erweiterung einer brennerei zu einer lignocellulose

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Erweiterung einer Brennerei zu einer Lignocellulose-Bioraffinerie Material- & Energy Flow Management Bioethanol │Biogas │ HTC Biochar Biokraftstofftagung NRW, Haus Düsse, 27. November 2014 Timo Broeker, M.Sc., Dipl.-Ing. Dennis Blöhse, Jörg Bittner, cand. M.Sc Prof. J. Schneider; Prof. H.-G. Ramke

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Page 1: Erweiterung einer Brennerei zu einer Lignocellulose

Erweiterung einer Brennerei zu

einer Lignocellulose-Bioraffinerie

Material- & Energy Flow Management

Bioethanol │Biogas │ HTC Biochar

Biokraftstofftagung NRW, Haus Düsse,

27. November 2014

Timo Broeker, M.Sc., Dipl.-Ing. Dennis Blöhse, Jörg Bittner, cand. M.Sc

Prof. J. Schneider; Prof. H.-G. Ramke

Page 2: Erweiterung einer Brennerei zu einer Lignocellulose

CONTENT

I. Current Project „BioAL-COAL“

II. Coming Project „bioCONNECT“

III. Past Project „WASTEtOH“

Page 3: Erweiterung einer Brennerei zu einer Lignocellulose

University of Applied Sciences Hochschule OWL

Lemgo Detmold Höxter

Page 4: Erweiterung einer Brennerei zu einer Lignocellulose

Faculty

Life Science Technologies

Institute

Institute of Food Technologie ILT.NRW

Interdisciplinary Research Center

Intelligent Energy Systems

FACTSHEET

n 41 study pathes

n 9 faculties

n 6.399 students

n 163 professors

n 444 employees

n 56 trainees

Page 5: Erweiterung einer Brennerei zu einer Lignocellulose

Bioethanol 1st Generation

Bioethanol 2nd Generation

Biogaspotentials

Cascades

HTC – Biochar

Waste- & residue material flow

Page 6: Erweiterung einer Brennerei zu einer Lignocellulose

I: BioAL-COAL

Page 7: Erweiterung einer Brennerei zu einer Lignocellulose

Project BioAL-COAL

„Extention of destilleries to Lignocellulose-Biorefineries through combination of

innovative conversion technologies“

Goal: Contribution to substitution of fossil fuels by the application of different

technologies of biomasse processing

Budget HS OWL: 430.000 €

Förderprogramm Ingenieur-Nachwuchs des BMBF (IN2013-425-052)

Duration: 01.07.2013 – 31.06.2016

Zusammenarbeit ILT.NRW und FG Abfallwirtschaft und Deponiewesen, Prof. Ramke,

Höxter

HTC-Reaktor Fachgebiet Abfallwirtschaft und

Deponietechnik (Pilotanlage in

Page 8: Erweiterung einer Brennerei zu einer Lignocellulose

Motivation

Enable agricultural destilleries to

process other and cheaper subtrates,

primary Lignocellulose

Low cost extension module, short ROI

Optimize process streams and use

synergies – biorefinery

1) total valorization of the input material

2) minimal energy consumption

Cascade processes

Page 9: Erweiterung einer Brennerei zu einer Lignocellulose

What is a biorefinery?

Page 10: Erweiterung einer Brennerei zu einer Lignocellulose

Biorefinery Roadmap:

Example of a lignocellulose

biorefinery

Page 11: Erweiterung einer Brennerei zu einer Lignocellulose

Status quo

Page 12: Erweiterung einer Brennerei zu einer Lignocellulose

Status quo – the model plant

Project objectives

Lignocellulose

Biogas

Substrate matrix

Short roi module technology

Agricultaral destillery and biogas plant

- Biogas

- Exhaust steam generator

- very good availability of data

Page 13: Erweiterung einer Brennerei zu einer Lignocellulose

Status Quo

Page 14: Erweiterung einer Brennerei zu einer Lignocellulose

Status Quo

Page 15: Erweiterung einer Brennerei zu einer Lignocellulose

Status Quo

But?

Page 16: Erweiterung einer Brennerei zu einer Lignocellulose

Conversion processes and experimental data

Page 17: Erweiterung einer Brennerei zu einer Lignocellulose

Original Idea

Page 18: Erweiterung einer Brennerei zu einer Lignocellulose

HTC Biochar

- Principle

Dehydratisation of Carbohydrates

C6H12O6 „C6H2O“ + 5 H2O - ∆ E

- Process parameter

- 180 - 240 °C, in water

- Pressure 15 - 55 bar

- for 4 to 16 h

Page 19: Erweiterung einer Brennerei zu einer Lignocellulose

HTC Biochar vs. Brown Coal

Page 20: Erweiterung einer Brennerei zu einer Lignocellulose

Priority: Ethanol?

Theoretical comparison of the 3 conversion processes

Input Process Produkt CE kJ/mol

Biomass

C6H12O6

3240

kJ/mol

Alcoholic

Fermentation

Ethanol 2 C2H5OH + 2 CO2 0,66 2760

Anaerobic

Fermentation

Biogas 3 CO2 + 3 CH4 0,50 2664

Hydrothermal

Carbonization

Biochar C6H2O + H2O 1,00 2135

Page 21: Erweiterung einer Brennerei zu einer Lignocellulose

Dual-Use continuos pressure reaktor for

Pre-& Posttreatment

Pretreatment (HTA)

at 140 – 160 °C

Pressure ~ 8 bar

30 min

Postreatment (HTC)

180 - 240 °C

Pressure 15 - 55 bar

4 to 16 h

Page 22: Erweiterung einer Brennerei zu einer Lignocellulose

Half-technical

Bioethanolproduction

at 40 liter scale

Mashing

Fermentaion

Destillation

automatically

Page 23: Erweiterung einer Brennerei zu einer Lignocellulose

Conversion parameters (example)

Page 24: Erweiterung einer Brennerei zu einer Lignocellulose

HTA –Pretreatment for increased biogas yield

Page 25: Erweiterung einer Brennerei zu einer Lignocellulose

Concept calculation

Page 26: Erweiterung einer Brennerei zu einer Lignocellulose

Szenario I

Page 27: Erweiterung einer Brennerei zu einer Lignocellulose

Szenario II

Page 28: Erweiterung einer Brennerei zu einer Lignocellulose

Szenario III

Page 29: Erweiterung einer Brennerei zu einer Lignocellulose

Problems

lack of steam

leads to smaler HTA (Pretreatment Unit)

leads to less lignocellulose bioethanol

add expensive wheat for reaching maximum capacitiy of

ethanol facility

lower biogas yield of substrates

Page 30: Erweiterung einer Brennerei zu einer Lignocellulose

Status Quo

Page 31: Erweiterung einer Brennerei zu einer Lignocellulose

Scenario 3.0

Page 32: Erweiterung einer Brennerei zu einer Lignocellulose

Scenario 3.1

Page 33: Erweiterung einer Brennerei zu einer Lignocellulose

What is necessary?

2 operators

„High capacity“ HTA/pretreatment modules

repowering of co-generation unit (1250 kWh el.)

Steam generator modified for biogas

Heat recycling unit (8 bar, 170°C, 802 kWh, 1.135 kg/h steam)

Pretreatment Units Volume Operating Hours

[Liter] [h/a]

EtOH-HTA 1.000 6.000

Biogas-HTA 1.000 6.000

HTC biochar 2.000 6.000

Page 34: Erweiterung einer Brennerei zu einer Lignocellulose

Before After

Energy Efficiency η = 45 % η > 70 %

P Co-Gen Unit elec. 590 kWh el. 1250 kWh el.

Input raw materials Wheat 2.517 Mg/a

Corn silage 9.000 Mg/a

Manure etc. 9.960 Mg/a

Wheat 1.744 Mg/a

Corn silage 8.000 Mg/a

Manure etc. 9.960 Mg/a

Straw 6.516 Mg/a

Vergleich

Page 35: Erweiterung einer Brennerei zu einer Lignocellulose

Betriebswirtschaftliche Betrachtung

[€/a]

-

Rohstoffe 1.058.058

Betriebskosten 222.450

Abschreibung 215.821

+

Ethanol 616709

Ökostrom 2.061.877

HTC Biokohle 149.021

Total 1.331.277

ROI ~ 2,5 a

Page 36: Erweiterung einer Brennerei zu einer Lignocellulose

Fazit

Signifikante Verbesserung des Wirkungsgrades

Erweiterung von Lignocellulose – Bioraffinerien durch HTC

Biokohle

Schlüsseltechnologie ist das „Pretreatment“ für Ethanol und

Biogas

gesteigerte Produktion von Ökostrom wirtschaftlich am

wichtigsten

schneller ROI

Signifikantes Potential für dezentrale,

mittelständische Bioraffinerien

Page 37: Erweiterung einer Brennerei zu einer Lignocellulose

Offene Fragen?

Substitution des Weizens bei der Ethanolherstellung durch

Maissilage

Nutzung der Biokohle für Dampferzeugung

Methan - Direkteinspeisung

Verwertung der Biokohle

Page 38: Erweiterung einer Brennerei zu einer Lignocellulose

II. Coming Project

Page 39: Erweiterung einer Brennerei zu einer Lignocellulose

Prof. Dr.-Ing.

Jan

Schneider

Timo

Broeker

M.Sc.

Linda

Oppermann

B.Sc.

Verena

Wolff

B.Sc.

Prof. Dr.-Ing.

Hans-Günter

Ramke

Dipl.-Ing.

Dennis

Blöhse

Prof. Dr.-Ing.

Klaus

Heikrodt

Marc

Hoffarth

M.Sc.

Page 40: Erweiterung einer Brennerei zu einer Lignocellulose

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

Contact:

Timo Broeker, M.Sc.

[email protected]

Institute of Food Technologie ILT.NRW

Liebigstr. 87

32825 Lemgo