Förderprojekte

Förderbeginn 01.07.2021

ValidBio: Vergleich und Validierung verschiedener Methoden zur Biomassecharakterisierung

Dr. Sebastian Fendt
Technische Universität München
Fakultät für Maschinenwesen

Prof. Bryan M. Jenkins
University of California, Davis
Biological and Agricultural Engineering Department (BAED)

Die chemische Analyse ist ein wichtiger Bestandteil zur Vorhersage der Eigenschaften von Biomasse, sowohl für die Verwendung als Brennstoff als auch für die weitere Verwertung der Asche. Die Charakterisierung von fester Biomasse ist besonders anspruchsvoll, da das Ausgangsmaterial in der Regel eine hohe Heterogenität aufweist und daher oftmals ein zusätzlicher Schritt der Probenvorbereitung wie Leaching oder Verdampfen erforderlich ist. Beide kooperierende Institute nutzen eine Vielzahl verschiedener Methoden zur Charakterisierung mit unterschiedlichen Vorteilen aber auch Grenzen. An der TU München können feste Biobrennstoffe ergänzend zu den klassischen Methoden der Brennstoffanalyse an einer elektrothermischen Verdampfungseinheit (ETV) in Verbindung mit einer optischen Emissionsspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma (ICP-OES) untersucht werden. Im Vergleich dazu wird an der UC Davis unteranderem eine Differenz-Thermoanalyse in Kombination mit einer Massenspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma (DTA-ICPMS) eingesetzt. Insbesondere sollen diese beiden fortschrittlichen Messtechniken verglichen und validiert werden, die es ermöglichen, temperaturaufgelöste Massenänderungen und elementare Freisetzung zu analysieren.
Ziel der Zusammenarbeit ist es, die wissenschaftlichen Kenntnisse beider Institute deutlich zu vertiefen sowie die allgemeine Brennstoffanalyse durch den Austausch von Fachwissen über hochmoderne Analyseverfahren zu verbessern und beide Systeme zu überprüfen.

Abschlussbericht
Im Rahmen des durch BaCaTeC geförderten Projekts ValidBio konnte die Charakterisierung von fester Biomasse anhand einer innovativen Methode zur temperaturaufgelösten Analyse untersucht werden. Dabei kooperierte der Lehrstuhl für Energiesystem der Technischen Universität München (TUM) mit dem „Department of Biological and Agricultural Engineering“ an der University of California, Davis (UCD). Im Zuge dessen verbrachte Theresa Hauth (B.Sc.) dabei fünf Monate in der Arbeitsgruppe von Bryan Jenkins, Ph.D. (Emeritierter Professor) und arbeitete eng mit Peter Thy, Ph.D. sowie Li Wang (M.Sc) zusammen. Zusätzlich ermöglichte die Förderung einen dreiwöchigen Auslandsaufenthalt von Hendrik Mörtenkötter (M.Sc), welcher das Projekt sowie die Forschungsarbeit von Frau Hauth betreute.

An der UCD wurden für die Analysen eine Thermowaage (TG/DTA) mit einem Massenspektroskop mit induktiv gekoppeltem Plasma (ICP-MS) verknüpft. Die Biomasseprobe wurde zunächst verdampft und die freigesetzten Elemente temperaturaufgelöst detektiert. Um die Vergleichbarkeit der chemischen Analyse der Biomasse und die Nutzung in bestehenden Biomassekraftwerken in Bezug auf das Trägergas zu untersuchen, wurden Messungen in Argon und Luft durchgeführt. Es zeigte sich, dass eine oxidierende Atmosphäre die Elementfreisetzung der flüchtigen Bestandteile verstärkt und zu einem größeren Massenverlust beim Erhitzen führt. Bei höheren Temperaturen konnten jedoch kaum Unterschiede festgestellt werden. Folglich weisen die Ergebnisse darauf hin, dass Messungen an Analysegeräten mit Argon als Trägergas auf bestehende Kraftwerke mit Luft übertragen werden können.

Um die Vergleichbarkeit der ICP-MS Messdaten zu gewährleisten, wurde der Versuchsaufbau um ein Laserablationssystem erweitert. Durch die Ablation von Platin im Laser wurde ein interner Standard eingeführt, welcher veränderliche Plasmabedingungen aufgrund der Flüchtigenfreisetzung aufzeigt. Durch Experimente mit unterschiedlichen Probenmengen wurde das Verhalten des Plasmas dargestellt und eine mögliche Weiterentwicklung der bestehenden Methodik gefunden.

Durch unterschiedliche Limitierungen der Messgeräte an der UCD und der TUM konnten die Messtechniken zwar nicht abschließend validiert werden, jedoch konnten vergleichbare Ergebnisse erzielt werden und die Vor- und Nachteile der jeweiligen Versuchsaufbauten konnten herausgestellt werden. Neben dem rein technischen Austausch, der in zukünftigen Veröffentlichungen einfließen wird, führte das Projekt auch zu intensivem fachlichem Austausch bezüglich der Zukunft der Energieversorgung und die Rolle von Biomasse in Kalifornien und Bayern.