Integration der Produktion von Biowasserstoff und Biogas aus … · 2015. 6. 10. · • COD •...

Integration der Produktion von Biowasserstoff und Biogas

Walter Wukovits Adela Drljo Anton Friedl

aus lignozellulosehältiger BiomasseWalter Wukovits, Adela Drljo, Anton FriedlTechnische Universität Wien, Institut für Verfahrentechnik, Umwelttechnik und techn. BiowissenschaftenGetreidemarkt 9/166-2, 1060 Wiene-mail: walter wukovits@tuwien ac ate mail: walter.wukovits@tuwien.ac.at

ProcessNet 2014, 30. September – 2. Oktober 2014, Aachen

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Inhalt

• Einleitungg

• Wasserstoff aus erneuerbaren RohstoffenProzessübersicht– Prozessübersicht

– Fermentative Wasserstoffherstellung

• Integrierte Biowasserstoffproduktion– HyTime Prozess– RohstoffvorbehandlungRohstoffvorbehandlung– Massen- und Energiebilanz– Erzeugung von Wärme und Strom aus Prozessrückständen

• Zusammenfassung und Ausblick

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Einleitung

• Heutige Wirtschaft und Energieversorgung geruht global i d f f il E i t ävorwiegend auf fossilen Energieträgern

• Verstärkte Nutzung auch in der Industrie – Düngemittel, g g ,Raffinerie (Schwerölverarbeitung, Entschwefelung)

• Wasserstoff wird als einer der wichtigsten Energieträger der• Wasserstoff wird als einer der wichtigsten Energieträger der Zukunft angesehen – Keine CO2-Emissionen bei Nutzung

• Großteil des Wasserstoffs wird derzeit auf thermo-chemischem Weg aus fossilen Rohstoffen gewonnen

• Wichtigster Prozess: Dampfreformierung von Erdgas

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Wasserstoff aus erneurbaren Rohstoffen

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Wasserstoff aus erneurbaren Rohstoffen

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Fermentative Wasserstoffproduktion

• Biologische Prozesse finden hauptsächlich unterg pUmgebungsbedingungen statt weniger energieintensivals chemische oder elektrochemische Prozesse

• Rohstoffe: Carbohydrathältige organische Substrate und Abfallströme (nasse/feuchte Biomasse) KeinR h t ffk flikt it BiRohstoffkonflikt mit Biomassevergasung

• Geeignet zur Umsetzung in kleinen, dezentralen Einheiten• Herausforderung nach wie vor das Erzielen von hohen

Ausbeuten und Produktivitäten• Vor allem Dunkelfermentation zeigt positive Ergebnisse in

Laborstudien

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HyTime - Projekt

Integriertes Projekt, FP7:“Low temperature hydrogen productionLow temperature hydrogen production from 2nd generation biomass“Ziel : Beschleunigung der Umsetzungi i d t i ll Bi füeines industriellen Bioprozesses für

die dezentrale Wasserstoffherstellungaus Biomasse der 2. Generation

Start 01/2012E d 12/2014 06/201Ende 12/2014 06/20159 Partner, 6 Länder

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HyTime - Projektziele

• Optimierung der Bereitstellung und Zerlegung von Biomasse der 2. Generation zu geeigneten Substraten für die fermentative Wasserstoffproduktion

• Entwicklung eines Reaktor Prototyps zur Wasserstofffermentation• Entwicklung eines Reaktor-Prototyps zur Wasserstofffermentationmit hoher Produktionsrte und Ausbeute (Ziel: 1-10 H2 kg /d)

• Design eines effizienten Gasreingundskonzeptes für den Betrieb beiniedrigem Druck und niedriger Temperatur

• Verbesserung der Effizienz des Gesamtprozesses durchProzesssimulation Prozess und WärmeintegrationProzesssimulation, Prozess- und Wärmeintegration

• Entwicklung eines Anlagenkonzeptes om vor-kommerziellenMaßstab zur mittelfristigen Umsetzung der fermentativenWasserstoffproduktion

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HyTime - Prozess

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Vorbehandlungsverfahren

Hydrolysat

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Bilanzen Vorbehandlung

Weizenstroh Gerstenstroh Schnittgras(HYVOLUTION)

Säure+Enzym

Dampf+Enzym(H2O Impreg.)

Dampf+Enzym(Sre. Impreg.)

Säure+Enzym

Alkali  +Enzym

Ca(OH)2 +Enzym(Simulation)

Rohstoff (dm), kg/kg Zucker

2,0 2,0 2,5 2,8 1,9 3,3

Waschwasser,kg/kg Zucker

20,0 20,3 24,3‐

27,7kg/kg Zucker ‐

Chemikalien,kg/kg Zucker

0,47 ‐ 0,46 0,05 0,19 0,22

Enzyme, 0,57 0,61 4,2 0,8 0,67 0,98 (Lit.)Enzyme, kg/kg Zucker

0,57 0,61 4,2 0,8 0,67 0,98 (Lit.)

Prozesswärme,kWh/kg Zucker

2,9 4,2 5,3 4,9 2,5 3,5/ g

Zuckerausbeute,% theoret.

70,9 ‐ 54,5 51,0 61,8 48

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Bilanzen Vorbehandlung

Weizenstroh Gerstenstroh Schnittgras(HYVOLUTION)

Säure+Enzym

Dampf+Enzym(H2O Impreg.)

Dampf+Enzym(Sre. Impreg.)

Säure+Enzym

Alkali  +Enzym

Ca(OH)2 +Enzym(Simulation)

Rohstoff (dm), kg/kg Zucker

2,0 2,0 2,5 2,8 1,9 3,3

Waschwasser,kg/kg Zucker

20,0 20,3 24,3 ‐ ‐ 27,7kg/kg Zucker

Chemikalien,kg/kg Zucker

0,47 ‐ 0,46 0,05 0,19 0,22

Enzyme, 0,57 0,61 4,2 0,8 0,67 0,98 (Lit.)Enzyme, kg/kg Zucker

0,57 0,61 4,2 0,8 0,67 0,98 (Lit.)

Prozesswärme,kWh/kg Zucker

2,9 4,2 5,3 4,9 2,5 3,5/ g

Zuckerausbeute,% theoret.

70,9 ‐ 54,5 51,0 61,8 48

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Dunkelfermentation, thermophil

• Substratkonzentration Fermenter: 10 g/l • Fermentertemperatur: 70°C

© DLO‐FBR

H2-Produktivität H2-Ausbeute H2 Rohgas50 L Reaktor

2(mmol/L*h)

2(mol/mol C6)

2 g(vol%)

Glucose 16,9 3,2 16,1

Gras 21,6 3,6 19,4

• Ausbeute: 70%

Gras 21,6 3,6 19,4

@ D = 0,1 h‐1

5,7 L Reaktor

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Biogasfermentation/Biogasnutzung

Modell BiogasfermentationCOD• COD

• Buswell Formel• Stoichiometrische Reaktionen

• Faktoren Nach VDI 4630• Anpassung an BMP-Tests

Modell Biogasnutzung• CHP/Gasmotor• CHP/Gasmotor

• Elektr. Wirkungsgrad: 40,35%*• Therm. Wirkungsgrad: 43,85%*

• VerbrennungVerbrennung• CH4/CO2-Trennung

* Wirkungsgrade aus Datenblättern GE Jenbacher

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Bilanzen Wasserstoffproduktion

R h 10 k H /dRohgas: 10 kg H2/d

Schnittgras WeizenstrohRohstoff, kg/h feucht 90 46Rohstoff kg/h trocken 45 43 5Rohstoff, kg/h trocken 45 43.5

Wasserbedarf, kg/h 1588 2057Chemikalien kg/h 13 4 18 3Chemikalien, kg/h 13,4 18,3Wärmebedarf vor Integration, kW 96,7 115,8Wärmebedarf nach Integration, kW 40,1 42,8

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Biogasertrag und Biogasnutzung

S h itt W i t hBiogasproduktion

Schnittgras Weizenstroh

Massenstrom Biogas, kg/hBiogasertrag, kg/kg trockener Biomasse

31.50.7

30.50.7

g p

CH4 Stoich. Reaktor, m3/m3 Substrat 7.1 5.3CH4 COD, m3/m3 Substrat 9.0 6.2

Schnittgras WeizenstrohStrom- und Wärmeproduktion Schnittgras Weizenstroh

Wärmebedarf Prozess, kW 40.1 42.8

Wärmproduktion CHP, kW 48.5 45.8

p

Stromproduktion CHP, kW 44.6 42.2

Wärmeüberschuss/defizit, kW +8.4 +3.0

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Zusammenfassung / Ausblick

• Prozesssimulation wurde eingesetzt um die grundlegenden• Prozesssimulation wurde eingesetzt um die grundlegendenBilanzen einer Wasserstofffermentation auf Basis unterschiedlicher Rohstoffoptionen zu berechnen.

• Die Produktion von Biogas aus den Rückstandsströmen des Prozesses und dessen Nutzung in einem Gasmotor ermöglichdi D k d Wä b d f d Pdie Deckung des Wärmebedarfs des Prozesses

• Herausforderung ist die Verbesserung von Produktivität und Ausbeute in der Rohstoffvorbehandlung undAusbeute in der Rohstoffvorbehandlung und Wasserstofffermentation

• Einfluss der Gasaufbereitung auf Wärmebedarf und Effizienz des gGesamtprozesses

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Danksagung

HyTime wird co-finanziert durchMittel der Europäischen Kommission

“Fuel Cells and Hydrogen Joint Undertaking, FCH-JU-2010-4”y g g(Vertragsnummer 278855).

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WIEDEMANN-Polska Projekt

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