Derzeit befinden wir uns im grundlegenden Wandel unserer Energieversorgung. Da der Bedarf stetig steigt, die fossilen Ressourcen schwinden und der globale Klimaschutz eine deutliche Reduktion der Treibhausgasemissionen erfordert, steht die deutsche Stromwirtschaft vor einer Umstrukturierung der Energieversorgung. Um Versorgungssicherheit, günstige Preise und Klimaschutz auf einen Nenner zu bringen, muss daher der Energiemix der Zukunft mit effizienten Technologien und einem wachsenden Anteil erneuerbarer Energien sichergestellt werden.
Einen steigenden Beitrag zur nachhaltigen Energieversorgung leistet hierbei unter Anderem die Biogastechnologie, welche immer mehr an Bedeutung gewinnt und noch ein enormes Potential birgt. Im Jahr 2005 konnten durch die Erzeugung von Biogas 3.200 GWh Strom in Deutschland erzeugt werden. Das entsprach einem Anteil von 0,53 % (5,1 %, bezogen auf erneuerbare Energien) an der gesamten Stromerzeugung bundesweit. Das größte Potential für die Gewinnung von Biogas ist in der Landwirtschaft zu finden. Über 200.000 Anlagen, allein mit Abfällen aus der Landwirtschaft, könnten in Deutschland realisiert werden. Vergleicht man dies mit den derzeit ca. 2.700 Biogasanlagen (elektrische Gesamtleistung von ca. 665 MW), so wird das Potential dieser Technologie ersichtlich.
Biogas wird derzeit überwiegend in Verbrennungsmotoren verwertet, welche einen Generator zur Stromerzeugung antreiben. Neben diesen konventionellen Technologien gibt es noch weitere Nutzungsmöglichkeiten, sowie innovative Methoden der Biogasverwertung, wie z.B. die Implementierung einer Brennstoffzelle. Hierbei macht man sich zu Nutze, dass im Methanmolekül (CH4, zu 50 - 75 Vol.-% im Biogas enthalten) Wasserstoff enthalten ist. Über eine Reformierung wird der Wasserstoff von dem Kohlenstoff abgespalten und der Brennstoffzelle zugeführt, welche diesen als Kraftstoff benötigt. Die Molten-Carbonate-Fuel-Cell (MCFC) ist für die Verwertung von Biogasen aufgrund ihrer hohen Betriebstemperatur und den Reaktanden im Gegensatz zu den Niedertemperatur-Brennstoffzellen besonders gut geeignet. Im Vergleich zu anderen Technologien zeichnet sich diese Alternative
insbesondere durch hohe Wirkungsgrade und deutlich niedrigere Emissionen aus.
Problematisch ist allerdings, dass die Brennstoffzelle wesentlich höhere Gasqualitäten fordert als das Biogas liefern kann.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
1.1 Problemstellung
1.2 Zielsetzung
2 Darstellung der Biogastechnologie
2.1 Grundlagen
2.2 Biogasentstehung
2.3 Biogasqualität nach Vergärung
2.4 Störstoffe im Biogas
2.4.1 Schwefelwasserstoff
2.4.2 Wasserdampf
2.4.3 Ammoniak
2.4.4 Kohlenmonoxid und -dioxid
2.4.5 Carbonyl-Sulfid
2.4.6 Siloxane
2.4.7 Chlor und Fluor
2.4.8 Staubpartikel
2.5 Betriebsparameter der Beispielanlage
3 Nutzung der Brennstoffzelle in der Biogastechnik
3.1 Allgemeine Einführung und Funktion der Brennstoffzelle
3.2 Darstellung der MCFC-Technologie
3.2.1 Beschreibung der MCFC
3.2.2 Aufbau der Direktbrennstoffzelle
3.2.3 Funktionsweise der MCFC
3.3 Darstellung der SOFC-Technologie
3.3.1 Beschreibung der SOFC
3.3.2 Betrachtung verschiedener Zellenkonzepte
3.3.3 Funktionsweise der SOFC
3.4 Anforderungen der Brennstoffzelle an die Gasqualität
3.5 Vergleich der Brennstoffzelle zu konventionellen BHKWs
3.5.1 Investitionskosten
3.5.2 Wirkungsgrad
3.5.3 Lebensdauer
3.5.4 Emissionen
4 Methoden der Biogasaufbereitung
4.1 Trocknung
4.2 Feststoffabscheidung
4.3 Entschwefelung
4.3.1 Biologische Entschwefelung
4.3.2 Laugenwäsche
4.3.3 Sulfidfällung
4.3.4 Entschwefelung mit Eisenchelat
4.3.5 Adsorption an eisenhaltigen Massen
4.3.6 Schwefelwasserstoffentfernung mit Zinkoxid
4.3.7 Adsorption an Aktivkohle
4.4 Ammoniakentfernung
4.5 Siloxanentfernung
4.6 AOX-Entfernung
4.7 Biogasaufbereitung bei der Vergärungsanlage in Leonberg
5 Wirtschaftlichkeitsbetrachtung
5.1 Bewertung der Aufbereitungstechniken
5.1.1 Bewertung der Trocknungsverfahren
5.1.2 Bewertung der Verfahren zur Feststoffabscheidung
5.1.3 Bewertung der Entschwefelungsverfahren
5.1.4 Bewertung der Verfahren zur Siloxanabscheidung
5.1.5 Bewertung der Verfahren zur Ammoniak- bzw. AOX-Entfernung
5.2 Auswahl eines geeigneten Verfahrens anhand der Beispielanlage
6 Diskussion
7 Zusammenfassung
Zielsetzung & Themen
Diese Arbeit analysiert die technische und ökonomische Machbarkeit des Einsatzes von Brennstoffzellen in der Biogastechnologie, mit besonderem Fokus auf die notwendige Biogasaufbereitung. Die zentrale Forschungsfrage untersucht, welche Reinigungsmethoden unter technischen und wirtschaftlichen Aspekten am besten geeignet sind, um Biogas so aufzubereiten, dass es den hohen Anforderungen von Brennstoffzellen entspricht und eine effiziente sowie kostengünstige Stromerzeugung ermöglicht.
- Grundlagen der Biogasentstehung und -zusammensetzung
- Technische Funktionsweise von Brennstoffzellensystemen (insbesondere MCFC)
- Methoden der Biogasreinigung (Entschwefelung, Entfeuchtung, Feststoffabscheidung)
- Wirtschaftlichkeitsbetrachtung verschiedener Aufbereitungstechniken
- Fallstudie einer Beispielanlage zur praktischen Anwendung des Anlagenkonzepts
Auszug aus dem Buch
2.4.1 Schwefelwasserstoff
Schwefelwasserstoff (H2S) entsteht durch den Abbau von Proteinen und ist ein farbloses Gas, welches sowohl für technische Anlagenkomponenten der Biogasanlage als auch für den Menschen erhebliche Schäden hervorrufen kann [12]. Es greift die Schleimhäute der Augen sowie der Atemwege an und ist bei höheren Konzentrationen in kürzester Zeit tödlich. Während es in geringeren, noch relativ ungefährlichen Konzentrationen sehr intensiv und unangenehm nach faulen Eiern riecht, tritt bei Konzentrationen über 200 ppm eine Lähmung der Geruchsnerven ein [14]. Für den Betrieb einer Biogasanlage wirkt sich Schwefelwasserstoff für alle Anlagenteile mit den es in Kontakt gerät nachteilig aus. Insbesondere das BHKW sowie die Gasleitungen sind davon betroffen. Bei Brennstoffzellen (BZ) müssen alle Schwefelverbindungen nahezu eliminiert werden, da bereits geringste Spuren dieses Gases die aktiven Zentren des Katalysators der BZ blockieren [4].
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Beschreibt den Wandel der Energieversorgung und die Relevanz der Biogastechnologie sowie die Motivation zur Untersuchung von Brennstoffzellen.
2 Darstellung der Biogastechnologie: Erläutert die Grundlagen der Biogasgewinnung, die mikrobiologischen Phasen der Entstehung, die Biogasqualität und identifiziert kritische Störstoffe.
3 Nutzung der Brennstoffzelle in der Biogastechnik: Beschreibt das Funktionsprinzip von Brennstoffzellen und stellt die Technologien MCFC und SOFC im Vergleich zu konventionellen BHKWs dar.
4 Methoden der Biogasaufbereitung: Analysiert detailliert verschiedene technische Verfahren zur Trocknung, Feststoffabscheidung, Entschwefelung, Ammoniak- und Siloxanentfernung.
5 Wirtschaftlichkeitsbetrachtung: Bewertet die zuvor beschriebenen Reinigungstechniken hinsichtlich Investitions- und Betriebskosten und wählt ein geeignetes Konzept für die Beispielanlage aus.
6 Diskussion: Reflektiert die technische Eignung, die wirtschaftliche Herausforderung und offene Fragen bezüglich der Langzeitstabilität bei der Nutzung von Brennstoffzellen.
7 Zusammenfassung: Fasst die Kernaussagen der Arbeit zusammen und betont das Potenzial sowie die notwendigen Optimierungsschritte der Technologie.
Schlüsselwörter
Biogas, Biogastechnologie, Brennstoffzelle, MCFC, SOFC, Biogasaufbereitung, Gasreinigung, Entschwefelung, Wirtschaftlichkeit, Wasserstoff, Energiewandler, BHKW, Methan, Gasqualität, Anlagentechnik.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Diplomarbeit grundsätzlich?
Die Arbeit befasst sich mit der technischen und wirtschaftlichen Analyse der Nutzung von Brennstoffzellen in der Biogastechnologie, wobei der Schwerpunkt auf der notwendigen Aufbereitung des Rohbiogases liegt.
Welche zentralen Themenfelder werden behandelt?
Die zentralen Themen umfassen die Grundlagen der Biogaserzeugung, die Funktionsweise von Hochtemperatur-Brennstoffzellen, die Identifikation von Störstoffen im Biogas und die Bewertung verschiedener Reinigungsverfahren.
Was ist das primäre Ziel der Untersuchung?
Das primäre Ziel ist es, dem Leser einen fachlich fundierten Überblick über die Einsetzbarkeit von Brennstoffzellen zu geben, um deren Nutzung hinsichtlich technischer und ökonomischer Aspekte zu bewerten.
Welche wissenschaftliche Methode wurde verwendet?
Die Arbeit stützt sich auf eine detaillierte Literaturrecherche, die technische Analyse der Reinigungsverfahren und die Entwicklung eines wirtschaftlichen Anlagenkonzepts anhand einer Beispielanlage (Relliehausen).
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in die Darstellung der Biogastechnologie, die detaillierte Beschreibung der Brennstoffzellentechnologien (MCFC/SOFC) und die systematische Erläuterung der verschiedenen Methoden der Biogasaufbereitung.
Welche Keywords charakterisieren die Arbeit?
Zu den wichtigsten Begriffen zählen Biogastechnologie, Brennstoffzelle, MCFC, Gasaufbereitung, Entschwefelung, Wirkungsgrad und Investitionskosten.
Warum sind Hochtemperatur-Brennstoffzellen wie die MCFC für Biogas geeignet?
Aufgrund ihrer hohen Betriebstemperatur von ca. 650 °C können sie CO-haltige Gasgemische direkt verarbeiten und die Abwärme für den Aufbereitungsprozess nutzen, was die Systematik vereinfacht.
Welche Rolle spielt die Abwärme der Brennstoffzelle in dieser Arbeit?
Die Abwärme ist für die Wirtschaftlichkeit entscheidend; sie wird unter anderem zur Temperierung des Fermenters und zur energieeffizienten Regenerierung des Waschmediums (TEG) bei der Entfeuchtung genutzt.
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- Diplom-Wirtschaftsingenieur Lars Pingel (Author), 2006, Technische und ökonomische Analyse der Brennstoffzellennutzung in der Biogastechnik, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/80614
