Das bioliq -Konzept Hintergrund und aktueller Stand

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1 Das bioliq -Konzept Hintergrund und aktueller Stand N. Dahmen, J. Sauer Institut für Katalyseforschung und -technologie KIT Universität des Landes Baden-Württemberg und nationales Forschungszentrum in der Helmholtz-Gemeinschaft

2 Motivation zum bioliq-prozess Biomasse ist langfristig die einzige erneuerbare Kohlenstoffquelle für: Industriepflanzen, Holzwerkstoffe, Chemieprodukte, Kraft- und Brennstoffe, Erzverhüttung, Zement Bedarf an einsatzstoffflexiblen Prozessen Darstellung großer Mengenpotenziale Erhalt der Biodiversität Priorität auf Kraftstoffe, da stärkster Handlungs bedarf durch politische Rahmenbedingungen Kann Biomasse großtechnischen Prozessen in nachhaltiger Weise zugänglich gemacht werden? Nutzung möglichst flexibler Plattformen Bioraffinerien Synthesegasplattform für BtL-Kraftstoffe

3 Chemische Pfade zu Syntheseprodukten Gase Flüssiggas Erdgas Kohle Biomasse Fischer- Tropsch- Synthese Synthesegas H 2 Veredlung CO Naphta Kerosin Diesel. Wasserstoff Methan (SNG) Propylen Direktnutzung (Brennstoffzelle, RME-Produktion) Methanol- Synthese Dimethylether DME Ethylen Benzin Oxygenate Acrylsäure

4 Einsatzstoffe Landwirtschaft Stroh, Heu,. Energiepflanzen Kurzumtriebsplantagen Forstwirtschaft Waldrestholz Landschaftspflegegut Gehölzschnitt Pflegeheu Organische Reststoffe

5 Das dezentrale/zentrale bioliq-konzept Energieverdichtung durch von Biomasse in regional verteilten Anlagen Wirtschaftliche Umwandlung zu Synthesegas und weiter zu Kraftstoffen und chemischen Grundstoffen in industrieller Anlagengröße Energiedichte: 2 GJ/m 3 25 GJ/m 3 36 GJ/m

6 Biomasse bioliq-technologieschema biosyncrude O 2 (Dampf) Gasreinigung und -konditionierung Zerkleinerung Hochdruck- Flugstrom- Vergasung Partikelfilter Sorption Katalysator CO 2 - und Syngas Schlacke Synfuel Schnellpyrolyse biosyncrude Dezentral Wasserabscheidung Kraftstoff- Synthese Zentral DME-Synthese

7 bioliq-pilotanlage Demonstration Repräsentative Produkte Praxistauglichkeit Kostenschätzungen Maßstabsvergrößerung Forschungsplattform Einsatzstoffflexibilität Messtechnik/Diagnostik Prozessverständnis Optimierung/Weiterentwicklung

8 Die Baustufen des Vorhabens Stufe 1 Stufe 2 Stufe 3 Stufe 4 Prozess Schnellpyrolyse + BioSyncrude Herstellung Hochdruck- Flugstromvergasung Heißgasreinigung + DME- Synthese Kraftstoffsynthese Produkt BioSyncrude Synthesegas DME Benzin Kapazität 2 MW (500 kg/h) 5 MW (1 t/h) 150 kg/h 100 l/h Realisierung Stand In Betrieb Leistungsfahrt Inbetriebsetzung Partner Lurgi/Air Liquide + MAT Mischanlagentechnik Lurgi/Air Liquide MUT Advanced Heating Chemieanlagenbau Chemnitz

9 Die bioliq-pilotanlage am KIT

10 bioliq - Schnellpyrolyse

11 Schnellpyrolyse Schnelle thermische Zersetzung der Biomasse zu: Pyrolyseöl, -koks und -gas Vermischung von Pyrolysekoks und -öl zu BioSyncrude Höchste Ölausbeute bei ca. 500 C und Verweilzeiten in Sekunden Koks + Pyrolyseöl BioSyncrude Erhalt von ca. 85% der Energie der Ausgangsbiomasse

12 Anlagenschema der Schnellpyrolyse Heißer Sand Zyklon Filter Silo Biomasse Luft Zyklon Quenche Fackel M Zerkleinerung Luft Reaktor Kondensator I Kondensator II Sand Brenner M Koks Kühlung Koks Schwelteer Wässriges Kondensat

13 Versuchskampagnen Wärmeträger 10:1 14 Fahrten von typischerweise 2 Wochen Dauer Wärmeträgerkreislauf ca h Produktverteilung in Übereinstimmung mit Technikumsanlage Wasser Stroh (waf) Schwelteer Pyrolysgas Schwelwasser Ash Feststoff Sandabrieb Koks zur internen Verbrennung

14 Schnellpyrolyse unterschiedlicher Biomassen Holz Miscanthus Asche Koks Weizenstroh Kondensate Pyrolysegas Reisstroh Produktausbeuten [%]

15 BioSyncrude Fließfähige, stabile Suspension für Transport und Lagerung Zerstäubungsfähig zur Vergasung Niedrige Gefährdungseinstufung Mit wenig Aufwand herstellbar

16 Transportkosten /t (waf) Energieverdichtung mit BioSyncrude 2,2 GJ/m km Bahn 30 km Stroh 50 LKW Traktor BioSyncrude LKW Bahn Entfernung / km BioSyncrude 22 GJ/m

17 bioliq - Flugstromvergaser

18 Hochdruck-Flugstromvergasung Speziell für aschereiche Brennstoffe geeignet Flexibler Betrieb mit Sauerstoff als Vergasungsmittel Technischer Nachweis durch Versuchskampagnen am 3-5 MW-Pilotvergaser in Freiberg mit 70 t BioSyncrude Druckstufen 40 und 80 bar am KIT-Pilotvergaser teerfreies, methanarmes Syngas bei Synthesedruck ohne Zwischenkompression Synhesegaszusammensetzung Kühlschirm Komponente Vol% H CO CO CH H 2 O O 2 0 N

19 CO/H Verhältniss Vergasungsversuche bei Future Energy, Freiberg 3,50 3,00 2,50 2,00 1,50 Biosyncrude aus trockener Lignocellulose T/ C 1,00 0,50 0, Partikelgröße x 80 = 53 µm % Sauerstoff im Biosyncrude

20 bioliq Hochdruck-Flugstromvergaser

21 Flugstromvergaser

22 bioliq Synthesegasreinigung

23 Konzept der Heißgasreinigung Vergasung C Sauergas Sorption Entstaubung Restorganik NH 3 CO 2 Abscheidung Nutzung 800 C C SOFC / MCFC HTHP-Gasreinigungsverfahren RT 500 C 350 C Selexol Ultraclean Aminwäsche (MEA, DEA, mdea) < 500 C Gasturbine/GUD C SNG C Wassergas-Shift C MeOH, DME, FT - 70 C Rectisol (MeOH)

24 Komponenten der Heißgasreinigung HTHP-Trockensorption zur Abtrennung von Sauergasen und Alkalien Katalytische Zersetzung von organischen und stickstoffhaltigen Verbindungen CO 2 -Abtrennung (optional) 700 Nm 3 /h Synthesegas (40 Bm³/h bei 80 bar, 800 C) Rohsyngas vom Vergaser Keramik filter Rohsyngas Festbettreaktor (Flugstromsorption) Flugstromsorbent Gasanalyse Katalysator Shiftreaktor CO 2 Abscheider Reingas Synthesegas Mögliche Energieeinsparung ca. 10% gegenüber konventioneller Gasreinigung Prozessintensivierung durch Integration mehrerer Prozessschritte katalytisches Keramikfilter Sicherheitsbett

25 bioliq Synthesen

26 Synthesegaschemie via Methanol Vielfältige Produktmöglichkeiten mit hoher Selektivität Fokus derzeit auf hoch klopffestes Benzin Weiterentwicklung zu Mitteldestillaten (Kerosin, Diesel) Oxygenate (sauerstoffhaltige Additive) EtOH + höhere Alkohole Syngas-To-Alcohols (STA) Dimethylether-To-Olefins (DTO) Syngas MeOH DME Olefine Fuels Syngas-To-DME (STD) bioliq IIIb DME-To-Gasoline (DTG) bioliq IV

27 DME-Direktsynthese Günstig für variable CO/H 2 -Verhältnisse Bifunktionale Katalysatorsysteme mit für Methanolbildung und -dehydratisierung DME interessant als Flüssig- Erdgas- und Dieselersatz F+E: Katalysatorentwicklung, Prozessoptimierung DME-Synthese: 2 CO + 4 H 2 2 CH 3 OH 2 CH 3 OH CH 3 OCH 3 + H 2 O 2 CO + 4 H 2 CH 3 OCH 3 + H 2 O Wassergas-Shift-Reaktion: CO + H 2 O CO 2 + H 2 3 CO + 3 H 2 CH 3 OCH 3 + CO 2 H 2 / CO CO- Umsatz (%) DME- Selektivität (%) CO 2 - Selektivität (%) Methanol- Selektivität (%)

28 Temperatur / C DME/Benzin-Synthese Direktsynthese von DME mit Mischkatalysator bei 250 C, 60 bar Benzinsynthese durch Zeolith-katalysierte Dehydratisierung Oligomerisierung Isomerisierung von DME 275 bei 350 C, 25 bar 250 Keine Einstellung des CO/H 2 -Verhältnisses Effizientere Technologie Verbessertes Produkt Ottokraftstoff (DIN EN 228) MLV1-14 MKL Verdampfte Menge / Gew.%

29 DME/Benzin-Pilotanlage

30 Syntheseanlagen

31 Zusammenfassung bioliq Erzeugung hochwertiger Syntheseprodukte hohe Wertschöpfung, innovative Technologie Verwendung vieler Arten von Biomasse großes Einsatzstoff-Spektrum Keine Konkurrenz zur Flächennutzung Verwendung von biogenen Reststoffen Dezentral/zentrales Konzept Mobilisierung großer Mengen an Biomasse Regional verteilte Anlagen zur Vorbehandlung Einkommensquelle in der Landwirtschaft Prozessenergie stammt aus der eingesetzten Biomasse großes CO 2 -Reduktionspotenzial Großtechnische Synthesegaserzeugung wirtschaftliche Großanlagen

32 Energie- und Massenbilanz Lignocellulose 100 % Schnellpyrolyse ~ 3 % 7,5 t Holz oder Stroh mit 15 Gew.% H 2 O ~ 3 % Kondensat/Koks Slurry ~ 90 % Pyrolysegas ~ 7 % Flugstrom- Druckvergasung ~ 3 % 5,4 t Kondensat/Koks - Slurry oder Paste plus ~ 2,7 t technischer O 2 ~ 1 % Synthese- Rohgas Synthese- Reingas ~ 76 % Reaktionswärme ~ 13 % 1,2 t FT-Synthese-Rohprodukte ~ 1 % ~ 1 % Wärmeverluste: Summe ~ 6 % FT- Synthese ~ 40 % C 5+ FTS- Produkte Synfuel, Wachse, Olefine... FTS - Reaktionswärme ~ 18 % Syntheseprodukte ~ 51 % nicht umgesetztes Syngas ~ 6 % ~ 5 % Strom und HT Dampf: ~ 42 % 1 t Synthesekraftstoff Trennung C 5- - Produkte Koppelproduktion von ~ 5 % wertvolle C 5- Produkte Kraftstoff, Strom, Wärme Kostenschätzungen 1,00 1,70 /kg

33 Zeitliche Entwicklung 2002 Konzeption des Karlsruher BtL-Verfahren 2003 Technikumsanlage für die Schnellpyrolyse (MLR) 2004 Druckvergasungsversuche im Pilotvergaser in Freiberg 2005 Kontinuierliche Herstellung von Slurrys Demonstration der technischen Machbarkeit FNR-Antrag zur bioliq -Pilotanlage 2006 Baubeginn Baustufe I, Schnellpyrolyse 2008 Antragstellung Baustufe II, Synthesegaserzeugung Inbetriebnahme Schnellpyrolyse 2009 Antragstellung Baustufe III, Gasreinigung und Methanolsynthese 2010 Baubeginn Stufen II-IV 2011 Mechanische Fertigstellung Syntheseanlagen 2012 Mechanische Fertigstellung Gaserzeugung 2013 Inbetriebsetzung Stufen II-IV 2014 Betrieb bioliq -Gesamtanlage

34 BTL-Projekte in Europa Prozess Typ Kapazität Druckstufe KIT bioliq, D Schnellpyrolysie + Hochdruck- Flugstromvergasung + Heißgasreinigung + DME und DtG Benzinsynthese 5 MW th (2 MW th ) 80 bar Carbo-V, D CGT Druck-Flugstromvergaser, FT-Synthese (Anlage still gelegt, Rechte bei KCA Linde) 45 MW th 4 bar Biodies, F BioTfueL, F Güssing, A BioDME, S Vorbehandlung + Flugstromvergasung + Rectisol + GTL.F1-Synthese (Vorplanung) 5 MW th? 30 bar? Torrefaction + Uhde Prentflo-Vergasung + FT-Synthese (neue Standortplanung) 15 MW th n.b. Gestufte Wirbelschicht, Strom, SNG (1 MW) und FT-Synthese (Labor) 8 MW th atm. Schwarzlauge-Flugstromvergasung + DM E/Methanol-Synthese (Chemrec, jetzt Uni Lund) 5 t/d DME 29 bar Neste Oil, FI Zirkulierende Wirbelschicht, FT-Synthese 12 MW th atm. Värmlands methanol, S HTW-Vergasung (Uhde), Methanol+Wärme 111 MW th n.b

35 Schlussfolgerungen Biomasse kann und muss einen signifikanten Beitrag zum Energiemix und als neue Kohlenstoffquelle für Chemie und Materialien leisten Die Synthesegas-Plattform ist eine gute Schnittstelle zwischen Energie und Chemie Großtechnische Verfahren sind nur mit einer möglichst breiten Palette an Einsatzstoffen möglich Bedarf an Allesfresser -Verfahren Möglichst effiziente Nutzung Stoff- und Energieverbund (Bioraffinerie) mit möglichst hoher Wertschöpfung (Kaskadennutzung) Biomasse wird der Biosphäre entnommen und hat vielfältige, komplexe Auswirkungen auf Gesellschaft, Ökologie und Ökonomie Bioökonomie als Gesamtsystem betrachten

36 Die weltweite Nachfrage nach Kraftfahrzeugen wird eine Million nicht überschreiten allein schon aus Mangel an Chauffeuren Gottlieb Daimler 1901 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!