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Fachartikel
02. März 2021

Hydrothermale Karbonisierung

In vier Stunden wird aus Bioabfall Kohle

Vor gut 100 Jahren hat der deutsche Chemiker Friedrich Bergius beschrieben, wie sich pflanzliche Stoffe unter Einwirkung von Druck und Wärme binnen Stunden in Kohle verwandeln. Die sogenannte hydrothermale Karbonisierung (HTC), so die wissenschaftliche Bezeichnung des Verfahrens, erlebt heute eine Renaissance: Eine Pilotanlage in Chur hat das Potenzial von HTC zur Rückgewinnung von Pflanzennährstoffen aus organischen Abfällen untersucht, ebenso die energetische Verwertung von HTC-Kohle.
Benedikt Vogel 

Was wir im Alltag gern als «Abfall» bezeichnen, ist nicht selten eine Quelle von Wert- und Nährstoffen. Das gilt auch für den Klärschlamm, der in Abwasserreinigungsanlagen (ARA) anfällt und bisher meist in Schlammverbrennungsanlagen (auch Monoverbrennung genannt), Kehrichtverbrennungsanlagen und Zementwerken entsorgt wird. Dabei enthält Klärschlamm unter anderem Stickstoff und Phosphor, zwei Grundstoffe von Pflanzendünger. Ab 2026 müssen mindestens 50% des Phosphors aus dem Klärschlamm zurückgewonnen werden, so verlangt es die «Verordnung über die Vermeidung und die Entsorgung von Abfällen» (VVEA). Für die Rückgewinnung existieren verschiedene Wege. Einer davon wurde jüngst in einer Pilotanlage für «hydrothermale Karbonisierung» (HTC) in Chur untersucht.
In der HTC-Anlage wird Klärschlamm aus der nahegelegenen ARA Chur einem Druck von 20 bar ausgesetzt und zugleich in zwei Stufen auf 200 °C erhitzt. Der heisse Schlamm verharrt in diesem Zustand vier Stunden in einem Reaktor und verwandelt sich dabei in Kohleschlamm (hydrothermale Karbonisierung). Der Kohleschlamm wird anschliessend ausgepresst – es entstehen HTC-Kohle und Prozesswasser. Der im Klärschlamm enthaltene Phosphor soll überwiegend ins Prozesswasser überführt werden. Damit das gelingt, wird der Kohleschlamm vor der Auspressung angesäuert. Danach kann der Phosphor aus dem Prozesswasser extrahiert werden. «Wir konnten mit der Pilotanlage in Chur rund 30% des im Faulschlamm enthaltenen Phosphors zurückgewinnen», sagt Gabriel Gerner von der Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften (ZHAW), der das Projekt wissenschaftlich begleitet hat. Die Forscher um Gerner hatten erwartet, die Karbonisierung würde die Löslichkeit des Phosphors begünstigen, was allerdings nicht eintrat. Trotz des Teilerfolgs bleibt Umweltingenieur Gerner zuversichtlich: «Wenn wir den Kohleschlamm stärker ansäuern und den pH-Wert von 4 auf 3 senken, dürften wir die 50%-Vorgabe der VVEA erfüllen.»

Aufheizen und Karbonisieren in getrennten Schritten

Treibende Kraft hinter der HTC-Pilot­anlage ist Andreas Mehli. Der Unternehmer betreibt ein Handelsgeschäft für Landwirtschafts-, Kommunal- und Forstmaschinen mit 35 Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern. Seit 2015 hat er auf seinem Betriebsgelände vor den Toren der Stadt die HTC-Anlage aufgebaut und mit Engagement und Einfallsreichtum nach technischen Verbesserungen gesucht. Ausgangspunkt war eine HTC-Anlage des deutschen Herstellers Grenol. Nachdem es wiederholt zu Verstopfung kam, entschloss sich Andreas Mehli, das Aufheizen des Substrats und den Karbonisierungsprozess in zwei getrennten Prozessschritten zu staffeln. Der erste Teilprozess erfolgt in einer «Aufwärmeschnecke», in der das Substrat von heissem Thermoöl erhitzt wird, während eine Schnecke es langsam weiterbewegt. «Mit dieser innovativen Komponente konnten wir unsere HTC-Anlage zwischen September 2019 und Dezember 2020 fast 1000 Stunden praktisch störungsfrei betreiben», zieht Mehli Bilanz. «Seit Betriebsbeginn haben wir 60% Verbesserung in der Energieeffizienz erzielt.»
Die Anlage funktioniert also. Und sie funktioniert mit verschiedenen Sub­straten. Das Forscherteam von ZHAW und Fachhochschule Nordwestschweiz (FHNW) führte vier Messkampagnen mit Klärschlamm und zwei weitere mit einem Gemisch aus Gülle und Gärresten durch. Die HTC-Anlage liesse sich auch mit anderen Formen von Biomasse wie Grüngut, Lebensmittelabfällen oder Gülle betreiben. Doch jedes Substrat hat seine Eigenheiten – und erfordert mitunter eine Anpassung der Anlage. So muss – um nur ein Beispiel zu geben – für faserhaltige Substrate wie Gülle eine andere Presse verwendet werden als für Klärschlamm. Die Forscher von ZHAW und FHNW haben in ihrem Begleitprojekt die Stoffflüsse detailliert untersucht. Sie stellen damit Grundlagen für die Auslegung künftiger HTC-Anlagen bereit.

Aus HTC-Kohle wird Wärme und Strom

Am Ende der Karbonisierung stehen HTC-Kohle und Prozesswasser. Beide Produkte können energetisch genutzt werden – Ersteres durch Verbrennung oder Vergasung, letzteres durch Vergärung in einer Biogasanlage. Die Analyse der Energieflüsse der Klärschlammverwertung zeigt, dass vier Fünftel der Energie in der Kohle stecken und immerhin ein Fünftel im Prozesswasser. In Chur wurde das Prozesswasser versuchsweise in einer 20-Fuss-Container-Biogasanlage verwertet. Mit der HTC-Kohle wurden Vergasungs-, Pyrolyse- und Abbrandversuche durchgeführt. Da die Karbonisate unter anderem deutlich mehr Stickstoff und Schwefel als Holz enthalten, wurden die Grenzwerte der Luftreinhalteverordnung für Stickoxid-, Schwefeldioxid- und Staubemissionen überschritten, und es wurde eine verstärkte Schlackebildung beobachtet. «Die energetische Nutzung ist zwar möglich, aber nur mit einer angepassten und für HTC-Kohle optimierten Verbrennungseinrichtung und einer entsprechenden Rauchgasreinigung zu empfehlen», lautet das Fazit im Projektschlussbericht. Als umweltgerechtere Alternative soll nun die Vergasung in kleineren Festbettvergasern mit anschliessender Verbrennung des Gases in einem FLOX-Brenner untersucht werden.
Noch nicht abschliessend geklärt ist die Frage, in welchen Fällen sich eine energetische Verwertung von HTC-Kohle und Prozesswasser lohnt und zum Beispiel einer Vergärung der Substrate in einer Biogasanlage vorzuziehen ist. Nach Einschätzung von Andreas Mehli ist das HTC-Verfahren besonders dann vorteilhaft, wenn eine Verwertung in der Biogasanlage wegen Plastikrückständen nicht möglich ist. Zu beachten ist auch, dass die Karbonisierung selber Energie verbraucht. Diese entspricht im Fall von Lebensmittelresten 20 bis 30% der im Substrat enthaltenen Energie, im Fall von Klärschlamm sogar 50 bis 100%, je nachdem, ob der Klärschlamm im Faulturm war oder nicht. Allerdings ist das HTC-Verfahren laut Mehli trotzdem empfehlenswert, da unter dem Strich weniger Energie für die Klärschlammtrocknung benötigt wird als mit der heute geläufigen thermischen Wirbelschichttrocknung. Daneben sei das HTC-Verfahren vorteilhaft für die Phosphorrückgewinnung.

Anwendung in der Surselva geplant

Nach Abschluss des Pilotbetriebs wird die HTC-Anlage am bisherigen Standort abgebaut. Was bleibt? Die Karbonisierungstechnologie hat die technische Reife unter Beweis gestellt. «Offen ist zur Zeit noch, mit welchen Substraten und welchen Verwertungen der HTC-Kohle die Technologie wirtschaftlich interessant ist. Ökonomisch interessant dürfte die Verwertung von Klärschlamm sein, weil dessen Entsorgung finanziell entschädigt wird», meint ZHAW-Forscher Gerner.
Doch auch die Verkohlung von Grünschnitt und Gastroabfällen scheint Potenzial zu haben. Mit diesen beiden Substraten soll die erste kommerzielle Anlage in der Schweiz arbeiten, welche die Regiun Surselva – ein Verband von 15 Gemeinden des Vorderrheintals – im Jahr 2022 im Bündner Dorf Rueun in Betrieb nehmen will. Die dort hergestellte HTC-Kohle soll in verschiedenen mit Holzhackschnitzeln beschickten Fernwärmeanlagen der Surselva energetisch verwertet werden, die Verwendung des Prozesswassers ist noch offen. Ein laufendes BFE-Projekt soll die Machbarkeit einer solchen Anlage bestätigen. In einem Folgeprojekt werden Fragen der Raumplanung, Logistik und des Immissionsschutzes geklärt. Die Abklärungen zur HTC-Anlage obliegen der Stiftung Alpines Energieforschungscenter (AlpEnForCe) in Disentis. Für Projektleiter Roland Cajacob ist die Anlage ein Schritt hin zur regionalen Abfallverwertung und Energieerzeugung aus Biomasse: «Grünschnitt und Gastroabfälle mussten bisher bis zu 90 km zu den Verwertungsbetrieben transportiert werden; neu können sie praktisch vor der Haustür in Energie umgewandelt werden.»

Ein altes Verfahren neu entdeckt

Das Verfahren der hydrothermalen Karbonisierung (HTC) geht auf den deutschen Chemiker Friedrich Bergius zurück. In einem 1913 verfassten Aufsatz beschrieb er, wie sich die Umwandlung von Biomasse in Kohle, die in der Natur Millionen von Jahre in Anspruch nimmt, technisch innert weniger Stunden nachahmen lässt. Für die Entdeckung des Verfahrens zur Herstellung des Energieträgers Kohle erhielt er 1931 den Chemie-Nobelpreis. 2012 nahm die Schweizer Firma AVA-CO2 in Karlsruhe eine HTC-Demonstrationsanlage in Betrieb. Industrielle HTC-Anlagen entstanden seither u. a. in der chinesischen Stadt Jining und in Relzow (Norddeutschland). Das HTC-Verfahren findet überdies Anwendung bei der Herstellung chemischer Grundstoffe.

Pilot- und Demonstrationsprojekte des BFE
Gesuche um Finanzhilfe

Die Churer Pilotanlage zur hydrothermalen Karbonisierung wurde vom Pilot- und Demonstrationsprogramm des Bundesamts für Energie (BFE) unterstützt. Damit fördert das BFE die Entwicklung und Erprobung von innovativen Technologien, Lösungen und Ansätzen, die einen wesentlichen Beitrag zur Energieeffizienz oder zur Nutzung erneuerbarer Energien leisten. Gesuche um Finanzhilfe können jederzeit eingereicht werden:
www.bfe.admin.ch/pilotdemonstration

Schlussbericht

Der Schlussbericht zum Projekt «HTC Innovationscampus Rheinmühle – Pilotanlage zur hydrothermalen Karbonisierung» ist abrufbar unter: www.aramis.admin.ch/Texte/?ProjectID=40894

Weitere Fachbeiträge

Weitere Fachbeiträge über Forschungs-, Pilot-, Demonstrations- und Leuchtturmprojekte im Bereich Bioenergie sind auf folgender Website zu finden: www.bfe.admin.ch/ec-bioenergie

Kontakt und Auskunft
  • Sandra Hermle, Leiterin des BFE-Forschungsprogramms Bioenergie
  • Men Wirz, verantwortlich für das Pilot- und Demonstrationsprogramm des BFE

 

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Kommentare (1)

Alois Zürcher am 16.03 2021 um 16:16

Karbonisierung von organischen Stoffen

Der Artikel ist leider nicht objektiv. Sie schreiben "Die hydrothermale Karbonisierung (HTC) erlebe heute eine Renaissance: Eine Pilotanlage in Chur hat das Potenzial von HTC zur Rückgewinnung von Pflanzennährstoffen aus organischen Abfällen untersucht, ebenso die energetische Verwertung von HTC-Kohle" Während in Chur mit Bundessubventionen eine Pilotanlage gebaut wird, laufen im Kanton Zug bereits mehrere produktive Anlagen auf privatwirtschaftlicher Basis. Auf Verora.ch steht geschrieben: "Seit Ende November 2016 wird Pflanzenkohle und Futterkohle erzeugt.. Mit der Restwärme trocknen wir Hackschnitzel und beheizen Wohnhaus und Werkstatt".

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