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Hydrothermale Karbonisierung

Verfahren zur energetischen und stofflichen Verwertung von Biomassen

Hausarbeit 2011 30 Seiten

Agrarwissenschaften

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

1 Einleitung

2 Erläuterung der Hydrothermalen Karbonisierung und Stand der Technik

3 Beschreibung der Inputstoffe
3.1 Qualitätseigenschaften der Inputstoff
3.2 Bedeutende Inputstoffe aus dem Agribusiness

4 Beschreibung der Outputstoffe
4.1 HTC-Produkt: Kohle
4.2 HTC-Produkt: Mutterboden
4.3 Exkurs: Kompost und HTC-Mutterboden

5 Diskussion und Ausblick

6 Zusammenfassung

Literaturverzeichnis

Anhang

Abbildungsverzeichnis

Abb. 1: Einfache Darstellung der Funktionsweise einer HTC- Anlage

Abb. 2: Schema des Prozesses der Inkohlung

Abb. 3: Auswahl von Aufspaltungsverfahren von Kohlehydraten

Abb. 4: Schematischer Aufbau typischer Bereitstellungsketten zur End- bzw. Nutz- energiebereitstellung aus Biomasse

Abb. 5: Übersicht über potenzielle Inputmaterialien für die HTC

Abb. 6: HTC-Kohle

Abb. 7: HTC-Versuche am IfZ Göttingen unter Laborbedingungen

Abb. 8: Nährstoffangaben eines HTC/Sand Gemisches

Abb. 9: Nährstoffangaben von Standardkompost

Abb. 10: Vereinfachtes Flussbild des Herstellungsprozesses

Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1 Einleitung

Mit Verabschiedung des Erneuerbare-Energien-Gesetz durch den Deutschen Bun-destag begann im Jahr 2000 der Umstieg von einem zentralen Energieversorgungs-system mit wenigen Atom- und Kohlekraftwerken hin zu einem dezentralen System mit vielen mittleren bis kleineren Kraftwerken zur Herstellung von elektrischen Strom. Grundlage für Investitionen in Windkraft-, Geothermie-, Photovoltaik- und Biomasse-verwertungsanlagen bildet eine gesetzlich festgeschriebene Vergütung pro kW/h eingespeister Energie. Hier sind u.a. die Grundvergütung, der Nachwachsende Rohstoffe-Bonus, der Technologiebonus und andere Boni zu nennen, die vom Netz-betreiber an den Erzeuger, finanziert durch eine Umlage im allgemeinen Strompreis, gezahlt werden.

Insbesondere Anlagen zur Verwertung von Biomassen, meist sogenannte Biogasan-lagen oder auch Vergärungsstrecken genannt, konnten von dieser Gesetzgebung profitieren und wurden technisch weiter optimiert. Um sich allerdings unabhängiger von der EEG-Vergütung zu machen und neue finanzielle Potentiale zu erschließen, steigt das Interesse der Betreiber die Gärreste der BGA’s weiter zu verarbeiten, also stofflich und/oder energetisch zu verwerten. Neben Gärresten gibt es eine Vielzahl von Biomassen, die bisher keiner oder nur einer minderwertigen Verwertung zuge-führt wurden.

Hier setzt das Verfahren der Hydrothermalen Karbonisierung an. Es handelt sich da-bei um ein Verfahren, welches Biomassen mit einem möglichst geringen Ligningehalt karbonisiert um in Abhängigkeit der Prozessdauer verschiedenartige Produkte, HTC-Biochar genannt, herzustellen. Besonders interessant erscheinen hier HTC-Biochar Kohle und Mutterboden, die eine wichtige Bedeutung als Energieträger bzw. Boden-verbesserungsstoff, erlangen und als solches vermarktet werden könnten.

Diese Hausarbeit mit agrarökonomischen Hintergrund gibt einen kompakten Über-blick über das Verfahren, indem grundlegende Prozesse erläutert, Inputstoffe, ihre Qualitätseigenschaften sowie Endprodukte genannt werden und die zukünftige An-wendbarkeit des Verfahrens unter Berücksichtigung der Grundlagenforschung des Institut für Zuckerrübenforschung Göttingen eingeschätzt wird.

2 Erläuterung der Hydrothermalen Karbonisierung und Stand der Technik

Dieses Kapitel gibt einen Einblick in die grundlegenden Prozesse der Hydrotherma-len Karbonisierung und zeigt den Stand der Technik auf.

Die Hydrothermale Karbonisierung ist eine Methode zur vollständigen Umwandlung von Biomasse in Kohlenstoff und Wasser, die den natürlichen Entstehungsprozess von Kohle nachbildet. Der verfahrenstechnische Prozess der HTC läuft in vier Schrit-ten ab:

1. Erhitzen: Ein Gemisch aus Biomasse, Wasser und einer Katalysatorflüssigkeit wird unter Sauerstoffausschluss in einem geschlossenen Druckbehälter auf Tem- peraturen von etwa 200°C erhitzt, wobei der Druck auf etwa 20 bar steigt
2. Exotherme Reaktion: Unter diesen Bedingungen wird eine exotherme Reaktion ausgelöst; Energie wird freigesetzt
3. Temperatur halten: Durch die konstanten Prozessparameter entsteht nach ca. zwölf Stunden ein Kohleslurry - ein schlammartiges Gemisch aus Wasser und kohleartigen Partikeln
4. Abkühlen: Im letzten Schritt wird der Kohleslurry abgekühlt und der Anlage ent- nommen (Greve 2009, S. 2)

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Abb.1: Einfache Darstellung der Funktionsweise einer HTC-

Anlage (Neu-mann 2009, S. 6)

Unterstützt wird der Prozess durch Katalysatoren, also Reaktionsbeschleunigern wie Zitronensäure. Die Mengensteuerung erfolgt durch Mess- und Regeltechnik (vgl. Abb. 1). Der Reaktor muss hohem Druck und Temperaturen standhalten.

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Tabelle: übersicht der wesentlichen Prozessparameter (Greve 2009, S. 38)

Die Tabelle veranschaulicht die wesentlichen Prozessparameter. Weitere Verfahrensschritte werden im letzten Teil dieses Kapitels beschrieben.

Der Begriff „Karbonisierung“ (engl. „hydrothermal carbonization“) bezeichnet die An-reicherung von Kohlenstoff. Historisch begründet wurde das HTC-Verfahren durch den deutschen Chemiker Friedrich Bergius, der 1913 Pionierarbeit mit dem Ziel leis-tete, die natürliche Kohlebildung aus Biomasse (Inkohlung) mechanistisch zu verste-hen und gegebenenfalls technisch nutzbar zu machen. Hintergrund seiner Arbeit war bereits damals die Forschung an Verfahren um Deutschlands Knappheit an Öl zu kompensieren (Charisius 2010, S. 1). In der Zeit der konjunkturellen Hochphase der 1950er und 1960er Jahre standen große Mengen an preiswerten fossilen Brennstof-fen zur Verfügung, die das Verfahren in Folge dessen als nicht wirtschaftlich klassifi-zierten. Diverse Forschungsansätze waren zu dieser Zeit nicht zielführend. Erst 2006 wurde das Verfahren durch den Chemiker Markus Antonietti, Direktor am Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung in Potsdam, wieder aufgegrif-fen.

Der Begriff ‚Inkohlung‘ hat seinen Ursprung im natürlichen Entstehungsprozess von Kohle, der sich in der erdzeitlichen Geschichte über Jahrmillionen hinweg gezogen hat (vgl. Abb. 2). Auch hier entscheidet die Prozessdauer über die Konsistenz des Produktes: Torf benötigt 500-5000 Jahre zur Entstehung, Braunkohle 50.000 Jahre bis 50 Mio. Jahre und Steinkohle 150 Mio. Jahre. Kohle ist damit ein aus abgestor-benen Pflanzen entstandenes, heterogenes Sedimentgestein im Endstadium. Bei der Inkohlung wächst der Kohlenstoffgehalt des Inkohlungsproduktes stetig an (Greve 2009, S. 21 f.).

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Abb. 2: Schema des Prozesses der Inkohlung: Über die Faktoren Druck (pressure) und Wärme

(heat) entsteht aus abgestorbenen Pflanzen mit zunehmender Dauer (time) unter Abgabe von Wasser erst Torf (peat), dann Braun- (lig-nite) und Steinkohle (coal) (Greve 2009, S. 26 nach Montana State University)

Die Dauer des Verfahrens entscheidet über den Grad der Inkohlung (Inkohlungs-grad). Das chemische Verfahrensprinzip basiert auf der Abspaltung von Wassermo-lekülen aus Kohlehydraten in mehreren Stufen:

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Biomasse ist der Inputstoff für das HTC-Verfahren, welche sich aus Kohlehydraten, wie zum Beispiel Zellulose, Stärke oder Zucker zusammensetzt (C6H12O6) (vgl. Glei- chung 1). Die Gleichungen 1 und 2 sind Zwischenschritte zum Endprozess (vgl. Glei- chung 3), der die Reaktionsenthalpie ∆H von 1105 kJ/mol (Bergius 1928, o.S.) auf-weist. Demnach sind Kohlehydrate Energiespeichermoleküle.

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Abb. 3: Auswahl von Aufspaltungsverfahren von Kohlehydraten (Antonietti 2006, S. 26)

Abbildung 3 verdeutlicht, dass es mit der alkoholischen Gärung bis hin zur Verbren-nung unterschiedliche Aufspaltungsverfahren mit unterschiedlichen Energieeffizien-zen gibt. Bei der Hydrothermalen Karbonisierung beispielsweise entsteht aus 3240 kJ/mol Brennwert des Inputstoffs Braunkohle mit 2135 kJ/ mol Brennwert. Bei der Differenz (= 33%) handelt es sich um Prozesswärme, die man allerdings verfahrens-technisch im Sinne eines Abwärmekonzeptes nutzen oder der Anlage zurückführen kann (vgl. Abb. 1). Schlussfolgernd ist zu sagen, dass das HTC-Verfahren unter dem Gesichtspunkt der Energieverwertung dem der anaeroben Vergärung vorzuziehen ist.

Beim CE-Wert handelt es sich um den Kohlenstoffeffizienz-Koeffizienten. Er be-schreibt, wie hoch der Anteil des Kohlenstoffs des Ausgangsmaterials zum Ein-gangsmaterial ist. Beim HTC-Verfahren und seinem CE- Wert von eins befinden sich nahezu 100 % der Kohlenstoffe des Eingangsmaterials im Ausgangsmaterial. HTC-Produkte haben demnach den Vorteil, CO2 der Atmosphäre dauerhaft entziehen zu können, was als CO2- oder C-Sequestrierung bezeichnet wird. Voraussetzung ist eine Stabilität der Kohlenstoffstrukturen (Kammann 2010, S. 194).

Antonietti (2006, S. 25) zeigt im Folgenden, wie in Abhängigkeit von der Prozess-dauer (Vollständigkeit der Karbonisierung) die Ausprägung der HTC-Produkte und somit auch ihre Vermarktung unterschiedlich sein kann:

- Mutterboden zur Verbesserung der Bodenfunktionalität (Humus)
- Kohle zur energetischen Nutzung (Verbrennung)
- Kohle zur Weiterverarbeitung in Kohlenstoff- Brennstoffzellen
- Kohle zur Weiterverarbeitung als Synthesegas
- Flüssige Phase (Intermediate) zur Weiterverarbeitung zu Benzin oder als Spe-zialdünger
- Industrierohstoff z.B. für die Farben-, Kunststoff- oder Zementindustrie

Seit der ‚Wiederentdeckung‘ des Verfahrens 2006 wird das HTC-Verfahren durch Hochschulen, Forschungsinstitute und Unternehmen ständig weiterentwickelt. Das betrifft neben der Anlagentechnik, auf die im Folgenden kurz eingegangen wird, ins-besondere die optimale Zusammensetzung der Inputstoffe und den Einsatz der Out-putstoffe. Zu beiden Fragestellungen werden Erkenntnisse in Kapitel 3 und 4 darges-tellt und diskutiert. Technisch befindet sich das Verfahren noch im Pilotstadium, d.h. in einer Testphase unter Praxisbedingungen, bis hin zu der Planung und Realisie-rung von Anlagen im industriellen Maßstab. Stand der Technik 2011 ist, dass zwei Unternehmen HTC-Anlagen im industriellen Maßstab in der Bundesrepublik errichten und nach Fertigstellung wirtschaftlich betreiben wollen (Neumann 2011, S. 6). Ihr Produkt wird jeweils HTC-Kohle sein, die an konventionelle Kohlekraftwerke vermark-tet wird.

Die Anlagentechnik selbst ist laut den Angaben der Hersteller bereits in einem se-rienreifen Zustand (Buttmann 2010). Der Durchlaufbetrieb kann in drei Verfahren be-trieben werden: Batchbetrieb (Chargenbetrieb), kontinuierlicher Betrieb oder diskon-tinuierlicher Durchlaufbetrieb. Für eine Pilotanlage mit 300 t Durchsatz an Trocken-substanz pro Jahr gelten folgende Angaben: HTC-Reaktoren, wie der Druckbehälter auch genannt wird, und ihre Mess- und Regeltechnik haben den Platzbedarf von gängigen Schiffscontainern und können auch in solchen untergebracht werden. Die Anlagen sind modular aufgebaut, können also variiert werden. Zur Realisierung einer wirtschaftlich arbeitenden HTC-Anlage ist ein Vergleich mit Biogasanlagen hinsich-tlich der Planung, dem Bau und Betrieb zulässig. Bei den Herstellungskosten von HTC-Kohle geht man inzwischen von 75 bis 100 EUR je t aus (Neumann 2011, S. 6).

Wie in den folgenden Kapiteln verdeutlicht wird, besteht weiterhin Forschungs- und Entwicklungsbedarf in den vor- und nachgelagerten Bereichen einer HTC-Anlage, der Technik sowie hinsichtlich der Outputstoffe und ihrer Umweltverträglichkeit.

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Details

Seiten
30
Jahr
2011
ISBN (eBook)
9783656078227
ISBN (Buch)
9783656078098
Dateigröße
8.6 MB
Sprache
Deutsch
Katalognummer
v183512
Institution / Hochschule
Georg-August-Universität Göttingen
Note
2,3
Schlagworte
Hydrothermale Karbonisierung HTC-Biochar HTC-Mutterboden HTC-Kohle Verwertung von Biomassen Kompost vs. HTC-Biochar Hydrothermale Carbonisierung

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Titel: Hydrothermale Karbonisierung