Biogasanlagentechnik und Betriebsweise - Stand und Perspektiven -

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1 22. Hülsenberger Gespräche 2008 Lübeck, Mai 2008 Biogasanlagentechnik und Betriebsweise - Stand und Perspektiven - P. Weiland Johann Heinrich von Thünen-Institut (vti) Bundesforschungsinstitut für Ländliche Räume, Wald und Fischerei

2 Inhalt Einleitung Substrate Anlagentechnik Nassvergärung Trockenvergärung Betriebsweise Aktuelle Entwicklungstendenzen Zusammenfassung

3 Entwicklung Zahl der Biogasanlagen Zahl der Anlagen

4 Häufigkeit Substrateinsatz 15% 2% 83% NawaRo und Wirtschaftsdünger Reine NawaRo Reine Wirtschaftsdünger

5 Einsatz nachwachsender Rohstoffe (Inbetriebnahme ) 100 Einsatzhäufigkeit [%] Über 90 % der seit 2004 errichteten Biogasanlagen setzen Maissilage ein 10 0 Mais Getreide G-GPS Grassilage Gras CCM K-Mais Sonnenbl. Energiepflanzenart

6 Massenanteil Energiepflanzen am Substratinput (Inbetriebnahme ) Relative Häufigkeit [%] Bei 2/3 der Biogasanlagen besteht der Anlageninput zu über 50 % aus NawaRo s Massenanteil Energiepflanzen am Substratinput [%]

7 Massenanteile NawaRo am Gesamtsubstrat Getreide GPS Gras Maissilage Grassilage Getreideschrot CCM Mittlerer Massenanteil [%] 51 8,9 7,7 4,3 3,7 2,1 Minimum 6,7 0,15 0,7 2,7 0,25 0,38 Maximum ,0 11 3,5

8 Einsatz von Nass- und Trockenvergärungsverfahren ( ) Relative Häufigkeit [%] Biogasanlagen ab 2004 Nassvergärung Trockenvergärung Nassvergärung Trockenvergärung mit Wirtschaftsdünger ohne Wirtschaftsdünger Vergärungstechnik

9 Reaktorsysteme Relative Häufigkeit [%] stehend liegend Kombination Reaktorsystem

10 Verwendete Eintragssysteme für Energiepflanzen ( ) Relative Häufigkeit [%] über Vorgrube Schnecke Kolben Einspülschacht NaWaRo-Zugabe in Fermenter

11 Fest-/Flüssig-Dosiersystem (QuickMix)

12 Techniken zur Fermenterdurchmischung Relative Häufigkeit [%] Tauchrührwerk Zentralrührwerk Seitenrührwerk Gaseinpressung k.a.

13 Anzahl der Prozeßstufen 70 Relative Häufigkeit [%] bis bis Anzahl der Prozessstufen

14 Einstufige Biogasanlage mit offenem Gärrestlager Gassp.: ca. 300 m³ Luftzufuhr [10 m³] 10 kw el T 38 C [900 m³] m 11 kw el Gärrestlager [2 x 2000 m³] 13 kw el Maissilage, Roggenschrot Q 10 kw el Vorgrube mit Schweinegülle Wirtschaftsgebäude Gaskühlung Zündstrahl-BHKW 180 kw el Kondensatabscheider Q CH 4 HS 2 Eigenverbrauch BGA Q Gasanalyse kwh Lieferung Notkühlung Strom Heizöltank kwh Bezug Stromnetz EVU- Stromzähler

15 Zweistufige Biogasanlage Mais- Grünroggensilage und Roggenschrot Gasdom Luftzufuhr 15 kw el Stufe 1 [600 m³] Stufe 2 [2400 m³] m T 42 C Nachgärer 1 15 kw el T 42 C Luftzufuhr 15 kw el Gärrückstandslager [2400 m³] Stufe 2 [2400 m³] Nachgärer 2 15 kw el 15 kw el T 42 C Wirtschaftsgebäude W th Kondensatabscheider

16 Abdeckung von Gärrückstandslagerbe-hältern bei mehrstufigen Anlagen Relative Häufigkeit [%] bis bis 2006 offen nicht gasdicht abgedeckt gasdicht abgedeckt Abdeckung des Gärrückstandslagers bei mehrstufigen Anlagen

17 Häufigkeit Gesamtanlagengröße Relative Häufigkeit [%] < > 6 Reaktorvolumen gesamt [1000 m³]

18 Boxenfermenter mit Feststoff-Perkolation Abluft Biogas Tor Substrat Radlader Fermenter Perkolattank

19 Trockenfermenter-Anlage mit 7 Garagen V R = 7 x 850 m 3 Frischmasse: t/a Gesamtmasse: t/a Verweilzeit: 3-4 Wochen/Box

20 Zeitliche Gasproduktion bei Parallelbetrieb von 4 Batch-Fermentern Biogasproduktion Fermenter 1 Fermenter 3 Fermenter 1 Zeit Fermenter 2 Fermenter 4

21 Kontinuierliches Trockenvergärungsverfahren System: STRABAG-Umweltanlagen Biogas Substrat Fermenter Gärrückstand M Mischer M Feststoff Feststoffseparierung Prozesswasser

22 Kontinuierliches Trockenvergärungsverfahren System: DRANCO-Farm Biogas Kolbenpumpe Substrat Fermenter M Mischer Gärrückstand

23 Kontinuierlichens Trockenvergärungsverfahren System: DRANCO-Farm V R = m 3 H R = 26 m D R = 8,5 m B R 10 kg otr/m 3 *d

24 TR-Gehalt der Substratmischung TR-Gehalt [%FM] ATB 004 ATB 004b ATB 012 ATB 017 ATB 018 ATB 027 ATB 036 ATB 037 ATB 038 FAL 002 FAL 014 FAL 015 FAL 024 FAL 026 FAL 060a FAL 060b FAL 082 FAL 084 ILT 003 ILT 012 ILT 025 ILT 027 ILT 030 ILT 030a ILT 033 ILT 041 ILT 045 Substrat letzte Stufe TF-Anlagen

25 Prozesstemperatur Relative Häufigkeit [%] Biogasanlagen ab 2004 mesophil thermophil Kombination

26 Gesamtverweilzeit der Substrate Relative Häufigkeit [%] einstufig mehrstufig < > 200 Gesamtverweilzeit [d]

27 otr-raumbelastung Relative Häufigkeit [%] einstufig mehrstufig 1-1,5 1, ,5 2,5-3 > 3 otr-raumbelastung [kgotr/(m³d)]

28 Betriebsweise von Trockenvergärungsanlagen Perkolationsverfahren Verweilzeit pro Fermenter: 3-4 Wochen Gesamtverweilzeit: d otr-raumbelastung: 2 3 kg otr/(m 3 *d) Kont. Trockenvergärungsverfahren (DRANCO-Farm) Verweilzeit: < 30 d otr-raumbelastung: 10 kg otr/(m 3 *d)

29 Motorentypen der eingesetzten BHKW 70 Relative Häufigkeit [%] Gasmotor Zündstrahl beide Typen

30 Häufigkeit der Wärmenutzung Relative Häufigkeit [%] nur BGA Wirtschaftsgebäude Privathaus Fremdverwertung

31 Perspektiven (1) Der Markt für Biogasanlagen ist infolge gestiegener Rohstoffpreise und fehlender Wärmenutzungskonzepte gegenwärtig stark rückläufig. Aufgrund der hohen Flächeneffizienz und des großen CO 2 -Minderungspotenzials wird Biogas beim weiteren EE-Ausbau eine wichtige Rolle spielen. Bis 2020 soll 6 % des gegenwärtigen Erdgasverbrauchs durch Biomethan substituiert werden. Der EE-Anteil an der Stromerzeugung soll bis 2020 auf erhöht werden. Der weitere Ausbau der Biogaserzeugung erfordert neue Strategien bei der Substratbereitstellung, Gaserzeugung und Gasverwertung.

32 Perspektiven (2) Für die Gaserzeugung müssen verstärkt landwirtschaftliche Reststoffe, pflanzliche Nebenprodukte aus der Verarbeitung sowie landwirtschaftliche Zwischenkulturen eingesetzt werden. Neben neuen ertragreichen Kulturen ist ein effizientes Fruchtfolgekonzept erforderlich, um Konkurrenzen zur Nahrungsproduktion zu vermeiden. Durch die Lockerung des Ausschließlichkeitsprinzips beim NawaRo-Einsatz gewinnt die Verwertung rein pflanzlicher agrarindustrieller Nebenprodukte an Bedeutung. Neue Biogasanlagen sind nur dort zu errichten, wo eine ganzjährige möglichst vollständige Wärmenutzung erreicht werden kann.

33 Perspektiven (3) Die Gasnetzzugangs-VO vom wird einen massiven Ausbau der Gasnetzeinspeisung bewirken. Neben Großanlagen werden auch landwirtschaftliche Einzelanlagen durch gasseitige Bündelung eine Gasaufbereitung und Netzeinspeisung zu wirtschaftlich vertretbaren Bedingungen durchführen. Durch Mikrobiogasnetze werden auf regionaler Ebene zunehmend Gasproduktion und Gasverwertung entkoppelt (Modell Braunschweig). Neben der Gewinnung von Strom und Wärme wird die Nutzung als Kraftstoff an Bedeutung gewinnen, da kein anderer Biokraftstoff eine vergleichbar hohe Flächeneffizienz erreicht.

34 Jahresertrag an Biokraftstoffen pro Hektar und resultierende Reichweite Biokraftstoff Dieseläquival. l/ha Reichweite bei 6l Diesel pro 100 km Biodiesel km Bioethanol km BTL 3,800? km Biomethan km

35 Perspektiven (4) Zur on-site-nutzung der BHKW-Abwärme werden zukünftig verstärkt ORC- und Kälteanlagen Anwendung finden. Biogas kann zukünftig durch Bereitstellung von Regelleistung einen wesentlichen Beitrag zum Ausgleich des fluktuierenden Solar- und Windstroms leisten. Die Eigenvermarktung von Spitzenlaststrom (Strombörse) wird sich als Alternative zum EEG entwickeln. Bisher wird nur ein geringer Anteil des theoretisch verfügbaren Biogaspotenzials genutzt. Der weitere Ausbau hängt vorrangig von den politischen Rahmenbedingungen (EEG-Novelle) ab.

36 22. Hülsenberger Gespräche 2008 Lübeck, Mai 2008 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

37 Installierte elektrische Leistung in den Bundesländern (Stand: 2007) Install. el. Leistung [MW] Inst. el. Gesamtleistung: MW NDS BY BW MV NRW SN SH SA TH BB Quelle: Fachverband Biogas e.v.

38 Einfluss des NawaRo-Anteils auf die erforderliche Verweilzeit 300 Verweilzeit im Gesamtsystem [d] einstufige mehrstufige Anteil von NawaRo an der Substratmischung [%]