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Vergasung und Hydrothermale Carbonisierung –
Wege zur Nutzung von Resten aus der Palmölindustrie Marco Klemm
Brennstoffeigenschaften von Resten der
Palmölproduktion
2 [www.ecn.nl/phyllis2; GIZ]
Reststoffart Anteil in
% an der
Frucht
Elementaranalyse in % der
Trockenmasse
Waser Heiz-
wert
(nass)
C H O N S Asche in % in
MJ/kg
Leere
Fruchtkörper
21 45,5 5,5 43,4 0,5 0,04 5,1 57,2 5,4
Fasern 13 46,9 5,9 42,7 1,1 0,09 3,3 37,2 10,6
Schalen des
Fruchtkernes
16 46,7 5,9 42,0 1,0 0,06 4,4 21,4 14,0
Ziele der Biomassekonversion
3
Ziel:
Nutzenergie (Energieform, die der Verbraucher tatsächlich anwendet)
• Licht
• mechanische Energie (Bewegung)
• Wärme, Kälte
chemisches Endprodukt
Zwischenstufe:
Sekundärenergieträger, veredelte Biomasse, chemischer Grundstoff
• modifizierte Biomasse
• Kohlenstoff
• „Öle“ (Kohlewasserstoffgemische)
• Synthesegas (H2, CO, …)
• Methan, Wasserstoff, …
• flüssige Syntheseprodukte (Methanol, Alkane, …)
Grundlegende Wege der Brennstoffveredlung
4
Vergasung
Ziel der Vergasung
5
Vorteile der Vergasung
6
• Bereitstellung von elektrischer Energie im kleinen Leistungsbereich mit hohem Wirkungsrad
• innovative Verstromungswege (Brennstoffzelle…)
• alternative Anwendungen (synthetisches Erdgas, flüssige Kraftstoffe, …)
0
5
10
15
20
25
30
35
Dampfturbine Dampfkolbenmotor Festbettvergaser +
Gasmotor
ele
ktr
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he
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un
gs
gra
d [
%]
Grundlegender Prozess
7
Aufbau des Gesamtsystems
8 8 Quelle: DBFZ
Annahme
Biomasse
Lagerung
Siebung
Trocknung
Biomasse-
konditionierung
Reststoffe
(Feingut,
Stäube,…)
Wärme
Zerkleinerung/
Pelletierung
Hilfsenergie
Abwärme
Biomasse-
vergasung
Gaserzeugung
Asche/
Koks
Vergasungsmittel (Luft, Dampf, O2) Hilfsstoffe
Gaskühlung
Wäschen
Filtration
Gasaufbereitung
Abwasser
Reststoffe
Abwasser
Systemgrenze
Gaskonversion
(Motor, Gasturbine,
Methansierung,…)
Strom
NutzwärmeAbgas
Gasnutzung
Abgas-
kühlung
Abgas-
reinigung
Syntheseprodukte
Vergasergrundtypen
9
zunehmende Gasgeschwindigkeit
Festbettvergaser
(z.B. Gegenstrom-
vergaser)
Wirbelschichtvergaser
(z.B. zirkulierende
Wirbelschicht)
Flugstromvergaser
abnehmende Partikelgröße
abnehmende Verweilzeit
Vergasung - Brennstoffanforderungen
10
Festbett Zweibettwirbel-
schichtvergaser
(FICFB)
Gleichstrom
Gegenstrom
Leistungsklasse [MWFWL] 0,02 – 3 0,1 – 10 8 – 100
Brennstoffqualität
- Körnung [-]
- Korngröße [mm]
- Wassergehalt [Ma-%]
- Aschegehalt [Ma-%wf]
grobkörnig,
eng klassiert
20 – 100
12 – 25
< 5
grobkörnig
5 – 100
40 – 60
< 15
feinkörnig,
eng klassiert
10 – 100
< 40
k. A.
Kaltgaswirkungsgrad [%] 65 – 75 50 – 70 65 – 85
Typische Gaszusammensetzung
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Festbettvergaser Zweibettwirbelschicht-
vergaser (FICFB) Gleichstrom Gegenstrom
Bezugswassergeh.
Brennstoff
[% Tockenmasse]
6 50 15
H2 [Vol.-%] 15 – 21 10 – 15 30 - 45
CO [Vol.-%] 10 – 22 15 – 20 20 - 30
CO2 [Vol.-%] 11 – 13 8 – 10 15 - 25
CH4 [Vol.-%] 1 – 5 2 – 3 8 -12
N2 [Vol.-%] Rest Rest 1 - 3
unterer Heizwert
[MJ/Nm³]
4,0 – 5,6 3,7 – 5,1 9 - 15
Ergebnisse der Vergasung von nicht
holzartigen Brennstoffen
12
15,8
24,0
12,2
7,9
6,76,3
9,0
14,6
8,8
22,1
10,0
3,3
2,1
4,2
2,7
23,0
0
5
10
15
20
25
Ko
nze
ntr
ati
on
[V
ol.-%
]
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
5,0
He
izw
ert
[M
J/m
³]
4,0
4,5
Erdnussschalen Strohpellets
Miscantus Holzhackschnitzel
3,8
4,8
CO H2 CO2 CH4 Heizwert
4,8
[Klemm, Wilhelm u.a. 2005]
13
Stromerzeugung in Zweibettwirbelschicht-
vergasern als Beispiel I
Gasmotor
Abgas
G
Gewebe-
filter
Vergaser
Kondensat
RME +
Teer
Precoat-
material
Luft
Luft
Luvo
Asche
Dampf-
erzeuger
WäscherRME
(make-up)Holz
(feucht)
Tro
ckn
er
Holz
RohgasKondensat /
Vergaserdampf
Luft
Precoatmaterial
/ Staub / Asche
RME
Abgas
Elektrischer Wirkungsgrad:
> 35 %
Stromerzeugung in Zweibettwirbelschicht-
vergasern als Beispiel II
14 14
Güssing
Feuerungswärmeleistung: 8 MWth
Biomasseinput: 1.7 tatro/h
RME Input: 12 kg/h
Output: 2,4 MWel, brutto
Verfügbarkeit: >7.000 h/a
Oberwart
Feuerungswärmeleistung: 8,5 MWth
Output: 2,8 MWel, brutto
kommerzielle Anlage
Villach
Feuerungswärmeleistung: 14 MWth
Output: 4 MWel, brutto
kommerzielle Anlage
mehrere Anlagen im bau und in
Planung
Hydrothermale Carbonisierung (HTC)
15
• wesentliche Stoffströme, vor allem biogene Reststoffe, sind für etablierte
Wege der energetischen Nutzung nur bedingt geeignet:
• Klärschlamm,
• Gärrest,
• biogene Siedlungsabfälle (Biotonne ),
• gartenbauliche und landwirtschaftliche Reststoffe sowie
• Reste aus der Lebensmittelindustrie.
• Ursache ist der zu hohe Wassergehalt für eine thermochemische
Umwandlung in Kombination zu einer schlechten Vergärbarkeit.
• Häufig Verwertung ohne Energienutzung, etwa eine Kompostierung.
• Dabei bleiben wichtige Potenziale ungenutzt und ungeführte
Abgasströme werden freigesetzt.
Ziel: Umwandlung derartiger Stoffströme in einen Brennstoff!
Brennstoffveredlung durch HTC
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HTC Klärschlamm
Bioabfall
Grünschnitt
Gärreste
Reste aus der
Lebensmittelindustrie
Klimafreundliche
Biokohle mit
braunkohleähnlichen
Eigenschaften
Umwandlung in
flüssigen Wasser
bei „milden“
Bedingungen
180 – 250 °C
10 – 40 bar
2 – 6 h
pH < 7
Brennstoffveredlung durch HTC
17
HTC
Foto: DBFZ Foto: DBFZ
Foto: DBFZ
HTC-Gesamtprozess
18
Erreichbare Kohlequalitäten
19
50 52 59
68 69
6 6 7
6 5 43 40
32 23 24
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Holz(Fichte)
[1]
Bioabfall HTC.180 °C
.2 h
HTC.220 °C
.6 h
Braun-kohle
[1]
Ele
menta
rzusam
mensetz
ung (
waf)
in
Ma%
HTC-Kohle aus Bioabfall
O
S
N
H
C
[1] Kaltschmitt, M. et al.: Energie aus Biomasse (2009)
Möglichkeiten der Nutzung der HTC-Kohle
20
• Energetische Nutzung
• Monoverbrennung
• Mitverbrennung
• Vergasung
• Nutzung als Bodenhilfsstoff (bei entsprechenden Edukten)
• Kohlenstoffträger für industrielle Anwendungen
• Metallurgie
• Aktivkohle
• …
Vorteile der HTC
21
• Erschließung neuer Stoffströme für die energetische Biomassenutzung
• überschaubarer technischer Aufwand
• gut mechanisch entwässerbares Produkt (50 - > 70 % TS,
Biomasseschlamm und Klärschlamm 20 – 30 % TS)
• deutliche Verbesserung der Energieeffizienz durch geringeren
Trocknungswärmebedarf
• vereinheitlichtes, lagerstabiles Produkt
• vollständige Hygenisierung
• verbesserte Verbrennungs- und Vergasungseigenschaften
• damit Kohleanwendung auch außerhalb der Großkraftwerke
• perspektivisch Phosphorrückgewinnung und Schadstoffentfrachtung
• kleine Anlagen wirtschaftlich realisierbar, (bis < 1 t OS/ h bei
Klärschlamm)
2
2
• BMU-Förderprogramm „Energetische Biomassenutzung“ (Phase II)
• Projektpartner:
• Hallesche Wasser und Stadtwirtschaft GmbH (HWS)
• Deutsches Biomasseforschungszentrum gGmbH (DBFZ)
• Errichtung einer Demonstrationsanlage mit 2500 t/a Kapazität für
• Bioabfall
• Grünnschnitt
• Gärreste
• Eröffnung im Sommer 2013
„Integrierte Verwertungsanlage und Strategie für
kommunale Biomasse –
HTC Hallesche Wasser und Stadtwirtschaft“
Derzeitige Aktivitäten
DBFZ Deutsches
Biomasseforschungszentrum
gemeinnützige GmbH
Torgauer Straße 116
D-04347 Leipzig
Tel.: +49 (0)341 2434 – 112
E-Mail: [email protected]
www.dbfz.de
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Ansprechpartner
Dr.-Ing. Marco Klemm
Tel. +49 (0)341 2434 – 537
E-Mail: [email protected]