Vergasung und Hydrothermale Carbonisierung Wege zur Nutzung von Resten aus der Palmölindustrie. Marco Klemm

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1 Vergasung und Hydrothermale Carbonisierung Wege zur Nutzung von Resten aus der Palmölindustrie Marco Klemm

2 Brennstoffeigenschaften von Resten der Palmölproduktion Reststoffart Anteil in % an der Frucht Elementaranalyse in % der Trockenmasse Waser Heizwert (nass) C H O N S Asche in % in MJ/kg Leere Fruchtkörper 21 45,5 5,5 43,4 0,5 0,04 5,1 57,2 5,4 Fasern 13 46,9 5,9 42,7 1,1 0,09 3,3 37,2 10,6 Schalen des Fruchtkernes 16 46,7 5,9 42,0 1,0 0,06 4,4 21,4 14,0 [ GIZ] 2

3 Ziele der Biomassekonversion Ziel: Nutzenergie (Energieform, die der Verbraucher tatsächlich anwendet) Licht mechanische Energie (Bewegung) Wärme, Kälte chemisches Endprodukt Zwischenstufe: Sekundärenergieträger, veredelte Biomasse, chemischer Grundstoff modifizierte Biomasse Kohlenstoff Öle (Kohlewasserstoffgemische) Synthesegas (H 2, CO, ) Methan, Wasserstoff, flüssige Syntheseprodukte (Methanol, Alkane, ) 3

4 Grundlegende Wege der Brennstoffveredlung Vergasung 4

5 Ziel der Vergasung 5

6 elektrischer Anlagenwirkungsgrad [%] Vorteile der Vergasung Bereitstellung von elektrischer Energie im kleinen Leistungsbereich mit hohem Wirkungsrad innovative Verstromungswege (Brennstoffzelle ) alternative Anwendungen (synthetisches Erdgas, flüssige Kraftstoffe, ) Dampfturbine Dampfkolbenmotor Festbettvergaser + Gasmotor 6

7 Grundlegender Prozess 7

8 Aufbau des Gesamtsystems Biomasse Vergasungsmittel (Luft, Dampf, O 2 ) Hilfsstoffe Hilfsenergie Annahme Lagerung Biomassekonditionierung Wärme Systemgrenze Zerkleinerung/ Pelletierung Gaserzeugung Gasaufbereitung Gasnutzung Siebung Trocknung Biomassevergasung Gaskühlung Gaskonversion (Motor, Gasturbine, Methansierung, ) Filtration Wäschen Abgaskühlung Abgasreinigung Abwärme Reststoffe (Feingut, Stäube, ) Asche/ Koks Abwasser Reststoffe Abwasser Strom Nutzwärme Abgas Quelle: DBFZ Syntheseprodukte 8 8

9 Vergasergrundtypen Festbettvergaser (z.b. Gegenstromvergaser) Wirbelschichtvergaser (z.b. zirkulierende Wirbelschicht) zunehmende Gasgeschwindigkeit Flugstromvergaser abnehmende Partikelgröße abnehmende Verweilzeit 9

10 Vergasung - Brennstoffanforderungen Festbett Gleichstrom Gegenstrom Zweibettwirbelschichtvergaser (FICFB) Leistungsklasse [MW FWL ] 0,02 3 0, Brennstoffqualität - Körnung [-] - Korngröße [mm] - Wassergehalt [Ma-%] - Aschegehalt [Ma-% wf ] grobkörnig, eng klassiert < 5 grobkörnig < 15 feinkörnig, eng klassiert < 40 k. A. Kaltgaswirkungsgrad [%]

11 Typische Gaszusammensetzung Bezugswassergeh. Brennstoff [% Tockenmasse] Festbettvergaser Gleichstrom Gegenstrom Zweibettwirbelschichtvergaser (FICFB) H 2 [Vol.-%] CO [Vol.-%] CO 2 [Vol.-%] CH 4 [Vol.-%] N 2 [Vol.-%] Rest Rest 1-3 unterer Heizwert [MJ/Nm³] 4,0 5,6 3,7 5,

12 Konzentration [Vol.-%] Heizwert [MJ/m³] Ergebnisse der Vergasung von nicht holzartigen Brennstoffen Erdnussschalen Miscantus Strohpellets Holzhackschnitzel 25 24,0 23,0 22,1 4,5 4,8 4,8 5,0 4,5 20 4,0 3,8 4, ,8 14,6 3,5 3,0 12,2 2,5 10 7,9 6,7 6,3 9,0 8,8 10,0 2,0 1,5 5 3,3 2,1 4,2 2,7 1,0 0,5 0 CO H 2 CO 2 CH 4 Heizwert 0,0 [Klemm, Wilhelm u.a. 2005] 12

13 Stromerzeugung in Zweibettwirbelschichtvergasern als Beispiel I Holz (feucht) Gewebefilter RME Wäscher (make-up) Precoatmaterial Luft Gasmotor G Trockner Dampferzeuger Vergaser Kondensat RME + Teer Abgas Abgas Luvo Elektrischer Wirkungsgrad: > 35 % Luft Asche Holz Luft RME Rohgas Kondensat / Vergaserdampf Precoatmaterial / Staub / Asche 13

14 Stromerzeugung in Zweibettwirbelschichtvergasern als Beispiel II Güssing Feuerungswärmeleistung: 8 MW th Biomasseinput: 1.7 t atro /h RME Input: 12 kg/h Output: 2,4 MW el, brutto Verfügbarkeit: >7.000 h/a Oberwart Feuerungswärmeleistung: 8,5 MW th Output: 2,8 MW el, brutto kommerzielle Anlage Villach Feuerungswärmeleistung: 14 MW th Output: 4 MW el, brutto kommerzielle Anlage mehrere Anlagen im bau und in Planung 14 14

15 Hydrothermale Carbonisierung (HTC) wesentliche Stoffströme, vor allem biogene Reststoffe, sind für etablierte Wege der energetischen Nutzung nur bedingt geeignet: 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 Verwertung ohne Energienutzung, etwa eine Kompostierung. Dabei bleiben wichtige Potenziale ungenutzt und ungeführte Abgasströme werden freigesetzt. Ziel: Umwandlung derartiger Stoffströme in einen Brennstoff! 15

16 Brennstoffveredlung durch HTC Klärschlamm Bioabfall Grünschnitt Gärreste Reste aus der Lebensmittelindustrie HTC Umwandlung in flüssigen Wasser bei milden Bedingungen Klimafreundliche Biokohle mit braunkohleähnlichen Eigenschaften C bar 2 6 h ph < 7 16

17 Brennstoffveredlung durch HTC HTC Foto: DBFZ Foto: DBFZ Foto: DBFZ 17

18 HTC-Gesamtprozess 18

19 Elementarzusammensetzung (waf) in Ma% Erreichbare Kohlequalitäten 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) 19

20 Möglichkeiten der Nutzung der HTC-Kohle Energetische Nutzung Monoverbrennung Mitverbrennung Vergasung Nutzung als Bodenhilfsstoff (bei entsprechenden Edukten) Kohlenstoffträger für industrielle Anwendungen Metallurgie Aktivkohle 20

21 Vorteile der HTC Erschließung neuer Stoffströme für die energetische Biomassenutzung überschaubarer technischer Aufwand gut mechanisch entwässerbares Produkt (50 - > 70 % TS, Biomasseschlamm und 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) 21

22 2 2 Derzeitige Aktivitäten 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) Errichtung einer Demonstrationsanlage mit 2500 t/a Kapazität für Bioabfall Grünnschnitt Gärreste Eröffnung im Sommer 2013

23 Forschung für die Energie der Zukunft Wir laden Sie ein! Ansprechpartner Dr.-Ing. Marco Klemm Tel. +49 (0) DBFZ Deutsches Biomasseforschungszentrum gemeinnützige GmbH Torgauer Straße 116 D Leipzig Tel.: +49 (0)