Integration der Produktion von Biowasserstoff und Biogas aus lignozellulosehältiger Biomasse

Transkript

1 Integration der Produktion von Biowasserstoff und Biogas aus lignozellulosehältiger Biomasse Walter Wukovits, Adela Drljo, Anton Friedl Technische Universität Wien, Institut für Verfahrentechnik, Umwelttechnik und techn. Biowissenschaften Getreidemarkt 9/166-2, 1060 Wien ac at ProcessNet 2014, 30. September 2. Oktober 2014, Aachen

2 Inhalt Einleitung Wasserstoff aus erneuerbaren Rohstoffen Prozessübersicht Fermentative Wasserstoffherstellung Integrierte Biowasserstoffproduktion HyTime Prozess Rohstoffvorbehandlung Massen- und Energiebilanz Erzeugung von Wärme und Strom aus Prozessrückständen Zusammenfassung und Ausblick

3 Einleitung Heutige Wirtschaft und Energieversorgung geruht global vorwiegend auf fossilen Energieträgern Verstärkte Nutzung auch in der Industrie Düngemittel, Raffinerie (Schwerölverarbeitung, Entschwefelung) Wasserstoff wird als einer der wichtigsten Energieträger der Zukunft angesehen Keine CO 2 -Emissionen bei Nutzung Großteil des Wasserstoffs wird derzeit auf thermochemischem Weg aus fossilen Rohstoffen gewonnen Wichtigster Prozess: Dampfreformierung von Erdgas

4 Wasserstoff aus erneurbaren Rohstoffen

5 Wasserstoff aus erneurbaren Rohstoffen

6 Fermentative Wasserstoffproduktion Biologische Prozesse finden hauptsächlich unter Umgebungsbedingungen statt weniger energieintensiv als chemische oder elektrochemische Prozesse Rohstoffe: Carbohydrathältige organische Substrate und Abfallströme (nasse/feuchte Biomasse) Kein Rohstoffkonflikt flikt mit Biomassevergasung Geeignet zur Umsetzung in kleinen, dezentralen Einheiten Herausforderung nach wie vor das Erzielen von hohen Ausbeuten und Produktivitäten Vor allem Dunkelfermentation zeigt positive Ergebnisse in Laborstudien

7 HyTime - Projekt Integriertes Projekt, FP7: Low temperature hydrogen production from 2 nd generation biomass Ziel : Beschleunigung der Umsetzung eines industriellen i Bioprozesses für die dezentrale Wasserstoffherstellung aus Biomasse der 2. Generation Start 01/2012 Ende 12/ / Partner, 6 Länder

8 HyTime - Projektziele Optimierung der Bereitstellung und Zerlegung von Biomasse der 2. Generation zu geeigneten Substraten für die fermentative Wasserstoffproduktion Entwicklung eines Reaktor-Prototyps zur Wasserstofffermentation mit hoher Produktionsrte und Ausbeute (Ziel: 1-10 H 2 kg /d) Design eines effizienten Gasreingundskonzeptes für den Betrieb bei niedrigem Druck und niedriger Temperatur Verbesserung der Effizienz des Gesamtprozesses durch Prozesssimulation, Prozess- und Wärmeintegration Entwicklung eines Anlagenkonzeptes om vor-kommerziellen Maßstab zur mittelfristigen Umsetzung der fermentativen Wasserstoffproduktion

9 HyTime - Prozess

10 Vorbehandlungsverfahren Hydrolysat

11 Bilanzen Vorbehandlung Säure +Enzym Weizenstroh Gerstenstroh Schnittgras (HYVOLUTION) Dampf+Enzym (H 2 O Impreg.) Dampf+Enzym (Sre. Impreg.) Säure +Enzym Alkali +Enzym Ca(OH) 2 +Enzym (Simulation) Rohstoff (dm), kg/kg Zucker 2,0 2,0 2,5 2,8 1,9 3,3 Waschwasser, 20,0 20,3 24,3 kg/kg Zucker Chemikalien, kg/kg Zucker 0,47 0,46 0,05 0,19 0,22 Enzyme, 0,57 0,61 4,2 0,8 0,67 0,98 (Lit.) kg/kg Zucker 27,7 Prozesswärme, kwh/kg /gzucker Zuckerausbeute, %theoret. 2,9 4,2 5,3 4,9 2,5 3,5 70,9 54,5 51,0 61,8 48

12 Bilanzen Vorbehandlung Säure +Enzym Weizenstroh Gerstenstroh Schnittgras (HYVOLUTION) Dampf+Enzym (H 2 O Impreg.) Dampf+Enzym (Sre. Impreg.) Säure +Enzym Alkali +Enzym Ca(OH) 2 +Enzym (Simulation) Rohstoff (dm), kg/kg Zucker 2,0 2,0 2,5 2,8 1,9 3,3 Waschwasser, kg/kg Zucker Chemikalien, kg/kg Zucker 20,0 20,3 24,3 27,7 0,47 0,46 0,05 0,19 0,22 Enzyme, 0,57 0,61 4,2 0,8 0,67 0,98 (Lit.) kg/kg Zucker Prozesswärme, kwh/kg /gzucker Zuckerausbeute, %theoret. 2,9 4,2 5,3 4,9 2,5 3,5 70,9 54,5 51,0 61,8 48

13 Dunkelfermentation, thermophil Substratkonzentration Fermenter: 10 g/l Fermentertemperatur: 70 C H 2-Produktivität H 2-Ausbeute H 2 Rohgas (mmol/l*h) (mol/mol C6) (vol%) Glucose 16,9 3,2 16,1 DLO FBR 50 L Reaktor Gras 21,6 3,6 19,4 Ausbeute: D = 0,1 h 1 5,7 L Reaktor

14 Biogasfermentation/Biogasnutzung Modell Biogasfermentation COD Buswell Formel Stoichiometrische Reaktionen Faktoren Nach VDI 4630 Anpassung an BMP-Tests Modell Biogasnutzung CHP/Gasmotor Elektr. Wirkungsgrad: 40,35%* Therm. Wirkungsgrad: 43,85%* Verbrennung CH 4 /CO 2 -Trennung * Wirkungsgrade aus Datenblättern GE Jenbacher

15 Bilanzen Wasserstoffproduktion Rh Rohgas: 10 kg H 2 /d Schnittgras Weizenstroh Rohstoff, kg/h feucht Rohstoff, kg/h trocken Wasserbedarf, kg/h Chemikalien, kg/h 13,4 18,3 Wärmebedarf vor Integration, kw 96,7 115,8 Wärmebedarf nach Integration, kw 40,1 42,8

16 Biogasertrag und Biogasnutzung Biogasproduktion Schnittgras Weizenstroh Massenstrom Biogas, kg/h Biogasertrag, kg/kg trockener Biomasse CH 4 Stoich. Reaktor, m 3 /m 3 Substrat CH 4 COD, m 3 /m 3 Substrat Strom- und Wärmeproduktion Schnittgras Weizenstroh Wärmebedarf Prozess, kw Wärmproduktion CHP, kw Stromproduktion CHP, kw Wärmeüberschuss/defizit, kw

17 Zusammenfassung / Ausblick Prozesssimulation wurde eingesetzt um die grundlegenden Bilanzen einer Wasserstofffermentation auf Basis unterschiedlicher Rohstoffoptionen zu berechnen. Die Produktion von Biogas aus den Rückstandsströmen des Prozesses und dessen Nutzung in einem Gasmotor ermöglich die Deckung des Wärmebedarfs des Prozesses Herausforderung ist die Verbesserung von Produktivität und Ausbeute in der Rohstoffvorbehandlung und Wasserstofffermentation Einfluss der Gasaufbereitung auf Wärmebedarf und Effizienz des Gesamtprozesses

18 Danksagung HyTime wird co-finanziert durch Mittel der Europäischen Kommission Fuel Cells and Hydrogen Joint Undertaking, FCH-JU (Vertragsnummer ). WIEDEMANN-Polska Projekt