FKZ-Nr.: 03KB081: EFFIGEST. Laufzeit:

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1 Das Vorhaben wird bearbeitet von Gefördert durch: Prozesskette zur Effizienzsteigerung bei der Vergärung von Geflügelmist unter Nutzung modifizierter Strohfraktionen Projektträger: FKZ-Nr.: 03KB081: EFFIGEST Programmbegleitung: Laufzeit: Statuskonferenz, Leipzig, Schwarz, Fraunhofer IKTS

2 Motivation und Projektziele Motivation/Hintergrund o Ressourcenknappheit für Bioenergiesektor o Konsum von Geflügelfleisch steigt große Mengen Geflügelkot Energiegehalt, Nährstoffgehalt Schwierige Vergärbarkeit (Stickstoffhemmung, Sand, ) o Ungenutztes Energiepoptanzial von Stroh Große Mengen energetische Nutzung bei Erhalt des Humuswertes Schwierige Vergärbarkeit (Stickstoffmangel, Transportwürdigkeit, Schwimmschichten) Zielstellung o Kombination beider Rohstoffe Prozesskette zur Biogaserzeugung: Mischungsverhältnis von Geflügelmist und Stroh für ausgeglichenen N-Haushalt Wassermanagement Bereitstellung von Prozesswasser + Auskreisung von Störstoffen Strohkonditionierung Erhöhung der Transportwürdigkeit, Erhöhung Abbaugrad 2

3 Ergebnisse Substratmischung (Batch) Stickstofffreisetzung aus Geflügelmist 40% 60% Sehr unterschiedliche Freisetzung von NH4 je nach Haltungsform und Alter der Proben 3

4 Ergebnisse Substratmischung (Batch) Stickstoffsaldo Geflügelmist und Stroh in Abhängigkeit vom Rohproteingehalt Sehr gute Korrelation zwischen Gehalt an Rohprotein und der Stickstoffbilanz Stroh ordnet sich gut ein 4

5 Ergebnisse Substratmischung (Batch) Stickstoffsaldo der Mischungen von Geflügelmist und Stroh 7,3 2,0 Experimentelle und theoretische Mischwerte passen zusammen Für eine ausgeglichene Stickstoffbilanz sind sehr große Strohanteile nötig: 88 % otr-anteil aus Stroh + 12 % Geflügelmist Mindestanteil an Geflügelmist bei der Monostrohvergärung als Zusatzergebnis Für eine relevante Vergärung von Geflügelmist wird praktisch weniger Stroh eingesetzt Effekt? 5

6 Ergebnisse - Wassermanagement Ansätze für das Wassermanagement Ferm. Frischwasser Gärrest Separation Prozesswasser? Flüssigphase (N, Feinstoffe, Salze) Flüssigphase (N, weniger Feinstoffe, Salze, Polymere) Flockung und Entwässerung Ansäuerung Trocknung Permeat (N, Salze) Membran Kondensation Flüssigphase (Salze, Feinstoffe) Kondensat (mit oder ohne N) Strippung Eindampfung 6

7 Ergebnisse - Wassermanagement Gärrestbehandlung Ansäuerung Labor Ansäuerung Gärrest starke Schaumbildung Ansäuerung Dickstoff kleinere Menge deutlich geringere Schaumbildung 7

8 Ergebnisse - Wassermanagement Gärrestbehandlung Trocknung mit Kondensation 8

9 Ergebnisse - Wassermanagement Gärrestbehandlung - Fermentationsversuche - Inputmengen Nutzung der Separation mindert: notwendige Kondensatmenge geringere Trocknungskapazität notwendigen Verbrauch an Säure Schaumproblem während der Ansäuerung 9

10 Ergebnisse Substratmischung (Konti) Fermentationsversuche - Gasraten Raumbelastung bei 2,8 kgotr/(m³*d) 100 % Geflügelmist (GM): stabiler Betrieb niedrigste Produktivität CH4-Gehalt: ca. 57 % Ergänzung von Stroh: stabiler Betrieb höhere Produktivität CH4-Gehalt: ca. 54 % Auswirkungen der Gärrestbehandlung mit oder ohne Separationsstufe sind vergleichbar 10

11 Ergebnisse - Substratmischung (Konti) Fermentationsversuche NH 4 und H 2 S Bei vergleichbaren Aufwendungen für die Prozesswasseraufbereitung zeigen sich deutliche Vorteile durch die Kombination mit Stroh 11

12 Ergebnisse - Strohkonditionierung Strohpelletierung mit Zugabe von NaOH Einsatz mobiler Pelletanlagen der Fa. PCM Versuchsanlage für die Zugabe von NaOH Zielstellungen: Steigerung der Transportdichte Steigerung der Abbaubarkeit Verbesserung des Handlings in Biogasanlagen Hammermühle Kleintechnische Presse Matrize 12

13 Ergebnisse - Strohkonditionierung Strohpelletierung mit Zugabe von NaOH Gerstenstroh zerkleinert (Gz) Gerstenstroh pelletiert (Gp) Gerstenstroh mit 1% NaOH pelletiert (Gpn1) Gerstenstroh mit 5% NaOH pelletiert (Gpn5) Pellets sind transportstabil (weniger als 2,5 % Masseverlust bei definierter mechanischer Beanspruchung) Pellets lösen sich innerhalb von höchstens 60 min vollständig in Wasser auf keinerlei Probleme im Laboroder Pilotreaktor (keine Pellets im Gärrest zu finden) Zunehmender NaOH-Gehalt steigert ph-wert der Pellets bis auf knapp 11 Pellets sind schwerer als Wasser keine Schwimmschichtbildung (Tendenz eher zur Sinkschicht) 13

14 Ergebnisse - Strohkonditionierung Strohpelletierung mit Zugabe von NaOH Schüttdichte zwischen 500 und 700 kg/m³ 3 fache Dichte im Vergleich zu Strohballen Abhängigkeit von der Faserzerkleinerung Verringerung des Rohfasergehaltes bei 5% NaOH-Zugabe gelöster CSB verdoppelt Andere Stoffparameter konstant 14

15 Ergebnisse - Strohkonditionierung Gasausbeutesteigerung Zerkleinerung von Stroh mittels Hammermühle führt erwartungsgemäß zu einer Steigerung des Abbaus Weitere deutliche Steigerung durch 5%ige NaOH Dosierung 15

16 Ergebnisse - Strohkonditionierung Auswirkungen der NaOH-Zugabe bei kontinuierlichem Betrieb Versuche mit Weizenstrohpellets (WSP) und Roggenstrohpellets (RSP) Varianten mit 5%igen NaOH- Pellets erzeugen im Schnitt 8 bis 11 % mehr Biogas Aufgrund des 50% igen Geflügelmistanteils (otr bezogen) liegt die eigentliche Steigerung des Gasertrages aus dem Stroh bei über 15% gegenüber den Pellets ohne NaOH 16

17 Ergebnisse - Strohkonditionierung Auswirkungen der NaOH-Zugabe bei kontinuierlichem Betrieb NaOH NaOH NaOH NaOH Trotz steigendem NH4-Gehalt kein Anstieg der Leitfähigkeit durch NaOH-Anteile Gelöster CSB und ph-wert stabil bzw. ohne Unterschied zwischen Reaktoren mit und ohne NaOH-Behandlung 17

18 Zusammenfassung Pelletierung mit simultaner Dosierung von NaOH hat großes Potenzial für die Herstellung effizienter Biogaspellets als Alternative zu NawaRo o Hohe Transportwürdigkeit, sehr gutes Verhalten bei Lagerung, Dosierung und Vergärung o verlässliche Energiequelle ohne weitere Anforderungen an die BGA o Kosten: Kosten für Bergung und Pelletierung liegen nahe der Kosten für NawaRo weitere Optimierung möglich, evtl. Brikettierung Kosten für NaOH werden durch Mehrgas kompensiert, wenn Tankware eingesetzt wird und die Dosiermengen minimiert werden Kombination von Geflügelmist und Stroh sehr sinnvoll o Erhöhung der Produktivität o Reduzierung des Stickstoff- und Schwefeldruckes Dauerbetrieb der BGA mit hohen Anteilen an Geflügelmist ist mit geeigneter Gärrestbehandlung problemlos möglich wichtig sind: o Entfernung der Feinstoffe (für bessere weitergehende Behandlung von Flüssigphasen) o Energieeinsparung (Insbesondere bei Trocknung, Verdampfung) Mehrstufigkeit und Nutzung der Kondensationswärme 18

19 Forschungsbedarf Optimierung der Herstellung von Biogaspellets im großen Maßstab o Minimierung der Einsatzmenge an NaOH o Nachträglicher NaOH-Einsatz zur Minimierung des Anlagenverschleißes o Auswirkungen auf Betrieb einer realen Biogasanlage Fortsetzung der Untersuchungen zur Gärrestaufbereitung (Markt ist in Bewegung) o Integration der selektiven Nährstoffrückgewinnung (Steigerung der Wertschöpfung) Effektive Aufbereitungsverfahren für kostenlose Reststoffe (z.b. Festmist) o Nach dem Ende der EEG-Förderung (ab 2020 betrifft das viele BGA) sind die Zeiten des Maises vorbei Fortsetzung EFFIGEST angestrebt 19