche und Teer aus. Insbesondere wegen der starken Teerbildung galt die Holzvergasung lange Zeit als umweltschädigend. Dank neuer Verfahren werden insbesondere weniger Benzol und Teer ausgeschieden.

Der primäre Unterschied zwischen der Holzverbrennung und der Holzvergasung liegt in der Menge an zugeführter Luft und in der Verwertung des Holzgases. Eine vollständige Oxidation der Biomasse findet bei der Verbrennung statt, im Gegensatz zur Holzvergasung mit einer unvollständigen Oxidation aufgrund eines fast vollständigen Sauerstoffabschlusses. Während das erzeugte Holzgas in der Brennkammer direkt verbrannt wird, kann bei der Holzvergasung das entstehende Holzgas dank räumlicher und zeitlicher Trennung einer weiteren Verwertung zugeführt werden.

Wirtschaftlichkeit und Energieeffizienz

Die Nutzungsmöglichkeiten des Energieträgers Holz erhöhen sich dank der Holzvergasung. Ein weiterer Vorteil liegt unter anderem in der Vielzahl der weiteren Möglichkeiten, das Gas zu nutzen. Es dient nicht nur der Strom- und Wärmeerzeugung, sondern auch der Produktion von künstlichem Erdgas, Wasserstoff, Treibstoff oder Chemikalien. Für Bezüger mit einem hohen ganzjährigen Wärmebedarf wie Gemeinden, Städte, Korporationen und Wärmeverbünde lohnt sich die Investition in eine Holzvergasungsanlage. Es gibt jedoch nicht überall genügend Abnehmer für die Wärme, da viele Wärmenetze zu klein sind. Dies setzt der Holzenergie Grenzen, ihrer guten Klimabilanz zum Trotz.

Gemäss einer BFE-Studie aus dem Jahr 2013 lohnt sich die Holzvergasung vor allem für kleinere und mittlere Anlagen bis 2,5 GWh. Bei höheren Leistungen sei die Strom- und Wärmeerzeugung mittels Holzverbrennung zu bevorzugen. Auf dem Areal der Zuckerfabrik Aarberg etwa könnten 70 000 t Altholz im neu entstehenden, schweizweit grössten Holzkraftwerk mittels Verbrennung verwertet werden. Ob sich eine Holzvergasungs- oder Holzverbrennungsanlage wirtschaftlich lohnt, hängt schlussendlich von zwei Faktoren ab: von der kostendeckenden Einspeisevergütung (KEV) für den Strom und von der Vermarktung der Wärme.

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Holzvergasung ist eine Technik, die nicht nur Ingenieure fasziniert, sondern auch junge Tüftler wie den 15-jährigen Schüler Linus Rüetschi aus Suhr. Er hat einen funktionierenden Holzvergasungsreaktor der «Marke Eigenbau» entwickelt. Als Anerkennung seiner Leistungen wurde er ans PSI eingeladen, um Einblicke in die aktuelle Forschung auf dem Gebiet der Holzvergasung zu bekommen. Gleichentags wurde in Rheinfelden das von der AEW Energie AG betriebene erste Biomasse-Blockheizkraftwerk mit Holzpellets in der Schweiz besucht, das auf dem Gelände der Schweizer Salinen AG seit Anfang Jahr kontinuierlich Strom und Wärme aus Holzpellets für rund 270 Haushaltungen produziert.

 

Holzkraftwerke in der Schweiz

Holz steuert nur etwa 4,4 % zur Energieversorgung der Schweiz bei. Dieser Anteil könnte nach neusten Schätzungen auf 7 % erhöht werden. Eine stärkere Nutzung lohnt sich nicht nur aus Kostensicht, sondern würde auch zur Verminderung der Treibhausgase beitragen. In der Schweiz fallen zudem pro Jahr rund 900 000 t Altholz an, wovon die Hälfte exportiert wird. Altholz in grösseren Mengen wird z. B. bei den SBB und der BLS in Form von ausrangierten Bahnschwellen entsorgt.

Derzeit sind  in der Schweiz sieben Holzvergasungsanlagen in Betrieb (Stand 2016). Die 2008 in Betrieb genommene einzige Schweizer Grossanlage in Stans nutzt 8000 t Bauabrissholz. Die Anlage produziert Strom sowie Wärme im Umfang von 1200 kW/5,6 GWh resp. 1500 kW/10,2 GWh während 8000 Betriebsstunden pro Jahr. Dies entspricht der Strommenge für ca. 1000 und Wärme für 700 Einfamilienhäuser. In Stans wird ein Wirkungsgrad von 25 bis 30 % mit Strom und von 40 bis 50 % mit Wärme erzielt. Indem die Restenergie grösstenteils zur Holztrocknung eingesetzt wird, ergibt dies einen hohen Gesamtwirkungsgrad von 80 bis 90 %. Allerdings lohnt sich der Betrieb trotz zufriedenstellender Leistungen bis dato nicht. Dies hat insbesondere mit dem sehr grossen Wartungs- und  Personalaufwand zu tun, der eine solch komplexe Anlage mit sich bringt. In der Schweiz sind deshalb sehr wenige Holzvergaser in Betrieb. In Deutschland hingegen wurde bis vor kurzem die Stromproduktion aus Biomasse massiv subventioniert. Mehrere Hundert Anlagen wurden dort installiert. Seitdem die staatliche Förderung reduziert wurde, brach die Anzahl der Neuinstallationen ein.

Zukunft

Auch wenn die Holzvergasung als eine in der Praxis etablierte Technik der Strom- und Wärmeerzeugung bezeichnet werden kann, gibt es diesbezüglich noch Optimierungspotenzial. Eine Verbesserung des Holzvergasungsprozesses, z.B. bezüglich des Schadstoffausstosses, hat sich auch das 2013 gegründete und
gemeinsam vom Paul-Scherer-Institut und der Fachhochschule Nordwestschweiz getragene Institut für Biomasse und Ressourceneffizienz auf die Fahne geschrieben, wo zu diesem Thema geforscht wird.

Die Holzvergasung alleine stellt nicht die zukünftige Stromversorgung sicher, aber sie kann eine sinnvolle Ergänzung zu weiteren stromerzeugenden Verfahren aus erneuerbaren Energiequellen sein. Gerade für die Versorgungssicherheit unserer Energiesysteme, die zunehmend auf der wetterabhängigen Wind- und Sonnenenergie basieren, braucht es witterungsunabhängige Erzeugungsanlagen wie die Holzvergasung und -verbrennung. Die Strom-Eigenversorgung könnte beispielsweise auf einer Kombination aus Sonnen- und Holzenergie beruhen. Falls die Photovoltaik zur Stromversorgung nicht ausreicht, kommt subsidiär die Holzvergasung zum Zug.

Fazit

Will man mit Holz Strom erzeugen, so stehen grundsätzlich zwei Technologien zur Auswahl: der Gas- und der Dampfprozess mittels Verbrennung. Während Ersterer mit einem höheren Wirkungsgrad und geringeren Kosten punktet, lohne sich die Holzverbrennung gemäss einer BFE-Studie vor allem für grössere Anlagen wie auf dem Areal der Zuckerfabrik Aarberg (> 2,5 GWh). Die Holzvergasung und die Holzverbrennung könnten der sinnvollen Verwertung der immerhin 450 000 t Schweizer Altholz dienen, die momentan noch immer ins Ausland exportiert werden. Im Moment lohnen sich Holzverbrennungs- und Holzvergasungsanlagen allerdings  nur, wenn ein Abnehmer für die produzierte Wärme gefunden werden kann. Dies ist nicht überall der Fall.

Die Holzvergasung hat sich in den letzten Jahren zu einer ressourceneffizienten Methode der Strom- und Wärmeerzeugung entwickelt, die ihre Praxistauglichkeit bereits in 800 Anlagen in Europa unter Beweis gestellt hat. Ob sich diese Technologie jedoch breit durchsetzen wird, bleibt vorderhand noch abzuwarten. Dies wäre jedoch wünschenswert, da sich so das bisher ungenutzte Energiepotenzial von Holz für Wärme und Strom noch nachhaltiger nutzen liesse.

 

Klimaschutz: Wissenschaft zeigt Dringlichkeit, Wirtschaft zeigt Lösungen, Blogartikel


Text:
Peter Bryner ist dipl. Elektroinstallateur und MAS FHNW Energie-Experte. Er bearbeitet bei Electrosuisse
Projekte in den Bereichen Niederspannungs-Installationen und leitet das Team Bildungsmedien.
Michaela Marty, MA UZH, ist Freelancerin mit Schwerpunkt Lektorat bei Electrosuisse.

Quellen:
Bioe.ch. «Holzvergasung – effiziente Energiegewinnung der Zukunft»
Broder, H. M. «Auch der Holzvergaser war ein alternativer Antrieb» in PS.welt.de. 02.04.2016
Denzler, L. «Gute Aussichten für die Energiegewinnung aus Biomasse» in NZZ. 09.06.2004
Deter, A. «Holzvergaser schluckt Bauholz» in Energiemagazin 1/2013
Diermann, R. «Ein Turbolader auf dem Holzweg» in NZZ. 10.08.2018
hs-flensburg.de. «Grundlagen der Holzvergasung»
Keel, A. «Holzvergasung: Top oder Flop?» in ee-news.ch. 12.10.2009
Müller, R. Holzvergasung. Ein Vergleich zwischen Gegenstromverfahren und Gleichstromverfahren bezüglich der Inhaltsstoffe der entstehenden Holzgase und bezüglich der Energieeffizienz. 2009
Rütti, T. «Holzkraftwerk Aarberg: Soll mit 11.3 MW el. Leistung das grösste der Schweiz werden» in ee-news. 23.06.2018
Unterschütz, P. «Stans: Ernüchterung über Vorzeigeprojekt» in Luzerner Zeitung. 15.01.2017
Vogel, B. «Fachbeitrag BFE: Holzvergasung setzt sich für Strom- und Wärmeproduktion durch»

 

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