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Artikel

Autor(en): Samuel Stucki, Alfred Waser (externe Autoren)
Redaktion: WSL, Schweiz
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Holz – ein wandlungsfähiger Energieträger

Von dem in den Schweizer Wäldern nachwachsenden Holz könnten jährlich mindestens 2 Millionen m3 zusätzlich als Energieholz geerntet werden. Holz ist ein CO2-neutraler Energieträger und auf absehbare Zeit die wichtigste Biomasse-Ressource der Schweiz. Da die Menge an Energieholz begrenzt ist, sollte man möglichst grossen energetischen Nutzen daraus ziehen, ohne die Umwelt zusätzlich zu belasten. Die Aufgabe lässt sich elegant lösen, wenn man das Holz in synthetisches Erdgas umwandelt. Das Paul Scherrer Institut (PSI) hat dafür erstmals ein Verfahren entwickelt.

Buchenstamm
Abb. 1 - Holz trägt heute in der Schweiz mit 2% zur Primärenergieversorgung bei. Das Potential an verfügbarem Energieholz ist zwei- bis dreimal so hoch.
Foto: Thomas Reich (WSL)
 
Energieholz aus dem Schweizer Wald
Abb. 2 - Potenziell verfügbares Energieholz aus dem Schweizer Wald (Quelle BFE). Klicken Sie auf die Abbildung, um sie zu vergrössern.

Das Energieholz in unsern Wäldern kann beispielsweise Heizöl ersetzen und so einen Beitrag zum Klimaschutz leisten. Doch beim Verbrennen in gängigen Heizungen ohne aufwändige Filter entstehen zusätzliche Luftschadstoff- Emissionen, vor allem Feinstaub und Stickoxide.

Grünabfälle aus Haushalten und Landwirtschaft sowie Klärschlamm werden in der Schweiz schon vielerorts zu Biogas vergärt. Mit Holz geht das aber nicht so einfach, denn es verlässt eine solche Vergärungsanlage praktisch "unverdaut". Deshalb wurde am PSI ein weltweit neuartiges, mehrstufiges Verfahren entwickelt, das Holz vergast und dann katalytisch in synthetisches Erdgas (SNG) umwandelt (Abb. 3). Industriell umgesetzt ist dieses Verfahren eine ökologisch und wirtschaftlich sinnvolle Alternative zur dezentralen Holzfeuerung. SNG könnte über das Erdgasnetz verteilt und so für ein breites Spektrum von Anwendungen mit hohem Wirkungsgrad genutzt werden, z.B. für Gasheizungen, als Treibstoff für Gasfahrzeuge oder in Gaskraftwerken zur Erzeugung von Strom und Wärme. Welcher Weg wirtschaftlicher ist, hängt von den politischen Rahmenbedingungen ab.

Die PSI-Technologie der Holz-Methanierung wird in Österreich an einem bestehenden Holzvergaser in industriellem Massstab demonstriert (Abb. 4). Die Grundlage für eine erste Grossanlage in der Schweiz entsteht.

Energieholz innovativ genutzt

Holz trägt heute in der Schweiz mit rund 2% zur Primärenergieversorgung bei. Potenzialerhebungen des Bundesamtes für Energie haben ergeben, dass zwei- bis dreimal so viel für den Energiebedarf genutzt werden könnte, vor allem Waldholz (Abb. 2). Damit ein solcher Ausbau sinnvoll und nachhaltig ist, muss man dieses Energieholz so aufbereiten, dass es praktisch, sauber, flexibel und zu vertretbaren Kosten nutzbar wird. Das heisst, mit Holz soll in Zukunft auch hochwertiger Strom und Treibstoff bereitgestellt und, wo möglich, die entstehende Wärme gleichzeitig genutzt werden.

Wenn Biomasse sich zersetzt, wird nicht mehr CO2 frei, als die Pflanzen beim Wachsen aus der Atmosphäre aufgenommen hatten. Die Nutzung von Biomasse ist also klimaneutral, solange man nicht mehr abbaut als nachwächst. Aus klimapolitischer Sicht sollten wir sie deshalb vermehrt verwenden, z.B. um Öl und Gas zu ersetzen. Kurz- bis mittelfristig ist das technisch und auch wirtschaftlich machbar. Die vermiedenen CO2-Emissionen dürfen aber nicht durch höhere Luftschadstoff Emissionen erkauft werden.

Zusätzliche Luftschadstoffe unerwünscht

Bis anhin wird Energieholz zusammen mit Restholz aus der Holzverarbeitung praktisch ausschliesslich zur Wärmeerzeugung verbrannt. Das vom Bundesamt für Umwelt (BAFU) 2005 verabschiedete Waldprogramm formuliert nun eine Reihe von Zielen und Massnahmen für eine nachhaltige Waldwirtschaft und einen Beitrag zur Netto-Reduktion von CO2-Emissionen.

Unter anderem will man bis 2015 doppelt so viel Energieholz aus dem Wald nutzen als heute. Damit das nicht zu einer Verdoppelung der Feinstaubund anderer Luftschadstoff-Emissionen führt, braucht es Technologien, die mit erstklassigen Filtersystemen arbeiten. Das verteuert Holzfeuerungen und spricht für grosse Anlagen wie z.B. Heizkraftwerke, die Strom produzieren und die entstehende Wärme in Wärmenetze abgeben können. Ein Heizkraftwerk dieser Art wird in Basel gebaut. Es soll aus 65'000 m3 Holz pro Jahr 20 GWh Strom (6700 Haushalte) und 100 GWh Fernwärme (5500 Haushalte) für das Basler Netz leisten und wird damit die grösste Holzenergieanlage der Schweiz sein – ein gute Sache. Wie viele solche Anlagen in der Schweiz möglich sind, hängt wesentlich davon ab, ob Wärmenetze gefunden werden können, die ihnen konstant und möglichst ganzjährig Energie abnehmen.

Aus Holz mach Gas

Um Luftschadstoffe weitergehend zu vermeiden, kann Holz auch in Gas umgewandelt werden, ähnlich wie man es von den Biogasanlagen kennt. Das in einem vom PSI entwickelten Verfahren produzierte synthetische Erdgas (SNG) lässt sich sauber verbrennen, z.B. in einem Gas-Kombikraftwerk, einem Gasmotor, oder in Hochtemperatur-Brennstoffzellen. Holzvergasungs-Anlagen, wie sie für die Schweiz konzipiert werden, sollen eine ähnliche Grösse haben wie das Holzheizkraftwerk Basel.

Umwandlung von Holz zu SNG
Abb. 3 - Die Wichtigsten Stufen der Umwandlung von Holz zu SNG.
 

Holz im Tank und aus dem Gashahn

Biomassekraftwerk Güssing
Abb. 4 - Holzenergie lässt sich in Grossanlagen wesentlich sauberer nutzen als in kleinen Feuerungen: Biomassekraftwerk Güssing (Burgenland, Österreich).

Die Produktion von Methan aus Holz ist eine umweltfreundliche und wirtschaftliche Alternative zur dezentralen Holzfeuerung. Energieholz wird in einen konventionellen Energieträger umgewandelt und so ein breites Spektrum von komfortablen Anwendungen erschlossen - auch unabhängig von Wärmenetzen. Ob man mit dem synthetischem Erdgas Treibstoffe ersetzt oder Strom und Wärme produziert, hängt von den politisch-finanziellen Rahmenbedingungen ab.

Holzvergaser verwendete man schon im Zweiten Weltkrieg, um Holz als Treibstoff nutzen zu können. Dieses Holzgas lässt sich aber aufgrund seiner Zusammensetzung nicht direkt ins Gasnetz einspeisen. Man muss es vorher chemisch so weit umwandeln, dass es vorwiegend aus brennbarem Methan besteht, dem Hauptbestandteil von Erdgas. Das PSI hat dafür die nötigen Grundlagen erforscht, die katalytische Methanierung.

Dieses neue Verfahren wurde an ein in Österreich entwickeltes Holzvergasungsverfahren angepasst. Aus der Zusammenarbeit mit der Technischen Universität Wien, dem Biomassekraftwerk Güssing (Abb. 4) und je einer Anlagenbaufirma aus der Schweiz und Österreich ist eine komplette Technologie für die Produktion von SNG entstanden. Sie wird nun im Rahmen eines EU-Projektes mit Unterstützung durch swisselectric research im industriellen Massstab erprobt und den Weg für eine erste kommerzielle Anlage in der Schweiz bereiten.

Das hochwertige SNG lässt sich problemlos mit Erdgas mischen und über die bestehenden Gasnetze verteilen. Zusammen mit aufbereitetem Biogas aus der Vergärung von Grünabfällen und landwirtschaftlichen Reststoffen kann SNG fossiles Gas ersetzen, überall, wo Gas heute und in Zukunft gebraucht wird – vorzugsweise im Verkehr als emissionsarmer Treibstoff für Gasfahrzeuge. Das ist auch ökologisch sinnvoller, als es zum Heizen zu verwenden, wo es bereits klimafreundliche Alternativen zum Heizöl gibt. Längerfristig kann SNG auch zur Stromproduktion in gasgefeuerten Kraftwerken und WKK-Anlagen dienen. Eine SNG-Anlage, wie sie in fünf Jahren in der Schweiz denkbar ist, produziert jährlich aus 50'000 Tonnen Holz (bei 10% Feuchtigkeit) 18 Mio. m3 SNG - genug, um eine Flotte von 13'000 Gasautos mit Treibstoff für je 15'000 km zu versorgen. Theoretisch möglich wären 20 Anlagen.

Kosten

Ist Holz für 70 Fr./m3 verfügbar, lässt sich daraus in Anlagen von ca. 20 MW Leistung SNG für 8–10 Rp./kWh produzieren. Das ist drei- bis viermal teurer als der Importpreis von sibirischem Erdgas. Der Holzpreis ist in zweifacher Hinsicht eine kritische Grösse. Liegt er zu tief, wird das Holz aus dem Wald gar nicht "geerntet". Verdoppelt er sich auf 140 Fr./m3, steigen die Gas-Produktionskosten auf 12 bis 14 Rp./kWh. Um unter diesen Bedingungen einen solchen Biotreibstoff erfolgreich am Markt einführen zu können, muss er, wie von der Politik in Aussicht gestellt, von der Mineralölsteuer befreit werden. Nutzt man das SNG in Gaskraftwerken oder Wärme-Kraft-Kopplungsanlagen, ergeben sich dank deren hoher Wirkungsgrade von 60% und niedrigen Investitionskosten interessante Stromgestehungskosten. Mit 15 bis 20 Rp./kWh sind sie mit jenen von Holzkraftwerken ähnlicher Grösse vergleichbar.

Internationale Dimension

Die Europäische Union hat sich ehrgeizige Ziele gesteckt für die Nutzung von Biomasse in der Energieversorgung. So sollen bis 2010 5,75% des Treibstoffverbrauchs durch Biotreibstoffe gedeckt werden und bis 2020 sogar 8%. Kurzfristig ist dieser Bedarf nur durch Ethanol oder Pflanzenöl aus eigens dafür angebauten Kulturen zu decken. Durch Vergasung gewonnene, synthetische Treibstoffe verwerten die Biomasse aber besser und bringen mehr Ertrag. Sie stehen daher heute im Zentrum des Interesses von Industrie und Technik. In der EU konzentriert man sich dabei auf Verfahren, die nach der Vergasung über die Fischer-Tropsch-Synthese (sog. Biomass to Liquids oder BTL) flüssige Dieseltreibstoffe erzeugen. Diese Technologie ist sehr aufwändig und nur in grossen Anlagen (500 bis über 1000 MW) wirtschaftlich.

In der Schweiz gibt es dafür keine Standorte. Für die SNG-Produktion hingegen gehen wir von Anlagen aus, die zwanzigmal kleiner sind und zur geografischwirtschaftlichen Struktur der Schweiz passen. Allerdings wird auch die Produktion von SNG günstiger und attraktiver, wenn die Logistik rationeller zu bewältigen ist – d.h. wenn viel Holz vorhanden ist und die Transportwege kurz sind, wie in den waldreichen Gebieten Nordeuropas. Aus Skandinavien gibt es auch bereits Interesse für Anlagen der 100 MW-Klasse.

Zu diesem Beitrag gehört auch das Interview mit Stephan Ramesohl, Autor einer umfassenden Studie über die Einspeisung von Biogas ins Erdgasnetz.

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