Grundlagen effzienter und effektiver Strömungserzeugung in Biogasanlagen

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1 Grundlagen effzienter und effektiver Strömungserzeugung in Biogasanlagen Referent: Kay Rostalski Tätigkeit: Verantwortlicher Biogas Bereich: SEA Kay.Rostalski@ksb.com Peer Springer, H231 KSB AG Frankenthal, Kay Rostalski T1532 KSB AG Halle 1 1

2 Agenda 1. Effizienz in Bioreaktoren 2. Wirtschaftlichkeit von Rührwerken BIOGAS 3. Optimale Reaktionsbedingungen 4. Kurzdarstellung Ergebnisse Versuchsanlage 5. Zusammenfassung Peer Springer, H231 KSB AG Frankenthal, Kay Rostalski T1532 KSB AG Halle 2

3 1. Effizienz in Bioreaktoren Effizienz einer Biogasanlage Effizienz = Nutzen / Aufwand Nutzen wird in einer Biogasanlage häufig definiert durch die elektrische Anschlussleistung (Beispiel 500 KW) Voraussetzung konstante Randbedingungen (Raumbelastung, Substrat, Aufenthaltszeit usw.) 1. energetischer Aufwand 2. stofflicher Aufwand => Eigenenergieverbrauch => Substratausnutzung Peer Springer, H231 KSB AG Frankenthal, Kay Rostalski T1532 KSB AG Halle 3

4 1. Effizienz in Bioreaktoren Effizienz einer Biogasanlage ist abhängig von Eigenenergieverbrauch und Substratausnutzung Eines der größten Potentiale zur Senkung des Eigenenergieverbrauches bietet derzeit die Optimierung der Rührtechnik Grund: fehlendes Fachwissen zur Vergleichbarkeit der Rührwerke und des Rührergebnisses Je wirkungsvoller die Rührtechnik, umso besser der Substratausnutzungsgrad Grund: Stoffumwandlungsgeschwindigkeit wird durch die Transportprozesse von der punktförmigen Aufgabe bis zum aktiven Zentrum bestimmt Peer Springer, H231 KSB AG Frankenthal, Kay Rostalski T1532 KSB AG Halle 4

5 2. Wirtschaftlichkeit von Rührwerken Wie kann die Effizienz von RW verglichen werden? Rührwerk besteht grundsätzlich aus Hydraulik und Antrieb Entscheidend für das Rührergebnis ist die hydraulisch wirksame Leistung, nicht die Motorleistung (Beispiel: Rührwerk ohne Propeller) Vergleich mit Förderhöhe und Fördermenge einer Pumpe Hydraulisch wirksame Leistung = Axialschub Rührergebnis ist direkt proportional zu Schubkraft (Volumenstrom) Wird für ein bestimmtes Rührergebnis ein bestimmter Schub benötigt, so ist dieser herstellerunabhängig Schub ist eine messbare Größe Peer Springer, H231 KSB AG Frankenthal, Kay Rostalski T1532 KSB AG Halle 5

6 2. Wirtschaftlichkeit von Rührwerken Wie kann die Effizienz von RW verglichen werden? Gleiches Rührergebnis = gleiche hydraulisch wirksame Leistung über gleiche Zeiträume Beurteilung erfolgt in dem die im Medium wirksame hydraulische Leistung im Verhältnis zu der dafür aufzuwendenden Energie des Antriebes gesetzt wird Effizienz = Axialschub / aufgenommene Leistung im Betriebspunkt (P1) Axialschub ist eine messbare Größe Peer Springer, H231 KSB AG Frankenthal, Kay Rostalski T1532 KSB AG Halle 6

7 2. Wirtschaftlichkeit von Rührwerken Ermittlung nach ISO Pumps Testing Submersible mixers for wastewater and similar applications Prinzip: Spannungsmessung an einer Kraftmessdose Berechnung des Schubes über die Hebelgesetze Peer Springer, H231 KSB AG Frankenthal, Kay Rostalski T1532 KSB AG Halle 7

8 2. Wirtschaftlichkeit von Rührwerken Vergleich Langsamläufer mit Schnellläufer Beispiel Hauptfermenter: Substrat: Maissilage + Gülle; TS 10% Durchmesser: 22m Füllstand: 6m 4 Tauchmotorrührwerke mit 10kW Nennleistung leisten 8.500N Schub und werden 30min/h betrieben, so müssen, um den gleichen Rührerfolg mit anderen horizontalen Tauchmotorrührwerken zu erzielen ebenfalls min N Schub 30min lang eingetragen werden. Die elektrische Leistung die dann dafür benötigt wird, kennzeichnet die Güte der Maschine. Peer Springer, H231 KSB AG Frankenthal, Kay Rostalski T1532 KSB AG Halle 8

9 2. Wirtschaftlichkeit von Rührwerken Vergleich Langsamläufer mit Schnellläufer Leistung P1 Investition Bauart Anzahl Typ Gesamtschub Betriebsstunden Energieverbrauch 4 I 8.500N 41,88kW 30min/h 4x = ,94kWh/h Schnellläufer Langsamläufer 2 II N 11,04kW 30min/h 2x = ,52kWh/h Differenz 15,42kWh/h Energieeinsparung mit Langsamläufer ca. 73% Bei 8000 Betriebsstunden bedeutet dies ca pro Jahr Peer Springer, H231 KSB AG Frankenthal, Kay Rostalski T1532 KSB AG Halle 9

10 3. Optimale Reaktionsbedingungen Wie erreicht KSB optimale Substratausnutzung? Vermeidung von Schwimmschlammschichten Substratverteilung / Temperaturverteilung Optimale Positionierung Rührwerke im Dauerbetrieb Peer Springer, H231 KSB AG Frankenthal, Kay Rostalski T1532 KSB AG Halle 10

11 3. Optimale Reaktionsbedingungen Vermeidung von Schwimmschlammschichten Induktion eines Flotationseffektes durch Anhaften von Gasbläschen an Strukturmaterial im Gärmedium Auftrieb durch geringeres spezifisches Gewicht Ausgasen der Reaktionsprodukte wird verhindert Dadurch verschiebt sich das chemische Gleichgewicht in Richtung der Reaktionsprodukte Die Folge ist die Hemmung der Produktion von Methan Prozess kann stark beeinträchtigt werden Verhinderung der Entstehung durch optimale Positionierung und Rührwerkswahl Peer Springer, H231 KSB AG Frankenthal, Kay Rostalski T1532 KSB AG Halle 11

12 3. Optimale Reaktionsbedingungen Stochastisch homogene Substratverteilung Ist die Grundvoraussetzung für den optimalen Prozess Grund: Ist das der Transport der Reaktanten zum aktiven Zentrum gesichert sein muss Punktförmige Aufgabe durch Fütterungssysteme meist kurz unterhalb des Füllstandes Unwirksame Rührtechnik führt zu unterschiedlichen Raumbelastungen an verschiedenen diskreten Punkten Dies entscheidet mit über die notwendige Aufenthaltszeit und damit über den gesamten Prozess Peer Springer, H231 KSB AG Frankenthal, Kay Rostalski T1532 KSB AG Halle 12

13 3. Optimale Reaktionsbedingungen Stochastisch homogene Substratverteilung Praxiserfahrung Kavernenbildung Gärsubstrate und Schlämme haben strukturviskoses Fließverhalten Das heißt mit steigender Scherrate verringert sich die Viskosität des Mediums Viskosität ist also kein Wert sondern eine Funktion der Scherrate Propeller tragen zum Teil hohe Scherraten in das Medium ein Scherverdünnung im Bereich des Propellers mit dem Abstand vom Propeller wird die Scherrate geringer und damit steigt die Viskosität an Propeller fördert dann primär nur das vorverdünnte Substrat Ausbildung einer Kaverne => das Rührwerk läuft im eigenen Saft Peer Springer, H231 KSB AG Frankenthal, Kay Rostalski T1532 KSB AG Halle 13

14 3. Optimale Reaktionsbedingungen Stochastisch homogene Substratverteilung Praxiserfahrung Kavernenbildung Peer Springer, H231 KSB AG Frankenthal, Kay Rostalski T1532 KSB AG Halle 14

15 3. Optimale Reaktionsbedingungen Stochastisch homogene Substratverteilung Förderverhalten verändert sich mit Veränderung des Fließverhalten Förderverhalten in Wasser Förderverhalten in Biogassubstrat Ostwald de Waele k=60 m=0,1 Peer Springer, H231 KSB AG Frankenthal, Kay Rostalski T1532 KSB AG Halle 15

16 3. Optimale Reaktionsbedingungen Stochastisch homogene Substratverteilung Praxiserfahrung Kavernenbildung Jeder Propeller erzeugt eine bestimmte Scherrate d.h. im ausgeprägt strukturviskosen Medien werden sich Kavernen bilden Substrat kann, abgesehen von passiven Stoffstransportvorgängen, also nur innerhalb einer Kaverne verteilt werden Deshalb muss die Kaverne möglichst groß sein bzw. im Idealfall dem Beckenvolumen entsprechen Begrenzung v=0,1m/s Begrenzung v=0,1m/s Quelle: Hr. Springer, KSB Frankenthal Peer Springer, H231 KSB AG Frankenthal, Kay Rostalski T1532 KSB AG Halle 16

17 3. Optimale Reaktionsbedingungen Optimale Positionierung arbeiten Rührwerke lokal in einer Kaverne, wird Substrat nur durch passiven Transport im Fermenter verteilt nicht optimale Bedingungen, da Raumbelastung lokal zu hoch bzw. schlechte Temperaturverteilung 1. Ziel der Positionierung ist die Korrespondenz der Rührwerke wird realisiert durch die ideale Positionierung zueinander 2. Ziel der Positionierung schnelles Erfassen der Substrate vom Fütterungssysteme und Weitertransport in den gesamten Fermenter daher Positionierung in unterschiedlichen Höhen oft zwingend notwendig, dadurch wird Substrat von der Oberfläche in Richtung Fermenterboden transportiert Peer Springer, H231 KSB AG Frankenthal, Kay Rostalski T1532 KSB AG Halle 17

18 3. Optimale Reaktionsbedingungen Optimale Positionierung Innerhalb des Beckens auf unterschiedlichen Höhen Peer Springer, H231 KSB AG Frankenthal, Kay Rostalski T1532 KSB AG Halle 18

19 3. Optimale Reaktionsbedingungen Optimale Positionierung Innerhalb des Beckens auf unterschiedlichen Höhen Quelle: Hr. Springer, KSB Frankenthal Peer Springer, H231 KSB AG Frankenthal, Kay Rostalski T1532 KSB AG Halle 19

20 3. Optimale Reaktionsbedingungen Rührwerke im Dauerbetrieb Praxiserfahrung diskontinuierliches Rühren verminderter Gasertrag durch Anstieg des Partialdruckes in Richtung Sättigung Schädigung nachgeschalteter Anlagenteile deutlich gesteigerte Schadwirkung auf das BHKW durch H2S-Spitzenbelastung Entstehung von Entmischungen hervorgerufen durch Gasproduktion Optimierungsproblem Peer Springer, H231 KSB AG Frankenthal, Kay Rostalski T1532 KSB AG Halle 20

21 4. BGA Höfer Versuchsanlage BGA Höfer Nawaroanlage 530 kw, zweistufig Fermenter: 1800 m³ mit 1 Paddelrührwerk, 1 Tauchmotorrührwerk Nachgärer: baugleich Substratendlager: 2100 m³, 1 Tauchmotorrührwerk, unbeheizt, geschlossen Peer Springer, H231 KSB AG Frankenthal, Kay Rostalski T1532 KSB AG Halle 21

22 4. BGA Höfer Ausgangslage Stromverbrauch der Rührtechnik im Fermenter Durchschnittlicher Leistungsbedarf des Paddelrührwerks P = 8,43 kw (15 kw), Laufzeit pro Tag, t = 11,87 h/d 100,06 kwh/d Durchschnittlicher Leistungsbedarf des Schnellläufer: P = 15,56 kw (13 kw), Laufzeit pro Tag, t = 12,00 h/d 186,72 kwh/d Eigenenergieverbrauch der Fermenter Rührtechnik: 286,78 kwh/d Substrateinsatz 25 t Maissilage + 4 t Roggen GPS + 1 t Hähnchenmist 30 t/d Peer Springer, H231 KSB AG Frankenthal, Kay Rostalski T1532 KSB AG Halle 22

23 4. BGA Höfer Ergebnisse nach der Umrüstung auf Amaprop Stromverbrauch der Rührtechnik im Fermenter Durchschnittlicher Leistungsbedarf des Paddelrührwerks: P = 8,43 kw (15 kw), Laufzeit pro Tag, t = 4,8 h/d 40,46 kwh/d Durchschnittlicher Leistungsbedarf der beiden Amaprop: P = 5,52 kw (6,5 kw), Laufzeit pro Tag, t = 24,00 h/d 132,48 kwh/d Eigenenergieverbrauch der Fermenter Rührtechnik: 172,94 kwh/d Substrateinsatz 21 t Maissilage + 3 t Roggen GPS + 1 t Hähnchenmist 25 t/d Eigenenergieersparnis: 113 kwh/d Substrateinsparung: 4 t/d Maissilage + 1 t/d Roggen GPS Peer Springer, H231 KSB AG Frankenthal, Kay Rostalski T1532 KSB AG Halle *Annahme: 0,20 cent/kwh 23 *Berechnung mit KTBL

24 4. BGA Höfer Ergebnisse der Gärversuche Messung des Biogasertragspotenzials nach VDI Messung der Gasausbeute vom separierten Gärrest vom November 2007 organischer Anteil im Gärrest: 19,96 % Die Ausgasung über 21 Tage hatte einen Gasertrag von 302 l n /kg ots. 2. Messung der Gasausbeute vom separierten Gärrest vom Juli 2008 organischer Anteil im Gärrest: 17,49 % Die Ausgasung über 21 Tage hatte einen Gasertrag von 263,3 l n /kg ots. 12 % bessere Ausfaulung Peer Springer, H231 KSB AG Frankenthal, Kay Rostalski T1532 KSB AG Halle 24

25 5. Zusammenfassung Die Wirtschaftlichkeit einer Biogasanlage ist signifikant abhängig vom Eigenenergieverbrauch und der Substratausnutzung Beurteilung der Effizienz eines Rührwerkes durch Schub / Leistung Verhältnis Langsamlaufende Rührwerke sind deutlich wirtschaftlicher als schnelllaufende Korrespondierende Rührwerke vergrößern das nutzbare Fermentervolumen und können den Ausfaulgrad signifikant erhöhen Mit einem effizienten Rührsystem lassen sich Energie und Substrat einsparen Peer Springer, H231 KSB AG Frankenthal, Kay Rostalski T1532 KSB AG Halle 25

26 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Peer Springer, H231 KSB AG Frankenthal, Kay Rostalski T1532 KSB AG Halle 26

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