Aktuelle Einschätzungen zur Holzvergasertechnologie Biomassevergasung

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1 Aktuelle Einschätzungen zur Holzvergasertechnologie Biomassevergasung kombiniert mit Aktivitäten von Bioenergy2020+ GmbH. (Graz, AT) M. Kleinhappl Bioenergy GmbH, Graz, Austria

2 Inhalt Bioenergy2020+ GmbH Entwicklungsfelder im Bereich Biomassevergasungstechnik Warum Vergasung? Ziel / Zielprodukte Systembeispiele Österreichische Technologie Unabdingbare Systemanforderungen Fazit Folie 2

3 Bioenergy2020+ als Kompetenzzentrum Zielsetzung: Energetische Nutzung von Biomasse für Wärme, Kraft, technische Gase, Synthesegase u. Treibstoffe aller Art. Kompetenzzentrum als Vernetzungswerk Folie 3 Wissenschaftl. Organisationen: TU Wien, TU Graz, MU Leoben, FH s Grundlagen- und vorwettbewerbliche Forschung Markteinführung und Optimierung im Demonstrationsmaßstab 3 Standorte in AT verteilt: Graz, Güssing, Wieselburg

4 Folie 4 Bioenergy2020+ als Kompetenzzentrum

5 Zentrale Arbeitsgebiete des Arbeitsteam IK (Graz/Güssing) Vergasungstechnik Gasaufbereitung Konditionierung Gasqualitätsparam. Reaktionstechnik Gas/Feststoff Gasanwendung Folie 5 Gaskonversion energet. / stoffliche Nutzung

6 Vergasung als mehrstufiger Prozess; techn. Herausforderungen in einer Prozesskette Neue Konversionsverfahren Indirekte Grenzwertvorgaben (Emissionsbegrenzung) Grenzwertvorgaben Sonstige Prozeßparameter Fluegas Utilisation (CHP) Fuel Gas Heat > 600 C < 200 C clean Power Gasification Air Steam Conditioning Cleaning and Chemicals (polygeneration) Neue Apparatetechnik Nebenanlagen (Emissionsbegrenzung u. Betriebskosten) Probenahme- u. Analysetechnik Sonderverfahren Neue Anwendungsverfahren bedingen spez. Eigenschaften in Bezug auf Gaszusammensetzung und zulässiger Verunreinigungen. Komplexe Systeme benötigen Optimierung. Erfahrungsaustausch für Beprobung und Analysetechnik Folie 6

7 Treibende Entwicklungen in der Vergasungstechnik: Für Kleinanlagen der Kraftwärmekopplung: [ kwel] Auf Basis des Gasmotors verfügbare KWK- Produktgas als Betriebsmittel ist Bindeglied fester Rohstoffe zu den Endenergieformen Strom u. Wärme. alte Vorbilder, teilweise aber auch inkompatible Erwartungen Pioniercharakter, Autarkie-effekt, breite Anwendung (Stückzahl) Nützbarkeit von Abwärme, Grundlastorientierung?einfache Anlagentechnik? Folie 7 Für Großanlagen der Kraftwärmekopplung u. Syntheseproduktion: [ MW Rohstoff Hu] Größe erlaubt umfangreiche Anlagentechnik Endenergieformen Strom u. Wärme und hochwertige, systemkompatible Produkte (SNG, Diesel, Benzin, Benzinzusatz,..) Großanlagentechnik von Kohle und Petrotechnik wecken Erwartungen. Wenige Anlagen ergeben Unikate?Resourcenverfügbarkeit, Gesamteffizienz?

8 Prozessroute KWK und neue High-end-anwendungen Status und Visionen Production Utilisation Gasification Gastreatment Combined Heat & Power CHP Production Industrial status Steam gasification (FICFB gasifier Güssing) Entrained flow gasifiers R&D-Status High temperature slagging gasifier Staged gasification Pressurised fluidised bed gasifier Treatment Industrial status Bag house filters Solvent scrubbing, electrostatic final clean up R&D-Status High temperature particle separation (candles, granular beds) Reactive solid beds (safe guards and bulk separator) Upgrade Gas upgrade Product Synthesis Industrial status Combined scrubbers (Rectisol, Selexol,..) Solid bed adsorbers (safe guards,..) R&D-Status Membrane separation Staged solid adsorbers (cycles) Combined bulk and safe guard adsorbers Fuel cells (SOFC) Catalytic Processing SNG Methane FT Diesel/Gasoline MeOH Methanol XOH mixed Alcoholes DME, DMC H 2 Hydrogen Folie 8

9 Warum Biomassevergasung für die Kraftwärmekopplung? Feste und flüssige Biomasse VERBRENNUNG der Biomasse (Trocknung, Pyrolyse, Oxidation) WÄRME VERGASUNG der Biomasse (Trocknung, Pyrolyse, Oxidation, Reduktion) PRODUKTGAS thermodyn. KREISPROZESS WÄRME: Rankine, Stirling, Joule chemo/elektrischer PROZESS REDOX: thermodyn. KREISPROZESS BSZ VERBRENNUNG, WÄRME: Ottogasmotor, Stirling, Joule Einzelprodukt WÄRME Koppelprodukt mechan. ARBEIT und WÄRME Koppelprodukt STROM und WÄRME Umwandlungsverfahren als Prozessketten: Gesamtwirkungsgrad Produkt der Einzelwirkungsgrade ges Folie 9

10 Vergleich von Konversionsverfahren für die unmittelbare Kraftwärmekopplung Thermodynamische Grenzen durch II. Hauptsatz, z.b. Carnot: ex =(T o -T u )/T o Kopplung von Arbeitsprozessen: exergetische Wirkungsgrade. Folie 10

11 Folie 11 Zielprodukte und Anwendungen des Vergasungssystems Möglichst vollständige Umsetzung des festen/flüssigen Rohstoffes in Wertkomponenten. Wertkomponenten werden anwendungsspezifisch definiert: Kraftwärmekopplung: CO, CH 4, H 2, C x H y (als Heizwert: V gas *Hu) Spezialfall FC: H 2, CH 4, CO (reaktionsspez. Priorität: V gas * xi H2äquival. Syntheseanwendungen: C-H-Relation: nur H 2 und CO sind brauchbar CO wird durch katalytischen Eingriff hydriert; d.h. O teilweise oder komplett über H 2 O entfernt : CO+2 H 2 CH 3 OH, bzw. mixed alcohols C1.C4 3 CO+3 H 2 (CH 3 ) 2 -O+CO 2 oder 2 CO+4 H 2 (CH 3 ) 2 -O+H 2 O CO+2 H 2 CH H 2 O CO+3 H 2 CH 4 +H 2 O Sonderprozesse für Dimethylcarbonat Reduktionsgas für metallurgische Prozesse: CO+MeO CO 2 +Me; H 2 +MeO H 2 O+Me Wasserstoffproduktion (Shift): CO+H 2 O CO 2 +H 2

12 Grundsysteme der Vergasungsreaktoren Unterscheidung nach Gas-Feststoffkontakt Festbettvergaser Wirbelschichtvergaser Flugstromvergaser Partikelgröße Produktgastemperatur Sauerstoffeinsatz Gestufte Vergasung für alle Typen möglich Trennung vorgängiger Prozesse: Trocknung und Pyrolyse) Allothermer und Autothermer Betrieb der Anlagen (apparative Folie 12

13 Folie 13 Technologische Anforderungen einer KWKorientierten Systemtechnik Leistungsklasse <10 MW elektrisch oder <1 MW elektrisch definiert Erfordernisse: Gasmotorenbetrieb mit Gasreinigung: Gleichstromführung im Vergasungsbereich notwendig (zonierte und gestufte Verfahren) Primäre Gasreinigung durch Teerabbau im Vergaser, damit verträglicher Aufwand der Gasreinigung bzw. Anlagenverfügbarkeit/Wartung Technologischer Mindestaufwand auch bei Kleinanlagen notwendig. Problematisch ist Korngrößenvorgabe beim Betrieb, Wassergehalt, Vollständigkeit d.h. Ascheausbrand. Lösungsansatz durch gestufte Systeme mit besserer Prozessführung el <25%, ges bis 80% Allotherme Wirbelschichtvergasung mit System Güssing nur bei Anlagen >2 MW elektrisch sinnvoll. Anspruchsvolle Anlagentechnik, Trend zu hochwertigen Produkten, Polygeneration el 25 30% (Nachverstromung) ges bis 85%

14 Systembeispiele Klassifiziert: Nach der Art des Prozeßabschnittes VERGASUNG Der geplanten Nutzung des Gases; damit der erforderlichen Zusammensetzung und Qualität Folie 14

15 Systembeispiel: old Imbert, der Vollständigkeit halber Quelle: DGMK-Berichte ; Bereich energetische Nutzung von Biomasse In den iger Jahren wurde eine Art Kleinvergaser nach dem Gleichstromprinzip entwickelt. Dieser konnte den Brennstoff ganz gut umsetzen. Die mässigen Teergehalte wurden mit kombinierten, Kühl-Wasch-Filtermethoden abgetrennt. Das Gas war eher ein Pyrolysegas. Die Schadstoffe wurden mit einer Holzwollepackung oder mit dem austretenden Kondensat illegal verbrannt oder in den Straßengraben geschüttet. Funktioniert hat das, aber es ist nicht die Technik für heutige Anforderungen. Es soll wenige Bedienaufwand nötig sein, der Wirkungsgrad hoch, keinen gefährlichen Abfälle und sichere Funktion mind h im Jahr möglich sein und nicht Service alle 6 h (etwa 300 km früher!). Es wurde immer krampfhaft versucht das technisch gleich umzusetzen, jedoch sind alle bisher daran wenig erfolgreich gewesen. Folie 15

16 Mehrstufige Vergasungssysteme mit Schüttungen Gestufte Systeme=opt. Gleichstromführung Wärmeverluste Wärme Brennstoff Trocknung Pyrolyse Oxidation Reduktion Gas (bes. brennbare) Pyrolysekohle Bilanzgrenzen Wärmeeintrag Diese können den Brennstoff gezielt umsetzen und die Pyrolysestoffe im Rohgas minimieren (thermischer Abbau), wobei mit Zufuhr von genutzter Abwärme von aussen Gaserzeugungswirkungsgrade von über 90% möglich werden. Die Systeme werden seit ungef entwickelt. Medien Luft, Wasserdampf Asche Ziel kompl. Umsetzung m. Restausbrand Medien Wasserdampf Quelle: Kleinhappl, Leipzig, 2003 Folie 16

17 Gestufte Systeme: Österreichische Mit klassischer Gleichstromführung: Ohne Stufung: Fa. URBAS, modulartiges Gesamtkonzept, Weitere Gleichstrombeispiele nicht angeführt. Mit allothermer Pyrolyse und Abwärtsströmung: Fa Cleanstgas Mit autothermer Pyrolyse und Aufwärtsströmung: Fa Syncraft Die Technologien wurden im Vorjahr präsentiert ( Bei allen sind Pilot- und Demoanlagen in Betrieb, tw. mit Weiterentwicklungen oder bereits auf Stückzahlen orientiert. Folie 17

18 Dampfwirbelschichtvergasung System Güssing Ein ganz besonderes Konzept zur Vergasung mit Wasserdampf in einem Wirbelschichtvergaser wurde in Wien (TU) entwickelt und in Güssing umgesetzt: Wirbelschichtbettmaterial wir in einem Verbrennungsteil aufgeheizt, in der Vergasungszone mit Wasserdampf dann der Brennstoff dazugemischt und bis auf etwas Restholzkohle vergast (Hochtemperatur - Wasserdampfpyrolyse mit sofortiger Reformierung). Folie 18 Durch die Teilung Verbrennung und Vergasung kann ein heizwertreiches und Stickstoffarmes Gas erhalten werden. Durch katalytisch aktive Bettmaterialien kann der Teergehalt gering gehalten werden. Die Reinigung erfolgt mit Entstaubung in einem Additiv-Filter und Wäsche mit Waschöl. Quelle: TASK IEA 33: Länderberichte Anlage hat 2,1 MW elektrische Leistung (Gasmotor) ; zahlreiche Entwicklungsarbeiten gehen in Richtung höherwertiger Syntheseprodukte, z.b. SNG, Alkoholgemische, FT,

19 Entwicklung zur Polygeneration Aus dem stickstoffarmen Gas hochwertige, systemkompatible Produkte herzustellen, welche speicherbar sind (CNG, fl. Treibstoffe) Nur für Eigenbedarf bzw. die Restgase das Prinzip der KWK anzuwenden. Hohe Gesamtnutzungsgrade zu erreichen (Energie). Einen Mix hochwertiger Produkte zu erzeugen (Exergie, energiewirtschaftliche, substitutionstechnische Bedeutung). Geeignete Systemtechnologie zu entwickeln, welche zukünftig auch noch Kleinanlagen wirtschaftlich zulässt. Geeignete Anlagenbaulinien zu etablieren u. Referenzanlagen umzusetzen. Folie 19

20 Unabdingbare Systemanforderungen Für technisch, wirtschaftlichen Erfolg: Geeignete Systemtechnik als Ganzes Funktionalität der Gesamtanlage Verfügbarkeit der Anlage (im Betrieb) Erfüllung aller sicherheitstechnischen Vorgaben (Anlage, Gas, Elektro, Ex, Maschine, Arbeitnehmer, Störfälle, Brand,..) Einhalten von emissionstechnischen Erfordernissen: Abgas nach Gasmotor und sonstige Feststoffe oder Abwässer. Erreichen von Effizienzkriterien im Gesamtbetrieb Gesamtkostensituation, sowie sichere Angabe von Investitionsaufwand Stand der Technik für Haupteile und Gesamtanlage, auch im Zusammenwirken (Referenzanlagen, Referenzdaten,..) dann ist der Informations-, Zahlen- u. Kenntnisstand über das Ganze als sicher zu betrachten Siehe auch Zusammenfassung Dr. Lettner Beitrag 2011 Folie 20

21 Fazit Vergasungstechnik im Leistungsbereich von kw elektrisch : Zwei Grundtechnologien (Schüttungen bzw. Wirbelschichtvergasung), teilweise gestuft, zoniert,.sind derzeit in dem Fenster präsent. Funktionstechnische Eigenheiten werden nach wie vor bearbeitet, um die Funktionalität, Gasreinheit, Anlagenverfügbarkeit brauchbar zu machen. Technischer Aufwand ergibt Anlagenkosten, ist aber meist Basis für Verfügbarkeit (Antagonisten). 4 Technologielinien sind derzeit in AT in Pilot/Demo, Abruf für Kauf,. Technisch/Kommerzielle Auskünfte erhalten Sie bei Technologieanbietern Technisch/Wissenschaftliche Auskünfte erhalten Sie bei uns. Technische Erhebungen, Auslegungsarbeiten oder Untersuchungen können wir Ihnen anbieten. Folie 21

22 Aktuelle Einschätzungen zur Holzvergasertechnologie Danke für die Aufmerksamkeit und Ihr Interesse! M. Kleinhappl M: Tel: Web: Bioenergy GmbH, Graz, Austria