Zukunftsperspektiven mit Biogas: vom Landwirt zum Energiewirt

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Daniel Simen
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1 Zukunftsperspektiven mit Biogas: vom Landwirt zum Energiewirt Anlagenaufbau Biologie, Einflußgrößen Größe, Ertrag, Berechnung Planung, Biogasnutzung, Potentiale, Perspektiven

2 Was ist Biogas? Natürliches Produkt CO 2 40% Methan 60% Mikrobielle Zersetzungsprozesse ohne Luft Reisfelder, Sümpfe, Rinderpansen Kein Klimakiller, nachhaltig produzierbar!! Wie lange nutzt man Biogas schon?

3 Derzeitige Situation in der Landwirtschaft Nahrungsmittel-Überproduktion Subventionierung Flächen-Stillegungsprämien 7-10 % Landwirtschaftl. Genutzte Fläche Perspektiven?? % Anbau von Energiepflanzen Betrieb von Biogasanlagen

4 Wieviel Energie steckt im Biogas? Eine Kuh gibt täglich 80 l Gülle (ca. 5 kg org. Trockensubstanz) Dies entspricht dem Energieinhalt von 1,4 1,2 1 0,9 m 3 0,8 l 0,8 l 1,4 l 0,8 0,6 0,4 0,2 0 Erdgas Benzin Diesel Ethanol i.e. ca. 30 MJ/d oder 8,3 kwh/d

5 Biogas aus der Tierhaltung Quelle: Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.v.

6 Biogaserträge verschiedener Substrate (bezogen auf Feuchtgewicht) Quelle: Biogasgewinnung und nutzung, FNR

7 Verfahrensschema einer Biogasanlage mit Kofermentation Quelle: Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.v.

8 Biogasanlage Haus Düsse Betonfermenter mit Tragluft-Foliendach

9 Das Arbeitsvolk: Eine spezielle Bakteriengemeinschaft

10 Wie setzen die Bakterien Biomasse in Biogas um? Energiereiche organische Substrate Bakterienzelle Stoffwechsel- Endprodukte Enzyme Fettsäuren Alkohole Kohlendioxid Wasserstoff oder Methan

11 Abbau organischer Substanz bei der Biogasgewinnung

12 Biogasfolienspeicher Im belüfteten Dachraum über dem Faulbehälter. Quelle: Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.v.

Die Bakterien sollen sich richtig wohl fühlen Temperatur Substratzusammensetzung Verweilzeit Zerkleinerung Wassergehalt ph-wert Prozessoptimierung

13 Die Bakterien sollen sich richtig wohl fühlen Temperatur Substratzusammensetzung Verweilzeit Zerkleinerung Wassergehalt ph-wert Prozessoptimierung Durchmischung Aufgaben für die Forschung Tests mit Energiepflanzen und Reststoffen geeignete Vorbehandlungsmöglichkeiten Verweilzeitverkürzung Temperatureinfluss

14 Fussbodenheizung im Biogasfermenter

15 Rührwerk für Biogasfermenter (Abb. Fa. Flygt)

16 Biogasanlage Haus Düsse Substratzufuhr mittels Vorgrube

17 Biogasanlage Haus Düsse Feststoffdosiersystem (Behälter, Zufuhrschnecke)

18 Biogasanlage Haus Düsse Behälter für Feststoffzufuhr

19 Wie berechnet man die Anlagengröße? Faulraumbelastung B R B R : Menge an umzusetzendem organischem Substrat pro m 3 Reaktorvolumen und Tag In der Praxis üblicher Wert: BR = 3 kg OTS/(m 3 d) Berechnung für das Reaktorvolumen V R : V R = Volumenstrom x Konzentration OTS : B R Beispiel: Volumenstrom Gülle: 10 m 3 /d (120 Milchkühe) Konzentration OTS: 6 % = 60 g OTS/l = 60 kg OTS/m 3 Reaktorvolumen: V R = 600 kg OTS/d : 3 kg OTS/(m 3 d) = 200 m 3

20 Berechnung von Verweilzeit, Gasproduktion und Energie Verweilzeit: T = 200 m 3 : 10 m 3 /d = 20 d Gasproduktion Bei 0,3 m 3 Biogas/kg OTS (typischer Wert für Gülle) V G = 0,3 m 3 Biogas/kg OTS x 600 kg OTS/d 180 m 3 Biogas/d Energieerzeugung (Strom und Wärme): Bei einem Energieinhalt im Biogas von 6 kwh/m 3 P = 1080 kwh/d = 45 kw el.+th. (ca. 15 kw el. ) (Bei 17 ct/kwh el 61 /d)

21 Abschätzung von Gasausbeute und Methangehalt

22 Vergleich der Energieausbeuten verschiedener Biogassubstrate 1 ha Mais ( m 2 ) 100 Milchkühe (50 60 l Gülle/Kuh) Ca. 50 t Frischmasse (mit % Trockenmasse) 5-6 m 3 Gülle (mit 8-10 % Trockenmasse) Bei 200 m 3 Biogas/t Bei 25 m 3 Biogas/m m 3 Gas mit 52 % Methan 150 m 3 Gas mit 60 % Methan Bei 5,2 kwh/m 3 52 MWh pro Jahr Bei 5,5 kwh/m kwh/d 300 MWh pro Jahr

23 1 LWK Flotatfett als Reststoff 30 m 3 Feuchtmasse (mit 7 % Trockenmasse) Bei 400 m 3 Biogas/m m 3 Gas mit 68 % Methan Bei 6,8 kwh/m kwh Potentialabschätzung: Gülle aus 10 Mio. GV 10 Mio. x 3 MWh/a = GWh/a = 108 PJ/a Energiepflanzen auf 2 Mio. ha (17 % der Ackerfläche) 2 Mio. x 52 MWh/a = GWh/a = 374 PJ/a Reststoffe aus Gewerbe, Siedlungen, Landwirtschaft, Landschaftspflege Ca GWh/a = 50 PJ/a

24 Nutzbares Energiepotenzial Quelle: Hartmann/Kaltschmitt, 2002, überarbeitet FNR

25 Biogasanlage Haus Düsse Container für Blockheizkraftwerk

26 Biogasanlage Haus Düsse Biogasmotor mit Abgas-Wärmetauscher

27 Biogasanlage Haus Düsse Biogasmotor mit Kühlwasser-Wärmetauscher

28 BHKW - Module Mit Asynchrongenerator und Abgaswärmetauscher. Quelle: Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.v.

29 Biogasanlage Haus Düsse Warmwasser-Verteilsystem

30 Merkmale unterschiedlicher Motorenbauarten und Verbrennungsverfahren für Biogas Quelle: Basisdaten Biogas, Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.v.

31 Vergütung für Strom aus Biomasse gemäß EEG Quelle: Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.v.

32 Konditionen der Richtlinien zur Förderung von Maßnahmen zur Nutzung erneuerbarer Energien Quelle: Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.v.

33 Nutzung von Biogas zur Vermeidung von CO2-Emissionen Eder: Pflanzenöl als Kraftstoff, 2006

34 Eder: Pflanzenöl als Kraftstoff, 2006

35 Wie berechnet man CO 2 -Äquivalente? 1 Mol C (z.b. bei Kohle) erzeugt 1 Mol CO 2 12 g erzeugen 44 g CO 2 -> 3,67 g CO 2 /g C 1 Mol CH 2 (z.b bei Mineralöl) erzeugt 1 Mol CO 2 14 g erzeugen 44 g CO2 -> 3,14 g CO2/g CH 2 -> 3,5 kg CO 2 /l CH 2 1 Mol CH 4 (z.b. bei Erdgas) erzeugt 1 Mol CO 2 16 g erzeugen 44 g CO 2 -> 2,75 g CO2/g CH 4 -> 123 g CO 2 /m3 CH 4 Beispiel: Biogas ersetzt z.b. Erdgas für die Erzeugung der Energie von 1 kwh Statt 100 l Erdgas werden 170 l Biogas verwendet Vermeidung des Ausstoßes von 12,3 g CO 2 pro kwh

36 Vermeidung von Treibhausgasen durch Biogas-Nutzung Quelle: Fachverband Biogas e.v.

37 Genehmigungskriterien für eine Biogasanlage Quelle: Biogasgewinnung und nutzung, FNR

38 Rechtsvorgaben Quelle: Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.v.

39 Entwicklung von Biogas-Anlagenzahl und Leistung Quelle: Fachverband Biogas e.v. Momentan: 450 MW elektrische Leistung, 4000 GJ/a thermische Energie

40 Wärmeerzeugung durch Biogasanlagen Zukünftig: 17% der dt. Stromversorgung, 5% des dt. Wärmemarktes Quelle: Fachverband Biogas e.v.

41 Anlagenbau: Branchenumsatz und Exportanteil Quelle: Fachverband Biogas e.v.

42 Biogasanlage in Linköping, Schweden 7900 m 3 -Fermentervolumen, Hygienisierungstank, Anmaischbehälter (unterirdisch)

43 Biogasanlage in Linköping, Schweden Gastank, anschließende Druckwäsche zur CO2-Entfernung

44 Biogasanlage in Linköping, Schweden Biogastankstelle

45 Biogasanlage in Linköping, Schweden Stadtbusse fahren ausschließlich mit Biogas

46 Fazit: Was kann Biogas jetzt und in Zukunft leisten? Biogas ist ein Multitalent Erzeugung von Strom, Wärme, Kraftstoff/Erdgas Strom aus Biogas: 0,5 % (Prognose: 17 %) Wärme aus Biogas: 0,1 % Umsatz in Dtld.: 450 Mio., (Prognose: 7,5 Mia.) 2/3 davon fließen direkt in die Region 8000 Arbeitsplätze (Prognose: ) Vermeidung von 2,5 Mio. t CO 2 -Äquvalenten (Prognose: 60 Mio. t) Speicherbar, hohe Flexibilität 58 Mio. ha Agrarfläche in der EU theoretisch für Biogas verfügbar i.e. 80 % der russischen Erdgas-Jahresförderung ha Mais liefert Energie für PKW-Kilometer (Erdgasauto) Die gesamte Biogasenergie könnte 1/3 des Kraftstoffaufkommens in Dtld. bereitstellen

51 Stoffströme Gaszusammensetzung Temperatur Rührerdrehzahl Wassergehalt Fettsäureanalytik Ammonium Unsere Versuchs-Biogasanlage Bakterienanzahl/ -gruppen

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