Technologien, Herausforderungen und Praxisbeispiele

Pyrolyseverfahren im Überblick

Die Pyrolyse von Biomasse kann in unterschiedliche Verfahren unterteilt werden, die sich vor allem in Temperatur, Verweilzeit und Heizrate unterscheiden [1]. Bei der sogenannten langsamen Pyrolyse, die besonders häufig eingesetzt wird, stehen moderate Temperaturen zwischen 300 und 600 °C sowie längere Verweilzeiten im Vordergrund. Ziel ist es hier, die Ausbeute an Pflanzenkohle zu maximieren. Die Schnellpyrolyse hingegen erhitzt die Biomasse sehr schnell auf Temperaturen zwischen 450 und 550 °C, wobei vor allem Pyrolyseöl als Produkt entsteht. Eine Sonderform ist die Flash-Pyrolyse mit kurzen Verweilzeiten, die allerdings eher im Labor Anwendung findet.  Auch neue Technologien wie die Mikrowellenpyrolyse oder die katalytische Pyrolyse, bei der Katalysatoren zur gezielten Beeinflussung der Produkte eingesetzt werden, spielen eine Rolle, befinden sich jedoch noch in der Entwicklung. In der Praxis hat sich insbesondere die langsame Pyrolyse etabliert, da sie große Mengen an Pflanzenkohle erzeugt und somit einen wesentlichen Beitrag zur Kohlenstoffbindung leistet.

Der Kohlenstoffkreislauf

Der Kohlenstoffkreislauf veranschaulicht, weshalb die Pyrolyse ein so wirksames Verfahren darstellt. Pflanzen binden während der Photosynthese Kohlendioxid aus der Atmosphäre und speichern den Kohlenstoff in ihrer Biomasse. Würde diese Biomasse auf natürlichem Wege zersetzt oder verbrannt, gelangte der Kohlenstoff wieder in Form von CO₂ in die Luft. Durch die Pyrolyse wird er jedoch in stabile Pflanzenkohle überführt und auf diese Weise dauerhaft der Atmosphäre entzogen. Die Pflanzenkohle kann über Jahrhunderte im Boden verbleiben und wirkt damit als langfristige Kohlenstoffsenke [2].

Eigenschaften des Pyrolysegases

Neben Pflanzenkohle entsteht bei der Pyrolyse ein Gasgemisch, dessen Zusammensetzung stark von den Prozessbedingungen abhängt. Typischerweise enthält es einen hohen Anteil an Kohlenmonoxid, Wasserstoff und Methan, ergänzt durch Kohlendioxid und Stickstoff. Auch geringe Mengen höherer Kohlenwasserstoffe sowie Teer- und Kondensatverbindungen können enthalten sein. Temperatur, Heizrate, Verweilzeit und Feuchtegehalt der Ausgangsbiomasse bestimmen maßgeblich die Zusammensetzung des Gases. Höhere Temperaturen und kurze Verweilzeiten begünstigen die Bildung von Kohlenmonoxid und Wasserstoff, während niedrigere Temperaturen die Bildung von Teeren fördern.

Zweistufige Verbrennung als Lösungsansatz

Ein zentrales technisches Problem stellt die Emission von Stickoxiden bei der Verbrennung des Gases dar. Diese entstehen insbesondere aus dem im Brennstoff gebundenen Stickstoff. Um sie zu verringern, hat sich das zweistufige Verbrennungsverfahren bewährt [3]. In der ersten Stufe wird das Gas unter Luftmangel verbrannt, wodurch Stickstoff im Brennstoff bevorzugt zu molekularem Stickstoff umgesetzt wird. In der zweiten Stufe erfolgt die Zufuhr zusätzlicher Luft, sodass ein vollständiger Ausbrand gewährleistet wird. Entscheidend ist eine homogene Durchmischung sowie die gezielte Steuerung der Temperatur, um die Bildung von thermischem Stickstoffmonoxid zu minimieren. Die räumliche Trennung der beiden Verbrennungszonen erleichtert zudem die Kontrolle der Temperaturverläufe. 

Der schematische Aufbau eines zweistufigen Reaktors ist in Abbildung 1 dargestellt. In dem gezeigten Konzept sind die beiden Verbrennungszonen räumlich voneinander getrennt, wodurch der Wärmestrahlungsaustausch zwischen den Stufen reduziert wird (Abbildung 2). Dies unterstützt eine gezielte Steuerung der Temperaturverläufe und begünstigt die selektive Umsetzung der Stickstoffverbindungen.  

Vorteile und Herausforderungen

Das zweistufige Verfahren bringt mehrere Vorteile mit sich. Es setzt direkt im Verbrennungsprozess an und verringert die Bildung von Stickoxiden erheblich. Dadurch kann in vielen Fällen auf sekundäre Maßnahmen wie die selektive katalytische oder nicht-katalytische Reduktion verzichtet werden. Dies reduziert die Abhängigkeit von chemischen Additiven und senkt die Betriebskosten. Zudem zeichnen sich die Systeme durch eine hohe Anlagenverfügbarkeit aus und bieten eine stabile Zündung auch unter schwierigen Bedingungen. Hinzu kommt eine große Flexibilität bei der Nutzung unterschiedlicher Brennstoffe. Zwar erfordert die Technologie höhere Investitionskosten und zusätzlichen Platzbedarf, doch amortisieren sich die Ausgaben in der Regel durch die eingesparten Betriebskosten bereits nach kurzer Zeit.

Praxisbeispiel Dänemark

In Dänemark betreibt das Unternehmen Stiesdal eine Pyrolyseanlage mit einer Leistung von bis zu 20 MW [4]. Etwa die Hälfte des Kohlenstoffs aus der Biomasse wird in Biokohle überführt, während der Rest in Form von Synthesegas anfällt. Aufgrund des hohen Stickstoffgehalts im Gas und des damit verbundenen NO_X-Potenzials (bei 100 % Umwandlungsrate bis zu 6700 mg/Nm³@3%O2) setzt die Anlage auf eine zweistufige Verbrennung. Erste Ergebnisse zeigen, dass die NOx-Emissionen unter 150 mg pro Normkubikmeter eingestellt werden können, abhängig von der optimalen Einstellung der Anlage. Die Steuerung erfolgt über ein von SAACKE entwickeltes System (se@vis) und wird fortlaufend optimiert (Abbildung 3).

Praxisbeispiel Norwegen

Ein weiteres Beispiel findet sich in Norwegen, wo die Firma VOW Green Metals eine Anlage zur Produktion von Biokohlenstoff für die metallurgische Industrie errichtet (Abbildung 4). Neben der Biokohle entstehen auch Pyrolysegas und Kondensate, die in einer speziell entwickelten Brennkammer energetisch genutzt werden. Auch hier sorgt das zweistufige Verbrennungsverfahren dafür, dass die Stickoxidemissionen niedrig bleiben und die Brennstoffe effizient genutzt werden. Die komplette Feuerungseinheit mit Low-NO_X-Brennkammer stammt von SAACKE. Das Engineering der Anlage wurde durch die Abteilung Ombustion von SAACKE durchgeführt. Aktuell befindet sich die Anlage in der Bauphase.

Fazit

Zusammenfassend zeigt sich, dass die Pyrolyse von Agrarreststoffen ein wirksames und zukunftsweisendes Verfahren zur Reduktion von CO₂-Emissionen darstellt. Durch die Umwandlung biogener Reststoffe in Pflanzenkohle wird Kohlenstoff in einer stabilen Form fixiert und dauerhaft der Atmosphäre entzogen. Gleichzeitig ermöglicht die Nutzung des entstehenden Gases eine zusätzliche Energiegewinnung. Dank moderner zweistufiger Verbrennungsverfahren gelingt dies sogar emissionsarm und ohne kostspielige Zusatzmaßnahmen. 

Besonders interessant ist die Möglichkeit, kompakte und modulare Anlagen dezentral einzusetzen, direkt an den Orten, an denen die Reststoffe entstehen. Dies spart Transportwege, steigert die regionale Wertschöpfung und erleichtert die Integration in bestehende Strukturen. Damit wird deutlich, dass die Pyrolyse im industriellen Maßstab ein bedeutender Baustein für eine klimaneutrale Energie- und Rohstoffwirtschaft sein kann.