Alternative Brennstoffe/Energieträger

Neben den konventionellen Brennstoffen Gas und Öl liegt der Fokus verstärkt auf der Verwendung alternativer Brennstoffe. Hier steht seit einigen Jahren die Reduktion der CO₂-Emissionen im Vordergrund. Viele Unternehmen haben Nachhaltigkeit in ihren Werten und Zielvorgaben verankert und setzen daher auf möglichst umweltfreundliche bzw. CO₂-neutrale Energieträger.

Folgende alternative Brennstoffe sind in der Praxis anzutreffen:

• Sonstige Brenngase (z.B. Wasserstoff, Flüssiggase wie LNG und LPG)
• Biogene Brennstoffe (z.B. Schwachgase, Biodiesel, Pflanzenöle, Klär- und Biogase)
• Grüner Strom (Erzeugung mit erneuerbaren Energien, z.B. Photovoltaik oder Windkraft)
• Verunreinigte Nebenprodukte aus der chemischen Industrie (z.B. Styrol, Toluol)
• Nebenprodukte aus anderen Industrien (z.B. Tierfett, Fischöl)
• Synthetische Brennstoffe (im Folgenden nicht betrachtet, nicht wirtschaftlich verfügbar)

Die Brennstoffeigenschaften müssen dabei insbesondere in der Auslegung der Feuerung, der Neben-aggregate, des Kessels und der geeigneten Abgaswärmerückgewinnungsmaßnahmen berücksichtigt werden. Besonders zu betrachten sind in diesem Zusammenhang folgende Punkte:

• Brennstoffe mit hohem Schwefelgehalt (z.B. Biogas) oder Neigung zur Rußbildung (Bioöl)
• Chlorhaltige Brennstoffe (z.B. Nebenprodukte aus der chemischen Industrie)
• Brennstoffe, die starke Ablagerungen an den Heizflächen verursachen (z.B. sogenannte Reraffinate)
• Brennstoffe mit besonders hoher Verbrennungstemperatur (z.B. Wasserstoff)
• Brennstoffe, die in der Praxis eine konstante Abnahme erfordern (Biogas, LNG, gasförmige Nebenprodukte)

Wasserstoff

Eine große Chance für die Umweltbilanz von Prozesswärme bietet die Verwendung von grünem Wasserstoff in Kesselsystemen, da bei dessen Verbrennung Wasserdampf statt CO₂ entsteht. Neben der CO₂-Neutralität ist auch der hohe Wirkungsgrad mit über 98 % in Kesselanlagen von großem Vorteil. Grüner Wasserstoff gilt als ein wichtiger Energieträger für die Zukunft und ist als Brennstoff für eine CO₂-neutrale Heiz- und Prozesswärmeerzeugung prädestiniert.

Bei der Verwendung als Brennstoff sind gewisse Faktoren und Unterschiede im Vergleich zu Erdgas zu berücksichtigen: Die Flamme der Verbrennung ist mit rund 2000 °C erheblich heißer als z.B. die von Erdgas, was die thermische NO_x-Bildung begünstigt. Geeignete technische Gegenmaßnahmen, wie eine Abgasrezirkulation oder passende Flammrohrgeometrie schaffen hierfür Abhilfe durch Reduktion von Hotspots im Brennraum.

Auch das Thema Sicherheit muss dediziert betrachtet werden. Wasserstoff brennt und zündet rasanter, nicht umsonst nennt sich die Mischung aus Wasserstoff und Sauerstoff auch Knallgas. Eine versehentliche Knallgasbildung ist unbedingt zu vermeiden. Als kleinstes Atom im Universum neigt Wasserstoff zur Diffusion durch viele Materialien, wie sogar durch Metalle.

Diese Aspekte und weitere technische Anforderungen müssen für den sicheren Umgang mit Wasserstoff berücksichtigt werden. Weitere Informationen zum Thema Wasserstoff sind im Fachbericht „Heiz- und Prozesswärme mit klimaneutralem Wasserstoff“ zusammengefasst.

Fachbericht: Wasserstoff

Biogas/Bioöl

Bio- und Klärgas entstehen bei der Zersetzung von organischer Masse durch Mikroorganismen. Das Gas besteht in der Regel zu einem großen Anteil aus Methan, enthält jedoch häufig auch andere Nebenprodukte, wie etwa Schwefel. Zusammensetzung und Mengenanteile können hierbei stark variieren, weshalb regelmäßige Analysen und eine kontinuierliche Verbrennungsregelung empfohlen werden. Dasselbe gilt auch für Bioöl. Biogas ist im Gegensatz zu Bioöl nicht wirtschaftlich in großem Maße speicherbar. Daher sollte verbraucherseitig eine flexible Abnahme jederzeit möglich sein. Zudem ist es sinnvoll, einen zweiten Energieträger im System zu integrieren, um den zeitlichen Verlauf von Biogasproduktion und Prozesswärmebedarf zu entkoppeln.

Zusätzlich zu den Schwankungen von Zusammensetzung und Heizwert von Bioöl, finden sich hier häufig Verunreinigungen und weitere Bestandteile, die zu Rußbildung führen können. In diesem Fall ist eine häufige (bis hin zu tägliche) Reinigung der abgasseitigen Wärmetauscherflächen nötig, da Beläge den Wärmeübergang und somit die Effizienz negativ beeinflussen. Ausgeklügelte pneumatische Lösungen können für eine vollautomatische Reinigung im laufenden Betrieb genutzt werden. Das Einhalten der Abgasgrenzwerte muss insbesondere bei Bioöl im Einzelfall geprüft werden.

Bosch Bioöl Kessel mit innovativem Druckluft-Reinigungssystem bei der Eidsiva Bioenergi AS in Dänemark

Auch kann es bei flüssigen Biobrennstoffen vorkommen, dass winzige Partikel enthalten sind. Diese können im schlimmsten Fall die Brennerdüsen regelmäßig blockieren. Rotationszerstäuberbrenner sind hier deutlich weniger anfällig, falls keine partikelfreie Brennstoffqualität sichergestellt werden kann.

Biomasse

Biomasse meint im Wesentlichen nachwachsende Festbrennstoffe wie Holz, Pellets, seltener auch Nussschalen oder sonstige Pflanzenüberreste. Sie ist meist kostengünstig oder gar ein Abfallprodukt, speicherbar und nahezu weltweit verfügbar. Lagerung, Platzbedarf und Logistik sind jedoch meist deutlich aufwendiger als bei flüssigen oder gasförmigen Brennstoffen.

In der Bewertung der Nachhaltigkeit scheiden sich die Geister. Beim Verbrennen wird CO₂ freigesetzt, das zu „Lebzeiten“ der Pflanze aus der Atmosphäre gebunden wurde. Bei einjährigen Pflanzen (vgl. Biogas aus Mais, Nussschalen) ist die CO₂-Bindung sehr kurzfristig erfolgt. Anders bei Brennholz – dort kann es durchaus schon über hundert Jahre her sein und es gibt alternative Nutzungen des Materials ohne Freisetzung des chemisch gebundenen CO₂ (z.B. als Bauholz). Zunehmend gerät auch die CO₂-Entstehung in der Herstellung der Biomasse in den Fokus, insbesondere bei Holzpellets (Trocknung, Transport). Neben CO₂ werden bei der Biomasseverbrennung auch höhere Schadstoffemissionen verzeichnet, darunter NO_x, Schwefel oder Feinstaub. Je nach Brennstoff und Aufstellort kann daher eine Abgasreinigung sinnvoll oder vorgeschrieben sein.

Bei Anlagen, deren ständige Verfügbarkeit von hoher Relevanz ist, werden häufig zusätzliche Systeme mit anderen Energieträgern als Backup genutzt, z.B. ein weiterer Kessel mit konventionellen Brennstoffen.

Grünstrom

Warum den grünen Strom nicht direkt nutzen? Der Einsatz von rein elektrischen Heißwassererzeugern in gewerblichen und industriellen Prozessen ist aus technischer Sicht hochattraktiv. Das Kesselhaus benötigt keinen Kamin mehr und ist zudem zukunftssicher hinsichtlich Emissionen.

Elektrische Wärmeerzeuger haben ihre Berechtigung: Insbesondere für kleinere Unternehmen oder für z.B. Krankenhäuser mit wenigen Stunden Wärmebedarf pro Woche fallen die Energiekosten weniger ins Gewicht. Darüber hinaus ist gerade in ländlichen Gegenden das Erdgasnetz nicht flächendeckend ausgebaut. Ebenso verfügen einige Betriebe z.B. über Photovoltaikanlagen oder nahegelegene Windparks und können durch Elektrokessel ihren selbst genutzten Anteil des grünen Stroms enorm steigern. Entscheidende Faktoren für „Power-to-Heat“ sind die Energiepreise und die zugrunde liegende Politik im jeweiligen Land. In Regionen mit niedrigen Strompreisen und entsprechend ausgebauter Netzinfrastruktur für große Verbraucher werden bereits heute Elektrokessel verstärkt eingesetzt. Zunehmend werden elektrische Wärmeerzeuger auch aus Gründen der Versorgungssicherheit attraktiv, um stets eine Alternative zu anderen Brennstoffen nutzen zu können.

Produkt: Elektrokessel für Heizwärme und Heißwasser ELHB

Info zu Ausrüstung und Regelung

Weitere Alternativen, wie etwa die Integration von elektrisch betriebenen Wärmepumpen, sind in produzierenden Unternehmen meist nur für Niedertemperaturanwendungen rentabel, z.B. für Heizzwecke mit <70 °C Vorlauf. Viele Produktionsprozesse hingegen benötigen Dampf und Heißwasser oft mit Temperaturen weit über 100 °C. Bei diesem hohen Temperaturniveau sinkt der Wirkungsgrad (genauer COP) von Wärmepumpen, somit ist eine wirtschaftliche Betriebsweise nur in Einzelfällen möglich. Zur Speisung der Wärmepumpe ist zudem häufig keine adäquate Abwärmequelle vorhanden, denn der erreichbare Temperaturhub beträgt meist weniger als 50 Kelvin, beispielsweise von 15 °C auf 65 °C.