Konsortium soll Stickstoff für Düngemittel aus Biofeststoffen mithilfe von Solarthermie demonstrieren

Gepostet am 17. Dezember 2022, 11. Juli 2023, Autor

Anordnung des Solarspiegelfelds, das in der Nähe des aktuellen Landanwendungsbereichs installiert werden soll, um aus Biofeststoffen Stickstoff für Düngemittel herzustellen – unter Verwendung von Solarthermie zum Trocknen der Biofeststoffe. IMAGE@Ryan Shininger, Solar Dynamics

Nächstes Jahr wird ein von American Infrastructure Holdings LLC geführtes Konsortium, zu dem Solar Dynamics und Andritz Separation gehören, eine Pilotanlage in Albuquerque, New Mexico, bauen, um eine neuartige Trocknertechnologie zur Herstellung von körnigem Dünger aus Biofeststoffen zu demonstrieren, die mit Solarwärme betrieben wird.

Fossile Brennstoffe werden bei den derzeitigen Methoden zur Herstellung von Stickstoff und Phosphat für Düngemittel verwendet: Sie werden zum Abbau und zur Zerkleinerung von Phosphatgestein oder zur Verbrennung bei hohen Temperaturen verwendet, um im Rahmen des Prozesses zur Herstellung von Ammoniumnitratdünger Stickstoff aus der Luft chemisch zu reagieren.

Der Ersatz fossiler Wärme in industriellen Prozessen ist eine der nächsten großen Aufgaben der Welt. Ein Drittel der Emissionen, die unser Klima destabilisieren, stammen aus fossiler Industriewärme.

Solar Dynamics versorgt das Solarsystem mit Wärme für den Trockner. Das Unternehmen hat bereits Mittel für die Planung und rechnerische Simulation des Solarprozesses erhalten und ist nun bereit, ein Solarfeld zu bauen, das sein solarthermisches Energiesystem mit einem Trocknersystem verbindet, das mit Biofeststoffen aus der Wasseraufbereitungsanlage der Albuquerque Bernalillo County Water Utility Authority versorgt wird Stickstoffgranulat für den kommerziellen Verkauf als Düngemittel herzustellen.

„Derzeit werden etwa 70 % der Biofeststoffe in dieser Anlage auf das Land ausgebracht“, erklärte Ryan Shininger, leitender Ingenieur bei Solar Dynamics. „Dieses Pilotprojekt verbraucht die Hälfte dessen, was derzeit auf dem Land ausgebracht wird. Wenn es erfolgreich ist, werden wir unsere Anlage verdoppeln, um die verbleibenden Biofeststoffe zu verarbeiten, sodass überhaupt keine Biofeststoffe an Land ausgebracht werden.“

Derzeit werden nur 30 % der Biofeststoffe recycelt – gemischt mit Holzspänen und anderen organischen Materialien, um sie als Kompost an lokale Bauernhöfe, Parks, Ballspielplätze und andere Landschaftsbereiche oder zur Bodenverbesserung zur Sanierung von zerstörtem Land zu verkaufen. Es ist offensichtlich unsinnig, dass die USA mehr als die Hälfte des in Düngemitteln verwendeten Stickstoffs importieren und gleichzeitig Biosolide wegwerfen, die reich an Stickstoff, Phosphor und Mikronährstoffen sind.

Es ist sinnvoll, Biofeststoffe als körnigen Dünger zu recyceln, anstatt sie auf dem Land zu entsorgen. Biosolide, die zu 80 % aus Wasser bestehen, werden manchmal Hunderte von Kilometern weit transportiert und auf Mülldeponien abgeladen oder ins Land gepflügt. Dieses Entsorgungsverfahren entspricht den Umweltgesetzen des Bundes und der meisten Bundesstaaten, ist jedoch nicht umweltoptimal.

Ein solarthermischer Prozess wird Stickstoffpellets aus Biofeststoffabfällen erzeugen. IMAGE@Ryan Shininger, Solar Dynamics

Während dies in Albuquerque nicht der Fall ist, kann die Landausbringung an einigen Standorten dazu führen, dass Nährstoffe in lokale Wasserstraßen abfließen und in das Grundwasser versickern. Noch wichtiger ist, dass bei der Landentsorgung von Biofeststoffen Treibhausgase entstehen: Methan, CO2 und NOx.

„An vielen Orten“, betonte er, „bleibt es, selbst wenn rohe Biofeststoffe auf dem Land für den Anbau von Nutzpflanzen ausgebracht werden, eine Entsorgungsstrategie, die bei unsachgemäßer Handhabung dazu führen kann, dass zu viel Stickstoff und Phosphor auf einmal hinzugefügt werden.“ Pflanzen verbrauchen einen Teil davon, der Rest wird verschwendet. Wenn Nährstoffe in Gewässer gelangen, können sie „tote Zonen“ ohne Sauerstoff verursachen, in denen nichts leben kann.“

Es gibt auch geopolitische Vorteile. Angesichts der jüngsten Erschütterungen auf dem Weltmarkt für diese Düngemittelmineralien, die für die Lebensmittelproduktion von entscheidender Bedeutung sind, verringert deren Recycling aus kommunalen Biofeststoffen im Inland die Abhängigkeit von Importen aus potenziell instabilen Quellen im Ausland.

„Dies ist jedoch ein Problem, das schon vor dem Ukraine-Krieg bestand“, bemerkte Shininger. „Die US-Regierung hat bereits Initiativen, um die heimische Düngemittelproduktion zu steigern. Derzeit werden mehr als 50 Prozent des in den USA verwendeten Düngers importiert, der größte Teil davon aus China oder Russland. Aber offensichtlich hat der Krieg das System zusätzlich belastet.“

Das Solarfeld von Solar Dynamics mit Parabolrinnenkollektoren und thermischer Energiespeicherung würde an einen kommerziellen Trockner angeschlossen, der so angepasst wurde, dass er die Luft im Trockner mit heißem Wasser aus dem Solarfeld erwärmt.

Ein Solarfeld aus SunBeamTM Parabolrinnenkollektoren von Solar Dynamics wird die thermische Energie für den Trockner liefern

Diese Wärme, die normalerweise aus Erdgas stammt, würde stattdessen durch reflektiertes Sonnenlicht von einem Solarfeld der SunBeamTM-Parabolrinnenkollektoren von Solar Dynamics erzeugt, die das Wasser auf 200 °C erhitzen. Die Leistungsfähigkeit der Solarkollektoren wird anhand der Pilotanlage nachgewiesen.

Das Projekt wird die erste kommerzielle Installation des Solar Dynamics SunBeam-Kollektors darstellen. Solar Dynamics hat Fördermittel vom Solar Energy Technology Office des US-Energieministeriums (DOE) erhalten, um die Demonstration der Solartechnologie zu unterstützen, die teilweise mit Mitteln des DOE entwickelt wurde.

Die Speicherung thermischer Energie verlängert den Trocknerbetrieb über die Tagesstunden hinaus und ermöglicht so eine bessere Auslastung des Trockners und eine verbesserte Gesamtwirtschaftlichkeit. Diese gespeicherte Sonnenenergie wird auch zeitweise bewölkte Bedingungen ausgleichen und die relativ leicht zu erreichende Temperatur stabilisieren.

Der handelsübliche Tank, der in der LPG-Industrie verwendet wird, ist etwa 40 Meter lang und hat einen Durchmesser von etwa 3 Metern. Er fungiert als Thermokline und nutzt interne Leitbleche, um heißes Wasser zur Anlage zu bringen, um den Trockner zu beheizen. Kaltes Wasser wird zum erneuten Erhitzen zum Solarfeld zurückgeleitet. Die Sprungschicht muss nicht perfekt funktionieren, damit das System funktioniert. Aufgrund der Flexibilität des Biosolids-Trockners ist in diesem Fall ein gewisses Maß an Durchmischung kein Problem. Es ist ganz anders als ein Kraftwerk.

Obwohl es sich bei der Anlage um eine verkleinerte Pilotanlage handelt, ist sie für einen kommerziellen Betrieb von mindestens 20 Jahren ausgelegt. Das Projekt erfordert Kapitalinvestitionen, um den Bau des Trockners und des Düngemittelmischsystems zu finanzieren. Private Investitionen werden durch eine Kombination aus Müllgebühren für Biofeststoffe und Düngemittelverkäufen zurückgezahlt.

„Solar Dynamics ist auf dieser Seite nicht stark involviert“, sagte Shininger. „Unser Partner, American Infrastructure Holdings, ist für die Beschaffung des Eigenkapitals und die Vertragsabwicklung des Düngemittelverkaufs verantwortlich. Der Verkauf von Düngemitteln ist etwas schwieriger, da der Düngemittelmarkt weitgehend auf Spotpreisen basiert. Es ist also nicht dasselbe wie der Abschluss eines 25-Jahres-Stromvertrags für CSP, bei dem man genau weiß, wie viel man in dieser Zeit bezahlen wird.“

Nur etwa 2 % aller in den USA erzeugten Biofeststoffe werden als Düngemittel verwendet. Der Markt steht gerade erst am Anfang und dieses Albuquerque-Projekt ist das erste im Land, das Solarthermie mit der Trocknung von Biofeststoffen kombiniert, um einen kommerziellen Dünger herzustellen. „Wir sehen zahlreiche Möglichkeiten im ganzen Land und weltweit, diesen Prozess anzuwenden“, sagte Shininger. „Wir freuen uns daher darauf, ihn in unserem Pilotprojekt und der schnellen Einführung in den USA zu beweisen.“

Wenn sich dieser Solarprozess bewährt, könnte er zur Standardtechnologie für die emissionsfreie Düngemittelherstellung werden. Biosolide Düngemittel werden dazu beitragen, die kürzlich überhöhten Preise für Stickstoff zu stabilisieren und sie auch in Zukunft stabil zu halten. Darüber hinaus unterstützt die zunehmende inländische Düngemittelversorgung eine gesunde Handelsbilanz und trägt zur Gewährleistung der Ernährungssicherheit bei.

„Ehrlich gesagt ist es schwer zu verstehen, warum wir dies nicht bereits getan haben, wenn man die klaren wirtschaftlichen, ökologischen und sozialen Vorteile der solarbetriebenen Düngemittelproduktion auf Biofeststoffbasis bedenkt“, sagte Shininger, „und es gibt noch viel Potenzial zur CO2-Reduzierung.“ der Erfolg dieses Pilotprojekts.“

SolarPACES-Aufgaben:AUFGABE IV Integration von Solarwärme in industrielle Prozesse

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