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Eine kontrollierte Kaltluftventilation trocknet nicht nur die in Haufen lagernden Hackschnitzel in vier Wochen auf Feuchtegehalte von unter 15 Prozent, auch die üblichen Trockenmasseverluste von bis zu 20 Prozent lassen sich damit halbieren. Das Verfahren ist energieeffizient: Der thermische Energiegewinn durch die schnelle Trocknung macht mehr als das sechsfache der für den Gebläsebetrieb benötigten elektrischen Energie aus, so das Ergebnis einer Studie von Wissenschaftlern des Leibniz-Instituts für Agrartechnik und Bioökonomie, die kürzlich im Fachblatt Biomass and Bioenergy veröffentlicht wurde.
Der Anbau von schnellwachsenden Gehölzen wie Pappeln, Weiden und Robinien auf landwirtschaftlichen Flächen in Kurzumtriebsplantagen oder Agroforstsystemen bietet Landwirten und Umwelt gleichermaßen viele Vorteile. Einmal etabliert, können die Bäume in mehrjährigen Intervallen beerntet werden, im sogenannten Kurzumtrieb alle 3 bis 7 Jahre. Bei der Ernte im Winter weisen die Hackschnitzel Feuchtegehalte zwischen 40 und 60 Prozent auf. Bis zur Nutzung in der darauffolgenden Heizsaison trocknen und lagern die Hackschnitzel üblicherweise in großen Halden im Freien – ein auf den ersten Blick kosteneffizientes Verfahren. Bei der Lagerung während der Trocknung kann es allerdings zu erheblichen Verlusten kommen. Durch mikrobiologisch-chemische Prozesse steigen in den ersten Wochen die Temperaturen in den Hackschnitzelhaufen auf 50 bis 70°C an. Es kommt zum verstärkten Abbau organischer Substanz. Bei einer Lagerdauer von 6 Monaten können dadurch Trockenmasseverluste von bis zu 30 Prozent auftreten, abhängig von Holzart, Partikelgröße, Lagerkonstruktion und Witterungsbedingungen. Verschiedene Ansätze, diese Verluste zu verringern, wie die Ernte und Trocknung ganzer Stämme oder eine technische Trocknung, brachten bislang keine zufriedenstellenden Ergebnisse.
Vor diesem Hintergrund haben Wissenschaftler des ATB in Zusammenarbeit mit der TU Dresden und dem Industriepartner Kluge GmbH ein neues System zur aktiven Belüftung von Pappelholzhackschnitzeln mit Umgebungsluft entwickelt und getestet. Die Kaltluftventilation wird in der Landwirtschaft bereits eingesetzt, beispielsweise zur Trocknung von Getreide oder Heu im Sommer. Eine der Herausforderung bei der Trocknung erntefrischer Pappelhackschnitzel besteht darin, unter Bedingungen des Frühjahrs zu trocknen, wenn die Fähigkeit der Umgebungsluft zur Aufnahme von Feuchtigkeit deutlich geringer ist als im Sommer.
Getestet wurde das neu entwickelte System aus Lüftungskanälen zur sensorgesteuerten Belüftung und Trocknung an zwei Haufen von Pappelhackschnitzeln mit einem Volumen von jeweils 90 Kubikmetern. Die Belüftung erfolgte in zwei Phasen: im Anschluss an die Ernte im März wurde Kaltluft zur Kühlung eingeblasen, unter den günstigeren Wetterbedingungen im April diente die Luft zur Trocknung. Der für die Hackschnitzellagerung typische hohe Temperaturanstieg unmittelbar nach der Einlagerung konnte durch das Einblasen kalter Umgebungsluft über nur 41 Stunden auf eine durchschnittliche Temperatur von 6,3 °C begrenzt werden. Mit weiteren 196 Stunden Gebläselaufzeit in Phase konnte der Feuchtegehalt im Stapel von 51,5 auf 11,9 Prozent gesenkt werden. Der Energieaufwand für Kühlung und Trocknung betrug insgesamt 456 MJ pro Tonne Trockenmasse. Bei einem Gesamtbedarf an elektrischer Energie von 5.332 MJ pro Haufen wurde gegenüber den energetischen Verlusten an Brennwert ein mehr als sechsfacher thermischer Energievorteil von 35.233 MJ erreicht.
„Um möglichst effizient zu kühlen sollte die Kühlung des Stapels vorzugsweise bei Umgebungstemperaturen unter 0°C erfolgen. Dadurch lässt sich auch das Pilzwachstum nahezu vollständig verhindern“, ergänzt ATB-Wissenschaftler Dr. Carsten Lühr. „Aus unserer Sicht ist es wichtig, die Trocknung möglichst zügig bei möglichst langen täglichen Trocknungsintervallen durchzuführen. In unserem Versuch haben wir eine Restfeuchte von 12 Prozent erreicht. Für die Verbrennung in Heizkesseln ist das nicht notwendig. Wir hätten die Trocknung früher beenden und damit Energie sparen können.“ Um künftig die Trocknung passgenau beenden zu können, werden die Wissenschaftler das System dahingehend weiterentwickeln, dass eine Steuerung des Gebläses auf Grundlage des aktuellen Trocknungsfortschritts möglich wird.
Der Einsatz mobiler, für vielseitige Trocknungszwecke wiederverwendbarer Lüftungskanäle könnte eine kostengünstige Alternative zum untersuchten stationären Belüftungssystem sein.
Hintergrund: Für Landwirte bietet die Kultivierung schnellwachsender Gehölze wie Pappel, Weide und Robinie zahlreiche Vorteile, u.a. eine Erweiterung der Fruchtfolge, die Verlagerung von Arbeitsspitzen in die Wintersaison und zusätzliches Einkommen. Die Dauerkulturen verringern zudem die Bodenerosion, erhöhen den Humusgehalt im Oberboden, binden CO2 im Wurzelbereich und sie überstehen Trockenheit besser als andere Feldfrüchte. In Deutschland werden aktuell nur auf ca. 6.600 ha Kurzumtriebsgehölze angebaut. Die Gründe hierfür sind vielfältig: fehlende ökonomische Anreize wegen des aktuell niedrigen Preisniveaus für Forstholz und fossile Brennstoffe, die noch unzureichende Verfügbarkeit leistungsfähiger Maschinen insbesondere für die Ernte, sowie die bislang nach der Ernte zu verzeichnenden Qualitäts- und Trockensubstanzverluste.
Das Leibniz-Institut für Agrartechnik und Bioökonomie e.V. (ATB) forscht seit Langem intensiv zu Anbau, Ernte, Lagerung und Nutzung von Kurzumtriebsgehölzen. Der bereits 1994 in Potsdam-Bornim angelegte Dauerversuch mit Pappeln und Weiden, einer der deutschlandweit langjährigsten Versuchsstandorte für Kurzumtriebsgehölze, liefert bis heute umfänglich Daten u.a. für Untersuchungen zur Emission bodenbürtiger Treibhausgase und bietet Grundlage für die Entwicklung von Technik und Verfahren. 2019 hat das ATB seine profunde Expertise in eigener Sache umgesetzt: Für die Wärmeversorgung des Institutscampus liefern heute Pappeln 50 Prozent der Energie - angebaut auf 36 Hektar und geerntet mit einem am ATB entwickelten Anbau-Mähhacker.
Das 2019 abgeschlossene Projekt „Energieeffiziente BelüftungsTrocknung für die Produktion von QualitätsholzhackSchnitzeln - BeTros“ wurde gefördert im Zentralen Innovationsprogramm Mittelstand (ZIM) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi) über den Projektträger Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen "Otto von Guericke" e.V. (AiF).
Originalpublikation:
Lühr, Carsten; Pecenka, Ralf; Lenz, Hannes; Hoffmann, Thomas (2021): Cold air ventilation for cooling and drying of poplar wood chips from short rotation coppice in outdoor storage piles in Germany. Biomass and Bioenergy 146 (March 2021): 105976. https://doi.org/10.1016/j.biombioe.2021.105976
Video zum Heizen mit Holz von Kurzumtriebsplantagen: https://youtu.be/Xxf-Ff6F5kI
Kontakt:
Dr.-Ing. Carsten Lühr - Abteilung Technik der Aufbereitung, Lagerung und Konservierung
Tel.: 0331 5699-322, E-Mail:
Dr.-Ing. Ralf Pecenka - Arbeitsgruppenleiter Verfahrenstechnik für Energiepflanzen
Tel.: 0331 5699-312, E-Mail: rpecenka@atb-potsdam.de
Helene Foltan
Presse- und Öffentlichkeitsarbeit
Tel.: 0331 5699-820, E-Mail: presse@atb-potsdam.de
Leibniz-Institut für Agrartechnik und Bioökonomie e.V. (ATB)
Max-Eyth-Allee 100, 14469 Potsdam