Aus Klärschlamm wird Kraftstoff und Wasserstoff

Projektlogo To-Syn-Fuel - Das Akonoym steht für die Wandlung von biogenen Abfallstoffen zu nachhaltigen Kraftstoffen und grünem Wasserstoff
Das Projekt wird im Horizon 2020 Programm durch die EU gefördert
© Fraunhofer UMSICHT
Prozessschema TO-SYN-FUEL: Aus Abfall-Biomasse werden über die Fraunhofer TCR-Technologie und weitere Prozessstufen dezentral Kraftstoffe erzeugt.

Am 01. Mai 2017 startete das EU-Projekt »The Demonstration of Waste Biomass to Synthetic Fuels and Green Hydrogen« (Akronym: TO-SYN-FUEL). Das Horizon 2020 Projekt wird federführend von Fraunhofer UMSICHT Sulzbach-Rosenberg, Abteilung Energietechnik gemeinsam mit weiteren Partnern durchführt.

Das Projekt hat ein Volumen von insgesamt über 14 Mio. Euro und eine Laufzeit von 48 Monaten. Das Vorhaben soll zeigen, wie aus Restbiomasse (in diesem Fall Klärschlamm) erstmalig dezentral flüssige, synthetische Kraftstoffe und Wasserstoff hergestellt werden kann.

Hintergrund und Motivation

Millionen Tonnen organischer Abfälle (biogene Rest- und Abfallstoffe) aus verschiedenen Sektoren landen heute weltweit auf Deponien oder werden verbrannt. Dies führt zu signifikanten Mengen an Treibhausgasemissionen und entsprechenden Luft-, Boden- und Wasserverschmutzungen.

Im Projekt TO-SYN-FUEL sollen solche Abfallstoffe aus Biomasse (z.B. organische Abfälle wie Bioabfälle, anaerobe Gärreste und getrockneter Klärschlamm) mit Hilfe einer Kombination von verschiedenen Technologien entsorgt und verwertet werden. In einer neu entwickelten Großanlage werden sie in nachhaltige Biokraftstoffe, grünen Wasserstoff und Biokohle umgewandelt.

Ausgangslage

  • Die EU strebt bis 2050 eine 60%ige Verringerung der verkehrsbedingten Treibhausgasemissionen gegenüber 1990 an. 
  • Der Anteil CO2-emissionsarmer nachhaltiger Flugkraftstoffe soll 40% betragen
  • Biokraftstoffe der ersten Generation (»Biodiesel«) sind ökologisch und sozial nicht nachhaltig, weil der Anbau von Energiepflanzen mit der Nahrungsmittelproduktion konkurriert
  • Die Nutzung fortschrittlicher Biokraftstoffe auf Basis von lignocellulosehaltiger Biomasse aus biogenen Reststoffen ist industriell noch nicht verfügbar
  • Biochemische Prozesse wie die Fermentation sind zu langsam und eignen sich schlecht für Rest- und Abfallstoffe, weil diese eine gemischte Zusammensetzung und einen geringen Cellulosegehalt aufweisen
  • Thermochemische Prozesse wie Vergasung und Pyrolyse sind in Bezug auf die Einsatzstoffe flexibler, können aber bislang nur in großen zentralen Anlagen kostengünstig durchgeführt werden
     

Ziele im Projekt

  • Demonstration der technischen Machbarkeit und Kostenwettbewerbsfähigkeit einer Bioenergie-Wertschöpfungskette mit einem thermochemischen Kernprozess (TCR-Verfahren)
  • Herstellung von grünem Wasserstoff sowie grünen Diesel- und Benzinäquivalenten aus Klärschlamm im Demonstrationsmaßstab
  • Validierung der Machbarkeit einer integrierten kleinräumigen Wasserstofftrennung (durch Pressure Swing Adsorption) und vor Ort Aufbereitung der TCR-Produkte im Vergleich zur zentralen petrochemischen Infrastruktur
  • Bemessung des möglichen Beitrags zu den EU Zielen für erneuerbare Energien durch Validierung von Abfallrohstoffen für die Herstellung von Kraftstoffen
  • Schaufenster für zukünftige nachhaltige Investitionen und Wirtschaftswachstum
  • Entwicklung eines Business Case, LCA und Transfer der Ergebniss
     

TCR®-Technologie als Lösungsansatz

© Fraunhofer UMSICHT
TCR ® -Schema: Beim thermo-katalytischen Reforming werden organische Reststoffe zu Öl, Gas und Biokoks gewandelt

Die bei Fraunhofer entwickelte TCR-Technologie stellt den Kernprozess für das To-Syn-Fuel Projekt dar: Durch das thermo-katalytische Reforming (TCR) lassen sich nachhaltige Ernergieträger aus Abfallbiomasse produzieren.

Alle Arten von Restbiomassen lassen sich als Einsatzstoff verwenden. Diese werden in drei Hauptprodukte umgewandelt: H2-reiches Synthesegas, Biokohle und flüssiges Bio-Öl.

Im Vergleich zu anderen Pyrolyse Prozessen wird eine sehr hohe Öl-Qualität erreicht. Dadurch lassen sich TCR-Öle zu Kraftstoffen aufbereiten, die den europäischen Normen für Benzin und Diesel EN228 bzw. EN590 entsprechen, aber einen um 85% geringeren CO2-Fußabdruck aufweisen.

Bau einer Demonstrationsanlage

© Fraunhofer UMSICHT
Standort des Großdemonstrators im Markt Hohenburg / Bayern. Am Projekt sind Konsortialpartner aus Italien, UK und Spanien beteiligt.

Der Kern des Projekts besteht in der Entwicklung und dem Betrieb einer integrierten großtechnischen Anlage, die getrockneten Klärschlamm und andere Arten von Biomasseabfällen unter Standardbedingungen in flüssige Treibstoffe umwandeln kann. Diese Treibstoffe sollen in konventionellen Motoren und Wassserstoff-Anwendungen eingesetzt werden können.  

Die Demonstrationsanlage wurde im Markt Hohenburg (Landkreis Amberg-Sulzbach, Oberpfalz) errichtet. Der Standort bietet den Vorteil, dass hier eine jahrelange Erfahrung in der Trocknung und der Handhabung von Klärschlamm besteht. Die Mengen und Qualität an Einsatzstoff, wie sie im Projekt gefordert sind, sind in Hohenburg verfügbar. Der Spatenstich im Industriepark Hohenburg fand am 7. November 2018 statt.

Im Projekt soll der langfristige Nutzen der Technologie für die Verwertung von organischen Abfällen wie Klärschlamm erörtert werden. Insbesondere soll geprüft werden, ob die erzeugten Produkte direkt in die bestehende petrochemische Infrastruktur eingebracht werden und somit zur Defossilisierung beitragen können.

Perspektivisch könnten hunderte dezentraler Anlagen in Europa bis zu 32 Millionen Tonnen organische Abfälle pro Jahr in nachhaltige Produkte und Biokraftstoffe umwandeln. Dies würde bis  zu 35 Millionen Tonnen Treibhausgaseinsparungen pro Jahr bedeuten. Im Hinblick auf die sozioökonomische Entwicklung würden 100 Werke mindestens 5.000 qualifizierte Arbeitsplätze schaffen.

Updates im Projekt

Testfahrzeug mit Diesel aus Klärschlamm startet zur Car Tour!

Update September 2022

Austausch mit dem Bayerischen Wirtschaftsminister Hubert Aiwanger

Das EU geförderte Fraunhofer UMSICHT Projekt To-Syn-Fuel steht vor seinem Abschluss.

Vor der Großanlage zur Konversion von Klärschlamm in Kraftstoffe befüllt das Projektteam einen Serien-PKW als Testfahrzeug. Das Fahrzeug wird mit dem nachhaltigen, CO2-neutralen Diesel eine Strecke von über 600 km zurücklegen. Folgende Zwischenstopps sind auf der Strecke geplant: Treffen mit dem deutschen Rallye-Weltmeister Walter Röhrl auf einer Rennstrecke in CZ, ein Termin mit dem Bayerischen Wirtschaftsminister Hubert Aiwanger und eine Visite in Brüssel. Die Car-Tour endet in der KW 38 mit einem Abschlussevent am Großdemonstrator in Hohenburg / Bayern.

To-Syn-Fuel Großdemonstrator in Betrieb genommen

Update November 2021

To-Syn-Fuel Komponenten in der Technikumshalle in Hohenburg

Die aktuelle Phase des To-Syn-Fuel-Projekts ist der integrierte Betrieb der Systeme und die Produktion von flüssigen Kraftstoffen und grünem Wasserstoff aus Klärschlamm.

Die ersten Testkampagnen mit dem TCR-Gesamtsystem zeigten eine sehr zufriedenstellende Leistung. In über 500 Betriebsstunden wurden mehr als 200 Tonnen getrockneter Klärschlamm in über 20.000 Liter TCR®-Öl umgewandelt. Die Ausbeute und die Qualität der erzielten Produkte ist wie erwartet.

In den folgenden Monaten sind weitere Kampagnen geplant, um 12 Tonnen getrockneten Klärschlamm pro Tag zu verarbeiten und weitere Langzeiterfahrungen mit der Technologie zu sammeln. Neben der Herstellung des Kraftstoffs werden umfassende Motorentests durchgeführt, um zu ermitteln, ob die Kraftstoffe als Drop-In eine vergleichbare Motorleistung und vergleichbare Emissionen aufweisen wie Kraftstoffe fossiler Herkunft.

Am Ende des Projekts wird die Technologiekombination TCR®/PSA/HDO bei TRL-7 (Systemprototyp-Demonstration in betrieblicher Umgebung) validiert sein inkl. einer Ökobilanzierung des Gesamtsystems.

Installation des TCR Reaktors

Update Mai 2021

Anlieferung des TCR Reaktors in der Technikumshalle in Hohenburg.

Der TCR Prozess ist das Kernstück des To-Syn-Fuel Demonstrators. Der Schneckenreaktor mit einer Länge von 12 Metern und über 20t Gewicht wurde in Italien gefertigt. Die Installation in der Technikumshalle erfolgte innerhalb weniger Stunden mit einem Portalkran.

Installation des TCR Reaktors

Der Reaktor steht erhöht, so dass der durchgesetzte Einsatzstoff von oben in den Post-Reformer fallen kann.

To-Syn-Fuel Technikum fertiggestellt

Update Februar 2021

Technikumshalle für das TO-SYN-FUEL Projekt im Markt Hohenburg, Landkreis Amberg-Sulzbach

Die Technikumshalle für die To-Syn-Fuel-Demonstrationsanlage ist fertiggestellt und Komponenten wie der Wasserstoffspeicher und das Blockheizkraftwerk sind bereits vor Ort. Bis zum Sommer 2021 werden nach und nach die wesentlichen Anlagenkomponenten der TCR-Technologie aufgebaut und schrittweise in Betrieb genommen.

Der Klärschlamm der Trocknungsanlage in Hohenburg wurde bereits im Technikum bei Fraunhofer getestet und kann aufgrund des optimierten Trocknungsprozesses ohne weitere Vorbehandlung umgesetzt werden.

HyGear PSA geliefert

Update Juli 2020

© Fraunhofer UMSICHT

Der Wasserstoff muss zunächst gereinigt werden. Dann wird dieser mit einer der Schlüsseltechnologien des Projektpartners HyGear von anderen Gasen wie Kohlenmonoxid, Kohlendioxid und Methan getrennt mittels der Druckwechsel-Adsorption (PSA). Die Trennung basiert auf der Variation der Adsorptionskapazität eines Adsorptionsmittels als Funktion des Betriebsdrucks. Der gereinigte Wasserstoff wird komprimiert und in die Hydrodeoxygenierungsreaktoren (HDO) umgeleitet.  

 

Anlieferung Wasserstofftank

Update Februar 2020

© Fraunhofer UMSICHT

Der Wasserstofftank dient im To-Syn-Fuel als Pufferspeicher. Aus dem Synthesegas des TCR-Prozesses wird der Wasserstoff mittels Pressure-Swing-Adsorption abgetrennt, komprimiert und bei 50 bar zwischengespeichert. Der 20 Meter hohe Speicher hat eine Kapazität von 360 kg lokal erzeugten Wasserstoff. Anschließend steht dieser im Projekt für die Hydrierung des TCR-Öls zur Verfügung.

Medienbeiträge zum Bau der Demonstrationslanage

Abschlussbericht

TO-SYN-FUEL PROJECT

Turning sewage sludge into fuels and hydrogen

16.2.2022

Publikation

Open Access Government 

»Fully assembled & integrated plant to produce advanced biofuels«

Presseinformationen zum To-Syn-Fuel-Projekt

 

Update ToSynFuel / 2.7.2020

HyGear PSA an den Standort des To-Syn-Fuel-Werks geliefert

 

Update ToSynFuel / 6.2.2020

Anlieferung Wasserstofftank

 

8.11.2018

Grünes Benzin aus Klärschlamm: Spatenstich für Fraunhofer-Demonstrationsanlage

 

25.6.2018

TO-SYN-FUEL Projekt: Konsortium Treffen in Sulzbach-Rosenberg

 

31.7.2017

Neue EU-Projektpage TO-SYN-FUEL

 

15.5.2017

Start des EU-Projektes: Wandlung von Klärschlamm in Treibstoff und Wasserstoff

 

3.4.2017

EU-Projekt in Vorbereitung

Projektkonsortium

12 Partner aus 5 Ländern

© Fraunhofer UMSICHT