VL 3 - Biomasse Flashcards
- Entstehungsprozess und chemischer Aufbau von Biomasse - Arten von Biomasse und ihre Verwendungsmöglichkeiten - Formen der termo-chemischen Umwandlung und ihre qualitative Beschreibung - Bewertung der Biomassennutzung vor dem Hintergrund der Nachhaltigkeit und des Flächenbedarfs
Was ist Biomasse?
Sämtliche Stoffe organischer Herkunft (d.h. kohlenstoffhaltige Materie)
Klassifizierung der Biomasse
≡ 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
Wie entsteht Biomasse?
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
Bestimmung von Wirkungsgraden für Biomasse
- Betrachtung einer ganzen Vegetationsperiode
- Wirkungsgrade der meisten Nutzpflanzen: 0,5 - 2%
Prozess der Biomasse
Biomasse → Ernten / Verfügbarmachung, Aufbereitung, Transport, Lagerung → Umwandlung → Brennstoff → Verbrennung → Kraft / Wärme
Diagramm Folie 6
Arten von Biomasse
- Ölhaltige Biomasse
- Zuckerhaltige Biomasse
- Stärkehaltige Biomasse
- Halmgutartige Biomasse
- Holzartige Biomasse
- Abfallbiomasse / Reststoffe
- Aquatische Biomasse
Ölhaltige Biomasse
Einlagerung von Speicherstoffen als Öle oder Fette in Früchten und Samen.
- Gewinnung des Öls durch Ölextraktion und Kaltpressung.
- Wirtschaftlich relevante Energiepflanzen:
→ Raps
→ Sonnenblume
→ Ölpalme
Zuckerhaltige Biomasse
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
Stärkehaltige Biomasse
Ausgangsstoff für die Gewinnung von Bioethanol und Kraftstoff-Additiven.
- relevante Energiepflanzen:
→ Kartoffel
→ Getreide (Weizen, Roggen, Gerste)
→ Mais
Halmgutartige Biomasse
Verwendung:
- Stofflich: Getreidestroh als Tiereinstreu
- Energetisch:
→ Nutzung als Biogassubstrat
→ Thermische Verwertung in Feuerungsanlagen (aber hohe Aschegehalte → Verschlackung der Feuerung und aufwendige Trocknung)
Holzartige Biomasse
Energiewaldanbau auf Kutzumtriebsplantagen (schnell wachsende Baumarten).
Holzartige Biomasse
Scheitholz
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
Holzartige Biomasse
Holzhackscnitzel
(+) einfache und günstige Herstellung
(+) geringer Energiebedarf zur Bereitstellung
(-) geringe Energiedichte (Lagerung)
Holzartige Biomasse
Holzpellets
(+) 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
Reststoffe / Abfallbiomasse
- Siedlungsabfälle: wird thermisch endverwertet, kompostiert oder recycelt.
→ Hausmüll, Sperrmüll, Abfälle aus Biotonne - Exkremente aus der Nutztierhaltung: Einsatz als Wirtschaftsdünger und zur Biogasgewinnung.
Aquatische Biomasse
Anbau von Algen, Algenwachstum beruht auf Photosynthese.
(+) keine Ackerlandflächen notwendig
(+) große Ölgehalte → interessant für Biokraftstoffherstellung
Aquatische Biomasse
Prozess + Reaktortypen / Produktivität
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
Umwandlung der Biomasse - Arten
- 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
Thermo-chemische Umwandlung
Phasen + technische Prozesse
!!!!!
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
Thermo-chemische Umwandlung
Torrefizierung
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
Thermo-chemische Umwandlung
Pyrolyse
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
Thermo-chemische Umwandlung
Vergasung
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
Flächenbedarf von Biomasse
Die energetische Nutzung von Biomasse ist mit hohem Flächenbedarf
verbunden
Landnutzungsänderungen
(LUC - Land Use Change)
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
Einflussfaktoren auf den Nahrungsmittelpreis
= 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
Normvolumen
Beschreibt das Volumen eines Gases unter Normbedingungen.
Luftbedarf l
Beschreibt die Stoffmenge an Luft, die pro Sekunde zur Verbrennung benötigt wird
Luftverhältnis λ
Beschreibt das Verhältnis des Luftbedarfs der Verbrennung zum Luftbedarf bei stöchiometrischer Verbrennung
