Büro für Technikfolgen-Abschätzung beim Deutschen Bundestag

Christine Rösch • Detlef Wintzer

Vergasung und Pyrolyse von Biomasse

2. Sachstandsbericht zum Monitoring »Nachwachsende Rohstoffe«

TAB-Arbeitsbericht Nr. 049. Berlin 1997, 116 Seiten

Zusammenfassung

Die Vergasung von Biomasse stellt im Rahmen der zahlreichen Möglichkeiten zur energetischen Nutzung von Biomasse eine Energietechnik dar, die im Vergleich zu den konventionellen Verbrennungstechniken die folgenden, wesentlichen Vorteile aufweist:

• In Verbindung mit Gasmotoren oder Gasturbinen können durch die Biomassevergasung bei Kraft-Wärme-Kopplung deutlich höhere elektrische Wirkungsgrade von etwa 22-37 % erzielt werden, als dies bei der Biomasse-Verbrennung mit nachgeschalteter Dampferzeugung und Dampfturbine (15-18 %) möglich ist. Durch die Gasnutzung in Brennstoffzellen können auch in kleinen Einheiten und im Teillastbetrieb hohe elektrische Gesamtwirkungsgrade von 25-50 % erreicht werden.
• Aufgrund der besseren energetischen Nutzung pro eingesetzter Biomasseeinheit sind die CO₂-Einsparungspotentiale größer als bei der Verbrennung. Die Bildung von NO_X-Verbindungen kann weitgehend unterbunden und die Schadstoffreinigung für verschiedene Substanzen einfacher gestaltet werden. Der Vorteil bei den NO_X kann allerdings bei der späteren Gasverwendung in Gasmotoren oder Gasturbinen teilweise wieder verloren gehen. Bei der Gasnutzung in Brennstoffzellen ist mit erheblich geringeren Emissionen an NO_X, CO und Kohlenwasserstoffen zu rechnen als bei den thermomechanischen Verfahren der Gasnutzung.

Bei der Pyrolyse von Biomasse werden drei verschiedene Energieprodukte in unterschiedlichen Mengen erzeugt: der Pyrolysekoks, die Pyrolyseöle und das Pyrolysegas. Mit der Flash-Pyrolyse können hohe Ölausbeuten erzielt werden. Wegen des erforderlichen großen Aufwands zur Aufbereitung der Pyrolyseöle erscheint deren, energetische Nutzung gegenwärtig weniger aussichtsreich. Die Pyrolyse als erste Stufe eines zweistufigen Vergasers für Stroh und andere technisch schwieriger zu vergasende Agrobrennstoffe verdient jedoch Aufmerksamkeit.

Bei den meisten Verfahren zur Biomassevergasung wird Luft als Vergasungsmittel eingesetzt und ein niederkaloriges Schwachgas (3-5 MJ/m³) erzeugt. Diese Schwachgase können nach einer Gasreinigung und ggf. Gasabkühlung motorisch genutzt oder in Gasturbinen eingesetzt werden. Für Gasturbinen mit nachgeschalteter Dampfturbine (GuD-Anlagen) sind mittelkalorige Gase (12-15 MJ/m³) günstiger als Schwachgase. Im Falle der Dampfeinspritzung in den Brenner der Gasturbine (Cheng-Prozeß) werden zumindest mittelkalorige Gase gebraucht. Auch im Falle einer Methanol- oder Wasserstoffgewinnung aus fester Biomasse oder einer Gasnutzung in Niedertemperatur-Brennstoffzellen müssen entweder Vergaser verwendet werden, die mit hochangereichertem Sauerstoff und Wasserdampf arbeiten, oder es müssen allotherme Vergaser mit Wasserdampf als Vergasungsmittel herangezogen werden, um das hierfür benötigte wasserstoffreiche, mittelkalorige Rohgas zu erzeugen.

Die Vergasung von Holz und holzartigen Rest- und Abfallstoffen in Festbett- oder Wirbelschichtvergasern und die Gasnutzung zur Wärmeerzeugung ist Stand der Technik. Die überwiegend in den skandinavischen Ländern eingesetzten Holzvergaser dienen nahezu ausschließlich der Wärmeerzeugung. Die technisch deutlich schwierigere Vergasung von Stroh und anderen festen Agrobrennstoffen, die meist höhere Konzentrationen an Stickstoff, Schwefel, Chlor und Alkalimetallen enthalten als Holz, befindet sich dagegen noch in einer frühen Forschungs- und Entwicklungsphase. Eine Intensivierung der Entwicklung von Vergasungstechniken für halmartige Biomassearten ist ein lohnenswertes Ziel, da das Aufkommenspotential dieser Brennstoffgruppe vergleichsweise groß ist.

Eine gründliche Gasreinigung und eine optimale Anpassung des Gases aus der Biomassevergasung an die jeweiligen Anforderungen der Anlagen zur Gasnutzung sind die Voraussetzungen zur Gasnutzung in Gasmotoren, Gasturbinen oder Brennstoffzellen. Durch Erhöhung der Gastemperatur oder durch Katalysatoren können die Teerverbindungen inzwischen relativ wirksam gespalten werden. Eine Lösung des vor allem bei Biobrennstoffen bestehenden Teerproblems mit wirtschaftlich vertretbarem Aufwand gibt es jedoch auch für Holzvergaser noch nicht. Von den auf dem Markt angebotenen Vergasertypen sind bislang keine in Verbindung mit motorischer Gasnutzung in Blockheizkraftwerken (BHKW) im Dauerbetrieb erfolgreich getestet worden.

Im Rahmen von EU-Demonstrations-Projekten werden GuD-Anlagen der Größenklasse ab 5 MW_el mit integrierter Biomasse-Wirbelschichtvergasung errichtet. Bei den geplanten Biomassevergasern handelt es sich sowohl um atmosphärische als auch um unter erhöhtem Druck (bis 20 bar) betriebene Vergaser mit nachfolgender Kalt- oder Heißgasreinigung. Mit der Druckvergasung können höhere elektrische Gesamtwirkungsgrade erreicht werden. Dem stehen jedoch erhöhte technisch-ökonomische Aufwendungen zum Eintrag der Biomasse in den Vergaser und mögliche Schwierigkeiten bei der Gasreinigung gegenüber.

Für Anlagen mit einer Leistung von 3-20 MW_el erscheint die Stromerzeugung über Gasturbinen und Cheng-Kreislauf oder in GuD-Anlagen mit vorangeschalteter Biomasse-Wirbelschichtvergasung unter atmosphärischem Druck aus technisch-ökonomischer Sicht die derzeit aussichtsreichste Technik. Für BHKW bis etwa 2 MW_el ist die Gasnutzung in Gasmotoren gegenwärtig interessanter als die Gasturbine. Wegen der Probleme bei der Brennstoffbeschaffung und Logistik kommen Anlagen über etwa 30 MW_el für die Biomassevergasung in Deutschland kaum in Frage.

In Deutschland und in einigen anderen Ländern wird gegenwärtig die Mitverbrennung von Biomasse in vorhandenen großen Kohlekraftwerken (> 100 MW_el) untersucht. Die Integration von Vergasungsanlagen für Biomasse in Kohlekraftwerke hätte gegenüber ausschließlich mit Biomasse betriebenen Vergasungsanlagen den Vorteil, daß die Flexibilität gegenüber saisonalen Schwankungen bei der Verfügbarkeit der Biobrennstoffe größer ist, und daß der erforderliche Investitionsaufwand für die Biomassevergasung geringer ist.

Im Falle einer Gasnutzung in Brennstoffzellen erscheinen die Polymermembran-Brennstoffzellen (Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC) und die Hochtemperatur-Brennstoffzellen (Karbonatschmelze-Brennstoffzelle und Oxidkeramische Brennstoffzelle; Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC, und Solid Oxide Fuel Cell, SOFC) wegen ihrer höheren elektrischen Gesamtwirkungsgrade auf längere Sicht attraktiver als die Phosphorsaure Brennstoffzelle (Phosphoric Acid Fuel Cell, PAFC). Bei einer Stromerzeugung in Hochtemperatur-Brennstoffzellen mit integrierter Biomassevergasung zur Brennstoffbereitstellung ergeben sich außerdem die Vorteile, daß auf eine apparativ getrennte CO-Shiftreaktion vor dem Gaseintritt in die Brennstoffzelle verzichtet und die Abwärme auf einem hohen Temperaturniveau ausgekoppelt werden kann. Für die PEMFC und die MCFC, die an der Schwelle zur Demonstrationsphase stehen, wird innerhalb der nächsten Jahre von einigen Firmen der Schritt in eine Kleinserienproduktion angestrebt.

Obwohl bei jeder der genannten Brennstoffzellentypen in den vergangenen Jahren erhebliche Fortschritte bei der Technologieentwicklung gemacht wurden, bleiben bei allen drei Typen noch mehrere wichtige technische Probleme zu überwinden. Es wird sich noch erweisen müssen, welcher Typ am besten und am schnellsten mit diesen Problemen fertig wird. Der Beginn einer Serienproduktion dürfte in allen Fällen die gegenwärtig gegenüber anderen Gasverwendungsarten bestehenden Kostennachteile deutlich verringern. Um die technische Reife von Brennstoffzellensystemen mit integrierter Biomassevergasung zu erreichen, sind jedoch noch umfangreiche FuE-Arbeiten erforderlich, die sich nicht auf die Brennstoffzellentechnologien beschränken.

Unter den gegenwärtigen energiewirtschaftlichen Rahmenbedingungen besteht für Anlagenhersteller und potentielle Betreiberfirmen wenig Motivation, die Forschung und Entwicklung größtenteils mit eigenen Mitteln voranzutreiben. In dieser Situation ist nicht nur die Förderung von anwendungsbezogenen Demonstrationsprojekten, sondern auch von Forschung und Entwicklung im Bereich der Vergasung, Gasreinigung und Gasverwendung Voraussetzung für eine Belebung der Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten. Es wird angeregt, weitere Forschungs-, Entwicklungs- und Demonstrationsvorhaben prioritär in den folgenden Bereichen zu fördern:

• Demonstration eines störungsarmen Anlagenbetriebs mit einem integrierten Verfahren zur Biomassevergasung (zunächst Holz), einem Gasreinigungssystem und einer Gasnutzung in Gasmotoren und Gasturbinen im Dauerbetrieb in technischen Versuchsanlagen und danach in Demonstrationsanlagen
• Entwicklung und technische Demonstration von Vergasern für Stroh und andere halmartige Biomassen und zugehörige Gasreinigungsverfahren
• Integration von Anlagen zur Vergasung oder Pyrolyse von Biomasse in bestehende größere Kohlekraftwerke
• Experimentelle Prüfung der Verknüpfung von Verfahren zur Vergasung von Biomasse, zur Gasreinigung und zur Gasnutzung in Brennstoffzellen

Aussagen zur Wirtschaftlichkeit von Anlagen mit integrierter Biomassevergasung sind gegenwärtig nur mit Vorbehalten möglich, da sie noch nicht durch Praxisanlagen im Dauerbetrieb gestützt werden können. Die Vergasung von Biomasse hat gegenwärtig eine noch ungünstigere wirtschaftliche Ausgangsposition als die energetische Biomasseverwertung über die Verbrennung, da die technisch interessanten Vergasungssysteme in der Entwicklungs- und Demonstrationsphase stecken. Es zeichnet sich jedoch ab, daß technische Fortschritte bei der Entwicklung zuverlässiger Systeme zur Biomassevergasung und effizienten Gasnutzung auch zu wirtschaftlichen Vorteilen gegenüber der Verbrennung führen können. Sie können die Wärme- und Stromgewinnung aus Biomasse jedoch nur dann über die Wirtschaftlichkeitsschwelle heben, wenn sich die Rahmenbedingungen spürbar ändern, beispielsweise durch eine stärkere finanzielle Honorierung der mit der energetischen Nutzung von Biomasse verbundenen Umweltvorteile. Andernfalls wird sich der Markt für Biomassevergaser in Deutschland und in Europa auf absehbare Zeit auf die Behandlung organischer Abfälle (z.B. Prozeßrückstände aus der Zellstoff-, Papier- und Zuckerindustrie) beschränken.