Biogas: Der Mixer macht s

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1 Biogas: Der Mixer macht s Viele Biogaserzeuger können noch mehr Leistung aus ihren Anlagen herauskitzeln. Dazu müssten sie nur die Rührtechnik optimieren, um der Gasproduktion auf die Sprünge zu helfen. Rainer Winkelmann (Name geändert) hatte nicht lange Freude an seiner neuen Biogasanlage. Nach nicht einmal sechs Monaten brach die Gasproduktion ein. Das Schlimmste: Die Ursache konnte zunächst nicht gefunden werden. Egal welchen Experten er auch zu Rate zog, keiner konnte ihm weiterhelfen. Erst als nach etwa einem Jahr ein Paddel seines Rührwerkes abknickte, kam sprichwörtlich Licht ins Dunkel. Denn während der Reparaturarbeiten konnte Winkelmann zum ersten Mal einen Blick in den Reaktor werfen. Was er zu sehen bekam, war alles andere als erfreulich. Zu viele Totzonen. Am Rand des Behälters hatte sich eine dicke Schicht aus Substrat abgesetzt. Offensichtlich schafften seine Rührwerke es nicht, die Energiepflanzen in dieser Zone ausreichend zu mischen und in Bewegung zu halten. Der Biogasexperte Toni Baumann aus Wangen im Allgäu (Baden-Württemberg) kennt unzählige solcher Geschichten. Oft werden die Betreiber auf die Probleme mit ihren Rührwerken erst aufmerksam, wenn es zu spät ist, berichtet er. Es gibt zu viele Totzonen in den Fermentern, bestätigt auch Dr. Karin Jobst vom Fraunhofer Institut für Keramische Technologie und Systeme in Dresden (Sachsen). Die Wissenschaftlerin ist zufällig auf diese Erkenntnis gestoßen. Eigentlich wollte sie untersuchen, ob sich Biogassubstrat besser in einem Hochfermenter (höher als breit) oder in einem Flachfermenter vermischen lässt. Dabei fiel ihr auf: In Biogasanlagen mit flacher Bauweise gibt es zu viele Zonen, in denen das Substrat vom Abbau der Bakterien ausgeschlossen ist. Die Energiepflanzen vegetieren in diesen Bereichen vor sich hin, sagt Jobst. Die Expertin schätzt, dass die meisten Betreiber das Potential ihrer Biogasanlagen daher auch nur zu 70 % ausnutzen. Anders ausgedrückt: Wer die Rührwerkstechnik seiner Reaktoren optimiert, kann deutlich mehr Gas aus seinem Substrat erzeugen. Fachleute führen das Versagen der Rührwerke vor allem auf drei Faktoren zurück: Die Hauptfermenter sind zu groß. Es kommen zunehmend zähe Substrate wie Gras oder Ganzpflanzensilagen zum Einsatz. Die Betreiber machen Fehler. 1. Die Behälter sind zu groß. Je breiter die Fermenter werden, desto schwieriger wird das Rühren. Hochfermenter (höher als breit) sind in dieser Hinsicht klar im Vorteil, sagt Jobst. Idealerweise beträgt deren Verhältnis von Höhe zu Breite mindestens 1:1. Auf die futtersiloförmigen Türme setzen allerdings die wenigsten Firmen. Denn diese sind teurer als herkömmliche Typen, deren Bauform wiederum stark an Güllelager aus der Landwirtschaft erinnern. Die hohen Reaktoren eignen sich daher nur für große Anlagen, bei denen sich die Investitionskosten auf möglichst viel Kilowattstunden Strom verteilen lassen. In Zukunft werden deshalb vermutlich auch weiterhin mehr güllesiloförmige Biogasanlagen gebaut als schlanke Hochfermenter. Das Rühren bleibt somit eine zentrale Herausforderung für die Branche. Erschwerend kommt hinzu, dass das neue EEG eine Verweilzeit des Substrates in den Anlagen von mindestens 150 Tagen vorschreibt. Die Fermenter wachsen daher künftig noch stärker in die Breite, was das Rühren nochmals komplizierter macht. Der Biogasberater Christoph Gers- Grapperhaus von der Landwirtschaftskammer Niedersachsen in Oldenburg (Niedersachsen) rät: Wenn in den Flachfermentern schwer zu rührende Substrate wie Gras zum Einsatz kommen, sollte das Verhältnis zwischen Höhe und Breite des Hauptreaktors nicht mehr als 1:3 betragen. Sonst stoßen zumindest Tauchmotorrührwerke an ihre Grenzen, so der Experte. Wird die Anlage doch breiter, ist in jedem Fall eine Kombination aus Tauchmotorrührwerk und einem weiteren Mi- Foto: Werkbild Einige Firmen setzen auf hydraulische Systeme, um das Substrat zu mischen. Hierbei sorgen Pumpen für die Bewegung im Fermenter. 164 top agrar 4/2012

2 Tauchmotorrührwerke werden nach wie vor am häufigsten in Biogasanlagen eingesetzt. Sie eignen sich vor allem für dünnflüssige Substrate. Foto: Einhoff xer wie beispielsweise einem Langachsrührwerk erforderlich. Mehr dazu im Punkt 2. Für die Nachgärer gelten diese Regeln im Übrigen nicht. Denn in ihnen ist das Substrat weitestgehend abgebaut und somit auch flüssiger, weshalb es kaum Probleme mit dem Rühren gibt. 2. Wenn das Substrat zu zäh ist. Je zäher das Substrat, desto höher sind die Anforderungen an die Rührwerke. Bei Trockensubstanzgehalten von weniger als 8,5 % im Fermenter reichen in der Regel die aus der Landwirtschaft bekannten schnelllaufenden Tauchmotor- top agrar 4/

3 rührwerke aus, um gute Ergebnisse zu erzielen (siehe Kasten Seite 166). Sie sind relativ günstig und für die Wartung müssen sie nur aus dem Fermenter herausgezogen werden. Langachsrührwerke sind ebenfalls gut für relativ dünnes Substrat geeignet. Diese Typen werden allerdings oftmals starr in den Fermenter eingebaut und lassen sich nicht oder nur eingeschränkt schwenken. Das wird zum Nachteil, wenn sich beispielsweise Schwimmdecken im Fermenter bilden. Wer auf diese Technik setzt, sollte sich deshalb zusätzlich ein Tauchmotorrührwerk zulegen, dass an der Oberfläche im Fermenter rührt und ggf. auch Schwimmdecken auflösen kann. Allerdings gibt es eine Ausnahme von diesen Empfehlungen: Kommt sehr dünnflüssige Schweinegülle zusammen mit Energiepflanzen zum Einsatz, sind auch Tauchmotor- und Langachsrührwerke überfordert. Denn in dem besonders flüssigen Substrat schwimmen die Energiepflanzen schnell oben auf. Der Effekt ist vergleichbar mit dem Auftrieb von Cornflakes in Milch. In solchen Fällen sind Mixer, die das Substrat von oben nach unten drücken (z. B. Paddelrührwerke) die bessere Wahl. Langsamläufer im Vorteil. Steigen die TS-Gehalte im Fermenter auf über 8,5%, stoßen die Tauchmotorrührwerke an ihre Grenzen. Denn die zähflüssige Masse aus Energiepflanzen ist sehr schwerfällig und fließt daher nicht schnell genug zu den Flügeln des Rührwerkes nach. Die Die verschiedenen Typen in der Übersicht Tauchmotorrührwerke: Sie werden am häufigsten eingesetzt. Oft in Kombination mit Paddel-, Langachsrührwerken oder Stabmixern. Sie sind in der Regel an einer vertikalen Führungsstange befestigt und können vom Betreiber mit einer Seilwinde in der Höhe verstellt werden. Die meisten Typen haben einen Elektromotor als Antrieb. Es gibt aber auch Hersteller, die auf einen Hydraulikantrieb setzen. Stabmixer: Diese Typen werden schräg in den Fermenter platziert, wobei sich der Elektromotor außerhalb des Fermenters befindet. In der Regel sind Stabmixer schwenkbar. Sie werden oft mit Paddel- oder Tauchmotorrührwerken kombiniert. Es gibt Sonderformen, die anstatt mit einem Elektromotor mit einem Schlepper angetrieben werden. Langachsrührwerke: Sie sind ähnlich aufgebaut wie Stabmixer, aber starr eingebaut und daher nicht schwenkbar. Oft werden sie mit anderen Rührwerken kombiniert. Paddelrührwerke: Sie werden entweder horizontal oder vertikal in die Fermenter installiert und zeichnen sich durch große Flügel bzw. Paddel aus. Vor allem bei schwermischbaren Substraten kommen sie zum Einsatz. In der Regel werden sie mit schnelllaufenden Rührwerken wie beispielsweise Tauchmotorrührwerken kombiniert. Haspelrührwerke: Sie werden in liegenden Behältern eingebaut. Auf einer horizontalen Welle sind bei ihnen in regelmäßigen Abständen die Rührarme angebracht. Der Antrieb befindet sich außerhalb des Fermenters. Zentralrührwerke: Sie kommen fast ausschließlich in Hochbehältern zum Zug. Sie werden in der Mitte des Fermenters an der Beton- oder Stahldecke aufgehängt. Der Antrieb liegt dabei außerhalb des Raumes. Sie eignen sich vor allem für zähes Substrat. Hydraulisches Rühren: Bei diesen Systemen wird das Substrat mithilfe von Pumpen gerührt. Pneumatisches Rühren: Hierbei wird ein Teil des Fermentergases von unten in den Fermenter geleitet. Das Gas steigt danach im Behälter auf und sorgt durch den Verdrängungseffekt für eine Durchmischung des Substrates. schnell laufenden Mixer rühren unter diesen Umständen im eigenen Saft. Dr. Mathias Effenberger von der Bayerischen Landesanstalt für Landwirtschaft empfiehlt unter diesen Umständen langsam laufende, großflügelige Axial- oder Langachsmixer in Kombination mit Propellerrührwerken. Die Mischer sollten dabei so aufgestellt werden, dass die Tauchmotorrührwerke die Axial- und Langachsmixer mit Substrat anströmen. Baumann fügt hinzu: Verzichten Sie auf Rührwerke, die das Substrat nur horizontal bewegen. Wichtig ist aus seiner Sicht eine vertikale Bewegung, bei der die Gasbläschen aufsteigen können und die Schwimmschicht heruntergedrückt wird. Der Hauptantrieb des Mixers sollte sich zudem möglichst außerhalb des Fer- Foto: Baumann Rührwerke müssen oft unter schwierigen Bedingungen gewechselt oder ausgetauscht werden. 166 top agrar 4/2012

4 menters befinden. Das erleichtert die Reparaturen, so Baumann weiter. Keine pauschale Lösung Wenn die Typenfrage geklärt ist, muss überlegt werden, wie viele Rührwerke benötigt werden. In landwirtschaftlichen Anlagen mit niedrigen Rundbehältern reicht ein einzelnes Rührwerk selten aus allerhöchstens in stark Gülle betonten, kleinen Fermentern. Ob es zwei oder mehr sein sollten, muss im Einzelfall entschieden werden. Effenberger rät aber: Die Rührleistung im Hauptfermenter sollte in niedrigen Rundbehältern in der Regel mindestens 15 bis 20 Watt pro Kubikmeter Arbeitsvolumen betragen. Hochbehälter kommen hingegen mit einem einzigen Zentralrührwerk aus. Hier kann man je nach Einsatzstoffen ggf. auch mit einer etwas geringeren Rührleistung auskommen. Der tägliche Blick in den Fermenter hilft, um Probleme mit den Mixern schnell zu erkennen. Der umgekehrte Weg. Torsten Fischer vom Ingenieurbüro Krieg & Fischer aus Göttingen (Niedersachsen) verfolgt bei der Mixerauswahl einen anderen Ansatz. Die Rührwerkshersteller verkaufen Standardkonzepte, sagt er. Diese Technik ist auf den Einsatz bestimmter Substrate mit einem gewissen TS-Gehalt abgestimmt. Weichen die Werte in der Praxis davon ab, kann es Probleme geben, so Fischer. Wenn die Branche den umgekehrten Weg gehen würde, gäbe es deutlich weniger Schwierigkeiten, ist Fischer überzeugt. Das heißt: Erst teilt der Betreiber dem Anlagenplaner mit, welche Substrate er einsetzen will und welchen TS-Gehalt diese haben. Dann erstellt der Hersteller anhand dieser Daten eine Massenbilanz. Daran lässt sich ablesen, wie dick (Fluidität-Viskositäts- Verhältnis) das gesamte Gemisch im Fermenter wird. Mit diesem Ergebnis lassen sich dann die optimalen Rührwerke aussuchen. Ich halte nichts davon, das eine oder andere Rührwerk zu empfehlen und andere wiederum nicht. Jedes Rührwerk Foto: Heil top agrar 4/

5 Schnell gelesen Viele Biogaserzeuger nutzen das Potenzial ihrer Anlagen nur zu 70 % aus, weil die Mixer oft überfordert sind. Vor allem in Flachfermentern (breiter als hoch) stoßen herkömmliche Rührwerke schnell an ihre Grenzen. Tauchmotorrührwerke sind für dünnflüssige Substrate gut geeignet. Fotos: Werkbild Einbau eines langsam drehenden Paddelrührwerkes. Durch den Auftrieb des Schwimmers kann sich das obere Paddelpaar an die Füllhöhe des Behälters anpassen. Bei hohen TS-Gehalten sollten sie mit Langachs- oder Axialmixern kombiniert werden. Wer eine Anlage plant, sollte außerdem mit dem Hersteller erst festlegen, welche Substrate zum Einsatz kommen und dann die Mixer aussuchen. hat seine Vor- und Nachteile, so Fischer. Pauschale Empfehlungen helfen aus seiner Sicht nicht weiter. Diese Vorgehensweise hat noch einen weiteren Vorteil: Wenn der Betreiber sich an die Vorgaben hält und es tauchen dennoch Probleme auf, kann er den Hersteller der Mixer schneller und einfacher dafür verantwortlich machen. 3. Betreiber machen Fehler. Schwierigkeiten mit den Rührwerken gibt es nicht nur, wenn das falsche Rührwerk ausgewählt wurde, sondern auch, wenn der Betreiber Fehler macht. Ein typischer Fall: Die Rührwerke sind falsch eingestellt. In klassischen Rundbehältern wird eine Rührzeit von fünf Minuten pro Stunde kaum zu unterbieten sein, mehr als 30 Minuten pro Stunde sind auf jeden Fall nicht mehr akzeptabel. Am besten tastet man sich in Rücksprache mit dem Hersteller an die optimale Rührzeit herran. Zwei Werte helfen dabei, die richtige Einstellung zu finden. Zum einen sollte täglich durch das Sichtfenster im Fermenter der Flüssigkeitsspiegel beobachtet werden. Sobald dort mehr unvergorenes Substrat aufschwimmt, stimmt etwas mit den Mixern nicht. Zum anderen ist der Ampere-Wert der Rührwerke ein guter Anhaltspunkt. Hinter dem Begriff versteckt sich die Stromaufnahme der Mixer. Jeder Rührwerksmotor hat einen optimalen Ampere- Wert, der beim Hersteller erfragt werden kann. Weicht der tatsächliche Wert von diesem ab, sollten beim Betreiber die Alarmglocken läuten. Ein Ampere-Meter wird in den Stromkreis des Rührwerkes eingebaut (Kosten inklusive Einbau: ab 300 Euro). Alternativ kann der Wert auch mit einer Ampere-Zange abgelesen werden. Elektrofachgeschäfte bieten diese für rund 100 Euro an. Am besten fragen Sie Ihren Elektriker, wo und wie Sie damit die Stromaufnahme messen können. Manchmal hilft auch Handauflegen Wunder!, so Baumann weiter. Beim täglichen Pflicht-Rundgang sollte der Betreiber jedem Rührwerksmotor einmal täglich die Hand auflegen. So lassen sich Unwuchten, Vibrationen und ähnliche Probleme schnell erkennen. Bei Tauchmotorrührwerken können Unregelmäßigkeiten an den Aufhängungen und Seildurchführungen ertastet werden. Es ist auch kein Luxus mit einem Ärzte-Stethoskop (ab 15 ) am Fermenter zu horchen, wenn das Rührwerk in Betrieb ist. So kann man ebenfalls verdächtige Geräusche entlarven. Diethard Rolink Eine aktuelle Marktübersicht mit Rührwerken finden Sie auf unserer Internetseite: (Rubrik: Neue Energie, Stichwort Leserservice). Es geht auch ohne Mixer Mittlerweile ist bewiesen, dass es auch ohne Rührwerke geht, sagt der Biogasexperte Toni Baumann aus Wangen im Allgäu (Baden-Württemberg). Aus seiner Sicht wird beim Rühren viel zu viel Energie aufgewendet. In den meisten Anlagen werden tausende Kubikmeter sinnlos im Kreis gerührt, fügt er hinzu. Zu den Systemen, die ohne Rührwerk auskommen, zählt beispielsweise das Pumpen-Düsen-Prinzip. Hierbei zieht eine Pumpe dünne Flüssigkeit vom Boden des Tanks ab und spritzt sie mit hohem Druck auf den Flüssigkeitsspiegel im Fermenter. Dadurch wird das Substrat gemischt. Bei diesem System wird Substrat von oben in den Fermenter gespritzt. 168 top agrar 4/2012