Systematische Ermittlung von Emissionsdaten bei der ...€¦ · 2.1.2 Spätlaub: Sammlung und...

Schlussbericht Systematische Ermittlung von Emissionsdaten bei der thermischen Umsetzung unterschiedli-cher Laubabfallfraktionen SET-Laub

© Fraunhofer UMSICHT

Förderkennzeichen: 03KB111A Laufzeit des Vorhabens: 01.09.2016 bis 31.03.2019

für: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) Scharnhorststr. 34-37 10115 Berlin

Oberhausen, den 30. September 2019, zuletzt geändert am 21.01.2020

I

SET-Laub

erstellt von: Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT Institutsleiter Prof. Dr.-Ing. Eckhard Weidner Osterfelder Straße 3 46047 Oberhausen

Projektteam:

Dr.-Ing. Esther Stahl (Projektleiterin)

M.Sc. Philipp Danz Dipl.-Ing. (FH)

Dr.-Ing. Julia Behling

Verbrennungsversuche Rostfeuerung: M.Eng. Dipl.-Wi.-Ing. (FH) Martin Meiller, Steffen Lippmann und M.Eng. Julian Walberer

Urheberrechtshinweis Copyright Das Urheberrecht an den im Rahmen dieses Projektes von Fraunhofer UMSICHT erstell-ten Konzepten, Entwürfen, Analysen, Studien und sonstigen Unterlagen liegt bei Fraunhofer UMSICHT. Die Übertragung von Urheberrechten bedarf der Schriftform. Der Auftraggeber ist zur Nutzung der vorliegenden Studie für die nach dem Auftrag vorgesehenen Zwecke berechtigt. Vervielfältigungen sind nur mit der ausdrücklichen Zustimmung von Fraunhofer UMSICHT zulässig. Veränderungen, Übersetzungen oder digitale Nachbearbeitungen sind nicht zulässig. Eine Weitergabe an Dritte mit Ausnah-me von öffentlichen Fördermittelstellen oder Kapitalgebern ohne schriftliche Freigabe durch Fraunhofer UMSICHT ist nicht zulässig.

© Copyright Fraunhofer UMSICHT, 2019

II

Inhalt

1 Kurzdarstellung 1 1.1 Aufgabenstellung 1 1.2 Voraussetzungen unter denen das Vorhaben durchgeführt

wurde 1 1.3 Planung und Ablauf des Vorhabens 2 1.3.1 Ergebnisse in Kurzform 5 1.4 Stand des Wissens und der Technik 6 1.4.1 Angabe bekannter Konstruktionen, Verfahren und

Schutzrechte, die für die Durchführung des Vorhabens benutzt wurden 13

1.4.2 Angabe der verwendeten Fachliteratur sowie der benutzen Informations- und Dokumentationsdienste 13

1.5 Zusammenarbeit mit anderen Stellen 21

2 Eingehende Darstellung 23 2.1 Erzielte Ergebnisse 23 2.1.1 Laubpotential, derzeitige technische Lösungen und

rechtliche Rahmenbedingungen (AP1) 23 2.1.2 Spätlaub: Sammlung und Analyse (AP2) 30 2.1.3 Spätlaub (frisch): Lagerung und Verbrennungssversuche

(AP3) 38 2.1.4 Spätlaub (BA): Analyse und Verbrennungsversuche (AP4) 51 2.1.5 Auswertung und Gegenüberstellung der

Verbrennungsversuche (AP5) 58 2.1.6 Frühlaub (frisch): Kompaktierung, Technikumsversuche;

Rostfeuerung (AP6) 78 2.1.7 Ableitung von Handlungsempfehlungen (AP7) 79 2.2 Wichtigste Positionen des zahlenmäßigen Nachweises 89 2.3 Notwendigkeit und Angemessenheit der geleisteten

Arbeit 90 2.4 Voraussichtlicher Nutzen und Verwertbarkeit der

Ergebnisse 90 2.5 Während der Durchführung des Vorhabens bekannt

gewordener Fortschritt auf dem Gebiet des Vorhabens bei anderen Stellen 90

2.6 Erfolgte oder geplante Veröffentlichungen der Ergebnisse 91

3 Erfolgskontrollbericht 92

III

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Schematischer Projektplan 4

Abbildung 2: Volumenfaktor der Verdichtung von Laubarten [Scheufler-1981] 9

Abbildung 3: Schematischer Projektplan mit APs 23

Abbildung 4: Laubfraktionen der unterschiedlichen Sammelorte im Jahr 2016 31

Abbildung 5: Sammelorte 2016 32

Abbildung 6: Materialaufnahme (links), 33

Abbildung 7: Probewannen (oben links), Verjüngung (oben rechts), Probeneimer (unten links), Big Bag-Lager am Umschlagplatz (unten rechts) 33

Abbildung 8: Probenentnahmekonzept 34

Abbildung 9: Materialaufnahme Laub Hauptstraße (oben, links), Probenentnahme Laub Hauptstraße (oben rechts), Materialaufnahme Laub Parkanlage (unten, links), Probenentnahme Laub Parkanlage (unten, rechts) 35

Abbildung 10: Trocknungskonzept 38

Abbildung 11: Ballendichte der Proben aus dem Jahr 2016 39

Abbildung 12: GMA-Sieb nach dem Schneiden von feuchtem Laub (links), geschnittenes Laub (hier: Schortens) (rechts) 43

Abbildung 13: Betonmischer zur Einstellung des Wassergehalts (links), Brikettierer (innen) (Mitte), Brikettierer (Ausgang) (rechts) 43

Abbildung 14: Mechanische Festigkeit der Briketts - Vorbehandlung mittels Schneidmühle bzw. *Kollermühle 46

Abbildung 15: Skizze der Pelletprüfmaschine 48

Abbildung 16: Mechanische Festigkeit der Pellets aus der Laubfraktion der Wohnstraße (GE-2016-WS) bei Verwendung unterschiedlicher Matrizen 49

Abbildung 17: Mechanische Festigkeit der Pellets bei Verwendung der 5er Matrize 49

Abbildung 18: Geöffneter Silageballen (links und Mitte), 51

Abbildung 19: Einfluss der Silierung auf Asche- und Flüchtigengehalt (Si=siliert) 55

Abbildung 20: Einfluss der Silierung (Si=siliert) 55

Abbildung 21: Frontansicht Schürofen (links), aufgeklappte Heizelemente und sichtbarer Reaktor (rechts) 57

Abbildung 22: Pyrolyseofen LOKI 60

IV

Abbildung 23: a) Messung des Pellets vor der Verbrennung 62

Abbildung 24: Pellet im Glasfaser-Körbchen am Haken 62

Abbildung 25: Qualitative Bestimmung der Ausgangsphase und des Koksabbrandes 64

Abbildung 26: Masseverlust bei der Verbrennung von Parklaub (GE-2017-PA) und Kiefernholz 64

Abbildung 27: Gemittelte Emissionen an Gesamtstaub, NOx und CO der unterschiedlichen brikettierten Laubbrennstoffe sowie Holzhackschnitzel 69

Abbildung 28: Betrachtete Laubprozesskette 81

Abbildung 29: Laub-aufbereitungskosten und Kosten der Referenzbrennstoffe unter Berücksichtigung von Kompostierungskosten in Höhe von 50 €/t. Basierend auf Tabelle 27 86

V

Tabellenverzeichnis

Tabelle 1: Immediatanalyse von Holz und unterschiedlichen Blattsorten1 7

Tabelle 2: Vergleich Schwermetallgehalte 8

Tabelle 3: Erfasste Laubmengen in deutschen Städten 26

Tabelle 4: Laubsammlung im Jahr 2016 und 2017 31

Tabelle 5: Sammelmethode 36

Tabelle 6: Probenbezeichnung 36

Tabelle 7: Aschegehalte der Grob- und Feinanteile nach Siebung der Laubproben mit einer Maschenweite von 4 mm 40

Tabelle 8: Schwermettalgehalte der aufbereiteten Laubfraktionen im Vergleich mit den Ergebnissen aus dem Projekt IbeKET [Schonhoff-2016] 41

Tabelle 9: Brikettierungsergebnisse 44

Tabelle 10: Briketts aus zerkleinertem Laub mit unterschiedlichen Wassergehalten 45

Tabelle 11: Pelletierversuche GE-2016-HS* 4er Matrize 47

Tabelle 12: Hergestellte Briketts - Eigenschaften 53

Tabelle 13: Hergestellte Briketts - Fotos 54

Tabelle 14: Hergestellte Pellets 56

Tabelle 15: Parameter für die Verbrennungsversuche 61

Tabelle 16: Ausgasungs- und Koksabbrandzeiten für unterschiedliche Laubproben im Technikumsversuch (LOKI) 65

Tabelle 17: Übersicht der eingesetzten Brennstoffproben in der 440 kW-Rostfeuerung 67

Tabelle 18: Verwendete Emissionsmess- und –analysenormen zur Bestimmung relevanter Emmissionsdaten 68

Tabelle 19: Ergebnisse Emissionsmessungen, Mittelwerte (MW) und Standardabweichungen (STABW), bezogen auf 11 Vol.% O2 71

Tabelle 20: Ergebnisse der Immediatanalyse der Laubproben aus dem Jahr 2016 und 2017 72

Tabelle 21: Ergebnisse der Elementaranalyse der Laubproben aus dem Jahr 2016 /2017 73

Tabelle 22: Ergebnisse der Schwermetallanalyse der Laubproben aus dem Jahr 2016 /2017 74

VI

Tabelle 23: Gehalt an Zink und Makromineralien der Laubproben aus dem Jahr 2016 /2017 75

Tabelle 24: Ascheschmelzverhalten 76

Tabelle 25: Grenzwerte nach DIN EN ISO 17225-6 Klassen A und B [DIN EN ISO 17225-6], [DIN EN ISO 17225-7] 77

Tabelle 26: Annahmen Laubaufbereitungsanlage 81

Tabelle 27: Annahmen der Wirtschaftlichkeitsbewertung 83

Tabelle 28: Gesamtkosten Laubaufbereitung und Referenzbrennstoffe 87

Tabelle 29: Berechnungsgrundlage Treibhausgasminderung 88

VII

Abkürzungsverzeichnis

Abkürzung Bedeutung AP Arbeitspaket

BaP Benzo(a)pyren

BImSchG Bundes-Immissionsschutzgesetz

BImSchV Bundes-Immissionsschutzverordnung

BMWi Bundesministerium für Wirtschaft und Energie

Bzgl. Bezüglich

Bzw. Beziehungsweise

Ca. Circa

Cl Chlor

CO Kohlenstoffmonoxid

CO2 Kohlenstoffdioxid

DBFZ Deutsches Biomasseforschungszentrum

DIN Deutsches Institut für Normung

EN Europäische Norm

ET Erweichungstemperatur

FM Frischmasse

FT Fließtemperatur

GE Gelsenkirchen

Ggf. Gegebenenfalls

HCl Chlorwasserstoff

HHS Holzhackschnitzel

HS Hauptstraße

HT Halbkugeltemperatur

HTC Hydrothermale Carbonisierung

IBeKET Innovatives bedarfsangepasstes Kommunalenergieträger-Konzept

ISO International Organization for Standardization

LAGA PN 98 Länderarbeitsgemeinschaft Abfall Probenahme 98

LKW Lastkraftwagen

LOKI Large-scale oven for kinetics investigations

LP Laborproben

LS Laubsammlung

Max. Maximal

MFC Mass Flow Controller

MVA Müllverbrennungsanlage

NOx Stickstoffoxide

O2 Sauerstoff

PA Parkanalage

PAK Polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe

VIII

PCDD Polychlorierte Dibenzodioxine

PCDF Polychlorierte Dibenzofurane

PV Pressweg-Durchmesser-Verhältnis

S. Siehe

Si Siliert

SO2 Schwefeldioxid

SWT Schubwendetrockner

TA Luft Technische Anleitung zur Reinhaltung der Luft

TS Trockensubstanz

U. a. Unter anderem

Usw. Und so weiter

UVPG Umweltverträglichkeitsprüfung

Vgl. Vergleiche

Waf Wasser- und aschefrei

WG Wassergehalt

WS Wohngebiet/Seitenstraße

Z. B. Zum Beispiel

Z. T. Zum Teil

1 Schlusssachbericht SET-Laub

30. September 2019

1 Kurzdarstellung

1.1 Aufgabenstellung

Laub wird jährlich auf kommunaler Ebene im Zuge der Straßenreinigung, der Parkpflege und der Bioabfallsammlung erfasst und üblicherweise kompostiert. Aufgrund des saisonal hohen Aufkommens und der teilweise schlechten Rotteeigenschaften ist Laub in Kompostierungsanlagen eher problematisch. Gleichzeitig weist Laub relevante Heizwerte auf, die seine energetische Nut-zung, insbesondere für Kommunen, interessant machen. Der Einfluss der Laub-(mit-)verbrennung auf die dabei entstehenden Emissionen wurde bisher jedoch nicht systematisch im größeren Maßstab untersucht. Aus diesem Grund sollten in diesem Forschungsprojekt unterschiedliche Laubfraktionen separat und in Mischung mit konventionellen Holzhackschnitzeln in einer Feuerungsanlage (400 kWth) eingesetzt und der Einfluss auf die entstehenden Emissionen unter-sucht werden. Dazu wurde der Einfluss des Sammelorts (Straßenlaub, Parkpfle-ge etc.), der Expositionsdauer (Früh- und Spätlaub im Herbst) und der Lage-rungsart (Silierung und Ballierung) auf das Emissionsverhalten des potentiellen Brennstoffs (bzw. der Brennstoffmischung) untersucht und Empfehlungen für die Verwendung von Laub als Brennstoff entwickelt. Vor dem Hintergrund einer späteren Anwendung im kommunalen Bereich, beispielsweise zur Nahwärme-versorgung, zielte diese Untersuchung auf den Einsatz von Laub in mittleren bis großen Feuerungsanlagen unter Berücksichtigung der Anforderungen an die Emissionen nach TA Luft ab.

1.2 Voraussetzungen unter denen das Vorhaben durchgeführt wurde

Ziel des Forschungsvorhabens war die Erschließung eines kostengünstigen bio-genen Abfallstoffs außerhalb der Forst- und Landwirtschaft für die energetische Nutzung im Wärmebereich. Bis zum Projektstart war keine praktische Umset-zung außerhalb von Forschungsvorhaben zur Nutzung von Laub als Brennstoff in Feuerungsanlagen in Deutschland bekannt. Dies liegt zum einen daran, dass Laub nicht explizit als Regelbrennstoff für kleine und mittlere Feuerungsanlagen im Geltungsbereich der ersten Bundes-Immissionsschutz-Verordnung (1. BIm-SchV [1. BImSchV-2019]) aufgeführt ist und zum anderen aufgrund der Ab-falleigenschaft voraussichtlich nur in geeigneten genehmigungspflichtigen An-lagen einsetzbar wäre. Zudem ist bekannt, dass Laub insbesondere bei Samm-lung mit Straßenkehricht hohe Verunreinigungen aufweisen kann. Auch nimmt bei hoher Verkehrsdichte oder in Industriegebieten die Schadstoffbelastung (PAK, Ruß, Schwermetalle, usw.) des Kehrichts zu [BLU-2019]. Laub kann somit hohe Mengen Schwermetalle enthalten, was z. B. bei der Kompostierung und Ausbringung zur Düngung Nachteile mit sich bringt.


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Eine Vergärung des Laubs wird ausgeschlossen, da das Gasbildungspotential stoffbedingt zu gering ist. Somit kommt für eine höherwertige Verwertung nur die thermische Umsetzung in Betracht [ICU-2011]. Bei der Verbrennung muss beachtet werden, dass die Schwermetalle zwar überwiegend in der anfallenden Asche verbleiben, aber z. T. auch emittiert werden.

Zur Bewertung der Verbrennungseigenschaften von Laub wäre jedoch eine um-fangreiche Stoff- und Emissionsdatenbasis erforderlich, die bis dato nicht be-kannt war. Gleichzeitig existierten gute Praxiserfahrungen aus einzelnen Ver-brennungsversuchen zu Forschungszwecken des damaligen Projektpartners NETZ Ingenieurbüro GmbH. Zudem wurden in dem im gleichen Förderschwer-punkt durchgeführten Projekt »IbeKET - Innovatives bedarfsangepasstes Kom-munal-Energieträger-Konzept« (FKZ 03KB088) Konzepte zur Aufbereitung und energetischen Verwertung von feuchter Reststoffbiomasse untersucht. [Schle-derer-2014], [Schonhoff-2016]. Die Projektergebnisse zeigten, dass durch ein Aufbereitungsverfahren der Firma florafuel AG, basierend u. a. auf Wasche- und Entwässerungsschritten sowie einer thermischen Trocknung, Schadstoffge-halte (Chlor- und Kaliumgehalt) im Brennstoff (Gras und Laub) gesenkt werden können. Nach der Verbrennung der aufbereiteten Biomasse konnten Emissio-nen (CO, NOx, SO2, HCl) unterhalb der Grenzwerte der TA Luft erreicht werden. Das aufbereitete Laub wurde allerdings nur zur Verwertung in Kleinfeuerungs-anlagen und in der Vergasung untersucht. Zudem wurde die Silierung als Mög-lichkeit zur Lagerung zweier Laubchargen untersucht und Analysen nach 7 be-ziehungsweise 11 Monaten durchgeführt. Aufgrund der Inhomogenität der Probe ließen sich nur bedingt Rückschlüsse bezüglich des Lagerungsverhaltens ziehen. Die ermittelten Werte lagen jedoch in ähnlicher Größenordnung. Eine eingehende Bewertung unterschiedlicher Laubfraktionen sowie einfacher Auf-bereitungsverfahren wie der Siebung und der Einsatz in größeren Feuerungsan-lagen wurde nicht betrachtet. Weitere Ergebnisse der Literaturrecherche zur energetischen Nutzung von Laub sind in Kapitel 1.4 (Stand des Wissens und der Technik) dargestellt.

1.3 Planung und Ablauf des Vorhabens

Ziel des Forschungsvorhabens war die Prüfung von Laub als neuem biogenen Brennstoff, der durch geeignete Lagerung und Aufbereitung während der gan-zen Heizperiode zu Verfügung steht. In dem Projekt wurden reine Laubfraktio-nen und Gemische mit Holz betrachtet. Zur Erreichung der Projektziele sollten zunächst verfügbare Laubpotenziale und die rechtlichen Rahmenbedingungen zur Nutzung von Laub als Brennstoff recherchiert und beschrieben werden (AP1). Parallel wurden im Herbst 2016 und im Herbst 2017 Laubproben von verschiedenen Quellen systematisch erfasst und analysiert (AP3.1, AP4.1 und AP6.1). Im Anschluss erfolgte die Untersuchung von Vorbehandlungsschritten


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(Trocknung, Lagerung und Aufbereitung) zur Herstellung eines stabilen und homogenen Brennstoffs im Labor- bis Technikumsmaßstab. Zur Aufbereitung wurden verschiedene Kompaktierungsverfahren (Pelletierung, Brikettierung) un-tersucht und die Kompaktierungseigenschaften der Laubfraktionen ermittelt. Ziel der Arbeiten war es mithilfe der Voruntersuchungen die optimalen Bedin-gungen und Parameter für eine Kompaktierung des Brennstoffs zu identifizie-ren. Die erzeugten Pellets und Briketts wurden hinsichtlich mechanischer Stabili-tät und Abriebfestigkeit sowie auftretender Qualitätsschwankungen untersucht.

Die Kompaktierungsversuche wurden als Parameterstudien durchgeführt, die mehrere Brennstoffvarianten für die späteren Verbrennungsversuche bereitstel-len (AP3.2, AP4.2 und AP6.2). Zudem wurde eine Reduzierung des Aschege-halts durch eine vorherige Siebung der Laubfraktionen geprüft. Anschließend wurde der Brennstoff in Technikumsanlagen auf sein Trocknungs-, Zünd- und Ausbrandverhalten untersucht (AP3.3, AP4.3 und AP6.3). Im Anschluss wurden große Laubproben von mehreren m³ entweder nach einer Silierung oder frisch mittels eines Schubwendetrockners im Demonstrationsmaßstab getrocknet und brikettiert und in einer Rostfeuerungsanlage mit einer thermischen Leistung von 400 kW unter Ermittlung relevanter Emissionen verbrannt (AP3.4, AP4.4 und AP 6.4).

Die Verbrennungsversuche wurden bei Fraunhofer UMSICHT am Standort Sulz-bach-Rosenberg durchgeführt. Für die Emissionsmessungen wurde eine be-kanntgegebene Messstelle nach § 29b BImSchG beauftragt sowie parallele in-terne Messungen durchgeführt. Dabei wurde folgende Emissionswerte unter-sucht:

Kohlenmonoxid (CO) Stickstoffmon- und Stickstoffdioxid (NOx) Summe gasförmiger organischer Stoffe, angegeben als Gesamtkohlen-

stoffgehalt (Gesamt-C) Gesamtstaub Sauerstoff (O2) Dioxine und Furane (PCDD/F) Benzo(a)pyren (BaP)

In einer zweiten, kleineren Messkampagne wurde das Messspektrum ange-passt. Die Versuche fanden an einer kleineren Rostfeuerung mit 50 kW thermi-scher Leistung ebenfalls am Standort Sulzbach-Rosenberg statt. Parallel wurden alle Laub- und Brennstoffproben hinsichtlich relevanter Brennstoffparameter analysiert.

Kohlenmonoxid (CO) Stickstoffmon- und Stickstoffdioxid (NOx)


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Summe gasförmiger organischer Stoffe, angegeben als Gesamtkohlen-stoffgehalt (Gesamt-C)

Gesamtstaub Sauerstoff (O2) Aldehyde Schwefeldioxid (SO2) anorganische gasförmige Chlorverbindungen, angegeben als Chlorwasser-

stoff (HCl)

Aus den technischen Versuchen wurden Optimierungsmaßnahmen und Hand-lungsempfehlungen für die Aufbereitung und energetische Verwertung abge-leitet (AP5 und AP7). Zum Abschluss des Vorhabens erfolgte eine ökonomische Betrachtung zur Evaluierung der Wirtschaftlichkeit der Laubaufbereitung (AP7).

Der Projektablauf ist in nachfolgender Abbildung schematisch dargestellt.

Abbildung 1: Schemati-scher Projektplan

ErgebnisseBrennstoffverfügbarkeit und Zusammensetzung

Kompaktierungsmethode

Brenn- und Emissionsverhalten

GesamtbewertungAbleitung von Handlungsempfehlungen

StudieLaubpotenzial, rechtliche Rahmenbedingungen, technische Lösungsansätze

Sammlung und AnalyseSpätherbst 2016, Frühherbst 2017, Spätherbst 2017

Technikumsversuche Praxisversuche

Trocknung+Vorbehandlung

Siebung, SchürofenKompaktierung

Pelletierung, BrikettierungVerbrennungsversuche

LOKI; 9 Fraktionen + Mischungen

Trocknung+Vorbehandl. (Silierung)

Schubwendetrockner

Lagerungsfähigkeit und Effektivität Vorbehandlung

KompaktierungBrikettierung

VerbrennungsversucheBiomasseanlage

8 Fraktionen + Mischungen

Die Aufteilung der Arbeiten in Arbeitspakete ist in der eingehenden Darstellung (Kapitel 2) aufgeführt.

Die Arbeiten waren in Zusammenarbeit mit dem Unternehmen NETZ Ingenieur-büro GmbH (NETZ) geplant. NETZ war an der Sammlung von Laubfraktionen sowie der Aufbereitung im Demonstrationsmaßstab beteiligt. Da NETZ zur Mit-te der Projektlaufzeit aus dem Konsortium ausgeschieden ist, wurden die ur-sprünglich von NETZ geplanten Arbeiten (Durchführung von Verbrennungsver-suchen in einer Praxisanlage, ökonomische Bewertung) überwiegend von Fraunhofer UMSICHT übernommen. Dafür wurde die Gesamtanzahl an Techni-kums- und Praxisversuchen sowie der Umfang der ökonomischen und ökologi-schen Bewertungen reduziert.


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1.3.1 Ergebnisse in Kurzform

Im Rahmen der Untersuchung wurden umfangreiche Analysen von insgesamt vier Laubfraktionen über zwei Jahre durchgeführt und Aufbereitungs- und La-gerungsmethoden technisch untersucht (Silierung, Trocknung, Siebung, Briket-tierung, Pelletierung). Anschließend wurden die bereitgestellten Proben in einer praxisnahen Rostfeuerung (440 kWth) verbrannt und das Verbrennungsverhal-ten sowie die entstehenden Emissionen ermittelt. Im Vorfeld wurden im Labor Versuche zum Verbrennungs- und Trocknungsverhalten durchgeführt.

Insgesamt zeigten die Laubbriketts gute Verbrennungseigenschaften. Die Emis-sionswerte lagen bis auf den Parameter Gesamtstaub unter den Grenzwerten der TA Luft. Die NOx-Konzentrationen waren bei den Laubbrennstoffen doppelt bis dreimal so hoch wie beim Holzbrennstoff, aber noch unterhalb des Grenz-werts der TA Luft. Die Werte an PCDD/F und BaP lagen mit < 0,006 ng/m3 (PCDD/F in TEQ) bzw. < 0,003 μg/m³ (BaP) deutlich unter den Grenzwerten der TA Luft (1,0 ng/m³ bzw. 0,05 mg/m³). Die CO-Konzentrationen waren mit < 8 mg/Nm³ ebenfalls deutlich unterhalb des Grenzwerts der TA Luft (250 mg/Nm³). Dabei musste die Rostgeschwindigkeit der Verbrennungsanlage angepasst werden. Bei weiteren Verbrennungsversuchen in einer Anlage mit 50 kWth kam es zu einem Aufstauen des Brennguts in der Brennkammer, wel-ches mit erhöhten Emissionen einherging. Hervorzuheben ist, dass durch eine Siebung des Laubs eine Abreicherung an Schwermetallen erreicht werden konnte, so dass die als Referenz hinzugezogenen Schwermetallwerte aus der DIN 17225 – Biogene Festbrennstoffe – Brennstoffspezifikationen und -klassen – Teil 6 bzw. Teil 7 (nicht-holzartigen Pellets bzw. Briketts) überwiegend einge-halten werden konnten [DIN EN ISO 17225-6], [DIN EN ISO 17225-7]. Die er-forderlichen Aschegehalte konnten überwiegend nicht eingehalten werden. Ei-ne mögliche weitere geeignete Brennstoffnorm ist die EN 14961-1:2010 (Feste Biobrennstoffe – Brennstoffspezifikationen und –klassen). Hier sind keine Schwermetallgrenzwerte vorgegeben. Laubbriketts wären der Klasse A10+ zu-zuordnen [DIN EN 14961-1].

Zudem wurde deutlich, dass die Art der Sammlung einen starken Einfluss auf die Schwermetall-und Aschekonzentrationen im Laub hat. Zusammenfassend kann aus den Projektergebnissen geschlossen werden, dass Laub als Brennstoff für Biomassefeuerungen mit kontrollierbaren Emissionen eingesetzt werden kann, sofern die Feuerungsanlage für den Stoffstrom geeignet ist. Allerdings ist aufgrund der Heterogenität des Brennstoffs mit teilweise sehr hohen Aschege-halten über 20 % eine geeignete Feuerungsanlage sowie gegebenenfalls eine vorherige Homogenisierung erforderlich.

Eine ökonomische Analyse zeigte, dass zur Erzeugung eines preislich konkur-renzfähigen Brennstoffs (trocken und brikettiert) eine gewisse Kapazität der Laubaufbereitung und relevante Kompostierungskosten von Laub erforderlich


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sind. Im Vergleich zum aktuellen Hackschnitzelpreis (WG 35) und auf Basis der getroffenen Annahmen und Datengrundlagen wird eine Laubbrikettierung in einer kleinen Aufbereitungsanlage (820 t/a Frischlaub bzw. 500 t/a Briketts) bei (hohen) Kompostierungskosten von 77 €/t wirtschaftlich. Im Falle einer um den Faktor 10 größeren Anlage müssten die Kompostierungskosten mindestens 25 €/t betragen. Dabei wurde auch eine Siebung von Laub zur Reduzierung der Aschefrachten berücksichtigt.

Eine Abschätzung der jährlich in Deutschland anfallenden Laubmengen ergab ein Aufkommen von 620 000 bis 740 000 t/a, basierend auf öffentlich verfüg-baren Annahmen von 38 Städten und Kommunen zum Laubanfall mit einer Hochrechnung über die jeweiligen Flächen und Einwohnerzahlen. Allerdings schwanken die Angaben recht stark, so dass die Werte eine grobe Abschätzung darstellen.

1.4 Stand des Wissens und der Technik

In Großstädten wie Berlin und Hamburg fallen im Herbst pro Jahr 12 000 bis 20 000 Tonnen Laub an [ICU-2011], [Stadtreinigung Hamburg-2019]. Auch in kleineren Städten und Gemeinden werden jährlich signifikante Mengen an Laub erfasst (vgl. Tabelle 3). Jedoch stellt der stark saisonale Anfall des Laubs zusätzlich zu der vermehrt getrennten Erfassung von Bio- und Grünabfällen ei-ne Herausforderung für Kompostierungsanlagen dar [BMU-2018]. Zudem gibt es schwer verrottbare Laubsorten, die durch Freisetzung von Gerbsäure den Kompost übersäuern lassen und die Verrottung verzögern. Komposte werden als Bodenverbesserer eingesetzt, jedoch führt die zusätzliche Ausbringung der im Kompost enthaltenen Nährstoffe auf landwirtschaftliche Flächen zu einer Verstärkung der Überdüngung [UBA-2018]. Daneben setzt die Kompostierung in hohen Mieten klimaschädliches Methan frei. Die Emissionen können bis zu 45 kg/t CO2-Äq. betragen [ICU-2011]. Dagegen ist der Gasertrag bei einer Ver-gärung (Gasertrag 15 m3/t FM gegenüber Reststoffen aus der Biotonne 80 bis 120 m3/t FM) unwirtschaftlich [ICU-2011]. Die Verwendbarkeit von Straßenlaub ist durch den Anteil an Schwermetallen und organischen Schadstoffen, die durch die Bäume aufgenommen werden ggf. zusätzlich eingeschränkt [Allo-way-1999, Konlechner-2013].

Thermische Verfahren können die organische Substanz fast vollständig ausnut-zen und im Gegensatz zu Vergärungsanlagen auch die ligninhaltigen Bestand-teile umsetzen. Da Laub kein Regelbrennstoff (1. BImSchV) ist, ist der Einsatz aufgrund der Brennstoffeigenschaften (hoher Brennwert, hoher Cl-Gehalt, ho-her Aschegehalt, stark schwankende Eigenschaften, Anhaftungen) nur in mitt-leren bis großen Feuerungsanlagen mit entsprechenden Einrichtungen zur Rauchgasreinigung möglich. Die Grenzwerte der Emissionen werden sich dem-


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nach nach der TA Luft für genehmigungspflichtige Anlagen richten (vgl. auch [FNR-2015]).

Weltweit wurden verschiedene Studien durchgeführt, um Laub zu charakterisie-ren und hinsichtlich des Verbrennungsverhaltens zu bewerten. Die Ergebnisse sind nachfolgend zusammengefasst.

Chemische Charakterisierung von Laubfraktionen In Tabelle 1 sind Ergebnisse der Immediat- und Elementaranalyse verschiedener Blatt- und Baumarten aus der Literatur zusammengetragen. Bei den Prozentan-gaben handelt es sich jeweils um Massenprozent, soweit es nicht anders ge-kennzeichnet ist. Die Werte in der Tabelle veranschaulichen, inwieweit die chemische Zusammensetzung der Blätter von der elementaren Holzzusammen-setzung abweicht, bzw. inwieweit die Zusammensetzung verschiedener Laub-sorten variiert. Besonders die Aschegehalte unterscheiden sich erheblich. Die Wassergehalte sind stark vom Trocknungsgrad abhängig.

Tabelle 1: Immediatanalyse von Holz und unterschiedlichen Blattsorten1

Biomasse Wasser-gehalt [%]

Flüchtige Bestandtei-

le [%]

Asche [%]

Gebundener Kohlenstoff

[%]

Brennwert [MJ/kg TS]

Heizwert [MJ/kg TS]

Quelle

Buchenholz - 84,0 1,2 14,8 19,5 18,1 [1]

Fichtenholz - 82,9 0,9 16,2 20,2 18,9 [1]

Eschenblätter 7,8 77,7 12,1 10,2 17,2 - [2]

Haselnussblätter 9,1 79,0 8,0 13,4 17,9 - [2]

Rosskastanienblät-ter 11,7 67,0 10,7 22,3 16,8 - [2]

Ahornblätter 8,5 - 9,7 - 18,6 - [2]

Eichenblätter 9,1 72,0 3,8 24,2 17,5 - [2]

Weidenblätter 7,7 74,0 6,5 19,1 17,9 - [2]

Halbgetrocknete Bananenblätter 8,3 78,8 8,7 12,5 19,8 - [3]

IbeKET (unbehan-deltes Laub] 66,2 - 32,0 - - 13,8 [4]

IbeKET (aufberei-tetes Laub) 7,0 - 9,4 - - 18,3 [4]

1 Die Durchschnittswerte stammen von Fernandes et al. [Fernandes-2013], der die Ergebnisse von Garcia et al.

[García-2012] genommen hat.

Quellen: [1] – [Kaltschmitt-2016]; [2] – [García-2012]; [3] – [Fernandes-2013]; [4] – [Schonhoff-2016]

Mehr als 200 verschiedene Biomasse-Reststoffe, unter anderem Laub, wurden von Garcia et al. charakterisiert, um mögliche Quellen für eine energetische Nutzung zu identifizieren [García-2012]. Garcia gibt hier an, dass alle Proben


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für zwei oder drei Tage luftgetrocknet wurden bis die Fremdfeuchtigkeit, die durch unterschiedliche Wetterbedingungen bei der Laubsammlung auftritt, verdunstet ist. Pňakovič hat den Wasser- und Aschegehalt und den Brenn- und Heizwert von 11 Blattsorten bestimmt. Außerdem wurden eine Elementaranalyse und eine Analyse der chemischen Zusammensetzung der Asche durchgeführt. Laut Pňakovič liegt der durchschnittliche Wassergehalt der Blätter, wenn sie vom Baum fallen, zwischen 36,1 und 46,9 %. Der Aschegehalt von getrockneten Blättern beträgt zwischen 4,8 und 13,1 %. Getrocknetes Laub hat einen Brennwert zwischen 16,0 und 20,2 MJ/kg und einen Heizwert zwischen 13,5 und 19,1 MJ/kg. [Pňakovič-2015] Die Hochschule Vechta und die Universität Kiel haben an einer gemeinsamen Untersuchung von Straßenlaub mitgewirkt [Schröder-2000]. Dabei wurden im Kieler Stadtgebiet 345 Laubproben von verschiedenen Orten gesammelt und untersucht. Als Ergebnis kann festgehalten werden, dass kein Zusammenhang zwischen der Schadstoffbelastung von Laub und dem Verkehrsaufkommen be-steht. Darüber hinaus liegen 98 % der Laubproben unterhalb der halbierten Richtwerte nach RAL GZ 251 [BGK-2010]. Somit wurden die Anforderungen für die höchste Kompostgütestufe I des Deutschen Institutes für Gütesicherung und Kennzeichnung erfüllt. Die restlichen 2 % weichen nur unwesentlich von den Richtwerten ab. Damit konnte das Laub aller Kieler Straßen zur Kompostie-rung freigegeben werden.

In der folgenden Tabelle werden die Werte der minimalen, maximalen und die der am häufigsten registrierten Schwermetallgehalte in Laub aus der Kieler Stu-die mit durchschnittlichen Schwermetallgehalten von Frischlaub (IbeKET-Projekt FKZ 03KB088A [Schonhoff-2016]) und den zulässigen Maximalwerten in Holz-hackschnitzeln (HHS) für eine nicht-industrielle Verwendung verglichen.

Tabelle 2: Vergleich Schwermetallgehalte

Eigenschaft Einheit Laub (unbehandelt)

Ø IbeKET [Schon-hoff-2016]

Laub Studie Kiel

[Schröder-2000] Min/Max |

Median

HHS Din EN 14961-4

Chlor, Cl [%Masse TS] 0,06 0,05

Arsen, As [mg/kg TS] 0,82 1,00

Cadmium, Cd [mg/kg TS] 0,26 0,05-1,45 0,25 2,00

Chrom, Cr [mg/kg TS] 46,77 10,00

Kupfer, Cu [mg/kg TS] 20,27 6-30 14 10,00

Blei, Pb [mg/kg TS] 7,55 5-25 10 10,00

Quecksilber, Hg [mg/kg TS] 0,073 0,10


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Eigenschaft Einheit Laub (unbehandelt)

Ø IbeKET [Schon-hoff-2016]

Laub Studie Kiel

[Schröder-2000] Min/Max |

Median

HHS Din EN 14961-4

Nickel, Ni [mg/kg TS] 32,73 1-7,5 3

Zink, Zn [mg/kg TS] 101,07 50-230 90

Laubverarbeitung (Kompaktierung und Trocknung) Die meisten bisherigen Projekte charakterisierten und bewerteten einzelne As-pekte der Laubverarbeitung. Zudem gibt es auch keine spezifische Literatur über die Laublagerung oder –praxis.

Scheufler und Mehrkens [Scheufler-1981] untersuchten das Komprimierungs-verhalten von Laubblättern. Dabei konnte eine starke Komprimierung bereits bei relativ geringen Drücken erreicht werden. Eine Druckerhöhung darüber hin-aus führte nur zu einer geringen weiteren Verdichtung (vgl. Abbildung 2). Der Volumenfaktor Fv ergibt sich aus der Division des Kompressionsvolumens V und des Ausgangsvolumens V0.

Abbildung 2: Volumenfaktor der Verdichtung von Laub-arten [Scheufler-1981]

Aktuell können Ballenpressmaschinen Ballen mit einer Breite von 1,20 m und einem Durchmesser von 1,25 bis 2,05 m herstellen. Ein Ballen wird durch die Rotation in der Ballenpresskammer erzeugt. Der Betriebsdruck der Hydraulik be-trägt zwischen 150 und 200 bar. Es wird somit mehr als genug Druck aufge-


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baut, um das Laub ausreichend zu verdichten (vgl. Abbildung 2). Sobald die Ballenpresskammer komplett gefüllt ist oder der spezifische Ballendruck erreicht ist, wird das den Ballen umhüllende Netz eingeschossen. Danach öffnet sich die Heckklappe der Presse und der Ballen wird vom Ballenheber auf dem Wickel-tisch platziert. Nach einer vorgegebenen Anzahl von Umwicklungen stoppt der Prozess automatisch und der fertige Ballen wird auf dem Boden abgestellt.

Einen Nass-Brikettierungsversuch unternahmen Saikia und Baruah, um aus Ba-nanen- und Teakholzblättern einen Festbrennstoff herzustellen. Dazu wurde das Material in Partikelgrößen von 10 mm zerkleinert und in Wasser einge-weicht. Durch das Einweichen beginnt der Zersetzungsprozess der Biomasse und die Fasern lösen sich. Sobald die gewünschte Zersetzung erreicht ist, wird das Material unter Druck in einer Kolbenpresse mit einem Durchmesser von 45 mm zu Briketts geformt. Dabei wurden unterschiedliche Drücke von 200 kPa bis 1 000 kPa zur Komprimierung getestet. Es wurde festgestellt, dass sowohl die Dichte der Briketts als auch die Scherfestigkeit und die mechanische Festig-keit mit steigendem Druck ansteigt. Bei 1 000 kPa erreichten die Briketts aus Bananenblättern eine Dichte von ca. 200 kg/m³, eine Scherfestigkeit von ca. 32 kN/m² und eine mechanische Festigkeit von ca. 93 %. Die Teakholzblätter wei-sen bei 1 000 kPa eine Dichte von ca. 300 kg/m³, eine Scherfestigkeit von ca. 37 kN/m² und eine mechanische Festigkeit von ca. 93 % auf. Ab einem Druck von 500 bzw. 700 kPa wurde bei den Bananenblättern bzw. Teakholzblättern eine mechanische Festigkeit von über 90 % erreicht. Die hergestellten Briketts wurden für 2 Wochen in der Sonne getrocknet. [Saikia-2013]

In weiteren Quellen wird die Pelletierung von Laub beschrieben [Stegelmeier-2011], [Khalsa-2016], [Schonhoff-2016], [Wattana-2016]. Stegelmeier et al. reinigten das gesammelte Laub zuerst händisch, um Störstof-fe wie Sand oder Steine größtenteils zu entfernen. Danach wurde es in einem Raum auf dem Boden ausgebreitet und luftgetrocknet, um den Wassergehalt zwecks Pelletierung zu senken und biochemische Abbauprozesse zu unterbin-den. Drei Mal täglich wurde der Raum gelüftet, um den Austausch der feuch-ten Luft zu gewährleisten. Zudem wurde die Laubmenge durchmischt und auf-gelockert, um auch die tiefer liegenden Blätter zu trocknen. Das getrocknete Laub wurde in Kunststoffbehältnissen verstaut und im nächsten Schritt mit ei-ner Schneidemühle auf eine Partikelgröße von 4 mm zerkleinert. Einige Pro-bechargen wurden mit einem Bindemittel (Kartoffelstärke oder Roggenmehl) versehen. Die Pelletierungsversuche erfolgten in einer Flachmatrize mit einem Kanaldurchmesser von 4 bzw. 6 mm und einer Kanallänge von 20 mm. Pelle-tiert wurden sowohl Einzelchargen von Eiche-, Ahorn- und Buchenlaub sowie Mischungen dieser drei Laubsorten. Da sich aus den Versuchen mit den Ein-zelchargen herausstellte, dass bei einem Matrizendurchmesser von 6 mm kaum Pellets gepresst werden konnten, wurden die Pelletierungsversuche des Mischlaubs mit der 4 mm-Matrize durchgeführt. Die besten Ergebnisse erzielte die Pelletierung der Laubmischung bei einem Wassergehalt von über 17 %. Die


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Pellets der Mischung weisen den geringsten Feinanteil von 2,82 %, den ge-ringsten Abrieb von 1,3 %, die höchste Widerstandsfähigkeit von 110 N und die höchste Dichte von 1,31 g/cm³ auf. Das Bindemittel Kartoffelstärke hat die Stabilität der Pellets bei zuvor genanntem Wassergehalt zusätzlich verbessert. Dahingegen hat das Roggenmehl keinen Einfluss auf das Pelletierverhalten. [Stegelmeier-2011]

Von Khalsa et al. wurde ein Verfahren beschrieben, das die Prozessschritte von der Vorbehandlung bis zur Verbrennung von Laub in kleinen Verbrennungskes-seln (kleiner 100 kWth) umfasst [Khalsa-2016]. Es beruht auf Grundlage eines patentierten Verfahrens der florafuel AG [Patent EP 2274406B1]. Das Laub wird zuerst gesiebt und danach gewaschen. Nach einem Zerkleinerungsprozess wird es mechanisch entwässert und thermisch getrocknet. Im Anschluss kann das Material brikettiert oder pelletiert werden. Im Rahmen des Projekts IBeKET (s. Kapitel 1.2) wurden Pelletierungsversuche mit zwei verschiedenen Matrizenge-ometrien (4 x 30 mm und 6 x 40 mm) und unterschiedlichen Wassergehalten durchgeführt. Die Pellets, die mit der 4 x 30 mm Matrize hergestellt wurden, wiesen mit einer Schüttdichte von 638,4 kg/m³ und einer mechanischen Festig-keit von 98,3 % die bessere Pelletqualität auf [Schonhoff-2016]. Zudem wurde festgestellt, dass ein Mindestwassergehalt von 15 % zur Pelletierung vorhanden sein muss [Schonhoff-2016].

Wattana und Kittayaruksakul befassten sich mit der Pelletierung von Parakaut-schukblättern. Zu ihren Vorbehandlungsschritten zählten das Waschen mit Wasser, die darauffolgende Trocknung des Laubs im Sonnenlicht für einen Tag und die Zerkleinerung und Siebung des Materials auf Partikelgrößen von kleiner 2 mm. Pelletiert wurde mit einem Einzelpelletiergerät mit einem Matrizen-durchmesser von 10 mm. Die Pelletierungsversuche wurden mit den verschie-denen Pressdrücken von 300, 350 und 400 Psi, das etwa 20, 24 und 27 bar entspricht, durchgeführt. Ermittelt wurden das Verhältnis von Länge zu Durch-messer der Pellets und die Druckfestigkeit. Mit steigendem Pressdruck steigt ebenfalls das Länge zu Durchmesser Verhältnis, der maximale Wert von 4,18 ergibt sich bei einem Pressdruck von 400 Psi. Die maximale Druckfestigkeit ergibt sich mit 288,46 kN/m² bei einem Pressdruck von 300 Psi. [Wattana-2016]

Die Silierung wird angewendet, um Futtermittel durch anaerobe Fermentation zu konservieren. Wasserhaltige Materialien, wie z. B. Gras, Mais, kleeähnliche Futterpflanzen, Ackerbohnen, Hafer, Rübenblätter, werden in der Regel zerklei-nert, balliert und mit Folie eingeschlagen oder in ein Silo gefüllt und luftdicht verschlossen. Nachdem der Restsauerstoff von aeroben Mikroorganismen ver-braucht wurde, sterben sie und die Pflanzenzellen ab und es resultiert ein Aus-treten des Zellsaftes. Die anaeroben Bakterien, zuerst vor allem Enterobakterien im Material vermehren sich und bilden hauptsächlich Essigsäure, Kohlenstoffdi-oxid und Alkohol. Der sinkende pH-Wert begünstigt die Vermehrung der Milch-säurebakterien und hemmt das Wachstum der Enterobakterien. Die Milchsäu-


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rebakterien nutzen den Zuckeranteil der Biomasse, um Milchsäure zu bilden. Dadurch bekommt die Mischung einen säuerlichen Geruch und Geschmack und üblicherweise fällt der pH-Wert bis unter 4. Durch Erreichen eines be-stimmten pH-Wertes oder aufgrund von Zuckermangel stoppt die Milchsäu-regärung und der Fermentationsprozess endet. [Finch-2014, Agravis-2019] Die Silierung zweier Laubchargen wurde in [Schonhoff-2016] untersucht (s. Kapitel 1.2). Nach 7 beziehungsweise 11 Monaten wurden Analysen der silierten Laub-chargen durchgeführt. Dabei zeigte sich, dass die Analysenwerte grundsätzlich in den gleichen Größenordnungen liegen. Aufgrund möglicher nicht sichtbarer Anhäufungen spezifischer Elemente innerhalb des Silageballens war es nach Angaben der Autoren schwierig eine repräsentative Probe zu nehmen. Daher war es nur bedingt möglich Rückschlüsse bezüglich des Lagerungsverhaltens zu ziehen.

Zur Biomassetrocknung sind diverse Verfahren verfügbar, vgl. [Kaltschmitt-2016]. Zur Laubtrocknung sind bisher keine spezifischen Forschungsstudien in der Literatur zu finden.

Energetische Laubnutzung Das thermische Zersetzungsverhalten von Parakautschukblätterpellets wurde von Wattana und Kittayaruksakul untersucht. Die Pellets wurden, wie oben be-schrieben, mit den Pressdrücken 300, 350 und 400 psi hergestellt. Die höchste Massenverlustrate ist bei einem Pressdruck von 400 psi und einer Temperatur von 327°C festgestellt worden. Daraus wurde gefolgert, dass ein höherer Pressdruck eine einfachere Zündung begünstigt. Die höchste Ausbrandtempera-tur von 705°C und den höchsten Pelletrückstand mit 9,57 % weisen die Pellets auf, die mit einem Druck von 350 psi verdichtet wurden. [Wattana-2016] Eine thermochemische Untersuchung von Laubblättern aus dicht besiedelten Räumen hat die polnische Universität in Stettin durchgeführt [Dziewanowska-2006]. Die Untersuchungen beschränkten sich auf die Heizwertbestimmung und nicht das Abbrandverhalten der Biomasse. In [ICU-2011] wurde eine Bio-massestudie des Landes Berlin erstellt, die unterschiedliche Verfahren zur ener-getischen Verwertung von Laub, wie Vergasung, Verbrennung, hydrothermale Karbonisierung (HTC) bilanziert. Erste Verbrennungsversuche im größeren Maß-stab wurden begonnen, konnten jedoch durch Komplikationen in der Förder-technik und durch großen Konfektionierungsaufwand nicht weiterverfolgt wer-den.

Khalsa et al. evaluierten den Einsatz und die Emissionen von Laub- und Graspel-lets sowie Pellets aus Gras-Laub-Mischungen, die aus mechanisch ausgewa-schenem Ausgangsmaterial hergestellt wurden, in einem 25 kWth und 49 kWth Pelletkessel. Der 25 kWth Kessel war mit einem bewegten Rost ausgestattet und wurde über einen Zeitraum von 4 Stunden mit den Pellets befeuert. Die Anfor-derungen der 1. BImSchV an CO und NOx konnten bei der Verbrennung der Laubpellets eingehalten werden. Die Verbrennung der Laubpellets emittierte


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unter 0,1 g/m³ CO und 0,46 g/m³ NOx. Allerdings überstiegen die Feinstaube-misssionen mit 38 mg/m³ die Grenzwerte der 1. BImSchV, so dass eine Abgas-reinigungseinheit nachgeschaltet werden müsste. Vereinzelt waren die Pellets bei der Verbrennung miteinander verschmolzen, was jedoch nicht als kritisch beschrieben wird. Die Verbrennungsversuche im 49 kWth Kessel, der über ein wassergekühltes Brennerrohr verfügte, wurden mit und ohne Staubabschei-dung durchgeführt. Es stellte sich heraus, dass die Staubemissionen der ver-brannten Laubpellets mit Werten zwischen 13 und 16 mg/m³ auch ohne Stau-babscheidung unter den Grenzwerten der 1. BImSchV liegen. Mit Staub-abscheidung lagen die Feinstaubemissionen deutlich unter 5 mg/m³. Es gab ebenfalls keine Probleme bezüglich der Schlackebildung. [Khalsa-2016]

1.4.1 Angabe bekannter Konstruktionen, Verfahren und Schutzrechte, die für die Durchführung des Vorhabens benutzt wurden

Für die Durchführung des Verfahrens wurden konventionelle Verfahren zur chemischen und physikalischen Analyse der Laubproben sowie zur Laubaufbe-reitung eingesetzt. Die eingesetzten Verfahren zur Laubaufbereitung sind in Kapitel 2 (eingehende Darstellung) beschrieben. Die verwendeten Verfahren zur Emissionsmessung sind in Tabelle 18 aufgeführt.

1.4.2 Angabe der verwendeten Fachliteratur sowie der benutzen Infor-mations- und Dokumentationsdienste

Folgende Fachliteratur wurde im Rahmen der Projektbearbeitung verwendet:

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[1. BimSchV-2019] Bundesministeriums der Justiz und für Verbraucherschutz: Erste Ver-ordnung zur Durchführung des Bundes-Immissionsschutzgesetzes (Verordnung über kleine und mittlere Feuerungsanlagen - 1. BIm-SchV)), „§ 5 Tabelle“, 13.06.2019.

[4. BImSchV-2017] Bundesministeriums der Justiz und für Verbraucherschutz: Vierte Ver-ordnung zur Durchführung des Bundes-Immissionsschutzgesetzes (Verordnung über genehmigungsbedürftige Anlagen - 4. BImSchV), „Anlage 2 Nr. 1.2 bis 1.2.4“, 31.05.2017.

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https://www.hna.de/kassel/stadtreiniger-raeumen-tausend-tonnen-laub-5875245.html

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30. September 2019

Klimaschonende Verwertung von Mähgut und Laub im Land Berlin, Endbericht, Berlin.

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[Kaltschmitt-2016] Kaltschmitt, M., Hartmann, H., Hofbauer, H.: Energie aus Biomasse: Grundlagen, Techniken und Verfahren, Springer-Verlag,3. Auflage, 2016.

[KEA, 2019] Klimaschutz- und Energieagentur Baden-Württemberg: CO2-Emissionsfaktoren, https://www.kea-bw.de/kommunaler-klimaschutz/wissensportal/emissionsfaktoren, letzter Zugriff 01.10.2019

[Kipp-2019] Franz-Josef Kipp GmbH & Co. KG, persönliche Kommunikation, 31. Juli 2019

[Kölner Stadt-Anzeiger-2014]

Kölner Stadt-Anzeiger: Jedes Jahr mehr Laub auf den Straßen. http://www.ksta.de/koeln/awb-koeln-jedes-jahr-mehr-laub-auf-den-strassen-536018. Zuletzt besucht am 23.07.2019

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[LfU-2008] Bayerisches Landesamt für Umwelt: Hinweise zu Aufbereitung und Entsorgung von Straßenkehricht in Bayern. Augsburg, 2008

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30. September 2019

[Lokalkompass-2017] Lokalkompass Gelsenkirchen: Straßenlaub sammeln – Gelsendiensten stellt 365 Container auf.https://www.lokalkompass.de/gelsenkirchen/c-ratgeber/strassenlaub-sammeln-gelsendienste-stellt-365-container-auf_a797607. Zuletzt besucht am 30.08.2019

[LWK NRW-2017] LWK NRW: Erfahrungssätze für Maschinenring-Arbeiten unter Land-wirten, https://www.landwirtschaftskammer.de/landwirtschaft/beratung/pdf/erfahrungssaetze-wl.pdf letzter Zugriff 20.08.2019

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[Mannheim²-2016] Mannheim²: Helfende Hände gesucht: Laub sammeln und gewinnen. https://www.mannheim.de/presse/helfende-haende-gesucht-laub-sammeln-und-gewinnen. Zuletzt besucht am 23.07.2019

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[MAZ-2015] Degener, P.: Das passiert mit unserem Laub. https://www.maz-online.de/Lokales/Potsdam/Das-passiert-mit-unserem-Laub. Zuletzt besucht am 23.07.2019

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[MOZ-2015] Adesiyan, F.: Kampf gegen Laub und Motten. https://www.moz.de/artikel-ansicht/dg/0/1/1431745. Zuletzt besucht am 23.07.2019

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[Nordbayern-2012] Nordbayern: In Nürnberg fallen 500 Tonnen Laub an. http://www.nordbayern.de/region/nuernberg/in-nurnberg-fallen-500-tonnen-laub-an-1.2485619. Zuletzt besucht am 23.07.2019

[Nordhäuser Wochen-chronik-2010]

Nordhäuser Wochenchronik: Laubberäumung im Stadtgebiet. http://www.nordhausen-wochenchronik.de/news/news_lang.php?ArtNr=2536. Zuletzt besucht am 23.07.2019

[P]

[Patent EP 2274406B1] Werner, H. (30.04.09): Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Brennstoff aus feuchter Biomasse, (EP22744406B1)

[Piepenschneider-2015] Piepenschneider, M.: Urban Grass and Grass-Leaf Litter Mixtures as Source for Bioenergy Recovery. Dissertation, Universität Kassel, Kassel, Oktober 2015.

[Pňakovič-2015] Pňakovič, Ľ., Dzurenda, L.: Combustion characteristics of fallen fall Leaves from ornamental trees in city and forest parks. In: BioResources,

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30. September 2019

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[RP Online-17.10.2018] Luhrenberg, J.: Im Einsatz gegen 11.000 Tonnen Laub. https://rp-online.de/nrw/staedte/duisburg/duisburg-mit-mensch-und-maschine-gegen-laub_aid-33689239. Zuletzt besucht am 30.08.2019

[RP Online-19.11.2018] Schuknecht, B.: Wann die Stadt fürs Laub zuständig ist – und wann Mieter fegen müssen. https://rp-online.de/nrw/staedte/duesseldorf/duesseldorf-wer-ist-zustaendig-fuer-das-herbstlaub-vor-der-tuer_aid-34580401. Zuletzt besucht am 30.08.2019

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Bredel, F.: 300 Kubikmeter Laub pro Jahr. https://www.saarbruecker-zeitung.de/saarland/300-kubikmeter-laub-pro-jahr_aid-1265986. Zu-letzt besucht am 23.07.2019

[Sächsische Zeitung-2017]

Sächsische Zeitung: Kommunen müssen tonnenweise Herbstlaub ent-sorgen. http://www.sz-online.de/sachsen/kommunen-muessen-tonnenweise-herbstlaub-entsorgen-2962818.html. Zuletzt besucht am 04.12.2017

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[Schlederer-2014] Schlederer, S.M. (2014): Aufbereitung feuchter Biomasse zu Brennstoff das florafuel-Verfahren, 4. Mitteleuropäische Biomassekonferenz, Graz, Österreich.

[Schleswig-Holstein Zeitung-2017]

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[Schortens-2019] Stadt Schortens, persönliche Kommunikation 19.06.2019

[Schröder-2000] Schröder, W., Wenk, R., Krinitz, J.: Schwermetallgehalte von Straßen-laub und seine Kompostierung. In: Umweltwissenschaften und Schad-stoffforschung, 2000(12), S. 322-330.

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http://www.koenigs-wusterhausen.de/536888/laubentsorgung


30. September 2019

hausen-2015] wusterhausen.de/536888/laubentsorgung. Zuletzt besucht am 23.07.2019

[Stadtreinigung Ham-burg-2019]

Stadtreinigung Hamburg: Der große Herbstputz. https://www.stadtreinigung.hamburg/privatkunden/strassenundwege/laubsammlung/. Zuletzt besucht am 23.07.2019

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Stadtreinigung Hamburg: Daten und Fakten 2015. https://www.stadtreinigung.hamburg/export/sites/default/download/PDF/SRH_Daten-und-Fakten-2015.pdf. Zuletzt besucht am 23.07.2019

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Stadtreinigung Wetzlar: Straßenreinigung. https://www.wetzlar.de/leben-in-wetzlar/abfall-und-entsorgung/strassenreinigung.php. Zuletzt besucht am 23.07.2019

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[Stegelmeier-2011] Stegelmeier M., Schmitt, V. E. M., Kaltschmitt, M.: Pelletizing of au-tumn leaves: Possibilities and limits. In: Biomass Conversion and Biore-finery, 2011(1), S. 173–187.

[Stuttgarter Zeitung-2014]

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[T]

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[Tag24-2015] Tag24: Mit Verlaub, aber Chemnitz erstickt in Blättern. https://www.tag24.de/nachrichten/mit-verlaub-aber-chemnitz-erstickt-in-blaettern-25942. Zuletzt besucht am 23.07.2019

[TBR-2019] Technische Betriebe Remscheid: Straßenlaub – Hochsaison im Herbst. https://www.tbr-info.de/strassenlaub.html. Zuletzt besucht am 30.08.2019

[Thrän-2013] Thrän, D.; Pfeiffer, D. (Hrsg): Methodenhandbuch. Stoffstromorientier-te Bilanzierung der Klimagaseffekte. Methoden zur Bestimmung von Technologiekennwerten, Gestehungskosten und Klimagaseffekten von Vorhaben im Rahmen des BMU-Förderprogramms „Energetische Bio-massenutzung“. Schriftenreihe des BMU-Förderprogramms „Energeti-sche Biomassenutzung Band 4, Version 4, Leipzig, Oktober 2014

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[UBA-2018] Umweltbundesamt: Nähr- und Schadstoffe. http://www.umweltbundesamt.de/themen/wasser/gewaesser/grundwasser/nutzung-belastungen/naehr-schadstoffe. Zuletzt besucht am 09.08.2019

[UBA-2019] Umweltbundesamt: Lachgas und Methan. http://www.umweltbundesamt.de/themen/boden-landwirtschaft/umweltbelastungen-der-landwirtschaft/lachgas-methan. Zuletzt besucht am 09.08.2019

[UBA-2019a] Umweltbundesamt: Struktur der Flächennutzung.

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https://www.umweltbundesamt.de/daten/flaeche-boden-land-oekosysteme/flaeche/struktur-der-flaechennutzung#textpart-1


30. September 2019

oekosysteme/flaeche/struktur-der-flaechennutzung#textpart-1

[USB-2016] USB: USB entfernt im Herbst etwa 30.000 m³ Laub. https://www.usb-bochum.de/fuer-die-stadtreinigung-beginnt-die-laubzeit/. Zuletzt be-sucht am 30.08.2019

[UVPG-2019] Gesetz über die Umweltverträglichkeitsprüfung (UVPG), zuletzt geän-dert am 13.05.2019

[W]

[Wattana-2016] Wattana, W., Kittayaruksakul, R.: Thermal and Physical Characteristics of Fuel Pellets from Para-Rubber Leaf Litter. 6th international confer-ence on biological, chemical & environmental sciences, Pattaya (Thai-land), 08./09.08.2016.

[WAZ-29.09.2013] WAZ: KSR rüstet im Kampf gegen das Laub auf. https://www.waz.de/staedte/vest/ksr-ruestet-im-kampf-gegen-das-laub-auf-id8501901.html. Zuletzt besucht am 30.08.2019

[WAZ-12.10.2014] Kunte, R.: 5000 Tonnen Laub müssen weg. https://www.waz.de/staedte/essen/5000-tonnen-laub-muessen-weg-id9925695.html. Zuletzt besucht am 30.08.2019

[WAZ-20.10.2014] Knümann, A.: Laubsammlung startet in dieser Woche in Oberhausen. https://www.waz.de/staedte/oberhausen/laubsammlung-startet-in-dieser-woche-in-oberhausen-id9948311.html. Zuletzt besucht am 30.08.2019

[WAZ-02.11.2017] WAZ: Rund 880 Tonnen Laub fallen in Mülheim an. https://www.waz.de/staedte/muelheim/rund-880-tonnen-laub-fallen-in-muelheim-an-id212416391.html. Zuletzt besucht am 30.08.2019

[Weserkurier-2014] Landwehr, A.: Die Last mit dem Laub. https://www.weser-kurier.de/bremen/bremen-stadt_artikel,-Die-Last-mit-dem-Laub-_arid,983922.html. Zuletzt besucht am 23.07.2019

[Westfälische Nachrich-ten-2015]

Westfälische Nachrichten: Stadt erwartet 1000 Tonnen Laub. https://www.wn.de/Muenster/2015/10/2139109-Laub-in-Muenster-Stadt-erwartet-1000-Tonnen-Laub. Zuletzt besucht am 30.08.2019

[Wilhelmshaven-2017] Stadt Wilhelmshaven – Laub. http://www.wilhelmshaven.de/portal/16465.htm. Zuletzt besucht am 04.12.2017

[WUZ-2014] WUZ: Die Waldschlacht geht los. https://www.wuzonline.de/2014/10/die-laubschlacht-geht-los/. Zuletzt besucht am 04.12.2017

1.5 Zusammenarbeit mit anderen Stellen

Im Rahmen der Projektbearbeitung ist eine Zusammenarbeit mit dem Begleit-vorhaben des BMWi-Förderbereichs »Energetische Biomassenutzung«, koordi-niert vom DBFZ Deutsches Biomasseforschungszentrum gemeinnützige GmbH, erfolgt. Das umfasste die Teilnahme an zwei Statusseminaren (2017 und 2019) sowie die Lieferung von Informationen für das Projekt »SmarKt - Bewertung des Marktpotenzials und Systembeitrags von integrierten Bioenergiekonzep-

https://www.umweltbundesamt.de/daten/flaeche-boden-land-oekosysteme/flaeche/struktur-der-flaechennutzung#textpart-1

https://www.usb-bochum.de/fuer-die-stadtreinigung-beginnt-die-laubzeit/

https://www.usb-bochum.de/fuer-die-stadtreinigung-beginnt-die-laubzeit/

https://www.waz.de/staedte/vest/ksr-ruestet-im-kampf-gegen-das-laub-auf-id8501901.html

https://www.waz.de/staedte/vest/ksr-ruestet-im-kampf-gegen-das-laub-auf-id8501901.html

https://www.waz.de/staedte/essen/5000-tonnen-laub-muessen-weg-id9925695.html

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https://www.waz.de/staedte/oberhausen/laubsammlung-startet-in-dieser-woche-in-oberhausen-id9948311.html

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https://www.waz.de/staedte/muelheim/rund-880-tonnen-laub-fallen-in-muelheim-an-id212416391.html

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https://www.weser-kurier.de/bremen/bremen-stadt_artikel,-Die-Last-mit-dem-Laub-_arid,983922.html



https://www.wn.de/Muenster/2015/10/2139109-Laub-in-Muenster-Stadt-erwartet-1000-Tonnen-Laub

https://www.wn.de/Muenster/2015/10/2139109-Laub-in-Muenster-Stadt-erwartet-1000-Tonnen-Laub

http://www.wilhelmshaven.de/portal/16465.htm

https://www.wuzonline.de/2014/10/die-laubschlacht-geht-los/


30. September 2019

ten«, ebenfalls gefördert im Rahmen des BMWi-Förderprogramms »Energeti-sche Biomassenutzung«.

Die Laubsammlung wurden von GELSENDIENSTE, dem zentralen Anbieter für kommunale Dienstleistungen in Gelsenkirchen durch die Bereitstellung des Laubs und Bereitstellung von Personal und Maschinen für die Sammlung und Verladung unterstützt. Dafür danken wir sehr herzlich!

Die Stadt Schortens hat ebenfalls Laubproben sowie Informationen zur Bewer-tung der Investitionskosten einer Laubaufbereitung bereitgestellt. Dafür danken wir ebenfalls sehr herzlich!

Für die Emissionsmessungen wurde die Firma Modern Testing Services (Germa-ny) GmbH (MTS) als bekanntgegebene Messstelle nach § 29b BImSchG beauf-tragt. Auch hier danken wir für die gute und professionelle Zusammenarbeit.


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2 Eingehende Darstellung

Zur Umsetzung der Projektziele (s. o.) war das Projekt in insgesamt 7 Arbeitspa-kete gegliedert (s. Abbildung 3). Die Vorgehensweise wurde bereits in Kapitel 1.3 beschrieben.

Abbildung 3: Schemati-scher Projektplan mit APs

2.1 Erzielte Ergebnisse

Nachfolgend werden die erzielten Ergebnisse dargestellt. Zur besseren Über-sichtlichkeit werden die Ergebnisse der Laubsammlung, -aufbereitung und –verbrennung (AP2 bis AP6) teilweise zusammengefasst dargestellt.

2.1.1 Laubpotential, derzeitige technische Lösungen und rechtliche Rah-menbedingungen (AP1)

Rechtliche Rahmenbedingungen (AP1.1)

Bei Laub handelt es sich zunächst um Abfall, da gemäß §3 Kreislaufwirtschafts-gesetz (KrWG) [KrWG-2017] eine Entledigungsverpflichtung oder von einem


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Entledigungswillen ausgegangen werden kann. Dabei kann Laub als separate Fraktion bei der Garten- und Park- bzw. Landschaftspflege anfallen (Bioabfall gemäß §3 Abs. 7 Nr. 1 und 2 bzw. Abfallschlüsselnummer 20 02 01 [AVV-2017]) oder bei der Straßenreinigung als bzw. zusammen mit Straßenkehricht (Abfallschlüsselnummer 20 03 03). Gemäß einer Interpretation der Broschüre »Hinweise zu Aufbereitung und Entsorgung von Straßenkehricht in Bayern« des bayerischen Landesamts für Umwelt [LfU-2008] könnte aus Straßenkehricht abgetrenntes und von Fremdstoffen befreites Laub auch als biologisch abbau-bare Abfälle wie Garten- und Parkabfälle eingestuft werden, sofern es ähnliche Eigenschaften aufweist, d. h. insbesondere Schadstoffgrenzwerte gemäß Bio-AbfV (Verordnung über die Verwertung von Bioabfällen auf landwirtschaftlich, forstwirtschaftlich und gärtnerisch genutzten Böden [BioAbfV-2017]) einhält. In der BioAbfV werden in §4 Anforderungen an Bioabfälle hinsichtlich Schwerme-tallgehalte bei Aufbringung auf Böden formuliert.

Das Ende der Abfalleigenschaft ist in §5 KrWG definiert. Demnach endet die Abfalleigenschaft, wenn der Stoff »ein Verwertungsverfahren durchlaufen hat und so beschaffen ist, dass

1. er üblicherweise für bestimmte Zwecke verwendet wird,

2. ein Markt für ihn oder eine Nachfrage nach ihm besteht,

3. er alle für seine jeweilige Zweckbestimmung geltenden technischen Anfor-derungen sowie alle Rechtsvorschriften und anwendbaren Normen für Er-zeugnisse erfüllt sowie

4. seine Verwendung insgesamt nicht zu schädlichen Auswirkungen auf Mensch und Umwelt führt.«

Eine mögliche geeignete Brennstoffnorm ist die DIN EN 14961-1:2010 (Feste Biobrennstoffe – Brennstoffspezifikationen und –klassen) [DIN EN 14961-2010]. In der DIN EN ISO 17225 für biogene Festbrennstoffe - Brennstoffspezifikatio-nen und -klassen Teil 6 oder Teil 7 (Klassifizierung von nicht-holzartigen Pellets oder Briketts) werden darüber hinaus u. a. Anforderungen an Schwermetall- und Aschegehalte formuliert [DIN EN ISO 17225 Teil 6], [DIN EN ISO 17225 Teil 7].

In Deutschland unterliegt der Bau und Betrieb von Anlagen, die zur thermi-schen Zersetzung von Brennstoffen bestimmt sind, mehreren rechtlichen Aufla-gen, insbesondere dem Bundes-Immissionsschutzgesetz (BImSchG) [BImSchG-2019] und nachfolgenden Verordnungen. Grundsätzlich wird zwischen ge-nehmigungs- und nicht genehmigungspflichtigen Anlagen unterschieden. Die Verordnungen gelten für bestimmte Anwendungsbereiche und orientieren sich an der Art des verwendeten Brennstoffes sowie an der Nennleistung der Anla-ge. Zu nennen sind die Verordnung über kleine und mittlere Feuerungsanlagen (1. BImSchV) [1. BImSchV-2019], die Verordnung über genehmigungsbedürfti-


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ge Anlagen (4. BImSchV) [4. BImSchV-2017], die Verordnung über Großfeue-rungs-, Gasturbinen- und Verbrennungsmotoranlagen (13. BImSchV) [13. BIm-SchV-2017] und die Verordnung über die Verbrennung und die Mitverbren-nung von Abfällen (17. BImSchV) [17. BImSchV-2013]. Zusätzlich findet die technische Anleitung zur Reinhaltung der Luft (TA Luft) [TA Luft-2002] und un-ter Umständen das Gesetz über die Umweltverträglichkeitsprüfung (UVPG) An-wendung [UVPG-2019].

Die 1. BImSchV gilt für Feuerungsanlagen, die keiner Genehmigung bedürfen. Die darin beschriebenen Anlagen dürfen ausschließlich mit den in § 3 angege-benen Brennstoffen betrieben werden (Regelbrennstoffe). Dazu gehört u. a. Kohle, Heizöl EL, Erdgas, naturbelassenes Holz oder Stroh. Des Weiteren kann die Anlage auch mit nicht näher erläuterten, nachwachsenden Rohstoffen be-feuert werden. Laub wird nicht explizit aufgeführt. Aber unter Punkt 8 § 3 werden Stroh und ähnliche pflanzliche Stoffe aufgeführt. Weiterhin ist der Punkt Nr.13, sonstige nachwachsende Rohstoffe, soweit sie die Anforderungen nach Absatz 5 einhalten, anwendbar. Die Anforderungen nach Absatz 5 bein-halten u. a. ein mindestens einjähriges Emissionsmessprogramm für einen be-stimmten Feuerungsanlagentyp und stellt keine generelle Genehmigung eines Brennstoffs dar. [1. BImSchV-2019]

Eine Genehmigung nach der Verordnung über die Verbrennung und die Mit-verbrennung von Abfällen (17. BImSchV) ist grundsätzlich möglich. Ihr Gel-tungsbereich erstreckt sich auf genehmigungsbedürftige Anlagen und beinhal-tet Brennstoffe, die nicht in den Nummern 1.2.1, 1.2.2 oder Nummer 1.2.3 des Anhangs 1 der Verordnung über genehmigungsbedürftige Anlagen aufgeführt sind. Die 17. BImSchV stellt umfangreiche Anforderungen an den Bau, Betrieb und die Überwachung der Anlage. Diese beinhalten z. B. den Bau einer Lager-halle (Bunker) und die Errichtung einer Brandschutzanlage. Weiterhin ist regel-mäßig eine Probe des Einsatzstoffes zu nehmen sowie eine kontinuierliche Schadstoffmessung durchzuführen. Die Untersuchungsergebnisse sind dann an die entsprechende Behörde weiterzuleiten [17.BImSchV-2013]. Der wirtschaftli-che Betrieb einer solchen Anlagen ist erst ab einer Leistungsklasse marktübli-cher Abfallbehandlungsanlagen mit entsprechenden Annahmevergütungen möglich.

Da Laub nicht explizit als Regelbrennstoff in der 1. BImSchV aufgeführt ist, ist der Einsatz zum derzeitigen Stand voraussichtlich nur in mittleren bis großen Feuerungsanlagen mit entsprechenden Einrichtungen zur Rauchgasreinigung möglich. Die Grenzwerte der Emissionen müssen sich demnach nach der TA Luft richten.

Im Rahmen dieses Projekts galt es zu klären, welche Emissionen durch Laub im Vergleich zu z. B. naturbelassenem Holz entstehen.


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Literaturrecherche zum verfügbaren Laubpotential (AP1.2)

In AP1.2 wurde eine Literaturstudie zu den in Deutschland erfassten Laubfrakti-onen in Abhängigkeit von Standort und Jahreszeit durchgeführt. Dabei handelt es sich überwiegend um Angaben und Schätzungen der Kommunen oder Ent-sorgungsbetriebe.

Tabelle 3: Erfasste Laubmengen in deutschen Städten

Stadt Energiehof Menge Laub Verwertung Quelle

Bamberg Entsorgungs- und Bau-

betrieb Bamberg

480 Tonnen jährlich bzw.

5 000 m³

Kompostierung

Reines Laub (Fir-ma EBB) wird von externer Kompos-tierfirma abgeholt

[InFranken-2013]

Berlin Berliner Stadtreinigung 70 000 Tonnen Großkompostie-

rungsanlagen [BZ Berlin-

2015]

Bochum Umwelt Service Bo-

chum 30 000 m³ Kompostierung [USB-2016]

Bremen Umweltbetrieb Bremen,

Entsorgung Nord GmbH

9 000 Tonnen jährlich

Kompostierung in der Kompostie-

rung Nord (KNO)

[Radio Bre-men-2017]

[Weserkurier-2014]

Chemnitz Abfallentsorgungs- und Stadtreinigungsbetrieb

der Stadt Chemnitz

3 500 Tonnen jährlich (1 000 Tonnen von

Grünanlagen, 2 500 Tonnen

auf Straßen und in Fußgänger-

zonen

Die 2 500 Tonnen werden zunächst gesiebt, danach

kompostiert. 1 000 Tonnen werden direkt kompostiert

[Tag24-2015]

Dessau-Roßlau Stadtpflege Dessau-

Roßlau 76 Tonnen jähr-

lich Thermische Ver-

wertung

[Mitteldeut-sche Zeitung-

2010]

Dortmund Entsorgung Dortmund

GmbH

Säcke (60L), 5 000 Tonnen

(Herbst, ca. Ok-tober bis De-

zember)

Kompostwerk Wambel

[DerWesten-2010]


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Dresden Stadtreinigung Dresden 3 500 Tonnen

jährlich

Kompostierung in der Humuswirt-

schaft Kaditz oder auf den Kom-

postplatz des Re-giebetriebes Zent-

rale Technische Dienstleistungen.

[Dresdner Neueste Nach-richten-2015]

Duisburg Wirtschaftsbetriebe

Duisburg 11 000 Tonnen

jährlich Kompostierung

[RP Online-17.102018]

Düsseldorf Gesellschaft für Abfall-wirtschaft und Stadt-

reinigung mbH


Mitverbrennung in MVA

[RP Online-19.11.2018]

Elmshorn Betriebshof Elmshorn 300-500 Ton-nen (Herbstsai-

son) Kompostierung

[Elmshorner Nachrichten-

2014]

Essen Entsorgungsbetriebe

Essen

5 000 Tonnen (Herbst, acht bis zehn Wochen)

[WAZ-12.10.2014]

Frankfurt (Main)

Frankfurter Entsor-gungs- und Servicege-

sellschaft


Laub wird in Rot-te-Anlagen kom-postiert, zu stark

verunreinigtes Laub landet in der

Müllverbren-nungsanlage

[FAZ-2014]

Frankfurt (Oder)

Städtischer Bauhof

355 Tonnen im Stadtgebiet +

90 Tonnen Laub vom Friedhof

Kompostieren, keine Verbren-

nung

[MOZ-2015]

Gelsenkirchen GELSENDIENSTE 2 500 Tonnen [Lokalkom-pass-2017]

Görlitz 880 Tonnen


[Sächsische Zeitung-2017]

Göttingen Göttinger Entsorgungs-

betriebe 500 Tonnen


[Göttinger Tageblatt-

2014]

Hamburg Stadtreinigung Ham-

burg

Circa 20 000 Tonnen im Jahr

2015 (4 700 Tonnen Laubsä-cke aus Grünab-fällen, 15 000 Tonnen Laub

Der größte Teil des Laubs wird in einer Spezialanla-ge der Firma ETH Umwelttechnik in Hamburg-Veddel gereinigt und für

[Stadtreini-gung Ham-burg-2019]

[Stadtreini-gung Ham-bug-2015]


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aus Infrastruk-turabfällen

12 000 bis 15 000 Tonnen (September bis

Dezember)

die Kompostie-rung vorbereitet oder zu Pellets

verpresst, hygieni-siert und in der

Landwirtschaft als Bodenverbesserer

eingesetzt. Die kompostierte Erde

kann an Recyc-linghöfen der Stadtreinigung

Hamburg gekauft werden

[WUZ-2014]

Hannover 1 500 Tonnen

Das gesammelte Laub wird zu-sammen mit

Grüngut kompos-tiert und dann als „Hannoversche Erde“ verkauft

[Aha-Region-2017]

Herne Entsorgung Herne 2 000 Tonnen

jährlich

[Entsorgung Herne-2019]

Ibbenbüren Ibbenbürener Bau- und

Servicebetrieb 500 Tonnen

jährlich

Verbrennung, Laub wird briket-

tiert

[Baulinks-2013]

Kassel Kasseler Stadtreinigung 1 100 Tonnen (Herbstsaison)

Biokompostie-rungsanlage des

Landkreises Kassel in Vollmarshausen

[HNA-2015]

Kiel 2 000 Tonnen


[Schleswig Holstein Zei-tung-2017]

Köln Abfallwirtschaftsbetrie-

be Köln GmbH 800 Tonnen

jährlich

[Kölner Stadt-Anzeiger-

2014]

Königs Wurs-terhausen

> 3 000 m³

(Herbstsaison) Kompostieranlage

[Stadt Königs Wusterhau-sen-2015]

Lübeck Entsorgungsbetriebe

Lübeck 1 400 Tonnen


[Entsorgungs-betriebe

Lübeck-2015]

Mainz Entsorgungsbetrieb der

Stadt Mainz

700-800 Ton-nen (Herbstsai-

son)

[News im Netz-2017]

Mannheim Abfallwirtschaft Mann- 500 bis 1 000 Kompostiert auf dem Kompost-

[Mannheim²-


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heim Tonnen jährlich platz der ABG Abfallbeseiti-

gungsgesellschaft mbH

2016]

Mülheim Mülheimer Entsorgung

GmbH

880 Tonnen (Herbst, ca. Ok-

tober bis De-zember)

[WAZ-02.11.2017]

München 60 000 m³ 40000 m³ Kom-postierung, Rest als Frostschutz

[Abendzei-tung-2017]

Münster Abfallwirtschaftsbetrie-be Münster

1 000 Tonnen (Laubzeit, ca. Oktober bis Dezember)

[Westfälische Nachrichten-

2015]

Nordhausen Stadt Nordhausen 250 Tonnen

(Herbstsaison)

Geordnete Ver-wer-

tung/Entsorgung

[Nordhäuser Wochenchro-

nik-2010]

Nürnberg Servicebetrieb öffentli-

cher Raum 500 Tonnen


[Nordbayern-2012]

Oberhausen Wirtschaftsbetriebe

Oberhausen 3 400 Tonnen

[WAZ-20.10.2014]

Offenburg Technische Betriebe

Offenburg > 1 000 m³ jähr-

lich

Laub von Friedhö-fen oder Grünan-lagen kompostiert

von TBO. Laub von den Straßen ist Sondermüll.

[Baden online-2011]

Potsdam Stadtreinigung Potsdam 800 Tonnen


[MAZ-2015]

Recklinghau-sen

Kommunale Servicebe-triebe Recklinghausen


[WAZ-

29.09.2013]

Remscheid Technische Betriebe

Remscheid 500 Tonnen

[TBR-2019]

Schwerin 40 Tonnen jähr-lich + 20 Ton-

nen von Firmen Kompostierung

[Hauspost-2017]

Solingen Technische Betriebe

Solingen

900 Tonnen (Herbst, ca. von

Oktober bis Dezember)

Bei Schnee wird Laub in MVA ver-

brannt

[RP Online-09.10.2015]

Stuttgart Abfallwirtschaft Stutt-

gart 1 200-1 500

Tonnen jährlich Mitverbrennung

in MVA [Stuttgarter

Zeitung-2014]

Völklingen Stadt Völklingen 300 m³ jährlich Kompostierungs- [Saarbrücker


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anlage in Fürsten-hausen

Zeitung-2012]

Wetzlar Stadtreinigung Wetzlar 650 m³ Laub

jährlich Kompostierungs-anlage in Dalheim

[Stadtreini-gung Wetzlar-

2019]

Wilhelms-haven

500 Tonnen


[Wilhelms-haven-2017]

Bei Bezug der angegebenen Mengen in Tonnen auf die jeweilige Einwohner-zahl und Fläche ergeben sich durchschnittliche Laubmengen von 0,00749 t Laub pro Einwohner und Jahr bzw. 7,49 kg Laub pro Einwohner und Jahr bzw. 14,88 t Laub pro km² Siedlungsfläche und Jahr. Die Standardabweichung der Werte lag bei 5,19 kg Laub pro Einwohner und 16,35 t pro km², somit wurden stark schwankende Angaben zum Laubanfall gemacht.

Eine grobe überschlägige Rechnung auf deutschlandweit erfassten Laubmen-gen ergibt damit 620 316 t/a basierend auf der Einwohnerzahl sowie 734 468 t/a bezogen auf die Siedlungs- und Verkehrsfläche (Annahme: Sied-lungs- und Verkehrsfläche Deutschland gemäß [UBA-2019a])

Literaturrecherche zu technischen Lösungsansätzen (AP1.3)

Die technischen Lösungsansätze zur Laubaufbereitung und -verbrennung sind ausführlich in Kapitel 1.4 beschrieben.

2.1.2 Spätlaub: Sammlung und Analyse (AP2)

Laubsammlung (AP2.1, AP6.1)

Im Herbst 2016 und im Herbst 2017 wurden insgesamt ca. 107 m³ Laubproben zur Analytik, für Technikumsversuche, zur Silierung und zur Verbrennung im Demonstrationsmaßstab bei Laubsammlungen in Gelsenkirchen entnommen.

Bei der Erstellung des Probenahmeplans wurden die zu erwartenden Mengen und der zeitliche Aufwand berücksichtigt. Dabei wurden die Vorgaben aus der LAGA PN 98 verwendet [LAGA PN 98]. Aus ihr geht hervor, wie viele Einzelpro-ben mindestens genommen werden und welche Mindestgröße diese aufweisen müssen. Gleiches gilt für die Erstellung der Laborproben. Des Weiteren wird vorgegeben, welches Verfahren zur Verjüngung der Einzelproben geeignet ist. Aus diesen Informationen entstand ein Konzept, daswährend der Laubsamm-lungen angewendet wurde.


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In Zusammenarbeit mit dem zentrale Anbieter für kommunale Dienstleistungen in Gelsenkirchen GELSENDIENSTE wurden anschließend drei unterschiedliche Laubfraktionen im Stadtgebiet von Gelsenkirchen (siehe auch Abbildung 5) ge-sammelt. Es handelte sich um Laub von

Hauptstraßen (HS), Parkanlagen (PA) und Wohngebieten/Seitenstraßen (WS).

Abbildung 4: Laubfrak-tionen der unterschied-lichen Sammelorte im Jahr 2016

HS

PA

WS

Diese Fraktionen wurden gewählt, um den Einfluss von unterschiedlichen Standorten auf die Laubqualität und somit die Eignung als Brennstoff widerzu-spiegeln. Um die Fraktionen zu sammeln, wurde ein LKW mit Greifarm, ein Laubbläser und ein Radlader eingesetzt. Die Ladefläche des LKW betrug rund 10 m3. In Tabelle 4 sind die durchgeführten Laubsammlungen aufgelistet.

Tabelle 4: Laubsammlung im Jahr 2016 und 2017

Nr. Proben-datum

Ort Probenname Gesammelte Menge [m³]

1 05.12.2016 Haupt-straße

GE-2016-HS 18

2 06.12.2016 Park GE-2016-PA 18

3 07.12.2016 Wohn-gebiet

GE-2016-WS 15

4 23.10.2017 Haupt-straße

GE-2017-HS 28

5 19.10.2017 Park GE-2017-PA 28


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Laubsammlung 2016 (AP2.1)

Abbildung 5: Sammel-orte 2016

Sammelorte

Hauptstraße (HS)

• Plutostraße Ecke Hohenzollernstraße • Hohenzollernstraße Ecke Florastraße • Bergmannstraße zwischen Torgauer Str. und Grollmannstraße • Grothusstaße Eche Lockhofstraße • Grothusstraße Eche Verbindunggsstraße • Kranefeldstraße Höhe Nordsternpark • Zum Bauverein Ecke Diesterwegstraße • Magdeburger Straße Ecke Königsberger Straße

Parkanlage (PA)

• Parkstraße Ecke Bochumer Straße

Wohngebiet/Seitenstraßen (WS)

• Liebfrauenstraße • Romanusstraße Ecke Ophofstraße • Sammelstelle-Nollenpad Hülser Straße Buer-Gladbecker-Straße


30. September 2019

Auf einem Umschlagplatz wurde das Laub in Big Bags (2 m³) umgefüllt. Dabei wurden kontinuierlich Proben für die weiterführenden Untersuchungen ent-nommen.

Abbildung 6: Material-aufnahme (links), Probenentnahme (Mitte), Befüllung der Big Bags (rechts)

Jeweils 10 Liter umfassende Einzelproben wurden abwechselnd in eine von zwei bereitstehenden Probewannen (EP, XY 1-n A/B) zu einer Mischprobe ver-eint und anschließend auf jeweils eine Laborprobe (5 l) durch Kegeln und Vier-teln verjüngt (siehe Abbildung 7). Es wurden 9 BigBags (18 m3) mit Laub von der Hauptstraße, 9 BigBags (18 m3) mit Laub aus Parkanlagen und 7,5 Big- Bags (15 m3) mit Laub von Wohngebieten/Seitenstraßen abgefüllt. Das Probenahme-konzept ist in Abbildung 8 dargestellt. Zusätzlich wurde eine Fraktion aus der ländlichen Region um Schortens gesammelt und balliert. Auch hier wurden Proben für weitere Untersuchungen entnommen.

Abbildung 7: Probe-wannen (oben links), Verjüngung (oben rechts), Probeneimer (unten links), Big Bag-Lager am Umschlag-platz (unten rechts)


30. September 2019

Abbildung 8: Probenentnahmekon-zept


30. September 2019

Laubsammlung 2017 (AP6.1) Im Jahr 2017 wurden zwei Laubsammelkampagnen in Zusammenarbeit mit GELSENDIENSTE in Gelsenkirchen durchgeführt. Am 19.10.2017 und am 23.11.2017 wurden insgesamt 28 BigBags à 2 m³ Laub aus einer Parkanlage (14 BigBags) und Laub von Hauptstraßen (14 BigBags) gesammelt. Für die er-neute Sammlung wurden die Fraktionen »Laub Hauptstraße« und »Laub Park-anlage« ausgewählt. Aus den Analyseergebnissen aus AP2.3 ging hervor, dass die Fraktion »Laub Parkanlage« relativ gering verunreinigt (Aschegehalt, Schwermetallgehalte) ist, während die Fraktion »Laub Hauptstraße« relativ ho-he Schwermetallgehalte aufwies. In den folgenden Aufbereitungs- und Ver-brennungsversuchen soll so eine möglichst große Bandbreite an möglichen Laubbrennstoffen erreicht werden.

Die für das Jahr 2016 beschriebenen Probenahmen wurden auch bei der Laub-sammelkampagne im Herbst 2017 angewendet. Für jede Fraktion und jede Sammelkampagne wurden zwei Laborproben generiert (insgesamt 8 Laborpro-ben). Fotos der Sammelkampagnen sind nachfolgend dargestellt:

Abbildung 9: Material-aufnahme Laub Haupt-straße (oben, links), Probenentnahme Laub Hauptstraße (oben rechts), Materialauf-nahme Laub Parkanla-ge (unten, links), Pro-benentnahme Laub Parkanlage (unten, rechts)


30. September 2019

Analyse des Anfallorts und der Sammelmethode (AP2.2)

Bei der Laubsammlung, der Entnahme der Einzelproben und der anschließen-den Verjüngung haben sich im Jahr 2016 mehrere Auffälligkeiten gezeigt. Die Fraktion der Hauptstraße war am wenigsten mit Sand, Steinen und Abfall be-haftet. Im Gegensatz dazu haftet am Laub von Parkanlagen viel Sand. Durch das Einsammeln mit Hilfe eines Radladers wurden zusätzlich Erde und Gras un-ter das Laub gemischt. Das Laub aus den Wohngebieten und Seitenstraßen stammt aus Bereichen mit wenig Verkehr, angrenzenden Einfamilienhäusern und Kinderspielplätzen und zeigt somit eine hohe Menge an Sand auf. Zudem kamen die gesammelten Proben nicht in Kontakt mit Streusalz, da es während der Laubsammlungen nicht gefroren hatte.

Darüber hinaus wurden 4 Laubballen (Quaderballen) von der Stadt Schortens zur Verfügung gestellt. Hier handelte es sich um Laub aus Parkanlagen bzw. um Laub, das von Privatpersonen gesammelt und zu einer zentralen Annahmestelle gebracht wurde.

Tabelle 5: Sammelmethode

Fraktion Kürzel Grundmenge Sammelmethode Zusammensetzung

Hauptstraße HS 9 BigBags Greifarm Wenig Sand, Steine

und Abfall

Parkanlage PA 9 BigBags Laubbläser, Rad-

lader Viel Sand, Steine, Erde und Rasen

Wohnge-biet/Seitenstraße

WS 7,5 BigBags Greifarm Viele Gartenabfälle,

Sand, Steine und Abfall

Schortens LS Schor-

tens 4 Ballen

Kommunale An-nahme / Parkan-

lage

Hoher Halmgutan-teil

Analyse des Brennstoffs (UMSICHT) (AP2.3)

Den Laubfraktionen wurden Proben entnommen und hinsichtlich ihrer (Brenn-stoff-) Eigenschaften untersucht. Die Untersuchungen umfassen u. a. Immediat-analyse, Elementaranalyse, Heizwert, Chlorgehalt, Schwermetalle und Wasser-gehalt.

Tabelle 6: Probenbezeichnung

1 LP HS A, UMSICHT 2 LP HS B, UMSICHT

3 LP PA A, UMSICHT 4 LP PA B, UMSICHT


30. September 2019

5 LP WS A, UMSICHT 6 LP WS B, UMSICHT

7 EP HS A, SCHORTENS 8 EP HS B, SCHORTENS

Aus den verjüngten Einzelproben wurden die Laborproben (LP) generiert (siehe Stammbaum in Abbildung 8). Die folgende Abbildung zeigt das Vorgehen, welches bei der Trocknung der Einzel- und Technikumsproben angewandt wurde. Die Analyseergebnisse sind für alle Proben zusammengefasst in Kapitel 2.1.6 (AP6.2) aufgeführt. Insgesamt schwanken die Zusammensetzungen auch innerhalb einer Fraktion sehr stark, so dass die Probenanalytik während der Projektlaufzeit angepasst werden musste. Anstatt einer Sammelprobe wurden ab 2017 je zwei Einzelpro-ben je Laubfraktion hergestellt, die anschließend im Labor analysiert wurden.


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Abbildung 10: Trocknungskonzept

BigBag 1

Trockenschrank

Wassergehalt

Trockenprobe Tr

ocke

npro

be

verwerfen

HS 1 A HS 1 B

BigBag 2

HS 2 A HS 2 B

BigBag 3

HS 3 A HS 3 B

BigBag 4

HS 4 A HS 4 B

Mischprobe HS BMischprobe HS A

TechnikumsprobeTP HS ALaborprobe

LP HS A (10 l)

TechnikumsprobeTP HS BLaborprobe

LP HS B (10 l)

Hauptstraße

2.1.3 Spätlaub (frisch): Lagerung und Verbrennungssversuche (AP3)

Lagerungsmethode und Brennstoffaufbereitung (AP3.1)

Eine Schwierigkeit bei der Nutzung von Laub als Brennstoff ist, dass in einem sehr kurzen Zeitraum (Oktober bis Dezember) große Mengen anfallen, die zeit-nah nur durch sehr groß dimensionierte Aufbereitungstechnik nutzbar gemacht werden können. Um diese Problematik abzumildern, ist eine geeignete Lage-rungsmethode für Laub notwendig, z. B. die Silierung. Zur Untersuchung dieser Methode sowie der Aufbereitung durch eine Siebung wurden im Rahmen der Projektbearbeitung entsprechende Versuche durchgeführt, deren Ergebnisse nachfolgend dargestellt sind.

Zur Haltbarmachung gibt es zwei Möglichkeiten. Entweder wird das frische Ma-terial zeitnah nach Anfall getrocknet, brikettiert und dann entweder direkt ver-feuert oder trocken, zum Beispiel in Gitterboxen und überdacht, gelagert.


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Als zweite Möglichkeit kann der Faulprozess des Laubes verhindert werden, in-dem das frische Material gasdicht mit Kunststofffolie umschlossen wird, sodass ein Silageprozess das Laub über das Jahr konserviert. Dazu können entweder Si-lageballen oder Silagehaufen angelegt und unter freiem Himmel gelagert wer-den. Für das Herstellen von Silageballen und –haufen können landwirtschaftli-che Lohnunternehmer beauftragt werden.

Die in AP2.1 gesammelten Laubfraktionen wurden aufgeteilt, um unterschiedli-che Behandlungsstränge zu untersuchen. Die max. Lagerzeit ohne Beeinflus-sung des Laubs betrug je nach Witterung ca. 2 bis 3 Wochen.

Ballierung und Silierung Zwei Wochen nach der Laubsammlung im Jahr 2016 wurde ein Teil der in Big Bags lagernden Laubfraktionen jeweils separat zu einem Haufwerk aufgeschüt-tet und von einer Ballierungsmaschine (Comprima CF 155 XC) der Firma Krone balliert. Die Ballierung wurde von einem Lohnunternehmer ausgeführt.

Die Rundballen hatten ein mittleres Gewicht von ca. 960 kg und sind in den Abmaßen 1,2 m x 1,2 m hergestellt worden. Mit dieser Ballengröße können im Durchschnitt ca. 14 Ballen auf landwirtschaftliche Anhänger geladen werden. Zur Bestimmung der Dichte wurden die drei Fraktionen aus Gelsenkirchen so-wie die Fraktion aus Schortens vermessen und gewogen. Die daraus resultie-renden Dichten sind in nachfolgender Abbildung dargestellt.

Abbildung 11: Ballendichte der Proben aus dem Jahr 2016

0

100

200

300

400

500

600

700

800

GE-2016-HS GE-2016-PA GE-2016-WS SCH-2016-LS

Dic

hte

[kg

/m3 ]

Die Dichte der Laub-Ballen aus Schortens beträgt im Mittel 520 kg/m³. Diese hohe Dichte ist auch auf den jeweils hohen Wasseranteil der Proben zurückzu-führen (50 bis 59 %). Die Ballen aus Gelsenkirchen weisen eine deutlich größe-re Dichte auf als die Ballen aus Schortens. Dies kann hauptsächlich auf die Art


30. September 2019

der Ballenherstellung zurückgeführt werden. Die Laubfraktionen aus Gelsenkir-chen wurden zu zylinderförmigen Rundballen geformt. Dagegen besitzen die Ballen aus Schortens eine Quaderform.

Die erzeugten Silageballen wurden eingelagert und im Dezember 2017 nach einem Jahr Lagerung geöffnet, beprobt und verarbeitet (s. Kapitel 2.1.4, AP4.1 und AP4.2).

Mechanische Aufbereitung Aufgrund der hohen Asche- und Schwermetallgehalte wurde eine vereinfachte mechanische Vorbehandlung in Anlehnung an die spätere Trocknung und ggf. gleichzeitiger Siebung im Demonstrationsmaßstab mit einem Schubwende-trockner (vgl. AP3.2) durchgeführt.

Zunächst wurden die Technikumsproben durch Kegeln und Vierteln auf eine Menge von 10 kg reduziert. Die Probe wurde dann bis zur Gewichtskonstanz bei 80 °C in einem Trockenschrank getrocknet. Das trockene Laub wurde auf einem Rüttelsieb mit einer Maschenweite von 4 mm abgesiebt. Daraufhin wur-den der Grob- und Feinanteil zur Analyse ins Labor gegeben. Die ermittelten Aschegehalte der gewonnenen Grob- und Feinanteile sind nachfolgend darge-stellt, die Werte der Gesamtfraktion wurden daraus errechnet. Im Vergleich zu den Analysen der Gesamtfraktion (siehe Tabelle 20) zeigen sich hier Abwei-chungen, die in der Unsicherheit bei der Probenahme und der Materialhetero-genität begründet sind.

Tabelle 7: Aschegehalte der Grob- und Feinanteile nach Siebung der Laubproben mit einer Ma-schenweite von 4 mm

Fraktion

Bezeichnung

Masse [% TS] Aschegehalt [% TS]

Grobanteil Feinanteil Grobanteil Feinanteil Gesamt*

Gelsenkirchen Hauptstraße

GE-2016-HS 85,4 14,6 14,2 36,5 17,5

GE-2017-HS 62,9 37,1 15,9 28,8 20,7

Gelsenkirchen Parkanlage

GE-2016-PA 86,5 13,5 11,3 57,6 17,6

GE-2017-PA 95,0 5,0 7,9 26,4 8,8

Gelsenkirchen Wohnge-biet/Seitenstraße**

GE-2016-WS 51,4 48,6 27,7 61,3 44,0

Schortens Park-anlage/privat Personen

SCH-2016-LS 63,0 37,0 18,6 32,3 23,7

Grenzwert - - - < 6


30. September 2019

* errechnet aus Grob- und Feinanteil

** im Vergleich zu späteren Analysen deutlich höhere Aschegehalte

Die höchsten Feinanteile wurden mit 37,1 und 48,6 % in den Laubfraktionen ermittelt, die an der Haupt- und Seitenstraße gesammelt wurden. Diese Fest-stellung ist mit der großen Menge an Fremdstoffen in den jeweiligen Laubfrak-tionen, wie Erde oder Schutt, zu begründen. Es wird darauf hingewiesen, dass die hohen Aschegehalte in der Fraktion »Wohngebiet/Seitenstraße« in einer späteren gedoppelten Analyse des silierten Materials nicht bestätigt wurden (s. Kommentar zur Erhöhung der Probenanzahl in Kapitel 2.1.4. Hinsichtlich des Aschegehaltes zeigte sich, dass der Hauptanteil an Asche im Feinanteil wieder-zufinden war. Zwar wird der Grenzwert der DIN EN ISO 17225-6 im Grobanteil (Laub) nicht eingehalten, aber durch diese einfache Maßnahme konnte der Aschegehalt beträchtlich verringert werden.

Die Ergebnisse der Schwermetallanalyse sind in der folgenden Tabelle zusam-mengefasst. Um die Werte besser einordnen zu können sind Überschreitungen der Grenzwerte aus der DIN EN ISO 17225-6 und DIN EN ISO 17225-7 für die Brennstoffklasse A und B in Rot dargestellt. Zudem wurden zum Vergleich die Werte der unaufbereiteten und aufbereiteten Laubproben aus dem Projekt »I-beKET - Innovatives bedarfsangepasstes Kommunal-Energieträger Konzept« [Schonhoff-2016] aufgeführt.

Tabelle 8: Schwermettalgehalte der aufbereiteten Laubfraktionen im Vergleich mit den Ergebnissen aus dem Projekt IbeKET [Schonhoff-2016]

Einheit

Laub (unbe-han-delt)

Laub (aufbe-reitet)

GE-2016-PA GE-2016-WS GE-2016-HS SCH-2016-LS

Ø Ibe-KET

Ø Ibe-KET

Fein-anteil

Grob-anteil

Fein-anteil

Grob-anteil

Feinan-teil

Grob-anteil

Fein-anteil

Grob-anteil

As [mg/kg

TS] 0,82 0,43 3,75 0,80 2,99 1,01 4,04 0,93 1,01 <0,80

Cd [mg/kg

TS] 0,26 0,16 0,35 0,20 0,40 0,25 0,62 0,20 <0,20 <0,20

Cr [mg/kg

TS] 46,77 13,70 13,10 2,53 21,50 6,88 108,00 5,61 5,97 2,89

Cu [mg/kg

TS] 20,27 11,72 13,04 7,45 33,30 18,61 114,32 15,56 10,6 8,52

Pb [mg/kg

TS] 7,55 8,68 17,90 3,21 27,96 8,49 67,22 9,01 6,62 4,92

Hg [mg/kg

TS] 0,07 0,07 0,15 <0,10 0,13 0,16 0,17 0,12 <0,1 <0,1

Ni [mg/kg

TS] 32,73 6,55 7,51 2,83 15,84 4,51 49,36 3,72 2,53 1,43

Zn [mg/kg

TS] 101,07 92,40 64,72 41,61 154,25 95,12 494,70 92,62 58,69 55,39


30. September 2019

Rote Schrift: Überschreitung DIN EN ISO 17225-6 Klassen A und B

Insgesamt wird deutlich, dass sich durch eine einfache Aufbereitung durch Sie-bung bereits eine deutliche Reduzierung des Aschegehalts erzielen lässt. Dadurch kommt es zu einer deutlichen Steigerung der Heizwerte im Grobanteil. Die Schwermetalle sind überwiegend in der Feinfraktion konzentriert, so dass ein Großteil der untersuchten Proben die Anforderungen an die DIN EN ISO 17225-6 bzw. -7 bezüglich der maximalen Schwermetallkonzentrationen ein-hält. Die vollständigen Analyseergebnisse sind in Kapitel 2.1.5 (AP5.2) darge-stellt.

Kompaktierungsversuche im Technikumsmaßstab (AP3.2)

Die Kompaktierung hat zum Ziel, formstabile, kompakte und transportfähige Brennstoffe herzustellen. Hierzu wurden die Laubfraktionen im Technikums-maßstab brikettiert und pelletiert. Die erzeugten Pellets wurden im Anschluss für Verbrennungsversuche im Technikumsmaßstab eingesetzt (s. Kapitel 2.1.5, AP5.1) Diese unterschiedlichen Kompaktierungsverfahren wurden anschließend hinsichtlich ihrer Eignung verglichen. Die Ballierung wird den Lagerungsmetho-den zugeordnet. Dementsprechend erfolgte die Darstellung der Ergebnisse in AP 4.1.


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Brikettierung Die Brikettierungsversuche im Technikumsmaßstab wurden mit Hilfe einer Bri-kettiermaschine der Firma CO.MA.FER MACCHINE durchgeführt. Hierzu musste das Laub zunächst zerkleinert werden, wobei zwei unterschiedlichen Methoden (Schneidmühle, Kollermühle) untersucht wurden. Zunächst wurde das Laub (Beispiel Laub Schortens), auf eine für den Brikettierer verwertbare Größe, in ei-ner Schneidemühle zerkleinert (Maschenweite des Siebs 7 bis 8 mm). Erwar-tungsgemäß erwies sich die Zerkleinerung von ungetrocknetem Laub als schwierig (siehe Abbildung 12), da die Maschinen verstopfen. Auch ein Briket-tieren war mit ungetrocknetem Material nicht möglich.

Abbildung 12: GMA-Sieb nach dem Schnei-den von feuchtem Laub (links), geschnit-tenes Laub (hier: Schortens) (rechts)

Für die weiteren Versuche wurde das Laub zunächst bis zur Gewichtskonstanz getrocknet und dann zerkleinert. Für die Brikettierung wurden anschließend drei unterschiedliche Wassergehalte (7 %, 12,5 % und 18 %) eingestellt. Was-ser und Laub wurden in einem handelsüblichen Mischer vereint, wobei eine große Staubentwicklung zu beobachten war. Deshalb war es notwendig die Mischung geschlossen durchzuführen, um einen Materialverlust und die Kon-tamination der Umgebung zu vermeiden. Anschließend wurde das Material in den Brikettierer gefüllt (siehe Abbildung 13).

Abbildung 13: Beton-mischer zur Einstellung des Wassergehalts (links), Brikettierer (in-nen) (Mitte), Brikettierer (Ausgang) (rechts)


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Nach der Brikettierung wurden die entstandenen Briketts untersucht. Dazu ge-hörte die Bestimmung der mechanischen Festigkeit. Diese wurde in Anlehnung an DIN EN 15210-2 unter Zuhilfenahme des Betonmischers Lescha Euro-Mix 125 durchgeführt. Bei Wassergehalten zwischen 7 und 18 % konnten erfolg-reich Briketts erzeugt werden. Allerdings wiesen die Briketts, die mit einem Wassergehalt von 7 % hergestellt wurden, einen großen Abrieb beim Umfüllen (Materialverlust) auf. Dieses für mechanisch nicht stabile Formkörper typische Verhalten weist auf zu niedrige Bindekräfte im Kompaktat hin. Um diese zu er-höhen, muss der Wassergehalt entsprechend erhöht werden. Die Briketts mit einem Wassergehalt von 12,5 % wiesen die beste Qualität (mechanische Fes-tigkeit, Schüttdichte) auf. Bei diesem Wassergehalt konnte bei allen Materialien die größte Schüttdichte festgestellt werden. Zudem wiesen sie weniger Materi-alverlust bei der Handhabung auf. Ebenfalls als formstabil erwiesen sich Briketts mit einem Wassergehalt von 18 %. Durch die stark erhöhten Bindekräfte führte dieser hohe Wassergehalt zur Bildung von sehr langen Briketts. Hierdurch wur-de die Schüttdichte negativ beeinflusst. Die Briketts wiesen eine 2 bis 3,4-mal so hohe Schüttdichte auf wie das unkompaktierte, lose Material (mit Schnei-demühle zerkleinert und mit Wasser versetzt). In Tabelle 9 werden die Ergebnis-se aus der Laubvorbehandlung und der anschließenden Vermessung zusam-mengefasst. Die Bilderserie in Tabelle 10 zeigt einige der hergestellten Briketts.

Tabelle 9: Brikettierungsergebnisse

Name

Schüttdich-te1) (Roh-material) [kg/m3]

Schüttdich-te2) (Tro-

ckenmate-rial)

[kg/m3]

Wasser-geh-alt

nach Was-serzugabe

[%]

Schüttdich-te (nach Schneid-

mühle plus Wasser) [kg/m3]

Brikett-dichte

[kg/m3]

Schüttdich-te Brikett [kg/m3]

GE-2016-HS 37,2 15,3

7,46 188 894 501 13,45 156 895 528 18,24 152 796 442

GE-2016-PA 31,8 14,8

7,30 188 833 461 13,08 209 902 529 19,39 164 832 428

GE-2016-WS 56,2 17,1

7,31 174 947 492 12,73 207 923 526 18,70 237 909 488

SCH-2016-LS 112,7 41,1

7,31 234 915 473 12,43 198 951 528 18,22 168 781 434

1) 54 – 68 % Wasser 2) vorher bis zur Gewichtskonstanz bei 80°C getrocknet


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Tabelle 10: Briketts aus zerkleinertem Laub mit unterschiedlichen Wassergehalten

* Schortens HS entspricht Schortens LS

In einem weiteren Versuch wurde die Kompaktierung mit gekollertem Material untersucht. Dies wurde mit Laub von den Hauptstraßen aus Gelsenkirchen durchgeführt. Das Material wurde in einer zur Kollermühle umgerüsteten Pelle-tieranlage zerkleinert (Matrize mit PV 1). Hierdurch wurde ein sehr feines Mate-rial mit einer Korngröße ca. < 2 mm erzeugt. Anschließend wurde das zerklei-nerte Laub mit 12 % Wasser versetzt und brikettiert. Die Auswertung zeigt, dass die Schüttdichte im Vergleich zu den mit Schneidmühle vorbehandelten Fraktionen (ebenfalls 12 % Wassergehalt) deutlich geringer ist. Die Brikettober-


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fläche ist empfindlich gegen Abrasion, die Briketts selbst sind sehr spröde und eine starke Staubentwicklung sowie das Herausbrechen von Teilstücken konnte beim Umfüllen beobachtet werden.

Dementsprechend führten die Untersuchungen zur mechanischen Festigkeit von Briketts aus gekollertem Ausgangsmaterial (GE-2016-HS*) zu deutlich ge-ringeren Werten. Abbildung 14 zeigt den Vergleich der mechanischen Festig-keit der Briketts in einem Säulendiagramm. Der angegebene Wassergehalt (WG) entspricht der gemessenen Ausgangsfeuchte des Materials vor der Kom-paktierung.

Abbildung 14: Mecha-nische Festigkeit der Briketts - Vorbehand-lung mittels Schneid-mühle bzw. *Kollermühle

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

GE-2016-HS GE-2016-PA GE-2016-WS SCH-2016-LS GE-2016-HS*

Mec

han

isch

e Fe

stig

keit

[%]

7,46

% W

G

13,0

8 %

WG

18,2

4 %

WG

13,4

5 %

WG

7,30

% W

G

19,3

9 %

WG

12,7

3 %

WG

18,7

0 %

WG

7,31

% W

G

12,4

3 %

WG

18,2

2 %

WG

12,7

4 %

WG

Pelletierung Die Pelletierversuche wurden mit einer Granulierpresse der Firma Amandus Kahl GmbH & Co. KG (3 kW Anschlussleistung) durchgeführt. Es wurden erneut zwei unterschiedliche Vorbehandlungsschritte (Kollermühle und Schneidmühle) betrachtet. Während der ersten Pelletierversuche wurde das Material bis zur Gewichts-konstanz getrocknet und anschließend gekollert. Das entstandene Laubmehl wurde mit Wasser versetzt, so dass 7, 9 und 11 % Wassergehalt erreicht wur-den. Die Pelletierung wurde mit unterschiedlichen Matrizen durchgeführt. Wäh-rend der Bohrlochdurchmesser konstant war, wurde das Pressweg-Durchmesser-Verhältnis (PV) der Matrizen variiert. Bei einem Durchmesser von 6 mm betrug das PV 3, 4 und 5. Eine Matrize mit dem PV 3 hat dementspre-chend einen Pressweg von 18 mm, PV 4 entspricht einem Pressweg von 24 mm und PV 5 einem Pressweg von 30 mm.

Mit einem PV von 3 konnten keine stabilen Pellets erzeugt werden. Das zerklei-nerte Laub rieselte überwiegend durch die Matrizenkanäle hindurch. Das PV 4 führte zu formstabilen Pellets. Es zeigte sich, dass mit zunehmendem Wasser-


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gehalt der Feinanteil (wird nach dem Pelletieren abgesiebt) sank. Zu niedrige Wassergehalte führten hingegen zu einem reduzierten Materialdurchsatz und insgesamt schwierigerer Produktion. Das zur Beurteilung der Prozessstabilität herangezogene Kriterium „Stromaufnahme der Pelletiereinheit“ zeigte entspre-chend bei zu niedrigen Wassergehalten sehr sprunghafte, volatile Werte. Dieser Umstand kann darauf zurückgeführt werden, dass Wasser als Gleitmittel fun-giert und den Weg durch den Presskanal erleichtert. Somit ist ein zu geringer Wasseranteil hinderlich und führt im Extremfall zum Blockieren der Matrizen-bohrungen. Beispielhaft sind nachfolgend einige der erzeugten Pellets darge-stellt.

Tabelle 11: Pelletierversuche GE-2016-HS* 4er Matrize

Die Versuche mit gekollertem Laub wurden mit Material von der Gelsenkirche-ner Hauptstraße durchgeführt. Die Pelletierung erfolgte mit einer Matrize PV 5 und einem WG von 11 %. Es zeigte sich, dass die entstandenen Pellets optisch den besten Eindruck machten. Bei der Herstellung wurde kaum Staub freige-setzt und die Pellets hatten eine harte und glänzende Oberfläche. Die Bestim-mung der Schüttdichte ergab den höchsten Wert. Dennoch stellte sich die Her-stellung als langwierig und störungsanfällig heraus. Viele der Durchgänge in der Matrize verstopften und der Koller blockierte häufig. Aus diesem Grund wurden die Versuche mit gekollertem Material nicht fortgeführt und gröber zerkleinertes Material (s. u.) wurde eingesetzt.

Dazu wurde das Laub nach dem Trocknen in der Schneidemühle vorbehandelt und hatte eine Korngröße von < 7 mm. Während der Verarbeitung zeigte sich, dass der Pelletiervorgang kontinuierlicher und stabiler verlief als mit gekollertem Material. Bei zunehmendem Wassergehalt konnte die Stromaufnahme leicht auf einem konstanten Niveau gehalten werden. Insgesamt konnte mit zuneh-mendem PV eine höhere Pelletdichte und –ausbeute beobachtet werden. Die besten Pellets sind bei der Verwendung der Matrize mit einem PV von 5 ent-standen. Die Absiebung nach der Pelletierung erzeugte kaum Feinanteil und die Zylinder besaßen eine dunkle, glänzende und gleichmäßige Oberfläche.


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Zur quantitativen Beurteilung der Produktqualität wurde, ähnlich wie bei den Briketts, ein Verfahren zur Bestimmung der mechanischen Festigkeit herange-zogen. Am Beispiel der Laubfraktion aus dem Wohngebiet sind in Abbildung 16 die Ergebnisse dieser Untersuchungen dargestellt. Zur Prüfung wurde eine nach den Vorgaben der DIN EN 15210-1 konstruierte Pelletprüfmaschine Abbil-dung 15) eingesetzt.

Abbildung 15: Skizze der Pelletprüf-maschine

1 Trommel 2 Klappe 3 Sicherheitsbox 4 Deckel 5 Antriebsrad 6 Antriebsriemen 7 Motor und Getriebe

Bei dem normierten Verfahren nach DIN EN 15210-1wird eine vorher abgesieb-te Prüfmenge von (500±10) g in die Kastentrommel (1) gegeben. Im Gegensatz zu den Vorgaben der Norm wurde die Probenmenge durch eine Waage mit ei-ner Genauigkeit von 1 g bestimmt. Die Kastentrommel rotiert mit 50±2 Um-drehungen pro Minute 500 Umdrehungen lang. Anschließend erfolgt eine er-neute Absiebung und der prozentuale Anteil des Überkorns entspricht dem Wert DU (mechanische Festigkeit).

Abbildung 17 zeigt die mechanische Festigkeit der Pellets aus den unterschied-lichen Laubfraktionen im Vergleich. Die durchgeführten Messungen zur me-chanischen Festigkeit lassen erkennen, dass keine Fraktion eine mechanische Festigkeit > 97,5 % aufweist und damit die Anforderungen an die Klasse A aus der DIN EN ISO 17225-6 erfüllt. Lediglich die Fraktion aus Schortens (SCH-2016-LS) mit einem PV von 5 und einem WG von 11 % übersteigt einen Wert von 96 % und kann dadurch als Klasse B deklariert werden. Um die mechani-sche Festigkeit zu steigern sind z. B. Additive notwendig. Alternativ kann Bezug auf andere Normen genommen werden, die geringere Festigkeitsanforderun-gen haben.


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Abbildung 16: Mechanische Festigkeit der Pellets aus der Laubfraktion der Wohnstraße (GE-2016-WS) bei Verwendung unterschiedlicher Matri-zen

0102030405060708090

100

3er Matrize 4er Matrize 5er Matrize

Üb

erko

rn

[%]

nac

h D

IN E

N 1

5210

-1

8,47

% W

G

12,2

9 %

WG

8,70

% W

G

11,2

9 %

WG

11,4

8 %

WG

10,9

4 %

WG

13,2

6 %

WG

15,1

4 %

WG

Abbildung 17: Mechanische Festigkeit der Pellets bei Verwen-dung der 5er Matrize

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

GE-2016-HS GE-2016-PA GE-2016-WS SCH-2016-LS

Üb

erko

rn

[%]

nac

h D

IN E

N 1

5210

-1

7,74

% W

G

10,0

6 %

WG

11,8

3 %

WG

10,9

4 %

WG

13,2

6 %

WG

15,1

4 %

WG

7,65

% W

G

10,0

6 %

WG

11,4

3 %

WG

10,3

9 %

WG

12,2

2 %

WG

Die Messungen der Schüttdichte ergaben überwiegend, wie in der DIN EN ISO 17225-6 gefordert, eine Schüttdichte > 600 kg/m3. Eine zu hohe oder zu nied-rige Schüttdichte kann auch durch die Pelletlänge beeinflusst werden, da diese den Lückengrad in der Schüttung beeinflusst. Diese Werte sind also nicht als al-leiniges Gütekriterium heranzuziehen, sondern jeweils im Gesamtkontext zu be-trachten.

Für die in AP3.3 durchgeführten Verbrennungsversuche im Technikum wurden zudem reine Holzpellets (Kiefernholz) sowie Pellets mit Mischungsverhältnissen von Laub/Holz von 25/75, 50/50 und 75/25 hergestellt.

Vergleich der Kompaktierungsmethoden Pelletierung und Brikettierung verfolgen denselben Ansatz: Durch eine Kom-paktierung des Materials soll eine höhere Schütt-, respektive Energiedichte er-zielt werden. Dies wirkt sich positiv auf Transport-, Lager- und Verbrennungs-prozesse aus. Für beide Verfahren konnten im Vorhaben geeignete Parameter


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ermittelt werden. Um für die energetische Laubnutzung das am besten geeig-netste Verfahren zu ermitteln, müssen dementsprechend weitere Kriterien hin-zugezogen werden.

Unter folgenden Rahmenbedingungen sind die besten Briketts entstanden:

Eine Korngröße < 7 mm des Rohmaterials und ein WG von 12,5 – 13,5 %. Daraus folgten:

Eine hohe Brikettdichte (> 900 kg/m³) eine gute Schüttdichte (> 500 kg/m³) eine gute mechanische Festigkeit (> 90%) wenig Staubbildung kaum Materialverlust und ein hoher Durchsatz. Pellets wurden ebenfalls aus Laub < 7 mm mit annähernd demselben Wasser-gehalt hergestellt. Die beste Verarbeitung erfolgte mit einer Matrize PV 5. Die Versuchsergebnisse und die Erfahrungen aus der Produktion ergaben im Ver-gleich zu den Briketts: eine höhere Schüttdichte (> 725 kg/m³) eine vergleichbare mechanische Festigkeit (> 90 %) gleich große Staubbildung aber einen höheren Feinanteil längere Herstellungsdauer und geringeren Durchsatz. Der sehr hohe Asche- und Fremdanteil in den Laubfraktionen wird bei einer Pel-letierung kurz- bis mittelfristig zu hohem Materialverschleiß an den Matrizen führen. Kostenintensive Reparaturen sind demnach einzukalkulieren. Unter Be-rücksichtigung, dass eine ebenbürtige Produktqualität erreicht werden kann und die angedachten Energieerzeugungsanlagen nicht auf Pellets angewiesen sind, ist demnach die Brikettierung zu bevorzugen.

Verbrennungs- und Trocknungsversuche, Technikum (AP3.3)

Die durchgeführten Verbrennungsversuche sind in Kapitel 2.1.5 (AP5.1) zu-sammengefasst. Die Trocknungsversuche im Technikum sind in Kapitel 2.1.4 (AP4.3) dargestellt.


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Verbrennungsversuche, Rostfeuerung (AP3.4)

Die Ergebnisse der Verbrennungsversuche im Demonstrationsmaßstab bzw. im praktischen Maßstab sind in Kapitel 0 dargestellt.

2.1.4 Spätlaub (BA): Analyse und Verbrennungsversuche (AP4)

Analyse (Brennstoff-)Eigenschaften (AP4.1)

Die in AP 3.1 hergestellten Silageballen wurden nach einem Jahr Lagerung im Dezember 2017 geöffnet und verarbeitet (vgl. AP4.2).

Fotos des Silageballens »Hauptstraße 2016« (GE-2016-HS-Si) sind nachfolgend abgebildet. Bis auf oberflächliche Schimmelbildung an einigen Stellen war der Großteil des Laubes nicht verrottet (siehe Abbildung 18). Der Feuchtegehalt im Laub war mit im Mittel 68 % Wassergehalt höher als beim Eingangsmaterial mit 59 % Wassergehalt.

Abbildung 18: Geöffneter Silageballen (links und Mitte), siliertes Laub (rechts)

Die chemischen Analyseergebnisse sind in Kapitel 2.1.6 zusammengefasst. Die Änderungen der Asche- und Flüchtigengehalte sowie des Heizwerts sind in AP4.2 (dieses Kapitel) dargestellt.

Die Verbrennungseigenschaften wurden im Rahmen einer zentralen Verbren-nungskampagne im März 2018 ermittelt (vgl. AP5.1, Kapitel 2.1.5).

Kompaktierungsversuche im Demonstrationsmaßstab (AP4.2)

Im Dezember 2017 wurde eine Kampagne zur Aufbereitung, Trocknung und Brikettierung der gesammelten Laubproben aus AP2.1 und AP6.1 und der silier-


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ten Laubproben aus AP3.1 durchgeführt. Dafür wurde die Infrastruktur der Fir-ma RIELA®, Karl-Heinz Knoop e. K. (RIELA-Energiehof) genutzt.

Folgende Laubfraktionen wurden eingesetzt:

Hauptstraße 2016, siliert (GE-2016-HS-Si) Wohnstraße 2016, siliert (GE-2016-WS-Si) Parkanlage 2016, siliert (GE-2016-PA-Si) Hauptstraße 2017 (GE-2017-HS) Parkanlage 2017 (GE-2017-PA) Zudem wurde eine Mischung mit Holzhackschnitzeln (50 % Laub, 50 % Holz-hackschnitzel) aus der Fraktion GE-2017-HS hergestellt (GE-2017-HS+HHS).

Versuchsaufbau Zur Trocknung und Brikettierung der Laubfraktionen wurde das in Bigbags oder Silageballen gelagerte Laub zunächst in einen Mischer aufgegeben und an-schließend über ein Förderband in einen Zwischenbunker entleert. Vom Zwi-schenbunker wurde das Material in einen weiteren Bunker zur Versorgung des direkt angeschlossenen Schubwendetrockners (SWT) der Firma RIELA transpor-tiert. Die Entleerung des Zwischenbunkers erfolgte automatisiert über die Füll-standsmessung des Vorratsbunkers. Ein Schubwendetrockner arbeitet nach dem Schub-Wende-Prinzip, wahlweise im kontinuierlichem oder diskontinuierli-chem Betrieb. Durch die regelmäßige Durchmischung wird eine gleichmäßige Verteilung der Feuchte im Trocknungsgut erreicht, was einen anschließenden Brikettierprozess und das weitere Handling begünstigt. Die Trockenzone des Schubbodentrockners besteht aus einem feststehenden Lamellenboden, auf dem das Material ruht. Der Lamellenboden wird von unten mit heißer Luft durchströmt. Ein Wendewagen mit Wendewerkzeugen fährt vom Auswurf aus paddelnd in Richtung Aufgabebunker über das Material hin-weg. Bei diesem Arbeitsgang wenden und mischen Wendewerkzeuge das Trocknungsgut und transportieren es in Richtung Austrageband. Am Aufgabe-bunker angekommen stoppt der Wendewagen und fährt ruhend wieder zum Auswurf zurück. Hier startet nach einer eingestellten Pausenzeit der Fahrzyklus erneut und das auf das Austrageband geförderte Gut wird aus dem Trockner gefahren. Für die Versuchskampagne wurde ein Schubwendetrockner mit einer Lamellenbodenlänge von 6 m und einer Breite von 1 m verwendet. Über ein Förderband wurde das trockene Gut in eine hydraulische Brikettier-presse mit einer Nennleistung von 60 kg/h überführt. Das in dem Materialbe-hälter der Presse gepufferte Trockengut wurde mithilfe einer Dosierschnecke automatisch in die Presskammer gefördert und von dort mit einem hydrauli-schen Stempel durch eine Presszange kompaktiert. Durch den Druck der Press-zange konnte die Brikettlänge eingestellt werden. Hinter der Presszange war eine ca. 1 m lange Kühlstrecke angebracht. Mit der Brikettierpresse konnten Briketts mit einem Durchmesser von 65 mm hergestellt werden.


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Versuchsdurchführung Die oben genannten Laubfraktionen wurden nacheinander manuell in den Mi-scher aufgegeben und über die Förderbänder und Bunker 1 und Bunker 2 in den Schubwendetrockner überführt. Insbesondere bei den silierten Proben, die einen hohen Feuchtegehalt aufwiesen, konnten der Mischer und Bunker 1 nur ca. zu 1/3 befüllt werden, da es ansonsten zu einem Verstopfen des eingefüll-ten Laubs kam. Die Haltezeit des Schubwendewagens wurde fortlaufend ange-passt. Dies erfolgte auf Basis von Ergebnissen einer Feuchtemessung mittels Feuchtebestimmer (Typ Sartorius MA30). Dazu wurden nach jedem Hub des Schubwendewagens Laubproben von dem am Austrag befindlichen Förderband über eine Wartungsluke entnommen und der Wassergehalt ermittelt. Bei Wer-ten über 12 % wurde die Haltezeit vergrößert, bei Werten unter 12 % verrin-gert. Aufgrund schwankender Laubfeuchten war eine kontinuierliche Kontrolle des Wassergehalts und Anpassung der Haltezeit erforderlich. Die hergestellten Briketts wurden in Körben gesammelt und nach einer Wiegung in BigBags ge-füllt. Der Durchsatz der Brikettierpresse lag zwischen 20 und 30 kg/h. Zwischen den Fraktionen wurden die Bunker und der Schubwendetrockner gereinigt. Für die Mischfraktion wurden zu jedem Hub des Schubwendetrockners kontinuier-lich trockene Holzspäne direkt in die Aufgabe der Brikettpresse gegeben. Das Masseverhältnis betrug 1:1. Die aufzugebene Masse an Holzspänen wurde durch Auswiegen mehrerer Hübe des Schubwendetrockners ermittelt. Die Ver-suche wurden teilweise im 2-Schicht-Betrieb durchgeführt. Parallel zu der Bri-kettierung wurden Labor- und Technikumsproben von allen Fraktionen ge-nommen. Dazu wurden jeweils mehrere Teilproben hinter dem Schubwende-trockner entnommen und zu einer Technikumsprobe überführt, die anschlie-ßend zu je zwei Laborproben verjüngt wurden. Die Technikumsproben werden des Weiteren zur Herstellung von Pellets für Verbrennungsversuche im Techni-kum verwendet. Insgesamt wurden folgende Mengen an Briketts hergestellt:

Tabelle 12: Hergestellte Briketts - Eigenschaften

Bezeichnung Gewicht [kg] Schüttdichte der Briketts [kg/m³]

GE-2016-HS-Si 315 288

GE-2016-PA-Si 402 318

GE-2016-WS-Si 315 362

GE-2017-HS 742 357

GE-2017-PA 345 292

GE-2017-HS+HHS 622 367


30. September 2019

Die Fotos der hergestellten Briketts sind nachfolgend dargestellt:

Tabelle 13: Hergestellte Briketts - Fotos

Aus den Analysen der unbehandelten und silierten Proben konnte ein Heiz-wertverlust von etwa 10 bis 25 % (Parkanlage und Hauptstraße) durch eine Si-lierung festgestellt werden (vgl. nachfolgende Abbildungen). Bei dem Material aus der Wohnstraße wurde eine Heizwerterhöhung ermittelt. Dies ist allerdings unwahrscheinlich, so dass an dieser Stelle von einem Messfehler ausgegangen werden muss. Der eingesetzte Schubwendetrockner konnte durch die Laubpro-ben sicher trocknen. Vorteilhaft war das häufige Umsetzen des Material. Eine einhergehende Reduzierung des Aschegehalts konnte nicht eindeutig festge-stellt werden. Es ist zu ergänzen, dass die Anzahl an Laborproben für das Jahr 2017 auf 2 je Fraktion erhöht wurde (je Doppelbestimmung), da aufgrund der großen Inhomogenität der Laubproben eine einzelne Laborprobe trotz exakter Einhaltung zur Herstellung aus einem größeren Haufwerk nur von begrenzter Aussagekraft ist (vgl. AP2.3).


30. September 2019

Abbildung 19: Einfluss der Silierung auf Asche- und Flüchti-gengehalt (Si=siliert)

0102030405060708090

100

GE-2016-PA(n=1)

GE-2016-PA-Si(n=2)

GE-2016-HS(n=1)

GE-2016-HS-Si(n=2)

Mas

se [

%]

Flüchtigengehalt Aschegehalt

Abbildung 20: Einfluss der Silierung (Si=siliert)

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

GE-2016-PA(n=1)

GE-2016-PA-Si(n=2)

GE-2016-HS(n=1)

GE-2016-HS-Si(n=2)

Hei

zwer

t (T

S) [

MJ/

kg]


30. September 2019

Pelletierversuche Die silierten, im Schubwendetrockner getrockneten Proben (Technikumsproben, s. o.) wurden entsprechend der beschriebenen Vorgehensweise in AP3.2 in ei-ner Technikumsanlage pelletiert und für Verbrennungsversuche im Technikum verwendet (s. u.).

Tabelle 14: Hergestellte Pellets

Bezeichnung Gewicht [kg] Wassergehalt [Ma.-%] Schüttdichte [kg/m³]

GE-2016-HS-Si 0,7 15 742,6

GE-2016-PA-Si 0,7 8 765,2

GE-2016-WS-Si 0,7 8 793,2

GE-2017-HS 0,7 7 758,2

GE-2017-PA 0,5 9 666,3

Ge-2017-HS+HHS 0,7 4 748,9

HHS 0,7 4 -

Verbrennungsversuche, Technikumsanlagen (AP4.3 und AP3.3)

Die im Rahmen der Laubsammlungen in den Jahren 2016 und 2017 gewonne-nen Technikumsproben (Pellets und unpelletiertes Laub) wurden bei UMSICHT in folgenden Technikumsanlagen untersucht:

LOKI (Large Oven for Kinetics Investigations): Ermittlung von Abbranddau-er, Zündzeitpunkt, Gasfreisetzungsverhalten an Pellets

Schürofen: Trocknungsgeschwindigkeit des unbehandelten Laubs unter Einfluss verschiedener Luftmengen und Lufttemperaturen, sowie mit und ohne Schürung

Verbrennungsversuche an einer Technikumsanlage Die durchgeführten Verbrennungsversuche sind in Kapitel 2.1.5 (AP5.1) zu-sammengefasst.

Trocknungsversuche am Schürofen Bei den durchgeführten Trocknungsversuchen wurden insbesondere die Trock-nungsgeschwindigkeiten, Temperaturen und Luftströme betrachtet, um eine zeitliche Abgrenzung der Teilschritte Trocknung und Entgasung vornehmen zu können.


30. September 2019

Der Versuchsofen, eine Eigenentwicklung von Fraunhofer UMSICHT, ist ein per-forierter Drehrohrofen, der sowohl Dreh- als auch Schwenkbewegungen aus-führen kann und aus den folgenden Komponenten besteht:

Hochtemperaturofen mit Schürmodul Regelbare Gaszufuhr Abgasabsaugung und –aufbereitung und Abgasanalyse. Die dem Ofen zugeführte technische Luft besteht aus 21 Vol.-% Sauerstoff. Der Volumenstrom kann durch entsprechende Regler auf bis zu 100 l/min ein-gestellt werden. Der niedrigste Luftstrom beträgt 1 l/min. Die technische Luft gelangt über die Zone 1 in den Reaktionsraum. Die Wärmeübertragung kann konstruktionsbedingt durch Strahlung, durch Konvektion, von unten, von oben, in inerter oder oxidierender Atmosphäre, sowie in ruhender oder bewegter Schüttung erfolgen.

Abbildung 21: Frontansicht Schürofen (links), aufgeklappte Heizelemente und sichtbarer Reaktor (rechts)

Für die Trocknungsversuche wurden folgende Proben eingesetzt:

Laub Hauptstraße 2016 (GE-2016-HS) Laub Parkanlage 2016 (GE-2016-PA) Laub Wohnstraße 2016 (GE-2016-WS) Laub Schortens Laubsammlung 2016 (SCH-2016-LS) Bei den Trocknungsversuchen im Drehrohrofen wurden die Parameter Lufttem-peratur, Luftmenge und stehende oder bewegte Schüttung in drei Versuchsrei-hen variiert. Zunächst wurde in einer ersten Versuchsreihe die Ofenraumtempe-ratur bei verschiedenen Lufttemperaturen und Luftmengen ohne Laub be-stimmt. Bei der zweiten Versuchsreihe wurde der Zusammenhang zwischen er-höhter Trocknungstemperatur und unerwünschter Pyrolyseprozesse betrachtet. Bei der letzten Versuchsreihe wurden mit einer Lufttemperatur verschiedene Laubfraktionen bei einem gleichbleibenden Luftstrom für eine bestimmte Zeit getrocknet, um einen für weitere Prozessschritte benötigten Wassergehalt ein-


30. September 2019

zustellen. Hierbei wurde auch der Einfluss der stehenden und bewegten Schüt-tung betrachtet. Dabei wurden nahezu alle Versuche in Doppelbestimmung durchgeführt. Für die Versuche wurden einheitlich je 5 g Laub verwendet.

Die Ergebnisse der Trocknung zeigen, dass Laub bei einer Temperatur von ca. 165 °C getrocknet werden kann, ohne dass eine pyrolytische Zersetzung be-ginnt. Bei Temperaturen über 240 °C pyrolysiert das Laub bereits stark. Die für die nachfolgende Kompaktierung notwendige Restfeuchte von 15 bis 20 % sollte durch eine entsprechende Parametrierung der vorgelagerten Trocknungs-einheit sichergestellt werden. Hohe Trocknungstemperaturen sind hierfür nicht notwendig Mit dieser Erkenntnis wurden verschiedene Laubfraktionen bei ca. 70 °C für 20 Minuten bis zur einem Restwassergehalt von im Durchschnitt 11 % getrocknet. Dabei wurde mit Schürung eine schnellere Trocknung er-reichtals ohne Schürung.


Die Ergebnisse der Verbrennungsversuche im Demonstrationsmaßstab bzw. im praktischen Maßstab sind in Kapitel 0 dargestellt.

2.1.5 Auswertung und Gegenüberstellung der Verbrennungsversuche (AP5)

Auswertung und Zusammenfassung der Verbrennungsversuche (AP5.1)

Verbrennungsversuche Technikum

Die Verbrennungsversuche im Technikum wurden an der Versuchsanlage LOKI (Large Oven for Kinetics Investigations) durchgeführt. Die Anlage besteht aus den folgenden Komponenten:

Ofenraum, der in zwei Ofenzonen eingeteilt ist Gaszufuhr, die an technische Luft und Stickstoff angeschlossen ist Thermowägesystem Linear-pneumatischer Antrieb für die Probeneingabe Gasanalyseeinheit und Thermoelemente an verschiedenen Positionen.

Der Ofenraum stellt das Hauptelement des Systems dar. Durch einen perforier-ten Filter ist er in zwei verschiedene Ofenzonen geteilt, die unabhängig vonei-nander betrieben werden können. So können in jeder Zone die Parameter wie


30. September 2019

Temperatur und Aufheizrate unterschiedlich eingestellt werden. Außerdem können verschiedene Volumenströme der technischen Luft oder des Stickstoffs den einzelnen Ofenzonen zugeführt werden, um eine spezifische Reaktionsat-mosphäre zu schaffen. Die Probe wird in ein temperaturresistentes Körbchen aus Glasfaser gelegt, das sich in der unteren Ofenzone befindet. Dieses Körb-chen wird dann an einen Haken gehängt, der mit dem Wägesystem verbunden ist und kann damit verbunden in den Ofen eingebracht werden. Die Eingabe der Probe ist in einen aufgeheizten oder nicht aufgeheizten Ofen möglich, je nachdem ob eine schnelle Erhitzung oder eine langsame Erhitzung der Probe gewünscht ist. Das Wägesystem ermöglicht eine Echtzeit-Aufnahme des Mas-severlusts der Probe während des Verbrennungsversuchs. Um Verunreinigun-gen und die Beeinflussung des Wägesystems zu verhindern, wird dieses wäh-rend des Versuchs ununterbrochen mit Stickstoff gespült. Die verschiedenen Abgase, die während des Versuchs entstehen, durchqueren den perforierten Fil-ter und betreten die obere Ofenzone, in der die Nachverbrennung der Abgase durch Zugabe von technischer Luft stattfindet. Anschließend erfolgt die Be-stimmung der Gaszusammensetzung mit einer Gasanalyseeinheit, in der die Konzentrationen an Wasser (H2O), Kohlenstoffdioxid (CO2) und Kohlenstoffmo-noxid (CO) in Vol.-% gemessen werden. Durch ein zweites Gasanalysegerät (TESTO 350) das an eine weitere Gasentnahme angeschlossen ist, kann der Sauerstoffgehalt im Abgas bestimmt werden. Die Temperaturverhältnisse kön-nen mittels Thermoelementen überwacht werden, die an unterschiedlichen Po-sitionen im Ofen platziert sind. Das für die vorliegenden Versuche wichtigste Thermoelement befindet sich in unmittelbarer Umgebung der Probe im Ofen-raum. Die dort gemessene Temperatur erlaubt Rückschlüsse über die unmittel-bare Probenumgebung. Exotherme Reaktionen können qualitativ beurteilt wer-den. Abbildung 22 zeigt eine schematische Übersicht des Pyrolyseofens.


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Abbildung 22: Pyrolyseofen LOKI

Waage

Messgaskühler

Messgassonde

Messgasanalytik

H2O

CO2

CO

υ = 120°C

„Warmanalytik“

„Kaltanalytik“

Beheizte Rauchgasleitung

Schleuse

obere Reaktorzone

untere Reaktorzone

Fritte

Keramikschüttung

„Nachoxidation“

„Pyrolyse / Verbrennung“

„Inertisierung“

Messgasanalytik

techn. LuftWaagenspülung N2

N2 / techn. LuftN2

5 Thermoelemente

elektr. Beheizung

Quarzglasreaktor

oberer Flansch

unterer Flansch

υ = 350°C

υ = 5°Cυ = 1000°C

1 – 40 K/min

υ = 20 … 1000°C1 - 40 K/min

Rauchgas

υ = 120°C

elektr. Beheizung

Thermoelement Abluft

Linearsystem

Probenkörbchen

Probenschüttung

Linearsystem

Schleuse„Inertisierung“

Die bestimmenden Merkmale der Hauptkomponenten werden nachfolgend be-schrieben. Ofenraum Der Ofen ist ein Zylinder aus Quarzglas, der von außen durch umschließende Heizelemente beheizt wird. Es sind Temperaturen bis 1000 °C möglich. Der Ofenraum hat einen Durchmesser von 198 mm und ist 1610 mm lang. Das Vo-lumen der unteren Ofenzone beträgt 13,46 Liter, das der oberen Ofenzone 31,6 Liter. Eine perforierte Filterplatte (Fritte), die aus Aluminiumsilikat gefertigt ist, trennt die beiden Ofenzonen. Sie besteht aus zwei gegenüberliegenden verdrehten Lochplatten, und in Kombination mit ihrer porösen Struktur ermög-licht sie eine örtliche und thermische Trennung der Zonen. Die entstehenden Abgase können die Filterplatte passieren. Durch die Voreinstellung definierter Volumenströme kann die Flussrichtung der Gase von der unteren in die obere Ofenzone gewährleistet werden. Thermowägesystem Das Wägesystem befindet sich am oberen Ende des Versuchsaufbaus. Die Brennstoffprobe wird in einem Korb aufgehängt, welcher mit der Waage ver-bunden ist. Die Waage arbeitet nach dem Prinzip eines Schwingsaitenaufneh-


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mers. Der Draht hat einen Durchmesser von 90 µm, ist aus Wolfram gefertigt und befindet sich in einem Magnetfeld. Der Draht kann durch eine angelegte Wechselspannung zum Vibrieren angeregt werden. Die Änderung der Aus-gangsfrequenz kann in Masseneinheiten umgerechnet werden. Der Messbe-reich der Waage reicht von 1 bis 500 g mit einer Genauigkeit von ± 0,1 g. Gasanalyseeinheit Zur Abgasanalyse werden zwei verschiedene Gasanalysegeräte verwendet. Durch die Gasprobensonde PSP 4000-H von M&C werden kontinuierlich Ab-gasproben entnommen. Das Gasanalysegerät MLT2 von Emerson analysiert den Wasser-, Kohlenstoffmonoxid- und Kohlenstoffdioxidgehalt. Der Wassergehalt wird bei einer Temperatur von 120°C gemessen, um das Auskondensieren der Feuchtigkeit zu verhindern. Zur Messung der CO2- und CO-Konzentration wird die Gasprobe nach der Messung des Wassergehaltes extern durch eine Kühlvor-richtung auf 5°C abgekühlt, wodurch das enthaltene Wasser auskondensiert. Ein tragbares Gasanalysegerät zur Messung der Sauerstoffkonzentration ist ebenfalls mit der Messgassonde verbunden. Die Erfassung der Messwerte er-folgt jeweils sekündlich. Linear-pneumatischer Antrieb Der linear-pneumatische Antrieb dient der Probenzufuhr. So können, im Ge-gensatz zu einer manuellen Einbringung, gleichbleibende Versuchsbedingungen bei Mehrfachversuchen sichergestellt werden. Die durch die Probenzufuhr ver-ursachten Messstörungen des Wägesystems können hierdurch ebenfalls verrin-gert werden, sind aber dennoch gegeben. Um eine hohe Qualität der experimentellen Ergebnisse zu gewährleisten, folg-ten die Versuche einer strengen Untersuchungsvorschrift (s. nachfolgender Ab-satz). Die Randparameter der Versuche sind in Tabelle 15 aufgeführt. Alle Mes-sungen im Versuchsofen LOKI erfolgten als Doppelbestimmung.

Tabelle 15: Parameter für die Verbrennungsversuche

Versuchsparameter Untere Ofenzone Obere Ofenzone

Temperatur 900 °C 1000 °C

Aufheizrate 40 K/min

Volumenstrom 10 l/min-technische Luft (21 Vol.-%)

5 l/min-technische Luft (21 Vol.-%)

Spülungsvolumenstrom (Thermowaage)

2 l/min N2

Die Probenvorbereitung umfasst die Auswahl geeigneter Pellets. Es wurden ge-zielt Pellets mit einer Länge von 17 bis 19 mm und einer entsprechenden Masse


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von 0,58 bis 0,69 g für die Versuche verwendet. Die jeweilige Doppelbestim-mung erfolgte mit zwei Pellets, die annähernd das gleiche Gewicht und die gleiche Geometrie aufweisen. Die Rückstände der Pellets wurden nach den Ver-suchen erneut gewogen. Abbildung 23 zeigt die Bestimmung dieser Parameter.

Abbildung 23: a) Mes-sung des Pellets vor der Verbrennung b) Wiegen des Pellets vor der Verbrennung c) Wiegen des Pellets nach der Verbrennung

Die Experimente wurden in einer Luftatmosphäre mit 21 Vol.-% Sauerstoff durchgeführt. Der Volumenstrom der zugeführten technischen Luft in der unte-ren Ofenzone betrug 10 L/min, der für die obere Ofenzone 5 L/min. Da eine spontane Aufheizung der Pellets erfolgen sollte, wurden zunächst beide Ofen-zonen aufgeheizt. Nach Erreichung eines stationären Temperaturzustands wur-de ein Pellet mit den Versuchsbedingungen (s. u.) eingebracht. Mittels linear-pneumatischem Antrieb wurde die Probe in die Reaktionszone befördert. Alle Messdaten wurden währenddessen kontinuierlich erfasst. Der Versuch galt als beendet, wenn keine Massenänderung mehr festgestellt werden konnte, bzw. die Gaskonzentrationen einen konstanten Wert annahmen.

Abbildung 24: Pellet im Glasfaser-Körbchen am Haken

Für die im Rahmen dieses Projekts durchgeführten Verbrennungsversuche wur-de folgende Vorgehensweise zur Bestimmung des Masseverlusts über der Probe eingehalten:


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Einbringung eines einzelnen Pellets in ein Körbchen aus Frenzelit (tempera-turbeständige Glasfaser), Verbindung mit der Wägeeinrichtung, Probe-menge ca. 1 g ist (siehe Abbildung 24)

Aufheizen des Ofens auf 900°C Einfahren des Pellets in die erste Ofenzone Aufzeichnung des Temperaturverlaufs über der Probe und des Massever-

lusts der Probe; Messung Abgaszusammensetzung (CO, CO2, H2O) Beendigung des Versuchs nach Erreichen der Massekonstanz Die beschriebenen Versuche wurden mit den unterschiedlichen im Projekt er-fassten Laubfraktionen durchgeführt. Zur besseren Vergleichbarkeit und Ein-ordnung der Ergebnisse wurden zudem Referenzversuche mit Holzpellets vo-rangestellt.

Um einen Vergleich der Versuchsergebnisse durchführen zu können, wurden die Messergebnisse anschließend analytisch und grafisch bewertet. Zur Auswer-tung der erhaltenen Masseverlustverläufe wurden die charakteristischen Kur-ven, die in Abbildung 25 zu sehen sind, in drei Bereiche eingeteilt: die Ausga-sungsphase/Flüchtigenfreisetzung (blau), den Koksabbrand (orange) und eine stabilen Phase nach dem Koksabbrand (grau). Die Geradensteigungen der je-weiligen Bereiche können qualitativ beurteilt werden. Es gilt:

A1 << A2 (1)

A3 = 0 (2)

Die so unterteilten Abschnitte konnten quantitativ hinsichtlich der Reaktions-dauer und der jeweils verbliebenen Restmasse beurteilt werden. Die entspre-chenden Ergebnisse sind in Tabelle 16 dargestellt.


30. September 2019

Abbildung 25: Qualita-tive Bestimmung der Ausgangsphase und des Koksabbrandes y = -A1x + B1

y = -A2x + B2y = C

0102030405060708090

100

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500Pro

ben

rück

stan

d [

Ma.

-%]

Zeit [s]

(III)(II)(I)

Die ermittelten Verläufe der Massenabnahme wurden den Temperaturmessun-gen im Pelletkern gegenübergestellt. Nachfolgend sind exemplarisch die Masse-verluste in Abhängigkeit von der Zeit bei der Verbrennung von Parklaubfraktion (GE-2017-PA) und pelletiertem Kiefernholz dargestellt:

Abbildung 26: Masse-verlust bei der Verbren-nung von Parklaub (GE-2017-PA) und Kiefern-holz

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600

Prob

enrü

ckst

and

[Ma.

-%]

Zeit [s]

Massenverlust-GE-2017-PA

Massenverlust-Holz

Die Kurven der Massebestimmung fallen durch die Trocknung und anschlie-ßende Flüchtigenfreisetzung zunächst stark ab. Anschließend kommt es in der zweiten Phase (Koksabbrand) zu einem verlangsamten weiteren Masseverlust.


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Nach vollständiger Oxidation des vorhandenen Kohlenstoffs verbleibt der nicht oxidierbare Rest als Asche zurück (dritte Phase).

Am Beispiel der Verbrennung von Parklaub und Kiefernholzpellets zeigt sich Folgendes:

Die Doppelbestimmungen zeigten für alle Versuche gute Übereinstimmun-gen, so dass von jeweils reproduzierbaren Messungen ausgegangen wer-den kann.

Die Masseverlustkurve des Laubs verläuft oberhalb der des Holzes. Dies wird auf den deutlich höheren Aschegehalt der Proben zurückgeführt. Die in den Diagrammen zu erkennenden Schwellenwerte für Koks und Asche stimmen gut mit den Laborwerten überein.

Ein wesentlicher Unterschied ist die Dauer des Koksabbrands, der bei der Laubprobe mit ca. 340 Sekunden deutlich länger ist als der Koksabbrand der Holzprobe (ca. 200 Sekunden).

Die Ergebnisse der übrigen Versuche sind in nachfolgender Tabelle dargestellt. Tabelle 16: Ausgasungs- und Koksabbrandzeiten für unterschiedliche Laubproben im Technikums-versuch (LOKI)

Probe n =

i

Ende Ausga-sungsphase

[s]

Verbleiben-de Masse

[%]

Ende Koksabbrand

[s]

Verbleiben-de Masse

[%]

Koksausbrand-zeit [s]

Holzhack-schnitzel

2 41.9 ±1.5 13.7 ±0.4 236.4 ±4.3 1.3 ±0.3 194.5 ±5.9

GE-2017-HS+HHS (25-75)

2 46.3 ±0.8 14.4 ±3.7 212.5 ±7.5 3.4 ±1.9 166.3 ±6.8

GE-2017-HS+HHS (50-50)

2 40.9 ±0.1 27.8 ±0.4 230.3 ±9.7 12.9 ±0.1 189.3 ±9.8

GE-2017-HS+HHS (75-25)

2 47.8 ±3.7 29.1 ±0.7 249.5 ±4.5 15.1 ±0.4 201.7 ±8.2

GE-2016-HS-Si

2 48.0 ±0.2 33.3 ±2.3 273.0 ±14.

0 16.4 ±1.0 225.0 ±13.8

GE-2017-HS 2 44.0 ±2.0 33.2 ±3.5 246.7 ±1.7 15.3 ±3.2 202.7 ±0.3

GE-2017-PA 2 51.9 ±1.9 24.5 ±2.5 277.5 ±7.5 9.0 ±2.4 225.6 ±5.6


30. September 2019

Probe n =

i

Ende Ausga-sungsphase

[s]

Verbleiben-de Masse

[%]

Ende Koksabbrand

[s]

Verbleiben-de Masse

[%]

Koksausbrand-zeit [s]

GE-2016-WS-Si

2 48.4 ±0.6 34.8 ±3.8 267.6 ±5.6 18.7 ±3.1 219.3 ±4.9

GE-2016-PA-Si

2 46.5 ±0.4 36.8 ±0.5 274.0 ±7.0 20.4 ±0.0 227.6 ±7.5

Es zeigte sich während der Versuche, dass vor allem ein hoher Ascheanteil zu vom Holz abweichenden Verbrennungseigenschaften führt. Im Gegensatz zu den Proben »Hauptstraße« und »Parkanlage« zeigten die Proben »Wohnstra-ße« und »Schortens« einen ähnlich langen bzw. kurzen Koksausbrand wie Holz.

Die Ergebnisse der Masseverlustmessungen können folgendermaßen interpre-tiert werden:

Die Dauer des Koksabbrands von Brennstoffpartikeln wird maßgeblich durch den Transport von Sauerstoff in das Brennstoffpartikel beeinflusst. Hinderlich für diesen Transport sind inerte Brennstoffbestandteile, die im Laufe der Verbrennung eine Ascheschicht bzw. ein Aschegerüst ausbilden. In der Verbrennungstheorie wird dieser Umstand durch erhöhte Labyrinth-Faktoren beschrieben, wodurch berücksichtigt wird, dass der Sauerstoff für das Finden „seines Weges“ zu oxidierbaren Bestandteilen längere Zeit be-nötigt. Diese Betrachtung stimmt mit den Untersuchungsergebnissen der Holz- und Laubpellets überein, da auch hier der aschereiche Laubbrennstoff deutlich längere Koksabbrandphasen aufweist als der Holzbrennstoff.

Für eine Laubverbrennung im technischen Maßstab (Rostfeuerung) kann der verlängerte Koksabbrand einen unvollständigen Ausbrand der Asche bei konventioneller Rostauslegung bedeuten. Gleichzeitig kann die erhöhte Aschefracht die Entaschungssysteme überfordern, was zu einem Aufstauen des Materials in der Anlage führt. Eine Reduktion des Rostvortriebs zur Verbesserung des Ausbrands könnte im schlimmsten Fall aufgrund der großen Aschemengen eine Verblockung des Rostes bedeuten.

Durch den hohen Aschegehalt ist der Flüchtigengehalt deutlich geringer als bei Holz.

Bei einer Anlagenauslegung speziell für den Brennstoff Laub könnte ein modifizierter Brennraum mit einer längeren Rostzone zum vollständigen Ausbrand des Brennstoffs erforderlich werden. Zur vollständigen Oxidation der Flüchtigen bei hohen Temperaturen wäre ein geringeres Volumen der Nachbrennkammer erforderlich. Der geringere Flüchtigengehalt kann ggf. durch eine niedrigere bzw. zusätzliche Zünddecke kompensiert werden.

Die Aggregate zur Entaschung müssen dem erhöhten Aschegehalt ange-passt werden.


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Verbrennungsversuche, Rostfeuerung (AP3.4, AP4.4, AP6.6)

Für die Verbrennungsversuche war bei Projektbeantragung eine Praxisanlage mit 400 kW Wärmeleistung vorgesehen, die überwiegend mit Laub betrieben werden sollte. Durch Verzögerungen bei Bau und der Inbetriebnahme der An-lage konnten die dort geplanten Versuche nicht durchgeführt werden. Statt-dessen wurde eine konventionelle Feuerungsanlage der Firma MAWERA Modell MAWERA 440 FSR (440 kWth) am Standort Fraunhofer UMSICHT Sulzbach-Rosenberg verwendet. Sie verfügt über eine Nennleistung von 440 kWth und zwei unabhängig voneinander einstellbare, waagerechte Rostzonen. Die Brenn-stoffzuführung erfolgt über eine Förderschnecke. Die Anlagensteuerung, insbe-sondere die Rostgeschwindigkeiten, wurden während der Verbrennung der ers-ten Fraktion (Holzhackschnitzel als Referenzmaterial) eingestellt und während der weiteren Versuche leicht angepasst.

Folgende Brennstoffproben wurden für die Versuche eingesetzt:

Tabelle 17: Übersicht der eingesetzten Brennstoffproben in der 440 kW-Rostfeuerung

Nr. Probenname Masse [kg]

0 Holzhackschnitzel n.b.*

1 Ge-2017-MS-SWT+HHS 622

2 Ge-2016-HS-Si-SWT 394

3 Ge-2017-HS-SWT 742

4 Ge-2016-WS-Si-SWT 367

5 Ge-2017-PA-SWT 345

6 Ge-2016-PA-Si-SWT 402

* Holzhackschnitzel zum Anheizen genutzt

Aus Tabelle 17 kann die Reihenfolge der Verbrennungsversuche entnommen werden. Der erste Verbrennungsversuch wurde mit Holzhackschnitzeln durch-geführt. Die Verbrennungsbedingungen wurden über die Prozesssteuerung ver-folgt. Zu den überwachten Parametern gehörten die Temperatur im Feuerungs-raum, die chemische Zusammensetzung des Abgases und die Konzentration an CO2, O2 und SO2. Das Flammenverhalten wurde physikalisch überprüft, indem die Flammenfarbe und -verteilung im Feuerungsraum als Qualitätsindikator für die laufende Verbrennung überwacht wurde.


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Parallel zu den Verbrennungsversuchen wurden Emissionsmessungen durchge-führt. Für diese Messungen wurde eine zugelassene Messstelle nach § 29BImSchG beauftragt (vgl. Kapitel 1.3). Eine Übersicht über die ermittelten Parameter sowie die dazu verwendeten Normen ist in nachfolgender Tabelle aufgeführt.

Tabelle 18: Verwendete Emissionsmess- und –analysenormen zur Bestimmung relevanter Emmissi-onsdaten

Parameter Norm Probenan-zahl pro Versuch

Probenah-mezeit

Erweiterte Messunsicherheit

O2 DIN EN 14789

Kontinuierliche Messung während einer Messperiode

-

CO2 - -

CO DIN EN 15058 5,8 mg/m³ für Konzentratio-

nen < 100 mg/m³**

NOx als (NO2)

DIN EN 14792 10,0 mg/m³ für Konzentratio-

nen 50 – 359 mg/m³**

Cges DIN EN 12619 0,89 mg/m³ für Konzentratio-

nen < 20 mg/m³**

Gesamt-staub

DIN EN 13284-1: 2018-02

3 0,5 h 0,6 mg/m³ bis 20 mg/m³**

PCDD/F DIN EN 1948-1 bis

DIN EN 1948-3 1 3 h 25 %

Ben-zo(a)pyrene*

DIN EN 1948-1 bis DIN EN 1948-3

1 3 h 25 %

SO2* DIN EN 14791

(05/2017) 2 0,5

2,1 mg/m³**

HCl DIN EN

1911:2010-12 3 0,5 k.A.**

Aldehyde* VDI 3862 Blatt 2 2 0,5

0,81 mg/m³ für Formaldehyd, andere Aldehyde 10,9 % rela-

tiv, jeweils Messbereich bis 48,2 mg/m³**

* Nur zweite Messkampagne. Der dritte Halbstundenmittelwert zur Bestimmung von SO2 und Al-dehyden musste aufgrund von Störungen im Anlagenbetrieb abgebrochen werden ** Angaben für zweite Messkampagne

Sobald die Emissionsmessungen beendet waren, wurde das verbleibende Mate-rial der Charge, das sich noch im Zuführsystem befand, von Hand entfernt. Da-raufhin wurde die neue Charge auf das Förderband entleert und zu dem leeren Zuführsystem transportiert. Da sich noch vorhergehendes Material auf dem bewegten Rost befand, wurde die Geschwindigkeit des Rostes erhöht. Die Um-stellung von einem Brennstoff auf einen anderen Brennstoff wurde anhand des


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kontinuierlichen O2-Anstiegs und der Abnahme des CO2-Gehaltes aufgrund des fehlenden Brennstoffs für wenige Minuten nachgewiesen. Bei Vorlage des neu-en Brennstoffs wurde die Rostgeschwindigkeit wieder auf den Sollwert gestellt und gewartet, bis eine stabile O2-Konzentration zwischen 12 und 13 Vol.-% und eine CO2-Konzentration zwischen 7 und 8 Vol.-% im Abgas vorlag.

Ergebnisse der Verbrennungsversuche Insgesamt ließen sich die Laubbriketts gut verbrennen. Die Zuführung war teil-weise blockiert (Brückenbildung), was in den Versuchen durch Variation der Drehzahl der Zuführschnecke behoben werden konnte. Zudem musste die Rostgeschwindigkeit reduziert werden. Die erzeugten Verbrennungsaschen wa-ren hell und wiesen keine Verklumpungen auf. Die Emissionswerte lagen bis auf das Parameter Gesamtstaub unter den Grenzwerten der TA Luft. Im Ver-gleich zum Holzbrennstoff wiesen die Laubbrennstoffe höhere Staubemissi-onswerte auf. Die NOx-Konzentrationen waren bei den Laubbrennstoffen dop-pelt bis dreimal so hoch wie beim Holzbrennstoff, aber noch unter dem Grenz-wert. Die Emissionen der Laubproben lagen unabhängig von der Zusammenset-zung in einer ähnlichen Größenordnung. Eine Übersicht der Emissionswerte von Gesamtstaub, CO und NOx ist nachfolgend dargestellt:

Abbildung 27: Gemit-telte Emissionen an Gesamtstaub, NOx und CO der unterschiedli-chen brikettierten Laubbrennstoffe sowie Holzhackschnitzel

0

100

200

300

400

500

Gesamtstaub (n=3) NOx (n=3) CO (n=3)

Emis

sion

en(1

1 V

ol. -

% O

2) [

mg

/m³ N

]

Holzhackschnitzel (HHS) GE-2017-HS-SWT+HHS GE-2016-HS-Si-SWT GE-2017-HS-SWTGE-2016-WS-Si-SWT GE-2017-PA-SWTGE-2016-PA-Si-SWT Maximalwert GesamtstaubMaximalwert CO Maximalwert NOx

In einer zweiten, kleineren Messkampagne wurde das Messspektrum ange-passt. Die Versuche fanden an einer kleineren Rostfeuerung mit 50 kW thermi-sche Leistung ebenfalls am Standort Sulzbach-Rosenberg statt (vgl. Kapitel 1.3). Bei diesem Versuch wurde eine bereits getestete Laubfraktion erneut eingesetzt und zusätzlich SOx, HCl und Aldehyde gemessen. Dafür wurde auf die Bestim-


30. September 2019

mung von PCDD/F sowie BaP aufgrund der sehr niedrigen Werte der ersten Kampagne verzichtet. Allerdings kam es bei diesem Versuch zu einem Aufstau-en des Brennstoffs im Brennraum, was mit einem erheblichen Anstieg der Emis-sionen einherging. Die bislang noch nicht bestimmten Emissionen an SOx, HCl und Aldehyden blieben jedoch unter den jeweiligen Grenzwerten, so dass bei Vorliegen regulärer Verbrennungsbedingungen ebenfalls nicht mit einer Über-schreitung gerechnet werden muss.

Eine Gesamtübersicht der ermittelten Emissionen ist in nachfolgender Tabelle dargestellt:

71 Schlusssachbericht

SET-Laub 30. September 2019

Tabelle 19: Ergebnisse Emissionsmessungen, Mittelwerte (MW) und Standardabweichungen (STABW), bezogen auf 11 Vol.% O2

Probenname

O2 CO2 CO Gesamtstaub NOx SO2 Gesamt-C PCDD/F BaP HCl Formaldehyd/ Acetaldehyd

[%] [%] [mg/m³N] [mg/m³N] [mg/m³N] [mg/m³N] [mg/m³N] in TEQ [ng/m³] [µg/m³] [mg/m³N] [mg/m³N]

MW STABW

MW STABW

MW STABW

MW STABW

MW STABW

MW STABW

MW STAB

W MW Uns. MW MW

STABW

MW STABW

Holzhack-schnitzel

7,6 0,4 13,1 0,4 3,9 1,5 100,0 11,8 74,7 7,5 - - 2,9 0,8 0,0235 0,0062 - - - -

GE-2017-HS-SWT+HHS

11,7 1 8,9 1 4,6 0,7 140,3 16,4 161,1 10,9 - - 1,3 0,4 0,006 0,0016 - - - -

GE-2016-HS-Si-SWT

13,3 0,1 7,5 0,1 6,4 0,1 184,7 21,1 241,8 13,3 - - 7 1,5 0,004 0,0011 < 0,003 - - - -

GE-2017-HS-SWT

12,9 0,5 7,7 0,5 6,7 0,9 247,7 27,6 221,7 12,5 - - 3,7 1,5 0,0041 0,0011 < 0,003 - - - -

GE-2016-WS-Si-SWT

12,6 0,1 8 0,1 5,6 0,0 237,0 9,1 201,9 12,0 - - 0,8 0,1 0,004 0,0011 < 0,003 - - - -

GE-2016-PA-Si-SWT

13,4 0,7 7,2 0,7 7,1 0,4 328,3 20,8 228,7 13,4 - - 1,4 0,4 0,0053 0,0014 < 0,003 - - - -

GE-2017-PA-SWT

12,9 0,3 7,5 0,2 6,5 0,4 218,0 24,9 222,1 12,6 - - 1,6 0,4 0,0059 0,0015 < 0,003 - - - -

GE-2017-HS-SWT_50kW

10,8 0,2 9,8 0,2 534,3 91,1 1192,0 42,4 692,3 11,3 157,5 6,5 10,2 2,2 - - 17 3,2 0,48/ 0,47

0,16/ 0,14

Grenzwert TA Luft (2002)**

150 50

(< 5 MW)

400 (> 1 MW) 500 (< 1 MW)

1 000 10 1,0*** 0,05*** 30*** 5*

* Vollzugsempfehlung Bunds-/Länderarbeitsgemeinschaft Immissionsschutz (LAI) vom 09.12.2015 ** Für Anlagen zur Erzeugung von Strom, Dampf, Warmwasser, Prozesswärme oder erhitztem Abgas in Feuerungsanlagen durch den Einsatz von Kohle, Koks einschließlich Petrolkoks, Kohlebriketts, Torfbriketts, Brenntorf oder naturbelassenem Holz mit einer Feuerungs-wärmeleistung von weniger als 50 MW *** nicht für Anlagen nach Kategorie **


30. September 2019

Gegenüberstellung und Auswertung von Spätlaub (frisch & BA) (AP5.2)

In den nachfolgenden Tabellen sind die Analyseergebnisse vollständig aufge-führt. Analysiert wurden Proben aus Gelsenkirchen (Parkanlage, Wohnstraße, Hauptstraße) sowie eine Probe aus einer Parkanlage und der kommunalen Lau-bannahme in Schortens (Niedersachsen). Die Ergebnisse der Immediatanalyse sind in Tabelle 20 dargestellt. Sie umfasst den Wassergehalt, den gebundenen Kohlenstoff, den Flüchtigenanteil und den Aschegehalt bezogen auf die Tro-ckensubstanz (TS) bzw. wasser- und aschefreie Masse (waf).

Tabelle 20: Ergebnisse der Immediatanalyse der Laubproben aus dem Jahr 2016 und 2017

Probenname (n=i) Wasser-gehalt

[%]

Cfix Flüchtige Asche [% TS] [% TS] [% waf] [% TS] [% waf]

GE-2016-PA 1 53,3 17,8 21,9 63,6 78,1 18,6

GE-2016-PA-Si 2 57,8 15,0 21,5 54,9 78,5 30,1

GE-2016-PA-Si-SWT

2 15,5 12,9 16,9 63,5 83,1 23,6

GE-2016-WS* 1 51,0 8,5 15,8 45,4 84,2 46,1

GE-2016-WS-Si 2 59,1 14,0 19,6 57,6 80,4 28,4

GE-2016-WS-Si-SWT

2 19,4 15,7 21,3 57,9 78,7 26,4

GE-2016-HS 1 61,1 17,4 21,0 65,7 79,0 16,8

GE-2016-HS-Si 2 68,5 16,9 21,9 60,2 78,1 22,9

GE-2016-HS-Si-SWT

2 21,7 13,8 19,4 57,4 80,6 28,8

GE-2017-PA-gewichtet

ber. 36,3 25,0 27,3 66,7 72,7 8,3

GE-2017-PA-grob 2 36,3 20,9 22,7 71,2 77,3 7,9

GE-2017-PA-fein 2 36,2 11,0 14,9 62,6 85,1 26,4

GE-2017-PA-SWT 2 13,7 18,5 21,8 66,3 78,2 15,2

GE-2017-HS-gewichtet

ber. 68,2 18,9 23,6 61,2 76,4 19,9

GE-2017-HS-grob 2 68,3 17,8 21,2 66,3 78,8 15,9

GE-2017-HS-fein 2 67,9 11,8 16,6 59,4 83,4 28,8

GE-2017-HS-SWT 2 13,4 14,6 19,3 60,9 80,7 24,5

SCH-2016-LS 2 51,9 10,7 18,1 48,6 81,9 40,7

HHS 2 - 15,5 15,7 83,5 84,3 1,0

ber: berrechnet

* im Vergleich zu späteren Analysen deutlich höhere Aschegehalte


30. September 2019

Die optische Wahrnehmung bezüglich Asche- und Wassergehalt der Proben aus dem Jahr 2017 aus einer Parkanlage sowie von einer Hauptstraße wird durch die Analyseergebnisse bestätigt. Der Aschegehalt der Proben aus der Parkanla-ge ist mit 8,35 % sehr gering. Das Laub von einer Hauptstraße weist einen Aschegehalt von ca. 20 % auf, der auch durch eine Aussiebung kaum zu redu-zieren war. Anders als bei der Probe aus dem Jahr 2016 war das Laub der Hauptstraße mit einem Saugrüssel an einer Kehrmaschine aufgenommen wor-den, die das Laub automatisch zerkleinert. Möglicherweise war dies ein Grund für die relativ geringe Abreinigungsleistung. Der Wassergehalt der Probe aus der Parkanlage ist relativ gering, da es in der Woche vor der Probenahme tro-cken war. Das zeitgleich erfasste Laub von der Hauptstraße ist aufgrund der Aufnahme mit der Kehrmaschine und gleichzeitiger Spülung deutlich feuchter.

In Tabelle 21 sind die Ergebnisse der Elementaranalyse aufgelistet. Bestimmt wurde die Konzentration an C, H, N, Cl und S bezogen auf die Trockensubstanz bzw. wasser- und aschefreie Masse. Zudem wird der Brenn- und Heizwert dar-gestellt.

Tabelle 21: Ergebnisse der Elementaranalyse der Laubproben aus dem Jahr 2016 /2017

Probenname

(n=i) C H N Cl [% TS]

S [% TS]

Heizwert [MJ/kg TS]

Brennwert

[MJ/kg TS]

[% TS]

[% waf]

[% TS]

[% waf]

[% TS]

[% waf]

GE-2016-PA 1 45,7 56,1 4,0 5,0 1,1 1,4 0,06 0,15 16,8 17,8

GE-2016-PA-Si 2 39,5 56,5 4,2 6,0 1,1 1,6 0,06 0,14 12,5 13,5

GE-2016-PA-Si-SWT

2 43,7 57,2 4,6 6,0 1,1 1,4 0,11 0,16 16,2 17,3

GE-2016-WS* 1 31,3 57,9 3,1 5,8 0,8 1,5 0,09 0,13 11,5 12,2

GE-2016-WS-Si 2 44,1 61,6 4,7 6,6 1,3 1,8 0,09 0,20 15,9 17,0

GE-2016-WS-Si-SWT

2 42,7 58,0 4,5 6,1 1,2 1,6 0,09 0,18 14,5 15,5

GE-2016-HS 1 46,3 55,6 4,0 4,8 1,2 1,4 0,10 0,16 16,5 17,5

GE-2016-HS-Si 2 40,4 52,4 4,3 5,6 1,2 1,6 0,10 0,22 14,8 15,8

GE-2016-HS-Si-SWT

2 40,4 56,7 4,3 6,0 1,2 1,7 0,11 0,18 15,5 16,5


ber. 50,6 55,2 5,4 5,9 1,1 1,2 0,15 0,20 18,4 19,5

GE-2017-PA-grob

2 51,0 55,4 5,5 6,0 1,1 1,2 0,15 0,20 18,7 19,7

GE-2017-PA-fein

2 42,7 58,0 4,5 6,1 1,2 1,6 0,13 0,18 14,3 15,5

GE-2017-PA-SWT

2 46,5 54,8 4,9 5,8 1,2 1,4 0,13 0,34 17,2 18,3


ber. 45,1 56,3 4,8 6,0 1,1 1,4 0,09 0,18 16,0 17,0


30. September 2019

Probenname

(n=i) C H N Cl [% TS]

S [% TS]

Heizwert [MJ/kg TS]

Brennwert

[MJ/kg TS]

[% TS]

[% waf]

[% TS]

[% waf]

[% TS]

[% waf]

GE-2017-HS-grob

2 47,6 56,6 5,1 6,1 1,1 1,3 0,09 0,19 16,8 18,0

GE-2017-HS-fein

2 40,8 57,3 4,3 6,0 1,1 1,5 0,07 0,17 14,2 15,2

GE-2017-HS-SWT

2 44,7 59,2 4,8 6,4 1,2 1,6 0,10 0,19 15,3 16,4

SCH-2016-LS 2 33,6 56,6 3,3 5,6 1,1 1,8 0,13 0,11 11,6 12,4

HHS 2 47,6 48,1 6,5 6,6 0,2 0,2 0,01 0,05 17,3 17,6

ber: berrechnet

* im Vergleich zu späteren Analysen deutlich höhere Aschegehalte

Der Gehalt an Schwermetallen wurde untersucht, da sie Probleme wie Korrosi-on und Partikelemissionen verursachen können und das Ascheverhalten im Feuerungsraum beeinflussen. Ebenfalls wurde der Gehalt an Makro- und eini-ger Mikromineralien bestimmt, weil sie bei einer möglichen Wiederverwendung der Asche nützlich sein können. Die Analysenergebnisse der genannten Ele-mente sind in Tabelle 22 und Tabelle 23 dargestellt.

Tabelle 22: Ergebnisse der Schwermetallanalyse der Laubproben aus dem Jahr 2016 /2017

Probenname (n=i) As

[mg/kg TS]

Cd [mg/kg

TS]

Cr [mg/kg

TS]

Cu [mg/kg

TS]

Ni [mg/kg

TS]

Pb [mg/kg

TS]

Hg* [mg/kg

TS]

GE-2016-PA ber. 1,2 0,22 3,26 8,2 3,46 5,19 0,11

GE-2016-PA-grob

1 0,80 0,20 2,53 7,45 2,83 3,21 < 0,1

GE-2016-PA-fein

1 3,75 0,35 13,10 13,04 7,51 17,92 0,15

GE-2016-PA-Si 2 < 1 < 0,5 16,97 19,44 10,31 16,15 0,13

GE-2016-PA-Si-SWT

2 < 1 < 0,5 12,06 18,48 9,21 < 10,0 < 0,1

GE-2016-WS ber. 1,97 0,32 13,99 25,75 10,03 17,96 0,15

GE-2016-WS-grob

1 1,01 0,25 6,88 18,61 4,51 8,49 0,16

GE-2016-WS-fein

1 2,99 0,40 21,50 33,30 15,84 27,96 0,13

GE-2016-WS-Si 2 < 1 < 0,5 15,75 31,71 9,42 < 10,0 < 0,1

GE-2016-WS-Si-SWT

2 < 1 < 0,5 14,60 29,20 9,42 < 10,0 0,11

GE-2016-HS ber. 1,38 0,26 20,51 29,93 10,36 17,48 0,13

GE-2016-HS-grob

1 0,93 0,20 5,61 15,56 3,72 9,01 0,12


30. September 2019

Probenname (n=i) As

[mg/kg TS]

Cd [mg/kg

TS]

Cr [mg/kg

TS]

Cu [mg/kg

TS]

Ni [mg/kg

TS]

Pb [mg/kg

TS]

Hg* [mg/kg

TS]

GE-2016-HS-fein

1 4,04 0,62 108,00 114,32 49,36 67,22 0,17

GE-2016-HS-Si 2 < 1 < 0,5 17,0 33,1 10,1 < 10,0 0,1

GE-2016-HS-Si-SWT

2 < 1 < 0,5 16,6 34,3 10,6 12,4 0,1


ber. < 1 < 0,5 2,6 7,4 3,0 < 10,0 < 0,1

GE-2017-PA-grob

1 < 1 < 0,5 2,2 6,9 2,7 < 10,0 < 0,1

GE-2017-PA-fein

1 < 1 < 0,5 10,6 16,6 7,9 < 10,0 < 0,1

GE-2017-PA-SWT

2 < 1 < 0,5 8,4 17,4 6,0 < 10,0 < 0,1


ber. < 1 < 0,5 16,7 21,7 7,9 < 10,0 < 0,1

GE-2017-HS-grob

2 < 1 < 0,5 13,0 18,9 6,0 < 10,0 < 0,1

GE-2017-HS-fein

2 < 1 < 0,5 22,7 26,5 11,0 < 10,0 < 0,1

GE-2017-HS-SWT

2 < 1 < 0,5 18,5 37,7 10,4 < 10,0 < 0,1

SCH-2016-LS ber. 0,88 < 0,20 4,03 9,29 1,83 5,55 < 0,1

HHS 2 < 1 < 0,5 3,0 2,0 2,0 < 10,0 -

*durch ein externes Labor ermittelt

ber: berrechnet

Tabelle 23: Gehalt an Zink und Makromineralien der Laubproben aus dem Jahr 2016 /2017

Probenname (n=i) Zn

[mg/kg TS] Ca

[% TS] K

[% TS] Mg

[% TS] P

[% TS]

GE-2016-PA ber. 44,73 3,87 0,42 0,92 0,13

GE-2016-PA-grob 1 64,7 11,3 0,28 4,52 0,11

GE-2016-PA-fein 1 108,1 3,21 0,43 0,76 0,15

GE-2016-PA-Si 2 41,6 2,31 0,33 0,29 0,11

GE-2016-PA-Si-SWT

2 105,8 3,07 0,50 0,60 0,14

GE-2016-WS ber. 123,88 3,01 0,51 0,34 0,14

GE-2016-WS-grob 1 95,1 2,55 0,60 0,24 0,12

GE-2016-WS-fein 1 154,3 4,41 0,3 0,70 0,13

GE-2016-WS-Si 2 160,0 3,09 0,54 0,29 0,17

GE-2016-WS-Si-SWT

2 167,6 3,06 0,55 0,34 0,16


30. September 2019

Probenname (n=i) Zn

[mg/kg TS] Ca

[% TS] K

[% TS] Mg

[% TS] P

[% TS]

GE-2016-HS ber. 151,14 3,55 0,67 0,28 0,17

GE-2016-HS-grob 1 92,6 2,27 0,60 0,21 0,12

GE-2016-HS-fein 1 494,7 2,94 0,60 0,55 0,17

GE-2016-HS-Si 2 163,6 2,98 0,55 0,34 0,15

GE-2016-HS-Si-SWT

2 174,6 3,23 0,56 0,45 0,15


ber. 29,0 2,13 0,57 0,25 0,12

GE-2017-PA-grob 1 27,0 2,05 0,57 0,23 0,12

GE-2017-PA-fein 1 64,1 3,49 0,60 0,69 0,14

GE-2017-PA-SWT 2 78,2 2,65 0,53 0,32 0,13


ber. 96,2 2,91 0,49 0,38 0,11

GE-2017-HS-grob 1 85,6 2,51 0,49 0,26 0,11

GE-2017-HS-fein 1 114,0 3,57 0,47 0,50 0,11

GE-2017-HS-SWT 2 174,8 3,27 0,50 0,41 0,14

HHS 2 28,0 0,21 0,07 0,02 0,01

ber: berrechnet

Das Ascheschmelzverhalten wurde für die Laubproben aus dem Jahr 2016 be-stimmt. Aufgrund vergleichsweise hoher Schmelzpunkte wurde auf weitere Analysen verzichtet.

Tabelle 24: Ascheschmelzverhalten

Eigenschafts-klasse

Einheit

Parkanlage Gelsenkirchen

Wohnstraße Gelsenkirchen

Hauptstraße Gelsenkirchen

Parkanlage u. kom. Annah-me Schortens

GE-2016-PA GE-2016-WS GE-2016-HS SCH-2016-LS

Erweichungs-temperatur

(ET) [°C] 1218 1368 1204 1335

Halbkugel-temperatur

(HT) [°C] 1240 1423 1257 1473

Fließtempera-tur (FT)

[°C] 1273 1518 1274 1549

Als Vergleich können orientierend die Grenzwerte nach DIN EN ISO 17225-6 bzw. 7 (Biogene Festbrennstoffe - Brennstoffspezifikationen und -klassen - Teil


30. September 2019

6 Klassifizierung von nicht-holzartigen Pellets und Teil 7 Klassifizierung von nicht-holzartigen Briketts) herangezogen werden (siehe Tabelle 25).

Tabelle 25: Grenzwerte nach DIN EN ISO 17225-6 Klassen A und B [DIN EN ISO 17225-6], [DIN EN ISO 17225-7]

Eigenschaftsklasse Einheit

Grenzwerte nach DIN EN ISO 17225-6 und DIN EN ISO 17225-7

Klasse A Klasse B

Wassergehalt [%Masse] ≤ 12 ≤ 15

Aschegehalt (550 °C)

[%Masse] ≤ 6 ≤ 10

Aschegehalt (815 °C)

[%Masse] -

Heizwert Hi [MJ/kg] ≥ 14,5 ≥ 14,5

Stickstoff, N [%Masse] ≤ 1,5 ≤ 2

Schwefel, S [%Masse] ≤ 0,20 ≤ 0,3

Chlor, Cl [%Masse] ≤ 0,10 ≤ 0,3

Arsen, As [mg/kg TS] ≤ 1 ≤ 1

Cadmium, Cd [mg/kg TS] ≤ 0,5 ≤ 0,5

Chrom, Cr [mg/kg TS] ≤ 50 ≤ 50

Kupfer, Cu [mg/kg TS] ≤ 20 ≤ 20

Blei, Pb [mg/kg TS] ≤ 10 ≤ 10

Quecksilber, Hg [mg/kg TS] ≤ 0,1 ≤ 0,1

Nickel, Ni [mg/kg TS] ≤ 10 ≤ 10

Zink, Zn [mg/kg TS] ≤ 100 ≤ 100

Es zeigt sich, dass insbesondere Wasser- und Aschegehalte deutlich höher sind als gemäß Norm zugelassen. Zudem zeigen einige Schwermetalle Überschrei-tungen. In AP3.1 wurde daraufhin die Aufbereitung des Brennstoffs zur Redu-zierung des Aschegehalts und damit einiger Schwermetallgehalte geprüft. Es zeigte sich, dass durch eine Siebung eine Reduzierung der Aschegehalte und damit auch der Schwermetallgehalte erreicht werden kann.


30. September 2019

Ableitung von Optimierungsansätzen der mechanischen Aufbereitung (AP5.3)

Auf Basis der erzielten Ergebnisse können folgende zusammengefasste Opti-mierungsansätze für eine mechanische Aufbereitung abgeleitet werden:

Die Sammlung hat entscheidenden Einfluss auf die Brennstoffqualität. Hier ist auf möglichst wenig Mitnahme von Erdmaterial zu achten, beispielswei-se durch die Verwendung von Laubbläsern anstelle von Rechen. Die Auf-nahme von Laub mit Straßenkehrmaschinen erzeugt eine recht stark verun-reinigte Fraktion.

Durch eine Siebung der Laubfraktionen kann eine Abreicherung an Schwermetallen und sonstigen Aschebestandteilen erreicht werden. Diese ist als Aufbereitungsschritt zu empfehlen. Allerdings konnte eine einfache mechanische Siebung bei sehr feuchten Proben nur begrenzt den Asche-gehalt reduzieren. Hier wäre die Prüfung eines aufwändigeren Siebverfah-rens (z. B. Spannwellensieb) oder die Trocknung vor der Siebung zu prüfen.

Durch den Einsatz eines Schubwendetrockners konnte auch sehr feuchtes Laub getrocknet werden. Wichtig erschien dabei die regelmäßige Umwäl-zung des Laubs vor und während der Trocknung, da feuchte und durch den Transport kompaktierte Blätter häufig aneinanderhefteten. Ein Siebef-fekt konnte aufgrund der Analyseergebnisse nicht eindeutig abgeleitet werden.

Die Brikettierungsmaschine erreichte einen deutlich geringeren Durchsatz als angegeben. Hier ist bei einer technischen Umsetzung auf ein leistungs-starkes Gerät zu achten.

2.1.6 Frühlaub (frisch): Kompaktierung, Technikumsversuche; Rostfeue-rung (AP6)

Laubsammlung (AP6.2)

Die Ergebnisse dieses Arbeitspakets sind zusammengefasst in Kapitel 2.1.2 dar-gestellt.

Analyse (Brennstoff-)Eigenschaften (AP6.2)

Die Ergebnisse dieses Arbeitspakets sind zusammengefasst in Kapitel 2.1.5 dar-gestellt.


30. September 2019

Anpassung zur Lagerungsmethode und der Brennstoffaufbereitung (BA) (AP6.3)

Die im Jahr 2017 gesammelten Proben wurden erneut im Technikum durch UMSICHT mittels Siebung aufbereitet und analysiert. Die Analyseergebnisse sind in Kapitel 2.1.5 dargestellt.

Kompaktierungsversuche (AP6.4)

Die Proben wurden im Dezember 2017 getrocknet und kompaktiert (vgl. AP4.2).

Verbrennungsversuche, Technikum (AP6.5)

Die Verbrennungsversuche sind in Kapitel 2.1.5 (AP5.1) dargestellt.


Die Verbrennungsversuche sind in Kapitel 2.1.5 (AP5.2) dargestellt.

2.1.7 Ableitung von Handlungsempfehlungen (AP7)

Technische Betrachtung (AP7.1)

Zur Überprüfung der Anwendungspotenziale von Laub lassen sich die Ergebnis-se dieses Vorhabens wie folgt zu Empfehlungen zusammenfassen:

Erfassung/Sammlung: Die Sammlungsmethode hat entscheidenden Einfluss auf die Brennstoffqualität. Hier ist auf möglichst wenig Mitnahme von Erdmate-rial zu achten, beispielsweise durch die Verwendung von Laubbläsern anstelle von Rechen. Die Aufnahme von Laub mit Straßenkehrmaschinen erzeugt eine recht stark verunreinigte Fraktion. Das Laub sollte möglichst zeitnah aufge-nommen werden und stark verunreinigte Fraktionen sind ggf. getrennt zu er-fassen. Bei parallel zur Sammlung durchgeführte Streusalzgaben ist mit Chlor-verunreinigungen im Laub zu rechnen. Gegebenenfalls sind diese Fraktionen anderweitig zu verwerten. Bei der Probenahme und Analyse von Laub ist auf-grund des inhomogenen Materials auf eine möglichst repräsentative Proben-ahme und auf die Durchführung mehrerer paralleler Analysen zu achten.


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Lagerung durch Silierung: Durch die Silierung erfolgt eine Erhöhung des pro-zentualen Wassergehalts in den Proben. Gleichzeitig nahmen der Kohlenstoff-gehalt und damit der Heizwert in den als repräsentativ zu wertenden Proben ab. Sie stellt damit zumindest für einen begrenzten Zeitraum eine Möglichkeit dar, saisonal aufkommende Biomasse vergleichmäßigt den nachgeschalteten Verarbeitungsschritten zuzuführen, wodurch eine konstante Maschinenauslas-tung und eine Reduzierung der Auslegungsgröße der Aufbereitungsaggregate erreicht werden kann. Die verwendete Silierungstechnik in Rund- oder Quader-ballen bietet zudem die Möglichkeit, das Laub gestapelt zu lagern und per Ga-belstapler zu verladen. Zur Eingrenzung der Materialveränderungen durch eine Silierung sollten weitere Versuche durchgeführt werden.

Aufbereitung durch Siebung: Durch eine Siebung der Laubfraktionen kann eine Abreicherung an Schwermetallen und sonstigen Aschebestandteilen er-reicht werden. Diese ist als Aufbereitungsschritt zu empfehlen. Allerdings konn-te eine einfache mechanische Siebung bei sehr feuchten Proben nur begrenzt den Aschegehalt reduzieren. Hier wäre die Verwendung eines aufwändigeren Siebverfahrens (z. B. Spannwellensieb) zu prüfen. Ggf. ist ein Teil oder die ge-samte Siebung erst nach der Trocknung durchzuführen.

Trocknung: Zur Trocknung von Laub ist ein vorheriges Auflockern und regel-mäßiges Wenden des Trockengutes zielführend, da einzelne feuchte Blätter an-einanderhaften und so schlechter trocknen.

Kompaktierung: Laub kann mit gutem Ergebnis brikettiert werden. Die Briket-tierungsmaschine erreichte jedoch einen deutlich geringeren Durchsatz als an-gegeben. Hier ist bei einer technischen Umsetzung auf ein leistungsstarkes Ge-rät zu achten. Für gute Brikettierungsergebnisse ist ein bestimmter Wassergeh-alt einzuhalten, abhängig von der brikettierten Laubfraktion. Dieser Wasser-gehalt ist durch den vorgeschalteten Trocknungsprozess einzustellen.

Die Pelletierung von Laub wurde im Forschungsvorhaben vor allem für Techni-kumsuntersuchungen und Vergleichsbetrachtungen hinsichtlich Holzpellets durchgeführt. Eine Pelletierung im praktischen Einsatz ist nicht ratsam, da die spezifischen Kosten sehr hoch sind. Weiterhin führt der hohe Ascheanteil zu starkem Verschleiß an den Matrizen der Pelletieranlage, was wiederum die In-standhaltungskosten in die Höhe treibt.

Verbrennung: Laub in aufbereiteter Form ist ein relativ homogener Brennstoff, der gute Verbrennungseigenschaften zeigte. Dabei waren die Emissionen für al-le untersuchten Laubarten unabhängig von der Zusammensetzung in einer ähn-lichen Größenordnung. Allerdings sind einige Besonderheiten zu beachten: Durch den hohen Ascheanteil muss das gesamte Verbrennungssystem mehr Material bewegen als dies z. B. bei einer Holzfeuerung der Fall ist. Dies betrifft die Brennstoffzufuhr, den Rost und die Entaschungseinrichtungen. Weiterhin


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nimmt der Ausbrand deutlich mehr Zeit in Anspruch, so dass der Rost entspre-chend länger ausgeführt werden muss. Aufgrund des hohen Ascheanteils ist der prozentuale Anteil an flüchtigen Bestandteilen entsprechend geringer. Dies ist bei der Auslegung der Feuerung zu berücksichtigen (Vertrimmung der Ver-brennungsluft, Feuerraumgeometrie, ggf. Zünddecke über dem Rost). Je nach Wassergehalt ist die Trocknungszone auf dem Rost ggf. länger auszuführen und eine Vorwärmung der Primärluft sollte erwogen werden. Auch bei der Ent-staubung der Abluft ist ggf. mit mehr Flugasche zu rechnen. Dies muss sowohl bei der Auslegung der Anlage und der Entstaubungseinheit als auch bei der Wirtschaftlichkeitsbetrachtung (Entsorgungskosten Flugasche) berücksichtigt werden.

Ökonomische und ökologische Betrachtung (AP7.2)

Ökonomische Betrachtung

Die Kosten der Laubbrikettierung wurden für eine Anlage mit einer Leistung von 100 kg Briketts pro Stunde ermittelt. Datengrundlage waren Investitions-kosten verschiedener Aggregate zur Laub- und Biomasseaufbereitung der Stadt Schortens, ergänzende Recherchen Silier- und Siebkosten, zu den Energie- und Biomassekosten, eigene Annahmen zu den Materialeigenschaften des frischen Laubs und der Laubbriketts sowie Vorgaben aus dem Methodenhandbuch [Thrän-2013]. Mit eingeflossen sind auch Kosten für eine Kompostierung von Laub, die bei einer energetischen Nutzung vermieden werden. Des Weiteren wurden Aufbereitungskosten für eine Anlage mit zehnfacher Kapazität mit Hil-fe von Kosten-Kapazitätsfaktoren abgeschätzt [Crundwell-2011]. Die betrachte-te Prozesskette zur Laubaufbereitung ist in Abbildung 28 dargestellt. Die Auf-bereitungskosten beider Konzepte wurden mit den Kosten von Holzpellets und Holzbriketts als alternative biogene Festbrennstoffen verglichen (Tabelle 26).

Abbildung 28: Betrach-tete Laubprozesskette

SammlungLagerung(Silierung)

Trocknung Brikettier-ung

Siebung

Tabelle 26: Annahmen Laubaufbereitungsanlage

Konzepte Einheit Kleinanlage Großanlage

Volllastbetriebsstunde h/a 5 000 5 000

Produktionsrate kg/h 100 1 000

Jahrestonnen Frisch-laub

t/a 820 8 200


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Konzepte Einheit Kleinanlage Großanlage

Jahrestonnen Briketts t/a 500 5 000

Kostenarten Die Laubaufbereitungskosten wurden unterteilt in kapitalgebundene Kosten, Biomassekosten, Kosten für Hilfsenergie, Kosten für Hilfsarbeiten, betriebsge-bundene und sonstige Kosten. Um die Vergleichbarkeit der Konzepte zu ge-währleisten wurden die Kosten in ct/MJ ermittelt.

Kapitalgebundene Kosten Die kapitalgebundenen Kosten unterteilen sich in die jährlichen Investitionskos-ten sowie Kosten für Wartung und Instandsetzung. Die jährlichen Investitions-kosten wurden basierend auf Angaben zu einer Laubaufbereitungsanlage der Stadt Schortens anhand der Annuitätenmethode bestimmt. Die Nutzungsdauer der Maschinen wurde mit Hilfe von Afa-Tabellen abgeschätzt. Für die Berech-nung wurde ein kalkulatorischer Mischzinssatz von 5 % angenommen. Die Kos-ten für Wartung- und Instandhaltung wurden basierend auf [Thrän-2013] mit 4 % der Gesamtinvestitionssumme angenommen.

Kosten für Hilfsenergie Die Kosten für Hilfsenergie umfassen die Kosten für elektrische Energie und für die thermische Energie des Trockners. Der Elektroenergiebedarf des Brikettier-prozesses wurde anhand von Literaturangaben abgeschätzt [Shakya-2005, S. 5]; [Bhattacharya-2000, S. 7]; [Niedziółka-2014, S. 152]. Der elektrische Ener-giebedarf des Trockners wurde anhand des Prüfberichts einer größeren Anlage überschlagen [DLG-2019, S.2].

Die erforderliche thermische Energie zur Trocknung wurde mit der Anfangs- und Endfeuchte des Laubes sowie dem Energieverbrauch des Schubwende-trockners pro kg verdunstetes Wasser bestimmt. Da die Wirtschaftlichkeit der Brikettierung unabhängig von einer Biomassefeuerungsanlage analysiert wird, wurde keine Wärmerückführung für den Trockner berücksichtigt. Stattdessen wurden die Kosten von Gas zur Bereitstellung der Wärmeenergie berücksich-tigt.

Kosten für Hilfsarbeiten Die Kosten der für die Konservierung des Laubes erforderlichen Silierung wur-den mit Hilfe von Erfahrungssätzen für Maschinenring-Arbeiten abgeschätzt [LWK NRW-2017, S.8]. Hierbei wurde eine Dichte des silierten Laubes von 1,36 kg/m³ angenommen. In der Kostenkalkulation wurde eine zusätzliche Aufbereitung des Laubes durch Siebung berücksichtigt. Die Kosten der Siebung pro Tonne wurden durch eine Firma zur Biomasseaufbereitung abgeschätzt.


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Biomassekosten Für Sammlung und Transport des Laubes wurden keine Kosten berücksichtigt, da diese Arbeiten ohnehin für die Kommune anfallen. Falls das Laub nicht bri-kettiert wird, fallen Kosten für die Kompostierung an. Diese Kosten wurden als Gutschrift in der Berechnung der Biomassekosten berücksichtigt. Die Gutschrif-ten wurden dabei nur auf den Grobanteil des Laubes bezogen, welcher im An-schluss an die Siebung weiter aufbereitet und brikettiert wird. Der Feinanteil wird nicht brikettiert und muss daher einer Kompostierung zugeführt werden.

Personalkosten Der Personalbedarf der Brikettierung wurde auf Grund eines hohen zu avisie-renden Automatisierungsgrads mit einer halben Stelle angenommen. Sonstige Kosten für Verwaltung, Versicherung und Unvorhergesehenes basieren auf [Thrän-2013] unter Berücksichtigung der Gesamtinvestition.

Kapazitätsextrapolation Die Wirtschaftlichkeit der größeren Laubaufbereitungsanlage wurde basierend auf [Crundwell-2011] mit Hilfe von Kosten-Kapazitätsfaktoren ermittelt. Das Kosten-Kapazitäts-Verhältnis korrigiert Kapazitätsunterschiede (s. Formel (3)).

(3)

C1 sind die Kosten bei Kapazität Q1 und C2 sind die Kosten bei Kapazität Q2. Der Exponent n liegt üblicherweise zwischen 0 und 1. Für n kleiner als 1 existie-ren Skaleneffekte. Wenn n größer als eins ist, erhöhen sich die spezifischen An-lagenkosten bei einer Vergrößerung der Kapazität. [Crundwell 2011, S.102]

Tabelle 27 fasst die Annahmen der Wirtschaftlichkeitsbewertung zusammen.

Tabelle 27: Annahmen der Wirtschaftlichkeitsbewertung

Wirtschaftlichkeitsberechnung Einheit Annahme Erläuterung

Annahmen Laub

Aschegehalt % 20 Annahme

Feuchte % 50 Annahme

Schüttdichte kg/m³ 325 Annahme

Kompostierungskosten €/tLaub Tabelle 28 [BMU & UBA-2012] S.42

Anteil der Grobfraktion % 70 Annahme

Annahmen Briketts

Aschegehalt (mit Siebaufberei-tung)

% 16 Annahme

Heizwert MJ/kg 13,9 Annahme


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Feuchte des Pressguts % 15

Annahmen Referenzbrennstof-fe

Tabelle 28

Holzpellets (August 2019) ct/MJ] 1,2783 [C.A.R.M.E.N.-2019 a] für

20 t/a

Max. 2008-2018 ct/MJ 1,4605 [C.A.R.M.E.N.-2019 b] für 20 t/a

Min. 2008-2018 ct/MJ 1,0056 [C.A.R.M.E.N.-2019 b] für 20 t/a

Hackschnitzel WG 35 (August 2019)

ct/MJ 0,6844 [C.A.R.M.E.N.-2019 c] WG 35, gesamt

Max. 2008-2018 ct/MJ 0,8827 [C.A.R.M.E.N.-2019 d] WG 35, gesamt

Min. 2008-2018 ct/MJ 0,6868 [C.A.R.M.E.N.-2019 d] WG 35, gesamt

Hackschnitzel WG 20 (August 2019)

ct/MJ 0,8253 [C.A.R.M.E.N.-2019 c] WG 35, gesamt

Max. 2008-2018 ct/MJ 0,9935 [C.A.R.M.E.N.-2019 d] WG 35, gesamt

Min. 2008-2018 ct/MJ 0,7605 [C.A.R.M.E.N.-2019 d] WG 35, gesamt

Kapitalgebundene Kosten

Investitionskosten Laubaufberei-tung

€netto 260 000 [Schortens-2019]

Investitionskosten Behälter und Bunker


Investitionskosten MSR und Monitoring


Investitionskosten Sonstiges €netto 21 000 [Schortens-2019]

Kalkulatorischer Mischzinssatz

% 5 Annahme

Kosten-Kapazitätsfaktor

0,67 [Crundwell-2011] S. 102

Nutzungsdauer Anlagen zur Laubaufbereitung

a 15 Annahme

Nutzungsdauer Behälter, Bunker a 20 [BMF-2000] 3.4.1

Nutzungsdauer MSR und Moni-toring

a 18 [BMF-2000] 3.3.1

Nutzungsdauer Sonstiges a 10 [Mani-2006] S.423

Wartung und Instandsetzung %/Io 4 [Thrän-2013] Tabelle 16

Kosten für Hilfsenergie

Strompreis ct/kWh 11,99 [Thrän et al.-2013] Tab. 18

Elektroenergiebedarf Brikettie-rung

kWh/tBriketts 155 [Shakya-2005] S. 5 [Bhattacharya-2000] S. 7 [Niedziółka-2014] S. 152


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Elektroenergiebedarf Trockner kWh/h 5 [DLG-2019] S.2,Überschlag für kleinere Anlage

Energiebedarf (therm.) Trockner kWh/kgH2O 1,90 [DLG-2019] S.2

Gaspreis (Industrie) €/kWh 0,03 [Statistisches Bundesamt-2019]

Kosten für Hilfsarbeiten

Silieren €/Ballen 5,70 [LWK NRW-2017] S.8

Dichte Laubballen kg/m³ 700 Annahme

Größe Rundballen m³ 1,36 [LWK NRW-2017] S.8

Sieben (Trommelsieb 20 mm) €/tlLaub 5,50 [Kipp-2019]

Betriebsgebundene und sonstige Kosten

Vollzeit Mitarbeiter /a 0,5 Annahme

Jahresgehalt €/a 30 000 [Thrän-2013] Tab. 18 für Zentralheizungen

Kosten-Kapazitätsfaktor 0,25 [Crundwell-2011] S. 107

Verwaltung %/Io 0,75 [Thrän-2013] Tab. 18

Versicherung %/Io 1 [Thrän-2013] Tab. 18

Unvorhergesehenes %/Io 0,50 [Thrän-2013] Tab. 18

Ascheentsorgungskosten

Kosten pro Tonne Rostasche €/t 80 [Thrän-2013] Tab. 18

Kosten pro Tonne Flugasche €/t 150 [Thrän-2013] Tab. 18

Anteil Rostasche % 75

[Kaltschmitt-2016] mittlerer Wert

Anteil Flugasche % 25

[Kaltschmitt-2016] mittlerer Wert

Ergebnisse Abbildung 29 veranschaulicht, dass eine Aufbereitung von Frischlaub zu Brenn-stoffbriketts wirtschaftlich sein kann. Die Aufbereitungskosten im kleinen Leis-tungsbereich liegen in der Größenordnung der betrachteten biogenen Ver-gleichsbrennstoffe. In der Grafik werden die Hackschnitzel- und Holzpelletprei-se aus August 2019 dargestellt sowie der höchste und niedrigste Preis der Brennstoffe zwischen 2008 und 2018.


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Abbildung 29: Laub-aufbereitungskosten und Kosten der Refe-renzbrennstoffe unter Berücksichtigung von Kompostierungskosten in Höhe von 50 €/t. Basierend auf Tabelle 27

-1,5

-1,0

-0,5

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

Laubbrikettierung820 t/a Frischlaub500 t/a Briketts

Laubbrikettierung8200 t/a Frischlaub5000 t/a Briketts

Holzpellets HolzhackschnitzelWG 35

HolzhackschnitzelWG 20

Kapitalgebundene Kosten BiomassekostenKosten für Hilfsenergie Kosten für HilfsarbeitenBetriebsgebundene-, sonstige Kosten Gesamtkosten

Auf

bere

itung

skos

ten

in €

ct/M

J

Die Grafik zeigt, dass im Falle einer größeren Laubaufbereitungsanlage mit ei-ner deutlichen Kostenreduktion gerechnet werden kann. Die kapitalgebunde-nen Kosten haben im Falle einer Laubaufbereitung im kleinen Leistungsbereich einen hohen Anteil an den Gesamtkosten. Auf Grund der Fixkostendegression fallen sie bei der Großanlage deutlich geringer aus. Da bei den Personalkosten und sonstigen Kosten ebenfalls eine Kostendegression angenommen werden kann, sind auch diese bei einer Aufbereitung im großen Leistungsbereich gerin-ger pro behandelter Laubmenge bzw. pro erzeugter Menge an Laubbriketts. Die Biomassekosten sowie die Kosten für Hilfsenergie und Hilfsarbeiten sind für beide Laubaufbereitungen identisch.

Die Kompostierungskosten, die als Gutschriften in der Rechnung berücksichtigt werden, haben einen großen Anteil an den Gesamtkosten der Laubaufberei-tung. Kompostierungskosten sind regional unterschiedlich und variieren ab-hängig vom Material. Im Jahr 2011 betrugen die Bioabfallbehandlungskosten zwischen 30 €/t und 80 €/t. Die Kosten der Grünabfallkompostierung lagen mit 5 €/t bis 30 €/t deutlich darunter [BMU & UBA, 2012, S.42]. Tabelle 28 stellt die berechneten Gesamtkosten der Laubaufbereitung für die Klein- und Großanla-ge dar und veranschaulicht die Auswirkungen der Kompostierungskosten auf die Gesamtkosten.


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Tabelle 28: Gesamtkosten Laubaufbereitung und Referenzbrennstoffe

Ergebnisse [ct/MJ] [€/tBriketts] Erläuterung

Kleinanlage Gesamtkosten

Kompostierungskosten 30 €/t 1,2570 174,9 Berechnung



Großanlage Gesamtkosten

Kompostierungskosten 30 €/t 0,6209 86.39 Berechnung


Kompostierungskosten 70 €/t 0.1321 18,39 Berechnung

Es wird deutlich, dass die eingesparten Kompostierungs- bzw. Verwertungskos-ten einen erheblichen Einfluss auf die gesamte Wirtschaftlichkeit der Laubauf-bereitung haben. Höhere (eingesparte) Laubverwertungskosten würden sich überproportional positiv bzw. geringere Verwertungskosten negativ auf die Laubaufbereitungskosten niederschlagen. Daher ist die Wirtschaftlichkeit der Laubaufbereitung auch immer stark regional mit den entsprechenden Verwer-tungskosten bzw. auch alternativen Energieträgern zu beurteilen.

Im Vergleich zum aktuellen Hackschnitzelpreis (WG 35) und auf Basis der be-schriebenen Annahmen und Datengrundlagen wird eine Laubaufbereitung und -brikettierung in der Kleinanlage bei Kompostierungskosten in Höhe von 77 €/t wirtschaftlich. Im Falle der Großanlage müssen die Kompostierungskosten min-destens 25 €/t betragen.

Kosten der optionalen Siebaufbereitung Bei der Wirtschaftlichkeitsbewertung wurden die Kosten einer Siebung berück-sichtigt. Durch das Absieben der Feinfraktion des Laubes kann der Ascheanteil reduziert werden, wodurch die Brennstoffeigenschaften positiv beeinflusst werden. Die Aufbereitungskosten werden durch den zusätzlichen Siebprozess erhöht. Die Gutschriften verringern sich im Falle einer Siebung, da die abgesieb-te Feinfraktion einer Kompostierung zugeführt werden muss. Die Kosten der Ascheentsorgung werden geringer, wenn eine Siebung vorgenommen wird, da sich der Ascheanteil in den Briketts verringert. Insgesamt haben die durch den Siebvorgang verringerten Gutschriften den stärksten Einfluss auf die Gesamt-kosten, sodass durch eine Siebung, auf Basis der herangezogenen Randbedin-gungen, keine Kosten durch eine geringere Aschemenge nach der Verbren-nung eingespart werden. Allerdings ist die Brennstoffqualität als höher einzu-stufen.


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Ökologische Betrachtung

Für die ökologische Bewertung der Laubbrikettierung wurden die Treibgasemis-sionen anhand der vorgeschlagenen Methodik von [Thrän-2013] berechnet. Als fossiles Referenzsystem zur Wärmebereitstellung wurde der Erzeugungsmix aus Erdgas- und Heizöl-Niedertemperaturheizungen angesetzt [Thrän-2013, S. 103]. Bei der Ermittlung der Treibhausgasemissionen des Brennstoffs Laub wur-de lediglich der Brikettierungsprozess berücksichtigt. Da Laub ein entsorgungs-pflichtiger Reststoff ist, fallen die Treibhausgasemissionen für die Bereitstellung ohnehin an. Auch für die Konversionsanlage wurden keine Emissionen durch den Bezug von Hilfsenergien berücksichtigt, da der Verbrennungsprozess je nach vorliegender Technologie oder Situation unterschiedlich gestaltet werden kann.

Die Treibhausgasminderung wurde mit Hilfe der Formel (4) berechnet [Thrän-2013, S.92].

(4)

EB = Gesamtemissionen bei der Verwendung der Biomasse EF = Gesamtemissionen fossiler Referenzsysteme

Basierend auf den Annahmen aus Tabelle 29 führt die Wärmebereitstellung durch Laubbriketts zu Treibhausgasemissionen in Höhe von 22,39 g CO2-Äq./MJ. Das entspricht einer Treibhausgasminderung von 72,82 % im Vergleich zum Referenzsystem [Thrän-2013, S.103]. Analog zu den Annahmen der ökonomi-schen Betrachtung wurde eine fossile Wärmequelle als worst-case-Szenario für die Laubtrocknung angesetzt. Durch die Verwendung von biogenen Brennstof-fen im Trocknungsprozess des Laubes könnte eine stärkere Treibhausgasminde-rung erzielt werden. Basierend auf den Annahmen in Tabelle 31 könnte eine Treibhausgasminderung von 91.43 % bei der Nutzung von Hackschnitzeln und 91.22 % im Falle von Holzpellets erreicht werden. Allerdings würde die Ver-wendung der biogenen Brennstoffe zu einer Erhöhung der Gestehungskosten führen (siehe ökonomische Bewertung).

Tabelle 29: Berechnungsgrundlage Treibhausgasminderung

Einheit Annahme Erläuterung

Bedarf Hilfsenergie

Bedarf elektrische Energie kWh/a 102 500 Berechnung basierend auf Tabelle 29

Bedarf Wärmeenergie kWh/a 391 176 Berechnung basierend auf Tabelle 29


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Einheit Annahme Erläuterung

THG Emissionen elektrische Energie

Erzeugungsmix öffentlicher Kraftwerkspark

g CO2-Äq./MJel 107.7 [Thrän-2013] Tab. 28 für 2020

THG Emissionen Wärmeenergie

Erzeugungsmix Erdgas- und Heizöl Niedertemperaturheizungen

g CO2-Äq./MJth

82.4 [Thrän-2013] Tab. 35 für 2020

Holzpellets g CO2-

Äq./MJth 7.5 [KEA, 2019 ]

Hackschnitzel g CO2-

Äq./MJth 6.67 [KEA., 2019 ]

Rechtliche Betrachtung (AP7.3)

Eine rechtliche Einordnung der energetischen Laubnutzung ist in Kapitel 2.1.1 (AP1.1) dargestellt.

Vernetzung und Kooperation (AP7.4)

Die Ergebnisse wurden auf verschiedenen Fachveranstaltungen vorgestellt (s. Kapitel 2.6). Zudem wurde das Thema Laubverwertung mit verschiedenen Verwertern (kommunal und privatwirtschaftlich), auch auf der IFAT 2018 in München diskutiert. Des Weiteren erfolgte ein Austausch mit unterschiedlichen Kommunen und Entsorgungsbetrieben zur Laubverwertung.

2.2 Wichtigste Positionen des zahlenmäßigen Nachweises

Der zahlenmäßige Nachweis wurde von der Fraunhofer Zentrale aus München ausgestellt und an das PTJ, Berlin versendet.


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2.3 Notwendigkeit und Angemessenheit der geleisteten Arbeit

Die Verbrennung von Laub ist bislang praktisch nicht umgesetzt, gleichwohl es ein großes Interesse insbesondere seitens kommunaler Einrichtungen gibt. Zu-dem waren keine Informationen zum Verbrennungsverhalten verschiedener Laubfraktionen bekannt, die zur Aufbereitung lediglich getrocknet und briket-tiert waren. Der Einfluss der Silierung auf das Verbrennungsverhalten war bis-lang ebenfalls noch nicht wissenschaftlich untersucht worden. Aus diesem Grund waren die durchgeführten Arbeiten erforderlich und der Umfang der Arbeiten angemessen.

2.4 Voraussichtlicher Nutzen und Verwertbarkeit der Ergebnisse

Die erzielten Ergebnisse stellen eine wesentliche und neue Basis zur Bewertung des Verbrennungsverhaltens unterschiedlicher Laubfraktionen dar. Sie können als Grundlage für die Bewertung des Einsatzes von Laub in Verbrennungsanla-gen genutzt werden. Zudem wurde deutlich, dass je nach Laubentstehung un-terschiedliche Eigenschaften, insbesondere hinsichtlich Asche- und Wassergeh-alte vorliegen, die wiederum den Heizwert sowie die Belastung an Schwerme-tallen beeinflussen. Diese Eigenschaften lassen sich entweder durch die Art der Sammlung oder durch eine Aufbereitung z. B. mittels Siebung deutlich beein-flussen, was weiter zu untersuchen wäre. Die ökonomische Bewertung liefert wichtige Grundlagen für die für einen wirtschaftlichen Betrieb erforderlichen Anlagengrößen in Abhängigkeit von konkurrierenden Brennstoffen sowie ein-gesparten Verwertungskosten des Laubs.

2.5 Während der Durchführung des Vorhabens bekannt gewordener Fort-schritt auf dem Gebiet des Vorhabens bei anderen Stellen

Folgende projektrelevante Ergebnisse wurden während der Projektlaufzeit ver-öffentlicht:

Schonhoff, A.; Berger, F.; Khalsa, J. H. A.; Lenz, V.; Teltewskaja, G.; Wer-ner, H.: IbeKET, Innovatives bedarfsangepasstes Kommunal-Energieträger Konzept. Schlussbericht für das Verbundvorhaben. Bremerhaven, 2016

Wattana, W., Kittayaruksakul, R.: Thermal and Physical Characteristics of Fuel Pellets from Para-Rubber Leaf Litter. 6th international conference on biological, chemical & environmental sciences, Pattaya (Thailand), 08./09.08.2016.


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2.6 Erfolgte oder geplante Veröffentlichungen der Ergebnisse

In folgenden Veröffentlichungen wurden Projektergebnisse vorgestellt:

Konferenzbeiträge

Stahl, E.; Danz, P.; Hose, M.: „Systematische Ermittlung von Emissionsda-ten bei der thermischen Umsetzung unterschiedlicher Laubfraktionen – Zwischenergebnisse aus dem Projekt SET-Laub“. Vortrag. Statuskonferenz Energetische Biomassenutzung, 20.-21.11.17 in Leipzig

Stahl, E.; Danz, P.: Characterization of different leave fractions for energetic utilization. Poster, 26th European Biomass Conference and Exhibition (EUBCE), 14.-17. Mai 2018, Kopenhagen, Dänemark

Stahl, E.; Bernal Arias, F. L.; Danz, P.: Emission characteristics of different foliage fractions. Poster, 27th European Biomass Conference and Exhibition (EUBCE), 27.–30. Mai 2019, Lissabon, Portugal

Stahl, E.; Danz, P., Walberer J.: „Charakterisierung unterschiedlicher Lau-babfallfraktionen für die energetische Nutzung – Ergebnisse des Projekts SET-Laub“. Vortrag. 8. Statuskonferenz Energetische Biomassenutzung, 17.-18. September 2019 in Leipzig

Veröffentlichungen

Stahl, E.; Danz, P.; Hose, M.: „Charakterisierung unterschiedlicher Laubab-fallfraktionen für die energetische Nutzung – Zwischenergebnisse des Pro-jekts SET-Laub“ in: 7. Statuskonferenz. Bioenergie. Flexibel und integriert in die nächste Epoche. Reader des Förderprogramms für energetische Biomas-senutzung. S.67

Stahl, E.; Danz, P.: Characterization of different leave fractions for energetic utilization. 26th European Biomass Conference and Exhibition (EUBCE), Conference proceedings. Kopenhagen, Dänemark, 2018

Stahl, E.; Bernal Arias, F. L.; Danz, P.: Emission characteristics of different foliage fractions. 27th European Biomass Conference and Exhibition (EUBCE), Conference proceedings. Lissabon, Portugal, 2019

Stahl, E.; Danz, P., Walberer, J.: „Charakterisierung unterschiedlicher Lau-babfallfraktionen für die energetische Nutzung – Ergebnisse des Projekts SET-Laub“. 8. Statuskonferenz Energetische Biomassenutzung, Reader des Förderprogramms für energetische Biomassenutzung. S.70-71, Leipzig, 2019

Stahl, E.; Danz, P.; Meiller, M.; Walberer, J.: Laub als Brennstoff? Charakte-risierung und Aufbereitung verschiedener Laubfraktionen für die energeti-sche Nutzung. Müll und Abfall 12/19 (eingereicht)


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3 Erfolgskontrollbericht

s. Anlage

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