UNTERSUCHUNGEN ZUR VERGASUNG LANDWIRTSCHAFTLICHER ABFÄLLE MIT DEM ZIEL DER STROMERZEUGUNG
Investigating on the gasification suitability of agricultural residues for electricity generation.
M.Sc. Eng. Arig Bakhiet; Dr. rer. nat. Kathrin Gebauer und Dr.-Ing. Klaus Koppe
Technische Universität Dresden, Institut für Energietechnik,
D-01062 Dresden, Deutschland (D)
Abstrakt
Der Einsatz von fester Biomasse in Vergasungsprozessen wird aufgrund ihrer CO2-neutralen Klimabilanz künftig einen höheren Stellenwert bekommen. Ziel der Vergasung ist die Erzeugung eines Produktgases (Synthesegas), das nach einer entsprechenden Konditionierung (Gasaufbereitung) energetisch genutzt werden kann. Im vorliegenden Beitrag werden erste Ergebnisse der Vergasung von Erdnussschalen in einem Festbettvergaser (Pilotanlage der TU Dresden) und die dazu notwendigen brennstoffspezifischen Analysen (im Vergleich zu Holzhackschnitzeln) dargestellt.
Abstract
As a result of international concerns about global warming and so reducing the amount of CO2 in the atmosphere –there will be an increasing interest towards using biomass gasification in power plants. Gasification is a thermal process which aims to produce a flammable gas (synthesis gas) which can be used after conditioning (gas treatment) as a fuel in an energetic process. In this article are the first results of the gasification of groundnut shells in a fixed bed gasifier, (pilot installation at the TU Dresden) and the necessary fuel-specific analyses (in comparison to woodships) are presented.
Key worlds: Biofuels, Elementary analysis, Gasification
1 EINLEITUNG
Bioenergie spielt in vielen Ländern der Welt eine besondere Rolle. Sehr häufig ist diese die einzige Energieform, die zur Verfügung steht. Die Technologien zu ihrer Nutzung sind dabei noch nicht immer sonderlich weit entwickelt. In den Entwicklungsländern werden Biofestbrennstoffe, vor allem in Form von Holz, Nebenprodukten aus der landwirtschaftlichen Produktion (Ernterückstände) und Tierdung genutzt. Dabei ist Holz der mit Abstand bedeutendste biogene Energieträger.
Die große Herausforderung für die Zukunft ist, die Nutzung von Biomasse durch moderne Technologien effizienter, sicherer und umweltschonender zu gestalten. Einer der entscheidenden Gründe für den Einsatz von Bioenergieträgern ist die Vermeidung von Klimagasemissionen, so dass die positiven ökologischen Auswirkungen einer verbesserten und verstärkten Nutzung von Bioenergie im Vordergrund stehen.
Die Energiegewinnung aus Biomasse ist weitgehend CO2-neutral und liefert daher im Gegensatz zu fossilen Brennstoffen nur einen geringen Beitrag zum Treibhauseffekt [1].
2 VERGASUNG
Die Erzeugung von Strom aus Biomasse erfährt seit längerem eine steigende Beachtung. Im Bereich Biomasse-Vergasung und in der nachfolgenden Steuerung, Regelung und Motortechnik wird derzeit stark experimentiert und geforscht. Bei den meisten Verfahren zur Biomassevergasung wird Luft als Vergasungsmittel (0 < Luftzahl < 0,9) eingesetzt und ein Schwachgas (Produktgas) erzeugt [2, 3]. Die Vergasung erfolgt in 3 Schritten (Bild 1). Je nach Prozessführung entstehen mehr oder weniger große Teeranteile, die eine Weiterverwertung erschweren.
Bild 1: Vergasung
In Deutschland werden mehrere Vergasungsverfahren für feste Biomassen in der Demonstration erprobt (Bild 2). Ihre weitere Entwicklung kann nur im Kontext der geltenden rechtlichen und administrativen Randbedingungen zeitgemäß beurteilt werden.
Bild.2 : Vergaserbauarten (Übersicht)
3 ERGEBNISSE
3.1 Analytik der eingesetzten Biomassen
Als Referenzbrennstoff diente naturbelassenes Holz (lufttrocken; Größe < 2 cm; Dicke < 5 cm; Heizwert ca. 15 MJ/kg). Holz ist einer der ältesten und zurzeit bedeutendsten Biomasse-Energieträger.
Als Sekundärbrennstoff kamen Erdnussschalen (ENS) zum Einsatz. Die Erdnuss (Arachis hypogaea), auch Aschanti-, Arachis- oder Kamerunnuss (Bild 3), ist eine Nutzpflanze aus der Familie der Hülsenfrüchtler (Fabaceae oder Leguminosae). Sie ist eine bis zu 80 cm hohe, buschige Pflanze.
Bild 3: Erdnuss
Die Erdnuss ist durch ihre hohen Nährstoffgehalte in den Samen eine für die menschliche Ernährung wertvolle Kulturpflanze. Neben der Bedeutung als Nahrungsmittel hat aber auch die energetische Nutzung an Einfluss gewonnen. Die rohfaserreichen Schalen (Hülsen) dienen als Brennmaterial, für die Papierherstellung und für die Herstellung von Dämmplatten.
Die eingesetzten Brennstoffe werden im Wesentlichen durch ihre physikalischen und chemischen Eigenschaften unterschieden. Die Elementaranalyse ermöglicht Aussagen über die Zusammensetzung der feststoffspezifischen Parameter und bildet die Grundlage für das Vergasungsverhalten sowie zur Reaktionskinetik. Auch die Geometrie (Korngröße, Oberfläche, u. a.) spielt eine Rolle. Die Analytik wurde im eigenen kraftwerkschemischen Labor durchgeführt (Tabelle 1).
Tabelle 1: Elementaranalyse (wasserfreie Substanz)
Die Elementarzusammensetzungen der beiden Biomassen unterscheiden sich nur geringfügig. Beim Stickstoffanteil werden allerdings die Unterschiede im stofflichen Aufbau sichtbar. So haben die Erdnussschalen (mit hohem Eiweißgehalt) einen etwa doppelt so hohen Wert, wie Holz mit dem typischen Lignocellulose-Anteil.
Der Aschegehalt und die -zusammensetzung haben weitreichende Bedeutung für das Vergasungs- und Emissionsverhalten. Die Ergebnisse der Laboruntersuchungen sind in Tabelle 2 dargestellt. Es zeigen sich durchaus signifikante Unterschiede.
Tabelle 2: Ascheanalyse (wasserfreie Substanz; in Masse-%)
Erdnussschalen haben eine deutlich niedrigere Ascheschmelztemperatur im Gegensatz zu Holzhackschnitzel (HHS) (Tabelle 3), was sich in Anpackungen und Ablagerungen niederschlagen wird.
Tabelle 3: Ascheschmelzverhalten (wasserfreie Substanz; Temperaturen in 0C)
3.2 Untersuchungen zum Vergasungsprozess
Die folgenden Untersuchungen wurden an der an der TU Dresden (Institut für Energietechnik) vorhandenen 75-kW-Festbettvergasungs-Pilotanlage (Bild 4) durchgeführt. Der Vergasungsreaktor, ein nach dem Gleichstromprinzip abwärts arbeitender Gaserzeuger, ist eine Stahlkonstruktion mit einer feuerfesten Auskleidung auf der Innenseite und einer rotierenden Lanze zur Zuführung des Vergasungsmittels (Luft) mit keramischem Mundstück. Die Luftversorgung erfolgt über ein drehzahlgesteuertes Gebläse, einen regelbaren Luftvorwärmer und eine Luftlanze mit vorerst metallischem Mundstück. Die Luftlanze ist drehbar und gleichzeitig für eine Homogenisierung der Brennstoffschüttung im Trocknungs- und Pyrolysebereich verantwortlich. Der Brennstoff wird zunächst auf eine bestimmte, für die Vergasung optimierte Korngröße aufbereitet und über eine Schleuse mittels Rohrschneckenförderer dem Vergaser zugeführt. Nach der im Vergaser erfolgten Trocknung, Entgasung und Vergasung entsteht ein Schwachgas, das zunächst (bis zur späteren energetischen Nutzung) in einer Brennkammer verbrannt und anschließend über einen Wärmetauscher (Rauchgaskühlung) und Saugzug in einen Kamin geleitet wird. An der unteren Öffnung des Vergasungsschachtes befindet sich ein rotierender Rost. Die anfallende Asche wird nach Bedarf ausgeschleust. Leittechnik, Sensorik, Steuerung, Visualisierung und Bedienung über Protool Pro 5.0 (lauffähig auf Pentium-Standard-PC) ergänzen die Anlagentechnik. Über den PC wird auch die Anlage gefahren. Gleichzeitig können Versuchsdaten gespeichert und über das Hausnetz zur weiteren Verarbeitung transferiert werden. Die Daten werden in einem MS-Excel kompatiblen Format gesammelt und können dem Auswertungszweck entsprechend selektiert werden. Für die kontinuierliche Gasanalyse stehen verschiedene Systeme zur Verfügung.
Bild 4: 75-kW-Festbett-Vergasungs-Pilotanlage (Schnittdarstellung)
Der Vergaser bietet die Möglichkeit, sowohl die örtlichen Gaszusammensetzungen als auch die Temperaturen im Festbett zu messen und gewährleistet somit eine bessere Prozesstransparenz. Die beim Betrieb mit moderner Experimental- und Messtechnik gewonnenen Ergebnisse fließen später in die Modellierung ein [2, 3, 4].
Eine gezielte Aufbereitung der Biomasse (Korngröße) vor dem Vergasungsprozess ist erforderlich. Nach Zerkleinerung und Trocknung zur Reduzierung des Wassergehaltes erfolgt die Klassierung. Nicht vernachlässigbar ist die Schüttdichte. Diese ist im vorliegenden Fall bei den Holzhackschnitzeln mit 140 kg/m3 etwa doppelt so hoch wie bei den Erdnussschalen mit etwa 60 kg/m3.
Der Vergasungsprozess ist sehr komplex. Erste Ergebnisse der Vergasung von Erdnussschalen liegen vor (Bild 5 und Bild 6).
Der Heizwert des Produktgases schwankt zwischen 3 und 6 MJ/Nm3 und liegt im Mittel bei 4 MJ/Nm3 (Bild 5). Die Zusammensetzung des Produktgases hängt von der Vergasungsatmosphäre (bei den vorliegenden Untersuchungen ist es die autotherme Vergasung mit Luft) ab. Dabei liegt der Anteil von CO und CO2 jeweils zwischen 11 und 22 Vol.-%, von H2 zwischen 6 und 15 Vol.-% und von CH4 zwischen 2 und 6 Vol.-% (Bild 6). Unter diesen Verbindungen leisten Wasserstoff, Kohlenmonoxid und Methan den wesentlichsten Beitrag zum Heizwert [5].
Bild 5: Heizwert des Produktgases von Erdnussschalen
Bild 6: Zusammensetzung des Produktgases von Erdnussschalen
Daneben entstehen feste Rückstände, wie Asche und nicht umgesetzter Kohlenstoff (Koks). Für die spätere thermische Nutzung des Gases ist eine Aufbereitung (Gasreinigung), besonders eine Entteerung, zwingend erforderlich.
4 ÖKOLOGISCHE RAHMENBEDINGUNGEN
Die Eingriffe des Menschen in die Umwelt gefährden bereits heute in weiten Teilen der Erde die natürlichen Lebensgrundlagen. Ohne Gegensteuerung werden Umweltveränderungen in Zukunft in noch größerem Umfang existenzbedrohende Auswirkungen haben. Um zur Schonung endlicher fossiler Rohstoffe und damit zum Umweltschutz beizutragen, ist die energetische Nutzung nachwachsender Rohstoffe angezeigt. Die Vorteile können mittel- bis langfristig zur Lösung von wirtschafts-, umwelt- und gesellschaftsrelevanten Problemen beitragen. Die nachwachsenden Rohstoffe sind weitgehend CO2-neutral. Bei ihrer Nutzung entsteht kein zusätzlicher Treibhauseffekt. Art, Herkunft und Zusammensetzung der Biobrennstoffe bestimmen die umweltrelevanten Kenngrößen. Die wichtigsten umweltrelevanten Aspekte bei der Biomasseverbrennung sind die Emissionen an Schwefeldioxid (SO2), Stickstoffoxiden (NOx) und Staubpartikeln. Diese werden maßgeblich vom Gehalt an Schwefel, Stickstoff, Halogenen und Asche in der Biomasse beeinflusst.
5 WIRTSCHAFTLICHE ASPEKTE
Wirtschaftlichkeit muss Nachhaltigkeit zum Ziel haben. Bioenergie ist ein nicht zu unterschätzender Wirtschaftsfaktor. Der Land- und Forstwirtschaft werden durch nachwachsende Rohstoffe Produktions- und Einkommensalternativen geboten.
Nur eine Wirtschaftsweise, die zu einer ökologischen Gleichgewichts- und Kreislaufwirtschaft führt und sich in die Kreisläufe der Natur einfügt, kann auf Dauer bestehen. Die energetische Biomassenutzung verringert die Importabhängigkeit von beispielweise fossilen Energierohstoffen und steigert die regionale Wertschöpfung.
Für die verschiedenen Anwendungen müssen bekannte Technologien angepasst und neue Verfahren entwickelt werden. Die Auswahl der Standorte wird zum einen durch die Logistik und zum anderen durch die benötigte Endenergie bestimmt. Biomassekraftwerke im MW-Bereich erfordern hohe spezifische Anfangsinvestitionen. Daraus ergibt sich für den Betreiber die Notwendigkeit, für einen wirtschaftlichen Betrieb eine möglichst maximale Jahresnutzung zu erreichen. Wenn es die technische Verfügbarkeit erlaubt, sollten Biomassekraftwerke deshalb im stromgeführten Grundlastbetrieb eingesetzt werden. Dabei werden neue, den Spezifika der Biomasse (geringe Energiedichte und entsprechend hohe Transportvolumina) angepasste Versorgungsstrukturen entstehen, die sich durch dezentrale Erzeugung auszeichnen. Staatliche Förderung und Einspeisevergütung (politische Rahmenbedingungen) machen die Biomassenutzung durchaus für potentielle Investoren interessant. Für einen breiten Durchbruch fehlen noch die Praxiserfahrungen im Dauerbetrieb.
Infolge des großflächigen Anfalls und der geringen Energiedichte stoßen Bioenergieanlagen in aller Regel an eine Leistungsgrenze [4].
6 ZUSAMMENFASSUNG
Trotz der beachtlichen technischen Fortschritte auf dem Gebiet der Biomassevergasung (Festbett- und Wirbelschichtvergasung) befindet sich die technische Entwicklung der Stromerzeugung über die Biomassevergasung nach wie vor im Entwicklungs- und Demonstrationsstadium. Zurzeit bestehen sowohl technische als auch wirtschaftliche Restriktionen bei der Nutzung des im Vergasungsprozess gewonnenen Rohgases zur Stromgewinnung. Dies gilt insbesondere auch für die Anwendung zuverlässiger Gasreinigungssysteme und für fortschrittliche Techniken der Gasverwendung zur Stromerzeugung, beispielsweise über Gasturbinen und die Gasnutzung in Brennstoffzellen. Eine gründliche Gasreinigung und eine optimale Anpassung des Gases an die jeweiligen Forderungen der Anlage sind die Voraussetzungen zur späteren Gasnutzung. Erdnusskerne haben einen hohen Proteingehalt und sind deshalb eine wichtige Ernährungsquelle für viele Länder. Die Schale selbst (als Reststoff) hat einen relativ hohen Heizwert und kann deshalb zur Energiegewinnung genutzt werden. Die Elementaranalyse zeigt, dass wichtige chemische und physikalische Parameter mit denen von Holz vergleichbar sind. Die Asche enthält keine giftigen Komponenten und ist damit als Düngemittel geeignet und kann darüber hinaus auch auf einer Deponie problemlos entsorgt werden.
7 LITERATUR
[1] Koppe, K.; Juchelková, D.: Nutzung der Biomasse/Využívání Biomasy. Studienbrief Deutsch-Tschechisch. Ostrava 2003. 112 Seiten. ISBN 80-7329-035-9
[2] Bernstein, W.; Quang, N. T.; Koppe, K.; Klemm, M.: Energetische Aspekte bei der
Verbrennung und Vergasung von Holz - Experiment und Modellierung –
Vortrag Paderborn 2000. In: Tagungsband Shaker Verlag Aachen 2001, ISBN 3-8265-8641-7, S. 283-297
[3] Koppe, K.; Hiller, A.; Klemm, M.; Schneider, M.: Energetisch sinnvolle und emissionsarme thermische Verwertung von Biomassen, VI. Mezinárodní konferenci Ostrava 2002, S. 151-161
[4] Koppe, K.; Hiller, A.: Wirtschaftliche und ökologische Aspekte beim Einsatz von Biomasse in Anlagen unterschiedlicher Leistungsgröße. VII. Mezinárodní konferenci Ostrava 2003, S. 122-129
[5] Bakhiet, A.: Untersuchungen der Möglichkeiten der Vergasung von landwirtschaftlichen Abfällen zur Erzeugung von Strom im Sudan. In: DFG-Graduiertenkolleg 338 „Lokale innovative Energiesysteme“ Abschlussworkshop 2005, S. 53-56
Autoren:
Bakhiet Gebauer Koppe
Quelle : ENERGETIKA A ŽIVOTNÍ PROSTŘEDÍ – 2005. Ostrava 2005, Tagungsband, ISBN 80-248-0909-5, S. 82-89
Copyright © Koppe 2009
