Ein Biomasseheizkraftwerk (BMHKW) und ein Biomassekraftwerk (BMKW) erzeugen mit gleichen oder ähnlichen Verfahren durch die Verbrennung fester Biomasse elektrische Energie. Ein Biomasseheizkraftwerk stellt darüber hinaus Wärme bereit, die als Fern- oder Nahwärme oder als Prozesswärme genutzt werden kann. Bei reiner Wärmebereitstellung spricht man von einem Biomasseheizwerk (BMHW).
Als Rohstoff werden feste Brennstoffe (biogener Festbrennstoff) wie z. B. Reste aus der Holzverarbeitung wie Sägemehl, Hackschnitzel, nicht als Nutzholz geeignetes Waldholz, Stroh und Altholz eingesetzt, aber auch Getreide kann verbrannt werden. Ein Holz(heiz)kraftwerk (H(H)KW) ist ein mit Holz betriebenes Biomasse(heiz)kraftwerk.
mini|Biomasseheizkraftwerk Ramingdorf bei Steyr mit einer elektrischen Leistung von 5,7 MW und einer thermischen Leistung von 17 MW mini|Holzheizkraftwerk in Oerlinghausen
Anlagentechnik mini|Biomassekraftwerk Lünen, Betreiber: Evonik, Leistung: 20 MWel
In Biomasseheizkraftwerken werden verschiedene Verfahren zur Stromerzeugung und Wärmebereitstellung eingesetzt. Bedeutende Anlagentypen sind Biomasse-Dampfkraftwerke, ORC-Anlagen und thermische Biomassevergaseranlagen.
Biomasse-Dampfkraftwerke Der Brennstoff wird in einem auf den Brennstoff abgestimmten Dampfkessel verbrannt. Die meisten Anlagen arbeiten mit Rostfeuerungen, größere Anlagen auch nach dem Wirbelschichtverfahren. Beim Rostkessel wird der Brennstoff auf einem in der Regel mechanisch angetriebenen Rost über verschiedenen Zonen getrocknet, dann gezündet und verbrannt. Beim Wirbelschichtkessel wird der Brennstoff direkt in den Feuerraum gegeben. Die leichteren Bestandteile verbrennen im Flug, die schwereren fallen nach unten in ein Fluidisierungsmedium, meistens Sand, welcher die Verbrennung homogenisiert und den Brennstoff in der Schwebe hält. Im Boden des Kessels wird Luft eingedüst, um das Brennstoff-Sand-Gemisch zu verwirbeln und es zu fluidisieren. Das entstehende heiße Rauchgas wird bei beiden Verfahren durch Kesselzüge geleitet, die bei größeren Anlagen wassergekühlte Membranwände haben. Im Bereich der Flammenbildung und starker Strahlungsbelastung sind die Wände mit einer feuerfesten Ausmauerung ausgekleidet, um die thermische und chemische Belastung der Wände zu verringern. In den nachgeschalteten Rauchgaszügen sind Rohrschlangen eingebaut, die als Verdampferfläche, als Überhitzer- und Economiserflächen geschaltet sind. Der überhitzte Dampf wird einer Turbine zur Stromerzeugung zugeführt und danach zumeist zusätzlich als Fernwärme bzw. Nahwärme genutzt. Gegebenenfalls sind die letzten Economiserflächen noch zur direkten Wärmeauskopplung vorgesehen. Das Rauchgas wird in einer Rauchgasreinigungsanlage gereinigt und über einen Kamin emittiert.
Organic-Rankine-Cycle-Anlagen
mini|Vereinfachtes Verfahrensfließbild eines ORC-Prozesses
Biomassenheizkraftwerke können mit dem Organic-Rankine-Cycle-Verfahren (ORC) betrieben werden. Bei Biomasse-ORC-Anlagen wird zumeist ein Rauchrohr-Wärmeübertrager eingesetzt, der von einer biomassebeheizten Feuerung mit heißen Rauchgasen beaufschlagt wird. Das Wärmeträgeröl (Thermalöl) wird erhitzt und verdampft bei etwa 350 °C. In dem Rankineprozess wird das gasförmige Fluid der Turbine zugeführt und das entspannte Wärmeträgeröl kondensiert in dem nachgeschalteten – in der Regel luftgekühlten – Verflüssiger. Als Arbeitsmedium wird kein Wasser verwendet, sondern organische Verbindungen, die bei niedrigeren Drücken verdampfen, und es kann meistens auf eine Überhitzung verzichtet werden. Das Rauchgas ist nach der Wärmeübertragung auf das Thermalöl meist noch über 250 °C heiß und kann daher in einem zweiten, nachgeschalteten Wärmeübertrager Wasser erhitzen, z. B. für die Bereitstellung von Fernwärme.
Thermische Biomassevergaseranlagen Bei diesem Verfahren wird Biomasse durch Pyrolyse vergast. Das so entstandene Holzgas, auch Synthesegas oder Schwachgas genannt, wird im heißen Zustand vorgereinigt, danach abgekühlt, gefiltert und bei manchen Anlagen in einem Wäscher gewaschen. Anschließend erfolgt die Verstromung mittels eines Gasmotors.
Diese Technologie wurde im Heizwerk Civitas Nova in Wiener Neustadt sowie in Güssing (Burgenland)eee-info.net: und in Oberwart (Burgenland) eingesetzt. Ein weiteres Beispiel sind die so genannten Rückwärtskraftwerke einer Tiroler Firma.
Cofiring und Umstellung bei klassischen Kohlekraftwerken Bei Kohlekraftwerken können auch Holzpellets als Zuschlag der Kohle beigegeben werden, was bis zehn Prozent einfach möglich ist, die Leistung reduziert und dafür den Zugang zu Subventionen und reduzierte Anrechnung der Kohlendioxidemissionen ermöglicht.Wood. The fuel of the future Environmental lunacy in Europe, The Economist vom 6. April 2013 (englisch).
Effizienz Größere Biomassekraftwerke erreichen ohne Zwischenüberhitzung (ZÜ) elektrische Bruttowirkungsgrade von rund 30 %, sofern sie mit einer ZÜ arbeiten bis zu 37 %.kab-takuma.com: In einem Biomassekraftwerk gehen also etwa zwei Drittel der Primärenergie als Abwärme verloren, sofern keine Wärmeauskopplung stattfindet. Deshalb werden oft Heizkraftwerke gebaut, die einen Teil der Kondensationsenergie als Nutzwärme für Prozess- und Raumwärmebereitung abgeben (siehe auch: Fernwärme und Nahwärme). Selten gibt es auch Biomasseheizkraftwerke mit Gegendruckturbine, die die komplette Kondensationsenergie nutzen. Diese Heizkraftwerke haben einen Brennstoffnutzungsgrad (elektrisch und thermisch) von bis zu 85 %.
Rauchgasreinigung Alle Typen der Biomasseheizkraftwerke haben eine Rauchgasreinigung. Dabei kommen zur Entstaubung folgende Anlagen einzeln oder in Reihe geschaltet zum Einsatz: Zyklon Multizyklon Elektrofilter trocken nass Schlauch- oder Gewebefilter Wäscher Rauchgaskondensation- und Entschwadungsanlagen
Die Reinigung stark belasteter Rauchgase, beispielsweise bei Altholzverbrennung, erfolgt meist mit Kalkhydrat zur Neutralisation der Säuren und zur Entschwefelung, sowie mit Aktivkoks oder Aktivkohle als Adsorbens. Zum Einsatz kommen hierbei oft Umlenkreaktoren, wie etwa beim NID-Verfahren, oder Sprühabsorber mit nachgeschalteten Gewebefiltern. Die Asche aus dem Rauchgasstrom lagert sich an Gewebefiltern ab, die regelmäßig abgereinigt werden. Die Entstickung erfolgt meistens durch das SNCR-Verfahren mit Ammoniak bzw. Ammoniaklösung oder Harnstoffeindüsung direkt in den Feuerraum.
Brennstoffe mini|Feine Laubholz-Hackschnitzel und grobe Nadelholz-Hackschnitzel
Zur Verwendung in Biomasseheizkraftwerken sind verschiedene feste Brennstoffe geeignet, z. B.: Holzhackschnitzel aus: unbehandeltem forstwirtschaftlichem Frischholz; neben dem Stammholz wird vermehrt auch der Voll- und Ganzbaum genutzt (Äste, Reiser, Nadeln, Wurzelstöcke) Altholz gemäß der Altholzverordnung (Schadstoffklassen A I bis A IV), auch kunststoffbeschichtete, lackierte, oder mit Holzschutzmitteln imprägniert Brennstoffe (z. B. Bahnschwellen) können in Anlagen mit entsprechender Abgasreinigung zulässig sein; die eingesparten Entsorgungskosten und der hohe Heizwert können Altholz zu einem billigen Rohstoff machen Kurzumtriebsplantagen Holzpellets Getreide, Stroh Riesen-Chinaschilf (Miscanthus) viele andere energiereiche organische Reststoffe Ersatzbrennstoffe: billige Reststoffe großteils organischen Ursprungs (aber oft hohen anorganischen Anteilen und Schadstoffgehalten) wie: Treibsel (Schwemmholz der Küsten, oft vermengt mit anderen angeschwemmten Stoffen) Spuckstoffe aus dem Altpapier-Recycling Sortierreste aus dem Dualen System Schredderleichtfraktion (nicht recyclingfähige Teile von Schrottautomobilen, z. B. Armaturenbretter, Sitze) Klärschlamm Textilfasern und vieles mehr
Stromerzeugung Im Jahr 2021 wurden 43,5 TWh oder 6,8 % der öffentlichen Nettostromerzeugung in Deutschland aus Biomasse gewonnen.Öffentliche Nettostromerzeugung in Deutschland 2021 auf energy-charts.info Die maximale Leistung lag bei 5,76 GW, die minimale bei 4,25 GW.Nettostromerzeugung in Deutschland 2021 auf energy-charts.info
Ökologische Bewertung Die Brennstoffe werden in der CO2-Bilanz als neutral bezeichnet, da sie beim Verbrennen nur das beim Wachsen aufgenommene CO2 abgeben. Unberücksichtigt bleibt hierbei aber das bei Gewinnung, Aufbereitung und Transport emittierte Kohlendioxid, sowie bei Einsatz von Altholz das Mitverbrennen von z. T. erheblichen Anhaftungen nicht CO2-neutraler Substanzen (Beschichtungen, Imprägnierungen).
Verbrennungsrückstände Die festen Verbrennungsrückstände sind, je nach eingesetztem Brennstoff, verschieden stark mit Schadstoffen, wie z. B. Schwermetallen, belastet. Holzasche unbelasteter Brennstoffe kann meist als Dünger verwendet werden, während die Asche belasteter Althölzer meistens auf Sondermülldeponien eingelagert werden muss. Das Düngemittelgesetz (DüMG) und die Düngemittelverordnung (DüMV) geben Grenzwerte vor.
Politische Rahmenbedingungen Deutschland In Deutschland wird die Erzeugung von Strom aus Biomasse durch das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) gefördert. Das Gesetz garantiert für 20 Jahre eine erhöhte Grundvergütung. Durch eine Staffelung erhalten kleinere Anlagen eine höhere Vergütung als große Anlagen. Bei einer elektrischen Leistung von über 5 MW aber unter 20 MW gilt die Grundvergütung nur bei gleichzeitiger Kraft-Wärme-Kopplung. Zusätzliche Erhöhungen sind möglich, wenn die Bedingungen für den Nawaro-Bonus und/oder den Technologie-Bonus erfüllt werden. Zweck des EEGs ist der Klima- und Umweltschutz, die Schonung von Ressourcen und die Verringerung der Abhängigkeit von Energieimporten. Dies erfolgt durch Förderung von Bioenergien und anderen erneuerbaren Energien. Durch das Erneuerbare-Energien-Wärmegesetz (EEWG) wird die Nutzung von Wärme unter anderem aus Biomasse gefördert. Die Nachhaltigkeit der Energiegewinnung aus Biomasse soll durch die Biomassestrom-Nachhaltigkeitsverordnung (Biomasse-NachV) sichergestellt werden. (siehe auch Artikel Erneuerbare-Energien-Gesetz und Erneuerbare-Energien-Wärmegesetz)
Österreich mini|Dampfturbine des Biomasseheizkraftwerkes Mödling mit einer elektrischen Leistung von 5 MW und einer thermischen Fernwärmeleistung von 20 MW
In Österreich wird die Erzeugung von Strom nach dem Ökostromgesetz gefördert. Der Einspeisetarif hängt vom Jahr der Inbetriebnahme, von der Art des eingesetzten Brennstoffs und von der elektrischen Engpassleistung ab, und ist grundsätzlich fallend. Die Vergütungsdauer betrug 13 Jahre für Kraftwerke die von 2003 bis vor dem 1. Januar 2007 in Betrieb gegangen sind und bis 21. Dezember 2004 bewilligt waren. Für Kraftwerke, die danach bewilligt wurden, wird der Einspeisetarif für 15 Jahre garantiert, jedoch war ein Gesamtwirkungsgrad von über 60 % erforderlich, der somit eine hohe Wärmeauskoppelung erforderlich macht. Die Tarife waren jedes Jahr niedriger als im Vorjahr und lagen 2010 bei nur noch 12,2 ct/kWh bei Anlagen größer 2 MW el und damit bereits unter Haushaltsstrompreisniveau; der Neubau dieser Anlagen ist somit stark zurückgegangen.OeMAG Abwicklungsstelle für Ökostrom AG: Ökostromgesetz, Stand 23. Januar 2010 Ab 2023 wurden die Tarif aufgrund von Gebotsverfahren vergeben und sind nur mehr Zuschläge zum Marktpreis sofern die diese den Gebotswert unterschritten hat.
Umweltauflagen Deutschland Die Auflagen für den Immissionsschutz hängen vom jeweils verwendeten Brennstoff ab. Wird unbehandeltes Holz eingesetzt, so gilt die Technische Anleitung zur Reinhaltung der Luft (TA Luft). Wird Altholz eingesetzt, so wird nach der Verordnung über die Verbrennung und die Mitverbrennung von Abfällen (17. BImSchV) genehmigt. Im Einzelfall sind erleichternde Ausnahmeregelungen oder auch verschärfte Auflagen möglich.
Österreich Die Emissionsauflagen werden in der Feuerungsanlagen-VerordnungFeuerungsanlagen-Verordnung – FAV, Stand: 23. Januar 2010 und dem Emissionsschutzgesetz für KesselanlagenEmissionsschutzgesetz für Kesselanlagen – EG K, Stand: 23. Januar 2010 geregelt.