Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-3623
Main Title: Technische, ökonomische und ökologische Bewertung der Einsetzbarkeit von biogenem n-Butanol im Raumwärmemarkt
Translated Title: Applicability of n-butanol in the domestic heating market with regards to technical, commercial and ecological aspects
Author(s): Dohn, Nicolas
Advisor(s): Knorr, Dietrich
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät III - Prozesswissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde die Einsetzbarkeit von n-Butanol im Raumwärmemarkt unter technischen, ökonomischen sowie ökologischen Kriterien überprüft und den Brennstoffen Heizöl extra leichtflüssig (EL) und Biodiesel (FAME) gegenübergestellt. Das gewählte Vorgehen umfasst eine Verbrennungsversuchsreihe und die Entwicklung eines Stoff- und Energiestrommodells sowie dessen Erweiterung um eine wirtschaftliche und eine ökologische Betrachtung. N-Butanol eignet sich aus gerätetechnischer Sicht innerhalb des untersuchten Bereiches von 0 bis 20 % (V/V) als Biokomponente in Heizöl EL für den Einsatz in einem marktüblichen Stauscheibenbrenner. Dabei tritt keine signifikante Veränderung der Abgasemissionen sowohl absolut als auch relativ zum Heizwert des Gemisches auf. Andererseits senkt n-Butanol den Flammpunkt des Brennstoffgemisches, so dass der flächendeckende Einsatz in Heizöl EL nur bis zu einer Konzentration von 0,5 % (V/V) n-Butanol als Biokomponente in Kombination mit 10 % (V/V) FAME möglich ist. Zur Überprüfung der ökonomischen und ökologischen Kriterien wurden zwei Szenarien identifiziert. Das Basisszenario reflektiert den Stand der Technik und verursacht Produktionskosten von 1,21 € / L n-Butanol, die durch den Umsatz von 0,90 € / L nicht gedeckt werden können. Mit Treibhausgasemissionen von 37,0 g CO2eq / MJ entstehen durch den Einsatz von n-Butanol CO2eq-Verminderungskosten in Höhe von 527 € / t CO2eq. In der Wirkungskategorie Versauerung erhöht der Einsatz von n-Butanol im Basisszenario die Emissionen gegenüber Heizöl EL zwar um etwa 67 %, stellt jedoch gegenüber FAME, das eine Erhöhung von 544 % verursacht, eine erhebliche Verbesserung dar. Die fossile Ressourcenbeanspruchung gegenüber Heizöl EL sinkt durch n-Butanol um 67 % auf 0,39 MJ / MJ. Das Fortschrittsszenario berücksichtigt bislang großtechnisch nicht etablierte Technologien wie beispielsweise die in-situ Produktabtrennung mittels Pervaporation. Die Produktionskosten im Fortschrittsszenario betragen 0,99 € / L n-Butanol. Durch den Einsatz von n-Butanol als Biokomponenten in Heizöl EL sinken die Emissionen an CO2-Äquivalenten im Fortschrittsszenario auf 23,5 g / MJ und etwa 60 % derer von Biodiesel (FAME) und 73 % derer von Heizöl EL. Die CO2eq-Vermeidungskosten betragen im Fortschrittsszenario 266 € / t CO2eq. Die Emissionen an SO2-Äquivalenten sinken auch im Fortschrittsszenario nicht unter die von Heizöl EL, sondern liegen fast 30 % darüber. Bezogen auf die Biokomponente FAME reduziert der Einsatz von n-Butanol jedoch die Emissionen an SO2-Äquivalenten um 80 %. Der fossile Ressourcenverbrauch verringert sich gegenüber FAME um 53 % auf 0,25 MJ / MJ und liegt damit weit unter dem von Heizöl EL. Es zeigt sich, dass der Einfluss der anteiligen Anbauemissionen von Reststroh in allen Wirkungskategorien verhältnismäßig gering ist. Es konnte gezeigt werden, dass die Produktion von n-Butanol aus Getreidestroh zu Kosten von 0,90 € / L durch eine optimierte Positionierung der Anlage im Fortschrittszenario zu erreichen ist und damit wirtschaftlich sein kann.
This thesis examines the applicability of n-butanol in the domestic heating market with regards to technical, commercial and ecological aspects in comparison to heating oil and biodiesel (FAME). Emphasis is put on a series of combustion experiments and the development of a mass and energy flow model. The model is further extended towards a commercial and ecological examination. The utilization of n-butanol in a common yellow burner as a bio-component up to a volume ratio (V/V) of 20 % does not yield a significant absolute or relative change of exhaust emissions in comparison to heating oil. However, the addition of n-butanol causes the flash point of heating oil blends to quickly drop below the limit of 55 °C. The comprehensive large area use is therefore possible only with 0.5 % (V/V) of n-butanol in combination with 10 % (V/V) of FAME. Two scenarios were defined and their potential commercial as well as ecological implications assessed. The basic scenario on one hand, reflects state of the art technology and results in production cost of 1.21 € / L n-butanol not covered by the turnover of 0.90 € / L. The emission of 37.0 g CO2eq / MJ leads to greenhouse gas abatement cost of 527 € / t CO2eq. The acidification due to the utilization of n-butanol exceeds the acidification of heating oil by 67 %. FAME, however, contributes to acidification to a much higher extent with 544 %. Furthermore, the use of n-butanol reduces the fossil resource use in comparison to heating oil by 67 % to 0.39 MJ / MJ. On the other hand the technological progress scenario considers technologies that are to date not established at industrial scale. An example is in-situ product recovery by pervaporation. The production cost of such a scenario amounts to 0.99 € / L n-butanol. The utilization of n-butanol in the technological progress scenario reduces the greenhouse gas emissions to 23.5 g / MJ. The greenhouse gas abatement cost account for 266 € / t CO2eq. The acidification of n-butanol still exceeds that of heating oil by about 30 %. However, in comparison to FAME the utilization of n-butanol in this scenario lowers the acidification by 80 %. The fossil resource input (0.25 MJ / MJ) is considerably less than the one of heating oil and FAME. It became clear that the influence of the straw cultivation is comparatively low in all analyzed categories. It could be demonstrated that the commercially viable production of n-butanol from straw at a cost of 0.90 € / L in the progress scenario is possible with an optimized positioning of the plant.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-40019
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/3920
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-3623
Exam Date: 19-Apr-2013
Issue Date: 18-Jun-2013
Date Available: 18-Jun-2013
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Fermentation
N-Butanol
Ölheizung
Raumwärmemarkt
Weizenstroh
Domestic heating market
Fermentation
N-butanol
Oil-fired heating
Wheat straw
Creative Commons License: https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/de/
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