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
- Einleitung
- Problemstellung
- Zielsetzung
- Darstellung der Biogastechnologie
- Grundlagen
- Biogasentstehung
- Biogasqualität nach Vergärung
- Störstoffe im Biogas
- Schwefelwasserstoff
- Wasserdampf
- Ammoniak
- Kohlenmonoxid und -dioxid
- Carbonyl-Sulfid
- Siloxane
- Chlor und Fluor
- Staubpartikel
- Betriebsparameter der Beispielanlage
- Nutzung der Brennstoffzelle in der Biogastechnik
- Allgemeine Einführung und Funktion der Brennstoffzelle
- Darstellung der MCFC-Technologie
- Beschreibung der MCFC
- Aufbau der Direktbrennstoffzelle
- Funktionsweise der MCFC
- Darstellung der SOFC-Technologie
- Beschreibung der SOFC
- Betrachtung verschiedener Zellenkonzepte
- Funktionsweise der SOFC
- Anforderungen der Brennstoffzelle an die Gasqualität
- Vergleich der Brennstoffzelle zu konventionellen BHKWs
- Investitionskosten
- Wirkungsgrad
- Lebensdauer
- Emissionen
- Methoden der Biogasaufbereitung
- Trocknung
- Feststoffabscheidung
- Entschwefelung
- Biologische Entschwefelung
- Laugenwäsche
- Sulfidfällung
- Entschwefelung mit Eisenchelat
- Adsorption an eisenhaltigen Massen
- Schwefelwasserstoffentfernung mit Zinkoxid
- Adsorption an Aktivkohle
- Ammoniakentfernung
- Siloxanentfernung
- AOX-Entfernung
- Biogasaufbereitung bei der Vergärungsanlage in Leonberg
- Wirtschaftlichkeitsbetrachtung
- Bewertung der Aufbereitungstechniken
- Bewertung der Trocknungsverfahren
- Bewertung der Verfahren zur Feststoffabscheidung
- Bewertung der Entschwefelungsverfahren
- Bewertung der Verfahren zur Siloxanabscheidung
- Bewertung der Verfahren zur Ammoniak- bzw. AOX-Entfernung
- Auswahl eines geeigneten Verfahrens anhand der Beispielanlage
- Diskussion
- Zusammenfassung
Zielsetzung und Themenschwerpunkte
Diese Diplomarbeit analysiert die technische und wirtschaftliche Machbarkeit der Brennstoffzellennutzung in der Biogastechnologie.
- Analyse der Biogastechnologie und ihrer Bedeutung für die nachhaltige Energieversorgung
- Detaillierte Betrachtung der Brennstoffzellentechnologie und ihrer Einsatzmöglichkeiten in der Biogasverwertung
- Bewertung der verschiedenen Verfahren zur Biogasaufbereitung, insbesondere im Hinblick auf die Anforderungen der Brennstoffzelle
- Wirtschaftliche Analyse der Brennstoffzellennutzung im Vergleich zu konventionellen BHKWs
- Entwicklung von Handlungsempfehlungen für die Implementierung der Brennstoffzellentechnologie in der Biogastechnik
Zusammenfassung der Kapitel
- Einleitung: Die Arbeit stellt die Problemstellung der steigenden Energiebedarfs und der Notwendigkeit der Reduktion von Treibhausgasemissionen dar. Sie führt die Biogastechnologie als einen wichtigen Bestandteil der nachhaltigen Energieversorgung ein und erläutert das Potenzial der Brennstoffzelle in der Biogasverwertung.
- Darstellung der Biogastechnologie: Dieses Kapitel beschreibt die Grundlagen der Biogasentstehung und die Qualität des entstehenden Biogases. Die verschiedenen Störstoffe im Biogas, wie Schwefelwasserstoff, Wasserdampf, Ammoniak und Kohlenmonoxid, werden im Detail erläutert. Zudem werden die Betriebsparameter einer exemplarischen Biogasanlage vorgestellt.
- Nutzung der Brennstoffzelle in der Biogastechnik: Dieses Kapitel behandelt die Funktionsweise der Brennstoffzelle und die Eigenschaften der MCFC- und SOFC-Technologie. Es werden die Anforderungen der Brennstoffzelle an die Gasqualität sowie ein Vergleich zu konventionellen BHKWs hinsichtlich Investitionskosten, Wirkungsgrad, Lebensdauer und Emissionen durchgeführt.
- Methoden der Biogasaufbereitung: Dieses Kapitel analysiert die verschiedenen Verfahren zur Biogasaufbereitung, einschließlich Trocknung, Feststoffabscheidung, Entschwefelung und Ammoniakentfernung. Es werden die jeweiligen Vor- und Nachteile der Verfahren diskutiert sowie die relevanten Parameter für die Auswahl eines geeigneten Verfahrens für die Brennstoffzellennutzung erläutert.
- Wirtschaftlichkeitsbetrachtung: Dieses Kapitel bewertet die Wirtschaftlichkeit der verschiedenen Verfahren zur Biogasaufbereitung im Hinblick auf ihre Kosten und Effizienz. Es werden die Ergebnisse der wirtschaftlichen Analyse zusammengefasst und ein geeignetes Verfahren für die Biogasaufbereitung für die Brennstoffzellennutzung ausgewählt.
Schlüsselwörter
Die Diplomarbeit befasst sich mit den Themen Biogastechnologie, Brennstoffzelle, MCFC, SOFC, Biogasaufbereitung, Entschwefelung, Wirtschaftlichkeit, Energieversorgung und Nachhaltigkeit.
- Citation du texte
- Diplom-Wirtschaftsingenieur Lars Pingel (Auteur), 2006, Technische und ökonomische Analyse der Brennstoffzellennutzung in der Biogastechnik, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/80614
