KIT – Universität des Landes Baden-Württemberg und

nationales Forschungszentrum in der Helmholtz-Gemeinschaft

Biomass steam processing (BSP) – Konvertierung von Biomassen zu Kohle mittels Dampfkonditionierung

J. Steinbrück a, L. Walz b, H. Bockhorn a,* a Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Engler-Bunte-Institut, Engler-Bunte-Ring 7, 76131 Karlsruhe b Energie Baden-Württemberg AG, Durlacher Allee 93, 76131 Karlsruhe

Limitierte Ressourcen erfordern neue Energieträger

Angesichts der knapper werdenden fossilen Ressourcen

(siehe Abbildung) und des fortschreitenden Klima-

wandels (siehe Abbildung) steigt das Interesse an

Energieträgern aus Biomassen. Der Einsatz von

kohlehydratbasierten biogenen Reststoffen, wie Stroh,

Holzresten und -abfällen, Grasschnitt, vegetabilen

Abfällen, Gärresten oder Klärschlamm, als Energieträger

anstelle von sog. „Energiepflanzen“ vermeidet die

Konkurrenz zur Nahrungsmittelherstellung. Biomasse

weist einen hohen Anteil an chemisch gebundenem

Wasser sowie häufig einen hohen Feuchtegehalt auf.

Daraus resultiert ein niedriger massebezogener Energie-

gehalt.

Um die Energiedichte von Biomasse zu erhöhen, sind

verschiedene Verfahren verfügbar. Abhängig von

Parametern wie Temperatur, Druck, Reaktionszeit und

Engler-Bunte-Institut –Verbrennungstechnik

Die weltweite Erdölförderung von 1900 – 2150 (Quelle : BGR)

Biomasseanteil lassen sich dabei feste, flüssige oder

gasförmige kohlenstoffhaltige Stoffe gewinnen. Generell

gilt: Mit steigender Schärfe der Reaktionsbedingungen,

vor allem Temperatur und Reaktionszeit, nimmt die

Tendenz zur Gasbildung zu, und es entstehen kleinere

organische Moleküle.

Kohlenstoff stellt einen vielfältig einsetzbaren effektiven

Energiespeicher dar. Verfahren zur Konditionierung von

Biomasse, die auf Kohlenstoff als Feststoff abzielen,

treffen auf wachsendes Interesse. Bei der Karboni-

sierung wird der Kohlenstoffanteil der Einsatzbiomasse

durch thermische Behandlung in Inertgasatmosphäre

(Pyrolyse) oder mit Hilfsstoffen wie heißem, flüssigem

Druckwasser (hydrothermale Karbonisierung – HTC)

als feste Kohle gewonnen. Sowohl Pyrolyse als auch

HTC erfordern lange Reaktionszeiten, um in der Kohle

hohe Kohlenstoffanteile zu erreichen. So wird bei der

Pyrolyse die Biomasse für viele Stunden bis Tage auf

rund 450°C gehalten. Bei der HTC sind mit etwa acht

bis 24 Stunden bei 180 °C bis 240 °C die Reaktions-

zeiten etwas kürzer und die Temperaturen niedriger,

der verfahrenstechnische Aufwand ist allerdings durch

das flüssige, heterogene Reaktionsmedium und den

anzuwendenden Druck erheblich höher. Zudem wirkt

das Reaktionsmedium durch die in der Biomasse

enthaltenen Salze und organische Säuren, die im

Prozess gebildet werden, äußerst korrosiv, was hohe

Anforderungen an das Material der Reaktoren stellt.

Vorteilhaft bei der HTC ist die Möglichkeit feuchte

Biomasse einzusetzen. Dabei lassen sich äußerst

variable Strukturen erreichen.

BSP – einfach und schnell

Um die verfahrenstechnischen Nachteile der HTC und

der Pyrolyse zu umgehen, untersucht eine Gruppe von

Forschern unter der Leitung von Prof. Bockhorn am

Engler-Bunte-Institut, Bereich Verbrennungstechnik,

des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) im Projekt

„Green Coal“ eine alternative Methode – die

atmosphärische Dampfkonditionierung. Beim „Biomass

Steam Processing“ (BSP) wird der Einsatzstoff unter

Atmosphärendruck mit Wasserdampf bei Temperaturen

zwischen 250°C und 400°C bei Reaktionszeiten von

Minuten bis wenigen Stunden behandelt.

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Weltweite CO2-Emission von 1950 – 2010 (Quelle : CDIAC)

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Vergleich der Reaktionsbedingungen von Pyrolyse, Hydro-

thermaler Karbonisierung und Biomass Steam Processing

Dabei entsteht mit wesentlich geringerem

verfahrenstechnischen Aufwand als bei der HTC und

bei viel kürzeren Reaktionszeiten als bei der Pyrolyse

braunkohleähnliche Biokohle. Auch sind die BSP-

Reaktionsbedingungen besser beherrschbar und die

Biokohlen-Elementarzusammensetzung ist variabel.

Die Projektgruppe erforscht das BSP-Verfahren mit

Modellbiomassen und realen Biomassen wie Stroh,

Holz, Gras, Orangenschalen, Bioabfälle und

Klärschlamm theoretisch und experimentell.

Entwicklung des Verfahrens

Als Versuchsträger setzen die Wissenschaftler unter

anderem mehrere Laborreaktoren und Technikums-

reaktoren vom Gramm- bis zum Kilogramm-Maßstab

ein.

Nach ersten Versuchen zum BSP-Verfahren in einem

Laborreaktor wurde eine kontinuierlich arbeitende

Technikumsanlage für das BSP-Verfahren entwickelt

und realisiert. Nach positiven Ergebnissen wurde eine

Anlage im Pilotmaßstab gebaut, um weitere

Betriebsparameter für verschiedene Biomassen zu

ermitteln und Erfahrungswerte für einen Upscale zu

erlangen.

Engler-Bunte-Institut –Verbrennungstechnik

Die Pilotanlage mit bis zu ca. 50 kg/h Durchsatz,

welche die letzte Stufe vor einer Markteinführung

darstellt, wurde erfolgreich in Betrieb genommen.

Schema der Technikumsanlage

Ergebnis: Ein hochwertiges Produkt

Die Charakterisierung der Biokohle erfolgt anhand von

Thermogravimetrie, Spektroskopie, Gasanalyse, Flüs-

sigkeitsanalyse, Elementaranalyse, Heizwertbestim-

mung und Elektronenmikroskopie.

Aus der Charakterisierung werden auch mechanis-

tische Erkenntnisse gewonnen.

Untersuchte Biomassen mit entsprechender Kohle nach

Umsetzung im BSP-Verfahren

Der Heizwert von unbehandeltem Stroh oder Holz liegt

bei circa 15 bzw. 18 MJ/kg; typische Heizwerte von

Braunkohlen liegen bei circa 20 bis 28 MJ/kg. Durch

das BSP-Verfahren gewinnt man bei 300 °C bis 350 °C

und einer Reaktionszeit von nur 30 bis 120 Minuten

braunkohleähnliche Biokohlen, wobei typischerweise 40

bis 70 Prozent des Kohlenstoffs der Biomassen im

Festkörper zu finden sind.

Versuchsanlagen für das

BSP-Verfahren: BSP-Labor-

reaktor (links oben), BSP-

Technikumsreaktor (rechts

oben),BSP-Pilotanlage

(rechts unten)

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Diese Biokohlen weisen mit 21 bis 29 MJ/kg ähnliche

Heizwerte wie typische HTC-Produkte (22 bis 28

MJ/kg) auf und folgen bezüglich der Zusammensetzung

dem natürlichen Inkohlungsprozess (siehe Abbildung).

Produkte der HTC und BSP im Inkohlungsdiagramm (van

Krevelen Diagramm)

Verglichen mit dem HTC-Verfahren sind die Verfahrens-

parameter beim BSP-Verfahren bedeutend günstiger.

Auch lassen sich gewisse Strukturparameter und

Reaktionsmechanismen besser einstellen.

Energiebilanz des BSP-Verfahrens

Ein wichtiger Aspekt ist die Energiebilanz, die das

Aufheizen sowie das Verdampfen oder Abkühlen der

Biomasse, der anhaftenden Feuchte, der Asche und

der gasförmigen und flüssigen Reaktionsprodukte

umfasst. Bei einem typischen BSP-Experiment mit

Holzpellets bei einer Einsatzmasse von 100 g, einer

Reaktionszeit von 34 Minuten und einer Temperatur

von 350 °C finden sich beispielsweise etwa 54 Prozent

der eingesetzten chemischen Energie in der Biokohle,

wobei sich der Brennwert um über 60 Prozent erhöht

hat. Auch mit Weizenstroh als Einsatzstoff und milderen

Bedingungen (Temperatur 300 °C und Reaktionszeit 56

min) kommt man zu ähnlichen energetischen

Wirkungsgraden (siehe Tabelle).

Zusammensetzungen und Eigenschaften von Einsatzbiomassen

und deren Kohlen

Engler-Bunte-Institut –Verbrennungstechnik

Weizenstroh und BSP-Kohlen aus Weizenstroh bei 250°C, 300°C,

325°C und 350°C (von links nach rechts)

Ein Teil der eingebrachten Energie findet sich als

chemische Energie in den kondensierbaren

organischen Molekülen wieder. Zusätzlich sind etwa

drei Prozent der eingebrachten chemischen Energie

zum Aufheizen von Biomasse und Feuchtigkeit auf

Reaktionstemperatur aufzubringen.

Über ein zweistufiges Kondensationssystem wirken

sich das aus den Kohlehydraten eliminierte Wasser und

kleinere organische kondensierbare Moleküle,

beispielsweise Hydroxymethylfurfural, über ihre

sensible Wärme und die Kondensationswärme positiv

auf die Energiebilanz aus.

Schema der Pilotanlage für das BSP-Verfahren

Die technische Umsetzung des BSP-Verfahrens wird in

einer Pilotanlage mit einem Umsatz von rund 50 kg

Biomasse pro Stunde untersucht. Durch die Rück-

führung des bei höherer Temperatur kondensierenden

Bioöls und der kohlenstoffhaltigen Dampfphase wird die

Ausbeute an Kohlenstoff in der Biokohle weiter

gesteigert.

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Schnittbild des BSP-Piotreaktors

Der Pilotreaktor wurde in einem 7 Tage Dauerversuch

in Betrieb genommen. Dabei wurden Klärschlamm,

sowie Mischungen von Klärschlamm mit Holzpellets

und Klärschlamm mit Bioabfall erfolgreich prozessiert.

Die Einsatzstoffe wurden dabei getrocknet und

karbonisiert und deren Brennwerte erhöht.

Die Kohle der Klärschlamm-Holzpellets-Mischung

erreicht einen Brennwert von ca. 21 MJ/kg, die

Mischung von Klärschlamm mit Bioabfällen fast 15

MJ/kg.

Brennwerte von eingesetzten Biomassen und deren Kohlen

(links), Mischung von Klärschlamm und Bioabfall (rechts)

Die Entsorgung von Klärschlamm ist in Deutschland ein

wachsendes Problem, da sowohl die Nutzung in der

Landwirtschaft als auch die Verbrennung immer weiter

eingeschränkt werden. Auch hier kann das BSP-

Verfahren eine mögliche Lösung sein.

Die Methode lässt sich dank ihrer Einfachheit

problemlos auch in mobilen Anlagen einsetzen, so dass

Bioabfälle unmittelbar dort, wo sie anfallen,

kostengünstig und energetisch sinnvoll zu Kohle

verarbeitet werden können.

Das Verfahren ist zum Patent angemeldet. Gefördert

wird das Projekt mit Mitteln der EnBW Energie Baden-

Württemberg AG.

weitere Informationen:

Professor Dr. Henning Bockhorn

Engler-Bunte-Institut

Bereich Verbrennungstechnik (EBI-VBT)

Telefon: +49 721 608-47984

E-Mail: henning.bockhorn@kit.edu

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