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

isc

he

r A

nla

ge

nw

irk

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

11

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

16

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: info@dbfz.de

www.dbfz.de

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Ansprechpartner

Dr.-Ing. Marco Klemm

Tel. +49 (0)341 2434 – 537

E-Mail: marco.klemm@dbfz.de