DBFZ - Innovationsforum Hydrothermale Prozesse

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Hydrothermale Prozesse zur Nutzung von Biomasse –
große Chancen, viele Fragen
Marco Klemm, Romann Glowacki
Was bedeutet hydrothermal?
Ein hydrothermaler Prozess ist ein Prozess in heißem, flüssigem oder
überkritischen Wasser.
Dabei ist das Wasser:
•
•
•
•
•
•
Reaktionspartner
im weitesten Sinne Katalysator
Lösemittel
Transportmedium
Wärmeträger
Abschluss gegen die Umgebung
HTP-Fachforum, Leipzig 11.-12- November 2014
2
Besondere Eigenschaften von Wasser?
Wasser ist bei Standardbedingungen:
• hohe Dielektrizitätskonstante
• gutes Lösemittel für anorganische Salze
• kaum mischbar mit unpolaren Verbindungen z.B. Kohlenwasserstoffen
Annäherung an den kritischen Punkt:
• fallende Dielektrizitätskonstante → steigendes Lösungsvermögen für
unpolare Verbindungen, sinkendes für Salze
• steigendes Ionenprodukt → Wasser kann als saurer/basischer
Katalysator wirken
Überkritisches Wasser:
• weiteres Fallen der Dielektrizitätskonstante → hervorragendes Lösemittel
für Kohlenwasserstoffe und ähnliche, kaum für Ionenverbindungen (Salze)
• drastischer Fall des Ionenproduktes (kein Säure-/Base-Katalysator)
• Überkritisches Wasser löst z.B. Siliziumdioxid!
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Hydrothermale Bedingungen - Beispiele
Chemie
• Nahkritisches Wasser wirkt als Säure-Basen-Katalysator in der
organischen Chemie
◦ Kondensation von Benzaldehyd mit 2-Butanon (250–350°C, 40–90
bar) [Nolen et al. 2003]
◦ Hydrolyse von Estern und Anisol [Patrick 2001]
• Hydrothermalsynthese von anorg. Verbindungen z.B. Nanopartikeln
Mineralogie/Geologie
• Hydrothermale Bildung von Lagerstätten und Gesteinen (Achat, Malachit,
Drusen, …)
Bauschuttrecycling
• Hydrothermale Verfestigung vor einer Wiederverwendung [Schnell 2010];
[Rübner 2012]
4
Bildquelle: Marco Klemm, © DBFZ.
5
Hydrothermale Prozesse in der Nutzung von
Biomasse
Verfahren, die hydrothermale Umwandlungs- und Trennprozesse an
entscheidender Stelle nutzen ermöglichen die Herstellung von:
• festen Kohlenstoffträgern,
• flüssigen Kohlenstoffträgern,
• gasförmigen Kohlenstoffträgern und Wasserstoff aus Biomasse.
Diese können eingesetzt werden als
•
•
•
•
Energieträger,
Chemikalie,
Werkstoff,
…
6
Geschichtliche Schlagworte
• 1909 Walter Koch: Über das Verhalten von Lignozellulose beim Erhitzen mit
Wasser unter Druck (Dissertation Universität Freiburg)
◦ Mannose und Galaktose ergeben bei 4 h kochen bei 215°C eine
huminstoffartige Substanz
• 1913: Friedrich Bergius beschreibt den Prozess der hydrothermalen
Karbonisierung
• 1980er Jahre: intensive Aktivitäten zur hydrothermalen Verflüssigung (u.a. Shell,
Niederlande), Demonstrationsanlage
• 1995: Start der Entwicklung des SlurryCarb™-Verfahrens (USA, Japan),
Karbonisierung von Klärschlamm bei 220 - 270°C, 220 bar, 10 bis 60 min
Verweilzeit
• 2006 erste Veröffentlichungen von Prof. Antonietti schieben die derzeitigen HTCAktivitäten an
• heute: sind wir alle vom Thema infiziert und sind deshalb hier
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Themengebiete – ein Überblick
Rechtliches/
Akzeptanz
Abwasser
Abgas
Ausgangsstoffe
System
Umwandlung
Werkstoff
Produkte
Ökologie
Ökonomie
Messtechnik
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Rechtliches/
Akzeptanz
Abwasser
Abgas
Ausgangsstoffe
System
Umwandlung
Werkstoff
Produkte
Ökologie
Ökonomie
Messtechnik
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Ausgangsstoffe
 Thermochemische Nutzung nasser Biomasse
 Lösung für geringwertige Reststoffe
• Vorhandene und wirtschaftlich verfügbare Potenziale?
• Für welche Ausgangsstoffe sind hydrothermale Verfahren konkurrierenden
Lösungen überlegen?
• Lässt sich eine Nutzungsalternative für Klärschlamm gestalten?
• Konkurrenz mit Biogasanlagen um Ausgangsstoffe?
• Notwendigkeit der Ausgangsstoffe als Humusbildner?
10
Rechtliches/
Akzeptanz
Abwasser
Abgas
Ausgangsstoffe
System
Umwandlung
Werkstoff
Produkte
Ökologie
Ökonomie
Messtechnik
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Umwandlungsprozesse
 Prozesse zur Herstellung fester, flüssiger und gasförmiger Produkte
 Grundlegendes Verständnis der chemischen Vorgänge
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Umwandlungsprozesse II
• Definitiver Zusammenhang zwischen Ausgangsstoff,
Reaktionsbedingungen und Kohlequalität als Basis für eine
Prozessregelung und Prozessoptimierung?
• Detaillierte Kenntnis der chemischen Vorgänge als Basis für Eingriffe in
den Prozess?
• Senkung der Verweilzeit, insbesondere HTC?
• Senkung von Temperatur und Druck, insbesondere hydrothermale
Vergasung?
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Spezielle Umwandlungsprozesse
 Extraktion von Chemikalien
 Herstellung von Chemikalien
 Flüssigphasenreformierung (Wasserstoffproduktion bei geringen
Temperaturen)
• Welche Substanzen sind wirtschaftlich gewinnbar?
• Wie ist die Ausbeute begrenzt bzw. steigerbar?
• Die Flüssigphasenreformierung benötigt derzeit Edelmetallkatalysatoren,
die eine sehr kurze Standzeit haben, welche Alternativen bzw.
Weiterentwicklungsmöglichkeiten gibt es?
• Übertragung der Flüssigphasenreformierung auf gemischte Biomassen?
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Apparate- und Anlagentechnik für die
Umwandlungsprozesse
 Viele Konzepte wurden entwickelt
 In Demonstrations- oder Technikumsanlagen überführt
• Eignung der Konzepte unter Produktionsbedingungen?
• Zuverlässigkeit und Lebensdauer?
• Welche Konzepte besitzen spezifische Vorteile, z.B. Batch-Betrieb vs.
•
•
•
•
kontinuierlichen Betrieb?
Optimierte Wärmezuführung und Wärmerückgewinnung?
Für hydrothermale Verflüssigung und Vergasung: spezifische Fragen der
Hochdrucktechnik?
Eduktvorbereitung?
Produktabtrennung z.B. Entwässerung?
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Rechtliches/
Akzeptanz
Abwasser
Abgas
Ausgangsstoffe
System
Umwandlung
Werkstoff
Produkte
Ökologie
Ökonomie
Messtechnik
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HTC-Kohle
[1] Kaltschmitt, M. et al. 2009]
 HTC-Kohle ist ein Festbrennstoff mit kohleähnlichen Eigenschaften
 Mitverbrennung ist geklärt
17
HTC-Kohle
• Geeignete Produktanwendungen?
• Anwendungsgerechte Kohlequalität?
• Beeinflussungsmöglichkeiten der Kohlequalität?
Energetische Nutzung
• Geeignete Feuerungsanlagen für die Monoverbrennung?
• Rechtlicher Rahmen?
• Alternativen zur Verbrennung?
18
HTC-Kohle
Kohlenstoffträger für industrielle Anwendungen
• Welche metallurgischen Einsatzfälle korrelieren mit den Flüchtigen- und
Aschegehalt?
• Für welche chemischen Prozesse ist HTC-Kohle geeignet?
• Möglichkeiten der Aufbereitung zu Adsorptionsmittel / Katalysatorträger?
Nutzung als Bodenhilfsstoff
• Reproduzierbarer Nachweis der Wirkung?
• Schadstoffeintrag in Boden?
• Störung biologischer Prozesse?
• Schadstoffneubildung aus Kohle?
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Flüssige und gasförmige Energieträger,
Chemikalien
 Hydrothermale Vergasung kann, je nach Reaktionsbedingungen,
wasserstoff- oder methanreiche Gase produzieren
 Flüssige Energieträger sowie Chemikalien sind herstellbar
Pyrolyseöl
Hydrothermales Öl Schweres Heizöl
[nach Kröger 2010]
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Flüssige und gasförmige Energieträger,
Chemikalien
• Anwendungsweg für hydrothermales Öl als Energieträger?
• Verbesserung der Produktqualität durch weiterentwickelte Prozesse?
• Für welche Chemikalien besteht ein Markt?
• Qualitätssicherung?
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Rechtliches/
Akzeptanz
Abwasser
Abgas
Ausgangsstoffe
System
Umwandlung
Werkstoff
Produkte
Ökologie
Ökonomie
Messtechnik
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Abwasser
 Behandlung in kommunalen Kläranlagen erscheint möglich
 Weitere Lösungen in Entwicklung
• Senkung des Abwasseraufkommens und der Abwasserbelastung?
• Was passiert tatsächlich in einer kommunalen Kläranlage mit HTPAbwasser? Ist das tolerabel?
• Was tun wir, wenn keine Kläranlage in der Nähe ist?
• HTP-Abwasser als Gärsubstrat für die Biogasproduktion?
• Kostengünstige dezentrale, d.h. anlageneigene Ansätze?
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Rechtliches/
Akzeptanz
Abwasser
Abgas
Ausgangsstoffe
System
Umwandlung
Werkstoff
Produkte
Ökologie
Ökonomie
Messtechnik
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Abgas
 „Überschaubares“ Problem
 Erste Lösungsansätze liegen vor
• Quantifizierung des Abgasproblems aller Emissionsstellen und aller
Produktzyklen?
• Geruchsemissionen, Verbreitung, Belästigungspotenzial?
• Vermeidung von Abgas?
• Behandlung von Abgas?
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Rechtliches/
Akzeptanz
Abwasser
Abgas
Ausgangsstoffe
System
Umwandlung
Werkstoff
Produkte
Ökologie
Ökonomie
Messtechnik
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Werkstoffe
 Prinzipiell sind Werkstoffe und deren Einsatzmöglichkeiten für
hydrothermale Verfahren bekannt
Heißwasserkorrosion?
Angriff aufgrund des pH-Wertes?
Angriff durch Bildung stabiler Komplexe?
Belastungskollektiv, ist z.B. eine emaillierte Ausführung aufgrund der
mechanischen und Temperaturwechselbeanspruchung möglich?
• Insbesondere für die Vergasung im überkritischen Wasser liegen die
Temperaturen im Bereich heutiger Dampfkraftwerke, dort jedoch braucht
man hochgereinigtes und additiviertes Wasser?
•
•
•
•
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Rechtliches/
Akzeptanz
Abwasser
Abgas
Ausgangsstoffe
System
Umwandlung
Werkstoff
Produkte
Ökologie
Ökonomie
Messtechnik
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Messtechnik
 Generell sind die Reaktionsbedingungen für die messtechnische
Überwachung nicht zu exotisch
• Eine bessere Prozessüberwachung, insbesondere eine Bestimmung von
•
•
•
•
Zwischenprodukten ist essentiell für die Weiterentwicklung?
Temperatur- und Druckbelastung?
Für viele wichtige Parameter z.B. pH-Wert wird der Bereich marktgängiger
Lösungen verlassen?
In-situ Messung vs. Probennahme?
Verfälschung von Messergebnissen durch Probenahme?
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Rechtliches/
Akzeptanz
Abwasser
Abgas
Ausgangsstoffe
System
Umwandlung
Werkstoff
Produkte
Ökologie
Ökonomie
Messtechnik
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Ökonomie
 Insbesondere die HTC ist aufgrund der Reaktionsparameter ein technisch
einfaches Verfahren
 Vielversprechende neue Ansätze für verfügbare Edukte
 Interessante Produkte herstellbar
•
•
•
•
Kosteneffiziente Lösungen?
Geeignetes Edukt?
Hochwertiges Produkt?
Welche Gesamtketten sind heute schon interessant bzw.
zukunftsträchtig?
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Rechtliches/
Akzeptanz
Abwasser
Abgas
Ausgangsstoffe
System
Umwandlung
Werkstoff
Produkte
Ökologie
Ökonomie
Messtechnik
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Ökologie
 Neue Bioenergieträger erschließbar
 CO2-arme Produkte da Biomasse/ biogene Reststoffe als Edukte
• Abwasser, Abgas?
• Rückgewinnung von Nährstoffen (Phosphor, Stickstoff, Kalium, …)?
• Sind die Edukte als Humusbildner erforderlich?
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Rechtliches/
Akzeptanz
Abwasser
Abgas
Ausgangsstoffe
System
Umwandlung
Werkstoff
Produkte
Ökologie
Ökonomie
Messtechnik
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Gesamtsystem, Umwandlungskette
 Erste Lösungen sind im Rahmen der Demoanlagenerstellung entstanden
•
•
•
•
•
•
•
Logistik?
Transport nasser Substrate?
Geeignete Anlagengrößen?
Jahreszeitlicher Anfall interessanter Substrate (Laub, …)?
Energetische und stoffliche Integration in Gesamtsysteme?
Gesamtoptimierung von Prozessketten?
Mikroalgenzucht und hydrothermale Umwandlung?
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Rechtliches/
Akzeptanz
Abwasser
Abgas
Ausgangsstoffe
System
Umwandlung
Werkstoff
Produkte
Ökologie
Ökonomie
Messtechnik
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Rechtlicher/Gesellschaftspolitischer
Rahmen
 Erste Demonstrationsanlagen sind genehmigt
 Ansätze einer Brennstoffnormung (CEN)
 Arbeit an Normung zu Anlagentechnik und Emissionen (VDI)
•
•
•
•
Brennstoffe aus der hydrothermalen Umwandlung als Regelbrennstoffe?
Chemikalienzulassung nach REACH?
Ende Abfalleigenschaft?
Akzeptanz bei stärkerer Verbreitung der Verfahren?
37
Umfassende Lösungen gesucht!
38
Lösungsansatz
• Gemeinsames Vorgehen von Akteuren entlang der gesamten
Wertschöpfungskette
• Enge Kooperation von Wissenschaft und Wirtschaft, Anlagenbauern wie
Anwendern und Produktnutzern
Dazu sollen dienen:
• das aktuelle HTP-Fachforum - HEUTE
• das Innovationsforum hydrothermale Prozesse – MITTE 2015
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Innovationsforum „Hydrothermale Prozesse“
• Innovation: Neuerung, die Anwendung findet (z.B. auf dem Markt)
• Gesteuerter Innovationsprozesse  Innovationsforum
Zufall
FuEPartner
Infrastruktur
Idee
Wissen
These
Labor (proof
of concept)
FuE
Beweis
Patente
Infrastruktur
Finanzierung
Pilot /
Prototyp
Marktprodukt
Marktfähigkeit
40
Marktperspektiven
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Anwendungsfelder für HT-Produkte
• Wer veredelt HT-Kohlenstoffträger?  geschlossene Wertschöpfungsketten
• Welche Probleme können HTP lösen?
Klärschlammverwertung
Grüne
Chemikalien
Düngemittel
Anlagenbau,
MRS
Energieträger,
Kraftstoffe
Raffinerieprodukte
Werkstofflicher
Einsatz
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Projektziele
 Schließung der Wertschöpfungsketten im Endproduktebereich
 Einbezug der Inputstoffseite
 Identifizierung vielversprechender Anwendungsfelder
•
•
•
•
Aufbau eines überregional sichtbaren HTP-Innovationsnetzwerkes
Organisation und Durchführung eines mehrtägigen Innovationsforums
Entwicklung einer Innovationsstrategie
Schaffung von Wertschöpfungsketten umfassenden Konsortien zur
Umsetzung konkreter FuE- sowie Demonstrationsprojekte
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Überregionale Kooperation
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Innovationsforum – nächste Schritte
Kick-Off
enertec/terratec
Jan.15
Anwedungsfelder
Themenworkshops
28.01.2015
Jan.15
Marktanalysen
Innovationsforum
AP 8
Strategieentwicklung
- Mai 15
Verstetigung
Mai 15
30.6.15
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Hydrothermale Prozesse – Gestalten Sie mit!
Innovation durch Kooperation.
Ansprechpartner
Dr.-Ing. Marco Klemm
Tel.: +49 (0)341 2434 537
E-Mail: [email protected]
Dipl.-Holzwirt Romann Glowacki
Tel.: +49 (0)341 2434 464
DBFZ Deutsches
Biomasseforschungszentrum
gemeinnützige GmbH
Torgauer Straße 116
D-04347 Leipzig
Tel.: +49 (0)341 2434 – 112
www.dbfz.de

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