Institut für Umwelttechnik und Energiewirtschaft

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1 Institut für Umwelttechnik und Energiewirtschaft Modellierung von fester Biomasse für thermo-chemische und bio-chemische Konversionsprozesse in Aspen Plus Hannes Wagner Workshop Fließschemasimulation in der Energietechnik Leipzig Institut für Umwelttechnik und Energiewirtschaft, Technische Universität Hamburg-Harburg (TUHH) Eißendorfer Straße 40, D Hamburg,

2 Agenda 1. Hintergrund 2. Feststoffe in Aspen Plus - Konventionelle Feststoffe - Kohlemodelle 3. Datenbank für Biopolymere 4. Vergleich: Konventionelle Feststoffe Kohlemodelle 5. Anwendung: Bioraffineriekonzepte 6. Zusammenfassung Fließschemasimulation in der Energietechnik, Leipzig

3 Hintergrund Stoffdaten bilden die Grundlage für Simulation energietechnischer Prozesse. Aufgrund der großen Variation sind Biomassekomponenten meist nicht in Stoffdatenbanken standardmäßig enthalten. Für unterschiedliche Prozesse werden unterschiedliche Stoffdaten benötigt, Bsp.: Thermo-chemische Prozesse: Immediatenanalyse, Elementaranalyse Bio-chemische Prozesse: Strukturanalyse Aufgrund der heterogenen Eigenschaften werden Stoffdaten (Heizwert, Wärmekapazität, Dichte) oft über empirische Modelle berechnet. Diese sind in der Regel für fossile Brennstoffe entwickelt und nicht für Biomasse angepasst. Fließschemasimulation in der Energietechnik, Leipzig

4 Hintergrund: Eigenschaften von Biomasse Je nach Prozess werden unterschiedliche Stoffdaten benötigt, dazu gehören insbesondere: Immediatenanalyse (Wassergehalt, Asche, Flüchtige, Nicht-Flüchtige) Elementaranalyse (C, H, O, N, S, Cl) Strukturanalyse (Lignin, Cellulose, Xylan, Arabinan, Mannan, Galactan, Proteine, Extraktstoffe, etc.) Energiegehalt (Heizwert, Brennwert) Wärmekapazität Dichte EM Rubin Nature 454, (2008) Fließschemasimulation in der Energietechnik, Leipzig

5 Feststoffe in Aspen Plus Feststoffe werden in Aspen Plus in zwei Stoffklassen unterschieden: (i) Conventional Solids: Stoffe mit definierter Molmasse und chemischer Zusammensetzung (ii) Nonconventional Solids: Stoffe ohne definierter Molmasse und chemischer Zusammensetzung Conventional Solids stehen auch über die implementierten Datenbanken zur Verfügung, z.b. SiO 2, C (Graphit), CaCO 3 Nonconventional Solids sind nicht in Datenbanken enthalten. Zur Beschreibung fester Brennstoffe steht hier Modelle für Kohle zur Verfügung. Fließschemasimulation in der Energietechnik, Leipzig

6 Konventionelle Feststoffe Konventionelle Feststoffe können über eigene Datenbanken definiert und in das Datenbanksystem importiert werden. Benötigte Stoffdaten: Zusammensetzung Molmasse Standardbildungsenthalpie Wärmekapazität Dichte Beispiel: Cellulose Zusammensetzung: (C 6 H 10 O 5 ) n Molmasse: 162,14 g/mol Standardbildungsenthalpie: -976,362 MJ/kmol Wärmekapazität: c p (T=25 C) = 1,16 kj/(kg K) Dichte: ρ(t=25 C) = 1529 kg/m 3 Fließschemasimulation in der Energietechnik, Leipzig

7 Kohlemodelle Feste Brennstoffe können als Nonconventional Solids über Modelle für Kohle abgebildet werden. Benötigte Stoffdaten: Immediatenanalyse Elementaranalyse Schwefelanalyse Ggf. Brennwert Auf Basis dieser Daten werden über empirische Modelle der Brennwert, die Standardbildungsenthalpie, die Wärmekapazität und die Dichte berechnet. Die Berechnung der Standardbildungsenthalpie erfolgt auf Basis des Brennwertes. Kleine Ungenauigkeiten beim Brennwert können dabei zu großen Fehlern in der Standardbildungsenthalpie führen. Fließschemasimulation in der Energietechnik, Leipzig

8 Berechnung der Stoffdaten in Aspen Plus Fließschemasimulation in der Energietechnik, Leipzig

9 Kohlemodelle für Biomasse Berechnung von Brennwert und Standardbildungsenthalpie: Higher heating value in kj/kg water-free Statistic value (Biobib) Mott and Spooner 2 Institut of Gas Technology Boie Mott and Spooner 1 Grummel and Davis Dulong Standard heat of formation in kj/kg water-free Wood Wood Straw Straw Statistic value (Biobib) Mott and Spooner 2 Institut of Gas Technology Boie Mott and Spooner 1 Grummel and Davis Dulong Fließschemasimulation in der Energietechnik, Leipzig

10 Kohlemodelle für Biomasse Berechnung von Brennwert und Standardbildungsenthalpie: Higher heating value in kj/kg water-free Standard heat of formation in kj/kg water-free Mott and Kohlemodelle führen bei der Berechnung des Brennwertes von Spooner 1 Grummel and Davis 0 Ca. 2 % Abweichung bei Wood der Berechnung Straw des Brennwertes führen Wood Straw 0 Statistic value (Biobib) zu ca. 10 % Abweichung bei der Standardbildungsenthalpie Mott and Spooner 2 Fließschemasimulation in der Energietechnik, Leipzig Statistic value (Biobib) Mott and Spooner 2 Institut of Gas Technology Biomasse zu niedrigeren Ergebnissen Boie Dulong Institut of Gas Technology Boie Mott and Spooner 1 Grummel and Davis Dulong

11 Datenbank für Biopolymere Zur Simulation von Biopolymeren wurde vom National Renewable Energy Laboratory (NREL) eine Datenbank zur Implementierung in Aspen Plus entwickelt. (1) Diese Datenbank enthält Stoffdaten für z.b. Lignin, Cellulose, Xylan, Extraktstoffe, Proteine sowie unbekannte Feststoffe Auf Basis einer Strukturanalyse können so beliebige Biomassen bestehend aus den einzelnen Biopolymeren als konventionelle Feststoffe in Aspen Plus modelliert werden. Zur Anpassung von Elementar- und Strukturanalyse können die Stoffdaten einzelner Komponenten angepasst werden. Damit stehen einheitliche Stoffdaten für die Simulation biochemischer und thermo-chemischer Prozesse zur Verfügung Abweichung in Energiebilanz zu Kohlemodellen < 0,5 % (1) R. J. Wooley, V. Putsche, Development of an ASPEN PLUS Physical Property Database for Biofuels Components, National Renewable Energy Laboratory, Colorado/USA, 1996 Fließschemasimulation in der Energietechnik, Leipzig

12 Datenbank für Biopolymere Beispiel: Pappelholz Komponente Massenanteil in % Zusammensetzung Brennwert in kj/kg wf Lignin 26,43 C 10 H 12 O Cellulose 42,39 C 6 H 10 O Xylan 15,17 C 5 H 8 O Arabinan 0,69 C 5 H 8 O Mannan 2,20 C 6 H 10 O Galactan 0,91 C 6 H 10 O Acetate 4,60 C 2 H 4 O Extraktstoffe 3,29 CH 1,57 N 0,29 O 0, Sonstige 3,01 CH 4 O 1, Asche 1,31 SiO 2 0 Summe 100 Pappelholz Fließschemasimulation in der Energietechnik, Leipzig

13 Energiebilanz Fließschemasimulation in der Energietechnik, Leipzig

14 Konventionelle Feststoffe vs. Kohlemodelle Vorteile Nachteile Konventionelle Feststoffe Stoffe haben definierte Molmasse und Zusammensetzung Definierte Standardbildungsenthalpie Stoffe können in Datenbanken hinterlegt werden Stoffe können in Reaktionsgleichungen verwendet werden Biomasse auf Strukturbasis zur Simulation bio-chemischer Prozesse Strukturanalyse der Brennstoffe ist aufwendig und oft nicht in Datenbanken verfügbar Biomasse muss aus mehreren Komponenten zusammengesetzt werden. Zusammensetzung einzelner Komponenten müssen angepasst werden, insbesondere Lignin Kohlemodelle Elementarzusammensetzung kann direkt eingegeben werden Brennwert kann direkt vorgegeben werden Brennbare Bestandteile, Asche und Wassergehalt in einer Komponente enthalten Stoffe nicht in Datenbank speicherbar Falls der Brennwert nicht vorgegeben wird, kann dieser nicht direkt ausgelesen werden. Große Unsicherheit bei der Berechnung der Standardbildungsenthalpie Zur Nutzung von vielen Unit Operations ist eine Überführung in andere Stoffklassen (Mixed, Conventional Solids) notwendig. Fließschemasimulation in der Energietechnik, Leipzig

15 Anwendung: Bioraffineriekonzepte Fließschemasimulation in der Energietechnik, Leipzig

16 Anwendung: Bioraffineriekonzepte Simulation von Bioraffineriekonzepten mit Kombination aus thermo-chemischer und bio-chemischer Umwandlung, zum Beispiel Verbrennung oder Vergasung von Reststoffen (Zweiplattform-Bioraffinerie) Möglichkeit der integrieren Prozessoptimierung insbesondere der Wärmeintegration Fließschemasimulation in der Energietechnik, Leipzig

17 Zusammenfassung In der Software Aspen Plus kann Biomasse als konventionelle Feststoffe oder über Modelle für Kohle abgebildet werden. Die implementierten Kohlemodelle führen bei der Berechnung von Brennwert und Standardbildungsenthalpie zu teilweise signifikanten Abweichungen. Auf Basis einer Strukturanalyse können unterschiedliche Biomassen über die enthaltenen Biopolymere als konventionelle Feststoffe modelliert werden. Diese können in Datenbanken gespeichert werden und stehen so in jeder Simulation zur Verfügung. Die Modellierung auf Strukturbasis ist insbesondere für biochemische Konversionsverfahren sowie Prozesse mit kombinierter thermo-chemischer und bio-chemischer Umwandlung vorteilhaft. => Bioraffinerie-Konzepte Fließschemasimulation in der Energietechnik, Leipzig

18 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Kontakt: Dipl.-Ing. Hannes Wagner Institut für Umwelttechnik und Energiewirtschaft Technische Universität Hamburg-Harburg Eißendorferstraße 40 D Hamburg Tel.: +49(0) Gefördert durch: Fließschemasimulation in der Energietechnik, Leipzig