Verwertung von organischer Substanz durch Hydrothermale Carbonisierung (HTC)

Verwertung von organischer Substanz
    durch Hydrothermale Carbonisierung (HTC)

 PV-Freianlagen              Energieversorgung              FWR Energie eG   Biogas   HTC

   Bürgersolarkraftwerke     Biomasse-Wärmeversorgung Bad
 Großbardorf GmbH & Co KG             Königshofen
                                    GmbH & Co KG

   Bürgersolarkraftwerke        Biomethan Rhön-Grabfeld
Rhön-Grabfeld GmbH & Co KG          GmbH & Co KG

                                                                                            1

Zauberkohle aus dem Dampfkochtopf
                      oder
   Die Visionen des Prof. Dr. Markus Antonietti

Die Alchemisten

                                                  2

HTC: Förderung

BMELV
Verbundvorhaben mit Karlsruher Institut für
Technologie (KIT)
   Hydrothermale Carbonisierung:
   Produktanalyse, technische Evaluierung,
   landwirtschaftliche Einsatzfelder

Landwirtschaftliche Rentenbank

 Netzwerk Forschung und Entwicklung

• R
  Ressortforschungsinstitute
         tf    h       i tit t d
                               des BMELV
• Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
• Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung Leipzig
  (UFZ)
• Fachhochschule Weihenstephan, Abt. Triesdorf
• Geplant: Universitäten in Bayreuth und Halle

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Hydrothermale Carbonisierung
                  Biomasse
      (Stroh, Endsubstrat Biogasanlage,
    Wirtschaftsdünger (z
                      (z.B. Gülle/Festmist),
                         B Gülle/Festmist)
           Klärschlamm, Bioabfall)

                   HTC-Anlage
                           g

      HTC-Biokohle in wässriger Lösung

Edukte aus der Landwirtschaft
Proben aus 200 Versuchen
•   Stroh
•   Mais- und Grassilage
•   Wirtschaftsdünger
•   Gärreste aus Biogasanlagen
•   Landschaftspflegematerial
•   Biertreber, Trauben-/Holunder-/Apfeltrester
•   Rübenhackschnitzel
•   Holzsägespäne, Hackschnitzel

                                                  4

Edukte aus der
  Abfall-/Abwasserwirtschaft

• Klärschlamm
• Braune Tonne
• Grüngutabfall

    Endlichkeit Düngemittel
                         Phosphat Peak

     (Quelle: www.energybulletin.net)

                                         5

Stichwort Klärschlamm
• Alternative zu konventioneller
  Abwasseraufbereitung
• Organische Gifte: werden gecrackt aber was
  entsteht aus den neu entstandenen Bauteilen
• Anorganische Gifte: leichtere Separierung (?)
• Alternative zur Technologiekombination aus
  Klä hl
  Klärschlammtrocknung,
               t k
  Monoverbrennungsanlage und
  Phosphorrückgewinnung aufgrund besserer
  Energie-, Nährstoff- und CO2-Bilanzen

Nutzung des Endsubstrates aus
       der HTC-Anlage
 Kohle
     Energetische Nutzung
     Industrierohstoff
     Bodenverbesserer/Kultursubstrat (z.B.
      Torfersatz) und CO2-Senke

 Wässrige Lösung
     Dünger

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Das Problem:
Endlichkeit fossiler Energieträger

          Quelle: Studien Bain & Company (aus ADAC Motorwelt 8/2010)

    Energetische Verwertung:
    dezentrale Produktion von
         HTC Biokohle
         HTC-Biokohle
 • Einfache Technologie ermöglicht dezentrale
   Produktion von HTC-Biokohle
 • Aufgrund höherer Energiedichte je Gewichts-
                                     Gewichts
   und Volumeneinheit Transport rentabel im
   Vergleich zu unbehandelter Biomasse

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Kombination mit Biogas
                      Biogas-Branchenzahlen
                                       2009         Prognose 2010
 Anlagenzahl
 A  l      hl
                                   ca. 5.000 (30)     5.800 (60)
 (davon Einspeiseanlagen)
 installierte elektrische
 Leistung in Megawatt                ca. 1.900          2.300
 (Annahme: 40 % Wirkungsgrad)
 thermische Leistung in Megawatt
                                     ca. 1.900          2.300
 (Annahme: 40 % Wirkungsgrad)
 Quelle: Fachverband Biogas
                        g e.V.

 Wärmenutzung: ca. 30 % der entstehenden Wärme

  Vergeudete Energie: ca. 1.600 MW der gesamten
       Wärmeenergie werden nicht genutzt!

                  Verwertung als
                 Industrierohstoff
• Immer gleiches Ausgangssubstrat führt bei
  unveränderten Prozessparametern (Druck,
  Temperatur, Verweildauer im Fermenter) zu
  gleichen Endsubstraten (= designte Biokohle)
• z.B.
    B Black
       Bl k CCarbon
                b (R  (Reifenindustrie,
                         if i d t i
  Kunststoffindustrie

                                                                    8

Verwertung als Bodenverbesserer:
      Steigerung der Nährstoff- und
          Wasserhaltefähigkeit
HTC-Biokohle nach Düngemittelrecht
• Kultursubstrat: Pflanzenerden, Mischungen
  auf der Grundlage von Torf und andere
  Substrate, die den Pflanzen als Wurzelraum
  dienen (§
          (§1 Düngemittelgesetz)
                  g       g     )
• Ergebnis unserer Versuche: HTC-Biokohle ist
  kein Bodenhilfsstoff, da Nährstoffgehalte die
  zulässigen Grenzen überschreiten
  (§4, Abs. 3 Düngemittel VO)

  Das Problem: Klimawandel

                                                  9

Die Lösung: CO2-
           Sequestrierung

 Mittels HTC wird Kohlenstoff aus Biomasse in stabilere
 Kohlenstoffverbindungen überführt. Allerdings wird die
 Veratmungszeit von HTC-Biokohle mit einer bis wenigen
 Dekaden weitaus geringer eingeschätzt als bei Biokohle
 aus Pyrolyseverfahren.

Kohlenstoffeffizienz im Vergleich
Methode                              C-Effizienz
Holzkohleherstellung durch
                                        50 %
Pyrolyse
Humuserzeugung durch
                                      5 – 10 %
Kompostierung
HTC                                     80 %

                                                          10

HTC-Potential Klimaschutz I:
        CO2-Sequestrierung

Stroh (Annahme 6 t/ha) von 1 ha LN nach
HTC bindet ca. 10 t CO2

         Potential Deutschland

Ausgangsdaten/Annahmen:
 usga gsda e /   a e
•   Getreideanbaufläche in Deutschland: ca. 7 Mio. ha
•   Erntemenge ca. 6 t Stroh/ha
•   Strohmenge in Deutschland pro Jahr: ca. 40 Mio. t
•   Annahme 20% für HTC

Mengenpotenzial:
    g p
8 Mio. t Stroh pro Jahr
Klimaschutzpotenzial:
14 Mio. t CO2-Bindung pro Jahr

                                                        11

Das Problem: Humusabbau
Entwicklung des organischen Kohlenstoffes in
bayerischen Böden in den letzten 20 Jahren
(Quelle: Bayerische Landesanstalt für Landwirtschaft)

          HTC-Potential Klimaschutz II:
  Steigerung der Ertragsfähigkeit (und damit des
 CO2-Bindevermögens) durch Bodenverbesserung

Eine Erhöhung des Humusanteils führt zur
Erhöhung des CO2-Sequestierungsvermögens des
Bodens.

(Quelle: TU – Weihenstephan, Freising)

                                                        12

Aber:

• Erste Versuche zeigen auf: positive
  Wirkung von HTC-Biokohle nur im
  Verbund mit weiteren Bodenverbesserern
  (z.B. Kompost), u.a. wegen Gefahr von
  Nährstofffixierung
    ä sto      eu g

           Das Problem: Torfabbau

1 ha lebendes Moor bindet jährlich 2,5 t CO2.

Mit dem Abbau von 4 t Weißtorf ist die
Freisetzung von 1 t CO2 verbunden.
(Quelle: Initiative Teufelsmoor)

                                                13

HTC-Potential Klimaschutz III:
     Ersatz klimaschädlicher
    Kultursubstrate ((z.B. Torf))

 Eigene Hochrechnung: aus 6 t Stroh werden
 über HTC-Verfahren 11,5 t HTC-Torfersatz
 (25 %TS
     %TS-Gehalt)
         G h lt) produziert.
                    d i t

    Zusammenfassung Klimaschutzpotenzial

   6 t Stroh
                ca. 10 t CO2

    HTC

  Ersatz von
   ca. 11,5 t
     Torf

Ein Hektar Ackerfläche kann so 10 t CO2 pro Jahr speichern.
 Zusätzlich CO2-Bindung durch lebendes Moor,
 Humusaufbau auf der Ackerfläche und Transporte

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Wirtschaftliches Potential
            CO2-Zertifikatehandel

• Weltmarktpreis: ca. 15 €/t CO2
• Bei 10 t/ha CO2-Einsparpotential:
  zusätzliche Wertschöpfung in der
  Landwirtschaft

     150 €/ha

         Die Alternative:
 Kohlenstoffsequestrierung (CCS)
                                 (carbon dioxide capture and storage)

 •    Kosten ca. 54 €/t CO2
      (Quelle: Wuppertal Institut für Klima, Umwelt, Energie GmbH – Geologische CO2-Speicherung, lt. IEA 50-100 US-Dollar/t, durch
      F+E bis 2030 25 – 50 US-Dollar)
 •    Subventionierung:
        – EU-Forschungsgelder: ca. 1,8 Mrd. €
        – 1 Mrd. € Darlehen der Europäischen Investitionsbank
        – Staatliche Umweltschutzbeihilfen
      (Quelle: Wikipedia)
 •    Quersubventionierung der Landwirtschaft/ländlichen Räume durch
      Energieversorger über die Dienstleistung CO2-Sequestrierung (kein
      K i l
      Kapitalexport d
                    durch
                        hdden Z
                              Zukauf
                                k f von V Verschmutzungszertifikaten)
                                               h             ifik   )
      Bei 10 t/ha CO2-Einsparpotential:
      540 €/ha zusätzliche Wertschöpfung in der Landwirtschaft

                                                                                                                                     15

Potenzial Klimaschutz IV
Grundlage:

• Emissionen Deutschland 2009: 760 MioMio. t CO2
• Reduktionsziel 40% bis 2020: max. 571 Mio. t CO2 pro Jahr
• Differenz: 189 Mio. t CO2
• 20% des jährlich erzeugten Strohs wird karbonisiert (1,4 Mio. ha)
• 13 t CO2/ha * 1,4 Mio. ha = 15,2 Mio. t CO2

     Anteil der mit HTC                                      8%
 eingesparten Emissionen                                     15,2 Mio. t CO2

an Gesamtreduktionsmenge:
                                    92 %
                          173,8 Mio. t CO2

    Landwirtschaft und die HTC

 • Nur in Verbindung mit Landwirtschaft entfaltet
   der Prozess der HTC sein ganzheitliches
   Potential.
 • Leitlinie: „Regionales Stoffstrommanagement“
    (Das Energie- und Stoffstrommanagement zielt auf die
    ökologische und ökonomische Beeinflussung von Stoff
                                                      Stoff- und
    Energieströmen. Hauptziele sind dabei die Ressourcen- bzw.
    Materialeffizienz und das Schaffen nachhaltiger Kreisläufe.)

                                                                               16

Agrarministergipfel Berlin 2010

Auszug aus den Schlussfolgerungen der Abschlusserklärung:

 „(...) 2. Erneuerbare Energien und Kohlenstoffspeicherung in Böden
fördern! Durch nachwachsende Rohstoffe und Speicherung organisch
gebundenen Kohlenstoffs in Böden kann die Landwirtschaft wirksam zum
Klimaschutz und zur nachhaltigen Energieversorgung beitragen. (…)
Innovative Projekte zur Anreicherung und Speicherung von Kohlenstoff in
Böden sollten gezielt gefördert werden. (…)“

                           mole 1

                        b.coal 2.0

                                                                          17

HTC Pilotanlage Mole I

     Kontinuierlicher Prozess

• Eintrag von Flüssigkeit und Feststoff in einen
  Druckraum
• Austrag von Flüssigkeit und Kohle aus
  Druckraum ohne Druckverlust
• Optimale Ausnutzung der exothermen
  Energie
• Sichere Prozessführung

                                                   18

Daten Mole I
    • 180 Liter Fassungsvolumen
    • Ca.
      Ca 2800 Betriebsstunden,
                Betriebsstunden davon ca  ca. 1000
      störungsfrei
    • Max. Betriebstemperatur 200 °C
    • Max. TS Gehalt ca. 13 %
    • Beispiele für bisher verkohlte Stoffe:
      - 7 t Rohschlamm aus Kläranlage
      - 3 t Gärreste
      - 2 t Maissilage

       Laborautoklave b.coal 2.0

• 230 °C max. BBetriebstemperatur
                  ti b t      t
• 55 bar max. Betriebsdruck
• 1,8 Liter Fassungsvermögen
• Prozessführungsparameter
  programmierbar
• Heizleistung 2,24 kW

                                                     19

Laborautoklave b.coal 2.0
• Protokollierung der
  P
  Prozessparametert imi 10 s T
                             Takt
                               kt
• Software zur grafischen Darstellung
  der Prozessdaten
• Ermittlung von Energiebilanzen
• Livechart über seriellen Anschluss
• Zusatzausstattung:
  -   Glaseinsatz
  -   Versuchstisch aus Edelstahl
  -   Speichermedien wie SD Card

               These:
      HTC wird sich durchsetzen.

                                        20

www.agrokraft.de   www.raiffeisen-energie-eg.de

                                                  21