Mit hydrothermaler Carbonisierung zu innovativen Bioenergieträgern Stand der Technik und Entwicklungsperspektiven

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1 Mit hydrothermaler Carbonisierung zu innovativen Bioenergieträgern Stand der Technik und Entwicklungsperspektiven Marco Klemm, Andreas Clemens; DBFZ Regina Blümel, Falko Kietzmann; HWS

2 2 Zu lösendes Problem Es gibt wesentliche Stoffströme, vor allem biogene Reststoffe, die für die etablierten Wege der energetischen Nutzung (Verbrennung (inkl. Vergasung Pyrolyse), Biogas) nur bedingt geeignet sind, wie Klärschlamm, Gärrest, biogene Siedlungsabfälle (Biotonne ), gartenbauliche und landwirtschaftliche Reststoffe sowie Reste aus der Lebensmittelindustrie. Ursache ist der zu hohe Wassergehalt für eine thermochemische Umwandlung in Kombination zu einer schlechten Vergärbarkeit. Häufig erfolgt deshalb eine Verwertung ohne Energienutzung, etwa eine Kompostierung. Dabei bleiben wichtige Potenziale ungenutzt und ungeführte Abgasströme werden freigesetzt. Ziel: Umwandlung derartiger Stoffströme in einen Brennstoff!

3 3 Vorhandene Stoffströme (Deutschland) Klärschlamm 2,0 Mio t TS 8 10 Mio t OS biogene Siedlungsabfälle (Biotonne) kommunaler Grünschnitt gewerbliche Speiseabfälle 3,8 Mio t OS 5,0 Mio t OS 1,7 Mio t OS Gülle (Rinder, Schweine) Hühnerkot 130,0 Mio t OS 6,0 Mio t OS [Statistisches Bundesamt, Witzenhausen Institut, UBA, DBFZ]

4 4 Lösung Hydrothermale Carbonisierung Klärschlamm Bioabfall Grünschnitt Gärreste Reste aus der Lebensmittelindustrie HTC Umwandlung in flüssigen Wasser bei milden Bedingungen C bar 2 6 h ph < 7 Klimafreundliche Biokohle mit braunkohleähnlichen Eigenschaften 4

5 5 Lösung Hydrothermale Carbonisierung HTC Foto: DBFZ Foto: DBFZ Foto: DBFZ

6 6 HTC - Gesamtprozess

7 7 Versuche am DBFZ Substrate: Bioabfall, Landschaftspflegematerial (LPM), Gärrest 500 ml Laborautoklav 25 % Trockensubstanzgehalt (TS) kein Katalysator Aufheizrate: 2 K/min 3 Temperaturen x 3 Verweilzeiten HTC 2 h 4 h 6 h 180 C x x x 200 C x x x 220 C x x x Foto: DBFZ

8 8 Erreichbare Kohleeigenschaften Elementarzusammensetzung (waf) in Ma% Holz (Fichte) [1] HTC-Kohle aus Bioabfall Bioabfall HTC.180 C.2 h HTC.220 C.6 h Braunkohle [1] O S N H C [1] Kaltschmitt, M. et al.: Energie aus Biomasse (2009)

9 9 Vergleich der Kohlequalität mit anderen Brennstoffen Durchschnittliche Elementarzusammensetzung Elementarzusammensetzung (waf) in Ma% O S N H C [1] Kaltschmitt, M. et al.: Energie aus Biomasse (2009); LPM = Landschaftspflegematerial

10 10 Brennwert in Abhängigkeit von Temperatur und Verweilzeit Brennwert der HTC-Kohlen aus Bioabfall in MJ/kg; (waf = wasser- und aschefrei) HTC 2 h 4 h 6 h 180 C C C

11 11 Mit der HTC erreichbare Vorteile Erschließung neuer Stoffströme für die energetische Biomassenutzung überschaubarer technischer Aufwand gut mechanisch entwässerbares Produkt (50 - > 70 % TS, Klärschlamm % TS) deutliche Verbesserung der Energieeffizienz durch geringeren Trocknungswärmebedarf vereinheitlichtes, lagerstabiles Produkt vollständige Hygenisierung verbesserte Verbrennungs- und Vergasungseigenschaften damit Kohleanwendung auch außerhalb der Großkraftwerke perspektivisch Phosphorrückgewinnung und Schadstoffentfrachtung kleine Anlagen wirtschaftlich realisierbar, (bis < 1 t OS/ h bei Klärschlamm)

12 12 HTC für die Klärschlammverwertung Was bedeutet HTC für die Klärschlammverwertung? gesicherter Verwertungsweg verminderte Entsorgungskosten (inkl. Logistikkosten) Energieeffizienz Einhaltung der emissionsrechtlichen Bestimmungen Unabhängigkeit von Entsorgungspartnern (Mitverbrennung in Großkraftwerken) Dezentralität (entscheidende Stufe auf der Kläranlage)

13 13 Möglichkeiten der Nutzung der HTC-Kohle Energetische Nutzung Monoverbrennung Mitverbrennung Vergasung Nutzung als Bodenhilfsstoff (bei entsprechenden Edukten) Kohlenstoffträger für industrielle Anwendungen Metallurgie Aktivkohle

14 14 HTC - bisherige Arbeiten am DBFZ Konzeptbegutachtungen Stoffstromanalysen experimentelle Untersuchungen (Laborreaktor) Optimierung der Reaktionsbedingungen Stoffverbleib Vorbehandlung Technologieüberblick Beratung bei der Anlagenauswahl Untersuchungen zur Produktanwendbarkeit ökonomische Bewertung

15 15 Demonstrationsprojekt von HWS Halle und DBFZ Integrierte Verwertungsanlage und Strategie für kommunale Biomasse HTC Hallesche Wasser und Stadtwirtschaft BMU-Förderprogramm Energetische Biomassenutzung (Phase II) Projektpartner: Hallesche Wasser und Stadtwirtschaft GmbH (HWS) Deutsches Biomasseforschungszentrum ggmbh (DBFZ) Laufzeit:

16 16 Demonstrationsprojekt von HWS Halle und DBFZ Potenzielle Einsatzstoffe: t Bioabfall t Landschaftspflegematerial t Gärrest Im Vorfeld durch das DBFZ geklärte Fragen: Sind diese Substrate für die HTC geeignet? Wie beeinflussen die Prozessparameter die Ausbeute und die Qualität der HTC-Kohlen? Foto: HWS

17 17 Demonstrationsprojekt von HWS Halle und DBFZ BHKW Strom und Wärme Biomüll (braune Tonne) Vorrotte Vergärung (TNS Loock) Kompostierung Kompost (Verkauf) HTC Kompaktierung HTC-Kohle (Verkauf) Gras- und Laubanteil (Hauptfraktion) Zerkleinerung Kompostierung Kompost (Verkauf) Grünschnitt (Wertstoffhof) Ligninreiche Fraktion (geringe Menge) Zerkleinerung Biomassekraftwerk Strom und Wärme Legende: Bestehende Verwertungspfade Geplante Verwertungspfade Im Vorhaben zu prüfende optionale Verwertungspfade Bestehende und geplante Verwertungsstrategie für biogene Reststoffe in Halle, Demoanlage derzeit im Bau

18 18 Derzeitige Aktivitäten Bauplatzvorbereitung Komponentenfertigung und Montage beim Anlagenhersteller Kalttests versuchsgestützte Auswahl der Zerkleinerungstechnilk Realisierung des Wärmekonzeptes

19 19 Ausblick, nächste Schritte Prozessoptimierung Optimierung der Produktanwendung (Kleinverbrennung, Vergasung) Klärung des Produktstatus Ausgangsstoff spezifische Weiterentwicklungen einstellbare Produktqualität Asche Phosphor Stickstoff Verweilzeit hydrothermale Verflüssigung

20 Mit hydrothermaler Carbonisierung zu innovativen Bioenergieträgern Stand der Technik und Entwicklungsperspektiven DBFZ Deutsches Biomasseforschungszentrum gemeinnützige GmbH Torgauer Straße 116 D Leipzig Germany