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Vergasung 

Einleitung

Gebrauch von Biomasse für Energie-erzeugung ist schone viele Jahre aktuell. Unzählbare Vergärungs- und Vergasungsprojekte sind vor kurzem gestartet worden. Es betrifft jedoch fast immer stationäre Anlagen. Für mobile Anwendungen ist die Welt bereits mit alternativen Kraftstoffen wie Bio-äthanol und Bio-öl verwöhnt worden. Verwöhnt, weil es hier Flüßigbrennstoffe betrifft.

Kein Kraftstoff ist so einfach zu speichern und enthält soviel Energie wie Flüßigbrennstoff. Diese physische Situation, die bis jetzt geräumige und preiswerte Verfügbarkeit der fossilen Kraftstoffe und der Diktatur des Big-oils, verschwörend mit den Autoherstellern, haben zu einer enormen Mobilität und ökonomischen Entwicklung geführt. Eine Zunahme, die jetzt bedroht wird und -wenn wir nicht aufpassen-  sich gegen uns wenden kann.

Nach diesem kurzen, zynischen und philosophischen Seitensprung (ich werde Sie noch häufiger damit belästigen), zurück zur trockenen Substanz.

Biogas, produziert in einer zentralen Vergärungsanlage, macht in komprimierter Form die ersten vorsichtigen Schritte in mobilen Anwendungen. Vergärung ist ein relativ langsamer Prozeß. Außerdem läßt der Prozeß sich weder aktiv und noch schnell regulieren. Aus diesem Grund ist es nicht mobil machbar. Vergasung ist jedoch mobil auszuführen; der Verbrennungsmotor reguliert selbst die Gasmenge und die Installation ist, wenigstens im Vergleich zu einer Vergärungsanlage, verhältnismäßig kompakt.

Leider ist, im Vergleich zu dem modernen Auto, fahren auf Holzgas nicht sehr benutzerfreundlich. Das Anfachen verlangt einige Zeit. Das Fahren erfordert die notwendige Antizipation, weil die Motorkraft auf Holzgas beträchtlich niedriger ist und die Gasqualität nicht konstant ist.

Außerdem soll sehr regelmäßig aufgetankt werden. An den Kraftstoff sind Anforderungen zu stellen; nicht jedes Format Holz ist zu vergasen. Kurz nach dem zweiten Weltkrieg sind die damaligen Vergaser in sehr kurzer Zeit verschwunden, besonders wegen dieser Fehler.

In der gegenwärtigen Zeit schreibt die Holzvergasung für mobile Zwecke keine großen Zahlen. Nicht nur weil es zu wenig Holz gibt für eine drastische Hochskalierung. Nein, moderne Leute möchten keinen Schritt zurück machen in Luxus und Komfort. Der Aspekt des preiswerten Holzgases spricht ihn an, aber zehn Minuten früher aufstehen zu müssen um aufzutanken, Asche zu entfernen und den Generator anzufachen, ist zuviel verlangt. Eher zahlt der Kraftfahrer beträchtlich mehr für fossilen Kraftstoff, als Status zufzugeben.

Status, erzeugt von der Massenbombardierung der Medien. Es lähmt das Denkvermögen der Einzelperson. Nur dann, wenn diese Einzelperson sich lösen kann vom Status und nicht weiter an der Leine laufen möchte, kann er seine Augen öffnen für Alternativen. Und ist zu etwas ähnlichem wie Vergasung bereit. Eigentlich sind Holzgaser Einzelgänger und kleine Anarchisten. Wie Künstler, gleichzeitig bewundert und diskreditiert.

Sie werden jetzt verstehen, warum ich ein solches Projekt angefangen habe. Für mich persönlich kam da noch einiges zusammen: Idealismus, Interesse, Schulung und Fähigkeiten. Was mich und Schicksal-genossen anspricht, ist die Tatsache, daß ein rauher, sehr zugänglicher Kraftstoff direkt benutzt werden kann, ohne eine umfangreiche Raffinierung. Träumen Sie von einer Reise um die Welt mit nur einer Säge und einer Axt, um den Kraftstoff aufzubereiten.....

Dieses ist außerdem ein nicht unbedeutender Aspekt von Holz als Krafstoff: Selbstversorgung. Die Zugänglichkeit macht einen unabhängig von monopolistischen Lieferanten.

Die Abbildungen der modernen Finnischen Installationen aus rostfreiem Stahl, professionell errichtet von Amateuren, überzeugten mich davon, einen sauberen Vergaser zu bauen. Außerdem sind diese Holzvergaser leistungsfähiger und Gebraucher-freundlicher als die Installationen vom zweiten Weltkrieg und verdauen grob Gehäckseltes und relativ naßes Holz.

Trotz der Tatsache, daß die meisten Holzgaser Einzelgänger sind, ist es nicht möglich alles selber zu fabrizieren. Andere Leute zu bewegen, das Projekt mit ihrer Hilfe erfolgreich durchzuführen ohne eine finanzielle Katastrophe herbeizuführen, war überraschend einfach. Autofahren auf Holz spricht viele Leute an; wenn die Augen funkeln, ist klar, daß wieder eine Seele gewonnen ist…

Mobile Holzvergasung wird die Welt jedoch nicht retten vor dem Untergang. Dafür ist die Anlage zu kompliziert, zu umfangreich und damit zu kostspielig. Das Fahren verlangt Wissen und Fähigkeit des Treibers. Außerdem gibt es in den meisten Ländern zu wenig Holz, um eine nationale Autoflotte langfristig mit Kraftstoff zu versehen.

Es war, ist und bleibt eine Methode für Krisenzeiten und für Idealisten.



Was ist Vergasung?


Vergasung ist ein chemischer Prozeß, in dem mit Hilfe von Hitze die festen Bestandteile in brennbares Gas umgewandelt werden. Das Gas kann mittels Sekundärluft direkt verbrennen, wie in Heizungsanwendungen. Das Gas kann auch über ein Trajekt von Reiniging und Trocknung einen Verbrennungsmotor betreiben.

Wir unterscheiden vier Prozesse während der Vergasung:
1. Trocknung. Durch aufsteigende Hitze verdunstet das, im Holz anwesenden Wasser. Dieses ist gut, weil ein Überschuß an Wasser die Oxidationstemperatur verringert und damit kein sauberes Gas geliefert wird. 
2. Pyrolise. Über 270 Grad Celsius fällt die Holzstruktur auseinander. Lange Moleküle spalten sich in kürzere. Holzkohle und teerige Gase entstehen.
3. Oxidation. Unter einer abgemessenen Menge Sauerstoff oxidiert (brennt) ein Teil vom anwesenden Kohlenstaub zu Kohlendioxyd und Wasserstoff zu Wasser. Während dieser Prozesse kommt viel Wärme frei. Diese Hitze ist notwendig für:
4. Reduktion. Im Reduktionsbereich finden die wichtigsten Umwandlungen statt. Die meisten Prozesse verbrauchen jedoch Energie. Diese Energie wurde gerade in der Oxidationszone angefertigt; es wird eine Temperatur von 1400 Grad Celsius erreicht. Kohlenstaub reagiert mit Kohlendioxyd zum Kohlenmonoxyd. Kohlenstaub reagiert auch mit Wasser zum Kohlenmonoxyd und zu Wasserstofgas. Diese sind die wichtigsten Reaktionen. Zusätzlich reagiert Kohlenstaub mit Wasserstoffgas zu Methan und Kohlenmonoxyd mit Wasserstofgas zu Methan und Wasser.

Oxidation, produziert Energie:

C + O2 <=> CO2

H2 + 0,5 O2 <=> H2O

Reduktion, nimmt Energie:

C + CO2 <=> 2CO

C + H2O <=> CO + H2

CO2 + H2 <=> CO + H2O

C + 2H2 <=> CH4

CO + 3H2 <=> CH4 + H2O

Holzgas ist zusammengesetzt aus etwa:
20%  Kohlenmonoxyd CO
18% Wasserstofgas H2
4% Methan CH4
8% Kohlendioxyd CO2
50% Stickstoff N2

Kohlendioxyd und Stickstoff tragen nicht bei zur Verbrennung des Gases. Der Stickstoff ist als überflüssiger Bestandteil in der Primärluft und während der Oxidation mitgeführt worden. Große stationäre Anlagen verwenden teils überhitzten Wasserdampf im Prozeß. Dies bringt außerdem extra Wasserstoffgas ein, während unbrauchbarer Stickstoff das Gas nicht verdünnt. Für mobile Installationen ist Wasserdampf keine realistische Wahl, weil der Aufbau kompliziert und damit schwer ist.


Holzgas und Verbrennungsmotoren


Holzgas ist ein niedrigkalorisches Gas. Folglich mit wenig Energie. Der Stickstoff trägt nicht zur Verbrennung bei, während Kohlenmonoxyd ein langsam brennendes Gas ist. Für Verbrennungsmotoren hat das mehrere Nachteile. Durch den hohen Anteil von Stickstoff erhält der Motor einen verdünnten Kraftstoff. Die Tatsachen, daß der Kraftstoff bereits vor dem Einlasskrümmer in Gasform anwesend ist und daß das Motorvakuum für die Generierung des Gases benötigt wird, verringern den Füllungsgrad. Jeder Holzgasmotor ist einen Asthmapatient mit Lungenkrebs.
Dieses kostet ungefähr 40% Leistung. Außerdem sind hohe Drehzahlen nicht möglich, weil das Gas nur langsam brennt. Eine frühere Zündung ist notwendig für eine komplette Verbrennung. Bei hohen Drehzahlen ist die Verbrennung noch nicht vollendet, während die Auspuffventile wieder öffnen. Die maximal wirkungsvolle Drehzahl für verhältnismäßig kleine Automotoren ist 3000 U/min, obwohl bei geringerer Leistung die Drehzahl erheblich höher sein kann.

Die Literatur spricht fast immer über 40%  weniger Leistung. Dieses würde bedeuten, daß ein Motor, der 100 PS auf Benzin zur Verfügung stellt, auf Holzgas noch 60 hat. Das ist nicht korrekt. Der Motor leistet 60% bei 3000 U/min und hat damit wahrscheinlich nur noch etwa 40 PS übrig!

Eine frühere Zündung bei moderen Motoren mit beträchtlichem Motormanagement ist für den Laien nicht einfach zu verwirklichen. Außerdem kann das Management konfus werden und in  Notlauf gehen. Oder ganz damit aufhören. Nicht nur in der Gesellschaft machen die Manager mehr kaputt als gut…

Die Präferenz geht folglich zu großen und langsam drehenden Motoren mit einer altmodischen Zündung, doch elektronisch. 


Vor- und Nachteile der unterschiedlichen Arten der Gasgeneratoren

Wir unterscheiden vier Arten der Vergasung:

1. Die Festbettvergasung; einfacher Vergaser für kleine Anwendungen wie Campingbrenner. Einige Verbrennungsöfen arbeiten noch entsprechend dieses Prinzips.
2. Der Wirbelbettvergaser; im Allgemeinen sehr große Installationen. Meistens Elektrizitätswerke.
3. Updraft und crossdraft Vergaser; normalerweise für Holzkohle oder Kohle zu vergasen. Nicht geeignet für Verbrennungsmotoren wegen der hohen Teerproduktion. Häufig verwendet als Zentralheizkessel oder für Elektrizitätsproduktion.
4. Downdraft Vergaser. Hervorragend geeignet für Verbrennungsmotoren, weil sie kompakt sind und wenig Teer produzieren. Der Teer muss durch den heißen Oxidations- und Reduktionsbereich  und wird da in nützliches Gas umgewandelt. Teer ist im Holzgas nicht erwünscht, weil es Filter, Rohrleitungen und den Motor verschmutzt. Da es sich lästig entfernen läßt und Beschädigungen verursacht, hat die Verhinderung der Teerbildung den Vorzug.

Global gibt es zwei Arten von Downdraft Vergasern. Der alte Imbert, wie benutzt im zweiten Weltkrieg. Und der Stratified Downdraft, eine Entwicklung aus den Achtziger Jahren. Der Stratified ist vom Aufbau her sehr einfach. Nimmt es nicht so genau mit Holzsorte und –maß. Man würde also geneigt sein das Stratified Prinzip zu wählen. Jedoch haftet ein wichtiger Nachteil an diesem Vergaser. Es gibt keine Düsen für Versorgung mit Primärluft. Durch das Fehlen von Düsen ist die Position von Oxidations- und Reduktionszone nicht fixiert, wie beim Imbert. Zu trockener Kraftstoff kann zu Verbrennung des Bunkervorrates führen. Zu nasser Kraftstoff verlangsamt den Prozeß, mit als Folge, daß die Reduktion aufhört zu existieren und die Produktion des Gases stoppt. Mit Wassereinspritzung ist der Prozeß etwas zu regulieren. Die Teerproduktion ist hoch, es sei denn, daß Holzkohle als Kraftstoff benutzt wird. Aber der Stratified ist sehr einfach zu fabrizieren.  Der FEMA hat auf dem Internet Pläne stehen, wie von Ölfässern, von Mühleimern und einfachem Werkzeug ein Vergaser zu bauen ist. Dennoch verabschieden ernsthafte Holzgaser sich vom Stratified und bauen nur noch Imbert.

Ich gebe für die Vollständigkeit eine Zeichnung von dem Downdraft Stratified, aber verschwende weiter keine Zeit daran. Der Stratified ist für mich der Beweis, daß es einfach ist, um Holzgas zu erzeugen, aber daß es schwierig ist teerfreies Holzgas zu machen.


Der Imbert Gasgenerator


Eine kurze Geschichte:

Der Imbert Gasgenerator ist eine Erfindung von Georges Imbert. Er entwickelte dieses Prinzip in den Zwanziger Jahren des vorigen Jahrhunderts. Während des zweiten Weltkrieges waren eine Million Holzvergaser unterwegs, praktisch alle entsprechend dem Imbert Prinzip. Nachdem die Benzinproduktion nach dem Krieg schnell auf Trapp kam, verabschiedete man sich noch schneller von den Holzvergasern. Wissen und Erfahrung sind dabei verloren gegangen.
Während des kalten Krieges ist in Schweden die notwendige Weiterentwicklung gemacht worden, aber außer einigen Unterlagen ist auch da nur wenig von erhalten. Man fand es nur notwendig, um während einer Krise in der Lage zu sein auf Vergasung zurückgreifen zu können, weil Schweden praktisch keine fossilen Kraftstoffe hat, aber genügend Holz.
Die Energiekrisen in den Siebziger Jahren haben wieder zu einer Auferstehung geleitet, die leider genau so schnell wieder absank.
Nur bei den Finnen ist die mobile Holzvergasung nie ganz außer Bild gewesen. Keine von der  Regierung subventionierten Projekte, aber von einer Gruppe begeisterter Leute lebendig gehalten. Sie haben die Weiterentwicklung der Schweden verfeinert.

Das Prinzip

Der Vergaser ist mit kleinen Holzblöcken gefüllt. Die Düsen dosieren die Primärluft. Motorvakuum sorgt für „Zug“ im kompletten System. Die Motordrehzahl reguliert die Gasmenge und damit die Menge Primärluft. Am gezeigten Generator wird das Gas hoch abgenommen, um dem Staub Zeit zu geben herunterzufallen und um den Holzvorrat aufzuwärmen. Von da geht das Gas durch einen Gaskühler, um das Volumen zu verringern und das Gas zu entwässern. Durch die Volumenverringerung und Beseitigung des Wassernebels, nimmt die Energiespeicherung zu. Als nächstes wird das Gas filtriert und mittels eines einfachen Gas/Luftmischers zum Motor geführt. Ein Gebläse sorgt für künstlichen Zug während des Anfachens.

Moderne Imbert Vergaser funktionieren etwas anders.

Der Generator hat einen kondensierenden Mantel um den Bunker, um überflüssiges Wasser dem Holz zu entnehmen. Ein Zyklon entfernt die groben Ascheteilchen. Ein Glasfiber Tuchfilter entfernt den feinen Staub. Der Gaskühler entwassert auch hier das Gas. Während des Starts wird von einem Gebläse das noch kalte und nasse Gas noch vor dem Filter nach außen weggeblasen, um Verstopfung des Filters durch Teerverbindungen und Wassernebel zu verhindern.
Im Vergleich mit dem ursprünglichen Imbert hat sich außerhalb der Prinzip einiges geändert. Viel Aufwand um Primärluft vorzuheizen ist gegeben worden, um so die Oxidationstemperatur weiter anzuheben. Dieses verursacht jedoch neue Probleme, weil nicht alle Materialien dieser Temperatur widerstehen können. Alles in allem etwas komplizierter als damals, aber mit als Resultat: teerfreies, sauberes Gas.
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