Die Umstellung auf dezentral produzierte, erneuerbare Energieträger auf nachhaltiger Basis ist ein Prozess von langer Dauer. Auch Jahr 2008 ist noch über 90% der verbrauchten Energie fossilen und atomaren Energieträgern zuzuschreiben, obwohl die Bundesrepublik Deutschland in hohem Maße private Investitionen in Windkraft-, Photovoltaik- oder Biogasanlagen mit dem Erneuerbare-Energien-Gesetz und seiner Einspeisevergütungen fördert. Fakt ist, dass ein Verfahren allein die bisherigen Energieträger nicht zu 100% substituieren kann. Neue Verfahrenstechniken werden benötigt, die auf regenerative und in großer Zahl verfügbare Energieträger vor Ort zurückgreifen können, gleichzeitig kostengünstig und klimaschonend sind. Das von dem deutschen Chemiker Friedrich Bergius beschriebene Verfahren der Hydrothermalen Karbonisierung kann seinen Beitrag zur nachhaltigen Energieversorgung, dem Klimaschutz sowie Förderung von Beschäftigung und Wachstum leisten. Motivation dieser Arbeit ist es, den Stand der Technik zu ermitteln, die Wirtschaftlichkeit einer ausgewählten HTC-Anlage unter definierten Rahmenbedingungen zu betrachten und den Einstieg in die Realisierung für ein Unternehmen wie der Städtische Werke AG Kassel wissenschaftlich fundiert zu bereiten. Die Fragestellung ist demnach, ob das HTC-Verfahren die genannten Ziele erreichen kann, in welchem Zeitraum und zu welchen Kosten.

Textprobe: Kapitel 3.1. Stand der Technik von HTC-Anlagen: Eine Erweiterung des in den vorrangegangenen Kapiteln vermittelten Wissens in Bezug auf den Stand der Technik leistet dieses Kapitel. Abb. 11: Übersicht über die Anwendung des BImSchG Wie bereits erwähnt müssen HTC-Anlagen als wesentlichen Punkt neben einer optimierten Verfahrenstechnik und Wirtschaftlichkeit gesetzliche Rahmenbedingungen erfüllen. Umweltauflagen sind im Rahmen einer Genehmigung nach Bundesimmissionsschutzgesetz dann zu erfüllen, wenn die HTC-Anlage in besonderen Maße geeignet ist, schädliche Umwelteinwirkungen hervorzurufen oder in anderer Art und Weise die Allgemeinheit oder die Nachbarschaft zu gefährden […] […]. Das zentrale Element einer HTC-Anlage ist ein Autoklav, ein gasdicht verschließbarer Druckbehälter, wie er für die thermische Bearbeitung von Stoffen im Überdruckbereich eingesetzt wird. Abbildung 12 zeigt einen Reaktor im Technikumsmaßstab der Firma Hydro-Carb GmbH & Co. KG, der jedoch von der Bauart her im Wesentlichen auf industriellen Maßstab übertragen werden kann. Nach dem der Inputstoff einen Aufheizbehälter mit einer Temperatur von 180 °C oder mehr (vgl. Greve 2009, S. 38) durchlaufen hat, wandert er weiter in den Reaktor, wo eine exotherme Reaktion abläuft. Unter Hinzugabe eines Reaktionsbeschleunigers vollzieht sich der chemisch-thermische Inkohlungsprozess, wie in Kapitel 2.2 bereits beschrieben. Die Hersteller von HTC-Anlagen sagen übereinstimmend, dass der Inputstoff frei von Störstoffen wie Steinen oder Metall sein muss, die Korngröße nicht größer als 30mm betragen darf und der Stoff pumpfähig sein muss, um ihn in einem Leitungssystem transportieren zu können. Stoffe mit hohen Lignocellulosegehalten wie Holz können dem Prozess nur beigemengt werden (vgl. Buttmann i.V.m. TerraNova Energy GmbH 2010). Die Art des Reaktionsbeschleunigers hat hohen Einfluss auf die Durchlaufgeschwindigkeit, weshalb hier die Hersteller keine Angaben machen […]. Die Auswertung der Datenerfassungsbögen durch den Autor dieser Arbeit ergab, dass alle Hersteller HTC-Anlagen anbieten können, die mit einem kontinuierlichen Verfahren arbeiten. Es gilt der Grundsatz, dass nur solche Anlagen wirtschaftlich betrieben werden können, da diese ohne Unterbrechung Stoffe dem Reaktor zuführen und somit die Durchlaufmengen gesteigert werden können. Abbildung 23 veranschaulicht anhand eines Verfahrensbildes die Wertschöpfungskette einer HTC-Anlage. Zunächst bestimmt die Beschaffenheit des Inputstoffs, wie er der Anlage zugeführt werden kann. Daher die Unterscheidung zwischen den Biomassen a, b und c. A ist die Biomasse mit dem höchsten Lignocellulosegehalt, b die Biomasse mit einem ausgewogenen Verhältnis und Biomasse c mit dem geringsten. Beim Feuchtigkeitsgehalt verhält es sich umgekehrt. Die breiartige Biomasse c kann sofort der Aufbereitung zugeführt werden, bei der alle Biomassen auf einen definierten Wassergehalt gebracht werden. Die Biomassen a und c müssen zunächst auf eine vordefinierte Korngröße zerkleinert werden, wobei größere Mengen Reststoffe wie Erde und/oder mineralische Stoffe anfallen. Die Reinigung in der nächsten Stufe scheidet ebenfalls mineralische Stoffe ab. Der Kohleslurry als Outputstoff des Inkohlungsprozess im Reaktor wird einer Trennstufe zugeführt, bei der die flüssige von der festen Phase bis zu einem bestimmten Grad separiert wird. Auf die Behandlung und Verwendung der flüssigen Phase (Prozesswasser, Abwasser) wird in diesem Kapitel später eingegangen. Nach einer weiteren Filterstufe wird das feuchte Granulat, im Bild noch Substrat genannt, mechanisch getrocknet aber nur soweit, dass der Stoff im Anschluss noch konditioniert werden kann. Konditionierung bedeutet, das Granulat so aufzubereiten, wie es für eine Vermarktung des Produkts erforderlich ist. Kapitel 3.5 geht auf mögliche Vermarktungswege näher ein. Grundsätzlich muss das Granulat aber so aufbereitet werden, dass es portioniert, gewogen und transportiert werden kann. Die Problematik Prozesswasser/ Abwasser nach der Separation vom Kohlegranulat verdient einer besonderen Erwähnung. Einige der Unternehmen wie die HydroCarb GmbH & Co. KG sind der Auffassung, dass das Reaktionswasser als abbaubar bezeichnet werden kann (Altensen und Richarts i.V.m. HydroCarb GmbH & Co. KG 2008, S. 12). Die flüssige Phase hat nach der Carbonisierung hohe TOC und CSB-Gehalte, die in der Regel deutlich über 10.000 mg TOC/l und 15.000 mg O2/l für den CSB liegen (Ramke [2] und Lehmann 2009, S. 3), so die Ergebnisse von Ramke (2009). Daraus resultiert die Erkenntnis, dass das Prozess- bzw. Abwasser nicht unmittelbar einem Vorfluter zugeführt werden kann, sondern gereinigt werden muss um der AbwV zu entsprechen. Das Ziel der Abwasserreinigung ist der Einsatz von Mikroorganismen, um Inhaltsstoffe des Abwassers, die ein Gewässer (Vorfluter) negativ beeinflussen können, aus dem Abwasser zu entfernen oder in Stoffe zu überführen, die der Natur keinen oder nur geringen Schaden anrichten können (Wallmann [2] 2009, S. 159). Damit ist die Umsetzung des Kohlenstoffs, Stickstoffs und Phosphors aerob oder anaerob mit Bakterienkulturen gemeint, die auf Unterschiede bei pH-Werten oder den CSB-/ BSB-Werten reagieren. CSB ist der chemische Sauerstoffbedarf, BSB der biologischchemische Sauerstoffbedarf, welche Angaben über die Abbaubarkeit von organischen sowie nicht biotischen Stoffen in Gewässern machen. Der bisherige Stand der Technik u.a. mit Belebtschlammbecken oder Klein- bzw. Pflanzenkläranlagen in Abhängigkeit von der Höhe der Schmutzwasserfracht ist dazu ausreichend. Daher ist das HTC-Verfahren für Betreiber von städtischen Kläranlagen interessant, die ihre Klärschlämme mittels HTC veredeln können, gleichzeitig aber die Prozesswasserproblematik mit bestehenden Klärbecken lösen können. Aufgrund der hohen Organikfracht des Prozesswassers ist der Einsatz als Dünger theoretisch denkbar, muss aber, wie die das HTC-Produkt als Bodenverbesserer selbst, wissenschaftlich untersucht und validiert werden. Ramke (2010) führte dazu aerobe Abbautests sowie anaerobe Abbautests nach VDI-Richtlinie 4630 durch. Diese regelt die Vergärung organischer Stoffe, Substratcharakterisierung, Probenahme, Stoffdatenerhebung und Gärversuche (vgl. VDI 2006). Das in diesen Experimenten ermittelte Gaspotenzial der flüssigen Phase, welches bei einigen Substraten nicht unerheblich ist, scheint ein interessanter Nebeneffekt […] zu sein. Damit wird auch eine Verwertung der flüssigen Phase der HTC denkbar (Ramke [1] 2010, S. 154). Beim Inkohlungsprozess kommt es neben dem Prozesswasser zu einer Gasbildung. Ramke (2009) berichtet von einem spezifischen Gasvolumen bei Bioabfall als Inputstoff von 35–40 Normliter pro Kilogramm Trockensubstanz. Dieses Gas setzt sich zu 90% aus CO2, zu 2-4 % aus Kohlenwasserstoffen und zu geringen Gehalten aus Stickstoff zusammen (vgl. Ramke [3] 2009, S. 38). Tabelle 5 zeigt zusammenfassend die Anteile der Phasen in Abhängigkeit vom Inputstoff an. Alle in dieser Arbeit verwandten Werte wie beispielsweise in Tabelle 5 beruhen im Übrigen auf Laborversuchen. Tab. 5: Tendenzielle Verteilung der Kohlenstofffraktion in die HTC-Produktphase Die Übereinstimmungen zwischen Biogasanlagen und HTC-Anlagen in Bezug auf die Projektierung, Bau und Betrieb sind groß. Folgende Angaben präzisieren den Stand der Technik: HTC-Reaktoren und ihre Mess- und Regeltechnik haben den Platzbedarf von gängigen Schiffscontainern und können auch in solchen untergebracht werden. Die Anlagen sind modular aufgebaut, können also variiert werden. Diese Angaben gelten für eine Pilotanlage mit 300t Durchsatz Trockensubstanz pro Jahr (vgl. Buttmann i.V.m. TerraNova Energy GmbH 2010). Anlagen mit bis zu 36.000t Durchsatzmenge an Trockensubstanz p.a. können realisiert werden. Chemikalien- und Ersatzteillager, Büro- und Pausenräume für die Mitarbeiter der Anlage, Lagerfläche für den Inputstoff, Lagerfläche für den Outputstoff sowie alle anderen in Abbildung 23 gezeigten Prozessbestandteile sind bei der Dimensionierung der Fläche zu berücksichtigen […].

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