PRODUKTIVITÄTSOPTIMIERUNG VON BIOGASANLAGEN Hochdruckverfahren zur Stofflichen Wertschöpfung aus Gärresten und Nebenströmen Barbara Waelkens M. Sc., Fraunhofer IGB, Stuttgart Dr.-Ing. Carsten Zetzl, TU Hamburg Harburg 14. FEI-Kooperationsforum, 28 April 2015, Bonn © Fraunhofer IGB PRODUKTIVITÄTSOPTIMIERUNG VON BIOGASANLAGEN Hochdruckverfahren zur Stofflichen Wertschöpfung aus Gärresten und Nebenströmen Gliederung: 1) Motivation 2) Aktueller Lösungsansatz : Szenario EtaMax 3) Kopplung Biogas und Hochdruckverfahren 4) Erste Ergebnisse Wertschöpfung aus Nebenströmen 5) Aktuelle Forschungsansätze © Fraunhofer IGB MOTIVATION Verwertung überlagerter Lebensmittel und Reststoffe in Biogas-Anlagen Szenario KMU Hamburg (Obstverarbeitung) Bezug ca. 2000 to/a Kunde Schälreste, Kerngehäuse, Stiele, Stengel Abfall 15 to/d 5000 to/a Nassabfall (5%) Kommunale Biogasanlage Szenario Grossmarkt Stuttgart Bezug 1.430 to/d © Fraunhofer IGB Kunde Abfall 2 - 3 to/d AKTUELLER LÖSUNGSANSATZ Projekt EtaMax (Normaldruck) Gesamte Rückgewinnung von Bioabfall Biogas Aufbereitung und Nutzung CO2-senke über Mikroalgen Production Fraunhofer IVV Stadt Stuttgart Fraunhofer IGB Fraunhofer IGB KIT EnBW AG FairEnergie GmbH Netzsch GmbH Stulz H + E GmbH Förderkennzeichen 03SF0350A © Fraunhofer IGB EtaMax Demonstrationsanlage Abfall Großmarkt Stuttgart • Einfach Abbaubar • Wenig lignocellulose • Geringe Anschaffungskosten © Fraunhofer IGB Hochlastfaulung mit Mikrofiltration Tankstelle • Die Hochlasfaulung verwandelt Bioabfälle in Biogas mit hoher Umsatzrate und kurzer Verweilzeit. • Biogas wird über ein Membransystem auf Biomethan gereinigt • Kraftstoff für Fahrzeuge Obst und Gemüse als Substrat: bsp. Zusammensetzung hydrophil lipophil Pectin Hemicellulose Cellulose Lignin Restorganic Asche © Fraunhofer IGB Feststoffphase: Zusammensetzung von Sorghum vor und nach Ligninabtrennung ohne Faserstoffe mit Faserstoffen hydrophil lipophil Pektin Hemicellulosen Cellulosen hydrophil lipophil Pektin Hemicellulosen Cellulosen Lignin Lignin veraschbare Restsubstanzen Asche © Fraunhofer IGB veraschbare Restsubstanzen Asche Menge und Qualität von Biogas abhängig vom Substrat Stoffgruppe lGas/kgTM Methangehalt [%] Heizwert [kWh/m3] Kohlenhydrate 700 – 830 50 – 55 5,0 – 5,5 Proteine 700 – 900 70 – 75 7,0 – 7,5 1.000 – 1.400 68 – 73 6,8 – 7,3 Bioabfall 350 – 500 55 – 68 5,5 – 6,8 Nachwachsende Rohstoffe 500 – 700 50 – 62 5,0 – 6,2 Fette © Fraunhofer IGB EtaMax © Fraunhofer IGB KOPPLUNG BIOGAS UND HOCHDRUCKVERFAHREN Option zum Hochdruckeinsatz Option zum Hochdruckeinsatz © Fraunhofer IGB KOPPLUNG BIOGAS UND HOCHDRUCKVERFAHREN Wertstoffe bei der Biogaserzeugung, Szenario Obstreste : © Fraunhofer IGB KOPPLUNG BIOGAS UND HOCHDRUCKVERFAHREN Wertstoffe im Substrat VOR der Biogaserzeugung, Szenario Gemüse (Tomatenschalen) Szenario Obst (Orangenschalen) © Fraunhofer IGB Hesperidin KOPPLUNG BIOGAS UND HOCHDRUCKVERFAHREN Wertstoffe in den Gärresten NACH der Biogaserzeugung Wragge, IASP Berlin , 2013 FNR- Fachtagung Pflanzenbauliche Verwertung von Biogas-Abfallen © Fraunhofer IGB KOPPLUNG BIOGAS UND HOCHDRUCKVERFAHREN Ionenprodukt von Wasser 28 Ethanol 24 Iso-Propanol Benzol 10-12 16 n-Hexan 12 40 °C 60 °C 8 10 -13 δ ( MPa ½ ) 20 10-11 Lösestärke von CO2 80 °C 4 100 °C 200 400 600 800 Pressure(bar) (Johannsen,, TUHH 1997) 1000 10-14 0 Kw 0 0°C (www.tpub.com) 200° 400 ° 600 °C Temperature Steuerung der Löseeigenschaften zur Anpassung auf die unterschiedliche Polarität der Biomassefraktionen © Fraunhofer IGB KOPPLUNG BIOGAS UND HOCHDRUCKVERFAHREN Hochdruck- Festbettreaktor als zentrale Einheit einer vollständigen Verwertungskaskade für Biomasse © Fraunhofer IGB KOPPLUNG BIOGAS UND HOCHDRUCKVERFAHREN Anlagenprinzip Hochdruck- Festbettreaktor als zentrale Einheit: Apparative Realisierung © Fraunhofer IGB Zetzl et. al, CIT 2011 KOPPLUNG BIOGAS UND HOCHDRUCKVERFAHREN Pilotanlage Chargengröße: 40 L in Betrieb seit Juli 2014 11 kg Biomasse 3L BMBF – Projekt „Bioraffinerie 2021“ Konsortialpartner TUHH, tesa SE, Thünen-Institut, Mothes-HDT © Fraunhofer IGB ERSTE ERGEBNISSE Vorbehandlung : Extraktion mit verdichtetem CO2 Brunner,TUHH © Fraunhofer IGB ERSTE ERGEBNISSE Orangenschalen : Extraktion mit verdichtetem CO2 Influence of peel pre-treatment Wasser: natürlicher Modifikator 12 500 bar, 40 °C, S/F =1,2 kg/ min.kg 10 Yield % 8 Rohstoff : enthält Wasser und Spuren von EtOH : 500 bar, 5 g Batch, 40 °C, 3 NL/Min Originalfeucht 6 Hesperidin Fraktion 4 Freeze dried/milled Fresh/cutted 2 0 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 Time [min] Anagonostopoulos, Zetzl, Smirnova TUHH © Fraunhofer IGB Probe [min] HESP [%] 0-2 16.8 10-15 8.3 15-25 6.6 60- 90 6.6 ERSTE ERGEBNISSE Tomatenschalen : Extraktion mit verdichtetem CO2 Ausbeute… Khili, Zetzl, Smirnova, TUHH 2014 ..vs Antioxidationsvermögen © Fraunhofer IGB ERSTE ERGEBNISSE Lignocellulose : Hydrolyse im Festbett-Reaktor 1. Schritt : Heisswasserbehandlung 185 °C ,200 °C, 220 °C 40 bar 180 kg/h Hüppop, Kirsch, Perez, Zetzl, Smirnova, TUHH 1. Schritt der Reaktionskaskade Austrag der Hemicellulose, Vorbehandlung Cellulose © Fraunhofer IGB ERSTE ERGEBNISSE Lignocellulose : Hydrolyse im Festbett-Reaktor 2. Schritt : Enzymatische Hydrolyse im Festbett-Reaktor 50 und 55 °C 0 und 100 bar 363 kg/h Cellic CTec2 pH 4,8-5 Hüppop, Kirsch, Perez, Zetzl, Smirnova, TUHH 2. Schritt der Reaktionskaskade Austrag der Cellulose, Rückstand vorgereinigtes Lignin © Fraunhofer IGB DISKUSSION UND AUSBLICK Bei einer unselektiven Biogaserzeugung gehen viele originäre Wertstoffe verloren Biogaserzeugung ist bei Ligninreichen Organischen Rückständen limitiert Hochdruck-unterstützte Nebenstrombehandlung bietet sich an bei - saisonalen / regionalen Monokulturen (Kooperativen) - vorselektierten Substraten © Fraunhofer IGB DISKUSSION UND AUSBLICK Biomasseverwertung (Olivenreste) EU FP 7 En X Olive ITAV (Spain), FHG (Germany) Cartif (Spain), Apooat (Italy), Pezaunion (Greece), ANEO (Spain), Idecal (Spain), Lachifarma (Italy), UGN (Germany), Prodeval (France) © Fraunhofer IGB DISKUSSION UND AUSBLICK Biomasseverwertung Obstreste (Orangenschalen) Terpenreiche Essenzöle lassen sich Faserstoffe, Flavonoide , Albedo lassen bei moderaten Drücken extrahieren sich bei höheren Drücken extrahieren Influence of peel pre-treatment 12 500 bar, 40 °C, S/F =1,2 kg/ min.kg 10 Yield % 8 6 4 Freeze dried/milled Fresh/cutted 2 0 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 Time [min] Hense, Budich, Brunner TUHH Anagonostopoulos, Zetzl, Smirnova TUHH Durch Hochdruck-Vorbehandlung werden ZitrusschalenSubstrate für die Biogasverwertung optimiert © Fraunhofer IGB KOPPLUNG BIOGAS UND HOCHDRUCKVERFAHREN Hochdruck- Festbettreaktor als zentrale Einheit einer vollständigen Verwertungskaskade für Biomasse © Fraunhofer IGB DANKE! Dr.-Ing. Carsten Zetzl [email protected] Barbara Waelkens, M. Sc. [email protected] © Fraunhofer IGB
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