MAN-Motoren in Holzgas-BHKW

MAN-Gasmotoren zur Energieerzeugung in Blockheizkraftwerken

Für jedes Gas zu haben: Motoren von MAN überzeugen in Holzgas-BHKWs

In Zeiten von Atom- und Kohleausstieg steht die Frage einer sicheren und sauberen Energieversorgung verstärkt im Mittelpunkt der Stromerzeuger. MAN Engines bietet hier bereits seit Jahrzehnten Lösungsansätze und beliefert BHKW-Hersteller mit robusten und sauberen Gasmotoren. Als besonders nachhaltig und beliebt hat sich der Einsatz von Sondergasen wie Bio- und Klärgasen erwiesen. Doch mit der Holzvergasung ist auch eine weniger bekannte Technologie zuletzt wieder in den Fokus gerückt. Auch hier bedient MAN Engines mit seinen Partnern einen noch kleinen, aber stetig wachsenden Markt mit leistungsstarken Gasmotoren.

Fröling Holzgas-BHKW mit MAN E0836
BHKW mit MAN E0836, der speziell für den Betrieb mit Erd- und Sondergasen entwickelt wurde

„In Deutschland stehen momentan einem jährlichen Waldzuwachs von rund 128 Millionen m3 ein Holzverbrauch von 99 Millionen m3 gegenüber“, erklärt Günther Zibes, Head of Sales Power MAN Engines, die Nachhaltigkeit der Forstwirtschaft und ist sich daher sicher: „Holzvergasung ist durchaus eine Technologie, die unter der Nutzung von Holz als nachwachsendem Rohstoff, im Rahmen der Energiewende ein interessanter Baustein im Energiemix sein kann.“ Das Prinzip aus dem festen Rohstoff ein brennbares Gas zu gewinnen und damit Blockheizkraftwerke (BHKW) zu betreiben, ist dabei am vielversprechendsten. Dazu muss das Holz zunächst in einem sogenannten Vergaser in Gas transformiert werden. Dabei durchläuft es einen thermochemischen, mehrstufigen Umwandlungsprozess, an dessen Ende Holzgas als Brennstoff steht. Dieses kann danach zum Betrieb eines Verbrennungsmotors zur direkten mechanischen Energieerzeugung genutzt werden. MAN Engines bietet hierfür momentan Sondergasmotoren von 54 kW bis 320 kW Leistung und verfolgt die Entwicklung der Holzvergasungstechnologie mit Partnern wie dem Heizkesselhersteller Fröling aus Österreich seit Längerem. Wolfgang Aichinger, Prokurist und Verkaufsleiter bei der Fröling Heizkessel- und Behälterbau Ges.m.b.H., fasst die Vorteile der Holzvergasung zusammen: „Der Prozess ist einfacher und schneller als die Vergasung von Biomasse zu Biogas. Außerdem erfolgt er im Vergaser direkt vor Ort. Der Brennstoff muss nicht erst über Leitungen zum Verbrennungsmotor gebracht werden.“ Somit können Holzverstromungsanlagen insbesondere in ländlichen Gebieten einen Beitrag zur dezentralen Energieversorgung leisten.

Dabei ist die Idee, Holz als Energieträger zu nutzen, fast so alt wie die Menschheit selbst. Vor allem die freigesetzte Wärme bei der Verbrennung wird schon seit Jahrtausenden geschätzt. Aber auch der Einsatz von Holzgas als Brennstoff ist keine moderne Erfindung. Die Holzvergaser waren in Zeiten von Rohstoffknappheit, wie dem Zweiten Weltkrieg oder den Ölkrisen, die am weitesten verbreiteten alternativen Antriebe. Schon Ende der 1930er Jahre wurden Holzvergaser beispielsweise in Lastkraftwägen und Traktoren von MAN verbaut. Holzgas war auf Dauer allerdings nie mit günstigeren Brennstoffen wie Erdöl oder Erdgas konkurrenzfähig. Doch dank verbesserter Verfahren zur Herstellung des Holzgases und effizienterer Motoren ist die Technologie mittlerweile zu einer interessanten Alternative geworden.

Aichinger Fröling Holzvergasung
Wolfgang Aichinger, Prokurist bei Fröling: „Mit unserem Vergasungsprozess erreichen wir eine für Biomasse außergewöhnliche reine Gasqualität.“

Robuste MAN-Motoren als zentraler Baustein der Holzvergasung

Einen Trend, den die Fröling Ges.m.b.H. früh erkannt hat. Die Firma aus Oberösterreich gilt als einer der Pioniere der Holzvergasungstechnologie und hat den Vergasungsprozess immer weiter perfektioniert. Zur Verstromung des Holzgases vertraut sie auf Gasmotoren von MAN Engines: „Die eingesetzten Motoren müssen mit den Eigenschaften von Schwachgasen, zu denen auch Holzgas gehört, zurechtkommen. Dazu müssen sie emissionsarm, leicht zu warten und möglichst effizient sein. Die Motoren von MAN erfüllen diese Anforderungen und passen am besten zu unserem System“, erläutert Aichinger.

Die größte Herausforderung für die Motoren ergibt sich aus dem großen Bestandteil Kohlenstoffmonoxid und Wasserstoff, der das Holzgas in seiner Zusammensetzung wesentlich von anderen Brenngasen unterscheidet. Erd- und Biogase beispielsweise bestehen zum vorwiegenden Teil aus Methan. Zudem schwankt bei der Holzvergasung die Gasqualität stärker als das bei Erd- und Biogasen der Fall ist, was schwierige Bedingungen für Verbrennungsmotoren schafft. „MAN Engines produziert besonders robuste Motoren, die auch speziellen Anforderungen, wie den Betrieb mit Gasen mit großem Wasserstoffanteil, gewachsen sind. Grundsätzlich werden unsere eigens für Erdgas- und Sondergasanwendungen entwickelten Motoren so konzipiert, dass sie ohne größeren Anpassungen für fast jede Anwendung verwendet werden können“, sagt Zibes. Deswegen werden die Aggregate aus dem MAN-Motorenkompetenzzentrum in Nürnberg nicht nur für den Einsatz mit Erd- und Biogas verwendet, sondern finden sich auch in spezielleren Anwendungen, wie Holzgas-BHKWs wieder.

Fröling Holzgas-BHKW mit MAN E0836
Insgesamt vier BHKWs mit MAN E0836 sorgen für eine Leistung von 200 kWel sowie 240 kWtherm auf dem Betriebsgelände von „Hackgut Möslinger“

Neue Wertigkeit für Holzabfälle

Wirtschaftlich besonders interessant ist der Einsatz von Holzgas-BHKWs in holzverarbeitenden Gewerben mit einem hohen Wärmebedarf. Einen solchen hat der österreichische Hackguterzeuger „Hackgut Möslinger GmbH“, der eine Holzverstromungsanlage der Firma Fröling betreibt. In dieser sind vier MAN E0836 LE202 Industrie-Gasmotoren mit je 50 kW Leistung bei 1500 min-1 auf dem Betriebsgelände in Gaspoltshofen installiert. „Die durch optimierte Verbrennungsprozesse ohnehin schon hohe Effizienz der eingesetzten Aggregate wird durch die Aufladung der Motoren noch zusätzlich gesteigert“, unterstreicht Zibes die Vorteile der MAN-Reihensechszylinder.

Der von der Anlage erzeugte Strom fließt gegen eine Einspeisevergütung ins österreichische Netz und die bei der Stromerzeugung entstehende Wärme wird für den eigenen Betrieb direkt vor Ort genutzt. Auf einem Bandtrockner wird mit dieser Wärme Hackgut getrocknet, was dann wiederum als Brennstoff von Holzvergasungsanlagen genutzt wird. „Theoretisch kann zwar jede Holzart verwendet werden, allerdings gibt es große Unterschiede in der Qualität. Am besten geeignet ist Mischholz mit einem hohen Anteil an Stamm- und Weidenholz. Besonders wichtig ist, dass das Holz möglichst trocken ist“, so Aichinger. Waldfrisches Holz weist einen Wassergehalt von 40 bis 60 Prozent aus und besitzt damit eine Heizleistung von knapp 2 kWh/kg. Dem gegenüber kommt getrocknetes Hackgut mit unter 15 Prozent Wassergehalt auf einen Heizwert von etwa 4,5 kWh/kg.

Holzgas-BHKW mit MAN E0836
Die Holzvergasungsanlage auf dem Betriebsgelände von „Hackgut Möslinger“. Das entstandene Holzgas wird anschließend in BHKWs verstromt.

„Hackgut Möslinger“ ist ein Idealbeispiel für die effiziente Nutzung einer Holzvergasungsanlage. Aber auch für andere Unternehmen, wie z.B. Sägewerke ergeben sich laut Wolfgang Aichinger neue Möglichkeiten: „Holzreste, die im holzverarbeitenden Gewerbe anfielen und bisher nicht genutzt werden konnten, bekommen durch die Holzvergasungstechnologie als Brennstoff eine ganz neue Wertigkeit.“ Zusätzlich erreichen Holzvergasungsanlagen mit BHKW durch die Nutzung der Kraft-Wärme-Kopplung Spitzengesamtwirkungsgrade von über 90 %, worauf etwa 30 % auf Strom und 60 % auf Wärme entfallen.

Nachhaltiger Energieträger mit Zukunft

Neben dem hohen Wirkungsgrad überzeugen BHKWs, die mit Holzgas betrieben werden, durch ihre positive Ökobilanz. Die Energie wird vor Ort produziert, wo sie gebraucht wird. Darüber hinaus ist Holz ein natürlich nachwachsender Rohstoff, der nahezu überall zu finden ist. Lange Transportwege sind unnötig. Außerdem wurde das freigesetzte Kohlenstoffdioxid teilweise von den Bäumen, die dem zu vergasendem Holz zu Grunde liegen, aus der Luft entnommen. Aichinger sieht mittelfristig gute Perspektiven für die Technologie: „Wir erwarten aufgrund der relativ einfachen Technologie einen großen Markt für dezentrale Anlagen. Hier scheint Holzgas prädestiniert.“

Holzvergasungsprozess

Die Holzvergasung ist ein thermodynamischer Prozess, bei welchem die feste Biomasse Holz in einen gasförmigen Brennstoff umgewandelt wird. Der Rohstoff Holz wird zunächst bei 100-200°C getrocknet und die Makromoleküle bei 200-600°C pyrolytisch zersetzt, ehe die chemischen Prozesse der Oxidation bis 1200°C und Reduktion bei ca. 900°C von statten gehen. Dabei entstehen bei Temperaturen im Bereich von 150-500°C Kohlenwasserstoffverbindungen, Pyrolyse-Öle und Pyrolysekoks. Bei der Oxidation werden die Kohlenwasserstoffverbindungen durch die Reaktion mit Sauerstoff in kleinere Moleküle gespalten. Es entsteht Kohlenstoffmonoxid, Wasserstoff, Wasser, Kohlenstoffdioxid und Methan. Durch die anschließende Reduktion von Kohlenstoffdioxid und Wasser mit Kohlenstoff wird zusätzlich Kohlenstoffmonoxid und Wasserstoff erzeugt, was den Hauptteil der brennbaren Bestandteile des Produktgases bildet.

Drehzahl min–1 (Hz) 1500 (50)
Motorlänge mm 1300
Motorbreite mm 740
Motorhöhe mm 1030
Trockengewicht kg 605
Bohrung mm 108
Hub mm 125
Hubraum l 6,9
ISO-Standardleistung1 kW 110
Luftverhältnis λ 1,40
Wirkungsgrad2    
-mechanisch1 % 40,1
-thermisch % 49,3
-gesamt % 89,4
Verbrennung3   m
  1. nach DIN ISO 3046 Teil 1
  2. bei 100% Last
  3. m = mager, st = stöchiometrisch