Nutzung von Bioreststoffen

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1 Nutzung von Bioreststoffen Görge Deerberg, Jan Westermeyer, Esther Stahl 22. Juli 2015 Folie 2

2 AGENDA 1. Einleitung 2. Technologien zur thermochemischen Bioreststoffnutzung 1. Torrefizierung 2. HTC 3. Pyrolyse 4. Vergasung 3. Zusammenfassung Folie 3

3 Biomasse - Bioabfall aktuell Geänderte Randbedingungen für Biomassenutzung Getrennte Erfassung von Bioabfällen seit 2015 vorgeschrieben (KrWG) Ziel: Energetische und anschließende stoffliche Nutzung von Bioabfällen; Erhöhung der getrennt erfassten Bioabfälle. Ziel NRW z.b. 150 kg/(ew*a) 1 NRW: 63 Anlagen zur Behandlung von Bio- u. Grünabfällen, davon 11 Vergärungsanlagen bzw. kombinierte Vergärungsund Kompostierungsanlagen 1 Behandlungskapazität ca. 2 Mio t/a davon Vergärungskapazität ca. 0,35 Mio t/a 1 Perspektive: bis 2020 deutlicher Ausbau an Bioabfall-Vergärungsanlagen in Deutschland und Europa prognostiziert² Folie 4 Quellen: 1 Entwurf Abfallwirtschaftsplan NRW, Teilplan Siedlungsabfälle, Düsseldorf 2014) ² Ecoprog GmbH: Der Markt zur Vergärung von Bioabfällen in Europa Bild: Haushaltsabfaelle/Altpapierbehaelter1.html

4 Reststoffaufkommen Potenzial (D-2020) ca. 500 PJ Bio- und Grünabfälle PJ* Tierische Exkremente ca. 100 PJ * (davon 14 PJ tierische Fette) Stroh PJ* Forstwirtschaft PJ* Primärenergieverbrauch** (2013) Klärschlamm ca. 38 PJ* Stromerzeugung** (2013) Reststoffe 500 Folie 6 *Mühlenhoff 2013, *** UBA 2015, ** Statista 2015

5 Reststoffnutzung Reststoffe Tierische Exkremente Bio- und Grünabfälle Stroh Forstwirtschaft Klärschlamm Ernte, Sammeln, Verfügbarmachen etc. Konditionierung Aufbereiten (Pressen, Trocknen, Vermischen etc.) Transport (Lkw, Traktor, Schiff etc.) Lagerung (Tank, Flachlager, Silo etc.) Zwischenprodukte Presssaft Getrocknetes Material Gepresstes Material (Brikett, Pellet) Konserviertes Material Unbehandeltes Material (direkte Nutzung) Konversion Produkt Nutzung Behandlung Pyrolyseöl Füllmaterial etc. Fasern Thermochemische Konversion Verkohlung (Torref./HTC) Kohle LCV-gas, Synthese -gas Pyrolyse fester Brennstoff Physikalisch-chemische Konversion Pressung/Extraktion Hydrolyse Proteine, Kohlenhydrate Pflanzen -öl Alkoholgärung Veresterung PME Vergasung Ethanol Biochemische Konversion Anaerob. Abbau Biogas Aerober Abbau Anwendung Dünger/Bodenhilfsstoff Brennstoffe (fest, gasförmig, flüssig) Chemierohstoff Verbrennung Motor Asche Wärme Energie Mobilität Folie 7 Quelle: Kaltschmitt et al (modifiziert und erweitert) *Potenzial biogener Reststoffe in Deutschland 2020 [Mühlenhoff 2013, in Renews Spezial (Ausgabe 64 /April 2013)]

6 Biochemische Verfahren zur Reststoffbehandlung Prozesscharakterisierung Kompostierung Nassvergärung Trockenvergärung Reaktionsumgebung Temperaturbereich Druckbereich Verweilzeiten Feucht Mesophil-thermophil Umgebungsdruck bis 6 Monate Nass Mesophil o. thermophil Umgebungsdruck ~7-30d Feucht Mesophil o. thermophil Umgebungsdruck ~15-35d + Nachrotte Biomassesubstrat (Input) Biomasse mit begrenztem Lignocellulose-Anteil strukturarme Biomasse, biogene Rest- und Abfallstoffe (TS <12-15%) strukturarme Biomasse, biogene Rest- und Abfallstoffe (TS 20-40%) Primärprodukt Kompost Biogas (CH 4 & CO 2 ) Biogas (CH 4 & CO 2 ) weitere Aufbereitung Separation in Fein- /Grobfraktion Entwässerung und Trocknung des Gärrests Nachrotte des Gärrests Behandlungskosten* ca /t (Bioabfall) /t (Grünabfall) ca /t ca //t Kohlenstoffeffizienz Primärprodukt ~37-67%** 10-30% 10-30% Folie 8 Quellen: *Becker, INFA, 2014 **Becher, 2013

7 AGENDA 1. Einleitung 2. Technologien zur thermochemischen Bioreststoffnutzung 1. Torrefizierung 2. HTC 3. Pyrolyse 4. Vergasung 3. Zusammenfassung Folie 13

8 Torrefizierung Prozess Erhitzen der Biomasse: C Inerte bzw. sauerstoffarme Atmosphäre Freisetzung flüchtiger Bestandteile % Masseverlust (typisch: 30 %) Verweilzeiten 80 s 30 min Energiebilanz: bis 90% Edukte Trockene, vorwiegend lignocellulosehaltige Biomasse Ziel Mitverbrennung in Kraftwerken Vorteile geringere Transport- und Lagerkosten höherer Heizwert verbessertes Zerkleinerungsverhalten Bild: Folie 15

9 Torrefizierung Bild: Fraunhofer UMSICHT Gas Masse 30 % Input Energiegehalt 10 % Input Biomasse (getrocknet) Masse 100 % Energiegehalt 100 % Torrefizierung θ = C λ = 0 kohleähnliches Produkt Masse 70 % Input Energiegehalt 90 % Input Quelle: P.A.C. Bergmann, 2005 Folie 16

10 Torrefizierung Weltweite Aktivitäten Folie 17 Quelle: Witt, SECTOR Meeting of European Working Group biomass, Berlin 2013

11 Hydrothermale Carbonisierung (HTC) Vergleichsweise gemäßigte Bedingungen Druck < 30 bar Temperatur < 240 C Verfahrenstechnisch und materialtechnisch günstig Wässriges Medium für feuchte Biomasse geeignet, daher keine Trocknung notwendig Überschaubare Technik Dezentrale/ mobile Lösungen denkbar Synergien Abfallwirtschaft, Kläranlagen Biogasanlagen Abwärmenutzung Kohle Etablierte Kohlechemie und Infrastruktur kann genutzt werden Mögliche Weiterverwertungsoption zu Ölen/ Gasen Bilder: Fraunhofer UMSICHT Folie 18

12 Herausforderungen HTC Wasser Katalysator Abdampf Bild: Fraunhofer UMSICHT Pressen/ Anmaischung Kompaktieren Temperierung C HTC-Behälter C; 2-12h Pressen/ Entwässern Kohle Kondensat Biomasse Restwasser Reinigen/ Trennen Prozesswasser Salze Störstoffe Restwasser Kohlenstoff bis 90% Energie 70%, je nach Wärmeintegration Bilder: Fraunhofer UMSICHT Folie 19

13 Hydrothermale Carbonisierung Anlagenbeispiele Karlsruhe tbiomasse/jahr TerraNova Energy tklärschlamm/jahr Bild: AVA- CO2 Kalkar 10 tbiomasse/tag Bild: Bild: Grenol Group Folie 21

14 Pyrolyse Bodenhilfsstoff, Brennstoff, Chemierohstoff Vorbehandlung bar Biomasse Prozessenergie Stickstoff C Reaktor Pyrolysedampf Koks Gew.% Bilder: Fraunhofer UMSICHT Verbrennung, Prozesswärme Kondensation Gas Gew.% Chemierohstoff, Thermische Nutzung Kondensat Gew.% Pyrolyselignin, Phenole, organische Säuren, Aldehyde, Ketone, Methanol Wasser Folie 22

15 Pyrolyse Wirtschaftlichkeitsbetrachtung kleinskalig - dezentral Kostenkategorie K Kapitalgebundene Kosten Θ K K Rohstoffeinsatzkosten Θ R K Verbrauchgebundene Kosten Θ V K Betriebsgebundene Kosten Θ B K Transportkosten Pyrolyseeinheit Θ T K Sonstige Kosten Θ S K Pyrolyseölproduktionskosten* Θ P 144,00 /h 237,60 /h 209,58 /h 28,39 /h 1,29 /h 8,93 /h 629,57 /h Einheite n 23,63 /MWh *Investitionskosten: 1 Mio. ; Biomassedurchsatz 10 t/h; Pyrolyseölausbeute 60%, 1120 h/a Folie 23

16 Pyrolyse - Wirtschaftlichkeitsbetrachtung Pyrolyseöl als Substitut für schweres fossiles Heizöl Pyrolyseöl schweres Heizöl Heizwert: 4,44 MWh/t 11,11 MWh/t Dichte: 0,9 kg/l 1,2 kg/l Kosten: 0,1259 /l 0,3858 /l* Heizwert von fossilem, schwerem Heizöl gegenüber Pyrolyseöl etwa Faktor 2,5 höher Kosten für schweres fossiles Heizöl 28,94 /MWh und für Pyrolyseöl 23,63 /MWh -> Erzeugung von Pyrolyseöl zu gleichem Preis, der volumetrische Verbrauch liegt jedoch wesentlich über dem von schwerem fossilem Heizöl Folie 24 *Quelle: Statistisches Bundesamt [Juni 2015], Mai 2015 ab Raffinerie, inkl. Mineralölsteuer, exkl. MwSt

17 Pyrolyse - Wirtschaftlichkeitsbetrachtung Pyrolyseöl als Substitut für schweres fossiles Heizöl Pyrolyseöl schweres Heizöl Heizwert: 4,44 MWh/t 11,11 MWh/t Dichte: 0,9 kg/l 1,2 kg/l Kosten: 0,1259 /l 0,5656 /l* Heizwert von fossilem, schwerem Heizöl gegenüber Pyrolyseöl etwa Faktor 2,5 höher Kosten für schweres fossiles Heizöl 42,34 /MWh und für Pyrolyseöl 23,63 /MWh -> Pyrolyseöl deutlich preiswerter, der volumetrische Verbrauch liegt jedoch wesentlich über dem von schwerem fossilem Heizöl Folie 25 *Quelle: Statistisches Bundesamt [April 2014]

18 Pyrolyse - Beispiele - stationär Malaysia 2 tefb/stunde Joensuu 50 tpyrolyseöl/jahr Karlsruhe 500 kgbiomasse/stunde Bild: Bild: energy-from-pyrolysis-oil Bild: Pyrolyse - Beispiele - mobil Canada; 5 tbiomasse/tag Indien; 20 kgbiomasse/h Oberhausen; 100 kgstroh/stunde Bild: Bild: Bild: Fraunhofer UMSICHT Folie 26

19 Pyrolyse - Zusammenfassung Potenzielle Erzeugnisse Heizöl-Ersatz Schiffsdiesel-Ersatz Phenolfraktionen Aufweitung der Erzeugnisse durch Gestufte Kondensation Veresterung, Acetalisierung Volllaststunden der dezentralen Reststoffnutzung erhöhen: Landschaftspflegeheu Holzartige Grünabfälle Raps / Rapspresskuchen Extraktionsschrot Bild: gestufte Kondensation Fraunhofer UMSICHT Bild: Worldpress.com 2012 Bild: Fraunhofer UMSICHT Folie 28

20 Vergasung Prozess Temperatur C Edukte Lignocellulosehaltige, trockene Biomasse Festbrennstoff Biomasse Asche Vergaser Vergasungsmittel Gasförmiges Produkt steigender Bedarf an Gasreinigung Gasnutzung / Anwendung Ersatz von Primärbrennstoffen in thermischen Prozessen wie Öfen für Kalzinierung, Trocknung, Schmelzen, Sintern, Brennen u.a.) Gas gefeuerte (Dampf-) Kessel Stromerzeugung mit Gasmotoren oder Gasturbinen Stromerzeugung mit Brennstoffzellen Störstoffe: Staub, Teere, Schwefel, Chlor, Bild: Fraunhofer UMSICHT Synthesen (SNG oder BtL) Folie 29

21 Vergasung - Anlagenbeispiele Skive 19,5 MW Güssing 8MW Kalundborg 6 MW Foto: Senden 15 MW Foto: Bild: Bild: Folie 30

22 AGENDA 1. Einleitung 2. Technologien zur thermochemischen Bioreststoffnutzung 1. Torrefizierung 2. HTC 3. Pyrolyse 4. Vergasung 3. Zusammenfassung Folie 31

23 Technologien zur thermochemischen Bioreststoffnutzung Bild: Fraunhofer UMSICHT Folie 33

24 Zusammenfassung Prozesscharakterisierung Reaktionsumgebung Temperaturbereich Druckbereich Verweilzeit HTC Prozesscharakterisierung Wasser/Dampf C bar 2-12 h Torrefizierung Pyrolyse Vergasung Atmosphäre ohne O C drucklos min Atmosphäre ohne O C Drucklos < 10 s bis 7 d Atmosphäre + Vergasungsmittel C z.z. drucklos < 10 s Biomassesubstrat (Input) Wässrige, biogene Restund Abfallstoffe (Bioabfall, Klärschlamm, Gärreste, etc.) Trockene, vorwiegend lignocellulosehaltige Biomasse (Holz, Stroh, etc.) Trockene, vorwiegend lignocellulosehaltige Biomasse (Holz, Stroh, etc.) Trockene, vorwiegend lignocellulosehaltige Biomasse (Holz, Stroh, etc.) Primärprodukt Kohlesuspension Trockene Kohle Pyrolyseöl/ -gas/ -koks gasförmiger Brennstoff Weitere Aufbereitung Separation, Entwässerung und Trocknung Ggf. Pelletierung Evt. Separation Upgrading Reformer, Teerkat. Typische Produktausbeute* Bis 80 Gew.-% Input feste Kohle Bis 70 Gew.-% Input feste Kohle Bis 75 Gew.-% Input Pyrolyseöl Bis 95 Gew.-% Input Gasphase Kohlenstoffeffizienz % ~ 90 % ~ 50 % % Folie 34 *Bezogen auf Biomasseinput

25 Ausblick: Anwendung weltweit Endenergieverbrauch (Shell, 2008) Folie 35 Quellen: Ecofys Energy Szenario (2010) Shell Energy scenarios to 2050 (2008)

26 Ausblick: Kleinskalige, dezentrale Anlagen In Summe höheres Investment Früherer Break-Even Lernkurve Produktionssicherheit Risikominimierung Economy of Scale passt nicht immer besser Folie 36 Abbildung: Lier, Diss. RUB, 2013

27 Zusammenfassung Bioenergietechnologien sind vorhanden und wachsen aber zukünftig tendenziell ohne Subvention Reststoffnutzung wird zum Teil erforderlich und sinnvoll in gekoppelter Wertschöpfung Bioraffinierie Dezentrale Anlagen Herausforderungen Lösung von technischen Problemen (Kontiprozesse, (Ab-)Wasser, ) Hebung der Potenziale Logistikketten, Standortfragen Regionale/lokale Umsetzung von BtE-/Bioraffineriekonzepten für Reststoffströme Produktverwendung, Drop-In von dezentral hergestellten Zwischenprodukten Nachhaltigkeit gewährleisten (Emissionen ) Chancen: CO 2 -arme Rohstoffe, internationale Technologiemärkte Folie 37

28 FRAUNHOFER UMSICHT Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Kontakt: Fraunhofer UMSICHT Osterfelder Straße Oberhausen info@umsicht.fraunhofer.de Internet: Prof. Dr.-Ing. Görge Deerberg Telefon: goerge.deerberg@umsicht.fraunhofer.de Dr.-Ing. Esther Stahl Telefon: esther.stahl@umsicht.fraunhofer.de Folie 38