Gaserträge von Energiepflanzen eine kritische Bewertung der Daten

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1 Thüringer Landesanstalt für Landwirtschaft Gaserträge von Energiepflanzen eine kritische Bewertung der Daten Ergebnisse der KTBL-Arbeitsgruppe Gasertäge Trossin Energiepflanzentagung Quelle: CH4-Bildungsquellen in Thüringer BGA (kummulativ) 35. Ca. 14 Standorte/147 BGA (EEG) 7 MW (installiert) = Versorgung von 175. Haushalten Substrate: Nutzungsanteil von 3, Mio. m³ R-Gülle + J ca. 49 % 1,6 Mio. m³ S-Gülle ca. 31 % 16 kt Stallmiste ca. 1 % 39 kt Geflügel-WD ca. 112 % ha LF ca. 3,5 % (Mais, G, AWS, GPS,...) CH4 (m³/d) 3. CH4 Erzeugung gesamt 25. CH4 Erzeugung aus WD Inbetriebnahmejahr 15. Biogasanlage Großrudestedt Betreiber: AgroPower GmbH Co. KG Größe: 12 m³ Rührkessel 12 m³ Nachgärer BHKW: 1 kw MAN BHKW (Gas-Otto- Motor) Substrat: Rindergülle, Stallmist Sonstiges: Reine Wirtschaftsdüngervergärung Planer/Errichter: AgroPower GmbH Co. KG Inbetriebnahme: 28

2 Aufgabe: Überprüfung des Arbeitsergebnis von 24 Gliederung Ergebnisse der KTBL-Arbeitsgruppe Gasertäge 1. Einleitung 2. Zielstellung und Herangehensweise 3. Methoden zur Bestimmung der Gasausbeute Batch-Versuche Kontinuierliche Versuche Rechenmodelle 4. Gaserträge Laborversuchsergebnisse Richtwerte für Gasausbeuten und Methangehalte 5. Einflussfaktoren auf den Prozess und die Gasausbeute 6. Zusammenfassung und Schlussfolgerungen

3 Beurteilung der Datenlage 21 Weiter große Spannweite der Gaserträge 1845 verwertbare Datensätze, Substratcharakterisierung oft ungenügend (dav Datensätze mit CH4-Messung) Unterschiede im Fermentationsverfahren Oft zu wenig bzw. unzureichende Begleituntersuchungen Probengliederung 12% GRÜNLAND / FUTTER ZWISCHENFRÜCHTE 2% 7% 5% NAWARO 61% 33% 19% WIRTSCHAFTSDÜNGER rpnp BIOABFÄLLE SONSTIGES Mais / Sorghum 7% Getreide-GPS 14% 1% sonstige NawaRo Getreide Vor- und Nachteile von Batch-Versuchen Vorteile Geringer Aufwand Wiederholen möglich Schnelle Ergebnisverfügbarkeit ( d) Kostengünstig Nachteile Keine Simulation von Verweilzeit und Belastung Abbauvorgänge laufen nicht zeitgleich ab Oft Vorbehandlung der Substrate nötig Eingeschränkte Übertragbarkeit Einsatzbereich Standardisierter Vergleich zur Prüfung von Substraten Ermittlung der maximalen Biogasbildung Wissenschaftliche Fragestellungen und Substratprüfungen

4 Substrat Ergebnisse Tabelle 1: Mittelwerte für Biogas- und Methanerträge Wirtschaftsdünger Eigen-schaften Anzahl TM otm Biogas-ertrag [n] [% FM] [% TM] [l/kg otm] [%] Variationskoeffizient. Geflügelmist abhängig vom Stroh-/Kot- 5 54,8 78, Verhältnis, Rindermist wenig gelagert 11 21,7 83, Rindergülle ,4 82, Nachwachsende Rohstoffe Gras siliert/frisch <25% TS ,4 9, % TS , 89, Methangehalt ( %) + Methanertrag [l/kg otm] Biogasertrag (l N /kg ots) Biogasertrag [l/kg ots] 1 8 Maissilage Mittel: ln/kg ots < 27% TM 27-36% TM > 36% TM 15% 2% 25% 3% 35% 4% 45% 5% ots [% FM]

5 VDLUFA Ringversuch Biogas 28 Ergebnisse Silo-Monitoring (Thüringer BGA 26) TS-Gehalt (%) ots (% der TS) org. Kohlenstoff (% d FM) Mais

6 l CH4/kg ots Methanerzeugung aus Maissilage n = < 27 % TS % TS > 37 % TS 25 Richtwerte: (33 % TS, 95 % ots) 2 Mittelwert 65 l N/kg ots 2, (34 ln CH4/kg 3, ots) 4, 5, TS % Ergebnisse Tabelle 2: = Richtwerte für die Gasausbeute Faustzahlen Biogas KTBL 21 Substrat Eigenschaften TM davon otm Biogasertrag % % ln/kg otm m³/t FM Wirtschaftsdünger Geflügelmist abhängig vom Stroh Rindermist /Kot-Verhältnis, wenig gelagert Rindergülle mit Futterrest Nachwachsende Rohstoffe Maissilage CCM Sorghumsilage ) Methangehalt ( %) + Methanertrag [l/kg otm]

7 Mittelwerte Biogasertrag (l N /kg ots) TS l N /kg ots +/ - % n Gras Klee Luzerne < > 4 16,4 2, Biogasertrag (l N /kg ots) 8 Gras (frisch und Silage) Biogasertrag [l/kg ots] Richtwerte: (35 % TS, 9 9 % ots) Mittelwert 6 l N/kg ots (32 ln CH4/kg ots) < 25% TM 25-4% TM > 4% TM 15% 25% 35% 45% 55% 65% ots [% FM]

8 Ursachen für Unterschiede bei Gras Ligningehalt Methanerträge von Gras-Ko-Substraten (Öchsner 22),39 CH 4 -Erträge (m³/kg ots),4,3,2,17,8,22,26,1 Grassilage (extensiv) Rasenschnitt Grassilage (internsiv) GPS als Substrat für BGA Alternative für nicht Maisstandorte Vorteile im Zeitablauf (beräumt früher als Mais) kurze Erntezeitspanne - Ernteleistung Ertrag / Silierverluste sind ggf. wichtiger als Gasertrag

9 Biogasertrag (l N /kg ots) Getreide - GPS Biogasertrag [l/kg ots] Getreide-GPS 2 Richtwerte: (87 % TS, 97 % ots) Getreide, frisch 1 Mittelwert 62 l N/kg ots (33 ln CH4/kg ots) 1% 2% 3% 4% 5% ots [% FM] Biogasertrag (l N /kg ots) Biogasertrag [l/kg ots] Sorghum- Silage Mittelwert: Richtwerte: 577 ln/kg ots (28 % Sorghumhirse TS, 9 % ots) Mittelwert 69 ln/kg ots 61 l N/kg Sudangras ots 541lN/kg ots Sorghumhybride (317 ln CH4/kg ots) 5% 15% 25% 35% ots [% FM]

10 25 Trockenmasseerträge unterschiedlicher Herkünfte der Durchwachsenen Silphie in Abhängigkeit vom Standort (Durchschnitt 28 und 29) 2 TM (dt/ha) 15 1 USA Norddeutschland Thüringen Russland Silomais 5 Dornburg Gülzow Bingen Heßberg M. Conrad, A. Biertümpfel Silphie Biomasseerträge aus Parzellenversuchen (Dornburg) und Methanerträge je Kilogramm organischer Trockensubstanz (Batchtests) dt ots/ha Nl Methan / kg ots USA ND Rohrbach Russland Berlin BB M. Conrad, A. Biertümpfel

11 Methanausbeute [l N *kg -1 otm] Methanausbeuten unterschiedlicher Kulturarten Ermittelt in Batch-Tests nach VDI 463 Methanausbeute ohne Berücksichtigung der Gärverluste bei der Silierung Methanausbeute mit Berücksichtigung der Gärverluste bei der Silierung Lignin-Gehalt AFM* 1. Schnitt früh AFM* 1. Schnitt spät AFM* 2. Schnitt früh Grünschnittroggen Mais Wintertriticale AFM* 2. Schnitt spät Sommergerste Zuckerhirse Pflanzenart Sudangras Sommerroggen Ölrettich Sommerhafer Luzerne/Gras Sonnenblume Topinambur Miscanthus Quelle: Herrmann, Heiermann, Idler, Scholz, Ligningehalt [% TM] Bewertung der Ergebnisse Einzelversuch aufgrund der Variabilität kritisch Mittelwerte = Richtwert = Planungsgrundlage Variabilität in TS, ots,... beachten (Jahreswitterung) Notwendige Kenntnisse zu Ertrag, Stückkosten und Silierverluste... oft nicht vorhanden, aber wir rechnen mit der Kommastelle bei Gasausbeute Mehrere Fruchtarten (Risikostreuung) z.b. 6% Mais, 1 % AWS, 3 % GPS

12 Substrat Nutzung der Richtwerte Menge ots- Gehalt Methaner trag CH4-Produktion Stromprod uktion t FM/d % FM m 3 /t otm Nm 3 /d kwhel/d Rindergülle 9,9 8, Maissilage 19,2 29, Weizensch rot 2,1 82, Summe 31, m³/d * 1 kwh/m³ CH4 / 24 h/d = 1134 kw primär 1134 kw * 37 % Wirkungsgrad = 419 kw elektrisch Richtwertkonforme Stromproduktion = 1.56 kwh/d unterstellt Wirkungsgrad = Prospektangabe 1 % Normgasumrechnung V T V + T = p p p V: abgelesenes Volumen in Liter l V: Volumen des Gases in Normliter p: Gasdruck in mbar p: Normdruck: 113 mbar pw: w Richtwert für Temperatur: 1 C 96 % 2 C 93 % 3 C 9 % 4 C 87 % 5 C 85 % Dampfdruck des Wassers (Abhängigkeit von der Temperatur (VDI 463; LfL Bayern 23) in mbar T: Gastemperatur in K am Messgerät ( C + 273,15) T: Normtemperatur: 273,15 K

13 Richtwertnutzung zu Prüfung der Praxisdaten Ursachen für Abweichungen Fehler bei der Mengenerfassung Wirtschaftsdünger und der Ko-Sustrate Kaum Bestimmung der TS- und ots -Gehalte Oft wird nur die verwertete Biogasmengen erfasst (über die eingespeisten kwh) Z.T. kein störungsfreier, stabilen Anlagenbetrieb unter optimalen Bedingungen Gasspeicherfüllung und Leerung Keine Umrechung auf Normgaswerte Prüfung der Gaserträge an Richtwerten

14 Relative Substratausnutzung 115 Biogasanlagen bezogen auf KTBL-Richtwerte 25 (Quelle: Bioreact 29) Einflussfaktoren auf die Gasausbeute Substrat, Anlagentechnik,... hydr. Verweilzeit (Tage) (wenig Aussagekraft für NAWARO) Reaktorbelastung (kg ots/m³ d) Reaktortemperatur ( C) (geringer Einfluss innerhalb der Temperaturbereiche)

15 Wirkung von Belastungssteigerung bei langsam abbaubaren Substraten wie z.b. Silage Gasausbeute sinkt, d.h. absolut (m³/t Substrat) u. spezifisch (m³/kg ots) Ausnutzung der Substrate sinkt möglicher Substratgrenzpreis sinkt Restgaspotential steigt Gasproduktion steigt absolut (m³/d) und spezifisch (m³/m³ d) Ausnutzung der getätigten Investition steigt Quelle: Hölker 29

16 Einfluss von Konzentrationen und hemmenden Stoffen TS (bis 1 % TS im Reaktor kein negativer Einfluss) NH 4 -N Gehalte (bis 4 kg/m³ kein negativer Einfluss) ph-wert (Steuerung schwierig, Trendlinien sind hilfreich) Fettsäuren (Keine Schelltest verfügbar, aber hohe Aussagekraft) Arznei und Desinfektionsmittel (keine Probleme bei fachgerechtem Einsatz) Einfluss der Anlagentechnik Reaktorgröße Rührwerksart Durchmischungshäufigkeit Beheizung Reaktoranordnung Substratkonservierung, -einbringung, -aufbereitung Anlagensteuerung

17 Schlussfolgerungen Richtwerte nutzen für Planung Konservativer Ansatz Lange Verweilzeit, niedrige Belastung Wichtig ist bei Pflanzenauswahl: Masseertrag, TS und ots -Gehalte Stückkosten /dt TM, ct/m³ CH 4 Ackerbauliche Vorteile Verdrängte Fruchtart Eigenkontrolle der Anlage Mitgliedern der KTBL Arbeitsgruppe Gaserträge Prof. Dr. Amon, Thomas, (BoKu Wien) Dr. Bischoff, Manfred, (LUFA, Oldenburg); Dr. Clemens, Joachim (Gewitra mbh, Bonn); Dr. Heuwinkel, Hauke, (LfL Freising); Keymer, Ulrich (LfL München); Meißauer, Gabi (Schmack, Schwandorf); Dr. Oechsner, Hans (Uni Hohenheim); Dr.-Ing. Reinhold, Gerd (TLL Jena); Schelle, Hannelore (ATB Potsdam-Bornim); Prof. Weiland, (vti Braunschweig); OAR Welsch, Winfried (BMELV Bonn); Zerr, Walter (LHL Gießen) Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!