Das Vorhaben wird bearbeitet von. FKZ-Nr.: 03KB064. Dr. Hans Oechsner und Dr. Matthias Mönch-Tegeder, Landesanstalt für Agrartechnik und Bioenergie,

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1 Das Vorhaben wird bearbeitet von Gefördert durch Koordiniert vom Wissenschaftlich begleitet vom Nachhaltige Energieerzeugung durch Erschließung von Pferdemist als Gärsubstrat für Biogasanlagen FKZ-Nr.: 03KB064 Dr. Hans Oechsner und Dr. Matthias Mönch-Tegeder, Landesanstalt für Agrartechnik und Bioenergie, Universität Hohenheim Workshop Best-Practice-Beispiele in der energetischen Biomassenutzung - Bioenergie effizient nutzen! Leipzig, den 1./ , Landesanstalt für Agrartechnik und Bioenergie, Universität Hohenheim Rohstoffeinsatz in Biogasanlagen Aktueller Stand Festmist 5% Bioabfall u. Reststoffe 4% Maissilage 39% Gülle 38% NawaRo 53% Biogasanlagen in Deutschland Substrateinsatz ca. 115 Mio. t FM pro Jahr Hohe Rohstoffkosten - Alternativen? sonst. NawaRo 5% Grassilage 5% Getreide- GPS 4% Literatur: Daniel-Gromke et. al, 2013; Fachverband Biogas e.v., 2013; Gömann,

2 Energieumsetzungsrate [%] Biologische Umsetzung von Energie 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% 80% 75% 68% 45% 40% 15% 21. Jahrestagung Biogas und Bioenergie in der Landwirtschaft, Offenburg Einsatz von Pferdemist als Gärsubstrat 4 Umsetzrate GE zu Biogasenergie Forschungsprojekt mit Pferdemist, Gefördert vom BMU Ziele des Projektes: Ermittlung der Vergärbarkeit dieses faserhaltigen Substrates Einfluss der Aufbereitung auf Umsetzbarkeit und Effizienz Optimierung der Handhabbarkeit im Fermenter Steigerung des Methanertrages Nutzung von Pferdemist als Energiequelle Optimale Nutzung der Nährstoffe als Dünger 5 2

3 Pferdemist als Futter für Biogasfermenter? Mehr als 1 Mio. Pferde in Deutschland gehalten Mistanfall: t je Pferd und Jahr % Strohanteil (schwankender Anteil) Mangel an Lagerfläche Probleme im Umfeld von Städten Hohe Entsorgungskosten Energetische Nutzung in Biogasanlagen kann ein Lösungsansatz sein. Häußermann et al., 2002; Beck, 2005; Winter, Verfügbarkeit von Pferdemist - verwendete Einstreumaterialien Weite Variation der Zusammensetzung von Pferdemist Sägespäne 15% Flachsstroh 1% Nutzung alternativer Einstreumaterialien Einfluss der Behandlungsdauer- Unbekanne Effekte Sägemehl 34% Weizenstroh 50% Hess et al.,

4 Hoher Fasergehalt: Verfahrenstechnische Herausforderungen Verstopfung des Überlaufs möglich Schwimmschicht Langsame Umsetzung Anstieg der Viskosität und Einsparung von Rührenergie 8 Vergärbarkeit von Pferdemist Substrateigenschaft Substrate von 10 Betrieben: Genutzte Einstreu (Stroh, Strohpellets, Flachsstroh, Sägespäne. Holzpellets) Pferdekot Pferdekot mit verschiedenen Einstreumaterialien gemischt Frischer und gelagerter Pferdemist Analyse der Zusammensetzung Weender und van Soest Analyse Gehalt an Spurennährstoffen Messung des Biogas- und Methanertrages Hohenheimer Biogas Ertragstest (HBT) VDI-Richtlinie 9 4

5 Kumulierter spezifischer Methanertrag [m³ / kg ots] Kumulierter spezifischer Methanertrag [m³ / kg ots] Vergärbarkeit von Pferdemist Spezifische Methanerträge von Einstreumaterialien 0,300 0,250 0,247 0,200 0,205 0,150 0,100 0,050 0,067 0,021 0,017 0,000 Stroh Strohpellets Flachsstroh Holzpellets Sägespäne Angabe der Gasvolumen unter Normbedingungen: 1,01325 bar, 273,15 K 10 Vergärbarkeit von Pferdemist Spezifischer Methanertrag Alter des Mistes 0,250 0,200 0,150 0,205 0,176 0, % 0,150 0,100 0,050 0,000 standardized: 1013 hpa, 273,15 K Stroheinstreu Einstreu Pferdemist Pferdekot Pferdemist Pferdemist "frisch" Pferdemist Pferdemist "gelagert" frisch gelagert 11 5

6 Vergärbarkeit von Pferdemist Erkenntnisse Gute Umsetzbarkeit von strohhaltigem Pferdemist ots: Pferdemist 198 m³ CH 4 / t vs. Mais m³ CH 4 / t FM: Pferdemist ca. 80 m³ CH 4 / t vs. Mais m³ CH 4 / t Unzureichender Abbau der alternativen Einstreumaterialien Verlust von organischen Bestandteilen und Verringerung der Methanausbeute während der Lagerung (-24 %) Spurennährstoffgehalte vergleichbar mit Grassilagen 12 Substrataufbereitung Pflanzen oder Pflanzenteile mit hohem Faseranteil Lignozellulose erschwerter Abbau Nebenprodukte Kann Aufbereitung anaerobe Abbaubarkeit verbessern? Mikrofaserstruktur Quelle: Genome programs of the US department of Energy Office of Science Schwarz et al., Jahrestagung Biogas und Bioenergie in der Landwirtschaft, Offenburg Einsatz von Pferdemist als Gärsubstrat 13 6

7 Spezifischer Methanertrag [m 3 /kg ots] Weizenstroh Variation der Partikelgröße Effekt der Zerkleinerung 0,40 0,35 0,30 0, % 0,20 0,15 0,10 0,05 0,00 Weizenstroh 1 mm Weizenstroh 5 mm Weizenstroh 10 mm Standardisiert: 1013 hpa, 273,15 K Gärdauer [d] Slotjuk, Mechanische Vorbehandlung Anforderungen Vergrößerung der Substratoberfläche Niedrige Investitions- und Betriebskosten Steigerung der Methanerträge und Beschleunigung der Umsetzbarkeit Text Vermeidung von hemmenden Effekten Reduzierung der Verluste organischer Bestandteile Optimierung der Viskosität Nach Taherzadeh und Karimi, 2008; Agbor et al., 2011, ergänzt 15 7

8 In Biogasanlagen genutzte Systeme für die Substratzerkleinerung und -Aufbereitung Rotacut Kugelmühle Querstromzerspaner FREY, 2014 FREY, 2014 MÖNCH-TEGEDER, 2014 Schredder Extruder Prall-Reaktor JENZ GMBH, 2014 BTS BIOGAS GMBH, 2014 BTS BIOGAS GMBH, Mechanische Vorbehandlung als mögliche Lösung Querstromzerspaner cross flow grinder Rotierende Ketten ursprünglich aus der Recycling-Industrie Arbeitskammer Durchmesser: 0,9 bis 2,5 m Anschlussleistung 55 bis 315 kw 17 Kettendrehzahl: 1200 /min Einsatz in Batch- oder Durchflussbetrieb 8

9 Mechanische Aufbereitung von Pferdemist Zerkleinerungsorgane in Form von rotierenden Ketten Zerkleinerung primär durch stumpfe Schläge auf das Material Materialkollision bewirkt zusätzliche Zerkleinerung Betriebsweise: Chargen oder kontinuierlich Gerätedaten: - Nennleistung: 55 kw - Nennstrom: 97,6 A - Drehzahl Schlagkopf: /min Einstellbare Parameter Chargenbetrieb: - Zerkleinerungszeit - Befüllstop (Stromaufnahme) und Befüllzeit - Auswurfzeit - Durchsatz: 1,0-2,5 t FM /h 18 Mit QZ aufbereitete Substrate Maissilage 15 sec 30 sec Pferdemist 15 sec 30 sec 19 9

10 Spezifischer Methanertrag [m³/kg ots] Spezifischer Methanertrag (Nm 3 / kg ots) Anteil der Substratmassen [%] Nasssiebung von vorbehandeltem Pferdemist - Variation der Behandlungszeit 90,0 80,0 70,0 60,0 Horse manure control Horse manure 15 sec. Horse manure 30 sec. 50,0 40,0 30,0 20,0 10,0 0,0 <1,0 1,0 bis <2,0 2,0 bis <10,0 > 10 Größenklasse [mm] 20 Mechanische Vorbehandlung Verschiedene Substrate 0,45 0,40 0,35 0,30 Maissilage QZ 30 sec Maissilage QZ 15 sec Maissilage Kontrolle Pferdemist QZ 30 sec. Pferdemist QZ 15 sec. Pferdemist Kontrolle 0 bis + 6 % 0,25 0,20 0, bis +24 % 0,10 0,05 0, standardized: 1013 hpa, 273,15 K Gärdauer [Tage] Verweilzeit (Tage) 21 10

11 Kumulierter spezifischer Methanertrag [m³ / kg ots] Mechsnische Vorbehandlung Visueller Eindruck Kontuierlicher Betrieb, 10 cm Spalt Unbehandelte Kontrolle 5 s 10 s 15 s s Mechanische Substrataufbereitung Variation der Zerkleinerung - Pferdemist 0,270 0,260 0,257 0,250 0,240 0,236 0,241 0,247 0,249 0,249 0,230 0,220 0,210 0,200 Kontrolle 10 cm 5 s 10 s 15 s 30 s Aufbereitungsintensität Angabe der Gasvolumen unter Normbedingungen: 1,01325 bar, 273,15 K 23 11

12 Energieverbrauch [kwh/t FM] 15 s 30 s 15 s 30 s 15 s 30 s 15 s 30 s 15 s 30 s Mechanische Vorbehandlung Energieverbrauch des Querstromzerspaners 25,0 20,0 15,0 10, ,0 0,0 TS-Gehalt hat Einfluss auf Energieverbrauch 26 Mechanische Vorbehandlung Zwischenfazit Signifikanter Einfluss auf Partikelstruktur und -Größe Kein signifikanter Effekt auf den Methanertrag von grüner Pflanzensilage Eindeutiger und signifikanter Effekt bei Pferdemist Steigender Methanertrag Abbaukinetik Optimaler Zerkleinerungseffekt bei 15 s Aufbereitungsdauer Energieverbrauch ist vom Substrat und dessen TS-Gehalt abhängig (10-20 kwh / t FM) Mechanische Aufbereitung ist nur für lignozellulosehaltige Substrate interessant 27 12

13 Untersuchungen im Praxismaßstab Bisher zu geringe Erfahrung mit lignozellulosehaltigem Substrat in praktischen Biogasanlagen: Einfluss auf die Prozessbiologie Einfluss auf die Substratausnutzung Verfahrenstechnische Anforderungen Notwendigkeit einer Substrataufbereitung 28 Verwertbarkeit von Pferdemist im Praxismaßstab Forschungsbiogasanlage Unterer Lindenhof Installierte Leistung: 186 kw el Fermentervolumen: 800 m³ Netto Betriebstemperatur: 40,0 C 29 13

14 Verwertbarkeit von Pferdemist im Praxismaßstab Material und Methode Untersuchungszeitraum: 160 Tage Einsatz MeWa Bio-QZ 900 am Fermenter 1 Identische Futtermenge und Zusammensetzung in beiden Fermentern Analyse der biologischen Parameter Kontinuierliche Erfassung der produzierten Gasvolumina und der Gasqualität Bestimmung der Abbaueffizienz in der 2. Versuchshälfte Methanertragsbestimmung der Einsatzstoffe im HBT nach VDI-Richtlinie 4630 (35 Tage) Berechnung des Methanpotenzials anhand der Fütterungsmengen 30 Nutzbarkeit von Pferdemist Futterration Pferdemist 18% 26 % Festmist 8% Vorbehandlung bei Fermenter 1 Flüssigmist 41% Getreideschrot 3% GPS 10% 33 % Futtermenge HRT OLR Grassilage 8% Maissilage 12% Fermenter 1 aufbereitet [t/d] [d] [kg/m³ d] 10.5 ± ± ± 0.5 Fermenter 2 Kontrolle 10.4 ± ± ±

15 Biogasertrag pro Tag [Nm³ / d] Specifischer Methanertrag [Nm³ / kg ots] Pferdemist im Praxisbetrieb Mit und ohne mechanischer Vorbehandlung 1600 Mit Vorbehandlung m³/kg ots Fermenter 1 (Bio-QZ) Fermenter 2 (unaufbereitet) m³/kg ots Ohne Vorbehandlung Dauer in d Mönch-Tegeder, Einsatz von Pferdemist in Praxisanlagen Abbaugrad 0,35 0,3 0,25 0, % % ,15 0,1 0,05 0 Potenzial Berechnet Fermenter Fermenter 1 (Bio-QZ) 1 Fermenter Fermenter 2 (unaufbereitet) 2 über HBT und Input vorbehandelt Kontrolle standardized: 1013 hpa, 273,15 K 33 15

16 Nutzbarkeit von Pferdemist in Praxisanlagen Zwischenfazit Prozessbiologie Stabiler Betrieb (geringe Konzentrationen organischer Säuren) Anstieg des TS-Gehaltes in den Fermentern (+3 %) Substratausnutzung Pferdemistqualität ist entscheidend Nahezu vollständige Ausnutzung durch Vorbehandlung (89 %) Unzureichender Abbau ohne Desintegration (65 %) (In Bezug auf HBT-Methanerträge) Verfahrenstechnik Keine Probleme in Fermenter 1 (mit Vorbehandlung) Schwimmschicht in Fermenter 2, Handhabung des Fermenterinhalts problematisch (ohne Vorbehandlung) Verringerung des Prozesswärmebedarfs durch Desintegration (4.750 kwh th / Monat) Energiebedarf Bio-QZ : 11,3 ± 1,3 kwh el / t FM, erlaubt erst die Nutzung von Substraten mit Erträgen von > 300 kwh/t FM el 34 Verwertbarkeit von Pferdemist im Praxismaßstab Kosten der Aufbereitung 30 % Gülle; 186 kw 30 % Pferdemist; 40 % Maissilage 30 % Gülle; 50 % Pferdemist; 20 % Maissilage Input Gesamt t / d 16,5 17,9 Input Feststoff t / d 11,5 12,5 Input Pferdemist t / a Abschreibung / a Wartungskosten / a Stromkosten / a Desintegrationskosten Pferdemist Kosteneinsparung durch Maissubstitution Annahmen: Investition ; Zinssatz 5 %; Nutzungsdauer 8 a; Strombedarf 11 kwh / t FM; Strompreis ct / kwh ; Maissilage 40 / t / t 14,8 8,4 / a

17 Zusammenfassung Vergärbarkeit von Pferdemist Strohhaltiger Pferdemist ist ein geeignetes Co-Substrat in Biogasanlagen Hoher Einfluss der Pferdemistqualität (Einstreu und Rottegrad) auf Biogasertrag (Abstimmung mit Pferdehaltern) Mechanische Aufbereitung Desintegration hat kaum Effekte auf die Abbaubarkeit von Silagen Verbesserung der Gasausbeute und der Abbaukinetik bei faserreichen Einsatzstoffen Nutzung von Pferdemist in Praxisanlagen Einsatz von Pferdemist nur mit mechanischer Aufbereitung möglich Substitution von 7,8 Mio t Mais realisierbar ( ha) bei Nutzung von 50 % des anfallenden Pferdemistes in Deutschland 156,000 ha entsprechen etwa 13 % der momentanen Energiepflanzenfläche für die Biogasproduktion Das Substratspektrum wird durch Aufbereitung deutlich erweitert 36 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Kontakt: Dr. Hans Oechsner oechsner@uni-hohenheim.de Tel