biomassmax:
Energieffiziente Entwässerung von Treibsel
aus dem Meer

Energieforschung ganz praktisch

Jeder und jede kennt das Problem: Treibsel am Ostseestrand vermag das sommerliche Badevergnügen empfindlich zu trüben. Am besten also weg damit. Damit das auf vernünftige Weise geschehen kann, macht es Sinn, das lästige Treibgut zunächst zu entwässern. Wie das möglichst energiesparend geht, das wurde von 2018 bis 2020 innerhalb des Projekts "biomassmax" erforscht. Mit Ergebnissen, die weit über den Erwartungen liegen: Treibsel und andere Biomasse kann dank eines neuartigen Verfahrens mit einem Bruchteil der sonst nötigen Energie entwässert und entsorgt werden.

Prof. Dr.-Ing. Jan Henrik Weychardt

Jan Henrik Weychardt, an der FH Kiel Professor für Konstruktion am Fachbereich Maschinenwesen, hat sich dieses Thema durch alltägliche Wahrnehmung erschlossen. Denn es ist tatsächlich nicht zu übersehen; immer wieder landen an den Stränden teils enorme Mengen an Treibsel, einem natürlichen, aber früher oder später unangenehm riechenden Gemisch aus Algen und Seegras. An der schleswig-holsteinischen Ostseeküste fallen im Jahr ungefähr 200.000 Tonnen davon an. Auf knapp 400 Kilometern Strand im Land werden mithin jährlich 252.000 Kubikmeter Treibsel angespült. Im Extremfall kann das fast schon unheimliche Dimensionen annehmen, wie vor ein paar Jahren im Ostseebad Schönberg, dessen Strände an einem einzigen Tag von 800 Tonnen Treibsel überschüttet wurden. Solche Zahlen verdeutlichen, dass die lästige Meeresfracht nicht mal eben abtransportiert werden kann. „Um das Gewicht auf einigermaßen handhabbare Ausmaße zu drücken, kann das Material entwässert werden“, erläutert Prof. Weychardt.

biomassmax-Versuchsstand mit dosierter Beschickung

Entwässerungen verschiedenster Biomassen werden bisher fast ausschließlich von Schneckenpressen, die auch problemlos funktionieren, erledigt. Im Innern der Maschine dreht sich eine Metallschnecke, die konstruktionsbedingt das Füllgut immer wieder neu durchmischt, so dass sehr viel Walk-Arbeit anfällt. Und genau dieser Vorgang bewirkt am Ende einen recht hohen Energieverbrauch.

Innerhalb des Projekts "biomassmax" wurde nun der Frage nachgegangen, ob es möglicherweise eine sparsamere Alternative gibt. „Entwässerung von biomasse mit maximaler Energieeffizienz“, lautetet dabei das oberste Prinzip. Eine Walzenpresse, so wurde es an Prof. Weychardt herangetragen, könnte womöglich gut dafür geeignet sein, weil sie nach einem ganz anderen Prinzip arbeitet. Vereinfacht ausgedrückt drehen sich dabei eine große und eine kleine Walze sehr dicht aneinanderliegend, eine davon wird angetrieben und zieht die eingeführte Biomasse in den kleinen kleinen Spalt zwischen den beiden Walzen und treibt die andere damit an. Der Druck zwischen den beiden Walzen beträgt etwa 20 bar, so dass derart starke Kräfte wirken wie in 200 Meter tiefem Wasser.

Dass unter diesen Umständen sehr effektiv Feuchtigkeit aus der Biomasse gedrückt werden kann, liegt nahe. Nicht so klar war allerdings zunächst, wie es mit dem Energieverbrauch aussieht und an welchen Stellschrauben gedreht werden kann, um ihn möglicherweise zu optimieren. Untersucht wurde das im Fachbereich Agrarwirtschaft der FH Kiel in Osterrönfeld mit einer eigens konstruierten Walzenpresse. Gefüttert wurde die Maschine dabei nicht nur mit Treibsel, sondern auch mit verschiedenen Arten von Grassilage sowie Landschaftspflegegut, dessen Beschaffenheit von frisch über sehr langhalmig bis zu verholzt reichte.

Heraus kam zunächst einmal, dass die Walzenpresse recht universell einsetzbar ist, wenngleich sie mit bestimmten Substanzen besser zurecht kommt als mit anderen. Kurzfaseriges Material kann zum Beispiel die Walzen blockieren. Dagegen spielt es kaum eine Rolle, ob mit kurz- oder langhalmiger Biomasse gearbeitet wird, denn die Ergebnisse sind ähnlich positiv. Als „sehr gut" bewertet Prof. Weychardt sogar den Erfolg beim Treibsel.

Bei seinen Versuchen hatte der Professor stark die Praxis im Blick. Der Erfolg der Pressarbeit wurde zum Beispiel mit einer schlichten Kofferwaage kontrolliert. Bezogen auf die Differenz zwischen der ursprünglichen und der verbleibenden Masse kamen dabei je nach Ausgangsmaterial Entwässerungsgrade von um die 50 Prozent heraus. Was bedeutet, dass im Fall von Treibsel nur noch etwa die Hälfte des ursprünglichen Gewichts abtransportiert werden müsste. Zugrunde gelegt werden könnte in einem anderen Verfahren auch die Trockensubstanz oder genauer der Anteil, der vom tatsächlichen Flüssigkeitsgehalt ausgepresst wurde. Es stellte sich allerdings heraus, dass die Berechnung deutlich aufwendiger ist, ohne dass wirklich aussagekräftigere Ergebnisse herauskommen.

biomassmax-Messungen: Interessante gegenläufige Tendenzen der Kennwerte Massenentwässerungsgrad nm und bmm: Zwar sind hohe Fördergeschwindigkeiten ungünstig für die reine Massenbilanz, in der Gesamtheit betrachtet sind diese doch günstig.

Allein die Erkenntnis, dass die Walzenpresse tatsächlich eine Alternative zur Schneckenpresse sein kann, ist indes nicht das Entscheidende an diesem Projekt. Letztlich kam es darauf an, unter welchen Umständen diese Maschine das beste Ergebnis beim günstigsten Energieverbrauch liefert. Prof. Weychardt entwickelte dazu eigens einen biomassmax-Index – eine Formel, die sowohl die Einstellung der Presse berücksichtigt also auch die gewünschte praktische Anwendung. Der Index sagt aus, wieviel Energie notwendig ist, um ein Gramm Material zu pressen, wobei die Versuche in Osterrönfeld tatsächlich zeigten, dass eine ganze Reihe von Faktoren mit hineinspielen. Geringe Spaltbreiten verbunden mit einem geringen Druck in der Walzenpresse ergeben beispielsweise einen günstigen biomassmax-Index. Auch zeigte sich, dass eine hohe Fördergeschwindigkeit der Presse unterm Strich weniger Energieverbrauch erfordert: Es wird zwar zunächst recht viel Kraft abgerufen, das aber nur für kurze Zeit.

Analysiert wurde zudem der Einfluss weiterer Faktoren wie Druck und Leistung. Der Charme dieses Indexes liegt darüber hinaus darin, dass verschiedene Anwendungsfälle berücksichtigt werden können. So gibt es einen Parameter für Pressvorgänge, nach denen Festbrennstoffe (also Briketts) hergestellt sollen. Ein anderer Kennwert wird eingesetzt, wenn es wie beim Treibsel nur darum geht, Gewicht für den Transport zu reduzieren.

Herausragend ist letztlich das Ergebnis, wonach die Walzenpresse gegenüber der Schneckenpresse einen um mehr als 95 Prozent geringeren Energieverbrauch aufweist. Außerdem sind solche Pressen sehr einfach zu bauen und entsprechend günstig herzustellen. Das Ende der Fahnenstange sieht Prof. Weychardt in Sachen Energieeffizienz aber noch nicht erreicht. Durch weitere Optimierungen, so seine Hoffnung, könnte sich der Verbrauch noch einmal um 50 Prozent drücken lassen.

Ungeachtet dessen sieht der Experte schon jetzt die Zeit für einen Umstieg auf die sparsame Alternative gekommen. Und das nicht nur am Ostseestrand, sondern global. Allein die riesigen Braunalgenbänke an den Stränden der Karibik könnten nach seiner Überzeugung ein Anwendungsgebiet von nahezu unermesslichen Dimensionen bedeuten.

Herausgeberin: Gesellschaft für Energie und Klimaschutz Schleswig-Holstein, Mai 2021 (Text: Martin Geist)