Thermochemische Veredlung von Biomasse

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1 Thermochemische Veredlung von Biomasse Chancen und Risiken HolzStrom Eifel - Das Netzwerk stellt sich vor 19. November 2010 in Bad Münstereifel RWTH Aachen

2 Vorstellung L & F Arbeitsgebiete Konversion und Veredlung von nachwachsenden, sekundären und fossilen Energieträgern Insbesondere durch thermochemische Prozess Ausstattung Brennstofflabor Technikum Drehrohr Feuerungsmessstand Biomasse Abfälle Kohle Studiengänge Rohstoffingenieurwesen Umweltingenieurwissenschaften Entsorgungsingenieurwesen

3 Einführung Energetisches Biomassepotenzial in D 1400 Energiepotenzial [PJ/a] Primärenergieverbrauch Deutschland (2004): PJ Technisches Gesamtpotenzial (nur biogen) Ohne Stammholz: ca PJ/a (stoffliche Nutzung) nutzbare Fläche Non-Food-Sektor: 3,5 4,5 Mio. ha Anbaumix stellvertretend für Biogassubstrate, Festbrennstoffe und Treibstoffproduktion Quelle: ATZ Entwicklungszentrum 2007

4 Einführung Energetisches Biomassepotenzial in D 1400 Energiepotenzial [PJ/a] Derzeit rund 50 % des Biomassepotenzials als Abfälle & Reststoffe Quelle: ATZ Entwicklungszentrum 2007

5 Thermochemische Konversionsverfahren Überblick Verbrennung ENERGIETRÄGER Vergasung Verschwelung Fischer-Tropsch Methanolsynth. Methansynth. Konvertierung SynGas Benzin Methanol Methan H 2 Gas Öl Verbrennung KRAFT & WÄRME Koks

6 Thermochemische Konversionsverfahren Wirkungsgrade von Arbeitsmaschinen Quelle: Karl 2005

7 Thermochemische Konversionsverfahren Grundsätzliche Zusammensetzung von Brennstoffen Unterschiedliche Anteile von Wasser Asche (mineralischer Anteil) Brennbarem, Organik (C-Fix + Flüchtige Kohlenwasserstoffe)

8 Thermochemische Konversionsverfahren Prozesse im Überblick Trocknung Strahlung aus dem Feuerraum Konvektion über Luft, Rauchgas Entgasung (Pyrolyse) Flüchtige Bestandteile werden ausgetrieben (Wasser, Schwelgase, Kohlenwasserstoffe) Keine oxidierenden Mittel Abhängig von Wärmezufuhr & VWZ Vergasung Umsetzung von fixem Kohlenstoff zu gasförmigen Produkten Wärme, Wasserdampf, Sauerstoff wirken reaktionsfördernd Verbrennung Vollständige Oxidation der vorher entstandenen Gase und des Rest-C Wesentliche Verbrennungsprodukte: Kohlendioxid und Wasser

9 Thermochemische Konversionsverfahren Prozesse im Überblick Trocknung Entgasung Vergasung Verbrennung H 2 O CO, CH 4, C x H y CO 2,H 2 O Pyrolyseöle CO, H 2, CO 2, CH 4, C x H y, H 2 O, Teere, NH y, NO x H 2 S, COS CO 2, H 2 O CO, C x H y, NO x, SO x C x H y O z, (N, S), Asche C m H n O k, (N, S), Asche C (N, S), Asche Asche Wärme Wärme Luft, O 2, Dampf (Wärme*) Luft, O 2 λ = 0 λ = 0 λ = (0*) 0,2 0,5 λ > C > 250 C > 600 C > 700 C * allotherm

10 Pyrolyse

11 Pyrolyse Produkte Pyrolyseöl aus Getreideabfällen Quelle: Gerdes, Dissertation 2001, Wikipedie

12 Pyrolyse Pyrolyse: Prozessverlauf & Produkte Festbrennstoff Konventionelle Pyrolyse 1. Schritt 2. Schritt Trocknung ca. 100 C Therm. Zersetzung ca C 1. Schritt 2. Schritt Entgasung ca. 475 C Flash - Pyrolyse Verflüssigung (schnelle Gasabkühlung) Pyrolysegas ca. 81 % Pyrolyseöl ca. 0 5 % Pyrolysekoks ca. 14 % Pyrolysegas ca % Pyrolyseöl ca % Pyrolysekoks ca % Quelle: Behrendt 2008

13 Pyrolyse Pyrolyse: Beeinflussung Produktspektrum Quelle: Gerdes, Dissertation 2001

14 Pyrolyse Pyrolyse: Zusammensetzung Flash-Pyrolyseöl aus Biomasse Pyrolyseöl leichtes Heizöl schweres Heizöl Wassergehalt [m%] ,025 max. 7 ph-wert [-] 2,0-3,5 - - Dichte [g/cm³] 1,1-1,3 0,89 0,9-1,02 Viskosität [cst, 50 C] Heizwert (H u ) [MJ/kg] Aschegehalt [m%] 0,01-0,20 0,01 0,1 Flammpunkt [ C] Kohlenstoff-Rückstand [m%] ,2 - Kohlenstoffanteil [m%] Wasserstoffanteil [m%] Sauerstoffanteil [m%] , Schwefelanteil [m%] 0,0-0,6 0,18 1 Feststoffanteil [m%] 0, Natrium-, Kaliumanteil [ppm] Kalziumanteil [ppm] Magnesiumanteil [ppm] Quelle: Gerdes, Dissertation 2001

15 Pyrolyse Pyrolyse: Drehrohr (Schwel-Brenn-Verfahren) Quelle: Thome-Kozmiensky

16 Pyrolyse Bioliq-Verfahren (KIT) Flashpyrolyse von Stroh bei 500 C Erzeugung Bio-Slurry aus Öl und Koks Zweck:Erhöhung Energiedichte für Transport Quelle: Seifert 2007

17 Pyrolyse Biokoks für Gießereiprozesse (RWTH Aachen) Gießereikokspreis /t CO 2 -Gutschrift Rapsstroh Roggenstroh Weizenstroh Gärreste Rinde Grünschnitt Altholz Waldrestholz Landschaftspflegeholz Kokosnussschalen Haselnussschalen Ölpalmkernschalen Pyrolysegas Biokoks Ausbeute rund 30 % % Kohlenstoff

18 Pyrolyse Abfallpyrolyse: CONTHERM-Verfahren Input: 75 MW 66,9 MW EBS + 8,1 MW Gas Eigenbedarf: 0,85 MW Output: 72,5 MW 64,7 MW Gas + 7,8 MW Koks Elektr. Wirkungsgrad: ca. 40 % Quelle: Spindeldreher 2002

19 Pyrolyse Abfallpyrolyse: CONTHERM-Verfahren Quelle: Spindeldreher 2002

20 Pyrolyse Abfallpyrolyse: CONTHERM-Verfahren Quelle: Spindeldreher 2002

21 Vergasung

22 Vergasung Übersicht Biomasse + O 2 / H 2 O CO + H 2 + CH 4 + C x H y + CO 2 Teere + Asche + Koks Gas Luft Imbert Gaserzeuger Quelle: Generatorjahrbuch 1942

23 Vergasung Auto- und allotherme Betriebsweise Technisches Problem der autothermen Vergasung: Teere Technisches Problem der allothermen Vergasung: Eintrag von Wärme in den Reaktor Autotherme Luftvergasung H 2 Allotherme Dampfvergasung H 2 N 2 CO2 C + 2 CH 4 CO CO 2 C 2 + CH 4 CO

24 Vergasung Vergasung: Rohgaszusammensetzung (Biomasse) Luftvergasung Luftvergasung Luftvergasung Gleichstrom Gegenstrom Wirbelschicht Wirbelschicht Dampfvergasung H 2 Vol.-% CO Vol.-% CO 2 Vol.-% CH 4 Vol.-% C 2 + Vol.-% 0, N 2 Vol.-% Rest Rest Rest Staub g/m³ N 0,1 1 (8) 0,1 0,5 (3) 8 60 (100) Teer g/m³ N 0,5 2 (6) (150) 1 10 (30) 0,5 1,5 Heizwert MJ/m³ 4 5,5 3,5 5 3, Quelle: Hasler et al. 1995, 1999; Hofbauer & Kaltschmitt 2001, Karl 2002

25 Vergasung Anforderungen verschiedener Nutzungsverfahren Quelle: ATZ Entwicklungszentrum

26 Vergasung Gasreinigungsverfahren Quelle: Fraunhofer UMSICHT, CHOREN, renet Austria, Kopf AG

27 Vergasung Gasreinigungsverfahren Energetische Nutzung der Teere durch Abscheidung im Edukt Beispiel: Klärschlammvergasung der Kopf AG Quelle: Kopf AG

28 Vergasung Gasreinigungsverfahren Option: Energetische Nutzung der Teere durch Heißgasfilter Druckvergaser Produktgas, entstaubt bis 400 C Rohgas Verdichter Turbine G Kamin HG-Filter Luft Abgas ca C Beheizung Vergaser Sekundärprozesse Quelle: Fa. Herding

29 Verbrennung

30 Thermochemische Konversionsverfahren Überblick Scheitholzkessel Biomasse + O 2 CO 2 + H 2 O + Asche + Wärme Pelletkessel Rostfeuerung Unterschubfeuerung Quelle: Biotech, Schmid, ES+S

31 Verbrennung Emissionen Entwicklung der Feinstaubemissionen PM10 aus Kleinfeuerungen Quelle: UBA, Zentrales System Emissionen

32 Verbrennung Aschegehalte und erweichungspunkte verschiedener Biomassen

33 Verbrennung Ascheerweichung Beispiel Strohpellets Quelle: ATZ Entwicklungszentrum

34 Verbrennung Ascheerweichung Beispiel Klärschlamm Quelle: ATZ Entwicklungszentrum

35 Verbrennung Korrosion Quelle: ATZ Entwicklungszentrum

36 Fazit

37 Fazit Energieerträge verschiedener Biomasse-Nutzungsvarianten Energieertrag in [GJ/ha] [GJ/ha] Schwankungsbereiche KUP Wärme (Verbrennung) KUP KWK (Vergasung) Biogas Strom KWK (Mais) Biogas Strom KWK (Gras) Raps Strom KWK Biogas Treibstoff (Mais) Biogas Treibstoff (Gras) ZR Treibstoff (EtOH) KUP BtL Raps Treibstoff (Diesel) Getreide Treibstoff/EtOH KUP Strom (Zufeuerung KW) Biogas Strom ohne Wärme (Mais) 0 Biogas Strom ohne Wärme (Gras) Raps Strom ohne Wärme Wärme KWK gasförmige / flüssige Treibstoffe Strom ohne Wärme Quellen: FNR 2006, FNR 2005, KTBL 2006, KTBL 2005, dena 2006, Schindler et al. 2006, Arnold et al. 2006, BayLfU 2004

38 Dankeschön fürs Zuhören! HolzStrom Eifel - Das Netzwerk stellt sich vor 19. November 2010 in Bad Münstereifel RWTH Aachen