Analyse und Optimierung innovativer Verfahrensketten zur Kaskadennutzung von Schnitt- und Rodungsholz aus Obstplantagen als biogener Festbrennstoff

Abstract

Neben dem hochwertigen Nahrungsmittel Obst entstehen in Baumobstplantagen holzartige Biomassen. Ziel der Dissertation war es, diese Biomassepotenziale quantitativ und qualitativ zu beschreiben. Weiterhin wurde die technische Erschließung der Potenziale, sowie deren Bereitstellung bis zum energetisch einsetzbaren biogenen Festbrennstoff untersucht.<br /> Mit dem jährlichen, manuellen Ertragsschnitt von modernen Apfelanlagen wird abhängig von Kulturführung und Witterung ein mittlerer Biomasseertrag von 1,2 t TM*ha^-1*a^-1 erzielt. Die brennstofftechnischen Eigenschaften von Obstschnittholz sind durch hohe Aschegehalte von 3,8-4,8%, bedingt durch einen hohen Rindenanteil, gekennzeichnet. Durch den anorganischen Rückstand und die elementare Zusammensetzung besitzt der Brennstoff einen verminderten Brennwert sowie Brennstoffqualität. Die technische Bereitstellung erfolgt durch verschiedene Techniken. Schnittholzsammelgeräte und -ballenpressen sind in der Entwicklung. Der Einsatz von Zerkleinerungsorganen mit definiertem Schnitt und einer Aufnahme des Schnittholzes über eine Pick-up Einrichtung ist zielführend.<br /> Nach einer Nutzungszeit von 10-15 Jahren werden moderne Apfelanlagen gerodet. Die Rodungsholzmenge wurde sortenabhängig mit 10,5-22,9 t TM*ha-1 bestimmt. Zur Nutzung dieser Ressourcen wurde ein neues Rodeverfahren „RB 60 Klein-Altendorf“ entwickelt. Dabei werden die Obstbäume mit der Wurzel und dem Stützpfahl aus dem Boden geborgen. Verfahrensbedingt ist die Brennstoffqualität durch hohe Aschegehalte von 4,1-7,1% und durch eine grobe Stückgeometrie gekennzeichnet.<br /> Das Schnitt- und Rodungsholz besitzt nach der Bereitstellung einen Wassergehalt von 40- 55% und muss für die thermische Verwertung getrocknet werden. Das Trocknungsverfahren ist in Abhängigkeit des Einsatzzieles zu wählen. Natürliche Trocknungsverfahren sind technisch einfach zu realisieren, besitzen aber niedrige Wasserentzugsraten von 0,02-0,19% pro Tag und führen meist nicht zu Zielwassergehalten von weniger als 20%. Dazu ist eine Aufspaltung der Holzstücke oder der Einsatz von technischen Trocknungsverfahren nötig, durch die der Aufwand steigt. Gleichzeitig konnten dadurch höhere Wasserentzugsraten von 0,19-0,24% pro Tag beobachtet werden.<br /> Um das Schnittholz in Obstbetrieben direkt zu vermarkten wurde der Veredelungsschritt der Brikettierung getestet. Technisch konnte der Prozess der Brikettierung durch die Entwicklung einer wassergekühlten Abkühlstrecke verbessert werden. Zudem wurde die Brikettqualität hinsichtlich der Abriebfestigkeit und Partikeldichte durch die neue Technik gesteigert. Die brennstofftechnischen Eigenschaften von Schnittholz sind allerdings nicht optimal und könnten durch die Beimischung von Festbrennstoffen mit höherwertigen Brennstoffqualitäten optimiert werden.<br /> Die einzelnen Verfahrensschritte der Bereitstellung von Schnitt- und Rodungsholz sind auf die Obstbaubetriebe individuell abzustimmen. Die Nutzung der Potenziale ist eine energetisch interessante Alternative mit der ca. 1.000 Liter Heizöl pro Hektar und Jahr ersetzt werden können. Die regionale Wertschöpfung ist durch die Kaskadennutzung sehr hoch. Bei einem aktuellen Anbauumfang von 48.000 Hektar Baumobstfläche in Deutschland können mit der Nutzung der Potenziale rund 19.000 Haushalte mit Wärmeenergie versorgt werden, ohne zusätzliche land- und forstwirtschaftliche Fläche für die Energieversorgung zu belegen.

<strong>Analyzing and optimizing innovative processing chains for cascade use of pruning and clearance wood from orchards as biogenic solid fuels</strong><br /> In addition to fruit orchards produce a high amount of wooden biomass. The aim of this dissertation is to describe the potentials of biomass quantitatively and qualitatively. Furthermore, tapping the potentials and ways of processing up to providing energetically usable biogenic solid fuels, has been studied. <br /> With the annual manual pruning modern apple orchards can earn an average biomass of 1.2 tones dry matter per hectare and year. The fuel properties of fruit pruning wood are characterized by a high ash content of 3.8-4.8% due to the high bark to wood ratio. Because of the inorganic residue and the elementary composition the fuel has a reduced energy value and fuel quality. The technical supply is realized by various techniques. The techniques to collect or bale pruning wood from orchards are in development. The use of grinding machines with a defined cut and a lumber collector on a pick-up is effective. <br /> Modern apple orchards are being cleared after a period of 10-15 years. The biomass of clearance has been determined from 10.5 to 22.9 tones dry matter per hectare, depending on the different kinds of apple trees. To use these resources a new clearance technique “RB 60 Klein-Altendorf” was developed. By this technique the fruit trees are dug out with the post and the root. Depending on the process the fuel properties are characterized by a high ash content of 4.1 to 7.1%, and the pieces are coarse. <br /> The pruning and clearance wood from orchards has a water content of 40-55% after harvest and must be dried for thermal utilization. The drying process must be chosen depending on the operational purpose. Natural drying methods are simple but the water reduction rate is low (from 0.02 to 0.19% per day) and does not usually achieve a water aim content of less than 20%. Therefore it is necessary to split the wood or use a technical drying process but this also means an increase in costs. On the other hand a higher water reduction rate from 0.19% to 0.24% per day could be observed. <br /> To sell the pruning wood from orchards by direct marketing the upgrading step of briquetting was tested. Technically, the process of briquetting was improved by developing a water-cooled cooling line. Moreover the quality of the briquettes concerning abrasion durability and particle density was enhanced. However, the fuel quality of pruning wood is not optimal and could be optimized by adding solid bio-fuels of higher quality. <br /> The steps of providing pruning and clearance wood must be coordinated with the individual fruit farmer. The use of these energy potentials from orchards is an interesting alternative, which can be used to replace approximately 1.000 liters of heating oil per hectare and year. The cascade use of pruning and clearance wood from orchards contributes to the local economy. At the moment the 48.000 hectares of orchards in Germany could be used to supply about 19.000 households with thermal energy without having to occupy additional agriculturally used areas and forests for the energy supply.