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Möglichkeiten der energetischen Verwertung von Halmgütern
Thüringer Landesanstalt für Landwirtschaft
Dipl.-Ing. Th. Hering
08.03.2011, Tiefengruben
A Brennstoffeigenschaften
B Einsatzmöglichkeiten Halmgüter (thermisch)
1. Wärmeerzeugungsanlagen2. Stromerzeugungsanlagen
C Rechtliche Rahmensituation
D Zusammenfassung
InhaltsverzeichnisEinleitung
Dipl.-Ing. Th. Hering Stand der Halmgutverbrennung
2
Anteile Erneuerbarer Energien an der Energiebereitstellung in Deutschland (Stand Juni 2009)
Anteile erneuerbarer Energien an der Energiebereitstellung in Deutschland
3,1 3,5
0,2
2,1
9,5
15,1
7,4
4,85,9
7,03)
124)
141)
182)
mind.301)
0
5
10
15
20
25
30
35
Anteile EE am gesamtenEndenergieverbrauch
(Strom, Wärme, Kraftstoffe)
Anteile EE am gesamtenBruttostromverbrauch
Anteile EE an der gesamtenWärmebereitstellung
Anteile EE am gesamtenKraftstoffverbrauch
Anteile EE am gesamtenPrimärenergieverbrauch
[%]
1998 2000
2002 2004
2006 2007
2008
2020 Ziele der
Bundesregierung
1) Quellen: Erneuerbare-Energien-Gesetz, (EEG 2009) vom 25.10.2008 und Erneuerbare-Energien-Wärmegesetz (EEWärmeG) vom 7.8.2008; 2) Quelle: Neue EU-Richtlinie zur Förderung der Nutzung von Energie aus erneuerbaren Quellen
3) Anteil Primärenergieverbrauch berechnet nach (der offiziellen) Wirkungsgradmethode; nach Substitutionsmethode: 9,2 %; 4) Ziel: 12 % energetisch; Quelle: Nationaler Biomasseaktionsplan für Deutschland
EE: Erneuerbare Energien; Quelle: BMU Publikation "Erneuerbare Energien in Zahlen – nationale und internationale Entwicklung", KI III 1; Stand: Juni 2009; Angaben vorläufig
Dipl.-Ing. Th. Hering Stand der Halmgutverbrennung
Energieeffizienzen der verschiedenen Nutzungspfade
0
20
40
60
80
100
Wärme KWK Kraftstoff Strom
En
erg
iee
ffiz
ien
z in
%
(Quelle: Biomasseaktionsplan der Bundesregierung)
Dipl.-Ing. Th. Hering Stand der Halmgutverbrennung
3
Chemisch-stoffliche Brennstoffeigenschaften z.B.• Stickstoff ⇒ NOx-Emissionen• Schwefel ⇒ SOx-Emissionen, Korrosion• Chlor ⇒ HCl-,PCDD/F-Emissionen, Korrosion• K, Na, Ca, (Mg)⇒ Ascheschmelzverhalten, Korrosion• S, Cl, K, Na, Zn Pb ⇒ Staubemission• Cd ⇒ Ascheverwertung
Physikalisch-mechanische Brennstoffeigenschaften z.B.• Schütt/Pressdichte ⇒ Transport, Lagerdichte• Wassergehalt ⇒ Lagerung, Heizwert, Ausbrand• Aschegehalt ⇒ Auslegung Austragsystem• Störstoffe (Beikrautanteil) ⇒ Ausbrand• Halmgutlänge (Stroh lang/kurz, Ganzpflanze)
A Brennstoffeigenschaften
Dipl.-Ing. Th. Hering Stand der Halmgutverbrennung
Dipl.-Ing. Th. Hering Stand der Halmgutverbrennung
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Brennstoffeigenschaften
Form Art / Sorte Dichte kg/m³
Häcksel Stroh 50 - 70Rundballen Stroh 100 - 120Quaderballen Gräser 120 - 180Quaderballen Stroh 130 - 160Quaderballen Getreideganzpflanzen 150 - 230Hobelspäne Holz 80 - 100Hackgut Fichte 160 - 170Sägemehl Holz 160 - 180Hackgut Buche 250 - 260Pellets Holz u. Stroh 400 - 650Getreidekörner Hafer 500 - 550Getreidekörner Gerste 600 - 650Getreidekörner Weizen/Roggen 700 - 750
Vergleich der Press- und Schüttdichten (bei 85 % TS-Gehalt)
Dipl.-Ing. Th. Hering Stand der Halmgutverbrennung
Brennstoffeigenschaften - Vergleich Rohaschegehalte(Vorgebirgslage: Glatthafer)
0,0
2,0
4,0
6,0
8,0
10,0
12,0
14,0
16,0
Ro
hasch
eg
eh
alt
[%
d. T
M]
M AX 2,0 1,9 3,0 2,1 4,9 4,8 8,4 12,8 9,3 10,9 12,0 7,6 4,5 1,2 2,2
M IN 1,5 1,3 1,9 1,6 3,0 4,1 2,6 3,2 3,0 4,8 4,0 3,4 0,6 0,3 0,2
M W 1,7 1,6 2,5 2,1 3,5 4,4 5,5 6,3 6,5 8,0 8,0 5,0 2,0 0,6 0,8
n = 25 n = 23 n = 25 n = 15 n = 5 n = 14 n = 52 n = 55 n = 51 n = 46 n = 47 n = 42 n = 288 n = 12 n = 51
Wi - Roggen
Wi - Weizen
Wi - Gerste
Wi - Trit icale
Hafer Wi - Raps
Wi - Roggen (Avanti)
Wi - Weizen (Batis)
Wi - Gerste
(Theresa)
Hafer (Flämlings-
lord)
Wi - Raps (Express)
Trit icale - GP
Pappel Laubholz Nadelholz
Körner HolzStroh
Gan
zp
fla
nze
Dipl.-Ing. Th. Hering Stand der Halmgutverbrennung
5
Vergleich der Anteile der aerosolbildenden ElementeWW WG WWSP GTP DIN-HP MP WWSP/ HP MP GTP/ HP RKP
n = 3 n = 3 n = 8 n = 1 n = 1 n = 2 n = 1 n = 1S mg/kg TM 1700 1300 800 700 0 500 500 6800Cl mg/kg TM 800 900 400 600 100 400 300 200K mg/kg TM 3200 4600 5500 5100 300 2800 3200 10500Na mg/kg TM 58 54 156 60 52 95 56 <0,01Zn mg/kg TM 26 31 9 22 18 12 18 56Pb mg/kg TM 0,021 0,025 0,393 0,38 1,37 0,71 0,6 0,18Summe mg/kg TM 5784 6885 6865 6482 471 3808 4075 17556
Element Einheit
18103Summe
1Pb
24Zn
113Na
15888K
1045Cl
1033S
n = 8mg/kg TM
Heu
28918.10.
23315.10.
27414.10.Staub
mg/Nm³; 13 % O2
DatumNennlast MW:
260 mg/Nm³
entspricht bei Faktor 2,6 etwa
100 mg/Nm³
bei Stroh
Dipl.-Ing. Th. Hering Stand der Halmgutverbrennung
Brennstoffeigenschaften - Vergleich Stickstoff(Vorgebirgslage: Glatthafer)
0,00
0,50
1,00
1,50
2,00
2,50
3,00
3,50
4,00
4,50
Sti
cksto
ffg
eh
alt
[%
d.
TM
]
M AX 1,97 2,59 2,22 2,18 2,27 3,85 1,13 0,93 1,27 1,13 1,49 1,42 1,22 2,66 0,28
M IN 1,51 2,10 1,59 1,66 1,54 3,21 0,33 0,28 0,29 0,22 0,42 0,38 0,19 0,11 0,07
M W 1,72 2,36 1,96 1,91 1,87 3,51 0,59 0,58 0,63 0,53 0,76 1,06 0,56 0,49 0,14
n = 25 n = 23 n = 25 n = 15 n = 5 n = 14 n = 52 n = 55 n = 51 n = 46 n = 47 n = 42 n = 288 n = 55 n = 41
Wi - Roggen
Wi - Weizen
Wi - Gerste
Wi - Trit icale
Hafer Wi - Raps
Wi - Roggen (Avant i)
Wi - Weizen (Batis)
Wi - Gerste
(Theresa)
Hafer (Flämlings-
lord)
Wi - Raps (Express)
Trit icale - GP
Pappel Laubholz Nadelholz
Körner HolzStroh
Gan
zp
fla
nze
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Brennstoffeigenschaften - Vergleich Chlor(Vorgebirgslage: Glatthafer)
0,00
0,20
0,40
0,60
0,80
1,00
1,20
1,40
1,60
1,80
2,00
Ch
lorg
eh
alt
[%
d. T
M]
M AX 0,09 0,10 0,18 0,07 0,12 0,07 0,73 0,67 1,56 1,69 1,83 0,53 0,11 0,07 0,02
M IN 0,03 0,07 0,08 0,03 0,05 0,02 0,03 0,02 0,03 0,06 0,06 0,01 0,00 0,01 0,00
M W 0,07 0,08 0,13 0,05 0,10 0,04 0,24 0,23 0,43 0,64 0,58 0,16 0,02 0,02 0,01
n = 25 n = 23 n = 25 n = 15 n = 5 n = 14 n = 52 n = 55 n = 51 n = 46 n = 47 n = 42 n = 288 n = 44 n = 36
Wi - Roggen
Wi - Weizen
Wi - Gerste
Wi - Trit icale
Hafer Wi - Raps
Wi - Roggen (Avant i)
Wi - Weizen (Bat is)
Wi - Gerste
(Theresa)
Hafer (Flämlings-
lord)
Wi - Raps (Express)
Trit icale - GP
Pappel Laubholz Nadelholz
Körner HolzStroh
Gan
zp
fla
nze
Dipl.-Ing. Th. Hering Stand der Halmgutverbrennung
Brennstoffcharakteristik Vergleich Ascheschmelzverhalten
600
700
800
900
1000
1100
1200
1300
1400
1500
Sintertemperatur Erweichungstemperatur Sphärischtemperatur Halbkugelpunkt Fließtemperatur
Tem
pera
tur
[°C
]
Nacktgetreide Spelzgetreide Triticale-GP
Getreidestroh Miscanthus Waldholz
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A Brennstoffeigenschaften
B Einsatzmöglichkeiten Halmgüter (thermisch)
1. Wärmeerzeugungsanlagen2. Stromerzeugungsanlagen
C Rechtliche Rahmensituation
D Zusammenfassung
InhaltsverzeichnisEinleitung
Dipl.-Ing. Th. Hering Stand der Halmgutverbrennung
diskoninuierliche und kontinuierliche Beschickung
Rost-, Kipptisch-Einschubfeuerungen, Zigarrenbrenner
Ganzballen: Mini-, Rund-, Heston-Großballen
Strohhäcksel: Zuführung über Schneckensysteme bzw.
Pneumatische Systeme
Strohpellets:
einsetzbare Brennstoffe: Getreidestroh, Ganzpflanze, Landschaftspflegeheu, Ölleinstroh, Rapsstroh, ...
Anlagen ab 100 kW unterliegen 4. BImSchV (TA-Luft) !!!
Systeme der Strohverbrennung
Dipl.-Ing. Th. Hering Stand der Halmgutverbrennung
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Koordination
F&E
Feldtests
Koordination FNR/TLL
weitere FelduntersuchungenTLL/TLUG/ILK (5 Anlagen) FH Köln (5 Anlagen), DEULA (1), FBZ (1) Zwischenergebnisse !
FuE-Vorhabenprimäre/sekundäre EmissionsminderungenILK DresdenTLL Dornburg
FBZ e.V. Merseburg
TFZ Straubing
DEULA SH
FH Köln
FNR Gülzow
FH Bingen
ATZ Sulzbach Rosenberg
IVD Stuttgart
WKI Braunschweig
TU Hamburg-Harburg
Paul Künzel GmbH Prisdorf
FH Amberg-Weiden
Grimm GmbH Amberg
Dipl.-Ing. Th. Hering Stand der Halmgutverbrennung
Untersuchte Brennstoffe
Pellet Ballen/Häcksel
Winterweizen (Referenz) Winterweizen (Referenz) Winterweizen (Referenz) HolzpelletsWintergerste (Referenz) Winterroggen (Referenz) Winterweizen (grau) Triticale-GP PelletsWinterweizen Triticale Triticale GrüngutpelletsWintergerste GNP PelletsWinterroggen Rapspresskuchen PelletsTriticale
StrohGetreidekörner Sonstige
Untersuchte Feuerungsanlagen (Feldtests)
Getreide
[kWth] Pellet Ballen/Häcksel
Reka HKRST 30 30 Vorschubrostfeuerung X X TLLReka HKRST 60 60 Vorschubrostfeuerung X TLLReka HKRST 100 98 Vorschubrostfeuerung X X DEULAPassat C4 40 Brennmuldenfeuerung X X FH KölnBiokompakt AWK 45 SI 45 Unterschubfeuerung X X FBZ, FH KölnHeizomat HSK-RA 60 60 Kettenumlaufrost X X FH KölnÖkotherm C1L 120 Brennmuldenfeuerung X X FH KölnAgroflamm Agro 40 40 Unterschubfeuerung X X TLL, FH Köln, IVD/TFZGuntamatic Powercorn 30 30 Rostfeuerung X TLL, FH Köln, TFZLinka Linka-H 400 400 Brennmuldenfeuerung X TLLHerlt HSV 145 145 Ganzballenvergaser X TLL
Hersteller InstitutionFeuerungsprinzipTypLeistung
Brennstoffe
Stroh
Dipl.-Ing. Th. Hering Stand der Halmgutverbrennung
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Ballenauflöser - Strohpelletierungsanlage Schleiz
Dipl.-Ing. Th. Hering Stand der Halmgutverbrennung
Entwicklung von Designbrennstoffen
Dipl.-Ing. Th. Hering Stand der Halmgutverbrennung
10
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
CO
[mg/
Nm
³, tr
.; 13
% O
2]
MAX 22 37 54 38 106 361 321 264 140 588 344 182
MIN 3 2 39 2 6 11 21 49 9 148 45 170
MW 6 6 48 6 34 109 110 98 33 260 157 175
TLL FBZ TFZ TLL FBZ TFZ TLL TLL FH Köln FH Köln FH Köln TFZ
Agro 40 AWK SI 45
Powercorn 30
Agro 40 AWK SI 45
Powercorn 30
Agro 40 HKRST 60
RHK–AK 60
Agro RHK–AK 60
Powercorn 30
Feldtest Feldtest Prüfstand Feldtest Feldtest Prüfstand Pellet Feldtest
Häcksel Feldtest
Pellet Feldtest
Feldtest Feldtest Prüfstand
n = 156 n = 73 n = 3 n = 171 n = 69 n = 4 n = 23 n = 11 n = 66 n = 6 n = 6 n = 3
Wintergerstenkörner WinterroggenstrohpelletsWinterweizenstrohpelletsWinterweizenkörner
Nov. 1. Stufe
Nov. 2. Stufe
1. BImSchV
Kohlenmonoxid-Emissionen - Vergleich Referenzbrennstoffe
Dipl.-Ing. Th. Hering Stand der Halmgutverbrennung
Gesamtstaub-Emissionen – Vergleich Referenzbrennstoffe
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
Sta
ub
[mg/
Nm
³, tr
.; 13
% O
2]
MAX 65 104 70 34 132 176 44 67 28 143 232 302
MIN 19 72 55 27 102 138 24 29 16 93 145 245
MW 30 85 65 31 114 150 36 48 21 118 192 267
FH Köln FBZ TFZ TLL FBZ TFZ TLL TLL FH Köln FH Köln FH Köln TFZ
Agro 40 AWK SI 45
Powercorn 30
Agro 40 AWK SI 45
Powercorn 30
Agro 40 HKRST 60
RHK–AK 60
Agro 40 RHK–AK 60
Powercorn 30
Feldtest Feldtest Prüfstand Feldtest Feldtest Prüfstand Pellet Feldtest
Häcksel Feldtest
Pellet Feldtest
Feldtest Feldtest Prüfstand
n = 6 n = 6 n = 3 n = 3 n = 3 n = 4 n = 3 n = 10 n = 6 n = 6 n = 6 n = 3
Wintergerstenkörner WinterroggenstrohpelletsWinterweizenstrohpelletsWinterweizenkörner
Nov. 2. Stufe
Nov. 1. Stufe
1. BImSchV
Dipl.-Ing. Th. Hering Stand der Halmgutverbrennung
11
Dipl.-Ing. Th. Hering Stand der Heuverbrennung
Reka 54 kW, Heuverbrennung 14.10.2010
0
200
400
600
800
1000
1200[m
g/N
m³;
13
% B
ezu
g O
2]
MAX 271 662 176 32
MIN 61 519 131 9
MW 171 569 152 24
CO NOX SO2 HCl
Erprobung innovativer Feuerungsysteme TLL – TZNR Dornburg/Jena
wassergekühlte Vorschubtreppen-
rostfeuerung mit Rauchgasrezirkulation
weitere Entwicklungen - Voruntersuchungen
Brennstoffmisch- und wägeanlage
IHT-Anlage
Dipl.-Ing. Th. Hering Stand der Halmgutverbrennung
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Brennmuldenfeuerung - Fa. Linka, Dk, 400 kW
Dipl.-Ing. Th. Hering Stand der Strohverbrennung
Brennmuldenfeuerung Firma Lin-Ka (Dk), 400 kWth
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
CO
, N
OX, S
OX, G
es.-
C [
mg/
Nm
³, tr
.; 11
% O
2]
MAX 925 10074 388 479 25 28 33 303
MIN 258 2052 332 347 5 6 5 30
MW 623 5572 356 417 13 18 15 148
CO: n = 9 CO: n = 27 NOX: n = 9 NOX: n = 27 SOX: n = 9 SOX: n = 27 Ges.-C: n = 9 Ges.-C: n = 27
Weizenstroh Triticalestroh Weizenstroh Triticalestroh Weizenstroh Triticalestroh Weizenstroh Triticalestroh
Ergebnisse der kontinuierlichen Messungen
TA LUFT
Dipl.-Ing. Th. Hering Stand der Strohverbrennung
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Thüringer Landesanstalt für Landwirtschaft (TLL), Jena
Brennstoff: Stroh und Ganzpflanzen Leistung: 1,75 MWth
kontinuierliche Beschickungmit einzelnen Scheiben
Kipptisch -Einschubfeuerung
Dipl.-Ing. Th. Hering Stand der Halmgutverbrennung
Strohlager 100 t
Strohbahnen Hubtisch
Kesselhalle
Kipp- Ballen- Einfeuerungs-tisch teiler zylinder
Strohkessel 1,7 MW
Zyklon- undTuchfilter
Aschecontainer
Kamin
Rauchgas-sauger
Wärme-speicher55 m³
mit Waage
Anlageschema für Kipptisch-Einschubfeuerung (Fa. Lin-Ka, DK)
Dipl.-Ing. Th. Hering Stand der Halmgutverbrennung
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BKS Bio-Kraftwerk Schkölen GmbHFernwärmeversorgung der Stadt SchkölenBrennstoff: Stroh in BallenformLeistung: 3,15 MWth
Dipl.-Ing. Th. Hering Stand der Strohverbrennung
Anlageschema für Ganzballen-Feuerung, Zigarrenabbrandkontinuierliche Beschickung mit Heston-Ganzballen (Fa. Volund, DK)
Dipl.-Ing. Th. Hering Stand der Strohverbrennung
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Standort Leistung Feuerungssysteme Jährlicher Brennstoffeinsatz InbetriebnahmeEnsted Dänemark
40 MWel aufgelöst/
Stoker 120 000 Mg Stroh
30 000 Mg Hackschnitzel 1998
Cambridgeshire Großbritannien
36 MWel aufgelöst/
Stoker 200 000 Mg Stroh
(50-miles-Radius)sowie Erdgas 2001
Studstrup Dänemark
30 von 150 MWel
aufgelöst/ Stoker
50 000 Mg Stroh sowie mind. 80 % Kohle 1995
Sangüesa Spanien
25 MWel
mit KWK aufgelöst/
Stoker 160 000 Mg Stroh 2002
Slagelse Dänemark
11,7 MWel
mit KWK aufgelöst/
Stoker 25 000 Mg Stroh
20 000 Mg Hausmüll 1990
Maribo Dänemark
9,3 MWel
mit KWK aufgelöst/
Stoker 40 000 Mg Stroh 2000
Grena Dänemark
8,5 von 17 MWel
mit KWK
aufgelöst/ pneumatisch
55 000 Mg Stroh 40 000 Mg Kohle
1992
MasnedØ Dänemark
8,3 MWel
mit KWK aufgelöst/
Stoker 40 000 Mg Stroh
8 000 Mg Hackschnitzel 1996
Mabjerg Dänemark
5,6 von 28 MWel
mit KWK
Zigarrenbrenner, 2 weitere Kessel
35 000 Mg Stroh, 150 000 Mg Hausmüll,
25 000 Mg Hackschnitzel, Erdgas
1993
Haslev Dänemark
5,0 MWel
mit KWK Zigarrenbrenner 25 000 Mg Stroh 1989
RundkØbing 2,3 MWel aufgelöst/ 12 500 Mg Stroh 1990
Ausgewählte strohgefeuerte (Heiz-) Kraftwerke in Europa (nach D. Thrän, M. Kaltschmitt 2001)
Dipl.-Ing. Th. Hering Stand der Halmgutverbrennung
A Brennstoffeigenschaften
B Einsatzmöglichkeiten Halmgüter (thermisch)
1. Stroh- und Ganzpflanzenfeuerungsanlagen2. Stromerzeugungsanlagen
C Rechtliche Rahmensituation
D Zusammenfassung
InhaltsverzeichnisEinleitung
Dipl.-Ing. Th. Hering Stand der Halmgutverbrennung
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Brennstoffe nach Nr. 8 § 3 der 1. BImSchV
Grenzwerte (Typenprüfung) für Anlagen und Brennstoffe nach Nr. 8 § 3 der 1. BImSchV (Bezugs O2 13 %; Quelle: BMU/UBA)
C Neue rechtliche Rahmenbedingungen
Dipl.-Ing. Th. Hering Stand der Halmgutverbrennung
Grenzwerte (Praxismessung) für Anlagen und Brennstoffe nach Nr. 8 § 3 der 1. BImSchV (Bezugs O2 13 %; Quelle: BMU/UBA)
Dipl.-Ing. Th. Hering Stand der Halmgutverbrennung
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A Brennstoffeigenschaften
B Einsatzmöglichkeiten Halmgüter (thermisch)
1. Stroh- und Ganzpflanzenfeuerungsanlagen2. Stromerzeugungsanlagen
C Rechtliche Rahmensituation
D Zusammenfassung
InhaltsverzeichnisEinleitung
Dipl.-Ing. Th. Hering Stand der Halmgutverbrennung
1. Technik für die Ernte, Aufbereitung, Transport und Lagerung von Stroh und Getreide, etc. ist vorhanden und weitestgehend optimiert
2. Thermische Verwertung von Stroh-, ~pellets und Getreide ist technischmöglich, jedoch mit höheren Kosten, Emissionen und genehmigungs-rechtlichen Aufwendungen verbunden
3. Geringe Erfahrung bei der Verstromung von Halmgut in Deutschland –Anreiz des EEG Nawaro Bonus nicht aussreichend –
als Mischbrennstoffe nicht wirtschaftlich sinnvoll (Holz) –Auschließlichkeitsprinzip !!!
4. Anlagen für die Vergasung von Halmgut stehen am Anfang ihrerEntwicklung, zeigen gute Fortschritte in Bezug auf Staub-, CO-, NOx-Emissionen, Verschlackungen
Gasnutzung zur Verstromung bisher ohne Praxisrelevanz
Getrennte Verbrennung/Vergasung von Getreidekörnern und Stroh gegenwärtig relevanter als Ganzpflanzennutzung
D Zusammenfassung
Dipl.-Ing. Th. Hering Stand der Halmgutverbrennung
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D Zusammenfassung
Genehmigungsverfahren und Überwachung für rechtlich zugelassenegrößere Anlagen für Stroh und Getreide nach 4. BImSchV (TA Luft), erfordern höhere Invest-, Verwaltungs- und Betriebskosten, etc.
Je inhomogener der Brennstoff umso höher die Anforderungen an die Feuerungsanlage bzw. je einfacher die Feuerungsanlage umso höher
die Anforderungen an die Qualität des Brennstoffes.
Dipl.-Ing. Th. Hering Stand der Halmgutverbrennung
Weitere Informationen unter
www.tll.de/nawaro bzw.
thomas.hering@tll.thueringen.de