Mechanisch-mineralische Umwandlung

Der Begriff Mechanisch-mineralische Umwandlung beschreibt eine Methode und ein technisches Verfahren zur Umwandlung von Biomasse oder organischen Reststoffen in flüssigen Kraftstoff.

Geschichte und Entwicklung des Verfahrens

Die chemischen Abläufe bei der mechanisch-mineralischen Umwandlung sind am ehesten vergleichbar mit denen der thermokatalytischen Niedertemperaturkonvertierung (NTK) auch bezeichnet als Katalytische drucklose Verölung. Sie basieren auf Erkenntnissen von Ernst Bayer, der dieses Verfahren in den achtziger Jahren an der Universität Tübingen entwickelt hatte. In der neuerlichen technischen Umsetzung zeigen sich bei der mechanisch-mineralischen Umwandlung gegenüber der thermokatalytischen Niedertemperaturkonvertierung große Unterschiede. Diese sind durch Weiterentwicklungen der letzten Jahre entstanden, sowie durch Ergänzungen und Veränderungen, welche auf einen für industrielle Anwendbarkeit des Verfahrens ausreichenden Wirkungsgrad hinzielen.

Die Methode der mechanisch-mineralischen Umwandlung unterscheidet sich von den bekannten pyrolytischen Verfahren und insbesondere auch von der Fischer-Tropsch-Synthese durch einen viel einfacheren Anlagenaufbau mit weniger Prozessschritten und erheblich geringerem Energiebedarf. Reaktoren oder Kessel müssen nicht unter Druck gehalten werden, entgegen Temperaturen von 500 °C aufwärts kommt das Verfahren mit Temperaturen um 300 °C aus, es werden weder Anlagen zur Überhitzung von Wasserdampf noch Anlagen für eine Nachverbrennung der aufgrund der hohen Temperaturen entstehenden bedenklichen Prozessgase benötigt. Durch die niedrige Prozesstemperatur von 300 °C entstehen keine umweltschädlichen polychlorierten Dibenzodioxine und Dibenzofurane. Technisch betrachtet ist der Hauptunterschied zu den bekannteren Verfahren der, dass der Zerfall der langen Kohlenwasserstoffketten nicht nur durch thermische oder katalytische Effekte, sondern durch Bündelung mechanischer, katalytischer und thermischer Effekte zustande kommt. Die Aufspaltung findet dadurch bei einem niedrigen Temperaturniveau statt, was insbesondere der Ausbeute an Mitteldestillaten förderlich ist.

Kurzdarstellung der Prozessführung

• Mechanische Aufbereitung der Reststoffe vor der Eingabe in den Prozess
• In heißem Öl wird das Material von Restfeuchte befreit und mit konzentrierten Mineralien vermischt
• In einer Reaktionspumpe wird die Mischung starkem mechanischen Wärmeeintrag sowie hohen Zentrifugal- und Scherkräften ausgesetzt
• Die zeitgleiche Einwirkung thermischer, physikalischer und chemischer Kräfte führt zum Zerfall der langen Kohlenwasserstoffketten
• Bedingt durch tieferen Siedepunkt verdampfen die entstehenden kurzkettigen Kohlenwasserstoffe umgehend
• Der Kraftstoffdampf wird in einer Destillations-Säule reguliert und über einen Kondensator verflüssigt
• Das als Trägermedium verwendete Öl wird diskontinuierlich von Prozessresten gereinigt und wiederverwendet
• zwei bis fünf Prozent des Rohmaterials sowie inaktiv gewordene Mineralien verbleiben als Prozessreste

Unterscheidungsmerkmale

Das wichtigste Unterscheidungsmerkmal sind spezielle Reaktionspumpen mit innenseitig rotierenden Flügelrädern die bei der mechanisch-mineralischen Umwandlung eingesetzt werden. Durch deren mechanischen Wärmeeintrag, sowie starke Zentrifugal- und Scherkräfte werden Reaktionsbedingungen, die zum Zerfall langer Kohlenwasserstoffketten führen, schneller und bei niedrigeren Temperaturen herbeigeführt.

Außerdem sind die Materialien innerhalb dieser Reaktionspumpen einem Druckwechsel zwischen dem Ansaug-Unterdruck und dem Ausgangs-Druck ausgesetzt. Das Druckaufkommen kann mehrere bar betragen, und trägt dadurch innerhalb der Reaktionspumpe ebenfalls zur Verbesserung der Reaktionsbedingungen bei.

Obwohl die Separierung entstehender Kraftstoffdämpfe wie beim NTK-Verfahren bei Unterdruck stattfindet, arbeitet das mechanisch-mineralische Verfahren aufgrund des Druckaufkommens in der Reaktionspumpe nicht drucklos.

Anstatt der bei der konventionellen thermokatalytischen Niedertemperaturkonvertierung durch Aufheizen von außen notwendigen Temperaturen von 360 bis 400 °C, werden bei der mechanisch-mineralischen Umwandlung nur 270–350 °C benötigt, weil die zu verarbeitenden Materialien nicht nur Temperatur, sondern auch starken mechanischen Kräften ausgesetzt sind.

Die bei der mechanisch-mineralischen Umwandlung eingesetzten Reaktionspumpen fördern den Materialstrom. Der kontinuierliche Betrieb einer Anlage kann energiesparender realisiert werden, da auf zusätzliche Förderpumpen verzichtet werden kann.

Bezeichnung

Die Bezeichnung „Mechanisch-mineralische Umwandlung“ trägt der Tatsache Rechnung, dass bei diesem Verfahren die für die chemische Aufspaltungsreaktion notwendigen Grundvoraussetzungen hauptsächlich durch Einwirkung mechanischer Kräfte und Zugabe konzentrierter Mineralien erreicht werden.

Besonderheiten gegenüber anderen Verfahren

Wie bei anderen bekannten Aufspaltungs-Verfahren, für deren Prozessführung oft sehr hohe Drücke und deutlich höhere Temperaturen erforderlich sind, geht es auch bei diesem Verfahren darum, lange Kohlenwasserstoffketten fester Biomasse-Materialien in kurzkettige Verbindungen aufzuspalten, um flüssige Kraftstoffe daraus zu gewinnen. Die Besonderheit des mechanisch-mineralischen Umwandlungsverfahrens liegt vor allem darin, dass die Aufspaltung nicht in Behältern durch hohe Wärmezufuhr von außen erfolgt, sondern die für die chemische Reaktion notwendige Temperatur im inneren einer Reaktionspumpe durch mechanische Kräfte eines rotierenden Impellers erzeugt werden. Weil die zu verarbeitenden Materialien bei gleichzeitig feinster Vermischung mit hochkonzentrierten kristallinen Mineralien kurzzeitig extremen mechanischen Kräften ausgesetzt sind, zerfallen die langen Kohlenstoffketten schon bei deutlich niedrigeren Temperaturen und geringem Druck.

Durch Auswahl der Mineralien kann in einem gewissen Rahmen Einfluss auf die bei der Aufspaltung entstehenden Kohlenwasserstoffverbindungen genommen werden. Sinnvolle Ausnutzungsgrade können bei einer Auslegung für die Herstellung von Diesel und Heizöl erreicht werden. Bei dem mechanisch-mineralischen Umwandlungsverfahren verbraucht sich die Wirksamkeit der zugefügten Mineralien während des Prozesses direkt proportional zur Menge des eingebrachten Rohmaterials. Zur Aufrechterhaltung der Reaktionsbedingungen müssen deshalb immer synchron mit dem Materialeintrag auch Mineralien zugefügt werden.

Chemische Grundlagen des Verfahrens

Kohlenstoff (C) ist das Element welches die meisten chemischen Verbindungen eingeht. Während anorganische Kohlenstoffverbindungen wie Diamant, Graphit, etc. nicht an biogenen Umwandlungsprozessen teilnehmen, bilden organische Kohlenstoffverbindungen wie z.B. die Kohlenwasserstoffe, die Grundlage jeglichen Lebens auf der Erde. Sie sind geprägt durch große Vielfalt, Wandlungsfähigkeit und der großen Bindungsfreudigkeit des Kohlenstoffatoms mit anderen Stoffen, vor allem dem Wasserstoff. Die Form von entstehenden Verbindungen ist abhängig von der Temperatur und wird auch durch die Präsenz anderer Stoffe beeinflusst, bzw. verändert. Einfache Kohlenwasserstoffe präsentieren sich gasförmig, mit zunehmender Anzahl an eingebundenen C-Atomen sind sie flüssig oder fest.

Von Pflanzen wird der gasförmige Kohlenstoff aus dem Kohlenstoffdioxidgehalt der Luft durch Bildung langer Kohlenwasserstoffketten in feste organische Masse umgewandelt (Photosynthese). Unter Luftabschluss und der Präsenz bestimmter Mineralien wandeln sich Reste solcher festen Kohlenwasserstoffverbindungen wieder in andere feste, flüssige oder gasförmige Kohlenwasserstoff-Verbindungen um. Ein großer Teil der uns bekannten fossilen Energieträger sind auf diese Weise entstanden.

In Laborversuchen wurde in den 80er Jahren von Ernst Bayer nachgewiesen, dass sich derartige natürliche Umwandlungsprozesse durch Anhebung der Temperatur und Bereitstellung hochkonzentrierter Mineralienmischungen stark beschleunigen, bzw. auf wenige Stunden reduzieren lassen. Bereits 1981 hatte Ernst Bayer die Ergebnisse seiner Forschungsarbeiten unter der Bezeichnung „thermokatalytische Niedertemperaturkonvertierung“ als Patent angemeldet.

Stand der Entwicklung

Bemühungen, aus Bayers Laborerkenntnissen ein industriell nutzbares, wirtschaftlich durchführbares Verfahren zu entwickeln, führten mit der Zeit zu verschiedenen technischen Ausführungen und verschiedenen Varianten bei der Prozessführung. Eine dieser Varianten die sich in vielen Jahren der Forschung erst nach und nach entwickelt hat, ist die mechanisch-mineralische Umwandlung.

Diese basiert hauptsächlich auf der Verwendung von Reaktionspumpen in denen nach Hinzufügung konzentrierter Mineralien die Reaktionsbedingungen durch mechanischen Wärmeeintrag und starke Zentrifugal-Kräfte herbeigeführt werden. Mit diesem mechanisch-mineralischen Verfahren kann die Verflüssigung fester organischer Reststoffe mittlerweile kontinuierlich und auch in größeren Mengen durchgeführt werden. Das Verfahren ist gezielt und ausschließlich auf die Herstellung von Mitteldestillaten hin ausgelegt. Die entstehenden synthetischen Kraftstoffe weisen ähnliche Eigenschaften wie Diesel und Heizöl auf. Um gängigen Normen zu entsprechen müssen sie aber nachbehandelt werden, vor allem der Schwefelgehalt muss noch stark reduziert werden. Das Verfahren befindet sich in der Erprobungsphase, Pilotanlagen gibt es in Spanien, Deutschland, der Schweiz und in den USA

Beispiele geeigneter Roh- und Reststoffe

• landwirtschaftliche Abfälle
• Sägemehl
• Holzreste
• Trester der Olivenölindustrie
• Trester und Schnitt vom Weinbau
• Nahrungsmittelabfälle
• getrockneter Klärschlamm
• Baumschnitt
• Energiepflanzen
• Jatropa
• Miscanthus
• Abfälle der Zuckerrohrindustrie (Bagasse)
• Abfälle der Palmölindustrie
• Hackschnitzel

Siehe auch

• BtL-Kraftstoff
• Biomassevergasung
• Hamburger Verfahren
• Depolymerisation
• Biokraftstoff

Literatur

• Ernst Bayer: Theorie und Praxis der Niedertemperaturkonvertierung zur Rezyklisierung von Abfällen. Westdt. Verl., Opladen 1995, ISBN 3-531-08413-5. 

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