Förderprojekte

Förderbeginn 01.01.2016

Evaluation und Weiterentwicklung von Messmethoden für die Biomassevergasung und anschließende Gasaufbereitungsprozesse

Prof. Dr.-Ing. Hartmut Spliethoff
Technische Universität München
Lehrstuhl für Energiesysteme

Dr. Reinhard Seiser
University of California, San Diego
Department of Mechanical and Aerospace Engineering

Die Vergasung von Biomasse und eine anschließende Nutzung des Synthesegases zur CO₂-neutralen und nachhaltigen Strom- oder Kraftstofferzeugung können dazu beitragen den Anteil der erneuerbaren Energien weiter zu steigern. Nach der Vergasung kann das Synthesegas durch weitere Verfahrensschritte in wertvolle gasförmige (z.B. Synthetic Natural Gas – SNG) oder flüssige Produkte (z.B. Methanol, DME, FT-Diesel) umgewandelt werden, die aktuell meist aus fossilen Energieträgern gewonnen werden. Diese Technologien sind aktuell jedoch für den Einsatz von Biomasse nicht Stand der Technik und es gibt nur wenige Pilot- und Demo-Anlagen.

Die wesentlichen Aufgaben, die auf wissenschaftlicher Ebene behandelt werden müssen, umfassen das Scale-up von Versuchsanlagen und den Umgang mit Verunreinigungen, wie etwa ungesättigten Kohlenwasserstoffen, Teeren oder (organischen) Schwefelverbindungen im Synthesegas.

Im Zuge des Projekts werden diese derzeit noch bestehenden technologischen Hürden adressiert und in gemeinsamen Versuchskampagnen an bestehenden Anlagen zur Biomassevergasung untersucht. Die Ziele umfassen die Optimierung von Messtechnik und -verfahren (z.B. Solid Phase Adsorption - SPA), Gasreinigungsmethoden, Katalysatorbehandlung, sowie die Entwicklung von innovativen Nutzungspfaden des Synthesegases (z.B. direkte Stromproduktion in Festoxidbrennstoffzellen (SOFC).

Abschlussbericht
Die Vergasung von Biomasse und eine anschließende Nutzung des Synthesegases zur CO2-neutralen und nachhaltigen Strom- oder Kraftstofferzeugung können dazu beitragen den Anteil der erneuerbaren Energien weiter zu steigern. Nach der Vergasung kann das Synthesegas durch weitere Verfahrensschritte in wertvolle gasförmige (z.B. SNG) umgewandelt werden. Diese Technologien sind aktuell jedoch für den Einsatz von Biomasse nicht Stand der Technik und es gibt nur wenige Pilot- und Demo-Anlagen. Die wesentlichen Aufgaben, die auf wissenschaftlicher Ebene behandelt werden müssen, umfassen das Scale-up von Versuchsanlagen und den Umgang mit Verunreinigungen, wie etwa ungesättigten Kohlenwasserstoffen, Teeren oder (organischen) Schwefelverbindungen im Synthesegas.

Im Rahmen des Projekts wurden an unterschiedlichen Versuchsanlagen der UC San Diego / UC Davis und der TUM Messkampagnen durchgeführt. Dabei wurden verschiedene Mess- und Analysemethoden zur Bestimmung der Konzentration von Teer- und Schwefelverbindungen getestet, verglichen und weiterentwickelt. Neben den insgesamt drei gemeinsamen Messkampagnen fand ein reger Austausch über die Themen im Rahmen von Webinars, Webmeetings und Treffen der Gas Analysis Working Group statt. Beide Partner lieferten zusätzlichen Input für einen Bericht der IEA.

Im Juni 2016 war Michael Long (UC Davis) für eine Woche zu Besuch am Lehrstuhl für Energiesysteme in Garching. Während dieser Zeit wurden unterschiedliche Messungen am Wirbelschichtvergaser und der katalytischen Heißgasreinigung durchgeführt. Dabei stand die Ermittlung von Einflussfaktoren auf die Konzentration an Störstoffen im Mittelpunkt. Zusätzlich wurde die neue Messmethode „Solvent Syringe“ unter realen Bedingungen getestet. Dabei wird eine gekühlte Spritze mit integriertem Lösungsmittel verwendet um ein bekanntes Gasvolumen aufzuziehen. Je nach verwendetem Lösungsmittel reichern sich die organischen Teer- und Schwefelverbindungen im Lösungsmittel an und können anschließend im Gaschromatogrpahen quantifiziert werden. Im Unterschied zur weit verbreiteten SPA-Methode weist dieses Verfahren deutliche Vorteile hinsichtlich der Komplexität und Fehleranfälligkeit auf. Zusätzlich sinkt die benötigte Zeit und es wird weniger Equipment benötigt, weshalb das Verfahren günstiger wird. Erste Ergebnisse sind vielversprechend, es muss jedoch weiterer Aufwand betrieben werden, um einen zuverlässigen Einsatz zu ermöglichen und mögliche Einsatzbereiche abzusichern.

Im Oktober 2016 reisten Felix Fischer und Sebastian Fendt (beide TUM) für eine Messkampagne nach Kalifornien. An der Demoanlage der Firma WestBiofuels wurden verschiedene Messverfahren zur Flüssigprobennahme getestet. Zusätzlich wurden unterschiedliche Verfahren der SPA-Methode untersucht und ein gemeinsames Protokoll entwickelt. Dadurch sollen zukünftige Messungen robuster und vergleichbarer werden. In der Vorbereitung wurden erste Messungen mit dem neuen GC-SCD zur Quantifizierung organischer Schwefelverbindungen durchgeführt. Im Rahmen des letzten Besuchs wurden im Juni 2017 weitere Tätigkeiten auf dem Bereich der Wirbelschichttechnologie besprochen und erste Versuche an dem neuen Reaktor der UC Davis durchgeführt. Im Anschluss an das Treffen wurde auch in Garching ein neuer Versuchsreaktor für die katalytische Teerreformierung in der Wirbelschicht entwickelt. Durch die Kontakte der UC Davis konnte dafür benötigter Katalysator aufgetrieben werden. Des Weiteren wurde die Wolfgang Hillen Summer School 2017 vorbereitet und im Anschluss durchgeführt.

Erste Ergebnisse aus wurden in mehreren Vorträgen auf der TCS 2016 vorgestellt:
Felix Fischer: Influence of Co-Gasification Agents on Fluidized Bed Steam Gasification of Biomass for Biofuel Production
Sebastian Fendt: Research on Small-Scale Biomass Gasification in Entrained Flow and Fluidized Bed Technology for Biofuel Production
Reinhard Seiser: Detailed Measurement of Sulfur Compounds in Producer Gas from Fluidized-Bed Gasifier

Beide Projektpartner sind an einer Fortführung der Aktivitäten interessiert und haben sich daher erfolgreich für die Ausrichtung der Wolfgang Hillen Summer School 2017 („Energetische Biomassenutzung“) beworben. Ebenfalls erfolgreich war die Bewerbung für den TUM Global Incentive Fund 2017/2018 (~13.000 €), in dessen Rahmen die Kooperation gefestigt und weitere Anträge geschrieben werden sollen. Es ist u.a. geplant einen Antrag für die „NSF Pire“-Ausschreibung zu schreiben.