VL 4 - Regenerative Brennstoffe

Question 1

Biochemische Umwandlung

Answer 1

• Alkoholgärung → Ethanol → flüssiger Brennstoff
• Aerober Abbau → Wärme
• Anaerober Abbau → Biogas

Question 2

Biogas

Answer 2

Biogas basiert auf der Nutzung der natürlichen Methangärung.

Anaerober Abbauprozess durch viele, voneinander abhängige Bakterienarten.

Natürliche Vorkommen von Biogas:
- Mägen von Wiederkäuern

• Sümpfe
• Schlammschichten

Question 3

Was bestimmt die Gaszusammensetzung von Biogas?

Answer 3

• Substrat
• Vergärungsbedingungen
• Mikrokulturen

Question 4

Zusammensetzung von Biogas

Answer 4

• Methan (40-75%)
• CO2 (25-255%)
• Wasserdampf (0-10%)
• Stickstoff (0-5%)
• Wasserstoff (0-1%)
• Ammoniak (0-1%)
• Schwefelwasserstoff (0-1%)

Question 5

Ausgangsstoffe von Biogas

Answer 5

• Zuckerrübenschnitzel
• Schweinegülle
• Maissilage
• Grassilage
• Roggen-GPS

Question 6

Vereinfachte Buswell’sche Gleichung

Answer 6

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.

Question 7

Biogas-Anlangen

Typisches Anlagenschema

Answer 7

Folie 12

Question 8

Einteilung der Fermentationsverfahren

Answer 8

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

Question 9

Biogas-Anlagen

Fermenter

Answer 9

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.

Question 10

Biogas-Anlagen

Gausaufbereitung - Verfahrensschritte

Answer 10

1. Entschwefelung: Schwefelwasserstoff entsteht bei der Vergärung und ist stark korrosiv. Konzentration vom Substrat abhängig.
   
   • Grobentschwefelung
   • Feinentschwefelung
2. Gastrocknung: Wasserdampf wird dem Gas entzogen zur Vermeidung von Korrosion und Kondensation → verbesserter Brennwert durch Kühlung unter Taupunkttemperatur.
3. Abtrennen von CO2: Erhöhung des Methangehalts auf bis zu 98%.
   
   • Druckwasserwäsche
   • Druckwechseladsorption
   • physikalische und chemische Waschlösungen
   • Membranverfahren
4. Konditionierung: Einstellen der geforderten Werte für Trockenheit, Brennwert usw. Auch Odorierung → Nur Erdgasqualität

Question 11

Biogas - Voraussetzungen zur Einspeisung ins Gasnetz

Answer 11

• Zugang zum Erdgasnetz (Netztopologie=
• Gastechnische Beschaffenheit
• Netzseitige Kapazitätsgrenzen
• -Weitere gastechnische und -wirtschaftliche Anforderungen

Question 12

Biogas-Anlagen - Abwärmenutzung

Answer 12

Erhöhung der Wirtschaftlichkeit der Anlage

Nutzungsmöglichkeiten:
- Teil der Wärme wird als Prozesswärme selbst benötigt

• Heizungswärme im Winter
• Hackschnitzeltrocknung
• Aquakulturen
• Gärreste-Trocknung

Question 13

Biogas - Vorteile

Answer 13

• 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

Question 14

Biogas - Nachteile

Answer 14

• Intensivierung der Landwirtschaft
• Flächenkonkurrenz zu Nahrungsmitteln
• Anstieg der Pachtpreise für Land

Question 15

Biogas - Verfolgte Strategien zur Verbesserung der Nachhaltigkeit

Answer 15

• Erhöhung der Artenvielfalt im Anbau
• ertragreichere Sorten
• verringerter Einsatz von Pflanzenschutz- und Düngemitteln
• Kaskadennutzung der Rohstoffe
• Wiederverwertung der Reststoffe

Question 16

Physikalisch-chemische Umwandlung

Answer 16

• Pressung/Extraktion → Pflanzenöl

- Umesterung → Biodiesel

Question 17

Biokraftstoffe - Einteilung nach Ausgangsmaterial

Answer 17

• 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

Question 18

Bioethanol - chemische Zusammensetzung

Answer 18

Besteht aus reinem Ethanol.

Chemische Formel: C2H5OH

Korn → enzymathische Umwandlung → Glukose → Fermentation und Destillation → Bioethanol

Question 19

Ethanol aus Zuckerrohr vs. Mais

Answer 19

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

Question 20

Biodiesel - Chemische Zusammensetzung

Answer 20

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

Question 21

Biomass-to-Liquid (BtL) Verfahren

Answer 21

Prozesse der 2. Generation bestehend aus:

• Gasification
• Gasreinigung
• Treibstoffsynthese
• Raffination

Biomasse → Gasification→ Syngas (CO, H2, CH4) → Biotreibstoff (durch Treibstoffsynthese) oder BHKWs (direkte Anwendung)

Question 22

Synthese von Biokraftstoffen

Answer 22

Skizze Folie 46

Question 23

Fischer-Tropsch-Synthese

Answer 23

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

Question 24

Biokraftstoffe – Verwendung in Verbrennungsmotoren

Physikalische + chemische und kommerzielle Aspekte

Answer 24

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

Question 25

Herausforderungen für Einsatz von Bioethanol

Answer 25

-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

Question 26

Herausforderungen für Einsatz von Biodiesel

Answer 26

• 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