Biomasse
Biomasse ist pflanzliches oder tierisches Material, welches als Brennstoff zur Erzeugung von Wärme oder Strom verwendet wird. Die am häufigsten für die Energieerzeugung verwendeten Biomasse-Materialien sind Pflanzen, Holz und landwirtschaftliche Erzeugnisse, feste Abfälle, Deponiegas und Alkohole.
Die Energie aus diesen Materialien kann auf zwei Arten in nutzbare Energie umgewandelt werden: Direkt (Wärme, Strom) oder indirekt (Biokraftstoffproduktion). Biomasse kann auch einfach durch Verbrennung oder Beimischung bei der Verbrennung von fossilen Brennstoffen genutzt werden.
Die Methoden zur Herstellung von Biokraftstoffen oder Kohle als Energiequelle sind Pyrolyse (Ausgangsmaterial wird unter sauerstofffreien Bedingungen auf 200°C-320°C erhitzt), Vergasung (Ausgangsmaterial wird unter kontrollierter Atmosphäre auf 700°C erhitzt) oder anaerobe Zersetzung (in Gegenwart von Bakterien entsteht Methan). Biomasse kann auch direkt in Ethanol oder Biodiesel umgewandelt werden. Produkte der Pyrolyse sind Pyrolyseöl (flüssig, kann verbrannt werden), synthetisches Gas (kann in Methan umgewandelt werden) und Biokohle (kann in der Landwirtschaft verwendet werden). Das Produkt der Vergasung ist Synthesegas, ein Gemisch aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid. Synthesegas kann zur Energie- oder Wärmeerzeugung genutzt werden. Die flüssigen Produkte der Biomasseumwandlung – Ethanol und Biodiesel – können für den Antrieb von Fahrzeugen verwendet, oder zur Wärme- und/oder Energieerzeugung verbrannt werden.
Die richtige Charakterisierung von Biomasse ist ein wichtiger Aspekt für die Energiegewinnung.
Alle Prozesse bei erhöhter Temperatur erfordern Kenntnisse über die thermophysikalischen Eigenschaften der Biomasse-Proben. Thermische Umwandlungsprozesse bestehen aus vielen Schritten, z.B. Trocknung, Verdampfung, Schmelzen, Sorption-Desorption, Zersetzung, Torrefizierung und Verbrennung. Es gibt auch einen starken Einfluss von Sauerstoff auf den Pyrolyse- oder Vergasungsprozess, den man unter Laborbedingungen reproduzieren kann.
Es ist möglich, das Verhalten von Biomasse mit den Methoden der thermischen Analyse zu analysieren, z.B. durch TGA– und DSC- Messungen. Druck- und temperaturkontrollierte Experimente bieten die Möglichkeit, industrielle Prozesse zu modellieren und zu skalieren.
Die Wärme- und Energieerzeugung kann optimiert werden, da die Eigenschaften der Biomasse den Umwandlungsweg, den Ertrag und die Qualität der Produkte sowie die Verarbeitungskosten beeinflussen.
Thermische Analysen können ebenfalls sehr nützlich für die richtige Zusammensetzung von Biomasse sein. Mit der TGA (Thermogravimetrie) wird die Massenänderung aufgezeichnet, die DSC (Differential Scanning Calorimetry) misst den Wärmefluss und die Enthalpie, die TMA (Thermomechanische Analyse) misst die Änderung der Abmessungen, Verformungen, Penetration und Biegung, die Dilatometrie zeichnet die Änderung der Abmessungen/Volumen auf, und die EGA (Evolved Gas Analysis) liefert wertvolle Informationen über die beim Erhitzen freigesetzten Gasprodukte. Alle Messungen werden als Funktion der Temperatur unter kontrollierten Bedingungen (Temperatur, Druck, Gasfluss, Anwesenheit von Sauerstoff) aufgezeichnet. Die oben genannten Methoden können kombiniert werden (TGA-DSC-EGA).
Die Standardtestverfahren wurden in der ASTM beschrieben:
ASTM D2584 – Glühverlust von ausgehärteten verstärkten Harzen
ASTM E1131 -Zusammensetzungsanalyse durch Thermogravimetrie
ASTM E1641 – Zersetzungskinetik durch Thermogravimetrie unter Verwendung der Ozawa/Flynn/Wall-Methode
ASTM E2008 – Volatilitätsrate durch Thermogravimetrie
Für eine eingehende Untersuchung der Zusammensetzung von Biomasse werden hauptsächlich TG- und DSC-Methoden verwendet:
Mit der Thermogravimetrie können chemische Veränderungen in der Probe anhand des TG-Signals klassifiziert werden (Desorption, ein- oder mehrstufiges Cracken, ein- oder mehrstufige Reaktionen). Es gibt mehrere Faktoren, die die TG-Kurven beeinflussen: Erhitzungsgeschwindigkeit (Zersetzungskinetik, Verhältnis der Pyrolyseprodukte), Probengröße (Reaktionsgeschwindigkeit, Diffusionsgeschwindigkeit, Temperaturverteilung), Atmosphäre (Verhältnis der Zersetzungsprodukte), Druck oder Gasfluss (Verhältnis der Zersetzungsprodukte, Reaktionsgeschwindigkeit).
Die Thermogravimetrie kann ein Instrument zur Untersuchung der thermischen Stabilität (Zersetzungsstudien), der oxidativen Stabilität (Lagerfähigkeit) und der Analyse der Zusammensetzung sein.
Eine spezielle Anwendung einer Thermowaage ist ein Kohlevergasungs- oder Biomassevergasungsexperiment, bei dem kohlenstoffhaltige Proben eine Reaktion (mit oder ohne Druckrampe) in heißem Wasserdampf durchlaufen, um CO und CO² aus dem gebundenen Kohlenstoff zu bilden. Dieser Aufbau ist ein Experiment im kleinen Maßstab, das große Reaktorprozesse abbildet, die üblicherweise für die Umwandlung von Biomasse verwendet werden, und kann daher leicht optimiert werden.
Die DSC kann als nützliche Methode für die Analyse von Biomasse angesehen werden, um den Wärmefluss und die Wärmekapazität im Pyrolyse- und Verbrennungsprozess zu charakterisieren. Die DSC-Kurve zeigt den Reaktionsweg der Biomasse an. Die DSC ermöglicht es, die Auswirkungen der Verdampfung auf die Abweichung der Probentemperatur von der Heizgastemperatur und die Adsorptionsenergie auf der Probenoberfläche zu bewerten. Sie gibt Aufschluss über den endothermen/exothermen Charakter der Prozesse und trägt somit wesentlich zur Interpretation der durch die TG-Kurven ermittelten Gewichtsveränderungen bei. Außerdem können DSC-Kurven als Unterscheidungsmerkmale (z. B. für Lignin/Hemicellulose) verwendet werden.
