Forschungsprojekt: Biobrennstoffdesign - Mischpellets aus landwirtschaftlichen Reststoffen

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1 Forschungsprojekt: Biobrennstoffdesign - Mischpellets aus landwirtschaftlichen Reststoffen 9. Industrieforum Pellets Oktober 2009 Neue Messe Stuttgart, ICS Daniel Hein Universität Siegen Institut für Energietechnik Gliederung Einleitung Zielsetzung Energetisches Potential Projektpartner Schematischer Projektablauf Dipl.-Ing. D.Hein Universität Siegen

2 Einleitung Die energetische Nutzung von festen Biomassen stützt sich zum größten Teil auf Holz als Brennstoff Durch die immer größere Nachfrage und stärkere Konkurrenzanwendungen ist die Versorgungssicherheit nicht gewährleistet Alternativen sind biogene Reststoffe, Anbaubiomassen sowie industrielle Reststoffe biogenen Ursprungs Allerdings unterscheiden sich deren Brennstoffeigenschaften ft teilweise erheblich von den Eigenschaften von Holz Dipl.-Ing. D.Hein Universität Siegen Zielsetzung Systematische Untersuchungen zur Bildung von Mischbrennstoffen aus Restbiomassen zur Bereitstellung von Wärme und Strom Entsprechende Nachteile durch Mischungen der Einzelbrennstoffe ausgleichen Eigenschaften der Biomischbrennstoffe angelehnt an Holz, damit der Aufwand für bestehende Anlagen gering bleibt Holz substituieren, um Brennstoffpreise langfristig zu stabilisieren Hohe Flexibilität unter Einbeziehung regionaler Aufkommen der Brennstoffkomponenten und deren Austauschbarkeit Steigerung der Unabhängigkeit von Öl und Gas Biomischbrennstoffe lokal erzeugen und vertreiben Dipl.-Ing. D.Hein Universität Siegen

3 Energetisches Potential Die ungenutzten Einzelbiobrennstoffe ergeben ein Potential von ca. 700 PJ/a, was etwa 5 % des Primarenergieverbrauchs ausmacht Erschließung führt zu einer CO2-Einsparung von mehr als 60 Mio. t/a (Basis: Heizöl) Primärenergieverbrauch in Deutschland 2007 Braunkohle 11,6% Mineralöl 33,4% Biomasse Wärme 2,6% Windenergie 1,2% gesamt: PJ Wasserkraft 0,6% Kernenergie 11,1% Erdgas 22,6% Erneuerbare Energie 7,0% Steinkohle 14,3% Photovoltaik 0,1% Geothermie 01% 0,1% Biomasse Strom 0,7% Biokraftstoffe 1,4% Solarthermie 0,1% Dipl.-Ing. D.Hein Universität Siegen Projektpartner Einrichtung Universität Siegen Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Wolfgang Krumm Siegen Fraunhofer-Institut für Fabrikbetrieb und -automatisierung Sandtorstraße Magdeburg Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg Chemischen Apparatebau Prof. Dr.-Ing. habil. Dr. h. c. Lothar Mörl Magdeburg Deutsches Biomasseforschungszentrum gemeinnützige GmbH Torgauer Straße Leipzig Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Regenerative Energieträger und Verfahren Industriestr Stuttgart Dipl.-Ing. D.Hein Universität Siegen

4 Schematischer Projektablauf Dipl.-Ing. D.Hein Universität Siegen

5 Forschungsprojekt: Biobrennstoffdesign - Mischpellets aus landwirtschaftlichen Reststoffen 9. Industrieforum Pellets Oktober 2009 Neue Messe Stuttgart, ICS Andreas Schneider Universität Siegen Institut für Energietechnik 23. Oktober Gliederung Auswahl an Biobrennstoffen Bildung von Mischbrennstoffen Experimentelle Untersuchungen Vergasungsverhalten Verbrennungsverhalten Ascheverhalten Dipl.-Ing. A. Schneider Universität Siegen

6 23. Oktober Auswahl an Biobrennstoffen Basisbiomassen Holz Stroh Miscanthus Zumischbiomassen Biertreber Rapsextraktionsschrot Rüben Gras Laub Schlempe Auswahlkriterien lokale Verfügbarkeit vorhandene Potenziale Konkurrenzanwendungen Brennstoffeigenschaften Dipl.-Ing. A. Schneider Universität Siegen 23. Oktober Bildung von Mischbrennstoffen Chemische Eigenschaften ausgewählter Biomassen aschebildende Elemente Wasser Einheit Ma.-% (roh) Holz Weizenstroh Miscanthus 8,23 11,15 14,00 Asche 0,22 6,34 3,91 Ma.-% (wf) Flüchtige 83,21 77,23 84,50 Heizwert MJ/kg 17,08 16,04 17,65 C 50,58 48,56 47,48 H 6,12 6,02 6,19 O 43,08 44,66 41,69 N 009 0, , ,73 S Ma.-% (waf) 0,13 0,16 0,15 Cl 0,005 0,21 0,22 K 0,13 1,12 0,72 Ca 0,7 0,27 0,16 Mg 0,08 0,09 0,06 Prozessführung Anlagentechnik emissionsrelevante Inhaltsstoffe verbrennungs- / vergasungsrelevante Inhaltsstoffe Dipl.-Ing. A. Schneider Universität Siegen

7 23. Oktober Bildung von Mischbrennstoffen Binäre Gemische Holz - Stroh Holz - Miscanthus Stroh - Miscanthus Bewertung nach folgenden Kriterien Rohdichte Abrieb Wassergehalt Aschegehalt Heizwert Schwefelgehalt Stickstoffgehalt Chlorgehalt Presshilfsmittel Dipl.-Ing. A. Schneider Universität Siegen 23. Oktober Bildung von Mischbrennstoffen Verbesserung verbrennungsrelevanter Eigenschaften Potenzielle Additive: Kalkhydrat, Branntkalk, Calciumcarbonat Erhöhung des Ascheerweichungspunktes Additivzusätze bis zu 2 Gew.-% Verbesserung mech.-phys. Eigenschaften durch Bindemittel Potenzielle Binder: Stärke, amylopektinreiche Mehlsorte Einfluss auf mech.-phys. Eigenschaften Einsatz bei vielversprechenden binären Gemischen Ternäre Gemische Optimale binäre Mischungen Zumischung bis 10 Gew.-% Dipl.-Ing. A. Schneider Universität Siegen

8 23. Oktober Experimentelle Untersuchungen Systematische Vorgehensweise Kurz- und Elementaranalyse Verbrennung Vergasung Asche Dipl.-Ing. A. Schneider Universität Siegen 23. Oktober Experimentelle Untersuchungen Vergasungsverhalten Experimente in Laboranlagen bei 700 C bis 900 C Vergasungsmittel: Luft, Wasserdampf Wichtige zu untersuchende Parameter: Gaszusammensetzung: H 2, CO, CO 2, CH 4, H 2 O, C 2 H 6 Kaltgaswirkungsgrad Teerkonzentration im Produktgas Restkoksanteil Ascheverhalten Dipl.-Ing. A. Schneider Universität Siegen

9 23. Oktober Experimentelle Untersuchungen Verbrennungsverhalten Experimente in Laboranlagen bis 900 C Experimente in handelsüblichen Pelletkesseln Wichtige zu untersuchende Parameter: Abgaszusammensetzung: sammenset ng H 2 O, O 2, CO 2, CO, C x H y Zündverhalten Ascheschmelzverhalten bzw. Verschlackungsneigung Emissionsverhalten: Staub, SO 2, NO x, NH 3 Ausbrandqualität Dipl.-Ing. A. Schneider Universität Siegen 23. Oktober Experimentelle Untersuchungen Ascheverhalten Reproduzierbare Ascheerzeugung im Drehrohrofen h bei 550 C (DIN CEN-TS 14775) Bestimmung der Aschezusammensetzung: Kalium, Natrium, Kalzium, Chlor, Schwefel Bestimmung der Ascheerweichungspunkte und des Ascheerweichungsverhaltens Anwendung mehrerer Untersuchungsmethoden DIN Rotationsviskosimeter Gezielte Agglomeration und Defluidisierung in der WS Dipl.-Ing. A. Schneider Universität Siegen

10 23. Oktober Projektpartner Universität ität Siegen Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg Fraunhofer-Institut für Fabrikbetrieb und -automatisierung Magdeburg Deutsches Biomasseforschungszentrum gemeinnützige GmbH Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Stuttgart Dipl.-Ing. A. Schneider Universität Siegen 23. Oktober Dipl.-Ing. A. Schneider Universität Siegen