Dissertations / Theses on the topic 'Biomasse-Nutzung'

This study examines the possibility of electricity production through gasification of agricultural residues in Sudan. The study begins in Chapter 1, by providing general contextual analysis of the energy situation (production and consumption patterns) in Sudan with specific focus on electricity. It proceeded to study the potential of Petroleum, Biomass and other renewable sources for electricity production. Dramatic increase in electricity production was found to be essential especially through decentralised power plants as the current electricity production services cover ~ 13 % of the population of Sudan. Biomass potential in Sudan justifies the use of agricultural residues as energy source; its potential was estimated by ~ 350000 TJ/a. Further, the urban centres of arid regions in western Sudan were identified as the target group for this study. In chapter 2, specific investigations for selected study area through field work using statistical tools such as questionnaires, interviews and field observation show that income is highly correlated to electricity consumption. The flat rate system did not result in higher consumption thus the assumption that this consumption will not drastically change in the next 10 years could be accepted. As orientation value for BGPP, 8000 tons of GN.S are available annually, the average electricity consumption is ~ 4 kWh/day/family while acceptable price could be 40 SDD/kWh (0.15 €). In chapter 3, literature review was carried to spot out the comparative merits of the gasification technology and the most optimum gasifying and electricity production system. As a result downdraft gasifier and ICE were suggested as suitable systems. In chapter 4, fuel properties and fuel properties of agricultural residues were studied, different samples were tested and the results were presented. The main conclusions derived were: fuel properties of agricultural residues are modifiable properties, so utlization planning is possible as for any other energy resource. In Sudan, Baggase, Groundnuts shells and Roselle stalks could be considered as possible fuels. The experimental work done in chapter 5 showed that GN.S could be gasified in down draft gasifiers, which are less costly and simpler to operate than circulating systems. Acceptable values of gas thermal properties (c.v.~ 4 MJ/Nm3, 30 % of burnable gases) at fairly continuing processes were obtained. In chapter 6, a concept for biomass power plant was drafted, the main components are: downdraft, air based gasifier connected to ICE, multi-stage gas cleaning system (cyclones, washer and filters) mechanical ash removal and semi closed water cycle. Main operation measures are: electricity is the sole product; working time is 150 day/year between mid Novembermid Mars. Environmental hazards of waste management e.g. flue gas emission and waste water management are the limiting factors. In the last part of chapter 6 an economic analysis was carried out. At a value of 3000 €/kW for the initial system and fuel price of 100000 €/year for ~6 GWh then a price of 0.23 €/kWh and a return period of 24 years could be obtained. The study concludes in chapter 7 that biomass gasification under the local conditions has its comparative merits however a high institutional support is needed at the beginning
Diese Studie untersucht die Möglichkeit der Elektrizitätsproduktion durch Vergasung von landwirtschaftlichen Abfällen im Sudan. Die Untersuchung beginnt im Kapitel 1 mit der Bereitstellung einer allgemeinen zusammenhängenden Analyse der Energiesituation (Produktions- und Verbrauchsmuster) im Sudan mit dem besonderen Fokus auf Elektrizität, gefolgt von einer Studie des Potentials von Petroleum, Biomasse und anderer erneuerbarer Quellen für die Produktion von Elektrizität. Eine starke Zunahme bei der Elektrizitätsproduktion wurde als nötig bewertet, da dezentrale Kraftwerke, als die gegenwärtigen Elektrizitätsproduktionsbetriebe, nur die Versorgung von 13 % der Bevölkerung im Sudan abdecken. Das geschätzte Potential der landwirtschaftlichen Abfälle liegt bei ca. 350.000 TJ/Jahre damit kommen sie als Energiequelle in Frage. Weiterhin wurden urbane Zentren der ariden Regionen in Westsudan als Zielgruppe für die Untersuchung ausgewählt. In Kapitel 2 werden detaillierte Untersuchungen für das ausgewählte Studiengebiet durch Feldstudien unter Verwendung von statistischen Werkzeugen, wie Fragebögen, Interviews und Felduntersuchungen dargestellt. Das Ergebnis zeigt, dass das Einkommen im höchsten Maße mit dem Elektrizitätsverbrauch korreliert ist. Das Flat rate System hatte keinen höheren Verbrauch zur Folge, folglich kann die Annahme akzeptiert werden, dass sich der Verbrauch in den nächsten 10 Jahren nicht drastisch ändern wird. Als Orientierungswert für Biomasse Kraftwerk: 8.000 t/Jahr Erdnussschalen sind verfügbar. Der durchschnittliche Elektrizitätsverbrauch beträgt ca. 4 kWh/Tag/Familie betrachtet für 10.000 Familien. Im Kapitel 3 wird eine Literaturrecherche für die Vergasungstechnologie durchgeführt, zum Vergleich ihrer Vorteile und zur Auswahl des optimalen Vergasungs- und Gasumwandlungssystems. Als Ergebnis wurden der Festbett-Gleichstrom-Vergaser und gas Motor als passende Systeme vorgeschlagen. In Kapitel 4 werden Brennstoff Eigenschaften von landwirtschaftlichen Abfällen untersucht, verschiedene Proben getestet und die Ergebnisse präsentiert. Die Hauptschlussfolgerung daraus ist: Brennstoff Eigenschaften von landwirtschaftlichen Abfällen sind veränderbare Eigenschaften, welche eine bessere Planung erlauben und somit ihre Verwendung favorisieren. Im Sudan können Bagasse, Erdnussschalen und Rosellenstiele als optimaler Brennstoff gelten. Die experimentelle Arbeit in Kapitel 5 zeigt, dass Erdnussschalen im 75 kW Festbett-Gleichstrom-Systemen vergast werden können, welche weniger kostenintensiv und einfach zu bedienen sind als zirkulierende Systeme. Akzeptable Werte der Gaseigenschaften (c.v. ca. 4 MJ/Nm³, 35 % von brennbaren Gasen) wurden in kontinuierlichen Prozessen erreicht. In Kapitel 6 wurde ein Konzept für Biomassekraftwerke entworfen. Deren Hauptkomponenten sind: Festbett-Gleichstrom-Vergaser in Verbindung mit ICE, mehrstufige Gasreinigungssysteme (Zyklone, Wäscher und Filter), mechanische Aschensysteme und ein teilweise geschlossener Wasserkreislauf. Hauptbetriebsmaßnahmen sind: Elektrizität als das einzige Produkt, die Arbeitszeit beträgt 150 Tage pro Jahr zwischen November und April. Umweltrisiken des Abfallmanagements z.B. Rauchgas und Abwassermanagement sind die limitierenden Faktoren. Im letzten Teil von Kapitel 6 wurde eine ökonomische Analyse durchgeführt. Ein Wert von 3000 €/kW für das Anfangssystem und ein Kraftstoffpreis von 100.000 €/Jahr für 6 GWh dann ein Preis von 0,23 €/kWh und eine Amortisationszeit von 24 Jahren können angenommen werden. Die Studie schlussfolgert, dass die Vergasung unter den Bedingungen des Studiengebietes ihre Vorteile hat, jedoch ist institutionelle Unterstützung am Anfang nötig

This study examines the possibility of electricity production through gasification of agricultural residues in Sudan. The study begins in Chapter 1, by providing general contextual analysis of the energy situation (production and consumption patterns) in Sudan with specific focus on electricity. It proceeded to study the potential of Petroleum, Biomass and other renewable sources for electricity production. Dramatic increase in electricity production was found to be essential especially through decentralised power plants as the current electricity production services cover ~ 13 % of the population of Sudan. Biomass potential in Sudan justifies the use of agricultural residues as energy source; its potential was estimated by ~ 350000 TJ/a. Further, the urban centres of arid regions in western Sudan were identified as the target group for this study. In chapter 2, specific investigations for selected study area through field work using statistical tools such as questionnaires, interviews and field observation show that income is highly correlated to electricity consumption. The flat rate system did not result in higher consumption thus the assumption that this consumption will not drastically change in the next 10 years could be accepted. As orientation value for BGPP, 8000 tons of GN.S are available annually, the average electricity consumption is ~ 4 kWh/day/family while acceptable price could be 40 SDD/kWh (0.15 €). In chapter 3, literature review was carried to spot out the comparative merits of the gasification technology and the most optimum gasifying and electricity production system. As a result downdraft gasifier and ICE were suggested as suitable systems. In chapter 4, fuel properties and fuel properties of agricultural residues were studied, different samples were tested and the results were presented. The main conclusions derived were: fuel properties of agricultural residues are modifiable properties, so utlization planning is possible as for any other energy resource. In Sudan, Baggase, Groundnuts shells and Roselle stalks could be considered as possible fuels. The experimental work done in chapter 5 showed that GN.S could be gasified in down draft gasifiers, which are less costly and simpler to operate than circulating systems. Acceptable values of gas thermal properties (c.v.~ 4 MJ/Nm3, 30 % of burnable gases) at fairly continuing processes were obtained. In chapter 6, a concept for biomass power plant was drafted, the main components are: downdraft, air based gasifier connected to ICE, multi-stage gas cleaning system (cyclones, washer and filters) mechanical ash removal and semi closed water cycle. Main operation measures are: electricity is the sole product; working time is 150 day/year between mid Novembermid Mars. Environmental hazards of waste management e.g. flue gas emission and waste water management are the limiting factors. In the last part of chapter 6 an economic analysis was carried out. At a value of 3000 €/kW for the initial system and fuel price of 100000 €/year for ~6 GWh then a price of 0.23 €/kWh and a return period of 24 years could be obtained. The study concludes in chapter 7 that biomass gasification under the local conditions has its comparative merits however a high institutional support is needed at the beginning.
Diese Studie untersucht die Möglichkeit der Elektrizitätsproduktion durch Vergasung von landwirtschaftlichen Abfällen im Sudan. Die Untersuchung beginnt im Kapitel 1 mit der Bereitstellung einer allgemeinen zusammenhängenden Analyse der Energiesituation (Produktions- und Verbrauchsmuster) im Sudan mit dem besonderen Fokus auf Elektrizität, gefolgt von einer Studie des Potentials von Petroleum, Biomasse und anderer erneuerbarer Quellen für die Produktion von Elektrizität. Eine starke Zunahme bei der Elektrizitätsproduktion wurde als nötig bewertet, da dezentrale Kraftwerke, als die gegenwärtigen Elektrizitätsproduktionsbetriebe, nur die Versorgung von 13 % der Bevölkerung im Sudan abdecken. Das geschätzte Potential der landwirtschaftlichen Abfälle liegt bei ca. 350.000 TJ/Jahre damit kommen sie als Energiequelle in Frage. Weiterhin wurden urbane Zentren der ariden Regionen in Westsudan als Zielgruppe für die Untersuchung ausgewählt. In Kapitel 2 werden detaillierte Untersuchungen für das ausgewählte Studiengebiet durch Feldstudien unter Verwendung von statistischen Werkzeugen, wie Fragebögen, Interviews und Felduntersuchungen dargestellt. Das Ergebnis zeigt, dass das Einkommen im höchsten Maße mit dem Elektrizitätsverbrauch korreliert ist. Das Flat rate System hatte keinen höheren Verbrauch zur Folge, folglich kann die Annahme akzeptiert werden, dass sich der Verbrauch in den nächsten 10 Jahren nicht drastisch ändern wird. Als Orientierungswert für Biomasse Kraftwerk: 8.000 t/Jahr Erdnussschalen sind verfügbar. Der durchschnittliche Elektrizitätsverbrauch beträgt ca. 4 kWh/Tag/Familie betrachtet für 10.000 Familien. Im Kapitel 3 wird eine Literaturrecherche für die Vergasungstechnologie durchgeführt, zum Vergleich ihrer Vorteile und zur Auswahl des optimalen Vergasungs- und Gasumwandlungssystems. Als Ergebnis wurden der Festbett-Gleichstrom-Vergaser und gas Motor als passende Systeme vorgeschlagen. In Kapitel 4 werden Brennstoff Eigenschaften von landwirtschaftlichen Abfällen untersucht, verschiedene Proben getestet und die Ergebnisse präsentiert. Die Hauptschlussfolgerung daraus ist: Brennstoff Eigenschaften von landwirtschaftlichen Abfällen sind veränderbare Eigenschaften, welche eine bessere Planung erlauben und somit ihre Verwendung favorisieren. Im Sudan können Bagasse, Erdnussschalen und Rosellenstiele als optimaler Brennstoff gelten. Die experimentelle Arbeit in Kapitel 5 zeigt, dass Erdnussschalen im 75 kW Festbett-Gleichstrom-Systemen vergast werden können, welche weniger kostenintensiv und einfach zu bedienen sind als zirkulierende Systeme. Akzeptable Werte der Gaseigenschaften (c.v. ca. 4 MJ/Nm³, 35 % von brennbaren Gasen) wurden in kontinuierlichen Prozessen erreicht. In Kapitel 6 wurde ein Konzept für Biomassekraftwerke entworfen. Deren Hauptkomponenten sind: Festbett-Gleichstrom-Vergaser in Verbindung mit ICE, mehrstufige Gasreinigungssysteme (Zyklone, Wäscher und Filter), mechanische Aschensysteme und ein teilweise geschlossener Wasserkreislauf. Hauptbetriebsmaßnahmen sind: Elektrizität als das einzige Produkt, die Arbeitszeit beträgt 150 Tage pro Jahr zwischen November und April. Umweltrisiken des Abfallmanagements z.B. Rauchgas und Abwassermanagement sind die limitierenden Faktoren. Im letzten Teil von Kapitel 6 wurde eine ökonomische Analyse durchgeführt. Ein Wert von 3000 €/kW für das Anfangssystem und ein Kraftstoffpreis von 100.000 €/Jahr für 6 GWh dann ein Preis von 0,23 €/kWh und eine Amortisationszeit von 24 Jahren können angenommen werden. Die Studie schlussfolgert, dass die Vergasung unter den Bedingungen des Studiengebietes ihre Vorteile hat, jedoch ist institutionelle Unterstützung am Anfang nötig.

Auf arsen- und schwermetallbelasteten Böden im Raum Freiberg/Sachsen erfolgten Kalkdüngungsversuche und der Anbau von Weiden und Pappeln zur energetischen Verwertung. Nach der Kalkung auf Acker- und Grünlandflächen nahm der pflanzenverfügbare Anteil an Cadmium und Blei im Oberboden ab, nicht jedoch bei Arsen. Obwohl der Boden des Grünlandes hoch mit Blei und Arsen belastet war, wurde der Futtermittelgrenzwert nur vereinzelt bei Arsen und teilweise bei Cadmium überschritten. Bei Cadmium wurden erst mit zunehmendem pH-Wert und damit sinkendem pflanzenverfügbaren Anteil an Cadmium die Grenzwerte eingehalten. Die Kurzumtriebsplantage mit Pappeln und Weiden erreichte sehr gute Erträge. Sie lagen nach drei Anbaujahren bei 6,3 t TM/ha*a und nach weiteren zwei Jahren bei 16 t TM/ha*a. Weiden nahmen im Vergleich zu Pappeln die dreifache Menge an Cadmium und Zink auf. Die Einlagerung erfolgt insbesondere in den Blättern. Die belasteten Brennstoffe wurden in Feuerungsanlagen energetisch verwertet, die Aschen analysiert. Die Vergasung von Miscanthuspellets in einer zirkulierenden Wirbelschicht erfolgte problemlos.

A growing interest in using forest biomass for bioenergy generation may stimulate intensive harvesting scenarios in Germany. We calculated and compared nutrient exports of conventional stem only (SO), whole tree without needles (WT excl. needles), and whole tree (WT) harvesting in two medium aged Norway spruce (Picea abies L. Karst.) and Scots pine (Pinus sylvestris L.) stands differing in productivity, and related them to soil nutrient pools and fluxes at the study sites. We established allometric biomass functions for each aboveground tree compartment and analyzed their nutrient contents. We analyzed soil nutrient stocks, estimated weathering rates, and obtained deposition and seepage data from nearby Level II stations. WT (excl. needles) and WT treatments cause nutrient losses 1.5 to 3.6 times higher than SO, while the biomass gain is only 1.18 to 1.25 in case of WT (excl. needles) and 1.28 to 1.30 in case of WT in the pine and spruce stand, respectively. Within the investigated 25-year period, WT harvesting would cause exports of N, K+, Ca2+, and Mg2+ of 6.6, 8.8, 5.4, and 0.8 kg·ha−1 in the pine stand and 13.9, 7.0, 10.6, and 1.8 kg·ha−1 in the spruce stand annually. The relative impact of WT and WT (excl. needles) on the nutrient balance is similar in the pine and spruce stands, despite differences in stand productivities, and thus the absolute amount of nutrients removed. In addition to the impact of intensive harvesting, both sites are characterized by high seepage losses of base cations, further impairing the nutrient budget. While intensive biomass extraction causes detrimental effects on many key soil ecological properties, our calculations may serve to implement measures to improve the nutrient balance in forested ecosystems.

Die Arbeit zeigt wichtige Nutzungswege von fester Biomasse in Form von Holzhackschnitzel (HHS). Einleitend wird das Potenzial und der derzeitige Stand dargestellt. Es werden die physikalischen und chemischen Eigenschaften mit dem Schwerpunkt Wassergehalt in bezug auf die energetische Nutzung der HHS behandelt. Kerne der Nutzungswege bilden dabei die Vergasung im Gleichstromvergaser und die Co-Verbrennung in der Zirkulierenden Wirbelschicht. Mit Hilfe eines Versuchsvergasers werden die Auswirkungen von HHS-Eigenschaften auf den Betrieb untersucht. Der Modellvergaser IGEL bietet durch seine Konstruktion die Möglichkeit, innere Vorgänge zu beleuchten und Messungen in verschiedenen Vergaserebenen durchzuführen. Die Auswirkungen von verschiedenen Brennstoffchargen mit unterschiedlichem Wassergehalt führten zu Änderungen in der Gaszusammensetzung. Eigene Untersuchungen ermittelten einen Grenzwassergehalt, mit dem der Vergaser noch betrieben werden kann. Die Experimente an der Pilotanlage mit zirkulierender atmosphärischer Wirbelschicht befass-ten sich mit der wichtigen Frage, ob und welches NOx-Minderungspotenzial beim Einsatz von Biomasse vorliegt. Die mathematische Modellierung verdeutlicht die Nutzbarkeit von Simulationsprogrammen bei der Untersuchung von Einflüssen der Co-Verbrennung auf die NOx-Bildung. Hier wurden die Gesichtspunkte der Luftzahl, der Luftstufung, des Wassergehaltes, das Mischungsverhältnis und die Brennstoffstufung betrachtet. Eine Wirtschaftlichkeitsbetrachtung führt zu dem Ergebnis, dass Anlagen zur reinen Stromerzeugung mit Biomasse nur nahe der gesetzlichen Höchstleistung von 20 MWel zur Einspeisevergütung von wirtschaftlich betrieben werden können. Die ökologisch und ökonomisch günstigste Variante stellt die Co-Verbrennung in vorhandenen Anlagen dar. Die Kalkulationen zu den in Deutschland benötigten 20-MWel-Anlagen verdeutlichen, dass bei den gegenwärtig geplanten Heizkraftwerken das Potenzial an HHS schnell aufgebraucht ist.

Zielstellung des Projektes Basisinformationen für eine nachhaltige Nutzung landwirtschaftlicher Reststoffe zur Bioenergiebereitstellung war die Analyse der Verfügbarkeit von Getreidestroh für die energetische Nutzung in Deutschland. Zur Ermittlung dieses Potenzials auf Landkreisebene wurden sowohl verschiedene Ansätze zur Berücksichtigung der, zum Ausgleich der Humusbilanz erforderlichen Strohmenge, als auch bereits vorhandene stoffliche Nutzungskonzepte berücksichtigt. Im Anschluss wurden mögliche Konversionstechnologien zur Nutzung des identifizierten Strohpotenzials für die Bioenergieproduktion hinsichtlich ihrer Kosten und Treibhausgasbilanz bewertet. Das nachhaltige Strohpotenzial Deutschlands beträgt in Abhängigkeit von der verwendeten Methode zur Humusbilanzierung zwischen 8 bis 13 Mio. tFM/a. Diese Zahlen entsprechen zwischen 27 bis 43 % der aufgewachsenen Getreidestrohmenge oder des so genannten theoretischen Strohpotenzials. In dieser Studie konnten sowohl Regionen mit hohen Strohüberschüssen als auch Landkreise, in denen sich aufgrund der Fruchtfolge die energetische Strohnutzung nicht eignet, eindeutig identifiziert werden. Für einige Regionen liefern die Bilanzierungen stabile und für andere Regionen variierende Ergebnisse. Alle Methoden zeigen, dass die größten Strohpotenziale bei allen drei verwendeten Methoden im Osten Schleswig-Holsteins und im Nordwesten Mecklenburg-Vorpommerns vorzufinden sind. Ebenfalls hohe Strohpotenziale sind im nördlichen Teil Nordrhein-Westfalens bis hinein ins angrenzende Niedersachsen vorhanden. Drastische Unterschiede zwischen den Methoden zeigen sich für weite Gebiete Sachsens und Sachsen-Anhalts. Nach beiden VDLUFA-Methoden werden dort hohe bis sehr hohe Potenziale ausgewiesen, wohingegen nach der dynamischen HE-Methode kaum bzw. kein Strohpotenzial vorhanden ist, da dieses zur Humusreproduktion notwendig ist. Aus technisch-ökonomischer Perspektive ist die Strohnutzung nur punktuell erprobt. Die ökonomische Analyse hat gezeigt, dass alle untersuchten Konzepte höhere Gestehungskosten als die konventionelle Bioenergiebereitstellung und die fossile Energiebereitstellung aufweisen. Unter anderem tragen die ermittelten Rohstoffbereitstellungskosten frei Anlage, die zwischen 63 und 92,5 €/t FM Stroh liegen, dazu bei, dass die Gesamtkosten höher ausfallen. Weiterhin spielen die Investitionskosten eine sehr große Rolle bei allen Konzepten. Die Gestehungskosten liegen zwischen ca. 9 und 15 ct/kWh für die betrachteten Wärmekonzepte, um 25 ct/kWh für die Strom/KWK-Konzepte und zwischen ca. 15 und 27 ct/kWh für die Kraftstoffe. Aus Sicht der Treibhausgasbilanzierung ergaben alle untersuchten Anwendungen vergleichsweise niedrige THG-Emissionen, die in einer Bandbreite zwischen ca. 8 und 40 gCO2-Äq./MJ liegen. Im Vergleich zu durchschnittlichen fossilen Referenzen können THG-Einsparungen in einem Bereich zwischen 52 und 126 gCO2-Äq./MJ erreicht werden, wobei die KWK-Konzepte das größte Potenzial zur Treibhausgaseinsparung aufweisen. Durch die Nutzung des nachhaltigen Strohpotenzials könnte in Deutschland eine jährliche Einsparung von bis zu 13,5 Mio. Tonnen CO2 erreicht werden.

Die Arbeit zeigt wichtige Nutzungswege von fester Biomasse in Form von Holzhackschnitzel (HHS). Einleitend wird das Potenzial und der derzeitige Stand dargestellt. Es werden die physikalischen und chemischen Eigenschaften mit dem Schwerpunkt Wassergehalt in bezug auf die energetische Nutzung der HHS behandelt. Kerne der Nutzungswege bilden dabei die Vergasung im Gleichstromvergaser und die Co-Verbrennung in der Zirkulierenden Wirbelschicht. Mit Hilfe eines Versuchsvergasers werden die Auswirkungen von HHS-Eigenschaften auf den Betrieb untersucht. Der Modellvergaser IGEL bietet durch seine Konstruktion die Möglichkeit, innere Vorgänge zu beleuchten und Messungen in verschiedenen Vergaserebenen durchzuführen. Die Auswirkungen von verschiedenen Brennstoffchargen mit unterschiedlichem Wassergehalt führten zu Änderungen in der Gaszusammensetzung. Eigene Untersuchungen ermittelten einen Grenzwassergehalt, mit dem der Vergaser noch betrieben werden kann. Die Experimente an der Pilotanlage mit zirkulierender atmosphärischer Wirbelschicht befass-ten sich mit der wichtigen Frage, ob und welches NOx-Minderungspotenzial beim Einsatz von Biomasse vorliegt. Die mathematische Modellierung verdeutlicht die Nutzbarkeit von Simulationsprogrammen bei der Untersuchung von Einflüssen der Co-Verbrennung auf die NOx-Bildung. Hier wurden die Gesichtspunkte der Luftzahl, der Luftstufung, des Wassergehaltes, das Mischungsverhältnis und die Brennstoffstufung betrachtet. Eine Wirtschaftlichkeitsbetrachtung führt zu dem Ergebnis, dass Anlagen zur reinen Stromerzeugung mit Biomasse nur nahe der gesetzlichen Höchstleistung von 20 MWel zur Einspeisevergütung von wirtschaftlich betrieben werden können. Die ökologisch und ökonomisch günstigste Variante stellt die Co-Verbrennung in vorhandenen Anlagen dar. Die Kalkulationen zu den in Deutschland benötigten 20-MWel-Anlagen verdeutlichen, dass bei den gegenwärtig geplanten Heizkraftwerken das Potenzial an HHS schnell aufgebraucht ist.

Zielstellung des Projektes Basisinformationen für eine nachhaltige Nutzung landwirtschaftlicher Reststoffe zur Bioenergiebereitstellung war die Analyse der Verfügbarkeit von Getreidestroh für die energetische Nutzung in Deutschland. Zur Ermittlung dieses Potenzials auf Landkreisebene wurden sowohl verschiedene Ansätze zur Berücksichtigung der, zum Ausgleich der Humusbilanz erforderlichen Strohmenge, als auch bereits vorhandene stoffliche Nutzungskonzepte berücksichtigt. Im Anschluss wurden mögliche Konversionstechnologien zur Nutzung des identifizierten Strohpotenzials für die Bioenergieproduktion hinsichtlich ihrer Kosten und Treibhausgasbilanz bewertet. Das nachhaltige Strohpotenzial Deutschlands beträgt in Abhängigkeit von der verwendeten Methode zur Humusbilanzierung zwischen 8 bis 13 Mio. tFM/a. Diese Zahlen entsprechen zwischen 27 bis 43 % der aufgewachsenen Getreidestrohmenge oder des so genannten theoretischen Strohpotenzials. In dieser Studie konnten sowohl Regionen mit hohen Strohüberschüssen als auch Landkreise, in denen sich aufgrund der Fruchtfolge die energetische Strohnutzung nicht eignet, eindeutig identifiziert werden. Für einige Regionen liefern die Bilanzierungen stabile und für andere Regionen variierende Ergebnisse. Alle Methoden zeigen, dass die größten Strohpotenziale bei allen drei verwendeten Methoden im Osten Schleswig-Holsteins und im Nordwesten Mecklenburg-Vorpommerns vorzufinden sind. Ebenfalls hohe Strohpotenziale sind im nördlichen Teil Nordrhein-Westfalens bis hinein ins angrenzende Niedersachsen vorhanden. Drastische Unterschiede zwischen den Methoden zeigen sich für weite Gebiete Sachsens und Sachsen-Anhalts. Nach beiden VDLUFA-Methoden werden dort hohe bis sehr hohe Potenziale ausgewiesen, wohingegen nach der dynamischen HE-Methode kaum bzw. kein Strohpotenzial vorhanden ist, da dieses zur Humusreproduktion notwendig ist. Aus technisch-ökonomischer Perspektive ist die Strohnutzung nur punktuell erprobt. Die ökonomische Analyse hat gezeigt, dass alle untersuchten Konzepte höhere Gestehungskosten als die konventionelle Bioenergiebereitstellung und die fossile Energiebereitstellung aufweisen. Unter anderem tragen die ermittelten Rohstoffbereitstellungskosten frei Anlage, die zwischen 63 und 92,5 €/t FM Stroh liegen, dazu bei, dass die Gesamtkosten höher ausfallen. Weiterhin spielen die Investitionskosten eine sehr große Rolle bei allen Konzepten. Die Gestehungskosten liegen zwischen ca. 9 und 15 ct/kWh für die betrachteten Wärmekonzepte, um 25 ct/kWh für die Strom/KWK-Konzepte und zwischen ca. 15 und 27 ct/kWh für die Kraftstoffe. Aus Sicht der Treibhausgasbilanzierung ergaben alle untersuchten Anwendungen vergleichsweise niedrige THG-Emissionen, die in einer Bandbreite zwischen ca. 8 und 40 gCO2-Äq./MJ liegen. Im Vergleich zu durchschnittlichen fossilen Referenzen können THG-Einsparungen in einem Bereich zwischen 52 und 126 gCO2-Äq./MJ erreicht werden, wobei die KWK-Konzepte das größte Potenzial zur Treibhausgaseinsparung aufweisen. Durch die Nutzung des nachhaltigen Strohpotenzials könnte in Deutschland eine jährliche Einsparung von bis zu 13,5 Mio. Tonnen CO2 erreicht werden.

A growing interest in using forest biomass for bioenergy generation may stimulate intensive harvesting scenarios in Germany. We calculated and compared nutrient exports of conventional stem only (SO), whole tree without needles (WT excl. needles), and whole tree (WT) harvesting in two medium aged Norway spruce (Picea abies L. Karst.) and Scots pine (Pinus sylvestris L.) stands differing in productivity, and related them to soil nutrient pools and fluxes at the study sites. We established allometric biomass functions for each aboveground tree compartment and analyzed their nutrient contents. We analyzed soil nutrient stocks, estimated weathering rates, and obtained deposition and seepage data from nearby Level II stations. WT (excl. needles) and WT treatments cause nutrient losses 1.5 to 3.6 times higher than SO, while the biomass gain is only 1.18 to 1.25 in case of WT (excl. needles) and 1.28 to 1.30 in case of WT in the pine and spruce stand, respectively. Within the investigated 25-year period, WT harvesting would cause exports of N, K+, Ca2+, and Mg2+ of 6.6, 8.8, 5.4, and 0.8 kg·ha−1 in the pine stand and 13.9, 7.0, 10.6, and 1.8 kg·ha−1 in the spruce stand annually. The relative impact of WT and WT (excl. needles) on the nutrient balance is similar in the pine and spruce stands, despite differences in stand productivities, and thus the absolute amount of nutrients removed. In addition to the impact of intensive harvesting, both sites are characterized by high seepage losses of base cations, further impairing the nutrient budget. While intensive biomass extraction causes detrimental effects on many key soil ecological properties, our calculations may serve to implement measures to improve the nutrient balance in forested ecosystems.

In der Arbeit wird das Verdichtungsverhalten von halm- und stengelförmiger Biomasse (Getreidestroh, Heu, Leinstroh) im Hochdruckbereich beschrieben mit dem Ziel der Herstellung eines Festbrennstoffes in Schüttgutform. Als Versuchseinrichtung wird eine Stempelpresse mit kreisförmigem Werkzeugquerschnitt genutzt. Das Halmgut wird unzerkleinert mit einem Feuchtegehalt von 12 16% unter Einwirkung von Drücken bis zu 250 MPa ohne Zugabe von Bindemitteln verpreßt. Es wird, abgeleitet aus den Versuchsergebnissen, eine neue Verdichtungsgleichung erstellt, die für das Verdichten von unzerkleinertem Halmgut (Feuchte bis 16%) im Hochdruckbereich gültig ist. Der Einfluß der jeweiligen Gutart wird in entsprechenden Konstanten berücksichtigt. Die Eigenschaften der hergestellten Briketts, wie u. a. Bindungsverhalten und Festigkeit, wurden untersucht. Zur Bestimmung der Abrieb- und Scherfestigkeit werden Testmethoden und -geräte angepaßt bzw. neu entwickelt. Die Ergebnisse der theoretischen und experimentellen Betrachtungen fließen in die Konzeption eines Brikettierverfahrens ein. Der Funktionsnachweis des Verfahrens wird durch den Bau und Test eines Prototypen erbracht.

Im Rahmen dieser Arbeit wurden Kohlenhydrate, welche in einem Umfang von ca. 150 Mrd. t/a von der Natur produziert werden, in nah- und überkritischen Fluiden thermisch bzw. thermisch/homogenkatalytisch in industriell relevante Zwischenprodukte wie 5-Hydroxymethylfurfural (HMF) und Milchsäure umgewandelt. Ein Verfahren zur Produktion von HMF ist von der Südzucker AG patentiert. Dieses findet jedoch gegenwärtig keine Anwendung. Das Patent beschreibt die säurekatalysierte Dehydratisierung von Fructose in Wasser in einem diskontinuierlichen Verfahren unter Normaldruck. Dabei wird über Ausbeuten von 55 % (mol/mol) berichtet. Höhere Ausbeuten um 90 % (mol/mol) werden in DMSO erreicht, die Produktisolierung wird allerdings als sehr aufwändig beschrieben. Ein neues kontinuierliches Verfahren zur Produktion von HMF wurde erarbeitet. Dieses beruht auf der säurekatalysierten Dehydratisierung von Fructose in heißem Aceton unter Druck (180 °C, 20 MPa) in einem Strömungsrohrreaktor. Dabei sind Ausbeuten bis 78 % (mol/mol) zu erreichen. Außerdem konnte gezeigt werden, dass Fructose in heißem Methanol unter Druck (240 °C, 20 MPa) über HMF als Zwischenprodukt zu 5-Methoxymethylfurfural (MMF) mit einer Ausbeute von ebenfalls 78 % (mol/mol) umgesetzt werden kann. Zur Begründung der Abhängigkeit der unterschiedlichen Ausbeuten von den verwendeten Lösungsmitteln wurde die Tautomerenverteilung von Fructose in Wasser, Aceton/Wasser-Mischungen, Methanol und DMSO ermittelt. Dabei zeigt sich, dass die erreichten Selektivitäten direkt proportional zur Konzentration der furanoiden Formen der Fructose sind. Die biotechnologische Herstellung von Milchsäure aus Glucose mittels Lactobakterien ist ein etabliertes Verfahren, die Weltjahresproduktion betrug im Jahre 2003 100.000 t. Bei dieser fermentativen Umsetzung werden Ausbeuten von 85-95 % (g/g) erreicht. Außerdem ist es möglich, enantiomerenreine Milchsäure zu erhalten. Ein großer Nachteil dieses Verfahrens ist jedoch, dass stöchiometrische Mengen Salz aufgrund der pH-Regulierung während des Prozesses als Abfallprodukt entstehen. Im Rahmen dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass durch den Zusatz katalytischer Mengen Zinksulfat in nah- und überkritischem Wasser Kohlenhydrate teils sehr selektiv zu Milchsäure umgesetzt werden können. Der Vorteil dieses Verfahrens ist, dass keine stöchiometrischen Mengen Salz anfallen und wesentlich höhere Raum/Zeit-Ausbeuten erreicht werden. Allerdings lässt sich mit diesem Prozess keine enantiomerenreine Milchsäure herstellen. Die Reaktion von Fructose bzw. Glucose zu Milchsäure stellt sich als ein komplexes Netzwerk aus Folge-, Parallel- und Gleichgewichtsreaktionen dar. Dieses Netzwerk wurde durch verschiedene chemische Modelle mathematisch abgebildet und an die experimentellen Daten angepasst (Simulation und Modelldiskriminierung). Dabei konnten Reaktionspfade identifiziert werden, welche allein durch Analyse der Reaktorausträge nicht nachweisbar waren. Die Wirkungsstelle des Katalysators im Reaktionsnetzwerk wurde identifiziert und ein Mechanismus dieser zinkkatalysierten Umsetzung postuliert.

Biomasse stellt einen CO2-neutralen und erneuerbaren, aber im Allgemeinen auch stark wasserhaltigen Brennstoff dar. Im Gegensatz zur konventionellen Verbrennung in der Gasphase stört bei einer Verbrennung der Biomasse in überkritischem Wasser die Brennstofffeuchtigkeit nicht, sie ist sogar das Reaktionsmedium. Diese Arbeit bildet die Basis für die Auslegung eines Prozesses zur Totaloxidation von Biomasse in überkritischem Wasser (supercritical water oxidation SCWO), indem sowohl das Verständnis der zugrunde liegenden chemischen Reaktionen als auch verfahrenstechnische Aspekte betrachtet wurden. In Experimenten wurde das Reaktionsverhalten von Biomasse-Modellsubstanzen in heißem Hochdruckwasser mit und ohne Sauerstoff bei verschiedenen Temperaturen (250 - 480 °C), Verweilzeiten (2 - 40 s), Drücken (24 - 35 MPa) und Konzentrationen (0,2 - 2 % (g g-1) organisches Edukt) untersucht. Dabei wurde Glucose als Modellsubstanz für cellulosehaltige Biomasse und die beiden Aminosäuren Glycin und Alanin als Modellsubstanzen für proteinhaltige Biomasse gewählt. Auf Basis der durchgeführten Experimente konnten Reaktionsnetzwerke formuliert, mögliche Mechanismen von einzelnen Reaktionsschritten diskutiert und globale Beschreibungen der Reaktionskinetik ermittelt werden. Insgesamt lässt sich feststellen, dass die organischen Edukte Glucose, Alanin und Glycin in heißem Hochdruckwasser im untersuchten Verweilzeitbereich schon bei unterkritischen Bedingungen (T < 374 °C) praktisch vollständig zu niedermolekularen Stoffen zerfallen. Viele dieser niedermolekularen Abbauprodukte sind relativ stabil und reagieren auch bei überkritischen Temperaturen nur langsam mit Sauerstoff. Eine vollständige Oxidation der Modellsubstanzen zu CO2, H2O und N2 konnte in überkritischem Wasser im untersuchten Temperatur- und Zeitfenster nicht erreicht werden. Zur vollständigen Verbrennung werden höhere Temperaturen oder deutlich längere Verweilzeiten benötigt. Als wichtiger Bestandteil eines SCWO-Prozesses zur Totaloxidation von Biomasse wurde der Eco-Wärmetauscher betrachtet. Hierbei waren gegenläufige Zielvorgaben zu berücksichtigen. Zum Beispiel sollte der Feed sollte zum einen energetisch effizient bzw. mit geringer Grädigkeit aufgeheizt werden, zum anderen sollte das Aufheizen möglichst schnell geschehen, damit Fouling durch die beim Aufheizen gebildeten polymeren Nebenprodukte (sogenannte Braunprodukte) vermieden wird. Um diese gegenläufigen Zielvorgaben umzusetzen, wurden für verschiedene Prozessdrücke und Wärmetauschergeometrien Simulationsrechnungen der Fluidströmung, des Wärmeübergangs und der hydrothermalen Reaktion von Glucose zu Braunprodukten vorgenommen. Des Weiteren wurde die Verfahrensmachbarkeit einer energetischen Nutzung von feuchter Biomasse durch Totaloxidation in überkritischem Wasser für vier verschiedene Prozessvarianten betrachtet. Eine Bilanzierung der energetischen Effizienz und Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen identifizierten eine Oxidation mit flüssigem Sauerstoff und Prozessdampferzeugung als geeignete Variante. Ein Vergleich mit den Entsorgungskosten von konventionellen Biomasse-Entsorgungsverfahren zeigt bei optimalen Rahmenbedingungen ein potenzielles Einsatzgebiet für Abfall-Biomasse mit 3 - 17 % (g g-1) organischer Substanz (Rest Wasser).

Fossil-bedingte CO2-Emissionen steigern den atmosphärischen CO2-Gehalt, da sie den über Millionen von Jahren gebundenen Kohlenstoff in einem sehr kurzen Zeitraum auf einmal freisetzen. Außerdem bewirken Bevölkerungswachstum und zunehmende Industrialisierung der Entwicklungsländer eine Verknappung der fossilen Ressourcen. Wenn die billigen Kohlenwasserstoffe aus fossilen Quellen zur Neige gehen und die Atmosphäre kein weiteres CO2 erträgt, ohne irreversiblen Schaden zu nehmen, bleibt nur die Möglichkeit den ständig durch Photosynthese neu gebildeten (freien) Kohlenstoff als alternative, nachwachsende Rohstoffquelle zu erschließen. Dazu ist es notwendig eine nach-fossile und nachhaltige Ära der Energie- und Materialversorgung zu organisieren und neue chemische Prozesse für Zwischenprodukte zu entwickeln. Im Rahmen dieser Arbeit wurden Polyole (Ethylenglykol, 1,4-Butandiol, 1,2 Butandiol, m-Erythritol, Glycerol sowie 1,2- und 1,3-Propandiol), die leicht aus Zuckern durch hydrogenolytische Spaltung gewonnen werden können, in nah- und überkritischem Wasser (SCW) dehydratisiert. Dabei stand im besonderen der Einfluss von Elektrolyten auf die Reaktionen im Mittelpunkt. SCW stellt auf Grund seiner besonderen physikalischen und chemischen Eigenschaften ein ideales Reaktionsmedium für protonenkatalysierte Dehydratisierungen dar, da es im Vergleich zu Standardbedingungen eine gesteigerte Eigendissoziation aufweist. Die Zugabe von Elektrolyten in SCW kann den Reaktionsablauf beeinflussen und zu höheren Produktausbeuten führen. Die bei der Dehydratisierung von Polyolen überwiegend entstehenden n-Aldehyde sind wichtige industrielle Zwischenprodukte. Es konnte gezeigt werden, dass sich für einzelne Polyole durch Verwendung zweiwertiger Übergangsmetallsulfate die n Aldehyd-Ausbeuten im wirtschaftlichen Bereich einer industriellen Nutzung bewegen. Aus kinetischen Untersuchungen ergab sich eine Absenkung der Polyol-Aktivierungsenergie durch Verwendung der Übergangsmetallsulfate. Die Reaktionen wurden durch Variation verschiedener Prozessparameter (Temperatur, Druck, Konzentration, Verweilzeit) optimiert. Ein Vorschlag für ein industrielles Verfahren wurde exemplarisch für die Dehydratisierung von Glycerol (das bei der Biodieselherstellung als Koppelprodukt anfällt) zu Acrolein erarbeitet. Dazu wurde die Massenbilanz gelöst und eine Herstellkostenrechnung durchgeführt. Auch wenn sich noch ein deutlich höherer Acrolein-Preis im Vergleich zum erdölbasierten Verfahren ergab, stellt der SCW-Prozess mit Übergangsmetallsulfaten mittelfristig eine ökologische und ökonomische Alternative dar.