Hydrothermale Carbonisierung (HTC) biogener Reststoffe. Marco Klemm, Andreas Clemens; DBFZ Regina Blümel, SWH; Falko Kietzmann, HWS

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1 Hydrothermale Carbonisierung (HTC) biogener Reststoffe Marco Klemm, Andreas Clemens; DBFZ Regina Blümel, SWH; Falko Kietzmann, HWS

2 Agenda 1. Einführung 2. Was ist Hydrothermale Carbonisierung? 3. Experimentelle Untersuchungen 4. Bewertung 5. Demonstrationsvorhaben 6. Ausblick 2

3 Einführung Ausgangssituation für wesentliche Stoffströme, vor allem biogene Reststoffe, sind etablierte Wege der energetischen Nutzung (Verbrennung, Vergasung, Pyrolyse, Vergärung) nur bedingt geeignet: biogene Siedlungsabfälle (Biotonne), Klärschlamm, Grünabfall (Gras/Laub), gartenbauliche und landwirtschaftliche Reststoffe sowie Reste aus der Lebensmittelindustrie. Ursache ist der zu hohe Wassergehalt für eine thermische Umwandlung in Kombination mit einer schlechten Vergärbarkeit, häufig erfolgt Verwertung ohne Energienutzung, etwa eine Kompostierung, dabei bleiben wichtige Potenziale ungenutzt und ungeführte Abgasströme werden freigesetzt. 3

4 Einführung Ziele für diese Stoffströme sollen neue Nutzungsalternativen geschaffen werden Ziel ist die Herstellung eines veredelten Brennstoffes oder eines anderen höherwertigen Produktes (Chemikalien, ) technisch, energetisch, ökonomisch und ökologisch günstiger Prozess vielfältige Einsatzmöglichkeiten des Produktes 4

5 Was ist Hydrothermale Carbonisierung? Grundlagen HTC Foto: DBFZ Bioabfall (Braune Tonne) Grünschnitt Gärrest Thermochemischer Konversionsprozess in heißem Hochdruckwasser: ºC bar mehrere Stunden Foto: DBFZ fest: HTC-Kohle flüssig: Wasser, gasförmig: CO 2, 5

6 Was ist Hydrothermale Carbonisierung? Reaktionsschritte der HTC Schritt 1 (= Abbau der Makromoleküle) Hydrolyse der Kohlenhydrate Wasserabspaltung Produkt: kleine Moleküle z.b. Hydroxymethylfurfural (HMF) endothermer Prozess Schritt 2 (= Repolymerisation) Polymerisation dieser kleinen Moleküle zu Kohlevorprodukten und Harze, dabei zusammenkitten des Lignins exotherm, Hauptteil der Wärmeproduktion des Gesamtprozesses Schritt 3 (= Reifung) Abspaltung von weiteren Wasser nachlassende Wärmeproduktion 6

7 Was ist Hydrothermale Carbonisierung? Gesamtprozesskette 7

8 Experimentelle Untersuchungen Laborversuche Substrate: Grünschnitt, Bioabfall, Gärrest 500 ml Laborautoklav 25 Ma% Trockensubstanzgehalt (TS) kein Katalysator Aufheizrate: 2 K/min 3 Temperaturen x 3 Verweilzeiten Foto: DBFZ HTC 2 h 4 h 6 h 180 C x x x 200 C x x x 220 C x x x Analyse der HTC-Kohle: Elementaranalyse (DIN EN 15104) Brennwert (DIN 14918) Aschegehalt (DIN EN 14775) 8

9 Produktverteilung (waf) in Ma% Experimentelle Untersuchungen Produktverteilung Gas Flüssig Fest h 4 h 6 h 2 h 4 h 6 h 2 h 4 h 6 h 180 C 200 C 220 C waf = wasser- und aschefrei 9

10 Elementarzusammensetzung (waf) in Ma% Experimentelle Untersuchungen Erreichbare Zusammensetzungen I Holz (Fichte) [1] 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) 10

11 Elementarzusammensetzung (waf) in Ma% Experimentelle Untersuchungen Erreichbare Zusammensetzungen II Holz (Fichte) [1] Grünschnitt 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) 11

12 Experimentelle Untersuchungen Brennwerte Brennwert der HTC-Kohlen in MJ/kg; (waf = wasser- und aschefrei) Bioabfall HTC 2 h 4 h 6 h 180 C C C Grünschnitt HTC 2 h 4 h 6 h 180 C C C

13 Bewertung Einordnung Inkohlungsdiagramm y = 1,2274x + 0,7931 R² = 0,9826 Messwerte DBFZ Holz (Fichte) Bioabfall HTC 180 C 2 h HTC 220 C 6 h Braunkohle Van-Krevelen-Diagramm auf Basis von Belusa, T. et. al: Hydrothermale Karbonisierung und energetische Nutzung von Biomasse. In: Gülzower Fachgespräche: Hydrothermale Carbonisierung (2010) 13

14 Bewertung Energiebilanz Trocknung Klärschlammtrocknung ohne HTC Klärschlamm 2917 MWh/a 3000 t/a 25% TS 833 t/a 90% TS Klärschlamm 2917 MWh/a Wärme 1470 MWh/a Thermische Trocknung 2167 t/a Abwasser Strom 117 MWh/a Klärschlammtrocknung mit HTC 14

15 1470 MWh/a Thermische Trocknung Abwasser Bewertung Energiebilanz mit HTC Strom 117 MWh/a Klärschlammtrocknung mit HTC Klärschlamm 2917 MWh/a 3000 t/a 25% TS Zerkleinerung/Anmaischen 667 t/a 90% TS HTC-Kohle 2625 MWh/a Wärme 325 MWh/a Hydrothermale Carbonisierung Mechanische Entwässerung 2258 t/a Abwasser Strom 173 MWh/a Thermische Trocknung 75 t/a Abgas Senkung des Energieverbrauchs um 78%! 15

16 Bewertung Anwendungsmöglichkeiten der HTC-Kohle Energetische Nutzung Monoverbrennung Mitverbrennung Vergasung Nutzung als Bodenhilfsstoff (bei entsprechenden Edukten) Kohlenstoffträger für industrielle Anwendungen Metallurgie Prozesskohlenstoff Aktivkohle 16

17 Bewertung Vorteile der HTC Erschließung neuer Stoffströme für die energetische Nutzung überschaubarer technischer Aufwand gut mechanisch entwässerbares Produkt (bis > 70 % TS, Klärschlamm 20 bis 30 % TS) deutliche Verbesserung der Energieeffizienz durch geringeren Trocknungswärmebedarf vereinheitlichtes, lagerstabiles Produkt vollständige Hygienisierung verbesserte Verbrennungs- und Vergasungseigenschaften damit Kohleanwendung auch außerhalb der Großkraftwerke perspektivisch Phosphorrückgewinnung und Schadstoffentfrachtung kleine Anlagen wirtschaftlich realisierbar 17

18 Demonstrationsvorhaben Stoffströme Jahresmengen Demonstrationsvorhaben Integrierte Verwertungsanlage und Strategie für kommunale Biomasse HTC Hallesche Wasser und Stadtwirtschaft Gefördert durch das BMU-Förderprogramm Energetische Biomassenutzung (Phase II Umsetzung von Demonstrationsvorhaben) Ausgangspunkt: Jahresaufkommen HWS: t OS Grünschnitt t OS Bioabfall t OS Gärrest zeitlich schwankender Anfall Foto: HWS 18

19 Demonstrationsvorhaben Integration in Verwertungsstrategie 19

20 Demonstrationsvorhaben Technische Rahmeninformationen Standort : Abfallwirtschaft GmbH Halle-Lochau in Anbindung an das BHKW Gasstation Nord jährlich t OS Inputmaterial zu ca t/a HTC-Kohle kontinuierlicher Betrieb, modulare Bauweise Anlagentechnik der Artec Biotechnologie GmbH, Bad Königshofen HTC-Reaktor Art coal 3000k mit Nebenaggregaten, einschließlich erforderlicher Peripherie sowie zusätzliche Anlage für thermische Trocknung (auf 90 % TS) Pelletierung/Brikettierung vorgesehen; Ergänzung möglich derzeit Probebetrieb 20

21 Demonstrationsvorhaben HTC-Anlage Halle Reaktor Quelle: DBFZ 21

22 Ausblick Weiterführung der Arbeiten zur HTC wissenschaftliche Begleitung des Anlagenbetriebes Prozessoptimierung Massen- und Energiebilanz für die Demonstrationsanlage Entwicklung und Etablierung Monoverbrennung Untersuchung weiterer alternativer Wege der Produktanwendung Anpassung an weitere Ausgangsstoffe z.b. Klärschlamm Phosphorrecycling und Schwermetallabtrennung für Klärschlamm Gewinnung von chemischen Grundstoffen 22

23 DBFZ Ausblick Hydrothermale Verflüssigung Zielsetzung flüssige Kohlenstoffträger für Biokraftstoffe und Basischemikalien aus Biomasse definiert, sauerstoffarm, preiswert, dezentral Lösungsweg zweistufiges hydrothermales Verfahren Entwicklung und Bau eines Labormodells Katalysatorentwicklung Beteiligte Partner DBFZ Universitäten Industriepartner 23

24 Ausblick Weitere Aktivitäten Fachforum Biobasierte Hydrothermale Prozesse Technologien zur stofflichen und energetischen Nutzung Hydrothermale Carbonisierung, Verflüssigung, Chemikaliengewinnung aus Biomasse Anwendung von Produkten der hydrothermalen Umwandlung 11. und 12. November 2014 in Leipzig Kontakt: Deutsches Biomasseforschungszentrum ggmbh (DBFZ) Frau Katrin Schumacher Tel.: +49 (0) Innovationsforum Hydrothermale Prozesse

25 Ansprechpartner Deutsches Biomasseforschungszentrum gemeinnützige GmbH Torgauer Straße Leipzig Tel./Fax / -133 Dr. Marco Klemm Tel marco.klemm@dbfz.de Andreas Clemens Tel andreas.clemens@dbfz.de Hallesche Wasser und Stadtwirtschaft GmbH Bornknechtstraße Halle/Saale Falko Kietzmann Tel falko.kietzmann@hws-halle.de Tel./Fax / Dr. Regina Blümel Tel regina.blümel@stadtwerke-halle.de 25