06_Biomasse

• Unter „Biomasse“ werden sämtliche Stoffe organischer Herkunft verstanden ( kohlenstoffhaltige Materie)​

• in Natur lebende Tiere und Pflanzen​

• daraus resultierenden Rückstände, Nebenprodukte und/oder Abfälle​

• abgestorbene (aber noch nicht fossile) Tiere und Pflanzen​

• alle Stoffe biogenen Ursprungs, bspw. durch eine technische Umwandlung und/oder stoffliche Nutzung entstanden bzw. anfallen (z. B. Schwarzlauge, Papier, organische Hausmüllfraktion, Alkohol)​

entsteht durch die direkte photosynthetische Ausnutzung der Sonnenenergie; dazu zählen die gesamte Pflanzenmasse wie z. B. land- und forstwirtschaftliche Produkte oder pflanzliche Rückstände und Nebenprodukte aus der Land- und Forstwirtschaft sowie der weiterverarbeitenden Industrie​

bezieht dagegen ihre Energie nur indirekt von der Sonne; sie wird durch den Ab- oder Umbau organischer Substanz in höheren Organismengebildet (Tiere und Exkremente)​

entsteht durch einen oder mehrere technische Weiterverarbeitungs- schritte der primären und der sekundären Biomasse. (Papier und Zellstoff, Holzstühle, Schokolade und Baumwollkleidung)​

• Durch biologischen Prozess wird C aus CO2 in Pflanzensubstanz eingearbeitet (Assimilation mittels Energieumwandlung)​

• Der Prozess der Photosynthese wird in Prozesse Licht- und Dunkelreaktion unterteilt.​

• Bei der Lichtreaktion produziert die Zelle durch photochemische Reaktionen die für die Assimilation von CO2 notwendige Energie (O2 und ATP/NADPH)​

• In der Dunkelreaktion werden die im ersten Prozess gewonnenen energiereichen Substanzen für die Assimilation von CO2 wieder verbraucht.​

• Das Endprodukt der Photosynthese sind Hexosen bzw. Zucker (C6H12O6)​

• Wachstumsfaktoren:​

  Eingestrahlte Solarstrahlung​

  Wasserverfügbarkeit (ca. 700L/kg)​

  Temperatur (Optimum 25-35°C)​

  Bodeneigenschaften/Nährstoffversorgung (möglicher CO2 Mangel)​

  realisierten pflanzenbaulichen Maßnahmen (Anthropogene Einflüsse)​

wird bestimmt durch Kombination aus Bodengüte, Niederschlagshöhe und -verteilung sowie den Temperaturverlauf und das Lichtangebot​

• Große zeitliche Abhängigkeit des Zuwachses an Biomasse unteranderem durch Schwankung der Solarstrahlung​ (Sommer, Wintermonate, Tag oder Nacht)

• Eingestrahlte Energie zur der in der Biomasse festgelegten Energie​

• maximal ca. 50 % des einfallenden Sonnenlichts überhaupt photosynthetisch genutzt​

• theoretischen Wirkungsgrad von 33,2 % des absorbierten Lichts, Ebene der Primärreaktionen​

• In der landwirtschaftlichen Praxis liegen bei C3-Pflanzen die Wirkungsgrade bezogen auf die Biomasse bei 2 bis 4 % (z. B. Getreide, Zuckerrüben) und bei C4-Pflanzen zwischen 4 % (Mais) und 6 % (Hirse). Im Durchschnitt über die Vegetationsperiode zeigen die meisten Nutzpflanzen einen Wirkungsgrad zwischen 0,5 und 2 %.​

• Ernteindex HI (harvesting index), berücksichtigt werden, der HI liegt bei nahe 80 %

Aus 37 TJ/ha*a kann ein Bruttogewinn von 24 t/ha*a gewonnen werden. Daraus ergibt sich eine überirdische Speicherung von 5,7 t/ha*a und unterirdisch von 2,4 t/ha*a. der rest teilt sich auf auf Zersetzung von Humus und Luab oder wird von Pflannzenfressern gegessen. der gröte teil geht als atmung für Planzen drauf.

Umwandlung erfolgt durch vollständige Verbrennung oder umwandlung in sekunärenergieträger zur späteren vollständigen Verbrennung

Ziel, die in Brennstoffen gespeicherte Energie in Form von Wärme möglichst effizient nutzbar zu machen.

Ende prozess alle brenn-/ oxidierbare Brennstoffteile vollständig oxidiert

Peozesse laufen entweder in Gasatmosphäre mit Umgebungsluft als Oxidationsmittel oder in hydrothermalen Atmosphäre in wässriger Umgebung statt

1. Aufheizen

2. Zersetzung

3. Vergasung

4. Oxidation

Phasen laufen nacheinnder oder auch gleichzeitig und manchmal auch mehrmals HINTEREINANDER ab.

Ungebundenes Wasser entweicht beim erhitzen -> kein Masse verlust

Sobald gebundenes Wasser verdampft schrumpfung Material -> Prozess= Trocknung, entstehen Spannungen die zu Rissbildung führen

endothermer Prozess

in Holz entweicht auch Harz

Keine Trockung, da Material im Wasser liegt

aufgrund erhitzung entweichen dennoch unterschiedliche materialien -> werden an wasser abgegeben zur nutzung für weitere Reaktionen

Entweichung von niedrigsiedende Wachse und Harz

weitere Wärmezufuhr -> aufbrechung von Makromolekühle-> entstehen Molekühlbruchstücke -> verlassen als lüchtige Bestantteile Biobrennstoffmatrix

pyrolytische Zersetzung/ Entgasung

Nach Zersetzung entstehen Pyrolysekoks oder Holzkohle, manchmal auch Pyrolyseöl

Am häufigsten gespaltenen Molekühle = Biopolymere wie Cellulose, Hemicellulose und Lignin; bei steigender Temperatur werden Molekühle immer kleiner bis sie als Gas entweichen

Entstehende Gase: Co, Co2, H2, CH4

Verschiedene Prozesse möglich aufgrund der Temperatur des Wassers:

geringe Temperatur: spalten sich nur leicht abspaltbare Molekühlbruchstücke, kohlenstoffreiche Feststoffe bleiben zurück, abgabe an Wasserphase

mittlere Temperatur: gemisch aus unterschiedlichsten Molekühle werden aufgespalten, entweichen als gase in Wasserphase, übrig bleibt fester Kohlenstoff und Öle

hohe Temperatur: Molekühle werden schneller aufgebrochen und auch kleinere als bei den anderen Temperaturen, verbleibt jedoch dennoch restkohlenstoff, entsteht Biokohle, Bioöl/Bio-Rohöl, sowie gase: Co2,H2,CO,C2H4,C2H6

dient der Erzeugung von Produktgasen, die als Brenngas unter Energiefreisetzung weiter aufoxidiert und energetisch nutzbar gemacht werden.

die bei Zersetzung freigesetzten gase werden wetererhitzt und werden mit Verasungsmittel zur Reaktion gebracht

Vergasungsmittel: Luft, Sauerstoff, Wasserdampf, Kohlenstoffdioxid und Wasserstoff

Reaktionen: heterogene Gas-Feststoff-Reaktion mit Oxidationsreaktion sowie homogene Gasphasenreaktion

Komponenten in der Wasserphase werden zu Gasen umgewandelt

Drei reaktionsarten:

Aqueous-Phase Reforming: leichte Kohlenwasserstoffe mit Platinkatalysatoren in wässriger phase zu H2 und CO2

nahkritische katalytische Vergasung = bildung von Methan, Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid

überkritische Wasservergasung: H2 wird aus Wasser und entweichten Edukten freigesetzt

Reaktionen: Wasser-Gas-Shift Reaktion, freie Radikalreaktionen, ionische Dissoziation, Dampfreformierungs-Raktion

bisher entstandenen Zwischenprodukte werden vollständig oxidiert

immer Gasatmosphäre

vollständiger Umwandlung von fester Biomasse in Wärme

Kohlenstoff zu Kohlenstoffdioxid oder Kohlenstoffmonoxid

produziert aus organische Stoffe nach Aufbereitung zu konventionelle Kraftstoffe bzw Reinchemikalien

trägt zur Defossilierung Verkehr bei

Methan-Synthese

Fischer-Tropsch-Synthese

Methanol Synthese

Gemsichte Alkohol Synthese

DME-Synthese

Methan: CO-reiches oder CO2-reiches Synthesegas und Katalysator wie Nickel reagieren. CO und H2 reagieren zu Methan und Wasser oder CO2 wird direkt umgesetzt, alternativer Kraftstoff genutzt

Fischer-Tropsch: Wasserstoff- & Kohlenstoffmonoxid reiche Gase reagieren zu Paraffine, Olefine und Sauerstoffverbindungen, entstehene Verbindungen reich an Methan und festen wachse

Methanol: aus Erdgas oder Kohlebasierten Gasen gewonnen, umgewandelt zu Formaldehyd, Methanthiol, Essigsäure, Kohlenwasserstoffe, Aromaten oder in erster linie Biodieselproduktion

Gemischte Alkohole: aus Wasserstoff-Kohlenstoffmonoxid-Gemischen und Katalysatoren entstehen Ethanol, Propanol, Butanol

Ethanol= Lebensmittelkomponente, Kraftsoffe

Propanol= Lösungsmittel Farbe, Frostschutzmittel

Butanol: Grundchemikalie Chemie

DME: Dimethylether, aus CO und H2 wird DME und CO2 als Sauerstoffsenke gebildet, Kältemittel Wärmepumpe

entsteht wenn Bakterien organische Materialien unter Sauerstoffausschluss zersetzen (Vorgang Kuhmagen)

entsteht Gasgemisch aus Methan und CO2; Methan brennbar mit einem Heizwert von 10kWh/m^3

Biochemischer abbau in 4 Stufen:

Hydrolyse-> Acidogenese->Acetogenese-> Methanogenese

• Trockenmessgehalt: Nassfermentation (pumpfähig), Feststofffermentation (stapelbar), wichtigstes kriterium

• Beschickung: Batch (nur einmal nutzbar), Semi-kontinuierlich (alle paar stubnden nutzbar, normalfall), kontinuierlich(setige ab- &zufuhr, nicht umsetzbar)

• Temperatur: Mesophil 35-42°C (standard), Thermophile 50-55°C(schneller, empfindlicher, selten)

• Durschmischung: Volldurchmischt (Rührwerk, überall gleiche bedingungen), Teildurchmischt, Pfropfenstrom(rührwerk nur quer bewegungen), nicht durchmischt (Perkolation statt Rührwerk)

• Phase/Stufe: mehr- oder einphasig( trennung Versäuerung und vergasung), mehr- oder einstufig (Fermenter parallel oder Serie)

Abhängig vom Trockenmassegehalt TM

je dünner Subtrat, desto wichtiger Bakterienrückhalt. dünnem Abwasser schwimmen Bakterien mit und werden bei hohen Durchsatz rausgespült, hochleistungsreaktoren müssen sie zurückhalten

bei mittleren TM bakterien bleiben im dicken brei zurück- einfacher Rückkesselreaktor

hohem tM nicht mehr pumpfähig, nur pfropfenstrom oder Garage(Batch mit Perkolation)

semi-kontinuierlich, großer beheitzter behälter, alles durchgerührt, alle phasen gleichzeitig.

• Vorgrube: Subtrat pumpfähig gemacht

• Fermenter: hauptorgan, isolierter Betonzylinder

• Rührwerk: Propellerrührwerk mit Bodenräumer, verhindert aufschwimmen sowie absinken Teilchen, sowie gleiche temperatur überall

• Folienhaube: Gasspeicher sowie Dach

• sedimentabzug boden

Nachteil: frsich eingepumptes kann zu not direkt wieder entweichen,Bakterienkulturen bleiben immer zurück

Erdbecken mit Folienabdichtung am Boden und gasundurchlässiger Folie Abdeckung

teildurchmischung durch zu und abfuhr, nur bei dünner gülle funktionierbar und warmer Klimazone

Nachteil: kaum Durchmischung

kontinuierlich

Liegender Trogreaktor, Material schiebt sich als kompakter „Pfropfen“ von Eintrag zu Austrag

‣ Massives Paddelrührwerk mischt nur senkrecht zur Fließrichtung

‣ Substratrückführung: fertig vergorenes Material wird dem Frischen beigemischt

Am Anfang des Trogs ist das Futter frisch, in der Mitte halb vergoren, am Ende fertig. Jeder Querschnitt durchläuft nacheinander Hydrolyse →Versäuerung → Methanisierung — kinetisch wie ein wandernder Batch

Am Eintrag ist fast nur Frisches— kaum aktive Bakterien drin. Ohne Rückführung von ausgegorenem Material (= voller aktiver Bakterien) würde der Abbau am Eintrag gar nicht anlaufen

Batch

groben, stapelbaren Bioabfall und Grünschnitt

Keine Rührwerke, keine Pumpen im Fermenter!

Radlader fährt Material rein + mischt teilweise fertigen Gärrest unter(Animpfung). (2) Tor gasdicht verschließen. (3) Kurze aerobe Phase: Restluft-Sauerstoff wird verbraucht → erzeugt Wärme → Material heizt sich selbst auf. (4) Anaerobe Vergärung beginnt: Perkolat wird von oben über den Haufen geregnet, sickert durch, wird unten aufgefangen, im Kreislauf gepumpt. (5) Nach Wochen: Tor auf, Gärrest raus, neu befüllen

1. Schlammrückenführung (Kontaktprozess)

2. Selbstaggregation zu Pellets (UASB)

3. Biofilm auf festen trägern (Anaerobefilter)

4. Biofilm auf losem Träger in Schwebe(Wirbelbett)

Alle lösen gleiches Problem auf versichdene art und weise, unterescheiden sich nur darin, wie Bakterien festgehalten werden

nur für feststoffarme Abwässer geeignet

Nach fermenter fließt alles in Absetzbecken, dort sinken bakterien ab, abwasser fließt oben ab, bakterienschlamm zurück in fermenter gegeben

Bakterien klumpen zusammen so etwas schwerer als wasser, abwasser von unten reingedrückt strömt nah oben, pellets zu schwer zum austragen, zu leicht sinken schweben in der mitte, Gasabschneider trennt Biogas von gereinigtem wasser.

Bakterien sitzen auf Biofilm fest und können nicht rausgespült werden

Bakterien wachsen auf träger, Träger = lose partikel, schweben frei im reaktor;