Evaluierung von alternativen Prozessketten zur Treibstoffproduktion aus Biomasse mittels Prozesssimulation

Abstract

In dieser Arbeit wurde untersucht, ob eine innovative Prozesskette zur Treibstoffproduktion aus Biomasse eingesetzt werden kann. Basierend auf einer umfassenden Literaturrecherche sollte ein bestehender Prozess mit einer neuen Prozessroute erweitert werden. Die Ergebnis-se des bestehenden und des neuen Prozesses wurden miteinander verglichen. In dem bestehenden Prozess wurde der Einsatzstoff in einer Zweibettwirbelschicht-Vergasungsanlage umgewandelt und das dabei entstehende Produktgas in einer „Fischer-Tropsch“-Anlage zur Treibstoffproduktion verwendet. Der neue Prozess sollte es ermöglichen nasse Biomasse ohne Vortrocknung umzusetzen. Dabei kamen ein „Hydrothermal Liquefaction“-Reaktor, ein „Aqueous Phase Reforming“-Reaktor und ein „Hydrotreating“-Reaktor zum Einsatz. Diese beiden Prozesse wurden kombiniert, als Grundfließbild dargestellt und in einer Simulations-software abgebildet. Weiters wurde eine technoökonomische Analyse durchgeführt, um die Prozesse auf Wirtschaftlichkeit zu überprüfen. Als Einsatzstoffe wurde Waldhackgut herangezogen und als mögliche Alternative wurde auch die Nutzung von Lignin betrachtet. Die Ergebnisse wurden mit der Simulationssoftware IPSEpro ermittelt. Dafür wurden die bisher nicht vorhandenen Modelle neu modelliert, getestet und miteinander verschaltet. Weiters wurden die Bibliotheken „BG-Lib“ und „FT-Lib“ sowie das bestehende Fließbild in einem Simulationsaufbau vereint, um den gesamten Prozess in einem Fließbild simulieren zu können. Der neue Prozess wurde anschließend hinzugefügt. Mit dem fertig aufgebauten Fließbild wurden nun Betriebspunkte für Waldhackgut eruiert. Die resultierenden Ergebnisse wurden dargestellt und für eine Wirtschaftlichkeitsanalyse der bestehenden Prozesse verwendet. Bei dieser wur-den zwei Szenarien betrachtet. Das erste Szenario ermittelte die Wirtschaftlichkeit für die Eigenbedarfsdeckung, wenn dafür in eine neue Anlage investiert werden muss. Das zweite Szenario untersuchte, ob eine solche Anlage in der Lage ist Kraftstoffe zu Marktpreisen wett-bewerbsfähig zu produzieren. Die Simulationsergebnisse zeigten, dass aus 100 MWth Brennstoffleistung (Heizwert) mit Waldhackgut als Einsatzstoff 50 MWth Brennstoffleistung an Treibstoffen für den bestehen-den Prozess und 67 kWth aus 100 kWth Einsatzstoff für den neuen Prozess erreicht werden konnten. Erste Simulationsergebnisse mit Lignin zeigten, dass sich dieser Einsatzstoff besser für den bestehenden Prozess eignet als Waldhackgut und vergleichsweise weniger gut für den neuen Prozess. Die Barwertmethode der technoökonomischen Analyse des bestehenden Prozesses zeigte, dass eine Investition in jede betrachtete Option lohnt.

In this thesis it was investigated if an innovative process chain can be used for fuel production of biomass. After a comprehensive literature research, it was aimed to expand an existing process route by a new process route. The results of the existing and the new process routes were compared. The fuel in the existing process was gasified in a dual fluidized bed gasification facility. The resulting product gas was used in a “Fischer-Tropsch”-facility to produce fuels. In the new process it was aimed to convert wet biomass without preliminary drying. Therefore, a “Hydrothermal Liquefaction”-reactor, an “Aqueous Phase Reforming”-reactor and a “Hydrotreating”-reactor were used. Both processes were combined, represented in a basic flow chart and simulated with software. In addition, an economics calculation was performed. Softwood chips were used as raw material. Lignin as an alternative raw material was also considered. The results were determined with the simulation software IPSEpro. Therefor non-existing models were modeled, tested and interconnected. Furthermore, the libraries “BG-Lib” and “FT-Lib” as well as the existing flow charts were built in one simulation setting to simulate the whole process in one flow chart. The new process was added. Operating points were found for wood chips. The results were presented and were used for the economics calculation of the existing process. Two cases were considered. The first case investigates, if it is profitable to invest in a new facility to produce the fuels to cover the own demand. The second case investigates, if such a facility can produce fuels competitive to market prices. The simulation results with 100 MWth fuel power (LHV) of wood chips as raw material showed achievable 50 MWth fuel power of fuels for the existing process and 67 kWth fuel power of fuels with 100 kWth raw material for the new process. First simulation results with lignin showed better results for the existing process compared to wood chips and showed better results for the new process with wood chips compared to lignin. The economics calculation results for the existing process showed a worthwhile investment in each considered option.