Betriebserfahrungen mit der BHM im Rieselbettverfahren unter thermophilen Bedingungen

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1 Bayerische Landesanstalt für Landwirtschaft Bayerisches Staatsministerium für Wirtschaft und Medien, Energie und Technologie Förderkennzeichen: BE/18/4 Betriebserfahrungen mit der BHM im Rieselbettverfahren unter thermophilen Bedingungen (OptiMeth BE/18/4) Dietmar Strübing, Jörg E. Drewes, Konrad Koch Ulm,

2 Agenda Einleitung Herausforderungen und Reaktorkonzept Ausgewählte Ergebnisse Fragestellungen auf dem Weg zur Pilotierung 2

3 Bedarfsgerechter Betrieb Strom + Wasser Elektr. Netz Erneuerbare Energien Überschussstrom Elektrolyse Wasserstoff - Sauerstoff 2 2 Kohlendioxid 4 2 Mikrobiologische Methanisierung Methanogene Archaeen Methan Gasnetz Weltweite Speicherkapazität > 36 TWh 3

4 Integration der mikrobiologischen Methanisierung (1) Strom Strom + Wasser Elektr. Netz Überschussstrom Elektrolyse - Sauerstoff Erneuerbare Energien Wasserstoff Biogas Kohlendioxid Biogas BHKW Strom Wärme Biogas Speicher Biogas Mikrobiologische Methanisierung Methan Gasnetz Kläranlage / Biogasanlage Biogas-Upgrading 4

5 Integration der mikrobiologischen Methanisierung (2) Strom Strom + Wasser Strom Elektr. Netz Überschussstrom Elektrolyse - Sauerstoff Erneuerbare Energien Wasserstoff Biogas Kohlendioxid Biogas BHKW Strom Wärme Biogas Speicher Biogas CO 2 / CO Mikrobiologische Methanisierung Gaskraftwerk Gas Gasnetz Kläranlage / Biogasanlage Industrie Gaseinspeisung Methan > 96 % Mobilität Gas 5

6 Methangehalt CH 4 [Vol. %] [%] Gasumsatz und Methangehalt Kohlenstoffdioxid , 6 98,5 7 99, 8 99,5 9 1, Gasumsatz [%] Wasserstoff Mikrobiologische Methanisierung Methan 6

7 Herausforderung H 2 -Stoffübergang Methanogene Archaeen suspendiert bzw. von Wasserfilm umgeben Wasserstoff -äußerst geringe Löslichkeit in Wasser Herausforderung Nr. 1 effizienter Wasserstoffeintrag Reaktordesign Partialdruck Stoffübergangsrate: =! #,% Henry-Gesetz 7

8 CH 4 Rieselbettreaktor Rieselmedium = & #,% Füllkörper Große Oberfläche für Gas-Flüssig-Austausch (H 2 -Stofftransport) CH 4 CO 2 H 2 H 2 Immobilisierung der methanogenen Archaeen im Biofilm H2 H 2 Gasstrom H 2 CO 2 Pfropfenströmung im Rieselbett =' % (! #,% 8

9 Versuchsaufbau Datenerfassung CH 4 H 2 Rieselbett: 58 L Höhe / Durchm.: 7,4 CO 2 O 2 Produktgasmenge Druck Temperatur ph-wert Betriebsparameter 1 bar 55 C ph-wert 6,5 7,5 9

10 Inbetriebnahme Inokulum (MMT 1) Faulschlamm aus der Kläranlage Garching (38 C) Kontinuierliche Gaszufuhr Inokulum (MMT 2) Gärrestaus Biogasanlage (4 C) Vorbehandlung Siebung (1 µm) Keine Spurenelementdosierung Keine ph-korrektur Inbetriebnahme direkt bei 55 C 1

11 Langzeitbetrieb MMT 1 VT = 313 VT = VT = 89 VT = 236 VT = 313 CH 4 -Prod. [NL CH4 / (L R d)] CH 4 -Prod. [NL CH4 / (L R d)] (Strübing et al., 217) VT = 454 VT = 649 Anfahrphase Niedriglast Niedriglast 11

12 Langzeitbetrieb MMT 2 12

13 Leistungsvergleich CH 4 Produktion CH 4 Konzentration CH 4 -Prod. [NL CH4 / (L R d)] entspricht einem Umsatz von: H 2 : ~62 NL/(L R d) CO 2 : ~15 NL/(L R d) CH 4 -Prod: 15,4 NL/(L R d) mit >98 Vol.% CH 4 Chemostat mit Reinkultur mesophil thermophil Labormaßstab (,8-1L) 13

14 Dynamischer Betrieb (I) (schematische Darstellung) H 2 Gaszufuhr Reaktortemperatur 55 C 55 C 25 C Zeit Betrieb Stillstand Betrieb Wiederinbetriebnahme (Strübing et al., 218) 14

15 1 25 C 55 C 1 d 4 d 8 d 1 d 2 d SP 1d-25 C SP 4d-25 C SP 8d-25 C SP 1d-55 C SP 2d-55 C Dynamischer Betrieb (II) CH 4 [%] % - 75% 1.5 x Interquartile Range Median Average 2 15 CO 2 [%] H 2 [%] Versuchswiederholung # of experimental run 15 (Strübing et al., 218)

16 15-min Spotmarkt Preise (Deutschland/Österreich) im Jahr 217 A 1 5 Dynamischer Betrieb (III) Auswertung von (Grenz)Preis-Perioden länger als 2 h 13 h/a 1,1 % < /MWh B > /MWh 8657 h/a 98,9 % Betrieb Ereignisse in 217 Number of events in 217 [-] < 1 /MWh < 2 /MWh < 3 /MWh < 4 /MWh Dauer [h] 262 h/a 3, % 755 h/a 8,6 % 1934 h/a 22,1 % 4651 h/a 53,1 % Period duration [h] Ereignisse in 217 Number of events in 217 [-] > 1 /MWh > 2 /MWh > 3 /MWh > 4 /MWh Dauer [h] 8498 h/a 97, % 85 h/a 91,4 % 6826 h/a 77,9 % 419 h/a 46,9 % Period duration [h] Stillstand 16 (Strübing et al., 218)

17 Biofilmbildung Tag 236 Tag 649 Tag

18 Nährstoffe - Spurenelemente - ph-wert Versorgung mit Makro-(N, S) und Mikronährstoffen (Fe, Ni, Co, Mo, Se ) essentiell 4!! ) 1,6 L H 2 O / Nm³ CH 4 Kontinuierliche Wasserproduktion Verdünnung des Rieselmediums Absinken der Pufferkapazität Absinken der Makro-und Mikronährstoffkonzentrationen ph-stabilisierung notwendig Dosierung von definiertem Mineralmedium Alternativ: Einsatz von Faulschlammzentrifugat 18

19 Reaktorbetrieb - Ergebnisse Erfolgreiche Inbetriebnahme und stabiler Betrieb thermophiler Rieselbettreaktoren mit mesophilem Inokulum Sehr robuster Prozess Nach Störungen (Ausfall Temperierung, ph-wertabfall etc.) Regeneration innerhalb weniger Stunden Dynamischer Betrieb mit sehr guter Schwarzstartfähigkeit Maximal getestete Stillstandsdauer: 25 d (max. 7h bis CH 4 > 96%) Bildung org. Säuren hängt stark von Prozessdynamik und Stillstandseinstellungen ab Einsatz von Faulschlammzentrifugat als Basismedium möglich ph-regulierung und Makronährstoffversorgung möglich Spezifische Mikronährstoffzugabe trotzdem erforderlich 19

20 Auf dem Weg zur Pilotierung Dynamischer Betrieb des Rieselbettsystems Wiederinbetriebnahme nach Langzeit-Stillstand Dynamischer Betrieb ohne Stillstand Thermophiler Biofilm Selektionsmechanismen zur möglichst schnellen Besiedlung und Biofilmbildung (Berieselungsstrategien/ hydraulische Verweilzeiten) Membranverfahren Rückhalt von Makro-/Mikronährstoffen und Biomasse im System Optimierung der Prozesssteuerung Elektrolyseur (Kosten, Flexibilität) und Wasserstoffspeicherung Alternativ: Elektromethanogenese-Umgehung der H 2 Erzeugung 2

21 Bayerisches Staatsministerium für Wirtschaft und Medien, Energie und Technologie Förderkennzeichen: BE/18/4 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Bedarfsgerechte Energiebereitstellung durch Mikrobiologische Methanisierung (MikMeth BE/15/4) Teilvorhaben Verfahrenstechnik Dietmar Strübing, Jörg E. Drewes, Konrad Koch 1. Statusseminar, Garching,