STANDORT HÖXTER FACHGEBIET ABFALLWIRTSCHAFT UND DEPONIETECHNIK
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- Viktoria Ackermann
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1 STANDORT HÖXTER FACHGEBIET ABFALLWIRTSCHAFT UND DEPONIETECHNIK Machbarkeitsstudie zur Energiegewinnung aus organischen Siedlungsabfällen durch Hydrothermale Carbonisierung Fördernde Institution Deutsche Bundesstiftung Umwelt Projektlaufzeit 07/ /2009 Durchführende Institutionen Federführung und abfallwirtschaftliche Grundlagenwissenschaftliche Begleitung Grenzflächenforschung Bearbeitung verfahrenstechnischer Bearbeitung abwassertechnischer Hochschule Ostwestfalen-Lippe, Standort Höxter FG Abfallwirtschaft und Deponietechnik Prof. Dr.-Ing. Hans-Günter Ramke Max-Planck-Institut für Kolloid- und Abteilung Kolloidchemie Prof. Dr. Markus Antonietti Dr.-Ing. Hans-Joachim Lehmann, Dipl.-Chemiker, Beratender Ingenieur Hochschule Ostwestfalen-Lippe, Standort Höxter Fachgebiet Wassertechnologie Prof. Dr.-Ing. Joachim Fettig Einführung Die zunehmende Nachfrage nach Energie, abnehmende Ressourcen fossiler Brennstoffe und die damit zu erwartenden Engpässe bei der Energieversorgung führen dazu, dass auch die energetische Nutzung von Bioabfällen forciert wird. Bisher wurden Bioabfälle aus Haushaltungen entweder kompostiert und stofflich verwertet oder über die Prozesskette Vergärung mit anschließender Energieerzeugung in BHKW energetisch genutzt. Der Markt für Komposte ist in Deutschland jedoch recht klein. Damit wird die Energiegewinnung aus organischen Abfällen in Biogasanlagen zunehmend interessant. Der energetische Wirkungsgrad der Vergärungsanlagen erscheint aber insbesondere dann, wenn nur elektrische Energie gewonnen wird, bezogen auf den Gesamtenergiegehalt der organischen Abfälle verhältnismäßig gering.
2 Im Kontext der Effizienzsteigerung beim Einsatz erneuerbarer Energien wurde die Hydrothermale Carbonisierung (HTC) am Potsdamer Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung in Golm/Potsdam unter der Leitung von Professor M. Antonietti, Direktor der Abteilung Kolloidchemie, wieder entdeckt und weiterentwickelt. Die HTC basiert auf dem natürlichen Prozess der Inkohlung von organischem Material, der über lange Zeiträume hinweg unter geologischen Einflüssen stattfindet. Unter Hydrothermaler Carbonisierung kann die Verkohlung organischer Materialien in wässriger Phase unter erhöhten Temperaturen und Drücken verstanden werden. Bei der Hydrothermalen Carbonisierung wird pflanzliche Biomasse in wässriger Suspension unter Druck und Luftabschluss bei 180 C bis 220 C für vier bis zwölf Stunden erhitzt. Der Kohlenstoff, der in dem Pflanzenmaterial gebunden war, liegt nach der Konversion in Form von Kohlepartikeln vor. Bei den maßgeblichen Umsetzungsprozessen während der Hydrothermalen Carbonisierung handelt es sich, vereinfacht gesehen, um die Abspaltung von Wasser (Dehydratisierung) und Kohlendioxid (Decarboxylierung) aus Kohlenhydraten. Die Energiebilanz dieser Reaktion ist exotherm. Die entstehende HTC-Biokohle (HTC-Biochar) ist gut entwässerbar und kann nach der Aufbereitung verbrannt oder den bekannten industriellen Verwertungsschritten von Braunkohle zugeführt werden. Damit bietet dieser Konversionsprozess die Möglichkeit insbesondere feuchte, schlecht entwässerbare Biomasse gezielt dort zu verwerten, wo die darin enthaltene Energie wirksamer genutzt werden kann als z.b. bei der Vergärung. Projektübersicht Der Einsatz der Hydrothermalen Carbonisierung bei der energetischen Verwertung von Bioabfällen wurde in vier miteinander verbundenen Aufgabenblöcken untersucht, um zum einen zu klären, ob die Anwendung des Verfahrens bei organischen Siedlungsabfällen energetisch und wirtschaftlich interessant ist, und um zum anderen die Voraussetzungen für eine Umsetzung in den technischen Maßstab zu schaffen. Den Schwerpunkt des Projekts bildeten die Versuche zur Hydrothermalen Carbonisierung einschließlich der Untersuchungen der Input- und Output-Materialien, die im Labor für Abfallwirtschaft des Fachgebiets Abfallwirtschaft und Deponietechnik durchgeführt wurden. Im Fachgebiet Wassertechnologie des Standortes Höxter wurden die Zusammensetzung der flüssigen Phase der HTC in abwassertechnischer Hinsicht analysiert und verschiedene Möglichkeiten der aeroben und chemisch-physikalischen Reinigung erprobt. Das Max-Planck-Institut in Golm hat seine grundlagenwissenschaftlichen Erkenntnisse in das Projekt eingebracht, wesentliche Hinweise zur Prozessführung gegeben und ausgewählte HTC-Biokohlen analysiert. Herr Dr. Lehmann, Beratender Ingenieur, Berlin, hat die Projektgruppe während der gesamten Projektlaufzeit verfahrenstechnisch beraten, Messungen zur Energiefreisetzung vorgenommen und ein Konzept für einen kontinuierlichen HTC-Prozess entwickelt.
3 Untersuchte Materialien Als Standardsubstrate zur Erprobung und Optimierung der Versuchsbedingungen wurden Mischungen aus Maissilage, Rübenschnitzeln, Gärresten und Stroh eingesetzt. Bioabfälle aus der Grünen Tonne, Grünschnitt (Rasen- und Strauchschnitt) und Laub waren die schwerpunktmäßig untersuchten Stoffgemische der organischen Siedlungsabfälle. Beispiele für Input-Material (Bioabfall) und HTC-Biokohle (aus Grünschnitt) Aus dem Bereich der Gewerbe-/Industrieabfälle kamen Citrusfrüchte, Speisereste, Biertreber, und Holzspäne zum Einsatz. Außerdem wurde das Verhalten von stark wasserhaltigen Substraten wie Gärresten aus Biogasanlagen und Klärschlammen aus kommunalen Kläranlagen in der HTC überprüft. Untersuchungsmethoden Die Versuche zur Carbonisierung wurden im Labor des Fachgebiets Abfallwirtschaft und Deponietechnik in einem Autoklav mit einem Volumen von 25 L durchgeführt, der mit einer speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) ausgestattet wurde. Während der Projektlaufzeit wurden mehr als 150 Hydrothermale Carbonisierungen ausgeführt und die entstandenen Produkte analysiert. Die Versuche erfolgten als Batch-Versuche (Chargenbetrieb). Bei allen HTC-Versuchen wurden die physikalischen Parameter Temperatur, Druck und Energieeintrag kontinuierlich aufgezeichnet. Das entstehende Gas wurde aufgefangen, nach der Carbonisierung wurde die HTC-Biokohle entwässert.
4 Autoklav, 25 L, für Batch-Versuche zur HTC, Neuausführung in Edelstahl, und Steuerung Es wurden regelmäßig Analysen zur Zusammensetzung und zum Gasbildungspotenzial der Input-Materialien und natürlich zur Zusammensetzung der festen Phase, der HTC- Biokohle, vorgenommen. Ferner wurden die flüssige Phase und die Gasphase analysiert. Den Abschluss der Arbeiten bildeten Gärtests zur Überprüfung der anaeroben Abbaubarkeit der festen und flüssigen Phase des HTC-Outputs. Inkohlungsdiagramm zur Darstellung der Molverhältnisse vor und nach der Hydrothermalen Carbonisierung
5 Ergebnisse Die Ergebnisse des Projekts können wie folgt zusammengefasst werden: - Die Carbonisierungen waren mit den meisten Materialien erfolgreich. Der Vergleich der Elementgehalte (CHNO) der Input-Materialien und der HTC-Biokohlen gibt klare Hinweise auf das Ausmaß der erfolgten Carbonisierung. - Der Großteil (im Mittel ca. 75 %) des eingesetzten Kohlenstoffs wird in Form von Braunkohlepartikeln durch die Reaktion im festen Reaktionsprodukt eingebettet. Ein Teil des Kohlenstoffs, je nach Reaktionsbedingungen ca. 20 %, verbleibt in der flüssigen Phase. Der geringe Rest (ca. 5 %) ist in der Gasphase wieder zu finden. - Die erzeugten Materialien (HTC-Biokohlen) sind in den meisten Fällen hinsichtlich ihrer Hauptbestandteile und der Brennwerte als braunkohleartig zu bezeichnen. - Die flüssige Phase hat nach der Carbonisierung hohe TOC- und CSB-Gehalte, die in meist deutlich über mg TOC/L und mg O 2 /L für den CSB liegen. - Die flüssige Phase besitzt als Reaktionsprodukt u. a. einen nicht unerheblichen Anteil an organischen Säuren und ist anaerob umsetzbar. Hierdurch ist eine energetische Verwertung der flüssigen Phase in Form von Methan (CH 4 ) möglich. - Das freigesetzte Reaktions-Gasvolumen liegt in einer Größenordnung von ca L/kg TS. Das freigesetzte Gas besteht dominierend aus Kohlenstoffdioxid. - Der energetische Vorteil der Hydrothermalen Carbonisierung besteht in der Exothermie einiger der ablaufenden Reaktionen. Bei den untersuchten Substraten wurden im Mittel ca. 10 % des Brennwerts der Input-Materialien als Wärme während des HTC-Prozesses freigesetzt. - Ein weiterer entscheidender Vorteil der Behandlung von wässrigen organischen Abfällen mit der Methode der HTC liegt in der deutlichen Verbesserung des Entwässerungsverhaltens des entstandenem Wasser-Kohlenstoff-Gemisches, wodurch die Brennstoffherstellung begünstigt wird. - Bei den Bilanzierungen zur Bestimmung der Kohlenstoffeffizienz ist auf den Zweck der Carbonisierung abzustellen. Eine energetische Nutzung der Bioabfälle erfordert eine andere Bilanzierung als eine Nutzung der HTC-Biokohlen als Bodenverbesserungsmittel. - Ein energetischer Vergleich der Konversionspfade HTC und Biogasgewinnung zeigte, dass die HTC bei vielen Input-Materialien, auch bei Bioabfällen aus Haushalten, energetisch vorteilhafter ist. Der Abschlussbericht des Forschungsvorhabens steht auf den Internetseiten der DBU und des Fachgebiets zur Verfügung. Ansprechpartner Professor Dr.-Ing. Hans-Günter Ramke Hochschule Ostwestfalen-Lippe, Standort Höxter An der Wilhelmshöhe 44, Höxter Tel / , hans-guenter.ramke@hs-owl.de
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