Hydrothermale  Karbonisierung -  

   I

Hausarbeit  zum Modul „Qualitätsbildung in pflanzlichen Produkten“  

Inhaltsverzeichnis   

Inhaltsverzeichnis   I

Abbildungsverzeichnis   II

Abk  ürzungsverzeichnis  II

1  Einleitung.  1

2  Erläuterung der Hydrothermalen Karbonisierung und Stand der Technik.  2

3  Beschreibung der Inputstoffe.  7

3.1  Qualitätseigenschaften der Inputstoffe  7

3.2  Bedeutende Inputstoffe aus dem Agribusiness  9

4  Beschreibung der Outputstoffe  12

4.1  HTC-Produkt: Kohle  12

4.2  HTC-Produkt: Mutterboden  14

4.3  Exkurs: Kompost und HTC-Mutterboden  18

5  Diskussion und Ausblick  20

6  Zusammenfassung  23

Literaturverzeichnis.   III

Anhang VI   

Abbildungsverzeichnis

Abb. 1: Einfache Darstellung der Funktionsweise einer HTC- Anlage.........................2 Abb. 2: Schema des Prozesses der Inkohlung............................................................7 Abb. 3: Auswahl von Aufspaltungsverfahren von Kohlehydraten................................8 Abb. 4: Schematischer Aufbau typischer Bereitstellungsketten zur End- bzw. Nutzenergiebereitstellung aus Biomasse……...................................................................11 Abb. 5: Übersicht über potenzielle Inputmaterialien für die HTC……………………. 10 Abb. 6: HTC-Kohle………………………………………………………………………...13 Abb. 7: HTC-Versuche am IfZ Göttingen unter Laborbedingungen…………………16 Abb. 8: Nährstoffangaben eines HTC/Sand Gemisches………………………………20 Abb. 9: Nährstoffangaben von Standardkompost……………………………………...20 Abb. 10: Vereinfachtes Flussbild des Herstellungsprozesses………………………...VI Abkürzungsverzeichnis

BGA…………………………………………………………..…………………Biogasanlage BioAbfV………………………………………………………………….Bioabfallverordnung C……………………………………………………………………………………Kohlenstoff cm…………………………………………………………………………………..Zentimeter CO 2 ………………………………………………………………………….Kohlenstoffdioxid EEG………………………………………………………….Erneuerbare-Energien-Gesetz EU………………………………………………………………………...Europäische Union EUR………………………………………………………………………………………..Euro Mg………………………………………………………………………………..Megagramm HTC…………………………………………………………Hydrothermale Karbonisierung IfZ…………………………………………………….…..Institut für Zuckerrübenforschung K…………………………………………………………………………………………Kalium kJ……………………………………………………………………………………...Kilojoule kW/h……………………………………………………………………...Kilowatt pro Stunde N………………………………………………………………………………………Stickstoff Nawaro………………………………………………………….Nachwachsende Rohstoffe P……………………………………………………………………………………...Phosphor t…………………………………………………………………………………………..Tonne TS..………………………………………………………………………….Trockensubstanz

1 Einleitung

Mit Verabschiedung des Erneuerbare-Energien-Gesetz durch den Deutschen Bundestag begann im Jahr 2000 der Umstieg von einem zentralen Energieversorgungssystem mit wenigen Atom- und Kohlekraftwerken hin zu einem dezentralen System mit vielen mittleren bis kleineren Kraftwerken zur Herstellung von elektrischen Strom. Grundlage für Investitionen in Windkraft-, Geothermie-, Photovoltaik- und Biomasseverwertungsanlagen bildet eine gesetzlich festgeschriebene Vergütung pro kW/h eingespeister Energie. Hier sind u.a. die Grundvergütung, der Nachwachsende Rohstoffe-Bonus, der Technologiebonus und andere Boni zu nennen, die vom Netzbetreiber an den Erzeuger, finanziert durch eine Umlage im allgemeinen Strompreis, gezahlt werden.

Insbesondere Anlagen zur Verwertung von Biomassen, meist sogenannte Biogasanlagen oder auch Vergärungsstrecken genannt, konnten von dieser Gesetzgebung profitieren und wurden technisch weiter optimiert. Um sich allerdings unabhängiger von der EEG-Vergütung zu machen und neue finanzielle Potentiale zu erschließen, steigt das Interesse der Betreiber die Gärreste der BGA’s weiter zu verarbeiten, also stofflich und/oder energetisch zu verwerten. Neben Gärresten gibt es eine Vielzahl von Biomassen, die bisher keiner oder nur einer minderwertigen Verwertung zugeführt wurden.

Hier setzt das Verfahren der Hydrothermalen Karbonisierung an. Es handelt sich dabei um ein Verfahren, welches Biomassen mit einem möglichst geringen Ligningehalt karbonisiert um in Abhängigkeit der Prozessdauer verschiedenartige Produkte, HTC-Biochar genannt, herzustellen. Besonders interessant erscheinen hier HTC-Biochar Kohle und Mutterboden, die eine wichtige Bedeutung als Energieträger bzw. Bodenverbesserungsstoff, erlangen und als solches vermarktet werden könnten. Diese Hausarbeit mit agrarökonomischen Hintergrund gibt einen kompakten Überblick über das Verfahren, indem grundlegende Prozesse erläutert, Inputstoffe, ihre Qualitätseigenschaften sowie Endprodukte genannt werden und die zukünftige Anwendbarkeit des Verfahrens unter Berücksichtigung der Grundlagenforschung des Institut für Zuckerrübenforschung Göttingen eingeschätzt wird.

2 Erläuterung der Hydrothermalen Karbonisierung und Stand

der Technik

Dieses Kapitel gibt einen Einblick in die grundlegenden Prozesse der Hydrothermalen Karbonisierung und zeigt den Stand der Technik auf. 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 in vier Schritten ab:

1. Erhitzen: Ein Gemisch aus Biomasse, Wasser und einer Katalysatorflüssigkeit wird unter Sauerstoffausschluss in einem geschlossenen Druckbehälter auf Temperaturen von etwa 200°C erhitzt, wobei der Druck auf etwa 20 bar steigt 2. Exotherme Reaktion: Unter diesen Bedingungen wird eine exotherme Reaktion ausgelöst; Energie wird freigesetzt

3. Temperatur halten: Durch die konstanten Prozessparameter entsteht nach ca. zwölf Stunden ein Kohleslurry - ein schlammartiges Gemisch aus Wasser und kohleartigen Partikeln

4. Abkühlen: Im letzten Schritt wird der Kohleslurry abgekühlt und der Anlage entnommen (Greve 2009, S. 2)

Unterstützt wird der Prozess durch Katalysatoren, also Reaktionsbeschleunigern wie Zitronensäure. Die Mengensteuerung erfolgt durch Mess- und Regeltechnik (vgl. Abb. 1). Der Reaktor muss hohem Druck und Temperaturen standhalten.

Tabelle: Übersicht der wesentlichen Prozessparameter (Greve 2009, S. 38)

Die Tabelle veranschaulicht die wesentlichen Prozessparameter. Weitere Verfahrensschritte werden im letzten Teil dieses Kapitels beschrieben.

Der Begriff „Karbonisierung“ (engl. „hydrothermal carbonization“) bezeichnet die Anreicherung von Kohlenstoff. Historisch begründet wurde das HTC-Verfahren durch den deutschen Chemiker Friedrich Bergius, der 1913 Pionierarbeit mit dem Ziel leistete, die natürliche Kohlebildung aus Biomasse (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 (Charisius 2010, S. 1). In der Zeit der konjunkturellen Hochphase der 1950er und 1960er Jahre standen große Mengen an preiswerten fossilen Brennstoffen zur Verfügung, die das Verfahren in Folge dessen als nicht wirtschaftlich klassifizierten. Diverse Forschungsansätze waren zu dieser Zeit nicht zielführend. Erst 2006 wurde das Verfahren durch den Chemiker Markus Antonietti, Direktor am Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung in Potsdam, wieder aufgegrif- fen.

Der Begriff ‚Inkohlung‘ hat seinen Ursprung im natürlichen Entstehungsprozess von Kohle, der sich in der erdzeitlichen Geschichte über Jahrmillionen hinweg gezogen hat (vgl. Abb. 2). Auch hier entscheidet die Prozessdauer über die Konsistenz des Produktes: 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 Inkohlungsproduktes stetig an (Greve 2009, S. 21 f.).

Die Dauer des Verfahrens entscheidet über den Grad der Inkohlung (Inkohlungsgrad). Das chemische Verfahrensprinzip basiert auf der Abspaltung von Wassermolekülen aus Kohlehydraten 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) (Bergius 1928, o.S.)

Biomasse ist der Inputstoff für das HTC-Verfahren, welche 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 (Bergius 1928, o.S.) auf- weist. Demnach sind Kohlehydrate Energiespeichermoleküle.

Abb. 3: Auswahl von Aufspaltungsverfahren von Kohlehydraten (Antonietti 2006, S. 26)

Abbildung 3 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 um Prozesswärme, die man allerdings verfahrenstechnisch im Sinne eines Abwärmekonzeptes nutzen oder der Anlage zurückführen kann (vgl. Abb. 1). Schlussfolgernd ist zu sagen, dass das HTC-Verfahren unter dem Gesichtspunkt der Energieverwertung dem der anaeroben Vergärung vorzuziehen ist.

Beim CE-Wert handelt es sich um den Kohlenstoffeffizienz-Koeffizienten. Er beschreibt, wie hoch der Anteil des Kohlenstoffs des Ausgangsmaterials zum Eingangsmaterial ist. Beim HTC-Verfahren und seinem CE- Wert von eins befinden sich nahezu 100 % der Kohlenstoffe des Eingangsmaterials im Ausgangsmaterial. HTC-Produkte haben demnach den Vorteil, CO 2 der Atmosphäre dauerhaft entziehen zu können, was als CO 2 - oder C-Sequestrierung bezeichnet wird. Voraussetzung ist eine Stabilität der Kohlenstoffstrukturen (Kammann 2010, S. 194). Antonietti (2006, S. 25) zeigt im Folgenden, wie in Abhängigkeit von der Prozessdauer (Vollständigkeit der Karbonisierung) die Ausprägung der HTC-Produkte und somit auch ihre Vermarktung unterschiedlich sein kann:

Mutterboden zur Verbesserung der Bodenfunktionalität (Humus) Kohle zur energetischen Nutzung (Verbrennung) Kohle zur Weiterverarbeitung in Kohlenstoff- Brennstoffzellen