Effizienz der Biogasproduktion: Probleme und Lösungsansätze

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1 Effizienz der Biogasproduktion: Probleme und Lösungsansätze Jan Liebetrau, Sören Weinrich, Jürgen Pröter Prozessmesstechnik an Biogasanlagen 25. März 2014, Leipzig Effizienzbewertung an welcher Stelle und wozu? Vergleichbarkeit: Gleiche Annahmen Gleiche Messmethoden Gleiche Methoden zur Auswertung 2

2 Effizienz des biologischen Prozesses Vergleich von Substraten Vergleich von Anlagenkonzepten Optimierung von Prozessen (z.b. Bewertung von Aufbereitungsverfahren) Effizienz steht für minimalen Aufwand zur Erreichung eines bestimmten Nutzen (insbesondere Energieeffizienz) Hier: Substrateinsatz vs. Energiebereitstellung (Biogasoutput) Voraussetzung: Kenntnis der Stoffströme im Prozess Basis für die Bewertung ist die Massenbilanz! 3 Grundlagen der Massenbilanzierung Stoffliche Bilanzierung eines Biogasfermenters Zugeführte Masse Abgeführte Masse Substrat Zusatzstoffe Wasser Prozessmodell Reaktionskinetik Stöchiometrie Rezirkulat Biogas Gärrest dm dt m t zeitliche Änderung Systemgrenze = zugeführte Massen abgeführte Massen stoffliche Umwandlung Transport über die Systemgrenze Effizienzbewertung auf Basis des stofflichen Umsatzes im Fermenter biochemische Reaktionen 4

3 Substratbestandteile Ausnutzung Korrektur der unterschiedlichen um flüchtige Stoffe Substratbestanteile im Biogasfermenter (nach WEIßBACH) Nicht nutzbare ots FM genutztes Wasser Asche 1 TS (korrigiert) Wasser Substratspezifisch, analytisch aufwendig zu bestimmen Zwingend notwendig ots (korrigiert) um vergleichbare Daten zu ermitteln nicht nutzbare ots nutzbare FoTS Technologievergleich ist nur möglich, wenn eine absolute und Umsatz vergleichbare Bezugsgröße abbaubares Substrat mit spezifischer Gasproduktion- existiert!! ungenutzte FoTS genutzte FoTS genutztes Wasser ungenutztes Wasser Bakt. Biogas Asche organischer Gärrest Wasser Biogas 1 Asche = anorganische TS, enthält mitunter Substanzen und Nährstoffe (z.b. N, P, S) welche von Mikroorganismen für das Wachstum und die Biogasbildung benötigt werden 5 Abbaugrad im biologischen Prozess Verweilzeit und Restgaspotential Nichtabbaubarer Rest 6

4 Bestimmung des theoretischen Biogasbildungspotentiales Ganz einfach? Abbaugrad? KTBL Werte? Batch Test? Kontinuierliche Tests? Futtermitteltest? Herausforderung hochgradig dynamischer und nicht linearer Prozess wenige präzise biochemische Messgrößen fehlende Standards und stark individualisierte Messwerterfassung Entwicklung standardisierter und robuster Verfahren für den praxisnahen Einsatz 7 Berechnung des Biogasbildungspotentials Berechnung der fermentierbaren Substratbestanteile nach WEIßBACH Beispielssubstrat: Maissilage (Durchschnittliche Zusammensetzung der Proben am DBFZ) Asche [g/kgts] NfE [g/kgts] Rohfaser [g/kgts] Rohprotein [g/kgts] Rohfett [g/kgts] Standardisierte Verdauungsversuche unter Berücksichtigung der metabolischer Ausscheidungen FoTS = 1000 Asche 16 0 ( 0,47 Rohfaser + 0,00104 Rohfaser² ) nicht-fermentierbare Kohlenhydrate (Funktion der Rohfaser) nicht-fermentierbare Rohfette (konstanter Anteil) nicht-fermentierbare Rohproteine (konstanter Anteil) FoTS = 984 Asche ( 0,47 Rohfaser + 0,00104 Rohfaser² ) = 780 [g/kgts] Berechnung des Biogasbildungspotential nach WEIßBACH Stöchiometrische Berechnung unter Berücksichtigung der Inkorporation 5% bakterieller Biomasse Biogas = /1000 = 624 [l/kgts] Methan = /1000 = 327,6 [l/kgts] Gasbildungskoeffizient für Maissilage [l/kg FoTS] 8

5 Vom Biogasbildungspotentials zum Biogasertrag BIOGASBILDUNGSPOTENTIAL Biogasbildungspotential, welches unter anaeroben Bedingungen maximal abbaubar ist Berechnung anhand der chemischen Zusammensetzung der Substrate Potential durch Desintegrationsverfahren veränderbar bis maximal ots Entspricht dem idealen Batchversuch des jeweiligen Substrats (unendliche Verweilzeit) Realer Anlagenbetrieb BIOGASERTRAG Gasertrag im realen Anlagenbetrieb bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen (Verweilzeiten) Berechnung anhand reaktionskinetischer Zusammenhänge und Modelle Entspricht dem realen Messwert kontinuierlich betriebener Labor- und Praxisanlagen Es werden standardisierte Bestimmungsmöglichkeiten für beide Kenngrößen benötigt 9 Biogasertrag und spez. Gasproduktion in einem Rührkessel Yield (%) Yield and Gas Production Rate in a CSTR Gas Production Rate (m 3 /m 3 daily) Retention Time (d) Organic Load (kgvs/m 3 ) Yield gasproduction rate theory gasproduction rate praxis 10

6 Berechnung des Biogasertrags Kontinuierlicher Betrieb: (Quasi-)Stationärer Prozesszustand V gas [m³/d] Kontinuierlicher Betrieb: Instationärer Prozesszustand Berechnung anhand nicht-linearer Differenzialgleichungen Vielfältige Modellansätze verfügbar Einfache Modelle für Berechnung der Gasproduktion ausreichend Robuste Parameteridentifikation für der Praxisbetrieb notwendig V gas [m³/d] Einfache analytische Berechnung möglich V gas = Y max Zeit [d] Berechnung in Abhängigkeit der realen Verweilzeit Biogasertrag = Umsatz Wirkungsgrad der anaeroben Vergärung Biogasbildungspotential Zeit [d] Modellauswahl in Abhängigkeit der vorhanden Messdaten und Problemstellung k HRT m FOTS 1 + k HRT Gasbildungskoeffizient [m³/kgfots] Stationärer Umsatz Reaktion 1. Ordnung [kgfots/d] 11 Messdatenerfassung und Ergebnisverwertung Stationärer Zustand: Notwendige Messdatenerfassung abhängig von Schwankungen der Messdaten, mindestens eine Verweilzeit, konstante Beschickung für mind. 3 Verweilzeiten vorausgesetzt Reine Bilanz (ohne Kinetik) ist nicht auf andere Verweilzeiten übertragbar Nur mit Modellen sind die Ergebnisse auf andere Zustände übertragbar (z.b. andere Verweilzeit) Instationärer Zustand: Kontinuierliche Überwachung mit hoher Messdichte, nur mit Modellen abbildbar Lässt sich auf stationäre Zustände übertragen 12

7 Messgrößen zur Bilanzierung und ihre Grenzen Mengenmessung (Biogas, Substrat und Gärrest) im Praxisbetrieb???? ots, TS CSB, TOC Futtermittelanalytik Heiz- oder Brennwertanalytik Elementaranalyse (Buswell) alternativ Biogasmenge im Labor Batchtest (Übertragbarkeit und Vergleichbarkeit?) Kontinuierlicher Test (scale up?) Korrektur? Praktisch selten angewendet Futtermittelanalytik hat umfangreiche Datenbank und Abbaukoeffizienten Flüchtige Bestandteile Abbaubarer Anteil Wassereinbau (Gaszusammensetzung?) Herausforderung repräsentative Probenahme hochgradig dynamischer und nicht linearer Prozess fehlende Standards und stark individualisierte Messwerterfassung Eine Massenbilanz ist so präzise wie die Messgrößen 13 Beispiel einer Massenbilanzierung Einstufige Biogasanlage (500 kw el ) ohne Rezirkulation Fermenter BHKW k [1/d] η el 38 [%] Maissilage HRT 75.4 [d] Biogas ṁ S 31.5 [t/d] U fots 90.9 [%] ṁ B 7.99 [t/d] P Feu 1315 [kw] TS [% FM] V B 6085 [m³ i.n./d] P el 500 [kw el] ots 95.6 [% TS] c CH4 52 [%] fots 78 [% TS] Gärrest c CO2 48 [%] ṁ W [t/d] ṁ G [t/d] ρ B [g/l] ṁ TS [t/d] TS G [% GR] H 9.97 [kwh/m³] ṁo TS [t/d] fots G [% TS G] ṁ fots 8.22 [t/d] ṁ W,G [t/d] Y B/f ots 740 [m³ i.n./t fots] ṁ TS,G 3.07 [t/d] Y B/oTS 604 [m³ i.n./t ots] ṁ fots,g 0.75 [t/d] Allgemeine Vorgaben Inputcharakterisierung und Gaszusammensetzung Vorgabe Variante A Spezifischer Biogasertrag des Substrats bzw. der Anlage Vorgabe Variante B Elektrische BHKW Leistung Vorgabe Variante C Reaktionskinetik 1. Ordnung und HRT Berechnung unter Berücksichtigung des stöchiometrischen Wassereinbaus und unter Vernachlässigung des Biomasseaufbaus Unterschiedliche Berechnungswege in Abhängigkeit der verfügbaren Messdaten 14

8 Einheitliche Methodenanwendung Herausforderungen für den Vergleich unterschiedlicher Untersuchungsmethoden BIOGASBILDUNGSPOTENTIAL chemische Substratzusammensetzung stöchiometrische Berechnungsmethoden BIOGASERTRAG batch Laborversuch kontinuierlich Praxisbetrieb Praxisanlage Dynamische Modellierung / Reaktionskinetische Zusammenhänge Einheitliche Effizienzbewertung durch modellbasierte und experimentelle Methoden 15 Effizienzbewertung 1. Bestimmung des Gasbildungspotentials (basierend auf abbaubarem Anteil) ausgehend vom Substrat: Futtermittelanalyse und Verdauungskoeffizienten erlauben eine unabhängige Bestimmung des Gaspotentials: auf bereits getestete Substrate beschränkt 2. Vergleich mit Prozessergebnis (Messgrößen in der Praxis!!) Ausblick Gasbildungstest: Batch Test (Genauigkeit ist im Moment nicht ausreichend, Methodik stark variabel) 16

9 Zusammenfassung Möglichkeiten der Prozessbewertung: 1. Biogasbildungspotential: Berechnungsansatz für herkömmliche Substrate nach WEIßBACH 2. Biogasertrag: Berechnung anhand einer einfachen Kinetik 1. Ordnung Ziel: Anwendung der verfügbaren Methoden auf den Labor- und Praxisbetrieb Herausforderungen Forschungsbedarf standardisierte Methoden zur Bestimmung der fermentierbaren ots bzw. Substratbestanteile (insbesondere außerhalb des Futtermittelkataloges) Entwicklung geeigneter Methoden zur kinetischen Charakterisierung praxisrelevanter und komplexer Substrate Vergleichbarkeit der unterschiedlichen experimentellen Versuchsmethoden Modellbasierte Übertragung der Laborversuche auf den realer Anlagenbetrieb (Upscaling) standardisierte Versuchsreihen zur Identifikation kinetischer Parameter Anteil und Einfluss (Aktivität) der gebildeten Bakterienmasse auf die Massenbilanzierung Entwicklung eines praxisnahen und allgemeinen Standards zur Massenbilanzierung einer BGA 17 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Ansprechpartner Dr.-Ing. Jan Liebetrau Dipl.-Ing Sören Weinrich Dr.-Ing. Jürgen Pröter DBFZ Deutsches Biomasseforschungszentrum gemeinnützige GmbH Torgauer Straße 116 D Leipzig Tel.: +49 (0)