Vortrag Energietage Wetzlar

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1 Vortrag Energietage Wetzlar ISET e. V., Bereich Energetische Biomassenutzung Prozessstabilität, Messtechnik und Betriebsweise Einleitung Für einen sicheren und störungsfreien Betrieb einer Biogasanlage ist die Prozessstabilität entscheidend. Zum Erkennen und Erhalten der Prozessstabilität sind bestimmte Voraussetzungen wie ausreichende und angepasste Messtechnik sowie eine den jeweiligen Betrieb, Anlage und Substrat angepasste Betriebsweise notwendig. Bei der Betriebsweise ist zu unterscheiden zwischen stationären Dauerbetrieb, Anfahrbetrieb und Änderungen in der Betriebsweise. Prozessstabilität Unter Prozessstabilität ist zu verstehen, dass alle einzelnen biologischen Schritte die im Biogasfermenter ablaufen wie Hydrolyse, Versäuerung, Essigsäurebildung und Methanbildung miteinander im Gleichgewicht stehen. Eine Störung dieses Gleichgewichtes führt zu Prozessstörungen, die sich immer auf den Gasertrag und Gasqualität auswirken. Ursachen für eine Störung der Prozessstabilität sind Beschickungsänderungen, Lastwechsel, Temperaturänderungen und Rührintervalle die zu Sink- bzw. Schwimmschichten führen können. Durch Lastspitzen kann es zu Schaumbildung und hohen Schwefelwasserstoff Konzentrationen kommen [1]. Messtechnik Wie sollte Idealerweise eine Biogasanlage betrieben werden, um diese Prozessstabilität zu erreichen? Als erstes ist es unbedingt erforderlich Informationen über den Zustand der Reaktorbiologie zu erhalten. Dazu ist diese mittels geeigneter Messtechnik zu überwachen. Erforderlich ist die Messung der Gasmenge und Qualität sowie der Gehalt des Schwefelwasserstoffes im Biogas. Die Messung des H 2 S Gehaltes ist besonders wichtig, um rechtzeitig einen erhöhten H 2 S Gehalt feststellen zu können, der zu einer Erhöhung des Wartungsaufwands (Ölwechsel) und Schädigung des 1 von 7

2 BHKWs führen kann. Gleichzeitig dient die regelmäßige Messung auch zur Überprüfung der Funktionstüchtigkeit der Entschwefelung. Weitere wichtige Daten sind die täglich zugeführte Substratmenge, der Trockensubstanz- (TS) und organische Trockensubstanzgehalt (ots), sowie ph Wert, Redoxpotential und die Reaktortemperatur. Die gesamte Messtechnik ist regelmäßig auf Funktionsfähigkeit zu überprüfen und zu kalibrieren. Die gesamten Daten sind aufzuzeichnen bzw. aufzuschreiben, damit der Betreiber, sollte es später zu einer Störung kommen, die Ursache der Störung nachvollziehen kann, und diese zukünftig vermieden wird. Bei der Gasvolumenmessung ist nach Möglichkeit direkt am Fermenter zu messen. Eine Messung vor dem BHWK und nach dem Gasspeicher verfälscht die Mengen die der Reaktor tatsächlich produziert und lässt nur bedingt eine Aussage über die Prozessstabilität zu. Bei einem nicht vollständig gefüllten Gasspeicher und hoher Gasproduktion passiert ein Teil des Gasvolumenstromes nicht den Gaszähler am BHKW, sondern wird im Gasspeicher gelagert. Im anderen Fall bei einer geringen Gasproduktion und vollem Gasspeicher kann das BHKW weiterhin mit Volllast betrieben werden, ohne das die geringe Gasproduktion sofort bemerkt wird. Die Schwefelwasserstoffmessung und Entschwefelungseinrichtung ist regelmäßig zu überprüfen. Bei der üblichen Entschwefelung bei landwirtschaftlichen Biogasanlagen mittels Luft ist darauf zu achten, dass der Volumenstrom der zugeführten Luft entsprechend der Gasproduktion angepasst wird. Der Anteil der Luft am Gasvolumenstrom beträgt etwa 5-10 % [2]. Für eine funktionierende Entschwefelung ist der Biogasvolumenstrom am Reaktor zu erfassen und die Lufteinbringung entsprechend zu regeln. Ein Beurteilung des Biogasprozesses über den ph Wert ist schwierig und nur bei zumindest täglicher Registrierung möglich [3]. Dieses gilt ebenso für das Redoxpotential, der erfahrene Betreiber kann aus einer kontinuierlichen Aufzeichnung Tendenzen erkennen und rechtzeitig auf Prozessstörungen reagieren. 2 von 7

3 Betriebsweise Als Grundlage für einen sicheren Betrieb sind die aufgezeichneten Messwerte auszuwerten. Aus der täglich zugeführten Substratmenge und deren Gehalt an organischer Trockensubstanz können die Verweilzeit und Raumbelastung als wichtige Kenngrößen errechnet werden. Die hydraulische Verweilzeit berechnet sich aus dem Reaktorvolumen im Verhältnis zur zugeführten Substratmenge. 3 V m tv = R [ ] = = d V 3 [ m * d 1 ] Die Verweilzeit sollte nicht weniger als 20 Tage betragen. Die Reaktorbiologie ist beim Unterschreiten dieser kritischen Verweilzeit nicht mehr in der Lage die Verluste durch Ausschwemmen mittels Vermehren auszugleichen. Letztendlich sinkt die Gasproduktion, die Methankonzentration verringert sich und die Säurekonzentration erhöht sich bis zum vollständigen Erliegen der Biogasproduktion [1]. Die Raumbelastung stellt das Verhältnis zur täglich zugeführten organischen Trockensubstanz zum Reaktorvolumen da. B kgots d VR R = 3 kgots = m R d Die Raumbelastung ist ein Maß für die biologische Belastung des Fermenters. Für eine Biogasanlage ist eine Raumbelastung von 2 bis 5 kg ots/m³ d anzustreben. Unter einer Raumbelastung von 2 kg ots/m³ d spricht man von Schwachlast. Eine Raumbelastung von mehr als 5 kg ots/m³ d wird als Hochlast bezeichnet. Beim Betrieb einer Biogasanlage ist die Verweilzeit und Raumbelastung gemeinsam zu betrachten. 3 von 7

4 Beim Betreiben einer Biogasanlage ist die Verweilzeit und Raumbelastung möglichst auf einem Niveau zu halten. Abrupte Wechsel der Verweilzeit und Raumbelastung sollten vermieden werden. Ein zu schneller Wechsel zwischen Schwachlast und Hochlast schädigt die Reaktorbiologie. Eine gleichmäßige Beschickung des Reaktors und eine gleich bleibende Zusammensetzung des Substrates sind anzustreben. Zur Überwachung der Raumbelastung gibt es mittlerweile Hilfsmittel, mit denen schnell und sicher die Verweilzeit und Raumbelastung bestimmt werden kann. Das ISET e.v. hat einen handlichen Reaktorrechner entwickelt, der auf Grundlage abgespeicherter Stoffwerte und der zugeführten Substrate die Raumbelastung sofort bestimmen kann. Eine Verkürzung der Verweilzeit bzw. eine Erhöhung der Reaktorbelastung kann in Grenzen durchgeführt werden. Dies ist dann langsam und schrittweise durchzuführen, damit sich die Fermenterbiologie anpassen kann. Die Erhöhung der Reaktorbelastung kann je nach Substrat und bestehender Reaktorbelastung mehrere Wochen dauern, insbesondere wenn der Reaktor auf Hochlast betrieben werden soll, ist eine regelmäßige Fettsäureanalytik wichtig. Bei einem zu hohen Fettsäuregehalt ist die Substratzufuhr nicht weiter zu erhöhen, unter Umständen muss diese sogar vermindert werden. Die Beschickung sollte grundsätzlich, besonders bei hohen Raumbelastungen, täglich mehrmals in kleinen Mengen durchgeführt werden um Stoßbelastungen zu vermeiden. Stoßbelastungen können zu Schaumbildungen und biologischen Problemen aufgrund von Versäuerungen führen [4]. Zu Überwachen des Reaktorzustandes ist weiterhin die produzierte Gasmenge und Qualität ein wichtiger Wert, bei einer starken Verminderung der Gasproduktion und eine Abnahme der Qualität sollte ebenso die weitere Steigerung der Substratmenge eingestellt oder gedrosselt werden, bis sich die erzeugte Gasmenge und Qualität wieder normalisiert hat. Zur Ermittelung der Gründe für den Gasmengenrückgang und Qualität sollte der Fettsäuregehalt im Reaktor analysiert werden. 4 von 7

5 Bei einer zu schnellen Erhöhung der Reaktorbelastung kann es zu einer Versäuerung und völligen Zusammenbruch der Biogasproduktion kommen. In diesem Fall muss der Reaktor vorsichtig wieder in Betrieb genommen werden. Dies erfordert einen langen Zeitraum in dem wenig Gas erzeugt wird mit der Folge finanzieller Verluste. Bei einem Substratwechsel ist dieser nicht abrupt durchzuführen, sondern es ist schrittweise beispielsweise von Maissilage auf Grassilage umzustellen. Zum Beginn der Umstellung sind der Maissilage geringe Mengen an Grassilage beizumischen. Im Verlauf der Umstellung sinkt der Maissilageanteil immer weiter und der Anteil der Grassilage steigt dabei, bis die komplette Umstellung auf Grassilage erfolgt ist. Bei Biogasanlagen die mit einem hohen Anteil von nachwachsenden Rohstoffen betrieben werden, wird häufig Rückspülflüssigkeit aus dem Nachgärer in den Biogasreaktor zurückführt, um den Trockensubstanzgehalt im Reaktor zu senken. Dabei ist zu beachten, dass die Rückspülflüssigkeit die Verweilzeit vermindert und aktive Biomasse austrägt, und so die Leistungsfähigkeit und den Gasertrag verringert. Ebenso wird mehr Wärmeenergie benötigt um den Reaktor auf Arbeitstemperatur zu halten. Für einen sicheren Anlagenbetrieb und hohe Prozessstabilität ist die Einhaltung der Reaktortemperatur über die gesamte Jahreszeit wichtig. Temperaturschwankungen im Reaktor sind zu vermeiden. Eine schwankende Reaktortemperatur vermindert die Leistungsfähigkeit der Biologie im Reaktor und damit auch den Gasertrag. Bei einem Absinken der Reaktortemperatur werden als erstes die methanogenen Bakterien geschädigt, die nur in einem engen Temperaturfenster überleben können. Die Bakterien der Acidogenese und Hydrolyse können auch bei einem Temperaturabfall zunächst überleben, dadurch werden weiterhin Fettsäuren gebildet und es kommt neben dem Temperaturabfall zu einer Versäuerung des Fermenters, wenn die Substratzufuhr nicht eingestellt oder gedrosselt wird. Ebenso kann die Zufuhr großer Mengen an Substrat oder Rückspülflüssigkeit die Temperatur im Reaktor negativ beeinflussen. Daher sollte die Temperaturmessung regelmäßig überwacht und gewartet werden [5]. 5 von 7

6 Anfahrbetrieb Das Anfahren erfolgt bei den meisten Biogasanlagen mit Rindergülle, da in dieser die benötigten Bakterienkulturen bereits vorhanden sind. Die Aktivität dieser Kulturen ist gering und muss erst auf maximale Leistung gebracht werden. Dazu sollte das zugegebene Substrat möglichst konstant gehalten werden, jeder Substratwechsel bedeutet für die Bakterienkulturen einen Wechsel der Lebensbedingungen. Die Raumbelastung sollte nur in kleinen Schritten erhöht werden, damit sich die methanogen Bakterien anpassen können. Bei einer zu schnellen Erhöhung der Raumbelastung kommt es zu einer Versäuerung des Biogasprozesses [5]. Rühren Zur Erreichung einer hohen Prozessstabilität ist eine ausreichende Durchmischung des Reaktorinhaltes wichtig. Die Durchmischung sorgt für den intensiven Kontakt zwischen aktiver Biomasse und Substrat der für die Bioerzeugung notwendig ist. In einem nicht durchmischten Behälter findet nach einiger Zeit eine Entmischung, mit gleichzeitiger Bildung von Sink- und Schwimmschichten, statt. Der Kontakt zwischen Substrat und aktiver Biomasse wird durch Rühren gewährleistet, dennoch sollte ein zu intensives Rühren vermieden werden, da die einzelnen Gruppen der Mikroorganismen, die am Abbau beteiligt sind, eine enge Lebensgemeinschaft bilden, die durch zu intensives Rühren zerstört wird. Schnelllaufende Rührwerke sollten in Intervallen betrieben werden, wohingehend langsam laufende großblättrige Rührwerke durchgehend in Betrieb sein können [5]. Insbesondere beim Einsatz von strukturreichen Substraten, wie bei nachwachsenden Rohstoffen sollten großblättrige langsam laufende Rührwerke eingesetzt werden, diese zeigen eine deutlich höhere Leistungsfähigkeit und Effizienz als herkömmliche Rührwerke. Bei schnelllaufenden Propellerrührwerke und langsam laufenden großblättrige Rührwerke können beim Anfahren der Anlage Probleme auftreten, wenn die Nawaros in dünnflüssige Gülle eingerührt werden müssen. Kritisch kann sich unter Umständen die Ausdehnung von Gemischen aus Biogasgülle und Nawaros auf den Reaktor auswirken, die schon bei einem Ausfall des Rührwerkes beobachtet wurden. Vereinzelt ist es schon vorgekommen, das Fermenter geborsten 6 von 7

7 sind. Hier sind unbedingt Warnsysteme die den Rührwerksausfall melden oder Sicherheitseinrichtungen, die ein Ausdehnen des Reaktorinhalts zulassen, zu installieren [6]. 1 Endbericht Biogas Hessen, Wissenschaftlich-technisch-ökonomische Evaluation geförderter hessischer Biogasanlagen, ISET e.v., hessenenergie, Anforderungen an die Gasqualitäten in der Weiternutzung, Gasreinigung im Bereich der Motoren, Dr. Ing. S. Kabasci, Dr. Ing. R. Hiller, Fraunhofer Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik Umsicht, Oberhausen, erschienen im VDI Bericht 1872, 2005, Biogas, Energieträger der Zukunft 3 Biogaserträge zwischen Labor und Praxis - Ergebnisse der KTBL Arbeitsgruppe "Gaserträge", Dr. Ing. Gerd Reinhold, Thüringer Landesanstalt für Landwirtschaft Jena, erschienen im VDI Bericht 1872, 2005, Biogas, Energieträger der Zukunft 4 FAT Berichte Nr. 546/ 2000, Eidgenössische Forschungsanstalt für Agrarwirtschaft und Landwirtschaft (FAT), Vergärung landwirtschaftliche Stoffe in Biogasanlagen 5 Handreichung Biogas, Herausgeber: Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.v. (FNR), Gülzow Technische Anforderungen an landwirtschaftliche Biogasanlagen bei der Vergärung Nachwachsender Rohstoffe, Dr. Hans Oechsner, Landesanstalt für landwirtschaftliches Maschinenund Bauwesen, Universität Hohenheim, Stuttgart, Dipl. Ing Dominik Helffrich, unabhängige Biogasberatung, Okarben, erschienen im VDI Bericht 1872, 2005, Biogas, Energieträger der Zukunft 7 von 7