Verfahren und Reaktor zur hydrothermalen Karbonisierung von Biomasse

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur

hydrothermalen Karbonisierung, bei dem Biomasse in einen Reaktor zugeführt und zu einer chemischen Reaktion angeregt wird und danach Reaktionsprodukte dem Reaktor entnommen werden. Außerdem betrifft sie einen Reaktor zu einer solchen hydrothermalen Karbonisierung von Biomasse.

Die hydrothermale Karbonisierung ist ein chemisches Verfahren zur einfachen und effizienten Herstellung von

Reaktionsprodukten wie Braunkohle, Synthesegas, flüssigen Erdöl-Vorstufen und Humus bzw. Torf aus Biomasse unter

Freisetzung von Energie. Im Endeffekt spiegelt dieser Prozess die in der Natur in 50.000 bis 50 Mio. Jahren ablaufende Entstehung von Braunkohle wieder, mit dem Unterschied, dass die Reaktion innerhalb weniger Stunden abläuft.

Ein solches Verfahren wird im folgenden anhand von Figur 1 dargestellt: Biomasse 3 wird in einem Aufbereitungsbehälter 6 zunächst zerkleinert und zusammen mit Reaktionswasser 5 und einem Reaktionsunterstützungsmittel 7, nämlich einem

Katalysator, hier Zitronensäure, in einen Reaktor 1 gegeben. Zu Beginn des Prozesses wird Wärme ΔΤΊ _η zugeführt, wodurch eine endotherme Reaktion angestoßen wird. Diese mündet in der Folge in eine endotherme Reaktion, bei der gebundenes Wasser aus der Biomasse abgesondert wird und Wärme AT _out entsteht. Gase 9, wie beispielsweise C02 und Wasserdampf werden während des Prozesses abgeführt. Nach etwa 12 Stunden liegt praktisch nur noch Kohlenstoff, in Form einer braunkohle-ähnlichen Suspension, vor. Über eine Rohrleitung 11 wird dieses

Reaktionsprodukt in einen ersten Trockner 31 überführt, wo eine mechanische Trocknung, hier durch Zentrifugieren, durchgeführt wird. Abwasser 13 wird aus dem Trockner 31 abgeleitet, während das nunmehr vorgetrocknete Reaktionsprodukt in einen zweiten Trockner 33 weitergeleitet wird. Im zweiten Trockner 33 erfolgt eine thermische

Trocknung durch Zufuhr von Wärme AT _dry und eine Abfuhr von Wasserdampf 15. Als End-Reaktionsprodukt 29 liegt eine trockene, körnige, braunkohleartige Substanz vor.

Bei der Biomasse 3 handelt es sich insbesondere um

pflanzliches Material, dessen organische Bestandteile

vereinfacht mit der Formel von Zucker umschrieben werden können. Der Reaktor 1 ist ein Druckgefäß, dessen

Innen-Volumen während der Reaktion nicht verändert wird.

Durch die Reaktion entsteht nicht nur Abwärme AT _out , sondern auch ein deutlich erhöhter Druck, der bis zu 2 MPA betragen kann. Während der Reaktion werden Oxoniumionen gebildet, die den pH-Wert auf 5 und darunter senken. Diesen Effekt kann man vorwegnehmen, indem man Reaktionsunterstützungsmittel, wie bspw. Zitronensäure 7 als Katalysator beigibt. Hierbei gilt zu beachten, je tiefer der pH-Wert liegt, umso mehr

Kohlenstoff geht in die wässrige Phase über.

Das Ende der Reaktion ist erreicht, wenn 90 bis 99% des

Kohlenstoffs als wässriger Schlamm aus gelösten

Braunkohlekügelchen (Formel C ₆ H ₂ O) mit Porengrößen zwischen 8 und 20 nm als feste Phase vorliegen. Die restlichen 1 bis 10 % des Kohlenstoffs sind entweder in der wässrigen Phase gelöst oder wurden zu Kohlendioxid umgewandelt.

Die Reaktionsgleichung lautet näherungsweise

C ₆ Hi ₂ 0 ₆ -> C ₆ H ₂ 0 + 5H ₂ 0.

Bei der Reaktion werden 1105 kJ Energie pro Mol freigesetzt.

Diese Reaktion kann bereits vorzeitig abgebrochen werden, das heißt bei noch unvollständiger Wasserabspaltung aus der

Biomasse 3, wobei man je nach vorangegangener Reaktionsdauer unterschiedliche Zwischenprodukte erhält. Nach wenigen

Minuten entstehen bereits flüssige Zwischenprodukte, lipophile Stoffe, deren Handhabung wäre wegen ihrer hohen Reaktivität allerdings sehr schwierig beherrschbar ist. Im Anschluss daran polymerisieren diese Stoffe, und es bilden sich torfähnliche Strukturen, die nach circa 8 Stunden als Zwischenprodukte vorliegen. Danach entstehen die oben

erwähnten braunkohlenartige Substanzen und noch später steinkohleartige Substanzen.

Bei den bisher bekannten Verfahren zur hydrothermalen

Karbonisierung handelt es sich um Anwendungen in kleinerem Maßstab, da der Prozess bisher schwer beherrschbar ist und zahlreiche vorbereitende Schritte wie Grobsortierung und Zerkleinerung sowie nachbereitende Schritte (insbesondere di< Trocknung und die Reinigung des Reaktors 1) erfordert. Zudem erweist sich der Prozess derzeitig als relativ umständlich, da jeweils zum Befüllen und zum Entleeren und Reinigen des Reaktors 1 Arbeits-Stoßzeiten entstehen, während dann im gesamten Verlauf der 12 Stunden der Reaktion kaum weiteren Arbeiten anfallen. Zugleich ist der Prozess nur unzureichend automatisierbar .

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen verbesserten, insbesondere bevorzugt einen im Ablauf vereinfachten Prozess zur hydrothermalen Karbonisierung zu ermöglichen und die entsprechenden Arbeitsmittel hierfür bereitzustellen. Eine weitere optionale Aufgabe der Erfindung ist es, die so entstehenden Reaktionsprodukte effektiv weiterzuverwenden.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und durch einen Reaktor gemäß Anspruch 12 gelöst.

Entsprechend erfolgt bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß eine Zuführung der Biomasse und/oder eine Entnahme der Reaktionsprodukte während eines laufenden Reaktionsbetriebs im Reaktor. Die Erfindung wendet sich also ab vom streng diskontinuierlichen Betrieb und realisiert stattdessen einen quasi-kontinuierlicher

Reaktionsprozess . Dabei werden im laufenden Reaktorbetrieb Biomasse zugeführt beziehungsweise Reaktionsprodukte

entnommen. Besonders bevorzugt erfolgt beides - sowohl die Zuführung von Biomasse als auch die Entnahme von

Reaktionsprodukten - während des Reaktorbetriebs. Ein solches einfaches und effektives Verfahren ermöglicht es auch,

Abwärme, die während der Phase der exothermen Reaktion entsteht, zum Aufheizen im Rahmen einer parallel verlaufenden endothermen Reaktion im Rahmen einer Rückführung

wiederzuverwenden . Hierdurch entsteht ein Wärmekreislauf, bei dem nur minimal Energie zugeführt werden muss, um aus der Biomasse die jeweils gewünschten Reaktionsprodukte zu

gewinnen. Die quasi-kontinuierliche Realisierung des

Verfahrens bedingt auch, dass der Reaktor nicht immer wieder an- und abgeschaltet werden muss, sondern ständig betrieben werden kann, und das Stoßzeiten des Arbeitsanfalls für den Betrieb des Reaktors zumindest gemindert werden können. Mit anderen Worten werden sowohl der Arbeits- als auch der

Energie-Einsatz minimiert und die Betriebszeit des Reaktors optimal ausgenutzt, um eine maximale Ertragsmenge des

Reaktors zu ermöglichen. Außerdem ist es so möglich, in relativ regelmäßigen und engeren Abständen Reaktionsprodukte aus dem Reaktor zu beziehen, beispielsweise um sie sogleich industriell weiter zu verarbeiten oder energetisch zu nutzen.

Als Biomasse wird bevorzugt pflanzliches Material verwendet, es können jedoch auch tierische Substanzen oder anderes biologisches Material, beispielsweise von Pilzen, verwendet werden. Weiterhin umfasst der Begriff der Biomasse im

vorliegenden Falle auch Kunststoffe mit einfachen

Kohlenwasserstoffverbindungen wie beispielsweise Polyethylen. Auch solche Stoffe können nämlich im Rahmen des Verfahrens Verwendung finden, da sie ebenfalls in ähnliche oder gleiche Reaktionsprodukte umgewandelt werden können wie die aus biologischen Prozessen generierte Biomasse.

Gemäß einer besonders bevorzugten Aus führungs form des

erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Zuführung in einen Vorreaktor, in dem auch eine Anfangsreaktion durchgeführt wird. Der Vorreaktor ist räumlich mindestens während der Zuführung von einem Hauptreaktor getrennt, in dem eine exotherme chemische Reaktion durchgeführt wird. Der Reaktor wird also in mindestens zwei unterschiedliche

Reaktionskammern unterteilt, von denen die erste, nämlich der Vorreaktor, als Vorkammer verwendet wird. Der im Vorreaktor im Rahmen der Reaktion aufgebaute Druck und die dort erzielte Temperatur kann in den Hauptreaktor überführt werden, so dass die Druck-und Temperaturverhältnisse im Wesentlichen in beiden Reaktor-Teilen gleich ist.

Durch die Trennung in Vor- und Hauptreaktor ist es möglich, die Durchführung der endothermen Reaktion funktional und räumlich von der Durchführung der exothermen Reaktion zu trennen und in unterschiedlichen Kammern durchzuführen. Dies bedeutet auch, dass die Beschickung des Reaktors, das heißt die Zuführung von Biomasse in den Vorreaktor vollkommen unabhängig vom Betrieb des Hauptreaktors erfolgen kann, und umgekehrt die Entleerung des Hauptreaktors vollkommen

unabhängig vom Betrieb der Reaktion im Vorreaktor

durchgeführt werden kann.

Es entsteht ein Workflow, bei dem zwei von insgesamt vier Teilprozessen innerhalb des Arbeitsablaufs vollständig unabhängig voneinander durchgeführt werden. Diese vier

Teilprozesse sind: Die Beladung des Reaktors mit Biomasse, die endotherme Anfangsreaktion, die exotherme Weiterreaktion und die Entladung des Reaktors. Es ist also möglich,

gleichzeitig zu beladen und die exotherme Reaktion

durchzuführen, gleichzeitig die endotherme und die exotherme Reaktion ablaufen zu lassen oder gleichzeitig die endotherme Reaktion und eine Entladung des Reaktions durchzuführen.

Entsprechend ist auch ein erfindungsgemäßer Reaktor der eingangs genannten Art ausgebildet. Er umfasst einen

Vorreaktor und einen mindestens zeitweise von dem Vorreaktor getrennten Hauptreaktor als Reaktor-Teile, wobei die beiden Reaktor-Teile gemeinsam so ausgebildet sind, dass in einem laufenden Reaktionsbetrieb eine Zuführung der Biomasse in den Vorreaktor und/oder eine Entnahme von Reaktionsprodukten aus dem Hauptreaktor durchgeführt werden kann, ohne den

Reaktionsbetrieb im jeweils anderen Reaktor-Teil zu

unterbrechen. Die Zuführung von Biomasse, d.h. die Beladung und/oder die Entladung, d.h. die Entnahme von

Reaktionsprodukten erfolgt dabei bevorzugt gesteuert durch eine geeignete Steuerungseinrichtung, die besonders bevorzugt Steuerbefehle für mindestens einen dieser beiden Prozesse aus einer Zeitsteuerung und/oder aus Nutzerbefehlen ableitet. Hierdurch kann gewährleistet werden, dass der Reaktor

zeitlich und/oder bedarfsorientiert abgestimmt beladen und/oder ( teil ) entleert wird.

Weitere besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und

Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich auch aus den abhängigen Ansprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung. Dabei kann das erfindungsgemäße Verfahren auch entsprechend den abhängigen Ansprüchen zum Reaktor weitergebildet sein und umgekehrt .

Bevorzugt wird die Biomasse im Vorreaktor erhitzt und

besonders bevorzugt durch Zuführung von

Reaktionsunterstützungsmitteln auf einen Ziel-pH-Wert

gebracht. Dies bedeutet, dass der Vorreaktor dazu dient, die Reaktion der hydrothermalen Karbonisierung anzustoßen, das heißt die Biomasse auf ein

Energieniveau zu bringen, von dem ab die exotherme

Karbonisierungsreaktion abläuft. Mit anderen Worten ist der Vorreaktor der Teil des Reaktors, in dem die Reaktion der Karbonisierung angestoßen wird, bis sie eigenständig

weiterläuft. Im Hauptreaktor wird diese eigenständig laufende Reaktion dann weiterbetrieben ohne dass eine weitere

Wärmezuführung und damit einer Heizeinrichtung im

Hauptreaktor notwendig wäre. Als Ziel-pH-Wert kann ein Wert von pH 5 und darunter angesehen werden.

Reaktionsunterstützungsmittel sind einerseits

Reaktionswasser, welches im speziellen während der Reaktion im Vorreaktor als Träger und Übertragungsmittel fungiert und andererseits Katalysatoren bzw. Säuren, wie die oben erwähnte Zitronensäure, die der Reduzierung des pH-Werts dienen. Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, einen solchen Hauptreaktor zu verwenden, der in zumindest einen ersten Teil-Reaktor und einen End-Teil-Reaktor unterteilt ist, die voneinander zeitweise getrennt sind. Der Hauptreaktor ist damit in mehrere Reaktorkammern oder Teil-Reaktoren

unterteilt, die bevorzugt vertikal übereinander angeordnet sind, wobei der Teil-Reaktor mit der jeweils niedrigeren Ordnungsnummer oberhalb des Teil-Reaktors mit der

nächsthöheren Ordnungsnummer positioniert ist. Dadurch können die in den jeweiligen Teil-Reaktoren gebildeten Reaktions- Zwischenprodukte in den jeweils nächsten Teil-Reaktor unter Ausnutzung der Schwerkraft weitergeleitet werden.

Die Teil-Reaktoren sind voneinander zeitweise getrennt, was bedeutet, dass einzelne Reaktionsschritte in den Teil- Reaktoren ablaufen, ohne dass eine Verbindung zu den jeweils anderen Teil-Reaktoren vorliegt. Das Resultat ist, dass in jedem der Teil-Reaktoren eine eigene Kategorie von Reaktions- Zwischenprodukt (oder Fraktion) separat hergestellt werden kann und dann bei Bedarf nach Ablauf einer hierfür

vorgesehenen Reaktionszeit in den nächsten Teilreaktor überführt wird. Besteht hingegen Bedarf an einem Reaktions- Zwischenprodukt, das entsteht, bevor der

Karbonisierungsprozess vollständig abgeschlossen ist, so kann dieses Zwischen-Reaktionsprodukt einfach direkt aus dem jeweiligen Teil-Reaktor durch Entnahme bezogen werden. So kann beispielsweise Humus beziehungsweise Torf dem Kreislauf entnommen werden, um ihn als Düngemittel zu vertreiben anstatt dass eine vollständig abgeschlossene Karbonisierung zu Braunkohle erfolgt. Die Teil-Reaktoren können auch als eine Art "Verweilebenen" gesehen werden, in denen die

Reaktion für einen bestimmten Zeitraum weiterbetriebn wird, ehe das Reaktionsgemisch in die nächste Verweilebene gelangt. Bevorzugt umfasst der Hauptreaktor mindestens drei Teil- Reaktoren, besonders bevorzugt sogar vier Teil-Reaktoren. Allgemein kann gelten, dass die Erhöhung der Anzahl der Teil- Reaktoren dazu führt, den Reaktionsprozess dahingehend auszudifferenzieren, dass sehr genau unterschiedliche

Reaktionsprodukte produziert und bei Bedarf entnommen werden können. Zudem kann die Erhöhung der Anzahl der Teil-Reaktoren auch dazu genutzt werden, die Taktung des Prozesses zu optimieren: Bis zur Bildung von Torf etwa vergehen etwa acht Stunden, während nur vier Stunden benötigt werden, um hieraus dann Braunkohle herzustellen. Es kann daher vorteilhaft sein, zwei Teil-Reaktoren zu verwenden, wobei erst im zweiten vollständiger Torf vorliegt, während der Vertorfungsprozess im ersten der beiden Teil-Reaktoren nur begonnen wird. Nach vier Stunden wird dann aus dem ersten Torf-Teil-Reaktor der Zwischen-Reaktionsprodukt an den zweiten Torf-Teilreaktor weitergeleitet, und nach weiteren vier Stunden in einen weiteren Teil-Reaktor geleitet, in dem Braunkohle entsteht. Es entsteht damit eine Taktung von vier Stunden, im Vergleich zu einer Taktung von acht Stunden, wenn Torf in einem

einzelnen Teil-Reaktor ausgebildet wird. Dadurch lassen sich Leerbetriebszeiten in dem Teil-Reaktor vermeiden, in dem die Braunkohle produziert wird.

Die Unterteilung des Hauptreaktors in mehrere Teil-Reaktoren kann analog gesehen werden zum Separierungsprozess in einer Raffinerie, bei dem ebenso wie hier Teil-Produkte oder

Fraktionen entstehen. Man könnte daher die Zwischen- Reaktionsprodukte und die End-Reaktionsprodukte jeweils als Fraktionen bezeichnen. Allerdings besteht der markante

Unterschied darin, dass in einem Raffinerieprozess Stoffe im Wesentlichen durch physikalische Methoden (Erhitzung und Nutzung unterschiedlicher Dichten) voneinander getrennt werden und diese Stoffe von vorneherein im Ausgangsprodukt (dem Erdöl) vorgelegen sind. In einem erfindungsgemäßen

Reaktor hingegen erfolgt die Produktion der zu separierenden Stoffe erst vor Ort. Das heißt, dass aus dem Ausgangsprodukt Biomasse die Endprodukte wie Humus, braunkohleartige Substanzen o.a. noch nicht sofort abgeleitet werden können, sondern erst durch chemische Reaktion gebildet werden.

Zudem erfolgt die Separierung im erfindungsgemäßen Verfahren im Wesentlichen durch zwei miteinander kombinierte

Prinzipien: Erstens werden im Mehrkammersystem im

Hauptreaktor keine Stoffe voneinander separiert, sondern Stoffgemische mit bestimmten chemischen Eigenschaften

temporär voneinander getrennt und zweitens kommt es auf das richtige Timing an, wann bestimmte Stoffe dem

Reaktionskreislauf entnommen werden bzw. wann sie in die jeweils nächste Kammer weitergeleitet werden. Entsprechend ist der Reaktor bevorzugt mit einer Steuerungseinrichtung ausgestattet oder verbunden, die im Betrieb in Abhängigkeit von gemäß einer Regel vorgegebenen (Reaktions-)

zeiten eine Abgabe und/oder eine Weiterleitung von Zwischen- Reaktionsprodukten anstößt.

Die Biomasse und/oder durch Reaktion aus der Biomasse

gewonnene Zwischen-Reaktionsprodukte werden vom Vorreaktor in den Hauptreaktor und/oder von einem Teil-Reaktor in einen nächsten Teil-Reaktor bevorzugt über Schleusen und/oder

Ventile weitergeleitet. Solche Schleusen, beispielsweise Zellradschleusen, bzw. solche Ventile dienen dazu, gesteuert und gegebenenfalls differenziert dosiert die Biomasse

beziehungsweise aus ihr resultierende Reaktions-Zwischen- oder Endprodukte weiterleiten zu können. Dies bedeutet auch, dass nicht der komplette Inhalt des Vorreaktors bzw. von Teil-Reaktoren auf einmal weitergegeben werden muss, sondern es kann auch eine teilweise Weiterleitung erfolgen.

Beispielsweise kann dadurch der andere Teil, der nicht weitergeleitet wurde, in einem bestimmten Teil-Reaktor noch weiter verbleiben oder nach außen abgeführt und einer

anderweitigen Verwendung zugeführt werden.

Entsprechend ist das auch vorgesehen, dass vor einer Entnahme von End-Reaktionsprodukten, also beispielsweise von

braunkohle- beziehungsweise steinkohleartigen Substanzen, aus dem End-Teil-Reaktor Zwischen-Reaktionsprodukte wie Erdöl- Vorprodukte, Humus, oder braunkohleartige Substanzen aus einem Teil-Reaktor entnommen werden, der im Hauptreaktor in Verfahrensrichtung vor dem End-Teil-Reaktor angeordnet ist.

Eine solche "vorzeitige" Entnahme von Zwischen- Reaktionsprodukten erfolgt wie oben bereits erwähnt je nach Bedarf. Beispielsweise kann saisonal bedingt, etwa im

Frühjahr, in einem Einsatzgebiet des Reaktors ein Bedarf nach Humus zur Verbesserung bzw. Düngung von Böden entstehen, während beispielsweise im Herbst und Winter tendenziell der Bedarf nach Brennstoff steigt. Es kann jedoch auch ein Bedarf nach unterschiedlichen verwendbaren Produkten entstehen, der je nach Marktlage bedient wird. Der Vorteil in der Entnahme von Zwischen-Reaktionsprodukten ist also darin zu sehen, dass flexibel auf Anforderungen des Marktes und auf technische Anforderungen reagiert werden kann und somit nicht nur ein Reaktions-Endprodukt, sondern eine Vielzahl unterschiedlicher Reaktionsprodukte bereitgestellt werden kann.

Besondere Vorteile ergeben sich im Rahmen des Verfahrens, wenn in dem ersten Teil-Reaktor eine Reaktion bis zum

Vorliegen von wässrigen Erdöl-Vorprodukten und/oder in einem zweiten Teil-Reaktor eine Reaktion bis zum Vorliegen von Humus bzw. Torf und/oder in einem dritten Teil-Reaktor, eine Reaktion bis zum Vorliegen von Reaktionsprodukten, die im Wesentlichen Stoffeigenschaften von Braunkohle aufweisen, durchgeführt wird. Dieser Teil-Reaktor, der braunkohleartige Substanzen liefert, ist gemäß einer bevorzugten

Aus führungs form der Erfindung der End-Teil-Reaktor, oder, anders ausgedrückt, im End-Teil-Reaktor wird die Reaktion bis zum Vorliegen von braunkohleartigen Produkten fortgeführt.

Die Durchführung der Reaktion bis zum Vorliegen bestimmter vordefinierter und hinlänglich bekannter Klassen von

Reaktionsprodukten in einer ausreichend hohen Konzentration bedingt also eine funktionale Trennung der Teil-Reaktoren voneinander. Man könnte also auch davon sprechen, dass der erste Teil-Reaktor als "Erdölvorprodukte-Reaktor" fungiert, der zweite Teil-Reaktor als "Humus-Reaktor" und der dritte Teil-Reaktor als "Braunkohle-Reaktor" . Eine solche Benennung und funktionale Zuweisung kann vorteilhafterweise direkt an der Außenseite der jeweiligen Teil-Reaktoren angezeigt werden, um auch unkundigen Benutzern darzustellen, welche Produkte nach Ablauf der hierfür vorgesehenen Reaktionszeit aus dem jeweiligen Teilreaktor bezogen werden können.

Besondere Effekte ergeben sich durch die Kombination der im erfindungsgemäßen Verfahren generierten Reaktionsprodukte im Bereich der Kraftwerkstechnik. Durch das quasikontinuierliche Herstellungsverfahren ist auch eine quasi ^¬ kontinuierliche Bereitstellung von Brennstoffen für

thermische Kraftwerke möglich. Hieraus ergeben sich

erhebliche Vorteile im Betrieb von Verbrennungskraftwerks- Bereich, da nun praktisch ununterbrochen Brennstoff

bereitgestellt wird, der sodann direkt zur Generierung von Biomasse-Strom verwendet werden kann. Es wird daher

bevorzugt, dass Reaktionsprodukte aus dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Befeuerung eines Kraftwerks zur Erzeugung von elektrischem Strom weitergeleitet werden. Diese

Reaktionsprodukte können direkt über Rohrleitungen

beziehungsweise Förderbänder vom Reaktor ins Kraftwerk verbracht werden.

Ein erfindungsgemäßer Reaktor ist daher vorzugsweise so weitergebildet, dass er eine Verbindung zur Weiterleitung der Reaktionsprodukte an ein Kraftwerk zur Erzeugung von

elektrischem Strom umfasst, so dass die Reaktionsprodukte zur Befeuerung des Kraftwerks weiterverwendet werden können. Eine solche Verbindung ist im Endeffekt eine Transportverbindung für die Reaktionsprodukte und kann sowohl als stehende

Verbindung, beispielsweise in Form einer Pipeline, realisiert sein als auch als temporäre Transportverbindung, zum Beispiel realisiert durch anderweitige erdgebundene Transportmittel. Bei solchen Transportmitteln kann es sich unter anderem um Züge oder Lastkraftwagen handeln, die über eine Schienenbzw. Straßenverbindung vom Reaktor zum Kraftwerk verkehren.

Besonders geeignet ist die Verwendung der Reaktionsprodukte aus dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Stützfeuerung in einem Heizkreislauf, insbesondere in einem solarthermischen Kraftwerk. Während herkömmliche Heizkraftwerke, die

beispielsweise mit fossilen Brennstoffen befeuert werden, immer ausreichend Wärme produzieren, um Turbinen anzutreiben und Strom zu generieren, benötigen solarthermische Kraftwerke eine so genannte Stützfeuerung, die im Wesentlichen dann zum Einsatz kommt, wenn nicht ausreichend Wärme durch

Sonneneinstrahlung auf das Solarfeld des Kraftwerks generiert wird. Eine solche Stützfeuerung ist auch in ariden Regionen notwendig, beispielsweise wenn Wolken den Weg der

Sonnenstrahlen auf das Solarfeld behindern oder zu

Dämmerungs- bzw. Nachtzeiten. Für solche Fälle ist es daher derzeit üblicherweise notwendig, über lange

Transportverbindungen (mithilfe von Pipelines oder

Landverkehrsmitteln) fossile Brennstoffe zum Kraftwerk zu transportieren. Als Alternative wird der lokale Bezug von regenerativen, d.h. natürlich nachwachsenden, Brennstoffen wie Holz gesehen. Gerade in ariden Zonen sind jedoch nicht ausreichend Holz oder andere leicht brennbare Stoffe, die aus lokalem land- bzw. forstwirtschaftlichem Anbau gezogen werden könnten, vorhanden. Es besteht daher derzeit ein Dilemma zwischen der effektiven Ausnutzung von Solarenergie, die bekanntlich in Wüsten- und Steppenregionen besonders

reichlich vorhanden ist, und der praktischen Unmöglichkeit einer regenerativen Stützfeuerung, da jeglicher Pflanzenanbau in erster Linie der Lebensmittelversorgung in der Region dienen muss. Eine vollkommen auf regenerativen Energieträgern basierende Lösung für solarthermische Kraftwerke war daher bisher nur in Ausnahmefällen möglich.

Aufgrund der Verbesserungen durch das erfindungsgemäße

Verfahren ist aber nun die Verwendung von Biomasse über den Umweg der hydrothermalen Karbonisierung eine einfache, preiswerte und praktikable Alternative zur Verwendung von Holzprodukten. Damit werden lokale land- bzw.

forstwirtschaftliche Ressourcen geschont und außerdem wird im Kraftwerk eine Energiegewinnung allein auf Basis nachhaltiger Energieträger realisiert. Außerdem wird mithilfe der

hydrothermalen Karbonisierung eine Konzentration des

Brennwerts im Vergleich zur Biomasse erzielt und zudem ein inerter Brennstoff produziert, der sich bedeutend leichter lagern lässt als die Biomasse selbst.

Im Endeffekt entsteht somit ein Kreislauf, bei dem ein lokales solarthermisches Kraftwerk, gestützt durch

Stützfeuerungsprodukte, die indirekt aus der lokalen

Landwirtschaft bezogen werden, Energie zur Verfügung stellt, die wiederum ganz oder teilweise genutzt werden kann, um lokal landwirtschaftlichen Anbau zu unterstützen.

Die Erfindung umfasst somit auch ein Kraftwerk, insbesondere ein solarthermisches Kraftwerk, umfassend eine

Hauptwärmeenergiequelle und eine Stützfeuerung mit einer Verbindung als Zuleitung für mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellte Reaktionsprodukte. Bei der

Hauptwärmeenergiequelle handelt es sich bevorzugt um ein Solarfeld mit einer Anzahl von Solarpanels, die aus

Sonneneinstrahlung Wärme generieren. Diese Wärme wird dann in einem Heizkreislauf dafür verwendet, direkt oder indirekt eine Turbine zur Stromerzeugung anzutreiben.

Da es wie oben ausgeführt besonders vorteilhaft ist, eine Art lokalen Verbund aus landwirtschaftlicher Produktion,

Abführung von Biomasse, hydrothermaler Karbonisierung und solarthermischer Stromproduktion zu realisieren, betrifft die Erfindung im Endeffekt auch einen Kraftwerk-Reaktor-Komplex umfassend einen erfindungsgemäßen Reaktor und ein

erfindungsgemäßer des Kraftwerk, die in einem örtlichen, das heißt lokalen Verbund miteinander funktional so verknüpft sind, dass der Reaktor dem Kraftwerk Reaktionsprodukte für die Speisung der Stützfeuerung liefert. Die Definition des "Lokalen" in diesem Zusammenhang hängt im Wesentlichen vom Einzugsbereich des Kraftwerks und/oder des Reaktors ab: Es wird daher durch das Bezugsgebiet für die Biomasse einerseits und den Kraftwerksstrom andererseits definiert, wobei

bevorzugt jeweils das weitere Bezugsgebiet noch als "lokal" gewertet wird.

Im Rahmen des Verbunds von erfindungsgemäßem Reaktor und erfindungsgemäßem Kraftwerk ist es jedoch besonders

vorteilhaft, weil effektiv, wenn das Kraftwerk in

unmittelbarer räumlicher Nähe zum Reaktor betrieben wird. Besonders bevorzugt handelt es sich bei dem Reaktor und dem Kraftwerk um Untereinheiten eines Produktionsbetriebs, die bevorzugt auf einem gemeinsamen Betriebsareal angeordnet sind. Hierdurch entstehen besonders kurze Verbindungen; eine einfache Kontrolle der Prozesse, insbesondere der

integrierten Prozesse ist möglich, und geringe Verluste von Betriebsmaterial und Wärme sind zu verzeichnen.

Zuletzt umfasst die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftwerks, bevorzugt eines solarthermischen

Kraftwerks, bei dem mittels eines erfindungsgemäßen

Verfahrens hergestellte Reaktions; irodukte zur Befeuerung Kraftwerks verwendet werden.

Energetisch besonders effektiv und daher besonders

vorteilhaft ist es, wenn kohleähnliche Reaktionsprodukte, das heißt braunkohle- bzw. steinkohleartige Reaktionsprodukte, an das Kraftwerk weitergeleitet werden. Diese Reaktionsprodukte haben einen besonders hohen Brennwert; ihre Trocknung aus der wässrigen Lösung kann zudem mithilfe von Restwärme aus dem Reaktionsprozess oder aus dem Heiz- und/oder

Betriebskreislauf des Kraftwerks durchgeführt werden.

Die Erfindung wird im Folgenden unter Hinweis auf die

beigefügten Figuren anhand von Ausführungsbeispielen noch einmal näher erläutert. Dabei sind in den verschiedenen Figuren gleiche Komponenten mit identischen Bezugsziffern versehen. Es zeigen:

Figur 1 eine schematische Blockdarstellung des Prinzips einer hydrothermalen Karbonisierung gemäß dem Stand der Technik,

Figur 2 eine schematische Blockdarstellung eines

Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Reaktors zur Durchführung eines erfindungsgemäßen

KarbonisierungsVerfahrens ,

Figur 3 eine schematische Blockdarstellung eines

Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Kraftwerk- Reaktor-Komplexes .

Figur 1 wurde bereits oben im Rahmen der Beschreibung des Standes der Technik erläutert.

Figur 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Reaktors 1' mit einem Vorreaktor 17 und einem Hauptreaktor 19, die über eine Schleuse 21 miteinander verbunden sind. In dem Vorreaktor 17 wird Biomasse 3, insbesondere pflanzliche Biomasse, zusammen mit Reaktionswasser 5 und Zitronensäure 7 eingespeist. Die Biomasse 3 ist, wie bereits in Zusammenhang mit Figur 1 erläutert, zerkleinert. Mittels eines

Heizelements 27, hier eines Wärmetauschers 27, wird das Gemisch im Vorreaktor 17 so erhitzt, dass zunächst eine endotherme Karbonisierungsreaktion begonnen wird.

Der Hauptreaktor 19 unterteilt sich in n Teil-Reaktoren 25a, 25b, 25c, 25d,..., 25n. Im Hauptreaktor 19 erfolgt die an die endotherme Reaktion anschließende selbstständig ablaufende exotherme Karbonisierungsreaktion des aus dem Vorreaktor 17 bezogenen Stoffgemisches unter Abgabe von Abgasen 22, nämlich Kohlendioxid und Dampf. So kann im ersten Teil-Reaktor 25a eine Reaktion erfolgen, als deren Resultat ein

Zwischenprodukt 29a, beispielsweise in Form von einer

wässrigen Erdöl-Vorstufe vorliegt. Im zweiten Teilreaktor 25b kann die Reaktion weitergeführt bis zu einem zweiten

Zwischenprodukt 29b, das zum beispiel als Humus

beziehungsweise Torf vorliegt. Im dritten Teilreaktor 25c erfolgt die Reaktion bis zu einem dritten Zwischenprodukt 29c, etwa einer braunkohleähnlichen Substanz, und im vierten Teil-Reaktor 25d reagiert das Gemisch weiter bis zum

Vorliegen eines vierten Zwischen- oder Endprodukts 29d, zum Beispiel in Form einer steinkohleartigen Substanz. All die genannten Zwischen- bzw. Endprodukte 29a, 29b, 29c, 29d sind mit dem Reaktionswasser bzw. dem Wasser, das während der Reaktion abgeschieden wird, vermischt. Insgesamt kann in jedem der n Teil-Reaktoren 25a, 25b, 25c, 25d, ... 25n jeweils ein Zwischen- bzw. Endprodukt 29a, 29b, 29c, 29d, 29n bezogen werden. Ein Endprodukt 29n kann beispielsweise

Schlacken und andere Bodensätze umfassen. Die Teil-Reaktoren 25a, 25b, 25c, 25d, 25n sind in der Reihenfolge ihrer Erwähnung von oben nach unten angeordnet und durch Trennböden 24a, 24b, 24c, 24n voneinander getrennt. Über Ventile 23a, 23b, 23c, 23n können die Zwischen- und End- Reaktionsprodukte 29a, 29b, 29c, 29d, 29n sowohl in den jeweils nächsten Teil-Reaktor 25b, 25c, 25d, 25n

weitergeleitet werden als auch bei Bedarf zur Entnahme nach außen abgeführt werden. Bei den Ventilen 23a, 23b, 23c,

23n handelt es sich daher um Drei-Wege-Ventile 23a, 23b, 23c, 23n. Die Weiterleitung bzw. Entnahme der Reaktions-

Zwischen- bzw. Endprodukte 29a, 29b, 29c, 29d, 29n erfolgt auf Basis von Steuerbefehlen SB, die aus einer

Steuerungseinheit 26 bezogen werden. Diese Steuerungseinheit 26 bezieht über geeignete Schnittstellen (nicht dargestellt) Nutzerbefehle NB bzw. Timingbefehle Tim, um zum rechten

Zeitpunkt, das heißt jeweils nach Ablauf einer Reaktionszeit, in der die oben genannten Reaktions-Zwischen- bzw.

Endprodukte 29a, 29b, 29c, 29d, 29n vorliegen, eine

Weiterleitung beziehungsweise Entnahme dieser Produkte 29a, 29b, 29c, 29d, 29n vorzunehmen. Die Nutzerbefehle NB beziehen sich auf einen Bezugswunsch für bestimmte

Reaktionsprodukte 29a, 29b, 29c, 29d, 29n und können je nach aktuellem Produktbedarf, beispielsweise einem Bedarf nach Humus 29b zur Düngung von Feldern, variiert werden.

Eine besonders bevorzugte Anwendung des erfindungsgemäßen Reaktors 1' ist in Figur 3 im Rahmen der Verwendung in einem Kraftwerk-Reaktor-Komplex 65 gezeigt. Hierbei ist der Reaktor 1' innerhalb eines Reaktorkomplexes 61 angeordnet und

kombiniert mit einem solarthermischen Kraftwerk 63. Der

Reaktorkomplex 61 umfasst neben dem Reaktor 1' einen

Aufbereitungsbehälter 6, einen ersten Trockner 31, einen zweiten Trockner 33 (siehe hierzu Figur 1), ein Silo 35 und eine Verbindung 36 in Richtung des Kraftwerks 63, die als Zuleitung in das Kraftwerk 63 realisiert ist. Wie bereits im Rahmen der Beschreibung anhand der Figuren 1 und 2

beschrieben wird die Biomasse 3 über den

Aufbereitungsbehälter 6 in den Reaktor 1' eingespeist und Reaktionsprodukte 29 aus der in Zusammenhang mit Figur 2 näher beschriebenen Reaktion in den ersten Trockner 31 zur mechanischen Trocknung und sodann in den zweiten Trockner 33 zur thermischen Trocknung weitergeleitet. Das so getrocknete Produkt, beispielsweise als Granulat vorliegende Braun- oder Steinkohle wird im Silo 35 gesammelt und gelagert und bei Bedarf über die Leitungsverbindung 36 an das Kraftwerk 63 weitergegeben .

Das Kraftwerk 63 umfasst ein Solarfeld 39 mit einer Mehrzahl von Solarpanels, das in einem Herzkreislauf 45 angeordnet ist. Ein Trägermedium, hier Öl, wird im Heizkreislauf 45 über eine Pumpe 43 umgewälzt, im Solarfeld 39 erhitzt und

gegebenenfalls zusätzlich über eine Stützfeuerung 37 auf eine Zieltemperatur gebracht. In einem Verdampfer 41 wird die Temperatur des Öls dazu benutzt, Wasser in einem

Betriebskreislauf 47 so zu erhitzen, dass daraus Wasserdampf entsteht. Der Betriebskreislauf 47 wird mittels einer zweiten Pumpe 49 betrieben, so dass der nach Durchlaufen des

Verdampfers 41 entstandene Wasserdampf eine Turbine 53 antreibt, die wiederum einen Generator 55 betreibt. Der

Generator 55 erzeugt aus der Rotationsenergie der Turbine 53 elektrischen Strom. In einem Kondensator 51, der an einen Kühlturm 57 angeschlossen ist, wird der Wasserdampf wieder auf eine niedrigere Temperatur abgekühlt, so dass in

Verlaufsrichtung V hinter dem Kondensator 51 im

Betriebskreislauf 47 wieder Wasser vorliegt.

Die Stützfeuerung 37 dient dazu, die zusätzliche Heizleistung zu erbringen, die zu einem bestimmten Zeitpunkt nicht durch die Einstrahlung der Sonne 59 auf das Solarfeld 39 erbracht werden kann. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn die Sonne 59 wolkenverhangen ist oder zu Dämmerungs- bzw. Nachtzeiten. In solchen Fällen übernimmt die Stützfeuerung 37 ganz oder teilweise die Funktion der Wärmeerzeugung, um die notwendige Betriebstemperatur des Heizkreislaufs 45 zu gewährleisten.

Der Kraftwerk-Reaktor-Komplex 65 befindet sich auf einem Areal, auf dem gemeinsam der Reaktor-Komplex 61 und das Kraftwerk 63 angesiedelt sind. Hierdurch ergibt sich eine direkte Einspeisung der durch die Biomasse 3 gewonnenen

Reaktionsprodukte 29 in das Kraftwerk 63. Die elektrische Energie, die aus dem Kraftwerk 63 bezogen werden kann, kann in der Folge beispielsweise für den Betrieb

landwirtschaftlicher Geräte und Produktionseinheiten (nicht gezeigt) verwendet werden. Diese Produktionseinheiten können wiederum Biomasse 3 für den Betrieb des Reaktors 1' liefern. Hierdurch entsteht ein geschlossener Energie- und

Produktkreislauf, der auch zur Entwicklung lokaler

Landwirtschaft und Energiegewinnung genutzt werden kann.

Es wird abschließend noch einmal darauf hingewiesen, dass es sich bei den vorhergehend detailliert beschriebenen Verfahren sowie bei dem dargestellten Reaktor bzw. Kraftwerk bzw.

Kraftwerk- Reaktor-Komplex lediglich um Ausführungsbeispiele handelt, welche vom Fachmann in verschiedenster Weise

modifiziert werden können, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. Weiterhin schließt die Verwendung der unbestimmten Artikel „ein" bzw. „eine" nicht aus, dass die betreffenden Merkmale auch mehrfach vorhanden sein können. Außerdem können „Einheiten" aus einer oder mehreren, auch räumlich verteilt angeordneten, Komponenten bestehen.