Untersuchungen zum gegenwärtigen Stand der Konversion von Biobrennstoffen

Inhaltsverzeichnis

Aufgabenstellung

Abkürzungsverzeichnis

1 Einleitung

2 Direkte Thermische Umwandlung (Verbrennung)
2.1 Ausgangsstoffe
2.2 Grundlagen der Verbrennung
2.3 Feuerungsanlagentechnik
2.3.1 Handbeschickte Feuerungen
2.3.2 Automatisch beschickte Feuerungen
2.4 Regelung kontinuierlich beschickter Anlagen

3 Thermochemische Umwandlung
3.1 Verkohlung
3.1.1 Grundlagen der Verkohlung
3.1.2 Verfahren der Kohleherstellung
3.1.3 Das Produkt Kohle
3.1.4 Nutzung von Kohle
3.2 Vergasung
3.2.1 Grundlagen der Vergasung
3.2.2 Produktgas
3.2.3 Verfahren der Produktgasherstellung
3.2.3.1 Festbettvergaser
3.2.3.2 Wirbelschichtvergaser
3.2.3.3 Flugstromvergaser
3.2.3.4 Verfahrensübersicht
3.2.4 Nutzung des Produktgases
3.2.4.1 Wärmebereitstellung
3.2.4.2 Nutzung in Motoren
3.2.4.3 Nutzung in Gasturbinen
3.2.4.4 Nutzung in Brennstoffzellen
3.2.4.5 Nutzung zur Verflüssigung
3.3 Pyrolyse
3.3.1 Flash - Pyrolyse
3.3.2 Druckverflüssigung
3.3.3 Produkte der Pyrolyse
3.3.4 Aufbereitung der Pyrolyseprodukte
3.3.5 Nutzung der Pyrolyseöle

4 Physikochemische Umwandlung von Biomasse
4.1 Gewinnung von Pflanzenöl
4.1.1 Verfahren zur Gewinnung von Pflanzenöl
4.2 Veredelung zu Pflanzenölmethylester (PME)
4.2.1 Chemische Grundlagen
4.2.2 Verfahren der Rapsölmethylester (RME) - Herstellung
4.3 Motorische Nutzung von Pflanzenöl und Rapsölmethylester (RME)
4.3.1 Pflanzenöl als Kraftstoff
4.3.2 RME als Kraftstoff
4.3.3 Vergleich von Diesel, Rapsöl und RME

5 Biochemische Umwandlung von Biomasse
5.1 Methangärung
5.1.1 Grundlagen der Methangärung
5.1.2 Verfahrenstechnische Umsetzung der Biogaserzeugung
5.1.3 Nutzung von Biogas
5.2 Ethanolgärung
5.2.1 Grundlagen der Ethanolgärung
5.2.2 Maischprozess
5.2.2.1 Zuckeraufschluss
5.2.2.2 Stärkeaufschluss und –abbau
5.2.2.3 Celluloseaufschluss und –abbau
5.2.3 Fermentation (Gärung)
5.2.4 Destillation, Rektifikation
5.2.5 Nutzung von Ethanol
5.2.5.1 Motorische Nutzung

6 Zusammenfassung

Literaturverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

Selbstständigkeitserklärung

Fachhochschule für Technik, Wismar,

Wirtschaft und Gestaltung

Fachbereich MVU

A u f g a b e n s t e l l u n g

für die Projektarbeit

Bearbeiter: Kramp, Stefan; Einschr.-Nr.: 105245 Matrikel VUT

Thema: Untersuchungen zum gegenwärtigen Stand der Konversion von Biobrennstoffen

Fossile Brennstoffe müssen in Zukunft im Wesentlichen aus 2 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

Die Arbeit ist nach den vorgegebenen Richtlinien der Hochschule Wismar anzufertigen. und neben der geforderten Papierform auch auf einem elektronischen Datenträger abzugeben. Erarbeitete Software für durchgeführte Berechnungen ist Bestandteil der Arbeit.

Betreuer: Prof. Dr. A. Platzhoff

Ausgabetermin: 10. Dezember 2006

Abgabetermin : 07. Dezember 2007

Prof. Dr. A. Platzhoff

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1 Einleitung

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. Die folgende Abbildung 1.1 gibt einen ersten Einblick über die hier behandelten Umwandlungsprozesse.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

2 Direkte thermische Umwandlung (Verbrennung)

Bei der thermischen Umwandlung wird die Biomasse mit Sauerstoff oxidiert, wobei Abgase und Asche entstehen. Da es sich um eine stark exotherme Reaktion handelt, kann die freiwerdende Wärmeenergie genutzt werden (Abbildung 2.1).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

2.1 Ausgangsstoffe

Es kommt hauptsächlich lignocelluloseartige Biomasse zum Einsatz, die aus Cellulose (50%), Lignin (30%) und Hemicellulose (20%) zusammengesetzt ist. Diese drei Substanzen bilden das Grundgerüst pflanzlicher Zellwände.

Es wird weiter in holzartige und halmgutartige Biomasse unterschieden, auf derenn Herkunft und Eigenschaften im Folgenden kurz eingegangen wird.

Holzartige Biomasse

In Tabelle 2.1 ist die chemische Zusammensetzung von Holz hinsichtlich der Masseanteile dargestellt.

Tabelle 2.1: Holzzusammensetzung

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Holz kann in Form von Vollholz bzw. Scheitholz verwendet werden, jedoch kann die Qualität in Bezug auf Feuchte und Dichte sehr unterschiedlich sein. Hauptsächlich wird Restholz genutzt, welches als Holzhackschnitzel vorliegt oder zu Pellets weiter verarbeitet wird. Der wesentliche Vorteil von Pellets liegt in der Normung, durch die eine gleich bleibende Qualität gesichert scheint. Aber auch in dieser Normung gibt es große Unterschiede, wie sie in Tabelle 2.2 dargstellt sind. Pellets nach DIN 51 731 werden zum Beispiel auf Grund ihres hohen Wasser- und Staubgehaltes kritisiert. Aus diesen Gründen wurde die DIN plus erstellt, die sich an die Österreichische Normung anlehnt.

Tabelle 2.2: Übersicht der Normung für Pellets in Europa

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Der Heizwert von Holz liegt nach guter Trocknung auf 12 – 20 % Wassergehalt bei etwa 4 - 5 kWh/kg (Heizöl: 11,7 kWh/kg). Wie entscheidend der Wassergehalt den Heizwert beeinflusst, veranschaulicht die Abbildung 2.2. Dargestellt sind die Heizwerte von Laub- und Nadelholz in Abhängigkeit vom Feuchtegehalt. Ab einer Feuchte von etwa 85 % wird mehr Energie zur Verdunstung des Wassers benötigt, als im Holz enthalten ist. Somit sinkt der Heizwert unter 0 MJ/kg [6]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.2: Heizwert in Abhängigkeit vom Feuchtegehalt bei

Nadelholz (hellgrau) und Laubholz (dunkelgrau) [6]

Halmgutartige Biomasse

Als halmgutartige Biomasse werden Pflanzen mit einjährigem Aufwuchs bezeichnet. Grundsätzlich ist hier die energetische Nutzung möglich, jedoch nur bei Stroh sinnvoll, da dessen Feuchtegehalt vergleichsweise gering ist und die Verfügbarkeit in der EU gewährleistet ist. Das Stroh bezeichnet die bei der landwirtschaftlichen Produktion von mähdruschfähigen Kulturen anfallenden Ernterückstände.

Die bei der Landschaftspflege anfallenden Halmgüter wie Grünschnitt eignen sich aufgrund der Inhomogenität, Feuchte und Aschegehalte weniger zur energetischen Nutzung.

2.2 Grundlagen der Verbrennung

Die Verdunstung des im Holz enthaltenen Wassers ist der erste und energetisch aufwendigste Schritt, um das Holz thermisch umsetzen zu können.

Im nächsten Schritt wird die Temperatur weiter erhöht, bei der sich zuerst die Hemicellulosen zersetzen, gefolgt von der Cellulose und dem Lignin. Während dieser Spaltung entstehen Wasserdampf, Kohlenstoffdioxid, Wasserstoff, Methan und weitere teilweise noch langkettige organische Verbindungen. Dieser Schritt wird als pyrolytische Zersetzung bezeichnet. Steigt die Temperatur weiter, setzt die Vergasung ein, durch die die langkettigen Kohlenwasserstoffe (Pyrolyseöle) gecrackt und in Kurzkettige umgewandelt werden. Die gleichzeitig entstehenden Pyrolysekokse (reiner Kohlenstoff) werden teilweise oder vollständig oxidiert. Bei der teilweisen Oxidation entsteht Kohlenstoffmonoxid, welches in der Nachverbrennungszone zusammen mit den anderen Gasen unter Luftüberschuss vollständig oxidiert wird [1]. Die folgende Abbildung 2.3 zeigt die einzelnen Teilschritte der Verbrennung.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

(I) Trocknung/Aufheizung

Die Trocknung läuft bis zu Temperaturen von 200 °C ab. Das in den Poren gebundene Wasser wird über den Siedepunkt erhitzt und kann über den Abgasstrom entweichen. Dieser Vorgang benötigt sehr viel Energie (endotherm) auf Grund der hohen Verdampfungsenthalpie des Wassers. Es werden etwa 0,7 Wh/gH2O verbraucht.

(II) Pyrolytische Zersetzung

Bei dieser pyrolytischen Spaltung unter Ausschluss von Sauerstoff (λ = 0) werden bereits vor Erreichen von 200 °C Makromoleküle irreversibel aufgebrochen. Im Bereich von 200-300 °C wird ein Großteil der Stoffe in flüchtige Gase wie Wasserdampf, Kohlenstoffdioxid, Wasserstoff, Methan und organische Dämpfe umgewandelt. Die organischen Dämpfe bestehen aus Teer und anderen aromatischen Kohlenwasserstoffen (KW), die bei Normaldruck zu Pyrolyseöl auskondensieren. Die Cellulose wandelt sich zu 90 % in Gase und Flüssigkeiten um, im Gegensatz zur Hemicellulose, die vollständig vergast. Das Lignin bildet nur etwa 50 % Gase und Flüssigkeiten, der Rest verbleibt jeweils als Feststoff.

Steigt die Temperatur auf über 400 °C, werden auch Kohlenstoff – Sauerstoffverbindungen gespalten und die vorher entstandenen Teere werden wieder in kurzkettige Kohlenwasserstoffe gecrackt. An dieser Stelle sind etwa 80 % des organischen Materials in Gase umgewandelt, die etwa 2/3 der chemisch gebundenen Energie beinhalten. Insgesamt entstehen zusätzlich 20 % feste Bestandteile wie reiner Kohlenstoff und Asche. Diese werden namentlich unter Pyrolysekoksen zusammengefasst. Die für diese Reaktionen benötigte Wärme wird durch die Teiloxidation der entstandenen Produkte bereitgestellt.

(III) Vergasung

Die Temperatur bei der Vergasung liegt über 500 °C. Es werden hauptsächlich die Pyrolysekokse zu Kohlenstoffmonoxid aufoxidiert (Gleichung 2.1), die Kohle wird somit „vergast“. Der dazu nötige Sauerstoff kann teilweise aus der pyrolytischen Zersetzung stammen oder zusätzlich zugeführt werden. Die bei der pyrolytischen Zersetzung entstandenen Stoffe reagieren in einer Vielzahl exothermer und endothermer Reaktionen weiter, wobei die Exothermen leicht überwiegen. Noch flüssig vorliegende langkettige Kohlenwasserstoffe, werden in weitaus Kürzere gespalten und somit „vergast“.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten (2.1)

(IV) Vollständige Oxidation

Bei der Oxidation werden alle vorher gebildeten Stoffe unter enormer Wärmefreisetzung oxidiert. Um den hohen Bedarf an Sauerstoff zu decken, wird in diesem Nachverbrennungsbereich sauerstoffreiche Sekundärluft eingeblasen. Die Verbrennung läuft unter leichtem Sauerstoffüberschuss (λ > 1) ab, um eine möglichst vollständige Oxidation zu erreichen. Alle Gase sollten sich möglichst in Kohlenstoffdioxid und Wasserdampf umwandeln (Gleichung 2.2; 2.3; 2.4).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

(2.2)

(2.3)

(2.4)

2.3 Feuerungsanlagentechnik

Grundsätzlich wird in handbeschickte Feuerungen und automatisierte Feuerungen unterschieden, dessen Besonderheiten und Eigenschaften werden nun genauer diskutiert.

2.3.1 Handbeschickte Feuerungen

Unter den handbeschickten Feuerungen versteht man die chargenweise Befüllung des Brennraumes mit Brenngut. Dabei läuft die Verfeuerung immer in drei Phasen ab. In der 1.Phase wird das Brenngut getrocknet und aufgeheizt. Hier befinden sich große Anteile unverbrannter Stoffe im Abgas. Hat die Charge eine bestimmte Temperatur erreicht, läuft die Verbrennung optimal ab und wird als stationäre Phase beschrieben. In der letzten Phase, der Ausbrandphase, nimmt die Temperatur wieder ab und es wird lediglich noch Kohlenstoff oxidiert.

Allgemein wird in drei Feuerungsprinzipien für handbeschickte Feuerung unterschieden, diese sind in Abbildung 2.4 dargestellt. Beim Durchbrand (a) gelangt die Verbrennungsluft von unten durch einen Rost in das darauf liegende Brenngut. Auf Grund der einfachen Entaschung durch den Rost findet diese Methode heute hauptsächlich in Kaminöfen gebrauch. Da hier aber keine klare Begrenzung zwischen Entgasungs- und Nachverbrennungszone möglich ist, kann die optimale Verbrennungsluftmenge nur schwer angepasst werden. Beim Oberen Abbrand (b) gelangt die Primärluft von der Seite an das Brennmaterial ohne es zu durchströmen. Der wesentliche Vorteil dieses Systems liegt im kontrollierten Abbrand des Brennmaterials von oben nach unten. Nachteile entstehen durch das sich ständig ändernde Feuerraumvolumen sowie durch die Entaschung, die nur im kalten Zustand erfolgen kann.

Im Falle des Unteren Abbrandes (c) nimmt nur die unterste Schicht an der Verbrennung teil und die darüber liegenden Schichten rutschen schwerkraftbedingt nach und liefern so eine Art kontinuierlichen Nachschub. Durch dieses quasikontinuierliche Verhalten kann eine hohe Verbrennungsqualität erreicht werden. Auch die Abbranddauer kann mittels eines großvolumigen Brennstoffschachtes auf über 5 Stunden verlängert werden. Jedoch ist dann eine Zwangsbelüftung in Form eines Saug- oder Druckgebläses dringend erforderlich [1].

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.4: Feuerungsprinzipien: Durchbrand (a), Oberer Abbrand (b), Unterer Abbrand (c) [1]

Zu den handbeschickten Feuerungen gehören die Einzelfeuerstätten und die Zentralheizungskessel.

Einzelfeuerstätten

Unter Einzelfeuerstätten versteht man offene oder geschlossene Kamine, Zimmeröfen, Kaminöfen und Speicheröfen, deren Hauptaufgabe darin besteht den jeweiligen Raum, in dem sie sich befinden, direkt zu erwärmen. Als Brennstoff kommt hauptsächlich teures Scheitholz zur Anwendung, jedoch sind die Wirkungsgrade dieser Öfen eher gering. Sie werden in den meisten Fällen nur aus optischen Gründen oder als Zusatzheizung genutzt. Eine Regelung ist nur in begrenztem Maße möglich meist über Schieber und Klappen. Unterschreitet das Raumvolumen 4 m³/kW ist außerdem eine Außenluftversorgung für die Anlage zu installieren [1].

Zentralheizungskessel

Der Zentralheizungskessel hingegen erwärmt einen Wasserspeicher, der über ein Heizungsnetz die Räume erwärmt bzw. heißes Nutzwasser bereitstellt. Wärmeabstrahlung durch den Kessel im Heizraum wird hier als Verlustquelle angesehen und durch Dämmmaterialien unterbunden. Die Regelbarkeit ist im Vergleich zu Einzelfeuerstätten, die maximal über Schieber und Klappen regelungsfähig sind, wesentlich verbessert. Die Verbrennungsluftzufuhr kann über ein drehzahlgesteuertes Saug- bzw. Druckgebläse realisiert werden. Dabei wird über die Messung des Luftüberschusses sowie der CO - Gehalte im Abgas die optimale Verbrennungsluftmenge ermittelt. Wirkungsgrade über 90 % sind heute auch bei Scheitholzkesseln möglich. Ein entscheidender Vorteil ist auch die Lastvariabilität auf ca. 50 % der maximalen Leistungsabgabe bei gleich bleibend hohen Wirkungsgraden [1].

2.3.2 Automatisch beschickte Feuerungen

Unter der automatischen Beschickung versteht man die kontinuierliche Zugabe von Brenngut. Dabei kann hinsichtlich des Gasdurchsatzes in Festbett-, Wirbelschicht- und Flugstromreaktor unterschieden werden.

Festbettreaktor

Bei diesen Reaktoren bildet der Festbrennstoff, der hauptsächlich aus Pellets oder Holzhackschnitzel besteht, ein Bett, durch das die Primärluftluft vergleichsweise langsam hindurchströmt. Die sauerstoffreiche Sekundärluft wird dann über dem Brennbett eingeblasen. Die Brennstoffzufuhr kann bei Rostfeuerungen auch direkt über den Rost erfolgen, zum Beispiel in Form von Wander- oder Treppenrosten [1].

Wirbelschichtreaktor

Die Verbrennungsluft wird beim Wirbelschichtreaktor mit einer solch hohen Geschwindigkeit von unten eingeblasen, dass die Brennstoffpartikel angehoben werden. Durch die geringe Größe der verwendeten Brennpartikel wird eine große Reaktionsoberfläche geschaffen und durch turbulente Verhältnisse im Brennraum eine optimale Vermischung mit der Verbrennungsluft realisiert. Mit Hilfe von Sand bestimmter Körnung kann eine zusätzliche Fluidisierung des Brennbettes und eine konstante Verbrennungstemperatur geschaffen werden. Dabei unterscheidet man stationäre Wirbelschichten, bei der sich die Partikel in einer stationären Höhe bewegen, und zirkulierende Wirbelschichten, bei der sich ein Teil der Partikel im Kreislauf bewegen (Abbildung 2.5).

Der wesentliche Vorteil solcher Anlagen liegt in der nahezu vollständigen Oxidation des Brenngutes. Die Investitionskosten sind allerdings enorm hoch, womit ein wirtschaftlicher Betrieb erst ab einer Leistung von mehreren Megawatt möglich ist [1].

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Flugstromreaktor

Bei der Verbrennung im Flugstrom werden die fein gemahlenen Brennstoffpartikel zusammen mit der Verbrennungsluft eingeblasen. Durch die hohe spezifische Oberfläche beträgt die Reaktionszeit nur wenige Sekunden, wodurch enorme Stoffdurchsätze möglich sind.

2.4 Regelung kontinuierlich beschickter Anlagen

Es gibt drei Möglichkeiten solche Arten von Anlagen zu regeln, die Unterdruckregelung, die Leistungsregelung, die Verbrennungsregelung und eine Kombination. Diese werden im Folgenden näher erläutert.

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