Brennstoffanalyse für optimierte Holzheizkraftwerke

Um wirtschaftlich zu arbeiten und die Freisetzung von Schadstoffen so gering wie möglich zu halten, muss die Qualität von biogenen Brennstoffen optimal auf die Heizkraftwerkstechnik angepasst werden. Ein Team unter der Leitung von Professor Harald Thorwarth von der Hochschule Rottenburg und Professor Andreas Kappler von der Universität Tübingen hat ein Verfahren für den schnellen Einsatz zur Bestimmung der Brennstoffwerte geprüft. Demnach bietet die Röntgenfluoreszenzanalyse eine vielversprechende Möglichkeit, die chemische Zusammensetzung fester Biobrennstoffe vor Ort zu bestimmen.

Ihre Studie ist in der Fachzeitschrift Energy & Fuels erschienen. Die Effizienz und Umweltverträglichkeit von Holzheizkraftwerken hängen entscheidend von der Qualität der eingesetzten Brennstoffe ab. Diese wird vom Wasser-, Asche- und Energiegehalt und maßgeblich von der chemischen Zusammensetzung des Materials beeinflusst. Bisher übliche Analysemethoden sind ICP-OES (Optische Emissionsspektrometrie mit in-duktiv gekoppeltem Plasma) und ICP-MS (Massenspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma).

Billigere und einfachere Analyse der Brennstoffe

„Diese Methoden sind zeit- und kostenintensiv, sie können nur von spezialisierten Fachkräften durchgeführt werden“, erklärte Harald Thorwarth. „Für eine schnelle und kosteneffiziente Vor-Ort-Analyse sind sie ungeeignet.“ Die Röntgenfluoreszenzanalyse sei bisher auf biogene Festbrennstoffe, vor allem in speziellen Anwendungsfällen untersucht worden. „In den Bereichen Geologie, Kohleanalyse und sonstige Analytik wird sie schon lange außerhalb des Labors für schnelle Messungen im Feld genutzt.“ Die Forschung zeige, dass sie auch für den Routinebetrieb in Holzheizkraftwerken eingesetzt werden kann.

Bei der Röntgenfluoreszenzanalyse wird die Materialprobe durch Röntgenstrahlung angeregt, die für eine Umverteilung der Elektronen sorgt. Diese können auf ein niedrigeres Energieniveau fallen, wodurch Energie in Form von Fluoreszenzstrahlung abgegeben wird. Sie entspricht der spezifischen Verteilung bestimmter chemischer Elemente in der Materialprobe. Vorteil der Analysemethode sei, dass die Probe nicht zerstört wird und nicht aufwändig aufbereitet werden muss.

„In unserer Studie an biogenen Festbrennstoffen zeigte sich, dass die Röntgenfluoreszenzanalyse für die Elemente Magnesium, Phosphor, Kalium, Calcium, Silizium, Aluminium, Chrom, Mangan, Eisen, Zink und Blei problemlos eingesetzt werden kann.“ Für die Elemente Schwefel, Chlor, Titan und Nickel seien hingegen spezifische Kalibrierungen erforderlich, berichtete Felix Endriss von der Hochschule für Forstwirtschaft Rottenburg, der Erstautor der Studie.

Unterschiedliches Probenmaterial untersucht

Für die schnelle und präzise Bestimmung chemischer Elemente in Holzbrennstoffen durch einen Röntgenfluoreszenzanalysator wurde dieser in der neuen Studie anhand von verschiedenen Brennstoffproben kalibriert und die Ergebnisse mit denen der Referenzmethode ICP-OES verglichen. „Die Proben reichten von normalem Holz über Grünschnitt und Landschaftspflegematerial mit teilweise hohen mineralischen Verunreinigungen wie zum Beispiel Sand, Kieseln oder Erdreich bis hin zu Altholz, das alle möglichen Verunreinigungen wie Anstriche, Glas oder Metalle enthielt“, sagte Endriss.

Mit dem Wissen über die Verteilung der chemischen Elemente in einer Probe können die Reaktionen in der Heizkraftanlage sowie die Menge der Schadstoffemissionen abgeschätzt werden. „Sind die angelieferten Brennstoffe zum Beispiel stark verunreinigt, können sie abgelehnt oder gezielt sortiert werden. Dadurch kann man eine gleichbleibende Brennstoffqualität erhalten und die Verbrennungsprozesse optimieren“, sagte Thorwarth. Das schone die Umwelt, wie auch die Anlagenteile.

„Kupfer, Arsen und Cadmium lagen in unseren Proben oft unterhalb der Nachweisgrenze. Aber auch hier sehen wir ein großes Potenzial für die Überwachung der Grenzwerte, etwa bei Altholz“, sagt Andreas Kappler. Dadurch könne Altholz besser klassifiziert und der Eintrag von schadstoffbelastetem Holz in die Kreislaufwirtschaft verhindert werden − ebenso wie die energetische Verwertung von schadstofffreiem, noch gut für andere Zwecke nutzbarem Holz.

Die Studie zur Brennstoffanalyse ist in der Fachzeitschrift Energy & Fuels in englischer Sprache erschienen.