DE102004053494A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Umwandlung von Energie unter Verwendung von Biomasse - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Umwandlung von Energie unter Verwendung von Biomasse in einem offenen Kreislauf, bei dem eine steuerbare Menge Biomasse unter Zufuhr eines kohlendioxid- und wasserdampfhaltigen Abgases eines Verbrennungsmotors (12) zu einem kohlenmonoxid- und wasserstoffhaltigen Synthesegas vergast bzw. reduziert, das Synthesegas unter Abscheidung eines Kondensats (37) und Bildung eines Restgases abgekühlt, das Restgas steuerbar in einen ersten und einen zweiten Teil aufgeteilt, der erste Teil des Restgases einer Shift-Reaktion unterzogen und anschließend durch einen Molekularsieb (44) unter Abtrennung von Wasserstoffgas geleitet und das daraus resultierende Wasserstoffgas mit dem zweiten Teil des Restgases zur Synthese von als Treibstoff tauglichen Kohlenwasserstoffverbindungen zusammengeführt und ein in der Synthese nicht umgesetzter Gasanteil wahlweise dem Verbrennungsmotor (12) als Brennstoff oder einer anderen Einheit als Heizmittel zugeleitet wird. DOLLAR A Ferner umfasst die vorliegende Erfindung ein entsprechendes Kreislaufsystem und einen Verbrennungsmotor.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Umwandlung von Energie unter Verwendung von Biomasse.
  • Eine energetische Nutzung von Biomasse, insbesondere die von Holz, hat eine lange Tradition. Mit dem Beginn des Industriezeitalters, das durch die Verwendung von Kohle gekennzeichnet werden kann, ist die Nutzung von Biomasse sehr stark zurückgegangen. Anstrengungen zum Klimaschutz machen allerdings eine erneute vermehrte Nutzung von Biomasse notwendig. Die heutige Nutzung lässt sich grob einteilen in Verbrennung zur Erzeugung von Wärme in kleinen und großen Einheiten mit Nahwärmenetzen, Verbrennung kombiniert mit Stromerzeugung in Turbinen, Vergasung zu Synthesegas und Stromerzeugung mit Turbinen und Motoren, eine Vergasung zu Biogas und Vergasung und Weiterverarbeitung zu Bio-Treibstoffen.
  • Dabei rückt der Wasserstoff als Energieträger immer mehr in den Vordergrund. Der grundlegende Prozess zur Herstellung von Wasserstoff aus Biomasse ist ein Vergasungsprozess. Die Prozesstechnik ist aus der Vergasung von Kohle, Öl und Gas seit mehr als 100 Jahren bekannt. Der kohlenstoffhaltige Energieträger wird dabei zusammen mit Wasser auf Temperaturen oberhalb von 800°C erhitzt. Dabei entsteht Wasserstoff, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid und Methan. In der Chemie wird eine derartige Gasmischung als Synthesegas bezeichnet.
  • Aus dem Europäischen Patent EP 1 175 472 ist ein Verfahren zur Erzeugung von Energie bekannt, wobei bei dem Verfahren in einem ersten Schritt ein Verbrennen von Brennstoff in einer Brennkraftmaschine unter Erzeugung von mechanischer Energie und kohlendioxid- und wasserdampfhaltigem Abgas erfolgt, in einem zweiten Schritt eine Reduktion der Abgaskomponenten Kohlendioxid und Wasser in einer organisches Material enthaltenden Umgebung zu einem Synthesegas, das Kohlenmonoxid und Wasserstoff enthält, und zuletzt ein Zuführen des erzeugten Synthesegases in die Brennkraftmaschine vorgenommen wird. Ferner wird ein Verfahren zur Erzeugung von Methanol offenbart, wobei zwischen dem zweiten und dritten Schritt des beschriebenen Verfahrens zur Erzeugung von Energie eine Methanolsynthese eingefügt wird.
    •
  • Auf Grundlage des in dem Europäischen Patent EP 1 175 472 offenbarten Verfahrens wird durch die vorliegende Erfindung ein Verfahren und ein offenes Kreislaufsystem zur Umwandlung von Energie unter Verwendung von Biomasse vorgeschlagen, bei dem bzw. mit Hilfe dessen zur Erzielung eines besonders wirtschaftlichen Betriebs eine weiter optimierte Ausnutzung des Energiegehaltes der Biomasse erfolgt und gleichzeitig die Anteile freigesetzter bzw. gespeicherter Energie bedarfsgerecht regelbar sind.
  • Die vorliegende Erfindung schlägt ein Verfahren mit den Merkmalen von Patentanspruch 1, ein offenes Kreislaufsystem mit den Merkmalen von Patentanspruch 7 und einen Verbrennungsmotor mit den Merkmalen von Patentanspruch 15 vor.
  • Gemäß Patentanspruch 1 wird ein Verfahren zur Umwandlung von Energie unter Verwendung von Biomasse in einem offenen Kreislauf vorgeschlagen, bei dem eine steuerbare Menge Biomasse unter Zufuhr eines kohlendioxid- und wasserdampfhal tigen Abgases eines Verbrennungsmotors zu einem kohlenmonoxid- und wasserstoffhaltigen Synthesegas vergast bzw. reduziert wird. Das Synthesegas wird im Anschluss daran unter Abscheidung eines Kondensats und unter Bildung eines Restgases abgekühlt. Das so entstandene Restgas wird steuerbar in einen ersten und einen zweiten Teil aufgeteilt, wobei der erste Teil des Restgases einer Shift-Reaktion unterzogen und anschließend durch ein Molekularsieb unter Abtrennung von Wasserstoffgas geleitet wird. Das daraus resultierende Wasserstoffgas wird sodann mit dem zweiten Teil des Restgases zur Synthese von als Treibstoff tauglichen Kohlenwasserstoffverbindungen zusammengeführt. Ein in dieser Synthese nicht umgesetzter Gasanteil wird wahlweise dem Verbrennungsmotor als Brennstoff oder einer anderen Einheit des Kreislaufes als Heizmittel zugeleitet.
  • In einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Synthesegas vor dem Abkühlen einem sog. Steam-Reformer zugeleitet. Das Synthesegas wird in diesem Steam-Reformer erhitzt. Mit Hilfe von dem Steam-Reformer ebenfalls zugeleiteten Wasserdampf werden in dem Synthesegas enthaltene Kohlenwasserstoffverbindungen unter Bildung von Kohlenmonoxid und Wasserstoff gespalten. Durch Einführung des Steam-Reformers wird somit die Ausbeute an Wasserstoff erhöht.
  • In einer möglichen weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in dem Steam-Reformer ein Katalysator vorgesehen. Wie bereits erwähnt, werden in den Steam-Reformer Kohlenwasserstoffverbindungen mit Hilfe von Wasserdampf in Kohlenmonoxid und Wasserstoff gespalten. Diese Reaktion ist eine endotherme Reaktion, d.h. es muss Energie bzw. Wärme zugeführt werden. Dabei gibt es die Möglichkeit, die Wärme durch eine gezielte Injektion von Sauerstoff mit anschließender Verbrennung von Kohlenmonoxid bzw. Wasser stoff zu Kohlendioxid und Wasser zuzuführen. Dabei spricht man von einer internen bzw. autothermen Erwärmung. Ferner ist es auch denkbar, die Wärme von außen durch einen Wärmetauscher zuzuführen. Dabei spricht man von einer allothermen Erwärmung. Ein zusätzlich vorgesehener Katalysator innerhalb des Steam-Reformers setzt zudem die Reaktionstemperatur herab.
  • Dem Steam-Reformer folgt ein Filter nach, mit dessen Hilfe aus dem Synthesegas Asche ausgefiltert wird. Nach der Filterung wird das Synthesegas gekühlt, wobei ein Kondensat abgeschieden wird. Das Kondensat umfasst Wasser und Teer. Das gekühlte Synthesegas bzw. das Restgas wird im Anschluss daran einem Verteiler zugeleitet, mit dessen Hilfe das Restgas steuerbar in einen ersten und einen zweiten Teil aufgeteilt wird. Der erste Teil des Restgases wird sodann einer Shift-Reaktion unterzogen und anschließend durch ein Molekularsieb unter Abtrennung von Wasserstoffgas geleitet. Innerhalb des Molekularsiebes wird Wasserstoffgas von den anderen in dem Restgas enthaltenen Gasen abgetrennt. Das nunmehr abgetrennte Gasgemisch, auch als Abgas bezeichnet, umfasst beispielsweise Kohlendioxid, Stickstoff und Wasserdampf. Der zweite Teil des Restgases, welcher nicht einer Shift-Reaktion unterzogen wird, kann direkt zur Synthese von als Treibstoff tauglichen Kohlenwasserstoffverbindungen weitergeleitet werden.
  • Der erste Teil des Restgases, welcher einer Shift-Reaktion unterzogen wird, wird einem sog. Shift-Reaktor zugeleitet, in welchem Wasser zugesetzt wird. Sodann erfolgt in einem in dem Shift-Reaktor vorzugsweise integrierten Wärmetauscher eine Erwärmung auf etwa 200 bis 400°C. Die Erwärmung kann dabei stufenweise, d.h. in mehreren Stufen erfolgen. Es ist denkbar, dass in dem Shift-Reaktor ein Katalysator vorgesehen wird, welcher eine Reaktion von Kohlenmonoxid mit Wasser zu Kohledioxid und Wasserstoff auslöst. Diese Reaktion ist exotherm, d.h. es wird dabei Wärme frei.
  • Das resultierende Gasgemisch kann im Anschluss an die Shift-Reaktion abgekühlt werden, wobei verbleibendes, d. h. nicht abreagiertres Wasser kondensiert. Danach strömt das Gasgemisch durch einen Molekularsieb, wo, wie bereits gesagt, Wasserstoff abgespalten wird und Restgase, wie Kohlendioxid und Stickstoff als Abgas aus dem Kreislauf abgeführt werden.
  • Das so gebildete Wasserstoffgas wird im Anschluss daran mit dem zweiten Teil des Restgases, welcher nicht einer Shift-Reaktion unterzogen wurde, in einem Mischer zusammengeführt. Dieses Mischgas wird zur Synthese von als Treibstoff tauglichen Kohlenwasserstoffverbindungen verwendet.
  • In einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird bei der Synthese von als Treibstoff tauglichen Kohlenwasserstoffverbindungen in Abhängigkeit von dem zu synthetisierenden Treibstoff ein Katalysator aus der folgenden Gruppe eingesetzt: CuZnO-, Fe-, Co-, Ni- oder Pt-Katalysator. Mit Hilfe eines CuZnO-Katalysators kann bspw. Methanol hergestellt werden. Ferner wird in der Synthese das Gasgemisch verdichtet.
  • Der in der Synthese nicht umgesetzte Gasanteil, auch als Purge-Gas bezeichnet, kann wahlweise für den Verbrennungsmotor als Kraftstoff verwendet oder zur allothermen Beheizung einer anderen Einheit des Kreislaufs, wie bspw. des optional vorgesehenen Steam-Reformers eingesetzt werden.
  • Die in dem Verbrennungsmotor entstehende mechanische Energie kann mittels eines Generators zur Stromproduktion genutzt werden.
  • Das genannte Purge-Gas besteht im allgemeinen in der Hauptsache aus Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Wasserstoff, Methan und Stickstoff.
  • In einer anderen denkbaren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dem Verbrennungsmotor ein regelbarer Gasmischer zum Abgleich des Heizwertes des dem Verbrennungsmotor zugeleiteten Gases vorgeschaltet. Durch diesen regelbaren Gasmischer kann dem Verbrennungsmotor Sauerstoff oder Luft, Wasserdampf und der synthetisierte Treibstoff, wie bspw. Methanol, zugeführt werden. Der zugeführte Treibstoff, wie bspw. Methanol dient dabei zum Heizwertausgleich, der Wasserdampf zur Volumenfüllung und zur Innenkühlung als Wärmeträger. Außerdem wird das Wasser bei der Vergasung zur Wassergasreaktion mit den Kohlenwasserstoffverbindungen benötigt.
  • Aus dem Kondensat, dass bei Kühlung des Synthesegases absepariert wird, kann ferner das darin enthaltene Wasser abdestilliert werden. Dabei verbleibt ein Teer-Kondensat-Öl. Dieses Teer-Kondensat-Öl kann entsorgt oder in einer weiteren denkbaren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens in den Verbrennungsmotor im Nachverbrennungsprozess eingespritzt werden. Hierbei werden bei den hohen Verbrennungstemperaturen im Verbrennungsmotor, die höher als 2000°C liegen können, langkettige Kohlenwasserstoffverbindungen des Teer-Kondensat-Öls gespalten; man spricht dabei von Cracken. Dabei ist darauf zu achten, dass genügend Wasser im Gasgemisch vorhanden ist. Andernfalls kann dem Teer-Kondensat-Öl noch ein entsprechend geeigneter Anteil Wasser vor der Einspritzung zugemischt werden. Eine weitere denkbare Verwendung für das Teer-Kondensat-Öl ist eine Verbrennung sowohl allotherm als auch autotherm für den genannten optional vorgesehenen Steam-Reformer mit Hilfe von Sauerstoff bei hohen Temperaturen.
  • In einer anderen denkbaren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird als Verbrennungsmotor ein mit einem Einspritzsystem bzw. einer Einspritzpumpe ausgestatteter Ottomotor verwendet, wobei zum Einspritzen ein entsprechend aufbereiteter Anteil des Kondensats verwendbar ist.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein offenes Kreislaufsystem zur Umwandlung von Energie unter Verwendung von Biomasse, insbesondere zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Das offene Kreislaufsystem umfasst dabei einen Verbrennungsmotor, einen dem Verbrennungsmotor nachgeordneten thermo-chemischen Reaktor zur Reduktion von in dem Verbrennungsmotor erzeugtem kohlendioxid- und wasserdampfhaltigem Abgas zu einem Synthesegas, das Kohlenmonoxid und Wasserstoff enthält, eine Kühleinheit zum Abkühlen des Synthesegases zu einem Restgas und unter der Abscheidung eines Kondensats, einen Schift-Reaktor, ein dem Shift-Reaktor nachgeordnetes Molekularsieb und einen Synthesereaktor. Dabei ist das offene Kreislaufsystem derart ausgestaltet, dass ein steuerbarer den Shift-Reaktor und das Molekularsieb durchlaufender Teil des Restgases nach Durchlauf des Shift-Reaktors und des Molekularsiebs mit einem verbleibenden den Shift-Reaktor und das Molekularsieb umgehenden Teil des Restgases in dem Synthesereaktor zur Synthese von als Treibstoff tauglichen Kohlenwasserstoffverbindungen wieder zusammenführbar ist.
  • Ferner ist ein in der Synthese nicht umgesetzter Gasanteil wahlweise dem Verbrennungsmotor als Brennstoff zuführbar.
  • In einer Ausführungsform des Kreislaufsystems ist eine Zuleitung der synthetisierten als Treibstoff tauglichen Koh lenwasserstoffverbindungen zu dem Verbrennungsmotor vorgesehen.
  • In einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kreislaufsystems ist ein Treibstofftank zur Speicherung des synthetisierten Treibstoffs vorgesehen.
  • Ferner ist es denkbar, dass ein Wärmespeicher zur Speicherung von in dem Kreislaufsystem erzeugter Wärme vorgesehen ist.
  • Es ist auch möglich, dem thermo-chemischen Reaktor einen sog. Steam-Reformer nachzuordnen, in welchem in dem Synthesegas enthaltene Kohlenwasserstoffverbindungen unter Bildung von Kohlenmonoxid und Wasserstoff spaltbar sind.
  • Ferner ist es möglich einen Verbrennungsmotor vorzusehen, welcher einem mit einem Einspritzsystem bzw. einer Einspritzpumpe versehenen Otto-Motor entspricht, wobei eine Einspritzung mittels einem Anteil des Kondensats durchführbar ist.
  • In einer weiteren möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kreislaufsystems ist dem Verbrennungsmotor ein regelbarer Gasmischer zum Abgleich des Heizwertes des dem Verbrennungsmotor zuzuleitenden Gases vorgeschaltet.
  • Ferner kann in dem Synthesereaktor in Abhängigkeit von dem zu synthetisierenden Treibstoff ein Katalysator eingesetzt werden. Dabei kann es sich bspw. um einen CuZnO-Katalysator handeln, mit dessen Hilfe bspw. Methanol hergestellt werden kann. Ferner kann es aber auch ein Fe-, ein Co-, ein Ni-, oder ein Pt-Katalysator sein. Auch andere Katalysatoren, mit deren Hilfe ein Treibstoff herstellbar ist, kann eingesetzt werden.
  • Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung einen Verbrennungsmotor zur Verwendung in einem erfindungsgemäßen Kreislaufsystem, der eine Fremdzündung und ein Einspritzsystem bspw. in Form einer Einspritzpumpe umfasst. Der erfindungsgemäße Verbrennungsmotor umfasst dabei einen Vergaser, mindestens einen Zylinder mit einem darin auf- und abbewegbaren Kolben, einem Brennraum mit einem Ein- und einem Auslassventil und einer Zündung und zusätzlich ein Einspritzsystem, über welches nach einer erfolgten Zündung im Brennraum eine langkettige Kohlenwasserstoffverbindungen enthaltende Substanz zum Aufspalten der Kohlenwasserstoffverbindungen zugeführt werden kann.
  • Die bei allen Verfahrensschritten anfallende Wärme kann für Heizzwecke genutzt werden. Da die Wärme den Hauptteil der Energiemenge darstellt, ist es sinnvoll, das Kreislaufsystem gezielt nur wärmegeführt zu betreiben, d.h. nur wenn Wärme benötigt wird auch das Kreislaufsystem zu betreiben. Somit könnte bspw. im Winter Kraftstoff für das ganze Jahr erzeugt werden und preiswert in einem dafür vorgesehen Tank gelagert werden.
  • Die vorliegende Erfindung umfasst, wie bereits erwähnt, auch eine Einspritzung eines entsprechend aufbereiteten Teils des Kondensats, nämlich des sog. Teer-Kondensat-Öls in den Verbrennungsmotor. Dabei entspricht der zu verwendende Verbrennungsmotor einem Otto-Motor mit äußerer Gemischbildung und einem Zündsystem mit Zündkerzen. Zusätzlich ist in dem Verbrennungsmotor eine Einspritzung, d.h. im Allgemeinen eine Dieseleinspritzung direkt in einen Brennraum des Verbrennungsmotors angebracht. Im allgemeinen werden in Otto-Motoren, die über ein stöchiometrisch ausgeglichenes Kraftstoff-Sauerstoff-Verhältnis verfügen, hohe Verbrennungstemperaturen im Brennraum des Motors erzeugt.
  • Dabei werden Verbrennungstemperaturen von größer als 2000°C erreicht. Diese sehr hohen Verbrennungstemperaturen können nunmehr genutzt werden, wenn nach einer erfolgten Zündung mittels einer Zündkerze des Verbrennungsmotors und einer eingesetzten Verbrennung, das genannte Teer-Kondensat-Öl in den Brennraum des Verbrennungsmotors mit einer Einspritzung eingespritzt wird. Dadurch können in dem Teer-Kondensat-Öl enthaltene langkettige Kohlenwasserstoffe mittels Wasserdampf in kleinere Kohlenwasserstoffverbindungen oder in Kohlenmonoxid und Wasserstoff zerlegt werden. Somit können neben der mechanischen Energiegewinnung durch Verbrennen von Gasen in dem Verbrennungsmotor gleichzeitig Kohlenwasserstoffverbindungen aufgespalten werden. Die dabei ablaufenden chemischen Reaktionen sind folgende: CnHm + nH2O = nCO + (m/2 + n)H2.
  • Eine derartige chemische Reaktion ist endotherm, d.h. sie benötigt Wärme, wodurch das Gas abkühlt.
  • Bei einer derart vorgesehenen Betriebsweise des Verbrennungsmotors wird bewusst ein hoher Schadstoffgehalt in Form von Kohlenmonoxid im Abgas in Kauf genommen. Dieser Kohlenmonoxidgehalt ist insofern willkommen, weil das Abgas nicht ausgestoßen, sondern anschließend zur Synthesegasproduktion herangezogen wird.
  • Bei einer derartigen Verwendung des Verbrennungsmotors erfolgt die Einspritzung des Teer-Kondensat-Öls erst im Arbeitstakt, d.h. wenn sich ein entsprechender Kolben des Verbrennungsmotors nach unten bewegt und eine Zündung des Gasgemisches mittels einer Zündkerze erfolgt ist. Dabei soll der Sauerstoffanteil geringer sein als die gesamte Verbrennung benötigen würde, d.h. ein Luftverhältnis λ ≤ 1 sollte vorliegen. Ferner muss genügend Wasserdampf im Gas gemisch vorhanden sein. Bei Bedarf kann jedoch dem Teer-Kondensat-Öl noch Wasser zugesetzt werden. Die Einspritzmenge wird nach Anfall von Kondensat und einer möglich erreichbaren Temperatur im Brennraum des Verbrennungsmotors entsprechend gesteuert.
  • Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
  • Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
    •
  • Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispieles in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
  • 1 zeigt in stark schematischer Blockbild-Darstellung eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen offenen Kreislaufsystems zur Umwandlung von Energie unter Verwendung von Biomasse.
  • 1 zeigt ein offenes Kreislaufsystem 10 zur Umwandlung von Energie mit einem Verbrennungsmotor 12, der einen kohlenwasserstoffhaltigen Brennstoff unter Erzeugung von mechanischer Energie, heissem Abgas und Abwärme verbrennt. Die erzeugte mechanische Energie wird mittels eines Generators 14 in Strom umgewandelt, welcher entweder in einer Batterie gespeichert oder in das Stromnetz eingespeist oder direkt, bspw. in einem Privathaushalt, genutzt werden kann. Die Abwärme des Verbrennungsmotors 12 und die Abwärme des Generators 14 werden einem Wärmespeicher zugeführt. Der Verbrennungsmotor 12 wird über eine Brenngasleitung 22 aus einem Gasmischer 24 mit dem gasförmigen Brennstoff und Sauerstoff versorgt. Der Gasmischer 24 zeigt drei verschiedene optionale Zuleitungen, über welche Sauerstoff, Wasser und der gasförmige Brennstoff bzw. Treibstoff zugeleitet werden können. Eine von den verschiedenen Gasen zuzuführende Menge wird vorzugsweise durch eine Steuerung bzw. eine Regeleinheit kontrolliert und definiert.
  • Das aus dem Verbrennungsmotor 12 freiwerdende Abgas enthält Kohlendioxid und Wasser und sollte vorteilhafterweise eine Temperatur von etwa 500° C bis etwa 950° C aufweisen. Das heisse Abgas wird über eine Abgasleitung 20 in einen thermo-chemischen Reaktor 26 eingeleitet. Dabei wird über die Abgasleitung 20 das gesamte auftretende heisse Abgas dem thermo-chemischen Reaktor 26 zugeleitet, ohne dass ein Teil durch eine Ableitung aus dem Kreislaufsystem 10 ausgeleitet wird. Über eine Schleuse wird aus einem Vorratsbehälter 28 Biomasse in den thermo-chemischen Reaktor 26 eingefüllt. Eine durch die Schleuse einzufüllende Menge Biomasse kann durch eine Steuereinheit geregelt werden. Als Biomasse wird im Allgemeinen die auf der Erde vorhandene organische Substanz in lebenden, toten oder zersetzten Organismen bzw. deren Exkrementen bezeichnet. Biochemische Grundlage jeglicher Biomasse ist dabei Kohlenstoff. Alle Biomasse ist durch die von grünen Pflanzen gespeicherte Sonnenenergie entstanden. Dabei wird im Prozess der sog. Photosynthese Sonnenenergie in biochemische Bindungsenergie überführt. Tiere nehmen mit der Nahrung diese Energie auf und bilden die tierische Biomasse. Biomasse wird als Nahrung, Holz, Papier und für Textilfasern benutzt. Demnach gibt es für Biomasse ein sehr großes ausschöpfbares Reservoir, was als regenerative Energiequelle nutzbar gemacht werden kann.
  • Die in den thermo-chemischen Reaktor 26 eingeschleuste Biomasse, was z.B. auch in Form von sog. Pellets vorgenommen werden kann, wird durch das heisse Abgas aus dem Verbrennungsmotor 12 auf etwa 500° C bis etwa 950° C erhitzt. Dabei besteht die Möglichkeit Wärme extern durch Verbrennen beispielsweise von Purge-Gas oder Teer-Kondensat-Öl zuzuführen, d.h. eine allotherme Erwärmung vorzunehmen. Weiterhin besteht die Möglichkeit, die Temperatur durch Zufuhr von Sauerstoff bzw. Luft aus dem Gasmischer 24 über eine Sauerstoffleitung in den thermo-chemischen Reaktor 26 zu erhöhen. Wird eine angemessene Temperatur in dem thermochemischen Reaktor 26 erreicht, so wird das in dem Abgas vorhandenen Kohlendioxid und Wasser zu einem Synthesegas reduziert, während die Biomasse oxidiert wird.
  • Das Synthesegas enthält unter anderem Kohlenmonoxid und Wasserstoff und wird über eine Synthesegasleitung 30 aus dem thermo-chemischen Reaktor 26 abgeführt. Das Synthesegas kann als Nebenbestandteil Kohlendioxid, Methan, Wasser, Schwebstoffe und Asche, die hauptsächlich aus mineralischen nicht vollständig oxidierten Bestandteilen der Biomasse besteht, enthalten.
  • Das aus dem thermo-chemischen Reaktor 26 ausgeschleuste Synthesegas wird nunmehr in dem hier dargestellten Kreislaufsystem 10 einem Steam-Reformer 32 zugeführt. In dem Steam-Reformer 32 werden Kohlenwasserstoffverbindungen und Wasserdampf zu Wasserstoff und Kohlenstoffoxiden umgesetzt. Dabei wird oftmals ein geeigneter Katalysator, wie bspw. ein Mittelkatalysator eingesetzt. Ein daraus resultierendes Produktgas ergibt sich aus den nachfolgenden Gleichgewichtsreaktionen: CnHm + nH2O ↔ nCO + (m/2 + n)H2 CH4 + H2O ↔ CO + 3H2 CO + H2O ↔ CO2 + H2.
  • Da der gesamte Reaktionsablauf stark endotherm ist, muss Wärme von außen zugeführt werden. Innerhalb des Steam-Reformers 32 können dabei mit Katalysator gefüllte Reformerrohre in mehreren, parallelen Reihen angeordnet sein. In den Reformer-Rohren erfolgt eine Spaltung des Kohlenwasserstoff-/Wasserdampfgemisches an dem Katalysator vorzugsweise dem Mittelkatalysator gemäß den oben aufgeführten Gleichgewichtsreaktionen bei Temperaturen von etwa 800° C bis 950° C. Da die Hauptreaktion stark endotherm ist, muss den Reformerrohren Wärme von außen zugeführt werden. Dies kann zum einen durch eine Zuleitung von Sauerstoff bzw. Luft aus dem Gasmischer 24 oder durch eine allotherme Beheizung erfolgen.
  • Ferner ist es denkbar, den Steam-Reformer 32 mit einem Wärmetauscher, wie beispielsweise einem hier nicht dargestellten Gegenstromwärmetauscher zu koppeln. Bei einem Gegenstromwärmetauscher wird einströmendes Gas von ausströmendem Gas erwärmt. Bei einem Gegenstromwärmetransport strömen warmes und kaltes Fluid bzw. Gas entlang einer geeigneten Trennwand in entgegengesetzter Richtung, wodurch es zum Wärmeaustausch kommt. Dadurch kann das aus dem Steam-Reformer 32 ausströmende warme bzw. heiße Produktgas an das in den Steam-Reformer 32 einströmende Synthesegas Wärme abgeben und damit die in dem Steam-Reformer 32 ablaufende endotherme Reaktion begünstigen bzw. ggfs. auch einleiten bzw. initiieren, wenn der Wärmeübertrag ausreichend groß ist.
  • Das den Steam-Reformer 32 verlassende Produktgras in Form eines sog. Rauchgases kann zunächst zur Nutzung der Wärme über ein aus mehreren, in Reihe geschalteten Wärmetauscherbündeln bestehendes Abhitzesystem geleitet werden. Die da bei abgegebene bzw. freiwerdende Wärme kann in nachfolgenden Verfahrensschritten bzw. von in dem offenen Kreislaufsystem 10 nachfolgenden Einheiten benutzt werden. Sodann wird das Rauchgas einer Filtereinheit 34 zugeleitet, in welcher Asche 35 herausgefiltert wird. Mittels eines optional vorgesehenen Schwefelfilters, auch als Schwefelfalle bezeichnet, können evtl. auftretende Schwefelverbindungen abgetrennt werden. Als Schwefelfalle kann dabei bspw. ZnO dienen, welches zusammen mit H2S bei Temperaturen um 380° C zu ZnS und H2O reagiert. Nach Durchgang durch die Filtereinheit 34 wird das Rauchgas in einem Kühler 36 zu einem Restgas abgekühlt, so dass ein Kondensat 37 abgetrennt wird. Das Kondensat 37 besteht im wesentlichen aus H2O und sog. Teer-Öl-Verbindungen. Derartige Teer-Öl-Verbindungen sind im allgemeinen höhermolekulare Kohlenwasserstoffverbindungen. Derartig höhermolekulare Wasserstoffverbindungen können bei den im Steam-Reformer 32 vorherrschenden Temperaturen, die bei etwa 700°C bis 1000°C liegen, oftmals nicht zerstört werden. Das nach dem Kühler 36 verbleibende Restgas wird nunmehr in einer Verteilereinheit 40 in einen ersten und einen zweiten Teil aufgeteilt. Dabei wird der erste Teil des Restgases in einem Shift-Reaktor 42 geführt. In diesem nachgeschalteten Shift-Reaktor 42 wird das in dem ersten Teil des Restgases enthaltene Kohlenmonoxid mit Wasserdampf zu Kohlendioxid und Wasserstoff weiter umgesetzt. Die Umsetzung erfolgt dabei gemäß der nachfolgenden Reaktionsgleichung: CO + H2O ↔ CO2 + H2.
  • Diese Reaktion ist exotherm, d.h. es wird dabei Wärme gewonnen. Die Wärme, die jedoch zur Auslösung der Reaktion erforderlich ist, wird vorzugsweise aus der Wärme, die bei Austritt des Synthese- bzw. Produktgases aus dem Steam-Reformer 32 abgegeben wird, abgeleitet. Der erste Teil des Restgases wird nach Durchlauf durch den Shift-Reaktor 42 einem Molekularsieb 44 zugeführt. Vor Eintritt des ersten Teils des Restgases in den Molekularsieb 44 muss das Gas zunächst geeignet abgekühlt werden, da das Molekularsieb 44 im Allgemeinen temperaturempfindlich ist. Die dabei gewonnene Wärme kann wiederum an anderen Stellen des Kreislaufsystems 10 eingesetzt oder für externe Zwecke verwendet werden. In dem Molekularsieb 44 erfolgt nunmehr eine Abtrennung des entstandenen Kohlendioxids CO2, sowie des noch mitgeführten Stickstoffs N2 und des im Restgas noch verbliebenen Wasserdampfes. Das in dem Molekularsieb abgespaltene Wasserstoffgas wird nunmehr in einem Mischer 46 wieder mit dem zweiten Teil des Restgases, welcher nicht durch den Schift-Reaktor 42 und dem nachfolgenden Molekularsieb 44 geleitet wurde, zusammengeführt. Das sich daraus ergebende Gasgemisch ist nunmehr sehr stark mit Wasserstoff angereichert. Dieses stark mit Wasserstoff angereicherte Gasgemisch wird sodann einem Synthese-Reaktor 48 zugeleitet. In dem Synthese Reaktor 48 können nun durch Verdichtung und geeignete Katalysatoren als Treibstoff taugliche Kohlenwasserstoffverbindungen hergestellt werden. Somit kann bspw. mit Hilfe eines CuZnO-Katalysators Methanol gewonnen werden. Eine Methanol-Synthese ist durch nachfolgende Reaktionsgleichungen gegeben: CO + 2H2 ↔ CH3OH CO2 + 3H2 ↔ CH3OH + H2O.
  • Zur Erzielung hoher Methanolausbeuten ist es dabei von Vorteil, dass das Gasgemisch in Bezug auf den CO2-Anteil einen hohen Wasserstoffanteil hat.
  • Mittels eines anderen geeigneten Katalysators ist es jedoch denkbar auch andere als Treibstoff taugliche Kohlenwasser stoffverbindungen herzustellen. Das dabei verbleibende Gas, was auch als Purge-Gas bezeichnet wird, welches in der Synthese nicht umgesetzt wurde, kann nunmehr als Kraftstoff bzw. Treibstoff für den Verbrennungsmotor 12 verwendet oder zur allothermen Beheizung des Steam-Reformers 32 eingesetzt werden. Der bei der Synthese entstandene Treibstoff wird einem Tank 50 zugeleitet. Das Purge-Gas des Verbrennungsmotors 12 besteht im wesentlichen aus CO, CO2, H2, N2 und CH4. Dieses Purge-Gas wird vor der Zuleitung zum Verbrennungsmotor 12 über eine Gasleitung 52 dem Gasmischer 24 zugeleitet, in welchem Sauerstoff oder Luft und dadurch auch eine geringe Menge an Stickstoff, Wasser in Form von Wasserdampf und, wenn erforderlich, eine steuerbare Menge des bei der Synthese hergestellten Treibstoffes zugeführt werden. Dabei dient der Treibstoff zum Heizwertausgleich, das Wasser zur Volumenfüllung und zur Innenkühlung als Wärmeträger. Die Gasmischung innerhalb des Gasmischers 24 wird in der Regel anhand der Abgastemperatur und der Leistung des Verbrennungsmotors 12 geregelt.
  • Innerhalb des offenen Kreislaufsystems 10 ist es ferner denkbar das Kondensat 37, welches bei Kühlung des Synthesegases in den Kühler 36 abgespalten wird, durch Abdestillation von Wasser zu befreien. Dabei bleibt ein Teer-Kondensat-Öl zurück, welches entweder entsorgt oder aber wiederum dem Verbrennungsmotor 12 im Nachverbrennungsprozess in Form einer Einspritzung zugeführt werden kann. Dabei werden bei hohen Verbrennungstemperaturen, die im allgemeinen höher als 2000°C liegen, in dem Teer-Kondensat-Öl enthaltene langkettige Kohlenwasserstoffverbindungen gespalten. Dabei ist zu beachten, dass ausreichend Wasser im Gasgemisch vorhanden ist. Andernfalls kann dem Teer-Kondensat-Öl noch ein Anteil Wasser vor der Einspritzung zugemischt werden.
  • Eine weitere Verwendung für das Teer-Kondensat-Öl ist eine Verbrennung sowohl allotherm als auch autotherm für den Steam-Reformer 32. Dabei erfolgt eine Verbrennung mit Hilfe von zugeführtem Sauerstoff bei hohen Temperaturen.
  • Somit entfallen innerhalb des offenen Kreislaufsystems 10 als Abfallstoffe lediglich CO2, H2O, N2 und etwas Asche 35. Die bei allen Verfahrensschritten anfallende Wärme kann für Heizzwecke genutzt werden.
  • Bei dem Verbrennungsmotor 12 kann ein Motor verwendet werden, welcher einem Viertakt-Otto-Motor entspricht, aber zusätzlich über ein Einspritzsystem, was üblicherweise bei Dieselmotoren verwendet wird, verfügt.
  • Der Verbrennungsmotor 12 kann dabei über mindestens einen Zylinder mit zwei Ventilen, einem Einlassventil und einem Auslassventil, die durch einen Mechanismus, wie bspw. eine Nockenwelle, jeweils zum richtigen Zeitpunkt geöffnet und geschlossen werden, verfügen. Eine Kurbel bewegt über eine sog. Pleuelstange einen Kolben im Zylinder des Verbrennungsmotors 12 auf und ab. Der Verbrennungsmotor 12 arbeitet gemäß vier Teilvorgängen, die als Takte bezeichnet werden. In einem ersten Takt wird ein dem Verbrennungsmotor 12 zugeführtes Gasgemisch aus Luft, Treibstoff und ggf. Wasser von einem Kolben des Verbrennungsmotors von einem Vergaser des Verbrennungsmotors in dem entsprechenden Zylinder angesaugt. In einem zweiten Takt wird das Gasgemisch durch den Kolben zusammengepresst, was einer Verdichtung entspricht. In einem dritten Takt wird das Gasgemisch durch einen Funken einer Zündkerze entzündet. Das Gasgemisch verbrennt explosionsartig, wobei Temperaturen größer als 2000° C entstehen können. Insbesondere bei Otto-Motoren, die ein stöchiometrisch ausgeglichenes Treibstoff-Sauerstoffverhältnis haben, können hohe Verbrennungstemperaturen im Brennraum des Verbrennungsmotors auftreten. Nach erfolgter Zündung mittels einer Zündkerze des Verbrennungsmotors und eingesetzter Verbrennung, kann nunmehr das Teer-Kondensat-Öl in den Brennraum des Verbrennungsmotors mit einem Einspritzsystem, das einer Dieseleinspritzung entsprechen kann, eingespritzt werden. Das Teer-Kondensat-Öl verfügt über sehr langkettige Kohlenwasserstoffverbindungen, die erst bei sehr hohen Temperaturen, im Allgemeinen erst oberhalb von 1300°C zerfallen. Derart hohe Temperaturen können extern nur schwer erzeugt werden, bzw. käme dies einem sehr hohen Energieaufwand gleich. Ferner würden damit nur insgesamt sehr schlechte Gesamtwirkungsgrade erreicht werden. Wird nun dieses Teer-Kondensat-Öl in den Brennraum des Verbrennungsmotors eingespritzt, so kann dessen Wärmeabgabe genutzt werden, wobei folgende chemische Reaktionen ablaufen. CnHm + nH2O = nCO + (m/2 + n)H2.
  • Diese chemischen Reaktionen sind endotherm, d.h. sie benötigen Wärme, wodurch das Gasgemisch abgekühlt wird. Bei einer derart vorgesehenen Betriebsweise des Verbrennungsmotors 12 wird ein hoher Schadstoffgehalt in Form von Kohlenmonoxid im Abgas in Kauf genommen. Dieser CO-Gehalt ist insofern willkommen, weil das Abgas nicht nach außen ausgepufft wird, sondern anschließend vollkommen zur Vergasung und zur Synthesegasproduktion herangezogen wird.
  • Bei der hier vorgeschlagenen Betriebsweise des Verbrennungsmotors 12 ist darauf zu achten, dass eine Einspritzung des Teer-Kondensat-Öls erst im sog. Arbeitstakt erfolgt, d.h. wenn sich der Kolben des Verbrennungsmotors nach unten bewegt und die Zündung des Gasgemisches mittels der Zündkerze erfolgt ist. Ferner muss der Sauerstoffanteil des Gasgemisches geringer sein als die gesamte Verbrennung benötigen würde, da ansonsten bei derart hohen Temperaturen der vorhandene Wasserstoff immer zu H2O reagieren und damit im Anschluss dem Synthesegas fehlen würde. Ferner ist darauf zu achten, dass genügend Wasserdampf im Gasgemisch vorhanden ist, der zum Aufspalten langkettiger Kohlenwasserstoffverbindungen des Teer-Kondensat-Öls nötig ist. Die Einspritzmenge sollte entsprechend dem Anfall von Teer-Kondensat-Öl und einer möglich erreichbaren Temperatur des Verbrennungsmotors regelbar sein.
  • Durch eine derartige Arbeitsweise des Verbrennungsmotors 12 kann in dem offenen Kreislaufsystem 10 die Energie optimal genutzt werden, wobei gleichzeitig nur wenige Produkte, die nicht weiter innerhalb des Kreislaufsystems verwendet werden können, entstehen.

Claims (15)

  1. Verfahren zur Umwandlung von Energie unter Verwendung von Biomasse in einem offenen Kreislauf, bei dem – eine steuerbare Menge Biomasse unter Zufuhr eines kohlendioxid- und wasserdampfhaltigen Abgases eines Verbrennungsmotors (12) zu einem kohlenmonoxid- und wasserstoffhaltigem Synthesegas vergast bzw. reduziert, – das Synthesegas unter Abscheidung eines Kondensats (37) und Bildung eines Restgases abgekühlt, – das Restgas steuerbar in einen ersten und einen zweiten Teil aufgeteilt, – der erste Teil des Restgases einer Shift-Reaktion unterzogen und anschließend durch einen Molekularsieb (44) unter Abtrennung von Wasserstoffgas geleitet und – das daraus resultierende Wasserstoffgas mit dem zweiten Teil des Restgases zur Synthese von als Treibstoff tauglichen Kohlenwasserstoffverbindungen zusammengeführt und – ein in der Synthese nicht umgesetzter Gasanteil wahlweise dem Verbrennungsmotor (12) als Brennstoff oder einer anderen Einheit als Heizmittel zugeleitet wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Synthesegas vor dem Abkühlen einem Steam-Reformer (32) zugeleitet und zusammen mit Wasser erhitzt wird, wobei in dem Synthesegas enthaltene Kohlenwasserstoffverbindungen unter Bildung von Kohlenmonoxid und Wasserstoff gespalten werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem in dem Steam-Reformer (32) ein Katalysator vorgesehen wird.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem bei der Synthese von als Treibstoff tauglichen Kohlenwasserstoffverbindungen in Abhängigkeit von dem zu synthetisierenden Treibstoff ein Katalysator aus der folgenden Gruppe eingesetzt wird: CuZnO-, Fe-, Co-, Ni- oder Pt-Katalysator.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem dem Verbrennungsmotor (12) ein regelbarer mit Gaszuleitungen ausgestatteter Gasmischer (24) zum Abgleich des Heizwertes des dem Verbrennungsmotor (12) zuzuleitenden Gases vorgeschaltet wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem als Verbrennungsmotor (12) ein mit einem Einspritzsystem ausgestatteter Ottomotor verwendet wird, wobei zum Einspritzen ein entsprechend aufbereiteter Anteil des Kondensats (37) verwendbar ist.
  7. Offenes Kreislaufsystem zur Umwandlung von Energie unter Verwendung von Biomasse, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, mit einem Verbrennungsmotor (12), einem dem Verbrennungsmotor (12) nachgeordneten thermo-chemischen Reaktor (26) zur Reduktion von in dem Verbrennungsmotor (12) erzeugtem kohlendioxid- und wasserdampfhaltigem Abgas zu einem Synthesegas, das Kohlenmonoxid und Wasserstoff enthält, einer Kühleinheit (36) zum Abkühlen des Synthesegases zu einem Restgas und unter Abscheidung eines Kondensats (37), einem Shift-Reaktor (42), einem dem Shift- Reaktor (42) nachgeordneten Molekularsieb (44) und einem Synthesereaktor (48), wobei ein steuerbarer den Shift-Reaktor (42) und das Molekularsieb (44) durchlaufender Teil des Restgases nach Durchlauf des Shift-Reaktors (42) und des Molekularsiebs (44) mit dem verbleibenden den Shift-Reaktor (42) und das Molekularsieb (44) umgehenden Teil des Restgases in dem Synthesereaktor (48) zur Synthese von als Treibstoff tauglichen Kohlenwasserstoffverbindungen wieder zusammenführbar und ein in der Synthese nicht umgesetzter Gasanteil wahlweise dem Verbrennungsmotor (12) als Brennstoff zuführbar ist.
  8. Kreislaufsystem nach Anspruch 7, bei dem eine Zuleitung der synthetisierten als Treibstoff tauglichen Kohlenwasserstoffverbindungen zu dem Verbrennungsmotor (12) vorgesehen ist.
  9. Kreislaufsystem nach einem der Ansprüche 7 oder 8, bei dem ein Treibstofftank (50) zur Speicherung des synthetisierten Treibstoffs vorgesehen ist.
  10. Kreislaufsystem nach einem der Ansprüche 7, 8 oder 9, bei dem mindestens ein Wärmespeicher zur Speicherung von in dem Kreislaufsystem (10) erzeugter Wärme vorgesehen ist.
  11. Kreislaufsystem nach einem der Ansprüche 7 bis 10, bei dem dem thermo-chemischen Reaktor (26) ein Steam-Reformer (32) nachgeordnet ist, in welchem in dem Synthesegas enthaltene Kohlenwasserstoffverbindungen unter Bildung von Kohlenmonoxid und Wasserstoff spaltbar sind.
  12. Kreislaufsystem nach einem der Ansprüche 7 bis 11, bei dem der Verbrennungsmotor (12) einem mit einem Einspritzsystem versehenen Otto-Motor entspricht, wobei eine Einspritzung mittels einem entsprechend aufbereitetem Anteil des Kondensats (37) durchführbar ist.
  13. Kreislaufsystem nach einem der Ansprüche 7 bis 12, bei dem dem Verbrennungsmotor (12) ein regelbarer mit Gaszuleitungen ausgestatteter Gasmischer (24) zum Abgleich des Heizwertes des dem Verbrennungsmotor (12) zuzuleitenden Gases vorgeschaltet ist.
  14. Kreislaufsystem nach einem der Ansprüche 7 bis 13, bei dem in dem Synthesereaktor (48) in Abhängigkeit von dem zu synthetisierenden Treibstoff ein Katalysator aus der folgenden Gruppe vorgesehen ist: CuZnO-, Fe-, Co-, Ni- oder Pt-Katalysator.
  15. Verbrennungsmotor zur Verwendung in einem Kreislaufsystem nach einem der Ansprüche 7 bis 14, der einen Vergaser und mindestens einen Zylinder mit einem darin auf- und abbewegbaren Kolben, einem Brennraum mit einem Ein- und einem Auslassventil und einer Zündung umfasst, wobei der Verbrennungsmotor zusätzlich ein Einspritzsystem aufweist, über welches nach einer erfolgten Zündung im Brennraum eine langkettige Kohlenwasserstoffverbindungen enthaltende Substanz zum Aufspalten der Kohlenwasserstoffverbindungen zugeführt werden kann.
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