Hydrothermale Prozesse zur Nutzung von Biomasse große Chancen, viele Fragen. Marco Klemm, Romann Glowacki

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1 Hydrothermale Prozesse zur Nutzung von Biomasse große Chancen, viele Fragen Marco Klemm, Romann Glowacki

2 Was bedeutet hydrothermal? Ein hydrothermaler Prozess ist ein Prozess in heißem, flüssigem oder überkritischen Wasser. Dabei ist das Wasser: Reaktionspartner im weitesten Sinne Katalysator Lösemittel Transportmedium Wärmeträger Abschluss gegen die Umgebung HTP-Fachforum, Leipzig November

3 Besondere Eigenschaften von Wasser? Wasser ist bei Standardbedingungen: hohe Dielektrizitätskonstante gutes Lösemittel für anorganische Salze kaum mischbar mit unpolaren Verbindungen z.b. Kohlenwasserstoffen Annäherung an den kritischen Punkt: fallende Dielektrizitätskonstante steigendes Lösungsvermögen für unpolare Verbindungen, sinkendes für Salze steigendes Ionenprodukt Wasser kann als saurer/basischer Katalysator wirken Überkritisches Wasser: weiteres Fallen der Dielektrizitätskonstante hervorragendes Lösemittel für Kohlenwasserstoffe und ähnliche, kaum für Ionenverbindungen (Salze) drastischer Fall des Ionenproduktes (kein Säure-/Base-Katalysator) Überkritisches Wasser löst z.b. Siliziumdioxid! HTP-Fachforum, Leipzig November

4 Hydrothermale Bedingungen - Beispiele Chemie Nahkritisches Wasser wirkt als Säure-Basen-Katalysator in der organischen Chemie Kondensation von Benzaldehyd mit 2-Butanon ( C, bar) [Nolen et al. 2003] Hydrolyse von Estern und Anisol [Patrick 2001] Hydrothermalsynthese von anorg. Verbindungen z.b. Nanopartikeln Mineralogie/Geologie Hydrothermale Bildung von Lagerstätten und Gesteinen (Achat, Malachit, Drusen, ) Bauschuttrecycling Hydrothermale Verfestigung vor einer Wiederverwendung [Schnell 2010]; [Rübner 2012] HTP-Fachforum, Leipzig November

5 HTP-Fachforum, Leipzig November 2014 Bildquelle: Marco Klemm, DBFZ. 5

6 Hydrothermale Prozesse in der Nutzung von Biomasse Verfahren, die hydrothermale Umwandlungs- und Trennprozesse an entscheidender Stelle nutzen ermöglichen die Herstellung von: festen Kohlenstoffträgern, flüssigen Kohlenstoffträgern, gasförmigen Kohlenstoffträgern und Wasserstoff aus Biomasse. Diese können eingesetzt werden als Energieträger, Chemikalie, Werkstoff, HTP-Fachforum, Leipzig November

7 Geschichtliche Schlagworte 1909 Walter Koch: Über das Verhalten von Lignozellulose beim Erhitzen mit Wasser unter Druck (Dissertation Universität Freiburg) Mannose und Galaktose ergeben bei 4 h kochen bei 215 C eine huminstoffartige Substanz 1913: Friedrich Bergius beschreibt den Prozess der hydrothermalen Karbonisierung 1980er Jahre: intensive Aktivitäten zur hydrothermalen Verflüssigung (u.a. Shell, Niederlande), Demonstrationsanlage 1995: Start der Entwicklung des SlurryCarb -Verfahrens (USA, Japan), Karbonisierung von Klärschlamm bei C, 220 bar, 10 bis 60 min Verweilzeit 2006 erste Veröffentlichungen von Prof. Antonietti schieben die derzeitigen HTC- Aktivitäten an heute: sind wir alle vom Thema infiziert und sind deshalb hier HTP-Fachforum, Leipzig November

8 Themengebiete ein Überblick Rechtliches/ Akzeptanz System Ökologie Abwasser Ausgangsstoffe Umwandlung Produkte Ökonomie Abgas Werkstoff Messtechnik HTP-Fachforum, Leipzig November

10 Ausgangsstoffe Thermochemische Nutzung nasser Biomasse Lösung für geringwertige Reststoffe Vorhandene und wirtschaftlich verfügbare Potenziale? Für welche Ausgangsstoffe sind hydrothermale Verfahren konkurrierenden Lösungen überlegen? Lässt sich eine Nutzungsalternative für Klärschlamm gestalten? Konkurrenz mit Biogasanlagen um Ausgangsstoffe? Notwendigkeit der Ausgangsstoffe als Humusbildner? HTP-Fachforum, Leipzig November

12 Umwandlungsprozesse Prozesse zur Herstellung fester, flüssiger und gasförmiger Produkte Grundlegendes Verständnis der chemischen Vorgänge HTP-Fachforum, Leipzig November

13 Umwandlungsprozesse II Definitiver Zusammenhang zwischen Ausgangsstoff, Reaktionsbedingungen und Kohlequalität als Basis für eine Prozessregelung und Prozessoptimierung? Detaillierte Kenntnis der chemischen Vorgänge als Basis für Eingriffe in den Prozess? Senkung der Verweilzeit, insbesondere HTC? Senkung von Temperatur und Druck, insbesondere hydrothermale Vergasung? HTP-Fachforum, Leipzig November

14 Spezielle Umwandlungsprozesse Extraktion von Chemikalien Herstellung von Chemikalien Flüssigphasenreformierung (Wasserstoffproduktion bei geringen Temperaturen) Welche Substanzen sind wirtschaftlich gewinnbar? Wie ist die Ausbeute begrenzt bzw. steigerbar? Die Flüssigphasenreformierung benötigt derzeit Edelmetallkatalysatoren, die eine sehr kurze Standzeit haben, welche Alternativen bzw. Weiterentwicklungsmöglichkeiten gibt es? Übertragung der Flüssigphasenreformierung auf gemischte Biomassen? HTP-Fachforum, Leipzig November

15 Apparate- und Anlagentechnik für die Umwandlungsprozesse Viele Konzepte wurden entwickelt In Demonstrations- oder Technikumsanlagen überführt Eignung der Konzepte unter Produktionsbedingungen? Zuverlässigkeit und Lebensdauer? Welche Konzepte besitzen spezifische Vorteile, z.b. Batch-Betrieb vs. kontinuierlichen Betrieb? Optimierte Wärmezuführung und Wärmerückgewinnung? Für hydrothermale Verflüssigung und Vergasung: spezifische Fragen der Hochdrucktechnik? Eduktvorbereitung? Produktabtrennung z.b. Entwässerung? HTP-Fachforum, Leipzig November

17 HTC-Kohle [1] Kaltschmitt, M. et al. 2009] HTC-Kohle ist ein Festbrennstoff mit kohleähnlichen Eigenschaften Mitverbrennung ist geklärt HTP-Fachforum, Leipzig November

18 HTC-Kohle Geeignete Produktanwendungen? Anwendungsgerechte Kohlequalität? Beeinflussungsmöglichkeiten der Kohlequalität? Energetische Nutzung Geeignete Feuerungsanlagen für die Monoverbrennung? Rechtlicher Rahmen? Alternativen zur Verbrennung? HTP-Fachforum, Leipzig November

19 HTC-Kohle Kohlenstoffträger für industrielle Anwendungen Welche metallurgischen Einsatzfälle korrelieren mit den Flüchtigen- und Aschegehalt? Für welche chemischen Prozesse ist HTC-Kohle geeignet? Möglichkeiten der Aufbereitung zu Adsorptionsmittel / Katalysatorträger? Nutzung als Bodenhilfsstoff Reproduzierbarer Nachweis der Wirkung? Schadstoffeintrag in Boden? Störung biologischer Prozesse? Schadstoffneubildung aus Kohle? HTP-Fachforum, Leipzig November

20 Flüssige und gasförmige Energieträger, Chemikalien Hydrothermale Vergasung kann, je nach Reaktionsbedingungen, wasserstoff- oder methanreiche Gase produzieren Flüssige Energieträger sowie Chemikalien sind herstellbar Pyrolyseöl Hydrothermales Öl Schweres Heizöl [nach Kröger 2010] HTP-Fachforum, Leipzig November

21 Flüssige und gasförmige Energieträger, Chemikalien Anwendungsweg für hydrothermales Öl als Energieträger? Verbesserung der Produktqualität durch weiterentwickelte Prozesse? Für welche Chemikalien besteht ein Markt? Qualitätssicherung? HTP-Fachforum, Leipzig November

23 Abwasser Behandlung in kommunalen Kläranlagen erscheint möglich Weitere Lösungen in Entwicklung Senkung des Abwasseraufkommens und der Abwasserbelastung? Was passiert tatsächlich in einer kommunalen Kläranlage mit HTP- Abwasser? Ist das tolerabel? Was tun wir, wenn keine Kläranlage in der Nähe ist? HTP-Abwasser als Gärsubstrat für die Biogasproduktion? Kostengünstige dezentrale, d.h. anlageneigene Ansätze? HTP-Fachforum, Leipzig November

25 Abgas Überschaubares Problem Erste Lösungsansätze liegen vor Quantifizierung des Abgasproblems aller Emissionsstellen und aller Produktzyklen? Geruchsemissionen, Verbreitung, Belästigungspotenzial? Vermeidung von Abgas? Behandlung von Abgas? HTP-Fachforum, Leipzig November

27 Werkstoffe Prinzipiell sind Werkstoffe und deren Einsatzmöglichkeiten für hydrothermale Verfahren bekannt Heißwasserkorrosion? Angriff aufgrund des ph-wertes? Angriff durch Bildung stabiler Komplexe? Belastungskollektiv, ist z.b. eine lierte Ausführung aufgrund der mechanischen und Temperaturwechselbeanspruchung möglich? Insbesondere für die Vergasung im überkritischen Wasser liegen die Temperaturen im Bereich heutiger Dampfkraftwerke, dort jedoch braucht man hochgereinigtes und additiviertes Wasser? HTP-Fachforum, Leipzig November

29 Messtechnik Generell sind die Reaktionsbedingungen für die messtechnische Überwachung nicht zu exotisch Eine bessere Prozessüberwachung, insbesondere eine Bestimmung von Zwischenprodukten ist essentiell für die Weiterentwicklung? Temperatur- und Druckbelastung? Für viele wichtige Parameter z.b. ph-wert wird der Bereich marktgängiger Lösungen verlassen? In-situ Messung vs. Probennahme? Verfälschung von Messergebnissen durch Probenahme? HTP-Fachforum, Leipzig November

31 Ökonomie Insbesondere die HTC ist aufgrund der Reaktionsparameter ein technisch einfaches Verfahren Vielversprechende neue Ansätze für verfügbare Edukte Interessante Produkte herstellbar Kosteneffiziente Lösungen? Geeignetes Edukt? Hochwertiges Produkt? Welche Gesamtketten sind heute schon interessant bzw. zukunftsträchtig? HTP-Fachforum, Leipzig November

33 Ökologie Neue Bioenergieträger erschließbar CO 2 -arme Produkte da Biomasse/ biogene Reststoffe als Edukte Abwasser, Abgas? Rückgewinnung von Nährstoffen (Phosphor, Stickstoff, Kalium, )? Sind die Edukte als Humusbildner erforderlich? HTP-Fachforum, Leipzig November

35 Gesamtsystem, Umwandlungskette Erste Lösungen sind im Rahmen der Demoanlagenerstellung entstanden Logistik? Transport nasser Substrate? Geeignete Anlagengrößen? Jahreszeitlicher Anfall interessanter Substrate (Laub, )? Energetische und stoffliche Integration in Gesamtsysteme? Gesamtoptimierung von Prozessketten? Mikroalgenzucht und hydrothermale Umwandlung? HTP-Fachforum, Leipzig November

37 Rechtlicher/Gesellschaftspolitischer Rahmen Erste Demonstrationsanlagen sind genehmigt Ansätze einer Brennstoffnormung (CEN) Arbeit an Normung zu Anlagentechnik und Emissionen (VDI) Brennstoffe aus der hydrothermalen Umwandlung als Regelbrennstoffe? Chemikalienzulassung nach REACH? Ende Abfalleigenschaft? Akzeptanz bei stärkerer Verbreitung der Verfahren? HTP-Fachforum, Leipzig November

38 Umfassende Lösungen gesucht! HTP-Fachforum, Leipzig November

39 Lösungsansatz Gemeinsames Vorgehen von Akteuren entlang der gesamten Wertschöpfungskette Enge Kooperation von Wissenschaft und Wirtschaft, Anlagenbauern wie Anwendern und Produktnutzern Dazu sollen dienen: das aktuelle HTP-Fachforum - HEUTE das Innovationsforum hydrothermale Prozesse MITTE 2015 HTP-Fachforum, Leipzig November

40 Innovationsforum Hydrothermale Prozesse Innovation: Neuerung, die Anwendung findet (z.b. auf dem Markt) Gesteuerter Innovationsprozesse Innovationsforum FuE- Infrastruktur Partner Zufall Idee FuE Labor (proof of concept) Pilot / Prototyp Marktprodukt Wissen These Beweis Patente Finanzierung Infrastruktur Marktfähigkeit HTP-Fachforum, Leipzig November

41 Marktperspektiven HTP-Fachforum, Leipzig November

42 Anwendungsfelder für HT-Produkte Wer veredelt HT-Kohlenstoffträger? geschlossene Wertschöpfungsketten Welche Probleme können HTP lösen? Düngemittel Grüne Chemikalien Energieträger, Kraftstoffe Anlagenbau, MRS Klärschlammverwertung Raffinerieprodukte Werkstofflicher Einsatz HTP-Fachforum, Leipzig November

43 Projektziele Schließung der Wertschöpfungsketten im Endproduktebereich Einbezug der Inputstoffseite Identifizierung vielversprechender Anwendungsfelder Aufbau eines überregional sichtbaren HTP-Innovationsnetzwerkes Organisation und Durchführung eines mehrtägigen Innovationsforums Entwicklung einer Innovationsstrategie Schaffung von Wertschöpfungsketten umfassenden Konsortien zur Umsetzung konkreter FuE- sowie Demonstrationsprojekte HTP-Fachforum, Leipzig November

44 Überregionale Kooperation HTP-Fachforum, Leipzig November

45 Innovationsforum nächste Schritte Kick-Off enertec/terratec Jan.15 Marktanalysen Anwedungsfelder Themenworkshops Innovationsforum - Mai 15 AP 8 Strategieentwicklung Verstetigung Mai 15 Jan HTP-Fachforum, Leipzig November

46 Hydrothermale Prozesse Gestalten Sie mit! Innovation durch Kooperation. Ansprechpartner Dr.-Ing. Marco Klemm Tel.: +49 (0) Dipl.-Holzwirt Romann Glowacki Tel.: +49 (0) DBFZ Deutsches Biomasseforschungszentrum gemeinnützige GmbH Torgauer Straße 116 D Leipzig Tel.: +49 (0)