• Entwicklung von Funktionsprinzipien welche eine Wärmeintegration trotz Problematik der Temper-taturniveaus ermöglichen
• Detaillierte Untergliederung (hier nicht dargestellt)
• Iterative Überarbeitung und Erweiterung anhand neuer Erkenntnisse
Methanisierungsgestützte Biomasse-Vergasung
Getrennte Reaktoren
Chemische Wärmepumpe Thermische Stufung
… … … …
Gemeinsamer Reaktor
Gleichgewichtsverschiebung
…. … …
Wärmebilanz über eine Wirbelschicht im Steady State
Entwicklung eines methanisierungsgestützten Vergasungsverfahrens zur optimierten Erzeugung von Bio-SNG
Dezentrale Energieumwandlung (DEU)
M.Sc. Gebhard Waizmann
Institut für Verfahrenstechnik und Dampfkesselwesen Prof. Dr. techn. G. Scheffknecht
Universität Stuttgart Universität Stuttgart
Institut für Feuerungs- und Kraftwerkstechnik
Prof. Dr. techn. G. Scheffknecht
• Erdgasnetz für Transport und zur saisonale Speicherung flächendeckend vorhanden
• Mobiler Kraftstoff bei bereits etablierter Technik, z.B. Erdgasauto
• Effizient verstrombar durch z.B.: GuD®-Kraftwerke, BHKW, SOFC, Mikro-KWK
• Erneuerbare Regelenergie
• Inländischen Wertschöpfung
• Energiepolitische Unabhängigkeit?
• Ligninreiche Biomasse (Restholz, Stroh, etc.) ist nicht in Flächenkonkurrenz mit Nahrungsmitteln
Einleitung
Kontakt: M.Sc. Gebhard Waizmann [email protected] Tel.: +49 (0) 711 685 68939
Kaltmodelluntersuchungen
Enthalpieverlauf der Vergasung
Funktionsprinzipien
Verfahrenskonzepte
Ausblick Der ermittelte Enthalpiebedarf zur Zersetzung von Biomasse ist für eine direkte Wärmeintegration un-günstig. Durch Beeinflussung des thermochemischen Gleichgewichts kann jedoch ein flacherer, konti-nuierlicherer Anstieg des Enthalpieverlauf erreicht werden. Das Gleichgewicht lässt sich insbesondere durch erhöhen des Drucks als auch durch Abtrennung von Gasbestandteilen positive beeinflussen. Er-folgt die Abtrennung durch exotherme Sorption mit endothermer Regeneration bei niedrigerer Tempe-ratur kann dabei zusätzlich Wärme auf ein höheres Niveau gepumpt werden. Neue Funktionsprinzi-pien und Konzepte wurden und werden derzeit ausgearbeitet. Die Modellierung und Bewertung erfolgt u.a. mittels Gleichgewichtsrechnung (FactSage
®) und Prozesssimulation (AspenPlus
®).
EnergieCampus, 06.11.2015, Karlsruhe
Abtrennung und Transport von Biokohle
Differential Scanning Calorimetry (DSC)
Vergasung: Biomasse → Synthesegas
• CHxOy + nH2OH2O → nH2H2 + nCOCO +… • > 700 °C für vollen Umsatz • Endotherm → Teilverbrennung
Methanisierung: Synthesegas → Methan
• CO + 3H2 → CH4 + H2O • < 300 °C für vollen Umsatz • Exotherm → Abwärme
~ 20 % des Brennwerts Wärmeintegration trotz Temperaturunterschied?
→ Funktionsprinzipien
Konzeption
Experimente und Analyse
• SETARAM®
SENSYS evo DSC: → Testmessungen: Validierung der Methode → aber für Auswertung zu ungenau
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J/(
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Temperatur in C
Drucktiegel, Fichte, Test-Run-1 Vergleich: Zucker-Kiefer; 10 °C/min (Strezov 2003)
Drucktiegel, Fichte, Test-Run-3 Vergleich: Zucker-Kiefer; 50 °C/min (Strezov 2003)
Drucktiegel, Fichte, Test-Run-4 Vergleich: Zucker-Kiefer; 1000 °C/min (Strezov 2003)
Drucktiegel, Fichte, Test-Run-5
endoth
erm
→
um 1/10 skaliert
3D-Calvet Sensor
druckdicht
kleine Probe
Raum für Gase
• Entwicklung konkreter Verfahrenskonzepte auf Basis der einzelnen Funktionsprinzipien • Zwei grundlegende Fragestellungen:
→ Enthalpiebedarf über die Temperatur?
→ Abtrennung und Transport von Biokohle?
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Temperatur in C
Messung: ∆h Fichtenholz (H2O kalib.) Messung: ∆h Fichtenholz (SiO2 kalib.)
Vergleich: Sand - SiO2 Vergleich: Sensible Wärme von Holz (Dunlap 1912)
Vergleich: N2-Pyrolyse von Haferspelzen (Daugaard 2003) Equi: Fichtenholz (-5,5 MJ/kg Hf; 0,35 S/B)
Vergleich: N2-Pyrolyse von Eiche (Daugaard 2003) Equi: Fichtenholz bei 30 bar (-5,5 MJ/kg Hf; 0,35 S/B)
Vergleich: N2-Pyrolyse von Kiefer (Daugaard 2003) Equi: Fichtenholz mit Hochtemperatur CO2-Abscheidung
Vergleich: Wasser - H2O
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Temperatur in C
Messung: ∆h Fichtenholz (H2O kalib.) Vergleich: Sand - SiO2
Messung: ∆h Fichtenholz (SiO2 kalib.) Vergleich: Sensible Wärme von Holz (Dunlap 1912)
Vergleich: N2-Pyrolyse von Haferspelzen (Daugaard 2003) Equi: Fichtenholz (-5,5 MJ/kg Hf; 0,35 S/B)
Vergleich: N2-Pyrolyse von Eiche (Daugaard 2003) Equi: Fichtenholz bei 30 bar (-5,5 MJ/kg Hf; 0,35 S/B)
Vergleich: N2-Pyrolyse von Kiefer (Daugaard 2003) Equi: Fichtenholz mit Hochtemperatur CO2-Abscheidung
Vergleich: Wasser - H2O
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Temperatur in C
Messung: ∆h Fichtenholz (H2O kalib.) Vergleich: Sand - SiO2
Messung: ∆h Fichtenholz (SiO2 kalib.) Vergleich: Sensible Wärme von Holz (Dunlap 1912)
Vergleich: N2-Pyrolyse von Haferspelzen (Daugaard 2003) Equi: Fichtenholz (-5,5 MJ/kg Hf; 0,35 S/B)
Vergleich: N2-Pyrolyse von Eiche (Daugaard 2003) Equi: Fichtenholz bei 30 bar (-5,5 MJ/kg Hf; 0,35 S/B)
Vergleich: N2-Pyrolyse von Kiefer (Daugaard 2003) Equi: Fichtenholz mit Hochtemperatur CO2-Abscheidung
Vergleich: Wasser - H2O
Verlauf des Enthalpiebedarfs
endoth
erm
→
• Messwerte sind auf Trockenmasse bezogen • Enthalpiebedarf ist direkt von Umgebungs- auf Reaktortemperatur gemessen
• Validierung des Messprinzips durch kalibrieren mit SiO2 und H2O • Messunsicherheit aufgrund nicht perfekt stationärer Zustände • Keine signifikant endo- oder exothermer Temperaturbereich sichtbar • Enthalpiebedarf ist eher niedrig < 1,5 MJ/kg → damit hoher Enthalpiedarf bei höheren Temperaturen → nachteilig für eine Wärmeintegration → Verbesserung der Gleichgewichtsalge durch Druck oder Hochtemperatur-CO2-Abscheidung
DSC-Testmessungen
Literatur
(Daugaard 2003) D. E. Daugaard and R. C. Brown: Enthalpy for Pyrolysis for Several Types of Biomass; Energy and Fuels, 2003, Vol. 17 (4), pp 934-939. (Dunlap 1912) F. Dunlap: The specific heat of wood; US Dep. Agr., Forest Serv. Bull. 110, 1912. (Strezov 2003) V. Strezov, B. Moghtaderi, J. A. Lucas: Thermal Study of Decomposition of Selected Biomass Samples; Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, 2003, Vol. 72, pp 1041-1048. (Waizmann 2015a) G. Waizmann, M. Schmid, D. Schweitzer, A. Gredinger, M. Beirow, H. Dieter, G. Scheffknecht, Enthalpy for Thermochemical Conversion of Spruce Wood in a Fluidized Bed at Various Temperatures – An Ex perimental Heat Balance Analysis, 23rd EUBCE, Vienna, June 2015. (Waizmann 2015b) G. Waizmann, M. Schneider, H. Dieter, G. Scheffknecht, Continuous Biochar Separation and Transpor- tation Through a Multistage Fluidized Bed – A Cold Model Analysis, 23rd EUBCE, Vienna, June 2015.
Druck- schleuse
Luft
Mischbett
Trennwand
geneigte Einbauten
Dosierer
Durchfluss-steuerung
Separationsbett
Überlauf
Drosselventil
Austausch-öffnung
1. Stufe 2. Stufe
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Se
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in
m%
Bio Char Feed Rate in kg/h
Transition to Steady State
1. Steady State
2. Steady State
3. Steady State
4. Steady State
5. Steady State
Masse
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Holzkohleförderrate in kg/h
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Pressure in mbar
1. Stage Mixed Bed
1. Stage Sep. Bed
2. Stage Mixed Bed
2. Stage Sep. Bed
reine Holzkohle: weniger ∆p/h da geringere Dichte
gleicher Holzkohleanteil: gleicher ∆p/h
Holz
kohle
Überlau
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Druck in mbar
Druckprofil
• Hohe Abtrennreinheit erreichbar • Geneigte Einbauten verbessern den Bettaustausch • Aufweitung der Abtrennsäule verhindert Verstopfung • Untersuchungen zur weiteren Optimierung sind geplant
• Stabile Transport-Hydrodynamik • Selbstregulierung der Betthöhe
• Herausforderung: kleine Probe großer Behälter • Vorteil: schnelle Enthalpie-Messungen → umfangreich Parametervariation ermöglicht Ermöglicht durch/
Vielen Dank an:
Motivation: Warum ligninreiche Biomasse zu SNG (Methan)? Grundlage: Wie wird aus ligninreicher Biomasse SNG (Methan)?
?
oder
Konstruktive Umsetzung des Kaltmodells Abtrenn- und Transportprinzip
• SETARAM® C600 DSC:
→ 50-fach größeres Probenvolumen → Messungen geplant
Die Realisierbarkeit des Abtrenn- und Transportprinzips wurde validiert
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