Ersatzbrennstoffe in der Kraftwerkstechnik€¦ · In: Chemie Ingenieur Technik, Volume 84, Issue...

Übersichtsbeitrag

Ersatzbrennstoffe in der KraftwerkstechnikHans-Joachim Gehrmann1,*, Helmut Seifert1, Michael Beckmann2 und Thomas Glorius3

DOI: 10.1002/cite.201100214

Alternative Brennstoffe können Regelbrennstoffe direkt, z. B. in Kohlekraftwerken, und indirekt, z. B. durch thermochemi-

sche Konversion zu gasförmigen, flüssigen und festen Brennstoffen, ersetzen. Die Bandbreite reicht dabei von abfallba-

sierten Brennstoffen, sog. Ersatzbrennstoffe (EBS), bis hin zu einer Vielzahl biogener Brennstoffe. Vor dem Hintergrund

der CO2-Reduktionsziele und der Energiewende leistet die effiziente energetische Nutzung dieser alternativen Brennstoffe

einen wesentlichen Beitrag zur Verringerung des Einsatzes fossiler Energieträger. Ausgehend von der Brennstoffcharakte-

risierung werden prozesstechnische Anforderungen und die Effizienz verschiedener Verfahrensketten zur energetischen

Nutzung der EBS betrachtet sowie ein Überblick über den EBS-Einsatz im Kraftwerksbereich in Deutschland gegeben.

Schlagwörter: Brennstoffcharakterisierung, Ersatzbrennstoffe, Mitverbrennung, Monoverbrennung

Eingegangen: 28. Oktober 2011; revidiert: 17. Februar 2012; akzeptiert: 23. Februar 2012

Usage of Solid Recovered Fuels in Power Plants

Alternative Fuels can substitute standard fuels directly, e.g. in coal-fired power plants, or indirectly, e.g. as gaseous, liquid

or solid fuels, produced via thermo-chemical conversion. They range waste based fuels, the so-called solid recovered fuels

and many biogenic fuels. The efficient use of these alternative fuels is an important contribution in regard to the CO2 re-

duction plan of the German Federal Government and for the reduction of the use of fossil fuels. Based on a detailed fuel

characterization the process specific requirements for co-firing in power plants are analyzed and the energetic efficiencies

of various process chains are evaluated and the state of the art of the co-firing in Germany is presented.

Keywords: Co-firing, Fuel characterization, Incineration, Solid recovered fuels

1 Einleitung

Der bislang nicht definierte Begriff Ersatzbrennstoff (EBS)leitet sich aus dem Anwendungsbereich dieser Brennstoffeab: Sie ersetzen in einem thermischen Prozess bisher dortals Standard eingesetzte Brennstoffe, in der Regel sind diesfossile gasförmige, flüssige oder feste Brennstoffe. Der Ein-satz von Ersatzbrennstoffen in thermischen Prozessen kon-zentrierte sich zunächst auf aus produktionsspezifischenAbfällen hergestellte Brennstoffe [1]. Nach positiven Ein-satzerfahrungen mit diesen Brennstoffen war die Grund-

lage gelegt, auch an der Brennstoffentwicklung aus mecha-nisch-biologischen (MBA) und mechanisch-physikalischen(MPA) Anlagen zu arbeiten. Die MBA-Verfahren wurdenvor ca. 20 Jahren mit dem Ziel entwickelt, eine Alternativezur ausschließlichen Verbrennung von Abfällen in klassi-schen Müllverbrennungsanlagen und zur Deponierungunbehandelter Abfälle zu bieten. Aus den Betriebserfahrun-gen dieser Anlagen und erkannten notwendigen Neuerun-gen im gesetzlichen Bereich entstand die 30. BImSchV, diederen Anlagenbetrieb regelt.

Heute werden verschiedenste Ersatzbrennstoffe überwie-gend im Zementprozess, in Monoverbrennungsanlagen zurStrom- und Wärmeerzeugung (sog. Ersatzbrennstoffkraft-werke) und in der Mitverbrennung in Kohlekraftwerkeneingesetzt. In der Zementindustrie werden an einzelnenStandorten bereits Substitutionsraten von bis zu 100 %erreicht, im bundesdeutschen Durchschnitt lag die Substi-tutionsrate 2010 bei 61 % [2]. In deutschen Kohlekraftwer-ken liegt der Anteil an der Feuerungswärmeleistung in Ein-zelfällen bei bis zu 20 % [3]. Die Preisentwicklung auf demAbfallmarkt und auf dem Energiemarkt haben dazu beige-

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Chemie Ingenieur Technik 2012, 84, No. 0, 1–15 © 2012 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim www.cit-journal.com

–1Dr.-Ing. Hans-Joachim Gehrmann ([email protected]), Prof. Dr.-Ing. Helmut Seifert, Karlsruher Institut für Techno-logie, Institut für Technische Chemie, Hermann-von-Helmholtz-Platz 1, 76344 Eggenstein-Leopoldshafen, Deutschland; 2Prof. Dr.-Ing. Michael Beckmann, Technische Universität Dresden, Pro-fessur Verbrennung, Wärme- und Stoffübertragung, George-Bähr-Straße 3b, 01069 Dresden, Deutschland; 3Dr.-Ing. Thomas Glorius,REMONDIS GmbH, Tonstraße 1, 50374 Erftstadt, Deutschland.

Ersatzbrennstoffe 1

Czaplewski

Textfeld

Gehrmann, H.J.; Seifert, H.; Beckmann, M. und Glorius, T.: Ersatzbrennstoffe in der Kraftwerkstechnik. In: Chemie Ingenieur Technik, Volume 84, Issue 7, S. 1085 - 1098, July 2012.

tragen, dass die zwischenzeitlich noch hohen Erträge beider thermischen Verwertung von Ersatzbrennstoffen heutedeutlich je nach Qualität zum Teil bis auf 0u je TonneBrennstoff zurückgegangen sind [4] bzw. hochwertige, güte-gesicherte Sekundärbrennstoffe mittlerweile wieder wie zuBeginn der Marktentwicklung Ende der 90er Jahre vergütetwerden. Hierzu tragen u. a. die mit dem Ersatzbrennstoff-einsatz verbundenen Reduzierungen fossiler CO2-Emissio-nen bei, da der biogene Anteil in Ersatzbrennstoffen mit 20bis 80 Ma.-% sehr hoch sein kann [5] und ab 2013 die CO2-Zertifikate für die Stromerzeugung nicht mehr kostenloszugeteilt werden [6]. Auf der anderen Seite beeinflussenFaktoren wie die Verfügbarkeit der Anlagen, Emissionenund Vermarktungsfähigkeit der Aschen die Wirtschaftlich-keit beim Betrieb mit EBS in thermischen Prozessen. Umauch diesbezüglich Lösungen zu finden, wurden zunächstauf nationaler Ebene RAL-Gütekriterien und später inter-nationale CEN-Standards erarbeitet. So kann für gütege-sicherte Sekundärbrennstoffe eine verlässliche Qualitätgarantiert werden [7 – 9]. Dies ist insbesondere für Kraft-werksbetreiber erforderlich, da die Standzeit der Kesselmaßgeblich vom Chlorgehalt der eingesetzten Brennstoffesowie den Betriebsbedingungen abhängt. EntsprechendeTechniken zur Minimierung des organischen Chlorgehaltesim EBS wurden im Jahr 2001 erstmalig eingeführt [10],weiterentwickelt und haben sich mittlerweile langjährig be-währt [9]. Zur Online-Überwachung des Kesselzustandesgibt es darüber hinaus verschiedene Sonden-Messungen,z. B. zur Ermittlung der Wärmestromdichte [11], der Partikel-zusammensetzung im Abgas [12] und zur Ermittlung desAsche/Salz-Verhältnisses am Ende des Dampferzeugers [13].

Bei der Beurteilung sind aus brennstofftechnischer Sichtinsbesondere chemische, mechanische, kalorische undreaktionstechnische Eigenschaften insgesamt zu betrachten(z. B. [14 – 16], (Abb. 1)). Auf Basis der chemischen und kalo-rischen Merkmale allein kann jedoch ein sicherer und dau-erhafter Betrieb der Anlagen nicht abgeschätzt werden, da

auch die mechanischen und verbrennungstechnischenEigenschaften der Brennstoffe von wesentlicher Bedeutungsind. Die Methoden zur brennstofftechnischen Analyse vonRegelbrennstoffen, wie z. B. Braun- oder Steinkohlen, las-sen sich jedoch nur eingeschränkt auf Ersatzbrennstoffeübertragen. Aus diesem Grund werden derzeit Methodenerarbeitet oder die bestehenden Analysemethoden zur Cha-rakterisierung fossiler Brennstoffe auf die verschiedenenErsatzbrennstoffe angepasst.

Inwieweit der Einsatz eines Ersatzbrennstoffes in einemthermischen Verfahren sinnvoll ist oder nicht, hängt einer-seits von wirtschaftlichen Aspekten ab, andererseits von sei-nen brennstoff- und verbrennungstechnischen Eigenschaf-ten und den damit verbundenen Auswirkungen auf denthermischen Prozess. Fasst man den Rahmen jedoch überden Einzelprozess hinaus weiter und berücksichtigt die Vor-prozesse der Ersatzbrennstoffherstellung und die Verwer-tung der anfallen Reststoffe unter Berücksichtigung derjeweiligen Wirkungsgrade, bedarf es einer energetischenGesamtbetrachtungsweise, die unter Berücksichtigung ent-sprechender Randbedingungen den Einsatz des Ersatz-brennstoffs als energetisch sinnvoll abschätzen kann. Jenach getroffenen Annahmen und Randbedingungen kannder EBS-Einsatz aus energetischer Sicht sinnvoll sein, erwird aber aus wirtschaftlichen Gründen nicht umgesetzt.

2 Bedeutung von Ersatzbrennstoffen

Ersatzbrennstoffe ersetzen Regelbrennstoffe direkt, z. B. beidem Einsatz in Kohlekraft- oder Ersatzbrennstoffkraftwer-ken [6], in der Grundstoffindustrie [17] und indirekt, z. B.über ein aus einer Vergasungsanlage erzeugtes Schwach-gas, was in thermischen Folgeprozessen energetisch oderstofflich genutzt werden kann.

2.1 Herstellung von Ersatzbrennstoffen

Zunächst soll durch die Aufbereitung der Abfälle die Eig-nung des Materials in Richtung eines Brennstoffes ver-bessert werden, der auch in Anlagen mit einem höherenelektrischen Wirkungsgrad als in einer Monoverbrennungs-anlage eingesetzt werden kann. Folgende Eigenschaftenwerden dabei angestrebt (nach [18]):– Erhöhung des Heizwerts,– Vergrößerung der Homogenität,– Verringerung der Brennstofffeuchte,– Verringerung des Aschegehaltes und des Anteils an Stör-

stoffen (u. a. Eisen- und Nichteisenmetalle, in der Regelauch Chlor, etc.),

– Verringerung der Schadstoffe (insbesondere Schwer-metalle),

– Verbesserung der Lagerfähigkeit durch beispielsweiseeine Anpelletierung,

– Verbesserung des Zünd-, Reaktions- und Ascheschmelz-verhaltens und

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Abbildung 1. Einteilung der Brennstoffeigenschaften.

2 H.-J. Gehrmann et al.

– Verkleinerung der Partikelgrößenverteilung.Am Beispiel der mechanisch-biologischen Aufbereitung

von Restabfällen in [19] wird die Aufbereitung zum Ersatz-brennstoff beschrieben. Die wesentlichen Stufen bestehenaus:– Abfallannahme mit einer Eingangskontrolle,– mechanische Aufbereitung mit Siebungs- und Sichtungs-

verfahren,– biologische Stufe (Vergärung) mit Abluft- und Wasser-

behandlung,– biologische Trocknung und– abschließende mechanische Stofftrennung mittels Sie-

bungs- und Sichtungsverfahren.Abb. 2 zeigt die entsprechende Massenbilanz für 120 000

Jahrestonnen. Vom Eingangsmaterial können 38 % alsErsatzbrennstoffe gewonnen werden. 2 % der eingesetztenMenge werden als Metalle zurückgewonnen. Das bei dembiologischen Abbau freiwerdende Biogas wird u. a. zurDeckung des Eigenbedarfes an Gas für die Stützfeuerung inder Abgasbehandlung sowie zur Verstromung genutzt. Wiewichtig die Ausschleusung von metallischen Störstoffen beider Aufbereitung zum Ersatzbrennstoff ist, zeigt Abb. 3.

Während der Mitverbrennung von Ersatzbrennstoffen inder zirkulierenden Wirbelschicht im Kraftwerk in Flens-burg sammelten sich die Metalle am Düsenboden an. DieStörstoffe können die Luftverteilung und die damit verbun-dene Fluidisation in der Wirbelschicht deutlich verschlech-tern.

Neben der Ausschleusung von Metallen, kommt demParameter Chlor im Hinblick auf die Korrosion in Kesselnbesondere Bedeutung zu. REMONDIS bzw. deren Vorläu-fergesellschaften führten bereits 2001 ergänzend zu denoben genannten Prozessstufen Nahinfrarottechnik (NIR)der Firma TiTech zur Ausschleusung organischen Chlors,das überwiegend in Form von PVC vorliegt, ein [10]. Damitlassen sich auch für heterogene Inputmaterialien geringereund deutliche konstantere Chlorgehalte, z. B. kleiner

0,5 Ma.-% erreichen. Im Rahmen des EU-VorhabensRECOMBIO [8] wird die NIR-Technik zur Online-Analyseseitens TiTech in Zusammenarbeit mit dem KarlsruherInstitut für Technologie (KIT) und REMONDIS weiterent-wickelt.

Der Chlorgehalt im Ersatzbrennstoff wirkt sich dement-sprechend auch auf die erzielbaren Preise aus. Abb. 4 zeigtbeispielhaft die Auswirkungen steigender Chlorgehalte inErsatzbrennstoffen unterschiedlicher Heizwerte auf [21].Bei konstantem Chlorgehalt und einer Zunahme des Heiz-wertes von 8 MJ kg–1 auf 18 MJ kg–1 können bereits etwa10u t–1 zusätzlich beim Aufbereiter verbleiben. In etwa glei-cher Größenordnung liegt die Veränderung bei konstantenHeizwert und einer Reduzierung des Chlorgehaltes von1 Ma.-% auf 0,5 Ma.-%.

Auch der biogene Anteil von Ersatzbrennstoffen hat zu-nehmend Einfluss auf dessen Marktwert [8]. Je nach Heiz-wert, Chlorgehalt und biogenem Anteil werden derzeit inDeutschland und anderen EU-Ländern Preise für Sekundär-brennstoffe zur Mitverbrennung von über 1uGJ–1 erzielt.

Mittlerweile gibt es eine Reihe von internationalenStandards zur brennstofftechnischen Charakterisierungvon Ersatzbrennstoffen, wie z. B. CEN TC 343. Gemäß

dem Standard CEN EN 15359 kön-nen Ersatzbrennstoffe mittels derdrei Parameter Heizwert, Chlor-und Quecksilbergehalt jeweils infünf Klassen dieses Klassifikations-systems für SRF (Solid RecoveredFuel – Ersatzbrennstoff) eingeteiltwerden. Bei einem Heizwert von≥ 25 MJ kg–1 in der Rohsubstanz giltdie Hu-Klasse 1, bei einem Chlorge-halt von ≤ 0,2 Ma.-% in der Trocken-substanz die Cl-Klasse 1 und Queck-silberwerten ≤ 0,02/0,04 mg MJ–1 (Me-dian bzw. 80. Perzentile) der Roh-substanz die Hg-Klasse 1 [7]. Esergibt sich so ein dreistelliger Klassi-fizierungscode, der es erlaubt, alle inEuropa existierenden SRF-Qualitäteneinzuordnen.



Abbildung 2. Massenbilanz der MBA in Kahlenberg [19].

Abbildung 3. Störstoffe in der Wirbelschicht im Steinkohlekraft-werk Flensburg [20].

Ersatzbrennstoffe 3

Allerdings reichen diese drei Klassifikationsparameteralleine für eine vollständige Charakterisierung nicht aus[22, 23]. Daher listet die CEN EN 15359 eine Vielzahl vonSpezifikationsparametern auf, die zum Teil für eine Spezifi-kation verbindlich sind (z. B. Schwermetalle nach IED), teil-weise aber auch unverbindlichen Charakter haben. Zudemmüssen die Anforderungen an die Prozessführung in demjeweiligen Apparat mit berücksichtigt werden. Aus verfah-renstechnischer Sicht gibt es sehr umfangreiche Möglich-keiten zur Prozessgestaltung und -führung. Schwierig-keiten bei der Substitution von Regelbrennstoffen aber auchbei der Planung von neuen Anlagen und der Anlagen-optimierung ergeben sich oftmals aufgrund fehlender undunzureichender Daten zu den brennstofftechnischen Eigen-schaften, wie z. B. die verbrennungstechnischen Eigen-schaften der Brennstoffe, aber auch aufgrund weiterhinfehlender Standards zur Beschreibung z. B. des fördertech-nischen Verhaltens von Ersatzbrennstoffen.

Fossile Brennstoffe, wie Kohle, Erdöl und Erdgas, sindvor dem Hintergrund des Einsatzes in Anlagen zur Energie-umwandlung sowie der Grundstoffindustrie umfang-reich untersucht worden. Dabei konnten in Verbindungmit den jeweiligen Prozessen entsprechende brennstoff-technische Kriterien, wie z. B. in der VGB-RichtlinieVGB-R 210 beschrieben [24], abgeleitet werden.

2.2 Aufkommen von Ersatzbrennstoffen

2010 wurden in Deutschland gut 6 Mio. Tonnen Ersatz-brennstoffe verschiedener Qualität aus produktionsspe-zifischen Abfälle sowie aus Siedlungsabfall in ca. 140Anlagen hergestellt [25]. Diese Anlagen arbeiten imFalle der Verarbeitung von Produktionsabfällen in derRegel rein mechanisch und bei Behandlung von Haus-müll üblicherweise in mechanisch-biologischen Prozes-sen verschiedener Konzeption [21]. Die mechanisch-biologischen Verfahren haben sich in Deutschland nach

anfänglichen technischen Schwierigkeiten insbesonderemit der Abluft aus der Rotte und der Einhaltung derAblagerungswerte mittlerweile, bis auf wenige Ausnah-men, etabliert [26]. Zudem mussten sich viele Anlagen-betreiber erst auf das Thema Brennstoffproduktion unddie für die Mitverbrennung in Zement- und Kraftwer-ken oder die Monoverbrennung in EBS-Kraftwerkenerforderlichen Qualitäten einstellen [22]. Aufgrund derzunehmenden Überkapazität von Behandlungsanlagen[27] ist zu erwarten [28], dass neben der (Teil-)Stillle-gung von Müllverbrennungsanlagen auch MBAs insbe-sondere Anlagen alter Konzeption zur Erzeugung vonDeponiestabilaten außer Betrieb genommen werden.Stattdessen werden MBS-Anlagen mit Splittingfunktionzur maximalen Bereitstellung von Ressourcen/Stoffströ-men zur stofflichen und energetischen Verwertungnational und international an Bedeutung gewinnen, dieflexibel auf Marktentwicklungen reagieren können.

2010 waren die bestehenden MBA-Anlagen nach [29] mitrund 96 % gut ausgelastet.

Im Jahr 2010 erreichte die Substitutionsrate in deutschenZementwerken durch Ersatzbrennstoffe die neue Rekord-marke von 61 % [2]. Mit einer Einsatzmenge vonca. 1,9 Mio. t a–1 sind Sekundärbrennstoffe aus Gewerbeab-fällen und hochkalorischen Fraktionen zu einer unverzicht-baren Energiequelle für die deutsche Zementindustriegeworden (s. Abb. 5).

Auch für etliche Kraftwerke ist die Mitverbrennung eineOption geworden. In den letzten Jahren gewinnt der Einsatzin industriellen Kraftwerken z. B. der chemischen Industriebzw. der Papierindustrie an Bedeutung. Diese auch als EBS-Kraftwerke bezeichneten Anlagen werden häufig Kraft-Wärme-gekoppelt betrieben und können so ganzjährig hoheNutzungsgrade erreichen.

Da sowohl in der Grundstoffindustrie (Zement- und Kalk-produktion) als auch im Kraftwerksbereich deutlich höhereAnforderungen an die Brennstoffqualität gestellt werden,sind die mitverbrannten Mengen im Vergleich zu den in


-10

0

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20

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0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0

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€/M

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Chlorgehalt in der Rohsubstanz[%]

Abbildung 4. Auswirkungen des Chlorgehaltes und des Heizwertes aufden EBS-Preis [21].

Abbildung 5. Entwicklung der Einsatzmengen von Ersatzbrennstoffen inDeutschland, Angaben für Brennstoffe aus Gewerbeabfällen bzw. hoch-kalorischen Fraktionen (Stand 2010 [9]).


EBS-Kraftwerken und Müllverbrennungsanlagen eingesetz-ten Mengen geringer. Durch die Novellierung des Kreis-laufwirtschaftsgesetzes (KrWG) mit der flächendeckendenEinführung der Wertstofftonne ab 2015 und der Getrennt-erfassung von Bioabfällen bis 2015 wird der Anteil der sepa-rat erfassten Bioabfälle steigen und damit die zur ther-mischen Verwertung in MVAs zur Verfügung stehendenRestabfälle weiter reduziert [29]. Zusammen mit steigendenEnergiepreisen wird der Druck auf die Anlagenbetreiber zu-nehmen, die verbleibenden Abfälle bzw. Ersatzbrennstoffein möglichst energieeffizienten Anlagen umzusetzen [29].

2.3 Einsatzmöglichkeiten

Ersatzbrennstoffe sind keine Regelbrennstoffe, d. h. beiihrem Einsatz ist die 17. BImSchV je nach eingesetzterMenge mithilfe der Mischungsregel anzuwenden. DieMischungsregel gilt für Kraftwerke bis maximal 25 %Abfallanteil an der Feuerungswärmeleistung für die in § 5,Abs. 1 genannten Stoffe. Bei einem Anteil größer 25 % gel-ten die Grenzwerte der 17. BImSchV für die in § 5, Abs. 1genannten Stoffe unabhängig von der eingesetzten Mengezu 100 %. Bei Anlagen zur Herstellung von Zementklinkernund zum Brennen von Kalk gilt die Mischungsregel bis zu60 % Ersatzbrennstoffanteil an der Feuerungswärmelei-stung, bei mehr als 60 % gilt die 17.BImSchV zu 100 %.Darüber hinaus findet bei der Mitverbrennung von Ersatz-brennstoffen unabhängig vom eingesetzten Ersatzbrenn-stoffanteil an der Feuerungswärmeleistung für bestimmteStoffe (Schwermetalle, Benzo(a)pyren, Dioxine/Furane) die17.BImSchV in vollem Umfang Anwendung.

Bei bestehenden, für die Kohleverbrennung ausgelegtenKesselanlagen, ist das Verhalten des Brennstoffes bezüglichZündfähigkeit, Flammenbild, Verschlackung, Belagsbil-dung, Kohlenstoffanteil in der Asche, Ausbrandverhalten,

Emissionen (NOx, SOx, CO, Staub usw.) weitestgehend be-kannt. Bei der Mitverbrennung von Ersatzbrennstoffen inKohlekraftwerken – derzeit bevorzugt Klärschlamm und Er-satzbrennstoffe – sind für den Betreiber besondere Aspektezu beachten.

Die häufig heterogene Zusammensetzung der alterna-tiven Brennstoffe, die immer eine veränderte Verbren-nungscharakteristik mit sich bringt, muss den Ansprüchender für die Kohleverbrennung ausgelegten Kesselanlageentsprechen. Einen ganz erheblichen Einfluss auf dieVerbrennungscharakteristik haben hierbei z. B. der Gehaltan flüchtigen Bestandteile (s. Abb. 6) sowie die Asche-zusammensetzung (Chlor- bzw. Alkali- und Erdalkalien-gehalt).

Die Erfahrung hat gezeigt (z. B. [30 – 33]), dass die Ver-brennungscharakteristik einer Brennstoffmischung ausRegelbrennstoff und alternativen Brennstoffen nicht an-hand der Massenanteile in der Mischung beurteilt werdenkann, da sich u. a. aufgrund der zeitlich unterschiedlichenFreisetzung und der unterschiedlichen Anteile der flüch-tigen Bestandteile Wechselwirkungen ergeben [34, 35]. Ähn-liches gilt auch für das Aus- und Abbrandverhalten.

Ein weiteres Problem basiert auf der Wechselwirkung derunterschiedlichen Aschezusammensetzungen der Brenn-stoffe. Hierbei kann es aufgrund von unterschiedlichenSchmelzpunkten der Aschen zur Freisetzung von zunächstgasförmigen Bestandteilen und zu erheblichen Belagsbil-dungen auf den Dampferzeugerheizflächen in der Verbren-nungsanlage kommen.

2.4 Prozesstechnische Anforderungen beimgroßtechnischen Einsatz

Die Vorteile beim Einsatz von Ersatzbrennstoffen für Kraft-werksbetreiber sind vor allem die Einsparung fossiler Ener-



Abbildung 6. Zusammen-hang zwischen flüchtigenBestandteilen und dem Koh-lenstoffgehalt für verschie-dene Kohlen (nach [16]) undverschiedene alternativeBrennstoffe einschließlichErsatzbrennstoffen.

Ersatzbrennstoffe 5

gieträger und die damit verbundenen Einsparungen fürCO2-Zertifikate, die Unabhängigkeit von steigenden Primär-energieträgerpreisen und möglicher Qualitätsminderungender fossilen Brennstoffe sowie Kostenvorteile bei derBeschaffung von Ersatzbrennstoffen im Vergleich zu fossi-len Brennstoffen [20].

Demgegenüber stehen folgende Forderungen bzw. Risi-ken: Beim Einsatz von Ersatzbrennstoffen in Kraftwerkenzur Substitution von Regelbrennstoffen sollte die Verfügbar-keit der Anlagen nicht eingeschränkt werden, d. h. beispiels-weise keine Verkürzung der Anlagereisezeiten. Des Weite-ren sollten keine wesentlichen Veränderungen hinsichtlichder Schadstoff-Freisetzung resultieren, was gegebenenfallsdurch eine Nachrüstung von Abgasreinigungsanlagen zugewährleisten ist. Nicht zuletzt sollte der Brennstoff inBezug auf die Energiedichte so gewählt werden, dass es zukeiner gravierenden Änderung des Wirkungsgrades derAnlage kommt. Außerdem sollten durch den Ersatzbrenn-stoff möglicherweise eingebrachte Störstoffe die Ent-aschungseinrichtungen nicht verstopfen. Die Realisierungdieser Forderungen wird hauptsächlich durch den Brenn-stoff und dessen Eigenschaften, aber auch durch die Pro-zessführung und die jeweils eingesetzten Apparate derjeweiligen Anlage bestimmt.

Abb. 7 zeigt beispielhaft den Zusammenhang zwischenPartikelgröße und erforderlicher Ausbrandzeit sowie denEinfluss eines erhöhten Flüchtigen-Gehaltes für die fossilenBrennstoffe Anthrazit und Bitumenkohle [36]. Da die Parti-kelgröße einen wesentlichen Einfluss auf die Ausbrand-qualität hat, werden beim Einsatz von Ersatzbrennstoffeninsbesondere in Steinkohlekraftwerken sehr hohe Anfor-derungen an die Aufbereitung der Brennstoffe gestellt. InBraunkohlekraftwerken, die üblicherweise mit Nachbrenn-rosten ausgestattet sind oder über eine Ascherückführungverfügen, wird das Problem des unvollständigen Ausbran-des apparate- bzw. prozesstechnisch gelöst – diese sind

somit für den Einsatz von Ersatzbrennstoffen gut geeignet[37].

In Bezug auf das Feuerungssystem gibt es vergleichs-weise wenige Schwierigkeiten beim Einsatz von Ersatz-brennstoffen in Rost- und Wirbelschichtanlagen, da dieVerweilzeit der Einsatzstoffe im Vergleich zur Staub-feuerung recht lang ist. Allerdings sind Wirbelschichtanla-gen empfindlicher gegenüber der Chlorkorrosion, insbeson-dere, wenn zur Schwefeleinbindung Kalk zugegeben wird[6]. Dies wirkt sich nachteilig auf das Schwefel/Chlor-Ver-hältnis aus. Außerdem kann gebildetes Calciumchlorid zuBelägen an den Kesselrohren führen.

Aufgrund der unterschiedlichen mechanischen und che-mischen Eigenschaften der Ersatzbrennstoffe sind bei de-ren Einsatz die Feuerungssysteme einschließlich der Kom-ponenten der Abgasreinigung hinsichtlich ihrer Eignungzu prüfen und der Ersatzbrennstoff oder der jeweilige Appa-rat jeweils aufeinander abzustimmen. Von den mechani-schen Eigenschaften der Ersatzbrennstoffe (z. B. Schütt-dichte, Energiedichte, Mahlbarkeit und Korngröße) hängenmaßgeblich die Lagerung, die Brennstoffförderung und dieBrennstoffdosierung ab. Die chemischen Eigenschaften(z. B. Asche-, Schwermetall-, Schwefel- und Chlorgehalt)beeinflussen beispielsweise die Ascheaustragssysteme, dieBelagsbildung und Korrosion sowie die Anforderungen andie Komponenten der Abgasreinigung.

3 Brennstoffcharakterisierung

3.1 Brennstofftechnische Eigenschaften undUntersuchungsmethoden

Aus Untersuchungen an der TU Dresden wurde für Ersatz-brennstoffe festgestellt, dass mit zunehmendem Heizwertdas C/H-Verhältnis näherungsweise konstant bleibt, das C/

O-Verhältnis indes ansteigt. In Abb. 8ist dieser Zusammenhang für ver-schiedene Analysen von Ersatzbrenn-stoffen und Biomassen dargestellt.

In Abb. 9 sind Untersuchungenzum Ascheschmelzverhalten einerSteinkohle im Vergleich zu einemErsatzbrennstoff dargestellt. DerVergleich zeigt, dass das Schmelzver-halten beider Brennstoffe sehr unter-schiedlich ist. Zum einen sind großeUnterschiede der Temperaturen beiden jeweiligen charakteristischen Zu-ständen zu erkennen, zum anderenzeigt sich, dass bei dem hier unter-suchten Ersatzbrennstoff die Tem-peraturdifferenz zwischen Sinter-temperatur und Fließtemperatur nurca. 100 K beträgt, wohingegen diesebei der Steinkohle ca. 200 K beträgt.


Abbildung 7. Abhängigkeit der Ausbrandzeit vom Flüchtigengehalt und vom Partikeldurch-messer [36].


Die charakteristischen Temperaturen, ermittelt im Asche-schmelzmikroskop, sind ein erster Hinweis auf das Ver-schlackungs- und Verschmutzungsverhalten der Brenn-stoffaschen. Beispielhaft seien hier Untersuchungengenannt, bei denen das Ascheschmelzverhalten von Zell-stoffen durch Additive verändert wurde. Eine Feststellungwar, dass einige Additive einen Einfluss auf die Asche-chemie haben, d. h. eine Veränderung der Bindungen derverschiedenen, in den Aschen vorkommenden Elementestattfindet. Andere Additive hingegen zeigten, dass diesenur als Strukturgeber das Ascheschmelzverhalten beein-flussen, d. h. der Presskörper bleibt zwar formbeständig,aber ein Herausfließen von Aschematerial aus dem Press-körper konnte beobachtet werden [38].

Versuche zur Charakterisierung des Verbrennungsablaufsbei Steinkohlen und des Temperaturverlaufs im Brennstoff-bett wurden erstmals in den frühen 30iger Jahren in Batch-Reaktoren durchgeführt [39, 40]. Damals wurden Batch-Re-

aktoren zur Optimierung für denBau und Betrieb von Rostfeuerungengenutzt. Insbesondere in [40] wurdenschon die folgenden Fragen gestellt:Kennen wir unsere Brennstoffe ge-nau genug, um ihnen in den Feue-rungen die bestmöglichen Bedingun-gen zu schaffen und wie verhaltensich die Brennstoffe unter den ihnenin den Feuerungen aufgezwungenenBedingungen? Aus dieser Frage-stellung heraus wurden für Regel-brennstoffe verschiedene Methodenentwickelt (z. B. [16]), die es ermög-lichten, Regelbrennstoffe je nach An-wendung zu klassifizieren.

Die Möglichkeit der Brennstoffcha-rakterisierung alternativer Brennstof-fe in Technikums-Anlagen wurdeunter anderem mithilfe von Batch-Reaktoren in [41] untersucht. Dabeiwurden verschiedene Parameter, wiedie Reaktionsfrontgeschwindigkeit,die die Reaktivität des Brennstoffescharakterisiert – zur Ermittlung die-ses Parameters s. a. [42] und [43] –bei der Untersuchung verschiedenerBrennstoffe unter annähernd glei-chen Versuchsbedingungen in drei,konstruktiv unterschiedlichen Batch-Reaktoren untersucht. Die an diesemVersuch beteiligten Institute warendas Karlsruher Institut für Technolo-gie, Institut für Technische Chemie(KIT-ITC), die Bauhaus-UniversitätWeimar, Lehrstuhl Verfahren undUmwelt (BUW-LVU) und die Techni-sche Universität Clausthal, Institut

für Energieverfahrenstechnik und Brennstofftechnik (TUC-IEVB). Abb. 10 zeigt beispielhaft die Reaktionsfrontge-schwindigkeit für vier Ersatzbrennstoffe sowie Holzhack-schnitzel im Vergleich zu einer Rohbraunkohle.

Die Reaktivität der Brennstoffe nimmt bei ähnlichem Par-tikeldurchmesser und vergleichbarer Feuchte mit demFlüchtigen-Gehalt in erster Näherung linear zu [44], obwohlfür die in Abb. 11 dargestellten Brennstoffe diese Vorausset-zungen nur eingeschränkt gelten. Dennoch zeigt sich auchhier, dass sich mit steigendem Flüchtigen-Gehalt die Reak-tivität erhöht.

Holzhackschnitzel und der Referenzbrennstoff Roh-braunkohle wurden in den drei beteiligten Instituten in denBatch-Reaktoren verbrannt und die Reaktionsfrontge-schwindigkeiten ermittelt. Dieser Parameter ist für zweiunterschiedliche Betriebseinstellungen in Abb. 11 mit denAbweichungen vom Mittelwert dargestellt. Variiert wurdedie spezifische Primärluftmenge von 350 kg h–1m–2 auf



Abbildung 8. C/H- und C/O-Verhältnis verschiedener Ersatzbrennstoffe und Biomassen.

Steinkohle

Ersatzbrennstoff

Abbildung 9. Ascheschmelzverhalten einer Steinkohle im Vergleich zu einem Ersatzbrenn-stoff (von links nach rechts: Ausgangsbild, Sintertemperatur, Erweichungstemperatur, Halb-kugeltemperatur, Fließtemperatur).

Ersatzbrennstoffe 7

700 kg h–1m–2. Die in den jeweiligen Versuchen ermittelteReaktionsfrontgeschwindigkeit ist in Abhängigkeit der spe-zifischen Primärluftmenge für die beteiligten Institutionenvergleichend dargestellt. Die maximale Abweichung vomMittelwert beträgt ca. 14 %.

Ausgehend von diesen guten Ergebnissen wurden dreiErsatzbrennstoffe in zwei der beteiligten Institute mit ver-schiedenen Schüttdichten als Parameter vergleichendgeprüft. Auch hier zeigen die erzielten Ergebnisse gemäßAbb. 12 sehr gute Übereinstimmungen. Die maximaleAbweichung vom Mittelwert beträgt ca. 11 %. Damit konntedie Eignung des Batch-Reaktors als Methode zur Charak-terisierung auch von Ersatzbrennstoffen nachgewiesen wer-den.

Neben Anlagen im Technikums-Maßstab können zurCharakterisierung von Brennstoffen auch Anlagen im Pilot-Maßstab eingesetzt werden. Hier ist eine sehr gute Über-tragbarkeit auf den realen Prozess gegeben, jedoch ist derAufwand zur Ermittlung von Ergebnissen sehr hoch. Syste-matische Untersuchungen zur Beschreibung des Abbrand-verhaltens von Kohlen einerseits und Kohlen mit Ersatz-brennstoffen andererseits wurde in Pilotanlagen am IFK inStuttgart [45], an der TU Dresden [46, 47] und am KIT[48, 49] durchgeführt.

Im Hinblick auf das Verschlackungs-, Verschmutzungs-und Korrosionsverhalten von Brennstoffen werden derzeitin Technikums- und Pilotanlagen und vergleichend in groß-technischen Anlagen Verfahren untersucht, korrosionsrele-


Abbildung 10. Reaktivitätunterschiedlicher Brennstof-fe im Vergleich [41].

Abbildung 11. Ergebnisse ausdem Ringversuch [41].


vante Eigenschaften durch eine isokinetische Beprobungder festen bzw. sublimierten Partikel im Abgas zu ermitteln.Ziel ist es, die im großtechnischen Maßstab erprobten Ver-fahren [45] weiter zu entwickeln, um eine Bewertung desBelagsbildungs- und Korrosionspotenzials von Brennstof-fen vor dem großtechnischen Einsatz durchzuführen [11].

Aus stofflicher Sicht ergibt sich insgesamt ein breites Feldvon korrosionsrelevanten Elementen, beispielhaft abzulesenan der unterschiedlichen Korrosionswirkung der Chlor- undSchwefelverbindungen, die in Abhängigkeit von der Tem-peratur auch einem Wechsel des Aggregatzustandes fest/flüssig/gasförmig unterliegen. So ist z. B. der Gesamtchlor-gehalt als ein Gütekriterium für alternative Brennstoffeallein nicht ausreichend. Ähnlich wie bei den Kennzahlenzum Verschlackungs- und Verschmutzungsverhalten gibtes auch Kennzahlen zur Korrosionsbewertung eines Brenn-stoffes, wie z. B. das Schwefel/Chlor-Verhältnis [50].

Erhöhte Frachten an SO2 und/oder SO3 werden als posi-tiv gewertet [51]. SO2 und vor allem SO3 wird als wirksamerReaktionspartner gegenüber den gelösten oder auskristalli-sierten Chloriden angesehen; es führt zur Sulfatisierungder Spezies im Abgas und soll damit die Korrosionsrelevanzmildernd beeinflussen [52]. Dieser Zusammenhang ist fürdie Praxis bei der Verbrennung schwieriger Brennstoffenicht gesichert – unter Umständen bedingt durch kineti-sche Hemmung.

4 Energetische Bewertung des Einsatzes vonErsatzbrennstoffen

Neben der Charakterisierung der Brennstoffe und derAnpassung der Prozessführung an die sich ändernden Ver-

brennungseigenschaften sind die zur Verfügung stehendenProzesse zur energetischen Verwertung der Ersatzbrenn-stoffe z. B. hinsichtlich ihrer Energieeffizienz zu bewerten.Vorzug für eine bestimmte Nutzung sollte die Umwand-lungskette haben, die spezifisch auf die Zielenergie, hierelektrische Energie, betrachtet die niedrigsten CO2- bzw.Schadstoffemissionen oder aber den jeweils höchsten Wir-kungsgrad aufweist. Die Methodik einer energetischenBilanzierung wird beispielsweise in [53] erläutert. Daherwird hier nur zusammenfassend auf die wesentlichenSchritte eingegangen.

Zunächst erfolgt die Festlegung der Systemgrenzen.Damit wird deutlich, was bewertet werden soll: ein Anlagen-teil, eine Anlagengruppe, eine gesamte Anlage, eine Verfah-renskette usw. An den Systemgrenzen werden alle ein- undaustretenden Massen-, Stoff- und Energieströme angetra-gen. Die Abb. 13 zeigt die prinzipielle Darstellung einesBilanzschemas für die Energiebilanz einer gesamten Anla-ge mit den wesentlichen ein- und austretenden Energieströ-men.

Wichtig hierbei ist, dass für die Erstellung einer Energie-bilanz im ersten Schritt in der Regel eine Massenbilanz undggf. auch eine Stoffbilanz erforderlich sind. Die Ergebnisseder Bilanzierung lassen sich in Kennzahlen, wie dem Wir-kungsgrad oder spezifischen CO2-Emissionen, zusammen-fassen und können so mit anderen Verfahren verglichenwerden. Aus dem Vergleich beispielsweise mit einem Refe-renzfall – bei der Mitverbrennung von Ersatzbrennstoffenkann dies z. B. die reine Kohleverbrennung sein – kanndann die spezifische CO2-Einsparung oder auch einezusätzliche spezifische Emission durch diese vergleichendeBilanzierung ermittelt werden. Entsprechende Studien sindin [54, 55] nachzulesen. Eine detaillierte Bewertung muss



0

10

20

30

40

50

60

350

Rea

ktio

nsfr

ontg

esch

win

digk

eit [

mm

/min

]

spezifische Primärluftmenge [kg/(h m2)]

KIT

-ITC

Abweichung vom Mittelwert: 6,5 %

EBS 8EBS 4EBS 3

KIT

-ITC

KIT

-ITC

KIT

-ITC

BU

W-L

VU

BU

W-L

VU

BU

W- L

VU

BU

W-L

VUρS: 70 kg/m3 ρS: 80 kg/m3 ρS: 160 kg/m3 ρS: 200 kg/m3




Abbildung 12. Ergebnisse aus dem Ringversuch für Ersatzbrennstoffe [41].

Ersatzbrennstoffe 9

im Einzelfall je nach vorliegenden Randbedingungen ent-sprechend geprüft werden. Daher wird hier auf die Angabeeines konkreten Beispiels verzichtet.

5 Beispiele zum Einsatz von Ersatzbrenn-stoffen im Kraftwerksbereich

Die 2006 und 2010 im Dauerbetrieb mitverbrannten Ersatz-brennstoffmengen zeigt Abb. 14 [6]. Insgesamt wurden2010 etwa 800 000 t a–1 in zehn deutschen Kohlekraftwerkenmitverbrannt. Diese Menge ist im Vergleich zu 2006 umetwa 200 000 t gestiegen. Der Großteil mit 520 000 t entfälltdabei auf Braunkohlekraftwerke mit Trockenstaubfeuerun-gen. Dabei verbrennen die Kraftwerke Jänschwalde, Werne,Berrenrath, Flensburg und Schwarze Pumpe im Dauerbe-trieb rund 90 % der in 2010 mitverbrannten Gesamtmengenan Ersatzbrennstoffen.

Ein Beispiel für den eingesetzten Brennstoffmix in einemKraftwerk der RWE zeigt die nachfolgende Abb. 15. In demKraftwerk substituieren 415 000 t alternative Brennstoffeca. 300 000 t Braunkohle pro Jahr.

In drei Steinkohlekraftwerken in Deutschland ruht der-zeit der Dauerbetrieb. Aufgrund von Verschmutzungen imKesselbereich wurde im Kraftwerk Werdohl-Elverlingsendie eingesetzte Ersatzbrennstoffmenge auf 12 % der Feue-rungswärmeleistung reduziert und seit 2006 ganz einge-stellt. In zwei Schmelzkammerfeuerungen in Westfalen/Hamm und in Ensdorf wurde die Mitverbrennung aus tech-nischen bzw. wirtschaftlichen Gründen eingestellt [6].

Bei der Mitverbrennung von Ersatzbrennstoffen wurdeninsbesondere bei Staubfeuerungen mit Steinkohlen Proble-me mit unvollständigem Ausbrand festgestellt [6]. Dieserkann über einen Nachbrennrost vermieden werden, der invielen Braunkohlenfeuerungen für die Verbrennung nichtinkohlter Holzbestandteile installiert wurde.


Abbildung 13. PrinzipielleDarstellung eines Bilanz-schemas für die Energie-bilanz.

Abbildung 14. Mitverbrennungvon Ersatzbrennstoffen in Koh-lekraftwerken im Dauerbetrieb(Stand 2010) [6].


Chlorkorrosion spielt insbesondere bei der zirkulierendenWirbelschicht (ZWS) eine besondere Rolle, da sich auf-grund der Primärentschwefelung im fluidisierten Brennbettdurch eine Kalkzugabe das Schwefel/Chlor-Verhältnisanschließend im Abgas verschlechtert, so dass mit erhöhterChlorkorrosion im Kessel zu rechnen ist. Gebildetes Cal-ciumchlorid kann darüber hinaus zu Belägen an den Kes-selrohren führen. Betroffen sind insbesondere schwefel-arme Braunkohlen aus dem Rheinland. Daher spielt hierdie Minimierung des Chlorgehaltes z. B. durch die NIR-Technik in der Brennstoffaufbereitung eine bedeutendeRolle.

In vier Kraftwerken wurden Mitverbrennungsversucheerfolgreich durchgeführt, ohne dass anschließend ein Dau-erbetrieb aufgenommen wurde. Die Gründe, weshalb Anla-gen nicht vom Versuchs- in den Dauerbetrieb gehen, sindentweder Auflagen der Genehmigungsbehörde oder insbe-sondere hohe Qualitätsanforderungen an die zu verbren-nenden Ersatzbrennstoffe, die bisher nicht realisiert wur-den [6].

Das größte in Deutschland bereits intensiv genutztePotenzial hinsichtlich der großtechnischen energetischenKonversion von Reststoffen findet man bei der thermischenVerwertung von Klärschlamm. Gerade die Mitverbrennungin Kohlekraftwerken mit den entsprechend vorgelagertenAufbereitungs- und Trocknungsprozessen bietet gegenüberder Klärschlammmineralisierung in Monoverbrennungsan-lagen einen energetischen Vorteil. Bei der Mitverbrennungin Braun- oder Steinkohlekraftwerken werden bevorzugtWirbelschicht- und Staubfeuerungen eingesetzt. Ein erheb-licher Vorteil des Klärschlammeinsatzes in Kohlekraftwer-ken ist die in Größenordnungen vorhandene Prozess-wärme, die direkt zur Vortrockung und somit zurHeizwertanhebung des biogenen Reststoffes genutzt wird.Außerdem verringert der Klärschlamm durch seine Schwe-felfracht die Einbindung von Chlor in die Flugaschen undBeläge und reduziert so das Korrosionspotenzial [3, 57]. Alsstellvertretendes Beispiel für die Klärschlammmitverbren-

nung in Großkraftwerken in Deutschland seidas Braunkohlekraftwerk Boxberg genannt. DerBetreiber Vattenfall setzt mit diesem Kraftwerkca. 500 – 600 t Klärschlamm pro Tag energetischum [58]. Eine umfassende Gesamtübersicht zurthermischen Klärschlammnutzung und den be-stehenden Anlagen bieten [3, 59].

Hinsichtlich der Emissionen ergeben sichdurch die Mitverbrennung von Klärschlamm inKohlekraftwerken Probleme, die durch zusätz-liche Prozessschritte oder -modifikationen gelöstwerden müssen. Insbesondere die hohen, überdie Klärschlämme eingetragenen, Quecksilber-frachten können zu erheblichen Zusatzmaßnah-men im Bereich der Rauchgasreinigung führen[60, 61].

Im Rahmen des RECOMBIO-Projektes [8]werden im Kraftwerk Wachtberg der RWE in

Ergänzung zum dauergenehmigten Klärschlamm Mitver-brennungsversuche von Sekundärbrennstoffen mit hohembiogenem Anteil (ca. 80 %), sogenanntem BIOBS, durch-geführt. Ziel ist es, einschließlich des Klärschlamms eineSubstitutionsquote von bis zu 25 % der Feuerungswärme-leistung zu erzielen. Im Rahmen des Projektes wurde aucheine neue Beschickungslinie für den BioBS errichtet. DieSekundärbrennstoffe werden von REMONDIS zur Ver-fügung gestellt.

Hinsichtlich der Kosten wird der Emissionshandel weiterdie Mitverbrennung von Ersatzbrennstoffen und Biomassenvorantreiben, da ab 2013 keine kostenlose Zuteilung derZertifikate für die Stromerzeugung mehr erfolgt. Insbeson-dere für Steinkohlenkraftwerke stellt der Brennstoffpreisder Importkohle einen wesentlichen Kostenfaktor dar. Vorder Energiewende wurden insbesondere durch den stetigansteigenden Anteil an fluktuierenden regenerativen Ener-gien immer häufiger auch Steinkohleblöcke in Teillastgefahren, was zum einen die wirtschaftliche Gesamtbe-trachtung der Anlagen verschärfte, zum anderen aber auchdie in diesen Anlagen mitverbrannten Ersatzbrennstoff-mengen reduzierte. Bedingt durch den schrittweisen Aus-stieg aus der Atomenergie nehmen nun die Volllaststundender Kraftwerksblöcke wieder zu. Der Preis für Ersatzbrenn-stoffe wird sich angesichts der Entwicklungen im Abfall-und Energiesektor weiter zugunsten der Brennstoffherstel-ler verschieben. In Abhängigkeit von Heizwert, Chlorgehaltund biogenem Anteil beträgt der derzeitige Brennstoffpreisin Deutschland und anderen EU-Ländern bis zu 1uGJ–1.Dies liegt zum einen an den Überkapazitäten im Bereichder thermischen Behandlungsanlagen [27], zum anderen ansteigenden Brennstoffpreisen für fossile und alternativeBrennstoffe weltweit sowie den Kosten für CO2-Zertifikate.

Es ist zu erwarten, dass neben den klassischen Ersatz-brennstoffen und Klärschlamm auch, soweit verfügbar,Reststoffe biogenen Ursprungs mitverbrannt werden, wiedies bereits in dem Kraftwerk in Bremen mit Dinkelspelzenund Kaffeegrund, in Flensburg und Offenbach mit Holz



Brennstoffmix

Klärschlamm

Ersatzbrennstoffe

Abwässer

Biomasse

Braunkohle

Mg /aReduktion CO2 /

Braunkohle

CO2 – Einsparung:ca. 360.000 Mg

Braunkohle-Einsparungca. 300.000 Mg

200.000

70.000

>15.000

130.000

800.000

Abbildung 15. Beispiel für Mitverbrennung von Ersatzbrennstoffen bei RWEPower [56].

Ersatzbrennstoffe 11

geschieht [6]. In den Niederlanden wird dies bereits im gro-ßen Stil aufgrund der Förderpolitik vielerorts betrieben. Sowerden beispielweise im Kraftwerk Amer 9 ca. 600 000 t animportiertem Holz mitverbrannt, was einer Mitverbren-nungsquote von 35 % der Feuerungswärmeleistung ent-spricht. Eine Steigerung auf 50 % ist geplant [62].

6 Zusammenfassung

Die energieeffiziente Nutzung von Ersatzbrennstoffen istein wichtiger Baustein der zukünftigen, stabilen, kosten-günstigen und emissionsarmen Energieversorgung. BeimEinsatz dieser Brennstoffe in Kraftwerken werden hoheelektrische Nettowirkungsgrade von Stein- und Braunkoh-lenkraftwerke je nach Kraftwerkstyp von ca. 40 % und imFall der Kraft-Wärme-Kopplung auch mehr für diese Brenn-stoffe verfügbar. Damit wird die Energieeffizienz im Ver-gleich zu klassischen Abfallverbrennungsanlagen deutlicherhöht. Für einen Einsatz dieser Brennstoffe bzw. für dieOptimierung des Einsatzes ist es jedoch zwingend erforder-lich, die brennstofftechnischen Eigenschaften, d. h. diechemischen, mechanischen, kalorischen und reaktionstech-nischen Eigenschaften zu bestimmen und durch Gütesiche-rung zu gewährleisten. Vor dem Hintergrund des Einsatzes,vor allem in Anlagen zur Energieumwandlung, sind beglei-tende Untersuchungen vom Labor- bis hin zum Pilotmaß-stab notwendig.

Tiefergehende Brennstoffkenntnisse einerseits aber auchweiterentwickelte Rechenmodelle andererseits erlaubenmittlerweile, den Einfluss insbesondere homogener güte-gesicherter Sekundärbrennstoffe zunehmend rechnerisch/numerisch zu simulieren [63, 64] und damit deren Einsetz-barkeit schneller zu bewerten bzw. zu optimieren [7].

Die Einsatzkriterien dieser Brennstoffe sind, ausgehendvon den brennstofftechnischen Untersuchungen, im Hin-blick auf die Anlagenverfügbarkeit, die Freisetzung vonEmissionen und den Wirkungsgrad festzulegen. BesondereAnforderungen gelten dabei für die Qualität gütegesicherterSekundärbrennstoffe, die hinsichtlich chemischer und kalo-rischer Eigenschaften nach CEN und RAL-Standards fest-gelegt sind. Daraus ergeben sich bestimmte Anforderungenan die Anlagen- und Aufbereitungstechnik. Um die Chlor-korrosion am Kessel zu minimieren, werden zur Reduzie-rung des Chlorgehaltes im Rahmen der Brennstoffproduk-tion NIR-Systeme zur Begrenzung des organischen Chlorseingesetzt. Damit kann es gelingen, den Chlorgehalt ver-lässlich zu limitieren, z. B. auf < 0,7 Ma.-% in der Trocken-substanz.

Bei der großtechnischen Energieerzeugung in der Mitver-brennung von Ersatzbrennstoffen sind sowohl Wirbel-schichtsysteme (ZWS) als auch Staubfeuerungen mit Nach-brennrosten, wie sie üblicherweise in Braunkohlekesselneingesetzt werden, am ehesten geeignet, da sie auch denAusbrand größerer Partikel gewährleisten. Derzeit werdenin zehn deutschen Kraftwerken mit ZWS- und Staubfeue-

rungssystemen 800 000 t an Ersatzbrennstoffen im Dauer-betrieb mitverbrannt. Die Zunahme des Anteils der regene-rativen Energie und der Ausstieg aus der Kernenergiehaben maßgeblichen Einfluss auf die zukünftige Nutzungvon Stein- und Braunkohle zur Verstromung und die Fahr-weise der entsprechenden Kraftwerke. Vor dem Hin-tergrund des Ausbaus der fluktuierenden erneuerbarenEnergien, wie Windkraft und Solar, ist wie bei den Stein-kohlenkraftwerken auch eine zunehmende Flexibilisierungvon Grundlastkraftwerken (Braunkohlekraftwerken) erfor-derlich und realistisch.

Formelzeichen

d [mm] DurchmesserH [kJ kg–1] Enthalpiem [kg] MasseP [kW] Leistung�Q [kW] Wärmestrom

t [s] Zeit

Abkürzungen

BGS Gütegemeinschaft Sekundärbrennstoffeund Recyclingholz e.V.

BImSchV BundesimmissionsschutzverordnungBioBS Biobrennstoff (Sekundärbrennstoff mit hohem

biogenem Anteil (> 80 %)CEN Standard, NormEBS Ersatzbrennstoff (ohne weitere Definition)


Hans-Joachim Gehrmannstudierte Maschinenwesenan der TU Stuttgart undVerfahrenstechnik an derTU Clausthal mit Schwer-punkt Energieverfahrens-technik und elektrischeEnergietechnik. 2005 pro-movierte er an der Bau-hausuniversität Weimarüber die Pyrolyse vonAbfällen in Drehrohrsyste-

men. Von 1995 bis 2006 war er als Verfahrensingenieurbei der CUTEC-Institut GmbH tätig. Zu seinenAufgaben zählten der Aufbau von Pilotanlagen undProjekte im Bereich Pyrolyse, Vergasung und Verbren-nung von Biomassen und Abfällen. Seit Anfang2006 ist Dr. Gehrmann wissenschaftlicher Leiter derGruppe Verbrennungstechnologie am Karlsruher Insti-tut für Technologie mit den ForschungsschwerpunktenEinsatz alternativer Brennstoffe in Staub- und Rost-feuerungen.


F FlüchtigeFS FeststoffIED Industrial Emission Directive (2010/75/EU)KrWG KreislaufwirtschaftsgesetzMBA mechanisch biologische AufbereitungMBS mechanisch biologische StabilisierungMPA mechanisch physikalische AufbereitungMPS mechanisch physikalische StabilisierungMVA MüllverbrennungsanlageRAL RAL-GütekennzeichnungSBS SekundärbrennstoffSRF Solid Recovered Fuels (Definition s.

CEN EN 15359)ZWS zirkulierende Wirbelschicht

Bezeichnung von Bilanzgrenzen

ABR AufbereitungAGR AbgasreinigungEUW EnergieumwandlungTHV thermisches Hauptverfahren

Indizes

A Ausbrandel elektrischP Partikelroh bezogen auf den RohzustandV Verlustwaf wasser- und aschefrei

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DOI: 10.1002/cite.201200214

Ersatzbrennstoffe in der KraftwerkstechnikH.-J. Gehrmann*, H. Seifert, M. Beckmann, T. Glorius

Vor dem Hintergrund der CO2-Reduktionsziele und der Energiewende leistet die effizienteenergetische Nutzung alternativer Brennstoffe einen wesentlichen Beitrag zur Verringerungdes Einsatzes fossiler Energieträger. Der Beitrag gibt einen Überblick über den derzeitigenStand der Mono- und Mitverbrennung von Ersatzbrennstoffen in Kraftwerken. ............. �




Ersatzbrennstoffe in der Kraftwerkstechnik€¦ · In: Chemie Ingenieur Technik, Volume 84, Issue...

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