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Feasibility Study für die Errichtung eines dezentralen Holzheizkraftwerkes

Diplomarbeit 2009 135 Seiten

BWL - Sonstiges

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

1. Einleitung
1.1 Zielstellung und Aufbau
1.2 Begriffsdefinitionen und Erläuterungen
1.2.1 Erneuerbare Energien
1.2.1.1 Erneuerbare Energien in Deutschland und ihre Entwicklung
1.2.1.2 Biomasse
1.2.2 Kraft-Wärme-Kopplung
1.2.2.1 Kennzahlen der Kraft-Wärme-Kopplung
1.2.2.2 Energetische und ökologische Bewertung
1.2.2.3 Wirtschaftliche Bewertungen
1.2.3 Rechtliche Rahmenbedingungen
1.2.3.1 Das Erneuerbare-Energien-Gesetz
1.2.3.2 Biomasseverordnung

2. Holz als Energieträger
2.1 Zusammensetzung und Klassifikation
2.2 Energieinhalt
2.3 Ökologische Bewertung der Energiegewinnung mit Holz
2.4 Holzvorkommen und Potential in Deutschland
2.5 Energetische Umsetzungsmöglichkeit von Holz
2.6 Nutzungsmöglichkeiten des erzeugten Stroms und der Wärme

3. Planung und Realisierung eines Holzheizkraftwerkes auf Basis Kraft-Wärme-Kopplung
3.1 Phase 1: Planung
3.2 Phase 2: Entwurf
3.3 Phase 3: Spezifikationen
3.4 Phase 4: Bauvorbereitung
3.5 Phase 5: Bau und Probebetreib
3.6 Phase 6: Inbetriebnahme

4. Technologieauswahl
4.1 Technologischer Gesamtaufbau und Dimensionierung
4.1.1 Lagerung und Trocknung des Brennstoffes
4.1.2 Kessel mit Vorschubrostsytem und Nassentschlacker
4.1.2.1 Stufen der Holzverbrennung
4.1.2.2 Stickstoffoxid-Reduktion
4.1.2.3 Anforderungen für eine vollständige Verbrennung
4.1.3 Dampfturbinentechnik im Kraft-Wärme-Kopplungsprozess
4.1.4 Abluftreinigung
4.1.4.1 Elektrofilter
4.1.4.2 Absorption mittels zirkulierendem Wirbelschichtreaktor
4.1.4.3 Gewebefilter
4.1.5 Verwertung der Asche und der Reaktionsprodukte
4.2 Emissionen bei der Verbrennung von Holz
4.2.1 Treibhausgase
4.2.2 Andere Schadstoffe
4.2.3 Die Technische Anleitung zur Reinhaltung der Luft und
die Bewertung der Schadstoffe

5. Wirtschaftlichkeitsbetrachtung des Holzheizkraftwerkes
5.1 Grundsätzliches zur Wirtschaftlichkeitsbetrachtung
5.2 Investitionsbedarf und Finanzierung
5.3 Kosten des Holzheizkraftwerkes
5.3.1 Personalkosten
5.3.2 Brennstoffkosten
5.3.3 Sonstige Kosten
5.4 Produktion, Umsatz und Gewinn des Holzheizkraftwerkes
5.5 Investitionsanalyse
5.5.1 Liquiditätsplanung
5.5.2 Cash-Flow-Analyse
5.5.3 Die Rentabilität des Holzheizkraftwerkes
5.5.4 Die Gewinnschwelle des Holzheizkraftwerkes

6. Das Genehmigungsverfahren des Holzheizkraftwerkes
6.1 Grundsätze des Bundesimmissionsschutzgesetztes
6.2 Geltungsbereich des Bundesimmissionsschutzgesetzes
6.2.1 Besondere Begriffsdefinitionen
6.2.1.1 Anlagenbegriff
6.2.1.2 Stand der Technik
6.2.2 Anwendungsbereich des Bundesimmissionsschutzgesetzes
6.2.3 Das vereinfachte Genehmigungsverfahren nach dem Bundesimmissionsschutzgesetzes
6.2.4 Geltungsbereich des Gesetztes der Umweltverträglichkeitsprüfung
6.3 Die Erstgenehmigung des Holzheizkraftwerkes
6.3.1 Fristen des Genehmigungsverfahrens
6.3.2 Ablauf des Genehmigungsverfahrens
6.3.3 Antragsunterlagen und Formulare

7. Zusammenfassung

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

Literaturverzeichnis

Anhang
1. Örtliche Aufteilung der am Vorhaben beteiligten Unternehmen
2. Wesentliche Verfahrensschritte des Holzheizkraftwerkes
3. Gewinn und Verlustrechnung nach Bereichen gegliedert
4. Gewinn und Verlustrechnung des Gesamtunternehmens
5. Liquiditätsplan der Unternehmung über die ersten zwei Jahre
6. Prüfung der UVP-Pflicht für Neuanlagen
7. Allgemeines Ablaufschema des Genehmigungsverfahrens
8. Vorzulegende Antragsunterlagen für eine Neugenehmigung nach
BImSchG

Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1. Einführung

Im Verlauf der letzten 20 Jahre hat sich der Primär- und Endenergieverbrauch auf der Gebietsfläche von Deutschland auf einem relativ hohen Niveau annähernd stabilisiert, bedingt durch den hohen Lebensstandard der heutigen Gesellschaft. Der Energieverbrauch wird gegenwärtig zum überwiegenden Teil durch fossile Energieträger abgedeckt (Kohle, Gas, Öl). Eine Studie der Arbeitsgemeinschaft Energiebilanzen stellte fest, dass die Spitzenstellung nach wie vor das Mineralöl einnimmt, welches seinen Anteil am Primärenergieverbrauch zwischen 1990 und 2008 relativ stabil gehalten hat und im Jahr 2008 einen Anteil von 34,8 % aufwies. Sowohl das Erdgas als auch das Erdölgas hat seinen Anteil von 15,4 % auf 22,1 % gesteigert. Braunkohle wurde massiv um 21,5 % auf 11,1 % zurückgefahren. Die Steinkohle hingegen hat nur kleine Einbußen im Primärenergieverbrauch erlitten, ihr Anteil sank von 15,5 % auf 13,1 %.[1] Die Nutzung der fossilen Energieträger ist aber, abgesehen von dem entsprechenden Ressourcen - Verzehr, mit einer Reihe negativer Umweltfolgen verbunden, die im Sinne einer richtig verstanden Umwelt und der Berücksichtigung unserer Generation und der darauffolgenden weniger toleriert werden kann. Die Menschheit sieht sich großen Umweltproblemen gegenüber, wenn sie weiterhin auf den fossilen Brennstoffen beharrt. Dies gilt nicht nur im Hinblick auf den durch die energiebedingten Kohlendioxid- und Methanemissionen hervorgerufenen Treibhauseffekt, sondern auch für Umweltschäden wie Boden- und Gewässerverunreinigungen (z.B. infolge von kaputten Pipelines oder Tankerhavarien). Zur Errichtung einer nachhaltigen und klimaverträglichen Energieversorgung kommt den Erneuerbaren Energien eine wachsende Bedeutung zu. Laut einer Studie des Bundesministeriums für Umwelt (BMU) lag der Anteil der Erneuerbaren Energien am Endenergieverbrauch im Jahr 2007 schon bei 9,8 % und hat sich seit 1998 um 6,7 % gesteigert.[2] Der Schutz des Klimas und eine sichere Energieversorgung gehören zu den wichtigsten globalen Herausforderungen der Menschheit. Energieeinsparungen und der Einsatz effizienter Technologien sind zentrale Strategien, um diese Herausforderungen zu meistern. Setzt man sich mit den Erneuerbaren Energieträgern auseinander, kommt man nicht umhin sich mit der wachsenden Bedeutung der Biomasse zur Energiegewinnung zu beschäftigen, da sie die größten Primärressourcen in Deutschland mit einem Anteil von 38 % im Bereich der regenerativen Energien im Jahr 2007 aufwies.[3] Durch die Liberalisierung des deutschen Strommarktes im Jahr 1998 wurde der Wettbewerb unter den Energieversorgungsunternehmen (EVU) verschärft und Strompreissenkungen waren die Folge. Dieser Kostendruck zwingt die EVU zu einer ökonomischen Effektivität und Effizienz und somit auch zu einer Neugestaltung der Versorgungslandschaft. Zusätzlich wurde im Rahmen des Kyoto-Protokolls[4] eine Senkung der Treibhausgasemissionen beschlossen.

Aus diesen Gründen beschäftigt sich die vorliegende Diplomarbeit mit einer „Feasibility Study“ (Machbarkeitsstudie) eines dezentralen Holzheizkraftwerkes (HHKW) auf Basis der Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) mit einer Feuerungswärmeleistung von ca. 12 MW und Stromauskopplung von ca. 4,5 MW. Als Brennstoff sollen nur nachwachsende Rohstoffe zum Einsatz kommen. Spätestens seit Einführung des neuen Erneuerbare Energien Gesetz (EEG) im Jahr 2004 und den damit gewährten Bonuszahlungen, ist die Technologie der Kraft-Wärme-Kopplung mit der Verbrennung von Holzresten, Holzschnitzeln oder Altholz eine interessante Nutzungsmöglichkeit und hat viele Investoren in den Bereich der Energiegewinnung durch feste Biomasse gelockt.

1.1 Zielstellung und Aufbau

Es ist das Ziel der vorliegenden Diplomarbeit einen Überblick über die Vorzüge der Erneuerbaren Energien, speziell der nachwachsenden Rohstoffe, zu erstellen und die technischen Grundlagen der Verbrennung von naturbelassenem Holz mittels der KWK zu erläutern und zu bewerten. Desweiteren sollen am Beispiel des zu planenden HHKW die komplexen Planungs- und Realisierungsphasen einer solchen Unternehmung mit speziellen Hilfestellungen erläutert und dargestellt werden, um einen Überblick über die wichtigsten Aspekte der Planung zu erstellen. Im Einzelnen werden die technologischen Anlagenbestandteile sowie die Dimensionierung des HHKW aufgezeigt und erläutert. Mit Hilfe einer Wirtschaftlichkeitsbetrachtung wird die Lukrativität der Investition nachgewiesen. Darauf folgt ein Ausblick auf das bevorstehende Genehmigungsverfahren des HHKW, damit das komplexe, zumeist wenig transparente Netz der staatlichen Regelwerke im Umweltschutz für einen Planer sich übersichtlicher dargestellt. Der Aufbau der Diplomarbeit besteht aus sieben Kapiteln, wobei die Kapitel:

- Planung und Realisierung eines Holzheizkraftwerkes auf Basis Kraft-Wärme-Kopplung (Kapitel 3),
- Technologieauswahl (Kapitel 4),
- Wirtschaftlichkeitsbetrachtung des Holzheizkraftwerkes (Kapitel 5) und
- das Genehmigungsverfahren des Holzheizkraftwerkes (Kapitel 6)

die Schwerpunkte der Diplomarbeit markieren. Die ersten zwei Kapitel dienen zur näheren Erläuterung der Thematik Erneuerbarer Energien, ihre Entwicklung, Nutzung, Bewertung und Bedeutung. Desweiteren wird ein besonderes Augenmerk auf das Gebiet der Biomasse gelegt, vor allem auf die der nachwachsenden Rohstoffe. Die Technologie der KWK wird näher betrachtet und im ökologischen, energetischen und wirtschaftlichen Sinne beurteilt. Anschließend wird auf die rechtlichen Rahmenbedingungen genauer eingegangen, wobei hier insbesondere interessiert, welche Vorschriften vorhanden sind und welche spezielle Wirkung sie besitzen. Die methodischen Hilfestellungen und die Durchführung der Planung und Realisierung des HHKW bilden den ersten Schwerpunkt der Diplomarbeit. Hier wird eine Übersicht über die wichtigsten Aspekte der Planung erstellt. Der zweite Schwerpunkt beinhaltet die genaue Auswahl und Dimensionierung der technologischen Anlagenbestandteile mit ihren Auswahlkriterien. Darauf folgend wird auf bevorstehende Emissionen und ihre Grenzwerte eingegangen. Die Wirtschaftlichkeitsbetrachtung des Holzheizkraftwerkes beinhaltet den dritten Schwerpunkt der Diplomarbeit. In diesem Kapitel wird mit verschiedenen betriebswirtschaftlichen Methoden die Wirtschaftlichkeit der Investition nachgewiesen. Das sechste Kapitel („Das Genehmigungsverfahren des Holzheizkraftwerkes“) markiert den letzten Schwerpunkt und beinhaltet einen detaillierten Ausblick auf das zu erwartende Genehmigungsverfahren nach dem Bundesimmissionsschutzgesetz. Im letzten Kapitel werden nochmals alle wichtigen Erkenntnisse aufgezeigt und anschließend ein Fazit der erarbeiteten Ergebnisse dargelegt.

1.2 Begriffsdefinitionen und Erläuterungen

1.2.1 Erneuerbare Energien

Durch den beschlossenen Ausstieg aus der Kernenergie und die drastische Reduzierung der fossilen Energieträger bekommen die Erneuerbaren Energien immer mehr Bedeutung in der heutigen Strom- und Wärmeerzeugung. Die Erneuerbaren Energien, die auch oftmals in der Literatur als regenerative Energien oder auch Alternativenergien bezeichnet werden, sind Energiequellen, die unter dem menschlichen Zeithorizont unerschöpfliches Potential besitzen. Die Unerschöpflichkeit beruht auf der Entnahme von Energie aus laufend stattfindenden Prozessen der Umwelt. Diese entnommenen Energien können in drei Bereiche eingeteilt werden: dazu zählen die Sonnenenergie mit 3.900.000.000 PJ/a Energieangebot im Jahr, Planetenenergie (Gravitation) mit 94.000 PJ/a Energieangebot im Jahr und die geothermische Energie mit 996.000 PJ/a Energieangebot im Jahr.[5]

Auf der Erde können diese Energiequellen in Form von Sonnenlicht und -wärme, Windenergie, Wasserkraft, Biomasse und Erdwärme genutzt werden. Die Geothermische Energie bezeichnet dabei die Wärme im Erdinneren (4.600 ºC). Durch große Temperaturunterschiede zwischen Erdinneren und -kruste existiert ein ständiger Wärmestrom von innen nach außen. Das Energiepotential dieses Wärmestroms liegt in der Größenordnung des Weltprimärenergiebedarfs. Um dieses enorme Potential zu nutzen müssen Tiefenbohrungen durchgeführt werden, wodurch in Regionen mit geothermischen Anomalien diese Nutzung der Wärme im Erdinneren am wirtschaftlichsten ist. Die Planetenenergie stellt das kleinste nutzbare Energiepotential dar. Diese Energie wird durch die wechselseitigen Anziehungskräfte zwischen unserer Erde und ihrem Mond erzeugt. Sie wirkt sich besonders im Bereich der Küstengebiete durch die Gezeiten aus. Das Größte Energieangebot stellt die Sonne zur Verfügung. Die jährliche Energiemenge die die Erdoberfläche erreicht beträgt 3,9 . 1024 J = 1,08 . 1018 KWh. Dieses Energiepotential entspricht dem 10.000 fachen des Weltprimärenergiebedarfs und damit weit mehr als alle verfügbaren Energiereserven zusammen. Bei der Nutzung der Sonnenenergie werden zwei Arten unterschieden. Zum einen die direkte Sonnenenergie, wobei die eintreffenden Sonnenstrahlen direkt durch technische Anlagen genutzt werden (Photovoltaganlagen) und zum anderen die indirekte Sonnenenergie, wobei die Sonnenwärme durch natürliche Prozesse in andere Energieformen (Pflanzenwachstum) umgewandelt wird. Diese umgewandelte Sonnenenergie kann später mittels technischer Anlagen zurückgewandelt werden.[6]

1.2.1.1 Erneuerbare Energien in Deutschland und ihre Entwicklung

Schon Anfang der 1970er Jahre führten die Ölkrisen zum Umdenken und zur Verhaltensänderung in Deutschland. Man begann erstmals seit der Jahrhundertwende wieder über den Ausbau der erneuerbaren Energien nachzudenken. Aber mit der Entspannung auf dem Energiemarkt durch die sinkenden Ölpreise wurde der neue Ansatz verdrängt. Erst Ende der 1980er Jahre wurden in Deutschland wichtige Voraussetzungen für die Nutzung erneuerbare Energien geschaffen.

Das Stromeinspeisungsgesetz (1991) für Erneuerbare Energien war von besonderer Bedeutung. Erstmals konnten mit diesem Gesetz die Netzbetreiber verpflichtet werden, Strom aus regenerativen Energiequellen vorrangig abzunehmen und mit einem gesetzlich festgelegten Mindestentgelt zu vergüten. Begünstigt wurde die Förderung der Erneuerbaren Energien auch durch den Ausstieg aus der Kernenergienutzung und die schrittweise Reduzierung der Kohlesubventionen. Das Stromeinspeisungsgesetz wurde im Jahr 2000 durch das Erneuerbare Energien Gesetz (EEG) ersetzt, auf welches im Kapitel 1.2.4.1 näher eingegangen wird.

Bis zum Jahr 2008 verfolgte die Bundesregierung unter anderem das Ziel den Bruttostromverbrauch[7] bis zum Jahr 2010 aus 12,5 % Erneuerbaren Energien zu decken. Dieses Ziel ist mit 14,2 % bereits 2007 deutlich überschritten worden. Damit beschloss die Bundesregierung, dass bis zum Jahr 2020 der Beitrag der Erneuerbaren Energien zur Strombereitstellung auf mindestens 30 % und der Anteil an der Wärmebereitstellung auf 14 % ansteigen sollen. Im Jahr 2030 soll bereits rund die Hälfte des Stroms in Deutschland aus Erneuerbaren Energien stammen.[8]

Laut einer Studie des BMU betrug im Jahr 2007 die gesamte Primärenergie[9], die durch Erneuerbare Energien bereitgestellt wurde, 963 PJ. Den größten Anteil machten die biogenen Festbrennstoffe mit 367 PJ (38 %) aus. Sie besitzen auf der Erde das größte Potential der Erneuerbaren Energien, welches genutzt werden kann um Energie zu produzieren (siehe Abbildung 1-1). Der Endenergieverbrauch[10] (EEV) in Deutschland betrug im Jahr 2007, bezogen auf alle Energiequellen, 8.585 PJ. Der Anteil der Erneuerbaren Energien belief sich im Jahr 2007 auf 841,33 PJ (9,8 %). Den größten Anteil am Endenergieverbrauch im Bereich der Erneuerbaren Energien besitzt die Biomasse mit 70 % (siehe Abbildung 1-2).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 1-1: Struktur der Primärenergiebereitstellung aus Erneuerbaren Energien in Deutschland im Jahr 2007[11]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 1-2: Endenergieanteil der einzelnen Energiequellen im Bereich der Erneuerbaren Energien in Deutschland im Jahr 2007[12]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 1-3: Anteil der Erneuerbaren Energien am gesamten Endenergieverbrauch im Zeitraum von 1998 bis 2007[13]

Eine Branchenprognose der Agentur für Erneuerbare Energien sagt einen Anteil der EE am EEV für das Jahr 2020 von 20 % voraus. Die CO2-Vermeidung belief sich 2007 auf 115 Mio. t gegenüber anderen fossilen Brennstoffen.[14] Im Laufe der Zeit haben diese in Deutschland immer mehr an Bedeutung gewonnen, wie aus der Abbildung 1-3 ersichtlich wird . Ihr Anteil am EEV stieg von 3,1 % auf 9,8 % im Zeitraum zwischen 1998 und 2007. Der enorme Anstieg ist zurückzuführen auf das in Kraft getretene EEG im Jahr 2000 und auf die Novellierung des EEG im Jahr 2004 mit der Einführung der verschiedenen Bonus-Zahlungen (siehe Kapitel 1.2.3.1), sowie auf die verschiedenen positiven Argumente die eine Investition im Bereich der Erneuerbaren Energien attraktiv machen:

- Die Nutzung der Erneuerbaren Energien ist ressourcenschonend, da sie unbegrenzte Vorkommen und kaum Schadstoffemissionen verursachen.
- Sie stehen kostenlos und zeitlich unbegrenzt zur Verfügung.
- Sie verursachen kaum externe Kosten[15], die von der Bevölkerung getragen werden müssen.
- Unvorhersehbare Preisentwicklungen, wie sie bei fossilen und atomaren Energieträgern oft vorkommen, sind nicht möglich, was nicht nur für Industrienationen, sondern in besonderem Maße für Schwellen- und Entwicklungsländer wichtig ist.
- Erneuerbare Energien können in vielen Regionen der Welt genutzt werden. Extreme Ungleichverteilungen wie bei fossilen und nuklearen Brennstoffen existieren nicht.
- Erneuerbare Energien schonen Bodenressourcen. Die begrenzt vorhandenen Öl-, Kohle- und Erdgasvorräte können daher von der Menschheit und von kommenden Generationen für wertvollere Anwendungen als zur Wärme- und Energiegewinnung genutzt werden.
- Erneuerbare Energien stärken die regionalen Wirtschaftskreisläufe und tragen so zur lokalen Wertschöpfung bei.

Die immer stärker wachsende Bedeutung spürt man auch im Bereich der Beschäftigung in Deutschland. Im Jahre 2004 waren, laut einer Studie des BMU, 160.500 Personen im Bereich der Erneuerbaren Energien tätig und bis zum Jahr 2007 hat sich die Zahl der Beschäftigten auf 249.300 gesteigert, was eine Steigerung um ca. 37 % bedeutet.[16] Bis zum Jahr 2020 soll sich, laut einer Branchenprognose der Agentur für Erneuerbare Energien, die Zahl der Beschäftigten auf 500.000 erhöhen.[17] Im Jahr 2007 beliefen sich die Investitionen in EE-Anlagen auf 10,7 Mrd. € in Deutschland. Die Aufteilung dieser Investitionskosten auf die einzelnen Bereiche der regenerativen Energien wird aus der Tabelle 1-1 ersichtlich. Im Vergleich dazu betrugen die Umsätze dieser Gesamtinvestitionen 14,0 Mrd. €. Aufgeteilt auf die einzelnen Sektoren ergibt sich ein Bild wie in Tabelle 1-2 dargestellt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tab. 1-1: Investitionskosten in Deutschland im Bereich Erneuerbare Energien im Jahr 2007[18]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tab. 1-2: Umsätze aus dem Anlagenbetrieb Erneuerbarer Energien in Deutschland im Jahr 2007[19]

Erschöpfung bei. Erneuerbare Energien sind Schlüsseltechnologien

Anhand der steigenden Beschäftigung, Investitionen, Umsätzen und den angestrebten Zielen der Bundesregierung wird deutlich, dass diese Branche eine der erfolgreichsten Wachstumsbranchen Deutschlands ist und eine Schlüsseltechnologie im Bereich der Energiegewinnung darstellt.

1.2.1.2 Biomasse

Die Bioenergie ist nicht nur die älteste Energiequelle der Menschheit, sondern auch die wichtigste und vielseitigste erneuerbare Energiequelle in Deutschland. Seit vielen tausend Jahren nutzt die Menschheit Biomasse als Energieträger. In Form von Holz war sie lange Zeit das wichtigste Material zum Heizen und Kochen, bis Kohle, Erdöl und Erdgas sie ersetzten. Als Biomasse bezeichnet man im Allgemeinen Stoffe organischer Herkunft, das heißt die in der Natur lebende und wachsende Materie sowie alle deren erzeugten Abfallstoffe.[20] Sie ist hauptsächlich aus Kohlenstoff, Sauerstoff und Wasserstoff sowie Stickstoff aufgebaut. Eine speziellere Definition liefert die Verordnung über die Erzeugung von Strom aus Biomasse (Biomasseverordnung – BiomasseV). Im § 2 Abs. 1 Satz 1 und 2 BiomasseV heißt es:

„Biomasse im Sinne dieser Verordnung sind Energieträger aus Phyto- und Zoomasse. Hierzu gehören auch aus Phyto- und Zoomasse resultierende Folge- und Nebenprodukte, Rückstände und Abfälle, deren Energiegehalt aus Phyto- und Zoomasse stammt.“

Biomasse entsteht durch Photosynthese (6CO2 + 12H2O → C6H12O6 + 6O2 + 6H2O) aus anorganischer Materie. Aus dem Kohlendioxid der Luft sowie Wasser und Mineralien aus dem Boden bauen Pflanzen mit Hilfe der Sonnenenergie ihre Struktur auf. Als Abfallprodukt seitens der Pflanze entsteht Sauerstoff. Somit ist die Bildung der Biomasse die wesentliche Komponente des Kohlenstoffkreislaufs und damit die Grundlage für die Existenz des menschlichen Lebens. Biomasse wird als Umsetzungsprodukt der Sonnenenergie und darüber hinaus als chemisch gebundene Energie betrachtet.[21]

Die für eine energetische Verwertung anfallende Biomasse kann allgemein in drei Bereiche gegliedert werden:

- flüssige Biomasse,
- gasförmige Biomasse und
- feste Biomasse.

Da der Schwerpunkt der Diplomarbeit auf der Verbrennung von fester Biomasse liegt, wird diese im Weiteren näher betrachtet. Zu den festen Bioenergieträgern gehören auch die Nachwachsenden Rohstoffe (NawaRo), sie sind land- und forstwirtschaftlich erzeugte Produkte, die einer Verwendung im Nichtnahrungsbereich zugeführt werden. Feste Bioenergieträger sind ein fester Bestandteil in der heutigen Strom- und Wärmeproduktion in Deutschland. Laut einer Studie des BMU, deckten die biogenen Festbrennstoffe im Jahr 2007 1,4 % (bezogen auf den EEV) des gesamten Stromverbrauchs und 6 % des gesamten Wärmebedarfs ab.[22] Für das Jahr 2007 betrug ihr Anteil an der Strombereitstellung im Bereich der EE 15 % (siehe Abbildung 1-4). Im Bereich der Wärmebereitstellung belegen sie bei den EE die absolute Spitzenposition mit 85 % (siehe Abbildung 1-5). Die gesamte installierte elektrische Leistung der Bioenergieanlagen im Sinne von § 8 EEG hat sich in den Jahren 2000 bis 2006 in Deutschland vervierfacht. Für die Stromerzeugung aus fester, flüssiger und gasförmiger Biomasse zeigten sich aber durchaus unterschiedliche Tendenzen auf, die aber nicht weiter betrachtet werden. Die Entwicklung der Stromproduktion aus fester Biomasse verläuft relativ kontinuierlich. Ausgehend von 200 MWel im Jahr 2000 stieg die installierte elektrische Leistung bis 2006 auf 1.100 MWel. Ein Drittel aller Anlagen verfügen über eine elektrische Leistung im Bereich von 5 bis 20 MWel. Diese Anlagen stellen den größten Anteil an der Stromerzeugung aus fester Biomasse bereit. Während in den großen Anlagen überwiegend Altholz eingesetzt wird, nutzen die kleineren Anlagen unter 5 MWel überwiegend Waldrestholz und Industrierestholz, welches beim Betreiber meist selbst anfällt. Vom gesamten Brennstoffeinsatz dürften etwa 65 bis 75 % auf Altholz entfallen, 20 bis 25 % auf Industrierestholz und Sägenebenprodukte und etwa 10 % auf Waldrestholz und Holz aus der Landschaftspflege. Auf Grund der Anreizwirkung des NawaRo-, Technologie- und KWK-Bonus die mit der EEG-Novelle 2004 eintraten (siehe Kapitel 1.2.3.1), wurde ein verstärkter Trend zu Biomasseanlagen im kleinen und mittleren Leistungsbereich bis 500 kWel beobachtet. Während der Anteil von Anlagen mit einer Leistung bis 2 MWel an den 2004 in betrieb befindlichen Biomasseanlagen bei 36 % lag, stieg er bei den Ende 2006 in Bau befindlichen Anlagen auf 77 %. Der Anteil von nachwachsenden Rohstoffen i.S. des § 8 Abs. 2 EEG am Einsatz fester Brennstoffe zur Stromerzeugung stieg von etwa 6 % im Jahr 2004 auf etwa 9 % im Jahr 2006. Die Zahl der Beschäftigten im Bereich der festen Biomasse stieg von 23.800 im Jahr 2004 auf 64.000 Beschäftigte im Jahr 2006 an, was eine Steigerung von 63 % bedeutet.[23]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 1-4: Beitrag der Erneuerbaren Energien an der Strombereitstellung in Deutschland im Jahr 2007[24]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb.1-5: Beitrag der Erneuerbaren Energien an der Wärmebereitstellung in Deutschland im Jahr 2007[25]

1.2.2 Kraft-Wärme-Kopplung

In konventionellen Großkraftwerken wird das erzeugte Wärmepotential bei der Stromerzeugung durch die Verbrennung häufig ungenutzt an die Umgebung abgegeben. Dadurch muss am Ende noch zusätzliche Primärenergie zur Deckung des Wärmebedarfs verbraucht werden. Der Hauptvorteil der Kraft-Wärme-Kopplung besteht in der systematischen Nutzung der im Brennstoff enthaltenen Exergie[26] und dem hohen Gesamtwirkungsgrad des Systems, insbesondere im Hinblick auf Ressourcenschonung und Umweltschutz. Der Exergieabbau wird einerseits für die Auskopplung für Kraft/Strom genutzt und andererseits, wird die bei der Stromerzeugung entstehende Umwandlungswärme auf ein gegenüber hohes Nutztemperaturniveau ausgekoppelt. Nachteilig zusehen sind die hohen Investitionskosten. Demgegenüber besteht aber die Möglichkeit einer beträchtlichen Energiekosteneinsparung, da bei der Wärmeerzeugung zugleich Strom erzeugt wird, so dass für den Eigenverbrauch kein zusätzlicher Strom bezogen werden muss.[27] Man kann also mit einer KWK-Anlage gleichzeitig zwei Energieformen (Strom und Wärme) bereitstellen. In der Literatur wird oft folgernde Definition der KWK gebraucht:

„Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) ist die gleichzeitige Gewinnung von mechanischer und thermischer Nutzenergie aus anderen Energieformen mittels thermodynamischen Prozessen in einer technischen Anlage.“[28]

Bei einem optimalen Betrieb einer KWK-Anlage lässt sich die Primärenergie bis zu
40 % gegenüber der getrennten Erzeugung von elektrischer Energie und Wärme einsparen. Es können Gesamtwirkungsgrade von 85 bis 90 % erreicht werden. Die Primärenergieverminderung trägt auch noch dazu bei, dass sowohl die CO2-Emissionen als auch die Schadstoffemissionen verringert werden.[29]

1.2.2.1 Kennzahlen der Kraft-Wärme-Kopplung

Wird mit einem System Wärme oder Strom erzeugt, so ist ein thermischer und ein elektrischer Wirkungsgrad zu bestimmten. Der elektrische Wirkungsgrad berechnet sich wie aus Gleichung 1-1 und der thermische wie aus Gleichung 1-2.

Gl. (1-1)[30]

zu- und abgeführte elektrische Leistung in [kW]

mit einem Brennstoff zugeführte Feuerungswärmeleistung in [kW]

zugeführter Brennstoffmassenstrom in [kg/s]

unterer Heizwert des zugeführten Brennstoffes in [kJ/kg]

elektrischer Wirkungsgrad in [%]

Gl. (1-2)[31]

thermischer Wirkungsgrad in [%]

W Arbeit in [J]

zu- und abgeführte (mechanische oder elektrische) Leistung [kW]

zu- und abgeführte Wärmeströme in [kW]

Für die energetische Bewertung der KWK wird der Brennstoffnutzungsgrad herangezogen. Er beschreibt das Verhältnis der elektrischen und thermischen Nutzenergie zur Feuerungswärmeleistung (Brennstoffleistung). Bei der Erzeugung von Wärme und Strom mittels KWK ist der Stromanteil immer als der höherwertige zu betrachten. Um den Wirkungsgrad der KWK sinnvoll beurteilen zu können, muss neben dem Brennstoffnutzungsgrad immer das Verhältnis von Strom zur Wärme angegeben werden. Üblich ist hierbei die Angabe einer Stromkennzahl:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

[32]

Bei einer Stromkennzahl = 0 wird ausschließlich Wärme und für → Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten nur Strom produziert. Je höher die Stromkennzahl ist, umso höher ist die Ausbeutung an elektrischer Energie. Um den unmittelbaren, unzulässigen Vergleich der Wirkungsgrade der Strom- und Wärmeerzeugung zu umgehen, wird der gesamte Wirkungsgrad einer KWK-Anlage auch als Brennstoffnutzungsgrad bezeichnet, der sich wie aus Gleichung 1-4 berechnet.

[33]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1.2.2.2 Energetische und ökologische Bewertung

Die zugeführte Primärenergie wird im Falle der KWK in die Energieformen Strom und Wärme umgewandelt. Strom hat den Nachteil, dass seine Verteilung ein Verteilungsnetz erfordert und dass eine Speicherung nicht möglich ist. Die Erzeugung verläuft demnach zeitgleich zum Verbrauch.[34] Energie in Form von Wärme kann zwar gespeichert werden, jedoch wird diese bei KWK-Anlagen als Fernwärme bzw. Nahwärme dem Verbraucher zur Verfügung gestellt, so dass auch hier ein Verteilernetz benötigt wird.[35] Neben den Kosten für den Ausbau des Fernwärmenetzes müssen auch die Leitungsverluste in Höhe von ca. 10 % als negativ bewertet werden.[36] Aus energetischer Sicht ist die KWK nur dann sinnvoll, wenn zur Erzeugung der geforderten Zielenergie in der gesamten Umwandlungskette durch die KWK der Primärenergieaufwand reduziert werden kann und bei gleichartiger Brennstoffnutzung die Reduktion der CO2- und anderen Emissionen erfolgen kann. Der Austausch von CO2 steht damit im Mittelpunkt der Emissionsbetrachtung, welcher vor allem vom eingesetzten Brennstoff und weitaus weniger von der Technologie abhängt. Bei gleichem Brennstoff entspricht der Emissionsvorteil dem Energieeinsparvorteil.[37] Zur Ermittlung der Primärenergieeinsparung sind die Bilanzgrenzen der KWK-Anlage und eines Referenzmodells in gleicher Weise zu betrachten. Die relative Primärenergieeinsparung als Quotient aus dem Primärenergieaufwand für die getrennte Erzeugung PE und dem Primärenergieaufwand (PE - ∆PE) für die gekoppelte Erzeugung stellt eine Effizienzkennzahl für die KWK dar:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Für den Fall, dass das Kraft-Wärme-Kopplungssystem vorteilhafter als das Referenzmodell ist, nimmt die Effizienzkennzahl den Wert größer eins an. Werden als Primärenergie kohlenstoffhaltige Brennstoffe eingesetzt, dann hat der geringere Primärenergieaufwand durch die Nutzung der KWK bei gleicher Brennstoffnutzung auch die Verringerung der Kohlendioxidemission und aller anderen Emissionen in der Umwandlungskette zur Folge.[38]

1.2.2.3 Wirtschaftliche Bewertung

Ein wichtiges Argument für die KWK ist die Verbesserung der wirtschaftlichen Situation für dezentrale Anlagen. Dies kann durch zwei Effekte verwirklicht werden. Zum einen können sich die Erlöse dadurch erhöhen, dass bei der Stromerzeugung höhere, auf den Brennstoffeinsatz bezogene Erlöse erzielt werden können als durch den Verkauf von Wärme. Somit können bei gleicher Feuerungswärmeleistung (gleichem Brennstoffeinsatz) deutlich höhere Umsätze erzielt werden. Zum anderen kann bei Anlagen, die eine variable Stromkennzahl besitzen, die Auslastung erhöht werden, indem die Anlage betrieben wird, auch wenn kein entsprechender Wärmeabnehmer vorhanden ist. Ob sich die Situation der Einnahmen durch den Einsatz der KWK gegenüber der ausschließlichen Wärmeerzeugung verbessert, hängt wesentlich von den einzelnen Wärme- und Stromerlösen und von den erzielbaren Wirkungsgraden ab. Die pro MWh Brennstoff erzielten Gesamterlöse bei der KWK errechnen sich aus der Summe der Stromerlöse und der Wärmeerlöse.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die KWK ist die einzige Möglichkeit, spezifisch teure, dezentrale Technologien für die Stromerzeugung einsetzten zu können. Die KWK ist der getrennten Erzeugung immer vorzuziehen, wenn regenerative Brennstoffe – wie Biomasse – energetisch genutzt werden. Regenerative Brennstoffe können nur in kleinen, spezifisch relativ teureren Anlagen genutzt werden, da sie nur dezentral zur Verfügung stehen.[39] Aber durch die speziellen Vergütungssätze durch das EEG (siehe Kapitel 1.2.3.1) macht sich der Einsatz der KWK bei regenerativen Brennstoffen sehr bemerkbar.[40]

Das Hauptproblem der Wirtschaftlichkeit einer KWK-Anlage liegt in der Kuppelproduktion von Strom und Wärme, welche die Anlage gerade aus energiewirtschaftlichem Gesichtspunkt attraktiv macht. Die im Rahmen der Kuppelproduktion erzeugten Produkte werden auf verschiedenen Märkten „verkauft“. Auf diesen Märkten herrschen sehr unterschiedliche Wettbewerbsbedingungen, die sich wiederum unterschiedlich auf die Preise auswirken. Beachtet man zunächst die Absatzsituation auf dem Strommarkt, so befinden sich KWK-Anlagen in Konkurrenz zu großen Versorgungsunternehmen, die durch die dominante Marktstellung den Marktpreis beeinflussen. Die Haupteinflussgrößen sind hierbei:

- Investitionskosten,
- Brennstoffkosten,
- Stromerlöse (Nachfragestruktur) und ihre Förderungen.

Betrachtet man den Absatzmarkt für Wärme, entsteht annähernd dasselbe Bild. Der Unterschied liegt darin, dass die technischen Systeme (Heizanlagen) für einen lokalen Bedarf konfiguriert sind und sich nicht wie die Stromerzeugung an der überregionalen bzw. nationalen Nachfrage orientieren.

Die Haupteinflussgrößen sind hierbei:

- Investitionskosten,
- Brennstoffkosten,
- Wärmeerlöse (Nachfragestruktur),
- im Falle von Prozesswärme eine hohe Temperaturabhänigkeit und
- einzelne Produktionsprozesse.[41]

1.2.3 Rechtliche Rahmenbedingungen

1.2.3.1 Das Erneuerbare Energien Gesetz

Das am 29. März 2000 beschlossene Gesetz für den Vorrang Erneuerbarer Energien, kurz auch Erneuerbares Energien Gesetz (EEG) bezeichnet, löste am 1. April 2000 das Stromeinspeisungsgesetz ab. Das EEG ist ein Instrument zur Umsetzung des verfassungsrechtlichen Ziels der Nachhaltigkeit[42] aus Art. 20 a GG. Zugleich ist es ein Instrument zur Umsetzung der in der Klimarahmenkonvention der Vereinten Nationen vereinbarten Ziele sowie der Klima- und Versorgungssicherheitsstrategie der Europäischen Gemeinschaften und der BRD. Es beinhaltet die Förderung und den Ausbau von Strom- und Wärmeerzeugung aus regenerativen Energiequellen und belegt damit ein zentrales Element im Klimaschutz. Es sieht individuelle abgestimmte Vergütungssätze für die unterschiedlichen erneuerbaren Energiequellen und Technologien vor und garantiert ebenso die Abnahme der Stromproduktion durch die Netzbetreiber über einen Zeitraum von 20 Jahren. Eine Novellierung des Gesetzes trat am 1. August 2004 in Kraft. Wesentliche Punkte der novellierten Fassung betreffen die Höhe der Fördersätze sowie die bessere juristische Stellung der Betreiber von Anlagen zur Erzeugung Erneuerbarer Energien gegenüber den örtlichen Netzbetreibern. Es wurden die Mindestvergütungssätze angepasst und zusätzliche Boni für den Einsatz naturbelassener bzw. nachwachsender Rohstoffe, KWK-Anlagen sowie innovative Technologien eingeführt. Sie bilden die Grundlage für einen weiteren starken Ausbau der Stromerzeugung bzw. der gekoppelten Wärme- und Stromerzeugung auf Basis der Biomasse in Deutschland.

Am 1. Januar 2009 hat der Deutsche Bundestag eine Neufassung des EEG in Kraft gesetzt, um es der Entwicklung anzupassen. So wurden unter anderem neu zielgerichtete Anreize bei der Nutzung von Bioenergie und Windenergie geschaffen und Verordnungen zur Nachhaltigkeit von Biomasse auf den Weg gebracht. Für die in den kommenden Jahren neu installierten Anlagen legt das Gesetz abnehmende Vergütungssätze fest, damit ein Anreiz für Kostensenkung geschaffen wird. Erreicht wird aber auch, dass Erneuerbare Energien mittelfristig die Wettbewerbsfähigkeit mit konventionellen Energieträgern erlangen. Gefördert wird die Stromerzeugung im Allgemeinen aus:

- Wasserkraft,
- Deponiegas, Klärgas sowie Grubengas,
- Biomasse,
- Geothermie,
- Windenergie und
- solare Strahlungsenergie.

Für Strom aus Anlagen für regenerative Energien besteht eine Abnahme- und Übertragungsplicht der Netzbetreiber. Im § 4 Abs. 1 Satz 1 EEG heißt es konkret:

„Netzbetreiber sind verpflichtet, Anlagen zur Erzeugung von Strom aus Erneuerbaren Energien oder aus Grubengas unverzüglich vorrangig an ihr Netz anzuschließen und den gesamten aus diesen Anlagen angebotenen Strom aus Erneuerbaren Energien oder aus Grubengas vorrangig abzunehmen und zu übertragen.“

Desweiteren sind in den §§ 5 – 12 EEG die Vergütungssätze der einzelnen geförderten
regenerativen Energiequellen konkret erläutert. Die allgemeine Vergütungspflicht für

Strom aus den erneuerbaren Energiequellen findet man im § 5 Abs. 1 Satz 1 EEG:

„Netzbetreiber sind verpflichtet, Strom, der in Anlagen gewonnen wird, die ausschließlich Erneuerbare Energien oder Grubengas einsetzten und den sie nach § 4 Abs. 1 oder Abs. 5 abgenommen haben, nach Maßgabe der §§ 6 bis 12 zu vergüten.“

Da der Schwerpunkt der Diplomarbeit im Bereich der erneuerbaren Energien, auf Strom- und Wärmebereitstellung mittels nachwachsenden Rohstoffen (Biomasse) liegt, werden nur diese Vergütungssätze im Weiteren vorgestellt. Der § 8 EEG konkretisiert die allgemeine Vergütungspflicht für Strom aus Biomasse (§ 5 Abs. 1. Satz 1 EEG). Er regelt unter welchen besonderen Voraussetzungen und in welcher Höhe der jeweilige Netzbetreiber den in sein Netz nach § 4 EEG eingespeisten Biomassestrom vergüten muss. Die Höhe der Vergütung wird unterschieden nach der Größe der Anlage, in der Strom erzeugt wird (§ 8 Abs. 1 EEG), nach der Art der eingesetzten Biomasse (§ 8 Abs. 1 Satz 2 und Abs. 2 sowie Abs. 7 EEG), ob die anfallende Wärme bei der Stromerzeugung mittels Kraft-Wärme-Kopplung genutzt wird (§ 8 Abs. 3 EEG) sowie nach der eingesetzten Stromerzeugungstechnik (§ 8 Abs. 4 EEG). Die Stromvergütung für Biomasse besteht aus einer Grundvergütung plus Bonuszahlungen. Die Grundvergütung ist grundsätzlich je nach Größe der Anlage zwischen 8,4 und 11,5 ct/kWh für das Einführungsjahr 2004 festgesetzt (§ 8 Abs.1 Satz 2 EEG). Für Anlagen, die nach 2004 in Betrieb gegangen sind, bestimmt die Degressionsvorschrift des § 8 Abs. 5 EEG die Höhe der Grundvergütung. Die Vergütungssätze sinken seit 1. Januar 2005 jährlich um 1,5 %. Der Vergütungszeitraum beträgt 20 Jahre. Im Weiteren werden die Bonuszahlungen des EEG vorgestellt.

NawaRo-Bonus

Er beinhaltet Vergütungen für Anlagen, in denen ausschließlich Pflanzen, Pflanzenbestandteile, die in land-, forst- oder gartenbaulichen Betrieben oder im Rahmen der Landschaftspflege anfallen und die keiner weiteren als der zur Ernte, Konservierung oder Nutzung in der Biomasseanlage erfolgten Aufbereitung oder Veränderung unterzogen wurden. Er beinhaltet aber auch die Vergütung von Gülle oder Schlempe aus landwirtschaftlichen Brennereien im Sinne des § 25 des Gesetzes über das Branntweinmonopol, für die keine anderweitige Verwertungspflicht nach § 25 Abs. 2 Nr. 3 oder Abs. 3 Nr. 3 des Gesetzes über das Branntweinmonopol besteht. Der Bonus für den Einsatz nachwachsender Rohstoffe liegt zwischen 4 bzw. 6 ct/kWh (§ 8 Abs. 2 EEG).

Technologie-Bonus

Er wird beim Einsatz von Verfahren und Techniken gewährt, die in § 8 Abs. 3 EEG angeführt werden. Zu den begünstigten Verfahren gehören: die thermochemische Vergasung von Biomasse, Trockenfermentationsverfahren, die Aufbereitung von Biogas auf Erdgasqualität und die Stromerzeugung mittels Brennstoffzelle, Gasturbine, Dampfmotor, Organic-Rankine-Anlage, Mehrstoffgemischanlage (insbesondere Kalina-Cycle-Anlagen) oder Stirlingmotoren. Der Technologie-Bonus beträgt 2 ct/kWh.

KWK-Bonus

Er wird als Anreiz für die Nutzung der Kraft-Wärme-Kopplung im Anlagenbau gesehen. Für die Nutzung der KWK ist ein Bonus von 2 ct/kWh vorgesehen (§ 8 Abs. 3 EEG).

Die drei vorgestellten Bonus-Zahlungen unterliegen nicht der Degression. Der für das Inbetriebnahmejahr der Anlage geltende Mindestvergütungssatz wird über den gesamten Vergütungszeitraum in unveränderter Höhe gewährt.[43] In der Tabelle 1-3 sind nochmals alle wichtigen Vergütungssätze zusammengestellt, einmal für das Jahr 2004 und für das Jahr 2010 (Inbetriebnahmejahr des geplanten HHKW).

Durch die gewährte Mindestvergütung und den zusätzlichen Bonuszahlungen hat sich der Anteil am Strommix seit 1990 fast verfünffacht und übertraf, wie schon erwähnt, 2007 mit 14,2 % sogar das Ziel der EU für 2010. Durch die gewährleistete Mindestvergütung wir ein starker Ausbau der EE verwirklicht; desweiteren wird eine gewisse Investitionssicherheit, der Aufbau einer technologisch führenden Industrie, kalkulierbare Kosten und mehr Wettbewerb im Energiemarkt durch neue Akteure forciert.[44] Ausgehend von diesen Gründen stellt das EEG das wichtigste und erfolgreichste Instrument für den Ausbau der EE im Strombereich dar.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tab. 1-3: Wichtige Vergütungsregelungen des EEG für Strom aus Biomasse[45]

1.2.3.2 Biomasseverordnung

Mit der Verabschiedung des EEG im April 2000 wurde das BMU beauftragt eine Rechtsverordnung zu erlassen, die nach Zustimmung durch den Bundestag den Geltungsbereich des EEG im Bereich der energetischen Nutzung von Biomasse regelt.
Die BiomasseV, die am 28. Juni 2001 in Kraft getreten ist, definiert den Begriff Biomasse (siehe Kapitel 1.2.2) und bietet viele Möglichkeiten, biogene Rückstände, Nebenprodukte und Abfälle zur Stromerzeugung einzusetzen. Nicht als Biomasse im Sinne der Verordnung gilt jedoch Altholz:

- mit einem Gehalt an polychlorierten Biphenylen (PCB) oder polychlorierten Terphenylen (PCT) in Höhe von mehr als 0,005 Gewichtprozent entsprechend der PCB/PCT-Abfallverordnung vom 26. Juni 2000,
- mit einem Quecksilbergehalt von mehr als 0,0001 Gewichtprozent und/oder
- sonstiger Beschaffenheit, wenn dessen energetische Nutzung als Abfall zur Verwertung auf Grund des Kreislaufwirtschafts- und Abfallgesetztes ausgeschlossen ist.[46]

2. Holz als Energieträge

Holzverbrennung ist die älteste bekannte Nutzung von Energie. Trockenes Holz wird seit 400.000 Jahren in einem Nutzfeuer zur Wärmegewinnung verwendet. Eine Abkehr von der Nutzung des Holzes als Brennstoff erfolgte im 20. Jahrhundert. In dieser Zeit rückten energieintensivere Brennmaterialien in den Vordergrund. Aber mit dem Beginn des 21. Jahrhunderts beobachtete man eine Rückkehr zur Wärmegewinnung durch Brennholz. Die Biomasse Holz ist ein Energieträger mit chemischer Bindungsenergie. Diese Energie beruht letztendlich immer auf der Fähigkeit von Pflanzen, die eingestrahlte Lichtenergie der Sonne in bio-chemische Energie umzuwandeln, durch Photosynthese (siehe Kapitel 1.2.2). Biomasseverbrennung ist die Umwandlung der bio-chemischen Bindungsenergie in Wärmeenergie und ist eine indirekte Nutzung der Sonnenenergie. Die bei der Photosynthese wirksame Sonnenenergie ist messbar: zur Bildung von 1 kg Glukose werden 2.872 kJ (0,8 kWh) gebraucht und somit gespeichert. Als lebensnotwendiges Nebenprodukt dieses Vorgangs fällt Sauerstoff an. Bei der Verbrennung von Holz und damit auch von Glukose werden 2.817 kJ (0,78 kWh) wieder als Wärme frei (unter der Annahme, dass die Verbrennung in einem geschlossenen System, d.h. ohne Abzug der Kondensationswärme für Wasser erfolgt).[47]

Es wird also fast dieselbe Menge an Wärme bei der Verbrennung abgegeben wie sie zur Bildung der Glukose benötigt wurde. Holz ist ein nahezu „CO2-neutraler“ Brennstoff. Die Menge an Kohlenstoff, die bei der Verbrennung von Holz in Form von CO2 freigesetzt wird, hat der Baum oder der Strauch, von dem das Holz stammt, im Laufe seines Lebens aus der Atmosphäre entnommen.[48]

2.1 Zusammensetzung und Klassifikation

Die Biomasse Holz ist ein heterogenes System mit vielen verschiedenen biologischen Zellen, die unterschiedliche Aufgaben übernehmen: z. B. mechanische Festigkeit, Wassertransport usw. Die verholzte Zellwand der Laub- und Nadelhölzer enthält die Gerüstsubstanz Zellulose. Zellulose hat großen Einfluss auf die mechanische Festigkeit der Pflanze und ist die in der Natur am häufigsten vorkommende organische Verbindung. Desweiteren besteht Holz aus Hemizellulose, welche auch als Polyose bezeichnet wird. Sie blockiert die freien Hydrolysegruppen der Zellulose und sorgt zusätzlich zu den Wasserstoffbrücken zwischen den Zellulose-Strängen für einen Schutz vor Zersetzung durch Wasser. Holz besteht auch aus Lignin, welches die einzelnen Zellulosefibrillen verbindet und auch eine atomare Bindung mit Zellulose und Hemizellulose eingeht. Die Anteile des Lignins und der Hemizellulose sind bei Laub- und Nadelhölzern unterschiedlich. Als letztes besteht Holz aus Mineralien und Schwefel. Pflanzen benötigen Metalle zum Aufrechterhalten des Sauerstofftransportes, zum Binden der eingestrahlten Energie der Sonne, zum Aufrechterhalten der osmotischen Gleichgewichte u.v.m. Der größte Teil der Metalle befindet sich in der Rinde, welche bei der Verbrennung in der Asche zum größten Teil gebunden werden.[49] Eine klare Klassifikation des Holzes wird von Wöllauer (2007) beschrieben. Er unterteilt Holz in sieben Bereiche:

[...]


[1] Vgl. AGEB, (2007)

[2] Vgl. BMU, (2008c), S. 9.

[3] Vgl. BMU, (2008b), S. 13.

[4] Zur Klimarahmenkonvention 1997 in Kyoto wurde das Kyoto-Protokoll abgeschlossen. In ihm wurden erstmals rechtsverbindliche Begrenzungen und Reduktionsverpflichtungen verabschiedet. Die Industrieländer verpflichteten sich demnach die sechs festgelegten Treibhausgase um 5 % im Zeitraum von 2008 bis 2012 gegenüber dem Niveau von 1990 zu reduzieren. Die Europäische Union (EU) hat sich eine Minderung von 8 % zum Ziel gesetzt. Im Rahmen der EU-internen Lastenteilung hat sich Deutschland zur Senkung von 21 % der sechs Treibhausgase verpflichte (Schrader, K. / Hartmann, M. / Krzikalla, N. (2004), S. 432.).

[5] Vgl. Quaschning, V. (2007), S. 34.

[6] Vgl. Quaschning, V. (2007), S. 35 ff.

[7] Der Bruttostromverbrauch bezeichnet die gesamte verbrauchte Menge an Strom unter der Berücksichtigung der Stromimporte und –exporte

(http://www.bundesregierung.de/Content/DE/StatischeSeiten/Breg/FAQ/faq-energie.html, 20.06.2009).

[8] Vgl. BMU, (2008c), S. 8 f.

[9] Als Primärenergie bezeichnet man Energie, die mit den natürlich vorkommenden Energieformen oder Energiequellen zur Verfügung steht, etwa als Kohle, Gas oder Wind und somit noch nicht technisch aufbereitet wurde (Vgl. Quaschning, V. (2007), S. 17.).

[10] Der Endenergieverbrauch ist die Summe der zur unmittelbaren Erzeugung der Nutzenergie verwendeten Primär- und Sekundärenergieträger. In der Energiebilanz ist der Endenergieverbrauch als letzte Stufe der Energieverwendung aufgeführt. Energetisch und energieökonomisch handelt es sich jedoch noch nicht um die letzte Stufe der Energieverwendung. Es folgen noch die Nutzenergiestufe (z. B. Nutzung als Licht, Wärme) und die Energiedienstleistungen (Vgl. Quaschning, V. (2007), S. 17.).

[11] Vgl. BMU, (2008b), S. 13.

[12] Vgl. BMU, (2008b), S. 2.

[13] Vgl. BMU, (2008b), S. 9.

[14] Vgl. Agentur für Erneuerbare Energien, (2008), S. 2.

[15] Externe Kosten sind Kosten, die nicht in den Marktpreisen enthalten sind, wie Kosten für das Walsterben, für Gesundheitsschäden, für Klimaveränderungen und Bau- und Materialschäden. (http://www.umweltlexikon-online.de/fp/archiv/RUBsonstiges/ExterneKosten.php, 23.05.2009)

[16] Vgl. BMU, (2008b),S. 37.

[17] Vgl. Agentur für erneuerbare Energien, (2008), S. 3.

[18] Vgl. Agentur für erneuerbare Energien, (2008), S. 3.

[19] Vgl. Agentur für erneuerbare Energien, (2008), S. 3.

[20] Vgl. Kaltschmitt, M. (2001), S. 2.

[21] Vgl. Beier, E. (1994), S. 251.

[22] Vgl. BMU, (2008b), S. 7.

[23] Vgl. BMU, (2007a), S. 81 f.

[24] Vgl. BMU, (2008b), S. 6.

[25] Vgl. BMU, (2008b), S. 6.

[26] Exergie ist, im Gegensatz zur Anergie, der Teil der Energie, der sich beliebig in jede andere Energieform umwandeln lässt. Sie ist die maximale Arbeit, die von einem System übertragen werden kann, wenn es mit der Umgebung bei Umgebungstemperatur ins thermodynamische Gleichgewicht gekommen ist (Winter, C.-J. (1993), S. 49.).

[27] Vgl. Suttor, K.-H. / Suttor, W. (1993), S. 11.

[28] Schmitz K. / Schumann G. (2005), S. 6.

[29] Vgl. Schmitz K. / Schumann G. (2005), S. 5. und Hilmes, U. (2004), S. 200.

[30] Vgl. Karl, J. (2006), S. 23.

[31] Vgl. Karl, J. (2006), S. 22.

[32] Vgl. Karl, J. (2006), S. 144.

[33] Vgl. Karl, J. (2006), S.24.

[34] Vgl. Hüttl, A. J. (1997), S. 37.

[35] Vgl. Weinig, J. (1999), S. 37.

[36] Vgl. Schmitz, K. W. / Koch, G. (1996), S. 6.

[37] Vgl. Greßmann, A. / Friedrich, R. / Krewitt, W. (2000), S. 314.

[38] Vgl. Schmitz K. / Schumann G. (2005), S. 17 ff.

[39] Vgl. Karl, J. (2006), S. 163.

[40] Vgl. Karl, J. (2006), S. 352.

[41] Vgl. Hilmes, U. (2004), S. 201 f.

[42] Das Konzept der Nachhaltigkeit beschreibt die Nutzung eines regenerierbaren Systems in einer Weise, dass dieses System in seinen wesentlichen Eigenschaften erhalten bleibt und sein Bestand auf natürliche Weise nachwachsen kann. Aus der Nachhaltigkeit lassen sich drei Regeln ableiten: Die Nutzung der erneuerbaren Ressourcen darf die natürliche Wachstumsrate nicht überschreiten, endliche Ressourcen dürfen nur soweit verbraucht werden, wie funktionsgleiche Ersatzstoffe entwickelt werden und Schadstoffe dürfen die Aufnahmekapazität der Umwelt nicht übersteigen (http://www.umweltlexikon-online.de/fp/archiv/RUBrechtmanagement/Nachhaltigkeit.php, 27.05.2009).

[43] Vgl. Altrock, M. / Oschmann, V. / Theobald, C. (2006), S. 211 ff. und Schäfer, V. (2007), S. 26 ff. und Maslaton, M. (2007), S. 72.

[44] Vgl. Agentur für erneuerbare Energien, (2008), S. 7.

[45] Vgl. BMU (2008a), S. 80.

[46] Vgl. Altrock, M. / Oschmann, V. / Theobald, C. (2006), S.550.

[47] Vgl. Pro Lignum: Holz. Der Weg in die Zukunft, S. 17.

[48] Vgl. Klingel T. (2008), S.7.

[49] Vgl. Klingel T. (2008), S. 10 ff.

Details

Seiten
135
Jahr
2009
ISBN (eBook)
9783640465125
ISBN (Buch)
9783640462353
Dateigröße
1.3 MB
Sprache
Deutsch
Katalognummer
v138234
Institution / Hochschule
Westsächsische Hochschule Zwickau, Standort Zwickau
Note
1,0
Schlagworte
Feasibility Study Errichtung Holzheizkraftwerkes

Autor

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Titel: Feasibility Study für die Errichtung eines dezentralen Holzheizkraftwerkes