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Biomassevergasung

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Definition: die Gewinnung brennbarer Gase aus Biomasse, z. B. Holz oder Energiepflanzen

Englisch: biomass gasification

Kategorien: Energieträger, erneuerbare Energie, Grundbegriffe

Autor: Dr. Rüdiger Paschotta (G+)

Wie man zitiert; zusätzliche Literatur vorschlagen

Ursprüngliche Erstellung: 09.02.2013; letzte Änderung: 21.02.2017

Es gibt verschiedene Verfahren der Biomassevergasung, d. h. der Gewinnung brennbarer Gase durch thermochemische Verarbeitung von Biomasse, insbesondere von Holz. Das Grundprinzip ist, dass die Biomasse bei erhöhter Temperatur (meist einige hundert Grad Celsius) unter Sauerstoffmangel umgesetzt wird. So werden nicht alle organischen Bestandteile unter Freisetzung von Wärme oxidiert, sondern es verbleibt ein wesentlicher Anteil brennbarer Substanzen wie Wasserstoff (H2), Methan (CH4) und Kohlenmonoxid (CO) im erzeugten Gas. Es handelt sich um eine Art von Synthesegas, welches entweder energetisch oder stofflich genutzt werden kann:

Im Prinzip handelt es sich auch bei der Erzeugung von Biogas durch Fermentation (Vergärung) um eine Art von Biomassevergasung (eine biologische Vergasung), jedoch wird der Begriff der Biomassevergasung meist nur für thermochemische Verfahren verwendet, die bei wesentlich höheren Temperaturen arbeiten.

Grundsätzlich kann nicht alle Biomasse in Gas umgesetzt werden, sondern es verbleiben auch feste und flüssige Reststoffe, die geeignet weiter behandelt werden müssen (siehe unten).

Die Biomassevergasung ähnelt im Prinzip der Kohlevergasung. Allerdings gibt es etliche Unterschiede:

Für die Vergasung geeignete Rohstoffe

Schon lange praktiziert wurde die Holzvergasung, d. h. die Vergasung von Holz. Hier kann es sich um Forstholz handeln, z. B. aus Kurzumtriebsplantagen, aber auch um Waldrestholz und Holzreste von Prozessen der Holzverarbeitung. In Notzeiten wurden sogar manche Autos mit angebauten Holzvergasern betrieben, wobei das kaum gereinigte Holzgas direkt in Benzinmotoren geleitet wurde. Dieses Verfahren dürfte allerdings weder energieeffizient noch für die Lebensdauer der Motoren zuträglich gewesen sein.

Ebenfalls verwendbar sind diverse landwirtschaftliche Reststoffe, die reich an Lignocellulose sind, beispielsweise Stroh. Auch Mist und Klärschlamm kommen in Frage. Es können auch Energiepflanzen speziell für die Vergasung angebaut werden, etwa Chinaschilf (Miscanthus)

Bei vielen Vergasungsprozessen ist es notwendig, die Biomasse zunächst zu trocknen. Hierfür wird ein Teil der erzeugten Wärme verbraucht. Oft ist auch eine mechanische Vorbehandlung nötig, insbesondere eine Zerkleinerung.

Unterschiedliche Vergasungsmittel; autotherme und allotherme Vergasung

Wenn eine Vergasung ohne Zufuhr eines Vergasungsmittels durchgeführt wird, spricht man von Pyrolyse (thermische Zersetzung). Hierbei ist die Ausbeute an Gasen relativ gering, und ein wesentlicher Teil des Kohlenstoffs aus der Biomasse fällt als eine Art Pyrolysekoks an. Außerdem entstehen viel schwere Kohlenwasserstoffe, die einen Teer bilden, welcher aus dem erzeugten Gas bei Abkühlung auskondensiert.

Meist wird der Biomasse Luft als Vergasungsmittel zugeführt – allerdings deutlich weniger, als zu einer vollständigen Verbrennung nötig wäre. Es erfolgt also eine unvollständige Verbrennung, die die benötigte Prozesswärme liefert. Das erhaltene Gas enthält viel Kohlenmonoxid, aber auch Stickstoff aus der Luft, sowie erhebliche Mengen von Wasserdampf. Wegen des hohen Stickstoffanteils ist der spezifische Heizwert des Gases gering – sehr viel geringer als z. B. der von Erdgas. Man spricht deswegen von Schwachgas.

Wenn reiner Sauerstoff anstelle von Luft als Vergasungsmittel eingesetzt wird, wird die Ausbeute an Gas erhöht. Ein geringerer Anteil des Kohlenstoffs muss verbrannt werden, da die Wärmeabfuhr über den Stickstoff entfällt. Allerdings ist die Herstellung des Sauerstoffs aufwendig, weswegen meistens doch Luft verwendet wird.

Bei der hydrothermalen Vergasung wird Wasserdampf als Vergasungsmittel verwendet. Der Prozess ist dann nicht mehr autotherm, sondern allotherm: Die benötigte Prozesswärme entsteht nicht im Prozess selbst, sondern muss von außen zugeführt werden. Diese Wärme wird in der Regel gewonnen, indem ein Teil der Biomasse zusammen mit den festen und flüssigen Rückständen der Vergasungsanlage (Koks und Teer) verbrannt wird. (Die Verwendung von Elektrowärme wäre technisch einfach, würde aber die Energiebilanz des Verfahrens verschlechtern.) Die Prozesswärme kann auf unterschiedliche Weisen eingebracht werden:

Die hydrothermale Vergasung ergibt ein Gas mit hohem Heizwert, da kein Stickstoff eingebracht wird und wenig Kohlendioxid entsteht.

Zukünftig könnten Hochtemperatur-Brennstoffzellen (SOFC) für die Stromerzeugung genutzt werden. Deren Abwärme könnte über Wärmerohre für die allotherme Vergasung genutzt werden. Hiermit könnte die Stromerzeugung elektrische Wirkungsgrade oberhalb von 50 % ermöglichen.

Typen von Biomassevergasern

Es gibt unterschiedliche Typen von Vergasern für Biomasse:

Der Vergaser ist jeweils das zentrale Element einer Vergasungsanlage, die jedoch noch viele andere Komponenten für die Vorbehandlung der Biomasse und die Nachbehandlung der Produkte enthalten kann.

Zukünftig dürften Anlagen vorteilhaft sein, die Leistungen zwischen einigen Megawatt und einigen hundert Megawatt aufweisen. (Die Leistung wird hierbei auf den Energieinhalt der erzeugten Produkte bezogen.) Möglichst große Anlagen dürften im Betrieb wirtschaftlicher sein, insbesondere bei der Erzeugung von Biokraftstoffen: Beispielsweise ist die Fischer-Tropsch-Synthese nur in großen Einheiten wirtschaftlich. Der Transportaufwand für die Biomasse ist dann allerdings größer.

Es ist technisch nicht einfach, mit Vergasungsanlagen viele erwünschte Eigenschaften gleichzeitig zu erzielen:

Aufbereitung der Produkte

Aus dem erzeugten Gas kondensiert durch Abkühlung Wasser und eine Reihe anderer Substanzen, die als Reststoffe anfallen und schadlos entsorgt werden müssen (siehe unten). Das restliche Gas muss vor allem für eine stoffliche Nutzung noch weiter aufbereitet und gereinigt werden:

Häufig muss das erzeugte Gas noch komprimiert werden, beispielsweise zwecks Speicherung in Tanks. In manchen Fällen ist auch eine Verflüssigung durch Tiefkühlung nötig.

Behandlung der festen und flüssigen Reststoffe

Ein erheblicher Teil der Biomasse kann nicht vergast werden, sondern fällt in fester oder flüssiger Form an. Bei den Feststoffen handelt es sich nicht nur um Asche (weitgehend mineralische Stoffe), sondern auch um gewisse Mengen von Kohlenstoff, etwa in Form eines Kokses. Der Restenergiegehalt solcher Stoffe kann durch Verbrennen noch genutzt werden, wobei das Abgas gereinigt werden muss. Bei großtechnischer Anwendung ist es sehr wünschenswert, dass die mineralischen Stoffe in einer Form anfallen, die als Dünger geeignet ist, damit geschlossene Nährstoffkreisläufe möglich sind.

Der Wasserdampfanteil des erhaltenen Gases kann kondensiert werden, wobei auch diverse andere Substanzen als Teeröl kondensieren. Das erhaltene Abwasser (bei der Holzvergasung als Holzgaskondensat bezeichnet) kann je nach Prozess sauer oder alkalisch sein und enthält eine Vielzahl von Schadstoffen wie z. B. krebserregende Phenole und diverse Schwefel- und Stickstoffverbindungen. Es muss daher in einer geeigneten Abwasserbehandlungsanlage mehr oder weniger aufwendig gereinigt werden. Eine Verbrennung der organischen Substanzen oder die erneute Zufuhr zum Vergaser ist günstig, erfordert aber zunächst eine Trennung vom Wasser. Erschwert wird die Behandlung solcher Abfälle durch die variable Zusammensetzung, die von der Zusammensetzung der Biomasse abhängt, aber auch von den genauen Prozessbedingungen.

Nutzung von Abwärme

Je nach Vergasungsprozess kann Abwärme auf unterschiedlichen Temperaturniveaus anfallen – beispielsweise bei hohen Temperaturen als die Wärme des erzeugten Gases, oder bei niedrigen Temperaturen als Abwärme einer Dampfturbine zur Stromerzeugung. Teilweise wird auch das Prinzip des Organic Rankine Cycle (ORC) angewandt, um trotz relativ niedriger Temperaturen noch Strom erzeugen zu können. Ein Teil der anfallenden Wärme wird meist für bestimmte Prozesschritte benötigt, z. B. für die Trocknung der Biomasse vor der Vergasung, aber ein Teil kann übrig bleiben.

Wenn eine Nutzung solcher Abwärme möglich ist, z. B. für Heizungsanlagen, wird die Gesamt-Energiebilanz entsprechend verbessert. Wenn keine geeigneten Wärmeabnehmer am Ort sind, gibt es für Abwärme auf ausreichend hohem Temperaturniveau die Möglichkeit der Verstromung z. B. mit Hilfe eines ORC-Prozesses.

Wirkungsgrade

Der Wirkungsgrad der Biomassevergasung muss oft zunächst klar definiert werden, bevor seine Angabe sinnvoll ist:

Die in bisherigen Vergasungsanlagen erzielten Wirkungsgrade bleiben aufgrund diverser technischer Schwierigkeiten häufig deutlich unter dem theoretischen Potenzial.

Bedeutung der Biomassevergasung; Vergleich mit anderen Verfahren

Bisher wurden nur wenige und relativ kleine Anlagen zur Biomassevergasung gebaut und betrieben. Die Technik ist relativ komplex, da neben der eigentlichen Vergasung noch etliche andere Schritte zu beherrschen sind, und dies für unterschiedliche Zusammensetzungen der Biomasse. Wenn die Verfahren noch weiter verbessert werden, könnten sie zukünftig aber durchaus eine große Bedeutung erlangen, da sie gegenüber anderen Methoden der Nutzung von Biomasse Vorteile bieten können:

Auf der anderen Seite ist die Biomassevergasung technisch deutlich komplexer als eine Verbrennung. Deswegen wird insbesondere Holz bisher noch zum größten Teil verbrannt. Die bisher entwickelten Verfahren zur Vergasung müssen noch weiter verbessert werden.

Im Vergleich zur Gewinnung von Pflanzenölen und Biodiesel (Rapsmethylester) ergibt sich durch die Biomassevergasung eine viel höhere Energieausbeute, da auch die Cellulose der Pflanzenteile genutzt wird. Deswegen erscheint die Biomassevergasung vor allem bei der Herstellung von flüssigen Kraftstoffen sehr viel vorteilhafter als bisherige Verfahren und dürfte in diesem Bereich sehr wichtig werden.

Auch im Rahmen einer Wasserstoffwirtschaft könnte die Biomassevergasung eine wichtige Rolle spielen: Anstatt dass Wasserstoff relativ verlustreich durch Elektrolyse mit Hilfe elektrischer Energie hergestellt würde, könnte er aus Biomasse gewonnen werden. Allerdings ist die Flächenproduktivität von Biomasse relativ gering, da sie auf der wenig effizienten Photosynthese beruht; sie ist zwar für die Vergasung etwas besser als für Bioethanol und Biodiesel, aber deutlich schlechter als für Biogas und viel schlechter als für Elektrolyse-Wasserstoff mit Solar- oder Windstrom. Dadurch ist das Potenzial dieser Methode stärker begrenzt als für den elektrischen Herstellungspfad.

Siehe auch: Biomasse, Biokraftstoff, Kohlevergasung, Verbrennung, Mitverbrennung, Biomethan, Schwachgas, Synthesegas, Wasserstoff, Wasserstoffwirtschaft, erneuerbare Energie
sowie andere Artikel in den Kategorien Energieträger, erneuerbare Energie, Grundbegriffe

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