Die Hochrechnung von Befragungsergebnissen zeigt, dass in Sachsen etwa 400.000 Holzkleinfeuerungsanlagen (HKFA) betrieben werden. Es handelt sich dabei überwiegend um kleinere, handbeschickte Anlagen, die oft nicht älter als zehn Jahre sind. Etwa 60 Prozent davon stehen in Haushalten im ländlichen Raum. Besonders viele HKFA wurden 2006 errichtet. Holzkleinfeuerungsanlagen erhöhen die Luftbelastung, insbesondere die Feinstaubwerte PM10. Betroffen sind vor allem ländliche Gebiete. Allerdings werden dort kaum PM10-Grenzwerte überschritten. Die regionale Hintergrundbelastung wirkt sich aber mittelbar auf die PM10-Grenzwertüberschreitungen in den Städten aus. HKFA führten beispielsweise bei einer innerstädtischen Messstation in Dresden zu einer um bis zu 3,4 μg/m3 höheren PM10-Belastung im Winter.

Die Hochrechnung von Befragungsergebnissen zeigt, dass in Sachsen etwa 400.000 Holzkleinfeuerungsanlagen (HKFA) betrieben werden. Es handelt sich dabei überwiegend um kleinere, handbeschickte Anlagen, die oft nicht älter als zehn Jahre sind. Etwa 60 Prozent davon stehen in Haushalten im ländlichen Raum. Besonders viele HKFA wurden 2006 errichtet. Holzkleinfeuerungsanlagen erhöhen die Luftbelastung, insbesondere die Feinstaubwerte PM10. Betroffen sind vor allem ländliche Gebiete. Allerdings werden dort kaum PM10-Grenzwerte überschritten. Die regionale Hintergrundbelastung wirkt sich aber mittelbar auf die PM10-Grenzwertüberschreitungen in den Städten aus. HKFA führten beispielsweise bei einer innerstädtischen Messstation in Dresden zu einer um bis zu 3,4 μg/m3 höheren PM10-Belastung im Winter.

Für die künftige Versorgung des Mobilitätssektors mit nachhaltig erzeugtem Wasserstoff wird die Konversion von Biomasse als eine bedeutende Herstellungsoption angesehen. In dieser Studie werden Verfahren und Technologien für die Erzeugung von Wasserstoff auf Basis von Biomasse evaluiert. Dies umfasst sowohl thermo-chemische Verfahren - wie z. B. die Vergasung von Biomasse oder die Dampfreformierung biogener Sekundärenergieträger (z. B. Biogas) - als auch biochemische Verfahren, wie die Vergärung von Biomasse zu Wasserstoff oder die Photolyse von Wasser. Nach einer grundlegenden Klassifizierung aller geeigneten Optionen werden drei Verfahren, die für eine kurz- bis mittelfristige Realisierung in einer Demonstrationsanlage am geeignetsten erscheinen, ausgewählt. Für diese werden anschließend Anlagen- und Bereitstellungskonzepte entworfen und einer Detailanalyse unterzogen. Zwei der detailliert untersuchten Anlagenkonzepte basieren auf der allothermen Wirbelschichtvergasung (Konzepte 1 und 2) und ein drittes auf der Dampfreformierung von Biogas (Konzept 3).

Naturwissenschaft und Technik können die globalen Energieprobleme nicht vollständig lösen – aber sie können ihren Beitrag zur Lösung liefern. Regionale biogene Rest- und Abfallstoffe, die synthetisches Erdgas für die Kommune liefern; heimische Biorohstoffe, die einer konsequenten Kaskadennutzung aus stoffl icher und energetischer Nutzung unterworfen werden; Landschaftsbiomassen, die über Vergaser und Mikroturbinen zur dezentralen Stromund Wärmeerzeugung beitragen – das alles greift nicht nach den Sternen, sondern zeigt regionale Möglichkeiten zur nachhaltigen Energiebereitstellung auf. Neben Strom und Wärme ist auch Mobilität längst zu einem Grundbedürfnis geworden. Darüber hinaus wird durch die weltweit voranschreitende Urbanisierung, verbunden mit einer wachsenden örtlichen Trennung von Wohn- und Agrarregionen, auch der Warenverkehr zunehmend essentiell. Die Substitution fossiler Energieträger im Segment der Kraftstoffe ist daher eine wichtige Säule im Prozess hin zur nachhaltigen Energiewirtschaft. Angesichts der aktuellen Diskussionen um Landnutzungsänderungseffekte und Tank-Teller-Trog-Problematik kommt hier reststoffbasierten Biokraftstoffen eine besondere Bedeutung zu. Auch wenn neue Fördermethoden für fossile Energieträger derzeit weltweit zu einer Diversifi zierung führen – das Grundsatzproblem der Treibhausgasemissionen und anderer Klima- und Umwelteffekte bleibt natürlich bestehen. Daher stellten die Biokraftstoffprojekte bisher einen wichtigen Bestandteil im BMU-Förderprogramm „Energetische Biomassenutzung“ dar, und darum war es 2010 auch angeraten, sie in einer eigenen „Fokusgruppe Biokraftstoffe“ zu bündeln. Zukünftig sollen reststoff- und abfallbasierte Biokraftstoffprojekte außerhalb des Förderprogramms unterstützt werden. Es ist zu wünschen, dass dieses gesellschaftlich wie wirtschaftlich bedeutende Themenfeld auch weiterhin in der Forschungslandschaft der Bundesrepublik verankert bleibt.

The side event “Thermally treated biofuels”, held on the 3rd of June 2015 within the 23rd European Biomass Conference 2015, gave a detailed overview to the concepts currently being developed and introduced. First experiences with combustion experiments of selected batches were also shown. The different lectures presented the state of the art as well as R&D results of process technologies like pyrolysis, torrefaction, hydrothermal-carbonisation. Also information on modelling, simulation and optimisation of an european-wide biomass logistics network were given. The side event was cl9osed by an insight into the Japanese wood market and research on torrefication as well as an open discussion with all the speakers. We are pleased to present you the digital conference proceeding with all the abstracts, presentations and profiles of our guests from the Netherlands, Japan, Austria and Germany.

Solar-thermochemische Redoxzyklen stellen eine vielversprechende Technologieoption zur Nutzung und Umwandlung von erneuerbaren Energiequellen dar. Durch Reduktion von Metalloxiden bei hoher Temperatur und/oder niedrigem Sauerstoffpartialdruck kann ein Material in einen Zustand überführt werden, der dazu geeignet ist, Sauerstoff aus einem Gasstrom zu entfernen oder Wasser bzw. Kohlenstoffdioxid zu spalten. Dadurch ist es möglich, Luft zu zerlegen oder Sauerstoff zu pumpen, sowie sogenannte solare Brennstoffe zu erzeugen. Eine besonders vielversprechende Materialklasse stellen dabei die Perowskite dar. Diese Materialien bilden stabile Phasen mit sehr unterschiedlichen Zusammensetzungen. In dieser Arbeit wird gezeigt, wie diese Perowskit-Oxide in thermochemischen Redoxzyklen verwendet werden können und die Mechanismen hinter diesen Redoxreaktionen werden mit in-situ-Röntgenuntersuchungen aufgeklärt. Es wird auch gezeigt, dass die kinetischen Parameter der Oxidationsreaktion sehr vielversprechend sind. Zudem wird demonstriert, wie feste Lösungen aus Perowskiten in einem weiten Bereich verschiedener Zusammensetzungen hergestellt werden können und wie die Zusammensetzung der Perowskite die Phasenbildung und Stabilität beinflusst. Mit diesem Wissen wird ein Schwerpunkt dieser Arbeit auf die thermodynamischen Eigenschaften dieser Perowskite gelegt. Eine neue Methode der gezielten Materialentwicklung wird demonstriert, welche darauf basiert, den Toleranzfaktor und die thermodynamischen Eigenschaften der Perowskite gezielt einzustellen. Sowohl experimentelle, als auch theoretische Untersuchungen werden durchgeführt, letzere basierend auf Dichtefunktionaltheorie (DFT) im Rahmen von „Materials Project“. Über 240 Perowskit-Brownmillerit-Paare wurden untersucht. Detaillierte Modelle wurden entwickelt, um die thermodynamischen Eigenschaften solcher fester Lösungen aus Perowskiten als eine Funktion der Temperatur, des Sauerstoffpartialdrucks, und der Sauerstoff-Fehlstellenkonzentration 𝛿 zu beschreiben. Mit Hilfe dieser Funktionen wurde ein interaktiver Beitrag im Rahmen von Materials Project entwickelt, mit dem Materialeigenschaften in einem weiten Bereich verschiedener Bedingungen untersucht werden können. Darin ist auch eine Perowskit-Suchmaschine enthalten. Diese verwendet ein vereinfachtes Prozessmodell, um den materialspezifischen Energiebedarf von Redoxzyklen auszuwerten und ermöglicht es so, das effizienteste Material basierend auf den Prozessbedingungen auszuwählen. Es konnten neue Redoxmaterialien zur Anwendung in thermochemischen Kreisprozessen identifiziert werden und es wurde festgestellt, dass Perowskite die Effizienz der solaren Brennstofferzeugung bei vergleichsweise niedrigen Reduktionstemperaturen von 1300-1400 °C erhöhen können. So soll eine höhere Reaktorlebensdauer erreicht werden. Es wird auch diskutiert, welche Faktoren die Prozesseffizienz beeinflussen und es werden Ideen präsentiert, welche Schritte nötig sind, um eine kommerzielle Nutzung zu ermöglichen. Der wichtigste Faktor ist dabei die Wärmerückgewinnungseffizienz zwischen Feststoffen. Durch die Veröffentlichung aller Daten im Rahmen von MPContribs/Materials Project durch das Erstellen von interaktiven Graphen wird eine wertvolle Ressource zur schnelleren und zielgerichteten Materialentwicklung bereitgestellt. / Solar-thermochemical redox cycles are a promising technological option in the framework of utilization and conversion of renewable energy. By reducing metal oxides at high temperature and/or low oxygen partial pressure, one can generate a material in a state which can be used to capture oxygen from a gas stream or split water or carbon dioxide. By this means, air can be separated, oxygen can be pumped, or so-called solar fuels can be generated. One especially attractive materials class for application in such redox cycles is constituted by perovskites. These materials form stable phases over a large compositional range. Within this work, we show how these perovskite oxides can be applied in thermochemical redox cycles and study the mechanisms behind these redox reactions using in-situ X-Ray techniques. We also show that the kinetic properties of the oxidation reaction are very appealing. It is furthermore presented how perovskite solid solutions can be formed over a large compositional range and how phase formation and stability are affected by the perovskite composition. Based on this knowledge, the focus of this work is set on the materials thermodynamics. A new method of rational perovskite materials design is developed by adjusting the tolerance factor of the perovskites and their thermodynamics. Both experimental and theoretical materials development are conducted, the latter based on density functional theory (DFT) within the framework of the online resource “Materials Project”. Over 240 perovsite-brownmillerite pairs are included in the search. Detailed models describing the thermodynamics of such perovskite solid solutions are established which allow describing the perovskite redox properties as a function of the temperature, oxygen partial pressure, and oxygen non-stoichiometry 𝛿. Using these functions, we developed an interactive tool within the framework of Materials Project, which can be used to model materials properties for a large range of conditions and also serves as a perovskite search engine. This search engine uses a simplified process model to evaluate the material-specific energy demand of a thermochemical redox process and allows finding the most efficient materials choice for a large range of different operational parameters. We could identify new redox materials for application in such processes and found that perovskites can lead to more efficient thermochemical fuels production than the state of the art, especially if the reduction temperature is lowered to 1300-1400 °C to reach higher reactor longevity. It is also discussed which factors affect the overall process efficiency to which extent, and suggestions are given which steps are necessary for a commercialization of such redox processes. The most important factor is the solid-solid heat recovery efficiency. By making all this data publicly available in the framework of MPContribs/Materials Project through providing user-controlled interactive graphs, we are providing a valuable resource for accelerating the discovery and use of new redox materials.

Der vorliegende Endbericht beschreibt die Ergebnisse der technisch-ökonomischen Begleitforschung zum Wettbewerb Bioenergie-Regionen. Der Wettbewerb wurde als dreijähriges Fördervorhaben des Bundesministeriums für Ernährung, Landwirtschaft und Verbraucherschutz (BMELV) realisiert, bei dem das DBFZ die Bioenergieentwicklung in den Projektregionen sowie Effekte für die Regionalentwicklung analysiert hat. Ziel der technisch-ökonomischen Begleitforschung war es, die Projektregionen hinsichtlich der Bioenergienutzung zu evaluieren. Hierzu standen die Bioenergieanlagen und Wertschöpfungsketten der Bioenergie sowie die eingesetzten Rohstoffe im Zentrum der Untersuchungen. Hierdurch sollten Vergleiche zwischen den Regionen und eine Einordnung im bundesdeutschen Durchschnitt ermöglicht werden. Auch galt es, Aussagen zum Klimaschutzbeitrag des Fördervorhabens treffen zu können. Nicht zuletzt unterstützte das DBFZ die Geschäftsstelle des Wettbewerbs sowie die Regionen bei der Beantwortung technisch-ökonomischer Fragestellungen. Der Bericht gliedert sich in einen theoretischen Teil A und den Ergebnisteil B. Nach einer Ergebniszusammenfassung (Kapitel 1) und einer kurzen Übersicht über wichtige und übergeordnete Kennziffern (Kapitel 2) werden im Teil A zunächst Hintergründe und Ziele des Wettbewerbs vorgestellt (Kapitel 3). Daran schließt sich mit Kapitel 4 die Erläuterung der methodischen Vorgehensweise an. Der Teil B enthält die Ergebnisse des Begleitforschungsvorhabens. Die einzelnen Kapitel orientieren sich jeweils an den konkreten Fragestellungen bzw. Themenblöcken der technisch-ökonomischen Begleitforschung (Kapitel 5-8). Im letzten Kapitel 9 erfolgt ein kurzer Ausblick auf die zweite Förderphase ab 2012 bis 2015.

Biokraftstoffe erweisen sich derzeit als eine der bedeutendsten erneuerbaren Alternativen im Mobilitätssektor und sollen künftig maßgeblich zu einer nachhaltigen Mobilität beitragen. Im Verkehrsbereich stellen die Bioethanolherstellung aus Getreide und Zuckerrüben sowie die Biodieselherstelllung aus Raps, Soja, Palmöl und anderen Pflanzenölen aus heutiger Sicht kommerziell verfügbare und langjährig erprobte Optionen dar, fossile Energieträger zu ersetzen. Die Herstellung und Verwendung von Biokraftstoffen ist in Europa seit 2011 an besondere Anforderungen bezüglich ihrer nachhaltigen Erzeugung gebunden. Im Zuge der Debatte um die Sicherstellung nachhaltiger Biokraftstoffproduktionssysteme müssen bestehende und neue Anlagen hohen Anforderungen gerecht werden. Durch die in der Biokraftstoff- Nachhaltigkeitsverordnung (Biokraft-NachV) geregelte Bemessung der Biokraftstoffquote anhand der Treibhausgas-Minderungspotenziale seit dem Jahr 2015 wird ein zusätzlicher Anreiz für die Optimierung der THG-Bilanz bestehender Biokraftstoffproduktionsanlagen gegeben. Diese Optimierungen sind mit zusätzlichen Investitionen verbunden und haben einen Einfluss auf die Wirtschaftlichkeit der Biokraftstoffanlagen. Vor diesem Hintergrund war das Ziel des Vorhabens, technische Optimierungspotenziale innerhalb der Produktionsanlagen zu untersuchen. Durch eine Bestandsaufnahme der Anlagen sowie eine Überprüfung der verfahrenstechnischen Möglichkeiten zur Senkung der THG-Emissionen und deren ökonomischen Auswirkungen sollten Verbesserungsmöglichkeiten aufgezeigt werden. Damit sollte in Bezug auf die Ökonomie, die Ökologie und den Klimaschutz eine nachhaltige Bereitstellung heimisch erzeugter Biokraftstoffe wirkungsvoll unterstützt werden. In diesem Sinne werden die Weichen für eine nachhaltige und gleichzeitig wettbewerbsfähige Ausrichtung der deutschen Biokraftstofferzeugung gestellt.

Im Rahmen des BMU/PTJ-Vorhaben „Wechselwirkung der Markteinführungsinstrumente auf die energetische Nutzung von Biomasse“ (03MAP182) im Arbeitspaketes 12 zur „Methodikentwicklung biogene Wärme“ ergab sich das Ziel, eine systematische Herangehensweise zur Aufnahme der durch Biomasse bereitgestellten Wärme zu entwickeln und Ansätze für deren Fortschreibung aufzuzeigen. Grundlage hierfür bildet die Analyse der Berichtspflichten und den daraus resultierenden Anforderung an den Detailierungsgrad der Ergebnisse sowie eine Betrachtung des (biogenen) Wärmemarktes. Zudem werden sämtliche, für dieses Vorhaben relevante Datenquellen hinsichtlich Methodik, Gliederung und Verfügbarkeit analysiert und für die Verwertbarkeit in diesem Vorhaben bewertet. Kern des vorliegenden Berichtes ist die nach Bioenergieträgern differenzierte Abbildung des methodischen Ansatzes zur Quantifizierung des Brennstoffeinsatzes und Wärmeerzeugung. Hierbei wird sowohl der Weg für den Status Quo (2008 bis 2011) aufgezeigt, als auch Ansätze für die Fortschreibung des Brennstoffeinsatzes beschrieben. Vorbereitend findet eine Gegenüberstellung und Bewertung des verfügbaren Zahlenmaterials statt. Aufbauend auf der Datenanalyse und der entwickelten Methodik werden Handlungsempfehlungen für die Schließung weiterhin bestehender Datenlücken einerseits und Vorschläge zur Verbesserung bestehender Datenquellen andererseits ausgewiesen. Ziel dieses Vorhabens ist die Erarbeitung einer methodischen Grundlage für die Erfüllung der nationalen und internationalen Berichtspflichten sowie Fachinformationen im Kontext Wärmenutzung aus Biomasse. Zu diesem Zweck werden nachstehend die Berichtspflichten sowie Fachinformationen analysiert und die darin enthaltenen Anforderungen an die Ergebnisdarstellung zusammengefasst. Ergänzend dazu werden der Wärmemarkt im Allgemeinen und der Einsatz von Biomasse zur Wärmeerzeugung im Speziellen dargestellt und auf die Bandbreite der Technologien eingegangen. Vorangestellt werden zunächst verschiedene Biomassen – nachstehend Bioenergieträger genannt – und Sektoren voneinander abgegrenzt

In dem von der DBU unter den Aktenzeichen AZ 31032 geförderten Projekt wurde die Umsetzung einer Nachrüstlösung für Kaminöfen untersucht. Die etwa 14 Millionen Einzelraumfeuerungen in Deutschland haben einen wesentlichen Anteil an der Freisetzung von unvollständig umgesetzten Verbrennungsgasen wie CO und VOC als auch Staub. Da ein Austausch aller betriebenen Feuerungen mit hohem Schadstoffausstoß kurzfristig schwer möglich ist, könnte die Integration von Nachrüstlösungen eine zeitnahe Verbesserung des Anlagenbetriebs in Bezug auf die Emissionen und den Wirkungsgrad ermöglichen. Die Nachrüstlösung im Projekt bestand aus drei wesentlichen Komponenten: einem Wärmeübertrager, einer Sicherheitseinrichtung für die störungsfreie Abgasabführung sowie einem Katalysator inklusive Beheizung. Ziel war die wesentliche Reduzierung der Emission von unvollständig umgesetzten Abgasbestandteilen CO, Org.-C und Staub sowie die Erhöhung des Wirkungsgrades. Als Zielwerte wurden Konzentrationen von CO < 400 mg/m³, VOC (Org.C) < 50 mg/m³, Staub < 30 mg/m³ und ein Wirkungsgrad > 75 % zu Projektbeginn angesetzt. Da ein nicht zu unterschätzender Einfluss durch den Ausgangszustand der Anlagen gegeben ist, wurde eine min. 50 %-ige Minderung der Schadstoffkonzentrationen als alternative Zielsetzung angegeben. Die Nachrüstlösung wurde mit drei verschiedenen Baumarktkaminöfen getestet, um den Anlageneinfluss sowie eine anlagenunspezifische Einsetzbarkeit zu demonstrieren. Es wurden zwei verschiedene Wärmeübertrager untersucht, ein Rippenrohr und ein durchströmtes Rohr, um die Effekte einer Oberflächenerhöhung und Anströmung der Oberfläche zu untersuchen. Die Abgasableitung wurde durch Einsatz eines Rauchsaugers und eines Bypasses sichergestellt. Als Katalysator wurden sowohl kommerziell erhältliche Produkte getestet als auch eine eigene Entwicklung auf Basis eines Metallschaumes als Trägermaterial vorgenommen. Der Einsatz von Metallschäumen ist aufgrund den damit erreichbaren Druckverlusten und auch der geförderten Gasvermischung vielversprechend. Die durchgeführten Arbeiten erfolgten in Kooperation mit der Fa. Alantum, welche als Fremdleistungsnehmer für die Herstellung der Metallschäume mit im Projekt eingebunden war. In den Untersuchungen wurde gezeigt, dass eine deutliche Verbesserung bezüglich der Schadstoffemissionen als auch der Wärmeausnutzung möglich ist. Durch Integration einer Wärmeübertragerstrecke im Anschluss an die Feuerungsanlage wurde der Wirkungsgrad je nach Versuchsaufbau um etwa 5 bis hin zu 19 % gesteigert und auch ein feuerungstechnischer Wirkungsgrad > 75 % erreicht. Mit den Einsatz kommerzieller Katalysatoren konnten die CO-, Org.-C- und Staubkonzentration über 50 % reduziert werden. Für CO wurden Konzentrationen unter 20 mg/m³ erreicht, für Org.-C < 100 mg/m³ und für Staub eine Absenkung bis hin zu ca. 30 mg/m³. Durch die Katalysatorbeheizung mittels einer Glühkerze sowie eines Heizwendels konnte die Reduzierung von Org.-C zum Teil noch weiter gesteigert werden. Bei Integration in einer entsprechenden Temperaturzone kann so auch ein Rußabbrand induziert werden. Mit dem Metallschaumkatalysator, welcher im Rahmen des Projektes entwickelt wurde, konnten bisher nicht so hohe Umsatzraten erreicht werden, jedoch wurde schon eine Aktivität für die CO-Oxidation nachgewiesen. Der bisherige Entwicklungsstand erfordert aber noch eine Weiterentwicklung bis hin zur wirksamen Einsetzbarkeit im Abgas von Feuerungsanlagen. Sowohl für Org.-C als auch für Staub ist auch bei Nutzung der kommerziell erhältlichen Katalysatoren noch eine weitere Steigerung der Reduzierungsrate wünschenswert. Einfache Konstruktionen, die eine fliehkraftbasierte oder filternde Staubabscheidung ermöglichen, werden als vielversprechend angesehen. Zur praktischen Einsetzbarkeit von Nachrüstlösungen an häuslichen Anlagen ist eine Weiterentwicklung zum kommerziellen Produkt notwendig. Dazu sind Feldmessungen an realen Anlagen durchzuführen und die Bauartzulassung vorzunehmen.