SI/502389

Schlussbericht

Im Rahmen der 14. ERA-NET Bioenergie Ausschreibung (2021) wurde ein Null-Abfall-Konzept für die Bereitstellung von Wärme und Wasser aus industriellen Reststoffen erarbeitet. Das VARESI-Konzept führt zu einer verbesserten energetischen Ausnutzung von nasser Biomasse, was zu einer Reduktion von Treibhausgasemissionen führt und so die Netto-Null-Ziele der Industrie unterstützt. Die Prozesskaskade anaerobe Vergärung → hydrothermale Carbonisierung (HTC) → anaerobe Vergärung soll leicht verwertbare Inhaltsstoffe primär zu Biogas / Biomethan umwandeln, der mikrobiell nicht verwertbare Kohlenstoff im Gärrest wird mittels HTC aufbereitet. So wird gleichzeitig Kohlenstoff in der hydrothermalen Biokohle fixiert, aber auch in das Prozesswasser überführt. Dieser teilweise erneut mikrobiell verfügbare Kohlenstoff wird in einer zweiten anaeroben Vergärungsstufe ebenfalls zu Biogas bzw. Biomethan verwertet. Biomethan und Biokohle lassen sich ausgezeichnet in hochtemperatur Prozesswärme für industrielle Zwecke umwandeln. Die Valorisierung des Prozesswassers, insbesondere dem schwer abbaubaren Anteil, gilt als grosse Herausforderung der HTC-Technologie. Für die Wirtschaftlichkeit, aber auch für die Umweltbilanz des Gesamtprozesses ist eine hohe Kohlenstoff-Effizienz essenziell. Die konsequente Verwertung des Prozesswassers verfolgt die vollständige Rückgewinnung der chemisch gebundenen Energie durch anaerobe Vergärung und Membranfiltration, gefolgt von der Bereitstellung von gereinigtem Wasser als Ressource. Dieser Ansatz bietet eine wertvolle Alternative zu anderen Verfahren, deren Reinigungsleistung primär durch Elimination zu CO2 erfolgt, welche nie energiepositiv ausfallen kann. Das «Proof of Principle» einer vollständigen Verwertungskette mit einer über 200 Tage kontinuierlich betriebenen, stabilen anaeroben Vergärung konnte im grösseren Labormasstab gezeigt werden. Insgesamt dient HTC als Schlüsseltechnologie, um nasse Biomasse effizienter zu nutzen, da carbonisiertes Material aufgrund der wasserabweisenden Eigenschaften bedeutend einfacher zu entwässern und trocknen ist. Im Vergleich zur konventionellen Nutzung lassen sich wesentliche Energiegewinne erzielen und der Brennstoff Biokohle besitzt eine verbesserte Lagerbarkeit. Um das neue Konzept zu prüfen, stellt die papierverarbeitende Industrie einen geeigneten Anwendungsfall dar, denn Wärmebereitstellung und Wasserrückgewinnung aus lokal anfallenden Reststoffen sind zentrale Aspekte. Die von der Papierfabrik TELA GmbH, Niederbipp zur Verfügung gestellten Substrate wurden carbonisiert und die erhaltenen Labor-Messdaten in einem Energiemodell angewendet. Das neue Verfahrenskonzept führt aufgrund deutlich effizienterer Ausnutzung der bestehenden Biomasseströme zur Verbesserung der Gesamtenergiebilanz der TELA GmbH und somit zu einer signifikanten Reduktion fossiler Emissionen. Gemäss den Berechnungen können aus 20'420 t Papier- und Bioschlamm im konventionellen Betrieb 22'133 MWh und mittels VARESI-Konzept 33'311 MWh (Variante 2.2) bzw. 34’738 MWh (Variante 2.4) Energie gewonnen werden. Der zusätzliche Energiegewinn beläuft sich dabei auf rund 11'200 bzw. 12'600 MWh, was umgerechnet auf den Gesamtenergiebedarf von 2023 einem Mehrwert von 5.9% bis 6.7% entspricht. Durch Substitution von Erdgas liessen sich die CO2-Emissionen um 2‘500 t pro Jahr reduzieren, was knapp 13% der jährlichen Gesamtemissionen entspräche. Die experimentellen Ergebnisse belegen, dass das energetische Potenzial von Papierschlamm bereits unter moderaten Prozessbedingungen der hydrothermalen Carbonisierung weitgehend ausgeschöpft werden kann. Die substratspezifische Optimierung der HTC-Prozessbedingungen führt zu einer erhöhten Energieausbeute. Ohne diese genauer eingegrenzten Prozessparameter ist eine detaillierte Prozessauslegung nicht belastbar und eine Wirtschaftlichkeitsbetrachtung im Rahmen dieser Arbeit wäre verfrüht.