3. HTC- Hydrothermale Carbonisierung

• hydrothermale Carbonisierung

• künstliche Inkohlung von Biomasse

• ist ein thermisches Umwandlungsverfahren

• imitiert den über Jahrmillionen ablaufenden Prozess der Umwandlung von Biomasse in Kohle innerhalb weniger Stunden

• biochemische (pflanzl. Überreste wie Holz, Blätter etc.)und geochemische (Marine sedimente oder Torfablagerungen) Inkohlung —> Unterschied ist die Quelle des organischen Materials

Ablauf:

Prozessparameter:

• 180-220°C

• wässrige Lösung

• Druck 15-35 bar

• pH-Wert: 3-6 (saurer Bereich)

• 4 bis 16 Stunden

• Katalysator: Zitonensäure

• exothermer Prozess (frei werdende Energie für Aufheizung nutzbar, gilt aber nicht für alle Biomassen!)

1. Hydrolyse

2. Dehydratisierung

3. Decarboxylierung

4. Aromatisierung

5. Polymerisation

• chemische Reaktion mit Wasser

• Zerlegung des komplexen Polymers in kleinere Bausteine (Mehrfachzucker)

• Verlust der maktroskopischen Struktur

Wasserabspaltung in der Biomasse

Abspaltung von Carboxyl-Gruppen (T>200°C)

Veränderung des strukturellen Charakters der Kohle —> Bildung von aromatischen Verbindungen (T>270°C)

Reaktion von Intermediaten(Zwischenprodukte), die bei der Depolymerisation(Polymerabbau) der Biomasse entstanden sind

• auch sehr feuchte und flüssige Biomassen nutzbar

• Endprodukt enthält deutlich weniger Störstoffe

• Schaffung eines standartisierten Produkts in Form von Biokohle (Einsatz in konventionellen Kraftwerken ohne Umbau möglich)

• Geringeres Volumen und Masse d.h. höhere Energiedichte!

• geringere Transportkosten (aufgrund der höheren Energiedichte kann größere Menge an Kohle in kleinerem Volumen transportiert werden)

Endotherm= Energie wird von außen aufgenommen (Verdampfung von Wasser)

Exotherm= Energie wird an die Umgebung abgegeben (Verbrennung von Holz)

grundsätzlich alle Biomassen

besonders geeignet ist feuchte Biomasse

• landwirtschaftliche Produkte (Maissilage)

• landwirtschaftliche Reststoffe (Erntereste, Schalen, Stroh)

• Siedlungsabfälle (grüne Tonne)

• Grünpflege (Gartenabfälle, Baumschnitt)

• Industrieabfälle (Treber, Holzspäne)

• Gärreste & Klärschlämme

• wässrige schwarze Flüssigkeit mit feinstverteilten kugelförmigen porösen Kohlepartikeln (Kolloide)

• erheblicher C-Anteil (15-20%) in der flüssigen Phase, kleinerer Anteil auch in der Gasphase (5-10%)

• Kohle gut abtrennbar (z.B. Saugfiltration)

• energetische Nutzung

  • HTC-Kohle ist braunkohleartig und je nach Prozess-Bedingungen auch Torf-oder Steinkohleartig

  • Brennwert ca. 16 MJ/kg

• Bodenverbesserung (Einsatz in Landwirtschaft)

• Klärschlammtrocknung/P-Rückgewinnung (Phosphor wird in HTC-Kohle konzentriert)

• dauerhafte Kohlenstoffspeicherung

• breites Substratspektrum, auch inhomogene&nasse Biomassen

• Brennwert, Konsistenz und Eigenschaften sind homogener

• hoher Brennwert

• geringer Gehalt an Begleit- und Störstoffen wie Sand, Schwefel, Chlor usw.

• geringe Neigung zur Teerbildung

• 1540/41 spanischer Eroberer Francisco de Orella bereist als erster Europäer das Amazonasgebiet und stößt auf dicht besiedelte Flussufer

• fruchtbare, stark humusreiche Schwarzerde “terra preta”

• sonst sind in den feuchten Tropen eigentlich nährstoffarme, lateritische(hoher Eisenoxidgehalt) Böden

• anthropogener Ursprung —> Entstehung durch Ausbringung von Holz- und Pfanzenkohlen, organischer Abfälle wie Dunk, Knochen, Muscheln..

• Entstehung von stabilen organischen Strukturen (2 Meter Humus) durch Mikroorganismen

• hohes Wasserspeichervermögen

• hohe Pufferkapazität

• hohe Fruchtbarkeit (mehrfache Ernten ohne Düngung)

• Kombination aus Produktion von Energie-Biomasse & Biokohle für Bodenverbesserung & CO2-Speicherung

• Einlagerung von Biokohle im Boden (Überdauerung bis zu mehrere tausend Jahre möglich—>Pyrolysekohle)

• 10 bis 120 Tonnen Biokohle pro Jahr und Hektar (Kulturabhängig)

• es können bis zu 400 t CO2 pro Jahr und Hektar gebunden werden

• potentielle Wertschöpfungsmöglichkeit ist der Verkauf von CO2-Emissionsrechten

• für industriellen Gebrauch

• als Elektroden in neuartigen Batterien

• als Füllstoffruß für die Gummiindustrie

• als Farbruß für die Einfärbung von Kunststoffen

• Druckerfarbe für Toner

  
  

• DL-weit ca 1,8 Mio Tonnen (TS) / Jahr

• durch HTC-Verfahren wird Biomasse deutlich einfacher entwässerbar

• Einsparung bei Wärme- und Strombedarf (bis zu 60%)

• Rückführung der flüssigen Phase (Filtertechnik)

• Phosphor-Rückgewinnung aus HTC-Kohle kostngünstiger und einfacher als aus Klärschlammmasse

  
  

• Mengendurchsatz : ab 1.200 Tonnen Biomasse pro Jahr

• Terra-Nova-Ultra-Verfahren:Kohle & Phosphorrückgewinnung aus flüssiger Phase (80% des P)

• HTC-Anlage in Jining (ostchinesischen Provinz Shandong): jährlich ca. 14.000 Tonnen

• pH-Absenkung —> Phosphor löst sich —> Zugabe von Calcium-Silicat-Hydrat Granulaten (CSH) —>Phosphor wird an CSH adsorbiert

• Demonstrationsanlage: Oktober 2010 in Karlsruhe

• erste Anlage im industriellen Maßstab

• 2012: erste kommerzielle Anlage in Relzow (Mecklenburg-Vorpommern)

• 2014: Phosphor-Rückgewinnung: AVA cleanphos Technologie (nach eigenen Angaben 80%) direkt aus der HTC Kohle

• 2016: Pilotanlage ava cleanphos in Karlsruhe in Betrieb

Potenzial in DL: ca. 450 PJ/a (450.000.000.000 MJ/a)

• Maissilage 32%

• Wirtschaftsdünger 27%

• Überschusstroh 25%

• Pflanzenreste 7%

• kommunaler Abfall 6%

• Schwarzlauge 3%

• leere Ölpalmen

• Citrusschalen

• Zuckerrohrrückstände

• Ernterückstände (Kaffee-Pulpa, Pflanzenöl..)

gute Voraussetzungen, wenn Reststoffe an industriellen Verarbeitungsorten in großen Mengen anfallen:

• Infrastruktur bereits vorhanden

• kaum Transportkosten

• Einsparung für Entsorgung

• Wärme/Abwärme Synergien