Gaserzeugungstechnologien
Gaserzeugung gehört zu den thermochemischen Verfahren und steht im Mittelpunkt der Biomass-to-Liquid-Route. Dabei werden feste, kohlenstoffhaltige Stoffe – wie etwa Kohle, Holz oder andere holzähnliche Biomassen – unter hohen Temperaturen (meist über 700 °C) in ein brennbares Gasgemisch, das sogenannte Synthesegas, umgewandelt. Dieses Gas enthält vor allem Wasserstoff und Kohlenmonoxid und kann für die Erzeugung von Strom, Wärme oder synthetischen Kraftstoffen genutzt werden. Es gibt drei Haupt- und viele Unterkategorien der Gaserzeugung:
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Beim Festbettverfahren liegt der feste Brennstoff in einem Reaktor auf einem Rost und wird von unten mit Luft oder Sauerstoff durchströmt. Der Brennstoff wird dabei von unten nach oben durch Hitze in Gas, Asche und Holzkohle umgewandelt. Das entstehende Gas verlässt den Reaktor meist nach oben.
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Bei Wirbelschichttechnologien wird der Brennstoff in Hackschnitzelgröße zusammen mit heißen Sandpartikeln durch aufsteigende Luft oder Dampf aufgewirbelt. Dadurch entsteht eine Art "kochende" Schicht, in der eine gleichmäßige Gaserzeugung stattfindet. Das erzeugte Gas wird seitlich oder oben aus dem Reaktor abgeführt. Die entstehende Asche bleibt trocken und muss aus dem System entfernt werden.
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Beim Flugstromverfahren wird der Brennstoff sehr fein gemahlen und zusammen mit Sauerstoff oder Dampf in einen heißen Reaktor eingespritzt. Die Reaktion verläuft extrem schnell bei sehr hohen Temperaturen (über 1.200 °C). Dabei entsteht ein sehr sauberes Gas, das direkt aus dem Reaktor entweicht. Aufgrund der hohen Temperaturen schmilzt die Asche zu einer verglasbaren Schlacke, die dem System ebenfalls entzogen werden muss.
Funktionsweise der Zweibettwirbelschicht-Technologie
Die Wahl des richtigen Verfahrens hängt stark vom Brennstoff (z. B. Korngröße, Aschezusammensetzung) und vom gewünschten Produkt ab. Für hochwertige Kraftstoffe wie klimaverträgliche Flugkraftstoffe ist vor allem die Gasqualität entscheidend.
Wir haben bei Solarbelt ein ausführliches Technologiescreening durchgeführt. Dabei war uns wichtig, dass die Technologie für Restbiomassen, die im Globalen Süden vorkommen, geeignet ist.
Festbettverfahren sind zwar robust und günstig und für einfache Anwendungen wie Strom- oder Wärmeerzeugung in Inselnetzen bestens geeignet. Für die Erzeugung von Flüssigkraftstoffen erfüllen sie aber nich die technologischen Anforderungen, da sie die geforderte Synthesegasqualität und -zusammensetzung nicht erreichen; sie lassen sich auch nicht beliebig vergrößern, um die notwendigen Mengen an synthetischen Kraftstoffen zu produzieren.
Flugstromverfahren liefern ein sehr sauberes, teerfreies Gas mit hoher Energieausbeute, sind aber technisch anspruchsvoll und brauchen feingemahlenen Brennstoff sowie viel Sauerstoff. Ferner sind diese Verfahren nur in sehr großen Dimensionen wirtschaftlich sinnvoll realisierbar (mehrere hunderttausend Tonnen Biomasse pro Jahr) – und die Sammlung derartiger Mengen an Biomassen ist in Ländern des Globalen Südens eine große Herausforderung.
Die Produktion synthetischer Kraftstoffe über die Biomass-to-Liquid-Route wurde bisher nur erfolgreich gezeigt mit Flugstrom- und Wirbelschichtverfahren. Da Wirbelschichtverfahren eine einfachere Brennstoffaufbereitung brauchen als Flugstromverfahren und auch in kleinerer Dimension wirtschaftlich erfolgreich betrieben werden können, fokussieren wir uns bei Solarbelt auf das Zweibettwirbelschichtverfahren, das auch in der Syngasplattform in Wien eingesetzt wird. Dieses Verfahren nutzt zwei miteinander verbundene Reaktoren, um Restbiomasse in ein energiereiches Gas umzuwandeln. Durch beide
Reaktoren zirkuliert Sand zum Wärmetransfer, der in beiden Reaktoren in Form sogenannter Wirbelschichtbetten vorliegt, daher der Name. Im ersten Reaktor, dem Gaserzeugungsreaktor, wird die Biomasse auf etwa 850 °C erhitzt, mit Wasserdampf vermischt und dadurch in seine Bestandteile zerlegt – es entsteht Synthesegas und Biokohle. Die Biokohle wandert in den sogenannten
Verbrennungsreaktor. Dort wird Sand durch das Verbrennen der Biokohle erhitzt. Dieser Sand zirkuliertzwischen den beiden Reaktoren und bringt so die benötigte Wärme in den Vergaser, ganz ohne direkten Sauerstoff. Es entsteht ein teerarmes, wasserstoff- und kohlenmonoxidreiches Gas, das sich gut für die Herstellung von Kraftstoffen eignet. Weltweit wurden mehrere kommerzielle Anlagen zur Erzeugung von Strom und synthetischen Energieträgern gebaut, die auf der Zweibettwirbelschichttechnologie basieren.
