Hydrotermisk karbonatisering

Den hydrotermiske karboniseringen (HTC-prosessen, for eksempel: "vandig karbonisering ved forhøyet temperatur"), produktet også kjent som hydrokarbon , er en kjemisk prosess for enkel produksjon av erstatning av brunkull , syntesegass , flytende petroleumsforløpere og humus fra biomasse med frigjøring av energi og vann. Prosessen som teknisk imiterer lignittdannelsen (" kulldannelse ") som finner sted i naturen i 50.000 til 50 millioner år i løpet av få timer ble undersøkt av Friedrich Bergius og først beskrevet i 1913.

motivasjon

I prosessene som hittil er brukt for å konvertere biomasse til drivstoff, er karboneffektiviteten , dvs. H. andelen karbon opprinnelig inneholdt i biomassen, som senere er inneholdt i det brukbare sluttproduktet, er relativt lav: i alkoholgjæring er karboneffektiviteten 67%, ved anaerob omdannelse til biogass 50% og i kullproduksjon ved forkulling ca. 30% ; ved produksjon av humus gjennom kompostering er karboneffektiviteten bare 5 til 10%. Den ubrukte delen rømmer ut i atmosfæren som karbondioksid eller under gjæring som metan ; begge gassene anses å være skadelige for klimaet . I tillegg frigjør disse prosessene varme som ikke tidligere har blitt brukt.

Problemet med å produsere biodiesel fra oljeplanter er det faktum at bare energien i frukten kan brukes; Hvis hele planten derimot brukes til drivstoffproduksjon , kan du når du dyrker hurtigvoksende planter som pilved , poppel , kinesisk siv , hamp , siv eller skogved , øke energiutbyttet med en faktor på tre til fem med samme dyrkingsareal, samtidig som det reduserer energi og gjødsel. og bruk av ugressmiddel og muligheten for å bruke - for tidligere dyrking av energiavlinger - for dårlig jord. Den hydrotermiske karboniseringen gjør det mulig - i likhet med prosessen med biomasse til væske - å bruke nesten alt karbonet i biomassen til drivstoffproduksjon.

fremgangsmåte

I en trykkbeholder , biomasse , spesielt plantemateriale, (beskrevet i det følgende reaksjonsligning som sukker med formelen C ₆ H ₁₂ O ₆ ) oppvarmes sammen med vann til 180 ° C. Trykket øker til rundt 1 MPa (10 bar). Under reaksjonen dannes også oksoniumioner , som senker pH-verdien til pH 5 og under. Dette trinnet kan akselereres ved å tilsette en liten mengde sitronsyre . Det må bemerkes at ved lave pH-verdier overføres mer karbon til den vandige fasen. Reaksjonen som foregår er eksoterm ; H. energi frigjøres. Etter 12 timer, har karbonet i utgangsmaterialene fullstendig reagert, 90 til 99% av karbonet er i form av en vandig slam av porøse lignitt kuler (C ₆ H ₂ O) med porestørrelser mellom 8 og 20  nm som en fast fase, det resterende 1 til 10 % Karbon er enten oppløst i den vandige fasen eller har blitt omdannet til karbondioksid . Reaksjonsligningen for dannelse av brunkull er:

${\ displaystyle \ mathrm {C_ {6} H_ {12} O_ {6}} \ quad \ rightarrow \ quad \ mathrm {C_ {6} H_ {2} O} + \ mathrm {5 \ H_ {2} O \ qquad \ Delta H = -1.105 \ \ mathrm {kJ / mol}}}$

Reaksjonen kan avsluttes i flere trinn hvis eliminering av vann er ufullstendig, med forskjellige mellomprodukter oppnådd. Hvis prosessen avsluttes etter noen minutter, dannes flytende mellomprodukter, lipofile stoffer, som imidlertid er svært vanskelige å håndtere på grunn av deres høye reaktivitet. Deretter polymeriserer disse materialer og er dannet torfähnliche strukturer tilstede som mellomprodukter til ca. 8 timer.

Teoretisk sett kan reaksjonen katalyseres med visse metallpartikler , men disse vil bli tilsatt veldig raskt med produktene og miste funksjonen.

Effektivitet

Den eksoterme reaksjonen av den hydrotermiske karboniseringen frigjør omtrent 3/8 av brennverdien til biomassen i forhold til tørrstoffet (med høyt lignin, harpiks og / eller oljeinnhold fremdeles minst 1/4). Med dyktig prosesshåndtering kan det være mulig å bruke denne spillvarmen til å produsere tørr biokull fra våt biomasse og å bruke en del av den konverterte energien til å generere energi.

I den store implementeringen av den hydrotermiske karboniseringen av kloakkslam ble det demonstrert at rundt 20% av drivstoffenergiinnholdet i drivstoffenergiinnholdet er nødvendig for at prosessen skal levere varme for å produsere 90% helt tørket HTC kull. I tillegg er rundt 5% av det genererte energiinnholdet nødvendig for den elektriske driften av systemet. HTC-prosessen har vist seg å være spesielt fordelaktig at mekanisk avvanning kan oppnå et tørrstoffinnhold på mer enn 60% i råkullet, og dermed er energi- og utstyrsutgiftene for sluttørking av kullet lave sammenlignet med konvensjonelle tørkeprosesser for dette slammet.

Energibehovet til HTC er omtrent 20% av den elektriske energien og omtrent 70% av den termiske energien lavere enn fordøyelsen av avløpsslam med påfølgende tørking. Mengden produsert energi, som er tilgjengelig på HTC som lagringsbart kull, er også 10% høyere. Sammenlignet med konvensjonell termisk tørking av kloakkslam, sparer HTC 62% i strøm og 69% i termisk energi på grunn av betydelig lettere avvanning.

Bruk

En eksoterm prosess konstruksjon ville være fordelaktig hvor karboninnholdet forblir biologisk, kjemisk eller termisk kan omdannes uten ytterligere oksydasjon av den biomasse . Dette kan være for spesifikk reduksjon av CO ₂ - utslippsledning .

Ifølge Markus Antonietti er det viktigste poenget "... at du har en enkel metode i hånden for å konvertere atmosfærisk CO ₂ til en stabil og ufarlig lagringsform, en karbonvask, via omkjøringen av biomasse." Med prosessen med hydrotermisk karbonisering Som med andre metoder for koksing av biomasse, kan en stor mengde karbon lagres desentralt over hele verden. Med tilstrekkelig kjemisk stabilitet av kullet, kan det også brukes veldig bra for å forbedre jordsmonnet (se også Terra preta ).

Den kunstig produserte humusen kan brukes til å omgrønne eroderte områder. Den økte planteveksten på denne måten kunne binde ytterligere karbondioksid fra atmosfæren, slik at det til slutt kunne oppnås en karboneffektivitet større enn 1 eller en negativ CO ₂ -balanse. Det resulterende kullslammet kan brukes til forbrenning eller til drift av nye typer brenselceller med en effektivitet på 60%, slik det forskes på ved Harvard University . For å generere konvensjonelle drivstoff, må karbon-vann-blandingen oppvarmes mer intenst, slik at det dannes såkalt syntesegass , en gassblanding av karbonmonoksid og hydrogen :

${\ displaystyle \ mathrm {C_ {6} H_ {2} O} + \ mathrm {5 \ H_ {2} O} \ quad \ rightarrow \ quad \ mathrm {6 \ CO} + \ mathrm {6 \ H_ {2 }}}$

Denne syntesegassen kan brukes til å produsere bensin ved hjelp av Fischer-Tropsch-prosessen . Alternativt kan de flytende mellomprodukter som skyldes ufullstendig omdannelse av biomassen brukes til drivstoff- og plastproduksjon .

I tillegg kan det resulterende karbonslam briketteres og markedsføres som miljøvennlig - fordi det er karbondioksid-nøytralt - "naturlig kull", som sammenlignet med den opprinnelige biomassen, bør kunne tørkes ved hjelp av separasjon eller filtrering eller pressing med lavere energiinngang og på grunn av sitt høyere energiinnhold per volum eller masse forårsake mindre transportkostnader og krever mindre lagringsplass.

En fordel med hydrotermisk karbonisering er at bruken av plantebiomasse ikke er begrenset til planter med lavt fuktighetsinnhold, og energien som kan oppnås uten karbondioksidutslipp ikke reduseres med de nødvendige tørkingstiltakene, men kan brukes direkte til å tørke sluttproduktene om nødvendig. Så til og med tidligere knapt brukbart plantemateriale som utklipp fra hager og urbane grønne områder kan brukes til å generere energi, samtidig som man sparer karbondioksid, som ellers - sammen med den enda mer klimaskadelige metanen - kan produseres under bakteriekonvertering av biomassen.

De siste årene har hydrotermisk karbonisering også blitt brukt som fordøyelsesprosess for utvinning av fosfor fra kloakkslam, som er ment å øke utvinningsgraden betydelig.

Problemer

Det største problemet i produksjonen av syntesegass fra biomasse er dannelsen av tjære , noe som faktisk kunne unngås ved hydrotermisk prosessbehandling. Det kan imidlertid ikke sees hvorfor omveien via biokull skal tas. En biomasse oppslemming bør brytes ned til CO ₂ og H- ₂ under superkritiske betingelser ved 400 ° C og et trykk på minst 221,2 bar ( kritiske temperatur for vann er 374 ° C) , som imidlertid krever en stor mengde energi.

En passende prosesshåndtering samt problemer med innsamling, transport og lagring av biomasse er ikke avklart. Disse prosessene krever også energi; dette bør være mindre enn det som frigjøres ved hydrotermisk karbonisering.

En fordel fremfor tørre termiske prosesser for raffinering av biodrivstoff med lavt fuktighetsinnhold er ikke så lett gjenkjennelig. Allerede på slutten av 1800-tallet ble bare svakt pyrolysert kull, som fremdeles inneholder minst 4/5 av brennverdien av tre, forplantet for termiske prosesser.

Nåværende søknad går videre

I Relzow nær Anklam ( Mecklenburg-Vorpommern ) ble et hydrotermisk karbonatiseringsanlegg offisielt satt i drift i det lokale "Innovationspark Western Pomerania" i midten av november 2017. Ifølge det involverte selskapet representerer HTC-anlegget i Relzow et “nytt stadium innen hydrotermisk karbonisering” og er for tiden “verdens første industrianlegg som produserer såkalt biokull”. Sommeren 2016 ble et HTC-anlegg for prosessering av kloakkslam satt i drift i Jining (Kina), som ifølge produsenten har behandlet 14.000 tonn årlig til regenerativ kull for det lokale kraftverket.

Thomas Maschmeyer , professor i kjemi ved University of Sydney , jobber med en katalytisk hydrotermisk reaktor som omdanner plast til nye råvarer innen 20 minutter med lite energi. Et første industrianlegg skal bygges i Øst-Timor .

Se også

• Klimaproduksjon
• Svart jord
• Pyrogen karbon

weblenker

• Max Planck Society: Magisk kull fra trykkokeren på mpg.de, åpnet 22. januar 2017.
• Kjemiske reaksjoner under høyt trykk Foredrag av Friedrich Bergius i anledning tildeling av Nobelprisen i 1931, (PDF-fil; 838 kB), på nobelprize.org, åpnet 16. desember 2018.
• Drivstoff fra appelsiner på sueddeutsche.de, tilgjengelig 22. januar 2017.
• Ytterligere informasjon om AVA-HTC-reaktoren med en interessant diskusjon på ithaka-journal.net, tilgjengelig 22. januar 2017.
• Hydrotermisk karbonisering i TerraNova Ultra-prosessen Informasjon om TerraNova® Ultra-prosessen, som er basert på hydrotermisk karbonisering (HTC) av kloakkslam, tilgjengelig 6. mai 2019.
• Buttmann stinker på brandeins.de, åpnet 6. mai 2019

litteratur

• Tobias Helmut Freitag: Hydrotermisk karbonisering. Studentarbeid, Grin, 2011, ISBN 978-3-656-07822-7 .
• XJ Cui, M. Antonietti, SH Yu: Strukturelle effekter av jernoksid nanopartikler og jernioner på hydrotermisk karbonisering av stivelse og ris karbohydrater . I: Liten . teip 2 , nei. 6 , 2006, s. 756-759 , doi : 10.1002 / smll.200600047 . 
• SH Yu, XJ Cui, LL Li, K. Li, B. Yu, M. Antonietti, H. Colfen: Fra stivelse til metall / karbon hybrid nanostrukturer: Hydrotermisk metallkatalysert karbonisering . I: Avanserte materialer . teip 16 , nr. 18 , 2004, s. 1636-1640 , doi : 10.1002 / adma.200400522 . 

Individuelle bevis

1. ↑ Friedrich Carl Rudolf Bergius: Bruk av høyt trykk i kjemiske prosesser og reproduksjon av dannelsen av hardkull. W. Knapp, Halle aS 1913, OCLC 250146190 .
2. Brand Peter Brandt: "Hydrotermisk karbonisering": en bemerkelsesverdig mulighet for å minimere eller til og med unngå dannelse av CO ₂ ? I: J. Verbr. Lebensm. 4 (2009): s. 151-154, doi: 10.1007 / s00003-009-0472-7 .
3. B Marc Buttmann: Klimavennlig kull gjennom hydrotermisk karbonisering av biomasse . I: Chemical Engineer Technology . teip 83 , nr. 11 , 2011, s. 1890-1896 , doi : 10.1002 / sitere.201100126 . 
4. ↑ P. Jeitz, O. Deiss: Nye veier i kloakkslambehandling. I: Aqua & Gas. Nr. 4, 2012, s. 42-45.
5. ↑ T. Kläusli: Studie bekrefter fordelene med hydrotermisk karbonisering av kloakkslam. I: Søppel og søppel. Mars 2014.
6. Ias Tobias Wittmann: Raffinering av biomasse til drivstoff. ( Memento fra 11. september 2012 i nettarkivet archive.today ), I: Energy 2.0. Utgave 01/2011.
7. ^ Tysk fosforplattform eV: TerraNova® Ultra-prosess. I: www.deutsche-phosphor-plattform.de. Deutsche Phosphor Plattform eV, 1. mai 2018, åpnet 26. mars 2019 . 
8. ↑ Offisiell lansering av AVA HTC-planene i Relzow , ava-htc.com, 20. november 2017
9. ↑ Energirevolusjonen starter i Vest-Pommern , Nordkurier, 16. november 2017
10. ↑ Dorothee dos Santos: Positive midlertidige resultater for TerraNova Ultra-prosess for behandling av kloakkslam. I: EUWID New Energy News. 17. november 2017. Hentet 26. mars 2019 . 
11. ↑ ABC: Kjemisk gjenvinningsanlegg åpner i Øst-Timor , 17. mai 2019 , åpnet 17. mai 2019.
12. ↑ Brisbane Times: Øst-Timor i spissen for å fikse den globale gjenvinningskrisen , 17. mai 2019 , åpnet 17. mai 2019.
13. ^ University of Sydney: En ny plastgjenvinningsteknologi konverterer en forpliktelse til en eiendel , åpnet 17. mai 2019.