Möglichkeiten der Gewinnung und energetischen Nutzung von wasserstoffhaltigen Gasen aus Klärschlamm

Inhaltsverzeichnis

• 1 Einleitung
• 2 ERZEUGUNG VON ROHGASEN ZUR WASSERSTOFFPRODUKTION
• 2.1 Kennwerte zum Energieträger Klärschlamm
• 2.2 Auswahl aus den möglichen Verfahren
• 2.3 Anaerobe Umsetzung zu Klärgas
• 2.3.1 Grundlagen und Verfahrenstechnik der Faulung
• 2.3.2 Quantität und Qualität des Klärgases
• 2.3.2.1 Gasanfall auf kommunalen Kläranlagen
• 2.3.2.2 Zeitlicher Verlauf des Gasanfalls
• 2.3.2.3 Zusammensetzung von Klärgas
• 2.4 Vergasung zu Produktgas
• 2.4.1 Thermochemische Grundlagen
• 2.4.1.1 Aufheizung und Trocknung
• 2.4.1.2 Entgasung und pyrolytische Zersetzung
• 2.4.1.3 Vergasung (Oxidation und Reduktion)
• 2.4.2 Verfahrenstechniken der Vergasung
• 2.4.3 Quantität und Qualität
• 2.4.4 Ausgewählte Beispiele realisierter Anlagen
• 3 VERFAHREN DER GASAUFBEREITUNG BIS HIN ZU WASSERSTOFF
• 3.1 Grundoperationen der Gasreinigung
• 3.1.1 Sorption
• 3.1.2 Absorption
• 3.1.3 Adsorption
• 3.1.4 Membrantrennung
• 3.1.5 Kondensation
• 3.2 Verfahren der Klärgasaufbereitung
• 3.2.1 Flüssigkeits- und Feststoffabscheidung / Trocknung
• 3.2.2 Entfernung von Schwefelwasserstoff
• 3.2.2.1 Schwefel-Eisen-Bindung im Schlamm
• 3.2.2.2 Trockene Adsorption durch Eisenhydroxid (Raseneisenerz)
• 3.2.2.3 Adsorption an jodimprägnierter Aktivkohle (Oxidation)
• 3.2.2.4 Absorptive Nassentschwefelung
• 3.2.2.5 Biologische Verfahren
• 3.2.3 Anreicherung von Methan
• 3.2.3.1 Druckwechseladsorption
• 3.2.3.2 Druckwasserwäsche
• 3.2.3.3 Chemische Waschverfahren (MEA-Wäsche)
• 3.2.3.4 Membranverfahren
• 3.2.3.5 Kryogene Trennung
• 3.2.4 Abtrennung von Siloxanen und sonstigen Spurenstoffen
• 3.3 Verfahren der Produktgasaufbereitung
• 3.3.1 Partikelentfernung (Staub, Asche, Bettmaterial)
• 3.3.1.1 Zyklone
• 3.3.1.2 Filtrierende Abscheider
• 3.3.1.3 Nassabscheider
• 3.3.1.4 Elektroabscheider
• 3.3.2 Teerentfernung
• 3.3.2.1 Thermische Teerspaltung (partielle Oxidation)
• 3.3.2.2 Katalytische Teerspaltung (katalytische Oxidation)
• 3.3.3 Weitere Stoffe
• 3.4 Reformierung kohlenwasserstoffhaltiger Gase zu Wasserstoff
• 3.4.1 Dampfreformierung (allotherm)
• 3.4.2 Partielle Oxidation
• 3.4.3 Autotherme Reformierung
• 3.5 Kohlenmonoxid-Konvertierung (Shift-Reaktion)
• 3.6 CO-Feinreinigung von Wasserstoff
• 3.6.1 Druckwechseladsorption
• 3.6.2 CO-Methanisierung
• 3.6.3 Metallmembranen
• 3.6.4 Selektive CO-Oxidation
• 3.7 Marktanalyse zur Biogasaufbereitung
• 4 NUTZUNGSMÖGLICHKEITEN DER GASE
• 4.1 Nutzung der gereinigten Rohgase
• 4.1.1 Wärmeerzeugung
• 4.1.2 Kraft- und Stromerzeugung
• 4.1.2.1 Dampfmaschinen
• 4.1.2.2 Gasmotoren
• 4.1.2.3 Gasturbinen und Mikro-Gasturbinen
• 4.1.2.4 Sterlingmotor
• 4.1.3 Nutzung als Rohstoff
• 4.2 Nutzung von Klärgas in Erdgasqualität
• 4.2.1 Nutzung als Kraftstoff für Kraftfahrzeuge
• 4.2.2 Einspeisung in öffentliche Erdgasnetze
• 4.3 Nutzungsmöglichkeiten im Rahmen der Wasserstofftechnologie
• 4.3.1 Brennstoffzellen zur Strom- und Wärmeerzeugung
• 4.3.1.1 Aufbau und Funktionsweise
• 4.3.1.2 Einsatzfelder von Brennstoffzellen
• 4.3.1.3 Anforderungen an die Gasqualität
• 4.3.1.4 Forschungs- und Entwicklungstand beim Klärgaseinsatz
• 4.3.2 Krafterzeugung mit Verbrennungsmaschinen
• 4.3.3 Methanolsynthese
• 5 VERGLEICH VON AUFBEREITETEM KLÄRGAS MIT ANDEREN ENERGIETRÄGERN
• 6 PERSPEKTIVEN DER WASSERSTOFFENERGIEWIRTSCHAFT
• 7 ZUSAMMENFASSUNG
• 8 LITERATURVERZEICHNIS
• ANHANG

Zielsetzung und Themenschwerpunkte

Diese Diplomarbeit befasst sich mit den Möglichkeiten der Gewinnung und energetischen Nutzung von wasserstoffhaltigen Gasen aus Klärschlamm. Im Zentrum der Arbeit stehen die effiziente Produktion von Wasserstoff aus Klärschlamm mithilfe verschiedener Verfahren, wie der anaeroben Umsetzung zu Klärgas und der Vergasung zu Produktgas.

• Analyse der energetischen Nutzung von Klärschlamm
• Bewertung verschiedener Verfahren zur Wasserstoffproduktion aus Klärschlamm
• Untersuchung der Gasaufbereitung und -reinigungsverfahren
• Bewertung der Nutzungsmöglichkeiten von Wasserstoff aus Klärschlamm
• Einordnung der Wasserstofftechnologie im Kontext der Energiewirtschaft

Zusammenfassung der Kapitel

Kapitel 1 bietet eine Einführung in das Thema der Diplomarbeit, die sich mit der Gewinnung und energetischen Nutzung von wasserstoffhaltigen Gasen aus Klärschlamm befasst. Kapitel 2 widmet sich der Erzeugung von Rohgasen zur Wasserstoffproduktion. Hier werden die Kennwerte des Energieträgers Klärschlamm beleuchtet, verschiedene Verfahren zur Gasgewinnung vorgestellt und die anaerobe Umsetzung zu Klärgas sowie die Vergasung zu Produktgas im Detail analysiert. Kapitel 3 befasst sich mit den Verfahren der Gasaufbereitung bis hin zu Wasserstoff. Es werden die Grundoperationen der Gasreinigung, die Verfahren der Klärgasaufbereitung und der Produktgasaufbereitung sowie die Reformierung kohlenwasserstoffhaltiger Gase zu Wasserstoff und die CO-Feinreinigung von Wasserstoff detailliert beschrieben. Kapitel 4 untersucht die Nutzungsmöglichkeiten der gewonnenen Gase. Es werden die Nutzung der gereinigten Rohgase, die Nutzung von Klärgas in Erdgasqualität und die Nutzungsmöglichkeiten im Rahmen der Wasserstofftechnologie, wie z.B. Brennstoffzellen zur Strom- und Wärmeerzeugung, behandelt. Kapitel 5 bietet einen Vergleich von aufbereitetem Klärgas mit anderen Energieträgern. Kapitel 6 beleuchtet die Perspektiven der Wasserstoffenergetik. In Kapitel 7 wird ein zusammenfassender Überblick über die Ergebnisse der Diplomarbeit gegeben.

Schlüsselwörter

Klärschlamm, Wasserstoff, Biogas, Vergasung, Gasaufbereitung, Brennstoffzelle, Energiewirtschaft, Nachhaltigkeit, CO2-Reduktion, Bioenergie.