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Technisches Gebiet
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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Verringerung des CO2-Gehalts in der Luft durch Erzeugung von
verkohlter Biomasse. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren
zur Verringerung des CO2-Gehalts in der
Luft durch Erzeugung von verkohlter Biomasse mit den Schritten:
- (a) Erzeugung von Biomasse durch Photosynthese
unter Verringerung des CO2-Gehalts in der
Luft
- (b) Zuführen der Biomasse in eine Pyrolyseeinrichtung,
- (c) Umsetzung der Biomasse in ein Verkohlungsprodukt, und
- (d) Dauerhaftes Lager zumindest eines Teils des Verkohlungsprodukts
ohne Entwicklung von Treibhausgasen.
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Die übermäßige
CO2-Erzeugung z. B. bei der Verbrennung
von fossilen Brennstoffen gilt als Verursacher des sogenannten Treibhauseffektes.
Mit Treibhauseffekt wird die globale Erderwärmung beschrieben,
welche zu einer nachhaltigen Klimaveränderung führt.
Nach dem Kyoto-Protokall von 1997 zur ausgestaltung der Klimarahmenkonvention
UNFCCC der Vereinten Nationen zum Klimaschutz werden verbindliche
Zielwerte für den Ausstoß von Treibhausgasen,
insbesondere auch Kohlendioxid (CO2) festgelegt.
Ziel derzeitiger Bestrebungen ist es, CO2-Emissionen
zu verringern. Zu diesem Zweck werden Anstrengungen unternommen,
den Energiebedarf zu verringern, etwa durch Kraftfahrzeuge mit geringerem
Kraftstoffverbrauch oder durch die Wärmeisolierung von
Gebäuden. Weiterhin werden sogenannte CO2-neutrale,
nicht-fossile Brennstoffe eingesetzt. Diese aus Biomasse, zum Beispiel
Holz, Mais oder Raps, erzeugten Brennstoffe bilden bei der Verbrennung
ebenfalls CO2. Dieses wurde zuvor durch
Photosynthese aus der Atmosphäre gebunden. Die bekannten
Maßnahmen sind bestenfalls CO2 neutral. Eine
Reduzierung des CO2-Gehalts in der Atmosphäre
ist lediglich durch Neubepflanzung möglich.
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Stand der Technik
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Aus
der Veröffentlichung W.Seifritz, „Should we
store Carbon in Charcoal" Int. J.Hydrogen Energy, Bd 18, Nr. 5,
405 (1993) ist es bekannt, den CO2-Gehalt
in der Atmosphäre zu reduzieren, indem Holzkohle im Batchbetrieb
in Holzkohlemeilern erzeugt und dauerhaft gelagert wird. Holzkohle
verrottet nicht unter CO2-Bildung und ist
somit dauerhaft lagerbar.
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Die
WO 01/18151 A1 (Schenck)
offenbart ein Verfahren zur Speicherung von Solarenergie unter Verminderung
des CO
2-Anteils der Luft. Auch hier wird
Holzkohle aus Holz erzeugt und der überwiegende Teil dauerhaft,
zum Beispiel in Bunker, Kohle, Erz oder Salzbergwerken gelagert.
Die Herstellung der Holzkohle erfolgt im Batch-Betrieb nach bekannten Verfahren.
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Aus
der Herstellung von Biokraftstoffen ist die Verwendung von sogenannten „Energiepflanzen" bekannt.
Derartige Pflanzen sind zum Beispiel Mais, Raps, Futterrüben,
Hanf, Chinaschilf, Zuckerrohr, Algen und schnell-wachsende Bäume,
wie Pappeln und Weiden. Ein Bioreaktor zur Erzeugung von Biokraftstoff
ist zum Beispiel von gs-Cleantech (http://www.gs-cleantech.com/product_desc.php?mode=3
am 22. März 2007) bekannt.
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Bei
bekannten Verfahren und Vorrichtungen erfolgt die Pyrolyse der Biomasse
im Batchbetrieb, d. h. diskontinuierlich, wie es etwa in der
DE 29 52 307 A1 für
zerkleinertes Holz beschrieben ist. Die Druckschrift offenbart ferner
eine kontinuierliche Ausgestaltung eines Pyrolyseverfahrens durch
Hintereinanderschalten mehrerer Apparaturen mit verschiedenen Phasen.
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Nachteilig
bei bekannten Verfahren und Vorrichtungen ist es, dass der Batch-Betrieb
nicht für Mengen geeignet ist, die zu einer nennenswerten
Reduzierung des CO2-Gehalts in der Atmosphäre
führen.
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Weiterhin
erfolgt die Verkohlung der Biomasse im Allgemeinen drucklos und
unter Luftatmosphäre. Bei diesen Bedingungen entstehen
unerwünschte Teerprodukte. Außerdem entstehen
Gase, die bei Vorhandensein von Sauerstoff in der Luft zu einer
erheblichen Explosionsgefahr führen.
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Offenbarung der Erfindung
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zu
schaffen, mit welcher der CO2-Gehalt in
der Luft in großen Mengen und ohne Gefahr durch Erzeugung
verkohlter Biomasse reduziert werden kann.
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Erfindungsgemäß wird
die Aufgabe mit einer Vorrichtung der eingangs genannten Art gelöst
enthaltend:
- (a) eine Pyrolyseeinrichtung; und
- (b) eine Förderstrecke zur kontinuierlichen Förderung
von Biomasse durch die Pyrolyseeinrichtung; wobei
- (c) die Förderstrecke eine Vielzahl von Kanälen zum
Fördern von Biomasse unter Druck aufweist.
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Eine
solche Vorrichtung arbeitet im kontinuierlichen Betrieb. Die Förderstrecke
läuft durch eine Pyrolyseeinrichtung, in welcher die Biomasse
in einer Vielzahl von Kanälen unter erhöhtem Druck
verkohlt wird. Die Biomasse erreicht in den Kanälen eine
erhebliche Dichte. Da die Biomasse in den Kanälen nicht
mit zusätzlichem Sauerstoff in Verbindung kommt, wird die
Explosionsgefahr erheblich verringert. Auch die Bildung unerwünschter
Nebenprodukte, wie Teer oder dergleichen wird vermieden.
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Die
Vorrichtung eignet sich besonders für Biomasse, anders
als das in bekannten Holzkohlemeilern eingesetzte Holz, keine Holzanteile
aufweist. Die Vorrichtung ist also insbesondere für die
Verwendung von schnellwachsenden Energiepflanzen geeignet. Dies
Pflanzen können ggf. nach einfacher Zerkleinerung in einem
Schredder direkt auf die Förderstrecke gegeben werden.
Mit einer Förderschnecke kann die Biomasse in die Kanäle
gedrückt werden.
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Vorzugsweise
sind die Kanäle mit lateralen Öffnungen zum Auslassen
von Pyrolysegas versehen. Das Pyrolysegas kann dann aufgefangen
und weiter verwendet werden. Insbesondere können die Öffnungen
in einer gemeinsamen Auffangvorrichtung münden. Die Auffangvorrichtung
kann über einen Kanal mit einem Brenner für die
Wärmeversorgung der Pyrolyseeinrichtung verbunden sein.
Auf diese Weise wird zumindest ein Teil der Pyrolysegase zur Beheizung
der Pyrolyseeinrichtung verwendet. Es besteht natürlich
auch die Möglichkeit, die Pyrolysegase zu verflüssigen
und anderen Verwendungen zuzuführen.
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In
einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist ein
von dem heißen Abgas des Brenners beaufschlagten Wärmetauscher
zur Vorwärmung der den Brenner mit Sauerstoff versorgenden
Umgebungsluft vorgesehen. In dem Brenner wird neben einem Brennstoff
auch Sauerstoff benötigt. Dieser Sauerstoff wird aus der
Umgebungsluft zugeführt. Durch Vorwärmung der
Umgebungsluft in dem Wärmetauscher kann der Energiebedarf
der Pyrolyseeinrichtung weiter gesenkt werden.
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Die
Umgebungsluft kann dem Brenner über einen Zufuhrkanal erfolgen.
Vorzugsweise ist der Zufuhrkanal für Umgebungsluft zum
Brenner über den Endbereich der Förderstrecke
zur Kühlung der verkohlten Biomasse geführt. Die
Umgebungsluft nimmt also zunächst die Wärme des
Verkohlungsprodukts am Ende der Förderstrecke auf. Dabei
kühlt das Verkohlungsprodukt in erwünschter Weise
ab. Anschließend wird die Umgebungsluft durch den Wärmetauscher
geleitet, wo sie weiter erhitzt wird. Erst dann wird die heiße
Luft dem Brenner zugeführt.
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In
einer Ausgestaltung der Erfindung sind Mittel zur Versorgung des
Brenners mit zusätzlichem oder alternativem Brennstoff
vorgesehen. Diese Versorgung mit zusätzlichem oder alternativem
Brennstoff erlaubt die Beeinflussung des Brennverhaltens im Brenner
und ein einfaches Starten der Pyrolysereaktion auf der Förderstrecke.
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Vorzugsweise
weist die Förderstrecke eine Förderschnecke auf,
welcher Biomasse kontinuierlich zuführbar und die Biomasse
mit der gemeinsamen Förderschnecke in die Kanäle
pressbar ist.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren zur Verringerung des
CO2-Gehalts in der Luft durch Erzeugung von
verkohlter Biomasse löst die Aufgabe dadurch, dass
- (e) die Biomasse der Pyrolyseeinrichtung kontinuierlich
zugeführt wird und
- (f) die Biomasse überwiegend aus C4-Pflanzen oder Getreide
gebildet sind.
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Die
Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass gerade die Biomasse, die
für den großtechnischen Maßstab eine
hohe Effizienz bezüglich der Bindung von Kohlenstoff aufweist,
auch für den kontinuierlichen Betrieb einer Pyrolyseeinrichtung
besonders gut geeignet ist.
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Bekannte
Verfahren sind für den erforderlichen großtechnischen
Maßstab ungeeignet. Der kontinuierliche Betrieb mit C4-Kohlenstoff-bindenden Pflanzen
führt zu einer wesentlich höheren CO2-Bindungsrate
bei gleicher Anbaufläche. Dabei erfolgt die Umsetzung der
Biomasse vorzugsweise unter einem gegenüber Umgebungsdruck
erhöhten Druck und unter weitgehendem Luftabschluss. Dies
vermeidet die Explosionsgefahr und unerwünschte Nebenprodukte.
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In
einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist die
Biomasse einen Wasseranteil unterhalb von 25 Gew.-%, insbesondere
unterhalb von 12 Gew.-% auf. Biomasse mit einem geringen Wasseranteil
haben einen einen hohen Kohlenstoffgehalt und müssen vor
der Verkohlung nicht getrocknet werden. Weiterhin ist der Wasserbedarf beim
Anbau gering. Da gerade in sonnenreichen Regionen häufig
Wasserknappheit herrscht, ist gerade wasserarme Biomasse besonders
kostengünstig anbaubar, denn die Sonneneinstrahlung bewirkt
eine hohe Wachstumsrate und CO2-Bindung.
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Vorzugsweise
ist die Biomasse ausgewählt aus der Gruppe der C4-Pflanzen:
Bambus, Algen, Mais, Sorgho, Gräser, Getreide, Raps. Unter C4-Pflanzen
werden Pflanzen verstanden, die im Vergleich zu C3-Pflanzen eine
schnellere Photosynthese bei mehr Wärme und Licht (aber
u. U. kürzeren Tagen) durchführen und bei denen
sich ein weiterer Weg zur CO2-Fixierung
entwickelt hat. Besonders bevorzugt wird Weizen verwendet. Alternativ
wird die Alge Sargossum muticum besonders bevorzugt. In einer weiteren,
bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Biomasse Switchgrass
oder E-Grass.
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Vorzugsweise
ist die Biomasse aus Pflanzen ohne Früchte gebildet. Die
Früchte können einer Verwendung zu Ernährungszwecken
oder dergleichen verwendet werden. Dies vermeidet den Mangel an Anbaufläche.
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Vorzugsweise
wird die Biomasse nach der ersten Wachstumsphase geerntet. Dadurch
wird die Wirtschaftlichkeit der Anbaufläche erhöht.
Die Menge an gebundenem CO2 ist bei jungen
Pflanzen höher als bei alten Pflanzen.
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In
einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird das
Verkohlungsprodukt an ehemaligen Kohle-Lagerstätten dauerhaft
gelagert.
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Ausgestaltungen
der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Ein Ausführungsbeispiel ist
nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
näher erläutert.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist
eine schematische Seitenansicht einer Vorrichtung zur Erzeugung
verkohlter Biomasse mit kontinuierlichem Betrieb.
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2 ist
eine Draufsicht auf die Förderstrecke der Vorrichtung aus 1.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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Zur
Verringerung des CO2-Gehalts in der Atmosphäre
in Klima-relevantem Umfang wird Biomasse auf einer üblichen
Anbaufläche angebaut. Die Biomasse besteht nicht aus Holz,
sondern aus C4-Pflanzen, beispielsweise Weizen und Bambus. Je nach
Region werden in Äquatornähe Pflanzen mit geringem
Wasserbedarf und geringem Wassergehalt verwendet. Die Pflanzen werden
unmittelbar nach der ersten Wachstumsperiode geernet. Anschließend
wird neue Biomasse gesät bzw. gepflanzt.
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Ein
Teil der Biomasse ist die Alge Sargossum muticum. Diese Alge wird
im Meer, insbesondere in Regionen mit hoher Sonneneinstrahlung aus
Wasser mit unerwünscht hohem Nitrat- und Phosphatgehalt gewonnen
und getrocknet.
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Eine
Vorbehandlung, wie zersägen oder dergleichen, wie dies
bei Holz der Fall ist, ist nicht erforderlich. Die Biomasse wird
in einem einfachen Schredder zerkleinert. Die zerkleinerten Pflanzen 10 werden über
einen Trichter 12 in eine Verkohlungseinrichtung 14 zugeführt.
Dies kann über übliche Fördereinrichtungen
erfolgen. Der Trichter 12 mündet in einem Gehäuse 16.
In dem Gehäuse 16 ist eine schematisch dargestellte
Förderschnecke 18 vorgesehen. Die rotierende Förderschnecke 18 fördert
die Biomasse in Richtung einer Pyrolysestrecke 20. Ein Auslass 22 für
eventuell vorhandene Flüssigkeit in der Biomasse ist am
entgegengesetzten Ende der Förderschnecke 18 im
Gehäuse 16 vorgesehen.
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Die
Pyrolysestrecke 20 ist in 2 in einer Draufsicht
dargestellt. Man erkennt, dass sich das Gehäuse 16 am
Ende der Förderschnecke 16 aufweitet und in einer
Vielzahl von Kanälen 24 mündet. Die Biomasse
wird durch diese vergleichsweise engen Kanäle gepresst.
Dadurch baut sich ein gegenüber Umgebungsdruck erhöhter
Druck im Inneren auf.
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Der
eingangsseitige Teil 26 der Kanäle 24 ist beheizt.
Zu diesem Zweck ist ein Brenner 28 vorgesehen. Das von
dem Brenner erzeugte heiße Abgas hat eine Temperatur im
Bereich von 500°C. Bei dieser Temperatur erfolgt eine Pyrolyse
der Biomasse. Die Biomasse verkohlt zu festem Kohlenstoff und Pyrolysegasen.
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Entlang
der Pyrolysestrecke 20 weisen die Kanäle Öffnungen 30 auf.
Diese Öffnungen münden in einer Auffangeinrichtung 32.
Die Auffangeinrichtung 32 mündet in einem Rohr 34.
Die bei der Pyrolyse der Biomasse freiwerdenden Pyrolysegase treten
durch die Öffnungen 30 aus den Kanälen 24 aus und
werden in der Auffangeinrichtung 32 aufgefangen. Im vorliegenden
Ausführungsbeispiel werden die brennbaren Pyrolysegase
unmittelbar zum Betrieb des Brenners 28 genutzt und in
diesen eingespeist.
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Über
ein Ventil 34 ist der Brenner 28 weiterhin über
eine Zuleitung 36 mit einem Brennstoffreservoir (nicht
dargestellt) verbunden. Durch geeignete Steuerung des Ventils kann
somit bei Bedarf zusätzlicher oder alternativer Brennstoff
zugeführt werden.
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Die
in dem Brenner 28 erzeugten heißen Abgase dienen
zunächst der Beheizung der Pyrolysestrecke 20.
Sie werden dann in einem Abzug 38 aufgefangen. Dieser Abzug 38 beaufschlagt
einen Wärmetauscher 40. Die in den sauerstoff-armen
Abgasen enthaltene Restwärme wird in dem Wärmetauscher 40 auf
die dem Brenner 28 zugeführte, sauerstoffreiche
Frischluft übertragen. Anschließend werden die
Abgase 44 an die Umwelt abgegeben.
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Die
Frischluft, symbolisiert durch Pfeile 42, wird über
eine Frischluftzufuhr 46 in der Anlage 14 aufgenommen.
Bei Bedarf wird hier ein Ventilator oder dergleichen eingesetzt.
Die kalte Frischluft beaufschlagt den ausgansseitigen Teil 48 der
Kanäle 24. Auf diese Weise wird zum einen eine
Vorwärmung der Frischluft erreicht. Zum anderen wird die verkohlte
Biomasse vor dem Verlassen der Vorrichtung abgekühlt. Die
vorgewärmte Frischluft wird in dem Wärmetauscher 40 auf
oben beschriebene Weise weiter erwärmt. Dadurch arbeitet
die Vorrichtung besonders energiearm.
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Nicht
genutztes Pyrolysegas wird aus dem Rohr 34 abgezweigt,
verflüssigt und steht anschließend nach fraktionierter
Destillation zur weiteren Verwendung zur Verfügung.
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Die
Biomasse wird im ersten Teil der Kanäle 24 verkohlt.
Dabei entsteht ein Verkohlungsprodukt, das überwiegend
aus ungebundenem Kohlenstoff besteht. Das Verkohlungsprodukt wird
abgekühlt und tritt am Ende 50 aus der Vorrichtung
aus. Dort wird es gesammelt. Da der Pyrolyseprozess weitgehend sauerstofffrei
erfolgt, besteht keine Gefahr der Reaktion mit den Pyrolysegasen.
Entsprechend wird die Explosionsgefahr vermieden. Der in den Kanälen 24 aufgebaute
erhöhte Druck bewirkt die Bildung besonders erwünschter
Pyrolyseprodukte und vermeidet die Bildung von langkettigen Teeren
und dergleichen.
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Das
Verkohlungsprodukt wird in Kohlebergwerken als Lagerstätten
dauerhaft gelagert. Es versteht sich, dass Teile des Verkohlungsproduktes
als Energiereserve dienen kann oder als Austauschprodukt für
vorhandene, natürliche Kohlereserven, die dann ungefördert
unter Tage verbleibt.
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Die
dauerhafte Lagerung führt zur Effektiven Reduktion des
CO2-Gehalts in der Luft. Die Möglichkeit
des großtechnischen Einsatzes von Biomasse mit hoher CO2-Bindungsfähigkeit erlaubt somit
die Reduktion in klimarelevantem Maßstab.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - WO 01/18151
A1 [0004]
- - DE 2952307 A1 [0006]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - W.Seifritz, „Should
we store Carbon in Charcoal" Int. J.Hydrogen Energy, Bd 18, Nr.
5, 405 (1993) [0003]
- - http://www.gs-cleantech.com/product_desc.php?mode=3 am 22. März
2007 [0005]