Schl¨ usse f¨ ur die Auslegung des Prozesses

Um-Wärmebedarf Referenz [kJ/kgrohstof f]

Fleissner-Prozess 400 Fleissner (1926)

Mech.-therm. Entwässerung 250 Berger u. a. (1999)

Peat Beneciation 100 Hägglund (1960)

Tab. 2.1:Wärmebedarf von realisierten technischen Anlagen zur hydrothermalen Karbonisierung.

Energiemenge entspricht der zur Aufrechterhaltung des Prozesses erforderlichen Wärmemenge ohne anschließende Trocknung

setzung eines kontinuierlichen Prozesses zur hydrothermalen Karbonisierung nicht unterschätzt werden darf. Zwar gibt es für die meisten Problemstellungen wie z.

B. das Fördern inhomogener Feststoe gegen Druck auch technische Lösungen, jedoch bleibt fraglich, inwieweit diese eine wirtschaftliche Lösung darstellen. Hier spielen nicht nur die Investitionen, sondern vor allem auch erhöhte Wartungskosten eine wichtige Rolle. Es besteht demnach entscheidender Bedarf in der Prozessent-wicklung, bevor diese Technologie bewertet werden kann. Besonders kritisch ist auch die Einhaltung von emissionsrechtlichen Rahmenbedingungen für die Aufbereitung und Einleitung des Abwassers und ggf. entstehender Gase.

Nischenanwendungen für industrielle, organische Abfallströme, wie z. B. Klärschlamm und Biertreber, sind von dieser Einschätzung nur partiell betroen.

Temperatureinusses auf das Reaktionsnetzwerk, das Verhalten der unterschiedli-chen Biomassekomponenten und der Eigenschaften von Wasser lassen sich noch nicht zu einem umfassenden Bild zusammenfügen. Grundsätzlich beschleunigt eine hohe Temperatur den Vorgang, es müssen jedoch Abwägungen zu Kosten der erforderli-chen Druckbehälter und erhöhten Energieaufwendung getroen werden. Auÿerdem ist fraglich, ob im konkreten Fall eine hohe Karbonisierung überhaupt erforderlich ist und ob die damit einhergehende Aromatisierung der Substanzen gewünscht ist.

Eine erste Fraktionierung der Biomassekomponenten durch unterschiedliche Tem-peraturstufen, wie dies bei der Hydrothermolyse angewandt wird, ist für eine reine Karbonisierung von Biomasse vermutlich nicht von gesteigertem Nutzen.

Für hydrothermale Prozesse ist es grundsätzlich von Vorteil, die Menge des ein-gesetzten Wassers auf die für die Reaktion erforderliche zu begrenzen, da hierdurch Kosten für Pumpen und Wärmetauscher niedriger gehalten werden können und ab-solute Wärmeverluste während des Betriebs geringer ausfallen. Bei hydrothermaler Karbonisierung ist eine geringere Menge Wasser zusätzlich (zumindest theoretisch) von Vorteil, um damit die Wahrscheinlichkeit von Polykondensation so hoch wie möglich zu halten. Bisher wurde publiziert, dass die Bedeckung sämtlicher Biomas-se mit WasBiomas-ser eine Bedingung für hydrothermale Karbonisierung ist. DieBiomas-se Bedin-gung wurde durch hier dargestellte Versuche relativiert, so dass potenziell eine neue Bewertung des Verfahrens erfolgen kann. Hierfür sind jedoch noch umfangreiche Messungen erforderlich, die gezielt den Einuss der Wassermenge auf die Reakti-on untersuchen. Parallel erscheint jedoch auch eine mechanische Kompaktierung der Biomasse, z.B. durch eine Kolbenpresse oder eine verdichtende Schraube, eine vielversprechende Möglichkeit, um die erforderliche Wassermenge in der prozesstech-nischen Umsetzung zu verringern. Die dadurch realisierte Kompaktierung kann sich ebenfalls tendenziell positiv auf die Polyreaktionen auswirken. Gleichzeitig sollte versucht werden, Überschusswärme nicht durch indirekte Kühlung, sondern direkte Dampfentnahme abzuführen, sofern dies sicherheitstechnische Betrachtungen zulas-sen. Hierdurch könnte der Wassergehalt abermals gesenkt werden und mit dieser Aufkonzentrierung die Polyreaktionen gefördert werden. Es sollte jedoch beachtet werden, dass mit Fortschreiten der Reaktion die Schüttdichte des Produkts beein-usst wird sowie die Masse an Feststo deutlich abnimmt.

Ein wesentlicher Optimierungsparamter ist der absolut anfallende TOC-Verlust, da er sich in mehrfacher Hinsicht negativ auswirkt (geringere Ausbeute an HTC-Kohle, Belastung des Abwassers, chemische Verluste, verringerte Exothermie). Zur

Verrin-gerung der TOC-Verluste sollten hohe Verweilzeiten erreicht werden. Dies könnte einfach durch eine Rezirkulierung des Produktwassers erfolgen. Wird hierdurch ein zusätzliches Voranschreiten der Reaktion ermöglicht, steigt zusätzlich die Exother-mie. Durch diese Maÿnahme könnten auch gleichzeitig ggf. auftretende autokata-lytische Eekte genutzt werden. Hierbei muss jedoch beachtet werden, dass durch den erhöhten TOC-Gehalt der erste Schritt der Hydrolyse u. U. beeinusst wird, da die Lösung bereits näher am Reaktionsgleichgewicht liegt. Inwieweit sich dies in Verbindung mit den Eekten der verbesserten Polyreaktionen auswirkt, muss noch experimentell untersucht werden. Darüber hinaus ist davon auszugehen, dass durch die erhöhte Konzentration von Mineralien in der wässrigen Phase der Aschegehalt der entstehenden HTC-Kohle steigt.

Die Berücksichtigung des TOC-Anteils in der Massenbilanz ist grundsätzlich für die Auslegung des Prozesses unvermeidbar.

Es ist unklar, inwieweit eine Zerkleinerung des Materials von Vorteil ist. Zum einen wird hierdurch der Biomasseaufschluss und die Hydrolyse beschleunigt, da diese diusionskontrolliert sind. Zum anderen kondensieren Fragmente der Biopolymere innerhalb der Biomassematrix, wodurch ebenfalls Kohle entsteht. Es ist nicht be-kannt, ob hierdurch schneller eine HTC-Kohle erzeugt werden kann oder ob durch das Blockieren der Cellulose eine weitere Karbonisierung gehemmt wird. Es ist je-doch wahrscheinlich, dass hierdurch die chemische und physikalische Struktur der HTC-Kohle beeinusst wird.

Abschlieÿend sei anzumerken, dass sich hydrothermale Karbonisierung zwar prin-zipiell für jegliche panzliche Biomasse durchführen lässt, eine Abwägung von Auf-wand und Nutzen jedoch für eine technische Anwendung entscheidend ist. Bei be-reits inkohlten Substanzen oder Stoen, die einen hohen Kohlenstoanteil besitzen, ist der Eekt der hydrothermalen Karbonisierung weitaus geringer als bei z.B. Cel-lulose. Somit verschiebt sich der technische Nutzen dieses Prozesses auf die Seite der energetisch niederwertigen Biomassen und muss im Einzelfall auf die Tauglichkeit seiner Anwendung geprüft werden. Gleichzeitig ist keine Beschränkung gegeben, d.

h. Anteile von z.B. Holz würden den Prozess nicht negativ beeinussen (womit eine ggf. aufwändige Sortierung der Biomasse vereinfacht würde). Auch bei der Wahl des Grads der Inkohlung muss eine sorgfältige Abwägung zwischen den Anforderungen der geplanten Anwendung und dem dafür erforderlichen Anlagenaufwand (höhere Temperaturen, längere Verweilzeit) durchgeführt werden.

Eine Steigerung des Brennwertes bezieht sich selbstverständlich nur auf den

orga-nischen Teil der Biomasse. Somit ist naturgemäÿ der theoretisch erreichbare Brenn-wert der gesamten Biomasse stark vom Anteil anorganischer Stoe abhängig. Da-durch wird eine energetische Aufwertung der betrachteten Biomasse zusätzlich ein-geschränkt, das heiÿt, der Nutzen einer Karbonisierung von Biomasse mit hohem Ascheanteil ist gering. Dies muss zusätzlich bei einer Anwendung berücksichtigt wer-den. Potenziell bieten hydrothermale Verfahren zwar eine Möglichkeit zur Beeinus-sung dieses Parameters (Wild, 2006), hier ist jedoch noch grundlegende Forschung erforderlich.