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Biomassevergasung

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

Englisch: biomass gasification

Kategorien: Energieträger, erneuerbare Energie, Grundbegriffe

Autor:

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:

  • Der Wasserdampf kann sehr heiß in die Vergasungsanlage geschickt werden.
  • Wärmerohre können die Wärme aus der Verbrennungsanlage in die Vergasungsanlage transportieren.
  • Bei manchen Verfahren wird heißer Sand oder ein anderes festes Material eingebracht.
  • Ein Sonderfall ist der AER-Prozess (Absorption Enhanced Reforming), bei dem heißer gebrannter Kalk (CaO) eingebracht wird, der im Reformer mit CO2 reagiert, wodurch weitere Wärme freigesetzt wird.

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:

  • Für kleine Holzvergaseranlagen (unter 1 MW) sind Festbettvergaser geeignet. Hier werden feste Holzstücke durch ein Holzfeuer im unteren Bereich des Vergasers erhitzt. Die Luftzufuhr erfolgt nicht wie in Öfen üblich durch den Gitterrost, auf dem das Holz liegt, sondern weiter oben, und das erzeugte Gas wird durch den Gitterrost abgeführt. Entstehender Holzteer wird zum Teil in der heißen Zone in gasförmige Substanzen zerlegt (thermisch gecrackt). Der Teeranteil im Produktgas ist trotzdem recht hoch, was oft eine aufwendige Gasreinigung notwendig macht.
  • Wirbelschichtvergaser arbeiten nach dem Prinzip einer Wirbelschichtfeuerung, die mit Luftmangel betrieben wird. Sie sind geeignet für Leistungen im Bereich einiger Megawatt.
  • Bei Flugstromvergasern erfolgt die Vergasung in einer Staubwolke, die mit stark zerkleinertem Material gespeist wird und den Vergaser relativ schnell durchströmt. Dieses Verfahren ist für sehr große Anlagen geeignet (meist über 100 MW) und produziert ein teerarmes Gas.
  • Es gibt auch Verfahren einer gestuften Vergasung, bei der die Biomasse z. B. zunächst in einen Pyrolyse-Reaktor geschickt wird und dann in einen Dampfreformer, in dem weiteres Gas entsteht. Dadurch können die Verhältnisse in den verschiedenen Stufen separat optimiert werden.

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:

  • Es soll eine hohe Qualität und möglichst einheitliche Zusammensetzung der Produkte erzielt werden. Beispielsweise sollte das erzeugte Gas einen möglichst geringen Anteil von Teer haben.
  • Die eingesetzten Stoffe sollen möglichst vollständig in Gas umgesetzt werden, d. h. es sollen möglichst wenige schwer nutzbare Reststoffe wie Teer entstehen.
  • Dies soll mit möglichst geringen Anforderungen an die Qualität und Einheitlichkeit der eingesetzten Biomasse möglich sein.
  • Eine hohe Energieeffizienz ist anzustrebenden, z. B. im Sinne eines hohen Kaltgaswirkungsgrades. Möglichst wenig elektrische Energie soll für den Betrieb benötigt werden.
  • Der Betrieb soll zuverlässig und möglichst wartungsarm erfolgen. Zu vermeiden ist beispielsweise die starke Verschlackung von Komponenten durch abgelagerte Stäube, ebenso die Korrosion durch diverse aggressive Stoffe.
  • Die Umweltbelastung vor allem durch Abgase und Abwässer soll möglichst niedrig sein.
  • Die verbleibende Asche soll einen möglichst geringen Kohlenstoffgehalt haben, damit sie problemlos entsorgt werden kann.
  • Die Anlagenkosten wie auch die Betriebskosten sollen möglichst niedrig sein. Diese Ziele sollen mit möglichst kleinen Anlagen erzielt werden, damit dezentral anfallende Biomasse ohne großen Transportaufwand genutzt werden kann.

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:

  • Um möglichst viel Wasserstoff zu erhalten, kann in einem separaten Reaktor eine Wassergas-Shift-Reaktion (CO-Shift) mit weiterem Wasserdampf erfolgen: Kohlenmonoxid (CO) wird zu Kohlendioxid (CO2) oxidiert, während Wasserdampf zu Wasserstoff (H2) reduziert wird.
  • Das Gas enthält meist relativ viel Staub und Anteile von Teer. Je nach weiterer Verwertung müssen diese mehr oder weniger vollständig entfernt werden. Staub kann in einem Zyklon abgeschieden werden. Der Teergehalt kann durch thermisches Cracken, Dampfreformierung, Hydrierung oder partielle Oxidation (mit oder ohne Katalysator) reduziert werden bei gleichzeitiger Erhöhung der Gasausbeute.
  • Eine weitere Reinigung des Wasserstoffs kann durch eine Pressure Swing Adsorption (PSA) erfolgen. Dort fällt ein brennbares Spülgas an, welches z. B. einen Gasmotor speisen kann.
  • Aus dem Synthesegas (hauptsächlich CO und H2) kann Biokraftstoff hergestellt werden, z. B. mit dem Fischer-Tropsch-Verfahren.
  • Eine andere Möglichkeit ist die Methanisierung zwecks Herstellung von Biomethan.
  • Methanol kann entweder direkt durch trockene Destillation von Holz gewonnen werden oder auch durch die Methanolsynthese aus dem Synthesegas.

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:

  • Eine Möglichkeit ist es, den Kaltgaswirkungsgrad anzugeben, d. h. den Heizwert (chemischen Energiegehalt) der erzeugten Gase dividiert durch den Heizwert der eingesetzten Biomasse. (Der Begriff Vergasungswirkungsgrad ist weniger eindeutig.) Werte von über 80 % sind mit verschiedenen Verfahren realisierbar.
  • Bei stromerzeugenden Anlagen kann der elektrische Wirkungsgrad angegeben werden.
  • Möglicherweise genutzte Abwärme (siehe oben) wird bei beiden genannten Angaben nicht berücksichtigt. Diese in einen Gesamtwirkungsgrad einzubeziehen, ist allerdings wenig sinnvoll, da sie die unterschiedliche Wertigkeit der jeweiligen Energieformen nicht berücksichtigt.

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:

  • Während eine reine Verbrennung nur Wärme und daraus ggf. elektrische Energie liefert, erhält man durch Vergasung auch gasförmige Brennstoffe, und durch weitere Verarbeitung auch flüssige Biokraftstoffe der zweiten Generation. Dadurch wird die Biomasse nicht nur für die Wärme- und Stromerzeugung nutzbar, sondern z. B. auch für den Verkehr. Da die Elektrifizierung in diesem Sektor nur begrenzte Möglichkeiten bietet, dürfte die Biomassevergasung für eine Vollversorgung mit erneuerbarer Energie essenziell werden.
  • Selbst wenn es nur um eine Verstromung geht, kann die Vergasung vorteilhaft sein, indem sie einen höheren elektrischen Wirkungsgrad (z. B. 35 %) trotz kleiner Anlagenleistung (z. B. wenige Megawatt oder noch darunter) ermöglicht. Insbesondere wenn Brennstoffzellen breit anwendbar werden, könnte dieser Effizienzvorteil noch größer werden. Solange dies nicht der Fall ist, kann die Verstromung in Großkraftwerken (z. B. durch Mitverbrennung in Kohlekraftwerken) energetisch effizienter sein als in kleinen Kraftwerken mit Holzvergasung, falls in letzteren keine Abwärmenutzung möglich ist. Dies bedingt dann allerdings auch längere Transportwege.
  • Eine andere Zielsetzung ist die Realisierung der CO2-Abscheidung und -Speicherung in sogenannten IGCC-Kraftwerken. Hier erfolgt die Vergasung mit reinem Sauerstoff, um das CO2 höher konzentriert zu erhalten und damit leicht abtrennen zu können. Der bei der Luftzerlegung (Abtrennung von Sauerstoff aus der Luft) anfallende Stickstoff wird dem wasserstoffreichen Gas vor der Verbrennung zugesetzt, um die Stickoxidemissionen zu minimieren.

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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