Holzvergasung

Was ist Holzvergasung?

Holzvergasung – krisenerprobt und nachhaltig

Die Holzvergasung hat sich bisher vor allem in Krisenzeiten als zuverlässige Technik erwiesen. Holzgas diente in Zeiten des Mangels als günstiger Treibstoffersatz. Heute erfährt Holzgas als nachhaltige Alternative zu Erdgas eine Renaissance. Die Holzvergasung wird für die CO2-neutrale Erzeugung von Strom und Wärme wieder interessant.

Das Holzgas wird dabei in der Regel aus verschiedenen Resthölzern gewonnen, z.B. Holz aus der Forstwirtschaft, das für die Möbelherstellung oder für die Bauwirtschaft nicht weiterverwendet werden kann.

Da eine ungenutzte Verrottung des Holzes – genau so, wie die Holzvergasung – mit der Zeit dieselbe Menge an CO2 freisetzt, die während der Wachstumsphase gebunden wurde, kann die Holzvergasung als eine erneuerbare Energie betrachtet werden.

Neben Holzgas kann auch Recyclinggas aus Kunststoffen gewonnen werden

Ähnlich wie aus Holz kann heute auch aus Kunststoffen Gas erzeugt werden. Die Kunststoffvergasung ist wesentlich umweltschonender und effizienter als die Verbrennung. Durch die hohen Temperaturen und den geregelten Pyrolyseprozess werden die bei einer Aufbereitung von Plastik (z.B. durch Verbrennung) üblicherweise entstehenden Schadstoffe deutlich reduziert. Durch die Kunststoffvergasung werden Schadstoffe weitgehend thermisch abgebaut und in der Asche gebunden, für die unaufwendige, fachgerechte Entsorgungswege existieren.

Das Prinzip der Holzvergasung kann daher auch als eine alternative Form des Kunststoff-Recyclings eingesetzt werden. Aus Kunststofffraktionen, die nicht dem konventionellen Kunststoff-Recycling zugeführt werden können, wird Recyclinggas.

Technologie
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Welche Technologie steckt hinter der Holzvergasung?

Im Folgenden wird der Prozess der Festbett-Gleichstrom-Vergasung basierend auf dem Konzept eines Joos-Vergasers näher erläutert.

Bei der Pyrolyse von organischen Verbindungen entsteht Gas. Da dieses Gas ursprünglich durch Holz gewonnen wurde, hat sich der Name „Holzgas“ eingebürgert und wird auch hier im Folgenden verwendet. Neben Holz als Einsatzstoff, können aber auch andere organische Verbindungen im Holzvergaser zu Gas reformiert werden (vgl. Abschnitt „Einsatzstoffe“).

Als Substrat werden hauptsächlich Holzhackschnitzel verwendet. Bevor das Substrat in den Holzvergaser, genannt Reformer, geführt wird, muss sichergestellt werden, dass der Wassergehalt der Hackschnitzel nicht über 13% liegt. Die Holzhackschnitzel werden sonst nicht ausreichend schnell und homogen durcherhitzt und der Vergasungsprozess läuft nicht fachgerecht ab.

Die Vorgänge bei der Holzvergasung im Reformer (Holzvergaser) lassen sich grob in drei Prozessstufen gliedern:

  • Bei der Trocknung der Hackschnitzel entweicht das restliche in ihnen enthaltene Wasser. Da Wasser den Energiegehalt pro Tonne verringert und zu technischen Problemen führen kann, sollten die Hackschnitzel bereits so trocken wie möglich sein. Eine gewisse Restfeuchte lässt sich allerdings nicht vermeiden und diese dampft in diesem Schritt aus.
  • Die Pyrolyse beginnt ab etwa 500°C. Flüchtige Bestandteile des Holzes wie ätherische Öle dampfen aus und langkettige Kohlenwasserstoffe werden in kurzkettige zerlegt. Hier entstehen die ersten brennbaren Gase.
  • Bei der anschließenden Vergasung (über 1.000°C) werden Kohlenwasserstoffketten weiter verkürzt und es bilden sich erneut brennbare Gase wie Wasserstoff, Methan und Kohlenmonoxid. Unerwünschte Bestandteile wie Teer werden nach Bildung wieder thermisch aufgebrochen, wenn sie diese hohen Temperaturen erreichen. (Siehe Reduktion und Oxidation in Abbildung 1)
Schema Holzvergasung

Abbildung 1: Schematische Darstellung der Holzvergasung im Joos-Vergaser (Reformer)

Um die hohe Temperatur zu erzeugen, die für die verschiedenen Prozesse der Holzvergasung erforderlich ist, wird ein Teil des Substrates im Holzvergaser verbrannt. Hierzu wird Luft in den Reformer geblasen. Je mehr Luft hineingeblasen wird, desto mehr Masse kann verbrennen. Deshalb wird die Zufuhr des Luftsauerstoffs genau so bemessen, dass das nötige Temperaturniveau erreicht wird.

Durch die Konstruktion des Holzvergasers werden Wärmedurchbrüche verhindert. In einem „Wärmedurchbruch“ bilden sich ein oder mehrere dünne „Strahlen“ an hohen Temperaturen und die Homogenität des Wärmebettes wird gestört.

Der Holzvergaser fährt im Festbett-Gleichstrom-Verfahren. Dies bedeutet, dass das Substrat auf einem Rost liegt und in die gleiche Richtung eingebracht wird, in die auch das Holzgas abgezogen wird. Hiermit wird sichergestellt, dass das Substrat alle Phasen des Reformers durchläuft.

Andere Technologien der Holzvergasung wären das Gegenstrom- und das Wirbelstrom-Verfahren, auf die hier nicht näher eingegangen werden soll.

Eigenschaften des Holzgases

Holzgas hat einen Brennwert von etwa 1,5 kWh/m³ (wenn nur naturbelassenes Holz wie z.B. Hackschnitzel vergast wird).

Die Gaszusammensetzung ist abhängig vom Einsatzstoff. Beim Einsatz von naturbelassenem Holz setzt sich der Brennwert aus den Energiegehalten von Kohlenmonoxid, Methan und maßgeblich Wasserstoff zusammen. Beim Einsatz von anderen Substraten wie zum Beispiel von Kunststoffen, kann der Brennwert deutlich höher liegen.

Was unterscheidet die Holzgas-Technologie von anderen Verfahren?

Mit Hilfe der Reformer bzw. Holzvergaser kann jederzeit dezentral Holzgas hergestellt werden. Dieses Gas kann fossile Energieträger ersetzen und mittels Gasbrenner oder Blockheizkraftwerk (BHKW) in nutzbare Energie umgewandelt werden, um sie dezentral für z.B. Prozesswärme, Gebäudeheizung oder Stromversorgung zu nutzen.

Die Holzvergasungsanlagen haben sehr kurze Anlaufzeiten (max. 15 Minuten) und können sehr flexibel gefahren werden. So ist im Normalfall kein Gasspeicher zur Zwischenspeicherung notwendig, wie es bei Biogas der Fall wäre.

Durch Kraft-Wärme-Kopplung kann die Holzvergasungsanlage strom- oder wärmegeführt geplant und genau an die Bedürfnisse und Lastgänge eines Unternehmens angepasst werden.

Auch ist es möglich, Kunststoffe, die nicht recycelt werden können und sonst in der Müllverbrennung landen würden, aufzubrechen und zu energiereichem Gas umzuwandeln (Recyclinggas).

Durch ein angepasstes Verfahren und Einbringung von Kalk als Bindemittel wird die Bildung von Dioxinen und Furanen verhindert, die normalerweise bei Verbrennungsprozessen mit Chlorverbindungen und organischem Kohlenstoff entstehen. Andere im Substrat enthaltenen Schadstoffe wie zum Beispiel Schwermetalle werden in der Asche gebunden und können fachgerecht entsorgt werden.

Einsatzstoffe
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Neben Holz können auch Kunststoffe bei der Holzvergasung eingesetzt werden

Holzhackschnitzel als Einsatzstoff

Das erzeugte Gas ist abhängig von den Eigenschaften des Einsatzstoffes. Bei Holzhackschnitzeln etwa von Wassergehalt (weniger ist besser), flüchtigen Bestandteilen (mehr ist besser) und Feinanteil (weniger ist besser, in der Fraktion mit Korngröße < 4 mm befinden sich oft Sand oder Kiesel mit entsprechend vielen Mineralstoffen, die nicht vergast werden können).

Einsetzbar sind alle Arten von Holz. Je frischer das Holz, desto mehr flüchtige Bestandteile sind enthalten und der Gasertrag ist höher gegenüber dem Einsatz von Altholz. Altholz kann allerdings dennoch problemlos eingesetzt werden. Statt dieses ungenutzt verrotten zu lassen oder es unsauber zu verbrennen, wird es so energetisch und umweltschonend genutzt.

Da bei der Holzvergasung nur das CO2 freigesetzt wird, das zuvor durch die Pflanzen aufgenommen wurde, schließt sich der Kohlenstoffkreislauf, sobald neue Pflanzen angebaut werden. In einer nachhaltigen Forstwirtschaft fällt konstant Holz an, das aus dem Wald entfernt werden muss. Wird das nicht getan, setzt Totholz bei Verrottung das gebundene CO2 wieder frei. Für Holzhackschnitzel werden hauptsächlich Tot- und Altholzmengen verwendet, die für andere Industriezweige wie Möbelherstellung oder Bau nicht verwendbar sind, vorwiegend Bruchholz, trockenes Holz und Käferholz oder Holz, das bei nachhaltiger Durchforstung anfällt. Die Menge des Tot- und Altholzes wird, unterstützt durch den Klimawandel, bedauerlicherweise in den kommenden Jahren voraussichtlich zunehmen, und die Nutzung dieser Ressourcen ist durchaus sinnvoll. Die Holzvergasung fügt sich in einen vorhandenen Kreislauf ein und hilft, diesen besser zu schließen.

Kunststoffe und andere Reststoffe

Großes Potential liegt in der Vergasung von Kunststoffen. Jährlich fallen über 5 Mio. Tonnen Kunststoffe allein in Deutschland an, von denen nur etwa 50% recycelt werden können. Die Restmenge gelangt leider allzu oft in die Umwelt oder wird bei schlechten Wirkungsgraden in Müllverbrennungsanlagen verbrannt.

Kunststoffe können nicht allein vergast werden. Sie können jedoch in einer Mischung mit Holzschnitzeln die Gasausbeute deutlich erhöhen. Erfolgreich werden bereits Mischungen mit bis zu 50% Kunststoff vergast. Somit besteht schon heute die Möglichkeit, Abfallströme eines Unternehmens energetisch zu verwerten, anstatt diese zu entsorgen. Kreisläufe können durch diese neue Form des Recyclings weiter genutzt werden.

Durch den Einsatz von Kunststoff steigt der Brennwert des erzeugten Recyclinggases von 1,5 kWh/m³ (bei reiner Holzvergasung) deutlich auf etwa 2 kWh/m³.

Der Einsatz von Abfällen begrenzt sich nicht nur auf Plastik. Andere in einem Unternehmen anfallende Reststoffe können unter Umständen eingesetzt werden. Beispiele hierfür sind Fettsäuren wie Glycerin, Styroporabfälle, Fasern oder andere organische Stoffe.

Wenn ein anfallender Stoff nicht wieder- oder weiterverwertet werden kann und entsprechend der Abfallhierarchie nicht anders zu priorisieren ist, ist es sinnvoll diesen für die Vergasung – oder in anderen Worten für ein Recycling zu Gas – näher in Betracht zu ziehen. Vor einem möglichen Einsatz können die Reststoffe auf ihr Potential und die resultierende Gaszusammensetzung untersucht werden.

Reststoffe der Holzvergasung
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Reststoffe der Holzvergasung

Je nach Prozessablauf verbleibt nach der Holzvergasung Kohle, in der noch ca. 8% Kohlenstoff gebunden ist (bei reiner Holzvergasung). Mittels eines „Nachreformers“ kann der restliche Kohlenstoff noch energetisch zum Endprodukt Asche verwertet werden. Alternativ kann der Kohlenstoff auch industriell, z.B. in der Zementindustrie, weiterverwendet werden, oder als CCS (Carbon Capture and Storage) Methode eingesetzt werden.

Vorteile
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Vorteile von Holz- und Recyclinggas

Holzgas kann fossile Energieträger ersetzen. Beim Einsatz von BHKWs können mittels Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) Strom und Wärme erzeugt werden. Auch die Bereitstellung von Prozesswärme ist möglich.

Wenn in Betrieben bereits BHKWs eingesetzt werden, können diese gegebenenfalls nach Umbau auch mit Holzgas betrieben werden. So könnten große Investitionskosten und Produktions-Emissionen vermieden werden.

Holzgasanlagen können stromgeführt oder wärmegeführt betrieben werden. Die Energieeffizienz kann auf bis zu 90% gesteigert werden, wenn Strom und Wärme optimal genutzt werden. Wird nur die Nutzung einer der beiden Energieformen angestrebt, kann der Strom in das öffentliche Netz oder die Wärme in ein Nah- oder Fernwärmenetz eingespeist werden. Die Vergütung des elektrischen Stroms ist unter bestimmten Voraussetzungen nach EEG möglich.

Energie aus einer Holzgasanlage steht das gesamte Jahr über zuverlässig zur Verfügung. Im Gegensatz zu Wind- oder Solarenergie ist die Produktion nicht von externen Faktoren abhängig und kann auch ohne Energiespeicher exakt an die Lastgänge des Abnehmers angepasst werden.

Wirtschaftliche Vorteile der Holzvergasung

  • Der Brennstoff für eine Megawattstunde (MWh) Strom erzeugt aus Holzhackschnitzeln kostet deutlich weniger im Vergleich zu Heizöl oder Erdgas. Bereits vor dem Preisanstieg von Erdgas im ersten Quartal 2022 waren Hackschnitzel konkurrenzfähig (Siehe Abbildung 2).
  • Durch niedrigere Treibhausgas-Emissionen und Substituierung fossiler Energien können CO2 Kosten eingespart werden. Die Holzvergasung ist nicht CO2-steuerpflichtig.
  • Diverse Förderungen für Erneuerbare Energien verringern die Investitionskosten.
  • Energie aus Holzgas kann in entlegenen Gegenden dezentral erzeugt werden.
  • Eigennutzung der elektrischen Leistung kann die Wirtschaftlichkeit erhöhen, z.B. durch den Wegfall des Netznutzungsentgeldes.
  • Durch verschiedene Vermarktungsmöglichkeiten überschüssiger Energie kann die Wirtschaftlichkeit weiter gesteigert werden.
Preisvergleich Hackschnitzel

Abbildung 2: Preisvergleich verschiedener Primärenergieträger (Quelle: C.A.R.M.E.N. e.V.)

Vorteile der Holzvergasung für die Umwelt

  • Ein geschlossener Substratkreislauf von Wald zu Anlage bedeutet, dass Emissionen nur aufgrund von Transport und grauen Emissionen anfallen.
  • Der durch die Holzvergasung mögliche Einsatz von „Carbon Capture and Storage“ kann der Umwelt CO2 entziehen.
  • Emissionen durch Holzgas-BHKWs begrenzen sich, abgesehen von Abgasen, hauptsächlich auf Schall, der jedoch gut gedämmt werden kann.
  • Es sind keine umweltschädlichen Stoffe im Prozess, mit Ausnahme von Motoröl, das in geschlossenen Kreisläufen und in überschaubaren Mengen anfällt.
  • Beim Einsatz von Kunststoffen können problematische Bestandteile thermisch aufgebrochen oder in der Asche gebunden werden.
  • Da fossile Energieträger durch Holz- oder Recyclinggas ersetzt werden können, kann die Holzvergasung die Umwelt entlasten
Contracting und Betriebsführung
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Contracting und Betriebsführung

Für Unternehmen, die den Planungs- und Genehmigungsaufwand für Holzgasanlagen scheuen oder nicht in eine Holzgasanlage investieren wollen, bietet RegPower über seine Kooperationspartner Contracting-Modelle für die Lieferung von Gas und Strom an.

In diesem Fall übernimmt das beauftragende Unternehmen lediglich Planungs- und Genehmigungskosten – Bau und Betrieb der Holzgasanlage werden von RegPower organisiert.

Über einen Vertrag mit einer Mindestlaufzeit von 10 (+) Jahren können sich Unternehmen langfristig eine Versorgung mit erneuerbarer und klimaschonender Energie sichern.

Der Contracting-Vertrag kann vorzeitig beendet werden, wenn der Kunde die Holzgasanlage käuflich übernimmt.

RegPower kümmert sich im Contracting-Fall um die Beschaffung der Energieträger und den Betrieb der Holzgasanlage. Ein zu vereinbarender Inflationsindex regelt klar abgegrenzt die Entwicklung der gelieferten Energie.

Für Unternehmen, die eine Holzgasanlage außerhalb des Contracting-Modells erstellen und betreiben wollen, jedoch die Betriebsführung auslagern wollen, bietet RegPower umfassende Betriebsführung an, die alle notwendigen Leistungen abdeckt, so dass Sie keine eigenen personellen Ressourcen für den Betrieb der Anlage benötigen.

Weitere Dienstleistungen
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Dienstleistungen der RegPower GmbH in der Planungsphase

RegPower steht Unternehmen, für die die Holzvergasung eine interessante Alternative zu fossiler Energieerzeugung darstellt, beratend zur Seite.

RegPower bietet verschieden detaillierte Betrachtungen in drei Stufen an:

  • Kurzstudie (Ermittlung des Potenzials für die Holzvergasung)
    In einer Kurzstudie, die üblicherweise innerhalb von 3-4 Wochen erstellt werden kann, werden in einem ersten Quick-Check Potentiale ermittelt, die genutzt werden können. Es findet eine erste Abschätzung statt, ob eine nähere Betrachtung der Holzvergasung sinnvoll ist. Diese Stufe kann entfallen, wenn eine Machbarkeitsstudie beauftragt wird.
  • Machbarkeitsstudie (Prüfung der Realisierbarkeit)
    In einer Machbarkeitsstudie wird u.a. die Möglichkeit erörtert, vorhandene Anlagenteile an Ihrem Unternehmensstandort anzupassen, es werden erste Genehmigungsfragen geklärt und eine Wirtschaftlichkeitsbetrachtung erstellt. Auf die Punkte, die auch in der Kurzstudie betrachtet werden, wird hier ausführlicher eingegangen. Für die komplette Studie werden etwa 3-4 Monate benötigt. Abschließend wird in der Machbarkeitsstudie die Frage beantwortet, ob eine Holzgasanlage an Ihrem Standort sinnvoll und möglich ist. Diese Studie ist unter bestimmten Voraussetzungen förderfähig.
  • Konzeptplanung der Holzgasanlage
    Die Konzeptplanung beinhaltet folgende Punkte:

    • Erstellung eines Aufstellungskonzeptes für die Holzgasanlage inkl. Nebenanlagen, Ermittlung und Einbindung der Energiebedarfe und ggf. weiterer Kundenwünsche
    • Technische Konzeptplanung der Holzgasanlage (bestehend aus z.B. Substratlager, Holzvergaser, Gasspeicher, BHKW)
    • Erstellung von Konzeptplänen mit Baubeschreibung
    • Schallimmissionsabschätzung
    • Lieferantenliste von Holzhackschnitzeln aus der Region und im erweiterten Umkreis von 100 km
    • Erstellung eines Projektzeitplanes mit Angabe zeitkritischer Prozesse (Gantt-Chart)
    • Aufstellung und Bewertung möglicher Risiken für den Bau und Betrieb der Holzgasanlage
    • Übernahme der Ergebnisse in eine Wirtschaftlichkeitsberechnung
    • Übernahme der Daten in eine dynamische Wirtschaftlichkeitsberechnung über 20 Jahre

Auf Basis der Konzeptplanung erfolgt im letzten Schritt die Genehmigungs- und Ausführungsplanung. Danach ist eine zügige Realisierung und Inbetriebnahme der Holzgasanlage möglich.

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