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Folie 1
© Fraunhofer UMSICHT
Bei Fragen wenden Sie sich bitte an:
Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und
Energietechnik UMSICHT
Iris Kumpmann
Abteilungsleiterin
Public Relations
Osterfelder Straße 3
46047 Oberhausen
Tel.: 0208-8598-1171
E-Mail: iris.kumpmann@umsicht.fraunhofer.de
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©Copyright Fraunhofer UMSICHT, 2014
Folie 2
© Fraunhofer UMSICHT
Fraunhofer Innovationscluster Bioenergy
Kalkar NaRoTec 2 Juli 2014
Josef Robert
Folie 3
© Fraunhofer UMSICHT
Inhalt
1. Fraunhofer Umsicht und Innovationscluster Bioenergy
2. Charakterisierung von Biomassen
3. Nutzungspfade für Biomasse und Einflussfaktoren
4. Technologien zur Reststoffnutzung
5. Beispiele
6. Zusammenfassung
Folie 4
© Fraunhofer UMSICHT
Fraunhofer UMSICHT
Wegbereiter für die Energie- und Rohstoffwende
Kerngebiet: Verfahrenstechnik
Stoffumwandlung »Vom
Rohmaterial zum Produkt«
528 Mitarbeiterinnen und
Mitarbeiter (308 fest angestellt)
in Oberhausen und
Sulzbach-Rosenberg
Betriebshaushalt 2013
32,2 Mio. €
Unsere Themen:
Energie I Prozesse I Produkte I Umwelt I Werkstoffe I Nachhaltigkeit
Unsere Leitthemen:
Produzieren ohne Rohstoffe / Energie mit UMSICHT
Standort Oberhausen
Folie 5
© Fraunhofer UMSICHT
Fraunhofer Innovationscluster Bioenergy
Innovationscluster »Bioenergy«
Start 2012
Projektlaufzeit 3 Jahre
Partner aktuell: 12 Unternehmen,
2 Universitäten/Institute
Inhalte
»Nasse« Biomasse und Reststoffe als
Kohlenstoffquelle für die stoffliche und
energetische Nutzung
Lagerfähige und transportwerte
Zwischenprodukte
Technologien für die dezentrale/mobile
Konversion
Folie 6
© Fraunhofer UMSICHT
Energieszenarien
Quellen: Ecofys Energy Szenario (2010)
Shell Energy scenarios to 2050
(2008)
Shell Study: Shell energy scenarios to 2050 (2008)
Endenergieverbrauch
(Shell, 2008)
Erschließung von Reststoffen von großer Bedeutung
Folie 7
© Fraunhofer UMSICHT
Reststofffraktionen aus Industrie und Handel
ca. 1,3 Mrd. t Lebensmittel
werden jährlich weltweit
entsorgt
Abfälle aus Industrie und
Handel in Deutschland:
432.000 t Obst
624.000 t Gemüse
Reststoffe aus der Obst- und
Gemüseverarbeitung
beinhalten viele bioaktive
Substanzen, wie
Polyphenole, Carotinoide,
Saponine, Phytoöstrogene
Ballaststoffe
Gemüse 26%
Obst 18%
Backwaren 15%
Speisereste 12%
Milchprodukte 8%
Getränke 7%
Fleisch und Fisch 6%
Teigwaren 5%
sonstiges 3%
Zusammensetzung der Lebensmittelabfälle in Deutschland (Massenprozent)1
1 Studie der Universität Stuttgart 2012
Folie 8
© Fraunhofer UMSICHT
Biomassecharakterisierung
Bioabfall
Grünabfall
Produktionsabfälle
Industrieller Bioabfall
Landwirtschaftliche Reststoffe
Saisonalität
Schüttdichte
Heizwert
Wassergehalt
Aschegehalt
Schwefelgehalt
Chlorgehalt
Ligningehalt
Biogasertrag
Form/Stückigkeit
Funktionelle
Inhaltsstoffe
(z.B. Polyphenole,
Carotinoide)
Folie 9
© Fraunhofer UMSICHT
Biomassecharakterisierung
Bioabfall
Holziger Grünabfall
w = 70-85 %
Hu = 3,5-6 MJ/kg TS1 (vgl. Holz 18,7 MJ/kg TS)
Asche = 28-44 % 2 (vgl. Holz 0,5-2%)
Biogasertrag = 80-140 Nm³/t TS3
(Maissilage: 216 Nm³/t TS4)
S = 0,03-0,2%; Cl = 0,08%2
(vgl. Holz: S=0,02-0,04 %; Cl = 0,008-0,02 %)
Quellen: 1 Prognos, 2012; 2 TU Dresden, 2013; 3 BMU, 2013 4 KTBL; 5 Witzenhausen Institut 2010
w = 30-55 %
Hu = 9-18 MJ/kg TS (vgl. Holz 18,7 MJ/kg TS)
Asche = bis 50 % (vgl. Holz 0,5-2%)
Biogasertrag: <10 Nm³/t TS
S = 0,6%; Cl = 0,03%5
(vgl. Holz: S=0,02-0,04 %; Cl = 0,008-0,02 %)
Folie 10
© Fraunhofer UMSICHT
Biomassecharakterisierung
Krautiger Grünabfall
Pferdemist
w = 50-85 %
Hu = 2 MJ/kg TS1 (vgl. Holz 18,7 MJ/kg TS)
Asche = 20-60 % (vgl. Holz 0,5-2%)
Biogasertrag = 80-120 Nm³/t TS2
(Maissilage: 216 Nm³/t TS3)
w = 55-80 %5
Hu = 16-19 MJ/kg4 (vgl. Holz 18,7 MJ/kg TS)
Asche = 12-25 % 5 (vgl. Holz 0,5-2%)
Biogasertrag = 112 Nm³/t TS3
S = 0,16-0,5%; Cl = 0,23-2,3%5
(vgl. Holz: S=0,02-0,04 %; Cl = 0,008-0,02 %)
Quellen: 1 www.kompost.de; 2 INFA, 2014; 3 KTBL; 4 harasnational.ch; 5 berbion.de
Folie 11
© Fraunhofer UMSICHT
Nutzungspfade von Biomasse
Konver-sion
(Bioraffinerie, BtE, BtL)
Biomasse- bereitst.
(Ernte, Lagerung, Transport)
Produkte (Energie, Rohstoffe)
Folie 12
© Fraunhofer UMSICHT
Bewertungskriterien
Landnutzung
Umwelt
Wirtschaftlichkeit, Nachhaltigkeit, Sensitivität
Effizienz
Qualität d. Vorbehandlung
Transportentfernung/ -effizienz
Qualität
Lagerfähigkeit
Markt- nachfrage
Produkt- qualität
Produktivität
Kosten
Verfügbarkeit
Kosten Invest Betrieb
Konver-sion
(Bioraffinerie, BtE, BtL)
Biomasse- bereitst.
(Ernte, Lagerung, Transport)
Produkte (Energie, Rohstoffe)
Folie 13
© Fraunhofer UMSICHT
Nutzungspfade von Biomasse
Energy crops Residues Byproducts Waste
Harvesting, collecting etc.
Preparation (pressing, drying,
mixing, grinding etc.) Transport (local/global)
Storage (tank, storehouse, silo,
pile etc.)
Thermochemical conversion Physicochemical conversion Biochemical conversion
Charcoal
production
(Torref./HTC)
Gasifi-
cation
Lique-
faction
Alkohol
fermen-
tation
An/aerob
Decom-
position
Pressing/Extraction
Esterifi-
cation
Fuels (solid, gaseous, liquid)
Incineration
Power Heat
Maize, Sugar Cane,
Miscanthus, Triticale etc. Straw, forest residual,
wood, leafage, etc. Manure, industrial residual
wood etc.
Sewage sludge, biogenic
waste (household, food
industry) etc.
Biomass-
feedstock
Product/
Intermediate
Conversion
Application
Solid
fuels Vege-
table oil PME
Biogas Ethanol
Source: Kaltschmitt et al. 2004 (modified and extended)
Coal Syngas,
LCV-
gas
Pyrolysis
oil
Grassland biomass
Grass, lucerne, clover etc.
Conditioning
Material
utilization
Treatment
Mobility
Chemical feedstock
Dried Material
(naturally/technically) Press
juice
Pressed material
(press cake, pellets)
Conserved material
(ensilinged)
Untreated material
(direct utilization)
Insulator,
filling
material
etc.
Proteins,
Carbo-
hydrates
Hydro-
lysis
Fertilizer
Engine
Intermediates
Feed
Ash
Fibres
Anaerob
diges-
tion
Folie 15
© Fraunhofer UMSICHT
Verfahrensgegenüberstellung
HTC Wasser/Dampf
180 – 250 °C
10 – 40 bar
2 – 12 h
Prozesscharakterisierung
• Reaktionsumgebung
• Temperaturbereich
• Druckbereich
• Verweilzeiten
wässrige, biogene Rest-
und Abfallstoffe
(Bioabfall, Klärschlamm,
Gärrest etc.)
Biomassesubstrat
(Input)
Primärprodukt
typische
Produktausbeute*
Kohlesuspension
weitere Aufbereitung Separation,
Entwässerung und
Trocknung
bis 80 Gew.-%Input
feste Kohle
Kohlenstoffeffizienz*
*bezogen auf den Biomasseinput
** Quelle: AVA-CO2 (für Bioabfall)
80-90%
Behandlungskosten* ca. 70-80 €//t**
Folie 16
© Fraunhofer UMSICHT
100 L – HTC/VTC-Behälter Instrument Derzeit
40 mg – Differential
Scanning Calometrie betriebsbereit
100 mL – Versuchsbehälter betriebsbereit
100 L – HTC/VTC -
Technikumsanlage
betriebsbereit
11 m³ - VTC-Reaktor Bauphase
Foto: Fh UMSICHT
Foto: Fh UMSICHT
DSC (40 mg) 100 mL - Behälter
Versuchsanlagen bei UMSICHT
Folie 18
© Fraunhofer UMSICHT
Projektpartner Gronemeyer & Banck
• Mittelständisches Unternehmen in Steinhagen (Westfalen)
• Produktion von Großbehältern, Tankbauwerken, Druckbehälter
• Know-how aus Behältertechnik für HTC-Anwendungen interessant
Foto: www.gronemeyer-banck.de
Folie 20
© Fraunhofer UMSICHT
0
5
10
15
20
25
30
Banan
e(nst
aude)
Mai
sst roh
Kar
tof fel
pülpe
Buchen
laub
Ora
ngensc
halen
Kar
tof fel
pülpe
Kar
tof fel
Glu
cose
Gär
rest
Bre
nn
wert
[M
J/kg
]
vorher Produkt (s)
Versuchsergebnisse (Brennwert)
Folie 21
© Fraunhofer UMSICHT
Verfahrensgegenüberstellung
Torrefizierung Prozesscharakterisierung
• Reaktionsumgebung
• Temperaturbereich
• Druckbereich
• Verweilzeiten
Biomassesubstrat
(Input)
Primärprodukt
typische
Produktausbeute*
weitere Aufbereitung
Atmosphäre ohne O2
200 – 350 °C
15 – 120 min
trockene, vorwiegend
lignocellulosehaltige
Biomasse (Holz, Stroh etc.)
trockene Kohle
ggf. Pelletierung
70 Gew.-%Input
feste Kohle
Kohlenstoffeffizienz* *bezogen auf den Biomasseinput
~90%
Folie 22
© Fraunhofer UMSICHT
Verfahrensgegenüberstellung
Flashpyrolyse Prozesscharakterisierung
• Reaktionsumgebung
• Temperaturbereich
• Druckbereich
• Verweilzeiten
Biomassesubstrat
(Input)
Primärprodukt
typische
Produktausbeute*
weitere Aufbereitung
Atmosphäre ohne O2
450 – 600 °C
< 10 s
trockene, vorwiegend
lignocellulosehaltige
Biomasse (Holz, Stroh etc.)
Pyrolysekondensat/-kohle
Separation
Upgrading
bis 65 Gew.-%Input
Pyrolyseöl
Kohlenstoffeffizienz* *bezogen auf den Biomasseinput
~55-65%
55-65 Gew-% 15-25 Gew-%
Folie 23
© Fraunhofer UMSICHT
Beispiel 1: Pyrolysekondensat - Eigenschaften
Potenzial
Essigsäure (9,5 %) → chemische Industrie (Polymerherstellung,…)
Zucker (5,7 %) → chemische Industrie
Hydroxyacetaldehyd (4,0 %) → chemische Industrie (Essigsäure-,
Polymerharz-Herstellung,…)
Phenole (7,4 %) → chemische Industrie (Polymerherstellung
„Phenoplaste“,…)
Aufgrund der Vielzahl an chemischen Verbindungen stellt Pyrolysekondensat ein Rohstoff
für die stoffliche Nutzung da!
Energiedichtes Produkt (ca. 8-fache Dichte von Stroh)
Ähnlicher Heizwert wie Edukt
Asche fast vollständig im Pyrolysekoks
Folie 24
© Fraunhofer UMSICHT
Beispiel 1: Pyrolysekondensat - Nutzungspfade
Pyrolysis oil
Direct
separation
Thermal
utilization
Chemicals
Gasification/
Upgrading
Refining Boiler Gas turbine
Engine
Co-firing
Gasification Hydrotreating
Heat Power Fuels Chemicals
Folie 25
© Fraunhofer UMSICHT
Beispiel 2:
Pyrolyseöl-
erzeugung vs.
Strohverbrennung
Ernte mit Nährstoffrückführung
StrohNährstoff-
dünger
EnergiePressen & Lagerung
Strohballen
Transport
Strohbergung mit
feldnaher Konditionierung
Kraftstoff
ablative Pyrolyse
GasBiokohle
zusätzliche Biomasse
Pyrolyseöl
Energie
Verbrennung
Transport
Kraftstoff
Strohballen
Wärme
StromHeizkraftwerk
Folie 26
© Fraunhofer UMSICHT
Beispiel 2: Pyrolyseölerzeugung vs. Strohverbrennung
Grenztransportentfernung
Stroh 100 €
Stroh 120 €
Stroh 80 €
Stroh 60 €
Stroh 140 €
-6,0
-5,0
-4,0
-3,0
-2,0
-1,0
0,0
1,0
2,0
3,0
0 200 400 600 800 1000
spez
fisc
he
Ko
sten
dif
fere
nz
in c
t/kW
h
mittlere Transportstrecke in km
Strohkostenvarianz
Gewinnbereich
Verlustbereich
z.B. Pyrolyseöl-
kosten 250€/t
(~ Rohölpreis)
Großabnehmer – Wochenpreis Stroh: 130-150 €/t
Folie 27
© Fraunhofer UMSICHT
Beispiel 2: Pyrolyseölerzeugung vs. Strohverbrennung
Grenztransportentfernung
z.B. Pyrolyseöl-
kosten 150€/t
Stroh 100 €
Stroh 120 €
Stroh 80 €
Stroh 60 €
Stroh 140 €
-3,0
-2,0
-1,0
0,0
1,0
2,0
3,0
4,0
5,0
6,0
0 200 400 600 800 1000
spez
fisc
he
Ko
sten
dif
fere
nz
in c
t/kW
h
mittlere Transportstrecke in km
Strohkostenvarianz
Gewinnbereich
Verlustbereich
Großabnehmer – Wochenpreis Stroh: 130-150 €/t
Folie 28
© Fraunhofer UMSICHT
Beispiel 3– stoffliche Nutzung von Rapspresskuchen
• Proteingewinnung
• Extraktion weiterer Wertstoffe
(Phytinsäure, Sinapinsäure, etc.)
Fein-/Spezialchemikalien,
Kosmetika
• Entfernen antinutritiver
Bestandteile aus dem
Rapspresskuchen wie z.B. Sinapin
und Phytin
Futtermittel
• alkoholische Gärung von
Rapspresskuchen
• Konversion der Alkohole
Fuel oder stoffliche Nutzung
Proteine
R-COOH
Fasern 12%
Proteine 40%
Kohlen-hydrate
16%
Phytinsäure 6%
weitere Inhalts-stoffe 26%
D: 3,6 Mio. t Rapsöl pro Jahr*
mit ca. 50 – 53 % Ölanteil ergibt
sich daraus ein RPK-Menge von
ca. 3,2 – 3,6 Mio. t/a
* www.ble.de (für das Jahr 2012)
Folie 29
© Fraunhofer UMSICHT
Zusammenfassung
Chancen
an der optimalen Nutzung von biogenen Reststoffen für Wärme, Strom,
Treibstoffe und chemische Grundstoffe führt kein Weg vorbei
Herausforderungen
Hebung der Potenziale → Logistikketten erforderlich
Regionale/lokale Umsetzung von BtE-/Bioraffineriekonzepten
Bewertungskriterien berücksichtigen und gegenüber anderen
Nutzungsoptionen abgrenzen
Ansatz für den Cluster
Erarbeitung von geeigneten Bewertungsgrundlagen
Ausbau des Tools zur internen und ggf. später zur externen Nutzung
Folie 30
© Fraunhofer UMSICHT
FRAUNHOFER UMSICHT
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
Kontakt:
Fraunhofer UMSICHT
Osterfelder Straße 3
46047 Oberhausen
E-Mail: info@umsicht.fraunhofer.de
Internet: http://www.umsicht.fraunhofer.de
Dipl.-Ing. Josef Robert
Telefon: 0208-8598-1150
E-Mail: Josef Robert@umsicht.fraunhofer.de
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