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Experten-Ratgeber: Wann lohnt sich ein Holzvergaser-BHKW?

Was ist Holzgas? Wie funktioniert ein Holzgas-BHKW? Wo macht der Einsatz eines Holzvergasers Sinn?

Ein Holzgasvergaser-BHKW ist eine Geräte-Variante eines BHKW, das mit Holzgas als Brenngas betrieben wird. Das Holzgas erzeugt das BHKW mit Hilfe eines dem KWK-Prozess integrierten Holzvergasers. Trotz anspruchsvoller Technik, lohnen sich Holzvergaser-BHKW an Standorten, an denen Holzhackschnitzel in großem Maße vorhanden sind und ein hoher Wärme- und Strombedarf vom BHKW gedeckt werden kann.

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Was ist das Besondere an einem Holzvergaser-BHKW?

Ein BHKW ist ein Blockheizkraftwerk, das zur Erzeugung von elektrischer (Strom) und thermischer (Wärme) Energie dient. Die in kleinem Maßstab auch als stromerzeugende Heizung bekannte Kraft-Wärme-Kopplungstechnik ist i.d.R. modular aufgebaut und wird meist dort platziert, wo die erzeugte Wärme verbraucht wird, um Wärmeverluste auf dem Transport zu minimieren.

Man klassifiziert BHKW nach der Art, wie sie angetrieben werden, in unterschiedliche BHKW-Typen. Als Stromerzeuger kommen zum Beispiel Verbrennungsmotoren, Gasturbinen, Stirlingmotoren und Brennstoffzellen zum Einsatz. Kraftstoffe bei den erstgenannten Verbrennungsmotoren können fossiler oder regenerativer Natur sein, zum Beispiel Heizöl, Diesel (Biodiesel für einen Dieselmotor), Pflanzenöl (häufig Palmöl) oder Gas (Erdgas beziehungsweise Biogas (Ottomotor)).

Holz wird in Deutschland nur zu etwa 10 Prozent verstromt. Und dies dann vor allem in vergleichsweise großen Biomassekraftwerken mit in der Regel Dampfturbinen mit relativ geringen elektrischen Wirkungsgraden. Die Abwärme wird häufig nur teilweise oder gar nicht genutzt.

Um Strom aus Holz auch in kleinen Anlagen mit höherem Wirkungsgrad zu erzeugen und so auch eine sinnvolle Abwärmenutzung zu ermöglichen, gibt es vielfältige Entwicklungsbestrebungen von Holz-BHKW, die im kleinen Leistungsbereich mit u.a. Dampfmotoren, ORC-Anlagen und Stirlingmotoren arbeiten.

Eine Alternative Technik hierzu ist die thermochemische Vergasung von Holz mit anschließender Nutzung des Produktgases („Holzgas“) in einem Gasmotor, vereinfachend auch Holzvergasung genannt. Der Holzvergaser produziert aus dem Brennstoff Holz zunächst Holzgas. Das Holzgas wird dann zum eigentlichen Kraftstoff. Als alternative Bezeichnungen für Holzgas-BHKW sind Holzvergaser-BHKW, Hackschnitzel-BHKW und Holz-BHKW gängig.

Der modular aufgebaute EnergyBlock ist ein 20- bzw. 40-Fuß-Container, beinhaltet eine Holzvergasereinheit, ein BHKW und eine Steuerungsanlage und bietet eine Leistung von 35 kWel bis 780 kWel sowie 80 kWth bis 1,8 MWth. (Foto: Spanner Re² GmbH)
Der modular aufgebaute EnergyBlock ist ein 20- bzw. 40-Fuß-Container, beinhaltet eine Holzvergasereinheit, ein BHKW und eine Steuerungsanlage und bietet eine Leistung von 35 kWel bis 780 kWel sowie 80 kWth bis 1,8 MWth. (Foto: Spanner Re² GmbH)

Experten-Wissen: Holzpellets bieten aufgrund der gleichmäßigen Stückigkeit und ihres niedrigen Wassergehaltes Vorteile in der Beschickung und Holzvergasung. Aus Kostengründen kommen als Brennstoff meistens jedoch Holzhackschnitzel zum Einsatz.

Unterschiede zu normalen BHKW im Überblick

Ein Holzgas-BHKW ist ganz ähnlich aufgebaut wie andere BHKW, die mit Verbrennungsmotoren arbeiten. Der wesentliche Unterschied ergibt sich aus der Herkunft bzw. Herstellung des Holzgases als BHKW-Kraftstoff:

Ein mit Erdgas betriebenes BHKW beispielsweise nutzt Gas, das aus der Leitung des öffentlichen Energieversorgers strömt. Ein Holzgas-BHKW sorgt selbst für seinen Kraftstoff, den es aus Holz erzeugt, und ist damit unabhängig von einem Anschluss an ein Erdgasnetz.

Zu den wichtigsten Komponenten eines modularen Holzvergaser-Blockheizkraftwerks zählen 

  • der Holzvergaser,
  • der Motor,
  • der Generator und
  • zugehörige Wärmeübertrager.

Der Motor des Holzgas-BHKW verwendet das zum Beispiel mit der sogenannten unterstöchiometrischen Verbrennung eigens produzierte Holzgas, um daraus mechanische Energie zu erzeugen, die der Generator in elektrische umwandelt.

Zugleich nehmen Wärmetauscher die thermische Energie auf, die bei der Verbrennung anfällt – und geben diese an das Heizsystem ab. Gespeichert in einem Pufferspeicher kann mit der Wärme Heizwasser bereitgestellt oder Brauchwarmwasser erwärmt werden.

Holzpellet-Vergaser-Blockheizkraftwerk (hier: Burkhardt Holzvergaser V 3.90) im Bioenergiedorf St. Peter in Baden-Württemberg. (Foto: Deutscher Energieholz- und Pellet-Verband e.V. (DEPV))
Holzpellet-Vergaser-Blockheizkraftwerk (hier: Burkhardt Holzvergaser V 3.90) im Bioenergiedorf St. Peter in Baden-Württemberg. (Foto: Deutscher Energieholz- und Pellet-Verband e.V. (DEPV))

Expertenwissen: Eine stöchiometrische Verbrennung ist eine chemische Reaktion, bei der eine brennbare Substanz mithilfe von Sauerstoff aus der Luft oxidiert wird, wobei genau die Menge an Sauerstoff zugeführt wird, die rein rechnerisch für eine komplette Verbrennung nötig ist. Idealerweise enthalten die Abgase dann keinen Sauerstoff mehr. Das sogenannte Verbrennungsluftverhältnis (der λ-Wert = Lambda-Wert) liegt in diesem Fall bei 1. Eine unterstöchiometrische Verbrennung ist hingegen eine, die unter Luftmangel stattfindet.

Im Vergleich mit anderen BHKW-Typen (Gas-BHKW, Öl-BHKW) erzielt ein Holzgas-BHKW einen etwas geringeren Wirkungsgrad. Außerdem müssen Sie wissen, dass der Betrieb der Anlage aufwendiger ist, zum Beispiel, weil die Hackschnitzel per strombetriebenen Förderbändern zum Vergaser gebracht werden müssen oder weil die anfallende Asche automatisch ausgetragen wird, und Holzgas-BHKW auch häufiger zu warten sind. Dafür steht das Holzgas-BHKW in Sachen Ökobilanz günstiger da als andere BHKW.

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So erzeugt das Holzgas-BHKW seinen Brennstoff

Brennstoff-Zuführung

Die Holzhackschnitzel werden vom Lager zunächst über Schnecken oder Schubstangen (bei Pellets auch per Saugförderung) aus dem Lager zu einem zu einem Schleusensystem (i.d.R. Absperrklappen, Absperrschieber oder Zellenradschleusen) vor der Vergasungsanlage gefördert. Obwohl alle Systeme nicht vollkommen dicht abschließen, ist ein Gasaustritt unwahrscheinlich, da der Vergaser in der Regel mit leichtem Unterdruck betrieben wird.

Bei Holzvergaser-BHKW mit Brennstofffluss von oben nach unten gelangt der Brennstoff dann allein per Schwerkraft in den Vergasungsreaktor. Bei Vergasern, deren Brennstoffzufuhr von unten nach oben folgt, wird der Abschluss über eine starke Verdichtung der zugeführten Hackschnitzel erreicht, wobei der notwendige Druck in der Regel durch eine Förderschnecke erzeugt wird.

Vergasungsprozess

Im Holzvergaser setzt dann unter hoher Temperatur mit sehr wenig Sauerstoff die Verbrennung ein. Dabei verdampft zuerst die noch im Holz steckende Restfeuchte (Wasser) und der anfallende Wasserdampf wird fortgeleitet.

Die zur Holzvergasung nötige Wärme wird entweder durch eine externe Quelle erzeugt und indirekt dem Holz zugeführt („allothermes Verfahren“) oder durch eine teilweise Verbrennung des Holzes bereit gestellt („autothermes Verfahren“). Da die indirekte Zufuhr von Wärme technisch sehr aufwändig ist, kommen im kleinen Leistungsbereich bisher nur authotherme Verfahren zum Einsatz.

Dann folgt die eigentliche Holzgasproduktion: Aus dem Holz entweicht ein Gas, das Methan, Ethylen, Wasserstoff, Stickstoff, Kohlenmonoxid und Kohlendioxid enthält. Wichtig: Nicht alle Bestandteile des Holzgases, darunter Stickstoff und Kohlendioxid, brennen.

Ein großer Teil der mineralischen Bestandteile des Holzes (im Wesentlichen Ca-, Mg-, K-, P-, Na-Verbindungen), geringe Mengen Schwermetalle, mit dem Holz eingetragene Sand- und Erdmengen sowie unverbrannter Kohlenstoff bilden die bei der Vergasung zurückbleibende Asche. Ein Teil der Asche findet sich allerdings auch als Staub auch im Produktgas wieder.

Außerdem enthält das Holzgas zusätzlich zu den oben angeführten heizwertliefernden Gasen wie Kohlenmonoxid CO, Wasserstoff H2 und Methan CH4) noch Stickstoff, Kohlendioxid, Sauerstoff, Wasserdampf und langkettige Kohlenwasserstoff-Moleküle, speziell sogenannte „Teere“.

Wichtig: Die Qualität der verfeuerten Hackschnitzel beeinflusst maßgeblich, wie groß der Anteil an brennbaren, der an nicht brennbaren Gasen sowie an Staub und Teeren im Holzgas ist. Gerade diese Anteile haben einen großen Einfluss auf die anschließende Nutzung in einem BHKW.

Tabelle 1: Holzvergaser-Verfahren im Überblick
Verfahren Bewertung
Bewegtbettverfahren mit stationärer und zirkulierender Wirbelschicht Technischer Aufwand für Holzvergaser-BHKW im kleineren Leistungsbereich sehr hoch
Kontinuierliche Festbettvergasung Kontinuierliche Vergasung in zylindrischen Stahl-Behältern in „festgelegten“ Zonen
Mehrstufige Vergasung Bei der „gestuften Vergasung“ können Festbett- und Bewegtbettverfahren kombiniert werden

Verbrennung im Holzvergaser-BHKW

Um aus Holzgas Strom und Wärme zu produzieren, kommen Blockheizkraftwerke (BHKW) mit Schwachgasmotoren ähnlich den "Biogas-BHKW" wie Gasmotoren (Gas-Otto-Motoren mit Zündkerzen) als auch Motoren, die mit Zündöl zur Zünd- und Stützfeuerung (Zündstrahl-Motoren) zum Einsatz.

Aufgrund des geringeren Heizwertes als Biogas (rund 1,2 kWh/m3 zu ca. 5 kWh/m3) und einer anderen Gaszusammensetzung muss ohne Motoranpassung beim Einsatz von Holzgas mit geändertem Betriebsverhalten und höherem Verschleiß gerechnet werden.

Gegenstrom- und Gleichstromvergaser

Im kleineren Leistungsbereich unterscheidet man beim Festbettverfahren den Einsatz eines Gegenstrom- von einem Gleichstromvergasers. Beim Gegenstromvergaser bewegen sich der Luft- und Holzgasstrom in entgegengesetzte Richtung. Dabei wird die Luft von unten zugeführt und das Holzgas nach oben abgeleitet. Da das Holzgas dabei die Pyrolyse-Zone passiert, werden auch vermehrt Teere mitgeführt, deren Entfernung den Wirkungsgrade der Anlage senkt.

Im Gleichstromvergaser bewegen sich der Luft- und der Holzgasstrom und Brennstoff hingegen in die gleiche Richtung, was deutlich teerärmere Holzgase erzeugt. Durch die verschiedenen Größen der Hackschnitzel führen die systemimmanenten Vorteile des Gleichstromvergasers ebenfalls zu teerbehafteten Holzgasen, die gereinigt werden müssen, um sie im BHKW zu verbrennen.

Grafik: Prinzipschemata von Gegenstrom- und Gleichstromvergasungsanlagen (Grafik: energie-experten.org / Quelle: "Kleine Holzvergasungsanlagen" Centrales Agrar-Rohstoff Marketing- und Energie-Netzwerk)
Grafik: Prinzipschemata von Gegenstrom- und Gleichstromvergasungsanlagen (Grafik: energie-experten.org / Quelle: "Kleine Holzvergasungsanlagen" Centrales Agrar-Rohstoff Marketing- und Energie-Netzwerk)

Holzgaskühlung und -reinigung

Holzgas ist im Normalzustand ein sogenanntes „Schwachgas“ mit einem Heizwert von etwa 1,2 Kilowattstunden pro Kubikmeter (im Vergleich: Erdgas liegt bei ca. 10 kWh/m3). Beim Austritt aus einem Gleichstromvergaser liegt die Temperatur bei mehreren Hundert Grad Celsius und sein Heizwert damit nochmals deutlich niedriger. Die Kühlung des Holzgases führt wiederum zum Auskondensieren des im Holzgas befindlichen Teeres, das den Wärmetauscher verschmutzen kann. Bei großen Holzvergaser-BHKW werden daher Nasselektrofilter oder Quenchen eingesetzt. Bei kleinen Holzvergaser-BHKW kommen i. d. R. einfachere Kühlsysteme zum Einsatz.

Um Staub aus dem heißen Holzgas zu entfernen, können Heißgaszyklone, Heißgas-Elektrofilter, keramische und beschichtete Gewebefilter (sogenannte Precoating) zum Einsatz kommen. Schüttschichtfilter mit Sand oder auch bei niedrigeren Temperaturen mit Sägemehl sind eine weitere Möglichkeiten zur trockenen Gasreinigung. Die Gaswäsche selbst erfolgt über ein organisches Lösungsmittel wie z.B. Biodiesel oder Wasser als Waschmedium oder Sprühnebel.

Verbrennung im Holzvergaser-BHKW

Um aus Holzgas Strom und Wärme zu produzieren, kommen Blockheizkraftwerke (BHKW) mit Schwachgasmotoren ähnlich den "Biogas-BHKW" wie Gasmotoren (Gas-Otto-Motoren mit Zündkerzen) als auch Motoren, die mit Zündöl zur Zünd- und Stützfeuerung (Zündstrahl-Motoren) zum Einsatz.

Aufgrund des geringeren Heizwertes als Biogas (rund 1,2 kWh/m3 zu ca. 5 kWh/m3) und einer anderen Gaszusammensetzung muss ohne Motoranpassung beim Einsatz von Holzgas mit geändertem Betriebsverhalten und höherem Verschleiß gerechnet werden.

Wann lohnt der Einsatz von Holzgas-BHKW?

Schauen Sie sich auf dem Markt um, werden Sie feststellen, dass Zahl und damit Auswahl bei Holzvergaser-BHKW recht gut überschaubar sind. Insbesondere bei den Mikro-Holzvergasern im niedrigen Leistungsbereich (elektrische Leistung zwischen 5 und 10 Kilowatt) ist die Holzvergaser-Technik eher selten. Vornehmlich gibt’s Holz-BHKW in der Größen-/Leistungsordnung ab 1 MW.

Will man die Wirtschaftlichkeit eines Holzgas-BHKW bewerten, geschieht das nach den gleichen Voraussetzungen, die bei anderen Blockheizkraftwerken gelten: Die Einsparungen, die sich aus dem selbst erzeugten Strom ergeben, müssen die hohen Kosten für die Anschaffung und die Wartung in einem bestimmten Zeitraum ausgleichen.

Damit diese Gleichung aufgeht, ist es nötig, dass das Holzvergaser-BHKW übers Jahr lange laufen (Stichwort: Laufzeiten). Um von den dabei anfallenden Wärmemengen zu profitieren, muss die Wärme auch tatsächlich im Haushalt verbraucht werden. Anders ausgedrückt: Besteht neben dem Strombedarf auch ein ganzjährig hoher und zugleich relativ konstanter Bedarf an Wärme (Stichwort: Grundlastwärmebedarf), dann lohnt sich ein Holzvergaser-BHKW eher als in anderen Anwendungsfällen.

Da ein solches Verbrauchsprofil insbesondere für moderne Einfamilienhäuser nicht gerade typisch ist, empfiehlt sich die Anschaffung eines Holzvergaser-BHKW eher zur Versorgung von Doppelhäusern oder kleinen Wohnsiedlungen, wo die Wärme über ein zugehöriges Nahwärmenetz verteilt und verbraucht wird.

Zweiter wichtiger Wirtschaftlichkeitsfaktor ist die Verfügbarkeit und damit einhergehend die Kosten für die Beschaffung von Holzhackschnitzeln. In Regionen, in denen diese anfallen und kostengünstig zum Verbrauchsort transportiert werden können, rentieren sich auch Holzvergaser-BHKW eher als andere BHKW.

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"Technik & Wirtschaftlichkeit von Holzvergaser-BHKW" wurde am 03.05.2017 das letzte Mal aktualisiert.