Mit dem ERA-NET Projekt EnCat wird die Entwicklung eines neuen Konzepts zur Herstellung von hoch qualitativem Pyrolyseöl aus Biomasse bei hoher Ölausbeute erforscht. Das österreichische Unternehmen BIOS Bioenergiesysteme GmbH kooperiert im Rahmen dieses internationalen Verbundprojekts mit acht Industrie- und Forschungspartnern aus vier europäischen Staaten.1
Das mit bisherigen Pyrolyse-Verfahren produzierte Bio-Öl weist für den Einsatz im Bereich der Strom- und Wärmegewinnung oder als Automobilkraftstoff einige Nachteile auf. Dazu zählen die hohen Gehalte an Sauerstoff, Wasser und wasserlöslichen Komponenten (Säuren), die schlechte Mischbarkeit mit fossilen Brennstoffen sowie die unzureichende chemische Stabilität und hohe Viskosität. Ziel der EnCat-Technologie ist es, ein höherwertiges Bio-Öl aus Biomasse zu erzeugen, das sich für viele unterschiedliche Anwendungen eignet.
Bio-Öl wird mittels Biomasse-Pyrolyse hergestellt, einem thermochemischen Verfahren, bei dem Biomasse unter Sauerstoffausschluss bei hohen Temperaturen in feste, flüssige und gasförmige Komponenten aufgespalten wird. Bei der schnellen Pyrolyse („Fast Pyrolysis“) erfolgt eine rasche Erwärmung der Biomasse auf ca. 500 °C, was zu einer hohen Ausbeute an Pyrolyse-Öl führt. Es gibt verschiedene Möglichkeiten zur Weiterverarbeitung und Nutzung des Bio-Öls. Neben der energetischen Verwendung als Kraftstoff oder Heizöl ist die Verwendung als Rohstoffquelle für verschiedene chemische Anwendungen möglich.
Innovatives Verfahren
Um das neue Konzept sowohl für Holzbiomasse als auch für landwirtschaftliche Reststoffe nutzen zu können, müssen spezielle Vorbehandlungsschritte für die biogenen Rohstoffe entwickelt werden. Die vorbehandelte Biomasse soll dann in einem Reaktor unter Verwendung von Desoxygenierungskatalysatoren pyrolysiert werden. Das Konzept sieht vor, dass gleichzeitg CO2 mit Sorbentien gebunden und über die sogenannte Wasser-Gas-Shift-Reaktion Wasserstoff erzeugt wird. Das nach der Kondensation gewonnene Öl kann entweder gereinigt und hydriert werden, um ein höherwertiges Bio-Öl für unterschiedliche Anwendungen zu erhalten, oder es kann direkt in Gasmotoren und Gasturbinen zum Einsatz kommen. Dazu werden im Projekt auch modifizierte Brenner für Gasturbinen entwickelt.
Biomassevorbehandlung
BIOS Bioenergiesysteme testet im Rahmen des Projekts verschiedene Methoden zur Biomassevorbehandlung. Dabei sollen die Gehalte an Alkali- und Erdalkalimetallen (sog. AEM, das umfasst Kalium, Natrium, Kalzium und Magnesium) in der Biomasse reduziert werden. Diese Elemente fördern Reaktionen, welche die Qualität des Pyrolyse-Öls verschlechtern. Die Testläufe zeigten, dass durch die Extraktion (sog. Leaching) mit simulierten Holzsäuren, die im Zuge der Pyrolyse entstehen und vom Pyrolyseöl abgetrennt werden können (leichte flüssige Fraktion – im wesentlichen Essigsäure) bei moderaten Prozessbedingungen bzgl. Temperatur und Verweilzeit der Gehalt an AEMs in holzartiger Biomasse um rund 75 % reduziert werden kann. Bei Leaching mit Wasser lassen sich hier ca. 33 % der AEMs entfernen. Für Agrarbrennstoffe, welche deutlich höhere Gehalte an AEMs aufweisen, zeigten sich Reduktionsraten von rund 85 % für die Behandlung mit der leichten flüssigen Fraktion und 60 % für Leaching mit Wasser.
Katalytische Pyrolyse
Durch den Einsatz von Desoxygenierungs-Katalysatoren und CO2-Sorbentien bei der Pyrolyse soll die Qualität und Ausbeute des produzierten Bio-Öls verbessert werden. Die Projektpartner University of Twente (NL) und KTH Kungliga Tekniska högskolan (SE) führen Labor-Testläufe mit verschiedenen Katalysatoren und Prozessparametern durch, um den Prozess zu optimieren. Erste Tests mit vorbehandelter Biomasse zeigten positive Ergebnisse gegenüber der Pyrolyse von unbehandelter Biomasse hinsichtlich erzielbarer Umsetzungsraten und der Reaktionsgeschwindigkeiten.
Verbrennung von Bio-Öl in Gasturbinen
Das Unternehmen OPRA Turbines (NL) entwickelt und produziert Gasturbinen, die eine breite Palette an flüssigen und gasförmigen Brennstoffen nutzen können. Mit Hilfe von CFD (Computer Fluid Dynamics)-Simulationen (durch BIOS und UT) begleitet von experimenteller Forschung sollen Einblicke in die Zerstäubung und Verbrennung von Bio-Öl in Gasturbinen gewonnen werden. Am OPRA-Prüfstand wird ein Gasturbinensystem für den Einsatz von Bio-Öl aus der katalytischen Pyrolyse optimiert. Die Hauptaufgabe liegt in der Entwicklung einer Brennkammer und eines Luftstufungskonzepts, die eine vollständige Verbrennung bei niedrigen CO- und NOx-Emissionen sicherstellen. Messungen zur Bio-Öl-Zerstäubung (UT) sowie Testläufe mit Temperatur-Netzmessungen im Brenner (BIOS) unterstützen die Entwicklung des neuen Brennerdesigns.
Veredelung von Bioöl
Um ein höherwertiges Bio-Öl für verschiedene Anwendungsbereiche zu erhalten, soll das produzierte Pyrolyse-Öl katalytisch hydriert werden. Dazu werden Tests mit unterschiedlichen Verfahren und Katalysatoren beim Institute for Chemical Processing of Coal ICHPW (PL) durchgeführt.
Die internationale Zusammenarbeit soll zu einem Full-Scale Konzept der EnCat-Technologie führen. Begleitende techno-ökonomische Analysen und Life-Cycle Assessments der gesamten Prozesskette (vom Ausgangsmaterial bis hin zur Strom- und Wärmegewinnung mittels Turbinen und Motoren bzw. zu Automobilkraftstoffen) unterstützen die Entwicklung einer technisch und ökonomisch konkurrenzfähigen Technologie.
1 Projektpartner: BIOS Bioenergiesysteme GmbH (AT), University of Twente, UT (NL, Koordinator), Alucha Management B.V. (NL), OPRA Turbines International BV (NL), Kungliga Tekniska högskolan, KTH (SE), RISE IVF (SE), Institute for Chemical Processing of Coal, ICHPW (PL), HIG Polska Sp. (PL)
