Untersuchungen zum gegenwärtigen Stand der Konversion von Biobrennstoffen

Studienarbeit von Stefan Kramp

Problemstellung:

Fossile Brennstoffe müssen in Zukunft im Wesentlichen aus zwei Gründen viel stärker geschont werden, als in der Vergangenheit, zum einen wegen der enormen Freisetzung des klimaschädlichen CO2 und zum anderen wegen ihrer immer deutlicher werdenden Erschöpfbarkeit. Letzteres auch vor dem Hintergrund, dass diese Brennstoffe ein hohes und wichtiges Potenzial stofflicher Nutzung besitzen.

Eine von verschiedenen Möglichkeiten Ersatz zu finden, ist der Einsatz von Biobrennstoffen, die jedoch häufig für einen technischen Einsatz aufbereitet bzw. konvertiert werden müssen.

Die Arbeit soll konkret folgende Schwerpunkte beinhalten:

- Direkte thermische Umwandlung (Verbrennung) von Biobrennstoffen.

- Thermochemische Umwandlung mit den Verfahren.

- Verkohlung.

- Vergasung und Pyrolyse.

- Physikochemische Umwandlung von Biomasse von der Gewinnung des Pflanzenöls über seine Veredlung bis zur motorischen Nutzung.

- Biochemische Umwandlung von Biomasse mit den Verfahren.

- Methangärung und Ethanolgärung.

Auf Grund des Mangels an fossilen Energieträgern hat die Konversion von Biomasse mehr und mehr an Bedeutung gewonnen. In dieser Arbeit soll daher eine Übersicht über Techniken, Verfahren und Nutzungsmöglichkeiten von Biomasse aufgezeigt und bewertet werden.

Inhaltsverzeichnis:

	Aufgabenstellung	6
	Abkürzungsverzeichnis	6
1.	Einleitung	6
2.	Direkte Thermische Umwandlung (Verbrennung)	7
2.1	Ausgangsstoffe	7
2.2	Grundlagen der Verbrennung	10
2.3	Feuerungsanlagentechnik	12
2.3.1	Handbeschickte Feuerungen	12
2.3.2	Automatisch beschickte Feuerungen	14
2.4	Regelung kontinuierlich beschickter Anlagen	15
3.	Thermochemische Umwandlung	17
3.1	Verkohlung	17
3.1.1	Grundlagen der Verkohlung	17
3.1.2	Verfahren der Kohleherstellung	18
3.1.3	Das Produkt Kohle	19
3.1.4	Nutzung von Kohle	19
3.2	Vergasung	20
3.2.1	Grundlagen der Vergasung	20
3.2.2	Produktgas	22
3.2.3	Verfahren der Produktgasherstellung	22
3.2.3.1	Festbettvergaser	22
3.2.3.2	Wirbelschichtvergaser	25
3.2.3.3	Flugstromvergaser	27
3.2.3.4	Verfahrensübersicht	29
3.2.4	Nutzung des Produktgases	29
3.2.4.1	Wärmebereitstellung	29
3.2.4.2	Nutzung in Motoren	30
3.2.4.3	Nutzung in Gasturbinen	30
3.2.4.4	Nutzung in Brennstoffzellen	32
3.2.4.5	Nutzung zur Verflüssigung	32
3.3	Pyrolyse	33
3.3.1	Flash - Pyrolyse	33
3.3.2	Druckverflüssigung	35
3.3.3	Produkte der Pyrolyse	35
3.3.4	Aufbereitung der Pyrolyseprodukte	36
3.3.5	Nutzung der Pyrolyseöle	37
4.1	Gewinnung von Pflanzenöl	39
4.1.1	Verfahren zur Gewinnung von Pflanzenöl	39
4.2	Veredelung zu Pflanzenölmethylester (PME)	42
4.2.1	Chemische Grundlagen	43
4.2.2	Verfahren der Rapsölmethylester (RME) - Herstellung	44
4.3	Motorische Nutzung von Pflanzenöl und Rapsölmethylester (RME)	46
4.3.1	Pflanzenöl als Kraftstoff	46
4.3.2	RME als Kraftstoff	47
4.3.3	Vergleich von Diesel, Rapsöl und RME	48
5.	Biochemische Umwandlung von Biomasse	49
5.1	Methangärung	49
5.1.1	Grundlagen der Methangärung	49
5.1.2	Verfahrenstechnische Umsetzung der Biogaserzeugung	52
5.1.3	Nutzung von Biogas	53
5.2	Ethanolgärung	54
5.2.1	Grundlagen der Ethanolgärung	54
5.2.2	Maischprozess	54
5.2.2.1	Zuckeraufschluss	54
5.2.2.2	Stärkeaufschluss und -abbau	54
5.2.2.3	Celluloseaufschluss und -abbau	55
5.2.3	Fermentation (Gärung)	56
5.2.4	Destillation, Rektifikation	56
5.2.5	Nutzung von Ethanol	57
5.2.5.1	Motorische Nutzung	58
6.	Zusammenfassung	61
	Literaturverzeichnis	63
	Abbildungsverzeichnis	64
	Tabellenverzeichnis	65
	Selbstständigkeitserklärung	66

Textprobe:

Kapitel 3.2.4.2, Nutzung in Motoren:

Bereits in den 40iger Jahren, während der Mangelwirtschaft im Krieg, wurde mittels eines klassischen Gleichstromvergasers („Imbert“ – Vergaser) Gas für den Einsatz in Motoren produziert. Durch unausgereifte Reinigungsstufen waren die Motorstandzeiten jedoch verkürzt, so dass die Nutzung nach dem Krieg schnell an Bedeutung verlor.

Eine Weiterentwicklung stellt der „Open – Top“ – Vergaser dar, bei dem durch die kontinuierliche Beschickung mit Biomasse von oben zusätzlich Luft einströmt. Durch diese zusätzliche Sauerstoffquelle oxidiert ein Teil der langkettigen Kohlenwasserstoffe in der Pyrolysezone und reduziert so zusätzlich den Teergehalt im Produktgas.

Für den Einsatz in Gasmotoren darf der Anteil an Feststoffpartikeln nur sehr gering sein. Durch die starken Verschleißerscheinungen und der Bildung von Teerablagerungen wäre der Wartungsaufwand enorm und die Lebensdauer beanspruchter Bauteile stark verkürzt. Durch die Abkühlung des Gases auf 30 – 50°C und den Einsatz von Partikelabscheidern lassen sich diese Anforderungen erfüllen.

Nutzung in Gasturbinen:

Soll das Produktgas in einer Gasturbine genutzt werden, muss es weiter konditioniert werden als bei der motorischen Nutzung, da Partikel und mögliche Alkaligehalte sich hier noch stärker negativ auswirken. Alkalimetalldämpfe können leicht durch Abkühlung auf unter 600 C vor der Partikelabscheidung entfernt werden, da die Dämpfe an den Partikeloberflächen auskondensieren. Langkettige Kohlenwasserstoffe müssen nur dann abgeschieden werden, falls für einen Verfahrensschritt eine relevante Temperaturabsenkung nötig ist und so die Teere die Filteranlagen verstopfen könnten.

Gasturbinen kommen in Anlagen mit IGCC – Technologie (Integratet Gasification Combined Cycle) zum Einsatz, in diesen wird hauptsächlich Strom erzeugt. Das Brenngut wird mittels Luft vergast und das gebildete Produktgas gereinigt. Weiterhin wird es in einer Gasturbine verbrannt, die einen Generator antreibt. Die entstehende Abwärme wird durch einen Abhitzekessel zu Dampf aufbereitet und treibt eine Dampfturbine an. Eine auf der IGCC – Technologie basierende Zukunftsvision ist der Betrieb eines „CO2 – freien“ Kraftwerks. Der schematische Ablauf ist in Abbildung 3.6 dargestellt. Bei diesem wird der Brennstoff mit reinem Sauerstoff vergast. Das gebildete Produktgas ist stickstoffarm und wird über weitere Teilreaktionen (Gleichung 3.7; 3.8) zu Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid umgewandelt. Im Folgenden kann das Kohlenstoffdioxid abgetrennt werden. Ziel dieser aufwendigen Anlage ist es, beim Betrieb der Turbine ausschließlich Wasser und keine Treibhausgase zu bilden. Die Bezeichnung „CO2 – freies“ Kraftwerk ist irreführend, da es zu Lasten des Wirkungsgrades vor der Verbrennung entfernt wird und an anderer Stelle gespeichert werden muss.