miniatur|hochkant|Holzvergaser Güssing (2006) mini|hochkant|Holzvergasungsanlage Villach, 15,5 MW BWL, (2010) Biomassevergasung bezeichnet eine thermo-chemische Umwandlung von Biomasse in ein brennbares Produktgas (Brenngas) mit Hilfe eines Vergasungs- oder Oxidationsmittels (meist Luft, Sauerstoff, Kohlendioxid oder Wasserdampf).

Da sowohl historisch als auch aktuell vor allem Holz als Biomasse zum Einsatz kommt, spricht man in der Regel auch von Holzvergasung.

Über die Vergasung kann die als Festbrennstoff vorliegende Biomasse in einen gasförmigen Sekundärbrennstoff umgewandelt werden, der in verschiedenen Nutzungsoptionen wie bsp. der Stromerzeugung oder als Kraft- und Treibstoff (Brenngas) oder für die Nutzung als Synthesegas für die chemische Synthese effizienter eingesetzt werden kann. Analoge Verfahren existieren auch für andere Festbrennstoffe, speziell für die Vergasung von Kohle (Kohlevergasung).

Letztlich geht jedem Verbrennungsprozess von Biomasse ein Vergasungsprozess voraus, da nicht diese selbst, sondern grundsätzlich nur die aus der Biomasse austretenden Gase brennbar sind.Sven Geitmann: Erneuerbare Energien. Hydrogeit-Verlag, Oberkrämer 2010; S. 149–150. ISBN 978-3937863146

Geschichte mini|hochkant|Holzvergaser an einem Opel P4 (1940) mini|hochkant|Holzvergaserlokomotive im Bayerischen Eisenbahnmuseum in Nördlingen. Das Fahrzeug wurde 1916 von Deutz für den Benzolbetrieb gebaut und 1935 von Imbert in Köln umgebaut

Die Holzvergasung wurde Ende des 18. Jahrhunderts von Philippe Lebon entwickelt.FTP: , 28. April 2013, abgerufen am 15. September 2013. auf wasistwas.de, abgerufen am 15. September 2013.

Im 19. Jahrhundert wurden etwa durch die Holzverkohlung viele wichtige Rohstoffe für die Chemiewirtschaft wie Methanol (Holzgeist), Aceton und Essigsäure erzeugt. Das Hauptprodukt der Holzverkohlung, die Holzkohle, findet unter anderem als Aktivkohle immer noch wichtige Anwendungsbereiche.

Insbesondere in Kriegs- und Krisenzeiten mit Treibstoffmangel werden Fahrzeuge zumeist in Eigeninitiative mit einem improvisierten Holzvergaser ausgestattet. Sogar die Deutsche Reichsbahn erprobte den Einsatz von Holzkohlevergasern an Rangierlokomotiven der Baureihe Köf II in den 1930er und 1940er Jahren (siehe auch: Gasmotor).

Holzgas wurde unter anderem dazu benutzt, Verbrennungsmotoren von Kraftfahrzeugen anzutreiben. Die Generatoren wurden außen an die Karosserie gebaut oder als Anhänger mitgeführt. Die technische Anlage dazu, der Holzvergaser, wurde mit Brennholz befüllt und funktionierte als Festbettvergaser. Durch Erhitzen entwich aus dem Holz das brennbare Gasgemisch (Holzgas), dessen Bestandteile hauptsächlich aus dem nicht brennbaren Stickstoff der Luft, Kohlenstoffdioxid, brennbarem Kohlenstoffmonoxid (zusammen ca. 85 %) und Methan sowie kleineren Anteilen von Ethylen und Wasserstoff bestanden. Bis in die frühen 1950er Jahre waren in Deutschland mit Sonderführerschein etliche Kleinlastwagen im Einsatz, für die nur geprüfte und freigegebene Buchenholzscheite verwendet werden durften. Hierbei konnte ca. ein Liter Benzin durch die aus 3 kg Holz gewonnene Gasmenge ersetzt werden.

Im Rahmen der Diskussion um die zunehmende Nutzung von nachwachsenden Rohstoffen zum Ende des 20. und Beginn des 21. Jahrhunderts wurde auch die Holzvergasung sowie die Vergasung anderer organischer Stoffe, vor allem von organischen Reststoffen, zur Gewinnung von gasförmigen Brennstoffen zur Wärme- und Stromerzeugung erneut diskutiert und in einzelnen Demonstrationsanlagen realisiert. Aufbauend auf dieser rein energetischen Nutzung wurde zudem die Nutzung des Produktgases als Rohstoff für die chemische Synthese von Biokraftstoffen und Produkten der chemischen Industrie anvisiert und soll in naher Zukunft vor allem für BtL-Kraftstoffe, Dimethylether und Methanol auch realisiert werden. Durch eine anschließende Methanisierung und Aufbereitung kann es auch als Substitute Natural Gas (SNG) in das Erdgasnetz eingespeist werden. Bei hochwertigen Produktgasen, die über 50 % Wasserstoff enthalten, wird auch vom so genannten Biowasserstoff gesprochen.

Mittlerweile werden effiziente Heizkessel mit Holzvergaser auch für Privathaushalte angeboten.

Prozessbeschreibung Die Vergasung von Biomasse setzt nach der Trocknung bei Temperaturen von 150 °C ein, wobei erst Wasserdampf und Sauerstoff austreten. Bei höheren Temperaturen werden die Festbestandteile der Biomasse, vor allem das Lignin und die Cellulose, vergast. Dieses Gas entzündet sich, sobald Sekundärluft zugeführt wird, die Zündtemperatur liegt bei 230 °C bis 280 °C.

Bei der technischen Biomassevergasung handelt es sich um eine Teilverbrennung mit Hilfe eines Vergasungs- oder Oxidationsmittels (meist Luft, Sauerstoff, Kohlendioxid oder Wasserdampf) ohne Entzündung bei Temperaturen von 700 °C bis 900 °C, bei der diese nicht wie bei der Verbrennung zu Kohlendioxid (CO2), sondern im Wesentlichen zu Kohlenmonoxid (CO) oxidiert wird.Hermann Hofbauer, Martin Kaltschmitt, Thomas Nussbauer: Thermo-chemische Umwandlungsprozesse. In: Martin Kaltschmitt, Hans Hartmann, Hermann Hofbauer (Hrsg.): Energie aus Biomasse. Grundlagen, Techniken und Verfahren. Springer Verlag, Berlin und Heidelberg 2009; S. 377–378. ISBN 978-3-540-85094-6. Weitere Komponenten des entstehenden Gases sind Wasserstoff (H2), Kohlendioxid (CO2), Methan (CH4), Wasserdampf (H2O) sowie abhängig von der eingesetzten Biomasse und vom Vergasungsverfahren eine Reihe von organischen Substanzen in unterschiedlicher Konzentration. Als fester Rückstand bleiben Asche und Reste von Pflanzenkohle. Bei Temperaturabsenkung des Prozessgases kondensiert der Wasserdampf, gemischt mit organischen Bestandteilen, zu einem Teer bzw. zu einem organisch belasteten Holzgaskondensat.

Das brennbare Produktgas kann in einem anschließenden Prozess durch eine Verbrennung (Brenngas) oder eine chemische Synthese (Synthesegas) unter Abgabe von Energie (exothermer Prozess) weiter oxidiert werden. Erfolgt die Vergasung mit Luft, so wird das dadurch mit Stickstoff verdünnte Produktgas häufig auch als Schwachgas (LCV, Low Calorific Value Gas) bezeichnet.

Hydrothermale Vergasung

Die Hydrothermale Vergasung stellt einen Sonderfall der Biomassevergasung dar, bei der nasse Biomasse zu Wasserstoff und Methan umgesetzt werden soll. Die Biokonversion erfolgt bei Temperaturen von 400 °C bis 700 °C und Drücken von 200 bar bis 300 bar durch die Reaktion mit überkritischem Wasser, wodurch eine nahezu vollständige Umsetzung der organischen Bestandteile der Biomasse erreicht wird.

Luftüberschusszahl Die Luftüberschusszahl des Vergasungsprozesses sowie der hydrothermalen Vergasung ist kleiner als eins und größer als null, während sie bei einer vollständigen Verbrennung größer oder gleich eins und bei einer Pyrolyse gleich null ist.

Rohstoffe Als Rohstoffe kommen bei der Biomassevergasung vor allem lignocellulosereiche Agrarrohstoffe, sowie Waldrestholz, Restholz, aber auch z. B. Klärschlamm, (PDF; 486 kB), auf aoew.de, abgerufen am 18. Januar 2017. Ditten und Pferdeäpfel auf energiezukunft.eu, abgerufen am 18. Januar 2017. in Betracht. Bei ersterem handelt es sich vor allem um halmgutartige Biomasse wie Getreide- und Maisstroh sowie andere Restprodukte des landwirtschaftlichen Getreideanbaus. Hinzu kommen Energiepflanzen wie Riesen-Chinaschilf (Miscanthus × giganteus) sowie Pappel- und Weidenholz aus dem Anbau in Kurzumtriebsplantagen. Auch die Nutzung von organischen Abfallströmen aus Industrie und Haushalt z. B. Altholz und Grünabfälle (Küchen-, Gartenabfälle, Rasen­schnitt, Laub, Sträucher- und Baumschnitt) zur Biomassevergasung befindet sich in der Diskussion und sogar Abfall(kunst-)stoffe können verwertet werden. (PDF; 992 kB), auf bine.info, abgerufen am 18. Januar 2017.

Bisherige Biomassevergasungsanlagen sind auf die Vergasung von Holz in Form von Forstholz und Restholz ausgelegt, die als Holzhackschnitzel zugeführt werden. Bei dieser Form der Biomassevergasung spricht man entsprechend von Holzvergasung.

Für die Vergasung muss die Biomasse vorbehandelt werden. Dies geschieht nach der Bereitstellung durch die Trocknung und die Zerkleinerung der Biomasse zu Partikeln, die im Vergaser eine möglichst große Oberfläche und ein kleines Volumen haben sollten. Insbesondere für die Nutzung im Flugstrom­reaktor müssen die Partikel staubfein gemahlen und in ein Slurry überführt werden.

Im Hinblick auf die Novellierung der Klärschlammverordnung in Deutschland, die 2017 erfolgte, ist auch die Klärschlammvergasung zunehmend in den Fokus geraten. Dabei wird auch die Rückgewinnung des Phosphors betrachtet.

Technik Die meisten Holzvergaseranlagen erzeugen die zur Vergasung benötigte Energie durch eine teilweise Verbrennung des Holzes unter Luftmangel. Abhängig von dem verwendeten Vergasungsmittel entstehen unterschiedliche Produktgase mit entsprechend unterschiedlicher Qualität, die für die nachfolgende Nutzung von Bedeutung sind. So enthält das Produktgas bei der Verwendung von Luft (21 % Sauerstoff, 79 % Stickstoff) einen sehr hohen Stickstoffanteil, der nicht zum Heizwert des Gases beiträgt und die Wasserstoffausbeute reduziert. Dagegen beinhalten die Produktgase bei der Nutzung von Sauerstoff und Wasserdampf keinen Stickstoff und haben entsprechend einen höheren Heizwert und eine hohe Wasserstoffausbeute.Hermann Hofbauer, Alexander Vogel, Martin Kaltschmitt: Vergasung. Vergasungstechnik. In: Martin Kaltschmitt, Hans Hartmann, Hermann Hofbauer (Hrsg.): Energie aus Biomasse. Grundlagen, Techniken und Verfahren. Springer Verlag, Berlin und Heidelberg 2009; S. 600–601. ISBN 978-3-540-85094-6.

Das erzeugte Gas wird abgekühlt, wobei Wasserdampf und Kohlenwasserstoffe kondensieren, und gefiltert, danach wird es seiner Verwendung zugeleitet. Die Aufbereitung und Reinigung dieses Kondensates stellt bei großen Anlagen einen wesentlichen Teil der Anlagentechnik dar, da es organische Schadstoffe (Phenole oder Ammoniumverbindungen) enthält, die gezielt entsorgt werden müssen, zum Beispiel in einer Kläranlage oder einer thermischen Nachverbrennung.

Allotherme und autotherme Vergasung Auf der Basis der Art der Wärmebereitstellung für den Vergasungsprozess lassen sich Vergasertypen in allotherme und autotherme Vergaser unterscheiden. Bei der allothermen Wärmezufuhr wird die Prozesswärme von außen zugeführt, während sie bei der autothermen Variante durch Teilverbrennung des Einsatzmaterials erzeugt wird.

Bei der allothermen Vergasung wird die erforderliche Wärme für den Vergasungsvorgang über einen Wärmeübertrager eingebracht. Neuere Entwicklungen arbeiten mit Wärmerohren (Heatpipe), die über eine hohe Wärmestromdichte verfügen. Wesentlicher Vorteil dieses Verfahrens ist die Erzeugung von Prozessgas mit hohem Heizwert (hauptsächlich Wasserstoff und Kohlenmonoxid). Durch den allothermen Wärmeeintrag wird das Prozessgas nicht mit zusätzlichem Rauchgas durch die Verbrennung beaufschlagt.

Ein ähnliches Verfahren ist die Wärmeeinbringung durch Wasserdampf oder durch Partikeleintrag. In den meisten Fällen werden die Rückstände der Vergasung (Koks) dem Dampferzeuger als Energiemedium zugeführt. Dadurch erhöht sich der Kaltgaswirkungsgrad erheblich.

Vergasertypen Für die Biomassevergasung können unterschiedliche technische Vergaser eingesetzt werden, die sich vor allem durch die Art des Kontakts zwischen Biomasse und Vergasungsmittel (Luft, Sauerstoff oder Wasserdampf) unterscheiden. Dabei werden in der Regel drei grundsätzliche Reaktortypen genutzt:

Festbettvergaser Wirbelschichtvergaser Flugstromvergaser

Festbettvergaser miniatur|hochkant=1.4|Prinzip des Festbettvergaserkessels Im Festbettvergaser liegen die Brennstoffe wie in einem normalen Feuerofen auf einem Gitterrost. miniatur|links|Holzgasgewinnung mittels Gegenstromverfahrenminiatur|links|Holzgasgewinnung mittels Gleichstromverfahren