EnCat Enhanced catalytic fast pyrolysis of biomass for maximum production of high-quality biofuels

Projektverlauf

In den ersten beiden Projektjahren stand die Durchführung von Grundlagenuntersuchungen zur Biomassevorbehandlung und zur katalytischen Pyrolyse im Vordergrund. Dabei wurde von BIOS eine Methode zur Biomassevorbehandlung basierend auf Extraktion mit der leichten (wasserreichen) Fraktion des Pyrolyseöls sowie mit reinem Wasser entwickelt. Durch diese Maßnahmen sollten die Gehalte an Alkali- und Erdalkalimetallen in der Biomasse reduziert und dadurch die Eignung des Einsatzmaterials für die Pyrolyse verbessert werden. Es wurden systematische Extraktionstests im Labormaßstab bei unterschiedlichen Temperaturen, Verweilzeiten, Säuregehalten und Brennstoff-Extraktionsmittel-Verhältnissen durchgeführt. Ein auf den Ergebnissen der Labortests aufbauender großtechnischer Prozess wurde entwickelt und in der zweiten Projekthälfte hinsichtlich technischer, ökonomischer und ökologischer Aspekte optimiert.
Neue Ansätze hinsichtlich der katalytischen Pyrolyse von Biomasse wurden in Form von Labortests bei den Partnern Universität Twente und KTH untersucht und darauf aufbauend Konzepte für großtechnische Prozesse erarbeitet.
In Kooperation der Partner OPRA, Universität Twente und BIOS wurde mittels CFD-Simulationen eine mit Pyrolyseöl betriebene Gasturbine weiterentwickelt. Die Hauptaufgabe war dabei die Entwicklung einer Brennkammer und eines Luftstufungskonzeptes für eine vollständige Verbrennung bei niedrigen NOx-Emissionen. Testläufe an einer Versuchsbrennkammer bei OPRA wurden zur Validierung und Weiterentwicklung der Modelle herangezogen.
Das Institute for Chemical Processing of Coal untersuchte die Eigenschaften und die Stabilität von Bioöl sowie dessen Anwendung in Dieselmotoren.
Die Erkenntnisse aus diesen Arbeiten wurden in der zweiten Projekthälfte dazu angewendet, um einen großtechnischen EnCat-Prozess zu konzipieren und in Form von techno-ökonomischen Analysen der gesamten Prozesskette (vom Ausgangsmaterial bis hin zur Strom- und Wärmegewinnung mittels Gasturbinen sowie der Bereitstellung von Roh-Bioöl für Raffinerien) sowie von LCAs zu evaluieren.

Meilensteine

1. Erstkonzept für den Leaching-Prozess auf Basis von Labor-Testläufen erarbeitet
2. Finales Konzept für den Leaching-Prozess erarbeitet
3. Auswahl, Vorbereitung und Charakterisierung von Katalysatoren erfolgt
4. Berichte zu Testläufen hinsichtlich katalytischer schneller Pyrolyse verfügbar
5. Optimiertes Konzept für den katalytischen Pyrolyseprozess verfügbar
6. Daten aus Testläufen mit einer Versuchsbrennkammer einer Gasturbine verfügbar
7. Bericht zu Low-NOx-Verbrennungskonzepten für Pyrolyseöl in Gasturbinen verfügbar
8. Bericht bzgl. der Validierung der CFD-Modelle für Pyrolyseölverbrennung in Gasturbinen mit experimentellen Daten
9. Bericht zu Verbrennungstests mit Bioöl in einer optimierten Brennkammer einer Gasturbine verfügbar
10. Bericht über die Ergebnisse von Bioöl-Verbrennungstests in einem Kolbenmotor
11. Leitlinien für Hydrotreatment-Verfahren zur Verbesserung der Ölqualität verfügbar
12. Konzept für eine großtechnische EnCat-Anlage verfügbar
13. Bericht zur techno-ökonomischen Evaluierung der neuen Technologie verfügbar
14. LCA-Bericht bzgl. der EnCat Technologie verfügbar

Ergebnisse

Das Projekt hat das grundlegende Verständnis der Vorbehandlung von Biomasse durch Leaching zur Entfernung des größten Teils der Alkali- und Erdalkalimetalle erheblich verbessert. Durch diese Vorbehandlung verbessert sich das Pyrolyseverhalten von Biomasse-Rohstoffen maßgeblich. Außerdem konnten neue Erkenntnisse über katalytische Pyrolyseprozesse gewonnen werden. Darüber hinaus konnte eine deutliche Verbesserung hinsichtlich der Nutzung von Bioöl in Gasturbinen erreicht werden. Diesbezüglich konnte nicht nur die Hardware (d.h. die Brennkammer einer Gasturbine) erfolgreich weiterentwickelt werden, sondern es wurden auch relevante Fortschritte bei der CFD-Modellierung der Bioölverbrennung in Gasturbinen erzielt. In diesem Zusammenhang wurden neue Modelle für die NOx- und Rußbildung entwickelt, getestet und anhand von Testlaufdaten validiert. Darüber hinaus konnten neue Erkenntnisse über die Probleme im Zusammenhang mit der Anwendung von Bioöl in Kolbenmotoren gewonnen werden.
Hinsichtlich der Veredelung von Pyrolyseöl durch Sauerstoffentzug und Hydrierung hat das Projekt gezeigt, dass noch erhebliche F+E-Arbeiten erforderlich sind, vor allem wegen der Verkokungstendenzen des Bioöls bei den damit verbundenen katalytischen Hochtemperatur- und Hochdruckverfahren.
Schließlich wurde ein Konzept für eine großtechnische Anlage nach dem EnCat-Verfahren für eine Einsatzstoffkapazität von 9 t/h (Trockenmasse) an holzartiger Biomasse und Miscanthus entwickelt. Diese Anlage soll Bioöl als Ersatz für Rohöl in Raffinerien sowie Wärme und Strom produzieren. Die technisch-wirtschaftliche Bewertung des Verfahrens ergab, dass mit dem EnCat-Verfahren Bioölproduktionskosten von 63 – 65 €/MWh bei Einsatz von Miscanthus und 61 €/MWh bei Einsatz von Buchenholz erzielt werden können. Diese Bioölproduktionskosten liegen in der Größenordnung der Kosten für Rohöl bei Berücksichtigung einer CO2-Steuer von 100 €/t CO2 (69 €/MWh).