Wie man aus Holz Strom gewinnt

 

Wie macht man aus Holz Strom? Und wie muss der Ofen dafür ausschauen? Axenia hat sich schlau gemacht und erklärt wie mit der ORC-Technologie Strom aus Holz gewonnen werden kann.

Der folgende Beitrag stammt von Axenia Schäfer, Chefredakteurin bei QUICUMQUE – Zeitschrift für autarkes Leben.

 

Es gibt viel Energieverschwendung in der Republik. Uwe Schönfelder denkt dabei aber weniger an Privathaushalte, die zum Fenster raus heizen, als an den täglichen Holzabfall, der in Form von Hackschnitzeln auf Beeten und Böschungen verrottet, sowie an Äste und Baumkronen, die ungenutzt im Wald verbleiben, anstatt verfeuert zu werden.

Der Installateur aus Sachsen unternimmt etwas, denn er ist der Überzeugung, dass der, der etwas bewegen will, tätig sein muss: Schönfelder macht Strom aus Holz. Das Besondere ist, dass die von ihm ausgesuchten Öfen alles nehmen, was hölzern ist. Sie verbrennen, je nach Ausführung, feuchtes Hackgut, alte Spanplatten, Pellets und genauso Meterscheite schönster Buche. Dabei ist die Technik so ausgefeilt, dass die Anlagen ohne zusätzliche Filter die vorgeschriebenen Abgasgrenzwerte der Bundes-Immissionschutzverordnung BImSchV unterschreiten. 

Ein besonderes Brennkammer- und Nachschubsystem, ein 20 mm dickes Stahlgehäuse, eine zugunabhängige Abluftvorrichtung und jede Menge Hitze machen dies möglich. 

 

Burn baby, burn

Wer Hackgut aller Art verbrennen will, muss einen Ofen wählen, bei dem über der Brennkammer eine Schüttung angebracht ist. Über diese Schüttung rutscht der Holzabfall peu à peu Richtung Brennwabe, wobei die unterste Schicht auf dem Glutbett verbrennt und ein Teil der dabei entstehenden Hitze das im Schacht befindliche Hackgut trocknet. Scheitholz kann von Hand oder automatisch aus einem Holzspeicher nachgelegt werden. Eine ausreichend dimensionierte Schüttung lässt auch ganze Paletten Richtung Glutbett rutschen.

Die Brennwabe, auf der das Holz ausbrennt, besteht aus Keramik, die in Spezialguss, einer Legierung aus Chromnickelstahl, eingelassen ist. So verbinden sich die hervorragenden Ausbrandeigenschaften des ansonsten empfindlichen Materials Keramik mit Widerstandskraft gegen große mechanische Belastungen. Das ist auch nötig: Die Hackschnitzel mögen sanft zum Material sein – polternde Meterscheite sind es nicht im Geringsten.
Auf der Brennwabe wird das Holz entzündet und abgebrannt. Primärluft, wie sie für die Holzvergasung benötigt wird, wird durch Löcher in der Brennwabe zugeführt. Zuerst verdampft das Wasser, das auch im luftgetrockneten und gut gelagerten Holz noch vorhanden ist. Brenntechnisch befinden wir uns jetzt in einem Temperaturbereich bis 200°C. Bei der sich anschließenden Pyrolyse vergasen zwischen 200 und 600°C die meisten anderen Bestandteile des Holzes. Es bilden sich vor allem Kohlenwasserstoffverbindungen, Pyrolyseöle und Pyrolysekoks. Ab 600°C brennen die aus dem Holz austretende Gase und die Temperaturen klettern auf rund 1000°C. 

Die bei der Vergasung nicht vollständig verbrannten Gase werden in den von Schönfelders eingesetzten Holzvergaseröfen mit warmer Sekundärluft gemischt und in eine zweite Brennkammer, den Zyklon, geleitet. Die Vermischung mit Warmluft verhindert eine Kondensat- und Teerbildung und die hohen Temperaturen im Zyklon können für eine nahezu rückstandsfreie Verbrennung von feuerungsbedingten Schad- und Sekundärstoffe wie Staub, Teer, Phenole und Kohlenmonoxid sorgen. Stickoxide und Kohlenwasserstoffe werden in diesem Temperaturbereich stark vermindert. Damit ist der Holzvergaser gegenüber einer einfachen Holzfeuerung, wie man sie beim Kamin- oder Kachelofen kennt, nicht nur effizienter sondern auch umweltfreundlicher. Die hohe Effizienz wird zudem dadurch erreicht, dass ein temperaturgesteuertes Saug-Zug-Gebläse naturzugunabhängig für einen optimalen Verbleib der heißen Rauchgase in den wärmetauschenden Zügen des Ofens sorgt. Der Nachteil ist, dass diese feine Regulation elektronisch gesteuert wird und entsprechend auf Strom angewiesen ist. Bei Stromausfall können die Turbulatoren jedoch aus dem Ofen herausgezogen werden, so dass er mit Naturzug betrieben werden kann.

 

 

90% der im Holz gespeicherten Energie lassen sich für die Bereitung von Heißwasser und zum Heizen nutzen; nur 10% können in Strom umgewandelt werden. Zur Stromerzeugung wird eine ORC-Technologie eingesetzt. Der Organic-Rankine-Cycle ist ein thermodynamischer Prozess mit hohem Wirkungsgrad. Mit dem Kessel wird Wasser unter Druck von drei bis vier Bar auf 120°C erhitzt – der Hauptgrund, warum man einen robusten Kessel benötigt. Er muss nämlich 8000 Betriebsstunden pro Jahr (das sind 333 Tage Dauerbetrieb) bei recht hohen Drücken aushalten (zum Vergleich: ein Heizkessel läuft im Normalbetrieb 2.500 Stunden im Jahr). Das heiße Wasser erwärmt seinerseits ein Zwischenmedium, das bereits bei 15°C verdampft und einen ordentlichen Dampfdruck erzeugt. Der Dampf treibt eine Turbine an, die mit einem Stromgenerator verbunden ist. Derzeit wird für diesen Schritt das Kältemittel Pentafluorpropan R-245fa genutzt, das der Turbine weit weniger zusetzt als reiner Wasserdampf und den Wartungsaufwand entsprechend reduziert. 

 

Was passiert im Generator?

Im Generator wird Bewegungsenergie in elektrische Energie umgewandelt. Dazu wird die Rotation der Turbine, einfach ausgedrückt, auf einen Leiter, zum Beispiel einen aufgewickelten Kupferdraht, oder einen Magneten übertragen. Je schneller sich der Magnet in der Kupferspule oder die Kupferspule um den Magneten dreht, desto mehr elektrische Spannung wird erzeugt. Sie entsteht durch die Kraft, die der Magnet auf die Elektronen im Metalldraht ausübt. Die Spannung erhöht sich mit Zunahme der Wicklungen der Spule und der Stärke des Magneten. 

 

Und was passiert mit den restlichen 90% der Energie?

Strom aus Holz zu gewinnen, ohne gleichzeitig zu Heizen und heißes Wasser zu bereiten, hat Aspekte von ökonomischem und ökologischem Irrsinn, wenn einem nicht gerade unerschöpfliche Mengen an Abfallholz zur Verfügung stehen. Und selbst dann wird es einem Selbstversorger, der ein Papiertaschentuch erst zum Reinigen der Brille nimmt, dann die Nase hineinschneuzt, anschließend mit der letzten unbenutzten Seite über die Schuhe wischt, um es schließlich zu verfeuern, wahrscheinlich widerstreben, Energie zu vergeuden. 

Wer darüber nachdenkt, sich einen holzfeuerbetriebenen Generator zur Ergänzung seiner Photovoltaik- und Windkraftanlage anzuschaffen, freut sich vielleicht, wenn er vorher durchgerechnet hat, ob er auch in den warmen Monaten vernünftig wirtschaften kann. Denn während sich der Stromverbrauch im Sommer nur unwesentlich ändert, gibt es in dieser Zeit eine geringe Abnahme für die restliche Hitze aus dem Kessel. Hier liegt einer der Gründe, warum Strom aus Holz kaum in Privathaushalten genutzt wird. Der zweite Grund sind die Anschaffungskosten: Eine robuste und effiziente Holzfeueranlage, die einen 120 m2 großen Vierpersonenhaushalt mit Heizung und Warmwasser versorgen soll, kostet 20.000 bis 22.000 Euro. Je nach Dämmung des Hauses verbraucht ein Haushalt dieser Größe pro Jahr 11.000 bis 21.000 kWh für Heizung und heißes Wasser. Dazu wird in der Regel ein Kessel von 6-12 kW benötigt. Die von Schönfelder verwendeten Scheitholzkessel fangen allerdings erst bei 15 kW an, so dass man mitunter nur einmal pro Woche feuern muss. Eine Komplettanlage mit Stromgenerator schlägt mit 120.000 Euro zu Buche – und fängt bei einer Kesselleistung von 120 kW an. Die Leistung der stromerzeugenden Anlage rentiert sich erst ab dieser Größenordnung und erst, wenn der Ofen wenigstens 8000 Stunden im Jahr betrieben wird. Damit ist er derzeit eher für Industrie, Gewerbe oder Mehrfamilienhäuser ausgelegt. Schönfelders tüfteln an Lösungen für Privathaushalte. 

 

 

So kann man rechnen

Wer weniger an wirtschaftlichen Aspekten interessiert ist, sondern im Winter bei wenig Sonne seine Großbatterie im Keller mittels Kraft-Wärme-Kopplung füttern will, kann mit einem Holzheizkraftwerk arbeiten. Im Modell könnte man von einem Verbrauch im Privathaushalt von 21.000 kWh im Jahr ausgehen, wobei 3000 bis 4000 kWh auf die Erwärmung des Trinkwassers entfallen. Angenommen, vier Bewohner duschten jeden Tag gleich lang und gleich heiß, führen nie weg und hätten einen Jahresverbrauch von 3650 kWh, ergäben das 10 kWh pro Tag für heißes Wasser. Hinzu käme für die Heizperiode, von Mitte September bis Mitte Mai veranschlagt, ein Verbrauch von täglich 71 kWh (errechnet aus 21.000 kWh Gesamtverbrauch minus 3.650 kWh für Warmwasser und das Ergebnis geteilt durch 242 Tage der Heizperiode). Ver-braucht würden also an 242 Tagen im Jahr insgesamt 81 kWh pro Tag und an 123 Tagen nur 10 kWh pro Tag für das heiße Wasser. 
Der Jahrestrombedarf schlägt für unsere vier Personen mit 4000 kWh zu Buche; das wären im Schnitt rund 11 kWh am Tag. Sogar ein sehr sparsamer Haushalt kann schnell 13 kWh am Tag erreichen. Selbst in der Heizperiode käme man mit dem Holzheizkraftwerk also nicht ganz hin. Würde unser 12 kW Ofen 10 Stunden am Tag volle Leistung bringen, läge man bei 120 kWh, wovon 12 kWh als Strom zur Verfügung stünden. Und 108 kWh in Form von Wärme – viel mehr, als gebraucht würde.  
Umgekehrt gerechnet: wer im Jahr 21.000 kWh für Heizung und Warmwasser verbraucht, muss 23.333 kWh erzeugen, um 10% für die Stromerzeugung übrig zu haben. Raus bekommt er 2.333 kWh Strom im Jahr – eine gute Ergänzung zur Photovoltaik, geeignete Stromspeicher vorausgesetzt. 
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Das Wohnwagon-Team

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