Grüne Energie aus Reststoffen
Hintergrund
Aufgrund der zunehmenden Knappheit fossiler Brennstoffe ist der Ausbau autarker Versorgungsnetze für Gebäude und Kommunen aus erneuerbaren Energiequellen eine der wichtigsten Aufgaben des 21. Jahrhunderts. Eine flexible Lösung bietet hierbei die Vergasung anfallender biologischer Reststoffe zu einem brennbaren Produktgas durch Teiloxidation des Feedstocks. Während der pyrolytischen Zersetzung entstehen dabei sogenannte Teere, die das Produktgas verunreinigen. und zu kurzen Standzeiten führen. Eine zu hohe Belastung mit derartigen Stoffen verschmutzt und beschädigt nachfolgende Prozesskomponenten, weshalb eine aufwendige Gasreinigung unumgänglich und den Prozess bis heute für viele Einsatzsstoffe unwirtschaftlich macht.
Zielsetzung
Ziel des Forschungsprojektes war die Entwicklung einer kostengünstigen, dezentral nutzbaren Kleinanlage zur flexiblen Vergasung von biogenen Reststoffen. Durch eine erhöhte Stabilität des klassischen Vergasungsprozess im Bezug auf Rohstoffe und deren Beschaffenheiten sollte der Nutzungsgrad des vorhandenen Potentials biogener Abfallstoffe deutlich erhöht werden.
Technologien
Eine neuartige Technologie, entwickelt mit dem Industriepartner WS Wärmeprozesstechnik GmbH, soll die Teerbelastung im Produktgas durch die Adsorption an prozessinterne Aktivkohle deutlich reduzieren. Um einen hohen Wirkungsgrad zu erzielen, wurde die Aktivkohle anschließend zur allothermen Luftvorwärmung genutzt, wodurch Wirkungsgrad und Gasqualität des Prozesses deutlich erhöht wurden.
Messtechnik – Analytik
Gasanalyse (iwe)
Mit einem Mehrkanal-Gasanalysator für Holzgase der Eheim Messtechnik GmbH wurden Gaszusammensetzungen an Versuchsanlagen und Prototypen gemessen, um die Qualität der Gase in Zusammenhang mit der eingesetzten Biomasse und den einstellbaren Prozessparametern wie Luftzahl und -Vorwärmung zu erfassen.
Teerextraktion (iwe)
Mit Hilfe der Stockholm-Methode wurden Teerproben aus dem laufenden Prozess auf Festphasen adsorbiert. Die Methode zählt zu den schnellsten Methoden der Teeranalytik und kann bis zu 3 g/m³ Proben aus dem Produktgasstrom zur anschließenden Analyse extrahieren.
Gaschromatographie (iwe)
Über einen GC-FID wurden in Dichlormethan gelöste Teerproben qualifiziert und quantifiziert. Mit Ausnahme von extrem hochsiedenden Komponenten konnten so die relevantesten Bestandteile eines üblichen Teergemisches aus Vergasungsprozessen erfasst und ausgewertet werden. Bei Unsicherheiten konnte auch auf eine GC-MS-Kopplung zurückgegriffen werden.
Reaktivgas-Thermogravimetrie (CVT)
Zur Ermittlung der Reaktivitäten des Restkohlenstoffes mit Sauerstoff und Kohlenstoffdioxid wurden Proben in definierter Athmosphäre auf bis zu 1000°C erhitzt. Die TG der Netzsch GmbH maß den Gewichtsverlust der Kohlenstoffproben und ließ daraus direkt auf die Kinetik der heterogenen Reaktionen schließen.
Wasserdampf-Thermogravimetrie (CVT)
Für die Analyse der Reaktivität des Kohlenstoffes mit Wasser wurde eine TG der Hitachi Ltd. mit einem Wasserdampfsättiger in der Reaktivgasleitung modifiziert.
BET/BHJ-Analyse (CVT)
Die Stickstoff-BET dient der Bestimmung der inneren Oberfläche poröser Medien. Mit Hilfe der BET/BJH-Methode ließen sich spezifische Oberflächen und Porenradienverteilungen des Restkohlenstoffes bestimmen und für Berechnungen zur ihrer Adsorptionseigenschaften verwenden.
CHNS/O-Elementaranalyse (CVT)
Zur Berechnung der Verbrennungsstöchiometrie und des unteren Heizwertes musste die elementare Zusammensetzung des Brennstoffes bekannt sein. Die CHNS/O-Analyse lieferte genaue Aussagen über den Gehalt von Kohlenstoff, Wasserstoff, Stickstoff, Schwefel und Sauerstoff im zugeführten Rohstoff.
Bombenkalorimeter (CVT)
Ein Bombenkalorimeter dient zur Bestimmung des Brennwertes oder oberen Heizwertes von Brennstoffen. Durch Verbrennung der Probe in einem quasi-adiabaten Wasserkessel konnte über die Erwärmung des Systems auf die zugeführte Energie geschlossen werden. Anhand der Daten aus der Elementaranalyse wurde anschließend der untere Heizwert berechnet.
Versuchsaufbauten
Aufbau zur Messung von Adsorptionseigenschaften (CVT)
Durch die Kooperation mit der Universität Bayreuth wurde ein Messaufbau zur Erfassung von Durchbruchskurven anhand der Modellsubstanz Naphthalin am Zentrum für Energietechnik in Bayreuth aufgebaut. Der Aufbau ermöglichte die Erfassung von Gleichgewichtsisothermen und Durchbruchskurven der Aktivkohleproben aus dem Vergasungsprozess. Neben diesem Aufbau ermöglichte die Zusammenarbeit auch Zugriff auf BET/BJH sowie thermogravimetrischer und vieler weiterer Analysemegeräte.
Vollparametrische Versuchsanlage (iwe)
Eine elektrisch beheizte Versuchsanlage wurde zur experimentellen Erfassung und zur Validierung von Modellrechnungen des Prozesses beim Industriepartner WS Wärmeprozesstechnik betrieben und anschließend in die Labore der Hochschule Hof überführt. Die Anlage ist voll parametrisierbar und kann unterschiedlichste Prozesseinstellungen abbilden. Der Aufbau ist koppelbar bzw. verfügt über Schnittstellen zur sämtlicher Analytik inklusive der Erfassung umfangreicher Temperaturdaten.
Partner
Auf Basis einer kooperativen Promotion erfolgte die Bearbeitung des Entwicklungsprojektes neben dem Industriepartner auch in Zusammenarbeit mit dem Lehrstuhl für chemische Verfahrenstechnik der Universität Bayreuth. Die Kooperation entstand über das Graduiertenkolleg der TechnologieAllianz Oberfranken, einem Zusammenschluss oberfränkischer Hochschulen zur Förderung des Technologietransfers und der Stärkung von Wissenschaft und Wirtschaft in der Region.
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