Hydrothermale Vergasung von Algenbiomasse

Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung

2. Zielsetzung und Aufgabenstellung

3. Allgemeine Grundlagen

3.1 Algenwachstum

3.2 Massenkultivierung von Mikroalgen

3.2.1 Raceway Ponds

3.2.2 Photobioreaktoren

3.3 Prozesstechnologie superkritischer Fluide

3.3.1 Eigenschaften von Wasser im superkritischen Zustand

3.3.1.1 Relative Permittivität von Wasser

3.3.2 Hydrothermale Vergasung

3.3.2.1 Einfluss von Temperatur und Feuchtigkeitsgehalt auf die Produktgaszusammensetzung

3.3.2.2 Katalysator

3.3.3 Vergleich typischer Konversionsverfahren für Biomasse

3.4 Energieökonomie

3.5 Einspeisung des Produktgases in das Gasnetz

3.5.1 Direkte Einspeisung

3.5.2 Methananreicherung

3.5.2.1 Druckwechseladsorption (PSA)

3.5.2.2 Gaswäsche

3.5.2.3 Niederdruck-Membranseparation

3.5.2.4 Hochdruckmembrantrennung

3.5.2.5 Kryogene Gastrennung

4. Methodische Werkzeuge

5. Modellauswahl

5.1 Algenspezies

5.2 Rauchgas als CO2-Quelle für Algenwachstum

5.2.1 Kohlendioxidaufnahme

5.3 Kultivierungsverfahren

6. Aufbau des Gesamtprozesses

7. Modellaufbau

7.1 Rauchgasreinigung und Rachgasförderung

7.2 Photobioreaktor

7.2.1 Nährstoffe

7.2.2 Temperatur

7.2.2.1 Rauchgas

7.2.2.2 Kühlung

7.2.2.3 Sonneneinstrahlung

7.2.2.4 Wärmeabstrahlung

7.2.2.5 Wärmeleitung

7.2.2.6 Reaktionswärme

7.2.3 Sauerstoff-Stripping

7.2.4 Flächenkosten

7.2.5 Theoretische Effizienz des Photobioreaktors

7.2.5.1 Photosynthetisch aktive Strahlung

7.2.5.2 Grünlichtreflexion

7.2.5.3 Photoeffizienz

7.2.5.4 Photoinhibition

7.2.5.5 Respiration

7.2.5.6 Transmissionsverluste

7.2.5.7 Beschattungsverluste

7.2.5.8 Verunreinigungsverluste

7.2.5.9 Reflexionsverluste

7.3 Dewatering

7.4 Nährstoffrecycling und Wasserumlauf

7.5 Zwischenlagerung der Biomasse

7.6 Hochdruckpumpe

7.7 Hydrothermale Vergasung

7.7.1 Investitionskosten

7.8 Methananreicherung

7.9 Investitionskostenzuschlagsätze

8. Diskussion der Eingangsdaten

8.1 Referenzszenario Österreich/Schweiz

8.2 Kohlendioxidaufnahme

8.3 Produktivität

8.4 Algenkonzentration nach Dewatering

8.5 Algenbiomassekonzentration im Photobioreaktor

8.6 Konversionsrate

9. Modellergebnisse

9.1 Referenzszenario Österreich/Schweiz

9.2 Sensitivitätsanalyse

10. Interpretation und Diskussion der Ergebnisse

10.1 Referenzszenario

10.1.1 SNG-Gestehungskosten

10.1.2 Stickstoffbilanz

10.1.3 Kohlenstoffbilanz

10.1.4 Optimale Biomassekonzentration nach Dewatering

10.1.5 Energieverbrauch

10.1.6 Haupteinflussfaktoren auf den Wirkungsgrad der Hydrothermalen Vergasung

10.2 Multivariate Sensitivitätsanalyse

10.3 Optimierung des Reaktordesigns

10.3.1 Optimaler Trockenmassenanteil

10.4 Flächenbedarf

10.5 Vergleichbare erneuerbare Energien

10.6 Mitigationspotential

10.6.1 Vergleich des Mitigationspotentials

10.7 Externalitäten und ökonomische Auswirkungen

11. Zusammenfassung

12. Ausblick

12.1 Alternative Kultivierungsformen

12.2 Umesterung zu Biodiesel

Zielsetzung & Themen

Ziel dieser Diplomarbeit ist die modellbasierte Untersuchung der Wirtschaftlichkeit und des CO2-Mitigationspotentials eines integrierten Prozesses zur Produktion von synthetischem Erdgas (SNG) aus Algenbiomasse durch hydrothermale Vergasung. Hierbei wird der gesamte Prozess von der CO2-Quelle in einem Kraftwerk über die Kultivierung in Photobioreaktoren bis zur Netzeinspeisung simuliert und mittels Sensitivitätsanalysen auf kritische Kostenfaktoren hin untersucht.

• Prozessmodellierung der hydrothermalen Vergasung von nasser Algenbiomasse (SIMSALG).
• Analyse und Bewertung der SNG-Gestehungskosten unter Referenzbedingungen (Österreich/Schweiz).
• Durchführung umfangreicher ein- und mehrparametrischer Sensitivitätsanalysen.
• Optimierung des Reaktordesigns und der Prozessparameter zur Kostensenkung.
• Evaluierung des Potentials zur CO2-Mitigation und ökologischen Auswirkungen.

Auszug aus dem Buch

Zusammenfassung der Kapitel

1. Einleitung: Diese Einleitung beleuchtet die Bedeutung von Mikroalgen als Rohstoffquelle für Biokraftstoffe und deren Potential zur CO2-Bindung aus industriellen Abgasen.

2. Zielsetzung und Aufgabenstellung: Hier werden die Ziele der Arbeit definiert, insbesondere die Abschätzung der Gestehungskosten von SNG durch hydrothermale Vergasung und die Identifikation kritischer Kostentreiber.

3. Allgemeine Grundlagen: Dieses Kapitel erläutert die theoretischen Aspekte des Algenwachstums, verschiedene Massenkultivierungsverfahren und die Technologie der hydrothermalen Vergasung unter superkritischen Bedingungen.

4. Methodische Werkzeuge: Die methodische Vorgehensweise zur Investitionsrechnung und Sensitivitätsanalyse mittels der Software SIMSALG wird hier beschrieben.

5. Modellauswahl: Hier werden die Auswahl der spezifischen Algenspezies, die Nutzung von Rauchgas als CO2-Quelle und die gewählten Kultivierungsmethoden begründet.

6. Aufbau des Gesamtprozesses: Dieses Kapitel beschreibt den prozesstechnischen Ablauf der Anlage von der Rauchgasreinigung bis hin zur Einspeisung ins Gasnetz.

7. Modellaufbau: Hier erfolgt eine detaillierte technische Modellierung der einzelnen Prozesskomponenten inklusive der mathematischen Ansätze für Wärmebilanzen und Kostenfunktionen.

8. Diskussion der Eingangsdaten: Dieses Kapitel fasst die Daten des Referenzszenarios für Österreich und die Schweiz zusammen und diskutiert deren Validität.

9. Modellergebnisse: Die quantitativen Ergebnisse des Modells, insbesondere die Massenströme des Referenzszenarios, werden hier präsentiert.

10. Interpretation und Diskussion der Ergebnisse: Dieses zentrale Kapitel analysiert die SNG-Gestehungskosten, die Sensitivität des Prozesses und diskutiert Möglichkeiten zur Optimierung sowie ökologische Auswirkungen.

11. Zusammenfassung: Eine abschließende Zusammenfassung der wichtigsten Erkenntnisse und wissenschaftlichen Ergebnisse der Arbeit.

12. Ausblick: Hier werden weiterführende Ansätze wie die Bioraffinerie-Strategie und alternative Kultivierungsformen für die Zukunft diskutiert.

Schlüsselwörter

Hydrothermale Vergasung, Mikroalgen, Photobioreaktor, SNG, Methangestehungskosten, Sensitivitätsanalyse, CO2-Mitigation, Biokraftstoffe, Superkritisches Wasser, Nährstoffrecycling, Energieökonomie, Prozessmodellierung, SIMSALG, Biomasseproduktion, CO2-Sequestrierung.

Häufig gestellte Fragen

Worum geht es in dieser Diplomarbeit primär?

Die Arbeit untersucht, ob und unter welchen Bedingungen die Produktion von synthetischem Erdgas (SNG) aus Mikroalgen über das Verfahren der hydrothermalen Vergasung wirtschaftlich sinnvoll ist.

Welche Technologien stehen bei der Algenkultivierung im Fokus?

Es wird primär die Kultivierung in geschlossenen Photobioreaktoren betrachtet, da diese eine bessere Prozesskontrolle und höhere Biomasseproduktivität als offene Raceway-Ponds bieten.

Was ist das zentrale Ziel der Forschungsarbeit?

Das Ziel ist die Abschätzung der Methangestehungskosten (SNG) und die Bewertung des CO2-Mitigationspotentials, um durch eine Sensitivitätsanalyse die Hauptkostentreiber zu identifizieren.

Welche wissenschaftliche Methode wurde für die Analyse gewählt?

Es wurde eine Investitionsrechnung und ein computergestütztes Modell namens SIMSALG erstellt, welches eine Simulation und mehrparametrige Sensitivitätsanalyse der gesamten Prozesskette erlaubt.

Was wird im umfangreichen Hauptteil der Arbeit behandelt?

Der Hauptteil gliedert sich in die theoretischen Grundlagen des Algenwachstums, die physikalisch-chemischen Hintergründe der hydrothermalen Vergasung sowie den detaillierten Modellaufbau der gesamten Prozesskette inklusive ökonomischer Bewertungsfunktionen.

Welche Keywords charakterisieren diese Arbeit am besten?

Wesentliche Begriffe sind hydrothermale Vergasung, Mikroalgen, Photobioreaktoren, SNG, Sensitivitätsanalyse und CO2-Mitigation.

Warum ist der Energieverbrauch des Prozesses laut Autor kritisch?

Die Bilanz ist negativ, da der elektrische Energiebedarf für den notwendigen Umlauf der Algensuspension im Photobioreaktor den Energiegehalt des erzeugten Gases übersteigt.

Welche Schlussfolgerung zieht der Autor zur Wettbewerbsfähigkeit?

Industriell kultivierte Mikroalgen werden als derzeit unwahrscheinliche Quelle für eine kosteneffiziente Produktion von SNG oder für eine Sequestrierung im großen Stil unter "Business-as-usual"-Bedingungen eingestuft.