SCHLUSSBERICHT 18.09.2003 Ecogas Teilprojekt: Methan aus Holz Teilprojekt: Energieholzpotential Schweiz Projektleiter: Prof. Dr. Alexander Wokaun Paul Scherrer Institut 5232 Villigen ETH-RAT
novatlantis Ideen, Projekte, Forschung für die nachhaltige Stadtentwicklung. novatlantis setzt die neusten Erkenntnisse und Resultate aus der Forschung im ETH-Bereich für eine nachhaltige Entwicklung von Ballungsräumen um. Wir zeigen an praktischen Beispielen, wie eine nachhaltige Zukunft aussehen kann. Gemeinsam mit Forschern und Wissenschaftern des ETH-Bereichs initiieren wir transdisziplinäre Projekte. In Zusammenarbeit mit Behörden und Unternehmen werden Projekte realisiert, die gesellschaftliche und technische Aspekte der Nachhaltigkeit berücksichtigen. Zukunftsweisend, wirtschaftlich und umweltfreundlich. Unser Ziel ist eine lebenswerte Zukunft für kommende Generationen. Hoher Lebensstandard und Komfort dank neuster Technik. Materielle und geistige Entwicklung dank wirtschaftlichem Wohlstand für alle. Eine intakte Umwelt dank schonender Verwendung der Ressourcen und geschlossenen Stoffkreisläufen. Wir orientieren uns an langfristigen Visionen. Das Jahr 2050 ist unser Zeithorizont. Lenkungsausschuss Prof. Dr. Alexander Zehnder (Vorsitz) PD Dr. Mario Broggi Prof. Dr. Ralph Eichler Prof. Dr. Louis Schlapbach Roland Stulz EAWAG WSL PSI EMPA novatlantis Programmleitung Roland Stulz (Vorsitz) Prof. Dr. Alexander Wokaun Dr. Werner Spillmann Dr. Peter Hofer Dr. Heinrich Neukomm novatlantis PSI WSL EMPA ETH Rat Geschäftsleitung novatlantis Roland Stulz Christoph Hartmann Tanja Lütolf Nadine Bannwart Kontakt Telefon ++41 (0)1 305 93 60 E-Mail info@novatlantis.ch
Schlussbericht Vorprojekt 2002 ECOGAS Teilprojekt: Methan-aus-Holz Teilprojekt: Energieholzpotential Schweiz Projektpartner 18.9.03
Inhaltsverzeichnis 1 AUSGANGSLAGE... 1 2 ZIELE... 3 2.1 OBERZIEL VON ECOGAS... 3 2.2 PROJEKTZIEL DES TEILPROJEKTES METHAN-AUS-HOLZ (VORPROJEKTPHASE)... 3 2.3 PROJEKTZIEL DES TEILPROJEKTES ENERGIEHOLZPOTENTIAL SCHWEIZ"... 4 3 EINBETTUNG DER DURCHGEFÜHRTEN ARBEITEN... 5 3.1 ORGANISATORISCHE EINBETTUNG... 5 3.2 FACHLICHE EINBETTUNG... 5 4 ERGEBNISSE... 6 4.1 TEILPROJEKT METHAN-AUS-HOLZ : TECHNOLOGIEENTWICKLUNG... 6 4.1.1 STAND DER TECHNIK... 6 4.1.2 METHANISIERUNGSEXPERIMENTE IM KW-MASSSTAB... 14 4.1.3 ABSCHÄTZUNG VON WIRKUNGSGRAD UND KOSTEN METHAN-AUS-HOLZ... 17 4.1.4 VERGLEICH DER WIRKUNGSGRADE & KOSTEN FÜR WÄRME, STROM UND METHAN AUS HOLZ 21 4.2 TEILPROJEKT ENERGIEHOLZPOTENTIAL SCHWEIZ"... 23 4.2.1 ENERGIEHOLZPOTENZIALE UND PREISE FÜR DIE BEREITSTELLUNG... 23 4.2.2 FOLGERUNGEN... 25 5 OFFENE FRAGEN... 27 6 LITERATURVERZEICHNIS... 29
Fact Sheet für novatlantis Intranet Titel Antragsteller Verfasser Partner ECOGAS: Autofahren und Heizen mit Biomasse Prof. Dr. A. Wokaun PSI CH-5232 Villigen Tel. +41 56 310 27 51 Fax +41 56 310 21 99 alexander.wokaun@psi.ch Dr. S. Biollaz PSI CH-5232 Villigen Tel. +41 56 310 29 23 Fax +41 56 310 21 99 serge.biollaz@psi.ch Dr. O. Thees WSL CH-8903 Birmensdorf Tel. +41 1 739 24 57 Fax +41 1 739 25 15 oliver.thees@wsl.ch Dr. S. Stucki PSI CH-5232 Villigen Tel. +41 56 310 41 54 Fax +41 56 310 21 99 samuel.stucki@psi.ch Prof. Dr. C. Friedli ETHL CH-1015 Lausanne Tel. +41 21 693 31 21 Fax +41 21 693 51 70 claude.friedli@ethl.ch Abstract - Keywords Effiziente Biomassenutzung, regenerative Treibstoffe, Strom Projektdauer Vorprojekt: März 2002 bis Mai 2003 Veranstaltungen 21.5.03: WSL Tagung Energie aus dem Wald Chance für Forstbetriebe, Politik und Gesellschaft Gemeinsame Veranstaltung von: WSL, CEPE, Holzenergie Schweiz und PSI
Zusammenfassung Die Vision der Initiative "ECOGAS - Autofahren und Heizen mit Biomasse" ist, hocheffiziente und preiswerte Technologien zur Substitution von fossiler Energie zu entwickeln, die auf der Primärenergie Biomasse beruhen. Um die verfügbare Bioenergie verstärkt zu Nutzen ist ein weiterer Entwicklungsschub bei der Technologie notwendig. Für die energetische Nutzung von Biomasse in Form von Wärme, Strom und Treibstoff sind für die Umsetzung biogene Gase eines der wichtigsten Bindeglieder, z.b. in Form von Biogas oder Synthesegas. Die Initiative ECOGAS zeigt Wege auf, wie ein Teil der fossilen Energie durch Holz und Biomasseabfälle substituiert werden kann, z.b. in Form von Methan oder Strom aus Holz. Mit den, von der Strategie Nachhaltigkeit für ECOGAS bereitgestellten Seedmoneymittel wurden zwei Teilprojekte mitunterstützt, die von dem PSI und der WSL bearbeitet wurden. Im Rahmen des Teilprojektes Energieholzpotential Schweiz wurde durch die WSL das Energieholzpotential aus dem Wald auf der Grundlage des Schweizerischen Landesforstinventars (LFI) abgeschätzt und die dazugehörigen Holzbereitstellungskosten ermittelt. Ziel dieses Teilprojektes ist, für die Nutzungsszenarien Nutzung wie bisher und Vorratsabbau bis 2036 für die Regionen Jura, Mittelland, Voralpen, Alpen und Alpensüdseite das Energieholzpotential abzuschätzen. Mittels Umfrage wurden für verschiedene Holzernteverfahren die aktuellen Kosten ermittelt. Die wichtigsten Ergebnisse dieser Studie sind, dass die Kosten der Holzbereitstellung zwischen 2 bis 8 Rp/kWh liegen und das Energiepotential bei einer Bewirtschaftung wie bisher und einer Holzfeuchte von 25 % langfristig bei 20 bis 24 PJ liegt. Das Ergebnis dieses Teilprojektes ist für alle Holzenergienutzung von Bedeutung (Wärme, Strom, Treibstoff). Im Rahmen des Teilprojektes Methan-aus-Holz wurde durch das PSI vorwiegend technologischen Fragen abgeklärt. Ziel dieses Teilprojektes ist, den technisch und sozioökonomischen Nachweis für die Machbarkeit der Projektidee zu erbringen. Im Rahmen des Seedmoneyprojektes konnte gezeigt werden, dass die Erzeugung von Methan aus Holz im Leistungsbereich 20 bis 200 MW th technologisch machbar ist. Die Nutzung des erzeugten Methans als Treibstoff hat die grösste wirtschaftliche Erfolgschance. Es konnte aufgezeigt werden, wo die Herausforderungen und der Handlungsbedarf für das Projekt Methan-aus- Holz sind. Es gilt insbesonder die Erkenntnisse aus dem Kohlebereich zur Treibstoffsynthese in der Wirbelschicht aufzugreifen und auf die Anwendung im Biomassebereich zu übertragen und weiterzuentwickeln. Mit der Vergasung von Holz anstelle von Kohle ändert sich sowohl die Gaszusammensetzung als auch die Art und Konzentration verschiedener Gasverunreinigungen. Diese Konsequenzen gilt es bei der Technolgoieentwicklung zu berücksichtigen. Die Interaktion von eingesetzter Biomasse, Vergasung-, Gasreinigungstechnik und Methanerzeugung muss in der nächsten Projektphase vertieft untersucht werden. Ein Fokus muss auf dem Methanisierungsprozess liegen. Bei der Weiterentwicklung des Methanisierungsprozesses gilt es insbesondere die Wechselwirkung von der Verfahrenstechnik und der Toleranz des Katalysators gegenüber Verunreinigungen zu berücksichtigen. Damit kann der Gesamtprozess vom Holz zum synthetischen Ergas optimiert werden. Das Verstehen der Zusammenhänge im Gesamtprozess erlaubt es, die Anforderungen an die Teilprozesse wie Methanisierung, Gasreinigung und Vergasung abzuleiten. Paralell zum Seedmoneyprojekt der Strategie Nachhaltigkeit wurden am PSI im 2002 weitere Technologien für die hocheffiziente und preiswerte Biomassenutzung untersucht. Dabei standen im Vordergrund die Verstromung von Holz über die Hochtemperaturbrennstoffzelle und die Erzeugung von Methan aus Gülle über die hydrothermale Vergasung.
1 Ausgangslage Bis 2012 sollen in der Schweiz die CO 2 Emissionen nach den Zielen von Kyoto reduziert werden. Der Bundesrat hat das Ziel definiert, dass im Brenstoffbereich um 15% und im Treibstoffbereich um 8% weniger CO 2 emittiert werden sollen, bezogen auf das Jahr 1990. Für den Treibstoffbereich zeichnet sich ab, dass mit den vorgesehenen Massnahmen das gesetzte Ziel vermutlich nicht erreicht wird. Mit Biotreibstoffen können kurz- bis mittelfristig verhältnismässig grosse Mengen CO 2 reduziert werden. Gemäss einer kürzlich veröffentlichten BfE-Studie werden für Ethanol als Biotreibstoff sog. Opportunitätskosten von ca. 300 bis 600 CHF/t CO 2 erwartet [1]. Im Vergleich zu anderen Massnahmen im Verkehrsbereich sind dies verhältnismässig günstige spezifische Reduktionskosten. Das Interesse an Biotreibstoffen hat deshalb in den letzten Jahren wieder zugenommen. Neben der CO 2 -Reduktion gewinnt der Aspekt der Energie-Versorgungssicherheit an Bedeutung. Die EU Kommission will bis 2020 bis zu 23 Prozent des Treibstoffverbrauchs durch alternative bzw. nicht erdölstämmige Treibstoffe abdecken. Neben Erdgas (Methan) und Wasserstoff werden alle Biotreibstoffe als alternative Treibstoffe eingestuft. Kurzfristig sind RME (Biodiesel), Ethanol und Biogas verfügbar. Mittel- bis langfristig sollen u.a. Bio- Methanol, DME (Dimethylether) oder Fischer-Tropsch Treibstoffe über die sogenannte thermo-chemische Route erzeugt werden. Welcher dieser Treibstoffe sich tatsächlich auf dem Markt durchsetzen wird, ist heute offen. Bei optimalen Rahmenbedingungen sollen im Jahre 2020 8% der PKW-Mobilität mit Biotreibstoffen, 10% mit Erdgas und 5% mit Wasserstoff abdeckt werden. Werden die EU Ziele auf die Schweiz übertragen, ergibt sich folgendes Bild: Rund 220 PJ/a Treibstoffe wurden 2001 von PKW und LKWs in Form von Benzin und Diesel verbraucht. Experten rechnen mit einer weiteren Zunahme des Gesamtverbrauches bis 2020. Die 10% Erdgasmobilität entsprechen somit mindestens 22 PJ Erdgasverbrauch. Bei einem heutigen Erdgasverbrauch von 100 PJ entsprechen die 22 PJ einer 20 % Absatzsteigerung. Die 5% Wasserstoffmobilität ergeben rund weitere 16 PJ Erdgas, falls der Wasserstoff aus Erdgas hergestellt wird (Energieumwandlungswirkungsgrad 70%). Wird der Wasserstoff aus elektrischer Energie hergestellt, sind 16 PJ elektrische Energie bereitzustellen (Energieumwandlungswirkungsgrad 70%). Bezogen auf den heutigen inländischen Stromverbrauch im Verkehr von 16 PJ bedeutet dies eine Verdoppelung. Die Energiemenge von 16 PJ entspricht z.b. der Hälfte der Jahresproduktion eines Kernkraftwerkes der Grösse von Gösgen (1 GW el ). Die 8% Biotreibstoffmobilität entsprechen mindestens 30 PJ Primärenergie Biomasse (Energieumwandlungsgrad 60%). Würde ausschliesslich Biogas als Biotreibstoff hergestellt, ergäbe dies zusammen mit dem Erdgas 18% Methanmobilität, d.h. knapp jeder fünfte PKW würde im Jahre 2020 mit Gas betrieben. In der Schweiz wurde die kurzfristige EU-Zielsetzung von der Gaswirtschaft aufgenommen. Bis 2010 sollen demnach 2 % der Fahrzeugflotte mit Erd-/Biogas betrieben werden. Dieser Anteil entspricht ca. 70000 Fahrzeugen. In Absprache mit dem Dachverband Biomasse CH sollen davon 10%, d.h. 7000 Fahrzeuge, mit Biogas aus der Vergärung betrieben werden. Ein erdgasbetriebenes Fahrzeug emittiert im Vergleich zu einem Benziner rund 20% weniger CO 2. Somit bewirkt ein Biogasfahrzeug gleichviel CO 2 Reduktion, wie vier Erdgasfahrzeuge. Es gilt jedoch, dass eine gut ausgebaute Infrastruktur für Erdgasfahrzeuge vorhanden sein muss, damit die Erzeugung von Biogas zu Treibstoffzwecken Sinn macht. Damit ist eine gute Voraussetzung für eine win-win Situation geschaffen zwischen erneuerbaren und nichterneuerbaren Energieträgern. Biogas, bzw. biogenes Methan, kann aus verschiedenen Biomassen über verschiedene Prozesse hergestellt werden. Im Gegensatz zu Grünabfällen kann aber Holz nicht über die Vergärung in Biogas umgewandelt werden. Rund 20 PJ Energieholz sollen in der Schweiz Autofahren und Heizen mit Biomasse - ECOGAS 1
zusätzlich genutzt werden. Gelingt es, zu wirtschaftlich attraktiven Bedingungen Methan aus Holz herzustellen, sollte bei der oben genannten Zielsetzung der Absatz von Holz-Biogas gesichert sein. Wir rechnen damit, dass innerhalb von 7 bis 10 Jahren eine erste Methanaus-Holz Anlage im 20 MW th Massstab ihren Betrieb aufnehmen kann. Mit einer 20 MW th - Anlage können bei einem Holz-zu-Methan Wirkungsgrad von 50% rund 7000 Fahrzeuge versorgt werden (35000 t Holz/a, 0.5 PJ Holz, 70 GWh/a Holz-Biogas). Der relativ kurzfristige Umsetzungshorizont der Methan-aus-Holz Technologie ist möglich, weil auf Forschungs- und Entwicklungsergebnisse aufgebaut werden kann, die in den letzten 20 Jahren erarbeitet wurden (Holzvergasung im Leistungsbereich > 10 MW th, Erzeugung von synthetischen Kraftstoffen in Wirbelschichtanlagen, Synthesegasreinigung, etc.). In den USA gibt es verstärkte F&E Aktivitäten mit dem Ziel, Fischer-Tropsch Treibstoffe aus Kohle zu erzeugen (US-DoE: Vision 21). Wir rechnen damit, dass wichtige Erkenntnisse für die Methan-aus-Holz Technologie übertragbar sind (Gasreinigung, CO 2 -Abtrennung, etc.). Die Realisierung einer 20 MW th Methan-aus-Holz Anlage innerhalb von 7 bis 10 Jahren ist ein ehrgeiziges Ziel und setzt ein klares Bekenntnis voraus von Industrie, Behörden und Forschungsanstalten. Die Schweizer Forstwirtschaft will den nachwachsenden Rohstoff Holz im Sinne einer umfassenden Nachhaltigkeit stofflich und auch energetisch nutzen. Allerdings ist aufgrund der kleinflächigen Bewirtschaftung des mehrheitlich öffentlichen Waldbesitzes die Holzproduktion vergleichsweise teuer und der erzeugte Rohstoff auf den internationalen Holzmärkten wenig wettbewerbsfähig. Seit Jahren wird daher im Schweizer Wald der jährliche Holzzuwachs - rund 10 Millionen Kubikmeter Schaftholz in Rinde nur zu rund 70% genutzt. Wegen der mangelnden Wettbewerbsfähigkeit und der Abhängigkeit von öffentlichen Mitteln steckt die Schweizer Wald- und Holzbranche derzeit in einer wirtschaftlichen Krise. In der Folge findet in vielen Forstbetrieben ein Weg zurück zu mehr Eigenwirtschaftlichkeit statt. Hierfür ist unter anderem eine vermehrte und eine kosteneffiziente Holznutzung ein wichtiger Schlüssel zum Erfolg. Die Nutzung von Energieholz kann hierbei ein wichtiges Element von modernen forstlichen Produktionsstrategien und einen wichtigen Absatzkanal auch für den Abbau der hohen Holzvorräte im Schweizer Wald darstellen. Da die energetische Holznutzung in nicht unerheblichem Ausmass zur Substitution fossiler Energieträger und damit zur CO 2 -Einsparung beitragen kann, besteht an ihr auch ein politisches Interesse. Autofahren und Heizen mit Biomasse - ECOGAS 2
2 Ziele 2.1 Oberziel von ECOGAS Die Vision der Initiative "ECOGAS - Autofahren und Heizen mit Biomasse" ist, hocheffiziente und preiswerte Technologien zur Substitution von Erdöl zu entwickeln, die auf der Primärenergie Biomasse beruhen. Für die energetische Nutzung von Biomasse in Form von Wärme, Strom und Treibstoff sind für die technische Umsetzung biogene Gase das wichtigste Bindeglied, z.b. in Form von Biogas oder Synthesegas. Gasförmige fossile Energieträger, wie Erdgas oder Synthesegas aus der Kohlevergasung, werden in den nächsten Jahrzehnten an Bedeutung gewinnen. In der Schweiz wird das Erdgasnetz laufend ausgebaut und die Verwendung von Erdgas für Raumheizung, Blockheizkraftwerke und industrielle Anwendungen nimmt zu. Gleichzeitig richtet die Automobilindustrie verschiedene neue Antriebskonzepte auf neue Treibstoffe aus: Ob emissionsarme Fahrzeuge mit synthetischen Treibstoffen, effiziente Erdgasfahrzeuge, oder Wasserstoff für Brennstoffzellenantriebe: sie alle können auf Erdgas bzw. Synthesegas aus der Vergasung von Primärenergieträgern basieren. Auf lange Sicht müssen fossile Energieträger wie Kohle, Erdöl und Erdgas durch erneuerbare Energieträger ersetzt werden. Die Initiative ECOGAS zeigt Wege auf, wie ein Teil der fossilen Energie durch Holz und Biomasseabfälle substituiert werden kann, z.b. in Form von Methan oder Strom. Methan entsteht als natürliches Endprodukt beim Zerfall von Biomasse unter Luftabschluss wie z.b. bei der Vergärung von Grüngut. Methan bildet auch einen wesentlichen Anteil des bei der Vergasung von Holz entstehenden Gasgemisches. Es liegt deshalb nahe, das bisher ungenutzte Biomassepotenzial über Methan als gemeinsamen sekundären Energieträger zu fördern und über eine gut ausgebaute Infrastruktur zu nutzen. Die hochwertige Nutzung von Biomasse kann auf verschiedene Arten erfolgen. Im Rahmen der Initiative "ECOGAS" soll u.a. die Möglichkeit aufgezeigt werden, wie aus Holz erdgasnetztauchliches Methan hergestellt und verkauft werden kann. Weitere vielversprechende Technologien für die hocheffiziente und preiswerte Biomassenutzung werden untersucht. Dazu zählt u.a. die Verstromung von Holz über die Hochtemperaturbrennstoffzelle und die Erzeugung von Methan aus Gülle über die hydrothermale Vergasung. Die Technologieentwicklung ist das Rückgrat von ECOGAS. Sozio-ökonomische Abklärungen sollen die Technologieentwicklung unterstützen und die Umsetzung erleichtern. 2.2 Projektziel des Teilprojektes Methan-aus-Holz (Vorprojektphase) Die Projektidee Methan-aus-Holz besteht darin, Holz zuerst zu vergasen und anschliessend das Holzgas in synthetisches Erdgas umzuwandeln. Das aufbereitete Holz-Biogas soll über das Hochdrucknetz zu den Kunden verteilt werden. In den Eigenschaften soll sich das aufbereitete Holz-Biogas nicht vom fossilen Erdgas unterscheiden. Damit muss sich der Endnutzer nicht auf einen neuen Energieträger einstellen. Die Einspeisung des Holz- Biogases kann neue Nutzungsarten des Holzes ermöglichen. In der Vorprojektphase 2002 ist das Ziel des Teilprojektes "Methan-aus-Holz", einen ersten technischen und sozio-ökonomischen Nachweis für die Machbarkeit der Projektidee zu erbringen. Der Nachweis soll in der anschliessenden Projektphase mit gezielten Abklärungen weiter erhärtet werden. Aufbauend auf den gewonnenen Erfahrungen soll in der folgenden Phase unter der Leitung der Industrie eine Pilotanlage von mehreren MW gebaut und betrieben werden. Für die Industrie ist eine solche Anlage notwendig, um Erkenntnisse für Autofahren und Heizen mit Biomasse - ECOGAS 3
das Up-scaling gewinnen können. In der dritten Phase soll eine semi-kommerzielle Anlage z.b. im Massstab 20 MW th gebaut werden. Mit dem erfolgreichen Abschluss dieser Phase kann der technische und sozio-ökonomischen Nachweis für die Machbarkeit der Projektidee erbracht werden. Anschliessend soll die Technologie insbesondere in Europa kommerzialisiert werden. In Abbildung 2.1 ist die geplante zeitliche Entwicklung für die Technologieentwicklung Synthesegas zu Methan skizziert. Nr. Vorgangsname 1 Vorprojekt Methan aus Synthesegas 7 Entwicklungschritt im 10 kw Massstab 8 Proof of concept MaH im 10 kw Massstab: Stufe 1 15 Proof of concept MaH im 10 kw Massstab: Stufe 2 (Optimierung) 20 Entwicklungsschritt Methan aus Synthesegas (0.5... 4 MW) 21 Auslegung & Bau 24 Versuchsbetrieb 30 Entwicklungsschritt Methan aus Synthesegas (20 MW) 31 Auslegung & Bau 35 Versuchsbetrieb 41 Technologie verfügbar für die Markteinführung 42 01 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 H2 H1 H2 H1 H2 H1 H2 H1 H2 H1 H2 H1 H2 H1 H2 H1 H2 H1 H2 H1 H2 H1 H2 30.12. Abb. 2.1 Grobe Phasenplanung für die Technologieentwicklung Synthesegas-zu-Methan. Die Entwicklungen bei der Vergasung und Gasreinigung erfolgen zeitgleich, sind jedoch in dieser Phasenplanung nicht dargestellt. Die Entwicklung zur kommerziellen Anlage (> 20 MW th ) erfolgt über 3 Stufen: Pilotanlage I (kw Masstab), Pilotanlage II (MW Massstab), semi-kommerzielle Demonstrationsanlage (z.b. 20 MW th ). Das im Rahmen der Strategie Nachhaltigkeit bearbeitete Vorprojekt diente der Erarbeitung einer transparenten Entscheidungsgrundlage für das weitere Vorgehen bzw. für die Fertigstellung eines Projektantrages für die nächste Phase. Folgende Ziele wurden verfolgt: Ueberprüfen der technischen Machbarkeit basierend auf dem Stand der Technik. Reproduzieren der wichtigsten Methanisierungexperimente in der Wirbelschicht aus den 70er und 80er Jahren im kw Massstab. Die technische Machbarkeit wurde damals bis in den 20 MW th Massstab demonstriert (COMFLUX-Prozess). Abschätzung von Wirkungsgraden und Kosten erfolgsversprechender Verfahrensvarianten Methan-aus-Holz. Vergleich der Wirkungsgrade und Kosten von der Methanerzeugung, der Stromerzeugung (WKK) und der reinen Wärmeerzeugung bei der Nutzung von naturbelassenem Holz. Abschätzung des Beitrages zur Versorgungssicherheit und der CO 2 Reduktion, sowie ermitteln der CO 2 Reduktionskosten. 2.3 Projektziel des Teilprojektes Energieholzpotential Schweiz Ziel des Teilprojektes Energieholzpotential Schweiz ist es, das Potenzial an Energieholz im Schweizer Wald und die Kosten seiner Bereitstellung zu schätzen. Das Teilprojekt beantwortet zwei Fragen: 1. Welche Energieholzmengen können nachhaltig aus dem Schweizer Wald geerntet werden? 2. Zu welchen Preisen kann die Bereitstellung des Energieholzes erfolgen? Autofahren und Heizen mit Biomasse - ECOGAS 4
3 Einbettung der durchgeführten Arbeiten 3.1 Organisatorische Einbettung In Abbildung 3.1 sind die beteiligten Abteilungen des PSI und der WSL in vereinfachten Organigrammen dargestellt. Das PSI führte das Teilprojekt Methan-aus-Holz im Rahmen seines Biomasseprogramms durch. Die WSL führte das Teilprojekt Energieholzpotential Schweiz im Rahmen ihres Forschungsprogrammes Management einer zukunftsfähigen Waldnutzung durch (siehe auch Abbildung 3.2). PSI WSL Bereich ENE (Allgemeine Energie) A. Wokaun Forschungsbereich Landschaft Forschungsbereich Wald Labor für Energie und Stoffkreisläufe (LEM) S. Stucki, S. Biollaz, weitere Mitarbeiter Landschaftsinventuren E. Kaufmann Management Waldnutzung O. Thees, weitere Mitarbeiter Abb. 3.1 Beteiligte Abteilung des PSI und der WSL und deren Integration in den Organsationen 3.2 Fachliche Einbettung Das Projekt ECOGAS ist eingebetet in weitere Aktivitäten der Strategie Nachhaltigkeit (Mobiliätsmodule, TREFA Treibstoffe und Fahrzeuge in der 2000 Watt Gesellschaft ). In Abbildung 3.2 ist die fachliche Einbettung dargesellt. Biomasseaktivitäten (PSI) Strom aus Holz Hydrothermale Prozesse B-IGFC Biotreibstoffe aus Holz Seedmoneyprojekt ECOGAS: Teilprojekt Methan aus Holz Teilprojekt Energieholzpotential Netzwerk TREFA Methan aus Holz (konventionell) Mobilitätsmodul Management einer zukunftsfähigen Waldnutzung (WSL) Seedmoneyprojekt TREFA Seedmoneyprojekt Mobilitätsmodul Abb. 3.2 Fachliche Einbettung des Seedmoneyprojektes ECOGAS in laufende Aktiväten von PSI, WSL, EMPA, ETHZ. (TREFA: Treibstoff und Fahrzeuge in der 2000 Watt Gesellschaft) Autofahren und Heizen mit Biomasse - ECOGAS 5
4 Ergebnisse 4.1 Teilprojekt Methan-aus-Holz : Technologieentwicklung 4.1.1 Stand der Technik Mit der Technologie Methan-aus-Holz soll synthetisches Erdgas aus Holz hergestellt werden. Damit dieses Gas gute Marktchancen hat, müssen die Gestehungskosten möglichst gering sein. Die Wahl der Technologie beeinflusst insbesondere den erzielbaren Wirkungsgrad und die notwendigen Investitionskosten. Eine techno-ökonomische Abstimmung der einzelnen Prozessschritte wie der Vergasung, der Synthesegasreiniung und der Methanisierung ist erforderlich, um einerseits einen hohen Wirkungsgrad Holz-zu-Methan zu erreichen und gleichzeitig wirtschaftlich attraktive Gestehungskosten für das Methan bzw. das synthetische Erdgas zu erzielen. In Abbildung 4.1 sind die beiden Grundkonzepte dargestellt, wie bei der klassischen Vergasung Methan aus Holz erzeugt werden kann. Die Konzepte unterscheiden sich insbesondere im Bereich der Vergasung und z.t. im Bereich der Synthesegasreinigung. Die Methanisierungsstufe kann bei beiden Konzepten grundsätzlich gleich ausgeführt werden. Eine Abstimmung auf die vorgelagerten Prozessschritte ist jedoch sinnvoll. Grundkonzept I Holz Atmosphärische Vergasung Gasreinigung Kompression Methanisierung Gasreinigung CH 4 Luft/ Dampf S, Cl, Staub, etc. CO 2 Grundkonzept II Holz Druckvergasung Gasreinigung Methanisierung Gasreinigung CH 4 Sauerstoff & Dampf Abb. 4.1 S, Cl, Staub, etc. CO 2 Gegenüberstellung der beiden Grundkonzepte zur Erzeugung von Methan aus Holz bei der klassischen Vergasung. Die Methanisierungsstufe und die anschliessende Gasaufbereitung können identisch sein. Die wesentlichen Unterschiede sind bei der Vergasung und der Synthesegasreinigung (Atmosphärische und Druckvergasung, Nieder- und Hochtemperaturgasreinigung). Der gesamte Prozess kann vereinfacht werden, wenn es z.b. gelingt, einen Methanisierungskatalysator zu entwickeln, der eine höhere Toleranz gegenüber Teeren und weiteren Verunreinigungen hat. Weiter ist denkbar, dass die Vergasung in Richtung methanreiches Gas optimiert wird. Mit solchen Technologieentwicklungen kann gleichzeitig die Effizienz gesteigert werden und können Kosten eingespart werden. Anhand der techno-ökonomische Abklärungen "Methan-aus-Holz" können somit frühzeitig die Chancen und Risiken bei der Technologieentwicklung der gesamte Prozesskette erkannt werden. Mit der Abklärung sollen vorhandene Erkenntnisse gesichtet und bewertet werden und der Handlungsbedarf bei der Technologieentwicklung aufgezeigt werden. Die Option der hydrothermalen Vergasung mit integrierter Methanisierung wird in dieser Abklärung nicht betrachtet. Autofahren und Heizen mit Biomasse - ECOGAS 6
Vergasungstechnik Für die Biomassevergasung wurde in den letzten 15 Jahren eine Vielzahl von Technologien mit einer Leistung grösser 10 MW th entwickelt. Die zu vergasende Biomasse hat einen Einfluss auf die Wahl des Vergasungsverfahrens. So unterscheiden sich z.b. Holz, Stroh und Black liquor (Ablauge aus der Zellstoffgewinnung) deutlich in ihren Eigenschaften. Das Ziel der Vergaserentwickler ist, eine möglichst breite Palette von Biomassen mit ihrem Verfahren nutzen zu können. Da die technischen Lösungsansätze sehr unterschiedlich sind, ergeben sich sehr unterschiedliche Gaszusammensetzungen, selbst für den Fall, dass die gleiche Biomasseart vergast wird. Für die vorliegende Abklärung wurden zwei Verfahren ausgewählt, welche sich im Vergasungsdruck und im eingesetzten Vergasungsmittel deutlich unterscheiden. In Abbildung 4.2 ist das Vergasungsprinzip des FICFB-Verfahrens dargestellt und dessen technische Umsetzung in einer 100 kw Technikumsanlage. In Abbildung 4.3 ist das Bioflow- Verfahren dargestellt, sowie die erste semi-kommerzielle Anlage, welche in Värnamo realisiert wurde. Es sind die einzigen beiden Verfahren, welche bisher im Multimegawattbereich demonstriert werden konnten und mehr als 4000 Stunden Vergasungsbetrieb erreicht haben. Beide Verfahren sind geeignet, holzartige Biomassen zu vergasen und erzeugen aus dem Holzgas elektrische Energie. Beim Bioflow-Verfahren in Värnamo erfolgt die Verstromung über eine Gas- und Dampfturbine (Kombiprozess), beim FICFB-Verfahren in Güssing erfolgt die Verstromung über einen Gasmotor. Verfahrensprinzip Technische Umsetzung Produktgas Abgas Holz Vergasung Produktgas Dampf Wärme Koks Luft Verbrennung Abgas Holz Dampf Luft Abb. 4.2 Atmosphärische Vergasung nach dem FICFB Vergasungsprinzip [2]. Mit der Dampfvergasung wird erreicht, dass ein stickstofffreies Synthesegas erzeugt wird, ohne dass ein teuere Sauerstoff/Dampfvergasung durchführt werden muss. Bei dem in Abbildung 4.2 dargestellten FICFB-Verfahren wird Dampf als Vergasungsmittel eingesetzt. Der Wärmehaushalt in der Vergasungszone wird aufrechterhalten, indem Koks aus der Vergasungszone in der Verbrennungszone verbrannt wird. Zwischen den beiden Zonen zirkuliert ein Bettmaterial, welches aus der Verbrennungszone die Wärme in die Vergasungszone transportiert. Damit kann ein stickstofffreies Synthesegas erzeugt werden, ohne dass eine teuere Sauerstoff/Dampfvergasung notwendig ist. FICFB steht für Fast Internally Circulating Fluidised Bed. Bei dem in Abbildung 4.3. dargestellten Bioflow-Verfahren wird bisher Luft als Vergasungs- Autofahren und Heizen mit Biomasse - ECOGAS 7
mittel verwendet. Damit entsteht ein Synthesegas, welches bis zu 50 Vol% Stickstoff enthält. Da für die Methanisierung ein stickstofffreies Synthesegas erwünscht ist, muss das Vergasungsmittel angepasst werden. Eine Umstellung auf eine Dampf/Sauerstoff-Vergasung sollte jedoch nach Herstellerangaben kein Problem sein. Da die Vergasung bei rund 20 bar erfolgt, muss die Biomasse über ein Schleusensystem in die zirkulierende Wirbelschicht eingeführt werden (CFB: Circulating Fluidised Bed). Nicht umgesetzte Biomasse bzw. Koks wird im Zyklon abgeschieden und in die Vergasungszone zurückgeführt. In Värnamo wird bei rund 350 bis 400 C eine sogenannte Heissgasreinigung durchgeführt. Dieser Lösungsansatz ist für eine nachfolgende Methanisierungsstufe interessant, da die Methanisierung ebenfalls in diesem Temperaturbereich erfolgt. Voraussetzung ist, dass mit einer solchen Gasreinigung die erforderliche Gasqualität für die Methanisierung erreicht wird, insbesondere bezüglich möglicher Katalysatorgifte. Värnamo, S: 20 MW th Abb. 4.3 Druckvergasung nach dem Bioflow-Verfahren [3]. Neben diesen beiden Verfahren sind weitere Vergasungsverfahren in der Entwicklungs- bzw. in der Demonstrationsphase und können für das Projekt Methan-aus-Holz von Bedeutung sein. Im Hinblick auf eine Demonstrationsanlage Methan-aus-Holz ist in regelmässigen Abständen der Fortschritt der alternativen Vergasungsverfahren zu beurteilt. Synthesegasreinigung Die Synthesegasreinigung ist das Bindeglied zwischen der Vergasung und der Nutzung des Synthesegases. Je nach Anwendung ist die geforderte Gasqualität sehr unterschiedlich. Erschwerend kommt hinzu, dass für viele nachgeschaltete Prozesse wie Gasmotor, Gasturbine oder katalytische Prozesse keine Erfahrungswerte für Holzgas vorliegen. Über Erfahrungswerte aus dem Kohle- und Schwerölbereich werden Anforderungen abgeleitet, welche mit entsprechenden Sicherheitsfaktoren versehen sind. In der Fachwelt gilt die Synthesegasreinigung als eine der Schlüsseltechnologien für eine breite Markteinführung der neuen Biomassetechnologien. Bedingt durch die Vielfalt der Vergasungsverfahren und der nachgeschalteten Prozesse ist es bisher noch nicht gelungen, Standardlösungen zu erarbeiten. Die gewonnen Erfahrungen der letzten 10 Jahren geben jedoch wichtige Hinweise auf die erfolgsversprechenden Stossrichtungen. Die Referenz [4] gibt einen guten Überblick über den Stand des Wissens in der Synthesegasreinigung. Autofahren und Heizen mit Biomasse - ECOGAS 8
Für die Fischer-Tropsch Synthese von flüssigen Treibstoffen werden z.b. nach [5] und weiteren Quellen sehr tiefe Konzentrationen von potentiallen Katalysatorgiften gefordert. Als maximal zulässige Konzentration werden z.t. Werte von 0 ppm angegebn oder Konzentrationen im ppb-bereich. Dies bedeutet, dass bei der Synthesegasreiniung z.t. Abscheidegrade von deutlich über 99.9 % erreicht werden müssen. Aus Betreibersicht ist verständlich, dass die Betriebsrisiken durch Katalysatorgifte so weit wie möglich minimiert werden sollen. Bei Anlagen im GW-Massstab kann der technische Aufwand gerechtfertig werden. Bei Anlagen kleiner Leistung (< 100 MW) können diese Anforderungen technisch oder ökonomisch zum Scheitern der gesamten Prozesskette führen, bzw. sind in die Praxis möglicherweise nicht umsetzbar. Sind bereits Endkonzentrationen im ppm-bereich zulässig, kann dies zu einer wesentlichen Entschärfung der technischen Herausforderung führen. Für die Methanisierung von Synthesegas gibt es noch weniger Anhaltspunkte für die geforderte Gasqualität als für die Fischer-Tropsch Synthese von flüssigen Treibstoffen. Es kann davon ausgegangen werden, dass ein für die Fischer-Tropsch-Synthese geeignetes Syntesegas auch für die Methanisierung geeignet ist. Eine Klärung der geforderten Gasqualität und das Verstehen der Zusammenhänge ist eine wichtige Voraussetzung für eine angemessene Gestaltung und Auslegung der Synthesegasreinigung. Synthesegaskompressor Die Methanisierung erfolgt aus Kostengründen vermutlich sinnvollerweise unter Druck. Aus thermodynamischen Gründen kommt jedoch auch eine Methanisierung bei Umgebungsdruck in Frage. Entsprechend dem geforderten Reaktionsdruck muss das Synthesegas vom Vergasungsdruck auf den Reaktionsdruck verdichtet werden (5 bis 25 bar). Für die Verdichtung von Synthesegas kommen Kolbenkompressoren oder Axial/Radial- Kompressoren zur Anwendung. Die Anforderungen an die Reinheit der Produktgasqualität sind unterschiedlich. Es gilt gewisse Toleranzwerte bezüglich Teeren, NH 3, Partikeln etc. einzuhalten, damit ein störungsfreier Betrieb des Kompressors möglich ist. Es kann nicht ausgeschlossen werden, dass der Kompressor höhere Anforderungen an die Synthesegasqualität stellt, als die nachgeschaltete Methanisierungstufe. Erfolgt die Methanisierung beim gleichen Druck wie die Vergasung, kann auf einen Synthesegaskompressor verzichtet werden. Abb. 4.4 Beispiel für eine Produktgaskompressor Autofahren und Heizen mit Biomasse - ECOGAS 9
Methanisierung In den 60er bis 80er Jahren wurde die Methanerzeugung aus Kohle in den USA und in Deutschland intensiv untersucht und bis zur Marktreife entwickelt [6]. Das bei der Kohlevergasung entstehende Synthesegas wird über einen katalytischen Prozess in SNG umgewandelt (Substitute Natural Gas bzw. Synthetic Natural Gas). In den USA, Great Plains, wurde 1984 eine 2 GW th -Anlage in Betrieb genommen, welche auch heute noch SNG aus Braunkohle erzeugt und in das lokale Gasnetz einspeist [7]. Das Synthesegas wird in 14 parallel geschalteten Festbettvergasern erzeugt, die jeweils eine Leistung von 150 MW th haben. Der energetische Umwandlungswirkungsgrad von der Braunkohle zum SNG beträgt 50%. Bei dieser Anlage stammt die eingesetzte Technik aus den 70er Jahren und wurde von Lurgi geliefert (Vergaser, Synthese, etc.). Bei der Methansynthese kommt eine Festbettmethanisierung zur Anwendung, wie sie auch heute noch bei der Methanolsynthese zur Anwendung kommt. Bis Anfang der 80er Jahre wurde bei SASOL in Südafrika für die Erzeugung von flüssigen Fischer-Tropsch Treibstoffen (Benzin, Diesel) grundsätzlich die gleiche Anlagentechnik von Lurgi genutzt. Vereinfacht gesagt, kam in Südafrika anstelle des Methanisierungskatalysators ein anderer Synthesekatalysator zur Anwendung. In Abbildung 4.5 ist das vereinfachte Anlagenschema der Anlage in Great Plains dargestellt. Abb. 4.5 Vereinfachtes Anlagenschema der Methan-aus-Braunkohle Anlage in Great Plains, USA [7]. Die Anlage ist seit 1984 in Betrieb und Erzeugt im Massstab 2 GW th mit einem energetischen Wirkungsgrad von ca. 50 % synthetisches Methan (Synthetic Natural Gas (SNG)). Um die exotherme Reaktion bei der Methanisierung im Festbett zu kontrollieren, muss bei hohen CO-Konzentrationen im Synthesegas mit einem Überschuss an Dampf und grossen Mengen Kühlwasser gearbeitet werden. Kommerzielle Festbettkatalysatoren für die Methanisierung bei tiefen CO-Konzentrationen sind verfügbar, da bei einer Reihe von technischen Prozessen die CO-Methanisierung von Bedeutung ist. Eine Alternative zu der Festbettmethanisierung ist die Methanisierung in der Wirbelschicht. Diese Technik ist besonders dann von Interesse, wenn der CO-Gehalt im Synthesegas deutlich über 10 Vol% ist und das H 2 zu CO Verhältnis unter drei. Die guten thermischen Eigenschaften der Wirbelschichttechnik erlauben eine einfache Auskopplung der Reaktionswärme auf einem hohen Temperaturniveau und eine nahezu isotherme Betriebsweise. Die einfachere Reaktionsführung verbessert den Gesamtwirkungsgrad und senkt sowohl die Investitions-, Autofahren und Heizen mit Biomasse - ECOGAS 10
als auch die Betriebskosten und damit die Methangestehungskosten. Da die Wirbelschichtmethanisierung bisher in keinem industriellen Prozess zur Anwendung kommt, sind kommerzielle Methanisierungskatalysatoren für die Wirbelschicht nicht verfügbar. Alle wichtigen Katalysatorlieferanten haben jedoch Erfahrungen mit Wirbelschichtkatalysatoren. Auf Anfrage werden in der Regel Probenmuster für die Wirbelschichtmethanisierung zu Versuchszwecken zur Verfügung gestellt. Die Entwicklung der Methanisierung in der stationären Wirbelschicht wurde bereits ab Mitte der 70er Jahre in Deutschland vorangetrieben [8-10]. Die Motivation für diese Technologieentwicklung war die Methanisierung von Kohlesynthesegas. Die technische Machbarkeit der Technik wurde im 20 MW th Massstab demonstriert und ist unter dem Namen COMFLUX bekannt geworden [10]. In Abbildung 4.6 ist das Modell und die ausgeführte Demonstrationsanlage für die Wirbelschichtmethanisierung dargestellt. Als nächster Schritt waren Anlagen im 200 MW th Massstab geplant. Modell Demonstrationsanlage Abb. 4.6 20 MW th Demonstrationsanlage für die Methanisierung in der Wirbelschicht nach dem COMLUX-Verfahren [10]. Der Wirbelschichtreaktor, das Herzstück der Anlage, hat einen Innendurchmesser von 1 Meter und Länge von 11 Meter und ist im Modell gut erkennbar. Der Reaktionsdruck in der Methanisierungsanlage wurden zwischen 12 und 45 bar variiert. Die Demonstrationsversuche im MW Massstab wurden vom Engler-Bunte-Institute (EBI) der Universität Karlsruhe wissenschaftlich begleitet. Für die experimentellen Untersuchungen zur Wirbelschichtmethanisierung wurde eine kleinen Pilotanlage im kw-masstab für den drucklosen Betrieb gebaut. In Abbildung 4.7 sind die Betriebseinstellungen der Pilotanlage und der Demonstrationsanlage dargestellt, welche für das Projekt Methan-aus-Holz besonders von Interesse sind. Auf der 20 MW-Anlage wurden vorwiegend Versuche bei 30 bar und einem H 2 zu CO Verhältnis von 3 durchgeführt. Mit der kleinen Pilotanlage am EBI wurde u.a. untersucht, ob bei einer Absenkung des H 2 zu CO Verhältnises auf 1 und einer stetigen Verringerung der Dampfzugabe ein Verkokung des Katalysators stattfindet. Aus Abbildung 4.8 ist erkennbar, dass über die gesamte Versuchsdauer von 700 h keine Katalysatordeaktivierung stattfindet und bei der Glühverlustbestimmung keine Gewichtsabnahme festgestellt wird. Ursprünglich war geplant, auf der 20 MW Anlage diese Versuche zu reproduzieren. Dieses Ergebnis des EBI ist für das Methan-aus-Holz Projekt besonders Autofahren und Heizen mit Biomasse - ECOGAS 11
von Bedeutung, da bei der Holzvergasung am Austritt des Vergasers das H 2 zu CO Verhältnises zwischen 0.8 und 1.8 liegt. Das Verhältnis hängt im wesentlichen von der Vergasungstechnik ab. Kann das Holzgas ohne weitere Anpassung direkt der Methanisierung zugeführt werden, verbessert dies wiederum die Wirkungsgrad- und Kostensituation. 50 1,4 Reaktionsdruck p ges [bar] 40 30 20 10 Demonstrationsanlage 2 kw Pilotanlage Dampfverhältnis D v [-] 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 2 kw Pilotanlage n H 2 / CO = n DV = n n CO, in H2, in CO, in H 2O, in + n H 2, in 0 1,0 2,0 3,0 4,0 H 2 /CO Verhältnis [-] 0,0 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 H 2 /CO Verhältnis [-] Abb. 4.7 Betriebseinstellungen (H 2 /CO & D v -Verhältnis, Reaktionsdruck) der Demonstrationsanlage in Hüls und der kw Pilotanlage am EBI, welche für das Projekt Methan-aus-Holz besonders von Interesse sind. Daten aus [9, 10]. n H2 / CO = n n DV = n CO, in H2, in CO, in H2O, in + n H2, in S U n CH4, out CH = 4 nco, in nco, out CO n = CO, in n n CO, in CO, out Abb. 4.8 Langzeituntersuchungen mit der 2 kw Pilotanlage [9]. Das H 2 /CO-Verhältnises wurde stufenweise von 3 auf 1 reduziert. Um eine Verkokung des Katalysators zu vermeiden, wurde Dampf zugeführt und gegen Ende des Langzeitversuches bis auf ein D v - Verhältnis von 0.23 reduziert. Über die gesamte Versuchsdauer wurde der Glühverlust von Katalysatorproben bestimmt und keine Russbildung beobachtet ( C = 0 Gew.-%). Ab Mitte der 80er Jahre bestand in Europa kein Interesse mehr an der Weiterentwicklung der Technik zur Methanisierung in der Wirbelschicht. Die F&E Aktivitäten wurden in Deutschland eingestellt und es wurden keine weiteren Anlagen gebaut. Kurze Zeit später wurde in Autofahren und Heizen mit Biomasse - ECOGAS 12
Südafrika bei SASOL die Entwicklung der stationären Wirbelschichttechnik für die Fischer-Tropsch Synthese von flüssigen Treibstoffen gestartet (Sasol Advanced Synthol (SAS) und Slurry Phase Reactor (SPR)). Diese Technologien ersetzten ab Mitte der 90er Jahre die bislang eingesetzte Wirbelschicht-/Flugstromtechnologie [11-13]. Bei dem SAS Prozess wird bei 30 bar und 350 C das Kohlegas in ein Fischer-Tropsch Dieselgemisch umgewandelt. Dieses Gemisch wird in einem nachgeschalteten Prozess zur geforderten Treibstoffqualität aufbereitet. Der Innendruchmesser eines SAS Wirbelschicht-Reaktors beträgt 11 Meter. Die Tagesleistung einer solchen Anlage beträgt 20000 Barrel Treibstoff, was einer chemischen Leistung von 1,2 GW entspricht. Die technische Herausforderung für das Projekt Methan-aus-Holz besteht somit darin, sowohl die Erkenntnisse der SNG-Herstellung aus Kohle als auch die Weiterentwicklung der Wirbelschichtreaktoren für die Fischer-Tropsch Synthese aufzugreifen und auf die Anwendung im Biomassebereich zu übertragen. Durch die Vergasung von Biomasse anstelle von Kohle bzw. Erdgas verändert sich die Gaszusammensetzung, sowie die Art und Konzentration verschiedener Gasverunreinigungen. Der Fokus in der nächsten Projektphase sollte deshalb nicht ausschliesslich auf dem Methanisierungsprozess liegen, sondern vor allem die starke Interaktion zwischen eingesetzter Biomasse, Vergasung, Gasreinigung und Methanerzeugung vertieft untersuchen. Dadurch kann der Gesamtprozess optimiert werden und Anforderungen an die Methanisierung abgeleitet werden (Methanisierungstechnik, Toleranz des Katalysators gegenüber Verunreinigungen, etc.). Technik zur CO 2 Abtrennung Nach der Methanisierung des Synthesegases liegt der CO 2 -Gehalt im Bereich von bis zu 50 Vol%. Damit das synthetische Erdgas in das Erdgasnetz eingespiesen werden kann, muss es Aufbereitet werden. Ein wesentlicher Schritt besteht in der Abtrennung des CO 2. Verschiedene Verfahren können zur Anwendung kommen, wie z.b. die Amin-Wäsche oder die Membrantrenntechnik. Die Membrantrenntechnik kommt beim KOMPOGAS-Verfahren zur Anwendung, um das Methan aus der Vergärung auf 96 Vol% anzureichern. Für die Erdölund Erdgasindustrie ist eine solche kleine Anlage eher als Versuchsanlage einzustufen. Die grosstechnische CO 2 -Abtrennung aus einem CO 2 -CH 4 -Gemisch entspricht dem Stand der Technik und kommt zu Anwendung, um Roherdgas zur geforderten Netzspezifikationen aufzubereiten (H- oder L-Gas). In Abbildung 4.9 ist ein Beispiel für eine CO 2 -Abtrennanlage nach dem Membrantrennverfahren dargestellt. Abb. 4.9 Beispiel für eine CO 2 Abtrennanlage mittels Membranen [14] Autofahren und Heizen mit Biomasse - ECOGAS 13
4.1.2 Methanisierungsexperimente am PSI im kw-massstab Um wichtige Literaturangaben aus [9] zu reproduzieren, wurde am PSI eine identische Versuchsanlage aufgebaut, wie sie in den 70er und 80er Jahren am EBI im Einsatz war. In Abbildung 10 ist das Schema der Versuchsanlage und in Abbildung 11 eine Gesamtansicht der Methanisierungsanlage dargestellt, welche Katalysatortests im kw-massstab ermöglicht. H 2 CO CO 2 CH 4 N 2 H 2 O BTN Filter CH 4 ;CO 2 Verdampfer 200 C Verdampfer 200 C Kondensat Abb. 4.10 Schema der Versuchsanlage für die erforderlichen Katalysatortests Abb. 4.11 Gesamtansicht der Methanisierungsanlage Autofahren und Heizen mit Biomasse - ECOGAS 14
Nach Rücksprache mit Herrn Prof. Hedden, dem damaligen wissenschaftlichen Leiter am EBI, wurde der Katalysatorlieferant für den Katalysator I/3M kontaktiert. Der Katalysator I/3M hatte die besten Ergebnisse geliefert. Im Rahmen des Seedmoneyprojektes wurden Wiederholungsexperimente zu den EBI Experimenten durchgeführt, sowie Holzgasspezifische Untersuchungen mit dem Fokus auf die möglichen Katalysatorgifte Toluol und Benzol. 1.00 1.00 CO Umsatzgrad U CO [-] 0.95 0.90 0.85 0.80 U CO n = CO, in n n CO, in CO, out Test PSI I/3M I/1M III/2T I/2M II/3T III/1T 0.75 250 300 350 400 450 500 550 Temperatur [ C] Methanselektivität S CH4 [-] 0.75 250 300 350 400 450 500 550 Temperatur [ C] Abb. 4.12 Vergleich der Aktivität und Selektivität von Methanisierungskatalysatoren in der Wirbelschicht als Funktion der Temperatur. Mit Ausnahme der Daten Test PSI stammen sämtlich Daten aus [9]. Die Experimente am PSI wurden mit einem Katalysator durchgeführt, der gemäss Herstellerangaben identisch mit dem Katalysator I/3M sein soll. Alle Versuche wurden mit gleicher Katalysatorbelastung durchgeführt. Das beobachtete Verhalten des neuen Katalysators bestätigt diese Hypotese. 0.95 0.90 0.85 0.80 S CH 4 = n n n CO, in CH 4, out CO, out Test PSI I/3M I/2M 1.00 1.00 CO Umsatzgrad U CO [-] 0.95 0.90 0.85 0.80 H2 / CO = 3 H2 / CO = 1 Methenselektivität S CH4 [-] 0.80 0.60 0.40 0.20 H2 / CO = 3 H2 / CO = 1 0.75 250 300 350 400 450 500 550 Temperatur [ C] 0.00 250 300 350 400 450 500 550 Temperatur [ C] Abb. 4.13 Vergleich der Aktivität und Selektivität des neuen Methanisierungskatalysators in der Wirbelschicht als Funktion der Temperatur und des H 2 /CO Verhältnises. In Abbildung 4.12 werden die eigenen Untersuchungen mit den veröffentlichten Daten des Autofahren und Heizen mit Biomasse - ECOGAS 15
EBI verglichen. Die Versuchsbedingungen von damals wurde beibehalten. Insbesondere die Katalysatorbelastung war bei allen Versuchen identisch. Es ist erkennbar, dass sowohl die Aktivität als auch die Selektivität vergleichbare Werte ergibt und der neue Katalysator tatsächlich vergleichbare Eigenschaften aufweist, wie der ursprünglich getestete I/3M. In Abbildung 4.13 wird die Aktivität und Selektivität für den neuen Katalysator bei unterschiedlichen H 2 /CO Verhältnissen getestet. Bei dem H 2 /CO Verhältnis von 3 ist der Einfluss der Katalysatorbelastung auf die Methanselektivität gut zu erkennen (S CH4 0.85 bzw. 1,0 bei 350 C). In [9] wurden für ein H 2 zu CO Verhältnis von 1 keine Daten mit einer Temperaturvariation veröffentlicht. Es ist erkennbar, dass bei den neuen Messungen das H 2 /CO Verhältnis keinen Einfluss auf die Aktivität hat. Wie erwartet, fällt beim H 2 /CO Verhältnis von 1 die Methanselektivität auf 0.5 ab. Die in Abbildung 4.11 dargestellten Aktivitäten und Selektivitäten aus Kurzzeitversuchen stimmen gut mit den Langzeituntersuchungen aus Abbildung 4.12 überein. Mit den in Abbildung 4.12 dargestellten Messungen sollten die wichtigsten Einstellungen aus Abbildung 4.8. wiederholt werden. Es zeigt sich, dass die Aktivität und die Selektivität des neuen Katalysators verbessert ist, obwohl bei einer höheren Katalysatorbelastung gefahren wird. Die wichtigsten Ergebnisse konnten erfolgreich reproduziert werden. 450 Temperatur [ C] 400 350 CO-Umsatz U CO - 300 1.0 0.5 0.0 0 24 48 72 96 120 144 168 0 24 48 72 96 120 144 168 [h] Parameter H 2 /CO 3 1 D V KB 0 0.25 156 62.5 49 Abb. 4.14 PSI Dauerversuche mit dem neuen Wirbelschichtkatalysator (H 2 /CO Verhältnises: 3 und 1). Die Untersuchungen ergeben ein vergleichbares Resultat, wie die Messungen des EBI in Abbildung 4.8. Die Aktivität und die Selektivität des neuen Katalysators ist etwas verbessert im Vergleich zum Vergleichskatalysator I/3M. Im Rahmen des Seedmoneyprojektes wurden die Messungen abgeschlossen mit einzelnen Versuchen zum Einfluss von Teersubstanzen wie Benzol, Toluol und Naphtalin. Es gibt Hinweise, dass der Katalysator eine gewisse Teerverträglichkeit aufweist. Diese Effekte müssen weiter untersucht werden, insbesondere mit Langzeituntersuchungen (> 100 h). Methanselektivität S CH 4- Einheit [-] [-] [mol/kg h] Autofahren und Heizen mit Biomasse - ECOGAS 16
ABSCHÄTZUNG VON WIRKUNGSGRAD UND KOSTEN METHAN-AUS-HOLZ Wirkungsgradabschätzung Holz zu Methan Für eine vielversprechende Prozessoption vom Holz zu Methan wurde mit der Prozesssimulationssoftware ASPEN plus der energetische Wirkungsgrad bestimmt. Diese Simulationssoftware ermöglicht es, detaillierte Berechnungen durchzuführen, und ist deshalb eine der Standardprogramme, die in der Industrie für die Simulation von chemischen Prozessen eingesetzt werden. Mit dem Modell für die Methan-aus-Holz Technologie kann der Einfluss verschiedener Parameter auf den Wirkungsgrad untersucht werden, wie zum Beispiel der Druck der Methanisierung oder die Dampfzugabemenge in die Methanisierung. Im weiteren können unterschiedliche Detailkonzepte für die gleiche Aufgabe miteinander verglichen werden, z.b. Festbettmethanisierung im Vergleich zur Wirbelschichtmethanisierung. In Abbildung 4.15 ist das zugrunde liegende Anlagenkonzept dargestellt. Für die Simulation wurde die Gaszusammensetzung der FICFB Vergasung in Güssing gewählt. Die Gaszusammensetzung nach der Gasreinigung ist: 39 Vol% H 2, 27 Vol% CO,14 Vol% CH 4, 20 Vol% CO 2 bei einem Kaltgaswirkungsgrad von 74.4%. Es wurde angenommen, dass diese Gaszusammensetzung (inkl. Verunreinigungen) mit einem Kompressor verdichtet werden kann. Für die Modellierung der Wirbelschichtmethanisierung wurden die Erfahrungen aus den Experimenten genutzt. Diese haben gezeigt, dass mit einem FICFB Vergasergas eine Methanisierung möglich sein sollte. Eine Gaskonditionierung wäre demnach nur bedingt notwendig und würde sich auf die Zugabe von Dampf beschränken. Die bisherigen Experimente zeigen, dass bei 1 bar der Umsatz gleichgewichtslimitiert ist. Für die ASPEN Simulation wurde für die Methanisierung ein Druck von 15 bar bei 450 C gewählt. Es wurde angenommen, dass auch bei 15 bar der Umsatz nach wie vor gleichgewichtslimitiert ist und keine Kohlenstoffbildung erfolgt. Für die Gasreinigung nach der Wirbelschichtmethanisierung wurde eine ideale Membrane angenommen, d.h. kein Methanverlust im Permeat. Das Retentat wird anschliessend mit einem Kompressor auf den Maximaldruck des Erdgastransportnetzes von 70 bar verdichtet. Für die Wirkungsgradberechnung wurde angenommen, dass die notwendige Hilfsenergie, wie Strom und Dampf, als Nebenprodukte von der Anlage selbst bereitgestellt worden. Die Anlage ist damit unabhängig von weiteren Primärenergien und wird ausschliesslich mit Holz betrieben. Anstelle der Bereitstellung der Hilfsenergie aus Holz sind alternative Konzepte denkbar wie z.b, Strom ab Netz und ölbefeuerter Dampfkessel. Der Holzumwandlungswirkungsgrad wird in einem solchen Fall höher. In Tabelle 1 sind die wichtigsten Annahmen für die Wirkungsgradberechung nochmals zusammengestellt. Holz FICFB Vergasung Gasreinigung Wirbelschicht- Kompression Gasreinigung CH 4 Methanisierung Luft/ Dampf S, Cl, Staub, etc. CO 2 Abb. 4.15 Der Wirkungsgradabschätzung zu Grunde gelegtes Anlagenkonzept Für das in Abbildung 4.15 abgebildete Konzept wurde ohne weitere Optimierung ein energetischer Umwandlungsgrad vom Holz zum Methan im Erdgasnetz von 54.5 % ermittelt, ohne Nutzung der Abwärme. Wir gehen davon aus, dass durch eine Vielzahl von Massnahmen der Wirkungsgrad gesteigert werden kann (Vergasungswirkungsgrad, thermische Integration der endo- und exotherme Prozesse, Systemvereinfachungen, etc.). Autofahren und Heizen mit Biomasse - ECOGAS 17