• Entwicklung von Funktionsprinzipien welche eine Wärmeintegration trotz Problematik der Temper-taturniveaus ermöglichen

• Detaillierte Untergliederung (hier nicht dargestellt)

• Iterative Überarbeitung und Erweiterung anhand neuer Erkenntnisse

Methanisierungsgestützte Biomasse-Vergasung

Getrennte Reaktoren

Chemische Wärmepumpe Thermische Stufung

… … … …

Gemeinsamer Reaktor

Gleichgewichtsverschiebung

…. … …

Wärmebilanz über eine Wirbelschicht im Steady State

Entwicklung eines methanisierungsgestützten Vergasungsverfahrens zur optimierten Erzeugung von Bio-SNG

Dezentrale Energieumwandlung (DEU)

M.Sc. Gebhard Waizmann

Institut für Verfahrenstechnik und Dampfkesselwesen Prof. Dr. techn. G. Scheffknecht

Universität Stuttgart Universität Stuttgart

Institut für Feuerungs- und Kraftwerkstechnik

Prof. Dr. techn. G. Scheffknecht

• Erdgasnetz für Transport und zur saisonale Speicherung flächendeckend vorhanden

• Mobiler Kraftstoff bei bereits etablierter Technik, z.B. Erdgasauto

• Effizient verstrombar durch z.B.: GuD®-Kraftwerke, BHKW, SOFC, Mikro-KWK

• Erneuerbare Regelenergie

• Inländischen Wertschöpfung

• Energiepolitische Unabhängigkeit?

• Ligninreiche Biomasse (Restholz, Stroh, etc.) ist nicht in Flächenkonkurrenz mit Nahrungsmitteln

Einleitung

Kontakt: M.Sc. Gebhard Waizmann gebhard.waizmann@ifk.uni-stuttgart.de Tel.: +49 (0) 711 685 68939

Kaltmodelluntersuchungen

Enthalpieverlauf der Vergasung

Funktionsprinzipien

Verfahrenskonzepte

Ausblick Der ermittelte Enthalpiebedarf zur Zersetzung von Biomasse ist für eine direkte Wärmeintegration un-günstig. Durch Beeinflussung des thermochemischen Gleichgewichts kann jedoch ein flacherer, konti-nuierlicherer Anstieg des Enthalpieverlauf erreicht werden. Das Gleichgewicht lässt sich insbesondere durch erhöhen des Drucks als auch durch Abtrennung von Gasbestandteilen positive beeinflussen. Er-folgt die Abtrennung durch exotherme Sorption mit endothermer Regeneration bei niedrigerer Tempe-ratur kann dabei zusätzlich Wärme auf ein höheres Niveau gepumpt werden. Neue Funktionsprinzi-pien und Konzepte wurden und werden derzeit ausgearbeitet. Die Modellierung und Bewertung erfolgt u.a. mittels Gleichgewichtsrechnung (FactSage

®) und Prozesssimulation (AspenPlus

®).

EnergieCampus, 06.11.2015, Karlsruhe

Abtrennung und Transport von Biokohle

Differential Scanning Calorimetry (DSC)

Vergasung: Biomasse → Synthesegas

• CHxOy + nH2OH2O → nH2H2 + nCOCO +… • > 700 °C für vollen Umsatz • Endotherm → Teilverbrennung

Methanisierung: Synthesegas → Methan

• CO + 3H2 → CH4 + H2O • < 300 °C für vollen Umsatz • Exotherm → Abwärme

~ 20 % des Brennwerts Wärmeintegration trotz Temperaturunterschied?

→ Funktionsprinzipien

Konzeption

Experimente und Analyse

• SETARAM®

SENSYS evo DSC: → Testmessungen: Validierung der Methode → aber für Auswertung zu ungenau

0

2

4

6

8

10

12

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900

Sp

ez.

Wrä

me

ka

pa

zit

ät

in k

J/(

kg

K)

Temperatur in C

Drucktiegel, Fichte, Test-Run-1 Vergleich: Zucker-Kiefer; 10 °C/min (Strezov 2003)

Drucktiegel, Fichte, Test-Run-3 Vergleich: Zucker-Kiefer; 50 °C/min (Strezov 2003)

Drucktiegel, Fichte, Test-Run-4 Vergleich: Zucker-Kiefer; 1000 °C/min (Strezov 2003)

Drucktiegel, Fichte, Test-Run-5

endoth

erm

→

um 1/10 skaliert

3D-Calvet Sensor

druckdicht

kleine Probe

Raum für Gase

• Entwicklung konkreter Verfahrenskonzepte auf Basis der einzelnen Funktionsprinzipien • Zwei grundlegende Fragestellungen:

→ Enthalpiebedarf über die Temperatur?

→ Abtrennung und Transport von Biokohle?

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

4,5

5

5,5

6

6,5

7

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

4,5

5

5,5

6

6,5

7

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900

Sp

ezif

isc

he

En

tha

lpie

∆h

in

MJ/k

g

Temperatur in C

Messung: ∆h Fichtenholz (H2O kalib.) Messung: ∆h Fichtenholz (SiO2 kalib.)

Vergleich: Sand - SiO2 Vergleich: Sensible Wärme von Holz (Dunlap 1912)

Vergleich: N2-Pyrolyse von Haferspelzen (Daugaard 2003) Equi: Fichtenholz (-5,5 MJ/kg Hf; 0,35 S/B)

Vergleich: N2-Pyrolyse von Eiche (Daugaard 2003) Equi: Fichtenholz bei 30 bar (-5,5 MJ/kg Hf; 0,35 S/B)

Vergleich: N2-Pyrolyse von Kiefer (Daugaard 2003) Equi: Fichtenholz mit Hochtemperatur CO2-Abscheidung

Vergleich: Wasser - H2O

0

0,5

1

1,5

0 100 200 300 400 500 600Sp

ezif

isc

he

En

tha

lpie

∆h

in

MJ/k

g

Temperatur in C

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

4,5

5

5,5

6

6,5

7

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

4,5

5

5,5

6

6,5

7

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900

Sp

ezif

isc

he E

nth

alp

ie ∆

h in

MJ/k

g

Temperatur in C

Messung: ∆h Fichtenholz (H2O kalib.) Vergleich: Sand - SiO2

Messung: ∆h Fichtenholz (SiO2 kalib.) Vergleich: Sensible Wärme von Holz (Dunlap 1912)

Vergleich: N2-Pyrolyse von Haferspelzen (Daugaard 2003) Equi: Fichtenholz (-5,5 MJ/kg Hf; 0,35 S/B)

Vergleich: N2-Pyrolyse von Eiche (Daugaard 2003) Equi: Fichtenholz bei 30 bar (-5,5 MJ/kg Hf; 0,35 S/B)

Vergleich: N2-Pyrolyse von Kiefer (Daugaard 2003) Equi: Fichtenholz mit Hochtemperatur CO2-Abscheidung

Vergleich: Wasser - H2O

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

4,5

5

5,5

6

6,5

7

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

4,5

5

5,5

6

6,5

7

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900

Sp

ezif

isc

he E

nth

alp

ie ∆

h in

MJ/k

g

Temperatur in C

Messung: ∆h Fichtenholz (H2O kalib.) Vergleich: Sand - SiO2

Messung: ∆h Fichtenholz (SiO2 kalib.) Vergleich: Sensible Wärme von Holz (Dunlap 1912)

Vergleich: N2-Pyrolyse von Haferspelzen (Daugaard 2003) Equi: Fichtenholz (-5,5 MJ/kg Hf; 0,35 S/B)

Vergleich: N2-Pyrolyse von Eiche (Daugaard 2003) Equi: Fichtenholz bei 30 bar (-5,5 MJ/kg Hf; 0,35 S/B)

Vergleich: N2-Pyrolyse von Kiefer (Daugaard 2003) Equi: Fichtenholz mit Hochtemperatur CO2-Abscheidung

Vergleich: Wasser - H2O

Verlauf des Enthalpiebedarfs

endoth

erm

→

• Messwerte sind auf Trockenmasse bezogen • Enthalpiebedarf ist direkt von Umgebungs- auf Reaktortemperatur gemessen

• Validierung des Messprinzips durch kalibrieren mit SiO2 und H2O • Messunsicherheit aufgrund nicht perfekt stationärer Zustände • Keine signifikant endo- oder exothermer Temperaturbereich sichtbar • Enthalpiebedarf ist eher niedrig < 1,5 MJ/kg → damit hoher Enthalpiedarf bei höheren Temperaturen → nachteilig für eine Wärmeintegration → Verbesserung der Gleichgewichtsalge durch Druck oder Hochtemperatur-CO2-Abscheidung

DSC-Testmessungen

Literatur

(Daugaard 2003) D. E. Daugaard and R. C. Brown: Enthalpy for Pyrolysis for Several Types of Biomass; Energy and Fuels, 2003, Vol. 17 (4), pp 934-939. (Dunlap 1912) F. Dunlap: The specific heat of wood; US Dep. Agr., Forest Serv. Bull. 110, 1912. (Strezov 2003) V. Strezov, B. Moghtaderi, J. A. Lucas: Thermal Study of Decomposition of Selected Biomass Samples; Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, 2003, Vol. 72, pp 1041-1048. (Waizmann 2015a) G. Waizmann, M. Schmid, D. Schweitzer, A. Gredinger, M. Beirow, H. Dieter, G. Scheffknecht, Enthalpy for Thermochemical Conversion of Spruce Wood in a Fluidized Bed at Various Temperatures – An Ex perimental Heat Balance Analysis, 23rd EUBCE, Vienna, June 2015. (Waizmann 2015b) G. Waizmann, M. Schneider, H. Dieter, G. Scheffknecht, Continuous Biochar Separation and Transpor- tation Through a Multistage Fluidized Bed – A Cold Model Analysis, 23rd EUBCE, Vienna, June 2015.

Druck- schleuse

Luft

Mischbett

Trennwand

geneigte Einbauten

Dosierer

Durchfluss-steuerung

Separationsbett

Überlauf

Drosselventil

Austausch-öffnung

1. Stufe 2. Stufe

93

94

95

96

97

98

99

100

0 1 2 3 4

Se

pa

rati

on

Pu

rity

in

m%

Bio Char Feed Rate in kg/h

Transition to Steady State

1. Steady State

2. Steady State

3. Steady State

4. Steady State

5. Steady State

Masse

na

nte

il H

olz

ko

hle

im

Üb

erl

au

f in %

Holzkohleförderrate in kg/h

Abtrennreinheit

0

5

10

15

20

25

30

35

40

0 10 20 30 40 50 60

He

igh

t a

bo

ve

Dis

trib

uto

r in

cm

Pressure in mbar

1. Stage Mixed Bed

1. Stage Sep. Bed

2. Stage Mixed Bed

2. Stage Sep. Bed

reine Holzkohle: weniger ∆p/h da geringere Dichte

gleicher Holzkohleanteil: gleicher ∆p/h

Holz

kohle

Überlau

f

Hö

he ü

ber

Dis

trib

uto

r in cm

Druck in mbar

Druckprofil

• Hohe Abtrennreinheit erreichbar • Geneigte Einbauten verbessern den Bettaustausch • Aufweitung der Abtrennsäule verhindert Verstopfung • Untersuchungen zur weiteren Optimierung sind geplant

• Stabile Transport-Hydrodynamik • Selbstregulierung der Betthöhe

• Herausforderung: kleine Probe großer Behälter • Vorteil: schnelle Enthalpie-Messungen → umfangreich Parametervariation ermöglicht Ermöglicht durch/

Vielen Dank an:

Motivation: Warum ligninreiche Biomasse zu SNG (Methan)? Grundlage: Wie wird aus ligninreicher Biomasse SNG (Methan)?

?

oder

Konstruktive Umsetzung des Kaltmodells Abtrenn- und Transportprinzip

• SETARAM® C600 DSC:

→ 50-fach größeres Probenvolumen → Messungen geplant

Die Realisierbarkeit des Abtrenn- und Transportprinzips wurde validiert