Ethanol Producing Biorefinery on a Cold Winter Day

Energieeffizientes Biorefining

Bei der Bioraffination werden Treibhausgase reduziert, indem fossile Rohstoffe durch erneuerbare ersetzt werden. Es ist ökologisch und ökonomisch sinnvoll, die Energieeffizienz dabei zu maximieren, indem man sie auf den Gesamtenergie- verbrauch des Prozesses bezieht; die Nettoenergieanalyse.

Fossile Rohstoffe (Erdöl, Kohle und Erdgas) machen etwa 80 % der weltweiten Energieversorgung aus. Die Bedrohung ist heute  die globale Erwärmung, die durch CO2-Emissionen bei der Verwendung von kohlenstoffbasierten Brennstoffen verursacht wird. Um fossile Quellen in Raffinerien zu ersetzen, werden verlässliche Berechnungsmethoden der Energieeffizienz für Bioraffinerien benötigt.

Die in einer Bioraffinerie verwendeten Prozesse entstammen der traditionellen Forstwirtschaft, Energieerzeugung und (Petro-) Chemie. Die möglichen Rohstoffe reichen von Holz und landwirtschaftlichen Abfällen bis hin zu Stärke, Zucker und organischen Abfällen, die Endprodukte wie Biokraftstoffe,  Chemikalien, Elektrizität und Wärme liefern.

Die drei Hauptbestandteile der Energiebilanz

1. Aufbereitung des Rohmaterials

Da das Rohmaterial meist in fester Form vorliegt, beginnt der Prozess mit der Zerkleinerung des Materials. Danach wird die Biomasse entweder mechanisch, chemisch (Dampfextraktion, Hydrolyse, Pyrolyse usw.) oder biologisch (Umwandlung durch Enzyme, Bakterien oder Hefen) in eine besser verwertbare, meist flüssige Form aufgespalten. Diese Prozessschritte sind oft sehr energieintensiv. Die Beschaffenheit der Biomasse führt zu einem hohen Lagervolumen aufgrund der geringen Schüttdichte und möglichen Verlusten durch Verderb und/oder Verunreinigung. Dies alles wirkt sich negativ auf die Gesamtenergieeffizienz aus.

2. Wassergehalt

Ein weiteres Merkmal ist der hohe Wasser- und Sauerstoffgehalt der Biomasse. Der in der chemischen Struktur enthaltene Sauerstoff ist oft kein erwünschter Bestandteil und wird durch chemische Reaktionen entfernt, was den Wassergehalt noch weiter erhöht. Sauerstoff erhöht die Polarität und damit die Wasserlöslichkeit der im Prozess entstehenden Kohlenwasserstoffe, wodurch schwer zu behandelnde Abwässer entstehen. Daher ist eine effiziente und chemisch selektive Wasserentfernung ein Schlüsselelement in einer funktionierenden Bioraffinerie.

Abwasserströme müssen vor ihrer Freigabe abgetrennt und behandelt werden, um den Verlust wertvoller chemischer Bestandteile zu verhindern und die Auswirkungen der Anlage auf die Umwelt zu mindern. Übliche energieintensive Methoden der Wasserentfernung sind Verdampfung oder Filtration unter hohem Druck.

3. Nachgelagerte Verarbeitung

Die nachfolgenden Prozessschritte wie Destillation oder Hydrierung haben einen hohen Wärmebedarf, bieten aber auch die Möglichkeit der Energieintegration.

Energieeffizienz in der Bioraffinerie braucht eine Definition

Energieeffizienz kann sowohl aus der Sicht des Prozesses als auch des Produktlebenszyklus betrachtet werden und sowohl die Beseitigung von Energieverlusten, als auch die Optimierung des Energieverbrauchs beinhalten.

Biorefining
Eine Energiebilanz auf Basis einer Lebenszyklusanalyse kann zu optimistische Ergebnisse liefern

Für Bioraffinerie-Prozesse wird häufig die sogenannte Lebenszyklusanalyse durchgeführt. Dabei wird jeder Prozessschritt berücksichtigt, beginnend mit dem Anbau des Rohstoffs und endend mit der Entsorgung und dem Recycling des verwendeten Produkts. Dies ist besonders wichtig in der Bioraffinerie, wo der Anbau, die Ernte und die Logistik der Biomasse energieintensiv sein können. In Bioraffinerien, insbesondere bei Biokraftstoffen, ist es eine gängige Methode, die Energieeffizienz dieser Anlagen mit Hilfe der sogenannten Energiebilanz oder Energiekennzahl zu bewerten. Diese ist definiert als das Verhältnis des Wärmeinhalts des produzierten Brennstoffs geteilt durch die Menge an nicht-erneuerbarer Energie, die zur Produktion des Brennstoffs verwendet wurde.

Der Ansatz, die Energiebilanz über diese Methode zu definieren, erzeugt einige Herausforderungen. Da die Energiebilanz nur die Menge an nicht-erneuerbarer oder fossiler Energie berücksichtigt, die im Prozess verwendet wird, kann diese Bilanz theoretisch ins Unendliche steigen, wenn die Anlage nur erneuerbare Energie als Quelle verwendet. Dies würde zwar auf eine sehr "grüne" Produktionsanlage hinweisen, sagt aber nicht unbedingt etwas über die tatsächliche Energieeffizienz des Prozesses aus, da die im Prozess verwendete, erneuerbare Energie ineffizient genutzt sein könnte. Aus diesem Grund ist die Energiekennzahl, obwohl sie ein nützlicher Indikator ist, nicht unbedingt das beste Instrument zur Bestimmung der tatsächlichen Energieeffizienz einer Biokraftstoffproduktionsanlage. Sie kann zu optimistische Ergebnisse liefern, zum Beispiel durch den Einsatz von KWK-Anlagen, die Abfallströme des Prozesses verbrennen.

Die Nettoenergieanalyse basiert auf dem Gesamtenergieverbrauch

Die Energieeffizienz sollte auf dem Gesamtenergieverbrauch des Prozesses basieren, unabhängig davon, ob dieser aus erneuerbaren oder nicht-erneuerbaren Quellen erzeugt wird. Dies wird oft als Nettoenergieanalyse bezeichnet. Das Ergebnis führt oft zu viel niedrigeren Wirkungsgraden, insbesondere bei Bioraffinerien, bei denen die Energie aus dem Ausgangsmaterial, die im Endprodukt verbleibt, oft niedriger als optimal ist. Dies kann in der Regel durch wertvolle Nebenströme, wie Wärme oder Strom, verbessert werden.

Die konkreten Mittel zur Steigerung der Energieeffizienz sind so vielfältig. Für die nachgelagerten Prozesse können standardisierte Methoden wie die Pinch-Analyse eingesetzt werden, während es für die vorgelagerten Prozesse verschiedene Möglichkeiten gibt, Energie zu sparen: von der Optimierung der Lieferkette bis zum Einsatz von energieoptimierten Elektromotoren.

Unsere Experten unterstützen, indem sie unabhängige Analysen liefern. Wir haben Erfahrung in allen Aspekten der Energieoptimierung durch die Kombination von umfangreichem Ingenieurwissen in der chemischen Industrie, dem Energie- und Wassersektor, sowie betriebswirtschaftlicher Expertise.

Sie möchten mehr erfahren?

Jürgen Röhrig

Gebietsverkaufsleiter Chemie & Biorefining

Tuukka Sormunen

Head of Chemicals and Biorefining, Process Industries Division