20.11.2009

Dipl.-Ing. Stefan Kieseler

TU Berlin

Institut für Energietechnik

FG Energieverfahrenstechnik und Umwandlungstechniken

regenerativer Energien (EVUR)

Hydrothermale Carbonisierung(HTC)

1

Was ist HTC?

2

• Die Hydrothermale Carbonisierung oder

„Verkohlung“ beschreibt ein therm. Umwandlungs-

verfahren

• „Hydro-“ = Reaktions- und Wärmemedium:

Wasser

• „-thermal“ = Zuführung von Wärme

(T=180 bis 250°C)

• „Carbonisierung“ = Anreicherung von Kohlenstoff in

der Festphase bzw. Abreicherung von Wasser- und

Sauerstoff

Verkohlungsprozess

3

Lignin

Torf

Holz

Cellulose

lignitischeBraunkohlen

bitumenreiche Braunkohlen

Braunkohlen

Steinkohlenlignitische

Ste

inko

hlen

Anthrazite

Asp

ha

lte

u.

Bit

um

enR

oh

-Erd

öl

Ölschiefer

0

0,5

1

1,5

2

H/C

O/C

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9

Abb.: Van Krevelen-Diagramm

• Verkohlung geht mit

einem geringeren H/C

und O/C-Verhältnis

einher

• HTC liegt zum Teil

außerhalb des

gekennz.Bereiches

Ziele von HTC

4

1. Energetische Nutzung (Brennstoff)

• Hoher Brennwert (hoher C-Anteil)

• Hohe Ausbeute (hoher Anteil Festphase)

• Geringer Asche-Anteil

• Auflösung der faserigen Struktur (Pulver)

2. Stoffliche Nutzung (Bodenverbesserer)

• Hoher C-Anteil

• Große Poren

• Hohe Ionenaustauschfähigkeit

Energetische Nutzung/ Analytik Feststoff

5

H

O

C

0,00%

10,00%

20,00%

30,00%

40,00%

50,00%

60,00%

70,00%

80,00%

90,00%

100,00%

Edukt (Pappel)

210°C, 4h220°C, 8h

230°C, 8h

6,68%6,31%

5,77%5,84%

45,60%

38,82%

29,96%

25,73%

47,60%54,63%

64,04% 68,19%

H

O

C

Ausbeute: ca. 63%

Energetische Nutzung/ Analytik Feststoff

6

19.35821.805

25.88927.802

0

5.000

10.000

15.000

20.000

25.000

30.000

Edukt (Pappel) 210°C, 4h 220°C, 8h 230°C, 8h

Bre

nn

wert

[kJ/ kg

]Brennwerte Edukt und Produkt

Analytik Flüssigphase

7

• Der pH-Wert des Prozesswasser ist für ein und

dieselbe Biomasse konstant (unabhängig vom

eingesetzten Katalysator und

Prozessbedingungen)

• Pappel: 3,45 – 3,50

• Stroh: 3,65 – 3,70

• Laub: 4,60 – 4,70

• Im Prozesswasserlösen sich Erdalkali und Alkali-

Metalle wie z. B. Kalium

• Zukünftig sind TC (total carbon) -messungen

vorgesehen

• CSB (chemischer Sauerstoffbedarf)-Wert liegt ca.

um das 3-fache höher

Gas-Analytik

8

• Fragestellung: Welche Stoffkomponentenkommen in welcher Konzentration vor.

• Analytik-Verfahren:

1. Gasuhr (Messung des Gasvolumens)

2. Gasmaus (Auffangen des Gases) + GC-WLD

(Wärme-Leitfähigkeits-Detektor)

3. Laserspektroskopie (Raman-Verfahren): kann

den zeitlichen Verlauf der Konzentrationen

der Stoffkomponenten aufzeigen.

Gas-Analytik

9

20,54%3,48%1,00%7,07%

67,73%

0,13%0,01%0,01%0,01%0,00%

10,00%

20,00%

30,00%

40,00%

50,00%

60,00%

70,00%

80,00%

90,00%

100,00%

N2 O2 H2 CO CO2 CH4 C2H4 C2H6 C3H61,32% 9,31%

89,18%

0,18% 0,01% 0,01% 0,01%0,00%

10,00%

20,00%

30,00%

40,00%

50,00%

60,00%

70,00%

80,00%

90,00%

100,00%

H2 CO CO2 CH4 C2H4 C2H6 C3H6

N2 und O2 gestrichen

Abb.: GC-WLD-Analytik für Pappel, 220°C, 8h

Abb.: GC-WLD-Analytik für Pappel, 220°C, 8h

Gas-Analytik

10

C3H6

C2H4

CH4

H2

CO

CO2

0,00%

10,00%

20,00%

30,00%

40,00%

50,00%

60,00%

70,00%

80,00%

90,00%

100,00%

12

3

6,02%13,98%

9,04%

93,04%

83,65% 89,45%

C3H6

C2H4

CH4

H2

CO

CO2

Abb.: GC-WLD-Analytik für Pappel, 220°C, 8h

Ausblick

11

• Messreihen ausweiten (Temperatureinfluss

quantifizieren)

• Schließen der Massenbilanz auf Elementarebene

• Massenverlust liegt bei ca. 0 - 1%

• Analytik des Prozesswassers ausweiten

(Phenolindex, etc.)

• Terra-Preta erfordert andere Prozessbedingungen,

wird aber zukünftig ein Forschungsansatz werden

(Vorversuche mit Mikroalgen erfolgreich

durchgeführt, Analytik von Bodenkundlern steht

aus)

Promotion Kieseler

12

• Schwerpunkt: Massen- und Energiebilanzen von

Nutzungspfaden von Mikroalgen

• Zu betrachtende Nutzungspfade:

• Hydrothermale Carbonisierung

• Terra Preta

• Anaerobe Vergärung/ Fermentation

• Vergasung (Pelletieren)

• Prozesskette eines Nutzungspfades mit Versuchen

untermauern