Möglichkeiten der Prozessoptimierung in Biogasanlagen

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1 Bioenergie Fachtagung Herbertingen-Marbach, 06. Februar 2009 Möglichkeiten der Prozessoptimierung in Biogasanlagen D. Preißler, Dr. A. Lemmer, Dr. H. Oechsner, Prof. Dr. T. Jungbluth Landesanstalt für Landwirtschaftliches Maschinen- und Bauwesen Universität Hohenheim

2 Zahlreiche miteinander vernetzte Faktoren beeinflussen den Biogasprozess: I. Input-Substrat-Eigenschaften II. Gärsubstrat-Eigenschaften III. Technische Parameter / Verfahrensweisen

3 Input-Substrat-Eigenschaften

4 Input-Substrat-Eigenschaften Biologische Abbaubarkeit: Energiegehalte verschiedener Substrate Mähgut aus Naturschutzgebiet 19,8 Zweischürige Wiese, extensive Grünlandnutzung Vierschürige Wiese, intensive Grünlandnutzung Rasenschnitt 19,9 20,6 20,9 Silomais 19,4 15,0 17,5 20,0 22,5 [MJ / kg ots]

5 Input-Substrat-Eigenschaften Biologische Abbaubarkeit: Nährstoffgehalte verschiedener Substrate Mähgut aus Naturschutzgebiet Zweischürige Wiese, extensive Nutzung Vierschürige Wiese, intensive Nutzung Rasenschnitt Rohfaser Rohfett Rohprotein Umsetzbare Energie Silomais 0,0 10,0 20,0 30,0 40,0 50,0 MJ / kg ots bzw. % der ots

6 Input-Substrat-Eigenschaften Biologische Abbaubarkeit: Methanerträge verschiedener Substrate 0,4 0,30 0,39 Methanertrag [Nm³/kg ots] 0,3 0,2 0,17 0,08 0,22 0,26 0,1 0 Rindergülle NSG Mähgut Grassilage (extensiv) Rasenschnitt Silomais Grassilage (intensiv)

7 Einfluss des ots-gehaltes ots-gehalt variiert oft von Silo zu Silo niedrige TS Gehalte führen zu geringeren Methanerträgen höhere TS Gehalte können bei Beibehaltung der Fütterung zur Überlastung des Prozesses führen TS-Gehalt hat direkten Einfluss auf Silierbarkeit (Substratqualität) ots-anstieg geht einher mit Verholzung des Substrates Einfluss auf Abbaubarkeit

8 Qualität der Substrate: Verluste durch nicht abgedeckte Fahrsilos Schicht Annahmen Anteil % Totalverlust bei 100 ha bei /ha 25 cm Totalverlust 6,25 6,25 ha cm NEL: 6,5 5,0 12,50 2,80 ha cm NEL: 6,5 5,8 12,50 1,35 ha cm NEL: 6,5 6,0 12,50 1,00 ha Rest NEL: 6,5 6,3 56,25 1,50 ha Summe: 13,0 ha /. Abdeckkosten Verlust: 9.690

9 Änderung der Substratzusammensetzung Gleichmäßigkeit der Fütterung - Rationszusammensetzung Leistung [kw] Zeit [d] Elek. Leistung [kw] Gleitender Durchschnitt, 14d (kw)

10 Nährstoffzusammensetzung Makronährstoffe CNPS-Verhältnis von 600:15:5:3 enges C/N-Verhältnis wirkt hemmend auf den Abbau weites C/N-Verhältnis stellt in der Regel kein Problem dar Schwefel (Raps etc.) kann Fermenterbiologie hemmen und beeinflusst die Gasqualität (H 2 S)

11 Fazit Spurenelemente - Gehalte in Maissilage Spurenelementgehalt (mg/kg TM) Mittelwerte (Schwankungsbreite) n = Kupfer 3,8 3,8 3,9 3,6 4,6 4,3 5,2 Zink Mangan (1,4-8,4) 35 (10-340) (9-94) Eisen 101 ( ) (LUFA Nord-West, 2005)

12 Spurenelemente - Gehalte in tierischen Exkrementen Substrat Cadmium Chrom Kupfer Nickel Blei Zink mg/kg TM Rindergülle 0,4 6,1 48 7,7 8,9 305 Rindergülle 0,3 5,3 37 6,1 3,2 161 Rindermist 0,3 6,1 25 4,1 5,2 122 Schweinegülle 0,4 10, ,5 5, Schweinegülle 0,5 6, ,1 4,8 647 Ferkelgülle 0,4 7, , Schweinemist 0,4 13, ,9 1,9 465 Putenmist 0,5 22, ,5 2,6 395 Hühnertrockenkot 0,2 9,8 45 8,2 2,4 430 Maissilage ,8 35 (LUFA Nord-West 2005; KTBL, 2000)

13 Spurenelemente Allgemeine Aussagen zu Spurenelementgehalten einzelner Substrate sind nicht möglich, da abhängig von: - Pflanzenart / -sorte - Pflanzenteil - Standort (Boden, Ausgangsgestein, Klärschlamm, etc.?) - Witterung - Ertrag

14 Substrataufbereitung Mechanischer Aufschluss Erhöht Abbaugeschwindigkeit Erhöht nicht den spezifischen Gasertrag fachgerechte Konservierung (Substratqualität)

15 Hemmstoffe Kupfer aus Klauenbad Desinfektions- / Reinigungsmittel, etc. in Gülle Ammonium / Ammoniak aus eiweißreichen Substraten, bzw. HTK Mykotoxine in stark verpilzten Silagen

16 Prozesshilfsstoffe Branntkalk CaO, gelöschter Kalk Ca(OH) 2 bei Übersäuerung ph-regulation Spurenelemente, sofern Mangel vorliegt Eisensalze zur Entschwefelung Tonminerale bei: - zu niedrigem TS-Gehalt - zu hohem Ammonium-Gehalt Enzyme bei hoher Viskosität und Schwimmschichten

17 Gärsubstrat-Eigenschaften

18 Flüchtige Fettsäuren Grenzwerte für flüchtige Fettsäuren mg/l Essigsäure < 2000 Propionsäure < 1000 Buttersäure < 500 Gesamtsäuren < 4000 Stoffwechselprodukte bewirken Hemmung der Biologie höheres Restgaspotential / schlechtere Substratausnutzung nicht Symptome bekämpfen! Ursachen für Anreicherung finden

19 Pufferkapazität Pufferkapazität gemessen als FOS/TAC-Wert basiert auf ph-stabilisierendem Carbonat/Hydrogencarbonat-, Ammonium/Ammoniak-Puffer (TAC) und Säurekonzentration (FOS) des Gärsubstrats reduziert Schwankungen des ph-wertes bei Säureanstieg ab Erhöhung der Pufferkapazität hilft Störungen abzuschwächen, aber nicht zu verhindern Güllearme Biogasanlagen haben in der Regel KEIN Problem mit der Pufferkapazität Ausnahme: Hohe Wasserzugabe

20 ph-wert Als Parameter zur kontinuierlichen Prozesskontrolle ungeeignet! ph 6,8-8,0 für Methanbildung benötigt zu niedriger ph-wert = Übersäuerung Ursachen ergründen notfalls kurzfristig aufkalken zu hoher ph-wert im Regelfall durch hohen Ammoniumgehalt Ration ändern weniger eiweißreiche Substrate bzw. HTK

21 Viskosität Hohe Viskosität führt zu reduzierter Leistungsfähigkeit der Fermenterbiologie Nährstoffverteilung eingeschränkt Abtransport von hemmenden Stoffwechselprodukten erschwert (H 2, flüchtige Fettsäuren) Durchmischung des gesamten Fermenters eingeschränkt (Nicht durchmischte Zonen)

22 Einfluss des Spurenelementgehaltes auf die Fermenterbiologie

23 Grundlagen der anaeroben Mineralisierung Anstieg des H 2 - Partialdruckes 1. Stufe: 2. Stufe: 3. Stufe: 4. Stufe: Hydrolytische Phase Acidogene Phase Acetogene Phase Methanogene Phase H 2 / CO 2 Störung Biomasse -Polysaccharide -Proteine Monomere - Monosaccharide - Aminosäuren Symbiose der Mikroorganismen Biogas CH 4 / CO 2 -Fette - Fettsäuren Carbonsäuren Essigsäure Alkohole Propionsäure

24 Vorversuch Spurenelementkonzentrationen in mg pro Element essentiell hemmend toxisch Bor x Cadmium (2,5) Eisen 0,1-10 Kobalt 0, Kupfer x Molybdän 0,005-0,2 Nickel 0, Selen 0,08-0,2 Wolfram 0,1-0,4 Zink x Blei 0, Chrom 0, Mangan 0, Falsch abgeschrieben Div. Literaturquellen

25 Hauptversuch 7,5 Laborversuch: Güllefreie Vergärung von Maissilage unter Zugabe von Prozesshilfsstoffen 7 ph-wert ph-wert 6,5 6 5,5 Variante 4, 5 und 6: Zugabe von verschiedenen Prozesshilfsstoffen z.t. ohne puffernde Substanzen mit Spurenelementen 5 4,5 Variante 1, 2 und 3: Zugabe von verschiedenen Prozesshilfsstoffen, u.a. puffernde Substanzen, ohne Spurenelemente Zeit Zeit (in d) d)

26 Laborversuche Wie wirkt sich ein Spurenelementmangel aus? Gasertragspotentialbestimmung 400 Akkumulierter Methanertrag [ml/kolben] Mit Spurenelementen unterversorgtes Gärsubstrat Mais-Monovergärung -Überlasteter Prozess -Zugabe von Maissilage 0 0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00 70,00 Zeit [d]

27 Laborversuche Wie wirkt sich ein Spurenelementmangel aus? Gasertragspotentialbestimmung 400 Akkumulierter Methanertrag [ml/kolben] Zugabe von Spurenelementen Schnellerer Abbau = höhere Leistungsfähigkeit der Fermenterbiologie (höhere Methanerträge) 0 0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00 70,00 Zeit [d] Mit Spurenelementen unterversorgtes Gärsubstrat Mais-Monovergärung -Überlasteter Prozess -Zugabe von Maissilage

28 Praxisversuch Praxisversuch Säureentwicklung von Fermenter 1 und Fermenter 2 S ä u r e [ p p m ] 8,000 7,000 6,000 5,000 4,000 3,000 2-wöchige Reduktion der Fütterung in Praxisanlage -Fütterung reduziert von 3,0kg auf <2,0 kg ots / (m³ * d) -2 identische Fermenter -Maissilage, Grassilage, Getreide, Rindergülle von 180GV 2,000 -Zielleistung 500kW el 1,000 0,000 -Aktuelle Leistung <300kW el -Ursache: Spurenelementmangel F1 HAC F1 Essigsäure F1 Propionsäure F2 HAC F2 Essigsäure F2 Propionsäure

29 Praxisversuch Praxisversuch Säureentwicklung von Fermenter 1 und Fermenter 2 S ä u r e [ p p m ] 8,000 7,000 6,000 5,000 4,000 3,000 Reduktion der Propionsäurekonzentration in den folgenden zwei Wochen bei konstanten Bedingungen -11,6% ohne Spurenelementzugabe (F2) -86,6% mit Spurenelementzugabe (F1) 2,000 1,000 0, F1 HAC F1 Essigsäure F1 Propionsäure F2 HAC F2 Essigsäure F2 Propionsäure

30 Praxisversuch Praxisversuch Säureentwicklung von Fermenter 1 und Fermenter 2 8,000 7,000 6,000 Fütterung erhöht bis >4 kg ots / (m³ * d) Leistungssteigerung um ca. 100% von <300kW el auf 650kW el 5,000 S ä u r e [ p p m ] 4,000 3,000 2,000 1,000 0, F1 HAC F1 Essigsäure F1 Propionsäure F2 HAC F2 Essigsäure F2 Propionsäure

31 Entwicklung eines Spurenelementmangels in der Praxis 160 Spurenelementversorgung (%) Theoretische Verweilzeit: 100 Tage 4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 Realisierbare Faulraumbelastung (kg ots/ (m³ * d)) Zeit (d) Ausreichende Versorgung

32 Entwicklung eines Spurenelementmangels in der Praxis 160 Spurenelementversorgung (%) Theoretische Verweilzeit: 100 Tage 4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 Realisierbare Faulraumbelastung (kg ots/ (m³ * d)) Zeit (d) Leichter Mangel Ausreichende Versorgung

33 Entwicklung eines Spurenelementmangels in der Praxis 160 Spurenelementversorgung (%) Theoretische Verweilzeit: 100 Tage 4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 Realisierbare Faulraumbelastung (kg ots/ (m³ * d)) Zeit (d) Starker Mangel Leichter Mangel Ausreichende Versorgung

34 Spurenelementmangel Liebig sches Gesetz des im Biogasprozess Minimums Minimumfaktor Realisierbare Faulraumbelastung Element 1-5 Element 6 Element 7 >4 kg ots / (m³ *d) 3,5 bis 4 kg ots / (m³ *d) 3 bis 3,5 kg ots / (m³ *d) 2 bis 3 kg ots / (m³ *d) Element 8

35 Die Bedeutung der Spurenelemente bei der Ertragssteigerung und Prozessstabilisierung Unterhalb einer Faulraumbelastung von 2 kg ots ist in NawaRo-Anlagen eine auf einem Spurenelementmangel basierende Hemmung unwahrscheinlich 1. Stufe: Hydrolytische Phase 2. Stufe: Acidogene Phase Anstieg des H 2 - Partialdruckes 3. Stufe: Acetogene Phase 4. Stufe: Methanogene Phase Mangel führt in der Regel zu Begrenzung der realisierbaren Faulraumbelastung Anstieg der Säurekonzentrationen, insbesondere Propionsäure Prozessdestabilisierung sinkender Gasqualität & Methanertrag erhöhter Substratbedarf Erhöhter Viskosität Biomasse -Polysaccharide -Proteine -Fette Carbonsäuren Alkohole H 2 / CO 2 Störung Monomere Essigsäure: Propionsäure-Verhältnis Biogas - Monosaccharide Symbiose der kleiner 2 : CH 4 / CO 2 - Aminosäuren Mikroorganismen 1 - Fettsäuren Propionsäure Essigsäure

36 >4 kg ots / (m³ *d) 3,5 bis 4 kg ots / (m³ *d) 3 bis 3,5 kg ots (m³ *d) 2 bis 3 kg ots / (m³ *d) Spurenelemente helfen nur, sofern ein Mangel vorliegt! Analytik im Vorfeld zwingend erforderlich! Bedarfsgerechter Mangelausgleich unerlässlich! Mangel kann schnell behoben werden!

37 Technische Parameter / Verfahrensweisen

38 Technische Parameter / Verfahrensweisen Zusammenhang zwischen substrat- und reaktorspezifischem Methanertrag

39 Zusammenhang zwischen substrat- und reaktorspezifischem Methanertrag Gasertrag des Fermenters steigt mit zunehmender Faulraumbelastung (bis Belastungsgrenze) substratspezifischer Gasertrag sinkt mit zunehmender Faulraumbelastung schlechtere Ausnutzung des Gärsubstrates steigendes Restgaspotential des Gärsubstrates basiert auf: reduzierter Verweilzeit Eigenhemmung der Fermenterbiologie durch Stoffwechselprodukte Anlagenindividueller Leistungsfähigkeit

40 Einfluss von Fermentertyp und Fermenterkaskade Technische Ausführung des Fermenters kann maximale Faulraumbelastung begrenzen Das Fermentervolumen beeinflusst die Verweilzeit und Faulraumbelastung direkt Erhöhung des Fermentervolumens führt zu: längerer Verweilzeit und somit besseren spezifischen Gaserträgen oder höheren Gaserträgen bei gleicher Belastung

41 Einfluss von Fermentertyp und Fermenterkaskade Leistungssteigerung bestehender Anlagen möglich durch: - direkte Substratbeschickung des Nachgärers - Entlastung des Hauptfermenters durch Rezirkulation Rezirkulation aus Nachgärer trägt bei zu: Prozessstabilisierung Verdünnung im Hauptfermenter + stellt Backup-System für Hauptfermenter dar Nachgärer und überdachtes Endlager tragen zu längeren Verweilzeiten und somit zu einer besserer Substratausnutzung bei

42 Temperatur Temperatur sollte stabil gehalten werden Selbsterwärmung beruht auf: - hoher Energiedichte der Substrate (wenig Flüssigkeit) - Isolation des Fermenters - Verhältnis aus Volumen und Oberfläche aktive Kühlung kann notwendig werden Temperaturschocks durch Zugabe großer Mengen kalter Substrate vermeiden Beeinflusst Viskosität und chemische Parameter (NH 3 )

43 Rührtechnik Nährstoff- und Hemmstoffverteilung Temperaturverteilung Rühren während der Substratzugabe Geeignete Technik - bei hoher Viskosität rühren Tauchmotorrührwerke auf der Stelle Sink- und Schwimmschichten vermeiden - bei Aufrühren von Sinkschichten droht starke Säurebildung Prozessabsturz

44 Substratzugabe Gleichmäßige Fütterung ohne Stoßbelastungen 48h Vorrat im Futtermischer kann zu beginnender Kompostierung führen Wägung der Inputsubstrate Bestimmung der organischen Trockensubstanz Langsames Steigern der Faulraumbelastung Prozessstörungen frühzeitig erkennen Fütterung LEICHT reduzieren, kein Fütterungsstopp!

45 Prozesssicherheit contra Leistung Biogasanlagen im Grenzbereich reagieren empfindlicher auf Prozessstörungen, da sie keine Reserven aufweisen Leistungssteigerung durch leicht erhöhte Faulraumbelastung kann schnell durch Prozesshemmung überkompensiert werden intensivere Prozesskontrolle notwendig

46 Fazit Nur durch Optimierung der miteinander vernetzten Faktoren ist ein bestmögliches Ergebnis (biologisch und wirtschaftlich) erzielbar Ein Mehr an Leistung ist langfristig stabil nur dann möglich, wenn die Biogasanlage Reserven aufweist, oder diese durch Prozessoptimierung geschaffen werden

47 Kontakt: Dipl.-Ing. agr. Daniel Preißler - Ab März 2009: preissler@osiris-bioenergie.de Prozessbiologische Optimierung, Anlagenbetreuung, Project Consulting