EINSATZ VON HOCHLEISTUNGS-ULTRASCHALLTECHNIK

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1 ULTRAWAVES GmbH Wasser & Umwelttechnologien Kasernenstrasse 12, Hamburg Tel: 040 / info@ultrawaves.de Internet: EINSATZ VON HOCHLEISTUNGS-ULTRASCHALLTECHNIK ZUR STEIGERUNG DER BIOGASPRODUKTION UND VERMINDERUNG VON TREIBHAUSGASEMISSIONEN AUF BIOGASANLAGEN Dr.-Ing. K. Nickel, Dipl.-Ing. G. Klingspor, Prof. Dr.-Ing. U. Neis

2 ÜBERSICHT 1. Ultraschall-Desintegration von Biomasse 2. Entwicklung der ULTRAWAVES Hochleistungs- Ultraschall(HLUS)technik 3. Praxiserfahrungen 4. Verminderung von Treibhausgas(THG)-Emissionen 2

3 1. ULTRASCHALL-DESINTEGRATION VON BIOMASSE 3

4 otr-abbau [%] ANAEROBE FAULUNG GRENZEN DES ABBAUS Faulzeit [d] 4

5 5 DESINTEGRATION VON BIOMASSE

6 Volumensumme [%] WIRKUNG VON US-BEHANDLUNG AUF PARTIKEL 100% 75% 50% Referenz 25% 30 W/L, 20s (= 0.17 Wh/L) 80 W/L, 20s (= 0.44 Wh/L) 220 W/L, 20s (= 1.28 Wh/L) 0% Partikelgröße [µm] 310 W/L, 20s (= 1.72 Wh/L) 6

7 2. ENTWICKLUNG DER ULTRAWAVES HLUS-TECHNIK 7

8 ULTRASCHALL Frequenzen 20 khz - 10 MHz 20 khz Ultraschall - Frequenz 10 khz 100 khz 1 MHz Hörschall niedrig mittel hoch Kavitation Mikroströmungen Scherkräfte Sonochemie 8

9 Radius der Blasen in mm ULTRASCHALL-KAVITATION Schalldruck P = P A sin2π f t (P A ) 2 = 2 I ρ c I = Schallintensität (W/cm 2 ) c = λ f (m/s) + P A Kompressionswellen Entstehen Implosion 50 Wachstum Hot Spot Zeit in ms 9

10 AUSWAHL DER GEEIGNETEN US-KONFIGURATION Frequenz Intensität Beschallzeit 10

11 EINFLUSS DER ULTRASCHALLFREQUENZ UND DES KAVITATIONSBLASENRADIUS 11

12 EINFLUSS DER ULTRASCHALLINTENSITÄT y = 0,8x y = 0,5x y = 0,3x 12

13 HLUS-SCHWINGGEBILDE (ULTRAWAVES/SONOTRONIC) Konverter mit mehreren piezokeramischen Elementen Booster (mit Flansch) Sonotrode 13

14 REAKTORDESIGN Ablauf Ablauf Flächenschwinger Zulauf Sonotrode Zulauf 14

15 Aufschlussgrad A CSB [%] REAKTORDESIGN 15 Ultraschallreaktor Sonotroden 2005 Ultraschallreaktor Flächenschwinger ,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 Spezifische Energie [kwh/kg] 15

16 FULL-SCALE HLUS-ULTRASCHALLREAKTOR Technologie- Transfer Innovation 2002 Innovationspreis Dt. Industrie 2006 Innovationspreis Land Baden- Württemberg 2007 Reaktorvolumen: 30 L Nennleistung: 5 kw Dauerbetrieb Anzahl Schwinggebilde: 5 Frequenz: 20 khz Intensität: 25 to 50 W/cm² Beschallungszeit: 1 to 3 min Beschallungsdosis: 3 to 9 kwh/m³ 16

17 17 3. PRAXISERFAHRUNGEN

18 18 BIOGASANLAGE BORDESHOLMERLAND

19 BIOGASANLAGE BORDESHOLMERLAND Kenndaten: 2 parallele Straßen Anlagengröße: 2 x 537 kw 2 Fermenter à m³, 2 Nachgärer à m³, 2 Gärrestlager à m³ Fütterung: 2 x 25 t/d Maissilage Verweilzeit: 90 Tage/Fermenter Biogasproduktion: 2 x 6150 m³/d Methangehalt ca. 50% Ziel: Einsparung an Substrat Lösung: Intensivierung des anaeroben Abbaus und Steigerung der Biogasproduktion 19

20 BIOGASANLAGE BORDESHOLMERLAND Einsatz der HLUS-Desintegration in BL2 seit 05/2011: Teilstrombeschallung in BL2 36 m³/d des Gärrests aus Nachgärer 2 werden nach der Beschallung mit einem 5 kw HLUS-Gerät (Beschalldosis 3,3 kwh/m³) in den Fermenter 2 zurückgeführt BL1 25 t/d F 1 N 1 E 1 BL2 25 t/d F 2 N 2 E 2 US Beschallung von 36 m 3 /d 20

21 Substrat (t/d) WENIGER SUBSTRAT MEHR STROM Straße 1 Straße 2 mit US 30 Start ,2 t/d Substrat Jan Feb März April Mai Juni Juli Aug Sep Okt Nov Dez Jan Feb März April Mai Juni Ø 2,2 t/d (9%) weniger Substrat notwendig in BL2 als in BL1 Steigerung des Methangehalts um 3% auf 53% Steigerung der Stromproduktion von 537 kw (Straße 1) auf 570 kw (Straße 2) 21

22 22 BIOGASANLAGE LOBURG

23 BIOGASANLAGE LOBURG Kenndaten: Anlagengröße: 560 kw 2 Fermenter à m³, 1 Nachgärer à m³ Fütterung: Maissilage, Maissilageabraum, Hirsesilage, Roggenkörner (geschrotet), Getreideschlempe (Weizen), Rindergülle (Milchvieh) Verweilzeit: 40 Tage/Fermenter Ziel: Einsparung an Substrat Lösung: Intensivierung des anaeroben Abbaus und Steigerung der Biogasproduktion 23

24 BIOGASANLAGE LOBURG Einsatz der HLUS-Desintegration seit 2012: Beschallung eines Teilstroms von 29 m³/d aus dem Fermenter 2 und Rückführung in den Fermenter 1 mit einem 5 kw HLUS-Gerät (Beschalldosis 4,1 kwh/m³) 24

25 WENIGER SUBSTRAT MEHR STROM bis Ohne HLUS Maissilage t t Maissilageabraum 406 t 402 t Hirsesilage 891 t 750 t Roggenkörner, geschrotet 275 t 155 t Getreideschlempe (Weizen) t t Rindergülle Milchvieh t t bis Mit HLUS Gesamtkosten Substrat EUR EUR Gesamtkosten Substrat pro Jahr EUR EUR Reduktion der Fütterung um 8% (17% Kostenersparnis: /a) Stabilisierte und erhöhte Biogasproduktion um 6% (9.800 EUR/a) 25

26 26 BIOGASANLAGE LINDOW

27 BIOGASANLAGE LINDOW Kenndaten: Anlagengröße: 500 kw 1 Fermenter à m³, 1 Nachgärer à 900 m³, 1 Gärrestlager Fütterung: 21 t/d bestehend aus Maissilage, Grassilage, Putendung, Getreideschrot Verweilzeit: 130 Tage insgesamt Ziel: Einsparung an Substrat Lösung: Intensivierung des anaeroben Abbaus und Steigerung der Biogasproduktion 27

28 BIOGASANLAGE LINDOW Einsatz der HLUS-Desintegration seit 2008: Beschallung eines Teilstroms von 15 m³/d aus dem Nachgärer und Rückführung in den Fermenter mit einem 5 kw HLUS-Gerät (Beschalldosis 8,0 kwh/m³) 21 t/d F NG GL US 15 t/d 28

29 WENIGER SUBSTRAT MEHR STROM Erhöhung des spezifischen Biogasertrags um ca. 15%, das entspricht einer Reduktion der Fütterung um ca. 13% 29

30 4. VERMINDERUNG VON THG-EMISSIONEN 30

31 BIOGASANLAGEN-MODELL KTBL Kenndaten der Anlage Einheit Wert BHKW-Last im Jahresmittel kw el 457 Mögl. Spitzenlast, BHKW 1 kw el 530 Elektr. Wirkungsgrad % 38 BHKW-Auslastung (ohne Desintegration) % 86 Mittlere Verweilzeit Tage 110 Gesamtes Fermentervolumen m³ Abbaugrad der org. Trockenmasse % 77 1 Hierzu keine Angabe in [1] 31

32 32 ENERGIEBILANZ

33 THG-BILANZ Annahme: 0,664 kg CO 2 -Äquivalente pro kwh el (Kraftwerksmix dt. Stromnetz) 33

34 FAZIT Niederfrequenter hoch-intensiver Ultraschall ( Hochleistungs- Ultraschalltechnik ) ist für den Biomasseaufschluss geeignet und eine marktreife Technologie Untersuchungen zur Abbaubarkeit zeigen eine hohe Steigerung der Biogasausbeute insbesondere bei konventionell schwer vergärbaren Substraten Großtechnische Einsätze haben den wirtschaftlichen Betrieb der Hochleistungs-Ultraschalltechnik auf landwirtschaftlichen Biogasanlagen nachgewiesen Hochleistungs-Ultraschall reduziert die Emission von Treibhausgasen 34