Restgaspotenzial im Gärreststoff. Landwirtschaft

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1 Januar 2016 Messe Ulm Der verschiedener Landwirt als Biogasanlagen Energiewirt - Biogaserzeugung - eine Praxisstudie in der Landwirtschaft Dr. Hans Oechsner; B.Sc. Stephan Ruile; B.Sc. Landesanstalt für Agrartechnik und Bioenergie, Universität Hohenheim 1 Aufgaben der Landesanstalt für Agrartechnik und Bioenergie gem. Satzung vom Aufgaben für die Bereiche Agrartechnik und Bioenergie Praxisnahe Forschung Spezialberatung für die baden württembergischen Landwirtschaft Technische Beratung von landwirtschaftsnahen Gewerbe und Industriebetrieben Fortbildung der Lehr und Beratungskräfte der Landwirtschaftsverwaltung in Bezug auf den Stand der Technik und neue Versuchsergebnisse Lehre Erweiterung des Spektrums durch Wahrnehmung von Lehraufgaben in Zusammenarbeit mit Prof. Jungbluth Wissenstransfer Praxisnahe Forschung Agrartechnik und Bioenergie 1

2 Hohenheim Biogas Yield Test HBT High turnover equipment for methane potential determination in batch modus: [more than 600 mini-digesters 100 ml ] 200 Variants Three repetitions Appropriate for plant-breeding programs Excellent repeatability: 2 Reference substrates The 0-Variant Inoculum 0,5 Methanertrag (Nm 3 / kg ots) 0,4 0,3 0,2 0,1 Weizen gemahlen Weizen gequetscht ganze Weizenkörner Verweilzeit (Tage) Lab scale bio-reactors for batch and semicontinuous operations Automatical analysis of gasvolume and quality Overview: Liquid feedstock storage units (above left) Vertical and horizontal digesters (below left and right) 4 Agrartechnik und Bioenergie 2

3 Laboratory for 2 phase biogsas process Pressure Digesters for 10 and 100 bar Methane Reactor: Upflow Fixed bed (Anaerobic Filter) Approx. 20 Liter fixed bed Carrier material: sintered glass cylinder Diameter: 15 mm Pore size: µm Porosity: up to 70% Total effective surface area: 270 m 2 l 1 Producer: Sera 6 Agrartechnik und Bioenergie 3

4 Full scale Biogas-research-plant Unterer Lindenhof Silage storage 2 Fermenters a 923 m³ volume Central pump and control Second step digester with gas storage Slurry store 7 Research equipment for biogas production in Hohenheim 8 Agrartechnik und Bioenergie 4

5 Team der Landesanstalt für Agrartechnik und Bioenergie, February 2015 eine Praxisstudie Einleitung, Problemstellung Methode Ergebnisse zu 25 Biogasanlagen Zusammenfassung Agrartechnik und Bioenergie 5

6 Einführung Durch Bonuszahlungen und Einspeisevergütungstarife wurden je EEG unterschiedliche Anlagenkonzepte gefördert. Große Variation der Biogasanlagen: Bauart Anzahl der Fermentationsstufen Einsatzstoffen technischer Ausstattung 15 Fermenter-Design Kontinuierliche Vergärung im Flüssigfermenter vertical, concrete, 2 steps vertikal, CSTR, Beton, mehrere Stufen, Gärrestlager gasdicht abgedeckt horizontal, Stahl, 2 Stufen komb Agrartechnik und Bioenergie 6

7 Grundsätzliche Ziele moderner Biogasanlagen mit guter Effizienz und geringen Umweltbelastungen Erreichen eines hohen Methanertrages Erzielen einer guten Umsetzungsrate von Inputsubstrat zu Biogas Minimierung unkontrollierter Methanemissionen Minimierung von Geruchsemissionen Vollständige Nutzung der Energie Positiver Einfluss auf Wirtschaftlichkeit 17 Grundsätzliche Anforderungen an einen effizienten Biogasprozess: Optimales Design des Biogassystems Anpassung der Technik an das eingesetzte Substrat, HRT, OLR, Aufbereitung Genaue Charakterisierung der Substrate TS-, ots-gehalt Vergärbarkeit (Fasergehalt) Lagerstabilität Effekte einer Vorbehandlung Nährstoffgehalt (Hemmung, giftige Inhaltstoffe) 18 Agrartechnik und Bioenergie 7

8 Kontrolle der Prozessqualität und Prozesseffizienz durch Betreiber erforderlich Möglichkeiten zur Kontrolle des Betriebes einer Biogasanlage Kontrolle des verwendeten Substrates (Qualität, Menge, gleichmäßige Fütterung, Substratmischung) Prozessparameter (Temperatur, TS-Gehalt, Fettsäurekonzentration, FOS/TAC, ph-wert, Versorgung mit Spurennährstoffen, ) Ertragskontrolle (Gasvolumen, Gasqualität) Restgaspotenzial des Gärrestes bietet eine gute Möglichkeit zur Effizienzbewertung des gesamten Biogassystems 19 Gesetzliche Regelungen EEG 2012 für Neuanlagen: Gärrestlager müssen gasdicht sein Bestehende Anlagen < 110 Tage Verweilzeit Emissionspotenzial nach VDI 3475 muss unter 1,5% liegen Reine Gülleanlagen: Keine Zusatzanforderungen - Methanemissionen aus der Tierhaltung werden grundsätzlich gemindert Forschungsauftrag des MUKE Ba-Wü. Untersuchung von 25 Biogasanlagen auf Restmethanpotenzial in einer mmer- und einer Wintermessung 20 Agrartechnik und Bioenergie 8

9 eine Praxisstudie Einleitung, Problemstellung Methode Ergebnisse zu 25 Biogasanlagen Zusammenfassung Versuchsplanung - Anlagenauswahl 22 landwirtschaftliche BGA 3 kommunale BGA 4 Gülleanlagen, 6 Nawaro-Anlagen, 12 NaWaRo-Kofermentationsanlagen 3 kommunale Abfallanlagen 5 BGA:1 Stufe 17 BGA: 2 Stufen 11 BGA: gasd. Substratlager el. Leistung kw Mesophile und thermophile Betriebstemperatur 22 Agrartechnik und Bioenergie 9

10 Probenentnahme Jeder Behälter wurde beprobt Die Entnahme erfolgte soweit möglich am Überlauf, bzw. der Pumpstation Die Entnahme der Gärrestproben erfolgte nach aufrühren des Gärrestlagers Z.T. Beprobung der Einsatzstoffe 23 Bestimmung weiterer Parameter Von allen Gärbehälterproben wurden durchgeführt Gärtest 60 Tage bei 20 C und 37 C TS und ots Gehalt bestimmt Gehalt flüchtiger organischer Säuren festgestellt. [Restmethanpotenzial, RMP in %] 100 % 24 Agrartechnik und Bioenergie 10

11 Erfassung von Anlagendaten Erfassung durch Fragebogen Erfassung von technischen Daten Behälter (Menge, Größe, Nutzvolumen) BHKW (Elektrische Leistung und Wirkungsgrad, Zündöleinsatz) Erfassung von Produktionsdaten Stromproduktion (Biogasproduktion, Gaszusammensetzung) Einsatzstofftagebuch (Einsatzstoffe, Mengen) Betriebstemperatur 25 Restgaspotenzial-Bestimmung bei Fermenterkaskaden (frühere Untersuchung) Fermenter Nachgärer Gärrestlager HRT B R d kg ots/m³ * d BGA 1 Fermenter 68 2,85 BGA 1 Substratlager 106 0,25 BGA 2 Fermenter 62 2,36 BGA 2 Nachgärer 80 0,97 BGA 2 Substratlager ,03 Agrartechnik und Bioenergie 11

12 Restgasemissions-Bestimmung bei Fermenterkaskaden (frühere Untersuchung) 27 eine Praxisstudie Einleitung, Problemstellung Methode Ergebnisse zu 25 Biogasanlagen Zusammenfassung Agrartechnik und Bioenergie 12

13 Ergebnisauswertung der Betriebe am Beispiel Bioabfallvergärungsanlagen Fermentergrößen Parameter BGA 5 BGA 6 BGA 7 Hydrolysestufe [m³] 2 x Größe Fermenter [m³] 2 (3) x x x 1440 Größe Nachgärer [m³] Größe Gärrestager offen [m³] Ergebnisauswertung der Betriebe am Beispiel Bioabfallvergärungsanlagen Leistungskennzahlen: Wintermessung (Wi) und mmermessung () Kennzahl BGA 5 BGA 6 BGA 7 Wi Wi Wi Installierte Leistung [kw el. ] Stromproduktion [kwh/d] Biogasproduktion [m³/d] Vollaststunden je Tag [h/d] 11,7 12,5 19,8 23,6 17,2 18,0 30 Agrartechnik und Bioenergie 13

14 Ergebnisauswertung der Betriebe am Beispiel Bioabfallvergärungsanlagen Massenbilanzierung zur Ermittlung der Menge an täglich anfallenden Gärresten Bilanzgröße BGA 5 BGA 6 BGA 7 Wi Wi Wi Einsatzstoffzufuhr [t FM/d] 36,5 39,8 42,8 60,5 100,0 97,0 Erzeugtes Biogas [t/d] 3,8 4,1 8,4 9,2 13,4 14,5 Gärrestmenge [t FM/d] 32,6 35,6 36,3 51,3 83,5 82,4 ots Gärrest [t ots/d] 0,55 1,26 0,04 0,10 4,49 6,20 31 Ergebnisauswertung Einsatzstoffzusammensetzung der Bioabfallvergärungsanlagen nach Art der eingesetzten Substrate Einsatzstoffe [t FM /Tag] Tiernahrungsmittel Kat. 3 Fettabscheider Überl. Nahrungsmittel Grünabfälle Braune Tonne Speisereste 0 Biogasanlage 32 Agrartechnik und Bioenergie 14

15 Ergebnisauswertung Mittlere hydraulische Verweilzeiten (HRT) der Bioabfallvergärungsanlagen Verweilzeit Hydrolysestufe Verweilzeit Fermenter Verweilzeit Nachgärer Biogasanlage Lagerzeit (abgedeckt) Verweilzeit (HRT) in Tagen 34 Ergebnisauswertung: Mittlere Abbaugrade der organischen Trockensubstanz entlang der Fermenterkaskade der Bioabfallvergärungsanlagen Abbau ots [%] Gärrestlager (offen) Nachgärer Fermenter Vorgärer Biogasanlage 35 Agrartechnik und Bioenergie 15

16 Ergebnisauswertung: Restmethanpotential in Prozent (%) der täglich produzierten Methanmenge der Bioabfallvergärungsanlagen (37 C) Restmethanpotenzial RMP [%] Wintermessung mmermessung Biogasanlage 36 Ergebnisauswertung: Maximales theoretisches Emissionspotential in Prozent der Bioabfallvergärungsanlagen (20 C) Emissionspotenzial [%] Wintermessung mmermessung Biogasanlage 37 Agrartechnik und Bioenergie 16

17 Substratzusammensetzung der NaWaRo- Kofermentationsanlagen mmer-winter-vergleich 100% Speisereste Landwirtschaftliche Reststoffe nstige NawaRo Getreidekorn GPS Grassilage Maissilage Festmist Gülle 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% BGA 11 Wi BGA 12 Wi BGA 13 Wi BGA 14 Wi BGA 15 Wi BGA 16 Wi BGA 17 Wi BGA 18 Wi BGA 19 Wi BGA 20 Wi BGA 21 Wi BGA 22 Wi Futter [t/tag] BGA 23 Wi BGA 24 Wi BGA 25 Wi Biogasanlage 38 Betriebsparameter aller Anlagen 8 Raumbelastung 7 Raumbelastung [kg ots/ m³ d] Fermentertemperatur [ C] Agrartechnik und Bioenergie 17

18 Hydraulische Verweilzeit der Fermenterkaskaden Biogasanlage Verweilzeit Hydrolysefermenter Verweilzeit Fermenter Verweilzeit Nachgärer Hydraulische Verweilzeit [d] 40 Hydraulische Verweilzeit der Fermenterkaskaden Biogasanlage Verweilzeit Hydrolysefermenter Verweilzeit Fermenter Verweilzeit Nachgärer Lagerzeit (gasdicht) Hydraulische Verweilzeit 41 Agrartechnik und Bioenergie 18

19 Hydraulische Verweilzeit der Fermenterkaskaden Biogasanlage Verweilzeit Hydrolysefermenter Verweilzeit Fermenter Verweilzeit Nachgärer Lagerzeit (gasdicht) Lagerzeit (offen) Hydraulische Verweilzeit [d] 42 Abbaugrad der ots der untersuchten Anlagen , , Gülle Bioabf Hydrolytic digester 1st digester 2nd digester Digestate storage (covered) Digestate storage (uncovered) 43 Agrartechnik und Bioenergie 19

20 Emissionspotenzial Wintermessung [20 C] 46 Emissionspotenzial Wintermessung [20 C] 47 Agrartechnik und Bioenergie 20

21 Emissionspotenzial Wintermessung [20 C] 48 eine Praxisstudie Einleitung, Problemstellung Methode Ergebnisse zu 25 Biogasanlagen Zusammenfassung Agrartechnik und Bioenergie 21

22 Zusammenfassung Biogasanlagen variieren weit in ihrer Kapazität ( kw el ) Betriebstemperatur (40 53 C) Kaskadenstufen (1 3, + gasdichtes Gärrestlager) hydraulische Verweilzeit ( Tage) Raumbelastung (0.9 to 7.4 kg ots/m³*d) Futterzusammensetzung Substratvorbehandlung Das Restmethanpotenzial korreliert stark mit der hydraulischen Verweilzeit 50 Zusammenfassung Inputsubstrate haben einen großen Einfluss auf die Effizienz des biologischen Prozesses (Festmist, verholzter Grünschnitt) In den meisten Fällen liegt das Emissionspotenzial sehr niedrig (< als1,5 %) In Fällen von hohem Restmethanpotenzial meist klare Zusammenhänge erkennbar: Zu kurze Verweilzeit Verwendung großer Anteile schwer abbaubarer Substrate (z.b. Pferdemist, Festmist) Prozessstörungen 51 Agrartechnik und Bioenergie 22

23 Zusammenfassung Qualität der Methode Probenahme wichtig (repräsentativ) 60 Tage Inkubation bei kontrollierter Temperatur Zeigt die wirkliche Substratumsetzung und Effizienz des Biogasprozesses im Praxismaßstab Vorteile für den Betreiber Geeignetes Instrument zur Bewertung der Prozesseffizienz Kann genutzt werden, um Optimierungspotenzial zu erkennen Bewertung von Umweltwirkungen von Biogasanlagen 52 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Kontakt: Dr. Hans Oechsner Tel Dieses Projekt wurde finanziert durch das Ministerium für Umwelt, Klima, Energiewirtschaft, Baden-Württemberg Agrartechnik und Bioenergie 23

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