VL 3 - Biomasse

Question 1

Was ist Biomasse?

Answer 1

Sämtliche Stoffe organischer Herkunft (d.h. kohlenstoffhaltige Materie)

Question 2

Klassifizierung der Biomasse

Answer 2

≡ Primäre Biomasse: direkt durch Photosynthese entstandene Stoffe
→ gesamte Pflanzenmasse

≡ Sekundäre Biomasse: Bildung durch Ab- und Umbau organischer Substanzen in
höheren Organismen (Tiere, Exkremente)

≡ Tertiäre Biomasse: Entstehung durch technische Weiterverarbeitung der
primären/sekundären Biomasse
→ Papier, Holzstühle, Schokolade, Baumwollbekleidung

Question 3

Wie entsteht Biomasse?

Answer 3

Biomasse entsteht im Wesentlichen durch Photosynthese von Pflanzen:

6 CO2 + 6 H2O + Licht → C6H12O6 + 6 O2

∆H ´2870 kJ / mol Glucose

• Aus Zucker (C6H12O6) werden anschließend Makromoleküle (Proteine, Fette, Nukleinsäure) synthetisiert

Question 4

Bestimmung von Wirkungsgraden für Biomasse

Answer 4

• Betrachtung einer ganzen Vegetationsperiode

- Wirkungsgrade der meisten Nutzpflanzen: 0,5 - 2%

Question 5

Prozess der Biomasse

Answer 5

Biomasse → Ernten / Verfügbarmachung, Aufbereitung, Transport, Lagerung → Umwandlung → Brennstoff → Verbrennung → Kraft / Wärme

Diagramm Folie 6

Question 6

Arten von Biomasse

Answer 6

• Ölhaltige Biomasse
• Zuckerhaltige Biomasse
• Stärkehaltige Biomasse
• Halmgutartige Biomasse
• Holzartige Biomasse
• Abfallbiomasse / Reststoffe
• Aquatische Biomasse

Question 7

Ölhaltige Biomasse

Answer 7

Einlagerung von Speicherstoffen als Öle oder Fette in Früchten und Samen.

• Gewinnung des Öls durch Ölextraktion und Kaltpressung.
• Wirtschaftlich relevante Energiepflanzen:
  → Raps
  → Sonnenblume
  → Ölpalme

Question 8

Zuckerhaltige Biomasse

Answer 8

Zucker ist der Ausgangsstoff für die Gewinnung von Bioethanol.

• Kohlenstoffreiche Zuckerbestandteile einer Pflanze können auch durch der anaeroben Vergärung zugeführt werden (Biomethanherstellung)
• Wirtschaftlich relevante Energiepflanzen:
  → Zuckerrübe
  → Zuckerhirse

Question 9

Stärkehaltige Biomasse

Answer 9

Ausgangsstoff für die Gewinnung von Bioethanol und Kraftstoff-Additiven.

• relevante Energiepflanzen:
  → Kartoffel
  → Getreide (Weizen, Roggen, Gerste)
  → Mais

Question 10

Halmgutartige Biomasse

Answer 10

Verwendung:
- Stofflich: Getreidestroh als Tiereinstreu

  - Energetisch:
      →  Nutzung als Biogassubstrat
      →  Thermische Verwertung in Feuerungsanlagen (aber hohe Aschegehalte →  Verschlackung der Feuerung und aufwendige Trocknung)

Question 11

Holzartige Biomasse

Answer 11

Energiewaldanbau auf Kutzumtriebsplantagen (schnell wachsende Baumarten).

Question 12

Holzartige Biomasse

Scheitholz

Answer 12

In Längsrichtung gespaltene Stammholzabschnitte
(+) geringer Energiebedarf zur Bereitstellung
(+) einfache Produktion

 (-) Handbeschickung
 (-) einfache Kaminöfen haben oft schlechten Wirkungsgrad und hohe Emissionen

 →  Produktion: konventionell mit Spaltaxt oder automatisiert mit Sägespaltautomaten

Question 13

Holzartige Biomasse

Holzhackscnitzel

Answer 13

(+) einfache und günstige Herstellung
(+) geringer Energiebedarf zur Bereitstellung

 (-) geringe Energiedichte (Lagerung)

Question 14

Holzartige Biomasse

Holzpellets

Answer 14

(+) genormter Brennstoff
(+) geringe Emissionen
(+) gute Lagerbarkeit, hohe Energiedichte
(+) automatisierter Beschickungsbetrieb

 (-) hoher Fremdenergiebedarf

→ Herstellungsprozess:

 - Sägespanproduktion
 - Trocknung: Wassergehalt von 50% auf 8%
 - Zerkleinerung der Späne in Hammermühle
 - Bedampfen und Erwärmen
 - Matrizenpresse →  Freisetzung von Lignin →  Erhöhung der Haltbarkeit der Pellets
 - Fremdenergiebedarf 5 - 20% des Heizwertes

Question 15

Reststoffe / Abfallbiomasse

Answer 15

• Siedlungsabfälle: wird thermisch endverwertet, kompostiert oder recycelt.
  → Hausmüll, Sperrmüll, Abfälle aus Biotonne
• Exkremente aus der Nutztierhaltung: Einsatz als Wirtschaftsdünger und zur Biogasgewinnung.

Question 16

Aquatische Biomasse

Answer 16

Anbau von Algen, Algenwachstum beruht auf Photosynthese.

(+) keine Ackerlandflächen notwendig
(+) große Ölgehalte → interessant für Biokraftstoffherstellung

Question 17

Aquatische Biomasse

Prozess + Reaktortypen / Produktivität

Answer 17

Prozess (Skizze Folie 27):
- Exponentielles Algenwachstum bis die komplette Lichtmenge von der Algenmasse absorbiert wird

• Anschließend linearer Wachstumsverlauf
• Durchströmung (< 0,5 m/s) des Bioreaktors um gute Durchmischung sicherzustellen und das Fluid zum nächsten Begasungspunkt zu transportieren.
• Gasausgleichsgefäß: CO2-Anreicherung des Mediums und O2-Entfernung

Reaktortypen:
- Geschlossenes System: Rohr- oder Plattenreaktor, hoher Ertrag

• Offenes System: Seen oder künstliche Becken, kostengünstig

Volumetrische Produktivität:
- gebildete Trockenmasse pro Zeit und Reaktorvolumen; übliche Werte 1 g/L*d

Question 18

Umwandlung der Biomasse - Arten

Answer 18

• Thermo-chemische Umwandlung:
  → Vergasung → Produktgas → gasförmiger Brennstoff
  → Pyrolyse → Pyrolyseöl → flüssiger Brennstoff
  → Torrefizierung → (torrefizierte) Festbrennstoffe
• Physikalisch-chemische Umwandlung
  → Pressung/Extraktion → Pflanzenöl → flüssiger Brennstoff
  → Umesterung → Biodiesel → flüssiger Brennstoff
• Biochemische Umwandlung
  → Alkoholgärung → Ethanol → flüssiger Brennstoff
  → Anaerober Abbau → Biogas → gasförmiger Brennstoff
  → Aerober Abbau → Wärme

Question 19

Thermo-chemische Umwandlung

Phasen + technische Prozesse

!!!!!

Answer 19

Abbildung Folie 38!!

Phasen:
- Aufheizung: endotherm bis 200°C, λ = 0

• Pyrolytische Zersetzung: endotherm 150-600°C, λ = 0
• Vergasung: endo-/exotherm 500-1000°C, 0 ≤ λ ≤ 1
• Oxidation: exotherm, 700-1300°C, λ ≥ 1

Technische Prozesse:
- Torrefizierung: Aufheizung

• schnelle/langsame Pyrolyse: Aufheizung, pyrolytische Zersetzung
• Vergasung: Aufheizung, pyrolytische Zersetzung und Vergasung
• “klassische” Verbrennung: Aufheizung, pyrolytische Zersetzung, Vergasung, Oxidation

Question 20

Thermo-chemische Umwandlung

Torrefizierung

Answer 20

Sanfte thermische Behandlung von Biomasse ohne Luftzufuhr.
- Prozesstemperaturen: 250-300°C

• Ziele:
  → Erhöhung der Energiedichte und des Heizwertes (massen- und volumenbezogen)→ Steigerung der Transportwürdigkeit (Massenreduktion und Reduktion des Energiegehalts)→ Reduzierung des Aufwands bei nachfolgenden Zermahlungsprozessen→ Entfernung von Rauch erzeugenden Stoffen→ Verbesserung der Lagerfähigkeit
• Prozessablauf:
  → Vortrocknung und Erhitzung der Biomasse→ teilweise Zersetzung der organischen Makromoleküle unter Freisetzung von H2=, CO2, CO und organischen Säuren→ Endothermer Prozess, austretende gasförmige Komponenten werden zur Wärmebereitstellung genutzt→ Weitere Zerkleinerung des Produkts oder Verarbeitung zu Pellets

Question 21

Thermo-chemische Umwandlung

Pyrolyse

Answer 21

Charakteristiken:
- Inerte oder stark unterstöchiometrische Atmosphäre

• Prozesstemperaturen: 300-700°C
• Austreibung aller flüchtigen Bestandteile
• Abtrennung von Sauerstoff und Wasserstoff aus der organischen Substanz
• Nebenprodukte: Teere, brennbare Gase

Arten:
- Langsame Pyrolyse: langsame Aufheizung, bis 2 K/s
→ Ziel: Herstellung eines festen Produkts mit möglichst hohem Kohlenstoffanteil

 → Steigende Prozesstemperatur: Kohlenstoffanteil im Endprodukt steigt, Wirkungsgrad der Umwandlung von Biomasse zu Endprodukt sinkt

 → Prozessdauer: Minuten bis Stunden

• Schnelle Pyrolyse: schnelle Aufheizung, 1000 bis 10000 K/s
  → Ziel: Herstellung eines flüssigen Sekundärenenergieträgers aus den zersetzten Makromolekülen der Zellulose und des Lignins→ Prozessdauer: Millisekunden bis Sekunden

Question 22

Thermo-chemische Umwandlung

Vergasung

Answer 22

Umwandlung von (v.a. holzartiger) Biomasse mit Hilfe von Vergasungs- oder
Oxidationsmittel in Produkt- bzw. Synthesegas.

Prozessablauf:
≡ Aufheizung der Biomasse

≡ Austritt von Wasserdampf und Sauerstoff ab 150 °C, bei höheren Temperaturen treten Lignin und Cellulose aus

≡ Hinzugabe von Vergasungs- oder Oxidationsmittel (Luft, Sauerstoff, Kohlendioxid oder Wasserdampf)

≡ Teilverbrennung bei 700 – 900 °C und unterstöchiometrischer Gasatmosphäre

≡ Oxidationsprodukte: Kohlenmonoxid, Wasserstoff, Kohlendioxid

≡ Rückstand von Asche und Pflanzenkohleresten

≡ Produktgas wird zur weiteren Verbrennung oder chemischen Synthese verwendet

Prozessdauer: Sekunden- bis Minutenbereich

Prozessarten:
≡ allotherm: Prozesswärme aus externer Wärmezufuhr

≡ autotherm: Prozesswärme aus Teilverbrennung

Vergasertypen:
≡ Festbettvergaser
≡ Wirbelschichtvergaser
≡ Flugstromvergaser

Question 23

Flächenbedarf von Biomasse

Answer 23

Die energetische Nutzung von Biomasse ist mit hohem Flächenbedarf
verbunden

Question 24

Landnutzungsänderungen

(LUC - Land Use Change)

Answer 24

DLUC (Direct land use change): Naturflächen oder Ackerland werden direkt in Anbauflächen für Energiepflanzen
umgewandelt

ILUC (Indirect land use change): Energiepflanzen verdrängen den Anbau von Lebens- und Futtermitteln, wodurch
hierfür andere Flächen (Savannen, Regenwälder) in Ackerland umgewandelt werden

Question 25

Einflussfaktoren auf den Nahrungsmittelpreis

Answer 25

= Missernten aufgrund von Wetterextremen

= Lagerbestände

= Weltbevölkerung(-swachstum)

= Agrarhandel (viele Entwicklungsländer sind Lebensmittelimporteure)

= Erdölpreis bestimmt Kosten für Betriebsmittel (Dünger, Kraftstoffe)

= Marktspekulationen

= vor allem: Anstieg des Milch- und Fleischkonsums

Question 26

Normvolumen

Answer 26

Beschreibt das Volumen eines Gases unter Normbedingungen.

Question 27

Luftbedarf l

Answer 27

Beschreibt die Stoffmenge an Luft, die pro Sekunde zur Verbrennung benötigt wird

Question 28

Luftverhältnis λ

Answer 28

Beschreibt das Verhältnis des Luftbedarfs der Verbrennung zum Luftbedarf bei stöchiometrischer Verbrennung