Thema

Im Forschungsvorhaben Bio2SNG soll das CoMBPres-Verfahren, ein innovatives Vergasungsverfahren zur thermochemischen Konversion biogener Rest- und Abfallstoffen zu Bio-SNG, weiterentwickelt und umfassend experimentell charakterisiert und validiert werden (SNG: Synthetic Natural Gas). Durch geschickte, prozessinterne Nutzung der freiwerdenden Methanisierungsenthalpie und Integration in die endotherme Vergasungsreaktion ist dabei ein um bis zu 20 % höherer Umwandlungswirkungsgrad gegenüber bisherigen Bio-SNG-Verfahren erreichbar.

Im Bio2SNG-Projekt sollen mittels eines einschlägigen Hochdruck-Versuchsstands umfassend Erkenntnisse zum innovativen CoMBPres-Verfahren gewonnen und Prozessbestandteile weiterentwickelt werden. Dies auch mit dem Ziel in einem folgenden Vorhaben den Aufbau einer Pilotanlage zu ermöglichen. Der Versuchsstand ist für eine umfassende Variation der Prozessparameter und -modi konzipiert. Es können Druckbereiche von bis zu 400 bar, Temperaturbereiche zwischen 600–900°C und Verweilzeiten von wenigen Sekunden bis mehreren Minuten untersucht werden. Der Vergasungsreaktor kann sowohl in Festbett- als auch Wirbelschichtbetrieb gefahren werden und ermöglicht die Untersuchung von Power-to-Gas über elektrische Energiezufuhr oder H₂-Zugabe. Unter dieser Parametervariation soll der innovative Prozess analysiert werden, insb. in Bezug auf Gasausbeute, Zusammensetzung und Umwandlungswirkungsgrad.

Durch die Entwicklung, Konstruktion, Fertigung, Analyse und Optimierung einer spezifischen Vorrichtung zur Hochdruck-Biomassedosierung bis hin zur Marktreife, sowie die Konzeptionierung von Produktgaswärmetauschern werden noch offene Punkte auf dem Weg hin zu einem ersten CoMBPres-Industrieprozess mit abgedeckt. Anhand einer Prozesssimulation werden die Versuchsergebnisse abgerundet und die Projektierung einer Pilotanlage ermöglicht.

Ziele

CoMBPres ist ein innovatives Vergasungsverfahren zur thermochemischen Konversion biogener Rest- und Abfallstoffen zu Bio-SNG (SNG: „Synthetic Natural Gas“; Erdgassubstitut, vorwiegend aus Methan bestehend). Durch sehr hohe Drücke und dadurch geschickte, prozessinterne Nutzung der freiwerdenden Methanisierungsenthalpie ist mit CoMBPres ein um bis zu 20% höherer Umwandlungswirkungsgrad gegenüber bisherigen Verfahren erreichbar.
Hauptgegenstand des Forschungsvorhabens ist die experimentelle Validierung bisheriger theoretischer Erkenntnisse zur CoMBPres-Vergasung unter realistischen Prozessbedingungen bei bis zu 400 bar und 900°C  (CoMBPres: „Combined Methanation and Biomass Gasification enabled through high Pressure”). Die Experimente werden mit der speziell für diese Hochdruck-Wasser-Vergasung trockener Biomasse entwickelten Hochdruckversuchsanlage durchgeführt.

Maßnahmen

IFK – Institut für Feuerungs- und Kraftwerkstechnik (der Universität Stuttgart)

• In der ersten Projektphase (AP1) soll der Hochdruck-Versuchsreaktor in Betrieb genommen werden, wobei hier schon erste drucklose Vergasungsversuche während der Inbetriebnahme stattfinden werden.
• In einem zweiten Arbeitspaket (AP2) folgt die experimentelle Charakterisierung der Hochdruckvergasung. Dabei werden verschiedenste Versuchsparameter abgedeckt, wie die Variation des Vergasungsdrucks bis 400 bar, die Vergasungstemperatur bis 900°C, die Biomassesorte, das Wasser-zu-Biomasse-Verhältnis, die Verweilzeit oder unterschiedliche Katalysatoren. Analysiert werden unter anderem die Gaszusammensetzung und -ausbeute, der Energiebedarf und Wärmestrombilanzen, Umwandlungswirkungsgrad, das Power-to-Gas Integrationspotenzial und Problemstoffe wie Teere, Partikel, Chlor- oder Schwefelverbindungen.
• Durch Prozesssimulationen (AP3) soll ein erweiterter Erkenntnisgewinn erreicht werden. Neben dem thermochemischen Gleichgewicht soll die Prozessmodellierung daher auch auf reaktionskinetische Ansätze beruhen, die aus den experimentellen Untersuchungen abzuleiten sind. Die Modellierung ist eine wichtige Grundlage zur Dimensionierung und Ausarbeitung einer Pilotanlage.
• In AP4 wird zusammen mit und vorwiegend durch Projektpartner KEMPE des Weiteren eine Hochdruck-Biomassefördereinrichtung entwickelt, gebaut und erprobt (AP4). Diese ist für einen späteren Industrieprozess zur Hochdruckvergasung nach dem CoMBPres-Ansatz erforderlich.
• In einem weiteren Arbeitspaket (AP5) werden Konzepte für einen Produktgaswärmeübertrager erarbeitet, um eine effiziente Wärmeintegration vom abzukühlenden Produktgas auf das zu superkritisch zu erhitzende Wasser zu gewährleisten.

KEMPE – Siegfried Kempe GmbH Apparate- und Maschinenbau

• In AP4 wird zusammen mit und vorwiegend durch Projektpartner KEMPE des Weiteren eine Hochdruck-Biomassefördereinrichtung entwickelt, gebaut und erprobt (AP4). Diese ist für einen späteren Industrieprozess zur Hochdruckvergasung nach dem CoMBPres-Ansatz erforderlich.

Schwerpunkte

IFK – Institut für Feuerungs- und Kraftwerkstechnik (der Universität Stuttgart)

Experimentelle Analyse der Hochdruckvergasung von trockner Biomasse bei bis zu 400 bar und 900°C.

KEMPE – Siegfried Kempe GmbH Apparate- und Maschinenbau

Entwicklung einer Biomassefördereinrichtung geben bis zu 400 bar.