Manure to Sustainable Fuels and Platform Chemicals

• Forschungsstelle: BFE
• Projektnummer: SI/502717-WP6

Kurzbeschreibung (Deutsch)

Das Energiepotenzial von Hofdünger birgt ein geschätztes Primärenergiegehalt von 25 PJ/a, das heute weitgehend ungenutzt ist. Insbesondere, die geringe Energiedichte und die Strukturen der Schweizer Landwirtschaft machen die Integration in das Energiesystem zu einer Herausforderung. Die Nutzung von Hofdünger als Energieträger erfordert erhebliche Umstellungen. Neben den regulatorischen, wirtschaftlichen und ökologischen Aspekten ist der technische Prozess der Produktion von nachhaltigen Treibstoffen und Plattformchemikalien aus Hofdünger Gegenstand dieses Projekts.

Um die Nachteile der heute üblichen anaeroben Vergärung (Restenergie im Substrat, hoher CO2 Anteil im Biogas) zu überwinden, untersucht WP6 im Rahmen von reFuel.ch die direkte hydrothermale Verflüssigung (HTL) von Hofdünger und Gärresten zu nachhaltigen Kraftstoffen (NK), mit dem Ziel, sowohl das Energie- als auch das Düngemittelpotenzial zu nutzen.

Da bei diesem Prozess auch CO2 entsteht, wird die sorbent-verstärkte Wirbelschicht Methanolsynthese entwickelt, optimiert für kleine, dezentrale Anlagen.

Darüber hinaus werden Ökobilanzen erstellt, um die verschiedenen Nutzungspfaden zu bewerten. Das Arbeitspaket steht in engem Zusammenhang mit anderen Arbeitspaketen von reFuel.ch, namentlich WP1 und WP3, aber auch mit WP5 und WP6.

Neben den technischen Aspekten, sind auch die Hofdünger-Logistik und die soziale Akzeptanz entscheidend. Das Hauptziel des Projekts ist die Entwicklung effizienter und ökologisch nachhaltiger Prozesse, um das beträchtliche Energiepotenzial zu nutzen und gleichzeitig die wertvollen Nährstoffe zurückzugewinnen.

Die detaillierten Ziele sind:

• Bewertung der räumlichen (logistischen) Einschränkungen der Hofdünger-Verwendung und Ökobilanz zur Bewertung verschiedener Nutzungspfaden
• Entwicklung einer direkten, H2-unterstützten HTL von Gülle und Gärresten zu NK
• Entwicklung einer durch Sorptionsmittel -unterstützten Wirbelschicht-Methanolsynthese

Kurzbeschreibung (Englisch)

The manure’s energy potential holds an estimated primary energy of 25 PJ/a, mostly unused today. Especially the low energy density of manure and the structural aspects of Swiss agriculture make integrating manure into the energy system challenging. Utilizing manure as an energy source requires substantial transformative changes. Besides the regulatory, economic, and ecological aspects, the technical process of production of sustainable fuels and platform chemicals from manure is the subject of this project.

To overcome the drawbacks of today’s process, the anaerobic digestion (residual energy in the substrate and CO2 content in the biogas), WP6 within reFuel.ch investigates direct hydrothermal liquefaction (HTL) of manure and digestate to synthetic fuel (SF) to exploit manure’s energetic and fertilizer potential.

Since the process produces CO2 as well, the project develops the sorbent-enhanced fluidized bed (SE-FB) methanol synthesis, optimized for small, decentralized plants.

In addition, we develop LCAs to assess the different pathways. The project is strongly related to other sub-projects in reFuel.ch, namely WP1 and WP3, but also to WP5 and WP6.

Besides the technical challenge, manure logistics and social acceptance are critical enabling aspects to facilitate the development of efficient and ecologically sustainable pathways to harness the considerable energetic potential while recovering all the valuable nutrients.

Detailed objectives are:

• Evaluation of spatial (logistical) constraints of manure use and LCA to assess different manure pathways
• Development of direct, H2-assisted, HTL of manure and digestate to SF
• Development of sorbent-enhanced fluidized bed methanol synthesis

Kurzbeschreibung (Französisch)

Le potentiel énergétique du fumier est estimé à environ 25 PJ/a, mais celui-ci demeure en grande partie inutilisée aujourd'hui. Cela s’explique par sa faible densité énergétique et les aspects structurels de l'agriculture suisse qui rendent son intégration dans le système énergétique particulièrement difficile. Outre les aspects réglementaires, économiques et écologiques, le processus technique de production de carburants et produits chimiques à partir du fumier est le sujet de ce projet.

Afin de surmonter les inconvénients du processus actuel de digestion anaérobie (problèmes liés à l’énergie résiduelle dans le substrat et la teneur en CO₂ dans le biogaz notamment), le WP6 de reFuel.ch étudie l’exploitation énergétique du fumier par la liquéfaction hydrothermale directe (HTL) du fumier et du digestat en carburant synthétique (CS).

Étant donné que le processus génère également du CO₂, le projet développe la synthèse décentralisée du méthanol en lit fluidisé amélioré par sorbant (SE-FB).

En outre, nous développons des ACV pour évaluer les différentes voies. Le projet est étroitement lié à d'autres sous-projets de reFuel.ch, à savoir WP1 et WP3, mais aussi WP5 et WP6.

Outre le défi technique, la logistique du fumier et l'acceptation sociale du procédé sont des aspects essentiels pour faciliter le développement de filières efficaces et écologiquement durables.

Les objectifs détaillés sont les suivants:

• Évaluation des contraintes spatiales (logistiques) de l'utilisation du fumier et ACV pour évaluer ses différentes utilisations
• Développement d'une HTL directe et assistée par H₂ du fumier et du digestat en CS
• Développement d'une synthèse du méthanol en lit fluidisé, améliorée avec des sorbants.

Kurzbeschreibung (Italienisch)

Il potenziale energetico del letame ammonta ad un'energia primaria di 25 PJ/a, oggi in gran parte inutilizzata. Soprattutto la bassa densità energetica del letame e gli aspetti strutturali dell'agricoltura svizzera rendono difficile la sua integrazione nel sistema energetico, per cui il suo utilizzo come fonte di energia richiede cambiamenti sostanziali. Oltre agli aspetti normativi, economici ed ecologici, il processo tecnico di produzione di carburanti sostenibili (CS) e di prodotti chimici di piattaforma (PC) dal letame è l'oggetto di questo progetto.

Per superare gli inconvenienti del processo odierno rappresentato dalla digestione anaerobica (energia residua nel substrato e contenuto di CO₂ nel biogas), il WP6 di reFuel.ch studia la liquefazione idrotermale (HTL) del letame e del digestato a CS per sfruttarne il potenziale energetico e fertilizzante.

Poiché il processo produce anche CO₂, il progetto svilupperà la sintesi del metanolo su letto fluido potenziato con sorbenti (SE-FB), ottimizzata per impianti piccoli e decentralizzati, e studierà la valutazione del ciclo di vita (LCA) di possibili processi alternativi. Il progetto è fortemente legato ad altri sottoprogetti di reFuel.ch, in particolare a WP1 e WP3, ma anche a WP5 e WP6.

Oltre alla sfida tecnica, la logistica e l’accettazione sociale sono aspetti critici per lo sviluppo di processi efficienti ed ecologicamente sostenibili che sfruttino il notevole potenziale energetico del letame e ne recuperino le sostanze nutrienti. Gli obiettivi sono quindi:

• la valutazione dei vincoli logistici dell'uso del letame e LCA;
• lo sviluppo di HTL assistito da idrogeno;
• lo sviluppo della sintesi del metanolo a letto fluido potenziata da sorbenti.