CO2-neutrale Dampferzeugung zur Bioethanolproduktion

Im Rahmen der Machbarkeitsstudie der FH-Münster bei der landwirtschaftlichen Brennerei Glitz-Ehringhausen wurde untersucht, in welchem Maße die Dampfproduktion aus Biogas-Blockheizkraftwerken zur Reduzierung der Produktionskosten und Verbesserung der Klimabilanz beitragen kann. Gefördert wurde diese Studie durch das Bundesministerium für Ernährung, Landwirtschaft und Verbraucherschutz (BMELV).

Die landwirtschaftliche Brennerei Glitz-Ehringhausen mit Sitz in Werne möchte sich durch die Produktion von Bioethanol eine zusätzliche Einkommensquelle erschließen und die Auslastung der vorhandenen Anlagen steigern. Im Hinblick sowohl auf die Produktionskosten als auch in Bezug auf die Klimabilanz stellt die energetische Versorgung der Produktionsprozesse einen wesentlichen Aspekt dar.

Herkömmliche Anlagen zur Bioethanolproduktion (Industrie und landwirtschaftliche Brennereien) verwenden fossile Energieträger (z.B. Braunkohle oder Heizöl) für ihre Prozesse. Neben den stetig steigenden Bezugskosten verschlechtert dies in erheblichem Maße die Gesamtklimabilanz für die Produktion von Bioethanol. Wird die benötigte Produktionsenergie aus nachwachsenden Rohstoffen (z.B. Biogasanlage) bereitgestellt, so trägt dies, neben der Sekundärwirkung (Kraftstoffsubstitut), direkt zum Klimaschutz bei.

Die Brennerei Glitz-Ehringhausen möchte daher einen neuen Ansatz realisieren, in dem eine Biogasanlage in das Gesamtkonzept eingebunden werden soll. Dabei wird der Abgaswärmestrom der Blockheizkraftwerke (BHKW) zur Dampfproduktion verwendet und dieser dann in der Brennerei als Energieträger für die Produktionsschritte zur Verfügung gestellt. Die technische Realisierung zur Dampfproduktion aus der thermischen Energie von Blockheizkraftwerken und die Umrüstung der bestehenden Brennerei auf diese neue Betriebsführung beschreiben den innovativen Kern des Vorhabens. Die erforderliche Technologie zur Umsetzung des Konzeptes wurde von der Fa. 2G Energy AG aus Heek entwickelt und auf dem Standort errichtet.

Die Landwirtschaft produziert das Getreide für die Brennerei und liefert einen Großteil der Inputstoffe für die Biogasanlage. In der Biogasanlage wird daraus mit einem Teil der Schlempe aus der Brennerei und Co-Fermenten Biogas produziert. Die Gärreste finden als Dünger wiederum in der Landwirtschaft Verwendung. Der andere Teil der Schlempe wird als Tierfutter verwendet. Das Biogas wird in der Energiezentrale zu elektrischer und thermischer Energie veredelt. Die Energiezentrale besteht dabei aus zwei Blockheizkraftwerken mit einer installierten elektrischen Leistung von 250 kW_el und 340 kW_el sowie dem Dampferzeuger. Während die elektrische Energie in das Stromnetz eingespeist wird, versorgt die thermische Energie den gesamten Betrieb mit Wärme und die Brennerei mit Dampf. Das im Betrieb benötigte Wasser wird über einen eigenen Brunnen gefördert und für die verschiedenen Verwendungszwecke aufbereitet.

Durch den Einbau des Abhitzedampferzeugers wurde der Heizöleinsatz von vorher 19 l Heizöl/hl r.A. (reiner Alkohol) auf ca. 5 l Heizöl/hl r.A. bereits erheblich reduziert. Der verbleibende Heizölbedarf ergibt sich daraus, dass der alte Dampferzeuger immer dann zuschaltet, wenn der Betriebsüberdruck von 4 bar im Dampfnetz unterschritten wird.

Die Dampfmenge des neuen Dampferzeugers reicht für die Beheizung der Destillationskolonnen und des Maischebehälters aus. Der Einsatz des mit Heizöl betriebenen Dampferzeugers zeigt jedoch, dass der neue Dampferzeuger diese Leistung noch nicht erreicht. Aus diesem Grunde sollen Optimierungsmöglichkeiten auf der Produktions- und Verbrauchsseite bei der Dampfnutzung untersucht werden.

Eine Erfassung sämtlicher Energieverluste am Dampferzeuger und Speisewasserkessel sollte zunächst Optimierungspotentiale aufzeigen. Dabei wurden folgende Schwachstellen entdeckt:

• Häufige Absalzung des Dampferzeugers
• Unzureichende Dämmung der Rohrleitungen sowie Armaturen
• Verluste über die Brüden
• Hohe Abgastemperatur hinter dem Dampferzeuger
• Leckagen an der Abgasbypassklappe

   Optimierung der Absalzung

Das größte Optimierungspotential konnte an der Absalzung ausgemacht werden. Beim Verdampfen von Wasser bleiben im Wasser gelöste Salze zurück, die sich mit der Zeit im Dampferzeuger anreichern. Um Schäden durch einen zu hohen Salzgehalt an der Anlage zu verhindern muss dieses Konzentrat abgelassen werden, wobei Energie verloren geht. Ziel war es die Häufigkeit des Absalzvorganges deutlich zu verringern. Eine Untersuchung des verwendeten Wassers ergab eine Leitfähigkeit von 1.030 µS/cm. Die Installation einer Umkehrosmoseanlage zur Entsalzung des Wassers reduzierte diesen Wert auf 11-13 µS/cm und auch die Absalzung erheblich.

   Optimierung der Dämmung

Große Teile der Anlage sind nicht oder nur unzureichend gedämmt. Hier ließen sich durch Nachrüstung Energie einsparen. Die Wirtschaftlichkeit muss im Einzelfall geprüft werden.

   Reduzierung der Brüdenverluste

Bei der Entgasung fallen Energie- und Wasserverluste in Form von Brüden an. Diese sind aufgrund der Funktion der Entgasung nicht vermeidbar.

Eine Möglichkeit zur Verringerung der Verluste ist die Brüdenkondensation zur Speisewassererwärmung. Dabei kondensieren die Brüden in einem Wärmetauscher und erwärmen dadurch das dem Speisewasserkessel zufließende Speisewasser.

   Hohe Abgastemperaturen hinter dem Dampferzeuger

Zur Nutzung dieser Restwärme könnte ein Economiser eingesetzt werden. Dieser dem Dampfkessel nachgeschaltete Abgaswärmetauscher kann zur Speisewasseraufheizung genutzt werden. Es sind jedoch die Mindestabgastemperaturen der Abgasanlage zu beachten.

   Verlust über die Abgasbypassklappe

Eine weitere Verluststelle ist der Abgasbypass. Während des Betriebs des Dampferzeugers wird der Abgasvolumenstrom durch den Dampferzeuger geleitet und der Bypass durch Abgasklappen verschlossen. Diese Klappen haben jedoch eine bestimmte Leckrate, wodurch sie eine Verluststelle darstellen.

Eine neue, besser schließende Klappe kann die Leckrate reduzieren.

Zur Bestimmung des Wirkungsgrades des Dampferzeugers wurden alle Wasser- und Energieströme, die dem Prozess zu- und abgeführt werden sowie innerhalb des Prozesses zirkulieren, erfasst und bilanziert. Damit wurde eine Dampfleistung von 311 kW_th berechnet. Die Biogasanlage hat bei einer Gesamtfeuerungsleistung von 1.561 kW_ges eine elektrische Leistung von 590 kW_el und eine thermische Leistung in Höhe von 404 kW_th. Daraus ergeben sich für die beiden Blockheizkraftwerke Dampfwirkungsgrade von 20,2 % und 19,5 % sowie Gesamtwirkungsgrade von 82,7 % und 84,7 %.

Mit einem Wirkungsgrad von ca. 20 % bezogen auf die Feuerungswärmeleistung erreicht der Dampferzeuger den Wirkungsgrad des alternativ eingebauten Abgaswärmetauschers. Dadurch stellt sich für Biogasanlagenbetreiber zusätzlich eine neue Möglichkeit zur Nutzung der thermischen Energie der Blockheizkraftwerke in Form von höherwertigem Dampf dar. Insbesondere Industriebetriebe mit Dampf- und Wärmebedarf bieten sich dabei als Abnehmer an.

Biokraftstoffe müssen zukünftig ein Treibhausgasverminderungspotenzial gegenüber ihrem fossilen Referenzkraftsstoff aufweisen. Für die Berechnung dieses Treibhausgasverminderungspotenzials gibt die EU-Richtlinie 2009/28/EG ein klares Berechnungsverfahren vor. Auf Grundlage dieser Berechnungsmethodik wurde von der Universität Hohenheim in Zusammenarbeit mit dem Deutschen Biomasse Forschungs Zentrum (DBFZ) und dem Verband der regionalen Brennereien e.V. eine Treibhausgasbilanz für Ethanol aus einer regionalen Brennerei erstellt.

Die fossilen Referenzkraftstoffe Benzin und Diesel werden mit einem Treibhausgaswert von 83,8 kg CO₂/GJ bewertet. Zudem wurden auch Mindestwerte für das Treibhausgasverminderungspotenzial bestimmt. Diese betragen ab Inkrafttreten 35 %, ab 2017 50 % und bei Neuanlagen ab 2017 60 %.