Holzgas

Holzvergaser an einem Opel P4 (1940)

Holzvergaserlokomotive im Bayerischen Eisenbahnmuseum in Nördlingen. Das Fahrzeug wurde 1916 von Deutz für den Benzolbetrieb gebaut und 1935 von Imbert in Köln umgebaut

Holzgas ist ein brennbares Gas, das sich in Holzvergasern gewinnen lässt. Der Heizwert von Holzgas beträgt etwa 8500 kJ/m³ bei herkömmlicher autothermer Vergasung und über 12.000 kJ/m³ bei allothermer Vergasung.

Entsprechend der Herstellung kann die Zusammensetzung des Holzgases stark variieren. So enthält das Produktgas bei der Verwendung von Luft (21 % Sauerstoff, 79 % Stickstoff) einen sehr hohen Stickstoffanteil, der nicht zum Heizwert des Gases beiträgt und die Wasserstoffausbeute reduziert. Dagegen beinhalten die Produktgase bei der Nutzung von Sauerstoff und Wasserdampf keinen Stickstoff und haben entsprechend einen höheren Heizwert und eine hohe Wasserstoffausbeute.^[1]

Geschichte

Insbesondere in Kriegs- und Krisenzeiten mit Treibstoffmangel wurden Fahrzeuge zumeist in Eigeninitiative mit einem improvisierten Holzvergaser ausgestattet. Sogar die Deutsche Reichsbahn erprobte den Einsatz von Holzkohlevergasern an Rangierlokomotiven der Baureihe Köf II in den 1930er und 1940er Jahren (siehe auch: Gasmotor).

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  Adler Diplomat 3 GS mit Holzgasgenerator (1941)

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  Holzgasantrieb in Berlin (1946)

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  Ansicht von vorne links

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  Wanderer W10 mit Holzvergaser

Holzgas wurde unter anderem dazu benutzt, Verbrennungsmotoren von Kraftfahrzeugen anzutreiben. Die Generatoren wurden außen an die Karosserie gebaut oder als Anhänger mitgeführt. Die technische Anlage dazu, der Holzvergaser, wurde mit Brennholz befüllt und funktionierte als Festbettvergaser. Durch Erhitzen entwich aus dem Holz das brennbare Gasgemisch (Holzgas), dessen Bestandteile neben dem nicht brennbaren Stickstoff, Kohlenstoffdioxid und Wasserdampf hauptsächlich aus Kohlenstoffmonoxid und Methan sowie kleineren Anteilen von Ethylen und Wasserstoff bestanden. Bis in die frühen 1950er Jahre waren in Deutschland mit Sonderführerschein etliche Kleinlastwagen im Einsatz, für die nur geprüfte und freigegebene Buchenholzscheite verwendet werden durften. Dabei konnte ca. 1 Liter Benzin durch die aus 3 kg Holz gewonnene Gasmenge ersetzt werden.

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  LKW mit Holzgasantrieb

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  Chevrolet HS 157D Lkw Baujahr 1937 in Schweden

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  Moderner PKW mit Holzvergaser

Im Rahmen der Diskussion um die zunehmende Nutzung von nachwachsenden Rohstoffen zum Ende des 20. und Beginn des 21. Jahrhunderts wurde auch die Holzvergasung sowie die Vergasung anderer organischer Stoffe, vor allem von organischen Reststoffen, zur Gewinnung von gasförmigen Brennstoffen zur Wärme- und Stromerzeugung erneut diskutiert und in einzelnen Demonstrationsanlagen realisiert. Aufbauend auf dieser reinen energetischen Nutzung wurde zudem die Nutzung des Produktgases als Rohstoff für die chemische Synthese von Biokraftstoffen und Produkten der chemischen Industrie anvisiert und soll in naher Zukunft vor allem für BtL-Kraftstoffe, Dimethylether und Methanol auch realisiert werden. Durch eine anschließende Methanierung und Aufbereitung kann es auch als Substitute Natural Gas (SNG) in das Erdgasnetz eingespeist werden. Bei hochwertigen Produktgasen, die über 50 % Wasserstoff enthalten, wird auch vom so genannten Biowasserstoff gesprochen.

Gasnutzung

Das in der Biomassevergasung entstehende Gas kann sowohl energetisch als auch stofflich genutzt werden.

Energetische Nutzung durch Verbrennung

Die derzeit übliche Verwendung für das Gasgemisch der Biomassevergasung ist die Verbrennung in entsprechenden Verbrennungsanlagen zur Erzeugung von Wärme (Dampf) und elektrischem Strom, wobei über eine Kraft-Wärme-Kopplung ein sehr hoher Wirkungsgrad der Energieumsetzung erreicht wird. Das bei der Gaskühlung anfallende Holzgaskondensat muss bei diesen Anlagen ordnungsgemäß behandelt werden, ehe es in einen Vorfluter geleitet werden kann, da es einen hohen biologischen Sauerstoffbedarf hat. Alternativ dazu kann das Gasgemisch der Biomassevergasung in Festoxidbrennstoffzellen direkt zu Strom umgewandelt werden. Das Wirkprinzip wurde bereits 2004 in Versuchen nachgewiesen.^[2]

Nutzung als Synthesegas

Außerdem kann ein Produktgas aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff für die chemische Synthese verschiedener Produkte als Synthesegas eingesetzt werden. Die stoffliche Nutzung von Synthesegas aus der Biomassevergasung befindet sich derzeit noch in der Entwicklung, entsprechende Anlagen finden sich derzeit nur im Labor- und Demonstrationsmaßstab. Die großtechnische Herstellung und Verwendung von CO/H₂-Synthesegas findet derzeit entsprechend ausschließlich auf der Basis von Erdgas und anderen fossilen Energieträgern wie Kohle und Naphtha statt.

Bei den chemisch-technischen Nutzungsoptionen handelt es sich vor allem um die Wasserstoffherstellung und die darauf aufbauende Produktion von Ammoniak nach dem Haber-Bosch-Verfahren, die Methanolsynthese, verschiedene Oxosynthesen sowie die Produktion von Biokraftstoffen (BtL-Kraftstoffe) und anderen Produkten über die Fischer-Tropsch-Synthese:

Verfahrensschema der Herstellung von BtL-Kraftstoffen

1. in der Ammoniaksynthese nach dem Haber-Bosch-Verfahren
   • $ \mathrm {N_{2}+3\ H_{2}\longrightarrow 2\ NH_{3}} $
2. in der Methanolsynthese
   • $ \mathrm {CO+2\ H_{2}\longrightarrow CH_{3}OH} $
3. in der Oxosynthese
   • $ \mathrm {R{-}CH{=}CH_{2}+CO+H_{2}\longrightarrow R{-}CH_{2}CH_{2}CH{=}O} $
4. in der Fischer-Tropsch-Synthese
   • $ \mathrm {n\ CO+(2n+1)\ H_{2}\longrightarrow C_{n}H_{2n+2}+n\ H_{2}O} $

Neben diesen chemisch-technischen Anwendungsbereichen kann Synthesegas auch über eine Synthesegas-Fermentation biotechnologisch genutzt werden. Produkte dieser Option können bsp. Alkohole wie Ethanol, Butanol, Aceton, organische Säuren und Biopolymere sein. Diese Nutzung befindet sich derzeit ebenfalls noch im Entwicklungsstadium und wird entsprechend großtechnisch noch nicht genutzt.

Bei all diesen Nutzungsarten ist zu berücksichtigen, dass das Wasser als Bestandteil der Prozesskette bei einer Abkühlung des Gases kondensiert und in unterschiedlichem Umfang als Holzgaskondensat unterschiedlich stark mit organischen Stoffen belastet ist; die sachgerechte Entsorgung dieses Abwassers (ca. 0,5 Liter pro kg Holz) ist hier im BtL-Schema als "Nebenprodukte" aufgeführt, ist in der Regel aber ein wesentlicher Bestandteil solcher Anlagen.

Biokraftstoffe

Auch bei der Produktion von Biokraftstoffen wird das in der Vergasung entstehende Produktgas als Synthesegas in den bereits beschriebenen Syntheseprozessen genutzt. Dabei stehen sowohl gasförmige Kraftstoffe wie Biowasserstoff, Substitute Natural Gas (Methan, SNG) und Dimethylether wie auch Flüssigkraftstoffe wie Methanol und BtL-Kraftstoffe im Fokus.^[3]

Biowasserstoff wird aus dem Synthesegas über eine Dampfreformierung gewonnen, Methan kann über eine Methanierung des Gases produziert werden. Zur Herstellung von Methanol und Dimethylether wird die Methanolsynthese eingesetzt. BtL-Kraftstoffe werden über die Fischer-Tropsch-Synthese hergestellt, wobei aufgrund der Prozessparameter sowohl Benzin- wie auch Dieselfraktionen hergestellt werden können.

Belege

Literatur

• Metz, T.: Allotherme Vergasung von Biomasse in indirekt beheizten Wirbelschichten TU-München, 2006
• Vogel, A.: Dezentrale Strom- und Wärmeerzeugung aus biogenen Festbrennstoffen, Herausgeber: Institut für Energietechnik und Umwelt gGmbH, Leipzig, IE-Report April 2007, 2. Ausgabe, ISSN 1862-8060
• Hermann Hofbauer, Alexander Vogel, Martin Kaltschmitt: Vergasung. In: Martin Kaltschmitt, Hans Hartmann, Hermann Hofbauer (Hrsg.): Energie aus Biomasse. Grundlagen, Techniken und Verfahren. Springer Verlag, Berlin und Heidelberg 2009; S. 599-669. ISBN 978-3-540-85094-6.
• Heinz Hiller et al.: Gas Production. In: Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Wiley-VCH, Weinheim 2005, doi:10.1002/14356007.a02_143.pub2.

Weblinks

Commons: Wood gas – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

• A 1941 map from Generatorkraft
• Holzgaskapitel aus dem Buch der Synergie