Holzgas

Die Technologie der Holzvergasung wurde vor mehr als 200 Jahren erfunden. Ab Beginn dieses Jahrhunderts haben innovative österreichische und deutsche Unternehmen die Technologie maßgeblich vorangetrieben. Neben der „klassischen“ Verbrennung, kann feste Biomasse auch über eine thermochemische Umwandlung zunächst in einen gasförmigen Sekundärenergieträger umgewandelt werden, der bezüglich der Handhabung und der weitergehenden Konversionsmöglichkeiten in End- bzw. Nutzenergie (z. B. Wärme, Strom, Brenn- oder Kraftstoffe) Vorteile aufweisen kann. Bei der Holzvergasung finden ähnliche Vorgänge wie bei der Holzverbrennung statt, allerdings bei stark reduziertem Sauerstoffangebot. Dabei entsteht ein Produktgas, das „Holzgas“.

 

Mögliche Einsatzstoffe und ihre Eigenschaften:

Die große Auswahl an verfügbaren Vergasungstechnologien ermöglicht die Vergasung einer Vielzahl von Einsatzstoffen. Von allen Arten von festem fossilem Kohlenstoff bis hin zu erneuerbarem Kohlenstoff wie Holz und landwirtschaftlicher Biomasse, aber auch von kohlenstoffhaltigen Abfällen und Klärschlämmen, bietet die Vergasungstechnologie eine breite Palette von Optionen. Von Holzgas spricht man, wenn Rohstoffarten eingesetzt werden, die aus Holzbiomasse gewonnen werden. Durch den steigenden Einsatz nachwachsender Rohstoffe in Güterproduktion und Bauwirtschaft fallen zusätzliche Mengen an forstwirtschaftlichen Nebenprodukten, Reststoffen und Abfällen (Waldhackgut, Brennholz, Sägespäne, Ablauge, Rinde, Altholz) an. Zusätzlich führt die Klimaerhitzung und der notwendige Umbau der Wälder in Richtung Mischwald zu einem stark steigenden Anfall an minderwertigem Holz (Waldpflege, höhere Laubholzanteile, Sturmschäden, Schneebruch, Befall durch Borkenkäfer, Pilze oder Bakterien). Die Holzvergasung bietet hierbei eine ideale Ergänzung zu modernen Holzheizungen (Pellets, Hackgut, Scheitholz), um diese Rohstoffe einer hochwertigen Verwertung zuzuführen.

 

Prinzip der Vergasung:

Bei der Vergasung laufen grundsätzlich die gleichen Umwandlungsprozesse ab, wie sie auch bei der Verbrennung gegeben sind, da die bei der Vergasung produzierten Sekundärenergieträger bei der Umwandlung in End- bzw. Nutzenergie letztendlich auch vollständig oxidiert werden. Das Prinzip der Vergasung ist die thermochemische Umwandlung von Festbrennstoffen unter Zugabe eines sauerstoff- oder wasserstoffhaltigen Vergasungsmittels zur Umwandlung des Kohlenstoffs (C) großteils in Kohlenmonoxid (CO) bzw. CH₄. Die einzelnen Phasen des Umwandlungsprozesses werden jedoch – im Unterschied zu der Verbrennung – räumlich und zeitlich getrennt realisiert und mit geänderten Prozessparametern durchgeführt. Einen Überblick über die verschiedenen Phasen der thermochemischen Umwandlung zeigt die folgende Abbildung (Quelle: Kaltschmitt et al.):

 

 

Zunächst wird der Brennstoff endotherm erhitzt. Dabei wird der Brennstoff getrocknet. Bei weiterer (externer) Wärmezufuhr kommt es zur „Pyrolytischen Zersetzung“. Dabei werden die organischen Makromoleküle fester Biomasse aufgebrochen. Dieser Vorgang findet ohne Reaktion mit der umgebenden Gasatmosphäre statt (Verbrennungsluftverhältnis l ~ 0). Die entstehenden Molekülbruchstücke verlassen als flüchtige Bestandteile die Brennstoffmatrix. Als Endergebnis dieser thermochemischen Umwandlungsphase entsteht Koks. Führt man nun in einem begrenzten Ausmaß Luft bzw. Sauerstoff dem Prozess zu (0 < l < 1), kommt es bei einer entsprechend hohen Temperatur (700 – 900 °C) zur Vergasungsreaktion. Der Koks wird dabei in ein Produktgas umgesetzt. Wird die thermochemische Umwandlung hier unterbrochen, handelt es sich um einen Vergasungsprozess. Bei der Vergasung verbleibt je nach Prozessparameter ein gewisser Anteil an Feststoff, die „Biokohle“, bestehen. Diese kann in der Landwirtschaft als Speicher für Nährstoffe und Wasser genutzt werden, wodurch der Einsatz von Düngemitteln deutlich reduziert werden kann. Ein positiver Nebeneffekt ist dabei die Tatsache, dass Biokohle biologisch nur sehr langsam abgebaut wird und die in den Boden eingemischte Biokohle deshalb auch als Kohlenstoffsenke wirkt.

 

Produktgaszusammensetzung und -eigenschaften:

Das Produktgas besteht im Wesentlichen aus erwünschten brennbaren Gasen wie Kohlenstoffmonoxid (CO), Wasserstoff (H₂), Methan (CH₄) sowie kurzkettigen Kohlenwasserstoffverbindungen. Zusätzlich sind nicht brennbare Inertgase wie Wasserdampf (H₂O), Kohlenstoffdioxid (CO₂) und Stickstoff (N₂), die einen Verdünnungseffekt bewirken, und unerwünschte Verunreinigungen wie Staub, Teere, Stickstoff- und Schwefelverbindungen, etc. enthalten. Die Zusammensetzung des Produktgases variiert je nach angewandter Vergasungstechnologie und wird beeinflusst durch:

 

• Art und Form des Brennstoffs
• Art und Menge des Vergasungsmittels
• Bauart des Vergasungsreaktors
• Art der Wärmebereitstellung
• Vergasungstemperatur
• Druckverhältnisse im Vergasungsreaktor
• Anwesenheit eines Katalysators

 

Einen Überblick über mögliche Vergasungsmittel und die daraus resultierenden Hauptkomponenten des Produktgases zeigt folgende Tabelle:

 

Vergasungsmittel	Hauptkomponenten Produktgas
Sauerstoff (O2)	CO
Wasserdampf	CO + H2
Kohlenstoffdioxid (CO2)	2 CO
Wasserstoff (H2)	CH4
Luft (21% O2, 79% N2)	CO + N2

 

Eine beispielhafte Zusammensetzung des Produktgases bei der Verwendung von Wasserdampf als Vergasungsmittel zeigt das folgende Tortendiagramm:

 

 

Anwendungen:

Das entstehende Produktgas, kann nach einer Gasreinigung (z.B. Filtration, Nass-, Trocken und/oder Elektroabscheider, etc.) zur Produktion von Wärme, Strom, Kraftstoffen (Holzdiesel, Wasserstoff, Kerosin etc.) oder als Ausgangsstoff für chemische Produkte eingesetzt werden. Wird das Gas in weiteren Schritten entsprechend aufbereitet, kann es in das Gasnetz eingespeist und über große Strecken zu Verbrauchern transportiert oder in Gasspeichern zwischengelagert werden. Die folgende Abbildung zeigt die möglichen Anwendungsfelder von Produktgas (nach TU Wien):