„Residue2Heat“-Workshop präsentierte Forschungsergebnisse

In einem öffentlichen Workshop haben die Partner des EU-Forschungsprojekts “ Residue2Heat“ (Reststoffe zu Wärme), darunter auch das Oel-Waerme-Institut, Mitte Dezember 2019 die Ergebnisse ihrer Forschungs- und Entwicklungsarbeiten vorgestellt. Das Projekt hatte zum Ziel, für die häusliche Wärmeproduktion unterschiedliche Ströme von Biomasseresten zu nutzen. Diese werden in Schnell-Pyrolyse-Bio-Öl (fast pyrolysis bio-oil, FPBO) gewandelt, das als biogener Brennstoff der 2. Generation für die Verbrennung in Raumheizungen geeignet ist. Beim Einsatz von FPBO sind abhängig von der Rohstoffbasis zwischen 77 und 95 % geringere Treibhausgasemissionen im Vergleich zu Heizöl zu erwarten.

Den Forschern zufolge ist die Nutzung von FPBO zur Erzeugung von Raumwärme unter technischen, umwelt- und sozio-ökonomischen Aspekten prinzipiell machbar. Die Herstellung von FPBO ist auch in kleinen Anlagen mit einer Verarbeitungskapazität von 20.000 bis 40.000 Tonnen Biomasse pro Jahr möglich. Als Rohstoffe für die Herstellung eignen sich land- und forstwirtschaftliche Biomassereste, wie beispielsweise Holzreste, Miscanthus, Stroh oder Grasschnitt, die weder für die Lebensmittel- noch die Futtermittelproduktion nutzbar sind und nicht zu Landnutzungsänderungen führen. Die im Prozess der Schnell-Pyrolyse als Nebenprodukt entstehende Asche eignet sich aufgrund ihres hohen Gehalts an Mineralien als Dünger in der Landwirtschaft.

Im Produktionsprozess entstand ein weitgehend homogenes FPBO, mit dem der Betrieb einer konventionellen Ölheizung über einen längeren Zeitraum möglich war. Ein eigens entwickelter Haushaltsbrenner mit einer thermischen Leistung von 16 kWth bis 20 kWth lief unter Laborbedingungen mit FPBO ebenso betriebssicher wie ein angepasstes marktübliches Brennwertgerät mit 34 kWth bis 44 kWth. Aufgrund der chemisch-physikalischen Eigenschaften von FPBO, insbesondere der geringen Viskosität und des hohen Säuregehalts, muss der Vorratstank aus speziellem Polyethylen mit einer hohen Dichte bestehen, und alle brennstoffführenden Bauteile wie Ventile, Pumpen oder Düsen, sind aus Edelstahl zu fertigen. Da bei der Verwendung von FPBO längere Flammen entstehen als bei Heizöl, könnte ein angepasstes Design marktüblicher Brennkammern künftig noch weitere Effizienzpotenziale erschließen. Im Laufe der Entwicklungsarbeit stellte sich heraus, dass eine Beimischung von bis zu 20 % Ethanol zum FPBO die Zündfähigkeit erhöht und die Viskosität des Brennstoffs reduziert. Diese Eigenschaften erleichtern den Start des Brenners und minimieren die Ablagerungsbildung an den Brennerkomponenten.

Bei den Emissionen zeigte sich ein uneinheitliches Bild. Der Kohlenmonoxidausstoß (CO) ist mit unter 20 ppm bei 3 % Restsauerstoffgehalt im Abgas vergleichbar mit Heizölbrennern. Die Stickoxidemissionen (NOx) variieren je nach Stickstoffgehalt des eingesetzten Rohstoffs für die Herstellung des FPBO. Während die NOx-Emissionen von FPBO aus Pinienholz vergleichbar mit Heizölbrennern sind, liegen sie bei biogenen Reststoffen aus dem Wald und bei Stroh auf einem deutlich höheren Niveau, welches zukünftig durch weitere Maßnahmen wie beispielsweise durch ein Luftstufungskonzept reduziert werden sollte. Die bei der Verbrennung entstehenden Feinstaubpartikel sind wie bei Pelletheizungen durch entsprechende Filter aus dem Abgas zu entfernen.

Vor einer möglichen Markteinführung von FPBO stehen noch rechtliche Hürden. So ist FPBO weder in Deutschland noch in mehreren anderen europäischen Ländern als Brennstoff im Raumwärmemarkt zugelassen. Ebenso fehlt eine deutsche sowie europäische Standardisierung von FPBO als Brennstoff zur Nutzung im Raumwärmemarkt.

Mit weiteren Optionen zur Nutzung von FPBO beschäftigt sich das bereits im Juli 2019 gestartete EU-Forschungsprojekt „SmartCHP“ als Nachfolger von Residue2Heat. In SmartCHP wird ein neuartiger kleiner Kraft-Wärme-Kopplung-(KWK)-Motor entwickelt, der FPBO zur Erzeugung von Wärme und Strom nutzt und erneuerbare Energien in den Heiz- und Kühlbereich einbeziehen könnte. Weitere Verbesserungen bei den Schadstoffemissionen durch Abgasnachbehandlung und Standardisierungsfragen sind wesentliche Elemente der Forschungs- und Entwicklungsarbeiten in diesem Projekt.

Das EU-Forschungsprojekt „Residue2Heat“ wurde von der Europäischen Union im Rahmen des Forschungs- und Innovationsprogramms Horizon 2020 unter dem Förderkennzeichen Nr. 654650 gefördert.

Das OWI ist eine unabhängige und gemeinnützige Forschungseinrichtung. In Zusammenarbeit mit Partnern aus Industrie und Forschung forscht und entwickelt das OWI Konzepte und Technologien auf den Gebieten der energieeffizienten Nutzung flüssiger konventioneller und alternativer Brenn- und Kraftstoffe sowie innovativer Effizienztechnologien. Das Ziel sind technisch ausgereifte, treibhausgas- und emissionsarme Lösungen für die Wärmeerzeugung und Mobilität von Morgen. Das OWI ist ein An-Institut der RWTH Aachen und versteht sich als Mittler zwischen Grundlagenforschung und Anwendung. Im Rahmen des Technologietransfers bearbeitet das OWI sowohl aus öffentlichen Fördermitteln finanzierte Projekte als auch industrielle Forschungsaufträge. Zu den Kunden gehören beispielsweise Hersteller von Haushaltsheizungen, Unternehmen der Automobilzulieferindustrie, der Mineralölwirtschaft und der Thermoprozesstechnik.

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