Inhalt und Einleitung siehe Textauszug.
Im Anhang befinden sich ausführliche Tabellen, die alle benutzten Quellen zusammenfassen:
A)Übersicht Klärgasaufbereitung
Spalten: Grundoperation, Verfahren, Trenneffekt, Aggregate, Mitentfernung, Reinigungsleistung, Anwendungen, Vor- u. Nachteile
B) Hersteller zur Klärgasaufbereitung
Spalten: Hersteller, Produkt, Kontakt
C) Brenntechnische Eigenschaften von Biogas im Vergleich zu anderen Brennstoffen [ATV 1996, S.666]
D) Gegenüberstellung der notwendigen Gasqualitäten zur Einspeisung ins öffentliche Erdgasnetz und einer Verwendung als Treibstoff [Bremer 2003]
E) Anforderungen an die Gasqualität konventioneller Nutzungen:
Recherche Anforderungen an Gasinhaltsstoffe für Einspeisung ins Netz bis zur Motorennutzung
F) Übersicht Brennstoffzellen:
Typen, Materialien, Temperaturen, Wirkungsgrade, Brennstoff, Hersteller, Einsatzgebiete
G) Anforderungen an die Gasqualität für die Nutzung in Brennstoffzellen
Inhalt
1 EINLEITUNG
2 ERZEUGUNG VON ROHGASEN ZUR WASSERSTOFFPRODUKTION
2.1 Kennwerte zum Energieträger Klärschlamm
2.2 Auswahl aus den möglichen Verfahren
2.3 Anaerobe Umsetzung zu Klärgas
2.3.1 Grundlagen und Verfahrenstechnik der Faulung
2.3.2 Quantität und Qualität des Klärgases
2.3.2.1 Gasanfall auf kommunalen Kläranlagen
2.3.2.2 Zeitlicher Verlauf des Gasanfalls
2.3.2.3 Zusammensetzung von Klärgas
2.4 Vergasung zu Produktgas
2.4.1 Thermochemische Grundlagen
2.4.1.1 Aufheizung und Trocknung
2.4.1.2 Entgasung und pyrolytische Zersetzung
2.4.1.3 Vergasung (Oxidation und Reduktion)
2.4.2 Verfahrenstechniken der Vergasung
2.4.3 Quantität und Qualität
2.4.4 Ausgewählte Beispiele realisierter Anlagen
3 VERFAHREN DER GASAUFBEREITUNG BIS HIN ZU WASSERSTOFF
3.1 Grundoperationen der Gasreinigung
3.1.1 Sorption
3.1.2 Absorption
3.1.3 Adsorption
3.1.4 Membrantrennung
3.1.5 Kondensation
3.2 Verfahren der Klärgasaufbereitung
3.2.1 Flüssigkeits- und Feststoffabscheidung / Trocknung
3.2.2 Entfernung von Schwefelwasserstoff
3.2.2.1 Schwefel-Eisen-Bindung im Schlamm
3.2.2.2 Trockene Adsorption durch Eisenhydroxid (Raseneisenerz)
3.2.2.3 Adsorption an jodimprägnierter Aktivkohle (Oxidation)
3.2.2.4 Absorptive Nassentschwefelung
3.2.2.5 Biologische Verfahren
3.2.3 Anreicherung von Methan
3.2.3.1 Druckwechseladsorption
3.2.3.2 Druckwasserwäsche
3.2.3.3 Chemische Waschverfahren (MEA-Wäsche)
3.2.3.4 Membranverfahren
3.2.3.5 Kryogene Trennung
3.2.4 Abtrennung von Siloxanen und sonstigen Spurenstoffen
3.3 Verfahren der Produktgasaufbereitung
3.3.1 Partikelentfernung (Staub, Asche, Bettmaterial)
3.3.1.1 Zyklone
3.3.1.2 Filtrierende Abscheider
3.3.1.3 Nassabscheider
3.3.1.4 Elektroabscheider
3.3.2 Teerentfernung
3.3.2.1 Thermische Teerspaltung (partielle Oxidation)
3.3.2.2 Katalytische Teerspaltung (katalytische Oxidation)
3.3.3 Weitere Stoffe
3.4 Reformierung kohlenwasserstoffhaltiger Gase zu Wasserstoff
3.4.1 Dampfreformierung (allotherm)
3.4.2 Partielle Oxidation
3.4.3 Autotherme Reformierung
3.5 Kohlenmonoxid-Konvertierung (Shift-Reaktion)
3.6 CO-Feinreinigung von Wasserstoff
3.6.1 Druckwechseladsorption
3.6.2 CO-Methanisierung
3.6.3 Metallmembranen
3.6.4 Selektive CO-Oxidation
3.7 Marktanalyse zur Biogasaufbereitung
4 NUTZUNGSMÖGLICHKEITEN DER GASE
4.1 Nutzung der gereinigten Rohgase
4.1.1 Wärmeerzeugung
4.1.2 Kraft- und Stromerzeugung
4.1.2.1 Dampfmaschinen
4.1.2.2 Gasmotoren
4.1.2.3 Gasturbinen und Mikro-Gasturbinen
4.1.2.4 Sterlingmotor
4.1.3 Nutzung als Rohstoff
4.2 Nutzung von Klärgas in Erdgasqualität
4.2.1 Nutzung als Kraftstoff für Kraftfahrzeuge
4.2.2 Einspeisung in öffentliche Erdgasnetze
4.3 Nutzungsmöglichkeiten im Rahmen der Wasserstofftechnologie
4.3.1 Brennstoffzellen zur Strom- und Wärmeerzeugung
4.3.1.1 Aufbau und Funktionsweise
4.3.1.2 Anforderungen an die Gasqualität
4.3.1.3 Einsatzfelder von Brennstoffzellen
4.3.1.4 Forschungs- und Entwicklungstand beim Klärgaseinsatz
4.3.2 Krafterzeugung mit Verbrennungsmaschinen
4.3.3 Methanolsynthese
5 VERGLEICH VON AUFBEREITETEM KLÄRGAS MIT ANDEREN ENERGIETRÄGERN
6 PERSPEKTIVEN DER WASSERSTOFFENERGIEWIRTSCHAFT
7 ZUSAMMENFASSUNG
Zielsetzung & Themen
Ziel der Arbeit ist es, einen Überblick über die Möglichkeiten der Gewinnung und energetischen Nutzung wasserstoffhaltiger Gase aus Klärschlamm zu geben, insbesondere im Hinblick auf zukünftige Formen der Wasserstoffenergiewirtschaft.
- Erzeugung energiereicher Gase aus Klärschlamm durch anaerobe Stabilisierung oder thermochemische Verfahren.
- Methoden der Gasreinigung und Aufbereitung bis hin zu technisch reinem Wasserstoff.
- Bewertung verschiedener Nutzungspfade wie Stromerzeugung, Einspeisung in Gasnetze oder Einsatz in Brennstoffzellen.
- Marktanalyse zur Biogasaufbereitung und ökologische sowie wirtschaftliche Vergleiche mit anderen Energieträgern.
Auszug aus dem Buch
3.2.2 Entfernung von Schwefelwasserstoff
Schwefelwasserstoffe bilden sich im Klärschlamm unter anaeroben Bedingungen. Eine Reduzierung ist heute auf allen Nutzungspfaden notwendig und meistens der erste Reinigungsschritt nach der Grobreinigung.
In Kombination mit Wasser bildet Schwefelwasserstoff eine korrosive saure Lösung, die nahezu alle metallischen Werkstoffe angreift. Bei Gasmotoren kommt hinzu, dass ab Schwefelgehalten von 250 ppm die Wartungskosten durch häufige Ölwechsel deutlich ansteigen. Bei der Verbrennung zu Schwefeldioxid können die für das Abgas einzuhaltenden Grenzwerte maßgeblich werden (Verminderung von Geruchsbelästigungen und saurem Regen). Daneben besitzt Schwefelwasserstoff auch toxische Eigenschaften (5000 ppm H2S wirken in Sekunden tödlich) [HENNING 1985]. In Brennstoffzellen wirken Schwefelverbindungen als Katalysatorgifte und sind deshalb fast vollständig zu reduzieren.
Neuerdings kommen auch die Schwefelverbindung COS (Carbonylsulfid) und weitere im Biogasbereich bisher unbeschriebene Schwefelverbindungen in die Diskussion. COS hat den Nachteil, dass es sich mit vielen Entschwefelungsverfahren nicht entfernen lässt und nur schwer an Feststoffen adsorbiert werden kann (z. B. speziell imprägnierte Aktivkohlen). Es wird geforscht [REIMERT 2002, Ahrens 2003, TAMM 2003].
Neben den im Folgenden beschriebenen Verfahren kann eine Entschwefelung auch durch den Einsatz von semipermeablen Membranen erfolgen, die für H2S eine höhere Durchlässigkeit als für CH4 und CO2 aufweisen (vgl. Kapitel 3.1.4). Es sind jedoch weitere Verfahrensschritte für die Bindung des Schwefelwasserstoffs notwendig [WEILAND 2003].
Zusammenfassung der Kapitel
1 EINLEITUNG: Einführung in die Problematik fossiler Energieerzeugung und das Potenzial von Klärschlamm als regenerativer Energieträger für die Wasserstoffwirtschaft.
2 ERZEUGUNG VON ROHGASEN ZUR WASSERSTOFFPRODUKTION: Beschreibung anaerober und thermochemischer Verfahren zur Erzeugung wasserstoffhaltiger Gase aus Klärschlamm inklusive der beeinflussenden Verfahrensparameter.
3 VERFAHREN DER GASAUFBEREITUNG BIS HIN ZU WASSERSTOFF: Detaillierte Darstellung der Reinigungs- und Aufbereitungsschritte, um aus Rohgasen technisch reinen Wasserstoff zu gewinnen.
4 NUTZUNGSMÖGLICHKEITEN DER GASE: Analyse technischer Einsatzgebiete für Klärgas und Wasserstoff, insbesondere Brennstoffzellen und Verbrennungsmaschinen.
5 VERGLEICH VON AUFBEREITETEM KLÄRGAS MIT ANDEREN ENERGIETRÄGERN: Ökologische und ökonomische Bewertung von Klärgas als regenerative Energiequelle im Vergleich zu fossilen und nuklearen Trägern.
6 PERSPEKTIVEN DER WASSERSTOFFENERGIEWIRTSCHAFT: Diskussion der langfristigen Rolle von Wasserstoff sowie der Herausforderungen bei der Infrastrukturentwicklung.
7 ZUSAMMENFASSUNG: Zusammenfassende Darstellung der recherchierten Verfahren und Schlussfolgerungen bezüglich der Einsatzfähigkeit von Klärschlamm für die Wasserstofferzeugung.
Schlüsselwörter
Klärschlamm, Wasserstoff, Klärgas, Biogas, anaerobe Faulung, Vergasung, Gasaufbereitung, Brennstoffzellen, Reformierung, Schwefelwasserstoffentfernung, Methananreicherung, Energiewirtschaft, ökologische Bewertung, Kraft-Wärme-Kopplung.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Diplomarbeit grundlegend?
Die Arbeit untersucht die Potenziale, Klärschlamm als regenerative Energiequelle zur Gewinnung von wasserstoffhaltigen Gasen und deren energetische Nutzung in einer zukünftigen Wasserstoffenergiewirtschaft zu verwenden.
Welche zentralen Themenfelder werden abgedeckt?
Die zentralen Felder sind die Erzeugung von Rohgasen (anaerob und thermochemisch), die komplexen Verfahren der Gasreinigung und -aufbereitung, sowie die verschiedenen Möglichkeiten zur Verwertung dieser Gase.
Was ist das primäre Ziel der Forschungsarbeit?
Das primäre Ziel ist es, einen fundierten Überblick über die technischen Möglichkeiten zu geben, wie Klärschlamm zur Energieerzeugung und insbesondere zur Wasserstoffproduktion eingesetzt werden kann.
Welche wissenschaftlichen Methoden kommen zum Einsatz?
Es handelt sich um eine umfangreiche Literaturrecherche und Marktanalyse bestehender Technologien, um den Stand der Technik für Verfahren der Gaserzeugung und Aufbereitung zu bewerten.
Was behandelt der Hauptteil der Arbeit?
Der Hauptteil gliedert sich in die Erzeugung von Rohgasen, die detaillierte Aufbereitung bis hin zu Wasserstoff durch verschiedene physikalische und chemische Prozesse sowie die Bewertung der Nutzungsmöglichkeiten.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren das Dokument?
Die wichtigsten Schlüsselwörter umfassen Klärschlamm, Wasserstoff, Klärgas, Biogas, anaerobe Faulung, Vergasung, Gasaufbereitung und Brennstoffzellen.
Warum ist die Schwefelwasserstoffentfernung so kritisch?
Schwefelwasserstoff wirkt korrosiv auf metallische Werkstoffe, erhöht die Wartungsintervalle bei Gasmotoren durch Ölverunreinigungen und fungiert bei Brennstoffzellen als schwerwiegendes Katalysatorgift.
Welche Rolle spielt die Brennstoffzelle in diesem Kontext?
Die Brennstoffzelle gilt als Schlüsselelement, um chemische Energie aus den gewonnenen Gasen direkt und mit hohen Wirkungsgraden in elektrische Energie umzuwandeln, was sie besonders attraktiv für zukünftige stationäre und mobile Anwendungen macht.
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- Christoph Börgmann (Author), 2003, Möglichkeiten der Gewinnung und energetischen Nutzung von wasserstoffhaltigen Gasen aus Klärschlamm, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/21582
