Simulation and integration of a two step biomass fermentation process for hydrogen production

Abstract

Der Verkehrssektor ist für 60% des weltweiten Ölverbrauchs verantwortlich. Ersatz von Öl mit einem erneuerbaren, CO2-freien Energieträger würde wesentlich dazu beitragen, den Anstieg der CO2-Konzentration in der Atmosphäre zu verlangsamen. Wasserstoff ist eine viel diskutierte und attraktive Option .Allerdings werden im Moment 95% des erzeugten Wasserstoffs aus fossilen Brennstoffen gewonnen. Um unser Energiesystem Zukunft auf Wasserstoff aufzubauen, müssen billige erneuerbare Rohstoffe zur Erzeugung von Wasserstoff eingesetzt werden.<br />Direkte Fermentation von Biomasse zu Wasserstoff könnte ein möglicher Weg sein. Der im Rahmen dieser Arbeit untersuchte Prozess ist eine zweistufige Fermentation zur Erzeugung von Wasserstoff aus Biomasse. Der Prozess besteht aus vier wesentlichen Schritten: Biomasse-Vorbehandlung, dunkle Fermentation, Photo-Fermentation und Gasaufbereitung. Die kommerzielle Prozess-Simulationssoftware Aspen Plus ® wurde verwendet, um jeden Verfahrensschritt zu modellieren. Die Modelle sind auf den experimentellen Ergebnissen im Labormaßstab aufgebaut. Die Verfahrensfließschemas sind für jeden Prozessschritt entwickelt und modelliert worden. Der gesamte Prozess wurde dann durch den Einsatz von Prozess-Simulation analysiert. Mit den so erhaltenen Massen- und Energiebilanzen kann das Verhalten einer Großanlage zu untersucht werden. Die Bilanzen zeigten, dass intensive Prozessintegration nötig ist, um einen positiven Energie-Output zu erreichen. Wärme-Integration und Rückführung von Abwasser wurden daher analysiert und in dem Prozessmodell umgesetzt. Prozess-Optionen mit Gerstestrohhalmen, gedämpften Kartoffelschalen, Zuckerdicksaft und Melasse als Einsatzstoffe wurden auf der Basis von Prozess-Bilanzen verglichen. Die Massen- und Energiebilanzen wurden weiter verarbeitet, um Exergie-, wirtschaftliche und ökologische Analysen durchzuführen. Die Ergebnisse zeigen, dass die Produktion von Energie in Form von erneuerbarem Wasserstoff mit all den betrachteten Rohstoffen technisch machbar ist.<br />Um einen wirtschaftlich und ökologisch sinnvollen Prozess zu erreichen, sind allerdings noch umfassende Verbesserungen nötig, insbesondere bei der Photo-Fermentation.<br />

The transport sector accounts for 60% of the world's oil consumption. Substituting oil with a renewable, CO2 free energy carrier would significantly help to slow down the increase of CO2 concentration in the atmosphere. Hydrogen could be an option, but at the moment 95% of the hydrogen produced is obtained from fossil fuels. To make the future economy based on hydrogen, cheap renewable resources must be employed for hydrogen production. Direct fermentation of biomass to hydrogen could be a viable way. The process evaluated is a two-step fermentation to produce hydrogen from biomass. The process is constituted by four main steps: biomass pretreatment, dark fermentation, photo fermentation and gas upgrading. The commercial process simulation software Aspen Plus® has been used to model each process step, on the basis of the experimental results obtained on laboratory scale. Flow sheets for each process step have been developed and modeled. The entire process has been then analyzed through the use of process simulation to investigate the total mass and energy balances of the large scale plant. Balances evidenced the need of strong process integration to achieve a positive energy output. Recirculation of effluents and heat integration have been therefore analyzed and implemented in the process model. Process options with barley straws, PSP, thick juice and molasses as feedstocks have been compared on the basis of process balances. Mass and energy balances have been further processed to analyze the exergy, the economic and the ecologic balances. Results show that the production of energy in form of renewable hydrogen is technically feasible with all the considered feedstocks; however to achieve an economic and ecologically feasible process, large improvements must be achieved, especially correlated to the photo-fermentation step.