DBFZ Report Nr. 18 - Deutsches Biomasseforschungszentrum

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Hintergrund Anlagen erfolgten Messkampagnen angefangen von Punkt- bis hin zu Langzeitmessungen mit unterschiedlichen Schwerpunkten. Die Auswertung der Ergebnisse bildete danach die Grundlage für die Erarbeitung von Verbesserungsansätzen und für die systematische, technische, ökologische und ökonomische Bewertung. Im Rahmen des Bundesmessprogramms waren das Deutsche Biomasseforschungszentrum gemeinnützige GmbH (DBFZ), die Hochschule Zittau-Görlitz (HSZG), das Fraunhofer Institut für Fabrikbetrieb und -automatisierung (IFF) sowie das Bayerische Zentrum für Angewandte Energieforschung e.V. (ZAE) aufgefordert Vergasungsanlagen im Zeitraum 2009 bis 2012 deutschlandweit zu erfassen und zu bewerten. AP1 Datenerhebung, Klassifizierung und Aufbau einer Datenbank AP2 Anlagenauswahl und -vorbereitung AP3 Messkampagnen (kontinuierliche Messungen und Detailmessungen) AP4 Datenauswertung und Erarbeitung von Verbesserungsansätzen AP5 Bewertung der untersuchten Anlagen Technische Bewertung Ökologische Bewertung Ökonomische Bewertung Abbildung 2.1 Projektstruktur im Verbundvorhaben „Bundesmessprogramm zur Weiterentwicklung der kleintechnischen Biomassevergasung“ (eigene Darstellung, © DBFZ). Diese Veröffentlichung enthält neben den wesentlichen Inhalten der Endberichte der Projektteilnehmer zusätzlich folgende Themenbereiche: • Stand der Technik der kleintechnischen Biomassevergasung – Einsatzstoffe, Grundlagen der Biomassevergasung, Rohgrasreinigung und Gasnutzung • Methoden zur Bilanzierung von Biomassevergasungsanlagen • Messtechnik, Sicherheitstechnik, Prozesssteuerung und notwendige Messtechnik für die Anlagenbewertung • Entwicklung des Anlagenbestandes • Energiepolitische Rahmenbedingungen • Anlagenbewertungen • Allgemeiner Ausblick und Handlungsempfehlungen 15
Die kleintechnische Vergasung – Stand der Technik 3 Die kleintechnische Vergasung – Stand der Technik Mit dem Ausklang des 19. und beginnenden 20. Jahrhunderts ist die Herstellung von Stadt- und Synthesegas mittels Kohlevergasung vorherrschend und bleibt bis Mitte der 50er Jahre eine relevantes Verfahren, das aber durch preiswerte mineralölstämmige Rohstoffe zunehmend vom Markt verdrängt wurde. Eine Hochphase erlebte die Holzvergasung in den rohstoffknappen und von Autarkiebestrebung geprägten 30er und 40er Jahren des 20. Jahrhunderts. Allein ein von Georg Imbert eingeführter Festbettvergaser, u. a. zum Antrieb von Kraftfahrzeugen geeignet, konnte bis zum Jahr 1945 500.000 Mal verkauft werden (UMSICHT 2005, S. 10). Mit der finanziellen Unterstützung von erneuerbaren Energien durch das EEG fand ab dem Jahr 2000 eine Wiederbelebung der kleintechnischen Biomasse- bzw. Holzvergasung statt, wobei eine Vielzahl an Entwicklern eine beachtliche Zahl an Verfahren und Variationen hervorbrachte, die jedoch nicht immer den Anforderungen des Marktes genügten. In diesem Kapitel werden daher nicht nur mögliche Einsatzstoffe und die Grundlagen der thermochemischen Vergasung erläutert, um den Leser ein Verständnis für die kleintechnische Biomassevergasung zu vermitteln, sondern auch aktuelle Entwicklungstendenzen aufgezeigt. Dabei stehen Vergasungsreaktoren, die Rohgasreinigung, die Gasnutzung und Ansätze zur Bilanzierung von derartigen Anlagen im Zentrum der Betrachtung. 3.1 Mögliche Einsatzstoffe Für die zusammenfassende Bezeichnung der Einsatzstoffe sind neben dem Begriff Einsatzstoff die Bezeichnungen Brennstoff, Input-Material oder Energierohstoff denkbar. Der hier unter dem Begriff Vergasung zusammengefasste Prozess ist bei genauerer Betrachtung eine Prozesskette, die die Bereitstellung von Strom und Wärme aus relativ wasserarmer (trockener) Biomasse bewirkt. Als Energierohstoff für die Biomassevergasung dient üblicherweise holzartige Biomasse. Diese stellt jedoch einen inhomogenen Brennstoff dar, was wiederum Auswirkungen auf den Anlagenbetrieb hat. Um einen sicheren Betrieb der Anlagen zu gewährleisten, werden somit an den Brennstoff spezifische Anforderungen hinsichtlich Zusammensetzung und Aufbereitung gestellt. Grundsätzliche Kriterien hinsichtlich der elementaren Zusammensetzung des Brennstoffes werden für den Anteil der Alkalien (Kalium, Natrium), der Schwefelverbindungen, der Halogenverbindungen sowie der Stickstoffverbindungen festgelegt. Diese sollten bestimmte Grenzwerte nicht überschreiten, da sonst negative Folgen für die brennstofftechnischen Eigenschaften (z. B. hoher Aschegehalt, niedrige Ascheerweichungstemperatur) und damit eine Störung des Anlagenbetriebs zu erwarten sind. Wassergehalt sowie Heiz- und Brennwert können als weitere Beispiele für die brennstofftechnischen Eigenschaften von Biomasse als wichtige Auslegungsgrundlagen genannt werden, da sie maßgeblich die Vergasungstemperatur und damit auch die Teerbildung beeinflussen. Darüber hinaus werden an die physikalisch-mechanischen Eigenschaften des Brennstoffes Anforderungen gestellt. Hierbei sind der jeweils grenzwertige Grob- und Feinanteil, die Stückigkeit, die Partikeldichte sowie die Abriebfestigkeit zu nennen. So kann beispielsweise aufgrund eines erhöhten Feinanteils eine signifikante Steigerung der Verschlackungsgefahr im Reaktorraum festgestellt werden, was wiederum zur Störung des Anlagenbetriebs führt. Beispiele für Verfahren der Festbettvergasung für diese allgemeinen Anforderungen sind in Tabelle 3.1 dargestellt. 16
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