Die Pyrolyse findet in einem Temperaturbereich von 200 bis 600°C und in zwei Stufen statt. Primär Unter 400°C werden organische Moleküle in kleinere Fraktionen gespalten und es entstehen Primärdämpfe und Holzkohle. Oberhalb von 400°C bilden sekundäre Reaktionen Aromaten aus den Verkohlungspartikeln. Die Temperatur und die Verweilzeit der Biomasse im Reaktor beeinflussen das Spektrum (Pyrolyseöl, Synthesegas oder Holzkohle), die Ausbeute und die Verteilung der erhaltenen Produkte (siehe Abbildung unten).

Es können zwei Hauptverfahrenstypen der Pyrolyse unterschieden werden:

Langsame Pyrolyse:

Die langsame Pyrolyse findet bei etwa 400 bis 500°C statt. Feststoffe und Dampf verbleiben über Stunden oder Tage im Reaktor. Durch die langen Verweilzeiten werden Sekundärreaktionen gefördert, was zu höheren Holzkohleanteilen und weniger Bioölfraktionen führt. Schon seit Jahrhunderten nutzt der Mensch dieses Verfahren zur Herstellung von Holzkohle (Köhlerei).

Schnellpyrolyse:

Die Schnellpyrolyse wird eingesetzt, um flüssige Brennstoffe und Moleküle für die chemische Industrie zu erzeugen. Feststoffe und Dampf verbleiben nur wenige Sekunden im Reaktor bei Temperaturen zwischen 500 und 900°C. Die hohen Heiz- und Wärmeübertragungsraten erfordern fein gemahlene Biomasse. Es entstehen organische Brüden, Pyrolysegase und Holzkohle. Nach Abkühlung und Kondensation der organischen Brüden wird Bioöl gewonnen. Der Bioölanteil kann auf 60-70% optimiert werden, wenn die Schnellpyrolyse bei ca. 500°C und mit sehr kurzen Verweilzeiten (< 1 sec) erfolgt.

Für die Schnellpyrolyse sind verschiedene Reaktordesigns geeignet:

Wirbelschichtreaktoren

Wirbelschichtreaktoren sind eine bekannte Technologie, die im industriellen Maßstab eingesetzt wird, aber auch noch weiter verbessert wird. Sie ermöglichen eine schnelle Wärmeübertragung und -verteilung, haben kurze Verweilzeiten der Dämpfe und sind einfach zu steuern. Das fluidisierende Medium ist Sand. Es gibt blasende Wirbelschicht- und zirkulierende Wirbelschichtreaktoren.

Rotationskegelreaktoren
Bieten einen guten Kontakt zwischen dem Bettmaterial und der Biomasse mit nur geringer Verkohlung. Sie ermöglichen einen guten Wärmeübergang durch einen inneren rotierenden Kegel. Bisher gibt es noch keine kommerzielle Anwendung eines Rotationskegelreaktors.

Ablativreaktoren

Hier funktioniert die Wärmeübertragung über den Kontakt der Biomasse mit der heißen Wand des Reaktors unter Druck. Die Pyrolyse findet zwischen der Oberfläche der Biomasse und dem Reaktor statt. Die geschmolzene Schicht verdampft dann und verlässt den Reaktor in gasförmigem Zustand. Sie muss anschließend gekühlt und kondensiert werden.

Eigenschaften des Pyrolyse-Öls

Unbehandelte Pyrolyse-Bioöle bestehen zu etwa 25 % aus Wasser, Ligninfragmenten, Aldehyden, Carbonsäuren, Kohlenhydraten, Phenolen, Fufural, Alkoholen und Kentonen.
Aufgrund seiner komplexen Zusammensetzung ist es nicht lagerfähig und nicht mischbar mit anderen Kraftstoffen. Auch um es als Kraftstoff zu verwenden, muss es aufbereitet werden. Sauerstoff, Stickstoff und Schwefel müssen durch Hydrotreatment entfernt werden. Leichte Fraktionen des hydrierten Öls werden destilliert, um Butan und leichtere Bestandteile zu entfernen. Die schwereren Fraktionen im Öl müssen zum Hydrocracker geschickt werden, um sie in Benzin- und Dieselkomponenten aufzuspalten. In einem letzten Schritt müssen Benzin, Diesel und Nebenproduktgase durch Destillation getrennt werden.

Es sind mehrere Schnellpyrolyse-Demonstrationsanlagen in Betrieb, z. B. in den Niederlanden (https://www.btgworld.com/en/rtd/technologies/fast-pyrolysis), Großbritannien, Spanien, Kanada, Deutschland (https://www.ikft.kit.edu/english/255.php), Finnland, den USA (https://bioenergy-concept.com/ablative-fast-pyrolysis/) und China (Uddin et al. 2018, Tabelle 7).