Aktueller Stand und Perspektiven der Biogaserzeugung

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1 Aktueller Stand und Perspektiven der Biogaserzeugung Bernd Linke Leibniz-Institut für Agrartechnik Potsdam-Bornim (ATB) Biologie der Methanbildung Verfahren zur Biogasgewinnung in Deutschland Erprobung von Biogasanlagen Reaktorsysteme, Prozessparameter, Substrate, Leistung Wirtschaftlichkeit von Biogasanlagen Fazit Investitionen Kosten, Gewinn Biomasseproduktion und Bodenschutz ein Widerspruch? 7. Informationsveranstaltung zum Tag des Bodens, , Prenzlau

2 Vereinfachtes Schema der Biogasbildung H 2 Kohlenhydrate, Fette, Eiweiß Gülle, Mist CO 2 Essigsäure organische Abfälle Propionsäure Pflanzen H Buttersäure 2 CO andere flüchtige 2 Essigsäure Fettsäuren Alkohole BIOGAS CO 2 Methan Hydrolyse und Acidogenese Acetogenese Methanogenese

3 Biogasausbeuten verschiedener Stoffgruppen Stoffgruppen Molgewicht Molanteile CO 2 und CH 4 im Biogas Molvolumen des Biogases mögliche Biogasausbeute [g. mol -1 ] [mol] [l. mol -1 ] [l. g -1 ] Kohlenhydrate C 6 H 12 O 6 oder (CH 2 O) n 180 CO 2 + CH 4 6 x 22,4 = 14,4 14,4/180 = 0,746 Fette (z.b. Palmitin) C 16 H 2 O ,5CO ,5 CH 4 16 x 22,4 = 58,4 58,4/256 = 1,9 Proteine mit 21 Aminosäuren C 1 H 25 O 7 (N S) 67 5,125CO 2 + 7,857CH 4 1 x 22,4 = /67 = 0,79 Pflanzliche Biomasse C 8 H 60 O CO CH 4 8 x 22,4 = /92 = 0,91 BUSSWELL Formel C n H a O b ( a b n a b n a b + n ) H 2 O ( + ) CO2 + ( + ) CH 4

4 Symbiotische Mischkulturen bei der Biogasbildung Probe aus Biogasanlage (Rindergülle, Maissilage) mesophil Methanogene Archäen (Rot) sind von Wasserstoff und Acetat bildenden Eubakterien (grün) umgeben Quelle: ATB, Potsdam

5 Aufbau und Charakteristik pflanzlicher Biomasse C Cellulose fibres L Lignin H Hemicellulose RX Xylane Quellen: Cellulose und Hemicellulose Hauptbestandteile pflanzlicher Zellwände glycosidische Bindungen zwischen Glucose-Einheiten leicht hydrolisierbar für Abbau jedoch viele Enzyme erforderlich (symbiotische Wirkung, Widerkäuer, Bei Verholzung Bildung amorphes Netz phenolischer Polymere, Schutz vor enzymatischem Anagriff Ausnahme: Pilze und Actinomyceten haben Strategie zum Abbau entwickelt, Grundlagenforschung an Termiten, symbiotische Wirkung vieler Mikroorganismen

6 Praxisverfahren zur Biogasgewinnung aus NawaRo, Gülle und Stallmist Biogas Rührkessel (CSTR) NawaRo Gülle Gärrest, pumpfähig Pfropfenstromreaktor (horizontal/vertikal) NawaRo Gülle Biogas Gärrest, pumpfähig Biogas Perkolationsverfahren NawaRo, Stallmist Gärrest (fest) Prozessflüssigkeit (gering)

7 Beziehung zwischen B R, t m und c 0 ots-raumbelastung B R (kgm - d -1 ) Gülle Maissilage m c d 150 d B mittlere hydraulische Verweilzeit t m (d) R erf V m0 c0 c = = VR t m0 c VR = B c R R ( kg t 0 m 0 1 ) Q B m A c A

8 Systematische Steigerung der ots-raumbelastung Reaktor 1 2 Substrat 100% Maissilage 67% Maissilage, % Gülle % Maissilage, 67% Gülle / 2/ 100% Rübensilage 67% Rübensilage, % Gülle % Rübensilage, 67% Gülle 100% Roggen-GPS 67% Roggen GPS, % Gülle 9 10 % Roggen-GPS, 67% Gülle 100% Rinder- bzw. 100% Schweinegülle Beispiel Reaktor 2: 1/ 67% der ots-masse im zugegebenem Substrat bestand aus Maissilage und % aus Rindergülle

9 yb y B % % NawaRo y yb B 67% % NawaRo yb y B % % NawaRo o 100% y B Gülle % Gülle Steigerung der Raumbelastung: Rindergülle mit NawaRos 5 C y y max B k... Abbaugeschwindigkeitskons tan te ( d 0 B B = max B k c0 k c + B 0 1 c... ots Gehalt des Gärsubstrates ( kgm R y... ots Raumbelastung ( kgm R ( m kg...max. mögliche Biogasausbeute ( m kg ) d 1 ) 1 ) ) 1 ) ots-biogasausbeute y B (m kg -1 ) ots-biogasausbeute y B (m kg -1 ) ots-biogasausbeute y B (m kg -1 ) 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 a) M aissilage b) Rübensilage c) Roggen-GPS 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 0,0 0,0 1,0 2,0,0 4,0 5,0 6,0 R aum belastung B R (kg m - d -1 )

10 yb y B % % NawaRo y yb B 67% % NawaRo yb y B % % NawaRo o 100% y B Gülle % Gülle y y B Steigerung der Raumbelastung: Schweinegülle mit NawaRos 5 C = max B y max B k c0 k c + B 0 R ( m kg 1...max. mögliche Biogasausbeute ( m kg ) 1 ) ots-biogasausbeute y B (m kg -1 ) ots-biogasausbeute y B (m kg -1 ) 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 a) M aissilage b) Rübensilage 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 k... Abbaugeschwindigkeitskons tan te ( d c... ots Gehalt des Gärsubstrates ( kgm 0 B R... ots Raumbelastung ( kgm d 1 ) 1 ) ) ots-biogasausbeute y B (m kg -1 ) 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 c) Roggen-GPS 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 0,0 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5,0,5 4,0 Raumbelastung B R (kg m - d -1 )

11 Vergleich Labor Praxis bei der Kofermentation Labor: Rindergülle, NawaRo: 100% Maissilage, B R = kgm - d -1 Praxis: Rindergülle, NawaRo: 70% Maissilage, 0% Grassilage B R =1,9 4, kgm - d -1 y Mischung = y Gülle + p( y ygülle ) Pflanzen

12 Typische Biogasanlage in der Landwirtschaft 1 Gülle 8 Biogaspflanzen 2 5 flüssiger Gärrest Strom 6 Biogas 4 Wärme 1 Stallanlage 2 Güllegrube Futtersilo 4 Fermenter 5 Gasspeicher 6 Blockheizkraftwerk 7 Gärrestlager 8 Ackerfläche 7

13 Systeme zum Feststoffeintrag Foto: Biogas Nord Foto: German Biogas Association Foto: Fa. UTS Förderschnecke Anmaischen mit Gülle oder Gärrest Einspülschacht

14 Systeme zur Durchmischung Foto: MT Energie GmbH Foto. top agrar Fachbuch Foto: NOVATECH Propellermixer Stabmixer Haspelrührwerk

15 Liegender Fermenter (Eisenmann)

16 Feststoffvergärung rung (DRANCO farm)

17 Feststoffvergärung rung durch Perkolation Reststoffe Energiepflanzen Stallmist 1 2 Gärrückstand Strom Wärme (Gülle) Perkolat Impfmaterial Stallanlagen 2 Stalldunglager Lagerplatz 4 Radlader 5 Trockenfermenter 6 Gasspeicher 7 Blockheizkraftwerk 8 Nassfermenter/ Perkolationsbehälter 9 Gärrückstandslager

18 Vergütungs tungsübersicht nach dem EEG 2009 (ct/kwh ct/kwh) Boni nach dem EEG 2009/Leistungsschwellen 150 kw 500 kw 5 MW Grundvergütung 11,67 9,18 8,25 Luftreinhaltungsbonus (Grenzwert Formaldehyd nach TA Luft) 1 1 NawaRo-Bonus (Biogaspflanzen) Landschaftspflegebonus (50% aus Landsschaftspflege) 2 2 Güllebonus (mindestens 0% Gülle) 4 1 Technologiebonus (Gaseinspeisung) 1 bis 2 je nach Größe KWK-Bonus

19 Reaktorsysteme und Fermentergröß ößen (6 untersuchte Anlagen in Deutschland) Reaktorsysteme Datenquelle: Bundesmessprogramm, 2009 Fermentergröße in 1000 m

20 Reaktortemperatur und Raumbelastung Reaktortemperatur ( C) Datenquelle: Bundesmessprogramm, 2009 Raumbelastung (kg ots m - d -1 )

21 Substrate zur Biogasgewinnung Anteil Wirtschaftsdünger (Ma.%) Datenquelle: Bundesmessprogramm, 2009 Anzahl verschiedene NawaRos

22 Zusammensetzung des Biogases CH 4 -Gehalt im Biogas (Vol.%) Datenquelle: Bundesmessprogramm, 2009 H 2 S-Gehalt im Biogas (ppm)

23 Leistungsklassen von Biogasanlagen Installierte elektrische Leistung kw Datenquelle: Bundesmessprogramm, 2009 Fermentervolumen m /kw el

24 Anlageninvestitionen Mittelwert Minimum Maximum Gesamtinvestition Spez. Investition /kwel Reaktor /m³ AV BHKW /kwel Feststoffeintrag /kwel Datenquelle: Bundesmessprogramm, 2009

25 Einnahmen, Kosten und Gewinn Strombezogene Einnahmen, Kosten, Gewinn und Verlust ( /kwh el.) 0,40 0,0 0,20 0,10 0,00-0,10-0,20 0,24 0,19 0,16 0,1 0,16 0,10 0,08 0,0-0,10 Einnahmen Kosten Gewinn/ Verlust Max Min Mittelwert Datenquelle: Bundesmessprogramm, 2009

26 Verteilung der Einnahmen 6,1% 4,5% 2,0% 0,8% Stromverkauf Wärmeverkauf Düngewert Heizmitteleinsparung Gärresteverkauf 91,5% Datenquelle: Bundesmessprogramm, 2009

27 Verteilung der Kosten 8,5% 2,0% 22,% Abschreibung Kreditzins 14,7% 4,9% 5,9% Personalkosten NawaRo-Anbau/-Zukauf Sonstige Betriebskosten Sonstige Direktkosten 42,0% Wartungsverträge Datenquelle: Bundesmessprogramm, 2009

28 Biogasanlagen: einstufig oder zweistufig? organische Feststoffe 26,7 t Maissilage (0% ots) 0,75 m Biogas je kg ots 500 kw el m mit 55% Methan Biogas / d Biogas 26,7 00 = = 4,45 kgm d 1800 für beide Systeme beheiztes Fermentervolumen B R m 600 m flüssiger Gärrest Biogas organische Feststoffe 00 m 00 m 1200 m 600 m zweistufiger Betrieb mit Hydrolyse soll 0% mehr Biogas produzieren? aus 26,7 t Maissilage mit 0% ots 7800 m Biogas / d notwendige Biogasausbeute 7800 / 26,7 00 = 0,97 m je kg ots fester Gärrest flüssiger Gärrest

29 Alternative Konzepte zur Feststoffvergärung rung Vertikaler Aufstrom- fermenter Horizontaler Schwimmbett- fermenter

30 Einspeisung von Biomethan in das Erdgasnetz (2009) Quelle: Fachverband Biogas e.v.

31 Fazit EEG 2004/2009; derzeit etwa 4500 Biogasanlagen, Strom für Mio. Haushalte (etwa 1500 MW) Gärsubstrate: Gülle und Stallmist im Gemisch mit 0-50 % Biogaspflanzen Biogaserzeugung im durchmischten Fermenter, bei 5 45 C (mesophil) Leistung der Biogasanlagen überwiegend zwischen 250 und 500 kwel. Spezifische Investitionen schwanken zwischen 1500 und 6100 Euro je kwel, davon etwa 20 % auf BHKW Durchschnittliche Einnahmen durch Stromverkauf 19 ct/kwh, Kosten für Stromerzeugung 16 ct/kwh, Gewinn ct/kwh Etwa 50 % der Kosten für Bereitstellung von Biogaspflanzen, 25 % auf Abschreibungen, mittlere Amortisationszeit etwa 8 Jahre Erschließung bisher ungenutzter Potenziale, insbesondere Abfälle aus Tierhaltung, Lebensmittelindustrie und Aufwüchse aus Grünlandflächen Entwicklung neuer und effizienter Systeme zur Biogasgewinnung aus organischen Feststoffen

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