EE+BIO

Wasserdampf mit externer Wärmezufuhr, also allotherm oder mit Wasserdampf angereicherte Luft.

Biomasse wird pyrolysiert zu Gas und Koks, Gasfraktion mit Teer wird zu CO2 verbrannt und anschliessend Reduktion des Kokses zu CO verwendet. Da die Teere zu CO2 oxidiert werden und der Koks keine oranischen Substanzen mehr enthält, kann theoretisch ein nahezu teerfreies Gas produziert werden. Eine motorische Nutzun ist damit problemlos möglich, in Grossanlagen kann die gestufte Vergasung auch als Ausgangsverfahren zur Synthese weitere Verbindungen dienen. 

Erste Generation: Durch etablierte physikalische und biologische Verfahren hergestellte Biotreibstoffe, nämlich: Physikalische:  Pflanzenöle und Pflanzenmethylester (PME RME)- Biologisch: Alkoholische Gärung von Zucker und Stärke zu Ethanol, Anaerobe Vergärung ligninfreier Biomasse zu Biogas. 

Zweite Generation: Mit der zweiten Generation werden einerseits Synthesetreibstoffe bezeichnet, die durch Vergasung hergestellt werden können. Die bietet den Vorteil, dass theoretisch jedes Ausgangsmaterial genutzt werden kann. Produkte sind synthetisch hergestelltes Benzin und Diesel. Daneben wird auch Wasserstoff sowie synthetisch via Vergasung hergestelltes Erdgas zu den Biotreibstoffen zweiter Generation gezählt.
Daneben wird aber oft auch Ethanol aus Zellulose zur zweiten Generation gezählt, weil dies als neue Entwicklung gilt. Da die Unterscheidung auf der histroischen Entwicklung basiert, ist sie nicht völlig logisch und klar.

Biogas besteht aus Methan CH4 und Kohlendioxid CO2 etwa im Verhältnis 2/1. Daneben enthält es Spuren von H2S, H2 und N2

. Reaktionsgleichung und Reaktionsbedingungen der Biogasgewinnung:
Je nach Bakteriengruppe bei 35°C (mesophil 20–45°C) oder bei 57°C (thermophil > 45°C),
t > 3..30 d, O2=0, H2O im Überschuss, Bakterien sowie N und P sind notwendig mit C:N = 25...50.
Am Beispiel von Buttersäure:
C4H8O2 + H2O → 2.5 CH4 + 1.5 CO2

Für CH1.4O0.7 (als typische Biomasse, hier jedoch nicht Holz, da Lignin kaum vergärbar ist):
CH1.4O0.7 + 0.3 H2O → 0.5 CH4 + 0.5 CO2

Siehe Bild

RME= Rapsmethylester, Ausgangsstoffe sind Rapsöl 90% und Methanol 10%, Produkte sind RME (90%) und Glycerin (10%). Methanol ist heute fossilen Ursprungs, Glycerin kann als Tierfutter werwendet werden.

Dieselmotoren könnten an sich mit reinem Pflanenöl betrieben werden, dazu wäre aber Anpassungen notwendig. Das Pflanzenöl hat eine höhere Viskosität und es kann zu einer Verkorkung der Kolbenoberfläche führen, weshalb spezielle Motoren erforderlich sind. Aus diesem Grund wird RME hergestellt, da dies dem Dieseltreibstoff ähnliche Eigenschaften hat.

. Glucose + Hefe-Enzyme als Bio-Katalysator in wässriger Lösung bilden Ethanol und CO2:
C6H12O6 → 2 C2H6O + 2 CO2

Zucker und Stärke. Von Interesse ist die Nutzung von Zellulose, da dadurch ein viel grösserer Teil
der Pflanzen genutzt und die Ausbeute deutlich erhöht werden kann. Zudem ist theoretisch möglich,
die als Nahrung nutzbaren Teile, also Zucker oder Maiskörner, als Nahrung zu verwerten und
die nicht essbaren Pflanzenteile in Biotreibstoffe umzuwandeln. Bei Mais ist dies allerdings heute
bereits technisch möglich via Vergärung zu Biogas. Dennoch wird auch bei Treibstoff aus Mais
zum Beispiel in Deutschland heute keine Trennung zwischen essbar und unessbar gemacht,
sondern die Produktion allein auf die Treibstoffe ausgelegt

In flüssiger Phase. Nebenprodukte sind die Bagasse (bei Zuckerrohr) oder ähnliche feste
Rückstände sowie grosse Mengen (verunreinigtes) Abwasser.

Holz besteht aus Zellulose, Hemizellulose und Lignin. Zellulose und Hemizellulose sind aus Glucose-Einheiten
aufgebaut. Durch Aufschluss in wässriger Lösung und mit Säure sowie Druck und
Temperatur kann Zellulose in Glucose zerlegt werden, was als „Verzuckerung“ bezeichnet wird.
Mit Holzverzuckerung ist dieser Prozess gemeint, wobei mit „Zucker“ hier die Glucose („Traubenzucker“)
gemeint ist und nicht das gesamte Holz (also nicht das Lignin) zu Zucker umgewandelt
wird. Lignin kann als Kleber oder Leim oder als Chemierohstoff verwendet werden.

Zur Erzeugung der Ausgangsstoffe zur Herstellung synthetischer Treibstoffe kommt die Vergasung
zum Einsatz. Aufgrund der Anlagengrösse kommen in erster Linie Wirbelschicht- und Flugstromverfahren
zum Einsatz. Die Anlagen werden vorzugsweise nicht mit Luft betrieben, da dies
eine für die Synthese unerwünschte Verdünnung des Produktgases mit N2 zur Folge hat. Deshalb
ist die allotherme Vergasung mit Wasserdampf oder die autotherme Vergasung mit Wasserdampf/Sauerstoff
vorteilhaft.

Ausgangsstoffe sind CO und H2, Produkte sind flüssige Kohlenwasserstoffe:
Alkane, Alkene und Alkohole: CnH2n/+1/+2. 

Als „Designer-Treibstoff“ werden Treibstoffe bezeichnet, die aus den Grundmolekülen, in der Regel
CO und H2, via Synthese, in der Regel via Fischer-Tropsch-Synthese, hergestellt werden. Im
Vergleich zu fossilem Benzin und fossilem Diesel können Designer-Treibstoffe mit viel genaueren
Spezifikationen hergestellt werden (enge Verteilung von Dampfdruck, entweder nur ein Molekül
oder eine enge Bandbreite von Molekülen). Damit können die Motoren entsprechend optimaler
ausgelegt werden, so dass höhere Wirkungsgrade und tiefere Rohgasemissionen möglich sind. 

Der Hauptunterschied kann durch den O-Gehalt der Biomasse erklärt werden, der rund 50 Gew.-%
ausmacht und rund eine Halbierung des Heizwerts pro kg erklärt. Weitere Unterschiede sind möglich
als Folge der Bindungsform.

 Heizöl hat einen Heizwert von rund 42.6 MJ/kg, atro Holz rund 18.3 MJ/kg. Der Heizwert von Heizöl
ist also „rund 100% höher“ oder „rund das Doppelte“ oder genauer „130% höher“, „das 2,3-fache“.

- Holz als Feststoff muss vorab in Gase umgewandelt werden. Dies ist ein heterogener Prozess, der
schwieriger zu kontrollieren ist als ein homogener Prozess, da Stofftransportphänomene (Diffusion)
entscheidend sind.
- Erdgas, also Methan, ist ein reiner Kohlenwasserstoff. Holz enthält dagegen (nebst O) störende
Stoffe wie N (führt zu NOX), S (führt zu SO2), K, Ca, Cl, ... (führen zu Salzen u.a.).
- Vorteile von Holz im Vergleich zu Erdgas: Bei Umgebungsdruck: Viel höhere volumetrische Energiedichte;
Holzlagerung ist also unproblematisch, Gas benötigt dagegen einen Gasanschluss mit Justin-time
Versorgung. (Es ist zwar auch "CO2-neutral"; das ist aber keine Verbrennungseigenschaft)

Bodenbewirtschaftung führt zu CO2 (relevant) sowie CH4 und N2O (sehr relevant, da hohe Treibhauseffektivität).
Alle Stoffe werden freigesetzt durch Umgraben der oberen Erdkrusten, N2O wird
durch N-Düngung erhöht, CH4 durch Gülleausbringung.

Feuerungstechnischer Wirkungsgrad:
-Berücksichtigt ABgasverluste einer Feuerung (Therm. und Chem. Verluste). WIchtige Einflussgrössen: Abgastemperatur, der Luftüberschuss, Gehalt an CO und unverbrannten Komponenten im Abgas.
- Keine Verluste durch Strahlung/Konvektion. --> Nur indirekte Messung.
- Zur Berechnung des feuerungstechnischen Wirkungsgrades wird Energieinhalt der einzelnen Abgaskomponenten bestimmt. Ausgehend von Verbrennungsgleichung von Holz können thermischen und chemischen Abgasverluste berechnet werden. 

Kesselwirkungsgrad
- Berücksichtigt nebst den Abgasverlusten Strahlungs- und Rostverluste
- Strahlungsverluste entstehen durch Wärmeabgabe, Rostverluste und unverbrannte Rückstände
- Unter dem Begriff Betriebsverluste werden Abgas-, Strahlungs- und Rostverluste zusammengefasst
- Ein hoher Kesserwirkungsgrad wird erreicht durch einen hohen feuerungstechnischen Wirkungsgrad, gute Isolation der Feuerung und guten Ausbrand der Rostasche.
-Direkte Messung: Heizwert und Wärmeabgabe.
-Indirekte Messung: Abgasverluste wie im Feuerungstech. Wirkungsgrad und Strahlungsverluste.

Jahresnutzungsgrad
-Der Jahresnutzungsgrad wird aus dem Verhältnis der während einer Heizperiode erzeugten Nutzwärme und der in Form von Heizwert im Holz zugeführten Energiemenge bestimmt.
- Aussage über Qualität des Heizsystems
-Kein Rückschluss auf Schwächen bei Feueranlage/Wärmeverteilung
- Integrierter Wert des Kesselwirkungsgrades( zus. Systemverluste durch Abkühlen/Anfahren)

Siehe Bild

Verbrennung: Holz gut geeignet.
Grund: Wassergehalt < 50%, Gehalt an N, S, P, K, Cl usw. gering (< 1 Gew.-%)
Anaerobe Vergärung: Klärschlamm gut geeignet.
Grund: w >> 50%, Ligningehalt gering (<< 10 Gew.-%), hohe Gehalte an N, P, K. 

Verbrennung > 99%, anaerobe Vergärung 25% bis 60%, Zielwert sicher > 50%.

 Für Klärschlamm bietet sich an, zuerst eine anaerobe Vergärung zur Biogaserzeugung durchzuführen
und so eine hochwertige Nutzung eines Teils der Ausgangssubstanz zu ermöglichen.
Der Vergärungsrückstand ist homogenisiert und hygienisiert, so dass er für eine weitere Verarbeitung
sowie den allfälligen Transport und eine allfällige Lagerung besser geeignet ist als das
Ausgangsmaterial. Da der Vergärungsrückstand noch C-haltig ist und Schadstoffe enthält, kommt
eine Trocknung und Verbrennung mit Abgasreinigung in Frage. Die durch Vergärung nicht abbaubaren
organischen Verbindungen können so zu (harmlosem) CO2 umgewandelt werden und
Schwermetalle können in der Filterasche kontrolliert zurückgehalten werden. 

Variante 1: Kenntnis der Brennstoffzusammensetzung (Molanteile C, H und O) und Messung
von O2 oder CO2 und CO im Abgas und Bestimmung aus der Stoffbilanz von Edukt zu Produkt.
Variante 2: Kenntnis der Brennstoffzusammensetzung (Molanteile C, H und O) und Messung der
zugeführten Massenströme an C, H und O, das heisst: Brennstoffzufuhr und Wassergehalt des
Holzes sowie Zuluftvolumenstrom (und -temperatur zur Dichtebestimmung). Daraus kann der
Luftüberschuss rechnerisch aus der Bilanz bestimmt werden. 

Die Reaktionstemperatur, die sich ohne Wärmeabfuhr ergibt, wenn also die gesamte Reaktionswärme
zur Aufheizung der Produkte dient. Die adiabate Temperatur kann durch Bilanzierung
der Verbrennung ohne Wärmeabgabe bestimmt werden (1. HS, Satz von Hess).

 Für einen Holzofen ist anzunehmen, dass trockenes Holz mit u < 20% verbrannt wird, sonst
wäre kaum ein relativ guter Betrieb wie angegeben möglich. Somit kann aus dem Nomogramm im
Skript abgelesen werden: CO2 ≈ 21–O2 = 7 Vol.-%, Vtherm ≈ 21.5%, Vchem ≈ 1.5%, Etaf ≈ 77%.
Eine genauere Bestimmung ist durch Einsetzen in die Formeln im Skript möglich. 

 Mit dem Wärmespeicher können die Verbrennung und Leistungsabgabe entkoppelt werden.
Dies ermöglicht es, die Verbrennung in Bezug auf Emissionen und Wirkungsgrad unabhängig vom
Wärmebedarf des Gebäudes zu optimieren. Ohne Speicher würde die Leistung des Stückholzkessels
oft während langer Zeit drastisch reduziert, was zu erhöhten Emissionen führt. 

Das Unterabbrand-Prinzip ergibt die Möglichkeit, in einer verjüngten Zone nach der Gasfreisetzung
Sekundärluft in die brennbaren Gase einzudüsen und gut zu vermischen um anschliessend
die Gase vollständig zu verbrennen. Durch die Trennung von Primär- und Sekundärluft kann
zudem die Leistung begrenzt und über längere Dauer konstant gehalten werden, was bei oberem
Abbrand kaum möglich ist. Die Geometrie zwischen Gasfreisetzung und Sekundärluft bleibt dabei
während des Abbrands erhalten, während bei oberem Abbrand die Zone der Gasfreisetzung während
des Abbrands nach unten wandert und es somit nicht in gleicher Art möglich ist, Sekundärluft
am genau richtigen Ort einzudüsen.