Konzepte zur Wärmebereitstellung mit Laub und kommunalem Grünschnitt

Nutzen statt Entsorgen

von:
Recycling
Laub nach der Trocknung. Foto: Netz Ingenieurbüro GmbH

In Zeiten stetig steigender Energiepreise und der Bekämpfung des Klimawandels ist es für den Bürger, für Kommunen und Unternehmen notwendig, den eigenen Verbrauch an konventionellen Energieträgern, wie Heizöl, Kohle und Erdgas, zu reduzieren. Das spart Geld in den klammen Kassen und reduziert den CO2-Ausstoß. Dabei gibt es in Unternehmen und Gemeinden viele Ansatzpunkte, die Kosten für die Energieversorgung zu verringern. Neben der Steigerung der Energieeffizienz spielt auch die Substitution der Energieträger durch Biomasse eine immer stärkere Rolle. Mit der energetischen Nutzung von Laub und weiteren pflanzlichen Infrastrukturabfällen werden zwei Fliegen mit einer Klappe geschlagen. Die Entsorgungskosten dieser Pflanzenteile entfallen und der Brennstoffbedarf konventioneller Energieträger sinkt. Die Trocknung, Brikettierung und anschließende Verfeuerung von Biomasse, die regional bezogen wurde, ist eine interessante und lohnenswerte Alternative in der Bereitstellung von Heizwärme und Strom für Gemeinden und Unternehmen.

Ein Blick auf die Entwicklung der Ölpreise kann zu Sorgenfalten führen. Seit Jahren steigen die Kosten für ein Barrel Rohöl an den Spotmärkten kontinuierlich. Der Ölpreis befindet sich nun bei etwa 100 US-Dollar je Barrel. Übertragen auf den Heizölpreis entspricht das etwa 0,09 Euro pro Kilowattstunde Heizöl oder 0,07 Euro pro Kilowattstunde Erdgas. Eine Verschnaufpause gab es lediglich im Frühjahr 2009, als die Finanz- und Wirtschaftskrise einen ihrer Höhepunkte erreichte.

In Zeiten knapper Kassen von Städten und Kommunen und angesichts der wirtschaftlichen Herausforderungen, vor denen nicht nur kleine und große Unternehmen, sondern ganze Staaten stehen, sind deshalb Lösungen zur Senkung der Kosten gefragt. Die Versorgung mit elektrischer Energie und Wärme entspricht dem Grundbedürfnis des Menschen und ist selbstverständlich die Grundlage von jeder leistungsfähigen Volkswirtschaft. Der weltweite Energiekonsum wird durch das Aufstreben der großen Schwellenländer China und Indien weiterhin deutlich zunehmen. Auch der beginnende Klimawandel macht sowohl eine nachhaltige Veränderung der Versorgungsstruktur als auch des Rohstoffeinsatzes unabdingbar. Es ist sicherlich keine neue Erkenntnis, dass durch die starke Importabhängigkeit von fossilen Energieträgern die Zukunft im Energiesektor sich nur vage vorhersagen lässt. Die Konflikte im Nahen Osten oder auch der seit Jahren schwelende Gasstreit zwischen Russland und der Ukraine zeigen, dass auch hier ein Umdenken zu mehr regionalem Bezug führen muss.

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Hierzu wird sowohl auf kommunaler als auch auf privater Ebene der Gedanke hinsichtlich der autarken Energieversorgung immer häufiger gefordert. Die wirtschaftliche Entwicklung der Kommunen ist mit einer sicheren und nachhaltigen Energie- und Rohstoffversorgung verbunden. Nicht nur für Unternehmen spielt die Entscheidung, sich in Städten und Kommunen anzusiedeln, die eine nachhaltige, versorgungssichere und zukunftsorientierte Energieversorgung vorweisen können, eine große Rolle. Ebenso sind diese Punkte für die strukturelle Bevölkerungsentwicklung, zum Beispiel in Form des Zuwachses von jungen Familien, von enormer Bedeutung.

Vor diesem Hintergrund spielt, neben der Nutzbarmachung der Wälder vor unserer Haustür, die Aufbereitung von ursprünglich als Abfall angesehenen Stoffen eine größere Rolle. Der Slogan "Nutzen statt entsorgen" rückt hierbei immer weiter in den Fokus. Gerade in Kommunen fällt viel Laub, Schwachholz, Straßenbegleitholz oder kommunaler Grünschnitt in feuchten Zuständen an. Dieser "Abfall" wird häufig teuer entsorgt, anstatt ihn zur weiteren thermischen Verwertung aufzubereiten. Die herkömmliche Entsorgung ist hierbei meist die Kompostierung, welche zum Teil hohe Kosten in den Kommunen verursacht. So betragen diese etwa 30 Euro pro Tonne, in Einzelfällen auch deutlich mehr. Die Kompostierung erfolgt über einen längeren Zeitraum in großen Mieten und kann außerdem zu einem Platzproblem in bestehenden Anlagen führen. Bei der Kompostierung erfolgt eine Nutzung stofflich, jedoch nicht energetisch. So wird durch diesen Vorgang Methan freigesetzt, was eine deutlich schädlichere Wirkung auf das Klima hat, als Kohlenstoffdioxid. Alternativen sind also nicht nur hinsichtlich der entstehenden Kosten, sondern auch aus nachhaltiger und baulicher Sicht interessant.

Nutzungsmöglichkeiten

Für die Nutzung gibt es verschiedene Möglichkeiten. So werden holzige Anteile auch als "billige Brennstoffe" in Heizwerken eingesetzt. Dort stellen sie aufgrund der Zusammensetzung jedoch besondere Ansprüche an die Förder- und Verbrennungstechnik, also die gesamte Anlagentechnik, was mit deutlich höheren Investitionskosten verbunden ist. Eine Vergärung, zum Beispiel in Biogasanlagen, ist aufgrund des teilweise recht hohen Lignin-Anteils nur schlecht möglich. Die anaerobe Vergärung erfolgt nur unzureichend. Das schlechte Verhältnis von Kohlenstoff zu Stickstoff in den Ausgangsmaterialien führt zu einer Verlangsamung der mikrobiellen Aktivität, was zu einer schlechten Biogasausbeute führt. Weiterhin wird das Verfahren der hydrothermalen Karbonisierung (HTC) erforscht. Dabei wird der natürliche Prozess der Inkohlung (Entstehen von Kohle aus Pflanzenmaterial), welcher mehrere Millionen Jahre dauert, unter Einsatz von hohem Druck und hoher Temperatur nachgeahmt. Es entsteht sogenannte Biokohle, deren CO2-Bilanz bei der Verbrennung grundsätzlich neutral ist. Prozessdrücke von 10-20 bar und Temperaturen von etwa 200 Grad Celsius verschlechtern allerdings den energetischen Wirkungsgrad deutlich.

Die direkte energetische Nutzung von Laub durch Verbrennung, in Verbindung mit weiteren pflanzlichen Infrastrukturabfällen ist keine neue Idee. Bereits seit vielen Jahren gibt es Vorschläge. Vielfach scheiterte die Umsetzung jedoch an rechtlichen Hürden und an technischen Herausforderungen sowie der notwendigen Kapitalausstattung zur Durchführung von Umfangreichen Tests. In Zusammenarbeit von Riela, ein Anlagenbauer im Agrarbereich und Spezialist im Bereich der Trocknungstechnik sowie Netz Ingenieurbüro GmbH, ein Beratungsbüro für Umwelt- und Energietechnik, konnten diese Probleme überwunden werden. Beide Unternehmen haben ihren Sitz in Riesenbeck, zwischen Osnabrück und Rheine. In einem Pilotprojekt mit der Stadt Ibbenbüren wurde in mehreren Versuchsreihen Straßenlaub getrocknet, zu Briketts gepresst und schließlich für die Verbrennung vorgesehen. Verwendet wurde Laub, welches ursprünglich zur Entsorgung geführt wäre. Eine weitere Behandlung der Laubbriketts erfolgte nicht. Dieses Projekt hat gezeigt, dass eine energetische Verwertung durch Verbrennung eine interessante und wirtschaftliche Wärmeversorgung auf Basis regenerativer Energieträger ist.

Trocknung gewährleistet hohe Heizwerte

Nach der Sammlung des Laubs durch die normale Straßenreinigung erfolgte die Trocknung. Unabhängig von der Art des Energieträgers ist die Problematik vorhanden, dass die Energieträger im Ausgangszustand einen hohen Feuchtegehalt aufweisen. Die Trocknung von Laub, Holzhackschnitzel, Grünschnitt oder Heckenschnitt ist notwendig, um eine biologische Stabilität zu gewährleisten. Ohne diese Behandlung beginnen mikrobiologische Prozesse die Stoffe zu zersetzen. Außerdem behindert das in den Pflanzen und Zellstrukturen gebundene Wasser die Verbrennung sehr stark. Eine thermische Verwertung ergibt in diesem Ausgangsstadium nur wenig Sinn. Für eine energetische und wirtschaftliche Nutzbarmachung ist somit die Trocknung unabdingbar. Durch die Trocknung wird es möglich, den Heizwert der Energieträger deutlich zu erhöhen und die Anlagen zur Verbrennung optimal zu nutzen. Der Zusammenhang zwischen dem Wassergehalt, der Feuchte und dem Heizwert am Beispiel von Laubholz ist im Kasten dargestellt. Die Unterscheidung, beziehungsweise die genaue Festlegung eines Standards, ist in der Planung wichtig, um eine Über- oder Unterdimensionierung der Anlagen zu vermeiden und einen wirtschaftlichen Betrieb zu gewährleisten. Hackschnitzel werden für die Verbrennung in der Regel auf mindestens 30 Prozent Wassergehalt getrocknet. Bei Laub und Grünschnitt wird meist auf 15 Prozent Wassergehalt, beziehungsweise tiefer getrocknet. Die Energiedichte ist dann etwas niedriger als bei Holz und beträgt etwa 4,7 kWh/kg. Standards für Laub und Grünschnitt gibt es in diesem noch jungen Bereich der Biomasse noch nicht.

Unter dem Begriff Trocknung wird das Entziehen eines Lösungsmittels oder einer Flüssigkeit verstanden. Hierfür gibt es chemische, mechanische und thermische Verfahren, wobei im Bereich von Biomasse lediglich das thermische Trocknen eingesetzt wird. Auch hier ist zwischen verschiedenen Arten der Energiezufuhr zu differenzieren. In der Landwirtschaft und Industrie kommt am häufigsten die Konvektionstrocknung vor, bei der das Edukt von heißer Luft durchströmt wird. Dabei gibt die Luft seine Wärmeenergie ab und verdampft das im Gut befindliche Wasser. Die so mit Feuchte angereicherte Luft wird über einen Abluftkanal aus dem Trocknungsprozess geführt. Es muss für den Trockenprozess Energie zugeführt werden, damit der heiße Luftstrom erzeugt werden kann. Hierzu bestehen zwei Möglichkeiten:

  • Nutzung von Abwärme aus Biogasanlagen oder Industrieprozessen
  • Rückführung und Verbrennung eines Teils des getrockneten Gutes

Die Energiebilanz des fertigen Brennstoffs hängt maßgeblich von den Rahmenbedingungen der Trocknung ab. So wäre ein Heizöl- oder Gaskessel für die Erzeugung der heißen Luft nicht nur wirtschaftlich, sondern auch ökologisch kontraproduktiv. Angestrebt werden sollte in einem schlüssigen Energiekonzept die Nutzung von Abwärme aus Biogasanlagen oder Industrieprozessen. Diese würde andernfalls ungenutzt in die Umgebung geleitet. Für neu zu errichtende Biogasanlagen ist die Nutzung der Abwärme aus Blockheizkraftwerken nach dem Erneuerbare Energien Gesetz zwingend vorgeschrieben. Ohne diese Abwärmenutzung erfolgt keine Vergütung des erzeugten Stroms. Auch für Anlagenbetreiber bereits älterer Biogasanlagen besteht durch Nutzung der Abwärme für Trocknungsprozesse die Chance, die Wirtschaftlichkeit der Anlage entscheidend zu verbessern. In verschiedenen Industrieprozessen fällt Abwärme an. Auch diese könnte mittels Wärmetauscher einem Trockner zur Verfügung gestellt werden. Falls keine Biogasanlage oder andere Möglichkeiten der kostengünstigen Wärmebereitstellung zur Verfügung steht, kann ein Teil des trockenen Guts zurückgeführt und in einem Biomasseheizkessel verbrannt werden. Dabei müssen je nach Trockengut und gewünschter Endfeuchte etwa 20 bis 25 Prozent der getrockneten Produkte im Biomassekessel verbrannt werden. Die Gesamtausbeute verringert sich dadurch natürlich, jedoch ist auf Grund der vermiedenen Entsorgungskosten und der nahezu kostenlosen Wärmebereitstellung die Trocknung immer noch wirtschaftlich.

Die Trocknungsgeschwindigkeit mit dem ein Gut getrocknet werden kann, hängt maßgeblich von zwei Faktoren ab. Die Struktur und Beschaffenheit des Gutes selbst beeinflusst den Transport der Flüssigkeit aus dem Gutsinneren an die Oberfläche, wo sie anschließend verdampft und im Luftstrom abgeführt wird. Des Weiteren hat die Trocknungstemperatur auf die Trocknungsgeschwindigkeit einen enormen Einfluss. In der Regel kann durch Anhebung der Trocknungstemperatur der Trocknungsprozess beschleunigt werden. Hier ist allerdings darauf zu achten, dass bei einer zu hohen Temperatur das Gut geschädigt wird und es dadurch zu einem Verschließen von Kapillaren im Gutsinneren und es zu einem Erliegen der Trocknung kommen kann. Weiterhin ziehen hohe Temperaturen einen erhöhten Bedarf an Energie zur Trocknung nach sich. Es spielen auch weitere Faktoren wie die relative Luftfeuchte der Umgebungsluft, Luftvolumenstrom, Schütthöhe, Druckverluste der Schüttung und weitere Größen eine Rolle. Letztendlich führen all diese Faktoren zu einer gutabhängigen Verweilzeit im Trockner. In Verbindung mit den vorhandenen Mengen, kann über die angegebenen Daten der Durchsatz und somit die Trocknergröße bestimmt werden.

Im Bereich der Biomasse sind verschiedenste Trocknerkonstruktionen zu finden. Beginnend beim klassischen Bandtrockner auf dem das Gut auf einem perforierten Band ruht, über Schubwendetrockner oder Schubbodentrockner, bis hin zu einfachsten Containern mit einem doppelten Boden aus Lochblech. Im Markt der Trocknungstechnik sind viele Akteure aktiv, da besonders im Bereich der Holzhackschnitzel und Abwärmenutzung von Biogasanlagen deutschlandweit viel Potenzial genutzt wurde und noch weiteres besteht. Allgemein wird von weiter wachsenden Märkten in den nächsten Jahren ausgegangen. Die Laub- und Grünschnitttrocknung werden dazu einen großen Beitrag liefern. In der Fülle von möglichen Anlagen ist es nicht einfach die optimale Lösung zu finden.

Ein wichtiges Kriterium beim Vergleich der Anlagen ist der spezifische elektrische und thermische Energieverbrauch. Diese sind in der Trocknungstechnik eng miteinander verbunden. Der spezifische Energiebedarf wird in Kilowattstunden pro Kilogramm entzogenes Wasser angegeben. Hierdurch können verschiedenste Trockner miteinander verglichen werden. Allerdings ist das nur dann legitim, wenn es sich um das gleiche Trocknungsgut sowie Feuchtegehalte handelt. Ein weiteres entschiedenes Kriterium ist die Qualität des erzeugten Gutes. Ein gleichmäßiges getrocknetes und homogenes Endprodukt ist eine Grundvoraussetzung für den weiteren Produktionsschritt. Beispielsweise müssen Produkte die weiter pelletiert beziehungsweise brikettiert werden sollen, eine gleichmäßige Feuchte besitzen. Haben Sie das nicht, fallen die Agglomerate wieder auseinander oder quellen auf. Auch bei Produkten wie Holzhackschnitzeln ist für die weitere Vermarktung eine bestimmte Qualität erforderlich.

Brikettierung

Wie in den vorhergehenden Abschnitten bereits kurz erläutert, werden viele Biomasseprodukte nach der Trocknung pelletiert oder brikettiert. Die Verfahren sind ähnlich und die Produkte unterscheiden sich nur in der Größe. Pellets haben etwa die vier- bis fünffache Länge ihres Durchmessers, bei etwa sechs bis zwölf Millimeter mm Durchmesser. Briketts sind deutlich größer. Bei der Brikettierung und Pelletierung wird mit Druck gepresst. Dies hat mehrere Gründe. Die Energieträger in Form von Pellets oder Briketts weisen eine erhöhte Lagerstabilität auf. Die Schüttdichten erhöhen sich, beziehungsweise das Volumen reduziert sich, was sich positiv auf anfallende Transportkosten auswirkt. Schließlich sind die Energieträger auch besser förderfähig. Der elektrische Energieaufwand ist im Verhältnis zum Output der Anlage gering. So haben moderne Brikettierpressen einen elektrischen Energiebedarf von einer Kilowattstunde pro zehn Kilogramm brikettiertes Material. Chemische Zusätze werden nicht benötigt. Die Briketts bewahren ihre Form allein auf Grund des aufgewendeten Drucks und der vorhergehenden Trocknung.

Die Trocknung und Brikettierung von Laub und Grünschnitt ermöglicht eine langfristige Lagerung, bei der einerseits ein möglichst geringer Organikabbau erfolgt und gleichzeitig eine Stabilisierung des Materials. Außerdem werden eine weitere Vernässung und die Bildung von Klimagasen und Geruchsstoffen weitestgehend unterbunden.

Die Laub- und Grünschnittbriketts zeichnen sich nicht nur durch die hohen Heizwerte aus, sondern auch durch eine besonders einfache Handhabe. Sie lassen sich in handelsüblichen Biomassekesseln verbrennen, wodurch eine regionale, dezentrale und unabhängige Energieversorgung gewährleistet werden kann. Je nach Herkunft der Energieträger aus Biomasse ist auch die Asche als Dünger verwendbar.

Rechtliche Betrachtung

Straßenlaub wurde lange Zeit als Abfall angesehen. So musste nach Abfallstoffschlüssel der Abfallverzeichnis Verordnung (AVV) 200303 Straßenkehricht, wozu auch Laub gehört, entsorgt werden. Diese Entsorgung wurde oftmals ausdrücklich nur durch Verrotten gestattet und eine Verbrennung war gesetzlich verboten. In der aktuellen Biomasseverordnung (zuletzt geändert am 24. Februar 2012) im § 2 Absatz 2 BiomasseV heißt es: "Biomasse ... sind insbesondere ... aus Pflanzen oder Pflanzenbestandteilen hergestellte Energieträger", worunter Briketts aus Laub und Grünschnitt fallen. Die gesetzlichen Grundlagen für eine energetische Verwertung von Laub und weiteren Biomassen wie Straßenbegleitschnitt wurden geschaffen. Weiterhin zu berücksichtigen sind jedoch die gesetzlichen Bestimmungen, wie dem Bundes-Immissionsschutzgesetz.

Wirtschaftlichkeit

In großen Städten fallen dabei mehrere tausend Tonnen Laub an. Als Faustzahl kann mit etwa eine Tonne Laub pro 100 Einwohner gerechnet werden. Der Laubanfall ist nicht ganzjährig. Damit die Anlagen ausgelastet sind und sich frühzeitig amortisieren, ist eine Erweiterung des Konzeptes notwendig. So besteht die Möglichkeit, mit flexiblen Trocknern auch Heckschnitt, Grünabfälle aus der Gartenbewirtschaftung, Holzhackschnitzel oder Agrarprodukte zu trocknen und für eine energetische Verwertung vorzubereiten. Für Städte und Kommunen ab 15.000 Einwohnern bietet sich hier die Möglichkeit, auf der einen Seite Kosten zu sparen und auf der anderen Seite einen nachhaltigen Weg einzuschlagen. Bei kleineren Kommunen sollte der Anfall an Laub, Grünschnitt, Straßenbegleit- und Heckenschnitt genauer betrachtet werden oder eine Erweiterung des Energiekonzeptes in Verbindung mit Nachbargemeinden in Betracht gezogen werden. Eine Stadt mit 15.000 Einwohnern kann so aus den ursprünglich zur Entsorgung vorgesehenen Stoffen 600.000 Kilowattstunden Wärme gewinnen. Das entspricht einer Energiemenge, die zur kostengünstigen Versorgung eines Gemeinde- oder Schulzentrums mit Sporthalle ausreichend ist. Abschreckend wirken die zunächst langen Amortisationszeiten von sieben bis zehn Jahren. Jedoch können sich stark steigende Energiepreise und der Umfang der Investition positiv auf die Wirtschaftlichkeit auswirken, was im Einzelfall zu betrachten ist.

Zusammenfassung

Die Verwertung von Laub und Grünschnitt, sowie weiteren pflanzlichen Infrastrukturabfällen sollte wieder in den engeren Fokus von Kommunen und deren städtischen Betrieben gelangen. Die technologischen, rechtlichen und wirtschaftlichen Rahmenbedingungen bieten heute sehr gute Möglichkeiten, die Kostenstrukturen deutlich zu verbessern. Es besteht zudem die Möglichkeit, sich durch innovative Technik langfristig von konventionellen Energieträgern zu verabschieden und sich von deren steigenden Preisen unabhängig zu machen. Zwei Kilogramm Laubbriketts können einen Liter Heizöl auf eine nachhaltige Weise ersetzen. Die Nutzung von Laub und kommunalen Grünschnitt kann einen wirksamen Beitrag zur Reduktion der Klimagasemissionen.

Die Feuchte eines Stoffes gibt das Verhältnis zwischen Wasser und Trockensubstanz an. Der Wassergehalt ist das Verhältnis zwischen Wasser und Gesamtsubstanz. Dies sorgt beim Vergleich von Brennwerten und auch in der Literatur vielfach für Verwirrung. Ein Gleichsetzen der beiden Werte kann zu starken Abweichungen im Heizwert der Brennstoffe führen. So entspricht eine Feuchte von 100 Prozent einem Wassergehalt von 50 Prozent eine Feuchte von 50 Prozent einem Wassergehalt von 33,3 Prozent.

Literatur

Netz Ingenieurbüro GmbH, Sonderdruck - Energie aus Laub und Pferdemist, eine Sammlung von Artikeln und Interviews zum Thema, kostenlos zu beziehen unter: info@netz-gmbh.eu

ICU - Ingenieurconsulting Umwelt und Bau, hochwertige und klimaschonende Verwertung von Mähgut und Laub im Land Berlin, 2011.

Witzenhausen-Institut, Abschlussbericht zur Erschließung von energetischen Grünschnittpotenzialen im Landkreis Cochem-Zell, 2010.

Diverse Veröffentlichungen der Bayrischen Landesanstalt für Wald und Forstwirtschaft.

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