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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