Die Umwandlung von wässrigen organischen Reststoffen: Produktion von Methan aus Biomasse durch hydrothermale Vergasung

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1 Die Umwandlung von wässrigen organischen Reststoffen: Produktion von Methan aus Biomasse durch hydrothermale Vergasung Oliver Kröcher 1,2, FrédéricVogel 1,2, Martin Lemann 1 1 HydromethanAG, 5232 Villigen PSI, Switzerland 2 Paul Scherrer Institute, 5232 Villigen PSI, Switzerland

2 Hydromethan AG Spin-off des Paul Scherrer Instituts(PSI), gegründet 2010 Unsere Kernkompetenz: EffizienteTechnologiezurProduktionvon synthetischemerdgas(sng) aus wässrigen organischen Abfällen

3 SynthetischesErdgas(SNG): Biokraftstoff der 2. Generation Trock. Biomasse Nasse Biomasse Methan Das natürliche Produkt aus Biomasse Biogas Erdgas Katalytische Methanierung Fermentation Geothermische Umwandlung Sekunden Tage Millionen Jahre E+04 1E+06 1E+08 1E+10 1E+12 1E+14 The Geschwindigkeit der Methanierung macht den Unterschied 1E+16 seconds

4 Energetische Nutzung von SNG Heizkessel Wärme Hydromethan Prozess CH 4 CO 2 Aufbereitung auf Erdgasqualität Kraftstoff Gasmotor Elektrizität

5 Konventionelle Vergasung: Die Prozesseffizienz sinkt mit dem Wassergehalt η chem = chemischer Wirkungsgrad [%] Produktgaszusammensetzung [vol% trocken] η chem = chemischer Wirkungsgrad Wassergehalt [Gew.%] G. Schuster, G. Löffler, K. Weigl, H. Hofbauer, Bioresource Technology 2001, 77, Unterer Heizwert = Lowerheatingvalue(LHV) [kj/m 3 s]

6 Überkritisches Wasser Das grünste organische Lösungsmittel 400 Pressure Druck [bar] (bar) Unterkühlte Flüssigkeit subcooled liquid Critical Point superheated steam Temperature [ C] ( C) Überkritisches supercritical water Wasser Kritischer Punkt Überhitzter Dampf Hydrothermal beziehtsichauf die Umwandlungin Wasser unter Druck( bar) bei Temperaturen von ca C. Dielektrizitätskonstane ε r [-] Hexan Temperatur [ C] Methanol Ethanol Aceton Pyridin THF Diethylether Überkritisches Wasser verhält sich wie ein unpolares Lösungsmittel. Gute Löslichkeit von Teer-artigen und öligen Komp. Reduzierte Löslichkeit von Salzen.

7 Geringer Energieaufwand der hydrothermalen Vergasung Enthalpy-Gewinn bei Vergasung unter überkritischen Bedingungen Enthalpy (kj/kg) p = 1 bar p = 300 bar p = 10 bar p = 250 bar T pc, 300 bar Temperature ( C) [ C]

8 Schema des hydrothermalen Vergasungsprozesses Abgas 450 C Überhitzer & Salzabscheider Gasbrenner Biomasse-Brei 350 C Salzsole Vorerhitzer (Wärmerückgewinnung) Katalytischer Reaktor (Vergasung & Methanierung) CO 2 Luft 300 bar Hochdruck- Schlammpumpe 150 C 300 bar Kühler 400 C Phasentrenner PWS Wasser SNG -Pipeline -Gasmotor - Brennstoffzelle - Gasturbine

9 Kontinuierliche Laboranlage KONTI-2 Kapazität: 1 kg/h Online-Messung von Druck, Temperatur, Leitfähigkeit und Gaszusammensetzung Offline-Messung: Element- und Ionen-Konzentrationen

10 Gaszusammensetzung [%] Leitfähigkeit [ms/cm] Gleichzeitige Vergasung und Salzabscheidung Modell-Biomasse ohne Salz 20 wt% Glyzerin 20 wt% Glyzerin mol/kg K 3 PO 4 Reaktor 400 C Reaktor aus Reaktor 400 C Reaktor aus CH 4 CO 2 H 2 C 2 H 6 Sole Model-Biomasse mit Salz C 3 H 6 /C 3 H 8 Eingang n-c 4 H 10 CO Ausgang zum Reaktor Zeit [h]

11 Vielfältige Rohstoffquellen für die hydrothermale Vergasung Pflanzliche und tierische Bio- Abfälle: Haushalt Gartenbau Landwirtschaft (Gülle, Silagen) Forstwirtschaft Gärrückstände Lebensmittel und Getränkeindustrie Kaffeetrester Melasse Biertreber Obsttrester Schlachtabfälle Organische Industrieabfälle: Klärschlamm aus der Abwasserreinigung Glycerin aus der Biodiesel-Produktion Rückstände aus der Bioethanol-Produktion

12 Optimierung für verschiedene Biomasse-Ressourcen: Beispiel Gärrest Presswasser: Gärrestmit16% TS Ohne Katalysator mit Katalysator Methanol- Phase Hexan- Phase Wässrige Phase Methanol- Phase Hexan- Phase Wässrige Phase

13 Kurze Tauchrohre ausreichend für Salzabscheidung Eingang 100 Testsalz: NaNO 3 Tauchrohr 23 cm T1 Medium Exit, to reactor Na + in Sole [%] 50 Tauchrohr 40 cm ohne Tauchrohr T max 550 C p max 35 MPa T1 Mantel T Mantel Temperatur[ C] T2 Mantel Kurzes Tauchrohr: Vermindert Verstopfungsrisiko Zu kurzes Rohr: Kurzschluss im Fluss Salzabscheidung bricht zusammen Salzsole T2 Medium

14 Planung einer 1 t/h-demonstrationsanlage SNG

15 Demonstrations-Anlage: RI-Fliessbild

16 Energiefluss-Diagramm einer kommerziellen Anlage mit 1 t/h TS Klärschlamm

17 Einfaches Komponenten-Design Wärmetauscher Reaktor

18 Werkstoffwahl kritisch für Salzabscheider Durchfluss-Richtung Langzeit Werkstoff-Tests am KIT mit Salzlösungen bei unterkritischen und überkritischen Bedingungen. Detailierte Werkstoff-Untersuchung nach den Tests an der ZHAW. Beständiger Edelstahl identifiziert.

19 Pilot-Salzabscheider für Test am KIT Volumenstrom: kg/h überkritisches Medium Betriebsdruck bar Betriebstemperatur 450 C (max. 550 C) Iterativer Entwicklungsprozess bei der KASAG GmbH, Langnau: Materialwahl: Basis Korrosionsuntersuchungen Erste Auslegung mit Standardprogrammen (nur bedingt geeignet) Erste konstruktive Umsetzung FEM Berechnung (läuft) Evtl. Anpassung Konstruktion Parallel: Fluid-Simulationand der ZHAW / Kostenkalkulation und Materialanfragen / Erste Vorprüfung TÜV Evtl. Anpassungen Design Abschliessende Berechung und Erstellung Konstruktionszeichnung Abschliessende Vorprüfung TÜV Herstellung Abnahme Auslieferung und Montage

20 Zusammenfassung Seit /11/ /14/15 ab 2016/17 Forschung / Patente 1 kg/h Laboranlage BP, Marktanalyse und -abklärungen Vorprojekt Demoanlage Komponentenentwicklung, Basic Engineering Entwicklung Katalysator Materialtest Salzabscheider Tests mit div. Feedstocks Dauertest Dauertest auf Laboranlage an KIT 100 kg/h Testanlage Katalysatorstandzeit/ S-Abscheidung Demo-Anlage 1 t/h Hydromethan als Eigentümer und Betreiber Mehrere Standort- Optionen Kommerzialisierung 1. Schritt CH+DE Hydromethan: Engineering + Lizenzgeber Biertreber ARA-Klärschlamm Rückstand Biodiesel- Herstellung Rückstand Papier- Herstellung Rückstand aus Algenanlage Biokraftstoff 3. Gen. Lebensmittelindustrie Wir suchen nach INVESTOREN / PARTNERN: Dauertest mitfinanziert durch INVESTOREN / PARTNER Finanzierung der Demonstrationsanlage Einbringen von kommerziellem Knowhow Hydromethan- Hauptaktionäre INVESTOREN / PARTNER finanzieren oder unterstützen Anlagenrealisierungen

21 Danke für Ihre Aufmerksamkeit