„Das bioliq-Konzept zur Biomassevergasung - Grundlage einer Synthesegaschemie aus Biomasse“

Nicolaus Dahmen und Eckhard Dinjus

Einleitung

Die bisher preiswert gewinnbaren, aber begrenzten fossilen Energievorräte werden durch das unvermeidliche Anwachsen des Energieverbrauchs immer schneller erschöpft: Mit der zu erwartenden Zunahme der Bevölkerung auf 9 Milliarden bis 2050 als auch des Pro-Kopf-Verbrauchs in den heutigen Entwicklungsländern kann eine Verdopplung des weltweiten Primärenergieverbrauchs erwartet werden. Erdöl und Erdgas wird noch in diesem Jahrhundert, die grösseren Kohlevorräte nur wenig später aufgebraucht sein. Langfristig sind daher die Entwicklung und der Aufbau von neuen nachhaltigen Energieversorgungssystemen zum Ersatz der fossilen Brennstoffe unumgänglich. Zur Begrenzung der befürchteten globalen Auswirkungen klimarelevanter Emissionen, die an die Energieerzeugung aus fossilen Rohstoffen gekoppelt sind, ist dies schon kurzfristig wünschenswert. Die unvermeidbare weltweite Umstrukturierung der Energieversorgung ist eine Aufgabe über mehrere Generationen. Nur die reichen Industriestaaten haben das Know-how und die Mittel, um für einen friedlichen und reibungslosen Übergang rechtzeitig Vorsorge zu treffen; sie stehen in der Pflicht, alle erneuerbaren und quasi unerschöpflichen Energiequellen zur technischen Reife zu entwickeln.
Zum gegenwärtigen weltweiten Primärenergieverbrauch von >11 Gtoe (Gigatonnen Öläquivalente) steuert Biomasse insgesamt ca. 1 Gtoe bei; etwa die Hälfte davon als kommerzielles Brennholz (1.9 Mm3/a). In vielen armen Entwicklungsländern ist Biomasse die wichtigste Energiequelle mit einem hohen Raubbau-Risiko. Auch bei einer Verdoppelung des künftigen Primärenergieverbrauchs kann man abschätzen, dass mit intensiver Land- und Forstwirtschaft durch Biomasse ein dauerhafter Energiebeitrag von insgesamt etwa 20% bzw. 3.6 bis 4 Gtoe erreichbar ist, ohne Energieplantagen und Raubbau zu betreiben. Durch entsprechende Zielvorgaben werden eine nachhaltige Entwicklung angestrebt: Die EU strebt bis 2010 beispielsweise eine Verdoppelung des Biomasseanteils am Primärenergieverbrauch von ca. 4 auf 8.5% an.

Brennstoffproblematik

Abbildung 1: Verfahrensstufen des bioliq-Konzepts.
Holz ohne Rinde ist ein sehr reiner Brennstoff mit meist ≤1% Asche. Biomasse von Pflanzen wie Getreide oder Gras enthält mehr Asche und Heteroelemente wie Stickstoff, Phosphor und Schwefel. Mit zunehmendem Gehalt an anorganischen Bestandteilen wächst der technische Aufwand für eine umweltverträgliche thermochemische Umwandlung. Getreidestroh und Heu enthalten rund eine Grössenordnung mehr Asche (5 bis 10%) und Heteroatome (~2%) als Holz und sind technisch schwieriger zu beherrschen. Vor allem die hohen Kalium- und Chlorgehalte um 1% bzw. 0.5% machen durch die Erniedrigung der Ascheerweichungstemperatur, durch Bildung von toxischen Chlordioxinen bzw. Furanen sowie durch Ablagerungen und Korrosion Probleme.
Die Erzeugung von Synthesegas aus Biomasse ermöglicht gerade bei schwierigen Bio-brennstoffen eine flexiblere, effizientere und umweltverträglichere Nutzung als eine direkte Verbrennung. Strom und Wärme entstehen als Nebenprodukte, mit denen der Energiebedarf der Prozesse gedeckt werden kann. Mit dem nachfolgend beschriebenen bioliq-Verfahren können nahezu alle Arten Lignocellulose haltiger Biomassen verarbeitet werden. nicht nur Holz, sondern auch Stroh und alle andere Arten von Halmgütern bis zu Energiepflanzen. Darüber hinaus kommen der Biomasse als einziger nachhaltiger Lieferant von kohlenstoffhaltigen Rohstoffen eine besondere Bedeutung zu (siehe Aktuelle Wochenschau 2008, Woche 4). Langfristig sollte sie daher vorzugsweise zur Erzeugung von Kraftstoffen und chemischen Grundstoffen genutzt werden.

Der bioliq®-Prozess

Haupteinsatzstoff für die Verfahrensentwicklung ist also trockene Biomasse mit Ausrichtung auf die Nutzung von Restbiomasse und Koppelprodukten der Land- und Forstwirtschaft. Diese enthalten mehr Asche und Heteroatome als etwa rindenfreies Holz und bereiten bei der Verwertung als chemisch-technischer Rohstoff deshalb größere Schwierigkeiten. Der bioliq-Prozess umfasst mehrere Stufen (Abbildung 1):

  1. Schnellpyrolyse: In einem ersten Schritt wird aus der dezentral anfallenden Biomasse oft niedriger Energiedichte durch Schnellpyrolyse Pyrolyseöl und -koks erzeugt. Der nicht kondensierbare, brennbare Anteil des Pyrolysegases und ein Teil der Pyrolysekokse können zur vollständigen Deckung des Energiebedarfs herangezogen werden.
  2. Slurryherstellung: Der spröde und hoch poröse Pyrolysekoks wird mit dem Pyrolyseöl zu einer Suspension, dem Bioslurry (bioliqSynCrude), vermischt. Hierbei ist die Größenverteilung der Kokspartikel wichtig. Nur bei genügend kleiner Koks-Partikelgröße entsteht eine pumpfähige, langzeitstabile Mischung, die in der dann folgenden Vergasung auch schnell umgesetzt werden kann. Die Energiedichte dieses Slurrys ist bezogen auf das Volumen über eine Größenordnung höher als der von trockenem Stroh und deshalb für weite Transporte von großem Vorteil.
  3. Flugstromvergasung: Der Bioslurry wird in einem Flugstromvergaser mit heißem Sauerstoff zerstäubt und bei über 1200°C zu einem teerfreien und methanarmen Rohsynthesegas umgesetzt. Die Vergasung findet dabei oberhalb des Drucks der nachfolgenden Synthese statt, so dass eine aufwändige Zwischenkompression entfallen kann. Die Verträglichkeit mit aschereichen Biomassen bzw. Bioslurrys wird durch einen Kühlschirm erreicht, an dem die Asche als flüssige Schlacke niederschlägt und aus dem Reaktor abläuft. Durch mehrere Versuchskampagnen an der einzigen dafür geeigneten Pilotanlage (3-5 MWth bei Future Energy, Freiberg, heute Siemens Fuel Gasification Technologies) mit insgesamt ca. 20 t unterschiedlicher Slurrys konnte die technische Machbarkeit erfolgreich nachgewiesen werden.
  4. Gasreinigung und -konditionierung: Vor seiner Verwendung in einer chemischen Synthese muss das Rohsynthesegas den jeweiligen Anforderungen entsprechend von Partikeln, Alkalisalzen, H2S, COS, CS2, HCl, NH3 und HCN gereinigt werden.
  5. Synthese: Die Umwandlung von Synthesegas in Kraftstoffe oder andere chemische Grundstoffe im großen Maßstab ist Stand der Technik. Über die Fischer-Tropsch-Synthese oder über Methanol und seine Weiterverarbeitung können praktisch alle Arten von Otto- und Dieselkraftstoffen bzw. darüber liegende Qualitäten erzeugt werden.

Auf der Herstellung von Synthesekraftstoffen liegt der Fokus des bioliq-Vorhabens. Die sogenannten BtL-Kraftstoffe, Biokraftstoffe der 2. Generation, sind notwendig, um das Ziel für 2020 zu erreichen, nämlich 17 % des Kraftstoffbedarfs in Deutschland aus nachwachsenden Rohstoffen zu decken. Die mit heimischer Biomasse nur begrenzt verfügbaren Biokraftstoffe der ersten Generation wie Biodiesel und Bioethanol allein reichen dazu nicht aus. Durch den bevorzugten Einsatz von Restbiomasse herrscht dabei keine Konkurrenz zur Lebensmittelproduktion. Darüber hinaus weisen BtL-Kraftstoffe das größte CO2-Minderungspotenzial auf. Aus etwa 7 t lufttrockenem Stroh kann 1 t Synthesekraftstoff hergestellt werden. Dabei verbleiben etwa 45 % der ursprünglich in der Biomasse enthaltenen Energie im produzierten Kraftstoff. Zusätzlich werden dabei thermische und elektrische Energie gewonnen, mit denen sich der Energiebedarf des Gesamtprozesses vollständig decken lässt.
Das bioliq-Verfahren wird den logistischen Anforderungen eines räumlich verteilten Biomasse-Aufkommens in der Landwirtschaft gerecht, indem die Schnellpyrolyse und Slurryherstellung in einer größeren Zahl dezentral aufgestellter Anlagen erfolgen kann. Der energiereiche Slurry kann wirtschaftlich über größere Strecken per Bahn zur Weiterverarbeitung transportiert werden. Die technisch komplexe und deswegen nur in effizienten Großanlagen durchführbare Synthesegaserzeugung und nachfolgend die Gaskonditionierung und Synthese erfolgt in einer für die Kraftstoff- oder Chemiesynthese wirtschaftlich sinnvollen Größenordnung.

Abbildung 2: Ansicht der Pilotanlage zur Schnellpyrolyse im Forschungszentrum Karlsruhe

Es ist beabsichtigt, im Forschungszentrum Karlsruhe eine komplette Pilotanlage über die bioliq-Prozesskette von der Schnellpyrolyse bis zur Methanolsynthese in drei aufeinander aufbauenden Projekten zu errichten (Abbildung 2). Die Veredlung von Methanol zu Synthesekraftstoff soll in einem weiteren, separaten Vorhaben erfolgen. Das von der Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe FNR geförderte und in Kooperation mit Lurgi GmbH durchgeführte Vorhaben zur wichtigen ersten Prozessstufe, der Schnellpyrolyse und Slurryherstellung, wurde bereits abgeschlossen. Die Anlage geht derzeit in Betrieb.

Die Pilotanlage dient zur:

Ausblick

Die Wahl von Methanol als Zielprodukt im Rahmen des bioliq-Vorhabens liegt darin begründet, dass es eine wichtige Plattformchemikalie ist, die einerseits zu den derzeitig im Fokus stehenden Synthesekraftstoffen weiter verarbeitet werden kann. Auf der anderen Seite kann es in eine Vielfalt anderer chemischer Grundstoffe umgewandelt werden und das mögliche Produktspektrum so den Markterfordernissen angepasst werden (Abbildung 3). Dies gilt ganz allgemein auch für das als Zwischenprodukt erzeugte Synthesegas. Insofern kann der bioliq-Prozess als Grundlage einer thermochemischen Bioraffinerie gesehen werden, in der alle Restbiomassen, die einer anderen Nutzung nicht sinnvoll zugeführt werden können oder als Reststoffe aus anderen Nutzungspfaden entstanden sind, eingesetzt werden können. Auf diese Weise entstehen ganzheitliche und nachhaltige Nutzungskonzepte, in denen eine große Bandbreite von Biomassen über sinnvoll kombinierte Prozesse mit einer möglichst hohen Wertschöpfung durch Erzeugung von chemischen Stoffen, Wärme und Strom erreicht wird.

Abbildung 3: Chemische Pfade von Biomasse über Synthesegas zu Synthesekraftstoffen und Basischemikalien (DME = Dimethylether).

Nicolaus Dahmen Eckhard Dinjus
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    • Prof. Dr. Eckhard Dinjus
      Dr. Nicolaus Dahmen
      Forschungszentrum Karlsruhe
      Institut für Technische Chemie
      Bereich Chemisch Physikalische Verfahren
      Postfach 3640
      76021 Karlsruhe
      Tel.: +49 (0)7247 82-2400
      E-Mail: Eckhard.dinjus@kit.edu

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