Urheberrechtshinweis Josef [email protected] Title Titel Projekt Author Mitarbeiter Created Date 7/2/2014 10:32:02 PM

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Fraunhofer Innovationscluster Bioenergy

Kalkar NaRoTec 2 Juli 2014

Josef Robert

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Inhalt

1. Fraunhofer Umsicht und Innovationscluster Bioenergy

2. Charakterisierung von Biomassen

3. Nutzungspfade für Biomasse und Einflussfaktoren

4. Technologien zur Reststoffnutzung

5. Beispiele

6. Zusammenfassung

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Fraunhofer UMSICHT

Wegbereiter für die Energie- und Rohstoffwende

Kerngebiet: Verfahrenstechnik

Stoffumwandlung »Vom

Rohmaterial zum Produkt«

528 Mitarbeiterinnen und

Mitarbeiter (308 fest angestellt)

in Oberhausen und

Sulzbach-Rosenberg

Betriebshaushalt 2013

32,2 Mio. €

Unsere Themen:

Energie I Prozesse I Produkte I Umwelt I Werkstoffe I Nachhaltigkeit

Unsere Leitthemen:

Produzieren ohne Rohstoffe / Energie mit UMSICHT

Standort Oberhausen

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Fraunhofer Innovationscluster Bioenergy

Innovationscluster »Bioenergy«

Start 2012

Projektlaufzeit 3 Jahre

Partner aktuell: 12 Unternehmen,

2 Universitäten/Institute

Inhalte

»Nasse« Biomasse und Reststoffe als

Kohlenstoffquelle für die stoffliche und

energetische Nutzung

Lagerfähige und transportwerte

Zwischenprodukte

Technologien für die dezentrale/mobile

Konversion

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Energieszenarien

Quellen: Ecofys Energy Szenario (2010)

Shell Energy scenarios to 2050

(2008)

Shell Study: Shell energy scenarios to 2050 (2008)

Endenergieverbrauch

(Shell, 2008)

Erschließung von Reststoffen von großer Bedeutung

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Reststofffraktionen aus Industrie und Handel

ca. 1,3 Mrd. t Lebensmittel

werden jährlich weltweit

entsorgt

Abfälle aus Industrie und

Handel in Deutschland:

432.000 t Obst

624.000 t Gemüse

Reststoffe aus der Obst- und

Gemüseverarbeitung

beinhalten viele bioaktive

Substanzen, wie

Polyphenole, Carotinoide,

Saponine, Phytoöstrogene

Ballaststoffe

Gemüse 26%

Obst 18%

Backwaren 15%

Speisereste 12%

Milchprodukte 8%

Getränke 7%

Fleisch und Fisch 6%

Teigwaren 5%

sonstiges 3%

Zusammensetzung der Lebensmittelabfälle in Deutschland (Massenprozent)1

1 Studie der Universität Stuttgart 2012

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Biomassecharakterisierung

Bioabfall

Grünabfall

Produktionsabfälle

Industrieller Bioabfall

Landwirtschaftliche Reststoffe

Saisonalität

Schüttdichte

Heizwert

Wassergehalt

Aschegehalt

Schwefelgehalt

Chlorgehalt

Ligningehalt

Biogasertrag

Form/Stückigkeit

Funktionelle

Inhaltsstoffe

(z.B. Polyphenole,

Carotinoide)

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Bioabfall

Holziger Grünabfall

w = 70-85 %

Hu = 3,5-6 MJ/kg TS1 (vgl. Holz 18,7 MJ/kg TS)

Asche = 28-44 % 2 (vgl. Holz 0,5-2%)

Biogasertrag = 80-140 Nm³/t TS3

(Maissilage: 216 Nm³/t TS4)

S = 0,03-0,2%; Cl = 0,08%2

(vgl. Holz: S=0,02-0,04 %; Cl = 0,008-0,02 %)

Quellen: 1 Prognos, 2012; 2 TU Dresden, 2013; 3 BMU, 2013 4 KTBL; 5 Witzenhausen Institut 2010

w = 30-55 %

Hu = 9-18 MJ/kg TS (vgl. Holz 18,7 MJ/kg TS)

Asche = bis 50 % (vgl. Holz 0,5-2%)

Biogasertrag: <10 Nm³/t TS

S = 0,6%; Cl = 0,03%5

(vgl. Holz: S=0,02-0,04 %; Cl = 0,008-0,02 %)

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Krautiger Grünabfall

Pferdemist

w = 50-85 %

Hu = 2 MJ/kg TS1 (vgl. Holz 18,7 MJ/kg TS)

Asche = 20-60 % (vgl. Holz 0,5-2%)

Biogasertrag = 80-120 Nm³/t TS2

(Maissilage: 216 Nm³/t TS3)

w = 55-80 %5

Hu = 16-19 MJ/kg4 (vgl. Holz 18,7 MJ/kg TS)

Asche = 12-25 % 5 (vgl. Holz 0,5-2%)

Biogasertrag = 112 Nm³/t TS3

S = 0,16-0,5%; Cl = 0,23-2,3%5

(vgl. Holz: S=0,02-0,04 %; Cl = 0,008-0,02 %)

Quellen: 1 www.kompost.de; 2 INFA, 2014; 3 KTBL; 4 harasnational.ch; 5 berbion.de

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Nutzungspfade von Biomasse

Konver-sion

(Bioraffinerie, BtE, BtL)

Biomasse- bereitst.

(Ernte, Lagerung, Transport)

Produkte (Energie, Rohstoffe)

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Bewertungskriterien

Landnutzung

Umwelt

Wirtschaftlichkeit, Nachhaltigkeit, Sensitivität

Effizienz

Qualität d. Vorbehandlung

Transportentfernung/ -effizienz

Qualität

Lagerfähigkeit

Markt- nachfrage

Produkt- qualität

Produktivität

Kosten

Verfügbarkeit

Kosten Invest Betrieb

Konver-sion

(Bioraffinerie, BtE, BtL)

Biomasse- bereitst.

(Ernte, Lagerung, Transport)

Produkte (Energie, Rohstoffe)

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Nutzungspfade von Biomasse

Energy crops Residues Byproducts Waste

Harvesting, collecting etc.

Preparation (pressing, drying,

mixing, grinding etc.) Transport (local/global)

Storage (tank, storehouse, silo,

pile etc.)

Thermochemical conversion Physicochemical conversion Biochemical conversion

Charcoal

production

(Torref./HTC)

Gasifi-

cation

Lique-

faction

Alkohol

fermen-

tation

An/aerob

Decom-

position

Pressing/Extraction

Esterifi-

cation

Fuels (solid, gaseous, liquid)

Incineration

Power Heat

Maize, Sugar Cane,

Miscanthus, Triticale etc. Straw, forest residual,

wood, leafage, etc. Manure, industrial residual

wood etc.

Sewage sludge, biogenic

waste (household, food

industry) etc.

Biomass-

feedstock

Product/

Intermediate

Conversion

Application

Solid

fuels Vege-

table oil PME

Biogas Ethanol

Source: Kaltschmitt et al. 2004 (modified and extended)

Coal Syngas,

LCV-

gas

Pyrolysis

oil

Grassland biomass

Grass, lucerne, clover etc.

Conditioning

Material

utilization

Treatment

Mobility

Chemical feedstock

Dried Material

(naturally/technically) Press

juice

Pressed material

(press cake, pellets)

Conserved material

(ensilinged)

Untreated material

(direct utilization)

Insulator,

filling

material

etc.

Proteins,

Carbo-

hydrates

Hydro-

lysis

Fertilizer

Engine

Intermediates

Feed

Ash

Fibres

Anaerob

diges-

tion

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Was ist hydrothermale Karbonisierung?

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Verfahrensgegenüberstellung

HTC Wasser/Dampf

180 – 250 °C

10 – 40 bar

2 – 12 h

Prozesscharakterisierung

• Reaktionsumgebung

• Temperaturbereich

• Druckbereich

• Verweilzeiten

wässrige, biogene Rest-

und Abfallstoffe

(Bioabfall, Klärschlamm,

Gärrest etc.)

Biomassesubstrat

(Input)

Primärprodukt

typische

Produktausbeute*

Kohlesuspension

weitere Aufbereitung Separation,

Entwässerung und

Trocknung

bis 80 Gew.-%Input

feste Kohle

Kohlenstoffeffizienz*

*bezogen auf den Biomasseinput

** Quelle: AVA-CO2 (für Bioabfall)

80-90%

Behandlungskosten* ca. 70-80 €//t**

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100 L – HTC/VTC-Behälter Instrument Derzeit

40 mg – Differential

Scanning Calometrie betriebsbereit

100 mL – Versuchsbehälter betriebsbereit

100 L – HTC/VTC -

Technikumsanlage

betriebsbereit

11 m³ - VTC-Reaktor Bauphase

Foto: Fh UMSICHT

Foto: Fh UMSICHT

DSC (40 mg) 100 mL - Behälter

Versuchsanlagen bei UMSICHT

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Projektpartner Gronemeyer & Banck

• Mittelständisches Unternehmen in Steinhagen (Westfalen)

• Produktion von Großbehältern, Tankbauwerken, Druckbehälter

• Know-how aus Behältertechnik für HTC-Anwendungen interessant

Foto: www.gronemeyer-banck.de

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PHHTTVCeVergrößerunHT 2000HKo

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0

5

10

15

20

25

30

Banan

e(nst

aude)

Mai

sst roh

Kar

tof fel

pülpe

Buchen

laub

Ora

ngensc

halen

Kar

tof fel

pülpe

Kar

tof fel

Glu

cose

Gär

rest

Bre

nn

wert

[M

J/kg

]

vorher Produkt (s)

Versuchsergebnisse (Brennwert)

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Torrefizierung Prozesscharakterisierung



• Druckbereich

• Verweilzeiten

Biomassesubstrat

(Input)

Primärprodukt

typische

Produktausbeute*

weitere Aufbereitung

Atmosphäre ohne O2

200 – 350 °C

15 – 120 min

trockene, vorwiegend

lignocellulosehaltige

Biomasse (Holz, Stroh etc.)

trockene Kohle

ggf. Pelletierung

70 Gew.-%Input

feste Kohle

Kohlenstoffeffizienz* *bezogen auf den Biomasseinput

~90%

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Flashpyrolyse Prozesscharakterisierung



• Druckbereich

• Verweilzeiten

Biomassesubstrat

(Input)

Primärprodukt

typische

Produktausbeute*

weitere Aufbereitung

Atmosphäre ohne O2

450 – 600 °C

< 10 s

trockene, vorwiegend

lignocellulosehaltige

Biomasse (Holz, Stroh etc.)

Pyrolysekondensat/-kohle

Separation

Upgrading

bis 65 Gew.-%Input

Pyrolyseöl

Kohlenstoffeffizienz* *bezogen auf den Biomasseinput

~55-65%

55-65 Gew-% 15-25 Gew-%

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Beispiel 1: Pyrolysekondensat - Eigenschaften

Potenzial

Essigsäure (9,5 %) → chemische Industrie (Polymerherstellung,…)

Zucker (5,7 %) → chemische Industrie

Hydroxyacetaldehyd (4,0 %) → chemische Industrie (Essigsäure-,

Polymerharz-Herstellung,…)

Phenole (7,4 %) → chemische Industrie (Polymerherstellung

„Phenoplaste“,…)

Aufgrund der Vielzahl an chemischen Verbindungen stellt Pyrolysekondensat ein Rohstoff

für die stoffliche Nutzung da!

Energiedichtes Produkt (ca. 8-fache Dichte von Stroh)

Ähnlicher Heizwert wie Edukt

Asche fast vollständig im Pyrolysekoks

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Beispiel 1: Pyrolysekondensat - Nutzungspfade

Pyrolysis oil

Direct

separation

Thermal

utilization

Chemicals

Gasification/

Upgrading

Refining Boiler Gas turbine

Engine

Co-firing

Gasification Hydrotreating

Heat Power Fuels Chemicals

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Beispiel 2:

Pyrolyseöl-

erzeugung vs.

Strohverbrennung

Ernte mit Nährstoffrückführung

StrohNährstoff-

dünger

EnergiePressen & Lagerung

Strohballen

Transport

Strohbergung mit

feldnaher Konditionierung

Kraftstoff

ablative Pyrolyse

GasBiokohle

zusätzliche Biomasse

Pyrolyseöl

Energie

Verbrennung

Transport

Kraftstoff

Strohballen

Wärme

StromHeizkraftwerk

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Beispiel 2: Pyrolyseölerzeugung vs. Strohverbrennung

Grenztransportentfernung

Stroh 100 €

Stroh 120 €

Stroh 80 €

Stroh 60 €

Stroh 140 €

-6,0

-5,0

-4,0

-3,0

-2,0

-1,0

0,0

1,0

2,0

3,0

0 200 400 600 800 1000

spez

fisc

he

Ko

sten

dif

fere

nz

in c

t/kW

h

mittlere Transportstrecke in km

Strohkostenvarianz

Gewinnbereich

Verlustbereich

z.B. Pyrolyseöl-

kosten 250€/t

(~ Rohölpreis)

Großabnehmer – Wochenpreis Stroh: 130-150 €/t

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Beispiel 2: Pyrolyseölerzeugung vs. Strohverbrennung

Grenztransportentfernung

z.B. Pyrolyseöl-

kosten 150€/t

Stroh 100 €

Stroh 120 €

Stroh 80 €

Stroh 60 €

Stroh 140 €

-3,0

-2,0

-1,0

0,0

1,0

2,0

3,0

4,0

5,0

6,0

0 200 400 600 800 1000

spez

fisc

he

Ko

sten

dif

fere

nz

in c

t/kW

h

mittlere Transportstrecke in km

Strohkostenvarianz

Gewinnbereich

Verlustbereich

Großabnehmer – Wochenpreis Stroh: 130-150 €/t

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Beispiel 3– stoffliche Nutzung von Rapspresskuchen

• Proteingewinnung

• Extraktion weiterer Wertstoffe

(Phytinsäure, Sinapinsäure, etc.)

Fein-/Spezialchemikalien,

Kosmetika

• Entfernen antinutritiver

Bestandteile aus dem

Rapspresskuchen wie z.B. Sinapin

und Phytin

Futtermittel

• alkoholische Gärung von

Rapspresskuchen

• Konversion der Alkohole

Fuel oder stoffliche Nutzung

Proteine

R-COOH

Fasern 12%

Proteine 40%

Kohlen-hydrate

16%

Phytinsäure 6%

weitere Inhalts-stoffe 26%

D: 3,6 Mio. t Rapsöl pro Jahr*

mit ca. 50 – 53 % Ölanteil ergibt

sich daraus ein RPK-Menge von

ca. 3,2 – 3,6 Mio. t/a

* www.ble.de (für das Jahr 2012)

http://www.ble.de/

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Zusammenfassung

Chancen

an der optimalen Nutzung von biogenen Reststoffen für Wärme, Strom,

Treibstoffe und chemische Grundstoffe führt kein Weg vorbei

Herausforderungen

Hebung der Potenziale → Logistikketten erforderlich

Regionale/lokale Umsetzung von BtE-/Bioraffineriekonzepten

Bewertungskriterien berücksichtigen und gegenüber anderen

Nutzungsoptionen abgrenzen

Ansatz für den Cluster

Erarbeitung von geeigneten Bewertungsgrundlagen

Ausbau des Tools zur internen und ggf. später zur externen Nutzung

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FRAUNHOFER UMSICHT

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

Kontakt:

Fraunhofer UMSICHT

Osterfelder Straße 3

46047 Oberhausen

E-Mail: [email protected]

Internet: http://www.umsicht.fraunhofer.de

Dipl.-Ing. Josef Robert

Telefon: 0208-8598-1150

E-Mail: Josef [email protected]

mailto:[email protected]

http://www.umsicht.fraunhofer.de/

mailto:[email protected]

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