VL 4 - Regenerative Brennstoffe Flashcards
Biochemische Umwandlung
Biochemische Umwandlung
- Alkoholgärung → Ethanol → flüssiger Brennstoff
- Aerober Abbau → Wärme
- Anaerober Abbau → Biogas
Biogas
Biogas basiert auf der Nutzung der natürlichen Methangärung.
Anaerober Abbauprozess durch viele, voneinander abhängige Bakterienarten.
Natürliche Vorkommen von Biogas:
- Mägen von Wiederkäuern
- Sümpfe
- Schlammschichten
Was bestimmt die Gaszusammensetzung von Biogas?
- Substrat
- Vergärungsbedingungen
- Mikrokulturen
Zusammensetzung von Biogas
- Methan (40-75%)
- CO2 (25-255%)
- Wasserdampf (0-10%)
- Stickstoff (0-5%)
- Wasserstoff (0-1%)
- Ammoniak (0-1%)
- Schwefelwasserstoff (0-1%)
Ausgangsstoffe von Biogas
- Zuckerrübenschnitzel
- Schweinegülle
- Maissilage
- Grassilage
- Roggen-GPS
Vereinfachte Buswell’sche Gleichung
Folie 11
Zur Berechnung der Zusammensetzung von Biogas bei der Bildung von Biogas aus Biomasse.
≡ Basiert auf Stöchiometrie
≡ Vollständige Stoffumwandlung
≡ Vernachlässigung von Schwund durch Neubildung von Biomasse
𝐻2𝑆 und 𝑁𝐻3 entstehen aus Schwefel- und Stickstoffverbindungen im Substrat.
Biogas-Anlangen
Typisches Anlagenschema
Folie 12
Einteilung der Fermentationsverfahren
Nassfermentation:
- hoher Wasseranteil im Substrat
- Rühr- und fließfähig
- kontinuierliche Verfahren
- z.B. Güllenutzung
Trockenfermentation:
- stapelbare, faserige Biomasse
- Batch- oder kontinuierliche Verfahren möglich
- Schnittgut aus der Landschaftspflege
Biogas-Anlagen
Fermenter
Bauform bestimmt durch Vergärungsverfahren.
- Volldurchmischung: Stahl- oder Betondecken mit gasdichter Abdeckung, kann außerdem als Gasspeicher dienen.
- Pfropfenströmungsfermenter: Rohrreaktor, Substrakt wird meist waagerecht durch liegenden Kolben bewegt, gezielte Einstellbarkeit der Verweildauer, nur kleinere Anlagen möglich.
- Batchverfahren: Einheiten werden befüllt und verschlossen, hauptsächlich für mobile Anwendungen und schüttfähiges Substrat.
Biogas-Anlagen
Gausaufbereitung - Verfahrensschritte
- Entschwefelung: Schwefelwasserstoff entsteht bei der Vergärung und ist stark korrosiv. Konzentration vom Substrat abhängig.
- Grobentschwefelung
- Feinentschwefelung
- Gastrocknung: Wasserdampf wird dem Gas entzogen zur Vermeidung von Korrosion und Kondensation → verbesserter Brennwert durch Kühlung unter Taupunkttemperatur.
- Abtrennen von CO2: Erhöhung des Methangehalts auf bis zu 98%.
- Druckwasserwäsche
- Druckwechseladsorption
- physikalische und chemische Waschlösungen
- Membranverfahren
- Konditionierung: Einstellen der geforderten Werte für Trockenheit, Brennwert usw. Auch Odorierung → Nur Erdgasqualität
Biogas - Voraussetzungen zur Einspeisung ins Gasnetz
- Zugang zum Erdgasnetz (Netztopologie=
- Gastechnische Beschaffenheit
- Netzseitige Kapazitätsgrenzen
- -Weitere gastechnische und -wirtschaftliche Anforderungen
Biogas-Anlagen - Abwärmenutzung
Erhöhung der Wirtschaftlichkeit der Anlage
Nutzungsmöglichkeiten:
- Teil der Wärme wird als Prozesswärme selbst benötigt
- Heizungswärme im Winter
- Hackschnitzeltrocknung
- Aquakulturen
- Gärreste-Trocknung
Biogas - Vorteile
- höhere Energieausbeute pro Fläche als andere NaWaRo (Biokraftstoffe)
- Verwendung von Pflanzen- und sonstigen Abfällen
- Verwendung als Erdgasersatz (speicherbar, hohe Energiedichte)
- Düngerqualität der Gärreste ist höher als direkte Ausbringung der Gülle
- Einkommensalternative für den ländlichen Raum
Biogas - Nachteile
- Intensivierung der Landwirtschaft
- Flächenkonkurrenz zu Nahrungsmitteln
- Anstieg der Pachtpreise für Land
Biogas - Verfolgte Strategien zur Verbesserung der Nachhaltigkeit
- Erhöhung der Artenvielfalt im Anbau
- ertragreichere Sorten
- verringerter Einsatz von Pflanzenschutz- und Düngemitteln
- Kaskadennutzung der Rohstoffe
- Wiederverwertung der Reststoffe
Physikalisch-chemische Umwandlung
- Pressung/Extraktion → Pflanzenöl
- Umesterung → Biodiesel
Biokraftstoffe - Einteilung nach Ausgangsmaterial
- Erste Generation: Verwendung von Frucht oder energiereichem Teil. Restliche Pflanze wird als Futtermittel verwendet.
→ Biodiesel, Bioethanol, Pflanzenölkraftstoffe
→ Mais, Zuckerrohe, Zuckerrübe, Weize, Sojabohnen - Zweite Generation: auch schwerer verwertbare Bestandteile wie Cellulose werden genutzt.
→ Biomethan, Biomass-to-liquid (BtL), Bioethanol aus Cellulose - Dritte Generation: Algenkraftstoffe, deutlich höhere Produktivität pro Fläche als Pflanzen
Bioethanol - chemische Zusammensetzung
Besteht aus reinem Ethanol.
Chemische Formel: C2H5OH
Korn → enzymathische Umwandlung → Glukose → Fermentation und Destillation → Bioethanol
Ethanol aus Zuckerrohr vs. Mais
Aus Zuckerrohr:
- hohe Erträge pro ha
- Zucker ist einfach zu extrahieren
- hohe Energieeffizienz, geringe Emissionen
Aus Mais:
- hoher Bedarf an Düngemitteln, die energetisch teuer sind und N2O emittieren
- Stärke muss durch Enzyme in Zucker umgewandelt werden
- geringe Energieeffizienz, hohe Emissionen
Biodiesel - Chemische Zusammensetzung
Besteht aus Fettsäuremethylester (FAME)
Gleichwertige Eigenschaften zu fossilen Dieselkraftstoffen
Umesterung von Pflanzenölen mit Alkoholen wie Methanol und Ethanol
Rapssamen, Sojabohnen, etc. → Mahlen und pressen → Pflanzenöl → Umesterung → Biodiesel (FAME)
(-) hoher Energie- und Pflanzeneinsatz
Biomass-to-Liquid (BtL) Verfahren
Prozesse der 2. Generation bestehend aus:
- Gasification
- Gasreinigung
- Treibstoffsynthese
- Raffination
Biomasse → Gasification→ Syngas (CO, H2, CH4) → Biotreibstoff (durch Treibstoffsynthese) oder BHKWs (direkte Anwendung)
Synthese von Biokraftstoffen
Skizze Folie 46
Fischer-Tropsch-Synthese
𝑛 𝐶𝑂 + 2𝑛 𝐻2 → −𝐶𝐻2 − 𝑛 + 𝑛 𝐻2O
Mithilfe der Fischer-Tropsch-Synthese können synthetische Gase in Biokraftstoffe umgewandelt werden.
Produkte sind hauptsächlich lineare Alkene und Alkine, sowie Alkohole und Aldehyde.
Hauptreaktion ist stark exotherm → Kühlung erforderlich
Länge der entstehenden Ketten von Prozessparametern abhängig:
- Low temperature Fischer Tropsch (LTFT): 200-240°C, langkettige Kohlenwasserstoffe → Diesel
- High temperature Fischer Tropsch (HTFT): 300-350°C, kurze Kohlenwasserstoffe → Benzin
Biokraftstoffe – Verwendung in Verbrennungsmotoren
Physikalische + chemische und kommerzielle Aspekte
Physikalisch und chemisch:
≡Volumetrische und spezifische Energiedichte
≡ Geringe Giftigkeit und Verschmutzung
≡ Viskosität
≡ Nicht korrosiv
≡ Geringe Verdampfungsenthalpie
≡ Verbrennungseigenschaften
Kommerzielle:
≡ Einfache Produktion
≡ Transport- und Lagerfähigkeit
≡ Ökonomisch Sinnvoll
Herausforderungen für Einsatz von Bioethanol
-Eingeschränkte Kaltstart-Fähigkeit
→ Dampfdruck deutlich geringer als bei Benzin
- Bei hohen Ethanolgehalten im Treibstoff steigen die Emissionen an unverbrannten Kohlenwasserstoffen
→ Formaldehyd-Emissionen höher als bei Benzin
→ Acetaldehyd-Emissionen steigen linear mit Ethanolgehalt
→ Partikelemissionen enthalten höhere organische Kohlenwasserstoffe - Ethanol kann konventionelle Kunststoffarten auflösen (Dichtungen!)
- Andere chemische Eigenschaften erfordern eine Anpassung des Betriebs
→ Andere Oktanzahl → anderer Zündzeitpunkt
→ Geringerer Heizwert → andere Einspritzmenge
Herausforderungen für Einsatz von Biodiesel
- Biodiesel kann konventionelle Dichtungen angreifen
→ Undichtigkeit im Treibstoffsystem - Andere Verbrennungseigenschaften erfordern andere Betriebspunkte
→ Anderer Spitzendruck, Einspritzverhalten, Abgasrückführung - Ablagerungen am Einspritzsystem
→ Höherer Wartungsaufwand
→ Geringe Lebensdauer - Betrieb bei kaltem Wetter
- Stabilität der Treibstoffqualität
→ Naturprodukte unterliegen Schwankungen in der Zusammensetzung
→ Feuchtigkeit und Säuregehalt schwanken
