In dem von der DBU unter den Aktenzeichen AZ 31032 geförderten Projekt wurde die Umsetzung einer Nachrüstlösung für Kaminöfen untersucht. Die etwa 14 Millionen Einzelraumfeuerungen in Deutschland haben einen wesentlichen Anteil an der Freisetzung von unvollständig umgesetzten Verbrennungsgasen wie CO und VOC als auch Staub. Da ein Austausch aller betriebenen Feuerungen mit hohem Schadstoffausstoß kurzfristig schwer möglich ist, könnte die Integration von Nachrüstlösungen eine zeitnahe Verbesserung des Anlagenbetriebs in Bezug auf die Emissionen und den Wirkungsgrad ermöglichen. Die Nachrüstlösung im Projekt bestand aus drei wesentlichen Komponenten: einem Wärmeübertrager, einer Sicherheitseinrichtung für die störungsfreie Abgasabführung sowie einem Katalysator inklusive Beheizung. Ziel war die wesentliche Reduzierung der Emission von unvollständig umgesetzten Abgasbestandteilen CO, Org.-C und Staub sowie die Erhöhung des Wirkungsgrades. Als Zielwerte wurden Konzentrationen von CO < 400 mg/m³, VOC (Org.C) < 50 mg/m³, Staub < 30 mg/m³ und ein Wirkungsgrad > 75 % zu Projektbeginn angesetzt. Da ein nicht zu unterschätzender Einfluss durch den Ausgangszustand der Anlagen gegeben ist, wurde eine min. 50 %-ige Minderung der Schadstoffkonzentrationen als alternative Zielsetzung angegeben. Die Nachrüstlösung wurde mit drei verschiedenen Baumarktkaminöfen getestet, um den Anlageneinfluss sowie eine anlagenunspezifische Einsetzbarkeit zu demonstrieren. Es wurden zwei verschiedene Wärmeübertrager untersucht, ein Rippenrohr und ein durchströmtes Rohr, um die Effekte einer Oberflächenerhöhung und Anströmung der Oberfläche zu untersuchen. Die Abgasableitung wurde durch Einsatz eines Rauchsaugers und eines Bypasses sichergestellt. Als Katalysator wurden sowohl kommerziell erhältliche Produkte getestet als auch eine eigene Entwicklung auf Basis eines Metallschaumes als Trägermaterial vorgenommen. Der Einsatz von Metallschäumen ist aufgrund den damit erreichbaren Druckverlusten und auch der geförderten Gasvermischung vielversprechend. Die durchgeführten Arbeiten erfolgten in Kooperation mit der Fa. Alantum, welche als Fremdleistungsnehmer für die Herstellung der Metallschäume mit im Projekt eingebunden war. In den Untersuchungen wurde gezeigt, dass eine deutliche Verbesserung bezüglich der Schadstoffemissionen als auch der Wärmeausnutzung möglich ist. Durch Integration einer Wärmeübertragerstrecke im Anschluss an die Feuerungsanlage wurde der Wirkungsgrad je nach Versuchsaufbau um etwa 5 bis hin zu 19 % gesteigert und auch ein feuerungstechnischer Wirkungsgrad > 75 % erreicht. Mit den Einsatz kommerzieller Katalysatoren konnten die CO-, Org.-C- und Staubkonzentration über 50 % reduziert werden. Für CO wurden Konzentrationen unter 20 mg/m³ erreicht, für Org.-C < 100 mg/m³ und für Staub eine Absenkung bis hin zu ca. 30 mg/m³. Durch die Katalysatorbeheizung mittels einer Glühkerze sowie eines Heizwendels konnte die Reduzierung von Org.-C zum Teil noch weiter gesteigert werden. Bei Integration in einer entsprechenden Temperaturzone kann so auch ein Rußabbrand induziert werden. Mit dem Metallschaumkatalysator, welcher im Rahmen des Projektes entwickelt wurde, konnten bisher nicht so hohe Umsatzraten erreicht werden, jedoch wurde schon eine Aktivität für die CO-Oxidation nachgewiesen. Der bisherige Entwicklungsstand erfordert aber noch eine Weiterentwicklung bis hin zur wirksamen Einsetzbarkeit im Abgas von Feuerungsanlagen. Sowohl für Org.-C als auch für Staub ist auch bei Nutzung der kommerziell erhältlichen Katalysatoren noch eine weitere Steigerung der Reduzierungsrate wünschenswert. Einfache Konstruktionen, die eine fliehkraftbasierte oder filternde Staubabscheidung ermöglichen, werden als vielversprechend angesehen. Zur praktischen Einsetzbarkeit von Nachrüstlösungen an häuslichen Anlagen ist eine Weiterentwicklung zum kommerziellen Produkt notwendig. Dazu sind Feldmessungen an realen Anlagen durchzuführen und die Bauartzulassung vorzunehmen.

Optimierungen mit mehr als einer Zielgröße haben es in sich – das weiß jeder Forscher und jede Forscherin, die sich mit der Weiterentwicklung von Prozessen und Konzepten beschäftigt hat. Effizienter Klimaschutz, Energieeffizienz und Nachhaltigkeit sind die Ziele, denen sich das BMU-Förderprogramm zur „Optimierung der energetischen Biomassenutzung“ (Kurztitel: „Energetische Biomassenutzung“) im Rahmen der Klimaschutzinitiative verschrieben hat. Auch wenn diese Ziele auf den ersten Blick nicht widersprüchlich erscheinen, ergeben sich doch bei näherem Hinsehen generelle Definitionsfragen (z. B. was ist ein nachhaltiges Biomassepotenzial) als auch Unwägbarkeiten, in wieweit man sich das eine im Detail vornehmen und das andere trotzdem lassen kann (z. B. bei der Betrachtung von Umwelteffekten). Und Optimierung braucht immer Messgrößen für ihre Bestimmung. Auch hier sind von generellen Fragen bis hin zur spezifischen Festlegung der Systemgrenzen ein Strauß von Einzelfragen aufgeworfen – ohne Aussicht auf zweifelsfreie und allgemeingültige Antworten. In der Summe heißt das: Der Versuch, Bewertungsmethoden zu harmonisieren und einfach und transparent möglichst vielen Forschungsvorhaben verfügbar zu machen, ist risikobehaftet, mühsam und im Ergebnis immer ein Kompromiss. Das hier vorgelegte Methodenhandbuch versteht sich als eben solcher Kompromiss: es bietet Ansatzstellen, die vielfältigen Einzelvorhaben des Programms „Energetische Biomassenutzung“ zusammen zu führen und die Anschlussfähigkeit der Bewertungsergebnisse zu verbessern. Die vorgeschlagenen Dokumentationsvorlagen und Methoden basieren dabei auf dem Stand der Wissenschaft und reichen von der Berichterstattung (wie vorgegangen wurde) bis zur detailliert benannten Berechnungsmethode. Sie beschränken sich auf ausgewählte Fragestellungen und liefern keine vollständige Nachhaltigkeitsbewertung. Es ist das Ergebnis eines vierjährigen Diskussionsprozesses, für dessen Unterstützung ich allen Programmbeteiligten danke. Wertvolle Beiträge wurden in Arbeitsgruppen und Workshops generiert, an dieser Stelle sei das Engagement der Arbeitsgruppen „Potenziale“, „Ökobilanzen“, „Thermochemische Vergasung“ und „Referenzsysteme“ besonders erwähnt. Die hier vorgelegte Fassung des Methodenhandbuchs steht nun zur Anwendung zur Verfügung und bildet mit den abgestimmten Referenzsystemen nicht zuletzt auch eine Brücke zur Gesamteinordnung der Forschungsvorhaben und des Förderprogramms in die Klimaschutzinitiative der Bundesregierung. Zweifelsohne können die dargestellten Ansätze und Berechnungsverfahren nur einen ersten Aufschlag darstellen, der sowohl wissenschaftlich als auch in der praktischen Anwendung weiter entwickelt werden kann und soll. Für diese und die weiteren Herausforderungen rund um Methodenharmonisierungen ist auch in Zukunft die konstruktive und fruchtbare Zusammenarbeit im Programm unerlässlich. Dahinter stehen unverändert das Ziel und die Notwendigkeit, die energetische Biomassenutzung Schritt für Schritt weiter zu optimieren.

Optimierungen mit mehr als einer Zielgröße haben es in sich – das weiß jeder Forscher und jede Forscherin, die sich mit der Weiterentwicklung von Prozessen und Konzepten beschäftigt hat. Reduktion der Treibhausgasemissionen und Energieeffizienz bei gleichzeitiger Versorgungssicherheit und Wettbewerbsfähigkeit sind die Ziele, denen sich das BMWi-Forschungsnetzwerk Bioenergie im Rahmen des 7. Energieforschungsprogramms verschrieben hat. Um diesem Zielbündel gerecht zu werden, müssen Begrifflichkeiten (z. B. was ist ein nachhaltiges Biomassepotenzial), generelle Bewertungsgrößen (z. B. für die gemeinsame Betrachtung von Treibhausgasreduktion und Energieeffizienz) als auch Erwartungen an die Detailtiefe, also was kann weggelassen werden, ohne das Gesamtergebnis zu verfälschen bzw. zu sehr zu beeinflussen (z. B. bei der Betrachtung von Umwelteffekten) im Vorfeld und projektübergreifend festgelegt werden. Und Verbesserung und Optimierung braucht immer Messgrößen für ihre Bestimmung. Auch hier sind von generellen Fragen bis hin zur spezifischen Festlegung der Systemgrenzen ein Strauß von Einzelfragen aufgeworfen – ohne Aussicht auf zweifelsfreie und allgemeingültige Antworten. In der Summe heißt das: Der Versuch, Bewertungsmethoden zu harmonisieren und einfach und transparent möglichst vielen Forschungsvorhaben verfügbar zu machen, ist risikobehaftet, mühsam und im Ergebnis immer ein Kompromiss. Das hier vorgelegte Methodenhandbuch versteht sich als eben solcher Kompromiss: es bietet Ansatzstellen, die vielfältigen Einzelvorhaben des Forschungsnetzwerkes Bioenergie zusammen zu führen und die Anschlussfähigkeit der Bewertungsergebnisse zu verbessern. Die vorgeschlagenen Dokumentationsvorlagen und Methoden basieren dabei auf dem Stand der Wissenschaft und reichen von der Berichterstattung (wie vorgegangen wurde) bis zur detailliert benannten Berechnungsmethode. Sie beschränken sich auf ausgewählte Fragestellungen und liefern keine vollständige Nachhaltigkeitsbewertung. Die nun 5. Ausgabe ist das Ergebnis eines dreijährigen Diskussionsprozesses, für dessen Unterstützung ich allen Beteiligten danke. Wertvolle Beiträge wurden in Arbeitsgruppen und Workshops des Netzwerks generiert.. Erstmals beziehen die Bewertungsansätze auch die flexible Energiebereitstellung mit in die Betrachtungen ein. Die hier vorgelegte Fassung des Methodenhandbuchs steht nun zur Anwendung zur Verfügung und bildet mit den abgestimmten Referenzsystemen nicht zuletzt auch eine Brücke zur Gesamteinordnung der Forschungsvorhaben und des Netzwerks in das Energieforschungsprogramm der Bundesregierung. Zweifelsohne können die dargestellten Ansätze und Berechnungsverfahren nur einen ersten Aufschlag darstellen, der sowohl wissenschaftlich als auch in der praktischen Anwendung weiterentwickelt werden kann und soll. Für diese und die weiteren Herausforderungen rund um Methodenharmonisierungen ist auch in Zukunft die konstruktive und fruchtbare Zusammenarbeit im Netzwerk unerlässlich. Dahinter stehen unverändert das Ziel und die Notwendigkeit, die energetische Biomassenutzung Schritt für Schritt weiter zu optimieren / It is not an easy task trying to optimise the production of bioenergy with more than one target in mind – every researcher who deals with the development of processes and ideas is well aware of this this. The reduction of greenhouse gas emissions and energy efficiency combined with security of supply and competitiveness are the goals to which the BMWi Bioenergy Research Network has committed itself within the framework of the 7th Energy Research Programme.. To meet this set of goas, concepts (e. g. what is a sustainable biomass potential), general evaluation parameters (e. g. for the joint assessment of greenhouse gas reduction and energy efficiency) as well as expectations of the level of detail, i. e. what can be omitted without distorting the overall result or influencing it too much (e. g. when considering environmental effects) must be defined in advance and across the projects. Furthermore, improvement and optimisation always requires more empirical data to determine the limits of the system. Without these pieces of information the level of uncertainty becomes even more greater making the validity of results more difficult to conclude. The implications of this is that there is a great need to provide transparency and harmonisation amongst evaluation methods. The only means of doing so is by providing information and empirical data for as many research projects as possible. This is an arduous task and in many cases can be fraught with risk for the researcher involved and will no doubt always end in some sort of compromise. This method handbook considers itself to be such a compromise: it provides points of contact which bring together the diverse projects of the Bioenergy Research Network and as such improves the connectivity of the evaluation findings. The suggested method documentations are based on the current state of scientific knowledge and range from qualitative descriptions of methods to detailed calculation methods. They are limited to selected questions and provide no guideline for complete evaluation of sustainability. The 5th edition of the method handbook is the result of a three- year discussion process, for which I would like to thank all those who participated. Valuable contributions were generated in working groups and workshops of the research network. For the first time, the assessment approaches also include flexible energy supply. This version of the method handbook is now ready to be used and through its coordinated reference systems, forms a bridge for the overall classification of the research projects and the research network as part of the federal government’s energy research programme. Without doubt, the approaches and calculation procedures listed here only represent a starting point; from further developments can be based upon, both scientifically and in practical applications. Future constructive and fruitful collaborations within the network are essential for this and other challenges surrounding the harmonisation of methods. All this is still driven by the need and the goal to further optimise, little by little, the use of biomass in energy production.

This method handbook tries to provide such a compromise: it gives guidance for diverse projects of the programme 'Biomass energy use' and as such improves the connectivity of the evaluation fi ndings. The suggested method documentations are based on the current state of scientifi c knowledge and range from qualitative descriptions of methods to detailed calculation methods. They are limited to selected questions and provide no complete evaluation of sustainability. It is the result of a four-year discussion process, enriched by the project partners of the funding programme. Valuable contribution were generated in working groups and at various workshops. Here the dedication of the working groups 'Biomass Potentials', 'Life-cycle Assessment', 'Thermochemical Gasifi cation' and 'Reference Systems' should be particularly mentioned. This version of the method handbook is now established and through its coordinated reference systems it forms a bridge for the overall classifi cation of the research projects and the funding programme in the framework of the German climate protection discourse. Without doubt, the approaches and calculation procedures listed here only represent a starting point; on which further developments can be based upon, both scientifi cally and in practical applications. Future constructive and fruitful collaborations within the programme are essential for this and other challenges surrounding the harmonisation of methods. All this is still driven by the need and the goal to further optimise, little by little, the use of biomass in energy production.

Werkstoff- und Prozessgrenzen beschränken unter Beachtung ökonomischer und ökologischer Aspekte den Leichtbau gegossener Fahrwerk-Komponenten aus Al-Si-Legierungen. Zunächst werden Bauteilgewicht und Wärmebehandlungsprozess als beeinflussbare Hauptbeitragsleister für Emissionen im Herstellprozess identifiziert. Zu deren Verringerung werden abhängig von der Belastungsart mögliche Mindestwandstärken abgeleitet, die für den Kokillenguss um 35 % reduziert werden. Dies gelingt durch Einsatz neuartiger, das Formfüllverhalten verbessernder Oberflächenstrukturierungen von Gießwerkzeugen bei Einhaltung von Konstruktionsregeln. Die Gesamtprozesszeit der Wärmebehandlung kann bei gleichbleibenden mechanischen Eigenschaften um 40 % verkürzt werden. Dabei erfolgt die Charakterisierung des Werkstoff- und Bauteilverhaltens unter dynamischer Belastung bei Parametervariation, da keine Korrelation zu den statischen mechanischen Kennwerten vorliegt.

This research has been performed in the framework of the Virtuhcon project, which intends to virtualize high temperature conversion processes. Coal gasification is one of these processes, which is nowadays considered as a promising technology for the chemical industry. This study is devoted to the coal char physical structure, which is one of the most important parameters influencing coal gasification reaction. First, this study presents the extensive literature review of the char physical structure role during its conversion. Collection of the char structural properties as well as their changes during char conversion are shown and discussed. Literature review is followed by the experimental investigations. Chars prepared from two brown coals (Lusatian and Rhenish) were gasified in a laboratory scale fluidized bed reactor in CO2 at temperatures of 800, 850, 900, and 950 °C and atmospheric pressure. Char samples were gasified completely as well as partially in order to evaluate the reaction kinetics and char structural changes during the reaction, respectively. Complete gasification curves were evaluated by different methods, including application of three gasification models (the Random Pore Model, the Volume Reaction Model, and the Shrinking Reaction Model), instantaneous reaction rate approach as well as the self-developed surface-related reaction rate approach. The results of different approaches were compared. This study also presents a comprehensive methodology to analyze coal char physical structure. The variety of measurement techniques (gas physical adsorption, mercury porosimetry, helium pycnometry, SEM, etc.) were applied to assess structural properties of the char, such as specific surface area, particle density, porosity, pore size and shape, structure morphology, etc. Problems associated with the choice of a proper measurement technique and the comparability of the data delivered by different techniques were discussed. The main objective of the study was to link char structural changes to the char gasification kinetics. The specific task of this thesis was to investigate pore size in relation to their availability for the reaction. As such, specific surface areas of pores of different sizes (from sub-micro to mesopores) were correlated to the instantaneous reaction rates. Both chars exhibit similar trends in their structural changes during gasification, although the absolute values differ, especially with respect to the pores of microscale. Furthermore, structural changes were caused not only by the reaction but also by the influence of the heat treatment, especially at the earlier stages of the reaction. The most reasonable correlation has been achieved between the instantaneous reaction rate and the specific surface area of mesopores. Sub-micro- and micropores did not govern the gasification reaction under given conditions. Finally, kinetic parameters derived from different evaluation methods were reapplied in order to test their ability to predict the experimental data. Each of the method has its advantages and disadvantages as used for the kinetic evaluation. The results of this study represent a substantive base of the experimentally derived data concerning physical structure and morphology of coal char. The findings can be used in numerical and simulation studies for development, validation, and improvement of the models which consider coal particle as a reactive porous solid.

The production of fuel and chemicals is expected to be based on renewable energies in the next few years. However, combustion causes CO2 emission. Its reduction is one of the main focuses to regulate greenhouse effect, as expected by the Kyoto protocol. One combustion technology which could reduce CO2 emissions is chemical-looping combustion coupled to a CO2 capture device. This technique involves the use of a bed-material, with a size between 100 and 500 µm, composed of an oxide supported by a porous ceramic. This oxide acts as an oxygen carrier and circulates from a reducing atmosphere reactor, where oxygen reacts with CO to produce CO2, to an oxidising reactor, where combustion occurs. In order to improve the reactivity of this carrier, a fluidized bed reactor is used and involves gas velocity. Attrition resistant granulates are therefore needed because of the high impacts occurring in the reactors. Moreover, large pore network is expected to improve the reactivity of the carrier because of the higher accessibility of the gas. Granulates studied for oxygen carrier supports are frequently based on γ-alumina, which is highly mesoporous. In order to understand the importance of microstructure, three different routes were studied with samples composed of macropores, mesopores and a sample composed of both type of pores. Pore size could be successfully tailored with addition of diatomite, composed of pores in the micrometer range. This thesis aims to describe the tailoring of microstructure with addition of diatomite and at understanding its influence on attrition resistance. To be able to verify the performance of the developed supports, impregnation of copper oxide and looping experiments were performed.

This research has been performed in the framework of the Virtuhcon project, which intends to virtualize high temperature conversion processes. Coal gasification is one of these processes, which is nowadays considered as a promising technology for the chemical industry. This study is devoted to the coal char physical structure, which is one of the most important parameters influencing coal gasification reaction. First, this study presents the extensive literature review of the char physical structure role during its conversion. Collection of the char structural properties as well as their changes during char conversion are shown and discussed. Literature review is followed by the experimental investigations. Chars prepared from two brown coals (Lusatian and Rhenish) were gasified in a laboratory scale fluidized bed reactor in CO2 at temperatures of 800, 850, 900, and 950 °C and atmospheric pressure. Char samples were gasified completely as well as partially in order to evaluate the reaction kinetics and char structural changes during the reaction, respectively. Complete gasification curves were evaluated by different methods, including application of three gasification models (the Random Pore Model, the Volume Reaction Model, and the Shrinking Reaction Model), instantaneous reaction rate approach as well as the self-developed surface-related reaction rate approach. The results of different approaches were compared. This study also presents a comprehensive methodology to analyze coal char physical structure. The variety of measurement techniques (gas physical adsorption, mercury porosimetry, helium pycnometry, SEM, etc.) were applied to assess structural properties of the char, such as specific surface area, particle density, porosity, pore size and shape, structure morphology, etc. Problems associated with the choice of a proper measurement technique and the comparability of the data delivered by different techniques were discussed. The main objective of the study was to link char structural changes to the char gasification kinetics. The specific task of this thesis was to investigate pore size in relation to their availability for the reaction. As such, specific surface areas of pores of different sizes (from sub-micro to mesopores) were correlated to the instantaneous reaction rates. Both chars exhibit similar trends in their structural changes during gasification, although the absolute values differ, especially with respect to the pores of microscale. Furthermore, structural changes were caused not only by the reaction but also by the influence of the heat treatment, especially at the earlier stages of the reaction. The most reasonable correlation has been achieved between the instantaneous reaction rate and the specific surface area of mesopores. Sub-micro- and micropores did not govern the gasification reaction under given conditions. Finally, kinetic parameters derived from different evaluation methods were reapplied in order to test their ability to predict the experimental data. Each of the method has its advantages and disadvantages as used for the kinetic evaluation. The results of this study represent a substantive base of the experimentally derived data concerning physical structure and morphology of coal char. The findings can be used in numerical and simulation studies for development, validation, and improvement of the models which consider coal particle as a reactive porous solid.

The objective of this thesis is to provide an extensive description of the correlations in some of the most crucial sub-processes for hard coal fired IGCC with carbon capture (CC-IGCC). For this purpose, process simulation models are developed for four industrial gasification processes, the CO-shift cycle, the acid gas removal unit, the sulfur recovery process, the gas turbine, the water-/steam cycle and the air separation unit (ASU). Process simulations clarify the influence of certain boundary conditions on plant operation, performance and economics. Based on that, a comparative benchmark of CC-IGCC concepts is conducted. Furthermore, the influence of integration between the gas turbine and the ASU is analyzed in detail. The generated findings are used to develop an advanced plant configuration with improved economics. Nevertheless, IGCC power plants with carbon capture are not found to be an economically efficient power generation technology at present day boundary conditions.

The objective of this thesis is to provide an extensive description of the correlations in some of the most crucial sub-processes for hard coal fired IGCC with carbon capture (CC-IGCC). For this purpose, process simulation models are developed for four industrial gasification processes, the CO-shift cycle, the acid gas removal unit, the sulfur recovery process, the gas turbine, the water-/steam cycle and the air separation unit (ASU). Process simulations clarify the influence of certain boundary conditions on plant operation, performance and economics. Based on that, a comparative benchmark of CC-IGCC concepts is conducted. Furthermore, the influence of integration between the gas turbine and the ASU is analyzed in detail. The generated findings are used to develop an advanced plant configuration with improved economics. Nevertheless, IGCC power plants with carbon capture are not found to be an economically efficient power generation technology at present day boundary conditions.