Biogene Reststoffe sind pflanzliche Reststoffe aus der Industrie und Abfälle wie sie in Gemeinden anfallen. Beispiele dafür sind Klärschlamm, Lignin und Rinde. Lässt man feste Abfälle wie etwa Rinde einfach offen verrotten, geht Energiepotenzial verloren. Den festen Abfall zu verbrennen, um Strom- und Wärme zu erzeugen, ist ein erster Ansatz aber noch nicht die perfekte Lösung. Denn dabei kann Energie zwar genutzt, aber nicht gespeichert werden.
Ein anderer Ansatz ist es, aus den biogenen Reststoffen ein brennbares Produktgas (Brenngas) zu erzeugen. Dabei werden Vergasungsmittel wie Wasserdampf, Luft, Sauerstoff oder Kohlendioxid verwendet. Bestehende Technologien, wie das bei Holzvergasungskraftwerken gängige Festbett-Luft-Vergasungs-Verfahren, weisen allerdings einen entscheidenden Nachteil auf: das erzeugte Produktgas hat einen hohen Anteil an Stickstoff. Für die Strom- und Wärmeproduktion ist dies unerheblich. Will man das Produktgas aber in grünes Gas (synthetisches Erdgas) umwandeln, dann muss man es zuvor aufwändig vom Stickstoff reinigen.
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Weiters problematisch an Festbett-Vergasungsverfahren ist, dass diese eine homogene Brennstoffzusammensetzung erfordern. Das ist bei pflanzlichen Reststoffen aus der Industrie und Abfällen in Gemeinden aber nicht gegeben. Die chemische Zusammensetzung, sowie Asche- und Wassergehalt variieren.
Zweibettwirbelschicht-Verfahren
Am Institut für Verfahrenstechnik, Umwelttechnik und Technische Biowissenschaften an der TU Wien, forscht man schon seit mehreren Jahrzehnten an einer CO2-neutralen Technologie für die Umwandlung von biogenen Reststoffen in alternative Energie. Aus dieser Forschung ging das Zweibettwirbelschicht-Verfahren hervor, das bereits auf Industrieebene eingesetzt wird, um Gas aus Hackschnitzel und Waldhackgut zu erzeugen. Entsprechende Anlagen werden in Österreich, Deutschland und Schweden sowie im asiatischen Raum betrieben.
Im laufenden Projekt ReGas4Industry forscht das Institut gemeinsam mit der SMS Group, einem global agierenden Partner für die Metallindustrie. Das Team entwickelte eine Versuchsanlage, die für ein breiteres Spektrum an biogenen Reststoffen (Brennstoffen) geeignet ist. Verschiedene Prozessketten erlauben nicht nur die Herstellung von synthetischem Gas, auch hochreiner Wasserstoff und flüssige Treibstoffe mit dieselähnlichen Eigenschaften können erzeugt werden. Wobei die Erzeugung von Wasserstoff im Projekt nicht betrachtet wird.
Darüberhinaus löst die Versuchsanlage auch das Problem mit dem Stickstoff. Dieser ist im erzeugten Produktgas kaum vorhanden, das heißt, das Syntheseverfahren wird nicht erschwert.
Mit der Versuchsanlage sollen die Brennstoffeigenschaften verschiedener biogener Reststoffe untersucht werden. Der Fokus liegt auf Klärschlamm, Gärresten einer Biogasanlage, Rejekten aus der Papier- und Zellstoffindustrie sowie Rinde und Lignin.
Vergasung der biogenen Reststoffe
Der Prozess wird über zwei Reaktoren geführt: einem zur Gaserzeugung und einem zur Verbrennung. Grundlage für die verschiedenen Synthesen ist das Produktgas. Es entsteht im Gaserzeugungsreaktor, wo die biogenen Reststoffe hoher Temperatur und Wasserdampf ausgesetzt werden. Jene Teile der biogenen Reststoffe, die nicht in Gas umgewandelt werden, gelangen in den Verbrennungsreaktor. Dort werden sie verbrannt und liefern die erforderliche Energie für die Gaserzeugung. Die Wärmeübertragung erfolgt mit heißem Sand, der zwischen den Reaktoren zirkuliert.
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In einem weiteren Schritt gelangt das Produktgas in eine angeschlossene Gasreinigungsstrecke und Synthese-Apparatur, wo es erst gereinigt und dann der Synthese (Methanisierung) zugeführt wird. Dabei wird das im Produktgas enthaltene Kohlenmonoxid oder auch Kohlendioxid mit Wasserstoff zu synthetischem Erdgas umgewandelt. Die alternativen Energien, die aus dem Verfahren hervorgehen, sind Methan und Hythane. Hythane sind eine Mischung aus Wasserstoff und Methan.
In der Synthese untersuchen die Forschenden grundlegende Reaktionen und Mechanismen der verschiedenen biogenen Reststoffe. Sie modellieren die Versuche mittels Prozesssimulation, um Daten zu Technik, Wirtschaftlichkeit und Umweltfreundlichkeit zu sammeln. So sollen die Potenziale für eine industrielle Umsetzung aufgezeigt werden.
Kohlendioxid versus Wasserdampf
In der Regel erfolgt die Vergasung mit Wasserdampf, weil man für diverse Synthesereaktionen einen höheren Anteil an Wasserstoff braucht. In der Versuchsanlage an der TU Wien kann alternativ zu Wasserdampf auch CO2 beziehungsweise eine Mischung aus CO2 und Wasserdampf eingesetzt werden.
Vergast man biogene Reststoffe mit Kohlendioxid, dann hat man höhere Anteile von Kohlenmonoxid im Produktgas. Dadurch kann man ein Recycling von CO2 erwirken. Weil aus dem CO2 wieder CO2 entsteht, welches man dann in Synthesen oder als Brenngas verwenden kann. Darüberhinaus könnte dieses Produktgas auch für ein Power-to-Gas-Konzept genutzt werden. „Wenn wir mit Kohlendioxid vergasen, haben wir einen höheren Kohlenmonoxidanteil im Produktgas. Um dieses Gas nun methanisieren zu können, ist es nötig, zusätzlichen Wasserstoff durch zum Beispiel Elektrolyse zuzuführen. Der Wasserstoff im Produktgas reicht dabei nicht aus“, erklärt Projektmitarbeiter Alexander Bartik vom Institut für Verfahrenstechnik, Umwelttechnik und Technische Biowissenschaften an der TU Wien.
Biogene Reststoffe im Test
Die Versuche laufen seit April 2019 und die Forschenden haben schon einige biogene Reststoffe in der Gaserzeugung getestet. Dabei ließen sich selbst Kunststoffabfälle aus sortiertem Hausmüll in Gas umwandeln. „Das ist kein biogener Reststoff und auch nicht CO2-neutral, aber zumindest könnte der Kohlenstoff noch einmal in einen Energieträger umgewandelt werden, bevor er in die Atmosphäre entweicht“, erklärt Bartik.
Am vielversprechendsten waren jedoch Rinde und Klärschlamm. Aus den in Österreich vorhandenen Ressourcen an Rinde könnten etwa 10,5 Petajoule synthetisches Erdgas gewonnen werden, aus den Ressourcen an Klärschlamm 1,3 Petajoule. Das entspricht rund 3,7 Prozent des jährlichen Erdgasverbrauchs in Österreich und würde eine enorme Einsparung an CO2-Äquivalenten bringen: Schon der Ersatz von 1 Prozent Erdgas durch synthetisches Erdgas bringt eine Einsparung von 121.600 Tonnen CO2-Äquivalenten pro Jahr.
Allerdings „sind die Potenziale enden wollend“, erklärt Florian Benedikt vom Institut für Verfahrenstechnik, Umwelttechnik und Technische Biowissenschaften an der TU Wien. Weil sie an die lokale Verfügbarkeit von biogenen Reststoffen gebunden sind. „Es wäre nicht sinnvoll, biogene Reststoffe aus anderen Ländern oder gar Kontinenten zu importieren. Man müsste dann wirklich dezentrale Lösungen aufbauen“, so Benedikt.
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Rinde wäre auch aus technischer Sicht vorzuziehen, weil sie von den betrachteten biogenen Reststoffen die besten Brennstoffeigenschaften hat und hochwertiges Produktgas hervorbringt. Die Qualität von Produktgas aus Klärschlamm ist im Vergleich schlechter und muss stärker aufgereinigt werden. Klärschlamm wäre jedoch aus wirtschaftlicher Sicht vorzuziehen, so die Forschenden. Denn für die Entsorgung von Klärschlamm wird bezahlt. Dadurch hat dieser einen negativen Preis.
Biogene Reststoffe in der Industrie
Das in der Versuchsanlage erzeugte synthetische Erdgas (SNG) ist für das Einspeisen ins Gasnetz geeignet und kann ganz allgemein fossiles Erdgas ersetzen. In der industriellen Anwendung könnte es aber auch durch das kostengünstigere Brenngas Hythan ersetzt werden, dessen Gewinnung ebenfalls im Projekt ReGas4Industry untersucht wird. Geeignete Industriezweige sind jene, in denen Hochtemperaturprozesse eingesetzt werden. Beispiele sind die Drehrohrofen in der Papier- und Zellstoffindustrie sowie in der Zementindustrie, die zum Kalkbrennen verwendet werden. Auch für die Hochöfen, wie sie in der Stahlindustrie verwendet werden, könnte man das synthetische Erdgas einsetzen.
Im laufenden Projekt liegt der Fokus auf der Papier- und Zellstoffindustrie sowie weiteren energie-intensiven Industrien. Dabei werden deren biogene Reststoffe und übliche Ersatzbrennstoffe wie zum Beispiel Rinde betrachtet.
Österreich hat hohe Holzvorkommen. Die Hälfte der Staatsfläche ist mit Wald bedeckt. Daraus folgt eine dynamische Papier- und Zellstoffindustrie, die 2019 einen Umsatz von 4,2 Milliarden Euro erlöste (Quelle: Austropapier).
Zum Projekt ReGas4Industry
Das Projekt wird aus Mitteln des Klima-und Energiefonds gefördert und im Rahmen des Programms Energieforschung e!MISSION durchgeführt. Projektpartner sind die SMS group Process Technologies GmbH, ein global agierender Partner für die Metallindustrie, und die Energy & Chemical Engineering GmbH, ein Ingenieurbüro für Verfahrenstechnik in Wien.
