Steigende Treibhausgasemissionen und die Verknappung fossiler Ressourcen sind zwei der herausforderndsten Themen auf der globalen Agenda, die die Weltbevölkerung vor ihre intrinsische ökologische Verantwortung stellen. Mikroalgen gelten als schnellwachsender Rohstoff zur Produktion von Biokraftstoffen und können zur Bindung von Kohlendioxid eingesetzt werden. Bisher ist die Trocknung der Algenbiomasse, die der Verwendung in konventionellen thermochemischen Konversionsverfahren vorangehen muss, einer der hauptsächlichen kostentreibenden Faktoren.
Die Arbeitsgruppe für Katalytische Verfahrenstechnik am Paul Scherrer-Institut (Villigen, CH) entwickelt derzeit einen innovativen Prozess zur Produktion von Biomethan durch katalytische Vergasung in superkritischem Wasser. Dieser Prozess hat bei der Nutzung von Algenbiomasse gegenüber konventionellen Verfahren einen klaren Vorteil, da mit hohen Feuchtigkeitsgehalten gearbeitet werden kann und Nährstoffe potenziell zurückgewonnen werden können.
Ziel dieser Arbeit ist es, einen Prozess von der Kultivierung von Mikroalgen auf Basis von Rauchgasen aus einem thermischen Kraftwerk bis zur Einspeisung des Biomethans in ein vorhandenes Erdgasnetz zu modellieren. Die Simulation und die Sensitivitätsanalyse (SIMSALG) zur Abschätzung der Methangestehungskosten und des CO2‐Mitigationspotentials wurden in einem Referenzszenario für das Algenwachstum in Österreich und der Schweiz berechnet.
Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung
2. Zielsetzung und Aufgabenstellung
3. Allgemeine Grundlagen
3.1 Algenwachstum
3.2 Massenkultivierung von Mikroalgen
3.2.1 Raceway Ponds
3.2.2 Photobioreaktoren
3.3 Prozesstechnologie superkritischer Fluide
3.3.1 Eigenschaften von Wasser im superkritischen Zustand
3.3.1.1 Relative Permittivität von Wasser
3.3.2 Hydrothermale Vergasung
3.3.2.1 Einfluss von Temperatur und Feuchtigkeitsgehalt auf die Produktgaszusammensetzung
3.3.2.2 Katalysator
3.3.3 Vergleich typischer Konversionsverfahren für Biomasse
3.4 Energieökonomie
3.5 Einspeisung des Produktgases in das Gasnetz
3.5.1 Direkte Einspeisung
3.5.2 Methananreicherung
3.5.2.1 Druckwechseladsorption (PSA)
3.5.2.2 Gaswäsche
3.5.2.3 Niederdruck-Membranseparation
3.5.2.4 Hochdruckmembrantrennung
3.5.2.5 Kryogene Gastrennung
4. Methodische Werkzeuge
5. Modellauswahl
5.1 Algenspezies
5.2 Rauchgas als CO2-Quelle für Algenwachstum
5.2.1 Kohlendioxidaufnahme
5.3 Kultivierungsverfahren
6. Aufbau des Gesamtprozesses
7. Modellaufbau
7.1 Rauchgasreinigung und Rachgasförderung
7.2 Photobioreaktor
7.2.1 Nährstoffe
7.2.2 Temperatur
7.2.2.1 Rauchgas
7.2.2.2 Kühlung
7.2.2.3 Sonneneinstrahlung
7.2.2.4 Wärmeabstrahlung
7.2.2.5 Wärmeleitung
7.2.2.6 Reaktionswärme
7.2.3 Sauerstoff-Stripping
7.2.4 Flächenkosten
7.2.5 Theoretische Effizienz des Photobioreaktors
7.2.5.1 Photosynthetisch aktive Strahlung
7.2.5.2 Grünlichtreflexion
7.2.5.3 Photoeffizienz
7.2.5.4 Photoinhibition
7.2.5.5 Respiration
7.2.5.6 Transmissionsverluste
7.2.5.7 Beschattungsverluste
7.2.5.8 Verunreinigungsverluste
7.2.5.9 Reflexionsverluste
7.3 Dewatering
7.4 Nährstoffrecycling und Wasserumlauf
7.5 Zwischenlagerung der Biomasse
7.6 Hochdruckpumpe
7.7 Hydrothermale Vergasung
7.7.1 Investitionskosten
7.8 Methananreicherung
7.9 Investitionskostenzuschlagsätze
8. Diskussion der Eingangsdaten
8.1 Referenzszenario Österreich/Schweiz
8.2 Kohlendioxidaufnahme
8.3 Produktivität
8.4 Algenkonzentration nach Dewatering
8.5 Algenbiomassekonzentration im Photobioreaktor
8.6 Konversionsrate
9. Modellergebnisse
9.1 Referenzszenario Österreich/Schweiz
9.2 Sensitivitätsanalyse
10. Interpretation und Diskussion der Ergebnisse
10.1 Referenzszenario
10.1.1 SNG-Gestehungskosten
10.1.2 Stickstoffbilanz
10.1.3 Kohlenstoffbilanz
10.1.4 Optimale Biomassekonzentration nach Dewatering
10.1.5 Energieverbrauch
10.1.6 Haupteinflussfaktoren auf den Wirkungsgrad der Hydrothermalen Vergasung
10.2 Multivariate Sensitivitätsanalyse
10.3 Optimierung des Reaktordesigns
10.3.1 Optimaler Trockenmassenanteil
10.4 Flächenbedarf
10.5 Vergleichbare erneuerbare Energien
10.6 Mitigationspotential
10.6.1 Vergleich des Mitigationspotentials
10.7 Externalitäten und ökonomische Auswirkungen
11. Zusammenfassung
12. Ausblick
12.1 Alternative Kultivierungsformen
12.2 Umesterung zu Biodiesel
Zielsetzung & Themen
Ziel dieser Diplomarbeit ist die modellbasierte Untersuchung der Wirtschaftlichkeit und des CO2-Mitigationspotentials eines integrierten Prozesses zur Produktion von synthetischem Erdgas (SNG) aus Algenbiomasse durch hydrothermale Vergasung. Hierbei wird der gesamte Prozess von der CO2-Quelle in einem Kraftwerk über die Kultivierung in Photobioreaktoren bis zur Netzeinspeisung simuliert und mittels Sensitivitätsanalysen auf kritische Kostenfaktoren hin untersucht.
- Prozessmodellierung der hydrothermalen Vergasung von nasser Algenbiomasse (SIMSALG).
- Analyse und Bewertung der SNG-Gestehungskosten unter Referenzbedingungen (Österreich/Schweiz).
- Durchführung umfangreicher ein- und mehrparametrischer Sensitivitätsanalysen.
- Optimierung des Reaktordesigns und der Prozessparameter zur Kostensenkung.
- Evaluierung des Potentials zur CO2-Mitigation und ökologischen Auswirkungen.
Auszug aus dem Buch
3.3 Prozesstechnologie superkritischer Fluide
Wird eine Substanz, die im Gleichgewichtszustand in fester und flüssiger Phase vorliegt erhitzt, so dehnt sich die Flüssigkeit bei steigender Temperatur aus und verliert an Dichte. Gleichzeitig erhöht sich die Dichte eines Gases unter Druck. Der Punkt, an dem sich die Dichte der beiden Phasen angleicht und damit eine Unterscheidung der Phasen nicht mehr möglich ist, wird Kritischer Punkt genannt.
Der superkritische Zustand ist definiert als jene Temperatur und jener Druck über der kritischen Temperatur und dem kritischen Druck. Im superkritischen Zustand besitzen Flüssigkeiten spezielle Eigenschaften [Wen, Jiang et al. 2009]:
hohe Konversionsraten
hohe Wärme- und Massentransferraten
hohe Reaktionsgeschwindigkeit
erhöhte Mischungsgeschwindigkeiten
Prozesse mit superkritischen Flüssigkeiten sind generell gut skalierbar und kontinuierlich zu Betreiben.
Zusammenfassung der Kapitel
1. Einleitung: Diese Einleitung beleuchtet die Bedeutung von Mikroalgen als Rohstoffquelle für Biokraftstoffe und deren Potential zur CO2-Bindung aus industriellen Abgasen.
2. Zielsetzung und Aufgabenstellung: Hier werden die Ziele der Arbeit definiert, insbesondere die Abschätzung der Gestehungskosten von SNG durch hydrothermale Vergasung und die Identifikation kritischer Kostentreiber.
3. Allgemeine Grundlagen: Dieses Kapitel erläutert die theoretischen Aspekte des Algenwachstums, verschiedene Massenkultivierungsverfahren und die Technologie der hydrothermalen Vergasung unter superkritischen Bedingungen.
4. Methodische Werkzeuge: Die methodische Vorgehensweise zur Investitionsrechnung und Sensitivitätsanalyse mittels der Software SIMSALG wird hier beschrieben.
5. Modellauswahl: Hier werden die Auswahl der spezifischen Algenspezies, die Nutzung von Rauchgas als CO2-Quelle und die gewählten Kultivierungsmethoden begründet.
6. Aufbau des Gesamtprozesses: Dieses Kapitel beschreibt den prozesstechnischen Ablauf der Anlage von der Rauchgasreinigung bis hin zur Einspeisung ins Gasnetz.
7. Modellaufbau: Hier erfolgt eine detaillierte technische Modellierung der einzelnen Prozesskomponenten inklusive der mathematischen Ansätze für Wärmebilanzen und Kostenfunktionen.
8. Diskussion der Eingangsdaten: Dieses Kapitel fasst die Daten des Referenzszenarios für Österreich und die Schweiz zusammen und diskutiert deren Validität.
9. Modellergebnisse: Die quantitativen Ergebnisse des Modells, insbesondere die Massenströme des Referenzszenarios, werden hier präsentiert.
10. Interpretation und Diskussion der Ergebnisse: Dieses zentrale Kapitel analysiert die SNG-Gestehungskosten, die Sensitivität des Prozesses und diskutiert Möglichkeiten zur Optimierung sowie ökologische Auswirkungen.
11. Zusammenfassung: Eine abschließende Zusammenfassung der wichtigsten Erkenntnisse und wissenschaftlichen Ergebnisse der Arbeit.
12. Ausblick: Hier werden weiterführende Ansätze wie die Bioraffinerie-Strategie und alternative Kultivierungsformen für die Zukunft diskutiert.
Schlüsselwörter
Hydrothermale Vergasung, Mikroalgen, Photobioreaktor, SNG, Methangestehungskosten, Sensitivitätsanalyse, CO2-Mitigation, Biokraftstoffe, Superkritisches Wasser, Nährstoffrecycling, Energieökonomie, Prozessmodellierung, SIMSALG, Biomasseproduktion, CO2-Sequestrierung.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Diplomarbeit primär?
Die Arbeit untersucht, ob und unter welchen Bedingungen die Produktion von synthetischem Erdgas (SNG) aus Mikroalgen über das Verfahren der hydrothermalen Vergasung wirtschaftlich sinnvoll ist.
Welche Technologien stehen bei der Algenkultivierung im Fokus?
Es wird primär die Kultivierung in geschlossenen Photobioreaktoren betrachtet, da diese eine bessere Prozesskontrolle und höhere Biomasseproduktivität als offene Raceway-Ponds bieten.
Was ist das zentrale Ziel der Forschungsarbeit?
Das Ziel ist die Abschätzung der Methangestehungskosten (SNG) und die Bewertung des CO2-Mitigationspotentials, um durch eine Sensitivitätsanalyse die Hauptkostentreiber zu identifizieren.
Welche wissenschaftliche Methode wurde für die Analyse gewählt?
Es wurde eine Investitionsrechnung und ein computergestütztes Modell namens SIMSALG erstellt, welches eine Simulation und mehrparametrige Sensitivitätsanalyse der gesamten Prozesskette erlaubt.
Was wird im umfangreichen Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in die theoretischen Grundlagen des Algenwachstums, die physikalisch-chemischen Hintergründe der hydrothermalen Vergasung sowie den detaillierten Modellaufbau der gesamten Prozesskette inklusive ökonomischer Bewertungsfunktionen.
Welche Keywords charakterisieren diese Arbeit am besten?
Wesentliche Begriffe sind hydrothermale Vergasung, Mikroalgen, Photobioreaktoren, SNG, Sensitivitätsanalyse und CO2-Mitigation.
Warum ist der Energieverbrauch des Prozesses laut Autor kritisch?
Die Bilanz ist negativ, da der elektrische Energiebedarf für den notwendigen Umlauf der Algensuspension im Photobioreaktor den Energiegehalt des erzeugten Gases übersteigt.
Welche Schlussfolgerung zieht der Autor zur Wettbewerbsfähigkeit?
Industriell kultivierte Mikroalgen werden als derzeit unwahrscheinliche Quelle für eine kosteneffiziente Produktion von SNG oder für eine Sequestrierung im großen Stil unter "Business-as-usual"-Bedingungen eingestuft.
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- Julian Matzenberger (Author), 2009, Hydrothermale Vergasung von Algenbiomasse, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/139739
