ELIRAS Eine neue Bewertungsmethode für Substrataufschlussverfahren und deren Effekte auf den Biogasprozess und die Rührtechnik

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1 ELIRAS Eine neue Bewertungsmethode für Substrataufschlussverfahren und deren Effekte auf den Biogasprozess und die Rührtechnik 2. Mitteldeutsches Anwenderforum Biogas, , Bad Lauchstädt 00 Dr. Jürgen Pröter, Josephine Hofmann, Dr. Britt Schumacher 00

2 Hintergrund vielschichtiger und unübersichtlicher Markt an Substrataufschlussverfahren

3 Hintergrund vielschichtiger und unübersichtlicher Markt an Substrataufschlussverfahren es fehlen: einheitliche und objektive Bewertungskriterien Ansatzpunkte zur Abschätzung der Kosten- und Energieeffizienz Berücksichtigung: Mehraufwand (Strom, Wärme, Investition, Betriebskosten, Wartung) Substratabbau, Prozessstabilität, Gasbildung rührtechnische Effekte

4 Definition Substrataufschluss nach FNR Substrataufschluss Desintegration = (Vor-) Behandlung von Substraten für Biogasanlagen = Behandlung des Fermenter- Ablauf der anaeroben Vergärung mit dem Zweck der erneuten Vergärung Zerstörung der Zellwandstruktur Freisetzung des Zellinhaltes 4

5 Optionen zur Desintegration an landwirtschaftlichen Biogasanlagen Silo Energiepflanzen Feld Stall Gülle -tank Fermenter BHKW Bioga s Gärrestlager Strom Wärme Fütterun g Gärrestausbringung Quelle: Schumacher, B.: Technische Bewertung von Verfahren zur Substratdesintegration an landwirtschaftlichen Biogasanlagen. Leipziger Biogasfachgespräche 2012/2013, Innovative Verfahren, , Desintegration 5

6 FoTS Desintegration Effekte Positive Wirkung von Desintegration zurückzuführen auf 3 Haupteffekte: Erhöhung des vergärbaren organischen Anteils saubere Trennung! Steigerung der Reaktionsgeschwindigkeit Veränderung der Hydrodynamik oft unberücksichtigt 6

7 FoTS Desintegration Effekte Erhöhung des vergärbaren organischen Anteils Freisetzung von eingeschlossenem Zellmaterial chemische Umwandlung Steigerung der Reaktionsgeschwindigkeit gesteigerte Verfügbarkeit abbaubarer Substanzen Steigerung Biogasbildungspotenzial Vergrößerung Partikeloberfläche Erhöhung des Anteils schnell abbaubarer Fraktionen Freisetzung von Enzymen bei gleichem Umsatz: Verkürzung der notwendigen hydraulischen Verweilzeit kleinere Fermentervolumina höhere Raumbelastung 7

8 Desintegration Effekte Veränderung der Hydrodynamik Erhöhung des durchmischten Reaktorvolumens Vermeidung der Sink- und Schwimmschichtbildung Veränderung der Rheologie des Fermenterinhaltes Erhöhung der Verweilzeit verbesserte Handhabbarkeit des Fermentersubstrates weniger Störfälle Absenkung der Rühr- und Pumpleistung Florian Gerlach / pixelio.de Fabian Jacobi (DBFZ) 8

9 FoTS Desintegration Effekte alle drei Haupteffekte der Desintegration ziehen eine Steigerung des Biogasertrags der gesamten Biogasanlage nach sich 9

10 Desintegration in der Praxis Betreiberbefragung Bezugsjahr 2014 Desintegrationsverfahren im Betrieb auf deutschen Biogasanlagen Deutschland 2014: ca Biogasanlagen in Betrieb 1% 2% 2% 12% 9% mechanisch biologisch chemisch thermisch Ultraschall elektrisch Angaben zur Desintegration: 829 Anlagen 11% 73% keine Angabe 108 Anlagen (13 %) mit Desintegration Quelle: Betreiberbefagung DBFZ 2015 (Biogassektor), Daten 2014 n=108 10

11 Projekt ELIRAS Name: Entwicklung eines Leitfades zur Auswahl von standortspezifisch angepassten Rühr- und Substrataufschlussverfahren für Biogasanlagen Laufzeit: Projektpartner: DBFZ Deutsches Biomasseforschungszentrum Lifetec Systems Gesellschaft mbh, Hamburg Maier Energie und Umwelt GmbH, Mindelheim Förderung: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) Ziele: Ermittlung objektiver und einheitlicher Bewertungskriterien zur Wirkung des Substrataufschlusses Übergeordnet: Erhöhung Gesamtenergieeffizienz von Biogasanlagen, Reduktion von Emissionen, Kostensenkung Details: 11

12 ELIRAS Methodik Substrataufschluss Substratabbau Substratausnutzung Kinetik Hydrodynamik Durchmischung Rührwerke Pumpen Praxisanlage Demonstration Ökonomie Ökologie Bewertungsmethode 12

13 ELIRAS Experimentelle Untersuchungen realistischer Vergleich: zwei baugleichen Biogasanlagen im Parallelbetrieb gleiches Substratfütterungsregime Unterschied nur im Desintegrationsverfahren fundierte Massenbilanz nicht durchführbar oder zu aufwendig Alternative: Laborversuche reaktionstechnische Berechnungen Josephine Hofmann (DBFZ) 13

14 ELIRAS Experimentelle Untersuchungen Versuche: exemplarischer Substrataufschluss diskontinuierliche Gärversuche (Batch) kontinuierliche Gärversuche Untersuchung der Reaktionsgeschwindigkeit Betrachtung: Prozessstabilität Biogas- und Methanbildung Abbaugeschwindigkeit Charakterisierung des Fermenterinhaltes Durchmischung Josephine Hofmann (DBFZ) Jan Gutzeit (DBFZ) 14

15 ELIRAS Experimentelle Untersuchungen Exemplarischer Substrataufschluss thermische Desintegration: enzymatische, chemische Desintegration: Josephine Hofmann (DBFZ) Josephine Hofmann (DBFZ) 15

16 Einfluss Durchmischung auf Gasertrag unzureichende Durchmischung V Reaktion < V Reaktor kürzere Verweilzeit Minderung des Gasertrags Probleme bei Anlagen mit kurzer Verweilzeit schwer vergärbare Substrate zu beachten: stärkere Durchmischung höherer Energieverbrauch der Rührwerke 16

17 FoTS Szenario zu den Effekten der Desintegration Desintegration erzielt Änderung Biogasertrag a) Erhöhung des vergärbaren Anteils an organischer Substanz b) Steigerung der Reaktionsgeschwindigkeit c) Veränderung der Hydrodynamik +2 % +7% +15 % +5 % +8 % 17

18 Biogasbildung Biogasbildung bisherige Erfahrungen in der Vergangenheit oft Fehlinterpretation von diskontinuierlichen (Batch-) Gärversuchen unbehandelt desintegriert Tage Tage unbehandelt desintegriert 18

19 bisherige Erfahrungen bezüglich Steigerung des Biogasertrages Desintegration von Substraten nicht interessant für Biogasanlagen mit langer hydraulischer Verweilzeit Desintegration zeigt geringe Effekte bei bereits gut vergärbaren Substraten Maissilage Desintegration vorteilhaft für Substrate mit Strohanteilen Mist 19

20 externe Unterstützung Ziel: großtechnische Anwendung der Bewertungsmethode Wie können Anlagenbetreiber das Projekt unterstützen? Zusammenarbeit mit Biogasanlagen zur Installation einer Desintegrationseinrichtung: in der Vergangenheit in Planung mit Interesse Wann? Ende 2016/Anfang

21 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Ansprechpartner Dr. Jürgen Pröter Tel.: Josephine Hofmann Tel.: DBFZ Deutsches Biomasseforschungszentrum gemeinnützige GmbH Torgauer Straße 116 D Leipzig Tel.: +49 (0)

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