KDV 500 (katalytische drucklose Verölung)

 Die Ausgangssituation

Treibstoffe aus Reststoffen und biologisch nachwachsenden Rohstoffen stellen eine zunehmende Alternative zur Mineralölerzeugung von Erdölprodukten für  die dezentrale energietechnische Zukunft dar. Sie sollen die fehlenden Erdölmengen der Zukunft zunehmend ersetzen. Hierzu ist eine große Menge an dazu geeigneten Stoffen notwendig, wenn die umfangreichen Fördermengen an Erdöl auch nur teilweise durch die synthetische Treibstofferzeugung ersetzt werden sollen. Diese Stoffe finden sich in nachwachsenden Rohstoffen, wie Holz und Pflanzen, aber auch in den Abfallprodukten unserer Zivilisation, wie Kunststoffen, Tier- und Pflanzenabfällen, Altöle und anderen organischen Reststoffen, die wir im Folgenden, wegen ihrer energetischen Verwertbarkeit als Wertstoffe titulieren können.

Zudem ist auch noch ein hoher Wirkungsgrad erforderlich, d. h. die in den Reststoffen enthaltenen Kohlenwasserstoffe müssen relativ vollständig als Treibstoff gewonnen werden.

Die zurzeit gebräuchlichen Recyclingverfahren, wie die Hochtemperaturvergasung mit anschließender Fischer-Tropsch-Synthese mit Gesamtwirkungsgraden von insgesamt ~10 %, können dieses nicht leisten. Das gilt auch für die anderen, bekannten Verfahren, wie die Pyrolyse, die zudem die Schadstoffe, wie Halogene und Metalldämpfe nicht zurückhalten und mit durch die Anlage und in das Endprodukt gelangen lassen.

Die Ursache dieser unbefriedigenden gegenwärtigen Situation ergibt sich aus der Grundstruktur der vorhandenen Verarbeitungsverfahren. Die Umwandlung von Reststoffen braucht bei allen bekannten Verfahren Temperaturen von 450°C und mehr. Die eigentliche Umwandlung geschieht dabei durch die Bildung von Kokskristallen, die sich ab dieser Temperatur aus den Reststoffen bilden. Diese zersetzen die in der Anlage befindlichen Kohlenwasserstoffe fast vollständig in Kokskristalle und Methan. Damit wird der Wasserstoff von den vorhandenen Kohlenwasserstoffen CH2 in das Methan CH4  und die Kokskristalle C umgelagert, d. h. aus verflüssigbaren Kohlenwasserstoffen wird der Feststoff Koks und das Gas CH4 (Methan) erzeugt. Zwar können Koks und Methan weitergenutzt werden, jedoch ist die Energieausbeute ungünstig und die bei den Verfahren entstehenden Umweltbelastungen durch CO2, Dioxin und Furan sind kaum tolerierbar.

Andere Technologien, die auf alternative Energieträger, wie z.B. Wasserstoff basieren, sind energetisch aufwendig und von anderen beschränkten Ressourcen, wie z.B. Platin abhängig und noch im frühen Entwicklungsstadium.

Der Lösungsansatz

 Es war notwendig einen völlig neues Verfahren zu entwickeln, das die Bildung des Kokskristalls vollständig ausschließt und dafür eine andere, selektive Substanz verwendet, die die vorhandenen Kohlenwasserstoffe CH2 nicht wie das Kokskristall in das Methan CH4 und die Kokskristalle C umgelagert, sondern das CH2 erhält und lediglich in der Moleküllänge reduziert und die Schadstoffe bindet und aus dem Kreislauf ausscheidet.

Vorbild für den neuen, patentierten, Prozess ist die Erdölbildung. Für den Prozess werden auch ähnliche Katalysatoren wie vor hunderten von Millionen Jahren verwendet, als die aufgewühlten Meere mit der abgestorbenen Materie die suspendierten Tonmineralien ablagerten.

Dieser Prozess wurde weiterentwickelt, um den Gegebenheiten von heute zu entsprechen.

Allerdings stehen keine hunderte von Millionen Jahre für den Prozess zur Verfügung und die heutigen Reststoffe sind zudem mit Problemstoffen, wie PVC und Teflon, vermischt, die bei zu hohen Temperaturen die Bildung von Dioxinen und Furanen begünstigen.

Der im Folgenden vorgestellte Prozess verwendet deshalb im Vergleich zu der Erdölbildung vor Jahrhunderttausenden

• Eine Temperatur von 270°C bis 350°C anstelle von 40° C
• Ionentauschende Katalysatoren,
• und zu 100 % durchkristallisierte y-Katalysatoren, die extrem aktiv sind

und ergibt als Endprodukt hochwertigen Dieselkraftstoff anstelle von Erdöl.

Die Katalysatoren, die den eigentlichen Prozess erst ermöglichen sind das Ergebnis einer jahrzehntelangen, intensiven Forschungsarbeit. Durch geeignete Produktionsverfahren und den hierdurch bedingten geringen Kostenanteil der Katalysatoren an den Betriebskosten des Verfahrens ist es erst möglich geworden, Diesel als Endprodukt aus der Verarbeitung der Wertstoffe zu realistischen Preisen zu erzeugen.

Zur technischen Umsetzung des Verfahrens ist eine verfahrenstechnische Anlage notwendig, die wartungsarm, sicher und zuverlässig arbeitet und eine hohe Dieselqualität des Produktes sicherstellt.

Diese Anlage arbeitet als ein energetischer Selbstversorger, indem sie mit 10 % ihres produzierten Diesels die Trocknungswärme und den Energieaufwand für das Verfahren durch ein 230kW BHKW (Blockheizkraftwerk) selbst produziert. 

In einem geschlossenen Kreislauf werden die zugegebenen Wertstoffe mit dem Katalysator vermischt und bei der darauf folgenden katalytischen Reaktion finden die folgenden Prozesse statt:  

• Molekülverkürzung (Depolymerisation/Verölung) bei niedriger Temperatur (290 – 350°C) und nahezu drucklos (leichter Unterdruck von 0,1 bar unter Atmosphärendruck)
• bisher nicht erreichbare hohe Ausbeutegrade des Heizwertes der Inputstoffe (von mehr als 80% der enthaltenen Kohlenwasserstoffsubstanz)
• die Entgiftung der gefährlichen Halogene durch Bindung im flüssigen Zustand als Salz und
• motortaugliches Diesel als Endprodukt

Einsatzbereich

 Die Standardanlage, vom Typ KDV 500 (katalytische drucklose Verölung für mindestens 500 l/h Diesel) wurde für die verschiedensten biologischen und mineralischen Einsatzstoffe wirtschaftlich optimiert. Dabei ergibt sich der folgende Einsatzbereich, wobei technologisch effizient Abfall- und Reststoffe in fester und flüssiger Form  dezentral verarbeitet werden können. u. a.:

• Kunststoffe aller Art, einschließlich des PVC-Anteiles,
• Gummi und Autoreifen
• Altöle, Wachse und Fette aller Art einschließlich der Trafoöle und Hydrauliköle
• landwirtschaftliche Abfälle, Tierabfallprodukte und verdorbene Lebensmittel
• Krankenhausabfälle, sterilisiert, entwässert und getrocknet, sowie
• alle Raffinerierückstände, Bitumen, Teere etc.

Besonders zu erwähnen ist, das die im Ausgangsmaterial enthaltenen Giftstoffe, wie Metalle, Chlor u. a. vom Katalysator zuverlässig gebunden und endlagerungsfähig neutralisiert werden. Durch die niedrigen Verarbeitungstemperaturen entstehen die von anderen Verfahren bekannten Dioxine und Furane erst gar nicht und stellen somit keine Gefahr für die Umwelt dar.

Neben den Wertstoffen der Abfallwirtschaft können auch biologisch nachwachsende Rohstoffe, wie z.B. Holz, Raps und sonstige pflanzliche Produkte, verarbeitet werden.

Durch die geringe Größe der Anlage ist eine dezentrale Verarbeitung der Wertstoffe möglich und schont damit die teuren Transportwege.

Dimensionierung der Anlage

 Die Anlage besteht aus einem inneren Aktivteil und einem peripheren Teil.

Abmessungen:

(siehe Konstruktionsschema im Bild weiter unten)

• Die Basistechnik mit Reaktorteil hat die Abmessungen von LxB = 12 x 6 m.
• Die Gesamthöhe ist bestimmt durch die Destillationskolonne mit ihrem Kondensator mit 9,5 m
• Aus Sicherheitsgründen steht die gesamte Anlage in einer Sicherheitswanne, die bei eventuellen Undichtigkeiten die Flüssigkeiten auffängt.
• Unter Berücksichtigung technologischer Verkehrswege, Sicherheitsabständen zu Wänden und Toren etc. ist eine verfügbare Gesamtgrundfläche von 200 bis 250 m2 ausreichend. Diese Fläche sollte zumindest teilweise überdacht sein.
• Die Anlage ist flexibel und kann an die örtlichen Gegebenheiten in den Dimensionen angepasst werden. Die Destillationshöhe ist auf Wunsch des Kunden anpassbar.

Die peripheren Bestandteile der Anlage sind des Weiteren:

• Ein BHKW (Blockheizkraftwerk) mit 230 kW Leistung zur energetischen Selbstversorgung
• ein geregelter Dosierförderer für die gemischten Kohlenwasserstoffabfälle in Abhängigkeit von den Reaktionsbedingungen in der Anlage und
• Vorratsbehälter für die zu verarbeitenden Wertstoffe und Tanks für Diesel und Abfallstoffe der Anlage.
• Ein Wasservorratsbehälter für die Kühlung der Destillationskolonne
• Der Vorratsbehälter für Katalysator weist ein Fassungsvermögen von 600 l und der für den Kalk zur chemischen Neutralisation ein Volumen von 300 l auf.
• Die Vorratsbehälter des Katalysators sind mit Schnellverschlüssen ausgestattet und werden in transportsicheren Bigbags angeliefert.
• Ein elektronisches/elektrisches Steuerungs- und Überwachungsgerät das alle variablen Parameter der Anlage ständig überwacht, die Reaktionsprozesse optimiert und eine permanente Internetverbindung für die Fernüberwachung gewährleistet. Diese Steuerungsanlage gewährleistet auch eine Sicherheitsabschaltung der Anlage bei Prozessstörungen, eine Überwachung aller Flüssigkeitsstände, Prozesstemperaturen, der Durchflussgeschwindigkeiten und des PH-Wertes durch redundante Messverfahren. Diese laufend selbstoptimierende Steuerung, verbunden mit der elektromagnetische Aktivierung und Zuflusssteuerung des Katalysators sorgt für eine laufende Optimierung, Überwachung und Protokollierung des Reaktionsvorganges und ist ein Kernteil der Anlage. Anschließbar ist ein Just-in-Time Protokoll das die Versorgung und Ablieferung der Wertstoffe und des Dieselendproduktes durch Kooperationspartner erlaubt.

Bauseitige Voraussetzungen

 Durch den Betreiber sind die folgenden Voraussetzungen zu sichern:

• Das Fundament, Ölauffangwanne für die Anlage und periphere Einrichtungen
• Energieanschluss im Falle eines Betriebes ohne BHKW
• Beleuchtung des Raumes
• Dachdurchbrüche für Abgas des BHKW
• Wasserzuführung für Sicherheitsteil der Anlage
• Zufuhr- und Fluchtwege entsprechend gesetzlichen Vorschriften
• Anlagenüberdachung oder Einhausung, soweit gewünscht und erforderlich (für die MRS-Technik der Anlage)

Bereitstellung von Katalysator, Kalk und anderen Inputstoffen

 In der Regel wird etwa 1,0 % der Inputmenge als Katalysator und Kalkzusatz benötigt. Der Katalysator, in Form einer mineralischen puderartigen Substanz, wird ausschließlich von der ALPHAKAT der Betreiber in den benötigten Mengen angeliefert. Die Anlieferung des Katalysators erfolgt in verschlossenen Bigbags, die transportsicher sind.

Das zur Neutralisation benötigte Kalkhydrat ist örtlich zu beziehen und verursacht nur bei chlor- und fluorhaltigen Stoffen einen Verbrauch zur Regeneration des Katalysators, was insbesondere auf PVC und PCB-Öle zutrifft. Entsprechende, wieder verwendbare Verpackungen, wie auch für den Katalysator verwendet können, dem Betreiber angeliefert werden.

Sowohl der Katalysator als auch der Neutralisator sind chemisch nicht problematisch, sollten jedoch im Sinne einer verantwortungsbewussten Handhabung in den empfohlenen Verpackungen transportiert, gelagert und verwendet werden da diese zum weltweiten Versorgungssystem der Anlage gehören. 

Anlagenbedienung

 Die Anlage ist kompakt und flexibel. Sie passt sich an den Rückstandsanfall selbstständig an. Für den Fall einer dieseloptimierten Fahrweise mit Fremdstoffeinsatz soll die Anlage durchgängig im Dreischichtbetrieb laufen, wozu je Schicht eine entsprechend qualifizierte Arbeitskraft einzusetzen ist, welche vornehmlich die vollautomatisierte und sich selbst regelnde Anlage überwachen muss und für den lückenlosen Materialfluss des Input- und Outputmaterials verantwortlich ist.

Das betreffende Personal wird vor Inbetriebnahme der Anlage durch den Hersteller geschult.

Eine umfassende Bedienungsanleitung wird zur Verfügung gestellt.

Im Zusammenhang mit den nachfolgend beschriebenen Service-Leistungen erfolgen eine Auffrischungsschulung und die Unterrichtung über neue Entwicklungen in der Anlagentechnik.

Ein eingeschränkter Betrieb in nur einer Schicht ist ebenso möglich. Dieses wird durch die kurze Inbetriebnahmezeit der Anlage ermöglicht.

Bestandteil des mit dem Hersteller abzuschließenden Wartungsvertrages ist 24std erreichbares Call-Center, das technische Kompetenz bei Störungen bereitstellt.

Sicherheitsbetrachtung

 Die Anlage ist ein energetischer Selbstversorger und wird vollständig in allen prozessrelevanten Parametern überwacht und gesteuert. Aufgrund der geschlossenen Bauweise der Anlage ist ein Austreten von Gasen ausgeschlossen. Die einzige Emission der Anlage sind die Abgase des BHKW Dieselmotors, der Strom und Wärme zum Betrieb produziert, sowie die hierbei entstehende und in der Anlage verwertete Abwärme.

Trotz allem sind bestimmte Sicherheitsanforderungen an die Verarbeitung von unterschiedlichen Wertstoffen zu stellen.

 Zum einen sind dies die Anforderungen an die Dichtigkeit der Anlage, die durch einen permanenten geringfügigen Unterdruck verbunden mit einer Sicherheitsabschaltung gewährleistet wird. Zum Anderen Anforderungen an die Dichtigkeit von Zufuhr- und Abfuhrleitungen, die, im Falle einer Störung durch eine ausreichend dimensionierte Auffangwanne gesichert sind, so das keine Stoffe in den Boden gelangen. 

 Im Gegensatz zu anderen Verfahren besteht keine Gefahr der Entstehung von hochtoxischen Gasen wie Dioxin oder Furanen, da die Prozesstemperatur, bei der diese Stoffe entstehen bei dieser Anlage nicht erreicht werden. Die ionentauschenden Katalysatoren binden die Halogene als Salze unterhalb der Spalttemperatur, so dass diese Stoffe keine Dioxine mehr bilden können, also überhaupt nicht in die Gasform gelangen können. Im Falle der Verarbeitung von belasteten Stoffen ist weiterhin zu beachten, dass die Prionen aus organischem Material, ebenso wie enthaltene Metalle sicher am Katalysator gebunden werden, so dass auch hier keine Gefahr droht.

 Da die verfahrenstechnische Reaktion in einer cremigen Emulsion aus Öl, zugegebenen Reststoffen und Katalysator erfolgt, sind jedoch die Flüssigkeitsstände und der Flüssigkeitskreislauf permanent zu überwachen und bei Sinken der Pegel oder Ausfall der Pumpen oder Turbinen ist die Anlage vorsorglich abzuschalten.

 Der Abschaltvorgang und die damit verbundenen Abkühlung erfolgt kurzfristig durch Abschalten der Energieeintragselement, so dass die energieverbrauchende (endotherme) Reaktion das Reaktionsgemisch rasch abkühlen lässt.

 Das anschließende Abschalten des BHKW hat keine besonderen Konsequenzen zur Folge da der automatisch erfolgende Abschaltvorgang die Anlage mit Öl spült und somit keine Verstopfung durch erkaltende Kunststoffreste erfolgen kann. Eine Sicherheitsabschaltung löst außerdem gleichzeitig einen Alarm im zentralen Servicecenter aus und wird in die extern geführten Protokolldateien eingetragen.

 Eine Wiederanschaltung der Anlage ist erst nach Beseitigung der Ursache und Freigabe durch das Servicezentrum möglich. Somit werden Bedienfehler und Störungen aufgrund unsachgemäßer Reparaturversuche minimiert.

 Der Wiederanlauf der Anlage dauert ca. 45 Minuten und erfolgt ebenfalls prozessgesteuert und überwacht, wodurch weitere Folgefehler weiter minimiert werden.

 Die Messsensoren sind alle redundant ausgelegt, sodass mindestens zwei Messwerte miteinander korrelieren müssen, um eine Sicherheitsabschaltung nicht automatisch auszulösen.

 Die vorgesehenen Sicherheitsvorkehrungen erscheinen zunächst übertrieben, da weder das Ausgangsprodukt noch das Endprodukt (Diesel) zu besonderen Gefahrstoffklassen gehören, der Verfahrensprozess bei weniger als 400°C und ohne Druck abläuft,  jedoch ist die Philosophie des Herstellers auf die Minimierung von jeglichen Gefahren ausgelegt und, gerade im Hinblick auf den Einsatz der Technologie in Ländern mit nicht ausreichend geschultem Fachpersonal, vorbereitet.

 Hierzu gehört auch die technologische Vorbereitung der Anlage mit einer Satellitenkommunikationsanlage um jederzeit Serviceleistungen, auch in nicht Internet versorgten Gebieten zu erbringen.

Vollständige Abtrennung von Metallanteilen und garantierte vollständige Zerstörung von Prionen

 Im Rahmen des Prozesses erfolgt die vollständige Trennung von anorganischen Begleitstoffen (Metallverunreinigungen), die vom Eingangsstoff mit eingetragen werden. Dieses hat seine Ursache in einer Kristalladsorption an die Katalysatorkristalle, die dann agglomerieren und einen Rückstand bilden, der aus dem Verarbeitungsprozess ausgetragen wird. In diesem Rückstand sind die Metallanteile eluatunfähig einkristallisiert.

 Der Aufbau der Anlage garantiert, dass die, über das geschredderte Eingangsgut eingetragenen Metalle und Metallverbindungen, im Rückstand (verbrauchter Katalysator) eingebunden werden und als Rückstand ausgetragen werden und somit das Endprodukt „Dieseltreibstoff“, welches vollständig über die Dampfphase entsteht,  frei ist von diesen Stoffen ist.

 Somit werden die eingetragenen Metalle kontrolliert mit den anderen anorganischen Rückstandsstoffen ausgetragen. Diese lassen sich anschließend aus diesem Rückstand mit einer zusätzlichen Elektrolyseeinheit leicht separat gewinnen.

 Da die eingetragenen Wertstoffe  vollständig in das über 300°C heiße Reaktionsöl eingerührt werden und keine weitere Bypassmöglichkeit nach außen besteht, ist kein Eiweißmolekül, also auch kein Prion, in der Lage, ohne Zersetzung nach außen oder in das Produkt Diesel zu gelangen. Damit sind die Austragmöglichkeiten, wie sie von der Verbrennung her bekannt sind, hier nicht möglich.

Service-Vertrag

 Der Hersteller bietet dem Käufer ab Inbetriebnahme der Anlage einen Servicevertrag an, der die Wartung und den Austausch der Teile vor Ort beinhaltet. Das für die Kunden eingerichtete Call-Center kann Störungen bereits im Vorfeld analysieren und durch die angebotene Internet-Überwachung der Anlage können Störfälle weitgehend minimiert werden.

  Auf Wunsch des Kunden kann eine Fernverriegelung der Anlage erfolgen, falls die Turbinenmotoren ausfallen oder durch unauthorisierte Eingriffe versucht wird, Sicherheitsschaltungen zu überbrücken.  

Genehmigungsunterlagen

 Bezüglich Baurecht, Brandschutz, Explosionsschutz, Arbeits- und Gesundheitsschutz stellt der Hersteller die notwendigen Unterlagen dem Betreiber zwecks Antragstellung bei betreffenden Behörden zur Verfügung. Bezüglich des Immissionsschutzrechtes ergeben sich normalerweise keine Anforderungen, da nur Dieseldampf und kein Gas gebildet werden.

 Der Anlagenbetrieb verursacht keine gasförmigen Emissionen. Die Kohlenwasserstoffe werden katalytisch nur bis zum Diesel gespalten. In der Turbinen/Pumpen-System ist keine Gasbildung gegeben. Damit entstehen in dem Prozess auch keine gasbildenden, katalytischen Kokskristalle. Die höchste Reaktionstemperatur (350°C) ist mehr als 70°C als die niedrigste Kokskristallbildungstemperatur (420°C)

Wirtschaftliche Betrachtung

 Im Hinblick auf die ständig steigenden Rohölpreise werden alternative Recyclingverfahren, insbesondere das hier beschriebene Verfahren der katalytischen Verölung von Wertstoffen wie z.B. Kunststoffen, Altölen und Wachsen, aber auch die Verölung nachwachsender organischer Materialen, wie z.B. Raps, Holz aber auch organischem Abfall aus der Nahrungsmittelindustrie oder aus der Fleischindustrie, auch volkswirtschaftlich interessant.

 Anstatt wie bisher, Abfallstoffe durch die Zuführung von Energie (Hitze und Brennstoff) zu verbrennen, CO2-Ausstoß zu produzieren und mittels aufwendiger technologischer Maßnahmen die, durch die Verbrennung entstehenden Giftstoffe, wie Dioxine und Furane, zu binden, ermöglicht das hier vorgestellte Verfahren die fast vollständige Verwertung der Ausgangsprodukte zu einem hochwertigen Energieträger, nämlich Dieseltreibstoff.

 Dieses Endprodukt hat eine ausgezeichnete Qualität und ist uneingeschränkt als Fahrzeugtreibstoff (Cetan > 56) oder Heizöl einzusetzen und somit ausgezeichnet verkäuflich.

 Durch den hohen Wirkungsgrad der Anlage (~80%) hat das Verfahren eine positive Energiebilanz, ist energetischer Selbstversorger und weitgehend emissionsfrei (bis auf Motorabgase und Wärmeemission).

 Das sonst in der Verbrennung/Vergasung produzierte CO/CO2  entsteht nicht sondern wird als Energieträger im Diesel eingelagert und erst bei der Nutzung als Treibstoff oder Heizöl freigesetzt. Die technologische Entwicklung ist hier gefragt, eine weitere Reduzierung des Schadstoffaustoßes bei der Nutzung von Treibstoffen in Verbrennungsmaschinen zu schaffen.

  Selbst neuartige Technologien, wie die Wasserstoff-Brennstoffzellen Konzeption, die zum Einen auch CO und CO2 bei der Wasserstoffherstellung als Abfallprodukt produzieren und zum Anderen durch die beschränkten natürlichen Vorkommnisse der benötigten Edelmetall (Platin)–Katalysatoren in der Anwendung teuer und beschränkt sind, können keine derartig positive Energiebilanz, verbunden mit der fast vollständigen Beseitigung von Reststoffen, aufweisen.

Der volkswirtschaftliche Nutzen des flächendeckenden Einsatzes dieser Technologie sollte außerdem betrachtet werden.

• Schaffung von Arbeitsplätzen und Ingenieurpotential in der Metall/Maschinenbau- und chemischen Industrie zur Produktion von Anlagen und Katalysator

 Die Kosten für den Einsatz der beschriebenen Anlage setzen sich aus mehren Positionen zusammen, die hier nur Ansatzweise aufgeführt werden können, da diese vom zu verarbeitenden Wertstoff und den Produktionsbedingungen abhängen. Die genannten Werte sind Anhaltswerte und bedürfen einer Nachkalkulation für das jeweilige Projekt.