1. März 2018, Hohenheim. Behandlung von Flüssigmist und Gärrest. Landwirtschaft

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1 Tagung, Hohenheim Behandlung von Flüssigmist und Gärrest zur Der Reduzierung Landwirt des alslagervolumens Energiewirt - und Biogaserzeugung zum Nährstoffmanagement in der Landwirtschaft Hans Oechsner, Andreas Lemmer, Florian Siemeister Landesanstalt für Agrartechnik und Bioenergie Universität Hohenheim Gliederung Einleitung Verfahren der Flüssigmist-/Gärrestaufbereitung Feststoffabtrennung 2 Beispiele zur 1/2-stufigen Vakuumverdampfung 1 Beispiel Speedrotationstrockner Ergebnisse Fazit ALB-Tagung,, Hohenheim 2

2 Einleitung, Problemstellung Konzentration von Biogasanlagen in Gebieten mit hoher Viehdichte Regionale Nährstoffüberschüsse - Verwertung der Gärrückstände nicht immer vor Ort sinnvoll möglich Einsatz von Reststoffen steigert Gärrestanfall Enge Ausbringzeiträume Lagerkapazität ist zu erweitern (Dünge-VO) ALB-Tagung,, Hohenheim 3 Warum Flüssigmist- bzw. Gärproduktaufbereitung? Hoher Wassergehalt, Niedriger Nährstoffgehalt Große Lagerkapazitäten Hohe Transportkosten Bedarf an Lagerkapazität steigt durch neue gesetzliche Vorgaben (9 Monate Lagerdauer) Störfall-VO ab kg Biogas (ca m³) Verbesserung der Nährstoffverwertung, Ausbringverluste reduzieren Häufig keine wirtschaftlichen Alternativen zur Abwärmenutzung der BGA vorhanden ALB-Tagung,, Hohenheim 4

3 Verfahren der Gärrestaufbereitung Effenberger, et al ALB-Tagung,, Hohenheim 5 Reduzierung des Gärrestvolumens durch den Abbau organischer Substanz Substrat reduziertes Gärrestvolumen Rindergülle 3 % Schweinegülle 3 % Festmist 14 % Maissilage 25 % Grassilage 23 % Getreidekorn 75 % ALB-Tagung,, Hohenheim 6

4 Separierung Reduzierung des Volumens um 10 bis max. 20% Frischmasse 13% 87% Trockensubstanz 34% Feste Phase Dünne Phase 66% Organische Substanz 40% 60% Stickstoff Gesamt 11% 89% Ammonium N 11% 89% Phosphor gesamt 31% 69% Kalium gesamt 13% 87% 60% 40% 20% 0% 20% 40% 60% 80% 100% ALB-Tagung,, Hohenheim Untersuchung am Unteren Lindenhof, Diehl, 2011 TS-Gehalt Gärrest: 7,2 % TS-Gehalt Feststoff: % TS-Gehalt Flüssigkeit: 5 6 % 7 Separation - Nährstoffmanagement Abhängigkeit der Nährstoffverlagerung von der Einstellung des Separators nass trocken TS-Geh. d. Feststoffs: 18% 30% Frischmasse-Anteil 17.5% 8 % im Feststoff (Volumen): C Anteil 50% 40% im Feststoff N Anteil: 20% 10% im Feststoff P Anteil: 32% 25% im Feststoff K Anteil: 16% 7.5% im Feststoff ALB-Tagung,, Hohenheim

5 Membrantrennverfahren ALB-Tagung,, Hohenheim 9 Membrantrennverfahren Membranen aus organischen Materialien, Keramik oder Poymerschichten Hohe Drücke erforderlich Mehrere Stufen erforderlich % Permeat in Vorfluterqualität Fouling reduziert Standzeit der Membran Kostenintensiv Anwendung in der Trinkwasserreinigung, -entsalzung ALB-Tagung,, Hohenheim 10

6 Trocknung / Eindicken von Gärrest und Gülle Solar-Gewächshaustrockner Mississippi-Trockner Meiners, AgroEnergien, 2011 Bandtrockner Thermosystem GmbH Speed-Rotationstrockner Schmitt Enertec GmbH Jumbo Group GmbH ALB-Tagung,, Hohenheim Trocknung / Eindicken von Gärrest und Gülle Solar-Gewächshaustrockner Mississippi-Trockner Meiners, AgroEnergien, 2011 Bandtrockner Gefahr hoher Stickstoffverluste ohne Abluftbehandlung! Thermosystem GmbH Wurfschaufeltrockner Schmitt Enertec GmbH Jumbo Group GmbH ALB-Tagung,, Hohenheim

7 Nährstoffe in Flüssigmist und Gärrest Nährstoff Mastschweinegülle Milchviehgülle Gärrest TS Gehalt % N ges kg/m³ ,5 9 Ammonium N kg/m³ 3, ,5 1,5 7 Anteil NH 4 an N ges % > 60 Phosphat kg/m³ Kalium kg/m³ ALB-Tagung,, Hohenheim 13 Ammoniak-Rückhaltung Besondere Bedeutung bei Trocknungsverfahren Im Gärrest mehr als 50% des N liegt in Form von NH 4+ -N vor Hoher ph-wert, hohe Temperatur Ohne Rückhaltung geht NH 4+ -N weitgehend verloren - Nährstoffverlust - Umweltbelastung Meist durchströmt beladene Trocknungsluft einen schwefelsäurehaltigen Wasserstrom über Füllkörper Verbindung von Ammoniak und Schwefelsäure zu Ammoniumsulfatlösung (ASL) ASL als Dünger nutzbar ALB-Tagung,, Hohenheim 14

8 Ammoniak-Rückhaltung Dosierung der Schwefelsäure nach ph-wert Ausreichende Dimensionierung wichtig Kontaktzeiten Regelmäßige Wartung Reinigung der Füllkörper Ansäuerung des Substrates bereits zu Beginn der Verdampfungsphase möglich wird von manchen Systemen genutzt ALB-Tagung,, Hohenheim 15 Untersuchungen an einer Anlage zur Vakuumverdampfung von Gärrest Beispiel: 2-stufige Vakuumverdampfung Separation (Firma Paul Michl, SM260) Vakuumverdampfer (380 kw therm ) System: Firma Steffen Hartmann Recylingtechnologien GmbH Feststoffseparation Gärproduktverdampfungsstufe Neutralisationsstufe ASL-Verdampfungsstufe Produkte: Separierter Feststoff Eingedicktes Gärprodukt Ammoniumsulfatlösung Wasser (Dampf) Ruile, 2013; Kuntze, 2012 ALB-Tagung,, Hohenheim 16

9 Massenströme Rohgärrest Separator Fugat Feststoff Gärreststufe Gärrest (eingedickt) Ammoniakwasser Neutralisation Schwefelsäure AS-Lösung ASL-Stufe Wasser AS-Konzentrat ALB-Tagung,, Hohenheim Beispiel: 2-stufige Vakuumverdampfung 470 l/h 610 l/h 188 kw th 150 kg/h 1,6 kg/h 270 l/h ALB-Tagung,, Hohenheim 18

10 Beispiel: 2-stufige Vakuumverdampfung ALB-Tagung,, Hohenheim 19 Untersuchungsparamter am Vakuumverdampfer (380 kw therm. ) Massenflussbilanzierung Nährstoffbilanzierung 3 Zielvarianten untersucht: Massenreduktion, Mittelweg (Massen- und Nährstoffreduzierung), Nährstofftrennung Energiebedarf elektrisch thermisch Wirtschaftlichkeit ALB-Tagung,, Hohenheim 20

11 Massenflussbilanzierung Ziel: Massenreduktion Ziel: Mittelweg (Masse/Nährstoff) Gärrestdurchsatz: 762 kg/h (18 t / d) Gärrestdurchsatz: 435 kg/h (10 t / d) ALB-Tagung,, Hohenheim 21 Stickstoffbilanzierung Nährstofftrennung ALB-Tagung,, Hohenheim 22

12 Gehalt in % bzw. g/kg Inhaltsstoffe eingedickter Gärrest TS (%) ots (%) N ges. (g/kg) NH4-N (g/kg) P2O5 (g/kg) K2O (g/kg) 0 Massenreduktion Mittelweg Nährstofftrennung ALB-Tagung,, Hohenheim 23 Stickstoffgehalte der Ammoniumsulfatkonzentration Ammoiniumsulfatgehalt (%) 35% 30% 25% 20% 15% 10% 5% ASL-Konzentrat 0% Massenreduktion Mittelweg Nährstofftrennung Stickstoffgehalt nur bei 3-4 %!!!! (AHL: um 30 %) aber ca. 10-fache Konzentration des Ausgangssubstrats ALB-Tagung,, Hohenheim 24

13 Energieverbauch Energieaufnahme thermisch: 188 kw therm. Schwankungen Energieaufnahme elektrisch 30 kw el. Hauptverbraucher: - Umwälzpumpe (18 kw) - Vakuumpumpe (2,8 kw) ALB-Tagung,, Hohenheim 25 Vakuumverdampfung (System MKR-Metzger) 26

14 Monitoring von Gärrestaufbereitungsanlagen Vakuumverdampfer RT 600 von MKR Ziele Lagerbedarf durch Volumenreduzierung verringern Produktion eines lager- und vermarktungsfähigen Düngers für Bedarfszeiten Umsetzung Erstellung von Massenbilanz und Energiebedarf der Anlagen durch manuelle Messungen 27 Vakuumverdampfung Feststoff Gärrest Separator Flüssigphase Destillat Konzentrat Verdampfer Ammoniumsulfatlösung Schwefelsäure Wärme 28

15 Vakuumverdampfung Feststoff Gärrest Separator Flüssigphase Destillat Konzentrat Verdampfer einstufig Wärme 29 Vakuumverdampfung Feststoff Gärrest Separator Flüssigphase Destillat Konzentrat Verdampfer Ammoniumsulfatlösung Schwefelsäure Ammoniumsulfatlösung Schwefelsäure Wärme 30

16 Massenflüsse pro Tag Feststoff Gärrest 17,3 t 100 % Separator 15 % 2,6 t 85 % 14,7 t Flüssigphase Verdampfungleistung: 1,35 l / kwh Volumenreduzierung um 64 % 4 % 49 % 32 % 630 kg 8,5 t 5,6 t Destillat Konzentrat Verdampfer Ammoniumsulfatlösung Schwefelsäure Wärme 189 kg 262 kw 31 Massenbilanz pro Tag Separation Verdampfung 15 % 4 % Täglicher Gärrestinput kg 49 % 32 % 32

17 Stickstoffbilanz 3 23 % im Feststoff Stickstoff im Gärrest 47 % im Konzentrat 30 % im ASL 33 Stickstoffbilanz 34

18 Phosphorbilanz 3 30 % im Feststoff Phosphor im Gärrest 30 % im Feststoff 3 % Differenz 67 % im Konzentrat 35 Phosphorbilanz 30 % im Feststoff 36

19 Kaliumbilanz 3 16 % im Feststoff 4 % Differenz Kalium im Gärrest 30 % im Feststoff 80 % im Konzentrat 37 Kaliumbilanz 30 % im Feststoff 38

20 Stromaufnahme Dauer: 26 d Mittelwert: 17,1 ± 2,0 kw 39 Monitoring von Gärrestaufbereitungsanlagen Speedrotationstrockner Ziele Lagerbedarf durch Volumenreduzierung verringern Produktion eines lager- und vermarktungsfähigen Düngers für Bedarfszeiten Umsetzung Erstellung von Massenbilanz und Energiebedarf der Anlagen durch manuelle Messungen 40

21 Ammoniak-Rückhaltung Dosierung der Schwefelsäure nach ph-wert Ausreichende Dimensionierung wichtig Kontaktzeiten Regelmäßige Wartung Reinigung der Füllkörper Ansäuerung des Substrates bereits zu Beginn der Verdampfungsphase möglich wird von manchen Systemen genutzt ALB-Tagung,, Hohenheim Hohner, Tagesbilanz der Trocknung 7,6 % *errechnet 42

22 Gülleeintrag 43 Wärmeabnahme Verdampfungsleistung: 636 kwh Wärme je m³ flüssiger Gärrest 1,5 Liter Wasser pro eingesetzte Kilowattstunde Wärme 44

23 Stromaufnahme Stromverbrauch Gesamtanlage inkl. Pelletierung: 74 kwh Strom je m³ flüssiger Gärrest 45 Stromaufnahme II 46

24 Fazit Volumenreduzierung um 64 % möglich Konzentrat-ASL-Gemisch 100% höhere Stickstoffkonzentration als Gärrestinput Nachfrage nach Feststoff und Konzentrat bis dahin noch gering 47 Wirtschaftlichkeit Hohe Abhängigkeit von der Betriebsstruktur - Energiekosten (elektrisch, thermisch?) - Betriebsmittel (Schwefelsäure) - Investitionskosten - Wartung / Reparaturen / Betreuung + Einsparungen (Lager, Transport, Ausbringung) + Düngermehrwert + KWK-Bonus ALB-Tagung,, Hohenheim 48

25 Fazit Verschiedene Verfahren zur Reduzierung des Gärrestvolumens verfügbar Unterschiedliche Effizienz Separierung % Volumenreduzierung Trocknung 50 % Reduzierung möglich (und mehr) Trocknung komplexe Verfahren mit hohen Anforderungen an Betreiber Hohe Ansprüche an Arbeitssicherheit (Schwefelsäure!) Hohe Investitionskosten ALB-Tagung,, Hohenheim 49 Fazit Rückhaltung von Ammoniak unerlässlich Bei intaktem Betrieb geringe Stickstoffverlustrate im Prozess möglich Vorteile bei der Ausbringung N-Verwertung gezieltere Düngung durch Nährstoffabtrennung möglich Ammoniumsulfat als mineralischer Dünger?? Verwertung von Überschusswärme möglich aber hoher Wärmebedarf (1,3 bis 1,5 l Volumenreduzierung) je kwh th Hoher Bedarf an elektrischer Energie (30 kwh) Wirtschaftlichkeit von einzelbetrieblicher Kostenstruktur abhängig (z.b. KWK-Bonus) ALB-Tagung,, Hohenheim 50

26 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Vielen Dank dem BML und der FNR für die Förderung der Untersuchungen ALB-Tagung,, Hohenheim 51