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Pyrolyse von Gärresten

Reaktor verwertet Kunststoffabfälle in Vergärungsanlagen

Das Institut Fraunhofer Umsicht in Sulzbach-Rosenberg testet ein neues Konzept, um die Wertschöpfung bei der Verwertung von Gärresten zu verbessern. Das neue Verfahren basiert auf der Pyrolyse.

In Deutschland gibt es derzeit rund 100 Bioabfallvergärungsanlagen, aber es in einigen Jahren könnten es schon viel mehr sein. Denn mit der Pflicht zur getrennten Erfassung von Bioabfällen ab dem Jahr 2015 dürfte sich das Aufkommen an Bioabfällen um 2 bis 4 Millionen Tonnen erhöhen, schätzen Experten. Dann würde sich das Gesamtaufkommen auf 6 bis 8 Millionen Tonnen belaufen – die Zahl der Vergärungsanlagen könnte dann auf über 300 steigen.

In der Folge dürfte auch die Verwertung von Gärresten auf landwirtschaftlichen Flächen zunehmen. Derzeit fallen in Deutschland rund 1,3 Millionen Tonnen an, erklärt Andreas Hornung, wissenschaftlicher Leiter des Fraunhofer Umsicht-Instituts in Sulzbach-Rosenberg. Weil Gärreste in großem Stil Mineraldünger ersetzen können, ist ihr Nutzen für die Landwirtschaft relativ hoch. Der Nachteil jedoch ist, dass Gärreste bei der Ausbringung Ammoniak, Lachgas und Methan freisetzen, was wiederum dem Klima zusetzt.

Um Gärreste und Komposte zu veredeln, bietet sich die Erzeugung von Biokohle an. Die Biokohle könne als Wasser- und Nährstoffdepot genutzt werden und somit die „Nährstoffnutzungseffizienz“ erhöhen, erläutert Hornung. Für die Erzeugung stünden derzeit hydrothermale und pyrolytische Prozesse zur Verfügung. Während die Hydrothermale Carbonisierung (HTC) sich für die Behandlung von nasser, schwer abbaubarer Biomasse eignet, werden bei den pyrolytischen Verfahren die Gärreste zunächst entwässert, getrocknet und schließlich der Pyrolyse zugeführt.

Weitere Optionen zur Wertschöpfung

Was das Verfahren generell attraktiv macht, sind die hohen Markterlöse, die für Biokohle erzielt werden können. Ein in Österreich realisiertes Konzept erlöse 450 Euro pro Tonne Biokohle, berichtet Hornung. Doch dem stünden hohe Produktionskosten entgegen, so dass das Konzept nur tragfähig sei, wenn für die Stoffströme Annahmeerlöse erzielt werden können.

Das Fraunhofer Umsicht-Institut in Sulzbach-Rosenberg arbeitet deshalb an der Realisierung eines auf Pyrolyse basierenden Konzeptes, das neben der Erzeugung der Biokohle weitergehende energetische Wertschöpfungsoptionen ermöglicht und bestehende Bioabfallvergärungsanlagen in idealer Weise ergänzen kann, erklärt Hornung. Das Verfahren basiert auf dem Prinzip der sogenannten Intermediate Pyrolysis, bei dem die Gärreste bei Temperaturen von 450 bis 500 °C in einem Koaxialschneckenreaktor unter Luftabschluss erhitzt und zu Pyrolysekoks, -gas und -öl umgewandelt werden. Das entstehende Produktgas hat den Angaben zufolge eine deutlich reduzierte Fracht an Partikeln und Teeren und kann durch ein kostenminimiertes Gasaufbereitungsverfahren motorisch genutzt werden.

Die erzeugte Flüssigphase setzt sich zusammen aus einem mit Biodiesel mischbaren Öl und einer wässrigen Fraktion, die mit geringem verfahrenstechnischem Aufwand separiert werden kann. Ein modifizierter Zündstrahlmotor der Firma Cummins lief mit dem Pyrolyseöl und -gas im Mischbetrieb mit Biodiesel bereits über eine Periode von 500 Stunden wartungsfrei.

Lagerfähiger Treibstoff mit höherem Energiegehalt

Eine besonders für Bioabfallvergärungsanlagen sinnvolle Erweiterung des Verfahrens sieht Hornung im so genannten BAF (Biomass Activated Fuel) -Reaktor, weil hiermit auch die in den Anlagen anfallenden Kunststoffabfälle verwertet werden könnten. Die flüchtige Phase aus dem Pyrolyse- und Reforming-Prozess wird dabei nicht direkt auf den Motor, sondern zunächst in den BAF-Reaktor eingeleitet. Das dabei entstehende Produktgas wird über zwei Kühlstufen in einen Treibstoff- und einen Wasser-Anteil kondensiert. Das verbleibende Gas wird abschließend in einem elektrostatischen Abscheider gereinigt und direkt in einem Blockheizkraftwerk in elektrische Energie gewandelt.

Das BAF-Verfahren bietet gegenüber der reinen Pyrolyse mehrere Vorteile, erklärt Hornung. Zum einem erfährt das Pyrolysegas durch die Einbringung in ein Öl grundsätzlich eine Reinigung. Zum anderen reagiert das Gas außerdem mit dem Öl und crackt dieses in wesentlich niedrigeren Temperaturbereichen, als dies ohne Pyrolysegas möglich wäre.

Durch diese Reaktion bildet sich somit ein stabilerer, lagerfähiger Treibstoff mit einem deutlich höheren Energiegehalt im Vergleich zum reinen Pyrolyseöl. Je nach verwendetem Einsatzstoff im BAF-Reaktor und genutzter Temperatur kann im BAF-Prozess wahlweise mehr Gas oder Treibstoff erzeugt werden. Die Einsatzstoffe für den BAF-Reaktor reichen hierbei von Plastikabfällen (PE/PP) über Ölrückstande bis hin zu Bioölen. Mit der BAF-Technologie könnten somit auch Pyrolyseöle ohne großen Aufwand soweit aufgewertet werden, dass sie zur dezentralen Energieerzeugung direkt in Blockheizkraftwerken nutzbar werden.

Auch für Kunststoffabfälle geeignet

Darüber hinaus werden die Öle lagerbar und könnten somit auch zur dezentralen Energieerzeugung in Spitzenlastzeiten verwendet werden, erklärt der Wissenschaftler. Für den speziellen Fall von Bioabfallvergärungsanlagen liege der besondere Charme des Verfahrens in der Möglichkeit, die in den Bioabfallchargen enthaltenen Kunststoffabfälle,  die bislang gegen Zuzahlung  einer  thermischen  Verwertung zugeführt werden, im BAF-Reaktor zu einem verstromungsfähigen Gas umzusetzen.

Die beschriebene Verfahrenskombination wurde bereits am Standort der Harper Adams University (UK) in Betrieb genommen. Die dort realisierte Anlage weist eine Durchsatzleistung von 100 kg/h auf. Im Rahmen des Interreg IVb Projektes Bioenergy Nord West Europe (BioenNW) wurde das beschriebene Verfahrenskonzept in einer Forschungskooperation unter Beteiligung der Länder Belgien, Frankreich, Italien, Holland und Großbritannien im Demonstrationsmaßstab umgesetzt. Insbesondere die Kombination aus Pyrolyse und Anaerobtechnik ist Gegenstand des Forschungsverbundes und soll in den beteiligten Ländern umgesetzt werden.

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