Soll elektrische Energie auch in Zukunft sicher zur Verfügung stehen, sind alternative Erzeugungskonzepte gefragt. Ein Beispiel dafür ist das Biomassekraftwerk, welches organische Materialien wie Holz oder Pflanzenreste nutzt, um Strom zu produzieren. Es ergänzt regenerative Energien-Anlagen auf Basis von Wind, Wasser oder Sonne und ermöglicht eine schrittweise Abkehr von fossilen Rohstoffen.
Einsetzbar ist das BMKW (Abkürzung für Biomassekraftwerk) im großen und im kleinen Stil, wie deutsche-thermo.de erklärt. Mehr über Aufbau, Funktion, Brennstoffe und Leistungsbereiche lesen Sie in den nachfolgenden Abschnitten.
Die Themen im Überblick
Biomassekraftwerk erzeugt Strom aus regenerativen Brennstoffen
Das Biomassekraftwerk (kurz BMKW) ist eine große Anlage zur Erzeugung von Strom. Sie basiert auf der Verbrennung nachwachsender beziehungsweise regenerativer Rohstoffe und ist daher als nachhaltig zu bewerten. Zum Einsatz kommen unter anderem Holzreste aus privater oder gewerblicher Nutzung sowie Pellets, Hackschnitzel und Energiepflanzen. Der Wirkungsgrad eines Biomassekraftwerks liegt bei etwa 30 bis 35 Prozent. Das heißt, dass etwa zwei Drittel der in den Brennstoffen enthaltenen Energie über Abwärme verloren gehen.
Biomasseheizkraftwerke nutzen Abwärme für höhere Wirkungsgrade
Um den Wirkungsgrad der Anlagen zu steigern, lässt sich die Abwärme für technische Prozesse nutzen oder in Nah- sowie Fernwärmenetze einspeisen. Die Heizkraftwerke für Biomasse (Biomasseheizkraftwerke oder BMHKW) erreichen dann Spitzenwirkungsgrade in Höhe von etwa 85 Prozent und nutzen die eingesetzten Brennstoffe deutlich besser aus.
Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung mit Biomassekraftwerken möglich
Während Biomassekraftwerke (BMKW) nur Strom erzeugen, generieren Biomasseheizkraftwerke Strom und Wärme. Eine dritte Variante stellt die BMKWK-Kopplung dar. Die Abkürzung steht für die Biomasse-Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung. Die Abwärme treibt dabei auch Absorptionskälteanlagen für den lokalen Einsatz oder die Erzeugung von Fernkälte an.
Biomasseheizwerke nutzen Verbrennungsenergie nur zum Heizen
Eine Alternative zu den vorgenannten Systemen stellen Biomasseheizwerke (BMHW) dar. Diese erzeugen keinen Strom und nutzen die gesamte Verbrennungsenergie zum Heizen. Biomasseheizwerke gibt es auch mit geringer Leistung, sodass die Anlagen komplett in mobilen Container Platz finden. Als Heizcontainer versorgen sie dabei kleine sowie große Gebäude, Siedlungen oder Wärmenetze mit thermischer Energie – wenn nötig auch zeitlich befristet als mobile Heizung zum Mieten.
BMKW: Funktion der Biomassekraftwerke in 6 Schritten erklärt
Biomassekraftwerke nehmen nachwachsende oder recycelte Brennstoffe auf, um diese bei sehr hohen Temperaturen zu verdampfen oder zu verbrennen. Die entstehende Energie treibt daraufhin einen stromerzeugenden Generator an. Während Anlagen die elektrische Energie überwiegend in das öffentliche Stromnetz einspeisen, führen sie die Abgase der Verbrennung einem Reinigungsmechanismus zu. Spezielle Systeme entfernen Feststoffe wie Aschereste und das Rauchgas gelangt in die Umwelt. Handelt es sich um ein Biomasseheizkraftwerk (BMHKW), erwärmen nachgeschaltete Wärmeübertrager Heizungswasser mit der im Abgas gespeicherten Energie. Einfach beschrieben lässt sich die Funktion also wie folgt zusammenfassen:
- Schritt 1: Anlieferung der Brennstoffe für das Biomassekraftwerk (BMKW)
- Schritt 2: Brennstofflagerung und bedarfsgerechter Transport zum Feuerraum
- Schritt 3: Verbrennen oder Vergasen von Altholz, Pellets und anderer Biomasse
- Schritt 4: Stromerzeugung mit Stirlingmotoren, Gasmotoren oder Dampfturbinen
- Schritt 5: Abgasreinigung in Abscheideranlagen für Partikel wie Ruß und Asche
- Schritt 6: Ableiten der Abgase und Nutzen der Restwärme bei einem BMHKW
BMKW und BMHKW: Aufbau der Strom- und Wärmeerzeuger
Damit ein Biomassekraftwerk oder ein Biomasseheizkraftwerk funktioniert, sind verschiedene Bauteile und Komponenten erforderlich. Darunter die Brennstoffanlieferung und -lagerung sowie der zentrale Heizkessel. Wichtig sind außerdem die Stromerzeugungseinheit, die Abgasreinigung und der Schornstein. Biomasseheizkraftwerke (BMHKW) verfügen zudem über Wärmeübertrager, um Rest- beziehungsweise Abwärme zum Heizen nutzbar zu machen. Die folgende Grafik zeigt alle Komponenten eines Biomassekraftwerks (BMKW) im Überblick.
Bildquelle: Agentur für Erneuerbare Energien
Brennstoffanlieferung, Brennstoffaufbereitung und Brennstofflagerung
Die erste Komponente im Aufbau eines Biomassekraftwerks dient der Brennstoffversorgung. Während kleine Anlagen einen Tank oder ein Silo für die zu verfeuernden Stoffe besitzen, verfügen Großanlagen auch über LKW-Rampen, Zerkleinerer und Reinigungsstufen (optional). Fahrzeuge liefern Brennstoffe wie Altholz von städtischen Müllplätzen dabei mehrmals täglich oder wöchentlich an. Walzen und Schrauben zerkleinern das Material bei Bedarf und fördern es daraufhin zu Silos oder Vorratstanks. Von hier aus gelangen die Brennstoffe über Förderbänder, Fallschächte oder Schiebeböden bedarfsgerecht in den Kessel.
Im Kessel verbrennt Biomasse unter sehr hohen Temperaturen
Im Zentrum eines Biomassekraftwerks steht der Kessel. Dabei handelt es sich um einen großen Brennraum, in dem Biomasse auf einem beweglichen Rost oder im sogenannten Wirbelstromverfahren verbrennt. Durch eine besondere Brennraumkonstruktion und die bedarfsgerechte Versorgung mit Verbrennungsluft funktioniert das bei sehr hohen Temperaturen vergleichsweise sauber. Über die Brennstoffmenge sowie die variable Primär- und Sekundärluftversorgung ist es darüber hinaus möglich, die Leistung der Feuerung in gewissen Bereichen anzupassen, um auf schwankende Anforderungen im Strom- und Wärmenetz zu reagieren.
Stromerzeuger wandeln thermische in elektrische Energie um
Stromerzeuger sorgen im Biomassekraftwerk (BMKW) oder im Biomasseheizkraftwerk (BMHKW) für die Umwandlung von thermischer in elektrische Energie. Abhängig vom Aufbau der Anlagen kommen dabei verschiedene Lösungen zum Einsatz. Die folgende Tabelle gibt einen Überblick und erklärt, wie die Stromerzeugung in BMKWs und BMHKWs funktioniert.
| Stromerzeugung im Biomassekraftwerk | Beschreibung |
|---|---|
| Stirlingmotor
| Der Stirlingmotor nutzt thermische Energie, um einen Generator anzutreiben. Dazu besteht er aus zwei miteinander verbundenen Arbeitsräumen. Während die Flamme der Verbrennung den ersten Arbeitsraum erhitzt, dehnt sich darin befindliches Gas aus. Es verdrängt einen Arbeitskolben und strömt daraufhin in den zweiten Arbeitsraum. Hier kühlt sich das Gas ab. Sein Volumen verringert sich und der Kolben wird in entgegengesetzte Richtung gezogen. Die mechanische Bewegungsarbeit lässt sich mit einem Generator aufgreifen, um elektrische Energie zu erzeugen. Zum Einsatz kommen Stirlingmotoren dabei überwiegend in kleineren Biomassekraftwerken und Biomasseheizkraftwerken wie im Pellet-BHKW. |
| Biomassevergaser | Biomasseverdampfer verbrennen die eingebrachten Brennstoffe nicht sofort. Sie nutzen die Pyrolyse, um diese bei sehr hohen Temperaturen zu vergasen. Das Gas strömt anschließend durch eine Reinigungsstrecke, bevor es in einem Motor verbrennt. Wie der Antrieb in einem PKW wandelt der Motor chemische Energie durch eine Verbrennung in mechanische Energie um. Ein Generator greift diese daraufhin auf und erzeugt Strom. Ein Beispiel für die Technologie ist das Holzgas-BHKW, welches in kleineren und mittleren Leistungsbereichen erhältlich ist. |
| Dampfanlage | Zahlreiche Biomassekraftwerke (BMKW) und Biomasseheizkraftwerke (BMHKW) setzen auf Dampfanlagen, um Strom zu erzeugen. Im Kern funktionieren sie dabei wie leistungsstarke Dampfkessel. Dabei geht die Verbrennungswärme stofflich getrennt auf reines Wasser über. Das Medium verdampft und strömt daraufhin zu einer Turbine. Diese beginnt sich zu drehen. Sie treibt einen Generator an, der wiederum Strom erzeugt. |
| ORC-Kreislauf | ORC steht für Organic-Rankine-Cycle und beschreibt einen vom Claudius Rankine entwickelten Kreislauf mit einem organischen Medium. Letzteres nimmt dabei die Wärme des heißen Rauchgases auf und verdampft. Der Dampf treibt eine Turbine an, die mechanische Energie zum Beispiel über eine Welle auf den Generator überträgt. Während dieser Strom erzeugt, sinkt der Druck des Arbeitsmediums. Es gibt an einem Regenerator überschüssige Wärme ab, nimmt seinen Ausgangszustand wieder ein und der Kreislauf beginnt von vorn. Die überschüssige Energie am Regenerator lässt sich in der Regel nutzen, um Heizungswasser zu erhitzen. Biomasseheizkraftwerke (BMHKW) koppeln auf diese Weise Wärme aus, die sie anschließend in Wärmenetze einspeisen. |
Übrigens: Auch Kohlekraftwerke lassen sich zumindest bedingt als Biomassekraftwerk nutzen. Möglich ist das mit dem sogenannten Cofiring. Dabei mischen Kraftwerksbetreiber der Kohle etwa 10 Prozent Pellets oder andere Biomasse zu, um den Verbrauch fossiler Energieträger zu reduzieren und eine bessere Klimabilanz zu erreichen.
Wärmeauskopplung für Mehrfachnutzen und höheren Wirkungsgrad
Etwa 60 der über 80 in Deutschland installierten Kraftwerke für Biomasse koppeln thermische Energie aus dem Prozess aus. Während das bei Stirlingmotoren und Biomassevergasern mit Wärmeübertragern im Rauchgaszug funktioniert, nutzen Dampf- und ORC-Anlagen auch thermische Restenergie nach der Turbine für die Heizung. Da der wärmeseitige Wirkungsgrad deutlich höher ist, gewinnen die Anlage in der Regel wesentlich mehr thermische als elektrische Energie.
Eines der größten Biomasseheizkraftwerke Deutschlands liefert neben 1477 MW Strom beispielsweise 600 MW Wärme. Üblich sind Verhältnisse von eins zu zwei bis eins zu vier, die immer auch von der Funktion des Biomassekraftwerks beziehungsweise des Biomasseheizkraftwerks abhängen.
Abgasreinigung und Ableiten der Rauchgase an die Umwelt
Im letzten Schritt strömen die Abgase der Verbrennung durch den Schornstein. Um die Emissionen auf ein Minimum zu reduzieren, ist zuvor eine Abgasreinigung erforderlich. Zum Einsatz kommen dabei verschiedene Arten von Filtern, Luftwäschern und Abscheideranlagen, die vor allem Feinstaub entfernen. Ein Beispiel dafür sind Zyklonabscheider, in denen Rauchgase auf engem Radius um eine Achse zirkulieren. Die Drehbewegung treibt Feststoffe an den Rand, wo sie ausfallen und aus dem Prozess entfernt werden.
Übrigens:
Auch wenn die Brennstoffe nachhaltig sind, kritisieren Umweltschützer die Emissionen der Biomassekraftwerke (BMHKW) und Biomasseheizkraftwerke (BMHKW). Mit Elektrofiltern, Luftwäschern und Abscheidern lasen sich diese jedoch auf ein Minimum reduzieren.
Diese Brennstoffe eignen sich für BMKWs und BMHKWs
Geht es um den Betrieb der Biomassekraftwerke und Biomasseheizkraftwerke, kommen verschiedene Brennstoffe infrage. Weit verbreitet ist beispielsweise der Einsatz von Alt- und Restholz aus Industrie- und Siedlungsabfällen. Der Rohstoff ist günstig verfügbar und verbrennt durch die hohen Temperaturen in großen Kesseln vergleichsweise sauber und effizient. Aus technischer Sicht günstiger ist das Verbrennen von Hackschnitzeln. Dabei handelt es sich um Restholz aus der Forstwirtschaft, das sich kaum anderweitig verwenden lässt. Häcksler zerkleinern das unbehandelte Holz zu kleinen Schnitzeln (Hackschnitzel), die nach der Trocknung im Kessel der BMKWs verbrennen.
Energieholz als umstrittene Alternative für die Energieerzeugung
Als Brennstoff für Biomassekraftwerke und Biomasseheizkraftwerke eignen sich auch Energiepflanzen, die auf sogenannten Kurzumtriebsplantagen schnell heranwachsen. Typische Beispiele dafür sind Riesen-Chinaschilf, Getreide oder Stroh. Auch wenn diese unbehandelt relativ sauber verbrennen, ist ihr Einsatz umstritten. Denn die Plantagen verdrängen Ackerflächen, die für die Lebensmittelproduktion wichtig wären.
Schadstoffhaltige Abfallstoffe für die Biomassekraftwerke nutzbar
Ob Schwemmholz von der Küste, Spuckstoffe aus dem Papier-Recycling oder nicht recyclingfähige Abfallstoffe: Durch die effiziente Abgasreinigung kommen auch diese Materialien als Ersatzbrennstoff zum Einsatz. Sollten Hackschnitzel und Altholz einmal knapp sein, stehen somit verschiedene Alternativen bereit, um den nachhaltigen Betrieb der Kraftwerke fortsetzen zu können.
Übrigens:
Durch die nachgeschaltete Abgasreinigung ist es auch möglich, mit Schadstoffen belastetes Alt- und Restholz zu verbrennen. In anderen Anlagen, etwa häuslichen Holzkesseln, ist das verboten. Andernfalls hätten die emittierten Giftstoffe noch größere Auswirkungen auf die Umwelt.
Leistungsbereiche der Biomassekraftwerke in Deutschland
In Deutschland gibt es aktuell über 80 Biomassekraftwerke (BMKW) und Biomasseheizkraftwerke (BMHKW). Während das Kraftwerk Arneburg in Sachsen-Anhalt mit 147 MW elektrischer Leistung am meisten Strom erzeugt, liegt die durchschnittliche elektrische Leistung eines BMKWs in Deutschland bei etwa 5 bis 15 MW. Die Anlagen unterstützen damit vor allem die regionale Stromversorgung in Gemeinden, Städten und Ballungszentren.
Mobile Heizkraftwerke zum Kaufen und Mieten als Alternative
Neben den fest installierten Anlagen mittlerer und großer Leistung gibt es auch kleinere Containerlösungen. Diese sind mobil und als Kraftwerk (BHKW) oder mobile Heizzentrale auch zum Mieten erhältlich. Die thermische Leistung reicht dabei von wenigen 100 kW bis zu mehreren Megawatt.
Diese Vor- und Nachteile kennzeichnen BMKWs und BMHKWs
Biomassekraftwerke (BMKW) und Biomasseheizkraftwerke (BMHKW) arbeiten effizient mit hohem Wirkungsgrad. Sie setzen auf nachwachsende sowie recyclingfähige Brennstoffe und arbeiten im engeren Sinne CO2-neutral.
Das heißt: Sie stoßen nicht mehr CO2 aus, als die eingesetzten Brennstoffe bereits in Sauerstoff umgewandelt haben. Günstig ist außerdem die Tatsache, dass die Kraftwerke fossile Brennstoffe ersetzen und somit langfristig im Einsatz bleiben können. Sie unterstützen fluktuierende Erneuerbare-Energien-Anlagen und tragen zu einer zukunftsweisenden und sicheren Energieversorgung bei.
Die wichtigsten BMKW Vorteile im Überblick:
effizienter Betrieb mit hohem Wirkungsgrad bei Biomasseheizkraftwerken
Verbrennung nachwachsender oder zumindest recyclingfähiger Brennstoffe
Minderung der politischen Abhängigkeit durch einheimische Brennstoffe
CO2-neutraler Betrieb (Biomasse wandelt selbst CO2 in Sauerstoff um)
Biomassekraftwerke ersetzen fossile Energieträger wie Gas und Kohle
Unterstützung fluktuierender Erneuerbare-Energien-Anlagen (Sonne, Wind)
Müllverbrennung und Konkurrenz zur Lebensmittelproduktion als Nachteil
Biomassekraftwerke und Biomasseheizkraftwerke sind aber nicht nur mit Vorteilen verbunden. So kritisieren Umweltschutzverbände immer wieder den Einsatz von Ersatzbrennstoffen mit hohem Schadstoffgehalt. Diese seien keine Biomasse im herkömmlichen Sinne und würden zur Luftverschmutzung beitragen. Auch die bereits erwähnte Konkurrenz zwischen Kurzumtriebsplantagen für Energiepflanzen und Ackerflächen für die Lebensmittelherstellung betrachten einige als kritisch. Ob die Punkte als Nachteil zu werten sind, hängt jedoch immer von der Betriebsweise der Anlagen ab. Günstig und nachhaltig arbeiten beispielsweise Biomassekraftwerke und Biomasseheizkraftwerke, die trockene Hackschnitzel aus regional verfügbaren Forstresten verfeuern.
FAQ: Häufig gestellte Fragen zum Biomassekraftwerk
Was ist ein Biomassekraftwerk (BMKW)?
Das Biomassekraftwerk (kurz BMKW) ist eine große Anlage, die Holz, Hackschnitzel oder Pflanzenreste verbrennt. Sie wandelt die dabei entstehende thermische Energie mit unterschiedlichen Systemen in Bewegungsenergie um, die sich dann mit einem Generator zur Stromerzeugung nutzen lässt. Biomassekraftwerke haben dabei im Durchschnitt eine elektrische Leistung von 5 bis 15 MW und unterstützen die regionale Energieversorgung in Gemeinden, Städten oder Ballungszentren.
Was unterscheidet Biomassekraftwerke, Biomasseheizkraftwerke und Biomasseheizwerke voneinander?
Während ein Biomassekraftwerk (BMKW) nur Strom erzeugt, nutzt ein Biomasseheizkraftwerk (BMHKK) die Abwärme für technische Prozesse oder die Gebäudebeheizung über Nah- sowie Fernwärme. Biomasseheizwerke erzeugen hingegen keinen Strom und kommen ausschließlich zur Wärmeerzeugung zum Einsatz.
In welchen Leistungsbereichen sind BMKWs und BMHKWs verfügbar?
Das ist sehr unterschiedlich. So gibt es kleine BMKWs für Zuhause (Pelletkessel mit Stirlingmotor etc.) bereits mit einer elektrischen Leistung von unter 10 kW. Großanlagen erreichen auf der anderen Seite fast 150 MW elektrische Heizung. Handelt es sich um ein BMHKW ist die thermische Leistung um den Faktor zwei bis vier höher.
Welche Brennstoffe kommen für die Anlagen infrage?
Durch robuste Kessel, hohe Temperaturen und eine leistungsfähige Abgasreinigung kommen verschiedenste Brennstoffe infrage. Üblich sind beispielsweise Altholz und Hackschnitzel. Aber auch Restmüll ohne weitere Verwertungsmöglichkeiten und Energiepflanzen wie Stroh oder Chinaschilf lassen sich im Biomassekraftwerk verfeuern.
Sind Biomassekraftwerke und Biomasseheizkraftwerke ökologisch nachhaltig?
Abhängig von der Perspektive ist diese Frage mit ja und nein zu beantworten. Für die ökologisch nachhaltige Nutzung spricht die geringere CO2-Emission. Aber auch der Einsatz regenerativer oder recycelter Brennstoffe sorgt her für Pluspunkte. Nachteilig sind hingegen die entstehenden Luftschadstoffe bei der Verbrennung schadstoffbelasteter Materialien. Auch den Einsatz schnell wachsender Energiepflanzen sehen Umweltschützer als Nachteil, da diese für die Lebensmittelproduktion nötige Ackerflächen belegen.
