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2003-03: Bioenergie

Biogas

Die verstärkte Nutzung von erneuerbaren Energieträgern bzw. erneuerbaren Rohstoffen stellt eine der Herausforderungen für die nächsten Jahrzehnte dar.

Vergasung von Biomasse

Von Hermann Hofbauer*

Dazu müssen neue, effiziente und auf dem Prinzip der Nachhaltigkeit basierende Technologien entwickelt, erprobt und kommerziell eingeführt werden. Biomasse, als ein in weiten Bereichen der Erde über das ganze Jahr verfügbarer erneuerbarer Energieträger, wird dabei einen wesentlichen Beitrag leisten müssen.

Die Gaserzeugung aus Biomasse stellt einen wichtigen Schritt zur Veredlung des erneuerbaren Rohstoffes Biomasse dar. Die Entwicklung der Gaserzeugung aus Biomasse, die durch den Einzug des Erdgases vor ca. 70 Jahren unterbrochen wurde, wurde nach den Ölpreisschocks wieder forciert aufgenommen und hat heute bereits einen guten Entwicklungsstand erreicht. Je nach Anwendungszweck des erzeugten Gases haben sich unterschiedliche Techniken herausgebildet.

Einteilung der Vergasungsverfahren

Vergasungsverfahren können nach unterschiedlichen Prinzipien eingeteilt werden. Üblicherweise wird als Kriterium für die Unterteilung der Typus des Vergasungsreaktors z. B. Festbett und Wirbelschicht oder die Anzahl der Stufen z. B. einstufig, zweistufig und mehrstufig verwendet. Hier soll die Unterteilung vielmehr hinsichtlich der Eigenschaften und der Verwendbarkeit des erzeugten Produktgases erfolgen, was viel entscheidender ist, als der für die Vergasung verwendete Reaktortyp.

Daher sollen zunächst die wichtigsten Einsatzmöglichkeiten betrachtet werden. Aus heutiger Sicht stellen sich folgende Einsatzgebiete für Gase aus Biomasse dar: Erstens die energetische Nutzung mit Brenngas für rein thermische Zwecke, Brenngas für thermische Kreisprozesse (Gasmotor, Gasturbine) oder Gas für Brennstoffzellen. Und zweitens die stoffliche Nutzung mit Wasserstofferzeugung, Synthesegas (z. B. SNG, Methanol, Fischer-Tropsch) oder Reduktionsgas. Neben der Zusammensetzung der Hauptkomponenten sind vor allem auch die Verunreinigungen wichtig, für die meist sehr niedrige Werte einzuhalten sind.

Als wesentliche Anforderungen - neben der grundsätzlich geforderten Reinheit der Produktgase - sind der Heizwert und das H2/CO-Verhältnis zu nennen. Durch geeignete Auswahl des Vergasungsmittels und geeignete Prozessführung lässt sich die Zusammensetzung des Produktgases gezielt beeinflussen.

Die bei der Vergasung ablaufenden Reaktionen sind überwiegend endotherm, d. h. dass Wärme zugeführt werden muss. Dies kann grundsätzlich auf zwei Arten geschehen. Bei der autothermen Betriebsweise wird die Wärme durch partielle Verbrennung des zu vergasenden Brennstoffes im Vergasungsreaktor selbst bereitgestellt. Bei der allothermen Betriebsweise wird die notwendige Wärme von außen zugeführt.

Luft als Vergasungsmittel (autotherm)

Bei der autothermen Vergasung mit Luft liegt der Heizwert abhängig vom Wassergehalt der Biomasse zwischen 4 und 6 MJ/Nm³ trockenes Produktgas. Das Produktgas enthält 45 bis 60% N2 und einen dadurch geringen Anteil an H2 (11 bis 16%) und CO (13 bis 18%). Dieses niedrig kalorische Gas wird direkt als Brenngas (Heizwerk, Zementwerk, Co-Firing) verwendet oder gereinigt und in einem Gasmotor, einer Gasturbine und gegebenenfalls einer anschließenden Dampfturbine (IGCC) in Strom und Wärme umgesetzt. Für kleine Leistungen (200 bis 2000 kWel) werden vorwiegend Festbettreaktoren eingesetzt, für größere Leistungen (2.000 kWel) überwiegend Wirbelschichtreaktoren.

Die mittels Luftvergasung erzeugten Produktgase eignen sich gut für die energetische Nutzung. Für den Einsatz in Brennstoffzellen und für die stoffliche Nutzung sind derartige Produktgase aufgrund des hohen Anteils an Stickstoff im Produktgas kaum geeignet.

Festbettvergasung

Bei der Festbettvergasung handelt sich um einen Schachtreaktor, in dem die Vergasungsreaktion stattfindet (Abbildung 1). Darin bilden sich unterschiedliche Zonen aus, die durch unterschiedliche Temperaturen gekennzeichnet sind. Je nach Strömungrichtung der Luft unterscheidet man zwischen aufsteigender Vergasung (Luft strömt von unten nach oben) und absteigender Vergasung (Luft strömt von oben nach unten). Natürlich gibt es weitere Formen und Kombinationen von beiden, die versuchen, die Vorteile beider zu nutzen.

Wirbelschichtvergasung

Wirbelschichten zeichnen sich durch gute Transporteigenschaften aus, sodass eine konstante Temperatur im Reaktionsraum vorliegt. Die Austrittstemperatur des Produktgases ist praktisch gleich jener des Wirbelbettes, sodass eine Wärmerückgewinnung vom Produktgas für hohe thermische Wirkungsgrade unumgänglich ist. Die Teergehalte am Austritt des bei ca. 800 bis 900°C betriebenen Reaktors liegen bei 10 bis 50 g/Nm³.
Beim hier angeführten Beispiel handelt es sich um die IGCC (integrated gasification combined cycle) Anlage in Varnamo (siehe Abbildung 2). Diese Anlage benutzt eine druckaufgeladene zirkulierende Wirbelschichtvergasung (850°C, ca. 21 bar), eine Gaskühlung bis ca. 400°C, eine Heißgasreinigung und Nutzung des Gases in einer Gasturbine. Ein anschließender Abhitzekessel erzeugt Dampf, der in einer Dampfturbine zusätzlich Strom erzeugt. Die elektrische Leistung der Anlage beträgt 6 MW und die thermische Leistung 9 MW. Damit ergibt sich eine Stromkennzahl von 0,65 bei einem elektrischen Wirkungsgrad von ca. 32 % und einem Gesamtnutzungsgrad von 82%. Abschätzungen ergaben, dass ab einer Leistung von ca. 50 MWel ein ökonomischer Betrieb unter den in Schweden vorhandenen Randbedingungen möglich wäre.

Co-Firing

Ein ökonomisch attraktive Anwendung der Luftvergasung von Biomasse stellt das sogenannte Co-Firing dar, da ohne großen Aufwand gute elektrische Wirkungsgrade erzielt werden können. Dabei wird das Produktgas der Biomassevergasung · meist ohne wesentliche Reinigung und Abkühlung · in den Brennraum eines bestehenden Kraftwerks-Kessel eingeblasen und mit verbrannt. Dazu kommen insbesondere Kohlekraftwerke aber auch Öl- oder Gaskraftwerke in Frage. Bei den bisher ausgeführten Anlagen wurden zirkulierende Wirbelschichten verwendet, wobei die durch die Biomasse substituierte Leistung bis zu ca. 15 % betragen kann.

Abbildung 1: Bei der Festbettvergasung findet die Vergasungsreaktion in einem Schachtreaktor statt

Abbildung 2: IGCC auf Basis Biomassevergasung (Varnamo, SE)  

Dampf/Sauerstoff als Vergasungsmittel (autotherm)

Wird anstelle von Luft ein Dampf/Sauerstoff-Gemisch eingesetzt, erhält man ein stickstofffreies Gas mit Heizwerten zwischen 10 und 14 MJ/Nm³ und einen H2-Gehalt um die 40%. Diese Art der Vergasung ist mehrfach für die Kohlevergasung vorgeschlagen und realisiert worden (Buggenum, NL). Die Erzeugung von reinem Sauerstoff stellt einen Aufwand dar, der sich für Anlagen kleiner Leistung kaum rechnet. Trotzdem gibt es eine Reihe von derartigen Prozessen (siehe Tabelle 1). Diese Verfahren eignen sich sowohl für die energetische Nutzung als auch für die stoffliche Nutzung.

Flugstromreaktor

Hier ist als Beispiel ein Flugstromreaktor angeführt, daneben gibt es die Verfahren mit Festbettvergasung (z. B. Lurgi) und Wirbelschichtvergasung (z. B. Winkler) die ein Dampf-O2-Gemisch verwenden. Das in Abbildung 3 dargestellte Verfahren dient zur Vergasung von Schwarzlauge. Die organischen Bestandteile werden bei hoher Temperatur und erhöhtem Druck in ein Synthesegas umgewandelt.

Dampf als Vergasungsmittel (allotherme Vergasung)

Bei der allothermen Vergasung mit Dampf als Vergasungsmittel hat das Produktgas ähnliche Eigenschaften, wie bei der autothermen Vergasung mit einem Dampf/Sauerstoff-Gemisch. Der wesentliche Unterschied ist allerdings, dass auf die Verwendung von reinem Sauerstoff verzichtet werden kann. Die Vergasung mit CO2 als Vergasungsmittel hat derzeit noch keine technische Bedeutung und wird daher hier nur der Vollständigkeit halber erwähnt. Zur Wärmezufuhr wurden einerseits Verfahren mit Wärmetauscher anderseits welche mit umlaufenden Wärmeträger entwickelt. Allotherme Vergasungsverfahren liefern ein Produktgas, das sowohl für die energetische Nutzung als auch insbesondere für die stoffliche Nutzung geeignet ist.

Wirbelschicht Dampfvergasung

Als Beispiel für eine Wirbelschicht Dampfvergasung mit umlaufenden Wärmeträger wurde der FICFB (Fast Internal Circulating Fluidized Bed) Vergasungsprozess ausgewählt, da eine derartige Anlage in Güssing, AT erfolgreich in Betrieb genommen werden konnte (siehe Abbildung 4). Die Vergasung der Biomasse erfolgt mit Dampf in einer blasenbildenden atmosphärischen Wirbelschicht. Die nötige Wärme wird in einer Brennkammer generiert, die als stark expandierte Wirbelschicht ausgebildet ist. Der Transport der Wärme von der Brennkammer in die Vergasungswirbelschicht erfolgt durch das umlaufende Bettmate.

Zusammensetzung des Produktgases

Wie bereits erläutert, hängt die Zusammensetzung des Produktgases ganz wesentlich vom verwendeten Vergasungsmittels ab. In der Tabelle 2 ist ein Vergleich zwischen den typischen Bereichen der Zusammensetzung der Produktgase aus der autothermen Luftvergasung und der allothermen Dampfvergasung zu sehen.
Das Produktgas aus der Luftvergasung ist gut für die Nutzung als Brenngas in Motoren und Turbinen geeignet. Für Brennstoffzellen und die stoffliche Nutzung haben Gase aus der Dampfvergasung bedeutende Vorteile.

Bezeichnung

Typ

Betreiber, Ort

Brennstoff

Entwicklungsstand

Lurgi

Festbett

SVZ Schwarze Pumpe

Altholz, Kunststoff, Kohle

2 x kommerziell

Texaco

Flugstrom

SVZ Schwarze Pumpe

Feinkörniger Reststoff

kommerziell

Chemrec

Flugstrom

Pitea, SE

Schwarzlauge

Pilotanlage

Renugas

Wirbelschicht

Paia, Hawai

Bagasse

Demonstration

Carbo-V

Flugstrom

COREN, DE

Biomasse

Pilotanlage

Tabelle 1: Verfahren mit Dampf/O2 Vergasung

Abbildung 3: Flugstromreaktor mit Dampf/O2 Druckvergasung

Energetische Nutzung

Bei der energetischen Nutzung wird das erzeugte Produktgas verbrannt und die erzeugte Wärme entweder in Boilern, Industrieöfen, etc. direkt genutzt oder über Kreisprozesse (Gasmotor, Gasturbine) in Strom und Wärme umgewandelt. Dafür können praktisch alle Arten von Gasen verwendet werden, jedoch bevorzugt Gase aus der Luftvergasung, da die Qualität meist ausreichend ist und der Aufwand am geringsten. Im Falle des Einsatzes eines Gasmotors oder einer Gasturbine muss das Gas den Anforderungen entsprechend gereinigt werden.
Bezüglich des elektrischen Wirkungsgrades werden mit Gasmotoren heute 25 bis 27% erreicht. Im Falle des IGCC wurden Werte bis 33% demonstriert. Zukünftig können hier auch Brennstoffzellen in Frage, die höhere Wirkungsgrade aufweisen sollten (40%).

Stoffliche Nutzung

Bei der stofflichen Nutzung geht man meist vom Synthesegas, einer Mischung von H2 und CO, aus. Aus dieser Mischung können verschiedene Produkte synthetisiert werden. Diese Synthesen verwenden Katalysatoren, wofür eine hohe Gasreinheit erforderlich ist. Sie werden heute großtechnisch ausgeführt, wobei als Rohstoff Erdgas, Kohle bzw. Abfälle verwendet werden. Als Vergasungsverfahren für Biomasse eignen sich Verfahren besonders, die hohe Gehalte an H2 und CO aufweisen. Diese sind insbesondere jene, die O2/Dampf bzw. Dampf als Vergasungsmittel benutzen. Zur Einstellung des notwendigen H2/CO Verhältnisses kann eine Shift-Reaktion mit Wasserdampf durchgeführt werden. Um hohe Effizienz zu erzielen muss vor der Synthese auch noch das vorhandene CO2 entfernt werden.

Um heute eine Wirtschaftlichkeit für die stoffliche Nutzung von Gasen aus der Biomassevergasung zu erreichen sind große Leistungen (Economy of Scale) und ein günstiger Brennstoff (Abfallbiomasse) erforderlich.

Parameter

Einheit

Luftvergasung

Dampfvergasung

Heizwert

MJ/m3

4 - 6

12 - 14

H2

%

11 -16

35 - 40

CO

%

13 - 18

25 - 30

CO2

%

12 - 16

20 - 25

CH4

%

3 - 6

9 - 11

N2

%

45 - 60

1

H2/CO

-

0,6 - 1,0

1,2 - 1,6

Tabelle 2: Eigenschaften des Produktgases (trockenes Gas)

Abbildung 4: Allotherme Wirbelschichtvergasung für kombinierte Wärme und Stromerzeugung (Güssing, AT).

 

 

*) Univ.-Prof. Dr. Hermann Hofbauer, Institut für Verfahrenstechnik, Umwelttechnik und Technische Biowissenschaften, Technische Universität Wien, This e-mail address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it. , www.renet.at [^]

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