Die Entwicklung des DFB (Dual Fluidized Bed) Verfahrens begann 1989 an der Technischen Universität Wien. Prof. Hofbauer hat dieses Verfahren bis heute maßgeblich weiter entwickelt, weshalb zunächst in Europa und mittlerweile weltweit zahlreiche großindustrielle Anlagen gebaut wurden.
Das DFB-System besteht aus zwei kommunizierenden Wirbelschichten, wobei ein Kreislauf des Bettmaterials vom Vergasungsteil in den Verbrennungsteil und wieder zurück stattfindet. Im Vergasungsteil, einer stationären Wirbelschicht wird Biomasse in ein Synthesegas übergeführt wird. Als Vergasungsmedium wird Dampf verwendet, was unter anderem dazu führt dass ein hochwertiges, stickstofffreies Synthesegas produziert wird. Allerdings benötigt dieses Vergasungsprinzip im Vergleich zu autothermen Varianten, wie Luft, oder Sauerstoffvergasung, Energie. Diese Energie wird durch das umlaufende Bettmaterial eingebracht, wie folgendes Prinzipbild zeigt.
Durch einen unteren Siphon, bzw. eine Rutsche, wird das Bettmaterial mitsamt des nicht reagierten Kohlenstoffs in den Verbrennungsteil eingebracht. Dieser wird in einem stöchiometrischen Verhältnis mit Luft fluidisiert und ist ab einer bestimmten Höhe als transportierende Wirbelschicht ausgeführt. Der Kohlenstoff wird verbrannt und die Temperatur des Bettmaterials dadurch erhöht. Damit bei der erforderlichen Umlaufrate die Temperatur von 850°C auf 920°C erhöht werden kann, muss zusätzlich etwas Synthesegas zudosiert werden. Die erhitzten Partikel des Bettmaterials werden schließlich in einem Zyklon abgeschieden und durch den oberen Siphon wieder dem Vergasungsteil zugeführt.
Damit kann aus festen Brennstoffen ein hochwertiges Synthesegas hergestellt werden. Zahlreiche Brennstoffe wurden bereits untersucht, einige sind in der folgenden Abbildung dargestellt.
Die Hauptbestandteile des Synthesegases, Wasserstoff und Kohlenmonoxid, werden durch verschiedenste Anwendungen schließlich zu Energieträgern, oder Chemikalien zusammengesetzt, wie folgendes Beispiel zeigt:
Die erste Versuchsanlage wurde Anfang der 90er Jahre des 20. Jahrhunderts in Betrieb genommen und noch als intern zirkulierende Wirbelschicht ausgeführt, wie folgende Abbildung illustriert.
Dieses Prinzip wurde schnell geändert, weil es unter anderem großtechnisch schwierig zu realisieren ist. Wesentliche, wissenschaftliche Ergebnisse und Details dieses Verfahrens sind aber nach wie vor auf www.ficfb.at (Fast Internally Circulating Fluidized Bed) zu finden. 1995 folgte eine weitere Variante des Reaktors, diesmal schon als extern zirkulierende WIrbelschicht, trotzden aber noch in einer kompakten Bauform. Der Prozess stellte sich als sehr robust heraus und zahlreiche wissenschaftliche Ergebnisse wurden generiert. Experimente mit zahlreichen Brennstpffen wurde durchgeführt und die Vergasungsreaktionen untersucht.
Ende des vorigen Jahrtausends war es dann soweit. Die Technologie konnte demonstriert wurde. Ein K1-Zentrum, das Renet Austria, kofinaizierte das Vorhaben schließlich und die Kommerzialisierung wurde konsequent durchgeführt. Von der wissenschaftliche Seite waren Untersuchungen an einem Kaltmodell notwendig, detaillierte Prozesssimulationen und der Betrieb an der Versuchsanlage. Dazu wurde die nächste Generation des DFB Verfahrens errichtet, in Betrieb genommen und Versuche durchgeführt.
Es handelte sich dabei um eine extern zirkulierende Wirbelschicht, welche bei der Errichtung des Biomassekraftwerkes Güssing um den Faktor 80 upgescaled wurde. Folgendes Bild gibt das Prinzip wieder. Wie bereits kurz angerissen entspricht der Vergasungsteil dem Prinzip einer stationären Wirbelschicht, welche mit Dampf fluidisiert wird. Feste Brennstoffe werden dadurch in ein Synthesegas übergeführt. Das Bettmaterial zirkuliert zwischen dem Vergasungsteil und dem Verbrennungsteil. Es gelangt zunächst durch den unteren Siphon in den Verbrennungsteil, welcher im unteren Bereich als stationäre Wirbelschicht ausgeführt ist. Ab einer gewissen Höhe ist der Verbrennungsteil als Flugstromreaktor ausgelegt. Der erforderliche Volumenstrom wird durch die Sekundärluft eingebracht. Ab diesem Niveau findet eine vollständige Verbrennung des im Bettmaterial noch enthaltenen Kohlenstoffs und des zudosierten Produktgases in einem stöchiometrischen Verhältnis statt. Die Temperatur der Partikel wird erhöht, welche schließlich durch den Zyklon abgeschieden und über den oberen Siphon wieder dem Vergastungsteil zugeführt werden. Damit wird die nötige Enthalpie für die endothermen Reaktionen in den Vergasungsteil eingebracht.
Dieses allotherme Verfahren besitzt viele Vorteile und bietet zahlreiche Möglichkeiten:
- Abwärme kann auf einem hohen Temperaturniveau genutzt werden (850°C)
- Der Wirkungsgrad der Verstromung ist weitgehend unabhängig vom Temperatur der Abwärmenutzung, es kann etwa Prozessdampf bereitgestellt werden
- es fällt kein Abwasser an (bei anderen Verfahren fällt Abwasser an, wenn der Wassergehalt des Brennstoffs über 15% beträgt)
- Das Synthesgas ist stickstofffrei (im Gegensatz zur Luftvergasung)
- Es kann nahezu jeder Brennstoff eingesetzt werden, die Synthesegaszusammensetzung bleibt dabei weitgehend unverändert
- Die Zusammensetzung des Synthesegases kann in weiten Bereichen gesteuert werden, wie z.Bsp. durch Einsatz von CO2 als Vergasungsmedium
2001 wurde diese Technologie schließlich in den Stand der Technik übergeführt. Die Planung des Biomassekraftwerkes Güssing dauerte 6 Monate, der Bau ebenfalls 6 Monate und nach weiteren 6 Monaten war die Inbetriebnahme erfolgreich abgeschlossen. Dies war einerseits möglich, weil die Finanzierung durch die Kooperationen innerhalb des Renet-Austria vorhanden war. Andererseits fand eine unkomplizierte, höchst motivierte und ausschließlich zielorientierte Zusammenarbeit zwischen allen Projektpartnern und Personen statt.
Neben den zahlreichen Prozessen und Verfahren, welche bis heute in Güssing entwickelt wurden, fand eine kontinuierliche Weiterentwicklung des DFB Verfahrens statt. So wurde etwa das G-Volution Verfahren patentiert, wo eine intensive Durchmischung des Bettmaterials mit den Brennstoffpartikeln stattfindet. Details sind auf der G-Volution Homepage der TU Wien zu finden:
Diese Technologie wurde mittels der 2014 an der TU Wien in Betrieb genommenen Versuchsanlage entwickelt, an der auch die aktuellen Experimente durchgeführt werden. Die folgende Abbildung zeigt den optimierten Vergasungsteil, welcher zu einer höheren Produktgasqualität führt.
Im Sinne einer optimalen Systemintegration wurden Nebenprodukte des Winddiesel Verfahrens durch die Massen- und Energiebilanz identifiziert, welche zur Reduktion der Synthesegas Zudosierung führen. Die Teer- und Staubbeladung ist höher als die eines Gegenstrom, bzw. Doppelfeuergenerators, aber nicht viel höher als die eines Gleichstrom – Festbettvergasers. Diese Schadstoffe müssen aber ohnehin abgetrennt werden, daher wurde eine hochwirksame Gasreinigung bestehend aus einem Partikelfilter und eines RME (Rapsmethylester) - Wäschers entwickelt. Umfangreiche Untersuchungen am Betrieb eines dahinter geschalteten Gasmotors haben gezeigt, dass die verbleibenden Verunreinigungen an Schwefel, Teer, usw. keinen Schaden verursachen.
Für die Anwendung in Synthesgasprozessen ist aber eine vollständige Abtrennung von allen Schadstoffen erforderlich. Schwefel würde sich nämlich am Katalysator ablagern und diesen deaktivieren, die anderen Schadstoffe würden ebenfalls den Katalysator schädigen. Der Vorteil ist, dass dadurch vollkommen schwefel- und schadstofffreie Kraftstoffe entstehen. Wesentlich ist das stöchiometrische Verhältnis des Synthesegases von H2 und CO. Für die beschriebene Dampfvergasung liegt es idealerweise bei 2:1, welches bei Standard Betriebsbedingungen der DFB Dampfvergasung der Fall ist.
Dieses Synthesegas wird der FT (Fischer Tropsch) Synthese zugeführt in der bei 25 bar und 200 bis 300 °C in einem Slurryreaktor die Fischer Tropsch Produkte erzeugt werden. Diese bestehen aus Gasen, der Naphta-, der Diesel- und der Wachsfraktion. Anschließend werden diese Fraktionen aufgetrennt. Grundsätzlich ist die Wasserbilanz positiv, d.h. es wird Wasser produziert, welches für die Elektrolyse verwendet werden kann. Will man zusätzlichen Wasserstoff einspeisen, dann muss man zunächst das Synthesegasverhältnis von H2 und CO ändern. Im Rahmen des Projektes ReCO2 der cea wurde die Synthesegaszusammensetzung bei Fluidisierung mit Dampf, CO2 und Mischungen davon gemessen. Dabei kann ein klarer Trend zu einem verringerten Wasserstoffgehalt und einem erhöhten Kohlenmonoxidgehalt bei Vergasung mit CO2 festgestellt werden. Um Wasserstoff in diesen Prozess einspeisen zu können muss also statt mit Dampf mit CO2 vergast werden. Weil das im Synthesegas vorhandene CO2 nutzlosen Ballast darstellt ist also nichts naheliegender, als dieses zurückzuführen. Dies führt schließlich zum Winddiesel Verfahren.