Fossile Brennstoffe müssen in Zukunft im Wesentlichen aus 2 Gründen viel stärker geschont werden, als in der Vergangenheit, zum einen wegen der enormen Freisetzung des klimaschädlichen CO2 und zum anderen wegen ihrer immer deutlicher werdenden Erschöpfbarkeit. Eine von verschiedenen Möglichkeiten Ersatz zu finden, ist der Einsatz von Biobrennstoffen, die jedoch häufig für einen technischen Einsatz aufbereitet bzw. konvertiert werden müssen. Die Arbeit soll konkret folgende Schwerpunkte beinhalten: • Direkte thermische, Umwandlung, • Thermochemische Umwandlung, -Verkohlung, -Vergasung, -Pyrolyse, • Physikochemische Umwandlung, -Pflanzenöl, -Rapsölmethylester, • Biochemische Umwandlung, -Methangärung, -Ethanolgärung
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
2 Direkte Thermische Umwandlung (Verbrennung)
2.1 Ausgangsstoffe
2.2 Grundlagen der Verbrennung
2.3 Feuerungsanlagentechnik
2.3.1 Handbeschickte Feuerungen
2.3.2 Automatisch beschickte Feuerungen
2.4 Regelung kontinuierlich beschickter Anlagen
3 Thermochemische Umwandlung
3.1 Verkohlung
3.1.1 Grundlagen der Verkohlung
3.1.2 Verfahren der Kohleherstellung
3.1.3 Das Produkt Kohle
3.1.4 Nutzung von Kohle
3.2 Vergasung
3.2.1 Grundlagen der Vergasung
3.2.2 Produktgas
3.2.3 Verfahren der Produktgasherstellung
3.2.3.1 Festbettvergaser
3.2.3.2 Wirbelschichtvergaser
3.2.3.3 Flugstromvergaser
3.2.3.4 Verfahrensübersicht
3.2.4 Nutzung des Produktgases
3.2.4.1 Wärmebereitstellung
3.2.4.2 Nutzung in Motoren
3.2.4.3 Nutzung in Gasturbinen
3.2.4.4 Nutzung in Brennstoffzellen
3.2.4.5 Nutzung zur Verflüssigung
3.3 Pyrolyse
3.3.1 Flash - Pyrolyse
3.3.2 Druckverflüssigung
3.3.3 Produkte der Pyrolyse
3.3.4 Aufbereitung der Pyrolyseprodukte
3.3.5 Nutzung der Pyrolyseöle
4 Physikochemische Umwandlung von Biomasse
4.1 Gewinnung von Pflanzenöl
4.1.1 Verfahren zur Gewinnung von Pflanzenöl
4.2 Veredelung zu Pflanzenölmethylester (PME)
4.2.1 Chemische Grundlagen
4.2.2 Verfahren der Rapsölmethylester (RME) - Herstellung
4.3 Motorische Nutzung von Pflanzenöl und Rapsölmethylester (RME)
4.3.1 Pflanzenöl als Kraftstoff
4.3.2 RME als Kraftstoff
4.3.3 Vergleich von Diesel, Rapsöl und RME
5 Biochemische Umwandlung von Biomasse
5.1 Methangärung
5.1.1 Grundlagen der Methangärung
5.1.2 Verfahrenstechnische Umsetzung der Biogaserzeugung
5.1.3 Nutzung von Biogas
5.2 Ethanolgärung
5.2.1 Grundlagen der Ethanolgärung
5.2.2 Maischprozess
5.2.2.1 Zuckeraufschluss
5.2.2.2 Stärkeaufschluss und –abbau
5.2.2.3 Celluloseaufschluss und –abbau
5.2.3 Fermentation (Gärung)
5.2.4 Destillation, Rektifikation
5.2.5 Nutzung von Ethanol
5.2.5.1 Motorische Nutzung
6 Zusammenfassung
Zielsetzung & Themen
Die vorliegende Arbeit gibt einen umfassenden Überblick über den aktuellen Stand verschiedener Verfahren zur Konversion von Biomasse in nutzbare Energieformen, bewertet deren technische Umsetzbarkeit und analysiert die Möglichkeiten der energetischen sowie stofflichen Verwertung.
- Direkte thermische Umwandlung durch Verbrennungsprozesse.
- Thermochemische Verfahren wie Verkohlung, Vergasung und Pyrolyse.
- Physikochemische Umwandlung, insbesondere zur Herstellung von Pflanzenöl und RME.
- Biochemische Prozesse wie Methangärung und Ethanolgärung.
- Vergleichende Analyse der verschiedenen Konversionstechniken und deren Wirkungsgrade.
Auszug aus dem Buch
Gleichstromvergaser (downdraft gasification)
Bei der klassischen Vergasung im Gleichstrom bewegt sich das Brenngut zusammen mit dem Vergasungsmittel (Luft) von oben nach unten. Im oberen Bereich muss vorerst die Trocknung des Brennmaterials erfolgen, um es dann der pyrolytischen Zersetzung zuzuführen. Danach treten die Pyrolyseprodukte in die Oxidationszone, in der das Vergasungsmittel über Düsen eingeblasen wird. Bei den hier herrschenden Temperaturen von weit über 1000 °C werden die langkettigen Pyrolyseprodukte zu kurzkettigen Kohlenwasserstoffen gecrackt. Die teerreichen Produkte können so in teerarme gasförmige Bestandteile umgewandelt werden. Daneben entstehen auch Koks und Asche, die zusammen mit dem Gasstrom in die Reduktionszone gelangen. In dieser Zone reagieren die Gase wiederum mit dem Koks, dabei reduziert dieser Kohlenstoffdioxid (CO2) zu Kohlenstoffmonoxid (CO). Das Produktgas entweicht im unteren Bereich mit einer verhältnismäßig hohen Temperatur von 600 – 800 °C. Das heiße Gas kann durch den Einsatz von Wärmeübertragern indirekt zur Vorwärmung des Vergasungsmittels genutzt werden, um die Einbußen beim Wirkungsgrad zu minimieren. Der Wirkungsgrad solcher Reaktoren liegt zwischen 50 % und 80 %.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Diese Einleitung erläutert die wachsende Bedeutung der Biomassekonversion als Antwort auf die Verknappung fossiler Energieträger und gibt einen Überblick über die behandelten Umwandlungsprozesse.
2 Direkte Thermische Umwandlung (Verbrennung): Dieses Kapitel beschreibt die Oxidation von Biomasse zur Wärmeerzeugung und untersucht unterschiedliche Anlagentechniken sowie deren Regelungsmöglichkeiten.
3 Thermochemische Umwandlung: Hier werden die Verfahren der Verkohlung, Vergasung und Pyrolyse behandelt, die Biomasse in feste, flüssige oder gasförmige Energieträger konvertieren.
4 Physikochemische Umwandlung von Biomasse: Dieses Kapitel fokussiert auf die Gewinnung von Pflanzenölen und deren Veredelung zu Pflanzenölmethylester (PME) sowie deren motorische Nutzung.
5 Biochemische Umwandlung von Biomasse: Hier werden Prozesse der Methanisierung und Ethanolgärung durch Mikroorganismen sowie deren verfahrenstechnische Umsetzung beschrieben.
6 Zusammenfassung: Dieses abschließende Kapitel bietet einen verdichteten Überblick über die vier zentralen Umwandlungspfade für Biobrennstoffe.
Schlüsselwörter
Biomasse, Konversion, Verbrennung, Verkohlung, Vergasung, Pyrolyse, Pflanzenöl, Rapsölmethylester, Methangärung, Ethanolgärung, Wirkungsgrad, Synthesegas, Biogas, Bio-Öl, Energieträger
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit untersucht den gegenwärtigen Stand und die vielfältigen Verfahren der Konversion von Biomasse in nutzbare Biobrennstoffe.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Die zentralen Themen sind die thermische, thermochemische, physikochemische und biochemische Umwandlung von Biomasse.
Was ist das primäre Ziel der Arbeit?
Ziel ist es, eine detaillierte Übersicht über die verschiedenen Techniken und Verfahren zu erstellen und deren Nutzungsmöglichkeiten kritisch zu bewerten.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Die Arbeit basiert auf einer Literaturanalyse und einer vergleichenden technischen Auswertung der verschiedenen Konversionswege und Anlagentypen.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in die detaillierte Beschreibung der vier Hauptumwandlungswege (Verbrennung, thermochemisch, physikochemisch, biochemisch) inklusive ihrer spezifischen Anlagentechnik.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Die wichtigsten Schlüsselbegriffe sind Biomasse, Konversion, Biokraftstoffe, Wirkungsgrad und die verschiedenen Umwandlungsverfahren von der Verbrennung bis zur Fermentation.
Was zeichnet das Carbo-V-Verfahren aus?
Das Verfahren kombiniert Niedertemperatur-Pyrolyse mit einer Hochtemperatur-Vergasung, um ein teerfreies Synthesegas hoher Qualität zu erzeugen.
Warum ist der Wassergehalt bei der Verbrennung von Biomasse kritisch?
Ein hoher Wassergehalt senkt den Heizwert erheblich, da ein Großteil der Energie zur Verdampfung des Wassers aufgewendet werden muss, statt für die thermische Nutzung zur Verfügung zu stehen.
Welche Rolle spielt Methanol bei der Herstellung von RME?
Methanol wird als Reaktionspartner bei der Umesterung von Rapsöl zu Rapsölmethylester (RME) benötigt, um das hochmolekulare Triglycerid zu spalten.
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- Stefan Kramp (Author), 2007, Untersuchungen zum gegenwärtigen Stand der Konversion von Biobrennstoffen, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/86800
