Polygeneration from Biomass : Ethanol production with co-generation of electricity, heat and utilities in a regional setting

Abstract

Der Transportsektor ist derzeit stark abhängig von fossilen Energiequellen die innerhalb des nächsten Jahrhunderts erschöpft sein werden und zudem massiv zur globalen Erwärmung beitragen. Biodiesel, Biogas und Bioethanol -um nur einige zu nennen- aus erneuerbaren Quellen können Erdöl und Erdgas teilweise substituieren. Diese Arbeit beschäftigt sich mit dem Design und Simulation von Polygenerationsprozessen (Ethanol, Biogas, Elektrizität, Prozess- und Fernwärme) die für die regionale Gegebenheiten ausgelegt werden mit den Prämissen der Energieeffizienz und Wirtschaftlichkeit. Als Substrat für den Prozess wurden Weizenkorn und Weizenstroh in Betracht gezogen, die Hauptprodukte der Modelregion nördlich von Wien, Österreich.<br />Verschiedene Prozesskombinationen wurden untersucht. Die Ethanolfermentation verwertet Weizenkorn (Stärke) oder Weizenstroh (Lignocellulose) als Substrat. Der Fermentationsrückstand wird in allen Varianten nach der Destillation mit zusätzlichem, vorbehandeltem Stroh anaerob zu Biogas vergoren. Für die Produktion des Prozessdampfes wird das Biogas entweder in einem Kessel oder einem Gasmotor, welcher elektrische Energie für die Selbstversorgung, aber auch für das Netz, zur Verfügung stellt, verwertet. Die Lignocellulosevorbehandlung, die Abschätzung des verbleibenden Biogaspotentials nach der Ethanolfermentation von Stroh sowie die Wärmeintegration des Prozesses wurden in Studien, die Teil dieser Arbeit sind, untersucht. Die Strohvorbehandlung als auch spezifische Aktivitätszuwächse der Cellulasen haben ein großes Potential für Ertragssteigerungen. Prozesse mit Weizenstroh als Substrat konnten den Ligninanteil des Rohmaterials nicht nutzen. Ligninverwertung bleibt der Schlüssel zu wirtschaftlichen Lignocelluloseprozessen mit Weizenstroh.

The transportation sector relies heavily on energy sources from fossil fuels that are threatened by resource depletion and responsible for global warming. Biodiesel, biogas and bioethanol among others have found consideration as renewable substitute. This work is concerned with the design and simulation of polygeneration processes (ethanol, biogas, electricity, process and district heat) that are adapted to fit regional realities under the premise of energy efficiency and economic soundness. Under consideration for process substrate were wheat grain and wheat straw the major products of the model region north of Vienna, Austria. Several process configurations were evaluated. The ethanol production relies on wheat grain or wheat straw as substrat. The stillage of all processes is utilized in anaerobic digestion co-fermented with pretreated wheat straw. To provide the steam utilities for the process was the biogas either burned in a combustion chamber or a gas engine that yielded electricity for self supply and the grid. The pretreatment of lignocellulose, residual biogas potential after ethanol fermentation of pretreated wheat straw and the heat integration of the process were analyzed in detail. Lignocellulose pretreatment and specific activity gains of hydrolysis enzymes have a large potential to improve the process performance. Wheat straw processing schemes could not use the potential of lignin that makes up a significant share of the raw material. Lignin remains the key point to render straw-based processes competitive against grain.<br />