Integration der Produktion von Biowasserstoff und Biogas
Walter Wukovits Adela Drljo Anton Friedl
aus lignozellulosehältiger BiomasseWalter Wukovits, Adela Drljo, Anton FriedlTechnische Universität Wien, Institut für Verfahrentechnik, Umwelttechnik und techn. BiowissenschaftenGetreidemarkt 9/166-2, 1060 Wiene-mail: walter wukovits@tuwien ac ate mail: [email protected]
ProcessNet 2014, 30. September – 2. Oktober 2014, Aachen
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Inhalt
• Einleitungg
• Wasserstoff aus erneuerbaren RohstoffenProzessübersicht– Prozessübersicht
– Fermentative Wasserstoffherstellung
• Integrierte Biowasserstoffproduktion– HyTime Prozess– RohstoffvorbehandlungRohstoffvorbehandlung– Massen- und Energiebilanz– Erzeugung von Wärme und Strom aus Prozessrückständen
• Zusammenfassung und Ausblick
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Einleitung
• Heutige Wirtschaft und Energieversorgung geruht global i d f f il E i t ävorwiegend auf fossilen Energieträgern
• Verstärkte Nutzung auch in der Industrie – Düngemittel, g g ,Raffinerie (Schwerölverarbeitung, Entschwefelung)
• Wasserstoff wird als einer der wichtigsten Energieträger der• Wasserstoff wird als einer der wichtigsten Energieträger der Zukunft angesehen – Keine CO2-Emissionen bei Nutzung
• Großteil des Wasserstoffs wird derzeit auf thermo-chemischem Weg aus fossilen Rohstoffen gewonnen
• Wichtigster Prozess: Dampfreformierung von Erdgas
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Wasserstoff aus erneurbaren Rohstoffen
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Wasserstoff aus erneurbaren Rohstoffen
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Fermentative Wasserstoffproduktion
• Biologische Prozesse finden hauptsächlich unterg pUmgebungsbedingungen statt weniger energieintensivals chemische oder elektrochemische Prozesse
• Rohstoffe: Carbohydrathältige organische Substrate und Abfallströme (nasse/feuchte Biomasse) KeinR h t ffk flikt it BiRohstoffkonflikt mit Biomassevergasung
• Geeignet zur Umsetzung in kleinen, dezentralen Einheiten• Herausforderung nach wie vor das Erzielen von hohen
Ausbeuten und Produktivitäten• Vor allem Dunkelfermentation zeigt positive Ergebnisse in
Laborstudien
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HyTime - Projekt
Integriertes Projekt, FP7:“Low temperature hydrogen productionLow temperature hydrogen production from 2nd generation biomass“Ziel : Beschleunigung der Umsetzungi i d t i ll Bi füeines industriellen Bioprozesses für
die dezentrale Wasserstoffherstellungaus Biomasse der 2. Generation
Start 01/2012E d 12/2014 06/201Ende 12/2014 06/20159 Partner, 6 Länder
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HyTime - Projektziele
• Optimierung der Bereitstellung und Zerlegung von Biomasse der 2. Generation zu geeigneten Substraten für die fermentative Wasserstoffproduktion
• Entwicklung eines Reaktor Prototyps zur Wasserstofffermentation• Entwicklung eines Reaktor-Prototyps zur Wasserstofffermentationmit hoher Produktionsrte und Ausbeute (Ziel: 1-10 H2 kg /d)
• Design eines effizienten Gasreingundskonzeptes für den Betrieb beiniedrigem Druck und niedriger Temperatur
• Verbesserung der Effizienz des Gesamtprozesses durchProzesssimulation Prozess und WärmeintegrationProzesssimulation, Prozess- und Wärmeintegration
• Entwicklung eines Anlagenkonzeptes om vor-kommerziellenMaßstab zur mittelfristigen Umsetzung der fermentativenWasserstoffproduktion
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HyTime - Prozess
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Vorbehandlungsverfahren
Hydrolysat
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Bilanzen Vorbehandlung
Weizenstroh Gerstenstroh Schnittgras(HYVOLUTION)
Säure+Enzym
Dampf+Enzym(H2O Impreg.)
Dampf+Enzym(Sre. Impreg.)
Säure+Enzym
Alkali +Enzym
Ca(OH)2 +Enzym(Simulation)
Rohstoff (dm), kg/kg Zucker
2,0 2,0 2,5 2,8 1,9 3,3
Waschwasser,kg/kg Zucker
20,0 20,3 24,3‐
27,7kg/kg Zucker ‐
Chemikalien,kg/kg Zucker
0,47 ‐ 0,46 0,05 0,19 0,22
Enzyme, 0,57 0,61 4,2 0,8 0,67 0,98 (Lit.)Enzyme, kg/kg Zucker
0,57 0,61 4,2 0,8 0,67 0,98 (Lit.)
Prozesswärme,kWh/kg Zucker
2,9 4,2 5,3 4,9 2,5 3,5/ g
Zuckerausbeute,% theoret.
70,9 ‐ 54,5 51,0 61,8 48
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Bilanzen Vorbehandlung
Weizenstroh Gerstenstroh Schnittgras(HYVOLUTION)
Säure+Enzym
Dampf+Enzym(H2O Impreg.)
Dampf+Enzym(Sre. Impreg.)
Säure+Enzym
Alkali +Enzym
Ca(OH)2 +Enzym(Simulation)
Rohstoff (dm), kg/kg Zucker
2,0 2,0 2,5 2,8 1,9 3,3
Waschwasser,kg/kg Zucker
20,0 20,3 24,3 ‐ ‐ 27,7kg/kg Zucker
Chemikalien,kg/kg Zucker
0,47 ‐ 0,46 0,05 0,19 0,22
Enzyme, 0,57 0,61 4,2 0,8 0,67 0,98 (Lit.)Enzyme, kg/kg Zucker
0,57 0,61 4,2 0,8 0,67 0,98 (Lit.)
Prozesswärme,kWh/kg Zucker
2,9 4,2 5,3 4,9 2,5 3,5/ g
Zuckerausbeute,% theoret.
70,9 ‐ 54,5 51,0 61,8 48
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Dunkelfermentation, thermophil
• Substratkonzentration Fermenter: 10 g/l • Fermentertemperatur: 70°C
© DLO‐FBR
H2-Produktivität H2-Ausbeute H2 Rohgas50 L Reaktor
2(mmol/L*h)
2(mol/mol C6)
2 g(vol%)
Glucose 16,9 3,2 16,1
Gras 21,6 3,6 19,4
• Ausbeute: 70%
Gras 21,6 3,6 19,4
@ D = 0,1 h‐1
5,7 L Reaktor
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Biogasfermentation/Biogasnutzung
Modell BiogasfermentationCOD• COD
• Buswell Formel• Stoichiometrische Reaktionen
• Faktoren Nach VDI 4630• Anpassung an BMP-Tests
Modell Biogasnutzung• CHP/Gasmotor• CHP/Gasmotor
• Elektr. Wirkungsgrad: 40,35%*• Therm. Wirkungsgrad: 43,85%*
• VerbrennungVerbrennung• CH4/CO2-Trennung
* Wirkungsgrade aus Datenblättern GE Jenbacher
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Bilanzen Wasserstoffproduktion
R h 10 k H /dRohgas: 10 kg H2/d
Schnittgras WeizenstrohRohstoff, kg/h feucht 90 46Rohstoff kg/h trocken 45 43 5Rohstoff, kg/h trocken 45 43.5
Wasserbedarf, kg/h 1588 2057Chemikalien kg/h 13 4 18 3Chemikalien, kg/h 13,4 18,3Wärmebedarf vor Integration, kW 96,7 115,8Wärmebedarf nach Integration, kW 40,1 42,8
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Biogasertrag und Biogasnutzung
S h itt W i t hBiogasproduktion
Schnittgras Weizenstroh
Massenstrom Biogas, kg/hBiogasertrag, kg/kg trockener Biomasse
31.50.7
30.50.7
g p
CH4 Stoich. Reaktor, m3/m3 Substrat 7.1 5.3CH4 COD, m3/m3 Substrat 9.0 6.2
Schnittgras WeizenstrohStrom- und Wärmeproduktion Schnittgras Weizenstroh
Wärmebedarf Prozess, kW 40.1 42.8
Wärmproduktion CHP, kW 48.5 45.8
p
Stromproduktion CHP, kW 44.6 42.2
Wärmeüberschuss/defizit, kW +8.4 +3.0
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Zusammenfassung / Ausblick
• Prozesssimulation wurde eingesetzt um die grundlegenden• Prozesssimulation wurde eingesetzt um die grundlegendenBilanzen einer Wasserstofffermentation auf Basis unterschiedlicher Rohstoffoptionen zu berechnen.
• Die Produktion von Biogas aus den Rückstandsströmen des Prozesses und dessen Nutzung in einem Gasmotor ermöglichdi D k d Wä b d f d Pdie Deckung des Wärmebedarfs des Prozesses
• Herausforderung ist die Verbesserung von Produktivität und Ausbeute in der Rohstoffvorbehandlung undAusbeute in der Rohstoffvorbehandlung und Wasserstofffermentation
• Einfluss der Gasaufbereitung auf Wärmebedarf und Effizienz des gGesamtprozesses
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Danksagung
HyTime wird co-finanziert durchMittel der Europäischen Kommission
“Fuel Cells and Hydrogen Joint Undertaking, FCH-JU-2010-4”y g g(Vertragsnummer 278855).
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WIEDEMANN-Polska Projekt
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