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2024 | Buch

Energie aus Biomasse

Thermo-chemische Konversion

herausgegeben von: Martin Kaltschmitt, Hermann Hofbauer, Volker Lenz

Verlag: Springer Fachmedien Wiesbaden

Buchreihe : Energie aus Biomasse

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Über dieses Buch

Der hier vorliegende zweite Band des dreiteiligen Standardwerks zur Energiegewinnung aus Biomasse widmet sich der thermo-chemischen Konversion fester organischer Stoffe.

Damit beinhaltet dieser Band die Grundlagen zu den biogenen Festbrennstoffen und deren Eigenschaften sowie eine systematische Übersicht zu den Verfahren der thermo-chemischen Umwandlung inklusive direkter thermo-chemischer Umwandlung auf Basis rezenter Biomasse. Ebenfalls dargestellt werden die Gaserzeugung, die Pyrolyse, die hydrothermalen Verfahren und mögliche Synthesen zur Weiterverarbeitung.

Die Ressourcen und deren Bereitstellung sowie die Prozesse der bio-chemischen sowie der physikalisch-chemischen Konversion sind in den beiden anderen Bänden der Reihe „Energie aus Biomasse“ beschrieben.

Die drei Bücher dieser Reihe bieten einen umfassenden Überblick der biologischen, physikalischen und chemischen sowie technischen Grundlagen einer Energiegewinnung aus Biomasse. Auch stellen sie den aktuellen Stand der jeweiligen Anlagentechnik bzw. der entsprechenden Konversionsverfahren dar. Den Herausgebern ist es gelungen, unter Mitarbeit einer Vielzahl kompetenter Fachleute aus dem deutschsprachigen Raum ein umfassendes Werk mit allen wesentlichen Möglichkeiten einer Energiegewinnung aus organischen Stoffen zu erarbeiten.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter
1. Einleitung und Zielsetzung
Zusammenfassung
Ziel dieses einleitenden Kapitels ist es, eine fachliche Einführung in die Thematik des Buches zu geben. Dazu wird zunächst eine Definition des Begriffs der Biomasse gegeben. Anschließend wird auf den typischen Aufbau von Biomasse-Bereitstellungsketten eingegangen und damit deutlich gemacht, wo in der gesamte Kette sich die Inhalte dieses Buches einordnen. Auch werden die unterschiedlichen Wandlungsmöglichkeiten des biogenen Materials in verschiedene Energieträger bzw. unterschiedliche Nutzenergien adressiert. Final werden die einzelnen in dem Buch vertieft adressierten Themenkomplexe eingegrenzt, zusammengefasst und gegeneinander abgegrenzt.
Martin Kaltschmitt, Hermann Hofbauer, Volker Lenz
2. Brennstoffzusammensetzung und -eigenschaften
Zusammenfassung
Inhalt dieses Kapitels ist es, die Zusammensetzung und die brennstofftechnischen Eigenschaften der einsetzbaren festen holz- und halmgutartigen Bioenergieträger darzustellen und zu diskutieren. Dies gilt sowohl für die chemisch-stofflichen als auch für die physikalisch-mechanischen Eigenschaften, da sie die Ausgestaltung der Anlagentechnik von der Brennstofflagerung über die Zuführung, die Verbrennungs- bzw. Konversionsanlagentechnik und die jeweils notwendigen abgasseitigen Sekundärmaßnahmen maßgeblich (mit-)bestimmen. Deshalb wird hier auch auf die z. T. durch entsprechende internationale Normen geregelte Bestimmungsmethodik der jeweiligen brennstofftechnischen Kenngrößen eingegangen und diskutiert, in welchen Größenordnungen sich diese bewegen können bzw. bei der Einhaltung entsprechender Brennstoffnormen liegen müssen / sollten.
Daniel Kuptz, Isabel Höfer-Sanning, Hans Hartmann
3. Grundlagen der thermo-chemischen Umwandlung
Zusammenfassung
Eine thermo-chemische Umwandlung der fester Biomasse (Lignocellulose) durchläuft immer vier grundlegende Phasen; sie werden in diesem Kapitel erklärt. Diese Umwandlungsphasen können in einer Gasatmosphäre (Gasumgebung) und / oder in einer hydrothermalen Atmosphäre realisiert werden. Ziel dieses Kapitels ist es, dafür die entsprechenden chemisch-physikalischen Grundlagen darzustellen, die eine Einordnung und ein gesamtheitliches Verständnis dieser bei der thermo-chemischen Umwandlung ablaufenden Prozesse erlauben. Ohne ein tieferes Verständnis dieser in unterschiedlichen Temperaturfenstern und bei verschiedenen Prozessparametern jeweils ablaufenden primären chemischen Reaktionen kann die entsprechende Konversionsanlagentechnik nicht nachvollzogen werden.
Martin Kaltschmitt, Marvin Scherzinger, Hermann Hofbauer
4. Einordnung der thermo-chemischen Umwandlungsverfahren
Zusammenfassung
Eine thermo-chemische Umwandlung biogener Festbrennstoffe kann direkt, unmittelbar und vollständig (d. h. vollständig oxidierte Produkte und Freisetzung von Wärme am gleichen Ort und zur gleichen Zeit) realisiert werden (z. B. Verbrennung). Alternativ dazu kann diese Umwandlung auch über Zwischenstufen (indirekt, d. h. die Herstellung von (teilweise oxidierten) Sekundärenergieträgern ggf. an unterschiedlichen Orten und u. U. zu verschiedenartigen Zeitpunkten) erfolgen; die dann jeweils erzeugten Sekundärenergieträger können anschließend – ggf. nach einer Lagerung und / oder einem Transport – in einem oder mehreren darauffolgenden Umwandlungs- bzw. Oxidationsschritten in die letztlich gewünschte End- bzw. Nutzenergie gewandelt werden. Bei dieser indirekten Umwandlung wird damit ein Sekundärenergieträger hergestellt, der sich in seinen brennstofftechnischen Eigenschaften vom ursprünglichen biogenen Festbrennstoff z. T. signifikant unterscheidet (z. B. Gaserzeugung, Torrefizierung). Ausgehend davon werden in diesem Kapitel die verschiedenen Techniken, mit denen diese thermo-chemischen Umwandlungsphasen verfahrenstechnisch – ggf. auch nur für einen Teil dieser Phasen – umgesetzt werden können, definiert, eingeordnet, klassifiziert und die jeweiligen Unterschiede und Gemeinsamkeiten anhand definierter Kenngrößen diskutiert; d. h. hier wird eine übergeordnete Abgrenzung der verschiedenen thermo-chemischen Umwandlungsverfahren eingeführt, die eine umfassende und logisch-konsequente sowie eindeutige Einordnung der verschiedenen Konversionsoptionen ermöglicht.
Martin Kaltschmitt, Marvin Scherzinger, Ulf Neuling, Hermann Hofbauer
5. Vollständige thermo-chemische Umwandlungsverfahren (Verbrennung)
Zusammenfassung
Die Verbrennung – darunter wird hier die vollständige thermo-chemische Umwandlung biogener Festbrennstoffe verstanden – ist die mit Abstand wichtigste Konversionsoption für Lignocellulose-Biomasse; dies wird umfassend in diesem Kapitel diskutiert. Dazu wird zunächst auf die bei der thermo-chemischen Umwandlung ablaufenden chemischen Umwandlungsreaktionen und die damit zusammenhängenden Schadstoffbildungsmechanismen eingegangen; darunter werden hier die Bildungs- und Austragspfade primärer und sekundärer fester Produkte (z. B. Rostasche, Feinstaub im Abgas), flüssiger Komponenten (z. B. Tröpfchen im Abgas aus unvollständiger Verbrennung) und gasförmiger Abgasbestandteile (z .B. Stickstoffoxide, Schwefeldioxide) zusammengefasst. Die eigentlichen Ausführungen zu den Konversionsanlagentechniken beginnen mit dem Eingang der festen Biomasse in die thermo-chemische Umwandlungsanlage und enden mit der Bereitstellung der jeweils angestrebten End- bzw. Nutzenergie. Innerhalb dieser Systemgrenzen werden die folgenden Aspekte diskutiert:
- Wesentliche Konstruktionsprinzipien, denen Feuerungsanlagen folgen sollten, damit eine vollständige Verbrennung / Oxidation stattfinden kann und damit maximale Wirkungsgrade realisiert und minimale Schadstofffrachten mit dem Abgas freigesetzt werden, werden diskutiert.
- Handbeschickte Feuerungsanlagen, typischerweise zur Raumwärmebereitstellung eingesetzt, werden in einer strukturierten Weise dargestellt. Dies inkludiert sowohl Einzelraumfeuerstätten als auch von Hand beschickte Kesselanlagen.
- Dann werden marktübliche, automatisch beschickte Verbrennungstechniken im Kleinanlagenbereich diskutiert, die mit Pellets oder Hackschnitzel / Hackgut befeuert werden.
- Feste Biomasse sehr unterschiedlicher Qualität (z. B. Altholz, Schwarzlauge) kann auch in Großanlagen / Großkraftwerken z. B. zur Stromerzeugung eingesetzt werden; dies wird ebenfalls diskutiert.
- Zusätzlich wird auf die Verfahrenstechnik der Abgasreinigung eingegangen; dies gilt sowohl für technische Lösungen im Bereich der handbeschickten und der automatisch beschickten Kleinanlagen als auch für entsprechende Abgasreinigungsapparate für Feuerungsanlagen mit höheren thermischen Leistungen bis hin zu Großfeuerungsanlagen.
- Final wird noch auf die technischen Optionen einer Stromerzeugung aus der erzeugten Wärme eingegangen.
Roman Adam, Sebastian Fendt, Matthias Gaderer, Markus Gölles, Johannes Haimerl, Hans Hartmann, Hermann Hofbauer, Isabel Höfer-Sanning, Theresa Hülsmann, Martin Kaltschmitt, Frerich Keil, Daniel Kuptz, Volker Lenz, Theresa Siegmund, Hartmut Spliethoff
6. Verfahren der Gaserzeugung in der Gasatmosphäre
Zusammenfassung
Ziel dieses Kapitels ist es, Aspekte einer Gaserzeugung aus biogenen Festbrennstoffen in einer Gasatmosphäre zu adressieren. Dies inkludiert zunächst die chemischen und die verfahrenstechnischen Grundlagen der thermo-chemischen Gaserzeugung und damit auch die grundlegenden kinetischen Zusammenhänge. Anschließend werden die Gaserzeugungstechniken dargestellt, wie sie in den vergangenen Jahren am Markt beobachtet werden konnten; dies gilt insbesondere für die Festbett-Gaserzeuger, die verschiedenen Wirbelschichtverfahren, die Flugstromverfahren und diverse mehrstufige Verfahren. Danach werden mögliche Gasreinigungsansätze und -verfahren diskutiert und vertieft, mit denen das produzierte Gas dann so weit gereinigt werden kann, dass anschließend eine weitergehende Nutzung betriebssicher möglich ist. Final werden dann die unmittel- und mittelbaren energetischen Nutzungsmöglichkeiten des erzeugten Produktgases zur Bereitstellung von typischerweise Strom und Wärme in einem gekoppelten Prozess präsentiert (d. h. Kraft-Wärme-Kopplung).
Florian Benedikt, Sabine Fleck, Josef Fuchs, Hermann Hofbauer, Martin Kaltschmitt, Frerich Keil, Marco Klemm
7. Pyrolyseverfahren
Zusammenfassung
Neben der Verbrennung und der Gaserzeugung ist die Pyrolyse die dritte größere Gruppe thermo-chemischer Umwandlungsverfahren in der Gasatmosphäre. Die jeweiligen technischen Möglichkeiten – einschließlich der entsprechenden chemischen und verfahrenstechnischen Grundlagen – werden in diesem Kapitel umfassend erörtert. Die diesbezüglichen Ausführungen beinhalten nach einer Präsentation der spezifischen kinetischen Grundlagen eine Darstellung der unterschiedlichen verfahrenstechnischen Lösungen einerseits der schnellen Pyrolyse sowie andererseits der langsamen vollständigen und der langsamen unvollständigen Pyrolyse (d. h. Carbonisierung und Torrefizierung). Für diese unterschiedlichen Optionen werden jeweils die entsprechenden technischen Grundlagen, der aktuelle Stand der Technik und ggf. dazu weitergehende technische Randbedingungen präsentiert und diskutiert.
Jörn Appelt, Martin Kaltschmitt, Frerich Keil, Dietrich Meier, Christoph Pfeifer
8. Hydrothermale Verfahren
Zusammenfassung
Ziel dieses Kapitels ist eine Darstellung und Diskussion der Verfahren einer Biomasseumwandlung in einer hydrothermalen Atmosphäre. Dazu werden zunächst die notwendigen spezifischen chemischen und verfahrenstechnischen Grundlagen einer wärmeinduzierten Umwandlung organischen Materials in einer wasserreichen / hydrothermalen Umgebung diskutiert. Ausgehend davon wird auf die Anlagentechnik
- der hydrothermalen Carbonisierung (HTC),
- der hydrothermalen Verflüssigung (HTL) und
- der hydrothermalen Gaserzeugung (HTG)
eingegangen. Dazu werden jeweils die chemischen Grundlagen diskutiert, sich abzeichnende technische Lösungen adressiert und exemplarisch bereits realisierte Projekte präsentiert; auch wird jeweils eine beispielhafte Energiebilanz dargestellt.
Frédéric Vogel
9. Synthese- und Weiterverarbeitungsverfahren
Zusammenfassung
Da sowohl mit der Gaserzeugung in der Gasatmosphäre als auch mit der in einer hydrothermalen Atmosphäre ein Produktgas bereitgestellt werden kann, das mithilfe von chemischen Synthesen in flüssige und / oder gasförmige Kohlenwasserstoffverbindungen überführt werden kann, die klar definierte Brennstoff-/Kraftstoffanforderungen erfüllen können, wird in diesem Kapitel auf wesentliche derartige Synthesen näher eingegangen. Dazu werden zunächst wichtige Synthesegasanforderungen diskutiert, durch deren Erfüllung aus dem Produktgas der Gaserzeugung ein Synthesegas erzeugt wird; dazu erfolgt auch die Darstellung entsprechender verfahrenstechnischer Lösungen. Danach werden die jeweiligen Synthesen dargestellt; dies gilt u. a. für die Fischer-Tropsch-Synthese, die Methanol-Synthese, die Methan-Synthese und die Synthese höherer Alkohole (Mixed Alcohol Synthesis). Da diese chemischen Synthesen nicht zwingend immer und unmittelbar ein vermarktbares Produkt / eine direkt an den Endkunden verkaufbare chemische Verbindung / eine definierte Gruppe von chemischen Verbindungen mit ähnlichen Eigenschaften bereitstellen und deshalb häufig ein weitergehendes Downstream-Processing der Syntheseprodukte notwendig ist, wird zusätzlich auf die entsprechenden Möglichkeiten eingegangen, die typischerweise zum Einsatz kommen mit dem Ziel, einen Kraftstoff und / oder einen Chemierohstoff mit klar definierten Eigenschaften bereitzustellen.
Stefan Bube, Hermann Hofbauer, Martin Kaltschmitt, Marco Klemm, Ulf Neuling, Steffen Voß, Tjerk Zitscher
Backmatter
Metadaten
Titel
Energie aus Biomasse
herausgegeben von
Martin Kaltschmitt
Hermann Hofbauer
Volker Lenz
Copyright-Jahr
2024
Electronic ISBN
978-3-658-41216-6
Print ISBN
978-3-658-41215-9
DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-658-41216-6