Optimierung von Biogasanlagen

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1 Biosphärenreservat Schalsee Pahlhuus Zarrentin 11. Dez Optimierung von Biogasanlagen Dr. W. Schumann LFA Gülzow,, Sachgebiet Bioenergie und nachwachsende Rohstoffe online.de Verfahrensschema Biogasanlage mit Kofermentation

2 Gliederung 1. Einleitung 2. Prozessoptimierung und Fehlersuche im Fermenter Grundlagen Maßnahmen zur Optimierung der Prozessbiologie Was tun bei? 3. Optimierung aus ökologischer Sicht Analytische und messtechnische Über- wachung 4. Fazit Prozessoptimierung im Reaktor Ziele Kontinuierlicher und störungsfreier Biogasprozess nach Inbetriebnahme: Schnelles Erreichen eines stabilen, effizienten Gärprozesses laufende Anlagen: Stabilisierung der Biogasproduktion auf hohem Niveau Optimale Gaserträge mit hohem Methangehalt Optimale Ausnutzung des Gasbildungspotenzials der Biomasse

3 Einflussfaktoren auf den anaeroben Abbau v. Biomasse Nährstoffe mikrobiologische Faktoren Mikroorganismen- Population Hemm-/ Schadstoffe chemische Faktoren TS/oTS-Gehalt ph-wert FOS/TAC Redoxpotenzial flüchtige Fetts. C/N-Verhältnis substratbedingte Faktoren physikalisch-technische Fakt. Temperatur O 2 -Ausschluss Rührtechnik Durchmischung hydraul. Verweilzeit Raumbelastung Abbaubarkeit der org. Substanz im Substratmix Substratart und chemische Zusammensetzung, Kulturart, Erntezeitpunkt, Konservierung, Aufbereitung ) 4 Phasen der Biogasbildung (nach Biogashandbuch Bayern, 2004) I. Hydrolyse (Verflüssigung) II. Versäuerung (Fermentation) III. Essigsäurebildung Biomasse Kohlenhydrate, Eiweiße, Fette hydrolytische Bakterien, Exoenzyme Monomere Zucker, Aminosäuren, Fettsäuren fermentative Bakterien Gärsäuren C2-C6 Alkohole acetogene Bakterien H 2 + CO 2 ph opt. 4,5-6,3 Übliches 1stufiges Verfahren: Keine Trennung der 4 Phasen! Prozesskette läuft räumlich und zeitlich nebeneinander in einem Behälter ab. IV. Methanbildung (Biogasbildung) Essigsäure methanogene Bakterien Biogas Methan + Kohlendioxid ph opt. 6,5-7,5..8,2

4 Erste Anzeichen für Störungen der Prozessbiologie 1. Unregelmäßige bzw. kontinuierlich sinkende Gasproduktion oder: Die Biogasproduktion liegt deutlich unter den errechneten Gaserträgen! 2. Signifikante Verschlechterung der Gasqualität 3. Anstieg der Konzentration verschiedener flüchtiger Fettsäuren (Essigsäure, Propionsäure ) - Flüchtige Fettsäuren sind Zwischenprodukte des biologischen Abbaus - Eine Akkumulation dieser FS deutet auf Überlastung und/oder (teilweise) Hemmung der Methanbakterien hin Maßnahmen zur Prozessoptimierung Komplexe: Optimierung der Milieubedingungen für die Mikroorganismen (Substratoptimierung, Nährstoffe + Spurenelemente, ph-wert + Temp., Abwesenheit von Hemmstoffen ) Optimierung der technischen Voraussetzungen (u.a. Substratlagerung und Substratzugabe, Reaktordurchmischung, Probenahmestellen ) Anlagenfahrweise optimieren (Einsatzmengen, hydraulische Verweilzeit, Raumbelastung, Abbaugrad ots ) Analytische und messtechnische Über wachung

5 Milieubedingungen für die MO (1) Substratoptimierung (Menge und Zusammensetzung) - auf hochwertige Biomasse kommt es an: Erntezeitpunkt: Mais zur Teigreife, Gras mögl. früh gute Aufbereitung, optimale Silagequalität kein Schimmel Substrate mit hohen S- oder N-Gehalten: Gefahr von Hemmungen Erde im Grünschnitt: Sinkschichten!! - kontinuierliche und gleichmäß äßige Versorgung: Rationswechsel schrittweise innerhalb von Wochen, nicht Tagen!! - sehr gute Zerkleinerung: hydrolytische Bakterien können große Oberflächen besser besiedeln zu grobes Material bildet gern Schwimmschichten!! verholzte Teile (überständiges Gras) schwimmen auf! Einfluss der Zerkleinerung auf die Biogasausbeute (l/kgotm) Spezifische Gasmenge Weizenstroh gehäckselt 3 cm gemahlen 0,1-2mm Hydr. Verweilzeit (Tage) 370 Daten: Reinhold, Noack,1996

6 Milieubedingungen für die MO (2) Versorgung mit Nährstoffen und Spurenelementen - bei Gülle oder Festmist und NawaRo im allgemeinen kein Problem - in speziellen Fällen Mangel an Spurenelementen, bes. Co und Ni ph-wert - bei stabilem Prozess stellt sich ein optimaler ph-wert von ca. 6,8 8,2 von selbst ein - bei Gülle/Festmist sorgen die reichlich vorhandenen Puffersubstanzen (Carbonat- und Ammoniumpuffer) in nicht überlasteten Anlagen für nahezu konstanten ph-wert Temperatur - wichtig ist die Konstanz, nicht die Höhe der Temperatur - bei mesophilem Betrieb: C; ± 1 2 C/d werden toleriert! Milieubedingungen für die MO (3) Abwesenheit von Hemmstoffen - Hemmstoffe stören Stoffwechsel der MO schädigende Wirkung ist immer konzentrationsabhängig! Produkthemmung durch während des Prozesses gebildete Verbindungen Hemmstoff Sauerstoff Schwermetalle Hemmstoffe für den anaeroben Abbau von Biomasse (Weiland, FAL 2003) Schwefelwasserstoff flüchtige Fettsäuren Ammoniumstickstoff Ammoniak Hemmkonzentration in der Reaktorlösung (mg/l) > 0,1 > 50 > > > 500 Cu > 50; Cr > 100; Zn >150 Wirkung Hemmung der Methanbakterien hemmt MO, fällt Metallionen aus Hemmung steigt bei ph <7!! Hemmung steigt bei steigendem ph (>7 8) stark an!! nur gelöste Metalle wirken hemmend

7 Optimierung techn.. Voraussetzungen (1) Substratlagerung und Zugabe - Sammel- und Mischbehälter für Gärsubstrate (Vorgrube, Feststoffdosierer ): Ausgleich schwankender Zusammensetzung Futtermischwagen - konstante, quasikontinuierliche Beschickung sichern!! abgedeckt zur Feststoffdosiererung Vorgruben zum Anmaischen der Substratmischungen offen ungünstige Geometrie Kombination Feststoffdosierer + Vorgrube Optimierung techn.. Voraussetzungen (2) Probenahme Reaktorinhalt - Aufgabe: Die Untersuchungsprobe soll den Reaktorinhalt richtig repräsentieren!!! - Die Entnahmestelle sollte leicht zugänglich und sicher zu bedienen sein! Entnahmestelle ungünstig! Richtige Entnahmestelle Entnahme am Überlauf in 7 m Höhe

8 Anlagenfahrweise (1) Hydraulische Verweilzeit (d) Hydraulische Verweilzeit (VZ): mittlere Verweildauer des Substrates im Reaktor (Tage) Empfehlung: > (50) Tage (Nassfermentation Gülle/NawaRo) lange VZ höhere here Gasausbeuten; bessere Prozessstabilität kurze VZ unvollständige ndige Ausfaulung, sinkende Gaserträge, Geruchsprobleme R 2 = 0,80 8 Spezifische Methanausbeute in l CH 4 / kg otm Verweilzeit (d) Hohes Restgaspotenzial 9 BGA MV, 2006 Anlagenfahrweise (2) Raumbelastung Raumbelastung: tägliche faulraumbezogene Substratzufuhr (kg otm/m 3 d) Empfehlung: kg otm/m 3 d (Nassfermentation Gülle/NawaRo) mit steigender Raumbelastung sinkt die spezifische Gasausbeute Methanausbeute l CH 4 / kg otm Bessere Substratausnutzung R 2 = 0, ,5 2 2,5 3 3,5 4 4, Bessere Ausnutzung der Investition BGA MV, 2006 Reaktorbelastung (kg otm/ m³ d)

9 Analytische und messtechnische Überwachung (1) Parameter (Auswahl) Messungen/Kontrollen Wägung/Vol.-messung aller Einsatzstoffe FM, TS, ots ph, Temp. (Gasbildung/Schaum) D Fermenter M Gasmessungen Gasmenge Gasqualität CO 2, CH 4 H 2 S, O 2 Endlager Vorgrube Messungen TS, ots, ph, Temp. flüchtige FS, FOS/TAC Essigsreäquv., Redoxp. N t, NH 3 /NH 4, C/N-Verh. Spurenelemente Kontrollen Durchmischung, Füllstand Schaumbildung Schwimm-/Sinkschichten Überdruck Berechnungen Verweilzeit, Raumbelastung Abbaurate der otm Messungen/Kontrollen Berechnungen TS, ots Abbaurate Nährstoffe Düngewert ph, Viskosität, Geruch Analytische und messtechnische Überwachung (2) Flüchtige Fettsäuren sind Indikatoren für zu hohe Raumbelastung instabilen Gärprozess G Hemmung der Methan bildenden Bakterien c FS ist ein sicheres Maß für r die Belastung der Prozessbiologie!!! Die absoluten Werte für f c FS sind anlagenspezifisch (oft nicht vergleichbar) bessere Aussagen liefern Zeitreihen! Achtung: bei beginnender Prozessstörung rung ändert sich zuerst das Verhältnis Essigsäure/ ure/propionsäure (C2/C3) zueinander! Summenparameter Essigsäure ureäquivalent: Auf HAc normierter Summenwert aller fl. Fettsren. Der FOS/TAC-Wert berücksichtigt zusätzlich die Stärke des Carbonatpuffers in der Fermenterflüssigkeit

10 Was tun bei (1) beginnender Übersäuerung? (flüchtige Fettsäuren, FOS/TAC, HAc, C 2 /C 3, Redoxpotenzial ) Ursache Überlastung, Hemmstoffe, Produkthemmung Hemmung der MO mögliche Maßnahmen Substratzufuhr drosseln bzw. einstellen (Bypass( nutzen) rohfaserreiche Substrate fütternf Ausschluss Hemmstoffe Rezirkulation von ausgefaultem Substrat; Schlamm aus anderen BGA s Verdünnen mit Wasser Neutralisation (Kalk, Laugen) Behälter leer pumpen und neu anfahren Was tun bei (2) ph-anstieg (Alkalose)? Ursache Stark eiweißhaltige Substrate (Schlempe( Schlempe,, Speisereste, HühnergH hnergülle ) NH 3 -Bildung ph-anstieg Hemmung Methanbildung mögliche Maßnahmen Rücknahme Eiweißbestandteile Fütterung kohlenhydratreicher Substrate Rezirkulation von ausgefaultem Substrat Verdünnen mit Wasser

11 Was tun bei (3) Schaumbildung? mögliche Ursachen einseitige NährstoffzusammensetzungN hrstoffzusammensetzung: : zu viel leichtverdauliche KH, zu wenig Rohfaser, zu viel leichtverdauliches Protein (hohe N-Werte!!) N unregelmäß äßige, stoßweise Beschickung verdorbene Futterreste, Schimmel große ph-differenz Substrat - Fermenterinhalt CO 2 Anstieg der Oberflächenspannung feine Gasbläschen schen können k sich nicht zu größ ößeren Gasblasen vereinigen Schaum mögliche Maßnahmen Wie bei Übersäuerung Substratzufuhr drosseln, rohfaserreiche Kost, Rezirkulat Schaumbremser: pflanzliche Öle (z.b. 20 l Rapsöl l / 800 m 3 -Fermenter) Gliederung 1. Einleitung 2. Prozessoptimierung und Fehlersuche im Fermenter Grundlagen Maßnahmen zur Optimierung der Prozessbiologie Was tun bei? 3. Optimierung aus ökologischer Sicht Analytische und messtechnische Über- wachung 4. Fazit

12 Umweltwirkungen Ökologische Vorteile der Biogasbildung: Energieerzeugung ohne zusätzliche CO 2 -Emissionen (nahezu CO 2 -neutral) Biogasprozess vermindert klimarelevante Methanemissionen erheblich reduzierte Geruchsentwicklung bei Lagerung/Ausbringung Gärrest Gärreste verfügen je nach Abbaugrad der otm über Restgaspotenziale von 5.30 %: Energieverlust und Belastung der Atmosphäre!! ausreichende Verweildauer sichern ( Fermenterdimensionierung) Steigerung des Abbaugrades durch Optimierung der Fermenterbiologie Nachgärstufen reduzieren Restgaspotenzial! Abdeckung des Endlagers. Abdeckung des Endlagerbehälter wird zur Pflicht!! Unkontrollierte Ausgasung von CH 4 aus lagunenartigem Gärrestlager Zylinderförmige Endlager lassen sich nachträglich mit vertretbarem Aufwand abdecken

13 Fazit Der Betrieb einer Biogasanlage wird langfristig nur dann wirtschaftlich sein, wenn das Gasbildungspotenzial der eingesetzten Substrate maximal ausgenutzt wird. Dies erfordert ständiges Optimieren des Biogasprozesses. Hauptziel ist ein kontinuierlicher und störungsfreier Gärprozess mit optimalen Gaserträgen und hohen Methangehalten. Dies ist dauerhaft nur erreichbar, wenn die mikrobiologischen und physikalisch-chemischen chemischen Einflussgrößen regelmäßig erfasst und zur Prozesssteuerung eingesetzt werden. Die richtige Interpretation der Messwerte erfordert fundierte Kenntnisse der biologischen Grundlagen des Biogasprozesses. Neben technischen Mängeln ist mangelnde Qualifikation des Anlagen- personals eine der Hauptursachen für die z.t.. großen Probleme in Biogasanlagen. Vielen Dank für die Aufmerksamkeit!! optimierte Biogasanlage der ersten Stunde