Vorlesung 2009 biomasse2

Institut für Energie- und Umweltverfahrenstechnik

Regenerative Energietechnik II

Biomasse Teil 2From trash to cash


Thermal Biological Physical

Combustion Gasification Pyrolysis

Heat Fuel Gases (CO + H2)

Liquids

Pretreatment

Fermentation

Ethanol

Hydrolysis

(Heat & Pressure)

Liquids

No AirPartial airExcess air AnaerobeVergärung

CH4

H2

Prinzipielle Pfade der Biomassekonversion


Schematischer Ablauf der Fermentation


Theoretische Gasausbeute der Methangärung


Biogasausbeute verschiedener Substrate


Ergiebigkeit tierischer Exkremente pro Tag (Anhaltswerte)


Ergiebigkeit und Gärdauer für das Vergären

landwirtschaftlicher Produkte


Einfluss der Temperatur auf die Gasproduktion von kommunalem Klärschlamm


Summenkurve der Biogasproduktion für Tierkot bei verschiedenen Temperaturen


Schematischer Zusammenhang zwischen den Kenngrößen der Biogaserzeugung bei kontinuierlicher Beschickung


Schema einer kontinuierlich arbeitenden Biogasanlage


Prinzip der Phasentrennung


Schema einer Dom-Biogasanlage


Anzahl der Biogasanlagen in Deutschland

•Allein die Zahl der Biogasanlagen in China wird mit ca. 5 Millionen und in Indien mit ca. 3 Millionen angegeben. Die Mehrheit der installierten Anlagen weis t Leistungen im Kleinstbereich (ca. 1 kWth) zur Versorgung von landwirtschaftlichen Haushalten bzw. im kleinen Bereich (ca. 5 – 30 kWth) zur Energieversorgung von Dorfgemeinschaften etc. auf.

•Insgesamt waren Ende 2006 in Deutschland etwa 3.500 Biogas-anlagen mit zusammen-genommen etwa 1.100 MWel in Betrieb.


Einspeisung von Biomethan ins Erdgasnetz

Quelle: Stadtwerke Aachen


Gegenüberstellung des nutzbaren biochemischen Biogaspotentials und der Aufnahmekapazität des Erdgasnetzes einschließ-lich Biogasanlagen Ausbauszenario

Quelle: Ramesohl et al., BWK Bd. 58 (2006) Nr.5, 63-68

•Erdgasabsatz in Deutschland: 904,27 TWh/a (2002).

•Davon werden 676,76 TWh/a über die Ortsgasversorger an die Endverbraucher abgegeben.

•PEV 2006: 14.464 PJ bzw. 4.020 TWh.


Erlöse aus der Nutzung von Biomasse

10,40 ct/kWh

16,90 ct/kWh

19,90 ct/kWh

21,50 ct/kWh

Summe aus EEG

0,00 ct/kWh2,00 ct/kWh2,00 ct/kWh2,00 ct/kWhInnovationsbonus

2,00 ct/kWh2,00 ct/kWh2,00 ct/kWh2,00 ct/kWhKWK-Bonus

0,00 ct/kWh4,00 ct/kWh6,00 ct/kWh6,00 ct/kWhNaWaRo-Bonus

8,40 ct/kWh8,90 ct/kWh9,90 ct/kWh11,50 ct/kWhMindestvergütung nach EEG

Anlagen bis 20 MWel

Anlagen bis 5 MWel

Anlagen bis 500 kWel

Anlagen bis 150 kWel

Art der Vergütung

•NaWaRo: Nachwachsende Rohstoffe; KWK: Kraft-Wärme-Kopplung; EEG: Erneuerbare Energien Gesetz


Der Technologie-Bonus in Höhe von 2 ct/kWh für Strom aus Biomasse wird gewährt, soweit er mit den im Folgenden genannten Verfahren oder Techniken erzeugt wird:

Thermochemische Vergasung, Trockenfermentation, Biogasaufbereitung auf Erdgasqualität, Brennstoffzellen, Gasturbinen, Dampfmotoren, Organic-Rankine-Anlagen (ORC-Anlagen), Mehrstoffgemischanlagen (insb. Kalina-Cycle-Anlage), Stirling-Motoren

und

soweit die Anlage in Kraft-Wärme-Kopplung betrieben wird (d.h.: ohne KWK kein Technologie-Bonus!)

Technologie-Bonus gilt nur für den Leistungsbereich bis 5 MW !

Technologie-Bonus wird nur einmal gewährt, auch wenn mehrere der oben genannten Verfahren oder Techniken zum Einsatz kommen.

Technologiebonus


Quelle: Ramesohl et al., BWK Bd. 58 (2006) Nr. 3, 45-49

Stromgestehungskosten und zu erwartende Erlöse ausNawaro Biogasanlagen


Entwicklung des Biogaspotentials in Deutschland bis 2030

•Der hier ausgewiesene Unterschied von minimaler und maximaler Methanproduktion resultiert aus einer Variation der Ernteertragssteigerung zwischen 1% und 3% pro Jahr, während für den Mittelwert eine jährliche Ernte-ertragssteigerung von 2% pro Jahr angesetzt wurde.

Quelle: Ramesohl et al., BWK Bd. 58 (2006) Nr. 3, 45-49


Spezifische Kosten der Biogaserzeugung, -aufbereitungund Einspeisung

Quelle: Ramesohl et al., BWK Bd. 58 (2006) Nr.5, 63-68


Nutzung von Deponiegas


Grubengas,aktives Bergwerk

Grubengas,stillgelegtes Bergwerk

Deponiegas Klärgas Biogas Holzgas ** Erdgas

HauptkomponentenMethan [% vol] 25 - 60 40 - 75 45 - 60 55 - 70 55 - 70 0 - 3 88,5Kohlenmonoxid [% vol] < 1 -- -- -- -- 15 - 18 --Wasserstoff [% vol] < 0,05 -- -- 0 - 1,5 0 - 1 5 - 9 --Sauerstoff [% vol] 5 - 15 < 1 0 - 2 0 - 1,5 0 - 2 -- --Stickstoff [% vol] 40 - 50 1 - 15 0 - 5 0 - 7 45 - 48 5Kohlendioxid [% vol] < 5 10 - 15 30 - 40 25 - 35 25 - 35 12 - 13 --SpurenstoffeSumme Silizium (Siloxane) [mg/m³i.N.CH4]* k.A. k.A. bis zu 100 bis zu 150 -- * 4 --Summe Fluor [mg/m³i.N.CH4] < 1 * 5 5 - 13 1 - 5 -- * 4 --Summe Chlor [mg/m³i.N.CH4] < 1 * 5 -- 5 - 50 1 - 5 -- * 4 --Summe Schwefel [mg/m³i.N.CH4] < 1 * 5 -- 0 - 1.000 20 - 2.500 20 - 2.500 * 4 --Benzol [mg/m³i.N.CH4] < 0,05 * 5 k.A. 0 - 5 0 - 5 -- --Toluol [mg/m³i.N.CH4] < 0,05 * 5 k.A. 0 - 50 0 - 10 -- --Xylol [mg/m³i.N.CH4] < 0,05 * 5 k.A. 0 - 50 0 -10 -- --höhere Kohlenwasserst. C2 - Cn [mg/m³i.N.CH4] 0 - 300 0 - 100 -- --halogenierte Kohlenwasserst. [mg/m³i.N.CH4] 0 - 150 0 - 100 -- --Ethan [% vol] < 1 < 1 4,7Propan [% vol] < 1 < 1 1,6Butan [% vol] < 1 < 1 0,2Summe BTX [mg/m³i.N.] 1500 -2500Summe PAK [mg/m³i.N.] 2000 - 4500Sonstigesrelative Feuchte [%] 70 - 100 100 90 - 100 90 - 100 0 - 20Wasserdampf [%] 10 - 15Heizwert Hu [kWh/m³ i.N.] 2,5 - 6 4 - 7,5 4,5 - 6 5,5 - 7 5,5 - 7 0,9 - 1,5 10,1k.A. keine Angaben * * * vom Vergasungsverfahren abhängig* mg/m³ bezogen auf Normzustand und 100 % CH 4 * 4 Abhängig von der Eingangsfracht* * Werte der UMSICHT-Anlage (Atmosphärische ZWS mit Luft), alle Gaswerte auf Rohgas bezogen * 5 % vol

Quelle: Fraunhofer Institut UMSICHT, Oberhausen

Typische Zusammensetzung von Brenngasen regenerativen Ursprungs


Kategorien von Biomasse

• Rückstände, Nebenprodukte und Abfälle umfassen schon vorhandene Stoffe bzw. Stoffströme, die einer energetischen Verwendung zugeführt werden.

Grundsätzlich lassen sich die beiden Arten Rückstände und Energiepflanzen unterschieden:

§ Holzartige Rückstände, Nebenprodukte und Abfälle (u.a. Waldrestholz, Schwachholz, Altholz, Industrierestholz, Landschaftspflegeholz).

§ Halmgutartige Rückstände, Nebenprodukte und Abfälle (u.a. Stroh- und Landschaftspflegematerial).

§ Sonstige Rückstände, Nebenprodukte und Abfälle (d.h. Exkremente und Ernterückstände, Abfälle aus Gewerbe und Industrie, organische Siedlungsabfälle)

• Im Gegensatz dazu werden Energiepflanzen (ein- oder mehrjährige Kulturen) direkt für eine energetische Nutzung auf landwirtschaftlichen Flächen angebaut. Sie zählen zu den nachwachsenden Rohstoffen (Nawaro), deren Verfügbarkeit im Wesentlichen durch das Flächenangebot und die Ernteerträge bestimmt sind.


Energie aus Biomasse: Flächenkonkurrenz

• Die zukünftige Entwicklung von Biomassepotentialen wird maßgeblich durch die Entwicklung der Anbauflächen bestimmt.

• Die landwirtschaftliche Ackerfläche in Deutschland liegt bei ca. 12 Mio. ha.

• Die sog. Stilllegungsflächen belaufen sich auf 1,2 Mio. ha, von denen ein Teil für die Anpflanzung von nachwachsenden Rohstoffen verwendet werden kann.

• Prinzipiell sind die betrachteten Flächen zur Produktion von Pflanzen vielfältig nutzbar:

§ thermochemische Nutzung (z.B. Holz aus Kurz-Umtriebs-Plantagen) durch Verbrennung und Vergasung,

§ bio-chemische Nutzung (z.B. Mais, Getreide) durch Vergärung zu Biogas,

§ physikalisch-chemische Umwandlung (Raps, Zuckerrüben, Weizen),

§ sonstige stoffliche Nutzung (Bioschmierstoffe, Automobilindustrie, Dämmstoffe, Farben, Lacke, biologisch abbaubare Werkstoffe).


Übersicht der technischen Biomassepotentiale in Deutschland (2005)

Quelle: Ramesohl et al., Studie: Analyse und Bewertung der Nutzungsmöglichkeiten von Biomasse

•PEV 2006: 14.464 PJ bzw. 4.020 TWh.

Jahr 2005


Annahme der Entwicklung der verfügbaren Flächen



Entwicklung der Energiepotentiale nachwachsender Rohstoffe (NaWaRo) bis zum Jahr 2030

• Energieträgerpotential Biogene Festbrennstoffe: 289 Mrd. kWh/a (2020) bzw. 344 Mrd. kWh/a (2030).

• Energieträgerpotential Energieträger nach Umwandlung zu Biogas: 116,2 Mrd. kWh/a (2020) bzw. 163,2 Mrd. kWh/a (2030).

• Zum Vergleich PEV Deutschland 2006: 14.464 PJ bzw. 4.020 TWh.

Mit den Daten der vorhergehenden Folie ergeben sich somit folgende Potentiale:



Windkraft

Wasserkraft

Biomasse

davon feste Biomasse, einschl. biogener Abfall

davon Biogas

davon flüssige Biomasse

Deponie- und Klärgas

Photovoltaik

Geothermie

Summe Strom

1,1

16,7

10,2

1,9

2,0

72,7

Str

om

Endenergiebereitstellung aus erneuerbaren Energien

30,5

5,4

21,6

Beitrag der erneuerbaren Energien zur Energiebereitstellung in Deutschland 2006

0,0004

[TWh] = (Mrd. kWh)

vorläufige Angaben, teilweise geschätzt , Stand März 2007

Quellen: BMU nach Arbeitsgruppe Erneuerbare Energien - Statistik (AGEE-Stat); Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW); Arbeitsgemeinschaft Energiebilanzen (AGEB);

Statistisches Bundesamt (StBA); Bundesverband Solarindustrie (BSW); ISET Kassel; Institut für Energetik und Umwelt (IE); Verband der Elektrizitätswirtschaft (VDEW)


Biomasse

davon feste Biomasse, einschl. biogener Abfall

davon flüssige Biomasse

davon biogene gasförmige Brennstoffe

Solarthermie

tiefe Geothermie

oberflächennahe Geothermie

Summe Wärme

83,9

89,4

1,0

3,4

5,4

Wär

me

Endenergiebereitstellung aus erneuerbaren Energien

1,9

0,1

77,6

Beitrag der erneuerbaren Energien zur Energiebereitstellung in Deutschland 2006

[TWh] = (Mrd. kWh)

vorläufige Angaben, teilweise geschätzt, Stand März 2007

Quellen: BMU nach Arbeitsgruppe Erneuerbare Energien - Statistik (AGEE-Stat); Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW); Arbeitsgemeinschaft Energiebilanzen (AGEB);

Statistisches Bundesamt (StBA); Bundesverband Solarindustrie (BSW); ISET Kassel ; Institut für Energetik und Umwelt (IE); Verband der Elektrizitätswirtschaft (VDEW)


Vereinfachtes Schema der Äthanolgewinnung aus verschiedenen Biomassen


Hauptbestandteile der Biomasse

O

OO

OH

OH

OH

HOHO

OHO

O

OO

OH

OH

OH

HOHO

OHO

O

OO

OH

OH

OH

HOHO

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OH

OH

HOHO

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OH

OH

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OH

OH

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OH

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OH

HOHO

OHO

OHO

HO

H3CO

OH

OCH3

OCH3

O

O

O

OH

OCH3

OCH3

H3CO

OO

HO

H3CO

HO

OCH3

OCH3

OHO

HO

H3CO

OH

OCH3

OCH3O

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OCH3

OCH3

OCH3

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O

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HOHO

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O

OO

OH

OH

OH

HOHO

OHO

O

OO

OH

OH

OH

HOHO

OHO

Lignin: 15-25%

Zellulose: 38-50%

Hemizellulose: 23-32%

§ Komplexe aromatische Struktur§ Hoher Energieinhalt§ Bewirkt durch Einlagerung in die

Zellulosematrix die Verholzung pflanzlicher Zellen

§ Polysaccharid, welches nicht nur aus Glukoseketten, sondern aus weiteren Zuckern (C5- und C6-Zucker) besteht

§ Polysaccharid, welches aus reinen Glukoseketten (C6H12O6) besteht, die durch Wasserstoffbindung zusammen-gehalten werden§ Wichtiger Rohstoff der chem. Industrie


Prinzip der Umwandlung von Stärke in Äthanol


Gärungsverlauf eines diskontinuierlichen Prozesses der Äthanolerzeugung


Fließschema für kontinuierliche Gärung zur Äthanolerzeugung aus Biomasse


Blockschema eines Produktionsprozesses für Äthanol aus Zuckerrohr


Schema der Gewinnung von Bioethanol aus Zuckerrohr


Gewinnung von Bioalkohol und Biogas (Zuckerfabrik Ochsenfurt in Franken)


Alkohol-Erträge pro ha verschiedener Rohstoffe


Endenergiebedarf der Äthanolherstellung und Energieinhalt der Abfallstoffe in MJ / l Äthanol


Eigenschaften von Äthanol und Benzin

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