Entwicklung einer optimierten Produktion von Miscanthus-Mischpellets für Kleinfeuerungsanlagen

Abstract

Die umweltverträgliche „low-input“-Kultur <em>Miscanthus x giganteus</em> ist einer der ertragsstärksten und am vielfältigsten einsetzbaren Nachwachsenden Rohstoffe. Ziel der Dissertation war es zu prüfen, welche Faktoren die Brennstoffqualität von <em>Miscanthus x giganteus</em> beeinflussen und ob die Baumart <em>Paulownia tomentosa</em> eine geeignete Kultur zur Rohstofferzeugung für die Miscanthus-Mischpelletproduktion ist. Weiterhin wurde untersucht, ob der Pelletierungsprozess durch neuartige Zerkleinerungsverfahren für halm- und holzartige Biomassen, optimiert werden kann. Zusammenführend wurde geprüft, ob die Mischpellets aus technischer und rechtlicher Sicht in KFAs verbrannt werden dürfen und ob diese ökonomisch rentabel produziert werden können. <br /> Von unterschiedlichen <em>Miscanthus x giganteus</em>-Typen wurde der Aschegehalt, der ein Indikator für weitere verbrennungstechnisch problematische Elemente (N, S und Cl) ist, untersucht. Die Aschegehalte betrugen 1,6 bis 3,3 M.-% und werden durch die Faktoren Bestandesalter, Genotyp, Standort und Jahreswitterung beeinflusst. Für die Mischpellet-Produktion ist zu berücksichtigen, dass die Miscanthus-Biomasse Ende März /Anfang April geerntet wird und dass der Miscanthusanteil entsprechend der jährlich wechselnden Brennstoffqualität des Ernteguts variiert werden muss. Weiterführend wurden die Pelletierungseigenschaften von Miscanthus in Mischpelletform mit holzartiger Biomasse geprüft. Die Mischpellets hielten die Norm-Grenzwerte der DIN_EN 14961-2(A2) ein.<br /> Die Brennstoff- und Pelletierungseigenschaften der neuen ertragsstarken KUP-Kultur <em>Paulownia tomentosa</em> (bis zu 13 t ha^-1 a^-1) wurde als potentieller Mischungspartner für die Pelletproduktion untersucht. Aufgrund der geringen Asche- (0,8 M.-%), N-, S-, Cl-Gehalte und der guten Pelletierbarkeit ist Paulownia-Biomasse als Rohstoff für die Mischpelletproduktion zu empfehlen.<br /> Zur Optimierung des Pelletierungsprozesses wurden alternative Zerkleinerungsverfahren geprüft und bewertet. Aufgrund des niedrigeren Energiebedarfes und der guten physikalischen Pelletqualität (Schüttdichte und Abriebfestigkeit) kann die Substitution der Hammermühle durch die Kollermühle den Pelletierungsprozess verbessern. Weiterführende Arbeiten müssen das Optimierungspotential an großtechnischen Anlagen noch quantifizieren.<br /> Zusammenfassend wurde die brennstofftechnische und physikalische Qualität der Miscanthus-Paulownia-Mischpellets geprüft und die Wirtschaftlichkeit der Produktion in einem Planszenario analysiert. Mit Ausnahme des Cl- und S-Gehaltes erfüllten die Mischpellets die Anforderungen der DIN_EN 14961-2 (A2). Die Beimischung von 0,3 M.-% Kaolin zu Miscanthus und Paulownia erhöhte dabei die Ascheerweichungstemperatur um 200°C auf über 1.100°C. Der Presshilfsstoff Traubentrester konnte als Substitut für Stärke identifiziert werden. Zukünftig könnten Miscanthus-Mischpellets eine kostengünstigere Alternative zu Holzpellets werden.<br /> Die Produktion von Miscanthus-Mischpellets bietet eine Möglichkeit, um die Produktpallette für den nachhaltig und umweltverträglich erzeugten Rohstoff Miscanthus zu erweitern. Neben positiven Aspekten für die Umwelt und die Landwirtschaft bietet die Produktion von Miscanthus-Paulownia-Mischpellets eine Möglichkeit Haushalte dezentral mit Energie zu versorgen und somit einen Teil zur Energiewende auf regionaler Ebene beizutragen.

<strong>Development of an optimized production of miscanthus mixed pellets for small combustion plants</strong><br /> The environmental compatible low input culture<em> Miscanthus x giganteus</em> is one of the most productive renewable biomasses. One objective of this dissertation was to determine the factors, which define the fuel quality of <em>Miscanthus x giganteus</em>. Furthermore the suitability of <em>Paulownia tomentosaas</em> a feedstock for the miscanthus mixed pellet production was examined. In addition new biomass size re duction technologies were testedfor their potential to optimize the pellet production process. The conclusive aim of this study was to prove, that miscanthus mixed pellets fullfiled the technical and regulatory requirements of small combustion plants and that their production is economically reasonable.<br /> The ash content of different <em>Miscanthus x giganteus</em> types, as an indicator for the amount of combustion interfering elements (N, S, Cl), was analysed. The ash contents varied between 1.6 and 3.3 M.-% depending on stand age, genotype, location of growth and annual weather conditions. To guarantee a high fuel quality for the mixed pellet production the miscanthus should be harvested at the end of march / beginning of april. In additionto that recommendation, should the miscanthus portion of the mixed pellets be adjusted according to the fuel quality of the harvested biomass. Furthermore the pelletizing test with mixtures of miscanthus and different kinds of wood showed that miscanthus mixed pellets correspond to the physical standards of the DIN EN 14961-2(A2). <br /> The fuel and pelletizing properties of the novel high yield (13t ha^-1 a^-1) short rotation coppice species <em>Paulownia tomentosa</em> were analyzed to assess its quality, as a biomass component for the mixed pellets. Due to the low ash -(0.8 M.-%), N-, S-, Cl-content and the good pelletizing properties Paulownia is an appropriate biomass for the miscanthus mixed pellet production. To optimize the pellet production process, new biomass size reduction systems were evaluated. Due to the lowest energy consumption and the good physical pellet quality (bulk density ˃ 600kg m^-3 and abrasion resistance ˃ 97.5%) the “Kollermühle” is the most appropriate substitute for the widely used hammermill to optimize the pellet production process. <br /> Conclusively the fuel and physical quality of the miscanthus paulownia pellets were tested and the economic success of the pellet production was evaluated. With the exception of theCl-and S-content the pellets met all standards of the DIN_EN 14961-2(A2). In particular the addition of 0.3 M.-% kaolin raised the ash deformation temperature from 915°C up to over 1,100°C. Furthermore pomace of grapes, as a pressing aid, was identified to be an adequate substitute for starch. <br /> In the future miscanthus mixed pellets could become a profitable alternative to wood pellets. The miscanthus mixed pellet production is an opportunity to extendt he product range of miscanthus, which can be produced sustainable and in an environmentally sound manner. Apart from those positive aspects for the environment and the agricultural environment the miscanthus mixed pellets can help to supply households decentralized with heat. Therefore those pellets may become part of an opportunity for the turnaround in energy policy on a regional level.