Strohvergärung (k)ein Problem durch Hydrolyse und Bioextrusion

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1 Fachtagung Biogas aus Stroh, , Heiden, Westmünsterhalle Strohvergärung (k)ein Problem durch Hydrolyse und Bioextrusion Dipl.-Ing. Thilo Lehmann, XVI/01/2AL

2 Gründe der Strohvergärung Ungenutzte vorhandene Potentiale Getreidestroh (verschiedene Studien, u.a. DBFZ für Deutschland) Rapsstroh (1,3 Mio ha Anbaufläche pro Jahr, 9-10t Stroh und Spreu in Deutschland Maisstroh Reisstroh Strohähnliche Pflanzen wie Miscanthus, Sonnenblumen, Schilf, Topinambur, Landschaftspflegematerial u.a. Landwirtschaftliche Reststoffe mit hohem Strohanteil oder fermentierbarer Organik Pferdemist Rindermist Putenmist Hühnertrockenkot Tomatenpflanzen Paprikapflanzen Reste aus Pflanzenzucht Frage: Sind die Substratbeschaffungskosten günstig? 1 XVI/01/2AL

3 Probleme 1. Preis-Leistungsverhältnis // Aufwand / Ertrag 2. Fehlende oder aufwendige Erntetechnik 3. Hoher Lignozelluloseanteil Aschegehalt und Lignin Rohfasergehalt Carlosh von Irmer / pixelio.de 4. Ungenügende oder nicht vorhandene Lagertechnik für kontinuierlichen Prozessablauf. 5. Aufbereitung ist ungünstig und teuer und führt oft zu Problemen wie Hoher Energieaufwand Großes Fermentationsvolumen Schwimmschichtbildung durch ungenügenden Aufschluss Hoher Rühraufwand Hoher Störstoffgehalt durch Aufnahme auf dem Feld Viele Verarbeitungsschritte Frage: Ist es effizient, solche Substrate einzusetzen? 2 XVI/01/2AL

4 Ansatzpunkte zur Effizienzsteigerung (Wichtung nach Kostenstruktur) Substrate 30-50% der Kosten sind substratabhängig wichtig: Ausnutzung des Energiegehaltes Verluste verringern Logistik güns-tig gestalten Verarbeitung optimieren Störstoffe beseitigen Hemmungen verhindern BHKW Stromproduk -tion steigern Ausfälle, Stillstandzeiten verhindern gleichmäßige Gasprodukt./ Qualität Wirkungsgrad steigern weitere Nutzung der Energie (ORC, Turbine) Standzeiten verlängern Wärmenutzungsgrad technolog. Wärmeprozesse Heizungsanbindung verbessern / ausnutzen ORC u.a. Energieerzeuger nutzen KWK dezentrale Lösungen u.a. Eigenstrom senken Prozesse optiomieren Verluste vermindern Man-Power Eigenstrom selbst herstellen Betreuungskosten verringern Betreuungskosten Logistik optimieren Technik verbessern Gärrestmanagement verbessern Transporte einsparten Lagerung optimieren Gaslekagen verringern Messen Fehler abstellen Ausfälle analysieren und minimieren sonstige Kostenstrukturen verbessern 3 XV/10/2AL

5 Zusammensetzung der Trockensubstanz Vergleich Weizenstroh gegenüber Mais 100% 10% 5% 3% Asche 90% 12% 11% Lignin 80% 70% 30% 60% Rohfaser 50% 81% 40% leicht abbaubar 30% 20% 48% 10% 0% Stroh Mais vergärbare ots (Biogas) unvergärbare ots Lignin Asche 4

6 Lignozellulose ist in Biogasanlagen schwer abbaubar Stroh, unbehandelt Stroh, nach Bioextrusion Zellstruktur, unbehandelt Aufschluss bis ins Zellgefüge, n. Bioextrusion 5 XVI/01/2AL

7 Strohfermentation 6 XVI/01/2AL

8 Bioextrusion mit Aufstromhydrolyse geeignet für: Stroh Heu Legende: 1 Strohballenförderer 2 Strohballenauflöser 3 Austrag 4 Senkrechtschnecke oder Gebläse 5 Schnecke 6 Aufstrombehälter 7 Band 8 Rohr in Rohr Extruder 9 Rachentrichterpumpe 7 XV/10/2AL

9 Erweiterung der Substratmöglichkeiten Gerd Altmann / pixelio.de Carlosh von Irmer / pixelio.de Gras Rudolpho Duba / pixelio.de Stroh Biogas Forum Bayern Landschaftspflege Miscanthus 8 XV/10/2AL

10 Hydrolyse und Bioextrusion Aufstromhydrolyse Pfropfenstromhydrolyse 9 XVI/01/2AL

11 Aufstromhydrolyse Legende: 1 Vorzerkleinerung 2 Stopfschnecke 3+4 Aufstrombehälter mit Abkratzschnecke 5 Extruderprozessteil 6 Rachentrichterpumpe 7 Steuerung XVI/01/2AL

12 Pfropfenstromhydrolyse INPUT Öffnung Kratzer Pfropfenpaddel Stroh aufschwimmend Störstoffabscheidung Querpaddel Bioextruder Überlaufsystem Rachentrichterpumpe 11 XVI/01/2AL

13 Vorteile der Hydrolyse und Bioextrusion 1. Hohe Aufschlussqualität bis ins Zellgefüge Nutzbarmachung hochlignozellulosehaltiger Substrate (Stroh, Mist, Landschaftspflege, Miscanthus, ) Rohfaser wird leicht verstoffwechselbar und 100 % abbaubar in kurzer Zeit (FoTM) Absenkung der Viskosität auf 1/3 des zerkleinerten Substrates Verbesserung der Mischgüte u.a. 2. In Lösung gegangene Partikel schwimmen ohne mechanischen Energieeinsatz über alle bereits verdauten, ausgeschiedenen Stoffe angefaulte Substrate nasse, partikelförmige Pflanzenteile 3. Maximale Störstoffabscheidung Steine, Sande Metalle 4. Eigenstrombedarf wird gesenkt geringer Energieeinsatz 5. Verschleiß der produktberührenden Teile wird halbiert 12 XVI/01/2AL

14 Was spricht für Bioextrusion? herkömmliche Fütterung (ohne Aufschluss) grobe Struktur nach Aufschluss mit Bioextrusion überwiegender Aufschluss bis ins Zellgefüge, feine Struktur Was spricht dafür? Bemerkungen wichtige Vorraussetzung, häckseln reicht nicht geringe Raumbelastung geringe Abbaugeschwindigkeit um 25-50% höhere Raumbelastung möglich (substratabhängig) erhöhte Abbaugeschwindigkeit durch Aufschluss mehr Biogaserzeugung möglich schwierige Substrate einsetzbar ungenügende Verstoffwechselung otr 50-65% 72-80% Abbau der organischen Trockensubstanz (nachgewiesene Werte) nicht ausgefaulte Biomasse wird aufs Feld gefahren; hohe Logistikkosten kein vollständiger Abbau der fermentierbaren organischen Trockenmasse (FOM) nach Prof. Weißbach hohes Restgaspotential im Gärrest 100% Abbau der fermentierbaren organischen Trockenmasse (FOM) geringes (quasi kein) Restgaspotential im Gärrest (gegen 0 Nm³/t Gärrest) Verringerung des Substrateinsatzes verringerte Freisetzung von CO 2 13 XV/10/2AL

15 Was spricht für Bioextrusion? herkömmliche Fütterung (ohne Aufschluss) nach Aufschluss mit Bioextrusion Was spricht dafür? Bemerkungen schwierige Substrate werden mechanisch nicht beherrscht; Gras (Zopfbildung); Stroh & Co (Schwimmdecken);Landschaftspflege (Sinkschichten) hohe Viskosität z.b mpa s (Beispiel Stroh) bedeutet hoher Pumpaufwand (schwierig förderfähig); hoher Rühraufwand ( max. Ausstattung des Fermenters mit Rührwerken notwendig) verminderte Mischgüte (Verteilung im Fermenter), bildet Schwimm- / Sinkschichten, 50-55% Auslastung geringe Biogaserträge Stroh & Co sind kein Problem zur Biogasgewinnung Absenkung der Viskosität auf 880 mpa s (Beispiel Stroh): Senkung der Pumpenergie auf 50% (gut förderfähig); Senkung des Rühraufwandes auf ~ 50% (Anzahl der Rührwerke verringert sich) 80% Auslastung des Volumens, Verringerung der Probleme höhere Biogaserträge, bewährte Praxis, robuste Technik, auch Monovergärung der Substrate möglich überwiegend Mais-/ Gülleanlagen guter Substratmix in 500 kwelektr. Anlage nachgewiesen Substratauswahl wird erweitert; keine Konkurrenz zur Lebensmittelproduktion Echtwert bei vergleichbarem Substrat; geringerer Verschleiß; längere Standzeit; Einsparung von Investitions- /Betriebs-kosten Biogassteigerung bis 25% Zuwachs der Methangasbildung gute Biozönose 14 XV/10/2AL

16 Aufbereitungsverfahren Aufbereitungsart Funktionsprinzip Bioextrusion mechanisch thermo-mechanischer Aufschluss Bewegung, Reibung, Quetschung Kollision Zentrifugalkräfte Druck Zerspannung physikalisch thermischer Aufschluss Wärme/Hitze Kavitation / Desintegration wechselnde Belastung Perforierung Zellaufschluss, Störung d. Zellwand thermisch-/chemischer Aufschluss (bio-)chemisch Extraktion, Phasentrennung enzymatischer Aufschluss Enzyme, Mikroorganismen Aufschluss/Extraktion Chemikalien 15 XV/10/2AL

17 Lösung des Problems Einsatz der Bioextrusion Stroh, gehäckselt Schwimmschichtbildung! Stroh, mit Bioextrusion bis ins Zellgefüge aufgeschlossen homogene Verteilung, keine Schwimmschichtbildung! 16 XVI/01/2AL

18 Stallmist vor Bioextrusion Stallmist nach Bioextrusion Flieskurve Fermenterinhalt Fraunhofer Institut IKTS Dresden 17 XVI/01/2AL

19 Vergleich von trockenem und hydrolysiertem Stroh 17 XV/10/2AL

20 Anlagenbeispiel: Hertel GbR 18

21 Anlagenbeispiel: Agrarprodukte Dedelow GmbH 19

22 Bioextruderreihe für Forschung (Labor) und kleinindustrielle Nutzung Laborextruder MSZ B15e MSZ B22e 20 XV/10/2AL

23 Bioextruderreihe industr./landwirtschaftliche Nutzung modulare, substratangepasste Bauweise MSZ B44e MSZ B60 S3 MSZ B74e MSZ B110e 21 XVI/01/2AL

24 Aufschlusstechnik im Einsatz 22 XVI/01/2AL

25 Gärrestbecken Gärrestabfuhr Hydrolyse und Bioextrusion -Containeranlage Bürocontainer 1.1 Steuerung 1.2 Trafo Technikcontainer 2.1 Gasofen 2.2 BHKW 2.3 Hydraulikaggregat 2.4 Wärmetauscher / Pumpe Substratzufuhr Pfropfenstromcontainer 3.1 Pfropfenstrompaddel 3.2 Tauchwelle 3.3 Störstoffaustrag 3.4 Feststoffsubstrataustrag 3.5 Überlauf gelöster Teile 4.Bioextruder 4.1 Dach 4.2 Rachentrichterpumpe 4.3 Substratleitung / Ventile 5. Fermentercontainer 5.1 Paddelrührwerk 5.2 Mittelwand / Wärmetauscher 5.3 Überlauf 5.4 Ablaufventil 5.5 Ablaufleitung / Pumpanschluß 5.6 Biolene (Gasspeichermembran) 6. Separationsraum stufige Separation- Pumpe/Fugatraum 6.2 Kratzerband 6.3 Ventil / Pumpe 23 XVI/01/2AL

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27 BioEnergie Pöhl - Inputfrachten In der folgenden Tabelle sind die Inputfrachten, der im Februar und März, gefütterten Substrate angegeben. Die Analysewerte für TR und otr stammen aus der Beprobung vom Ergebnisbericht Fraunhofer IKTS vom mittlere Beschickung Februar/März (Quelle: Hr. Flügel) TR (Analyse IKTS) otr (Analyse IKTS) mittlere TR-Fracht mittlere otr- Fracht t/d % % t/d t/d Hybridroggen 3,72 55,6 96,1 2,07 1,99 Mist 11,15 28,4 87,4 3,17 2,77 Grassilage (2009) 4,25 30,0* 89,7** 1,27 1,14 Maissilage 10,62 24,8 95,5 2,64 2,52 Rapsstroh 4,25 26,0 91,6 1,10 1,01 Summe bzw. Mittel 33,98 30,2 92,0 10,25 9,43 Mit 10,25 t Trockenmasse wird eine Normleistung, bei einer Verfügbarkeit von 96%, von 500 kw elektrisch erreicht. 25 XV/10/2AL

28 BioEnergie Pöhl - otr-abbaugrad In folgender Tabelle ist der otr-abbaugrad bezogen auf die gesamte zugeführte otr-fracht anhand des Gasertrages berechnet. Ergebnisbericht Fraunhofer IKTS vom Methanproduktion (Quelle: Hr. Flügel: 220 Nm³/h Biogas mit 57,5% Methan) m³/h 126,5 m³/d 3036,0 otr-abbau t/d 7,03 otr-abbaugrad % 74,5 Der ermittelte Wert von ca. 75% stellt für die BGA BioEnergie Pöhl eingesetzten (zum großen Teil schwer abbaubaren) Substrate einen sehr guten Wert dar. Derartige Werte werden üblicherweise von reinen Maisanlagen erreicht und zum Teil knapp übertroffen, aber nicht von Anlagen mit größeren Anteilen von Stroh und Mist. Die üblichen Abbauraten liegen zwischen 50 65%. 26

29 BioEnergie Pöhl Grad der fermentierbaren ots (FoTS) Für die einzelnen Berechnungsformeln nach Prof. WEIßBACH und den Mittelwert aller Formeln ergibt sich für die Substrat-mischung der BGA BioEnergie Pöhl eine mittlere FoTS, welche laut Prof. Weißbach bei 100%igem Umsatz eine Methan-menge von 420Nl/kg FoTS ergeben müsste. Die sich daraus theoretisch für BioEnergie Pöhl ergebenden Methanmengen sind in der folgenden Tabelle dargestellt. Ergebnisbericht Fraunhofer IKTS vom FoTS Methanertrag (Weißbach) theoretischer Methanertrag BGA Helmsgrün tatsächlicher Methanertrag BGA Helmsgrün Substratausnutzung g/ kg TS NL/kg FoTS m³/d m³/d % Formel Mais 693, , ,6 Formel Getreide GPS 671, , ,0 Formel Gras 716, , ,3 Mittel 694, , ,6 Im Vergleich dazu erreicht die BGA BioEnergie Pöhl eine tatsächliche Methanmenge welche, je nach Formel (nach Prof. Weißbach), zwischen 98 und 105% liegt. Im Mittel wird demnach die komplette fermentierbare organische Substanz in BioEnergie Pöhl in Biogas umgewandelt. 27 XV/10/2AL

30 BioEnergie Pöhl Ergebnisse Ermittlung des Restmethanpotentials aus dem Gärrest (Nachgärer) der BGA Pöhl bei 43 C. Diagramm Gasproduktion 8 Gasproduktion in Ncbm/cbm Gärrest Zeit (Tage) Ncbm Biogas /cbm Gärrest Ncbm CH4/cbm Gärrest Restgaspotential bei 43 C in Nm³ Biogas pro m³ Gärrest bzw. Restmethanpotential in Nm³ Methan pro m³ Gärrest aus dem Nachgärer der Biogasanlage BioEnergie Pöhl, Probennahme: XV/10/2AL

31 Wir bieten Planung Ihrer Biogasanlage für Agrar-, Abfall- und Kommunalwirtschaft Herstellung und Lieferung der Anlagenkomponenten (Chef)-Montage Inbetriebnahme biologische Betreuung der Biogasanlage Kundenversuche im eigenen Technikum 29 XV/10/2AL

32 Dosier-, Förder- und Aufschlusstechnik Dosierer verschiedene Bänder, hier Detektorband Aufschlusstechnik Verschiedene Schnecken wie Steigoder Stopfschnecken 30 XV/10/2AL

33 Agglomerationstechnik Agglomerationstechnik zum Kompaktieren, Pelletieren von Biomasse wie Gärresten, Stroh, Holz u.a. Außenwandagglomeration zur Herstellung von Brennstoffen oder Dünger 31 XV/10/2AL

34 Möglichkeiten des Extruders durch Zellaufschluss zur stofflichen und energetischen Nutzung zum thermomechanischen Aufschluss zur Außenwandagglomeration zum Plastifizieren / Kompaktieren zur Mischung / Compoundierung zur Entwässerung / Stofftrennung (Aminosäure- / Milchsäure-abspaltung) zur Konversion von Biomasse für Alkoholherstellung oder hydro-thermale Konversion (BioCoal) zur Konservierung (Silierung) zur Futterherstellung für Schweine, Hühner und Kleintiere (Kraftfutter- oder Futterpellet) 32 XV/10/2AL

35 Bioliquid Verfahren (zum Patent angemeldet) IFBB Integrierte Festbrennstoff- und Biogasproduktion aus Biomasse 1 Annahmedosierer mit Wasserbad / Lufteintrag (40 C Wärmetauscher) 2 Ultraschallsedimentation 3 Störstoffaustrag über Kratzketten 4 Substratschnecke mit Re-/Entwässerung 5 Heißwasserzuführung (~ 70 C) 7 kombinierte Zerkleinerungs-/Homogenisierungsschnecke / Verdichtungsschnecke 8 Waschextruder mit Flüssigphasenschnecke und Aufschlußsystem 9 Zuführschnecke 10 Konditionierung mit Perkolation (Stickstoffzuführung / Enzyme bedarfsorientiert) 11 Förderschnecke mit Flüssigkeitsbesprühung 12 Separationspresse (TS 40-60%) 13 Förderschnecke für Presskuchenzufuhr, Konditionerer, Mischschnecke 14 Kompaktierextruder mit Schnabelmatritze 15 Flüssigtank / Zwischenpuffer / mit Temperaturführung 33 XV/10/2AL

36 Energieautarke Kläranlage Ziel Erhöhung der Eigenstromherstellung Nutzung der Abwärme durch technologischen Prozess Weg Bioliquid-Verfahren / Compatec-Verfahren aus kommunalen Rest- und Abfallstoffen durch Nachrüstung Ergebnisse bestehender Anlagen Energiereiche Flüssigkeit zur Co-Fermentation Brennstoffherstellung aus Klärschlamm und Strukturmaterial Dieter Schütz / pixelio.de Semalex / pixelio.de verbessertes Separationsverhalten des Klärschlammes Philipp Pohlmann / pixelio.de 34 XV/10/2AL

37 Eigenstrom vor Einspeisung Ziel durch Nachrüstung von Biogasanlagen Strompreis selbst verdienen Kostenersparnis Weg: Erzeugung 10% mehr Strom unwesentliche Änderung der BImSch Andreas Morlok / pixelio.de überschaubarer Aufwand Bioextrusion ermöglicht Absenkung der Viskosität auf ca % bessere Mischgüte höhere Faulraumbelastung GG-Berlin / pixelio.de schnellere Abbaurate bei gleicher Fermentergröße 35 XV/10/2AL

38 Biogas vor Kompost Modulare Trockenfermentationsanlage 12 H 2 O 12 Dampf Gärreste II III Legende 1 Schubbodendosierer 2 Austragsschnecke 3 Steig-/Verteilschnecke 4 Eintragsschnecke 5 Pfropfenstromfermenter mit Dampfeinspeisung 6 Austragsschnecken 7 Steigschnecke 8 Separationscontainer 9 Presse 10 Schaltwarte Büro 11 BHKW-Raum / Kühler Dampfsystem Wärmenutzung 12 Trafoanschluss Notfackel V 10 BHKW I IV Bauten I Annahmegbäude II Gärrestlagerung (Überdachung) III Gärrestbecken flüssig mit Gasblase IV Gärrestlager (mit Trocknung optional) V Funktionsgebäude Anlieferzone vorgesiebte Biomasse 40 mm 36 XV/10/2AL

39 Möglichkeiten des Extruders durch Zellaufschluss zur stofflichen und energetischen Nutzung zum thermomechanischen Aufschluss zur Außenwandagglomeration zum Plastifizieren/Kompaktieren zur Mischung/Compoundierung zur Entwässerung/Stofftrennung (Aminosäure-/ Milchsäureabspaltung) zur Konversion von Biomasse für Alkoholherstellung oder hydrothermale Konversion (BioCoal) zur Konservierung (Silierung) zur Futterherstellung für Schweine, Hühner und Kleintiere (Kraftfutter- oder Futterpellet) 37 XVI/01/2AL

40 Vielen Dank! Lehmann-UMT GmbH Jocketa Kurze Straße Pöhl Tel.: /744 0 Fax: / Mail: info@lehmann-umt.de Internet: XVI/01/2AL