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Energie aus Rohstoffen der Land- und Forstwirtschaft (Fach) / ZuFa 41-50 (Lektion)

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  •  Pyrolyse  = Zersetzung von Biomasse unter Abwesenheit von Sauerstoff (anaerob) - bei 220°-320° bilden sich H2O, CO2, CO, CH3OH (Methanol), CH3COOH (Essigsäure) - bei 320°-340° sind 30% des Holzes abgebaut - maximal (bei 400°) 70% abgebaut (Ende von Cellulose-/Hemicellulose-Abbau und Höhepunkt des Lignin-Abbaus)o Produkte: -niedrig-viskoses Pyrolyse-Öl und hoch-viskoser Teer (Viskositätsunterschiede der organischen Flüssigkeit die aus vielen Sauerstoff-Verbindungen besteht*) -Wasser das sich mit organischer Flüssigkeit verbindet oder abtrennt (je nach Dichte, Viskosität, Polarität) -Gas aus CO2, CO, CH4 -Holzkohle mit Ascheanteilen o Pyrolyse-Öl: -dunkelrot/dunkelbraun -bis zu 38% Wasser -nicht mit Kohlenwasserstoffen mischbar -Mischung aus Alkoholen, Phenolen, Aldehyden, organischen Säuren, oligomeren Kohlenhydratprodukten/Ligninprodukten -bei Wasserzuführung kommt es zur Phasentrennung * Meine Interpretation: Teer und Öl bestehen aus der gleichen organischen Flüssigkeit, unterscheiden sich nur in der Viskosität
  • Pyrolyseverfahren: Flashpyrolyse -Flashpyrolyse: schnelles Aufheizen bei >450° deshalb nur kurzer Aufenthalt in der heißen Reaktionszone flüssige Produkte schnell abgeschieden
  • Pyrolyseverfahren: -langsame Pyrolyse: -langsame Pyrolyse: 1) Verkohlung zur langsamen Herstellung von Kohle bei >500°Meilerverfahren (ein Teil des Kohleguts im Meiler-Reaktor verbrannt -> Kohleausbeuten sinken; größter Teil der weltweiten Kohleproduktion; in S-Amerika und S-O-Asien runde gemauerte Meiler)Retortenverfahren (hohe Kohleausbeute aber komplexer und teurer, es gibt indirekt-beheizter und direkt-beheizte) 2) Torrefizierung nur eine Trocknung und langsame Pyrolyse bei <300°; langsames Aufheizen und lange Verweilzeiten; = Aufbereitung fester Biomasse für thermische Verfahren; anaerob; für Kaffe- und Kakaobohnen häufig; 10% Energieverluste derzeit
  • Pyrolysereaktoren müssen: Hitze in den Reaktor transferieren gut Feststoffe mixen Gas und Kohle trennen  Typen: -Drehrohrofen (rotary kiln) -fluidisiertes Bett (fixed bed, minimum fluidization, bubbling fluidization)
  • Strohpyrolyse 100% Stroh wird zu 46% Kohle, 49% Öl/Gas für Export und 5% Abgaskamin -> Cl und K wird zu fast 100% zu Kohle -> O und H wird zu 90% zu Gas robuste, industrielle Technologie verhindert Schmelzen von Asche problematische Ascheanteile bleiben in der Kohle 50% des Treibstoffs sind bereitgestellt mit den Gas- und Flüssigprodukten Kohle kann als Dünger verwendet werden
  • Vergasung (Gaserzeugung, Gasreinigung, Synthese) Gaserzeugung = Breitstellung brennbarer Gase durch thermische Umwandlung in reaktiver Atmosphäre: O2 (Luftzahl < 1), H2O, CO2, etc.o Vorgange: zum Brennstoff wird Wärme hinzugeführt -> Trocknung (100°-150°) -> Entgasung (250°-550°) -> Vergasung (700°-1000°) hier werden auch Vergasungsmittel zugeführt -> Asche/Koks und Produktgas entsteheno Produkte: Cellulose und Lignin vom Holz werden zu -> Produktgas (H2, CO, CO2, CH4, C2/C3-Kohlenwasserstoffe) -> festen Produkten (Asche, Koks) -> Verunreinigungen (NH3, HCl, H2S,…)
  • Teer besteht aus CHN-Verbindungen, CHO-Verbindungen, CH-Verbindungen Unterscheidung nach:o Entstehung (Temperatur): primär (400°-700°), sekundär (700°-850°), tertiär (>850°)o Eigenschaften: Taupunkt, Substanzen, Klasseno Molgewicht:Schwere und leichteo ECN: heterozyklisch, leichte Aromaten, leichte/schwere Polyaromaten **** Eine weitere Katalogisierung von Teeren wurde von ECN, dem niederländischen Energieforschungszentrum (Energy Center of the Netherlands) durchgeführt. Hierbei werden die Teere aufgrund ihrer chemischen Zusammensetzung eingeteilt. 
  • Verfahrensvarianten Vergasung Einteilung nach…o Art des Vergasungsmediums (Luft, Sauerstoff, CO2, Wasserdampf)o Fluiddynamischem Verhalten des Feststoffs im Vergaser (Festbett, Wirkbelschicht, Flugstromreaktor)o Art der Wärmeeinbringung (autotherm, allotherm)o Druckniveau im Vergaser (atmosphärisch oder druckaufgeladen)
  • Reaktionen zur Produktgasbildung: o Heterogene Wasser-Gas-Reaktion (Dampfvergasung) C+H2O -> CO+H2o Homogene Wasser-Gas-Reaktion (CO-Shift-Reaktion) CO+H2O -> CO2+H2o Reformierung von Kohlenwasserstoffen CH+H2O -> CO+H2 (Indizes außer Acht)o Oxidation mit freiem O2 C+O2 -> CO CO+O2 -> CO2 H2+O2 -> H2O
  • Einfluss der Vergasungstemperatur auf die Produktgaszusammensetzung: mit steigender Temperatur steigt auch die H2-Konzentration, sinkt die CO-Konzentration
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  • Reaktortypen: Festbettvergaser Typen: Gegenstrom, Gleichstrom, Doppelfeuerung, mehrstufige -Gegenstrom: Trocknung – pyrolytische Zersetzung – Reduktion – Oxidation -Gleichstrom: Trocknung – pyrolytische Zersetzung – Oxidation – Reduktion  Trocknung = Wasserentzug pyrolytische Zersetzung = flüchtige Gase/Dämpfe und Koks entstehen Reduktion = CO, H2, CH4 entstehenOxidation = CO2, H2O entsteht -> übrig bleiben thermisch nicht zersetzbare Bestandteile (Asche) -Schwebebett: Gasstrom strömt im Unterschied zum Festbett nach oben (gegen Gewichtskraft)
  • Reaktortypen Wirbelschichtvergaser: -stationär  -zirkulierend  -Zweibett (Verbennung des Bettmaterials -> entstehende Wärme für Vergasung genutzt) -> Batelle, Guessing, Milena, Chalmer Add On Unit (= verschiedene Arten) -heat pipe reformer = allotherme Vergasung mit Wärmetransport über heat pipes
  • Reaktortypen Flugstromvergaser -bei hohen Temperaturen (>1200°) -Druckvergasung leicht realisierbar  -geringe Teerwerte  -niedrige Methangehalte  -kleine Partikel notwendig  -Brennstoffvorbereitung notwendig (Torrefizierung, Pyrolyse, Mahlen)
  • Gasreinigungsverfahren: o Trockene Verfahren: Keramikfilter, Gewebefilter, Zyklon, Elektrofilter, Schüttfilter, Absorbero Wäsche: Gaswäscher, Nasselektrofiltero Katalytische und thermische Verfahren: Shift-Reaktor, Teercracker, Plasmareaktor
  • Verunreinigungen bei der Vergasung (Im Gas) o Partikel (Filter, Zyklon, elektrostatischer Abscheider)o Teer (Wäsche, Zyklon)o Alkalien (Abkühlung und Ausfallen fester Salze -> Filter, elektrostatischer Abscheider)o Stickstoffverbindungen (Nasswäscher, Oxidation zu N2)o Halogenverbindungen (Nasswäscher, Adsorption)o Schwefelverbindungen (Nasswäscher, Adsorption an ZnO [Zinkoxid], Synthese)
  • Gasaufbereitung für Vergasungsverfahren: o Gasfackel zur Verbrennung von Produktgas während An- und Abfahrens und bei Problemen mit Gasnutzungo Gasreinigung ist wesentlicher Kostenfakor und fordert Bedienungo Kühlungs- und Reinigungstechnik in Kombination
  • Gasbereitstellung für Vergasungsverfahren o Gasnutzung zur Treibstoffherstellung erfordert stickstofffreie Oxidationsmittelo Industrie verwendet Wirbelschichtreaktoreno Geringer Teergehalt als Verfahrensziel
  • Produktgasnutzungen: Produktgas (für Gasturbinen, Gasmotoren, Brennstoffzellen), Synthetic Natural Gas, Fischer-Tropsch-Fuels, Methanol, Wasserstoff
  • Kraft-Wärme-Kopplung: -hoher elektrischer Wirkungsgrad bei hohem Gesamtwirkungsgrad -Wärmeauskopplung auf vernünftigem Temperaturniveau -größere Anlagen besser wirtschaftlich -Anlagengröße begrenzt vom Wärmeabsatz -Teil der Wärme fällt beim Verstromen des Produktgases an -Kombi mit alternativen Gasnutzungstechnologien sinnvoll
  • Synthese zu Kraftstoffen: o Synthesegas = CO, H2o Es können Grundchemikalien und flüssige Kohlenwasserstoffmischungen synthetisiert werdeno Klassisch/historisch = KohlevergasungHeute = Methan-Dampfreformierung => evtl. Shift-Reaktor -> Wasserstofferzeugung  -> Methanolsynthese  -> Fischer-Tropsch-Synthese  -> Methanierung
  • Technische Synthesen bei Vergasung: = thermisch-katalytische Prozesse -heterogene chemische Reaktion an der Feststoffoberfläche-Katalysatormaterial und thermodynamische Bedingungen* (p,T) bestimmen Produktqualität -hohe Anforderungen an die Reinheit des Synthesegas (Schwefel, Stickstoff, Chlor sind Katalysator-Gifte) * Druck, Temp
  • Alternative zu Erdöl: Erzeugung flüssiger Kohlenwasserstoffe o Coal to liquid -Fischer-Tropsch-Kraftstoffe aus Kohle -Südafrika, China -höherer CO2-Ausstoß als bei Erdölnutzungo Gas to liquid -Fischer-Tropsch-Kraftstoffe aus Gas-interessant für nicht-nutzbares Erdgas-geringerer CO2-Ausstoß als bei Erdölnutzungo Biomass to liquid-Fischer-Tropsch-Kraftstoffe aus Biomasse-gute Klimabilanz, limitiertes Potential, Konflikte bzgl Anlagengröße-> Holz vergast -> Synthesegas synthetisiert -> Fischer-Tropsch-Kohlenwasserstoff
  • Synthesereaktoren (für Synthese bei Vergasung) Rohrbündel-FestbettreaktorWirbelschichtreaktorSlurry-Reaktor (Flugstromvergaser)
  • C-Gehalt der Masse steigend Gase -> Benzin -> Diesel -> Wachse(Fischer-Trop-Fuel, Alkohol, Alkene, Paraffine)Wachstumswahrscheinlichkeit = 0,85 *(aus dem Internet, nicht Stoff: Die Gesamtproduktverteilung hängt von der Wahrscheinlichkeit des Einschubes einer CH2-Gruppe, sprich der Wachstumswahrscheinlichkeit einer adsorbierten Alkylspezies, ab.)
  • Produktaufbereitung (Raffinierie) o Destillation und Trennung nach SiedepunktenRohbenzin, Diesel, Wachseo Isomerisierung (aus linearen werden verzweigte Kohlenwasserstoffe) bessere Klopffestigkeit, Fließeigenschaften o Hydrotreating der Wachsfraktion (Hochsieder) = Entschwefelung von Mineralölprodukten durch Hydrierung (Reaktion der Schwefelverbindungen mit Wasserstoff) 350°-500°, 30 -200 bar, Ni-Katalysator C20H42 + H2 -> 2 C10H22
  • Vorteile von Fischer-Trop-Dieselkraftstoffen: + erneuerbare Quellen + geringe CO2 Emission + geringe Rußpartikel Emission im Motor + besseres Zündverhalten im Motor + keine Anpassung bestehender Dieselmotoren notwendig + Kosten für die Bereitstellung heute bei 1€/l
  • Synthetische Erdgas-Erzeugung Bildung von Methan (Erdgas 98% Methan) aus Synthesegas: CO + 3H2 -> CH4 + H2O Ausnutzung der CO-Shift-Reaktion: CO + H2O -> CO2 + H2 (H2O von erster Reaktion verwendet und H2 für erste entsteht) -Nickel-Katalysatoren -stark exotherm (Wärmeabfuhr) -300°-450° -1-5 barDezentrale Erzeugung vs. Großanlagen: -Biomasse fällt nicht konzentriert an -> Transportaufwand (bei Großanlagen) -für gute Gesamtenergieausnutzung ist Absatz der Wärme notwendig (bei dezentral) -große Anlagen produzieren spezifisch günstiger -Szenarien: 1) große, zentrale Anlage ohne Wärmenutzung 2) dezentrale Anlage mit Wärmenutzung 3) Mischkonzepte
  • Polygeneration: = gekoppelte Herstellung von mehreren Produkten aus Biomasse in einer Anlage (Strom und Wärme, gasförmige und flüssige Treibstoffe, Synthesegas, Wasserstoff) + hohe Flexibilität + hohe Verfügbarkeit der Anlage + reduziertes Risiko + nachhaltige, dezentrale Energieversorgung
  • Zusammenfassung Biomasse zu Energie  Biomasse kann nur einen Anteil von 10‐20% des derzeitigen Energieverbrauches decken  Biomasse besteht im Wesentlichen aus C, H und O und hat im trockenen Zustand einen Heizwert von 18‐19 MJ/kg (5.0‐5.3 kWh/kg)  Biologische Umwandlungsverfahren eignen sich für zucker- und stärkehaltige Substrate, mechanisch‐chemische für Ölhaltige Substrate und thermische Verfahren für sonst schwer aufschließbare Lignocellulosen  Bei thermischen Umwandlungsverfahren ist das Ascheschmelzverhalten zu beachten  Verbrennungsverfahren sind etabliert  Pyrolyse ist robust und produziert brennendes Pyrolysegas, kondensierbares –öl und –koks  Vergasungsverfahren erlauben die Produktion der gesamten Palette an synthetischen Kraftstoffen und Grundchemikalien, die derzeit meist aus Erdgas hergestellt werden  Biomasse als Energieträger soll möglicht Gesamtenergie voll ausnutzen
  • Nacherntetechnologien: = reicht von der Erntetechnik (LW Verfahrenstechnik) bis zur Verarbeitungstechnologie (Lebensmitteltechnologie) hier Schwerpunkt: Lagerung und Konservierung Ziel = Verluste gering zu halten -> Größenordnung: Getreide, Ölfrüchte 5-20% Energieholz 5-30% Obst, Gemüse 20-50%
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  • Konservierungsverfahren der Nachernte: Ziel = Qualitätsminderung durch mikrobiologischen, enzymatischen, chemischen Verderb verhindern, durch:o Trocknung (Entfernung von Wasser)o Zugabe von Konservierungsmitteln, Fermentation (Silierung)o Kühlung (Entfernung von Wärme)o (Wärmebehandlung)o (hochfrequente Wechselspannungsfelder, Strahlung)
  •  Mechanische Aufbereitung der Nachernte: Zerkleinerung, Klassierung, Pressung (genau wie bei Grünguternte)
  • Trocknungsverfahren – Entfernung von Feuchte: [Nachernteverfahren] Natürliche, technische Trocknung
  • Natürliche Trocknung [Nachernteverfahren Trocknung] o Natürliche Trocknung: (bei organischen Stoffen) -Bodentrocknung Überstreichen von Trocknungsluft über Trocknungsgut am Boden (zB. In Halmgutverfahrenstechnik -> Bodenheutrocknung) -Trocknung durch natürliche Konvektion Luftströmung durch Stapelgut (zB. Gestapeltes Scheitholz) -Trocknung durch Selbsterwärmung bei Schüttgut; Wärme entsteht durch Abbau organischen Materials und erzeugt Luftström aufwärts; -> luftdurchlässiger Boden vorteilhaft -> effizient bei grobem Hackgut ohne große Substanzverluste -> Selbsterwärmung maximal 20° über Außentemperatur
  • Technische Trocknung (Nachernteverfahren Trocknung) o Technische Trocknung: (aktive Trocknung) = zur Beschleunigung und senken der Lagerrisiken -Belüftungskühlung Zwangsbelüftung mit kalter Außenluft. Durch Selbsterwärmung erhöht sich das Sättigungsdefizit der Luft und sie kann mehr Wasser aufnehmen, durch intermittierende Belüftung wird feuchte Luft verdrängt. Trocknungsgut kühlt sich ab. -Belüftungstrocknung Bei warmen Temperaturen steigt das Sättigungsdefizit und durch kontinuierliche Belüftung kann getrocknet werden. -Warmlufttrocknung Durch Luftvorwärmung kann Trocknungseffekt verbessert werden -> Luftanwärmung um 20°-100° (abhängig von Anfangswassergehalt, Menge, verfügbare Trocknungszeit,…) -Heißlufttrocknung zB. Bei Pelletierung, feuchtes Gut (frisches Gras, Sägespäne,…) -> wird bei 300°-600° in Trommel- und Drehrohrtrocknungsanlagen getrocknet
  • o Bodentrocknung in der Landwirtschaft: [Nachernteverfahren] -traditionelle Heugewinnung -Wetterrisiko und lange Zeitspannen bis zur Ernte -Verluste durch Bröckelung und Nachschwitzen -Kombi mit Silowirtschaft bei extensiver Bewirtschaftung
  • Beispiel Heutrocknung: [Nachernteverfahren] -Bodentrocknung -Unterdachtrocknung/künstliche Trocknung: mit Kaltbelüftung: einfachste Form, mit Außenluft deshalb abhängig von Temperatur und Luftfeuchte, bei längerem Schlechtwetter kann es zu Futterverderb kommen, (Trocknungsdauer > 10 Tage)  mit permanenter Luftanwärmung: verbessert Trocknungseigenschaften,ökologisch bewusst sind +5°,unabhängig von Witterung,es kommt zu Leitungsverlusten (abhängig von Entfernung zu Gebäude),Hoher Investitionsbedarf, Anwärmung durch Heizöl (ökologisch umstritten) oder Biomasse (Hackschnitzel, Pellets, Stückholz, Abwärme aus Biogasanlagen)  mit Luftentfeuchter-Wärmepumpe: Wasseraufnahmefähigkeit der Luft durch Entfeuchtung erhöht, Abkühlen der Luft zum Taupunkt -> Feuchtigkeitsverlust, Nacherwärmung durch Kondensator, hohe Trocknungsleistung, + Trocknung Tag und Nacht + bei jedem Wetter (Regen, Sonne, Nebel) - hohe Anschaffungskosten - mögliche Vereisung bei niedrigen Temperaturen  mit solarer Luftanwärmung: Nutzung der Sonnenenergie

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