BACHELORARBEIT
im Studiengang Wirtschaftsingenieurwesen
Thema:
Betrachtung der Anwendbarkeit und Wirtschaftlichkeit des
Verfahrens der Hydrothermalen Karbonisierung für die
Städtische Werke AG Kassel unter Berücksichtigung des
Klima- und Ressourcenschutzes
vorgelegt von
Tobias Helmut Freitag
am
26.05.2010
FAKULTÄT
RESSOURCENMANAGEMENT
GÖTTINGEN
[I]
Inhaltsverzeichnis
Abbildungsverzeichnis...III
Tabellenverzeichnis... ..................................V
Abkürzungsverzeichnis...VI
1 Einleitung...1
1.1 Problemstellung...1
1.2 Zielsetzung...3
2 Grundlagen...4
2.1 Das Unternehmen Städtische Werke AG Kassel...4
2.2 Erläuterung des HTC-Verfahrens...6
2.3 Beschreibung ausgewählter Inputstoffe und ihre HTC-Eignung...11
2.3.1 Gärreste...14
2.3.2 Straßenbegleitgrün...16
2.3.3 Landschaftpflegematerial...18
2.3.4 Weichorganik aus Grünabfall zur Kompostierung...20
2.4 Energiebilanz des HTC-Verfahrens...22
3 Anwendbarkeit des Verfahrens für die Städtische Werke AG...24
3.1 Stand der Technik von HTC-Anlagen...24
3.2 Betrachtung möglicher Produkte des HTC-Verfahrens...28
3.2.1 Industriekohle...30
3.2.2 Mittel zur Steigerung der Funktionalität von Böden...33
3.3 Anforderungen an Unternehmen und Auswahlverfahren...37
Inhaltsverzeichnis
[II]
3.4 Wirtschaftlichkeitsbetrachtung...39
3.5 Betrachtung möglicher Einsatzbereiche...42
3.6 Bewertung der Nutzung/ Inanspruchnahme öffentlicher Fördermittel...46
4 Betrachtung des Klima- und Ressourcenschutz...49
4.1 Nachhaltigkeit des HTC- Verfahrens...49
4.2 Wirtschaftlichkeit unter Berücksichtigung der CO
2
- Einsparung...52
5 Diskussion und Fazit...56
6 Zusammenfassung...59
Literaturverzeichnis...IX
Anhang...XVIII
Inhaltsverzeichnis
[III]
Abbildungsverzeichnis
Abb. 1: Anteil erneuerbarer Energien am Endenergieverbrauch in Deutschland...2
Abb. 2: Einfache Darstellung der Funktionsweise einer HTC- Anlage...6
Abb. 3: Schema des Prozesses der Inkohlung...7
Abb. 4: Auswahl von Aufspaltungsverfahren von Kohlehydraten...8
Abb. 5: Mögliche Wege der Nutzung von HTC-Produkten...10
Abb. 6: Schematischer Aufbau typischer Bereitstellungsketten zur End- bzw. Nutzenergie-
bereitstellung aus Biomasse...11
Abb. 7: Das Potenzial an Biomasse von Hessen...19
Abb. 8: Erfasste Bio- und Grünabfallmengen...20
Abb. 9: Grobes Schema der Energiebilanz unter Angabe des Wirkungsgrades
...
22
Abb. 10: Weitergehendes Schema zur Energiebilanz...23
Abb. 11: Übersicht über die Anwendung des BImSchG...24
Abb. 12: HTC- Reaktor im Technikumsmaßstab...26
Abb. 13: HTC-Kohle...31
Abb. 14: Rangfolge organischer Materie sortiert nach ihrer Bandbreite an Humusäquivalen-
ten...35
Abb. 15: Der Datenerfassungsbogen...37
Abb. 16: Der Kohlenstoffkreislauf...49
Abb. 17: Übersicht über das HTC-Potenzial von Biomassen in Deutschland...51
Abb. 18: Vereinfachtes Prozessablaufdiagramm der Durchführung von JI- und CDM-
Klimaschutzprojekten...53
Abb. 19: Grafische Darstellung von JI- Projekten...54
Abb. 20: Aufbau einer HTC-Pilotanlage...58
Abbildungsverzeichnis
[IV]
Abb. 21: Die Organisations- und Konzernstruktur der Kasseler Verkehrs- und Versorgungs-
GmbH...XVIII
Abb. 22: Geldwertrechner...XIX
Abb. 23: Vereinfachtes Verfahrensbild des Herstellungsprozesses eines HTC-
Produktes...XX
Abb. 24: Einsatz von Energieträgern bei der Stromerzeugung von 1990 2008...XXI
Abb. 25: Gehalte an organischer Substanz...XXII
Abb. 26: Separierte Gärreste am Beispiel der Schwälmer Biogas GmbH & Co. KG...XXIII
Abb. 27: Separationsanlage von Gärresten am Beispiel der Schwälmer Biogas GmbH & Co.
KG...XXIII
Abb. 28: Berechnung des Verkaufspreis einer Tonne HTC-Mutterboden mit einer kalkulato-
rischen Verzinsung von 5%...XXIV
Abb. 29: Berechnung des Überschusses pro Jahr (Ergebnis nach Steuern)...XXV
Abb. 30: Berechnung der Vorteilhaftigkeit der Investition...XXVI
Abb. 31: Prozessablaufdiagramm vom Antrag bis zum Zuwendungsvertrag zum Erhalt öf-
fentlicher Fördermittel durch die Hessen Agentur GmbH...XXVII
Abb. 32: Projektverlaufsplan...XXVIII
Abb. 33: Prinzip des Emissionshandels in der EU anhand eines Beispiels...XXIX
Abbildungsverzeichnis
[V]
Tabellenverzeichnis
Tab. 1: Übersicht der wesentlichen Prozessparameter...9
Tab. 2: Nährstoffgehalte von beispielhaften Gärresten...14
Tab. 3: Mögliche Vergütungen für Straßenbegleitgrün nach EEG...17
Tab. 4: Mögliche Vergütungen für Grünabfall nach EEG...21
Tab. 5: Tendenzielle Verteilung der Kohlenstofffraktion in die HTC-Produktphase...28
Tab. 6: Mögliche Vergütungen für Biomasseheizkraftwerke nach EEG...32
Tab. 7: Szenario des Betriebs einer HTC-Anlage...39
Tab. 8: Potentielle Produkte ,HTC-Mutterboden`...43
Tab. 9: Potentielle Produkte ,HTC-Kohle`...44
Tab. 10: Potentielle Produkte aus dem Prozesswasser, Abwärme und Gase...45
Tab. 11: Vergleich der Anforderungen der Projektskizze mit der Projektidee...48
Tab. 12: Potentielle Produkte und derzeitig diskutierte Anwendungsfelder...57
Tab. 13: Berechnung des Kapitalwerts C
0
mit Hilfe zweier Versuchszinssätze...XXVII
Tabellenverzeichnis
[VI]
Abkürzungsverzeichnis
Abb...Abbildung
AbfKlärV...Klärschlammverordnung
Abs...Absatz
AbwV...Abwasserverordnung
AG...Aktiengesellschaft
BImSchG...Bundes-Immissionsschutzgesetz
BImSchV (pl.)...Verordnungen zur Durchführung des Bundes-Immissionsschutzgesetzes
BioAbfV...Bioabfallverordnung
BiomasseV ...Biomasseverordnung
BMHKW...Biomasseheizkraftwerk
BMKW... Biomassekraftwerk
BSB...Biochemischer Sauerstoffbedarf
C...Kohlenstoff
CDM...Clean Development Mechanism
CO
2
...Kohlenstoffdioxid
CSB...Chemischer Sauerstoffbedarf
d.h...das heißt
EEG...Erneuerbare-Energien-Gesetz
EEWärmeG...Erneuerbare-Energien-Wärmegesetz
ERU...Emission Reduction Unit
et al...und andere
etc...et cetera
Abkürzungsverzeichnis
[VII]
EU... Europäische Union
EUR...Euro (Währungseinheit)
GmbH & Co. KG...
Gesellschaft mit beschränkter Haftung & Compagnie Kommanditgesellschaft
GmbH...Gesellschaft mit beschränkter Haftung
HTC...Hydrothermale Karbonisierung
i.V.m...in Verbindung mit
JI ...Joint Implementation
JISC...Joint Implementation Supervisory Committee
KAK... Kationenaustauschkapazität
K
CAL
...Kalium
kg...Kilogramm
KMU... Kleineres und mittleres Unternehmen
KrW-/ AbfG...Kreislaufwirtschafts- und Abfallgesetz
kWh...Kilowattstunde
KWK...Kraft-Wärme-Kopplung
KWKG... Kraft-Wärme-Kopplungsgesetz
l...Liter
m²...Quadratmeter
MgCaCl
2
...Magnesium
Mio...Millionen
MJ...Megajoule
mm...Millimeter
N...Stickstoff
Abkürzungsverzeichnis
[VIII]
Nawaro...Nachwachsende Rohstoffe
NH
3
...Ammoniak
Nr...Nummer
o.S...ohne Seite
O
2
...Sauerstoff
p.a...per annum
P
CAL
...Phosphor
PDD...Project Design Document
pH...pondus Hydrogenii
PuD-Vorhaben...Präsentations- und Demonstrationsvorhaben
STW AG ...Städtische Werke AG Kassel
t...Tonne
TA...Technische Anleitung
TM...Trockenmasse
TOC... Total Organic Carbon
TS...Trockensubstanz
TS-Gehalt...Trockensubstanzgehalt
Abkürzungsverzeichnis
[1]
1 Einleitung
1.1 Problemstellung
In einer Mitteilung an den Europäischen Rat und das EU-Parlament namens ,Eine Energie-
politik für Europa` aus dem Jahr 2007 skizziert die Kommission der Europäischen Gemein-
schaften die Energiepolitik der Zukunft.
Dem Inhalt sind folgende Zielformulierungen zu entnehmen:
1.
Es soll die Versorgung mit Energie sichergestellt werden, da Energie nicht nur die
Basis für jede wirtschaftliche Betätigung bildet, sondern auch zu den elementaren
Grundbedürfnissen der individuellen Existenz zählt. Dabei gilt es, den Verbrauchern
Energiesicherheit zu erschwinglichen Preisen zu bieten.
2.
Gleichzeitig soll der Grundsatz der Nachhaltigkeit gewahrt und die Umwelt geschont
werden. Dazu gehört, dass mit Ressourcen sparsam umgegangen wird und der
Mensch sowie Luft, Wasser, Boden, Tiere, Pflanzen, biologische Vielfalt, Kultur- und
Sachgüter vor Gefahren und sonstigen Beeinträchtigungen geschützt werden. Unter
Umweltaspekten am bedeutsamsten ist neben der Schonung der Ressourcen vor al-
lem der Klimaschutz.
3.
Energiepolitische Maßnahmen sollen zudem die Wettbewerbsfähigkeit der europä-
ischen Wirtschaft sichern. Es soll Energie zu erschwinglichen Preisen zur Verfügung
gestellt sowie Beschäftigung und Wachstum gefördert werden (vgl. Kommission der
Europäischen Gemeinschaften 2007).
Diese Zielformulieren finden Berücksichtigung in Gesetzen, vielmehr aber auch in der ener-
giepolitischen, strategischen Ausrichtung von EU- Mitgliedsländern und ihren nachgelager-
ten Gebietskörperschaften.
Die hieraus geforderte Umstellung auf dezentral produzierte, erneuerbare Energieträger auf
nachhaltiger Basis ist ein Prozess von langer Dauer. Abbildung 1 verdeutlicht, dass selbst
im Jahr 2008 noch über 90% der verbrauchten Energie fossilen und atomaren Energieträ-
gern zuzuschreiben ist, obwohl die Bundesrepublik Deutschland in hohem Maße private
Investitionen in Windkraft-, Photovoltaik- oder Biogasanlagen mit dem Erneuerbare-
Energien-Gesetz und seiner Einspeisevergütungen fördert. Fakt ist, dass ein Verfahren al-
lein die bisherigen Energieträger nicht zu 100% substituieren kann. Neue Verfahrenstechni-
Einleitung
[2]
ken werden benötigt, die auf regenerative und in großer Zahl verfügbare Energieträger vor
Ort zurückgreifen können, gleichzeitig kostengünstig und klimaschonend sind
.
Abb. 1: Anteil erneuerbarer Energien am Endenergieverbrauch in Deutschland
(vgl. Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit [1] 2009, S. 2)
Einleitung
[3]
1.2 Zielsetzung
Das von dem deutschen Chemiker Friedrich Bergius beschriebene Verfahren der Hydro-
thermalen Karbonisierung (vgl. Charisius 2010, S. 1) kann seinen Beitrag zu den unter 1.1
genannten Zielen leisten. Durch die Inkohlung von Biomasse ist es möglich ein Granulat
herzustellen, das dem der Braunkohle in vielen Eigenschaften ähnlich ist. Der Prozess ver-
läuft exotherm und benötigt als Inputstoff lediglich organische Masse, die im Gegensatz zu
dem HTC-ähnlichen Pyrolyseverfahren einen hohen Feuchtegehalt aufweisen kann. Dem-
nach sind als Inputstoffe neben speziellen Bioenergiepflanzen auch Bioabfälle aus dem pri-
vaten Bereich (,,Grüne Tonne") und industriellem Bereich (beispielsweise Schlachtabfälle)
möglich. Der HTC-Prozess durchläuft in Abhängigkeit von der Dauer und den Prozesspara-
metern verschiedene Stadien und generiert so unterschiedliche Zwischenprodukte: Nach
wenigen Stunden eine Vorstufe von Erdöl, später Humus (Mutterboden) und als Endprodukt
Braun- und Steinkohle (vgl. Antonietti 2006, S. 25).
Beispielhaft für eine weitere Veredelung des Kohlegranulats ist die Separation vom Pro-
zesswasser, was einher geht mit einer Pelletierung oder Briketierung zur besseren Handha-
bung. Im Anschluss ist die Vermarktung des Produkts als Brennstoff denkbar. Die Kohlens-
toffeffizienz beträgt nahezu 100%: Das bedeutet, dass sich fast der gesamte Kohlenstoffe
des Edukts im Produkt befindet, was das Verfahren im Sinne einer CO
2
Senke ökologisch
attraktiv macht (C-Sequestrierung) (vgl. Kapitel 4).
Motivation dieser Arbeit ist es, den Stand der Technik zu ermitteln, die Wirtschaftlichkeit
einer ausgewählten HTC-Anlage unter definierten Rahmenbedingungen zu betrachten und
den Einstieg in die Realisierung für ein Unternehmen wie der Städtische Werke AG Kassel
wissenschaftlich fundiert zu bereiten. Die Fragestellung ist demnach, ob das HTC-Verfahren
die in Kapitel 1.1 genannten Ziele erreichen kann, in welchem Zeitraum und zu welchen
Kosten.
Einleitung
[4]
2 Grundlagen
2.1 Das Unternehmen Städtische Werke AG Kassel
Die Städtische Werke AG Kassel ist ein mittelständisches Unternehmen in der Branche
Energieerzeugung, -dienstleistungen und vertrieb mit Sitz in Kassel. Eigentümer ist zu
75,1% die Kasseler Verkehrs- und Versorgungs- GmbH, die als Konzernmutter die elemen-
taren Energieversorgungsaufgaben für die Stadt Kassel wahrnimmt und vollständig in deren
Besitz ist (vgl. Abb. 21). Die Einwohnerzahl Kassels beträgt 192.241 Einwohner (vgl. Stadt
Kassel 2010). Neben der Städtischen Werke AG ist die Kasseler Verkehrs- und Versor-
gungs- GmbH Haupteigentümer anderer bürgernaher Dienstleistungsunternehmen. So zum
Beispiel im Bereich Öffentlicher Nahverkehr mit der Kasseler Verkehrsgesellschaft AG und
im Bereich Abfallwirtschaft mit der Müllheizkraftwerk Kassel GmbH. Die restlichen 24,9 %
am Stammkapital der Städtischen Werke AG hält der schwedische Energiekonzern Vatten-
fall mit seiner deutschen Tochter Vattenfall Europe Hamburg AG. Zum besseren Verständ-
nis des Unternehmensprofils dienen Unternehmensdaten der STW AG: Im Jahr 2008 belief
sich das gezeichnete Kapital auf 48,7 Mio. Euro. Die Bilanzsumme betrug im gleichen Jahr
414,8 Mio. Euro; mit seinen Produkten und Dienstleistungen erwirtschafteten 919 Beschäf-
tigte und 40 Auszubildende einen Umsatzerlös von 384,2 Mio. Euro. Klassisches, operatives
Kerngeschäft der STW AG ist die Versorgung der angeschlossenen Haushalte im Kasseler
Stadtgebiet mit Wasser, Strom, Gas und Wärme. Außerhalb von Kassel können Privatkun-
den die STW AG als Stromlieferant wählen. Die Stromerzeugung erfolgt zum großen Teil in
betriebseigenen Kraft- Wärme- Kopplungsanlagen mittels dreier Heizkraftwerke und vier
Heizwerken. Die entstandene Wärme dient als Fernwärme. Als weitere Aufgaben sind unter
anderem die Trinkwassergewinnung und verteilung sowie der Betrieb der Schwimmbäder
zu nennen (vgl. Kasseler Verkehrs- und Versorgungs-GmbH 2009 [1], Anhang).
Mit der Novelle des Energiewirtschaftsgesetzes ist die STW AG bis 2011 verpflichtet, eine
Trennung der Wertschöpfungsstufen in zwei Unternehmen vorzunehmen:
Netz: Bau, Instandhaltung und Durchleitung sowie
andere Tätigkeiten: Vertrieb, Handel, Erzeugung von Energie.
Ziel ist ein verstärkter Wettbewerb zwischen Energieerzeugern- und dienstleistern bezie-
hungsweise -vertrieb.
Geänderte gesetzliche Rahmenbedingungen in Bezug auf erneuerbare Energien sowie der
Kundenwunsch nach nachhaltig und umweltgerecht produzierter Energie führten vor einigen
Grundlagen
[5]
Jahren zu einer Ergänzung der Geschäftstätigkeit der STW AG. Vorgabe des Vorstandes ist
es, die Eigenerzeugung soweit voranzutreiben, dass im Jahr 2020 ein Großteil der in Kassel
benötigten Energie selbst und möglichst lokal erzeugt wird. Den Markt der nachhaltigen und
umweltgerechten Energieerzeugung teilen sich dann Windkraft, Wasserkraft, Solarenergie
und Energie aus Biomasse (vgl. Kasseler Verkehrs- und Versorgungs-GmbH 2010 [2], S. 7).
Für letztere wurden personelle Ressourcen für den Bereich ,Erneuerbare Energien` geschaf-
fen, was zur Folge hat, dass die STW AG seit 2009 als Planer, Bauherr und Betreiber von
Vergärungsanlagen auftritt. Erstes Projekt war die Errichtung einer Biogasanlage in Hom-
berg/Efze (Hessen). Deren Besonderheit ist es, dass sie den Großteil des Bioerdgases in
das allgemeine Erdgasnetz einspeist und nicht, wie sonst bei einem Großteil der Biogasan-
lagen üblich, vollständig gemäß EEG vor Ort verstromt. Ein angeschlossenes Blockheiz-
kraftwerk mit einer elektrischen Einspeisekapazität von 1,3 Mio. kWh/ Jahr nutzt lediglich
einen kleinen Teil des Rohgases. Folgende Unterscheidungen werden bei einer Biogasan-
lage mit Gaseinspeisung gemacht, um bestimmen zu können, in welchem Stadium sich das
Gas befindet:
Rohgas Das Gas direkt nach der Gärstrecke,
Biomethan Das Gas nach der Gasaufbereitungsanlage und
Bioerdgas Das Gas nach der Übergabe-/Einspeisestation (vgl. Städtische Werke
AG Kassel [1] 2009, S. 7)
Die Abwärme des BHKW wird in der Prozesstechnik der anaeroben Vergärung energetisch
genutzt (Fermenterbeheizung) (vgl. Städtische Werke AG Kassel [1] 2009, S. 5). Geplant ist,
innerhalb eines Zeitraums von zehn Jahren bundesweit zehn Biogasanlagen jeweils in einer
Größenordnung von 1,5 2,5 MW
el
Leistung/ Anlage und 30 Mio. kWh/Jahr Gaseinspeisung
zu errichten und damit theoretisch 40.000 Haushalte mit Bioerdgas und 10.000 Haushalte
mit elektrischem Strom zu versorgen. Denkbar ist, die Aktivitäten im Bereich ,Erneuerbare
Energien` in einem mittel- bis langfristigen Zeitraum zu erweitern und beispielsweise die
Reste der Vergärungsprozesse mittels Verfahren wie der Hydrothermalen Karbonisierung
energetisch zu verwerten und als Produkt am Energiemarkt zu vertreiben. In diesem Zu-
sammenhang ist auch das sogenannte ,Pyrolyseverfahren` zu nennen (vgl. Kasseler Ver-
kehrs- und Versorgungs-GmbH 2010 [2], S. 7).
Mit ihren Aktivitäten im Bereich ,Erneuerbare Energien` nimmt die STW AG eine Vorreiterrol-
le im Kreis der Stadtwerke in Deutschland ein.
Grundlagen
[6]
2.2 Erläuterung des HTC-Verfahrens
Die Hydrothermale Karbonisierung ist eine Methode zur vollständigen Umwandlung von
Biomasse in Kohlenstoff und Wasser, die den natürlichen Entstehungsprozess von Kohle
nachbildet. Der verfahrenstechnische Prozess der HTC läuft wie folgt ab: Ein Gemisch aus
Biomasse, Wasser und einer Katalysatorflüssigkeit wird unter Sauerstoffausschluss in ei-
nem geschlossenen Druckbehälter auf Temperaturen von etwa 200°C erhitzt, wobei der
Druck auf etwa 20 bar steigt. Unter diesen Bedingungen wird eine exotherme Reaktion aus-
gelöst, durch die nach zwölf Stunden ein Kohleslurry entsteht - ein schlammartiges Gemisch
aus Wasser und kohleartigen Partikeln (vgl. Greve 2009, S. 2). Der Begriff ,,Karbonisierung"
(engl. ,,hydrothermal carbonization") bezeichnet die Anreicherung von Kohlenstoff.
Abb.2: Einfache Darstellung der Funktionsweise einer HTC- Anlage
(Neumann 2009, S. 6)
Historisch begründet wurde das HTC-Verfahren durch den deutschen Chemiker Friedrich
Bergius, der 1913 Pionierarbeit mit dem Ziel leistete, die natürliche Kohlebildung aus Bio-
masse (Inkohlung) mechanistisch zu verstehen und gegebenenfalls technisch nutzbar zu
machen. Hintergrund seiner Arbeit war bereits damals die Forschung an Verfahren um
Deutschlands Knappheit an Öl zu kompensieren (vgl. Charisius 2010, S. 1). In den Zeiten
der konjunkturellen Hochphase der 50er und 60er Jahre standen große Mengen an preis-
werten, fossilen Brennstoffen zur Verfügung, die das Verfahren in Folge dessen als nicht
wirtschaftlich klassifizierten. Diverse Forschungsansätze verliefen im Sande. Erst 2006 wur-
de das Verfahren durch den Chemiker Professor Dr. Dr. h. c. Markus Antonietti, Direktor am
Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung in Potsdam, wieder aufgegriffen.
Grundlagen
[7]
Der Begriff ,Inkohlung` rührt aus dem natürlichen Entstehungsprozess von Kohle, der sich in
der erdzeitlichen Geschichte über Jahrmillionen hinweg gezogen hat (vgl. Abb. 3). Aller-
dings ist auch hier die Prozessdauer von entscheidender Bedeutung: Torf benötigt 500-
5000 Jahre zur Entstehung, Braunkohle 50.000 Jahre bis 50 Mio. Jahre und Steinkohle 150
Mio. Jahre. Kohle ist damit ein aus abgestorbenen Pflanzen entstandenes, heterogenes
Sedimentgestein im Endstadium. Bei der Inkohlung wächst der Kohlenstoffgehalt des Inkoh-
lungsproduktes stetig an (vgl. Greve 2009, S.21f.).
Abb. 3: Schema des Prozesses der Inkohlung: Über die Faktoren Druck
(pressure) und Wärme (heat) entsteht aus abgestorbenen Pflanzen
mit zunehmender Dauer (time) unter Abgabe von Wasser erst Torf
(peat), dann Braun- (lignite) und Steinkohle (coal)
(vgl. Greve 2009, S. 26 nach Montana State University)
Die Dauer des Verfahrens entscheidet über den Grad der Inkohlung (Inkohlungsgrad). Das
chemische Verfahrensprinzip basiert auf der Abspaltung von Wassermolekülen aus Kohle-
hydraten in mehreren Stufen:
(1.) C
6
H
12
O
6
-> C
6
H
6
0
3
+ 3H
2
O (HTC)
(2.) C
6
H
6
O
3
-> C
6
H
2
0 + 2 H
2
O
----------------------------
(3.) C
6
H
12
O
6
-> C
6
H
2
0 + 5 H
2
O (HTC: Biomasse zu Kohle) (vgl. Bergius 1928, o.S.)
Grundlagen
[8]
Biomasse ist der Inputstoff für das HTC-Verfahren, welches sich aus Kohlehydraten, wie
zum Beispiel Zellulose, Stärke oder Zucker zusammensetzt (C
6
H
12
O
6
) (vgl. Gleichung 1).
Die Gleichungen 1 und 2 sind Zwischenschritte zum Endprozess (vgl. Gleichung 3), der die
Reaktionsenthalpie
H von 1105 kJ/mol
(vgl. Bergius 1928, o.S.) aufweist. Demnach sind
Kohlehydrate Energiespeichermoleküle.
Abbildung 4 verdeutlicht, dass es mit der alkoholischen Gärung bis hin zur Verbrennung
unterschiedliche Aufspaltungsverfahren mit unterschiedlichen Energieeffizienzen gibt. Bei
der hydrothermalen Karbonisierung beispielsweise entsteht aus 3240 kJ/mol Brennwert des
Inputstoffs, Braunkohle mit 2135 kJ/ mol Brennwert. Bei der Differenz (= 33%) handelt es
sich neben Verlusten um Prozesswärme, die man allerdings verfahrenstechnisch im Sinne
eines Abwärmekonzeptes nutzen oder der Anlage zurückführen kann. Beim CE-Wert han-
delt es sich um den Kohlenstoffeffizienz- Koeffizienten. Er beschreibt, wie hoch der Anteil
des Kohlenstoffs des Ausgangsmaterials zum Eingangsmaterial ist. Beim HTC-Verfahren
und einem CE- Wert von eins befinden sich 100% der Kohlenstoffe des Eingangsmaterials
im Ausgangsmaterial.
Abb. 4: Auswahl von Aufspaltungsverfahren von Kohlehydraten
(vgl. Antonietti 2006, S.26)
Schlussfolgerung aus Abbildung 4 ist, dass das HTC-Verfahren unter dem Gesichtspunkt
der Energieverwertung dem der anaeroben Vergärung vorzuziehen ist. Produkt des Verfah-
rens ist, wie in der obigen chemischen Gleichungen ersichtlich, Wasser und Kohlenstoff, der
in Partikelgröße vorliegt. Das Verfahren läuft in vier Phasen ab:
Grundlagen
[9]
1. Erhitzen
2. Exotherme Reaktion
3. Temperatur halten
4. Abkühlen
Unterstützt wird der Prozess durch Katalysatoren, also Reaktionsbeschleunigern wie Zitro-
nensäure, sowie in der praktischen Anwendung durch Mess- und Regeltechnik (vgl. Abb. 2).
Der Reaktor muss höherem Druck und Temperaturen standhalten. Auf eine Beschreibung
der verfahrenstechnischen Umsetzung des HTC- Verfahrens wird jedoch in Kapitel 3.1 noch
genauer eingegangen.
Tab. 1: Übersicht der wesentlichen Prozessparameter
(vgl. Greve 2009, S. 38)
Tabelle 1 veranschaulicht die wesentlichen Prozessparameter. Diese sind als Richtwerte
anzusehen, da die Hersteller von HTC-Anlagen in der Lage sind, die Prozessparameter mit
dem Ziel einer besseren Wirtschaftlichkeit zu variieren (vgl. Kapitel 3.1). Antonietti (2006)
zeigt in Abbildung 5, wie in Abhängigkeit von der Prozessdauer (Vollständigkeit der Karbo-
nisierung) die Produkte genutzt werden können:
Mutterboden zur Verbesserung der Bodenfunktionalität (Humus)
Kohle zur energetischen Nutzung (Verbrennung)
Kohle zur Weiterverarbeitung in Kohlenstoff- Brennstoffzellen
Grundlagen
Aktiv regelbare
Parameter
Wert
Wirkung auf/ Beeinflussung
Prozessdauer
4 16 h
Inkohlungsgrad des Produktes
Temperatur
180 220 °C
Prozessdauer, Druck, Ausgasungen
Feststoffanteil (Tro-
ckenmasse)
30% (Beispiel)
Prozessdauer, Wärmeproduktion in
Phase 2
Wasseranteil
70% (Beispiel)
Wärmeaufnahme in Phase 2
Art der Biomasse
Prozessdauer, Ausgasungen, Pro-
dukt
pH-Wert
5
Art der chemischen Reaktion
Passive Parameter
Wert
Wirkung auf/ Beeinflussung
Ausgasungen
(geringfügig)
Druck, CE
1anstelle CE= 1
Druck
20 bar (Beispiel)
Wasser in flüssiger Form
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