Biomasse ist der Begriff, der das Gewicht oder die Gesamtmenge der lebenden Organismen in einem bestimmten Gebiet oder Ökosystem zu einem bestimmten Zeitpunkt beschreibt. Die Biomasse kann je nach Art, Gemeinschaft oder Lebensraum variieren.
Biomasse gilt als nachhaltige und erneuerbare Energiequelle, da sie schnell nachwächst und während ihres Wachstumszyklus Kohlendioxid aufnehmen und Sauerstoff abgeben kann. Sie besteht aus verschiedenen organischen Materialien wie Holz, Pflanzenresten, tierischen Abfällen und Siedlungsabfällen, die zur Energiegewinnung genutzt werden können.
Biomasse ist eine wichtige Komponente bei der Verringerung der Kohlenstoffemissionen und der Abschwächung des Klimawandels, da sie eine praktikable Alternative zu fossilen Brennstoffen darstellt.
Biomasse besteht größtenteils aus Zellulose, Hemizellulose und Lignin, den wichtigsten Bestandteilen der Zellwände von Pflanzen.
Zellulose, ein Polymer auf Glukosebasis, ist der Hauptbestandteil der Zellwand, während die Hemizellulose aus Zuckern wie Xylanen besteht. Lignin ist ein komplexes Polymer, das aus dehydrierten Alkoholen besteht.
Biomasse enthält auch in Wasser lösliche Zucker, Aminosäuren, aliphatische Säuren und andere Verbindungen. Die Zusammensetzung der Biomasse hängt vom Gehalt an Parametern wie Feuchtigkeit, Asche, Kohlenstoff, Stickstoff und Schwefel ab, die sich auf ihren Energiewert, ihre Verbrennungseffizienz und ihre Umweltauswirkungen auswirken.
Biokraftstoffe sind Kraftstoffe, die aus Biomasse hergestellt werden, d. h. aus einer Mischung von Pflanzen und Tieren aus erneuerbaren Quellen. Ethanol und Biodiesel sind zwei Hauptkategorien von Biokraftstoffen.
Die Herstellung von Biokraftstoffen umfasst mehrere Prozesse, darunter Rückbau, Fermentation und Umwandlung. Bei der Dekonstruktion wird die starre Struktur der pflanzlichen Zellwand, die aus biologischen Molekülen wie Zellulose, Hemizellulose und Lignin besteht, abgebaut.
Bei der Fermentierung werden Pflanzenzucker von Mikroorganismen verstoffwechselt und Ethanol hauptsächlich aus Pflanzen wie Mais, Zuckerrohr und Mais hergestellt, während Biodiesel aus Pflanzenölen wie Soja- und Rapsöl gewonnen wird.
Biokraftstoffe sind eine erneuerbare Alternative zu fossilen Brennstoffen im Verkehr und bei der Stromerzeugung. Biomasse kann durch Pyrolyse, Vergasung und hydrothermale Verflüssigung in flüssige oder gasförmige Brennstoffe umgewandelt werden.
Bioenergie kann auch durch die Verbrennung oder den Austausch von trockener Biomasse oder aufgefangenem Biogas durch kontrollierte anaerobe Vergärung erzeugt werden. Um die Treibhausgasemissionen zu reduzieren, wird bei der Kohleverbrennung Biomasse mit fossilen Brennstoffen verbrannt.
Menschen nutzen bereits seit Jahrtausenden Bioenergie, seitdem sie begonnen haben, Pflanzen- oder Tiermaterialien zu verbrennen, um ihre Kochfeuer zu befeuern.
Biomasseenergie wird heute immer beliebter und ist eine erneuerbare Alternative zu fossilen Brennstoffen, und die Technologie entwickelt sich rapide weiter. Forscher untersuchen Technologien zur Bioenergieproduktion, die Abfälle nutzen, um fortschrittliche Biokraftstoffe zu erzeugen.
Thermogravimetrische Analyse (TGA) und Differenzkalorimetrie (DSC) sind zwei thermische Analysetechniken, die verwendet werden können, um die thermische Stabilität von Biomasse zu untersuchen. Die thermische Stabilität und das Zersetzungsverhalten des Materials werden durch Messung des Gewichtsverlusts oder der Wärmefreisetzung einer Biomasseprobe als Funktion der Temperatur mit diesen Methoden bestimmt.
Der thermische Zersetzungsprozess kann anhand der TGA-Kurve identifiziert werden, die den Feuchtigkeitsabbau, den Zellulose-Hemicellulose-Abbau und den Ligninabbau umfasst.
Das thermische Abbauverhalten und die chemisch-kinetischen Eigenschaften verschiedener Biomasseproben, wie Palmwedel, Olivenblätter und Weizenstroh, können mithilfe von TGA untersucht werden.
Die thermische Stabilität von Biomasse wird von Faktoren wie der Heizrate, dem Probentyp und -größe, der experimentellen Umgebung und der Gasflussrate beeinflusst.
Schnelle Heizraten sind eine gute Möglichkeit, Reaktionen auf höhere Temperaturen zu verschieben, während eine Erhöhung der Heizrate und des Gasflusses den thermischen Abbau und den Gewichtsverlust der Probe beschleunigen können.
Zusammenfassend werden thermische Analysetechniken wie TGA und DSC verwendet, um das thermische Verhalten, die Kinetik und die Produktverteilung während der Verbrennung oder Zersetzung von Biomassematerialien zu untersuchen und Einblicke in das Verhalten von Biomasse unter verschiedenen Bedingungen zu gewinnen.
Diese Techniken sind entscheidend für die Optimierung von Energieerzeugungsprozessen und das Verständnis der Biomasseeigenschaften für verschiedene Anwendungen.
Die thermische Analyse kann auch für die Charakterisierung von Biomasse sehr nützlich sein.
TGA (Thermogravimetrie) zeichnet Massenänderungen auf, DSC (Differentielle Scanning-Kalorimetrie) misst Wärmefluss und Enthalpieänderungen, TMA (Thermomechanische Analyse) misst Änderungen der Abmessungen, Verformungen, Eindringtiefe, Biegefestigkeit, Dilatometrie zeichnet Änderungen in den Abmessungen/Volumen auf, EGA (Evolved Gas Analysis) liefert wertvolle Informationen über gasförmige Produkte, die während des Erhitzungsprozesses freigesetzt werden.
Alle Messungen werden als Funktion der Temperatur unter kontrollierten Bedingungen (Temperatur, Druck, Gasfluss, Vorhandensein von Sauerstoff) aufgezeichnet. Die oben genannten Methoden können kombiniert werden (TGA-DSC-EGA).
Die Standardtestverfahren wurden in der ASTM beschrieben:
- ASTM D2584 – Glühverlust von ausgehärteten verstärkten Harzen
- ASTM E1131 -Zusammensetzungsanalyse durch Thermogravimetrie
- ASTM E1641 – Zersetzungskinetik durch Thermogravimetrie unter Verwendung der Ozawa/Flynn/Wall-Methode
- ASTM E2008 – Volatilitätsrate durch Thermogravimetrie
Für eine eingehende Untersuchung der Zusammensetzung von Biomasse werden hauptsächlich TG- und DSC-Methoden verwendet:
Mit der Thermogravimetrie können chemische Veränderungen in der Probe anhand des TG-Signals klassifiziert werden (Desorption, ein- oder mehrstufiges Cracken, ein- oder mehrstufige Reaktionen). Es gibt mehrere Faktoren, die die TG-Kurven beeinflussen: Erhitzungsgeschwindigkeit (Zersetzungskinetik, Verhältnis der Pyrolyseprodukte), Probengröße (Reaktionsgeschwindigkeit, Diffusionsgeschwindigkeit, Temperaturverteilung), Atmosphäre (Verhältnis der Zersetzungsprodukte), Druck oder Gasfluss (Verhältnis der Zersetzungsprodukte, Reaktionsgeschwindigkeit).
Die Thermogravimetrie kann ein Instrument zur Untersuchung der thermischen Stabilität (Zersetzungsstudien), der oxidativen Stabilität (Lagerfähigkeit) und der Analyse der Zusammensetzung sein.
Eine spezielle Anwendung einer Thermowaage ist ein Kohlevergasungs- oder Biomassevergasungsexperiment, bei dem kohlenstoffhaltige Proben eine Reaktion (mit oder ohne Druckrampe) in heißem Wasserdampf durchlaufen, um CO und CO² aus dem gebundenen Kohlenstoff zu bilden. Dieser Aufbau ist ein Experiment im kleinen Maßstab, das große Reaktorprozesse abbildet, die üblicherweise für die Umwandlung von Biomasse verwendet werden, und kann daher leicht optimiert werden.
Die DSC kann als nützliche Methode für die Analyse von Biomasse angesehen werden, um den Wärmefluss und die Wärmekapazität im Pyrolyse- und Verbrennungsprozess zu charakterisieren. Die DSC-Kurve zeigt den Reaktionsweg der Biomasse an. Die DSC ermöglicht es, die Auswirkungen der Verdampfung auf die Abweichung der Probentemperatur von der Heizgastemperatur und die Adsorptionsenergie auf der Probenoberfläche zu bewerten. Sie gibt Aufschluss über den endothermen/exothermen Charakter der Prozesse und trägt somit wesentlich zur Interpretation der durch die TG-Kurven ermittelten Gewichtsveränderungen bei. Außerdem können DSC-Kurven als Unterscheidungsmerkmale (z. B. für Lignin/Hemicellulose) verwendet werden.
Referenzen:
- Ahmed I. Osman, Neha Mehta, Ahmed M. Elgarahy, Amer Al-Hinai, Ala’a H. Al-Muhtaseb & David W. Rooney: Conversion of biomass to biofuels and life cycle assessment: a review Volume 19, pages 4075–4118, 23rd July 2021.
- Sangita Mahapatra, Dilip Kumar, Brajesh Singh, Pravin Kumar Sachan: Biofuels and their sources of production: A review on cleaner sustainable alternative against conventional fuel, in the framework of the food and energy nexus Energy Nexus Volume 4, 30th December 2021, 100036.
- Dr. Sunita Barot: Biomass and Bioenergy: Resources, Conversion and Application- Chapter 9 Renewable Energy for Sustainable Growth Assessment, 25th February 2022.
