Wässrige Extraktion von Biobrennstoffen
Bernhard Mötz, Jürgen Schlapschy, Klaus Jörg, Martin Weigl
Biomasselagerung
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Fragestellungen Beeinflusst längere Lagerung unter freiem Himmel die Brennstoffeigenschaften von Biomasse? • Veränderung des Heizwerts • Veränderung des Aschegehalts • Veränderung der korrosions- und emissionsbildenden Anteile
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Fragestellungen Welche Belastung bedeutet dies für das abfließende Regenwasser? • Anreicherung mit Schwermetallen • Ionengehalt
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Ansatz Simulierte bewitterte Lagerung von verschiedenen Biomassesorten durch Bewässerung mit Kalt- bzw. Heißwasser. -> Aufbringung einer, auf den Zeitraum bezogenen, hohen Wassermenge Lagerung unter gleichen Bedingungen mit natürlicher Bewässerung durch Regenniederschlag.
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Versuchsplanung Hackgut von vier verschiedenen Biomassesorten
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Buche (Fagus sylvatica)
Fichte (Picea abies)
Nadelholzrinde
Sida (Sida hermaphrodita)
Versuchsplanung Drei verschiedene Bewässerungsarten: • Kaltwasser (~20°C) • Heißwasser (~65°C) • Regenniederschlag
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Versuchsaufbau Materialien in doppelbödige Behälter gefüllt (h=60cm) • Buche, Fichte und Rinde in Fässer Füllvolumen = 0,25m3 • Sida in Kunststoffwanne Füllvolumen = 0,637 m3
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60cm
Versuchsaufbau
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Versuchsdurchführung Laufzeit: 29 Tage Bewässerung: 3x wöchentlich mit 6 L Wasser (Buche, Fichte, Rinde) bzw. 15 L Wasser (Sida)
Verhältnis Biomasse : Wasser jeweils ca. 42:1 Probennahme:
4 Probennahmen (Tag 1, 10, 20, 29) Feststoff: Mischprobe aus 3 Entnahmebereichen
Eluat: 11
Entnahme des durchlaufenden Wassers
Laboranalysen Biomasse:
Eluate:
• Wassergehalt
• Leitfähigkeit
• Heizwert
• pH Wert
• Elementaranalyse (C,H,N)
• Ionengehalte
• Aschegehalt • Flüchtige Komponenten • Gehalt an Chlor, Schwefel, Nitrat und Nitrit
• F-, Cl-, SO42-, PO43-, NO3-, -
NO2
• Na+, K+, Mg2+, Ca2+ • Schwermetalle • Cu, Zn, Ni, Cd, Pb, Cr
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Ergebnisse - Biomasse Zeitliche Veränderung des Heizwertes bei künstlicher Bewässerung - Rohfeuchte Wiederholgrenze laut DIN 51900: 0,12 MJ/kg MJ/kg 14,0 Fichte 12,0 Buche 10,0 Sida 8,0 Rinde 6,0
Kaltwasser
MJ/kg 14,0 12,0 10,0 8,0 6,0
4,0
4,0
2,0
2,0
0,0
0,0
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Fichte Buche Rinde Sida
Heißwasser
Ergebnisse – Biomasse Zeitliche Veränderung des Heizwertes bei künstlicher Bewässerung - Trockensubstanz Wiederholgrenze laut DIN 51900: 0,12 MJ/kg MJ/kg
MJ/kg 19,5
19,5 19
Kaltwasser
19
18,5
Fichte Rinde
18,5
18
Buche
18
17,5
Sida
17,5
17
17
16,5
16,5
16
16
14
Fichte Rinde Buche Sida
Heißwasser
Ergebnisse - Biomasse Zeitliche Veränderung des Aschegehalts bei künstlicher Bewässerung. Wiederholgrenze laut ÖNORM EN 14775: 0,2% absolut w-% 4,5 Rinde 4
1,5
4,5 4
Fichte
2,5
Sida
2
Buche
1,5
1
1
0,5
0,5
0
0
15
Rinde
3
3 2
Heißwasser
3,5
3,5 2,5
Kaltwasser
Fichte Sida Buche
Ergebnisse - Biomasse Zeitliche Veränderung des Chlor- / Schwefelgehalt bei Kaltwasserextraktion. Wiederholgrenze laut EN 15289: 0,001 w-% w-%
Chlorgehalt
w-% 0,06
0,02
0,05
0,016 Rinde
0,04
0,012 Fichte 0,008 0,004 0
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0,03 0,02
Sida Buche
0,01 0
Sida Rinde Fichte
Buche
Schwefelgehalt
Ergebnisse - Biomasse Zeitliche Veränderung des Chlor- / Schwefelgehalt bei Heißwasserextraktion. Wiederholgrenze laut EN 15289: 0,001 w-% w-%
w-% 0,06
0,02 0,016
Chlorgehalt
Rinde
0,05 0,04
Rinde Sida
0,012 0,03 0,008 0,004 0
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Fichte 0,02 Sida Buche
0,01 0
Buche Fichte
Schwefelgehalt
Ergebnisse - Biomasse Zeitliche Veränderung des Heizwertes/Aschegehalts bei natürlicher Bewässerung mittels Regenniederschlag. Wiederholgrenze laut DIN 51900: 0,12 MJ/kg absolut MJ/kg Heizwert 19,5 19
w-% 4,5
Fichte Rinde
18,5
4
18
3,5
2,5 2
Sida
16,5
18
Sida Fichte
1,5 1
17
Rinde
3 Buche
17,5
Wiederholgrenze laut ÖNORM EN 14775: 0,2 w-%
0,5 0
Buche
Aschegehalt
Ergebnisse - Biomasse Zeitliche Veränderung des Chlor- / Schwefelgehalt bei natürlicher Bewässerung mittels Regenniederschlag. Wiederholgrenze laut EN 15289: 0,001 w-% w-% 0,025
Chlorgehalt
w-% 0,06
Rinde 0,05
0,02
0,04
Rinde Sida
0,015 0,03 0,01
Fichte
Fichte
0,02 0,005
Buche
Sida 0,01 Buche
0
19
0
Schwefelgehalt
Ergebnisse - Biomasse Kohlenstoffgehalt – leichter Anstieg Stickstoffgehalt – leichter Anstieg, allerdings kein klarer Trend Wasserstoffgehalt – leichter Verlust
Flüchtige Bestandteile – keine Veränderung Nitrat/Nitrit – keine Veränderung
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Ergebnisse Eluate Bestimmungsgrenzen Bestimmungs -grenze
Grenzwert
Kupfer
0,01 mg/l
0,5 mg/l
Nickel
0,01 mg/l
0,5 mg/l
Blei
0,01 mg/l
0,5 mg/l
Zink
0,01 mg/l
2 mg/l
-
Cadmium
0,001 mg/l
0,1 mg/l
0,30 mg/l
-
Chrom
0,01 mg/l
0,5 mg/l
Kalium
0,18 mg/l
-
Magnesium
0,11 mg/l
-
Calcium
0,17 mg/l
-
Ion
Bestimmungs -grenze
Grenzwert
Fluorid
0,02 mg/l
20 mg/l
Chlorid
0,07 mg/l
-
Nitrit
0,12 mg/l
10 mg/l
Nitrat
0,10 mg/l
-
Sulfat
0,07 mg/l
200 mg/l
Phosphat
0,14 mg/l
Natrium
Schwer metall
Grenzwerte laut Allgemeiner Abwasseremissionsverordnung (BGBl. Nr. 186/1996) zur Einleitung in eine öffentliche Kanalisation. 21
Ergebnisse - Eluate Buche - künstliche Bewässerung • pH-Wert:
6,5 - 7,8
• Leitfähigkeit:
300 – 500 µS/cm 25°C
180
160
0,60 0,50
140 120
0,40
2,87 2,33
8,69 11,43
• 20
2,95 4,55
60
Chlorid
Sulfat
Phosphat
0,30 0,20 0,10
Kupfer
Nickel
0,02
Heißwasser
0,03
80
0,01
Kaltwasser
0,03 0,02
100
40
Schwermetalle
mg/l
143,58 168,30
Ionengehalte
mg/l
0,00
0 Kalium
Blei
Zink
Sämtliche Werte durch Abzug von Blindwertmessungen korrigiert. Nicht angezeigte Parameter lagen unter der Bestimmungsgrenze. 22
Ergebnisse - Eluate Fichte - künstliche Bewässerung 6,5 - 8
• Leitfähigkeit:
270 – 600 µS/cm 25°C
Ionengehalte
mg/l 180 160
143,45 160,54
• pH-Wert:
0,60 0,50
140
0,40
75,46 82,80
100 80
Kaltwasser Heißwasser
0,01 0,01
Nickel
0,05
Kupfer
0,08
0,01 0,02
0
0,10
0,01 0,03
5,69
20
0,20
0,33
18,80 20,05
60
0,30
0,20
120
40
Schwermetalle
mg/l
0,00 Chlorid
Sulfat
Phosphat
Kalium
Magnesium
Blei
Zink
Chrom
Sämtliche Werte durch Abzug von Blindwertmessungen korrigiert. Nicht angezeigte Parameter lagen unter der Bestimmungsgrenze. 23
Ergebnisse - Eluate Rinde – künstliche Bewässerung • pH-Wert:
5,8 – 6,5
• Leitfähigkeit:
250 – 500 µS/cm 25°C
Ionengehalte
0,40 Kaltwasser
100 45,78 55,47
80
3,62 2,41
20
0,30 0,20
14,23 18,87
60 40
Heißwasser
0,10
Kupfer
Nickel
0,09 0,06
120
0,01 0,02
140
0,50
0,11
160
0,46 0,49
121,26 138,92
180
Schwermetalle
mg/l 0,60
0,02
mg/l
0,00
0 Chlorid
Phosphat
Kalium
Magnesium
Blei
Zink
Sämtliche Werte durch Abzug von Blindwertmessungen korrigiert. Nicht angezeigte Parameter lagen unter der Bestimmungsgrenze. 24
Ergebnisse - Eluate Sida - künstliche Bewässerung • pH-Wert:
7,8 – 8,7
• Leitfähigkeit:
500 – 900 µS/cm 25°C 168,37 159,48
Ionengehalte mg/l
0,50 0,40
0,10
0,01
0,20 0,02
5,30 0,00
11,94 17,25
0,90 1,01
3,64 0,91
Heißwasser
0,30
0,02
Kaltwasser
3,25 2,77
180 160 140 120 100 80 60 40 20 0
Schwermetalle
mg/l 0,60
0,00 Kupfer
Blei
Sämtliche Werte durch Abzug von Blindwertmessungen korrigiert. Nicht angezeigte Parameter lagen unter der Bestimmungsgrenze. 25
Ergebnisse Zusammenfassung Biomasse Größtenteils keine signifikanten Änderungen der Brennstoffeigenschaften unter den gewählten Lagerbedingungen. Ausnahmen: • Verringerung des Chlorgehalts von Rinde bei Bewässerung mit Heißwasser und Regenniederschlag.
• Geringfügige aber kontinuierliche Senkung des Aschegehalts von Rinde bei allen Bewässerungsarten. 26
Ergebnisse Zusammenfassung Eluate Keine übermäßigen Belastungen der Abwässer mit Schwermetallen. Allerdings durchgehend hoher Kaliumgehalt, sowie ein höherer Phosphatgehalt bei Fichte und Rinde. Für beide Parameter besteht kein Grenzwert laut Allgemeiner Abwasserverordnung.
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Bernhard Mötz
[email protected] Tel. +43/1/798 16 01-0 www.bioup.at
