Table Of ContentM. Kaltschmitt • H. Hartmann (Hrsg.)
Energie aus Biomasse
Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH
M. Kaltschmitt
H. Hartmann (Hrsg.)
Energie aus Biomasse
Grundlagen, Techniken und Verfahren
Mit 285 Abbildungen und 124 Tabellen
'Springer
Herausgeber:
Priv.-Doz. Dr.-Ing. Martin Kaltschmitt
Institut für Energetik und Umwelt GmbH
Torgauer Str. 116
D-04347 Leipzig
Dr. Hans Hartmann
Technische Universität München(TUM)
Bayerische Landesanstalt für Landtechnik
Vöttinger Str. 36
D-85350 Freising
ISBN 978-3-662-07026-0
Die Deutsche Bibliothek-CIP-Einheitsaufnahme
Energie aus Biomasse : Grundlagen, Techniken und Verfahren I
Hrsg.: Martin Kaltschmitt; Hans Hartmann. Mit Beitr. von B. Widmann ... -
ISBN 978-3-662-07026-0 ISBN 978-3-662-07025-3 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-662-07025-3
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© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2001
Ursprünglich erschienen bei Springer-Verlag Berlin Heidelberg New Yo rk 2001
Softcoverreprint ofthe bardeover Istedition 2001
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Einbandgestaltung: MEDIO GmbH, Berlin
Satz: Reproduktionsfertige Vorlagen der Herausgeber
Gedruckt auf säurefreiem Papier SPIN: 11371052 62/3111 - 5 4 3 2
Vorwort
Ein wesentlicher Bestandteil einer nachhaltigen Energieversorgung ist der
schonende Umgang mit den der Menschheit insgesamt zur Verfügung stehenden
natürlichen Ressourcen. Hierzu kann die Nutzung regenerativer Energien (z. B.
Biomasse, Solarstrahlung, Windenergie, Wasserkraft, Erdwärme) in Europa und
auch in Deutschland einen anerkannt hohen Beitrag leisten. Deshalb wird auch die
Nutzung dieser umweltfreundlichen und klimaverträglichen Energien durch
umfangreiche Maßnahmen der öffentlichen Hand auf europäischer und nationaler
Ebene zum Teil erheblich unterstützt. Dadurch wurde und wird erreicht, dass
regenerative Energien zunehmend stärker zur Deckung der Energienachfrage bei
tragen.
Biomasse ist in Europa und Deutschland der regenerative Energieträger, der
bisher am weitgehendsten genutzt wird; beispielsweise tragen biogene Festbrenn
stoffe rund drei mal mehr zur Deckung der Energienachfrage in Deutschland bei
als die Wasserkraft, die oft als die "klassische" regenerative Energie angesehen
wird. Nach dem Wunsch der Kommission der Europäischen Union soll Bio
masse-aufgrundder großen unerschlossenen Potenziale und der relativen Markt
nähe im Vergleich zu vielen anderen Optionen zur Nutzung regenerativer Ener
gien - in Zukunft einen noch größeren Beitrag im Energiesystem leisten und da
mit merklich am Aufbau einer zukünftig umwelt- und klimaverträglicheren und
damit nachhaltigeren Energieversorgung mitwirken.
Zur schnellen und zielorientierten - und damit letztlich auch erfolgreichen -
Umsetzung dieser politischen Zielvorgaben müssen die physikalischen, chemi
schen und biologischen Grundlagen einer Energiegewinnung aus Biomasse sowie
deren verfahrens- und systemtechnische Umsetzung zur End- bzw. Nutzenergie
bereitstellung schnell und einfach - nach dem aktuellen Stand des Wissens und
der Technik - verfügbar sein. Dies ist das Ziel des vorliegenden Buches. Dazu
werden zunächst die verschiedenen Energiepflanzen bzw. Biomassefraktionen
dargestellt und die Techniken und Verfahren zur Produktion bzw. Bereitstellung
lehrbuchartig diskutiert. Anschließend werden die vielfältigen Möglichkeiten
einer thermochemischen, physikalisch-chemischen und biochemischen Umwand
lung von Biomasse in End- bzw. Nutzenergie detailliert erörtert. Damit liegt der
Schwerpunkt auf der Diskussion der zum Verständnis einer Energiebereitstellung
aus Biomasse notwendigen physikalischen und chemischen Grundlagen und der
nach dem aktuellen Stand der Technik vorhandenen verfahrens- sowie system
technischen Verfahren. Ökonomische und ökologische Gesichtspunkte sowie
energiewirtschaftliche Analysen ebenso wie sonstige nicht technische Aspekte
sind damit nicht Gegenstand der nachfolgenden Darstellungen.
VI Vorwort
Die Herausgeber möchten den Autoren, die zum Gelingen des vorliegenden
Buches beigetragen haben, sehr herzlich danken. Ohne ihr hohes Engagement und
ihre sehr weitgehende Kooperationsbereitschaft sowie ihr über das übliche Maß
deutlich hinausgehendes Entgegenkommen wäre diese Publikation in ihrer jetzigen
Form nicht möglich gewesen. Besonderer Dank gilt auch Frau Helga Nielsen und
Frau Heike Eismann, Bayerische Landesanstalt fiir Landtechnik, die den größten
Teil der Zeichnungen angefertigt haben. Neben den genannten Autoren, die zum
Teil auch an Kapiteln mitgewirkt haben, fiir die sie nicht verantwortlich zeichnen,
waren weitere Fachleute an der Durchsicht der Texte beteiligt. Unser ganz
besonderer Dank gilt hier Herrn em. o. Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn. Paul
Viktor Gilli fiir die komplette Durchsicht des Manuskriptes. Herzlich danken
möchten wir ferner Frau Dr.-Ing. Daniela Thrän und Herrn Dr.-Ing. Joachim
Fischer, Institut fiir Energiewirtschaft und Rationelle Energieanwendung (IER),
Universität Stuttgart, Herrn Dipl.-Ing. Thomas Launhardt, Dr. Arno Strehler und
Wemer Krauß von der Bayerischen Landesanstalt fiir Landtechnik, Herrn Dipl.
FW Norbert Remler, Bayerische Landesanstalt fiir Wald- und Forstwirtschaft,
sowie Herrn Dipl.-FW Thomas Hering, Thüringer Landesanstalt fiir Landwirt
schaft (TLL), Herrn Dipl.-Phys. Hans Frieß, Bayerisches Landesamt fiir Um
weltschutz, Herrn Dipl.-Ing. Peter Heinrich, Fichtner GmbH & Co. KG sowie
Herrn Ao.Univ.Prof.DI Dr. Thomas Amon, Institut fiir Land-, Umwelt- und
Energietechnik der Universität fiir Bodenkultur Wien. Auch ist vielen weiteren
ungenannten Mitarbeitern unser aufrichtiger Dank auszusprechen; ohne ihre
tatkräftige Unterstützung wäre die Realisierung dieses Buches nicht möglich
gewesen. Nicht zuletzt gilt unser Dank auch denjeweiligen Institutionen.
Trotz der hohen Sorgfalt, mit der die Autoren und Herausgeber sowie die
Lektoren sich bemüht haben, die dargestellten Zahlen und Fakten sowie die auf
gezeigten Zusammenhänge nach dem aktuellen Stand des Wissens und der Tech
nik zu recherchieren, können Fehler leider niemals ganz ausgeschlossen werden.
Über konstruktive Anmerkungen und zielorientierte Verbesserungsvorschläge fiir
eine mögliche zweite Auflage würden sich die Herausgeber und Autoren deshalb
sehr freuen.
Stuttgart, Freising; im Oktober 2000
Martin Kaltschmitt und Hans Hartmann
Liste der Autoren
Prof. Dr.-Ing. Günter Baumbach
Institut fur Verfahrenstechnik und Dampfkesselwesen (IVD),
Universität Stuttgart, Deutschland
Dr. W emer Edelmann
arbi GmbH, Baar, Schweiz
Dr. Jürgen Good
VERENUM-Ingenieurbüro fur Verfahrens-, Energie-und Umwelttechnik,
Zürich, Schweiz
Dr. Hans Hartmann
Technische Universität München, Bayerische Landesanstalt fur Landtechnik,
Freising-Weihenstephan, Deutschland
Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn. Hermann Hofbauer
Institut fur Verfahrens-, Brennstoff-und Umwelttechnik,
Technische Universität Wien, Österreich
Dr. Iris Lewandowski
Institut fur Pflanzenbau und Grünland, Universität Hohenheim, Deutschland
PD Dr.-Ing. Martin Kaltschmitt
Institut fiir Energiewirtschaft und Rationelle Energieanwendung (IER),
Universität Stuttgart, Deutschland
Dr. Dietrich Meier
Institut fiir Holzchemie und chemische Technologie des Holzes,
Bundesforschungsanstalt fiir Forst-und Holzwirtschaft (BFH),
Hamburg, Deutschland
Dipl.-Ing. Dr.techn. Andreas Mory
VERBUND-Austrian Hydro Power AG, Klagenfurt, Österreich
PD Dr. Thomas Nussbaumer
VERENUM-Ingenieurbüro fur Verfahrens-, Energie-und Umwelttechnik,
Zürich, Schweiz
Univ.-Doz. Dipl.-Ing. Dr.techn. Ingwald Obernherger
Ingenieurbüro BIOS, Graz, Österreich
Institut fur Grundlagen der Verfahrenstechnik und Anlagentechnik, Technische
Universität Graz, Österreich
Dipl.-Ing.agr. Edgar Remmele
Technische Universität München, Bayerische Landesanstalt fur Landtechnik,
Freising-W eihenstephan, Deutschland
PD Dr. Thomas Senn
Institut fiir Lebensmitteltechnologie, Universität Hohenheim, Deutschland
VIII Liste der Autoren
Prof. Dr.-Ing. Hartmut Spliethoff
Section Thermal Power Engineering, Faculty of Design, Construction and
Production, Technical University of Delft, Niederlande
Dr.-Ing. Thomas Stelzer
Alfons Stelzer GmbH, Kempen, Deutschland
Dr. Johannes Welling
Institut für Holzphysik und mechanische Technologie des Holzes,
Bundesforschungsanstalt für Forst- und Holzwirtschaft (BFH),
Hamburg, Deutschland
Dr. Bernhard Widmann
Technische Universität München, Bayerische Landesanstalt für Landtechnik,
Freising-Weihenstephan, Deutschland
Inhaltsübersicht
1 Einleitung und Zielsetzung
1.1 Biomasse als nachwachsender Energieträger
1.2 Biomasse im Energiesystem
1.3 Aufbau und Abgrenzungen
2 Biomasseentstehung
2.1 Aufbau und Zusammensetzung
2.2 Primärproduktion
2.3 Einflussfaktoren auf die Biomasseentstehung
2.4 Zeitliche und räumliche Angebotsunterschiede
3 Energiepflanzenproduktion
3 .1 Lignocellulosepflanzen
3.2 Ölpflanzen
3.3 Zucker-und Stärkepflanzen
4 Nebenprodukte, Rückstände und Abrälle
4.1 Holzartige Biomasse
4.2 Halmgutartige Biomasse
4.3 Sonstige Biomasse
5 Bereitstellungskonzepte
5.1 Holzartige Biomasse
5.2 Halmgutartige Biomasse
5.3 Sonstige Biomasse
6 Ernte und Aufbereitung
6.1 Ernteverfahren
6.2 Aufbereitung
7 Transport, Lagerung, Konservierung und Trocknung
7.1 Transport
7.2 Lagerung
7.3 Feuchtkonservierung
7.4 Trocknung
8 Grundlagen der Festbrennstoffnutzung
8.1 Begriffsdefinitionen
8.2 Brennstoffzusammensetzung und -eigenschaften
8.3 Grundlagen der thermochemischen Umwandlung
8.4 Systemelemente zur End-/Nutzenergiebereitstellung
X Inhaltsübersicht
9 Direkte thermische Umwandlung (Verbrennung)
9.1 Grundlagen
9.2 Feuerungsanlagentechnik
9.3 Abgasreinigung und -kondensation
9.4 Stromerzeugungstechniken
9.5 Aschen und deren Verwertung
10 Thermochemische Umwandlung
10.1 Vergasung
10.2 Pyrolyse
10.3 Verkohlung
11 Nutzung von Biomasse mit fossilen Energieträgern
11.1 Einteilung und Abgrenzung
11.2 Mitverbrennung in Kohlekraftwerken
11.3 Vergasung und Gasnutzung in Kohlekraftwerken
12 Produktion und Nutzung von Pflanzenölkraftstoffen
12.1 Rohstoffbereitstellung
12.2 Pflanzenölgewinnung
12.3 Weiterverarbeitung von Pflanzenölen
12.4 Produkte und energetische Nutzung
12.5 Anlagenbeispiele
13 Grundlagen der biochemischen Umwandlung
13.1 Biochemische Abbaumöglichkeiten
13.2 Beteiligte Phasen
13.3 Technische Nutzbarmachung
14 Ethanolerzeugung und Nutzung
14.1 Grundlagen
14.2 Maischprozess
14.3 Fermentation
14.4 Destillation, Rektifikation, Absolutierung
14.5 Produkte und energetische Nutzung
14.5 Anlagenbeispiele
15 Biogaserzeugung und Nutzung
15 .1 Grundlagen
15.2 Verfahrenstechnik
15.3 Produkte und energetische Nutzung
15.4 Anlagenbeispiele
