Stand und neueste Entwicklungen auf dem Gebiet der Substratvorbehandlung für den Biomasseeinsatz in Biogasanlagen
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- Julius Junge
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1 Stand und neueste Entwicklungen auf dem Gebiet der Substratvorbehandlung für den Biomasseeinsatz in Biogasanlagen Biogas - Fachtagung Thüringen in Dermbach Björn Schwarz Fraunhofer IKTS, Dresden Stand und neueste Entwicklungen auf dem Gebiet der Substratvorbehandlung für den Biomasseeinsatz in Biogasanlagen 1. Problemstellung Warum Substratvorbehandlung? Biologische Verfahren Chemische Verfahren 3. Zusammenfassung
2 1. Problemstellung Warum Substratvorbehandlung? Erste Biogasanlagen reine Gülleanlagen geringe Anforderungen EEG verstärkter Einsatz von NawaRo höherer Aufwand für Eintrag und Durchmischung Aktuell Diskussion um NawaRo, neues EEG alternative Einsatzstoffe 1. ungenügende Substratausnutzung 2. Betriebsprobleme bei Förderung und Durchmischung 1. Problemstellung Warum Substratvorbehandlung? Maximierung der Substratausnutzung Vorraussetzung für biologischen Abbau Monomere (wasserlösliche) Bestandteile aus Stoffverbund lösen Problem auf rein natürlichem Weg nur sehr langsam möglich Vorbehandlung Lignin Hemizellulose Zellulose Ziel Oberflächenvergrößerung Auflösung der Schutzschichten (bes. Lignin) Verfügbarkeit der Wertstoffe Unterstützung bzw. Realisierung der Hydrolyse Quelle: nach Biomass Magazine (04/2008)
3 1. Problemstellung Warum Substratvorbehandlung? Maximierung der Substratausnutzung zufuhrspez. Gassumme (Nl/kg otrzu) Versuchsdauer (d) Maissilage unbehandlet Weizenstroh unbehandelt M aissilage (NaOH) Weizenstroh (NaOH) 1. Problemstellung Warum Substratvorbehandlung? Verbesserung des Mischverhaltens Energieaufwand Maximal mögliche Steigerungsrate ist substratabhängig Je mehr Lignin, desto größer das Steigerungspotenzial Schwimmschichten Verstopfungen Toträume Sinkschichten Mögliche Probleme Verkleinerung des nutzbaren Reaktionsraumes Hoher Energiebedarf Betriebsstörungen Vorbehandlung Verbesserungen Viskosität/ Saugvermögen Rührfähigkeit und Homogenisierbarkeit Stofftransport
4 Überblick biologisch physikalisch chemisch Enzyme Pilze separate Hydrolysestufe mechanisch Scherung Prall thermisch Heißwasser Heißdampf Elektrokinet. Hochspannungspulsen Säure Lauge Oxidationsmittel Druck Thermodruckhydrolyse Spezialfall: Ultraschall Biologische Verfahren Enzymeinsatz Primär Zuckerfreisetzung nachweisbar Zunehmender Effekt nach Zerkleinerung Abnehmender Effekt bei schwer abbaubaren Substraten kein Effekt für Gärreste! Kooperation mit TU-Dresden, Institut für Lebensmittel- und Bioverfahrenstechnik
5 Biologische Verfahren Enzymeinsatz Sekundär bisher nur maximal 3% mehr Gas nachgewiesen (auch an Stroh und auch in kontinuierlichen Versuchen) Kooperation mit TU-Dresden, Institut für Lebensmittel- und Bioverfahrenstechnik Biologische Verfahren Fazit Enzyme
6 Biologische Verfahren Weitere biologische Verfahren Pilzeinsatz Lignin wird gespalten Atmungsverluste Separate Hydrolysestufe Einstellung optimaler Milieubedingungen (ph- Wert), Beeinflussung der Viskosität Wirksamkeit bleibt Forschungsthema Kooperation mit TU-Dresden, Institut für Lebensmittel- und Bioverfahrenstechnik Thermische Verfahren C C C > 250 C Hygienisierung kein signifikanter Aufschluss von Lignozellulose Auflösung von Hemizellulose Auflösung von Lignin ab160 C Verstärkte Bildung Pyrolytische von Hemmstoffen Effekte (Phenole, heterozyklische Ver- Beginn von Verschwelung und bindungen, Vergasung Furfural)
7 Thermische Verfahren Niedertemperaturbereich (zerkleinertes Stroh) zufuhrspez. Gassumme (Nl/kg otrzu) Versuchsdauer (d) unbehandelt 20min 120 C 40min 140 C 10h 140 C Fazit Thermische Verfahren Vorteil: hohe Aufschlussleistung ohne Chemikalien möglich Nutzung der BHKW Abwärme Problem: Technisch anspruchsvoll
8 Ultraschall Ursprung in der Behandlung von Klärschlämmen Kavitationseffekt als mechanische Vorbehandlung Nach gegenwärtigem Kenntnisstand als Substratvorbehandlung nicht wirtschaftlich Praxis: z.b. Firma Nicht mehr präsent Elektrokinetische Desintegration Anbieter: Fa. Technologie: INNOVUM (A) Wirkprinzip: Elektrisches Hochspannungsfeld Verformung und Destabilisierung der Zellmembrane Vorteil: sehr geringer Energieverbrauch Wirksamkeit: umstritten (eher nicht für Inputsubstrate) BioCrack (Quelle:
9 Mechanische Verfahren Mahlen (Druck, Prall) Schneiden (Scherung) Extrusion (Druck, Reiben, Zerfasern) Primäreffekte: Veränderung der Partikelgrößenverteilung Veränderung der Partikelstruktur Laborschneidmühle TR: 89,1 % Bioextruder, nass TR: 50,2 % Bioextruder, trocken TR: 93,4 %
10 Sekundäreffekte: Laborergebnis Maissilage zufuhrspez. Gassumme (Nl/kg otrzu) Versuchsdauer (d) Maissilage unbehandelt Maissilage zerkleinert Sekundäreffekte: Laborergebnis Weizenstroh zufuhrspez. Gassumme (Nl/kg otrzu) Versuchsdauer (d) Stroh unbehandelt Weizenstroh NaOH Weizenstroh zerkleinert
11 Sekundäreffekte: Laborergebnis Weizenstroh Steigerung Biogasertrag [%] (Normierte CSTR 30d Biogaserträge) R² = Grobstoffanteil > 1mm [%] Sekundäreffekte: Extrembeispiel Lignocellulose zufuhrspez. Gassumme (Nl/kg otrzu) Versuchsdauer (d) Erle unbehandelt Erle extrudiert Landschaftspflegematerial unbehandelt Landschaftspflegematerial extrudiert
12 Praxis: Lochscheibenzerkleinerer: z.b. Vogelsang Nasszerkleinerung von Störstoffen Substrat nass trocken RotaCut: (Quelle: www. vogelsang-gmbh.com)
13 Praxis: Lochscheibenzerkleinerer: z.b. Vogelsang Nasszerkleinerung von Störstoffen Dissolver: Fa. Niemann Vertrieb: EnviTec Prinzip: sehr schnell rotierende Messerscheibe Substrat nass trocken Kreis Biogas Dissolver: (Quelle:
14 Praxis: Lochscheibenzerkleinerer: z.b. Vogelsang Nasszerkleinerung von Störstoffen Dissolver: Fa. Niemann Vertrieb: EnviTec Prinzip: sehr schnell rotierende Messerscheibe Substrat nass Extruder: z.b. Fa. LEHMANN Maschinenbau gute Zerkleinerungswirkung trocken Extruder:
15 Praxis: Lochscheibenzerkleinerer: z.b. Vogelsang Nasszerkleinerung von Störstoffen Dissolver: Fa. Niemann Vertrieb: EnviTec Prinzip: sehr schnell rotierende Messerscheibe Substrat nass Extruder: z.b. Fa. LEHMANN Maschinenbau gute Zerkleinerungswirkung Prallreaktoren: z.b. Fa. MeBa (MeWa) UniCut QZ 900 Rotierende Kette, geringe Störstoffanfälligkeit, breites Anwendungsspektrum trocken Uni Cut QZ 900: (Quelle:
16 Praxis: Lochscheibenzerkleinerer: z.b. Vogelsang Nasszerkleinerung von Störstoffen Dissolver: Fa. Niemann Vertrieb: EnviTec Prinzip: sehr schnell rotierende Messerscheibe Substrat nass Extruder: z.b. Fa. LEHMANN Maschinenbau gute Zerkleinerungswirkung Prallreaktoren: z.b. Fa. MeBa (MeWa) UniCut QZ 900 Rotierende Kette, geringe Störstoffanfälligkeit, breites Anwendungsspektrum Mühlen: z.b. Fa. Huning oder Fa. Geratech Hammermühlen Tendenziell für trockene Substrate trocken Biocutter HZ 460: (Quelle:
17 Investitionskosten: Technik für 500kW-BGA ohne Einbindung Extruder Prall Dissolver Mühlen Lochscheibe überschlägliche Investkosten ohne Einbindung für 500kW-BGA (EUR) Energiebedarf: für die Zerkleinerung von 1t Silage Extruder Prall Dissolver Mühlen Lochscheibe Energiebedarf (kwh/ t Silage)
18 Energiebedarf: Beispiel Extruder elektrische Energie (kw h / t FM ) % 2-4 % M aissilage Weizenstroh Energieertrag Energieverbrauch für die mechanische Vorbehandlung Fazit: mechanische Vorbehandlungsverfahren Vorteile: Technik ist verfügbar einfache Nachrüstung der Anlagen neben Mehrgasertrag verbesserte Handhabbarkeit der Substrate (Pumpfähigkeit, Viskosität, Rührenergie) Faulraumeffizienz Nachteile: Technik (zum Teil) noch nicht für einzelne Substratarten angepasst Zum Teil hoher Energieeinsatz im Vergleich zum Energiegewinn Entwicklungsbedarf: Optimierung Energieaufwand/Zerkleinerungsgrad (Substratabhängig) z.t. Verminderung von Verschleiß und Störstoffanfälligkeit
19 Chemische Verfahren Säure Lauge Oxidation Reagenzien Schwefelsäure Phosphorsäure Natronlauge Kalk Ozon Wasserstoffperoxid Besonderheiten Kondensierung von Lignin möglich Hohe Hydrolyseverluste möglich Inhibitorenbildung Verseifung der Zellwandfette bessere Lyse (Aufblähen) Teilweiser Verbrauch der Lauge während Reaktion Radikalbildung Zellaufbruch Sehr unspezifisch Hydrolyseverluste Chemische Verfahren Wirkung chemischer Aufschluss am Beispiel von zerkleinertem Weizenstroh
20 Chemische Verfahren Fazit 3. Zusammenfassung Notwendigkeit von Substratvorbehandlungsstufen ist objektkonkret zu bewerten Angezeigt bei biogenen Reststoffen mit höherem Verholzungsgrad Langfasrigen Materialien (z.b. Grassilage) Problemen mit Rührung Stand der Technik im Bereich der Substratvorbehandlung ist die mechanische Zerkleinerung Auf Energiebedarf und Störstoffanfälligkeit ist besonders zu achten Markt bleibt in Bewegung Größtes praktisches Zukunftspotenzial wird der thermischen Behandlung zugesprochen, wenn Minimierung des Aufwandes gelingt
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