Abgeschlossene Forschungsarbeiten

Energetische Bewertung der Prozessketten zur hydrothermalen Karbonisierung von häuslichem Bioabfall (Dissertation 2023)

Ansprechpartner: Dr. Niklas Stobernack

Kurzbeschreibung:

Die vorliegende Arbeit wurde im Rahmen eines Forschungsprojektes metabolon IIb (EFRE-0500033) erstellt. Im Sinne der Kreislaufwirtschaft war das Schließen großer Energie- und Stoffkreisläufe Gegenstand einer Vielzahl von Teilprojekten. Ziel war es, aus biogenen sowie abfallstämmigen Reststoffen entweder regenerative Energie zu gewinnen oder werthaltige Materialien in den anthropogenen Stoffkreislauf zurückzuführen. Die vorliegende Arbeit enstand bei der Bearbeitung der Fragestellung bezüglich der Bedeutung der hydrothermalen Karbonisierung (HTC) im Hinblick auf die zukünftige regenerative Energiebereitstellung. Das übergeordnete Ziel der Arbeit bestand darin, den HTC-Prozess in ganzheitliche Prozessketten zu integrieren und diese im Hinblick auf die energetische Verwertung unter Berücksichtigung der Treibhausgasemissionen (GWP) zu bewerten. Da es nur wenige HTC-Anlagen im industriellen Maßstab gibt und keine standardisierten Modellvorstellungen zur Abbildung des Prozesses existieren, wurde ein tragfähiges Reaktormodell auf Basis eines empirischen kinetischen Ansatzes für die HTC entwickelt. Das Reaktormodell wurde genutzt, um die Massen- und Energieverteilung auf die drei Produktphasen (fest, flüssig und gasförmig) zu berechnen und mit entsprechenden experimentellen Untersuchungen zu evaluieren. Ein potentielles Einsatzgebiet bietet die HTC von häuslichem Bioabfall und dessen Gärresten, die als Eingangsstoff in der Arbeit verwendet wurden. Die Prozessketten wurden im Anschluss anhand von Prozesswirkungsgraden beurteilt und mit konventionellen Prozessketten verglichen. Als konventionelle Prozessketten wurden die Verbrennung des Bioabfalls in einer Müllverbrennungsanlage („I“) und dessen Vergärung mit anschließender Kompostierung („AD+comp“) untersucht. Dabei wurden exergetische Nettowirkungsgrade von 13,7% für „I“ und 12,1% für „AD+comp“ erzielt. Durch die Integration einer HTC konnte der exergetische Wirkungsgrad im Vergleich zu der Verbrennung in einer Müllverbrennungsanlage um 70% und im Vergleich zu der konventionellen Vergärung um 93% gesteigert werden. Zusätzlich wurden mit Hilfe der Datensätze aus dem Gesamtmodell das GWP ermittelt. Das GWP lag in den Referenzfällen bei ∼500gCO2,Eq kW−1 h−1. Durch die Integration der HTC-Einheit konnten das GWP um bis zu 30% im Vergleich zu den konventionellen Behandlungspfaden reduziert werden.