Konzeptionelle Ansätze und Technologien für den Einsatz von HTC in der Landwirtschaft, Abwasseraufbereitung, Forschung und Entwicklung

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1 Version Konzeptionelle Ansätze und Technologien für den Einsatz von HTC in der Landwirtschaft, Abwasseraufbereitung, Forschung und Entwicklung

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3 Landwirtschaft

4 HTC-Biokohle weist bodenverbessernde Eigenschaften auf und wirkt sich positiv auf das Ertragspotenzial der Böden aus.

5 HTC-Biokohle Struktur und adsorptive Eigenschaften der HTC- Biokohlen (vergleichbar mit Aktivkoks) bedingen hohes Nährstoff- und Wasserhaltevermögen

6 Prof. W. Ahrens, Hochschule Weihenstephan-Triesdorf, 2010/11 Aus Versuchen mit Dicker Bohne (Vicia faba major): Vergleich der Mittelwerte der HTC-Varianten zeigt ertragssteigernde Wirkung steigender Kohlenstoffgehalte (C) aus HTC-Biokohle i.vgl. zu 0 und 0,5 % C (entsprechend 10 t C/ha): 1,5 % C (entspr. 30 t C/ha) 3 % C (entspr. 60 t C/ha) führen zu einer Ertragssteigerung (gemessen in g Bohnengewicht/Topf) von 40 % auf einem humusarmen Sandboden von nur 7 % auf einem humusreichen Sandboden

7 Prof. W. Ahrens, Hochschule Weihenstephan-Triesdorf... Diese Ertragsdifferenzen von 46 % auf humusarmen Sand (7% auf humusreichem Sand) deuten zusammen mit einer deutlich zunehmenden Anzahl Bohnen/Topf auf eine den Boden verbessernde Eigenschaft der HTC- Kohle hin , aus HTC-Topfversuchen mit Dicker Bohne (Vicia faba major)

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10 Gesamtertrag Tomatenpflanzversuch 2014 Sorte: San Marzano Substrat Gesamtertrag in g Tomatenkräuter unverkohlt 930 HTC-Kohle aus Tomatenkräuter 2061 HTC-Kohle aus Getreideausputz 1069 HTC-Kohle aus Biogasgärrest 892 Erde 889

11 HTC-Biokohle ist Grundlage für wertvolle Industrierohstoffe.

12 Dinkel 2014: ha, t Ertrag, ca t Dinkelspelzen (150 kg/m³)

13 Mittels HTC-Biokohle ist es möglich den Biogas-Prozess und damit die Nutzung des Ausgangssubstrates zu optimieren.

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15 Prof. Dr.-Ing. Frank R. Kolb (Wasserwirtschaft Wassertechnik WWT, 10/2013): Hydrothermal Carbonisierung von Klärschlamm Einsatz der HTC-Biokohle (3,3 g/kg Substrat, hergestellt bei einer Prozessdauer von 4h bei 210 C) in der anaeroben Stabilisierung im Faulbehälter: Bei ausreichender Durchmischung des Prozesses konnte durch Kohle-Zugabe die Gasausbeute um etwa 20 % verbessert werden

16 HTC ist eine Technologie zur wirtschaftlichen Entwässerung biogener Reststoffe aus der Landwirtschaft, allem voran Gülle aus tierischer Veredelung und Biogasanlagen, Abwasseraufbereitung.

17 Zu viel Gülle für zu wenig Fläche! Auf der Basis von Nährstoffbilanzen auf Gemeindeebene wurde allein in für NRW ein zusätzlicher Flächenbedarf von rund ha ermittelt, was 2,7 %der verfügbaren Fläche entspricht. In Niedersachsen werden ha zusätzlich gebraucht (5,3 % der LF) ein Anstieg der Exportkosten um 47 % wird prognostiziert topagrar online,

18 Das Gärprodukt Quelle: Inhaltsstoffe von Gärprodukten und Möglichkeiten zu ihrer geordneten pflanzenbaulichen Verwertung Projektbericht 2008 Landwirtschaftliches Technologiezentrum Augustenberg, Karlsruhe, des Ministeriums für Ernährung und Ländlichen Raum Baden- Württemberg Düngewert : 5 10 /t nicht transportwürdig Ziel: Düngerwert > 20 /t

19 Lösungsansatz: HTC Idee: Gärprodukt carbonisieren und dann filtern Der HTC-Prozess zerstört Biopolymere, die die Filtration behindern. Gärprodukt ~6%TS (100m%) HTC- Prozess HTC- Produkt ~6%TS (100m%) Filtration Flüssige Phase ~1%TS (~90m%) Umkehrosmose Wasser 0%TS (~75m%) Biokohle ~50%TS (~10m%) Konzentrat ~7%TS (~15m%) Die Zahlenwerte beruhen auf Schätzungen! 20

20 Studie 2013: Weiterentwicklung der HTC zur CO2-sparenden und kosteneffizienten Trocknung von Klärschlamm im industriellen Maßstab, sowie die Rückgewinnung von Phosphor Vergleiche zu Entwässerung von ausgefaultem Klärschlamm mit modernen Entwässerungsanlagen (Zentrifugen/Kammerfilterpressen): ohne HTC: max % TS-Gehalt nach HTC: bis auf 70 % TS-Gehalt

21 Studie 2013: Weiterentwicklung der HTC zur CO2-sparenden und kosteneffizienten Trocknung von Klärschlamm im industriellen Maßstab, sowie die Rückgewinnung von Phosphor Energieeinsparung durch Klärschlammentwässerung mit HTC gegenüber der thermischen Trocknung: 62 % an Wärmebedarf 69 % bei Strombedarf

22 Cascade production of biogas and hydrochar from wheat straw A. Funke, J. Mumme, M. Koon, M. Diakite Leibniz-Institut für Agrartechnik Potsdam-Bornim (ATB), BIOMASS AND ENERGY 58 (2013) aus Gärresten (Vergärung von Weizenstroh) erzeugte HTC-Kohle besitzt % der ursprünglichen N-Menge (höhere Temperaturen im HTC-Prozess verschieben das Verhältnis zugunsten der HTC-Kohle) ca. 80 % der ursprünglichen P-Menge Die übrigen Anteile befinden sich in der Flüssigphase

23 HTC-Biokohle kann einen Beitrag zur CO ² -Sequestrierung (allgemein: Reduzierung der THG) leisten.

24 EU-Klimaziele bis 2030: % weniger THG-Emissionen 27 % Anteil Erneuerbare Energien am Verbrauch 27 % Steigerung der Energieeffizienz gegenüber 1990

25 Anteil Landwirtschaft an THG-Emissionen: 7% 11 % mit Vorketten (Energieträger, Mineraldünger, etc.) Ziel: Reduzierung CO 2 -, N 2 O-, CH 4 -Emissionen

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27 Novellierung Düngeverordnungen 2015 Obergrenze N aus Wirtschaftsdüngern: 170 kg N/ha Neu: Neben N aus Wirtschaftsdünger tierischer Herkunft sind nun auch N aus pflanzlichem Anteil der Gärrückstände, Kompost und Klärschlamm einzubeziehen. Dazu Erstellung einer Hoftorbilanz: N aus Dünger und Tierfutter - N aus landwirtschaftlichen Produkten = auf LN verbliebene Restmenge N (= Stickstoffüberschuss für den Grenzwert einzuhalten ist)

28 Biokohle auf Ackerböden Jürgen Kern, Christian Dicke, Judy Libra, Jan Mumme, Leibniz-Institut für Agrartechnik Potsdam-Bornim (ATB), Forschungsreport 2/2011 C-Stabilisierung: HTC-Biokohle aus Gülle/Endsubstrat Biogasanlagen - langsamere Veratmung durch Mikroorganismen als bei unbehandelten Substraten.... Der Einsatz von karbonisierten Gärrückständen auf ackerbaulichen und landschaftsbaulichen Flächen, sowie in Kultursubstraten eröffnet die Chance, Kohlenstoff mittel- bis langfristig festlegen zu können.

29 Kohlenstoffeffizienz im Vergleich Methode Holzkohleherstellung durch Pyrolyse C-Effizienz 50 % Humuserzeugung durch Kompostierung 5 10 % HTC 90 %

30 Kommunen HTC-Potential in der Abwasserreinigung

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32 In 20 Jahren wird Phosphat-Mineraldünger knapp Anteil Phosphor im Klärschlamm beträgt ca. 3,7%

33 Zur Zukunft des Klärschlammes Koalitionsvertrag Bundesregierung 2013 Wir werden die Klärschlammausbringung zu Düngezwecken beenden und Phosphor und andere Nährstoffe zurückgewinnen.

34 Studie 2013: Weiterentwicklung der HTC zur CO2-sparenden und kosteneffizienten Trocknung von Klärschlamm im industriellen Maßstab, sowie die Rückgewinnung von Phosphor Öko-Energiebiolanz weist bedeutende Umweltvorteile gegenüber thermischer Trocknung mit fossilen Energieträgern auf. Erfolgreiche Versuche zur Mit- und Monoverbrennung der HTC-Biokohle, bis hin zur vollständigen Substitution von Zusatzbrennstoffen Keine Hinweise auf eine verminderte P- oder Schwermetallrückgewinnbarkeit aus der Klärschlammasche nach HTC

35 Potentiale HTC-Anlagen sind nahezu beliebig skalierbar, auch kleine Kläranlagen könnten damit ausgestattet werden Einmischung sonstiger biogener Reststoffe in Klärschlamm Ziel?! Umdenken betr. Ausbringung Klärschlamm auf landwirtschaftlichen Nutzflächen nach Drucksterilisation mittels HTC Art.coal 3000 k

36 Umweltschutz HTC Ressourcenschutz Klimaschutz

37 if-then-strategie (Technisches) Potential Klima-, Umwelt- und Ressourcenschutz beschreiben (Un-) Wirtschaftlichkeit des HTC-Verfahrens darstellen Bedingungen für Wirtschaftlichkeit formulieren Förderinstrumente entwickeln (vgl. EEG) Vgl. CCS: $/t vermiedenes CO 2

38 Technologie

39 HTC: unser Ansatz für die technologische Umsetzung Dezentraler Einsatz (entsprechend der Verfügbarkeit von Biomasse) Small is beautiful. Quasi-kontinuierliche Prozessführung (Eintrag und Austrag von Flüssigkeit und Biomasse/Kohle aus Druckraum ohne Druckverlust) Möglichst hohe Energieeffizienz durch optimiertes Wärmemanagement Geeignet für Edukte in flüssiger und fester Form

40 Art.mole 1

41 Art.mole Erste quasi-kontinuierlich betriebene HTC-Anlage in Deutschland 180 Liter Fassungsvolumen Ca Betriebsstunden, davon zuletzt ca störungsfrei Max. Betriebstemperatur 200 C Max. TS Gehalt ca. 13 %

42 Art.coal 2.0

43 Art.coal 65 k

44 Art.coal 65 k LfL Quasikontinuierlicher Betrieb Fassungsvermögen 60 Liter Heizleistung 12 kw Integriertes Transportfördersystem Maximale Betriebstemperatur 230 C Maximaler Betriebsdruck 30 bar Temperaturerfassung an 4 Stellen Probennahme während des Betriebs Gasprobennahme aus dem Reaktor

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46 Art.coal 3000 k

47 Art.coal 3000 k

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49 Art.coal 3000 k Liter Volumen Quasikontinuierlicher Prozess, damit ideal integrierbar in kontinuierliche Abläufe an der Biogasanlage Energiemanagementsystem für beste Energieeffizienz Rohrfördersystem ermöglicht den Betrieb der Anlage mit stückiger Biomasse Containerbauweise ermöglicht das Verändern von Standorten Modulare Bauweise ermöglicht den Zusammenschluss von bis zu 4 Modulen Nutzung der Abwärme bestehender Energiequellen wie BHKW Abgaswärmetauscher

50 Vielen Dank.