BioCharOpt

Angesichts des in jüngster Zeit deutlich gestiegenen öffentlichen Bewusstseins für den Klimawandel und seine Auswirkungen auf unser Leben sowie der Ziele des EU Green Deal werden zunehmend Maßnahmen zur Reduktion von Treibhausgasemissionen entwickelt und umgesetzt. Während der Wandel hin zu einer CO₂-freien Zukunft im Wärme- und Verkehrssektor bereits in vollem Gange ist, etwa durch den verstärkten Einsatz erneuerbarer Heizsysteme und der Elektromobilität, benötigt der Industriesektor noch geeignete technische Lösungen. Insbesondere für energieintensive Industrien in zahlreichen Branchen fehlen nach wie vor wirtschaftlich tragfähige Dekarbonisierungstechnologien.

Für diese Industrien wären die Abscheidung von Kohlenstoff aus Abgasen und dessen anschließende Speicherung (Carbon Capture and Storage, CCS) oder Nutzung (Carbon Capture and Utilisation, CCU) mögliche Optionen. Entsprechende Lösungen sind jedoch nur bei großtechnischen Anwendungen wirtschaftlich rentabel, und die meisten verfügbaren Technologien befinden sich noch in der Entwicklungs- beziehungsweise Demonstrationsphase. Die beste und interessanteste Option besteht darin, fossile Brennstoffe durch erneuerbare Alternativen zu ersetzen. Im vorliegenden Projekt sollen daher Pflanzenkohle und erneuerbares Gas in Form von Pyrolysegas anstelle von fossiler Kohle und Erdgas in industriellen Prozessen eingesetzt werden, insbesondere in der metallurgischen Industrie. Pflanzenkohle wird üblicherweise durch langsame Pyrolyse von Biomasse hergestellt. Zwar stehen hierfür bereits ausgereifte Technologien zur Verfügung, diese weisen jedoch Nachteile hinsichtlich der Qualität des Pyrolysegases und der Energieeffizienz auf, wodurch sie für industrielle Anwendungen wenig attraktiv sind.

Vor diesem Hintergrund zielt BioCharOpt auf die Entwicklung eines neuartigen Systems ab, das auf einem kontinuierlich betriebenen Gegenstrom-Biomassepyrolyseverfahren (Counter-Current Pyrolysis, CCP) basiert. Dieses wird direkt mit einer plasmatechnologischen Aufbereitung des Pyrolysegases (PG) gekoppelt, die mit einem neuartigen Hochtemperatur-Katalysator zur Teerreformierung (HT-TRC) kombiniert wird. Durch diesen Ansatz soll das Pyrolysegas, das etwa 50 % des mit dem Ausgangsmaterial zugeführten Heizwerts enthält, für den direkten Einsatz in Gasmotoren, Gasturbinen oder industriellen Gasbrennern geeignet gemacht werden. Ein Vorteil des CCP-Verfahrens besteht darin, dass es ein nahezu staubfreies Pyrolysegas erzeugt und dadurch neue Ansätze für die Teerreformierung ermöglicht. Mit dieser Technologie sollen hochwertige Pflanzenkohle, Wärme und Strom beziehungsweise erneuerbares Gas bei sehr geringen Schadstoffemissionen erzeugt werden. Zugleich soll ein Umwandlungswirkungsgrad des Ausgangsmaterials, bezogen auf den unteren Heizwert (NCV), von mehr als 90 % in vermarktbare Produkte erreicht werden. Dadurch wird das neue Konzept auch wirtschaftlich attraktiv. Als Ausgangsmaterial sollen reichlich verfügbare, minderwertige biogene Reststoffe eingesetzt werden, wodurch ein nachhaltiger Ansatz gewährleistet wird. Die neue Technologie soll für eine Pflanzenkohle-Produktionskapazität von bis zu 2.000 t pro Jahr entwickelt werden und eröffnet damit ein erhebliches Anwendungspotenzial in energieintensiven Industrien. Die erzeugte hochwertige Pflanzenkohle soll jedoch auch für weitere Anwendungen geeignet sein, beispielsweise als Bodenverbesserungsmittel oder als Zusatzstoff in der Futtermittelproduktion. In diesen Anwendungsbereichen ermöglicht sie eine erhebliche Bindung von Treibhausgasen und die Generierung von CO₂-Gutschriften. Somit ist eine breite Anwendbarkeit gegeben.

BioCharOpt soll einen wesentlichen Beitrag zur Erreichung der Ziele der Ausschreibung leisten, da die folgenden Aspekte zentrale Bestandteile des Projekts darstellen:

• Steigerung der Prozess- und Ressourceneffizienz
• Alternative Brennstoffe und Rohstoffe, biobasierte Ressourcen sowie Integration erneuerbarer Energien
• Alternative Materialien und energieeffiziente Prozesse

Projektverlauf

Die grundsätzliche Machbarkeit dieses Ansatzes wurde bereits in einem Vorgängerprojekt nachgewiesen. Dabei wurden jedoch auch relevante Schwachstellen sowie weiterer Forschungs- und Entwicklungsbedarf identifiziert, auf die sich das vorliegende Projekt konzentriert. Um die Qualität der Pflanzenkohle gezielt steuern und optimieren zu können, sollen Falschlufteinträge in den Reaktor minimiert und eine vollautomatische Regelung der Betthöhe entwickelt werden. Darüber hinaus soll ein Konzept für die gezielte Einspeisung von Wasserdampf in den Reaktor entwickelt werden, um den Wärmeübergang zu verbessern und dadurch den Materialdurchsatz zu erhöhen sowie die Qualität der Pflanzenkohle zu steigern.

Damit das Pyrolysegas in Gasmotoren oder industriellen Gasbrennern eingesetzt werden kann, müssen die darin enthaltenen Teere reformiert werden. Zu diesem Zweck zielt das Projekt auf die Entwicklung eines neuen Konzepts ab, das auf einer Kombination aus thermischer und katalytischer Teerreformierung basiert. Erstmals soll bei der Biomassepyrolyse ein thermisches Plasma zur Beheizung der Gasumwandlungszone eingesetzt werden. Diese direkte Beheizung ermöglicht einen sehr guten Wärmeübergang und bringt zugleich O-, H- und OH-Radikale ein, welche die Teerreformierung beschleunigen. Im Vergleich zu einer indirekten Beheizung wird außerdem die Komplexität des Systems deutlich reduziert. Für die anschließende katalytische Teerumwandlung soll ein neuer, für diese Anwendung optimierter Hochtemperaturkatalysator entwickelt werden. Damit soll ein Teergehalt von weniger als 100 mg/Nm³ erreicht werden, was einer gesamten Teerreduktion von 99 % entspricht.

Das Projekt stützt sich auf CFD- und Prozesssimulationen zur Entwicklung der neuen Komponenten, auf Laborreaktorversuche zur Katalysatorentwicklung sowie auf die Entwicklung, Auslegung und Errichtung einer Versuchsanlage zur experimentellen Validierung und schrittweisen Verbesserung der Anlagentechnologie. Begleitende wirtschaftliche Bewertungen und Risikoanalysen sollen die Entwicklung einer wirtschaftlich attraktiven Lösung unterstützen. Am Ende des Projekts sollen eine experimentell validierte Technologie sowie Anlagenkonzepte für industrielle Anlagen mit einer Pflanzenkohle-Produktionskapazität von 1.000 beziehungsweise 2.000 t pro Jahr vorliegen. Diese sollen die Grundlage für ein anschließendes Demonstrationsprojekt bilden.

(erwartete) Ergebnisse

Bis zum Ende des Projekts sollen ein kontinuierlich betriebenes, vollautomatisiertes Gegenstrom-Biomassepyrolyseverfahren sowie die direkt gekoppelte Aufbereitung des Pyrolysegases auf Basis von Plasmatechnologie in Kombination mit einem neuartigen Hochtemperatur-Katalysator zur Teerreformierung entwickelt und erfolgreich validiert werden. Der Kohlenstoffgehalt der Pflanzenkohle soll auf Trockenbasis 85 % betragen. Der angestrebte Teergehalt des Pyrolysegases soll bei einem nahezu staubfreien Gas unter 100 mg/Nm³ liegen, während für den Gesamtprozess ein Wirkungsgrad von über 90 % erreicht werden soll. Zum Projektende wird ein Technology Readiness Level von TRL 5 erwartet.