HYDROTHERMALE CARBONISIERUNG -HTC - ENTSORGUNG WIRD VERSORGUNG 1
KREISLAUF PHOTOSYNTHESE HYDROTHERMALE CARBONISIERUNG Kraftwerk Sonne Kraftwerk BHKW FEUER FEUER LUFT LUFT CO2 Kohle Strom Wärme Kälte BIOMASSE HTC Dünger WASSER WASSER Humus ERDE ERDE 2 2014 Wächter / Architektur
Hydrothermale Carbonisierung HTC, was ist das? Die hydrothermale Karbonisierung ist ein Verfahren, das Biomasseabfälle in Kohlenstoff und Wasser trennt. Die chemische Reaktionsgleichung ist : C6H12O6 (Zucker 3240 kj/mol)=c6h2o (Kohle)+ 5 H2O (Wasser) in 8 Stunden bei 200 C CE=1; 2135 kj/mol Vereinfacht gesagt HTK ist die Rückabwicklung der Photosynthese. Der von der Pflanze durch Photosynthese aufgenommene Kohlenstoff wird zu 100% in Kohle umgesetzt. Wie funktioniert der HTC Prozess? Das Verfahren ist technisch relativ simpel. Es verwertet Biomasse jeglicher Art in einem Druckbehälter bei einem Druck von ca20 bar und einer Themperaturvon ca. 200 C zu Terra Pretanach 3 Stunden, zu Braunkohle nach ca. 8 Stunden und zu Steinkohle nach ca. 12 Stunden. Welche Abfälle können verwertet werden? Lebensmittelindustrie (Biomasseabfälle) Lebensmitteleinzelhandel (Biomasseabfälle) Lebensmittelhandwerk (Bäckereien, Fleischereien, Molkereien) Handwerk (Holzverarbeitung, Lederverarbeitung) Landwirtschaft (Pferdemist, Gülle, Stroh) Grünschnitt (Garten/Landschaftsbau, Forstwirtschaft, Straßenmeisterei) Energiewirtschaft (Gärreste Biogas- und Ethanolanlagen, Pressreste Pflanzenöl) Wasserwirtschaft (Klärschlämme) Gastronomie (Speise-, Zubereitungsreste) Papierindustrie (Pulpe) 3
Hydrothermale Carbonisierung Welche Produkte/Ertragsquellen lassen sich aus dem HTC Prozess gewinnen? Terra Preta - ein Bodenverbesserer, der neben der Nährstoffzufuhr für die Pflanzen Wasser im Boden hält. Braunkohle - zur Verbrennung in Verstromungs- und Heizanlagen, oder als Rohstoff für die Kohlechemie Steinkohle - siehe Braunkohle Nährstoffwasser - ein Düngemittel Geschäftsmöglichkeiten / Produkte: - Brennkohle / Kohlepellets/Chemie180 260 Euro/t - Grillkohle /BBQ - Bodenverbesserer (Terra Preta) / Huminstoffe 250 500 Euro/t - Kohle als chemischer Grundstoff (S, N, K, P.)z.B. für BtL, carbothermale Reduktion etc.. - Dünger, Rohstoffe 500 Euro/t - Sorptionskohle zur Reinigung 500 1000 Euro /t - Gebäudeisolierung 2000 Euro/t (Geschäumte Kohle mit Harnstofffixierung) - Betonzuschläge, Straßenbelag 500 1000 Euro/t - Feststoff (Kohle) Brennstoff z.b. in Kraftwerken, Stahl-, Zementherstellung Vergasung zu Synthesegas - Straßenbeläge - Adsorbermaterialien (vgl. A-Kohle) - Spezialanwendungen (Farben, Autoreifen etc.) - CO2-Zertifikatehandel - Wärme/Kälte Produktion. Verkauf in Wärme/Kältenetzen. Prozesswärme für weitere Industrielle Anwendungen. 4
Hydrothermale Carbonisierung Was unterscheidet HTC von anderen Biomasseverwertungen? Das Verfahren kann jede Form von Biomasse verwerten, ohne aufwendige Sortierung, Trocknung, Trennung. Selbst Verunreinigungen wie etwa Kunststoffe oder Papier aus Verpackungen beieinträchtigen den Prozess nicht (bis 15% Gewichtsanteil). Herkömmliche Verwertungen in Biogasanlagen, Ethanolanlagen, Verbrennungsanlagen brauchen einehomogene, definierte Zufuhr von Rohstoffen. Der HTC Prozess läuft exotherm, das heißt wenn der Prozess durch eine Initialenergie angelaufen ist, läuft die Reaktion ohne äußere Energiezufuhr und damit energieeffizienter und somit auch wirtschaftlicher als Konkurrenzverfahren. Durch intelligente Prozessführung kann der Prozess von äußeren Energiequellen unabhängig geführt werden. Im Gegensatz zu allen anderen Verfahren entsteht im HTC-Prozess kein klimaschädliches CO2, Methan oder Lachgas, was in die Atmosphäre entweicht. Da es sich um einen physio-chemischenprozess und nicht um einen biologischen handelt, wie bei den Fermentationsprozessen Biogas und Ethanol, werden Keime und schädliche Verbindungen zerstört. Insbesondere bei der Verarbeitung von Klärschlamm werden Medikamentenreste und Hormone eliminiert. Diese werden zu einer immer stärkeren Belastung des Wasserkreislaufs, da herkömmliche Wasserreinigungsverfahren hier wirkungslos sind. Es besteht keine Konkurrenz zur Nahrungsmittelproduktion, da nur Abfälle verarbeitet werden. Bei der Energie-und CO2 Bilanz übertrifft das HTC Verfahren der Konkurrenztechnologie. Kann aber auch als ideale Ergänzung für z.b. Gärresteverwertung von investierten Anlagen für weitere Ertragssteigerung genutzt werden. (Siehe Annex A, Annex B, Annex C) Das HTC-System ist einfach in der Handhabung 5
Gesamtwirkungsgrad: Vergleich Biogas - HTC / Hydrothermale Carbonisierung BIOGAS Biogas - Einspeisung ins Netz GuD-Kraftwerk Maissilage WG [-] 60,0% Kraftwerk WKG [-] 50,5% Gesamtwirkungsgrad [-] 24,5% HTC HTC-Kohle - Verbrennung im Kohlekraftwerk Pappelholz WG [-] 50,0% Kraftwerk WKG [-] 38,7% Gesamtwirkungsgrad [-] 34,6% Quelle: Technische Universität Berlin / Institut für Energietechnik / ETI - Biokohle aus hydrothermaler Karbonisierung In der Bilanz ist nicht der zusätzliche Energiebedarf bei Energiepflanzenanbau für die Biogasanlage als Koferment berücksichtigt: Kunstdüngerherst. / Pflanzenschutzmittelherst. / Diesel bei Maschineneinsatz / Silierung Keine Nahrungskonkurrenz bei der hydrothermalen Karbonisierung, da ausschließlich Abfälle genutzt werden, somit auch keine Energieaufwendungen für den Anbau von Energiepflanzen. Ein weiterer Aspekt ist die CO²-Bilanz bei Betrachtung der Nahrungskonkurrenz zur Energieerzeugung aus Biomasse. Landfläche wird zur Energieerzeugung genutzt mit der Folge erhöhter Energieverluste durch Transportaufwendungen aus Drittländern bei Import von Nahrungs-und Futtermitteln. Weitere Agrarflächen müssen erschlossen werden durch z.b. Rodung von Urwald. Dies führt zur Verschlechterung der CO²-Bilanz. 6
Vergleich mit Wettbewerb / Hydrothermale Carbonisierung Vergleich Ethanolherstellung / Biogasanlage / HTC Verfahren Hydrothermale Carbonisierung: C6H12O6 (3240 kj/mol) = C6H2O + 5 H2O (in 8 Stunden bei 200 C) CE=1; 2135 kj/mol Ethanol: C6H12O6 (3240 kj/mol) = 2 C2H5OH + 2 CO2 (in 5 Tagen bei 40 C) CE=0,66; 2760 kj/mol Biogas: C6H12O6 (3240 kj/mol) = 3 CH4 + 3 CO2 (in 21 Tagen bei 40 C) CE=0,50; 2666 kj/mol Der Vergleich der chemischen Prozessgleichung zeigt, dass (nahezu) 100% des in der Pflanze gebundenen Kohlenstoffes beim HTC Prozess gebunden wird. Bei Ethanol und Biogas entsteht immer CO² durch den Gärprozess, es wird Klimagas freigesetzt und steht einer weiteren Verwertung nicht zur Verfügung. Ein weiterer Aspekt ist die Verwertbarkeit von Cellulose im HTC Process. Diese kann in den anderen Verfahrensarten nicht verarbeitet werden. Quelle: Markus Antonietti Max Planck Institute of Colloids and Interfaces CE Wert= Kohlenstoffequivalent-Wert 7
Anlagenkonzeption - Hydrothermale Karbonisierung Klärschlamm Grünschnitt Schlachtabfälle z.b.biertreber,etc. CO² Biomasse Pflanzenbiomasse Pflanzenkläranlage Hydrothermale Karbonisierung Kohle HTK Wasser Sauberes Wasser Dünger Vakuum destillation 8
Hydrothermale Karbonisierung: Entsorgung = Versorgung WÄCHTER / ARCHITEKTUR Gewächshaus PflanzenWasserreinigung Biomasse Gereinigtes Wasser Kanalisation Gereinigtes Wasser Agrar Industrie Kohle Wasser Trennung Vakuumdestillation Düngemittel Hydro-thermale Karbonisierung Entsorgungsunternehmen optional WASSER Kohle - Vergaser Trocknung Brikettierung Kohlegewinnung aus organischen Verbindungen bei 200 C und 20 bar Druck KOHLE Abfälle Grünschnitt Wurzelrückstände Braune Tonne Kohlegas Abwärme z.t. zur Trocknung Pufferspeicher Wärmenetz Abwärmenutzung aus Vergaser Wärme aus Motorkühlung Gasmotor (BHKW) Kälteabsorbtion Verbraucher Wärme aus Abgas Strom Kältenetz Stromnetz 9 2014 Wächter / Architektur
Modulare HTK-Anlage SERIELLE MASSENPRODUKTION VON HTK - ANLAGEN Konzeption einer modularen Massenbauweise in Containerform mit den Modulen: Reaktor (3000 t/a Reaktorkapazität pro Container) Biomasseaufbereitung Biomasselagerung Kohleaufbereitung Kohlelagerung Verstromung Wasserreinigung und Biomasseproduktion Büro /Steuerung Vorteile: Serielle, kostengünstige Massenproduktion Beliebig erweiterbare Anlagenkapazität Einsparung von Bauwerken wie Hallen/Produktionsstätten (Containerbauweise günstiger als Bau von Hallen) Schnelle Vor Ort- Montage Individuelle Anpassung an die standortspezifischen Bedingungen Geringe Ausfallrate an Betriebsstunden durch Wartung /Reparatur Maximaler Brandschutz durch räumlich getrennte Funktionseinheiten 10
Modulare HTK-Anlage Biomasse Biologische Wasseraufbereitung Reaktoren Verarbeitung Lager Biomasseanlieferung Photovoltaik Biologische Wasseraufbereitung Kohle VerarbeitungVerstromung Büro Lager 11
Modular HTC-Plant 12
Modular HTC-Plant 13
Modular HTC-Plant 14
Hydrothermale Carbonisierung Das Verfahren ist simpel, die Technologie existiert und funktioniert in ersten industriell betriebenen Anlagen Die Technologie ist ökonomisch wie ökologisch effizient Es besteht im Bereich Biomassenutzung keine Konkurrenz zur Nahrungsmittelproduktion, da nur Abfälle verarbeitet werden Eine Entsorgungsproblematik wird zu einer Versorgungslösung und optimiert regionale Wertschöpfungsketten 15
FUTURE FARM FUTURE FARM + MODULES FUTURE FARM FOR DESERTS AUTONOMOUS GREENHOUSE AUTONOUMS FIRE PROTECTION SYSTEMS BIO CASCADING PROCESSES FUTURE FARM LANDSCAPING WATER GENERATION MODULAR ENERGY BOXES MODULAR ENERGY FACADES ENERGY AUTONOMOUS HIGH - RISE ENERGY -PLUS HOUSES WASTE TO ENERGY SYSTEMS CLOSED MATTER LOOPS HEAT CASCADING PROCESSES URBAN GREENHOUSES SOLAR URBAN DESIGN ENERGY OPTIMISED URBAN DESIGN 16 2010 Wächter / Architektur