MONITORING LEITFADEN. zur Optimierung von anaerober Vergärung und Biomethan Anlagen. Effizienzsteigerung durch Prozessmonitoring

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1 MONITORING LEITFADEN zur Optimierung von anaerober Vergärung und Biomethan Anlagen Effizienzsteigerung durch Prozessmonitoring Das Verstehen von anaeroben Prozessen und deren Optimierungsmöglichkeiten ist der Schlüssel zu einem wirtschaftlichen, umweltschonenden und sicheren Betrieb. Co-funded by the intelligent Energy Europe Programme of the European Union 1

2 Inhalt 1. Gegenstand des Leitfadens Monitoring in Biogasanlagen Monitoring - Parameter Monitoringparameter empfohlene Parameter und Untersuchungshäufigkeit Substrate - Rohstoffe Fermentationsprozess Gärrest BIOGAS AUFBEREITUNG / BIOMETHANPRODUKTION Kosten und Nutzen des Monitoring von AD-Biogas und Biomethan Anlagen Typische Kosten von Analyse Geräten, Labor Analyse und Monitoring Verträgen Beispiel für wirtschaftlichen Nutzen bei Steigerung der Anlagenleistung aufgrund von Monitoring Allgemeine Anlagenparameter (Planung, Funktion und Leistung) Rechtliches / Haftungsausschluss: Die alleinige Verantwortung für den Inhalt dieses Berichts liegt bei den AutorInnen. Der Inhalt spiegelt nicht unbedingt die Meinung der Europäischen Union wider. Weder die Exekutivagentur für Wettbewerbsfähigkeit und Innovation noch die Europäische Kommission ist für den Gebrauch der hier enthaltenen Informationen verantwortlich. Die Informationen in diesem Bericht werden in gutem Glauben einem breiten Publikum zur Verfügung gestellt. Entsprechend dem Thema und der Vielfalt der Technologien, der Substrate, der Vorgangsweisen und Absatzmärkte, mussten viele Aspekte verallgemeinert werden. Die AutorInnen haften nicht, soweit gesetzlich zulässig, für etwaige Aufwendungen oder Verluste, einschließlich jeder besonderen, zufälligen, daraus folgenden oder ähnlichen Schäden oder Verlusten, die direkt oder indirekt infolge der Nutzung des Leitfadens oder darin enthaltener Informationen auftreten. Die Berichterstattung über kommerzielle Produkte oder Techniken, ihre Quellen oder deren Verwendung in Verbindung mit den darin angegebenen Materialien ist nicht als tatsächliche oder implizierte Befürwortung der Technologien, Produkte oder Dienstleistungen auszulegen. Urheberrecht: Ohne schriftliche Erlaubnis der AutorInnen ist weder die vollständige noch auszugsweise Kopie dieses Reports zulässig. 2

3 1. Gegenstand des Leitfadens Dieser Leitfaden beschreibt die Notwendigkeit und die Auswirkungen einer Umsetzung des entsprechenden Monitoring von Biogas und Biomethananlagen. Er gibt einen Überblick über zahlreiche Parameter sowie Stichprobenmethoden und Monitoringregeln, die für den eigentlichen Vergärungsvorgang selbst, für die vergorenen Substrate, für die entstehenden Gärreste und das erzeugte Biogas relevant sind. Es überschreitet den Rahmen dieses Handbuchs, Kontrollmaßnahmen, Systeme oder Regelungen zu bewerten, dennoch bietet es einen zusammenfassenden Überblick über typische Kontrollmaßnahmen, um die Funktionsweise der Biogasanlagen zu verbessern. Der Leitfaden liefert allgemeine Informationen zum Monitoring der wichtigsten Parameter und zur Steuerung einer Biogasanlage um: eine Optimierung hinsichtlich der hydraulischen und organischen Belastung von Substraten zu ermöglichen Flexibilität bei der Auswahl der Eingangssubstrate zu gewähren Abfälle (sofern Substrate als Abfälle klassifiziert sind) bestmöglich in der Biogasanlage zu behandeln den Wirkungsgrad der Biogas/Biomethanproduktion zu optimieren hochqualitative Gärreste und Biomethan zu liefern die Anlagenverfügbarkeit zu verbessern die Betriebskosten zu optimieren den ökologischen Nutzen der Anlage zu verbessern 3

4 2. Monitoring in Biogasanlagen Anaerobe Vergärung ist ein biochemischer Vorgang bei dem organische Materie/Biomasse unter Ausschluss von Sauerstoff, durch eine Serie von Reaktionen mit Hilfe verschiedener Gruppen von Mikroorganismen abgebaut wird. Aus diesen Prozessen entsteht neben den Gärrest auch Methan und Kohlendioxid (siehe Abbildung 1). Die verschiedenen Stufen des Verfahrens können gemeinsam innerhalb eines Behälters (Fermenter) ablaufen, oder getrennt in mehreren Behältern. Das erwünschte Resultat der Vergärung ist Methan, welches zur Umwandlung von erneuerbarer Energie zu elektrischem Strom, Wärme oder Fahrzeugtreibstoff verwendet werden kann. Der Gärrest enthält wertvolle Nährstoffe und kann als Dünger auf landwirtschaftliche Flächen ausgebracht werden. Biogasanlagen zur Verwertung organischer Abfälle und zur Biogaserzeugung sind eine umweltfreundliche, attraktive Technologie. Die Vorteile für die Umwelt reichen über Abfallbehandlung, Reduzierung der Umweltverschmutzung, Erzeugung von erneuerbaren Energien bis zur Verbesserung der landwirtschaftlichen Praxis. Den Einsatz und den Nutzen durch Gärreste und Nährstoffe zu erweitern ist derzeit Gegenstand weiterer Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten. Mehr als 8000 Biogasanlagen sind derzeit weltweit vorhanden (nicht mitgerechnet Klein- bzw. Mikroanlagen). Europa hat derzeit die größte installierte Leistung und der Einsatz wächst in manchen Regionen weiter. Der Schwerpunkt liegt auf der Verarbeitung biogener Reststoffe und in vielen Fällen auf der Erzeugung von Bioenergie aus Energiepflanzen. Laut IEA, wird derzeit Weltweit in 170 Biomethananlagen Biogas für die Einspeisung und für die Nutzung als Kraftstoff aufbereitet. Hydrolyse Komplexe organische Materialien (Kohlehydrate, Proteine und Fette) werden in kleinere Moleküle zerlegt Säurebildung/Fermentation Erzeugung von Wasserstoff, CO 2 und flüchtigen Fettsäuren (VFAs) Essigsäurebildung Alkohole und flüchtige Fettsäuren werden umgewandelt in Acetat, Wasserstoff und CO 2; Wasserstoff und CO 2 können auch wieder zu Acetat umgewandelt werden. Methanbildung Acetate, Wasserstoff und CO 2 werden zu Methan umgewandelt Abbildung 1: Vereinfachte Darstellung der verschiedenen Stufen im Vergärungsprozess 4

5 Der Vergärungsprozess kann durch eine Vielzahl von Prozessstörungen instabil werden: Anstieg der organischen oder hydraulischen Belastung Auftreten von toxischen oder hemmenden Verbindungen, die durch Schädigung der aktiven Mikroorganismen oder Verringerung der Wirksamkeit bzw. Aktivität der Enzyme die Fermentierung beeinträchtigen können Mangel an notwendigen Nährstoffe oder Spurenelemente zur Aufrechterhaltung und Wachstum der Mikroorganismen Abweichung von der optimalen Betriebstemperatur In vielen Fällen könnte die Prozessinstabilität durch Betreiben des Fermentierungsprozesses weit unterhalb der maximalen Kapazität mittels verringerten Substratdurchsatzes vermieden werden. Dies bedeutet jedoch, dass größere Anlagen als nötig gebaut wurden und somit mit höherem Kapitaleinsatzund Betriebskosten ökonomisch ineffizient betrieben werden. Es ist auch wichtig zu berücksichtigen dass die Mikroorganismen das organische Material nur dann optimal abbauen können, wenn die Milieubedingungen passend für die Mikroorganismen sind. Daher führen weder die Unterfütterung noch lange Verweilzeiten im Fermenter notwendigerweise zu einer besseren Umsetzung der Organik zu Biogas, da das Wachstum der mikrobiellen Kultur wegen des Mangels an Nährstoffen ebenfalls begrenzt wird. Wichtige Unterschiede entstehen auch durch die Vorbehandlung der Substrate (z.b. Lagerungsbedingungen oder komplexere Vorbehandlungen) zur Erhöhung ihrer Abbaugeschwindigkeit. Diese können einen direkten Einfluss auf beispielsweise ph-wert, Ammoniumgehalt und Fettsäuren haben. Darüber hinaus gibt es eine Reihe anderer Faktoren, die zur Effizienzbeurteilung beitragen. Regelmäßiges Monitoring kann einen wesentlichen Beitrag zu einem effizienten Betrieb einer Biogas- bzw. Biomethananlage leisten. Das Verstehen von effizienten Prozessen, und Verbesserungsmöglichkeiten ist der Schlüssel für Betreiber, um in der Lage zu sein, geeignete und wirksame Steuerungs/ Kontrollmaßnahmen zu ergreifen. Das kann mit einem Substratwechsel, der Zugabe von Säure bzw. Lauge, Nährstoffen und Spurenelementen, einer Änderung der organischen und hydraulischen Belastungsrate, Substratvorbehandlung oder Gärrestnachbehandlung sowie dem Betreiben eines Hilfsprozesses neben anderen Maßnahmen zur Ammoniakentfernung zusammenhängen. Zusätzlich zur Durchführung von Monitoring und Steuerungsmaßnahmen zur Verbesserung des Anlagenbetriebs und der Wirksamkeit, gibt es gute Gründe, die Qualität von Gärrest zu überwachen, um beispielsweise Bedingungen für Gärresteigenschaften zu erfüllen. Ebenfalls muss die Qualität von Biogas und Biomethan überprüft werden. 5

6 3. Monitoring - Parameter Innerhalb jeder Verfahrensstufe einer Biogas/Biomethananlage gibt es zahlreiche Parameter die überwacht werden können (Abbildung 2). Gekennzeichnete Monitoring Parameter wurden von den AutorInnen dieser Studie - basierend auf Literaturangaben als auch anhand jahrelanger Erfahrung in der Erforschung von Anaerober Vergärung und Biogasaufbereitung und Arbeiten mit großtechnischen Anlagen in Europa ausgewählt. Substrate allgemeine Anlagenparameter anärobe Vergärung Biogasreinigung und Veredelung / Anreicherung Gärrest Abbildung 2: Zusammenspiel der verschiedenen Stufen innerhalb einer AD und eine Biomethananlage Parameter sind nach der Verfahrensstufe der Biogas- und Biomethan-Anlage, in der sie gemessen werden können (Abbildung 3) unterschieden worden. Die Kombination aus einer Anzahl von diesen Parametern führt zu gutem Verständnis des Anlagenbetriebs und wird eine Reihe von Vorteilen, einschließlich der Optimierung der Biogas- und Biomethanerzeugung ermöglichen. Nicht alle Parameter müssen für alle Anlagen gemessen werden. Jedoch kann es in manchen Fällen notwendig sein, zusätzliche Parameter abhängig von den spezifischen Umständen zu messen. Insbesondere in Bezug auf die Biogasanlage, Substrate und Gärreste gibt es derzeit noch keinen einheitlichen Standard für ein geeignetes Monitoringsystem. Die in diesen Leitfaden angeführten Überprüfungsintervalle sind als unverbindliche Empfehlungen zu verstehen! Eine höhere Frequenz wäre vorteilhaft, jedoch ist klar, dass das mit zusätzlichen Kosten verbunden ist, wie z.b. durch externe Analyselaborkosten, Investitionen in Sensoren, Personalkosten, Sensorkalibrierung und Wartung. Sobald ein Monitoring System implementiert ist, besteht für den Betreiber die Notwendigkeit, Messdaten und biochemische Analysen zu interpretieren, sie dann zu korrelieren, mögliche Analysestörungen zu identifizieren und daraus über den Status der Anlage Schlüsse zu ziehen, so dass dann Regelungs- oder Optimierungsmaßnahmen umgesetzt werden können. All das sollte so rasch als möglich durchgeführt werden, da falsch eingestellte Parameter sich bald auf ein schlechtes Ergebnis der Vergärung auswirken. 6

7 Abbildung 3 zeigt mögliche Monitoring Aspekte zur Beurteilung der Leistung von Biogasanlagen auf. Das ideale Monitoring soll automatisiert sowie kontinuierlich durchgeführt werden und Echtzeit-Daten bereitstellen. Somit sind auch sofortige Steuerungs- und Kontrolleingriffe aus der Ferne möglich. Gegenwärtig können jedoch auf Grund technischer Schwierigkeiten und aus Kostengründen nicht alle wichtigen Parameter kontinuierlich und in Echtzeit gemessen und erfasst werden. Substrate Fermentation Gärrest Aufbereitung Organische Trockensubstanz Spurenelemente Gesamtsickstoff Kohlehydrate, Proteine und Lipide mögliche Gift- oder Hemmstoffe für Pflanzen, Tiere und mikrobielle Rezeptoren (z.b. Schwermetalle) ph physikalische Verunreinigungen (Glas / Plastik, etc.) Pathogene/ Krankheitserreger Biozide Biogas oder Methan Potenzial Organische und hydraulische Belastung Verweildauer Trockensubstanz und Organische Trockensubstanz C:N Wert Organisch Stickstoff und Ammonium ph Temperatur Volatile Fettsäuren (gesamt and Artenbildung, einschließlich lange Ketten) Makro and Mikronährstoffe Biogas Durchfluss Zusammensetzung (CH 4, CO 2, O 2, NH 3, H 2 S und H 2 ) Organische Trockensubstanz N, P, K, Na, Ca, Mg und S Gehalt Gesamttrockensubstanz Gesamttrockensubstanz Pathogene/Krankheitserreger Biogas und Biomethan Strömungsrate Gasgehalt bezüglich CH 4, CO 2, O 2, H 2 S, H 2 O und NH 3 sonstige Inhalte Partikel, Siloxane, flüchtige organische, Mercaptane, Sauerstoff und Halogene Brennwert und Wobbe Kennzahl Abbildung 3: Monitoring Parameter für jede Verfahrensstufe zum Betrieb einer Biogasanlage 7

8 Der Erfolg jedes Prozessüberwachungssystems ist auch durch die entsprechende Anordnung von Sensoren und ausreichende Probenentnahme oder Protokolle bestimmt. Die Positionierung des Sensors/der Sonde oder der Entnahmestelle ist ebenfalls ein wichtiges Kriterium. Bei der Platzierung der Sensoren in Kontakt mit festen und flüssigen Substraten ist eine verstärkte Verschmutzung wahrscheinlich. Die Reinigung und Wartung der Sensoren muss regelmäßig und häufig durchgeführt werden (außer es gibt eine Sensor Selbstreinigung). Sensoren können auch an Stellen platziert werden, wo die Inhalte des Fermenters schlecht durchmischt sind, oder einige anorganische Materialablagerungen auftreten, oder an der Oberseite des Fermenters, wo Schaum und Krustenbildung die Messungen beeinflussen (es sei denn der Sensor soll gerade diese speziellen Bedingungen messen). Aus diesen Gründen muss die Positionierung der Probenentnahme und Sensoren gut durchdacht werden. Probenentnahme an mehreren Stellen, mehrfach-parameter und häufige Überwachung gelten als gute Strategie, um Proben-Heterogenität, Sensorverschmutzung und andere Störungen auszugleichen. Bei der Auswahl der Messmethode sollte man die erforderliche Messgenauigkeit und die Qualität der Instrumente beachten. Instrumente, die in diesem Bereich eingesetzt werden, müssen häufiger gewartet werden. Besonderes Augenmerk ist auf das jeweilige Messprinzip und mögliche Interferenzen zu legen. Die Messinstrumente sollten nur in Messumgebungen eingesetzt werden für die sie konstruiert wurden. Das Monitoring kann prinzipiell in 3 Phasen eingeteilt werden: 1) Inbetriebnahme 2) Normalbetrieb 3) Herunterfahren Jede Betriebsphase hat in Hinblick auf die Überwachung besondere Erfordernisse. Bei der Inbetriebnahme einer Anlage sollte ein Monitoringsystem mit häufigerer Probenentnahme gewählt werden. Die Monitoring Häufigkeit im Normalbetrieb bei nahezu unveränderten Betriebsbedingungen (z.b. keine Änderung der Substratqualität) kann reduziert werden. Speziell bei Änderungen der Betriebssituation ist die Frequenz der Monitoringaktivitäten wieder zu erhöhen. Speziell bei massiver Änderungen der Substratzusammensetzung kann es möglicherweise mehrere Monate (etwa 3 hydraulische Verweilzeiten) dauern bis die Biogasanlage wieder mit stabilen Betriebsbedingungen läuft. 8

9 4. Monitoringparameter empfohlene Parameter und Untersuchungshäufigkeit 4.1 Substrate - Rohstoffe Die anaerobe Behandlung zahlreicher Substrate wie Klärschlamm, biogene kommunale Abfälle, landwirtschaftliche Reststoffe (Gülle, nachwachsende Rohstoffe) und verschiedene andere Industrieabfälle ist Stand der Technik. Zahlreiche weitere organische Materialien eignen sich ebenfalls relativ gut zur Vergärung. Einen wichtigen Punkt in diesem Zusammenhang stellt die chemische Charakterisierung des Einsatzmaterials dar. Speziell bei Abfallbehandlungsanlagen setzt sich das Inputmaterial aus unterschiedlichsten Stoffströmen zusammen. Hierbei ist zu betonen, dass ein stabiler und sicherer Betrieb nur bei ausreichender Kenntnis der Zusammensetzung der Substrate gegeben ist. Es wird daher angeraten die entsprechenden Substrate auf TS, ots, TKN, N-NH 4 und gegebenenfalls auf CSB und FFS hin untersuchen zu lassen. Beim Zusammenführen unterschiedlicher Substrate ist auch darauf zu achten, dass speziell proteinreiche Fraktionen (wie z.b. Hühnerkot, Blut, Schlachthausabfälle und andere proteinreiche vergärbare Industrieabfälle) zu einer Stickstoffanreicherung führen und somit eine mögliche Prozessinhibierung durch das Zusammenspiel von erhöhtem ph-wert und freiem Stickstoff (NH 4 -N) hervorrufen können. Die Zusammensetzung und Mischverhältnisse von Inputmaterialien sollten möglichst konstant gehalten werden. Zusätzlich sollte bei der Anlieferung die allgemeine Qualität des Substrates beurteilt werden bzw. auch die Herkunft hinterfragt werden. Bei der Anlieferung sollte das Substrat auch auf langfasriges Material oder Verunreinigungen (z.b. Eintrag von Erde durch zu geringe Schnitttiefe) vermieden werden. Parameter ph-wert TS ots Biogasertragspotential Nährstoffe (N, P, K) Gesamtstickstoff TKN Schwermetalle Organische Schadstoffe (Biozide, Antibiotika, Desinfektionsmittel, etc.) empfohlene Untersuchungshäufigkeit Vor dem ersten Einbringen in den Fermenter bzw. wenn sich die Herkunft des Rohstoffs verändert bzw. unbekannt ist; eine TS- und ots-bestimmung ist wöchentlich zu empfehlen; stichprobenweise sollte jedenfalls 1 x jährlich eine Analyse durchgeführt werden; 9

10 4.2 Fermentationsprozess Klasse A Optimierte Biogasanlage - Betrieb auf konstantem/ stationärem Zustand Geringes Risiko Die Biogasanlage wird bei niedriger Faulraumbelastung und ausreichend hoher hydraulischer Verweilzeit betrieben. Änderungen in der Substratzusammensetzung erfolgen nur selten und der Substratmix bleibt über einen langen Zeitraum unverändert. Abhängig von Art und Qualität der eingesetzten Substrate ist die Häufigkeit der Überprüfung der nachfolgend aufgelisteten Parameter individuell anzupassen. Die Auflistung ist eine unverbindliche Empfehlung! Parameter Fermentertemperatur Zusammensetzung Biogas (CH 4, CO 2, H 2 S, O 2 ) ph-wert Gehalt an flüchtigen Fettsäuren Gesamt Gehalt an NH 4 Alkalität (Biocarbonat) / Pufferkapazität Spurenelemente (Kobalt, Nickel, Selen, Molybdän, Eisen, Wolfram) Organische Schadstoffe (Biozide, Antibiotika, Desinfektionsmittel, etc.) empfohlene Untersuchungshäufigkeit täglich täglich wöchentlich monatlich (gelegentlich), bzw. wenn sich Änderungen im Prozess bemerkbar machen monatlich / wöchentlich monatlich jährlich jährlich Klasse B Biogasanlage die mit instationären Bedingungen betrieben wird Mittleres Risiko Die Biogasanlage wird grundsätzlich bei niedriger Faulraumbelastung und ausreichend hoher hydraulischer Verweilzeit betrieben. Jedoch kann es durch eine Änderung der Substratzusammensetzung zeitweise zu einer starken Erhöhung der organischen Faulraumbelastung kommen. Abhängig von Art und Qualität der eingesetzten Substrate ist die Häufigkeit der Überprüfung der nachfolgend aufgelisteten Parameter individuell anzupassen. Die Auflistung ist eine unverbindliche Empfehlung! Parameter Biogasertrag Fermentertemperatur Zusammensetzung Biogas (CH 4, CO 2, H 2 S, O 2 ) Gehalt an flüchtigen Fettsäuren Gesamt ph-wert Alkalität (Biocarbonat) / Pufferkapazität Gehalt an NH 4 Spurenelemente (Kobalt, Nickel, Selen, Molybdän, Eisen, Wolfram) Organische Schadstoffe (Biozide, Antibiotika, Desinfektionsmittel, etc.) empfohlene Untersuchungshäufigkeit laufend (online) täglich täglich 3 x wöchentlich 3 x wöchentlich 3 x wöchentlich 3 x wöchentlich mehrmals (3-4 x jährlich) jährlich 10

11 Klasse C Biogasnlage bei maximaler Belastung (geringe hydraulische Verweilzeit, häufige Änderung der Substratzusammensetzung) Hohes Risiko Das Risiko eines möglichen instabilen Betriebes ist gegeben. Die Biogasanlage wird bei maximaler Faulraumbelastung und minimaler hydraulischer Verweilzeit betrieben. Änderungen in der Substratzusammensetzung erfolgen laufend und die Qualität der eingesetzten Substrate ändert sich häufig oder ist für den Betreiber nicht gut einschätzbar. Abhängig von Art und Qualität der eingesetzten Substrate ist die Häufigkeit der Überprüfung der nachfolgend aufgelisteten Parameter individuell anzupassen. Die Auflistung ist eine unverbindliche Empfehlung! Parameter Biogasertrag Zusammensetzung Biogas (CH 4, CO 2, H 2 S, O 2 ) Fermentertemperatur Alkalität (Biocarbonat) / Pufferkapazität Abbaugrad Organik Gehalt an flüchtigen Fettsäuren Gesamt ph-wert Gehalt an NH 4 Spurenelemente (Kobalt, Nickel, Selen, Molybdän, Eisen, Wolfram) Organische Schadstoffe (Biozide, Antibiotika, Desinfektionsmittel, etc.) empfohlene Untersuchungshäufigkeit laufend, online laufend, online täglich täglich täglich täglich 3 x wöchentlich 3 x wöchentlich mehrmals (3-4x jährlich) jährlich 11

12 Mithilfe der nachfolgenden Tabelle kann auf eine sehr einfache Weise der Zustand einer Biogasanlage beurteilt werden. Es muss hier aber angemerkt werden, dass die Werte in erster Linie der Orientierung dienen. Des Weiteren muss eine Anlage, deren Werte sich im roten Bereich befinden, nicht zwangsläufig gefährdet sein. Die Tabelle hat die Funktion einer Ampel, die Farben werden nachfolgend kurz erläutert: WICHTIG: Regelmäßiges Monitoring ist eine Grundvoraufsetzung für eine effiziente Prozesskontrolle, damit man Trends erkennen kann. Ein einzelner Wert (eine einzelne Analyse) hat nur eine sehr geringe Aussagekraft! GRÜN: Günstiger Fermenterzustand, bei sehr regelmäßiger Beschickung ist eine häufige Überwachung nicht notwendig. GELB: Tolerabler Wertebereich mit ersten Stressreaktionen der Mikroorganismen; Es liegt im Interesse des Betreibers die Betriebsweise und Überwachung so zu wählen, um wieder in den grünen Bereich zu kommen. ROT: Instabiler Prozesszustand, die Zwischenprodukte (z.b. Fettsäuren) können nicht abgebaut werden, es besteht die Gefahr der Übersäuerung oder anderer Hemmungen. Es sind regelmäßige Untersuchungen und nach Absprache eine Änderung der Prozessbedingungen notwendig. grün gelb rot ph [ - ] 7,5 8,2 7,2 7,5 < 7,2; > 8,2 Freie flüchtige Fettsäuren [mg/l] < > (VFA) gesamt Essigsäure [mg/l] < > Propionsäure [mg/l] < > i-buttersäure [mg/l] < > 200 Buttersäure [mg/l] < > 100 i-valeriansäure [mg/l] < > 100 Valeriansäure [mg/l] < > 100 Undissoziierte freie [mg/l] < 5,5 2,5-10 > 10 flüchtige Fettsäuren (UFA) gesamt NH 4 -Stickstoff [mg/l] < > NH 3 [mg/l] < > TS [%] 4-8 < 4; 8-10 > 10,5 ots [%] < 6 6 8,3 > 8,3 12

13 4.3 Gärrest Im Zuge der Methangärung werden die chemisch-physikalischen Eigenschaften bzw. das Emissionsverhalten von organischen Abfällen durch Verkleinerung der Partikelgröße, weitgehenden Abbau der organischen Bestandteile, Aufschluss potentieller Pflanzennährstoffe, Verbesserung des Entwässerungsvermögens, weitestgehende Geruchsreduzierung und verfahrensabhängig partielle Hygienisierung entscheidend verbessert. Grundsätzlich wird der Kohlenstoffanteil des Substrates im Zuge der Methangärung zum überwiegenden Teil zu Biogas umgesetzt. Der Gärrest kann entweder ohne weitere Behandlung gelagert oder durch Separation in eine feste und eine flüssige Phase getrennt werden. Das vergorene organische Material (Gärrest) besteht je nach Biogasverfahren zu etwa 80 bis 95% aus Restwasser. Dieses enthält gelöste, unabgebaute bzw. im Zuge der Mineralisierung entstandene, anorganische bzw. organische Verbindungen. Der Feststoffanteil des Gärrestes enthält unlösliche, unabgebaute, organische und anorganische Komponenten sowie den Großteil der für den Biogasprozess verantwortlichen Bakterien-Mischkultur. Welche einzelnen Parameter untersucht werden müssen, hängen von verschiedenen Rahmenbedingungen ab und sind von Land zu Land unterschiedlich geregelt. Eine Abstimmung mit den jeweils zuständigen lokalen Behörden ist unumgänglich. Üblicherweise erfolgt eine Überprüfung der verschiedenen Parameter durch geeignete und zertifizierte Labors. Die folgende Auflistung stellt eine unverbindliche Empfehlung für den Biogasanlagenbetreiber dar. Parameter Abbaugrad Organik ph-wert Spurenelemente (Kobalt, Nickel, Selen, Molybdän, Eisen, Wolfram) Salzgehalt Spezifisches Gewicht TS ots csb Schwermetalle Nährstoffe (N, P, K) Organische Säuren Gesamtstickstoff, Ammoniumstickstoff Hygieneparameter (Salmonellen, E coli, Enterococci) empfohlene Untersuchungshäufigkeit jährlich (bei Abfallvergärung mind. 2 x jährlich) 13

14 4.4 Biogas Aufbereitung / Biomethanproduktion Neben der Nutzung von Biogas zur Produktion von Strom und Wärme durch eine Kraft-Wärme- Koppelung ist die Einspeisung von aufbereitetem Biogas (Biomethan) in das öffentliche Gasnetz Stand der Technik. Das im Fermenter produzierte Biogas ist einerseits mit Wasserdampf beladen und muss zur Einspeisung in das Gasnetz zunächst einmal getrocknet werden. Abhängig vom Schwefelgehalt des Rohmaterials, der hydraulischen Verweilzeit, den organischen Bestandteilen etc. variiert darüber hinaus die Qualität des Biogases (Zusammensetzung aus CH 4, CO 2, H 2 S) durchaus signifikant. Der Schwefelwasserstoffgehalt (H 2 S) kann dabei zwischen nahezu Null und 3% (wenn sehr schwefelhaltige Rohmaterialien genutzt werden) schwanken. Wenn Klärschlamm zur Biogasproduktion eingesetzt wird, muss zusätzlich auf Siloxane geachtet werden, welche Probleme in den Motoren verursachen können. Verschiedene Prozesse zur Entschwefelung des Biogases sind bereits verfügbar. Auf der einen Seite kann der Schwefelwasserstoffgehalt bereits im Fermenter reduziert werden. Dieser Schritt wird üblicherweise durch das Hinzufügen diverser Eisensalze direkt in den Fermenter unterstützt. Weiters kann Schwefelwasserstoff durch teilweise direkte Oxidation reduziert werden. In diesem Fall wird Sauerstoff (Luft) direkt in den Fermenter eingeblasen, um den Schwefelwasserstoff mittels des Stoffwechsels der im Fermenter ansässigen Bakterien zu zersetzen. Der Schwefel verbleibt in beiden Fällen als Elementarschwefel, Sulfit oder Sulfat im Schlamm und verlässt das System über den Gärrest. Andererseits kann der Schwefelwasserstoffgehalt im Biogas außerhalb des Fermenters reduziert werden. Dieser Vorgang kann mittels biologischer Entschwefelung (Schwefeloxidation mit Hilfe von Bakterien, durch Luftzuführung), chemischer Entschwefelung (Abbau mittels dafür geeigneten chemischen Lösungen oder chemischer Oxidationsmittel), mittels Aktivkohle oder eines chemisch wirksamen Adsorptionsmittels (Eisenoxid, Zinkoxid) erfolgen. Die Adsorption von Schwefelwasserstoff führt üblicherweise für Biogas zu hohen spezifischen Kosten. Weshalb dieses Verfahren überwiegend zur Endreinigung eingesetzt wird. Nicht alle genannten Entschwefelungsverfahren sind vorteilhaft, wenn man Biogas zur Einspeisung in das Erdgasnetz konditionieren möchte. Im Wesentlichen ist auf die Einblasung von Luft zu verzichten, um dem Biogas nicht die zusätzliche Verunreinigung Stickstoff beizumischen, die in späteren Schritten kaum oder nur noch mühsam entfernt werden kann. Nach der Entschwefelung ist die Anreicherung von Methan im Biogas einer der wichtigsten Schritte. Dieser Prozessschritt wird hauptsächlich durch das Entfernen von Kohlendioxid (CO 2 ) und der Feuchte charakterisiert. Hier sind heute wiederum verschiedenste Technologien kommerziell verfügbar. Diese umfassen die Druck-Wechsel-Absorption (PSA-Absorption von CO 2 und H 2 O mittels Molekularsieb), die drucklose Gaswäsche mit Aminlösungen wie MEA, MDEA, die Druckwasserwäsche, oder die Trennung des Gasgemisches mittels Membranverfahren (Gaspermeation die einzelnen Gasbestandteile werden durch Anwendung einer Polymer-Membran selektiv voneinander getrennt). Detailinformationen zu diesen Technologien sind der Broschüre ÜBERBLICK ÜBER BIOGASAUFBEREITUNGS-TECHNOLOGIEN ZUR PRODUKTION VON BIOMETHAN ( und zu entnehmen. 14

15 Sobald das Biogas für die Einspeisung in das öffentliche Gasnetz oder als Treibstoff aufbereitet wurde, ist zum Nachweis der Produktqualität die Einhaltung einer Reihe von Kontrollparametern von größter Wichtigkeit. Diese Parameter hängen nicht vom gewählten Aufbereitungsverfahren sondern von der geplanten Nutzung des Biomethans ab. Die folgenden Qualitätsparameter des produzierten Biomethans müssen ermittelt und deren Übereinstimmung mit den gesetzlichen Richtlinien müssen bestätigt werden, um die minimalen Anforderungen für die Einspeisung in ein Erdgasnetz zu erfüllen. Die Messung des Volumenstroms ist dabei keine gesetzliche Richtlinie, sondern ist zur Abrechnung mit dem Gasnetzbetreiber unbedingt erforderlich. Parameter Einheit empfohlene Untersuchungshäufigkeit Biomethan Volumenstrom m³/h regelmäßig Biomethan CH 4 -Gehalt %v/v trocken regelmäßig Biomethan CO 2 -c Gehalt %v/v trocken regelmäßig Biomethan O 2 - Gehalt %v/v trocken regelmäßig Biomethan H 2 S- Gehalt mg/m³, ppmv regelmäßig Biomethan H 2 O- Gehalt %v/v, ppmv, Taupunkt regelmäßig Die minimalen Anforderungen der anlagenspezifischen Parameter geben dem Besitzer und Betreiber einen Überblick über den Verbrauch des Aufbereitungsverfahrens und damit einen Einblick in die Effizienz und Wirtschaftlichkeit der Anlage. Parameter Einheit empfohlene Untersuchungshäufigkeit elektrischer Energieverbrauch insgesamt kwh el regelmäßig Wärmeenergieverbrauch kwh th regelmäßig Kühlenergieverbrauch kwh th regelmäßig 15

16 4.5 Kosten und Nutzen des Monitoring von AD-Biogas und Biomethan Anlagen Monetäre Überlegungen spielen beim Betrieb einer Biogasanlage eine wichtige Rolle. Vorzüge eines guten Monitoring wurden zu Anfangs erläutert. Auf Grund der heterogenen Verhältnisse von Anlagen, deren Auslegung und individuellen Gegebenheiten der Anlage, ist es schwierig konkrete Monitoring-Kosten für alle erdenklichen Arten von Biogasanlagen zu nennen. Des Weiteren ist es aus verschiedenen Gründen schwierig Informationen über reale Kosten für Monitoring-Sensoren, Analysegeräten und Anlagenüberwachungsverträgen von den jeweiligen Lieferanten, Anlagenplanern und Betreibern zu bekommen. Eine Auswahl von Informationen zu den Kosten wurde jedoch aus einer Reihe von europäischen Ländern erhoben und hier zusammengefasst. Dabei handelt es sich einerseits um Kosten für analytische Instrumente und Kosten für typische Laboranalysen Typische Kosten von Analyse Geräten, Labor Analyse und Monitoring Verträgen. Die am häufigsten verwendeten Echtzeit-Analysgeräte messen Biogas, Biomethan Durchflussmengen und die Gas-Zusammensetzung. Die Investitionskosten für Mehrkomponenten-Gas-Messgeräte, welche die Gaskonzentrationen von CH 4, CO 2, O 2 und H 2 S messen, variieren von ,- bis ,- je nach Analyseverfahren und Genauigkeit, ob offline oder fortlaufend gemessen wird und ob eine automatisierte Kalibrierung und Gas Trocknung durchgeführt werden. Messgeräte für Biogas und Biomethan Volumenstrom-Messung kosten rund 5.000,- bis ,- je nach Gas Durchfluss. Die Messung des ph-wertes kann in der Regel entweder in Echtzeit direkt oder ex-situ durchgeführt werden. Die Kosten der ph-sonden liegen bei rund 300, jedoch die Signalgeber Box erfordert zusätzlich 700,- bis 900,-. Ex-situ-Analysen können in der Regel mit für Monitoring von Rohstoffen, Fermenterinhalten und Gärrestmerkmalen relevanten biochemischen Parametern durchgeführt werden. Diese Analysen können mit Analysegeräten oder Analysemethoden vor Ort oder per Probensendung an externe Labors durchgeführt werden. Zum Beispiel kann die Anschaffung eines flüchtige Fettsäuren-Analysegerätes, welches die Konzentrationen einer Reihe von flüchtigen Fettsäuren einschließlich Essigsäure, Buttersäure und Propionsäure misst, ca ,- kosten, während die Kosten eines Titriergerät zur Messung von Alkalinität und sämtlichen flüchtigen Fettsäuren in der Größenordnung von 1.700,- bis 3.800,- liegen. Zusätzliche Betriebskosten sind mit der Durchführung dieser Analysen, den Verbrauchsmaterialien, der Wartung und der Arbeitszeit des Betriebspersonals verbunden. Nicht jedes Analysegerät wird sich hinsichtlich seiner Beschaffungskosten rentieren. Daher werden im Regelfall Kosten für Laboranalysen fällig. Diese können in Form von Einzelanalysen oder in Rahmen von Monitoring Verträgen anfallen. 16

17 Einjährige Verträge für Anlagenmonitoring variieren in Inhalt und Umfang und daher auch hinsichtlich Kosten. Diese Verträge dienen unter anderem zur Vermeidung von Ausfallszeiten, als Nachweis gesetzlicher Emissionswerte, zur allgemeinen Anlagenoptimierung und liegen preislich in der Größenordnung von 5.000,- bis ,- pro Jahr. Wobei hier die kostspieligeren Verträge die kontinuierliche Optimierung der Anlage, basierend auf technischer Beratung und Laboranalysen, beinhaltet. Die folgende Tabelle fasst die Kosten ausgewählter Labors in Österreich zusammen. Diese Werte sollten jedoch nur als Anhaltspunkt dienen. Rahmenverträge, Rabatte, Methoden sowie dessen Genauigkeit können zu Abweichungen der angeführten Werte führen. Kosten für die Analyse der relevanten Parameter durch externe Labors (Kosten pro Probe, sofern nicht anders angegeben) Parameter Labor-Analyse-Kosten Biogasertragspotenzial/ Ausgärversuch/ Gärresttest Biogaszusammensetzung (CH 4, CO 2, H 2 S, O 2 ) / Verbindung ph-wert 5-9 TS (Trockensubstanzgehalt) ots CSD Chemischer Sauerstoffbedarf Gesamtstickstoff TKN Gehalt an NH 4 30 Gehalt an flüchtigen Fettsäuren Gesamt Schwermetalle (As, Cd, Cr, Cu, Ni, Pb und Zn) 65 Spurenelemente (Kobalt, Nickel, Selen, Molybdän, Eisen, Wolfram) 135 für alle Hinweis: Die Analysen werden in der Regel in dreifacher Ausführung durchgeführt und Kostet enthalten keine Steuern. In der Regel kann für langfristige Monitoring Verträge oder Mehrfachproben 10-20% Rabatt. Manche Labors haben auch Mindestgebühren. 17

18 4.5.2 Beispiel für wirtschaftlichen Nutzen bei Steigerung der Anlagenleistung aufgrund von Monitoring Anhand eines vereinfachten Beispiels für Österreich typischen Biogasanlage, werden hier die Kostenvorteile demonstriert, wenn sich die Biogas Produktion aufgrund des Monitoring erhöht. Agrarrohstoffbasierte Biogasanlage (Betrieb in Österreich) Nennleistung 500kW Substrate Schweinegülle (1600 Tonnen) Klee (175 Tonnen) Energiepflanzen (Mais-Ganzpflanzensilage 8500 Tonnen) Einspeisetarif 170,2/MWh Eingespeister Ökostrom MWh Biogasertrag/ Tonne ots 600 m³/ t odm Wärmeerlös 22,5 / MWh Verkaufbare Wärmemenge MWh Preis f. Ganzpflanzensilage 62,5 /t TS Investitionskosten ,- Die Berechnung der Wirtschaftlichkeit erfolgte mittels einer dynamischen Betrachtung. In der Berechnung nicht berücksichtigt ist eine eventuelle Versteuerung der jährlichen Gewinne. Das Ergebnis wird in der Berechnung als Ergebnis vor Steuer dargestellt. Die Ersatzinvestitionen nach Ende der Nutzungszeit werden über kurzfristige Kredite finanziert, ohne Berücksichtigung einer eventuellen Eigenfinanzierung durch gebildete Rücklagen. Als Betrachtungszeitraum für die Wirtschaftlichkeitsberechnung wurden 15 Jahre gewählt. In der Wirtschaftlichkeitsberechnung wurde der Restbuchwert der Biogasanlage nach Ende der Lebensdauer, nicht berücksichtigt. Basis 10% mehr Gasertrag 20% mehr Gasertrag Betriebsergebnis (vor Steuern) 268,925,- 340,911,- 418,898,- Gewinnsteigerung 71,986,- 149,973,- Wie aus der o.a. Business Case Berechnung ersichtlich kann durch eine Steigerung der Biogasproduktion um 10 % ein zusätzlicher jährlicher Gewinn von rund ,- erzielt werden. Bei einer Steigerung der Gasproduktivität um 20 % kann der Jahresgewinn sogar rund ,- gesteigert werden. Zusammenfassend kann gesagt werden, dass durch ein zielgerichtetes Monitoring der Biogasanlage und der daraus resultierenden Ertragsoptimierung eine deutliche Gewinnsteigerung der Anlage erreicht werden kann. Bei jährlichen Ausgaben für das Monitoring von rund ,- und die Investition in ein schlagfertiges Anlagenmonitoring rentiert sich der Aufwand bereits nach wenigen Monaten. 18

19 5. Allgemeine Anlagenparameter (Planung, Funktion und Leistung) Biogasanlagen werden allgemein durch zahlreiche Parameter beschrieben. Diese beschreiben Planungsparameter, typische Betriebsfunktion und beinhalten Jahresproduktion und Jahresenergieverbrauch. Diese Information dient normalerweise zur Zusammenfassung des Anlagenprofils und erlaubt ein Bewerten/Vergleichen von Prozessen und Anlagen. Diese Daten werden in der Regel in der Planungsphase erarbeitet und basieren auf der geplanten Leistung, kann aber geändert werden, wenn sich Substrate, Leistung und Prozessverhalten verändern. Auf diese Parameter wird in diesem Leitfaden nicht näher eingegangen. Die Organische Faulraumbelastung [kg ots/m³d] und Hydraulische Verweilzeit [Tage] sind wichtige Parameter für die Planung und überschlägige Überprüfung der Biogasanlage. Jedoch sind diese Parameter keine speziellen Monitoringparameter. Diese Werte sollten bei einem Substratwechsel berechnet und überprüft werden. Viel Erfolg bei Ihrem Biogasanlagen-Monitoring! Förderung von Biomethan und seiner Marktentwicklung durch lokale und regionale Partnerschaften Ein Projekt im Rahmen des Intelligent Energy Europe Programms Vertrag Nummer: IEE/10/130; Deliverable Referenz: Task 5.2; Abgabe Date: Juli 2013 Impressum Aus Gründen der Vereinfachung und besseren Lesbarkeit wird in dieser Broschüre teilweise nur die männliche oder weibliche Form verwendet. Inhalt: Sandra Esteves, Sustainable Environment Research Centre, University of Glamorgan (Wales, UK), DI Dr Michael Harasek (TU Wien), DI Martin Miltner (TU Wien), Ing. Karl Puchas (Lokale Energieagentur LEA GmbH), DI MMag Sascha Flesch (LEV), Konzept: Ing. Karl Puchas (Lokale Energieagentur LEA GmbH), DI MMag Sascha Flesch (LEV) Satz/Layout/Grafik: Mag. a Eva Stathopoulos, Andrea Klammer (LEV), Harald Pierer (Pierer-Grafik-Design-Digitaldruck) Druck- und Satzfehler vorbehalten. Stand: 07/2013, Auflage 100 Stück Co-funded by the intelligent Energy Europe Programme of the European Union 19

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