Simulation of biorefinery platforms for combined biohydrogen and biogas production from wheat straw

Abstract

Trotz der Tatsache, dass die begrenzten Ressourcen fossiler Brennstoffe schwinden, bleiben fossile Brennstoffe dominant in der globalen Energienutzung, mit einem Anteil von rund 80% im globalen Energiemix. Die Nutzung von erneuerbaren Quellen statt fossiler Brennstoffe könnte ein wichtiger Schritt zur Erreichung einer umweltfreundlicheren Zukunft sein, da aus erneuerbaren Rohstoffen Biomaterialien und Biokraftstoffe erhalten werden können. Heute wird Wasserstoff zunehmend als "Kraftstoff der Zukunft" gefördert. Der Einsatz erneuerbarer Rohstoffe bei der Herstellung von Wasserstoff ist ein wichtiger Schritt zu einer nachhaltigen und sauberen Wasserstoffwirtschaft. In dieser Arbeit wurde das Prozesssimulationstool Aspen Plus zur Untersuchung verschiedener Bioraffinerie-Plattformen zur Erzeugung von Bio-Wasserstoff und Biogas aus Weizenstroh eingesetzt. Als Ergebnis, dieser Arbeit werden Stoff- und Energiebilanzen für verschiedene Prozessrouten vorgestellt und diskutiert. Um die Energieeffizienz der Bioraffinerierouten zu erhöhen wurde Pinch-Analyse angewendet und eine Wärmeintegration durchgeführt. Die ausgewerteten Weizenstroh basierten Bioraffineriekonzepte für kombinierte Biowasserstoff und Biogasproduktion beinhalten mehrere Prozessschritte: Vorbehandlung, Hydrolyse, thermophile Fermentation und anaerobe Vergärung. Basierend auf einer detaillierten Literaturrecherche wurden Fraktionierungsverfahren ausgewählt und im Detail untersucht: das Organosolv-Verfahren, die Vorbehandlung mit verdünnter Säure und die Behandlung von Stroh via Dampfexplosion. Berechnungen zeigen, dass Biowasserstoff erfolgreich aus Weizenstroh in verschiedenen Bioraffineriekonzepten hergestellt werden kann. Die Ausbeute beträgt 11.2g H2 / kg trockenes Stroh im Organosolv-Verfahren, 9.8 g H2 / kg trockenes Stroh im Prozess basierend auf verdünnter Säure und 13.2 g H2 / kg trockenes Stroh im Dampfexplosionsprozess. Wärmeintegration ermöglicht es den Wärmebedarf der einzelnen Prozesserouten drastisch zu reduzieren. Mit der besten Prozessoption für das Organosolv -Verfahren und die Säurevorbehandlung wird eine Energieeinsparung um 70% erreicht. Bei der Dampfexplosion kann, mit allen theoretischen Verbesserungen, eine Energieeinsparung von bis zu 90% reicht werden. Die Nutzung von Biogas aus Prozessrückständen ist für die kombinierte Wärme- und Stromerzeugung vorgesehen. Im Fall der Säurevorbehandlung und eines optimierten Damppfexplosionsprozesses kann die Prozesswärme aus Biogas gedeckt werden. Dabei wird noch ein Wärmeüberschuss von 7.8 kW und 15.2 kW erreicht. Die Deckung des Wärmebedarfs einer Organosolv-Bioraffinerie zur Herstellung von Wasserstoff aus der Biogasproduktion aus Reststoffen ist nicht möglich. Grund ist die energieintensive Lösungsmittelrückgewinnung bei der Herstellung von Organosolvlignin als weiteres BIoraffinerieprodukt. Schließlich könnten aber bei allen untersuchten Bioraffinerie-Konzepten eine besseren Nutzung der verbleibenden Restströme (z.B. Lignin) zu einer weiteren Verbesserung der Prozessenergiebilanzenbeitragen.

Despite the fact that limited resources of fossil fuels are vanishing, fossil fuels remain dominant in the global energy utilization, with a share of around 80% in the global energy mix. Proposing renewable sources rather than fossil fuels could be an important step to achieve environmental friendly energy supply in the future, since from renewables it is possible to produce both: biomaterials and biofuels. Nowadays, hydrogen is increasingly being promoted as a -fuel of the future-. Employment of renewables in the production of hydrogen is an important step to realize a sustainable and clean hydrogen economy in the future. In this thesis, process simulation tool Aspen Plus was used to design and investigate different biorefinery platforms for biohydrogen and biogas production from wheat straw. As an outcome, mass and energy balances for process routes will be presented and discussed, giving a glance on feedstock, water, heat and utility demand. To increase process energy efficiency, Pinch analysis and exergy analysis was applied. Moreover, heat integration is performed, to increase process effectiveness. Evaluated wheat straw biorefinery concepts for combined biohydrogen and biogas production are, in general, build up on several process steps: pretreatment, hydrolysis, thermophilic fermentation and anaerobic digestion. Based on detailed literature research and reported advantages over other pretreatment processes, three main fractionation procedures have been selected and studied in details: organosolv process, diluted acid treatment and steam explosion process. Calculations show that biohydrogen could be successfully produced from wheat straw in different biorefinery concepts: 11.2 g H2/kg dry straw in organosolv, 9.8 g H2/kg dry straw in dilute acid process and 13.2 g H2/kg dry straw in steam explosion. After heat integration, heat demand of single processes was drastically reduced. With the best performing option for organosolv process, the energy saving reached around 70%. The same result was obtained for diluted acid process. For steam explosion, with all theoretical improvements that could be taken, energy saving could reach up to 90%. Produced biogas from process residuals is foreseen for covering necessary heat demand via combined heat and power generation. However, although applying rigorous heat integration measures, produced heat is able to cover only the heat demand of diluted acid process as well as optimized steam explosion process showing a heat surplus of 7.8 kW and 15.2 kW respectively, that could be used elsewhere. Organosolv biorefinery still required some external energy supply due to the energy intensive solvent recovery process to enable a feasible isolation of pure lignin. Finally, some suggestions have been made in course of better utilization of residual streams (e.g. lignin) in order to improve process energy balances and gain possible energy surplus in all three investigated biorefinery concepts.