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Gärrestversuch Bayern - Prüfung der langfristigen Nachhaltigkeit der Nutzungspfade Biogas und BtL

Problemstellung: Die Bodenfruchtbarkeit hängt maßgeblich vom Humusgehalt ab, der eine bedeutende Rolle für Nährstoff- und Wasserspeicherung des Bodens übernimmt und als Kohlenstoffsenke dient. Bei der landwirtschaftlichen Produktion von Biomasse wird Humus abgebaut und Nährstoffe bei der Ernte vom Feld gefahren. Die Rückführung von Nährstoffen und humusbildenden Substanzen ist somit Grundlegend für eine nachhaltige Bewirtschaftung landwirtschaftlich genutzter Flächen. Ob und in welcher Menge diese Rückführung in Form von Gärresten aus der Biogasproduktion langfristig ausreichend sein kann, ist derzeit noch offen. Besonderes Augenmerk muss auf Nutzungsrichtungen wie BtL-Produktion (biomass to liquid) liegen, bei der keine humuswirksamen Reststoffe anfallen. Zielsetzung: Das Ziel dieses 10-jährigen Versuchs ist die Überprüfung der langfristigen Nachhaltigkeit landwirtschaftlicher Produktion von Silomais und Weizen zur Verwertung als Ausgangssubstrate für Biogas und BtL. Dazu wird eine zweigliedrige Fruchtfolge mit und ohne Strohabfuhr mit unterschiedlichen Stufen organischer Düngung über Gärreste und Rindergülle sowie ausschließlich mineralischer Düngung verglichen. Umfangreiche Erhebungen zum Humusgehalt und den Humusfraktionen, den bodenphysikalischen Eigenschaften sowie dem Bodenleben stehen im Fokus. Zum Ende der Versuchslaufzeit sollten erwartete Veränderungen der Bodeneigenschaften messtechnisch nachweisbar sein, so dass die nutzungsbedingten Produktionstechniken auf ihre langfristige Anwendbarkeit bewertet werden können. Arbeitsschwerpunkte: Untersuchung unterschiedlicher Stufen organischer Düngung im Vergleich zu ausschließlich mineralischer Düngung im Hinblick auf Langzeiteffekte an vier bayerischen Standorten - Vergleich der Strohabfuhr bzw. Ganzpflanzenernte gegenüber dem Strohverbleib auf dem Feld - Einfluss unterschiedlicher Düngevarianten und Nutzungspfade auf bodenphysikalische und -chemische Eigenschaften durch Untersuchungen hinsichtlich Nmin- und Humusgehalte zur Erstellung von Nährstoff- und Humusbilanzen sowie Aggregat- und Texturzuständen - Effekte unterschiedlicher Düngevarianten und Nutzungspfade auf bodenbiologische Eigenschaften durch Untersuchungen der Meso- und Lumbricidenfauna sowie der mikrobiellen Aktivität.

Untersuchung der Selbstzündung von Bio-Kerosin für Stickoxid-arme Verbrennung

BTL-Kraftstoffe (BTL = biomass to liquid) können Kraftstoffe fossiler Herkunft ersetzen und dabei grundsätzlich neben den CO2-Emissionen bei optimierter Verbrennung zusätzlich auch die Emissionen an Stickoxiden und Rußpartikeln deutlich reduzieren. Darüber hinaus weisen diese Biokraftstoffe eine hohe Ertragseffizienz auf (etwa drei- bis viermal höher als für Bio-Diesel). Das Zentrum für angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation (ZARM) an der Universität Bremen arbeitet seit 2008 in Projekten am Zündverhalten von BTL-Kerosin-und BTL-Diesel-Einzeltropfen. Bisher besteht jedoch eine Lücke zur technischen Anwendung der erlangten Ergebnisse. Ein Hauptproblem liegt dabei in der Vorverdampfung und Vormischung in heißer Hochdruckumgebung, ohne dass das gebildete Gemisch vorzeitig und außerhalb der Brennkammer zündet. Daher soll in diesem Forschungsvorhaben die Zündung technischer Sprays unter maschinenidentischen Bedingungen untersucht werden. Damit werden nicht nur die vorhandenen Simulationen validiert, sondern es sollen auch Gerätegeometrien und -parameter untersucht werden, die denen der Brenner des Bremer Firmenpartners SAACKE GmbH entsprechen. Mit den Forschungsergebnissen will die Fa. SAACKE GmbH eigene Brenner weiterentwickeln.

Entscheidungs- und Planungshilfe für den Einsatz von Mikro-Gasturbinen in kmU

Ziel des von der AiF geförderten Projektes ist es, einen Leitfaden zur Entscheidungs- und Planungshilfe für den wirtschaftlichen Einsatz von Mikro-Gasturbinen in kmU zu erstellen. Diese herstellerneutrale Analyse soll den kmU diese neue Technologie nahe bringen und ihnen eine Untersuchung der Einsatz- und Nutzungsmöglichkeiten im eigenen Unternehmen ermöglichen. Im Rahmen des Projektes werden zum einen umfangreiche Messungen an einer Mikro-Gasturbine durchgeführt, um detaillierte Kenntnisse über das Betriebsverhalten zu erhalten. Zu diesem Zweck hat das IUTA eine Mikro-Gasturbine erworben und in ihr eigenes Energieversorgungsnetz integriert. Hier wird die neue Technologie vor allem zur Bereitstellung von Prozesswärme über Thermoöl eingesetzt, womit sie die erste in Deutschland installierte Mikro-Gasturbine zur Prozesswärmeerzeugung ist. Zum anderen wird die Mikro-Gasturbine theoretisch analysiert. Hier werden einerseits Studien durchgeführt, welche möglichen Einsatzbereiche zur Prozesswärmeerzeugung in der Praxis gegeben sind, wobei neben thermodynamischen Untersuchungen insbesondere Wirtschaftlichkeitsanalysen im Vordergrund stehen. Zudem wird bei den theoretischen Untersuchungen die Frage geklärt ob der Einsatz von Mikro-Gastubinen mit variablem Rekuperator-Bypass, zur Anpassung an den Wärmebedarf, gegenüber dem Einsatz mit voller Rekuperation und nachgeschalteter Zufeuerung sinnvoll ist. Vom LTT werden die folgenden Aufgaben bearbeitet: Projektstudien: Im Rahmen des Projektes werden folgende Einsatzbereiche der Mikro-Gasturbine genauer analysiert: Dampf-Erzeugung, Thermo-Öl- und Warmwassererheitzung für Temperaturen größer als 100 Grad C, Direkttrocknung und Kopplungsmöglichkeiten von Mikro-Gasturbinen mit Absorptionskälteanlagen. Hierbei werden Branchen auf den Der Schwerpunkt der Arbeit liegt auf der Analyse konkreter Anwendungsfälle aus der Praxis, wobei die Beispiele sowohl aus energetischer als auch aus wirtschaftlicher Sicht betrachtet werden. Rekuperator-Bypass: Da nur die Anlagen des Herstellers Bowman über einen Rekuperator-Bypass zur Anpassung an den thermischen Bedarf verfügen, wird diese Einsatz-Variante mit der Möglichkeit des voll rekuperierten Betriebes mit nachgeschalteter Zufeuerung untersucht. Hierbei werden sowohl energetische exergetische als auch wirtschaftliche Untersuchungen durchgeführt. Einsatzmöglichkeiten in km U: Ziel dieses Arbeitspunktes ist das Ausarbeiten von Kriterien für den Einsatz von Mikro-Gasturbinen in kmU. Dabei werden die aus den vorherigen Untersuchungen erarbeiteten Erkenntnisse konkret für kmU zusammengefasst. Aus den an beiden Forschungsstellen erhaltenen Erkenntnissen werden anschließend die folgenden Aufgaben gemeinsam bearbeitet: Ermittlung von Entwicklungspotenzialen, Identifikation relevanter kmU für den Einsatz von Mikro-Gasturbinen, Erstellung eines Leitfadens zur Entscheidungs- und Planungshilfe, Verbreitung der Entscheidungs- und Planungshilfe:

Pkw-BtL-Waldholz-mittel-DE-2020 (je kWh)

Mittelklasse-Pkw mit Biomass-to-Liquid (synthetischer Diesel), Fahrzeugdaten aus der Technologiedatenbank renewbility (#1); hier Verbrauch definiert für 1 kWh/km, inkl. Materialsaufwand zur Herstellung Besetzungsgrad: 1Personen Fahrleistung: 21197km/a Kraftstoff/Antrieb: Diesel Lebensdauer: 11,2a spezifischer Verbrauch: 3,6MJ/km spezifischer Verbrauch: 10,5l/100 km Straßenkategorie: Durchschnittswert

Ermittlung spezifizierter Kosten und ökologischer Auswirkungen der Erzeugung von BtL-Kraftstoffen und Biogas

Ziel des Vorhabens ist die Ermittlung von Kosten und ökologischen Auswirkungen der Erzeugung synthetischer Kraftstoffe auf Basis von Biomassevergasung und Vergärung. Im ersten Projektabschnitt wird eine umfangreiche Literaturrecherche zu bestehenden BtL- und Biogaskonzepten, Gasaufbereitungsverfahren sowie den Kraftstoffsynthesewegen erstellt. Der zweite Projektabschnitt umfasst die stoffliche und energetische Bilanzierung, die Modellierung der Einzelkonzepte unter Festlegung der Hauptkomponenten und deren technische, wirtschaftliche und ökologische Bewertung. Im dritten Projektabschnitt erfolgen Sensitivitäts- und Schwachstellenanalyse der Konzepte sowie ein Vergleich der gewonnenen Daten mit der Literatur. Die gewonnenen Daten liefern Aussagen zur Beurteilung verschiedener BtL- und Biogaskonversionsrouten hinsichtlich Wirtschaftlichkeit, technischer Reife sowie ökologischer Auswirkungen und können somit maßgeblich zur Markteinführung und Konkurrenzfähigkeit gegenüber konventionellen Kraftstoffen beitragen. Kompetenz des IEC und vorhandenes Potenzial lassen eine erfolgreiche Bearbeitung des Projektes erwarten. Die Projektbearbeitung erfolgt in Kooperation mit dem IFEU Heidelberg.

Erstellung einer Verwertungsstrategie für Bioabfälle zur Produktion von Biokraftstoffen durch Nassreinigung, Biogassynthese und thermische Verfahren

Das Forschungsvorhaben basiert auf der Idee, bereits vorhandene Biomassequellen für die Biokraftstoffproduktion zu erschließen. Dabei soll eine alternative Verwertungsstrategie für Bioabfälle entwickelt werden, die im Gegensatz zur derzeit üblichen Kompostierung oder Vergärung steht. Da Bioabfälle im Rohzustand aus verschiedensten Gründen (z.B. Stör- bzw. Schadstoffe, Salze etc.) nicht den Anforderungen an Biomasse zur Kraftstoffproduktion (biologische oder thermo-chemisch) genügen, müssen sie zwingend einer Reinigungsstufe unterzogen werden. Dazu ist eine Nassreinigungsstufe geplant, welche bis dato nicht im Zusammenhang mit der Bereitstellung von Biomasse zur Kraftstoffproduktion untersucht wurde. Im Anschluss an die Bioabfallaufbereitung wird das resultierende Outputmaterial hinsichtlich einer Eignung zur Biogasproduktion bzw. zur thermischen Behandlung untersucht, wobei diese Untersuchungen vor dem Hintergrund einer sich anschließenden Biokraftstoffproduktion (Biomethan, Wasserstoff oder BtL-Kraftstoffe) erfolgen. Das gesamte Verfahren soll energieautark laufen. Die aus der Biogasproduktion gewonnene Energie kann für die Reinigung und Aufbereitung der Bioabfälle eingesetzt werden, sodass kein Einsatz von Fremdenergie erfolgt. Das Forschungsvorhaben gliedert sich in drei Bereiche: 1) Aufbereitung des Bioabfalls und Analytik des Outputs: Es sind praktische Aufbereitungsversuche am Institut für Abfallwirtschaft und Altlasten sowie eine Analytik der festen und flüssigen Outputströme geplant, um deren Eignung für eine sich anschließende biologische oder thermo-chemische Verwertung des Outputs zu bewerten. Das Ziel besteht darin, die Nassaufbereitungsstufe so zu gestalten und zu optimieren, dass mit dem resultierenden Eluat die Anforderungen an eine Mono- bzw. Co-Vergärung erfüllt werden, und mit dem festen Outputmaterial die Qualitätsanforderungen für eine thermo-chemischen Umwandlung zu Biokraftstoff eingehalten werden können. 2) Vergärung des Eluats: Um das Biogaspotential des anfallenden Eluats aus der Nassreinigung zu ermitteln, werden standardisierte DIN-Tests (DIN 38414-S8) durchgeführt werden, wobei das Eluat zum einen einer Monovergärung als auch einer Co-Vergärung unterzogen werden soll. Es wird eine Variantenuntersuchung hinsichtlich der Aufbereitungsmöglichkeiten des Biogases für die Energiegewinnung und -nutzung durchgeführt. Dabei ist zu klären, wie das energiereiche Biogas in der Trocknung und in der Reinigungsstufe effektiv genutzt werden kann. Des weiteren ist zu prüfen, ob das im gereinigten Bioabfall verbleibende Wasser in einer Vergasungsstufe zu elementaren Wasserstoff synthetisiert werden kann. Eine Alternative zur Biogasproduktion stellt die Wasserstoff-Produktion aus dem Eluat dar, die in diesem Projekt ebenfalls anhand praktischer Untersuchungen erörtert werden soll. usw.

H2020-EU.3.3. - Societal Challenges - Secure, clean and efficient energy - (H2020-EU.3.3. - Gesellschaftliche Herausforderungen - Sichere, saubere und effiziente Energieversorgung), SUNlight-to-LIQUID: Integrated solar-thermochemical synthesis of liquid hydrocarbon fuels (SUN-to-LIQUID)

Liquid hydrocarbon fuels are ideal energy carriers for the transportation sector due to their exceptionally high energy density and most convenient handling, without requiring changes in the existing global infrastructure. Currently, virtually all renewable hydrocarbon fuels originate from biomass. Their feasibility to meet the global fuel demand and their environmental impact are controversial. In contrast, SUN-to-LIQUID has the potential to cover future fuel consumption as it establishes a radically different non-biomass non-fossil path to synthesize renewable liquid hydrocarbon fuels from abundant feedstocks of H2O, CO2 and solar energy. Concentrated solar radiation drives a thermochemical redox cycle, which inherently operates at high temperatures and utilizes the full solar spectrum. Thereby, it provides a thermodynamically favourable path to solar fuel production with high energy conversion efficiency and, consequently, economic competitiveness. Recently, the first-ever production of solar jet fuel has been experimentally demonstrated at laboratory scale using a solar reactor containing a ceria-based reticulated porous structure undergoing the redox cyclic process. SUN-to-LIQUID aims at advancing this solar fuel technology from the laboratory to the next field phase: expected key innovations include an advanced high-flux ultra-modular solar heliostat field, a 50 kW solar reactor, and optimized redox materials to produce synthesis gas that is subsequently processed to liquid hydrocarbon fuels. The complete integrated fuel production chain will be experimentally validated at a pre-commercial scale and with record high energy conversion efficiency. The ambition of SUN-to-LIQUID is to advance solar fuels well beyond the state of the art and to guide the further scale-up towards a reliable basis for competitive industrial exploitation. Large-scale solar fuel production is expected to have a major impact on a sustainable future transportation sector.

Techno-ökonomische Bewertung von Verfahrensalternativen zur Herstellung synthetischer Kraftstoffen aus Biomasse im bioliq©-Verfahren

Ziel der Untersuchungen in diesem Forschungsprojekt ist es, verschiedene Varianten für das das am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) in der Entwicklung befindliche bioliq©-Verfahren zur Herstellung von synthetischen Kraftstoffen aus Biomasse zu bewerten und vergleichbar zu machen. Die Entwicklung des bioliq©-Verfahrens ist ein dynamischer Prozess, innerhalb dessen sich ständig neue Varianten für die technische Ausführung des Verfahrens ergeben. Des Weiteren wird der Entwicklungsprozess von vielen zusätzlichen Faktoren, wie beispielsweise politischen und gesellschaftlichen Rahmenbedingungen, gesetzlichen Vorgaben oder auch ökonomischen Aspekten beeinflusst. Unter Berücksichtigung dieser Rahmenbedingungen gilt es, Richtgrößen zu erarbeiten, die es ermöglichen, Aussagen über die weitere Entwicklung der Technologie in Bezug auf die Konkurrenzfähigkeit zu Kraftsoffen fossiler Herkunft zu treffen. Mit Hilfe des bioliq©-Verfahrens lassen sich minderwertige, aschereiche Biomassen in synthetische Kraftstoffe und organische Chemieprodukte umwandeln. Dieses BtL-Verfahren bietet die Möglichkeit, im Gegensatz zu den bereits weit verbreiteten Verfahren zur Herstellung von biogenen Kraftstoffen der ersten Generation, die gesamte Pflanze in Kraftstoff umzusetzen. Neben den daraus resultierenden Vorteilen in Bezug auf den Ackerflächenbedarf, entsteht durch das bioliq©-Verfahren keine Konkurrenzsituation zwischen der Nahrungsmittelproduktion und der Kraftstoffherstellung. Vielmehr können die bei der Nahrungsmittelproduktion anfallenden Abfallprodukte und Pflanzenreste als Einsatzstoff für das bioliq©-Verfahren verwendet werden. Es handelt sich um ein mehrstufiges Verfahren, das zunächst Biomasse, die über große Acker- und Waldflächen verteilt anfällt, in dezentralen Anlagen zu einer pumpfähigen Suspension, dem sogenannten Slurry, verflüssigt, der im Vergleich zur Ausgangsbiomasse eine um den Faktor zehn gesteigerte volumenbezogene Energiedichte aufweist und somit wirtschaftlich transportiert werden kann. Aus diesen zahlreichen dezentralen Anlagen, wird der produzierte Slurry per Bahn in eine große zentrale Anlage transportiert. In dieser zentralen Anlage finden die Vergasung des Slurrys, die anspruchsvolle Aufbereitung und die Umwandlung des Synthesegases in synthetischen Kraftstoff statt.

Ermittlung konsistenter Stoffdaten zur Biomassepyrolyse im Hinblick auf die Validierung, Auslegung und den Betrieb labor-, kleintechnischer und technischer BtL-Vergasungsanlagen

Ziel des Vorhabens ist die experimentelle Ermittlung und modellmäßige Beschreibung der Biomassepyrolyse unter technisch relevanten Bedingungen. Im ersten Projektabschnitt werden repräsentative Biomassen beschafft, charakterisiert und aufbereitet sowie eine Versuchsanlage zur Biomassepyrolyse geplant und errichtet, die eine möglichst genau Bilanzierung des Prozesses zulässt. Der zweite Projektabschnitt umfasst Untersuchungen zum Einfluss von Temperatur, Druck, Aufheizgeschwindigkeit und Gasatmosphäre auf Verteilung, Zusammensetzung und Eigenschaften der Pyrolyseprodukte. Neben verschiedenen Biomassen sollen auch die einzelnen Stoffgruppen Cellulose, Hemicellulose und Lignin evaluiert werden. Im dritten Projektabschnitt erfolgt die Einbindung ermittelter Daten in thermodynamische Simulationssoftware und die Erstellung von Prozessmodellen sowie einer Datenbank. Mit Hilfe der erstellten Modelle kann die Einbindung des Pyrolyseprozesses in die thermodynamischen Berechnungen großtechnischer Pyrolyse- und Vergasungsanlagen erfolgen und deren Dimensionierung wesentlich erleichtert werden. Kompetenz des IEC und vorhandenes Potenzial lassen eine erfolgreiche Bearbeitung des Projekts erwarten.

Renewable fuels for advanced powertrains (RENEW)

Objective: This project aims to develop, assess and train on various production chains for motor vehicle fuels ligno-cellulosic biomass sources will be used as feedstock to produce synthesis gas from which various vehicle fuels can be derived: CH4, methanol/DME, ethanol (thermo-chemical and enzymatic pathway) and a novel biomass-to-liquid (BTL) fuel. The project will develop and evaluate the respective processing technologies with a view to producing cost effective premium fuels for current and future combustion engines from a wide bandwidth of feedstock. Within 4 vertical subprojects, alternative thermo-chemical gasification, enzymatic fuel production and fuel synthesis processes will be considered, while 2 horizontal subprojects are directed towards technology assessment and training. Two pilot-produced fuels (DME and BTL) will be submitted to extensive motor-tests by 4 leading European car manufacturers within this project. Other fuels will be made available for tests in various other European R&D projects. It is envisaged that this project will lead to the introduction of favourably priced biomass-derived fuels for motor vehicles, from 2010 onwards. Apart from achieving scientific and technological results, RENEW has the vision to develop commonly agreed strategic recommendations, based on an understanding among relevant players in industry, agriculture and research concerning the technological and market potential of different bio-fuels and their production technologies. RENEW is novel and hugely important to Europe. It offers major Kyoto Protocol benefits, enhances the sustainability and security of vehicle fuel supply, and has positive Regional socio-economic impacts. RENEW involves 31 partners, including 7 SME, from 9 EU MS and AS countries. The consortium has the necessary 'critical mass' to achieve its goals and develop the technology to commercial stage beyond the end of the project.

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