Synthesegas und Holzgas

Was ist Synthesegas?

Synthesegas (Syngas) ist ein brennbares Gasgemisch, das hauptsächlich aus Wasserstoff (H₂) und Kohlenmonoxid (CO) besteht. Es kann auch unterschiedlich große Mengen Kohlendioxid (CO₂), Methan (CH₄), Stickstoff (N₂) und andere Gase enthalten, abhängig von der Herstellungsart.

Synthesegase entstehen durch thermische Umwandlung von kohlenstoffhaltigen Materialien wie beispielsweise: Kohle, Biomassen oder Kunststoff Abfällen in einer sauerstoffarmen Umgebung, bzw. in einer Umgebung mit geringer oxidierender Wirkung.

Gängige Verfahren für die Gewinnung von Synthesegasen sind die klassische Vergasung (z. B. von Kohle oder Biomassen) oder die Reformierung von Erdgas (mit Dampf, Sauerstoff oder CO₂).

Synthesegase werden u.a. für die Herstellung von chemischen Produkten verwendet, wie beispielsweise Methanol, Ammoniak, Fischer-Tropsch-Kraftstoffe (synthetische Kraftstoffe), Strom- und Wärmeerzeugung oder als Grundstoff für die Wasserstoffproduktion.

Holzgas ist ein Synthesegas

Holzgas ist ein spezielles Synthesegas, das durch die Vergasung von Holz oder anderen holzartigen Biomassen gewonnen wird. Es handelt sich um ein brennbares Gasgemisch, das in historischen Notzeiten (z. B. in holzgasbetriebenen Fahrzeugen während des Zweiten Weltkriegs) eine Rolle spielte und nun im Zuge der Energiewende / Erneuerbaren Energien und der inzwischen erreichten technischen Entwicklungsstufe eine relevante Bedeutung einnimmt.

Holzgas ist ein brennbares Gasgemisch, das durch die thermochemische Vergasung von Holz unter Sauerstoffmangel entsteht. Es besteht hauptsächlich aus Kohlenmonoxid (CO), Wasserstoff (H₂), Methan (CH₄) sowie Stickstoff (N₂) und Kohlendioxid (CO₂).

Holzgas entsteht in einem Holzvergaser bei Temperaturen von ca. 800–1.400 °C. Die Holzvergasung läuft unter kontrolliertem Sauerstoffmangel ab (Pyrolyse, Oxidation und Reduktion). Das Holzgas hat spezifische physikalische, chemische und energetische Eigenschaften, die es für bestimmte Anwendungen (z. B. Stromerzeugung, Wärmeerzeugung, Gewinnung von chemischen Grundstoffen) geeignet machen.

Bild: Bundesarchiv Bild 183-V00670A, Berlin 1946, Auto mit Holzgasantrieb.
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Gewinnung von Holzgas

Holzgas wird durch Vergasung von Holz hergestellt, ein thermochemischer Prozess, bei dem Holz bei hohen Temperaturen unter begrenztem Sauerstoffangebot in ein brennbares Gasgemisch umgewandelt wird. Dieses Gasgemisch besteht hauptsächlich aus Kohlenmonoxid (CO), Wasserstoff (H₂) und Methan (CH₄) sowie Kohlendioxid (CO₂) und Stickstoff (N₂). Je nach Herstellungsprozess enthält das Holzgas kleine bis mittlere Mengen an Teerstoffen in gasförmigem Zustand.

Der Prozess läuft in mehreren Schritten ab:

Befüllung des Vergasers: Holz wird in Form von Hackschnitzeln oder Pellets von oben in den Vergaser gefüllt.

Trocknung (100–150 °C): Das Holz wird zunächst durch die Abwärme des unteren Reaktorteils getrocknet. Dabei verdampft das enthaltene Wasser. Das ist notwendig, damit der eigentliche Vergasungsprozess effizient ablaufen kann.

Pyrolyse (200–500 °C): Das getrocknete Holz zersetzt sich unter Hitze in feste Bestandteile (Holzkohle), Gase und flüchtige organische Stoffe (Teere und Öle). Produkte: Synthesegas, Teer, Holzkohle

Oxidation (800–1400 °C): Durch kontrollierte Luftzufuhr (oder Sauerstoff) wird ein Teil der Pyrolyseprodukte verbrannt. Die entstehende Wärme treibt die Pyrolyse und die Reduktionsreaktionen an. Reaktionen:

C + O₂ → CO₂ H₂ + ½ O₂ → H₂O

Reduktion (800–1000 °C): In der heißen Zone reagiert die verbleibende Holzkohle u.a. mit CO₂ und H₂O zu brennbarem Holzgas. Reaktionen:

C + CO₂ → 2CO
C + H₂O → CO + H₂
C + 2 H₂O → CO₂ + 2 H₂

Gasreinigung und Nutzung: Das heiße Holzgas wird aus dem Reaktor ausgeleitet und in Filtersystemen gereinigt (Teer, Staub, und ggf. Kondensate werden entfernt) und nachfolgend z.B. in einem BHKW zur Stromerzeugung genutzt.

Welche Arten von Holzvergasern gibt es?

Festbettvergaser (Gegenstromvergaser)

Kompakt, sehr effizient, aber oft hoher Teergehalt im Holzgas.

Festbettvergaser (Gleichstromvergaser)

Kompakt, effizient, gut für kleine und mittlere Anlagengrößen, geringer Teergehalt im Holzgas.

Wirbelschichtvergaser

Höhere Durchmischung, geeignet für größere Anlagen, geringerer Teergehalt im Holzgas.

Flugstromvergaser

Hohe Temperaturen, schnelle Reaktionen, vor allem für industrielle Anwendungen.

Anwendungen von Holzgas

Wärmeerzeugung

Direkt in einem Brenner oder Heizkessel einsetzbar. Einsatz in Nahwärmenetzen, Trocknungsanlagen, Gewächshäusern etc. Einfachste Nutzung, da keine aufwändige Gaseinigung erforderlich ist.

Stromerzeugung

Holzgas treibt einen Gasmotor oder eine Gasturbine an, für die Erzeugung von Öko-Strom. In Blockheizkraftwerken (BHKW) ist eine zusätzliche Wärmenutzung möglich. Gesamtnutzungsgrad bei Kraft-Wärme-Kopplung: > 80 %. Ideal für dezentrale Energieversorgung, z. B. in Kommunen, Gewerbe und Industrie.

Industrielle Prozesswärme

Nutzung in Hochtemperaturprozessen (z. B. Metallverarbeitung, Keramikherstellung, Trocknung), und als Ersatz von fossilen Energieträgern in bestimmten Industrieanlagen.

Fahrzeugantrieb (historisch und experimentell)

In der Vergangenheit (u.a. im 2. Weltkrieg) waren sogenannte Holzgasautos im Einsatz. Heute eher von historischem oder experimentellem Interesse, die Anwendungen sind aufwendig und schwer regulierbar.

Chemische Weiterverarbeitung (Synthese)

Holzgas enthält CO und H₂ und ist nutzbar als Synthesegas zur Herstellung von Methanol, Ammoniak, Fischer-Tropsch-Kraftstoffen (synthetischer Diesel, Kerosin).

Synthetisches Erdgas (SNG)

Zukunftsweisend für Bioökonomie und grüne Chemie. https://www.ecoloop.eu/anwendungen/

Die Vorteile von Holzgas sind vielfältig

Holz ist ein nachwachsender Rohstoff. Bei nachhaltiger Bewirtschaftung ist Holzgas nahezu CO₂-neutral, da beim Wachstum des Holzes CO₂ gebunden wurde.

Auch Holzabfälle, (Restfraktionen aus der Forstwirtschaft, Sägewerk Restholz, etc.), Rinde und andere biogene Reste können vergast werden – dadurch Abfallvermeidung und regionale Wertschöpfung.

Holzgas kann für Strom, Wärme oder Kraftstoffe verwendet werden. Besonders effizient über Kraft-Wärme–Kopplung (KWK).

Ideal für Regionen mit viel Wald oder Restholz – ermöglicht regionale Unabhängigkeit von fossilen Brennstoffen.

Holzvergaser und Holzgas-BHKWs sind bewährte Technologien, die industriell verfügbar sind.

Als Teil eines Bioenergiemixes kann Holzgas fossile Energieträger im ländlichen Raum ersetzen.

Grenzen beim Einsatz von Holzgas

Holzgas enthält viel Stickstoff und Anteile von CO₂, was den Heizwert unter den von Erdgas senkt (ca. 4–6 MJ/m³).

Lösungsbeitrag VEE:

Technologisch weit entwickelte Anlagen in Industriestandard mit hohem Wirkungsgrad.

Rohes Holzgas enthält Teerstoffe und Staub, die sorgfältig gefiltert werden müssen. Damit Motoren oder Turbinen nicht beschädigt werden, ist eine aufwendige Gasreinigung erforderlich.

Lösungsbeitrag VEE:

Hohe Temperaturen im Gaserzeuger und in den Filtersystemen verhindern prozessintern die Bildung von Teer und Kondensaten.

Holzgas enthält Kohlenmonoxid (CO), dieses ist hochgiftig und geruchlos. Es sind strenge Sicherheitsvorkehrungen nötig, v. a. in geschlossenen Räumen.

Lösungsbeitrag VEE:

Integrierte CO-Überwachung in den Aufstellungsräumen, hochwertige und langlebige Dichtungssysteme zur Vermeidung von Gasleckagen, normgerechte Planung, Ausführung und Betrieb gemäß den geltenden DIN-, ÖNORM- und Sicherheitsvorschriften.

Die Zusammensetzung des Holzgases variiert je nach Holzart, Feuchte und Betriebsbedingungen. Die Regelung und Steuerung komplex.

Lösungsbeitrag VEE:

Gesamtlösung im Anlagenbau und in der Anlagensteuerung, von der Hackgut Trocknung bis zur Reststoff Ausschleusung werden die Prozesse mit Sensoren überwacht und die Anlagen reguliert.

Die Wirtschaftlichkeit von Holzgasanlagen hängt u.a. von Subventionen, dem Holzpreis, CO₂-Zertifikatspreis und den Erträgen aus dem Verkauf von Wärme und Strom (Einspeisetarif oder Einsparungen durch Eigennutzung) ab.

Lösungsbeitrag VEE:

Die VEE Holzgas Anlagen bieten ein gutes ökonomisches Gesamtkonzept mit sehr hoher Leistungsdichte bei geringem Platzbedarf und hoher Anlagenverfügbarkeit(> 8.000 h/J)

Holzgas im geschlossenen CO2 Kreislauf

Holzgas ist nachhaltig

Erneuerbarer Rohstoff

Holz ist nachwachsend, sofern es aus nachhaltig bewirtschafteten Wäldern stammt. Die Nutzung von hochwertigem Holz zur Energiegewinnung (anstatt als Bauholz, etc.), ist ökologisch und ökonomisch nicht sinnvoll.

Bei verantwortungsvoller Nutzung z.B. von Sägewerk Restholz und Abfallfraktionen aus der Forstwirtschaft, bleibt der CO₂-Kreislauf geschlossen: Das CO₂, das beim Verbrennen entsteht, wurde zuvor vom Baum gebunden. Auch geschädigte Wälder wie z.B. durch Borkenkäfer können sinnvoll genutzt werden.

Hohe Effizienz bei Kraft-Wärme-Kopplung (KWK)

In Blockheizkraftwerken (BHKW) wird Holzgas gleichzeitig in Strom und Wärme umgewandelt. Ein Gesamtnutzungsgrad von über 80 % ist bei guter Anlagentechnik möglich.

Regionale Kreisläufe möglich

Holzgas-Anlagen können dezentral betrieben werden, was Transportemissionen senkt und regionale Wirtschaft und Resilienz stärkt.

Nutzung von Rest- und Abfallholz

Die Vergasungstechnologie kann nicht sägefähiges Holz, wie z.B. Waldrestholz oder Hackschnitzel für die Energiegewinnung nutzen, also biogene Abfälle verwerten anstatt entsorgen.

Durch den Klimawandel entsteht in vielen Regionen deutlich mehr Schadholz (Stürme, Borkenkäfer, Krankheiten und Pilzbefall, etc.) als in vorigen Jahrzehnten. Die Nutzung für Holzgas hat eine massiv bessere Umweltbilanz, als wenn das Schadholz verrottet und dadurch CO₂ ungenutzt in die Atmosphäre freigesetzt wird.