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Seit einigen Jahren gewinnt in den Kreisen der Bioenergie der Begriff der Pyrolyse wieder an Popularität. Da auch ich einige Rückfragen und Anmerkungen zum Thema hatte, aber noch relativ wenig zu diesem Thema geschrieben habe, möchte ich es heute kurz vorstellen.

Warum gewinnt er „wieder“ an Aufmerksamkeit? Weil die Pyrolyse schon während des zweiten Weltkriegs zum Einsatz kam und damals hauptsächlich als Versuch gesehen wurde, von fossilen Kraftstoffen auf Erdölbasis unabhängig zu werden und Öl im größeren Maßstab im eigenen Land gewinnen zu können (Fischer-Tropsch-Synthese, Bergius-Pier-Prozess). Deutschland hat zwar ein paar eigene Ölquellen (Schleswig Holstein, Niedersachsen), aber für den folgenden Krieg waren diese Mengen zu wenig. Dieses dunkle Kapitel soll aber nicht Thema des Artikels sein, sondern das Verfahren selbst und der aktuelle Stand.

3 Wege zur Bioenergie

Ganz allgemein gibt es drei Möglichkeiten um Biomasse aufzuschließen und die gespeicherte Bioenergie freizusetzen. Auch wenn alle Verfahren natürlich den verschiedenen Ebenen der Naturgesetze unterliegen und nicht strikt getrennt werden können, würde ich die Verfahren nach ihren auslösenden Mechanismen jeweils der Chemie, der Biologie und der Physik zuordnen.

  1. Verbrennung: der chemische Umbau der organischen Bestandteile durch aerobe Oxidation, wodurch die gespeicherte Energie in Form von Wärme freigesetzt wird (CHEMISCH)
  2. Vergärung: der Prozess in Biogasanlagen,in denen unter Sauerstoffabschluss, aber mit Hilfe von Mikroorganismen ein „Verdauungsprodukt“ entsteht (BIOLOGISCH). Dieses ist das Methan, welches als Teil des Biogases sehr energiereich ist und verbrannt werden kann. Eine weitere Möglichkeit ist die alkoholische Gärung (mit Sauerstoff), bei der Ethanol (Bioethanol) entsteht.
  3. Pyrolyse: durch ein besonderes Verhältnis von Druck und hoher Temperatur (PHYSIKALISCH) wird in der Biomasse eine Art Strukturaufbruch mit anschließender Sublimation ausgelöst. Dadurch verwandelt sich die organische Substanz schlagartig in Gas und feste Reststoffe. Langkettige Kohlenwasserstoffe werden in kurzkettige zerlegt.

Alle drei Formen werden in den verschiedensten Abwandlungen angewandt und es gibt die bekannte Breite an Inputmaterialien, Stoffmengen und variierenden Prozessbedingungen. Die Pyrolyse ist meines Wissens noch nicht ganz klar definiert und sie unterliegt in vielen Bereichen noch der Forschungsarbeit. Viele physiko-chemische und verfahrenstechnische Rahmenbedingungen können leicht verändert werden und es entsteht dabei eine Palette an Produkten (Koks, Gas, Teeröl, Holzkohle –> Kohlenwasserstoffe in verschiedenen Aggregatzuständen).

Das Verfahren der Pyrolyse

Trotz der Schwierigkeiten das Verfahren in einen engen Rahmen zu pressen, kann jedoch nach dem Parameter der Temperatur die Niedertemperaturpyrolyse (500 – 700°C) und Hochtemperaturpyrolyse (über 700°C) voneinander unterschieden werden. Und abhängig vom Verfahrensaufbau unterscheidet man die Drehrohrpyrolyse von der Wirbelschichtpyrolyse.

Das Ziel des Verfahrens ist durch eine hohe Temperatur die langen Kohlenwasserstoffe der Biomasse in kürzere Aufzubrechen. Die Idee ist also ähnlich der des Crackens in Erdölraffinierien, jedoch weniger komplex im Aufbau. Die Biomasse wird dabei in einem entsprechenden Reaktor luftdicht verschlossen und anschließend von Außen Wärme zugeführt. Durch die anaerobe Situation wird das Verbrennen (chemische Veränderung) der organischen Bestandteile verhindert und es bleibt beim Aufbrechen der Verbindungen. Es gibt auch spezielle Verfahren bei denen die hohe Energie einer Verbrennung (mit Sauerstoff) genutzt wird, aber die zugelassene Sauerstoffmenge zu gering ist, um eine vollständige Verbrennung ablaufen zu lassen. Die Teilverbrennung wird als Wärmequelle genutzt. Durch die beschriebenen Verfahren entstehen die oben genannten Produkte der Kohlenwasserstoffe.

Die entstehenden heißen Abgase werden anschließend zur Energiegewinnung (z.B. mit Hilfe der Dampferzeugung) verwendet und die festen Rückstände können als hochwertige Kohlenstoffquellen (Aktivkohle –> Bodenverbesserung) genutzt oder zu Ölen weiterveredelt werden. Das Prinzip des Verfahrens ist in meinen Augen auch in technisch leicht abgewandelter Form (besonders hohe Drücke) unter dem Namen der Hydrothermalen Carbonisierung im Umlauf, aber da möchte ich mich nicht genau festlegen – vielleicht sind die Unterschiede doch größer als von mir angenommen.

Für welche Anwender ist die Pyrolyse interessant?

Die stattfindenden Prozesse und die verfahrenstechnische Seite der Pyrolyse oder Holzvergasung sind für viele neugierige Personen interessant. Immerhin geht es um ein Aufschluss- oder Umwandlungsverfahren für die sich am schnellsten regenerierenden Substanzen dieses Planeten – die  Biomasse (organische Substanz).

Für den eher praktisch versierten Privatanwender ist sie meines Wissens vor allem aus folgenden Gründen interessant.

  1. Reinigungsverfahren: So können mit Hilfe der hohen Temperaturen, die beim Pyrolyseverfahren auftreten, Backöfen gereinigt werden. Die Rückstände von Lebensmitteln im Backofen werden sublimiert und dadurch die  Reste in ein Gas und ein Pulverrest umgewandelt. Beides kann leichter entfernt werden, als die ursprünglichen verkrusteten Käseüberbleibsel. Das spart Zeit und Nerven, ist aber energieintensiv und sollte deshalb bewusst angewendet werden und nicht unbedingt als Routine nach jeder Pizza.
  2. Bioenergetische Anlagen mit Wärmeüberschuss: Ich könnte mir vorstellen, dass ein Kombination aus zwei bioenergetischen Verfahren sehr effektiv sein könnte. So können einige Biomassen (z.B. sehr wasserhaltige) direkt in eine Biogasanlage (1. Verfahren) zur Vergärung gegeben werden. Das entstehende Biogas wird in einem  Blockheizkraftwerk (BHKW) verstromt. Dabei entsteht auch ein großer Anteil (ca. die Hälfte) an Wärmeenergie, der nicht immer genutzt werden kann, weil die Anwendungsmöglichkeiten in dezentralen Regionen oft fehlen und Wärme nicht so verlustfrei transportiert werden kann wie Strom. Hier könnte nun eine Pyrolyse-Stufe (2.Verfahren) ansetzen und die Überschusswärme als eine Art Grundwärmelast für die Vergasung von schon relativ trockener Biomasse genutzt werden. Der Gesamtwirkungsgrad beider Anlagen kann durch diese spezielle Art eines Kombikraftwerks erhöht werden. Für sehr dezentrale Landwirte oder Gemeinden mit existierenden Biogasanlagen könnte sich ein solcher Upgrade eventuell rechnen. In der folgenden Übersicht habe ich diese Idee graphisch veranschaulicht.

Biogas Pyrolyse Kombination

Mit Hilfe von einem Sankey-Diagramm könnte es für jede individuelle Zusammenstellung extra ausgelegt und durchgerechnet werden.

Epilog

Im Zweiten Weltkrieg wurde das Verfahren nicht energieeffizient angewandt und es musste viel Energie investiert werden, um an die  wertvolle Ressource Öl für Kraftstoffe heranzukommen. Heute erlebt das Verfahren nach dem 2.Weltkrieg und den Ölkrisen einen weiteren Frühling, aber mit dem Anspruch auch bei der großtechnischen Herstellung eine bessere Energiebilanz aufzuweisen. Das Interesse hat sich also in der Zusammensetzung der entstehenden Produkte (Koks, Gas, Teeröl, Holzkohle) gewandelt und die Effizienzansprüche sind gestiegen. Das volle Potential des Prozesses muss noch erschlossen werden und bis zur Eingliederung in wirtschaftliche Prozesse werden vermutlich noch ein paar weitere Jahre Forschungsarbeit benötigt.