Veredlung von Biomasse

Für zahlreiche Anwendungen ist es sinnvoll oder sogar notwendig, aus festen Bioenergieträgern flüssige oder gasförmige Sekundärenergieträger herzustellen.
Der letztlich gewollten Umwandlung in End- bzw. Nutzenergie werden deshalb Veredlungsprozesse vorgeschaltet, bei denen die Energieträger hinsichtlich einer oder mehrerer der folgenden Eigenschaften aufgewertet werden:

• Energiedichte
• Handhabung
• Speicher- und Transporteigenschaften
• Umweltverträglichkeit der energetischen Nutzung
• Potential zur Substitution fossiler Energieträger
• Verwertbarkeit von Rückständen.
  

Bei den Verfahren zur Umwandlung von organischen Festbrennstoffen in feste, flüssige oder gasförmige Sekundärenergieträger kann unterschieden werden zwischen

• thermochemischen Verfahren
• physikalisch-chemischen Verfahren und
• biochemischen Verfahren.

Thermochemische Umwandlung

Durch Verkohlung, Verflüssigung bzw. Pyrolyse und Vergasung werden organische Stoffe in erster Linie unter dem Einfluss von Wärme in feste, flüssige und/oder gasförmige Energieträger mit bestimmten Eigenschaften umgewandelt.

• Verkohlung: Veredelung von Biomasse mit dem Ziel einer möglichst hohen Ausbeute an Festbrennstoff definierter Qualität (Holzkohle).
  Die organische Masse wird unter Einwirkung von Wärme zersetzt. Die erforderliche Prozesswärme wird häufig durch Teilverbrennung des Rohstoffs bereitgestellt.
  Der durch diesen Prozess gewonnene Energieträger kann anschließend in entsprechenden Anlagen zur Wärme- und Strombereitstellung eingesetzt werden. Alternativ ist auch eine stoffliche Nutzung möglich (z.B. Aktivkohle).
  
  !! Es besteht ein geringer Wirkungsgrad der Verkohlung von rund 1/3 - 2/5 bezogen auf den Heizwert der eingesetzten biogenen Festbrennstoffe und es bestehen geringe Vorteile im Vergleich zu einer direkten Verbrennung der Biomasse.

• Verflüssigung bzw. Pyrolyse: Veredlung von Biomasse mit dem Ziel einer möglichst hohen Ausbeute an flüssigen Komponenten.
  Die organischen Stoffe werden unter dem Einfluss von Wärme und ggf. weiteren Stoffen durch einen pyrolytischen Abbau zersetzt. Zusätzlich entstehen gasförmige und feste Stoffe, die teilweise zur Energiebereitstellung für den Pyrolyseprozess genutzt werden.
  Die produzierten flüssigen Energieträger mit einer relativ hohen Energiedichte können anschließend - nach einer entsprechenden Reinigung - als Brennstoff in geeigneten Feuerungsanlagen oder als Treibstoff in Motoren zur Kraft- (für die Stromerzeugung) und Wärmebereitstellung oder zur gekoppelten Wärme-Kraft-Bereitstellung eingesetzt werden.
  
  !! Die Technologie befindet sich noch im Forschungs- und Entwicklungsstadium.
  

• Vergasung: Veredlung von Biomasse mit dem Ziel der möglichst vollständigen Umwandlung in einen gasförmigen Energieträger, d.h. Brenngas.
  Der erhitzten Biomasse wird ein sauerstoffhaltiges Vergasungsmittel (z.B. Luft) zugeführt. Die organischen Stoffe werden in brennbare Verbindungen aufgespalten und der zurückbleibende Kohlenstoff wird zu CO verbrannt. Die erforderliche Prozesswärme wird meist durch eine teilweise Verbrennung der eingesetzten Biomasse bereit gestellt.
  Das produzierte niederkalorische Brenngas kann in Brennern zur Wärmebereitstellung und in Gasmotoren oder -turbinen zur Stromerzeugung bzw. zur kombinierten Wärme- und Strombereitstellung eingesetzt werden.
  
  

  !! Es sind hohe Wirkungsgrade bezogen auf die bereitgestellte elektrische Energie zu realisieren und prozessbedingte geringere Emissionen im Vergleich zu einer Stromerzeugung über eine direkte Biomasseverbrennung zu erwarten.
  Probleme gibt es mit der Gasreinigung, da die vergaste Biomasse hohe Staubgehalte und teilweise erhebliche Anteile an kondensierbaren organischen Stoffen aufweist. Die nachgeschaltete Gasturbine bzw. der Gasmotor verlangen jedoch ein weitestgehend kondensat- und staubfreies Brenngas.
  

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Physikalisch-chemische Umwandlung

Einige Biomassen enthalten - in unterschiedlichen Konzentrationen - Öle und Fette, die ebenfalls energetisch genutzt werden können. Sie werden mit Hilfe von physikalisch-chemischen Verfahren gewonnen. Zusätzlich kann noch eine Umesterung notwendig werden, damit das Endprodukt sich den Eigenschaften konventionellen Dieselkraftstoffs weitegehend annähert und dadurch der Einsatz in vorhandenen Dieselmotoren möglich ist.

• Pressen: Durch einfaches mechanisches Pressen der ölhaltigen Pfanzenkomponenten - der Saat - kann die flüssige Ölphase von der festen Phase - dem Presskuchen - getrennt werden.
  Der Presskuchen wird meist als Tierfutter weiterverwertet.
  Das Öl kann nach entsprechender Reinigung als Treibstoff in pflanzenöltauglichen Motoren mobil (z.B. Rapsöl in Traktoren) oder stationär (z.B. in Blockheizkraftwerken, BHKWs) eingesetzt werden.
  
  

  !! Es sind nur wenige Hersteller für pflanzenöltaugliche Motoren bekannt.

• Extraktion: Der ölhaltigen Saat wird das Öl mit Hilfe eines Lösemittels (z.B. Hexan) entzogen. Öl und Lösemittel bzw. Extraktionsrückstand und Lösemittel werden anschließend durch eine Destillation getrennt. Öl, Extraktionsschrot und Lösemittel sind danach in Reinform vorhanden.
  Dieses Öl kann energetisch genutzt werden. Das Schrot ist als Futtermittel einsetzbar.
  
  
• Umesterung: Öl wird in Pfanzenölmethylester (PME) umgewandelt.

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Biochemische Umwandlung

Bei den biochemischen Veredlungsverfahren erfolgt die Umwandlung der Biomasse mit Hilfe von Mikroorganismen.

• Anaerober Abbau: Umwandlung unter Sauerstoffabschluss
  Durch die Aktivität bestimmter Bakterien wird ein wasserdampfgesättigtes Mischgas (Biogas) gebildet, das zu 55 - 70% aus Methan besteht.
  Es kann in Gasbrennern oder Motoren zur Wärme-, Strom- und Kraftbereitstellung eingesetzt werden.
  s. Klärgasgewinnung

• Aerober Abbau: Umwandlung mit Luftsauerstoff
  Die Biomasse wird unter Wärmefreisetzung mit Hilfe von Bakterien oxidiert (Kompostierung).
  Die freiwerdende Wärme kann mit Hilfe von Wärmepumpen gewonnen und in Form von Niedertemperaturwärme verfügbar gemacht werden.

• Alkoholgärung: Alkohol kann aus zucker-, stärke- oder zellulosehaltigen organischen Stoffen mit Hilfe von Hefen oder Bakterien produziert und anschließend durch eine Destillation bzw. Rektifikation nahezu in Reinform gewonnen werden.
  Werden zellulosehaltige Ausgangsmaterialien eingesetzt, ist zunächst eine Verzuckerung notwendig.
  Ethanol kann als Treib- und Brennstoff in Motoren oder Verbrennungsanlagen zur Bereitstellung von Wärme, Strom und Kraft eingesetzt werden.

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