Donnerstag, 15. November 2007

Einsatz von Conceptual Design bei der Optimierung von Bioethanolprozessen

Der hohe Nutzen im Vorfeld durchgeführter Conceptual Design Studies ist bei großen chemischen Prozessen bekannt. Technische Entscheidungen, die zu einer frühen Phase der Verfahrensentwicklung getroffen werden, haben den größten Einfluss auf die Profitabilität. Daher sind diese Studien für chemische Prozesse etabliert. Bioethanolanlagen haben einen vergleichbaren Energie- und Investitionsbedarf und bei moderatem Aufwand lassen sich auch hier erhebliche Einsparungen erzielen. Wichtig für das Ergebnis sind ausgereifte und integrierte Tools, ein systematischer und effizienter Workflow sowie integriertes Expertenwissen verschiedener Disziplinen.

Profitabilität beeinflussen durch Conceptual Design
Insbesondere durch die Berücksichtigung lokaler Randbedingungen im Rahmen einer Conceptual Design Study können deutliche Verbesserung der Ertragssituation einer Bioethanolanlage identifiziert werden. Sie sind maßgebend für die Auswahl des richtigen Rohstoffs, der Nebenprodukte mit der höchsten Wertschöpfung sowie des optimalen Energiekonzeptes.

Abb. 1. Frühe Gesamtoptimierung im Conceptual Design

Der Erfolg einer Conceptual Design Study hängt vor allem von folgenden Faktoren ab:

• Analyse bestehender Verfahren inklusive Patentrecherche und Ermittlung der Kostenstruktur zur Vorbereitung der weiteren Arbeiten
• Strukturierte Vorgehensweise
• Besetzung des Teams mit den geeigneten Fachkompetenzen
• Rückgriff auf geeignete Tools zur schnellen Generierung und Evaluierung von Ideen
• Klärung offener Fragestellungen durch geeignete Experimente (nur bei Bedarf)
• Zieldefinition
• Einbindung des Kunden / Investors

Die aus BTS-Sicht bewährte Vorgehensweise sowie die dafür benötigten Tools werden in Abb. 2 gezeigt.

Abb. 2: Vorgehensweise und Tools einer Conceptual Design Studie

Die Konzepterstellungsphase (Phase 1) besteht aus der Analyse der lokalen Randbedingungen sowie einer kreativen Phase, die vor allem gekennzeichnet wird durch die Klärung von Marktpreisen für verschiedene Nebenprodukte aus der Biomasseproduktion sowie die Untersuchung verfügbarer Utilities und derer Preise am Standort. Ebenfalls muss die große Anzahl an Prozessalternativen auf niedrigem technischen Detaillierungsgrad und mit zum Teil noch hohem Unsicherheitsfaktor geprüft werden

In Phase 2, der Evaluierung und Priorisierung, liegt der Schwerpunkt nun darauf, mit Hilfe von Experten und geeigneter Tools zur schnellen Abschätzung von Verfahrens- und Kostendaten die vielversprechenden (und machbaren) Konzepte von den unrentablen zu trennen. Diese Phase muss zeitlich von der kreativen Phase 1 getrennt werden, um die Generierung guter Ideen nicht vorschnell auszubremsen. In der Phase 3 folgt dann eine weitere Detaillierung. Hier kann nun ein höherer Aufwand zur Bewertung der Prozessalternativen getrieben werden, da die verbleibende Anzahl betrachteter Konzepte durch die gröbere Sichtung in der Phase 2 deutlich reduziert wird. Die Evaluierungs- und Priorisierungsphase erfordert ebenso wie die Ausarbeitung- und Detaillierungsphase der verbleibenden Konzepte den Input erfahrener Experten sowie geeignete integrierte Tools zur

• Gesamtverfahrenssimulation als Grundlage für das Apparatedesign sowie zur Ermittlung des Energiebedarfes sowie sonstiger Utilities.
• Short cut design der Apparate
• Investkostenschätzung und
• Herstellkosten- und Profitabilitätsrechnungen
• Laborversuche, um die prinzipielle Machbarkeit neuer Ideen zu evaluieren
• Technikumsversuche, um in der späteren Phase verlässliche Daten für den Scale up zu generieren.

Durch den Einsatz solcher Hilfsmittel in Verbindung mit der gezielten Information durch erfahrene Experten ergibt sich ein schneller Vergleich verschiedener Verfahrenskonzepte, ein verlässlicher Vergleich des wirtschaftlichen Potenzials und daraus resultierend eine gezielte Steuerung und Beschleunigung der Conceptual Design Studie.

Bioethanol aus Roggen
In der vorliegenden Studie wurde diese Methodik für eine Bioethanol Produktion auf Basis Roggen angewandt.

In dieser von BTS durchgeführten speziellen Studie wurde der Schwerpunkt auf eine mögliche Wertsteigerung durch Aufteilung der Nebenprodukte sowie Verfahrensverbesserungen durch reduziertes Fouling gelegt, dagegen wurde keine Variation des Energiekonzeptes betrachtet.

Der Standardprozess zur Herstellung von Bioethanol aus Getreide (Abb. 3) zeichnet sich dadurch aus, dass das angelieferte Getreidekorn nach einer Reinigung komplett vermahlen wird und alle Inhaltsstoffe des Getreides bis hin zur faserreichen Schale durch den kompletten Prozess geschleppt werden. Die Restbiomassefraktion wird getrocknet und als Dried Distillers Grains with Solubles (DDGS) vermarktet.

Roggen ist einen Rohstoff, dessen Inhaltsstoffe besonders empfindlich auf thermische Belastung reagieren, was BTS-Experten in eigenen Laborversuchen bestätigen konnten. Zum verbesserten Handling dieser problematischen Inhaltsstoffe (z. B. Fasern, Proteine, Pentosane) ist man im Standardverfahren gezwungen, teure viskositätsreduzierende Enzyme einzusetzen und durch zusätzlichen prozesstechnischen Aufwand (Vakuumbetrieb, redundante Apparate) die Produktionsfähigkeit herzustellen.

Daher führte BTS für die Herstellung von Bioethanol aus Roggen eine Conceptual Design Study durch.

Abb. 3: Standardprozess und optimierter Bioethanol Prozess BTS Studie

Abb. 3 zeigt den dabei als vorteilhaft identifizierten Prozess, der sich vor allem dadurch abhebt, dass zunächst in der Vermahlung störende (und stärkearme) Schalenfraktionen abgetrennt werden und die Dekantierung vor die Fermentation platziert wurde. Daraus resultieren Vereinfachungen für die nachfolgenden Prozessschritte. Darüber hinaus wurde die thermische Kopplung zwischen der Destillation und der Entwässerung sowie der Eindampfung und den Trocknungsschritten verbessert, so dass ein deutlich reduzierter Energieverbrauch erzielt werden konnte. Weiterhin konnte in diesem Fall eine wirtschaftliche Verbesserung durch separate Produktion einer faserreichen Tierfutterfraktion (DDG) und einer proteinreichen Tierfutterfraktion (DDS) erzielt werden. Die Abweichungen vom Standardverfahren wurden auf Ihre Machbarkeit hin untersucht.

Kostenoptimierter Prozess
Das Ergebnis ist ein Prozess, der sowohl bei den Investitionskosten als auch bei den Betriebskosten signifikante Verbesserungen aufweist. Bemerkt werden sollte allerdings, dass es sich eben hier nur um den optimalen Prozess für die Randbedingungen dieses speziellen Projektes handelt, in anderen Conceptual Design Studies für Bioethanolverfahren sind gänzlich andere Verfahren als optimal identifiziert worden.

Abb. 4: Vergleich der Wirtschaftlichkeit der untersuchten Alternativen