Biomassevergasung zu Wasserstoff und Bio-SNG: Prozessschritte, Herausforderungen und realer TRL

Die Biomassevergasung ist die thermochemische Umwandlung von organischem Material (Holz, Stroh, Wald- und Landwirtschaftsreststoffe) in Synthesegas bei begrenzter Zufuhr von Oxidationsmittel, üblicherweise bei einer Temperatur von 700 bis über 1000°C. Das Synthesegas besteht hauptsächlich aus CO, H₂, CO₂ und CH₄ und kann zur Erzeugung von Wasserstoff (nach CO-Konvertierung und Reinigung), synthetischem Methan (Bio-SNG), flüssigen Kraftstoffen oder Energie genutzt werden. Die Technologie ist seit Jahrzehnten bekannt, ihre Anwendung für Wasserstoff aus Biomasse hat jedoch demonstrativen Charakter: Die wichtigsten Hürden sind Teere, Asche, Anlagengröße, Kosten und Zuverlässigkeit.

Prozessschritte

1. Biomasseaufbereitung: Trocknung, Zerkleinerung, Brikettierung oder Pelletierung. Die Feuchte beeinflusst den Wirkungsgrad.
2. Vergasung: im Festbett-, Wirbelschicht- oder Flugstromreaktor; Vergasungsmittel sind Luft, Sauerstoff, Wasserdampf oder deren Gemische.
3. Gasreinigung: Entfernung von Teeren, Staub, Alkalien, Schwefel- und Chlorverbindungen, Ammoniak.
4. CO-Konvertierung: CO + H₂O → CO₂ + H₂ erhöht den Wasserstoffanteil.
5. Wasserstoffabtrennung: PSA oder Membranen, Entfernung von CO₂.
6. Alternativ – Methanisierung von CO und H₂ zu CH₄ (Bio-SNG), also synthetischem Biomethan.

Reaktortypen

Die Wasserdampfvergasung in zweistufigen Systemen (z. B. getrennte Verbrennung und Vergasung) liefert ein Gas mit höherem Wasserstoffanteil und ohne Verdünnung durch Stickstoff.

Wasserstoffausbeute

Die theoretische Wasserstoffausbeute aus Biomasse hängt von der Elementarzusammensetzung und dem Umwandlungswirkungsgrad ab. In der Literatur werden Werte in der Größenordnung von einigen Dutzend bis über hundert Gramm H₂ je Kilogramm Trockenmasse genannt; im folgenden Beispiel nehmen wir 100 g H₂/kg TS als illustrative Annahme. Aus 1 Tonne Trockenbiomasse ergibt das 100 kg H₂, und die Energie des Wasserstoffs (Heizwert 33,3 kWh/kg) beträgt ca. 3,3 MWh, während Biomasse mit einem Heizwert von 4,8 MWh/t TS 4,8 MWh enthält – der energetische Wirkungsgrad beträgt ca. 69% (unter Idealbedingungen; in der Praxis niedriger, wenn der Eigenenergieverbrauch berücksichtigt wird). Für eine Anlage mit 100 t TS pro Tag beträgt die Produktion ca. 10 t H₂ täglich. Die Zahlen sind Annahmen.

Teere und Reinigung

Teere (komplexe aromatische Kohlenwasserstoffe) kondensieren bei niedrigeren Temperaturen und verstopfen Rohrleitungen, Wärmetauscher und Motoren. Ihre Entfernung erfolgt durch thermisches oder katalytisches Cracken, Ölwäscher oder Filter. Das ist eines der teuersten und schwierigsten Elemente des Systems. Zusätzlich wirken Alkalien und Chlor korrosiv, und Schwefel vergiftet die Katalysatoren in den nachgeschalteten Stufen.

Beispiel aus der Praxis: GoBiGas

In Göteborg (Schweden) war die Demonstrationsanlage GoBiGas in Betrieb, die Bio-SNG aus Waldreststoffen mit einer Leistung in der Größenordnung von 20 MW im Gas erzeugte. Die erste Stufe lief in den Jahren 2014–2018, danach wurde das Projekt hauptsächlich aus wirtschaftlichen Gründen eingestellt (niedriger Gaspreis, hohe Kosten und fehlende Fördermechanismen im kommerziellen Maßstab). Das Beispiel zeigt, dass eine technisch mögliche Produktion aus Biomasse für die Wirtschaftlichkeit nicht ausreichen muss.

Wasserstoff aus der Vergasung und RED

Wasserstoff aus Biomasse unterliegt den Vorschriften für Kraftstoffe aus Biomasse, einschließlich der Nachhaltigkeitskriterien (Rohstoffe, Minderung der THG-Emissionen). Handelt es sich bei der Biomasse um Reststoffe, kann der Treibhausgas-Fußabdruck niedrig sein, und bei Abscheidung und Speicherung von CO₂ (BECCS) – negativ. Aus diesem Grund wird die Vergasung als Technologie zur CO₂-Entnahme betrachtet, doch Kosten und Regulierung erfordern weitere Arbeiten.

Technologische Reife

Die Vergasung zur Erzeugung von Strom und Wärme ist in vielen Maßstäben im Einsatz (Kraft-Wärme-Kopplung). Die Vergasung zu Kraftstoffen (Wasserstoff, SNG, flüssige Kraftstoffe) befindet sich auf der Stufe von Demonstration und ersten Anlagen, und ihre kommerzielle Einführung hängt von Kraftstoffpreisen, Förderpolitik und Biomasseverfügbarkeit ab. Wasserstoff aus Biomasse im industriellen Maßstab bleibt ein langfristiges Vorhaben.

Biomasse und konkurrierende Nutzungen

Land- und Forstwirtschaftsreststoffe haben viele Verwendungen: Bodendüngung, Futtermittel, Energiewirtschaft, Methangärung. Bei der Erwägung einer Vergasung ist die Rohstoffverfügbarkeit im Anfahrtsradius und die Konkurrenz mit anderen Nutzern zu bewerten. Auch Stroh ist in Polen wegen des Erhalts der organischen Substanz im Boden eine begrenzte Ressource.

Zusammenfassung

Die Biomassevergasung ist ein möglicher Weg zu Wasserstoff und Bio-SNG, ist heute jedoch eine Demonstrationstechnologie, die von Förderung und Anlagengröße abhängt. Im Vergleich zur Methangärung stellt sie höhere Anforderungen an die Gasreinigung und birgt ein größeres technisches Risiko.