Veredelung von Biomasse zur energetischen Nutzung durch die hydrothermale Carbonisierung

von Milena Dehn


Januar 2014

Kaum zu glauben. Die Arbeit ist tatsächlich fertig, gedruckt und gebunden. Und morgen um 9°° Uhr ist Abgabe. Eins ist schon jetzt sicher – gelernt habe ich durch diese Arbeit eine ganze Menge! Und für einen kleinen Einblick, was sich aus der anfänglichen Idee letztendlich entwickelt hat, hier meine Kurzfassung:

„In vorliegender Arbeit werden die Biomassen Buchenholz, Reisschalen, Bambus, Miscanthus, Apfeltrester, Rosenblätter (Gärtnereiabfälle) und Blätter der Zantedeschia (Gärtnereiabfälle) hydrothermal carbonisiert. Die Hydrothermale Carbonisierung wurde bei 220°C, etwa 25bar und einer Haltedauer von 3 Stunden durchgeführt.
Die Analysen der Brennstoffeigenschaften vor- und nach der Veredelung zeigen eine Carbonisierung und Verbesserung der Brennstoffeigenschaften. Für alle Biomassen nähern sich die qualitativen Merkmale denen der Braunkohle an. Brennwert und Kohlenstoffgehalt steigern sich auf 120-130% der Ausgangswerte. Auch nach der Hydrothermalen Carbonisierung sind aber noch hohe und je nach Biomasse unterschiedliche Aschegehalte zu verzeichnen.
Die Massenausbeuten unterscheiden sich je nach eingesetzter Biomasse. Als Tendenz lassen sich aber geringe Ausbeuten bei geringen Trockensubstanz/Wasser-Konzentrationen erkennen. Die Carbonisierung scheint vor allem bei Abfallstoffen vorteilhaft. Gleichzeitig stellen sich gerade hier schwankende und hohe Aschegehalte, und durch hohe Wassergehalte geringe Konzentrationen als Schwierigkeiten dar.“


Dezember 2014

Langsam wird es eng. Nachdem die Feiertage dieses Jahr vielleicht nicht ganz so besinnlich waren, liegt vor mir aber zum Glück eine Arbeit, die fast fertig ist.
Allerdings muss noch formatiert werden, hier und da fehlt eine Beschriftung – die Arbeit geht mir bis zum Mittwoch mit Sicherheit nicht aus. Nachdem ich nochmal alle möglichen Notizen durchgeschaut habe, verzweifelt ein paar Quellenangaben zu im Laufe der Zeit nicht vollständig notierten Infos gesucht habe und das ganze nun tatsächlich auf Papier steht, ist es fast schade, dass jetzt Schluss ist.

Ist es ja aber noch gar nicht – der Countdown läuft!


September 2013

Ich bin durch! Immerhin mit den Versuchen. Im September  habe ich den letzten HTC Durchgang mit Apfeltrester gestartet. Die meisten Biomassen und Biokohlen wurden inzwischen auch schon analysiert. Das heißt, dass jetzt die Auswertungsarbeit auf mich zukommt. Und natürlich schreiben. Ich habe mich mit meinem Betreuer über Gliederung und Inhalt abgesprochen und Formalien haben wir auch geklärt. Es kann also losgehen!

Hier ein Bild vom Reaktor während dem Trester-Durchlauf.

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Juli und August 2013

Im Juli und August blieb uns allen durch Praktikum etc. kaum Zeit für unsere Arbeit. Trotzdem habe ich mich einige Male mit meinem Betreuer zusammengesetzt, um weiteren Ablauf und die angehende Gliederung zu besprechen.  Auch einige Versuche konnten wir fahren. Zum Beispiel haben wir Bambus und Miscanthus verwendet, die zwar recht trocken, dafür aber schnellwachsende Energiepflanzen sind. Mit Gras – allerdings keinem reinen Rasen, sondern „Wiese“-  habe ich zudem ein sehr praxisnahes Edukt  verwendet. Inzwischen liegen auch die ersten Laborergebnisse vor – das heißt jetzt geht es erstmals ans Diagramme erstellen und auswerten.

Um den Einfluss der Konzentration nicht nur in einer Messreihe zu testen, habe ich zudem ein weiteres Mal Bambus  und Miscanthus  in einem anderen Biomasse/Wasser-Verhältnis verwendet.

Auch bei der Literaturrecherche klappt es immer besser. Was sich aber als schwer herausgestellt hat, ist, den groben Wassergehalt verschiedener Biomasse schon im Voraus herauszufinden. So muss man meistens auf Laborergebnisse warten, damit man die notwendige Konzentration für die HTC bestimmen kann.

Experte bin ich dafür inzwischen beim Zerkleinern von Biomasse. Je nach Feuchtegehalt kann man nicht die Labor-Mühle benutzen, so dass ich Calla, Rosen und Gras schon mit Scheren, Messern und Küchenmixern zu Leibe rücken musste.

Um noch etwas ganze anderes zu testen, habe ich mit meinem Betreuer das Experiment gewagt, den Reaktor für die Torrefaction – eine andere Biomasseveredelungstechnologie – umzubauen. So könnte man Torrefaction und HTC direkt vergleichen. Leider sind wir an einer fehlenden Mutter gescheitert. Da wir diese erst nachbestellen müssen, mussten wir die Torrefaction erst einmal verschieben.


Juni 2013

Im Juni haben wir zwei HTC-Durchläufe geschafft.  Einmal mit Rosenblättern, einmal mit Callablättern. Beide Male handelte sich es also um Gärtnereiabfälle, denn genau das ist ja die Idee hinter der HTC – Energieerzeugung aus anderswo nicht verwendbarer Biomasse.

Bevor wir die Calla jedoch verwenden konnten, hat uns der Reaktor einen Strich durch die Rechnung gemacht. Eine kleine Schraube des Rührstabes hat sich gelöst und man glaubt es kaum, aber die konnte den ganzen Reaktor lahm legen. Zudem war sie ziemlich schwer zu erreichen.

Letztendlich hat der Reaktor aber wieder funktioniert und da die Calla die erste Pflanze mit sehr hohem Wassergehalt war, gab es die nächste Überraschung. Nach der HTC war kaum feste Biokohle übrig. Bei den Rosenblättern haben wir dieses Wissen mit einbezogen und den Wassergehalt der Pflanze mit in das Wasser/Biomasseverhältnis eingerechnet.


Mai 2013

Seit Ende April läuft der Reaktor und ich selbst war nun schon bei vier Durchläufen der HTC dabei. Das klingt möglicherweise nicht viel, aber ein Durchlauf dauert. Zuerst muss die Biomasse zerkleinert und zusammen mit Wasser in den Reaktor gefüllt werden. Dann geht es ans Zuschrauben, Druck einstellen, Durchfluss einstellen, Drucktest durchführen und Temperatur und Temperaturrampen einstellen.
Während der drei Stunden, in denen unter Druck und Temperaturen um die 200° C die Reaktion abläuft, heißt es erst einmal warten. Danach muss der Reaktor abkühlen und dann kann es weiter gehen. Bevor die entstandene Biokohle in die Brennstoffanalyse geht, muss sie von der flüssigen Phase getrennt und gewaschen werden.
Nach zwei Durchläufen haben wir festgestellt, dass der Mineralstoffgehalt der HTC Kohle so gering ist, dass man keine Ascheschmelzanalyse durchführen kann. Um auch diese Parameter später einbeziehen zu können, sind wir deshalb auf eine andere Biomasse, mit höherem Mineralstoffgehalt, umgestiegen. Deshalb heißt es jetzt nochmal anfangen mit verschiedenen Biomasse/Wasser-Verhältnissen. Und dann geht es an die Analyse.


April 2013

Nachdem bei mir schon seit Anfang Februar klar ist, an welcher Fakultät ich meine Arbeit schreiben werde, hatte ich jede Menge Zeit gespannt zu sein – und es war höchste Zeit, dass es jetzt endlich losging!

Gelandet bin ich im Lehrstuhl für Energiesysteme in der Fakultät für Maschinenwesen. Mein Thema ist der Einfluss des Wasseranteils bei der hydrothermalen Carbonisierung.

Die Hydrothermale Carbonisierung bzw. HTC ist ein chemisches Verfahren zur Herstellung von Kohle aus Biomasse; übersetzen kann man den Namen im Prinzip mit „wässriger Verkohlung bei erhöhter Temperatur“.

So viel vorweg – und jetzt zu meinen ersten Wochen am Lehrstuhl.

Nachdem ich von meinem Betreuer Markus Ulbrich durch den Lehrstuhl, das Technikum und die Labore geführt wurde, ging es bei mir erst einmal darum, einen Überblick über die Brennstoffanalyse zu bekommen. Ich hab den Feuchtigkeitsanteil von Kohle bestimmt, die Ein- und Auswaage für die Aschebestimmung und die Bestimmung der flüchtigen Bestandteile durchgeführt und kleine Tabletten für die Ascheschmelzverhaltenbestimmung hergestellt. Da für die RFA Elementaranalyse eine glatte Oberfläche notwendig ist, habe ich auch hierfür gewogen, zermörsert und Tabletten gepresst. Besonders spannend war das Bombenkalorimeter, mit dem man den Heiz- und
Brennwert von Kohle bestimmen kann. Einen guten Überblick über die verschiedenen Schritte der Brennstoffanalyse habe ich auf jeden Fall bekommen! Aber nicht nur das – genauso interessant war es zu sehen, wie die Arbeit im Labor funktioniert. Denn wiegen, messen und eine ruhige Hand zum umfüllen will gelernt sein!

Gleichzeitig durfte ich öfters meinem Betreuer im Technikum über die Schulter schauen. Da für den HTC-Prozess bestimmte Bedingungen wie Druck und Temperatur notwendig sind, braucht man nach Möglichkeit einen Reaktor in dem man diese Parameter sehr genau steuern kann. Und da es die noch nicht von der Stange gibt, geht es momentan noch darum, den HTC-Reaktor einsatzbereit zu machen.