Herstellung von HTC-Kohle aus Gärresten und Einsatz von HTC-Kohle im Biogasprozess

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1 Herstellung von HTC-Kohle aus Gärresten und Einsatz von HTC-Kohle im Biogasprozess Dipl.-Biol. Maja Werner * (Doktorandin), Dr. rer. agr. Jan Mumme HTP-Fachforum 11./12. November 2014, Leipzig Im Rahmen der Initiative Bioenergie2021 gefördert durch

2 Gewinner des Iddeenwettbewerbs Bioenergie Neue Wege beschreiten umgesetzt durch APEC - Anaerobic pathways to renewable energies and carbon sinks

3 Das Konzept von APECS

4 Das Konzept von APECS Stoffkreislauf schließen

5 Substrate

6 Ergebnisse - HTC von Gärrest 190 C (c) 230 C 3 µm 270 C (d) Unterschiedliche Inkohlungswege Gärrest und Cellulose (Lignin?) Kohle-Ausbeute: % C-Gehalt: % (trocken, aschefrei) Brennwert: MJ/ kg (trocken, aschefrei) Nachteile: geringe Oberfläche, diverse Schadstoffe 3 µm Mumme et al. 2011, Bioresource Technology 102,

7 Versuch - Biokohle im Biogasprozess VDI 4630 Additive HTC-Kohle Pyrolysekohle 1 L - Batch-Test Stroh-Gärrest kompostierter Standardgrünabfall gemischt mit 30 % Holz Fütterung B R = 0,25 Modell-Mais-Medium Guebitz et al (Chemosphere) Bedingungen System 1 L Flasche, 1 x täglich geschüttelt 6,6 % Einwaage 5,1% 750 g Inokulum, 38,5 g TS BC Temperatur 37 C und 55 C Dauer 88 Tage

8 Ergebnisse anaerober Abbau 7000 cumulative rate of biogas [ml/ l] incubation time [d] HTC mesophilic pyro-char mesophilic HTC thermophilic pyro-char thermophilic Kohlenstoff der HTC-Kohle zu 10 % anaerob abbaubar Pyrolysekohle ist weitgehend inert

9 Ergebnisse - BET und Porenvolumen 180 SSA (total) [m2/ g] total pore volume (PV) [cm3/ g] 0,12 specific sureface area [m 2 / g] ,1 0,08 0,06 0,04 0,02 pore volume [cm 3 / g] HTC Pyrolyse keine Veränderung der spezifischen Oberfläche durch Fermentation leichte Erhöhung des Porenvolumens große spezifische Oberfläche und hohes Porenvolumen in der unbehandelten Variante durch Fermentation starker Verlust an SSA und Porenvolumen mesophil stärker als thermophil 0 0 HTC-char pyro-char origin unbehandelt mesophilic/ thermophilic fermentative Inkubation für 13 Wochen

10 Ergebnisse - Prozentuale Verteilung der spezifischen Oberfläche + Porenvolumen Mikroporen: Mesoporen: Makroporen: d < 2 nm 2 nm < d < 50 nm d > 50 nm specific sureface area pore volume 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% > 3,4 nm 2 nm - 3,4 nm < 2 nm 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% HTC HTC-char Pyrolyse pyro-char HTC-char spezifische Oberfläche wird unabhängig vom Treatment durch die gleichen Porenräume gestellt Prozentuales Porenvolumen für verschiedene Porenräume gleich pyro-char durch Fermentation Abnahme der spezifischen Oberfläche der Mikroporenräume - Zunahme an Mesoporenräumen + größer Zunahme an Porenvolumen > 3,4 nm nach Fermentation allgemein: kleinere Poren bieten verhältnismäßig eine größere Oberfläche 10

11 Ergebnisse mikrobielle Lebensgemeinschaft BAC ARC Mbac Msaet Msc Mmicr 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% HTC pyro-char HTC pyro-char mesophilic thermophilic Verschiebung der mikrobiellen Gemeinschaft über die Zeit durch Fermentation unter Futterzugabe (Modell-Mais-Medium) Bakterien, Archeen

12 Ergebnisse DNA-Gehalt mesophilic thermophilic 6 10 HTC 13 control 6 Pyro control 6 HTC control 6 Pyro control DNA [µg/ g DW] Menge an isolierter DNA unter thermophilen Bedingungen geringer als unter Mesophilen Zunahme der DNA-Menge über die Zeit = Erhöhung der Anzahl an Organismen (Wachstum Biofilm)

13 Potenzielle Energieausbeute, Bespiel Stroh Biogas-HTC-Kaskadierung kann E-Wirkungsgrad deutlich erhöhen Minimierung des E-Einsatzes ist ingeneurtechnisches Ziel

14 Fazit Karbonisierung von Gärrest HTC gut geeignet, keine Trocknung erforderlich Oberfläche von HTC-Kohle gering, organische Schadstoffe enthalten HTC-Flüssigphase reich an org. Substanz, Nachbehandlung erforderlich Deutliche Steigerung der E-Ausbeute möglich Fermentation von HTC-Gärresten HTC-Kohle z.t. zu Biogas abbaubar dabei keine Veränderung der spezifischen Oberfläche und des Porenvolumens Anzahl Organismen mesophil höher als thermophil

15 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit

16 Zusammenhang Porenvolumen und Porenoberflächen specific sureface area pore volume 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% > 3,4 nm 2 nm - 3,4 nm < 2 nm 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% HTC-char pyro-char HTC-char pyro-char quadratisch kubisch Ändert sich die Größe eines Körpers, so ändert sich auch das Verhältnis zwischen Oberfläche und Volumen volumenbezogene spezifische Oberfläche 16

17 Biogas Reaktorentwicklung UASS-AF Fazit kontinuierliche Langzeitvergärung von lignozellulosehaltiger Biomasse ist technisch möglich 2-Phasen, 2-Stufen-Reaktor ist praxistauglich

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19 (Bio) Kohle- Aktivierung vereinfachtes Biokohle-Partikel nach Bioaktivierung vereinfachtes Aktivkohle-Modell Lehmann, Johannes; Joseph, Stephen (2009): Biochar for environmental management. Science and technology. London ;, Sterling, VA: Earthscan. Wirkung von Aktivkohle basiert auf: Adsorption an karbonisierten Substanzen große innerer Oberfläche ( Ein Löffel voll Aktivkohle entspricht [ ] dem Flächeninhalt eines gesamten Fußballfeldes. [1] ) Aktivierung der Kohle (dadurch entsteht die Größe der Oberfläche) Wirkung von bioaktivierter Biokohle basiert auf: Adsorption an karbonisierten Substanzen großer innerer Oberfläche biologische Aktivierung der Poren mit einem Biofilm

20 (Bio) Kohle- Aktivierung vereinfachtes Aktivkohle-Modell Wirkung von Aktivkohle basiert auf: Adsorption an karbonisierten Substanzen große innerer Oberfläche ( Ein Löffel voll Aktivkohle entspricht [ ] dem Flächeninhalt eines gesamten Fußballfeldes. [1] ) Aktivierung der Kohle (dadurch entsteht die Größe der Oberfläche)

21 (Bio) Kohle- Aktivierung vereinfachtes Aktivkohle-Modell Wirkung von Aktivkohle basiert auf: Adsorption an karbonisierten Substanzen große innerer Oberfläche ( Ein Löffel voll Aktivkohle entspricht [ ] dem Flächeninhalt eines gesamten Fußballfeldes. [1] ) Aktivierung der Kohle (dadurch entsteht die Größe der Oberfläche)

22 (Bio) Kohle- Aktivierung vereinfachtes Biokohle-Partikel nach Bioaktivierung vereinfachtes Aktivkohle-Modell Lehmann, Johannes; Joseph, Stephen (2009): Biochar for environmental management. Science and technology. London ;, Sterling, VA: Earthscan. Wirkung von Aktivkohle basiert auf: Adsorption an karbonisierten Substanzen große innerer Oberfläche ( Ein Löffel voll Aktivkohle entspricht [ ] dem Flächeninhalt eines gesamten Fußballfeldes. [1] ) Aktivierung der Kohle (dadurch entsteht die Größe der Oberfläche) Wirkung von bioaktivierter Biokohle basiert auf: Adsorption an karbonisierten Substanzen großer innerer Oberfläche biologische Aktivierung der Poren mit einem Biofilm

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