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Projektinfos  – Energieforschung konkret

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In der Pilotanlage zur hydrothermalen Carbonisierung in Ludwigsfelde produziert die Firma Suncoal Industries aus Pflanzenresten Biokohlenstaub.
© Suncoal Industries
Biogas für Kraft-Wärme-Kopplung
Projektinfo 04/2017

Gesamtprozesskette von der Biomasse bis zur Biokohle. Bei Aufbereitung und Konversion fallen Abgas, Abwasser und dampfgesättigte Abluft (Brüden) an, die weiter zu behandeln sind.
© Deutsches Biomasseforschungszentrum DBFZ / Stadtwerke Halle (SWH)

Schnittansicht des Vergasers, in dem die Biomasse umgesetzt wird
© Technische Universität München
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Gas aus Biokohlenstaub

Grünabfälle, Durchforstungsholz, Stroh und Landschaftspflegematerial werden bis heute wenig zur Energieerzeugung genutzt. Das liegt daran, dass solche biogenen Reststoffe wegen inhomogener Zusammensetzung oder hoher Feuchtegehalte schlechte Verbrennungseigenschaften haben. Doch nun stellen Forscher der Technischen Universität München und der Firma Suncoal Industries daraus mit einem neuen Verfahren Biokohle her. Diese bereiten sie in einem speziell für kleinere Anlagen entwickelten Flugstromvergaser auf. Das so produzierte Brenngas kann in einem Gasmotor-BHKW Strom und Wärme erzeugen.

Biomasse und Reststoffe werden hauptsächlich durch direkte Verbrennung oder biochemische Vergärung in Kombination mit einem Gasmotor energetisch genutzt. Doch dazu eignen sich Siedlungsabfälle aus der Biotonne, Grünabfall wie Gras und Laub, gartenbauliche und landwirtschaftliche Reststoffe, Klärschlamm sowie Reste aus der Lebensmittelindustrie nur bedingt. Sie sind oft faserig, sehr verschieden zusammengesetzt und haben meist einen sehr hohen Wassergehalt – das macht es aufwendig, sie zu behandeln und zu verwerten. Indem bisher ungenutzte pflanzliche Reststoffe zu Biokohle aufbereitet werden, können sie CO2-neutral energetisch verwertet werden.

Mit dem Verfahren der hydrothermalen Karbonisierung (HTC) erzeugt der Projektpartner Suncoal eine hochwertige Biokohle, deren Brennwert mit dem von Braunkohle vergleichbar ist. Diese Biokohle wird getrocknet und gemahlen. Ein von der TU München entwickelter Flugstromvergaser wandelt den Biokohlenstaub in ein heizwertreiches Produktgas um, mit dem der Gasmotor eines Blockheizkraftwerks angetrieben werden kann. Für die energetische Verwertung der Biokohle im BHKW adaptierten die Forscher die großtechnisch in Kohlekraftwerken eingesetzte Flugstromvergasungstechnologie für kleinere dezentrale Anlagen.

Die Forscher am Lehrstuhl für Energiesysteme der TU München untersuchten die gesamte Technologiekette von der Biomassebereitstellung über die Auf­bereitung bis zur Vergasung. Sie entwickelten einen autothermen Flugstromvergaser mit einer thermischen Leistung von 100 kW. In diesem Labor-Flugstromreaktor testeten sie das Vergasungsverhalten von Biokohle-Staub.

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Hydrothermale Karbonisierung von Bioabfall

Die Firma Suncoal hat in Ludwigsfelde eine HTC-Anlage im Technikumsmaßstab aufgebaut. In dieser produzierte sie die Biokohle für die Untersuchungen. Die Anlage kann pro Jahr aus einem Input von 60.000 Tonnen biogener Reststoffe etwa 17.600 Tonnen Biokohle erzeugen. Diese eignet sich aufgrund ihrer feinen Korngröße und der damit verbundenen Fluidisierbarkeit sehr gut als Einsatzstoff für einen Flugstromvergaser.

Das Verfahren der hydrothermalen Karbonisierung nutzt Wärme und Druck, um den natürlichen Inkohlungsprozess von Biomassen nachzubilden. Dabei werden pflanzliche Reststoffe mit 20 bis 75% Wassergehalt und ­einem niedrigen Heizwert zu Biokohle umgewandelt; diese ist hydrophob und lässt sich dadurch weitgehend mechanisch entwässern.

In der HTC-Anlage werden die angelieferten Grünab­fälle und biogenen Reststoffe auf eine Korngröße von maximal 60 mm zerkleinert und von anorganischen Störstoffen wie Gestein, Metall oder Plastik befreit. Die aufbereitete Biomasse wird bei einer Temperatur von etwa 220 °C und einem Druck von 25 bar in drei bis vier Stunden aufgeschlossen. Im ersten Schritt erfolgt unter Wasserabspaltung eine Hydrolyse der Kohlenhydrate; im zweiten Schritt folgt die Polymerisation dieser kleinen Moleküle zu Kohlevorprodukten und Harzen, dabei wird weiteres Wasser frei. Bei kurzen Reaktionszeiten entstehen humus- oder torfähnliche Produkte, nach bis zu sechs Stunden ist das Ergebnis mit Braunkohle vergleichbar.

Die hydrothermale Karbonisierung verläuft exotherm, Wärme wird freigesetzt. Der Prozess zur Herstellung der Biokohle verbraucht bis zu 30% der chemischen Energie der eingesetzten Biomasse sowie Fremdenergie im Bereich von etwa 7% vom Energiegehalt des Endprodukts. Nur ein kleiner Teil der freigesetzten thermischen Energie könnte als Nutzwärme verwendet werden.
Im Verlauf der Karbonisierung verliert das Material ­seine faserige Grundstruktur und wird homogenisiert. Verglichen mit dem Ausgangsmaterial steigt der Heizwert um bis zu 70%. Die erzeugte Biokohle ist hygienisch einwandfrei und kann mit geringem Energieeinsatz weiter getrocknet werden. Zuerst wird der entstandene Schlamm in einer Presse auf einen Wassergehalt von 50% gebracht, anschließend in einer thermischen Trocknungsanlage bis auf rund 5% getrocknet. Das anfallende Wasser wird vor Ort aufbereitet oder in ein Klärwerk eingeleitet.

Die Biokohle hat gute Verbrennungs- und Vergasungseigenschaften. Sie lässt sich sehr gut mahlen; das ist speziell für Staubfeuerungen und Flugstromprozesse wichtig, für die mittlere Partikelgrößen von 50–100 μm benötigt werden.

Merkzettel

Adressen

Gesamtprojektleitung, HTC-Anlage
SunCoal Industries GmbH

Flugstromvergasung, Anlagenoptimierung
TU München, ES