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2 BAUHERREN MAPPE BIOGAS Impressum Herausgeber: LandesEnergieVerein Steiermark Burggasse 9/II A-8010 Graz Tel: 0316/ Fax: 0316/ Für den Inhalt verantwortlich: Gerhard Ulz

3 INHALTSVERZEICHNIS / 1 1. Vorwort Zukunft Biogas 2. Anwendungsbereich 2.1. Einleitung 3. Definitionen 4. Technik und Betriebsorganisation von Biogasanlagen 4.1. Was ist Biogas? 4.2. Baueinheiten einer Biogasanlage 4.3. Die gebräuchlichsten Anlagensysteme Rührkesselfermenter Speicherdurchflusssystem auf Basis gasdichtes Güllelager Speicherdurchflusssystem mit Nachgärbehälter Pfropfenströmfermenter Zwei-Kammersystem Vereinfachter Systemvergleich 4.4. Nutzungsmöglichkeiten von Biogas Gasverbrennung Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) Brennstoffzelle Mikrogasturbine Weitere Nutzungsmöglichkeiten Einspeisung Erdgasnetz Treibstoffnutzung CO 2 -Erzeugung 4.5. Gefahren bei Biogasanlagen 4.6. Biogaspotentiale Biogaspotential in Österreich Energiepotential in der Steiermark 4.7. Vor- und Nachteile von Biogas Zehn gute Gründe für den Bau einer Biogasanlage Nachteile von Biogasanlagen 4.8. Wirtschaftlichkeit von Biogasanlagen 4.9. Motive für die Errichtung von Biogasanlagen Inhalt 1

4 INHALTSVERZEICHNIS / 2 5. Förderungen für Biogasanlagen 6. Ablaufplan wie komme ich in der Steiermark zu einer Biogasanlage? 7. Genehmigung von Biogasanlagen technische Voraussetzungen 7.1. Maschinentechnische Anforderungen an Biogasanlagen 7.2. Aufstellungserfordernisse für Gasverbrauchseinrichtungen und Gasverdichter 7.3. Bautechnische Anforderungen 7.4. Baulicher und organisatorischer Brandschutz 7.5. Elektrotechnische Anforderungen 7.6. Explosionsschutztechnische Anforderungen 7.7. Emissionen 7.8. Hygiene 7.9. Rückstände 8. Genehmigungsverfahren 8.1. Raumordnungsverfahren 8.2. Baurecht Bauverfahren 8.3. Genehmigung nach dem Gasrecht 8.4. Abfallrecht abfallrechtliche Bewilligung 8.5. Elektrizitätsrecht Bewilligung nach Energierecht 8.6. Gewerberechtliche Bewilligung 8.7. Genehmigung nach dem Wasserrechtsgesetz Umweltverträglichkeitsprüfungsgesetz 8.9. Erforderliche Einreich-/Genehmigungsunterlagen zur Errichtung einer Landwirtschaftlichen Biogasanlage Erforderliche Einreich-/Genehmigungsunterlagen zur Errichtung einer Kofermentations-Biogasanlage Anforderungen nach der EU-Hygieneverordnung 9. Überwachung von Biogasanlagen 9.1. Periodische Überprüfungen (Maschinentechnik, E-Technik, Gastechnik, Blitzschutz) 9.2. Verantwortliche Person Inhalt 2

5 10. Anhang INHALTSVERZEICHNIS / Landkarte steirischer Biogasanlagen Dokumentation steirischer Biogasanlagen BG Auersbach BG Durlacher BG Pelzmann BG Kohlroser BG Fiedler BG Gschwaitl BG Steirerobst Gleisdorf BG NEGH Biostrom KEG Förderungsmöglichkeiten für Biogasanlagen Land Steiermark Netzwerk Ökoenergie Steiermark NOEST SFG Umweltförderung Zukunftsfonds Technofit WIN BMLFUW Kommunalkredit Austria Stromproduzierende Anlagen Wärmeverteilung Energetische Optimierung von Abwasserreinigungsanlagen Forschung Energiegewinnung aus Abfällen biogenen Ursprungs Investitionsförderung für rein landwirtschaftliche Biogasanlagen BMVIT Energiesysteme der Zukunft BMWA Forschungs- und Technologieförderung in Österreich Rahmenprogramm Energie der Europäischen Union Ökostromtarife Gegenüberstellung einzelner Gesellschaftsformen BGBl. 149, Ökostromgesetz und ELWOG vom 22. August Preisfestsetzungsverordnung zum BGBl. II Nr. 508/ BMWA-Erlass Anerkennung BG-Anlagen gem. 7 Ökostromges Formblatt Antrag auf Anerkennung als Ökostromanlage BG-Anlagen die wichtigsten Gesetze und Verordnungen Biogasansprechadressen in der Steiermark Inhalt 3

6 1. VORWORT ZUKUNFT BIOGAS Als Forschungs- und Energiereferent der Steiermärkischen Landesregierung habe ich großes Interesse für das Thema Zukunft Biogas. Meine Vision ist es, ausgehend von einer modularen, serienreifen Biogasanlage den Einsatz dieser neuen Technologie in nahezu jeder Kommune möglich zu machen, um damit neben der energetischen Versorgung auch ein Umweltentsorgungs-Problem umfassend in den Griff zu bekommen. Darüber hinaus erachte ich den Mitteleinsatz in Forschungsprojekte der neuen Biogastechnologien als sehr wichtig, da Biogas und die damit in Zusammenhang stehenden Technologien von mir als Hoffnungsträger für den steirischen Wirtschaftsstandort insbesondere den Anlagenbau und Ökotechnikbetriebe gesehen werden. Dies entsprechend meinem Credo, dass die Investitionen in Innovation heute die Arbeitsplätze von morgen sichern. Gibt es doch über die Steiermark hinaus im gesamten EU-Erweiterungsraum diesbezüglich von mir als Zukunftsregion gesehen große Absatzpotentiale für diese Technologien. Ein Beitrag zu den Kyoto-Zielen. Rohstoffe aus landwirtschaftlichen Brachflächen, Rohstoffe aus der Entsorgung können als Biogas fossile Energieträger ersetzen und damit helfen, die Ziele, die wir uns im Kyotoprotokoll gesetzt haben nämlich, den CO 2 -Ausstoss zu minimieren auch zu erreichen. Ein Energieträger mit Qualität. Wenn alle Voraussetzungen stimmen: Planungsqualität, Ausführungsqualität, ein geeignetes auch politisches Umfeld, wenn somit günstige Rahmenbedingungen herrschen, kann Biogas zu einer neuen Qualität der energieversorgung führen. Ein Netzwerk für die Zukunft. Um alle diese Ziele zu erreichen, habe ich mich bemüht, mit der Errichtung des Netzwerks Ökoenergie NOEST als one-stop-shop für innovative Projekte und Forschung, welches mit Rat und Tat sowie auch entsprechenden Förderungen hilft, von der Seite der Politik die entsprechenden Weichen zu stellen und mit Vorlage dieses Handbuchs einen weiteren Meilenstein zu setzen. Die Steiermark hat mit der Entwicklung der Biomasse-Fernwärme schon einmal eine Chance bestens genutzt Biogas ist die nächste. Nutzen wir sie gemeinsam! Glück auf LH-Stellv. DI Leopold Schöggl 1.

7 2. DIESE MAPPE Alle neuen Technologien, und als solche betrachte ich derzeit auch noch die Biogasproduktion, sehen sich einer großen Anzahl an ungeklärten Fragen ausgesetzt: Das beginnt mit den Unsicherheiten bezüglich möglicher Erträge in der Abhängigkeit von den eingesetzten Substraten und geht über die notwendigen Verfahrensschritte bis hin zu den rechtlichen Voraussetzungen und Notwendigkeiten des Betriebes. Die vorliegende Bauherrenmappe Biogas, welche so konzipiert ist, dass rasch auf Änderungen und neue Erkenntnisse reagiert werden kann, soll solche Unsicherheiten verkleinern helfen und Ihnen einen Handlungsleitfaden geben, wie an ein solches Projekt herangegangen werden sollte. Im übrigen wendet sich die Unterlage nicht nur an die potentiellen Betreiber, sondern auch an die mit der Planung und der Errichtung beauftragten Unternehmen. Die Bauherrenmappe Biogas entspricht dem derzeit in der Steiermark vorhandenen Wissensstand und der geltenden Gesetzeslage; sie wurde daher insbesondere im Genehmigungsbereich mit den steirischen Behörden erarbeitet. In Zukunft werden Prospekte, Tagungsunterlagen und die neuesten Forschungsergebnisse diese Unterlage ergänzen und Ihnen helfen, stets auf dem neuesten Wissensstand zu bleiben. Seinem Auftrag gemäß gab der LandesEnergieVerein schon immer Hilfestellungen zur Einführung erneuerbarer Energien: Die Fernwärme aus Biomasse etwa ist eine steirische Erfolgsstory, und Solarkollektoren werden immer häufiger zur Brauchwassererwärmung und auch für die teilsolare Raumheizung in Betrieb genommen. Nun wollen wir Ihnen helfen, auch die Chance Biogas wahrzunehmen. Gerhard Ulz, Geschäftsführer des LEV Steiermark 2.

8 3. DEFINITIONEN Substrat Die Rohstoffe und Materialien, welche für den Biogasprozess in einer Biogasanlage vorgesehen sind, nennt man Substrat, unabhängig von den Eigenschaften und der Herkunft des Materials. Wasserreiche, biogene Materialien sind besonders gut geeignet, holzige Materialien eignen sich nicht. Kofermentation Mit Erlass des Bundesministers für Wirtschaft und Arbeit betreffend die Anerkennung von Biogasanlagen gemäß 7 Ökostromgesetz vom werden taxativ jene Stoffe aufgezählt, mit denen eine Anlage ohne Kofermentation betrieben werden kann (siehe Anhang 10.7.). Alle sonstigen Stoffe fallen in den Bereich der Kofermentation. Biogas Biogas stellt einen Energieträger mit chemischer Bindungsenergie dar, dessen Hauptkomponente Methan ist. Es entsteht durch den anaeroben (anaerob = unter Sauerstoffausschluss) mikrobiellen Abbau organischer Substanz. Klärgas und Deponiegas gelten als Biogas im Sinne dieser Grundlage. Biogasanlage Eine Anlage zur Gewinnung, Aufbereitung, Lagerung und/oder Nutzung von Biogas. Substratlager Darunter versteht man alle Lagerbehälter zur Lagerung sämtlicher Substrate, bevor diese dem Biogasfermenter zugeführt werden. Mischbehälter Er dient zur Mischung und Homogenisierung der in den Fermenter einzuspeisenden Substrate. Größe und Ausstattung (Mixer, Zerkleinerungseinrichtungen, Pumpen) richten sich nach den eingesetzten Substraten. Fermenter Dieser kann stehend oder liegend ausgeführt werden. Die Größe und Art der Ausführung ist von der Art und Menge der einzuspeisenden Substrate und der gewünschten Aufenthaltsdauer abhängig. Der Fermenter ist beheizt, gasdicht verschlossen und mit einer Durchmischungseinrichtung und einer Möglichkeit zur Entnahme des Biogases versehen. Nachfermenter Dieser kann wie der Hauptfermenter stehend oder liegend ausgeführt werden und ist in Flussrichtung des Substrates betrachtet nach dem Fermenter installiert. Der Nachfermenter dient zum vollständigen Abbau der organischen Substanz im Substrat und somit zur Produktion des noch im Substrat enthaltenen Restbiogases. Die Größe ist von der Menge der einzuspeisenden Substrate und der gewünschten Aufenthaltsdauer abhängig. Der Nachfermenter ist meist ebenfalls wie der Hauptfermenter beheizt, gasdicht verschlossen und mit einer Durchmischungseinrichtung und einer Möglichkeit zur Entnahme des Biogases versehen. 3.

9 3. DEFINITIONEN Endlager Es dient zur Lagerung des Fermentationsrückstandes bis zur Ausbringung. Das Endlager kann gasdicht verschlossen als Nachfermenter dienen, um das noch entstehende Biogas mit zu erfassen. Biogasspeicher Er dient zur Zwischenspeicherung des entstehenden Biogases bis zur weiteren Nutzung. Der Biogasspeicher kann in den Fermenter oder Nachfermenter integriert oder separat errichtet werden. Bei der Gasspeicherung über dem Nachfermenter wird dieser mit einer Folie abgedeckt, unter der sich das Gas sammeln kann. Sonst wird außerhalb des Fermenters ein Gassammelsack installiert. Membrangasbehälter Behälter, der ganz oder teilweise durch eine Kunststoffmembrane abgeschlossen ist und zum Speichern von Biogas dient. Doppelmembrangasbehälter Behälter, der ganz oder teilweise durch eine Kunststoffdoppelmembrane abgeschlossen ist und zum Speichern von Biogas dient. Die Kunststoffdoppelmembrane besteht aus einer inneren Membrane, welche in ihrer Lage flexibel ist und dadurch das Gasspeichervolumen variiert und abgrenzt. Die Außenmembrane schützt den Speicher gegen äußere Einflüsse. Blockheizkraftwerk Im Blockheizkraftwerk wird das entschwefelte und getrocknete Biogas verwertet. Die im Biogas enthaltene Energie wird zu ca. 1/3 in elektrische und zu ca. 2/3 in thermische Energie umgewandelt. Die elektrische Energie kann ins öffentliche Elektrizitätsnetz eingespeist werden, die Wärme in dem Betrieb oder in der näheren Umgebung eingesetzt werden. Fermentationsrückstand Darunter versteht man das im Endlager nach der anaeroben Fermentation in einer Biogasanlage anfallende Gemisch verschiedenster Substrate. Dieser Fermentationsrückstand ist qualitativ hochwertige Eingangssubstrate vorausgesetzt für die Landwirtschaft ein wertvoller Dünger, welcher vor allem Stickstoff enthält. 3.

10 4. BETRIEBSORGANISATION UND TECHNIK VON BIOGASANLAGEN 4.1. Was ist Biogas? Biogas entsteht bei der Fermentation von organischen Stoffen wie Gülle, Mist, Jauche, Pflanzen, Speiseresten, etc. in der Natur etwa überall dort, wo Sauerstoff keinen Zutritt hat: In Sümpfen und Mooren oder im Verdauungstrakt der Wiederkäuer. In Fermentern oder Faultürmen wird durch anaerobe Fermentation (anaerob = ohne Sauerstoff) Biogas erzeugt. Wird organisches Material unter Luftausschluss ( anaerob ) gelagert, beginnt unter Mitarbeit methanbildender Bakterien (Kokken, Stäbchen, Spirillen, Spirochäten, Mycoplasmen und Fadenbakterien) ein biologischer Prozess, bei dem ein Gas = Biogas entsteht. Das sich bildende Biogas besteht im wesentlichen aus: Stoff Methan Kohlendioxid Wasserdampf Stickstoff Sauerstoff Wasserstoff Schwefelwasserstoff Ammoniak Chemische Bezeichnung CH 4 CO 2 H 2 O N 2 O 2 H 2 H 2 S NH 3 Anteil in Prozent < 5 < 2 < 1 < 2 < 1 Der Heizwert pro m 3 Biogas entspricht je nach Methangehalt rund 6,4 Kilowattstunden (kwh). Daraus lassen sich je nach Wirkungsgrad des Blockheizkraftwerkes bis zu 2 kwh Strom und 2 kwh Wärme (nach Abzug der Prozesswärme) erzeugen. Foto: Schmack Biogas AG 4.1.

11 4. TECHNIK UND B.O. VON BIOGASANLAGEN 4.2. Baueinheiten einer Biogasanlage Grundsätzlicher Aufbau: Jede Biogasanlage besteht aus einer Reihe von Baugruppen und Einzelbaueinheiten rund um den Fermenter. Biogas Energie Biogasspeicher Haupt-Fermenter Nachfermenter Energiezentrale (BHKW) Mischbehälter Endlager Substratlager Fermentationsrückstand Anaerobe Fermentation 4.2.

12 4. TECHNIK UND B.O. VON BIOGASANLAGEN 4.3. Die gebräuchlichsten Anlagensysteme Herzstück jeder Biogasanlage ist der Fermenter. Die Bauart des Fermenters gibt der Biogasanlage ihren Namen. Der Vollständigkeit halber sei hier auf das breite Spektrum der Fermentertypen und Gärsysteme hingewiesen. Nicht alle vorhandenen Fermentertypen haben sich im Dauerbetrieb bewährt, sie sind deshalb auch nicht in der Praxis relevant. Man könnte Biogasanlagen auch nach den Betreiberformen (Beteiligungsverhältnisse) in Einzelanlagen, Gemeinschaftsanlagen oder kommunale / industrielle Großanlagen unterteilen. Ein weiteres Unterscheidungsmerkmal von Biogasanlagen ist die Herkunft oder die Art der eingesetzten Substrate. Prinzipiell könnte man sie in landwirtschaftliche Biogasanlagen oder Kofermentationsanlagen unterteilen. Die markantesten Unterscheidungsmerkmale ergeben sich bei den technischen Systemen, weshalb hier die Unterteilung nach der Anlagentechnik gewählt wird. Grundsätzlich kann man Biogasanlagen durch den Trockensubstanzgehalt der eingesetzten Biomasse unterscheiden. Man unterscheidet primär zwischen einer Nassfermentation (Trockensubstanzgehalt < 15%) und Trockenfermentation (Trockensubstanzgehalt %). Rohstoffe Trockenfermentation Nassfermentation ANACON Rührkesselfermenter Garagensystem Pfropfenströmfermenter Schlauchsystem Zwei-Kammersystem diverse sonstige Bei der Nassfermentation werden oft auch die Begriffe kontinuierliche und diskontinuierliche Verfahren verwendet. Die Nassfermentation ist in Europa das gebräuchlichste Verfahren der Biogasanlagen basierend auf der Fermentation von pumpfähigen Ausgangssubstraten (Trockensubstanzgehalt < 15 %). Diese Typen werden wiederum nach der Bauart wie folgt unterschieden: 4.3.

13 4. TECHNIK UND B.O. VON BIOGASANLAGEN Rührkesselfermenter Diese Typen erhalten ihren Namen durch das notwendige Vorhandensein von Rührwerken im Fermenterraum, um eine ständige Durchmischung der Substrate gewährleisten zu können. Im Bereich der Biogastechnik für die Landwirtschaft werden stehende zylindrische Bauformen gewählt und eingesetzt. Viereckige und mehreckige Bauformen haben sich nicht bewährt. Sonderbauformen, wie z. B. die Eiform oder den Zylinder mit kegeligem Abschluss unten wie oben, findet man eher bei Kläranlagen, wo sie als Faultürme eingesetzt werden. Heute ist man in der Lage, Fermentervolumina von bis zu m 3 (und in Sonderfällen noch mehr) zu bauen und sicher zu betreiben. Die Fermenter werden meist im mesophilen (35 C - 38 C) oder thermophilen (55 C - 60 C) Bereich betrieben. Das setzt natürlich ein funktionstüchtiges Heizungssystem im Fermenter voraus. Auch durch die mehrmalige Durchmischung des Substrates im Fermenter wird man den Milieuansprüchen der einzelnen Bakteriengruppen (Hydrolyse bzw. Methanogenese) nicht wirklich gerecht. Diese suboptimalen Bedingungen werden in der Praxis aber durch relativ lange Verweilzeiten wieder wettgemacht. Durch die längeren Verweilzeiten kommt es zu einem gewissen Verdünnungseffekt des Substrates im Fermenter. Außerdem ist man in der Praxis der Ansicht, dass die einzelnen Stoffgruppen des zugeführten Substrats immer unterschiedlich lange Abbauzeiten aufweisen, wodurch eine genaue Trennung zwischen Hydrolyse und Methanbildung ohnehin nicht vorgenommen werden kann. Im Bereich der Rührkesselfermenter-Systeme werden in der Praxis unterschiedliche Typen eingesetzt Speicherdurchflusssystem auf Basis gasdichtes Güllelager Bei der Speicher-Biogasanlage wird ein Standard-Betongüllelager errichtet aus Beton in Schalungsbauweise zur Biogasanlage ausgebaut. Lagerung und Fermentation erfolgen in einem Behälter. Speicherdurchflusssystem mit Endlager und Gasspeicher Quelle: LEA-Oststeiermark Die Beschickung erfolgt kontinuierlich. Der Vorteil liegt in den relativ kleinen, kompakten Anlagengrößen. Neuerdings integriert man in diesem System auch noch den Biogasspeicher

14 4. TECHNIK UND B.O. VON BIOGASANLAGEN Speicherdurchflusssystem mit Nachfermenter Dieser Typ ist in der Praxis sehr beliebt und am weitesten verbreitet. Fermenter und Nachfermenter bilden eine Einheit und können als geschlossenes System bezeichnet werden. Stall Vorgrube Anlieferung und Aufbereitung Ausbringung Speicherdurchflusssystem mit Nachfermenter Pump- Station Fermenter Nachfermenter (Quelle: Arge Biogas / BOKU) Energieverwertung Blockheizkraftwerk Biogaslager Bei diesem System wird der Fermenter (gleich wie beim gasdichten Güllelager) im Regelfall aus Beton in Schalungsbauweise errichtet. Neuerdings werden aber immer öfter auch Stahlbehälter als Fermenter eingesetzt. Auch der Nachfermenter wird fast immer aus Beton errichtet, kann aber auch in Stahlbauweise ausgeführt werden. Speicherdurchflusssystem mit Nachfermenter (Quelle: Schmack Biogas AG)

15 4. TECHNIK UND B.O. VON BIOGASANLAGEN Pfropfenströmfermenter In der Praxis besser bekannt als Rohrfermenter. Obwohl diese Anlage auch über ein spezielles Rührwerk verfügt, wird durch dieses nicht eine gleichförmige Durchmischung erreicht, sondern das Durchströmen des Substrats in Pfropfenform erzwungen. Herzstück des Rohrfermenters ist das axial angeordnete Haspelrührwerk. Diese Rührwerkanordnung gibt auch die Substratfließrichtung vor. In der Praxis herrschen unterschiedliche Meinungen über die optimale Drehzahl des Rührwerks. Es kann jedoch von einer Durchschnittsgeschwindigkeit von einer Umdrehung bis vier Umdrehungen in der Minute ausgegangen werden. Die Arme des Haspelrührwerks sollen so angeordnet sein, dass sie mindestens 95 % des Gärraums bestreichen. Die Armstellung des Rührwerks kann von Fall zu Fall verschieden sein. Der Rühreffekt des Haspelrührwerks ist von besonderer Wichtigkeit, damit die Mixer Güllezufluss Gülle Pumpe Gülle, frisch Einlauf Heizwasser Vorlauf Gasentnahme Wärmetauscher Gülle vergoren Auslauf Rührpaddel Heizwasser Rücklauf Rohrfermenter Durchflussanlage mit liegendem Stahltank (Pfropfenstromfermenter) und Güllevorgrube (auch für Festmist geeignet). Quelle: Biogasbroschüre LEA-Oststeiermark Erzeugung kleinräumiger Strömungsturbulenzen gewährleistet ist. Durch genau festgelegte Einschaltintervalle (viertel- oder halbstündig sind die Regel) werden diese Strömungsturbulenzen verstärkt. Dadurch können sowohl die Schwimmschichten als auch Sinkschichten effizient verhindert werden. Die Heizung ist beim Pfropfenströmfermenter entweder im Rührwerk mit eingebaut, oder, wenn der Fermenter als Doppelmantel ausgeführt ist, in diesem integriert. Beide Varianten haben Vor- und Nachteile, die von Fall zu Fall abzuwägen sind. Dieser kontinuierlich betriebene Fermenter zeichnet sich durch eine sehr große Einsatzvariabilität aus. Gewöhnlich wird in der Praxis die liegende, manchmal auch leicht geneigte, röhrenförmige Bauform in Stahl- oder in Betonausführung gewählt. In der Stahlbauweise werden vor allem aus wirtschaftlichen Gründen fast immer Fermentergrößen zwischen 50 m 3 und 150 m 3 installiert. Aus Beton gefertigte Fermenter können jedoch viel größer gebaut werden. Im Gegensatz zu den Rührkesselfermentern verringert sich beim Pfropfenströmfermenter mit zunehmendem Substratfeststoffgehalt die Durchmischung des gesamten Fermenterinhaltes. Angestrebt wird daher ein pfropfenförmiges Durchwandern des Gärsubstrates, das eine Längsdurchmischung nicht zulässt. Der Vorschub, das heißt die Menge und Geschwindigkeit der Durchwanderung des Fermenters wird durch die Rohrfermenter (Quelle: Schmack Biogas AG) Beschickungspumpe bestimmt. Die relative Geschwindigkeit der Entmischung steigt mit abnehmendem Feststoffgehalt. Das lässt folgende Schlussfolgerung zu: Für die Behandlung dünnflüssiger Substrate und organisch belasteter Abwässer eignet sich der Pfropfenströmfermenter äußerst schlecht

16 4. TECHNIK UND B.O. VON BIOGASANLAGEN Zwei-Kammersystem Das Zweikammersystem ist eine österreichische Erfindung und besticht durch die pneumatische Rührtechnik, die mit Gasdruck erfolgt. Ein mechanisches Rührwerk ist nicht mehr notwendig. Die Größe des Fermenters ist variabel und richtet sich nach der Substratmenge, die verarbeitet wird. Gasdom mit autom. Mischklappe maximaler Schlammspiegel Zwischendecke minimaler Schlammspiegel Frischsubstrat Hauptgärkammer Ablaufschacht Nachgärkammer Ablaufleitung Mischschacht Beschickungsleitung Zentralrohr Zwei- kammer- System (Quelle: ENTEC) Mischflügel Grundschlammabzug Der Fermenter ist in getrennte Funktionsräume unterteilt. Die tiefer liegende Hauptgärkammer ist mit dem darüber liegenden Nachgärraum durch kommunizierende Schächte verbunden. In Deckennähe sind diese Funktionsräume mit einer Gasleitung verbunden. Aus der Nachgärkammer wird das produzierte Gas über eine weitere Leitung dem Gaslager und anschließend der Verwertung zugeführt. Durch die Verriegelung des Gasabganges aus der Hauptgärkammer verdichtet sich das freiwerdende Gas und drückt dabei den Spiegel des Substrats nach unten. Das dadurch verdrängte Substrat wird in die darüberliegende Nachgärkammer gedrückt. Dort kann die aktive Biomasse sedimentieren und wird beim anschließenden Mischvorgang in die Hauptgärkammer zurückgespült. Dadurch kommt es zu einer Anreicherung der Biomasse im Fermenter, was eine höhere Abbauleistung bewirkt. Nach Erreichen der gewünschten Mischmenge wird der Gasüberdruck (durch automatisches Öffnen der Verbindungsleitung) in die Nachgärkammer abgelassen, und das nach oben geförderte Substrat kann kurzfristig in die Hauptgärkammer zurückfließen. Substratteile mit starkem Auftrieb werden dabei gegen die Zwischendecke gepresst, aufgerissen und neu eingemischt, wodurch eine immer wiederkehrende Durchfeuchtung erfolgt. Sandige Ablagerungen, wie zum Beispiel Muschelgrit bei der Hühnerhaltung, werden über den Grundschlammabzug entfernt

17 4. TECHNIK UND B.O. VON BIOGASANLAGEN Vereinfachter Systemvergleich Systemvergleiche sind immer schwierig, weil im Regelfall die Randbedingungen sehr unterschiedlich sind. Wo liegen die Stärken, wo liegen die Schwächen der gängigsten Systeme? Zweikammersystem (ZS) Pfropfströmfermenter (PF) Speicherdurchflusssystem mit Nachfermenter (TMR) Substrat monovalent: ZS PF TMR Rindergülle Schweinegülle Hühnergülle Festmist dünnflüssig dickflüssig dünnflüssig dickflüssig dünnflüssig dickflüssig Substrat- Mischungen: Panseninhalt Fette und Öle Flotatschlamm + 30% Fett Flotatschlamm + 10% Fett Gemüseabfälle (trocken) Gemüseabfälle (nass) Speiseabfälle (trocken) Speiseabfälle (nass) Energiepflanzensilage (+ 30% mit Rinder-, Schweine- und Hühnergülle (> 4% Trockensubstanz [TS] und < 10% TS) ZS Legende: Eignet sich sehr gut, gut, mäßig PF TMR

18 4. TECHNIK UND B.O. VON BIOGASANLAGEN 4.4. Nutzungsmöglichkeiten von Biogas Zur Nutzung von anaerob erzeugtem Biogas stehen eine Reihe technischer Lösungen zur Auswahl. Verwertung von Biogas Wärmeerzeugung Kraft-Wärme-Kopplung Methanaufbereitung Nebenprodukt Wärme Elektrischer Strom Treibstoff Einspeisung Erdgasnetz CO 2 -Nutzung Gasverbrennung (Wärmeerzeugung) Jahrzehntelang war die Wärmegewinnung aus Biogas nahezu der einzige technisch machbare Weg der Biogasverwertung. In letzter Zeit wurde diese Möglichkeit der Biogasverwertung sukzessive durch die Kraft-Wärme-Kopplung verdrängt. Die Nutzung von Biogas zur reinen Wärmeerzeugung über Gasverbrennung ist eine ökonomisch interessante Variante, da alle anderen Arten der Biogasverwertung sowohl in der Bereitstellung des technischen Equipments als auch bezüglich der laufenden Betriebskosten erheblich teurer sind. Es ist nicht sinnvoll, Biogas über lange Zeiträume zu speichern. Biogas eignet sich jedoch exzellent zur Abdeckung der anfallenden Tagesspitzen, und auch eine gewisse Grundlast kann abgedeckt werden. Eine weitere Möglichkeit zur Biogasnutzung besteht im Betrieb eines Biogasleitungssystems zu einzelnen Verbrauchern. Auf Grund technischer Probleme bei sehr kleinen Gasbrennern durch z. B. schwankende Biogaszusammensetzung wird diese Möglichkeit jedoch derzeit kaum realisiert. Wird Biogas einer Wärmenutzung zugeführt, benötigt man dafür spezielle Gasbrenner (Biogasbrenner ohne Gebläse, Biogasbrenner mit Gebläse). Der Einsatzbereich hängt primär von der erforderlichen Leistungsgröße ab, grundsätzlich werden sämtliche Gebläsetypen hauptsächlich in Kombination mit Erdgas angewandt. Prinzipiell können die Typen aber auch mit Biogas betrieben werden. Derzeit werden Gasbrenner in Biogasanlagen vorrangig als Sicherheitsaggregat eingesetzt, um einen eventuellen Stillstand des BHKWs (BHKW = Blockheizkraftwerk) zu kompensieren und so eine Wärmversorgung sicherzustellen

19 4. TECHNIK UND B.O. VON BIOGASANLAGEN Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) Stromerzeugung mit dem Nebenprodukt Wärme. Oft wird in diesem Zusammenhang auch der Begriff Blockheizkraftwerk (BHKW) verwendet. In dieser Energiezentrale wird das Biogas in einem Verbrennungsmotor in nutzbare Energieformen umgewandelt. Um eine moderne Biogasanlage wirtschaftlich betreiben zu können, ist eine gut funktionierende Wärmenutzung, idealerweise ganzjährig, von besonderer Wichtigkeit. Für die Verstromung des Biogases mit Abwärmenutzung kommen je nach Anlagengröße unterschiedliche Motorbauarten und Verbrennungsverfahren (Benzin-, Diesel- oder Zündstrahlmotor) zur Anwendung, welche sich im Wirkungsgrad, in der Lebensdauer und in den Investitionskosten deutlich unterscheiden. Generator Biogas Sehen Sie das Schema in der nebenstehenden Grafik: Zur Nutzung der Motorabwärme dient in der Regel das Kühlwasser wie auch das heiße Abgas. Der Verbrennungsmotor setzt einen angeschlossenen Generator in Bewegung, welcher für die Stromerzeugung sorgt. Für die Stromerzeugung werden vorwiegend Asynchrongeneratoren eingesetzt, die sich durch eine robuste Bauweise auszeichnen. Im Bereich der Kraft-Wärme-Kopplung kann zurzeit die größte Effizienz bei der Energieumwandlung von Biogas erzielt werden. Der Gesamtwirkungsgrad ( ges ) liegt bei circa 85-90% der eingesetzten Energie. Im Bild unten ist die derzeit gebräuchlichste Anwendungsart, ein spezieller Gasmotor, zu sehen. Der Einsatz verschiedener Technologien (Benzin-Otto-Motoren, spezielle Gasmotoren oder Zündstrahlmotoren) hängt von verschiedenen Einflussfaktoren ab. Im sehr kleinen Leistungsbereich (< 50 kw) werden primär umgerüstete Benzin-Otto-Motoren angewendet. In größeren Leistungsbereichen kommen teilweise Zündstrahlmotoren und spezielle Gasmotoren zur Anwendung. Im Leistungsbereich > 250 kw werden vorrangig spezielle Gasmotoren eingesetzt. Motor Kühlwasserkreis Abgas Verbraucher WWHeizung KWK schematisch Blockheizkraftwerk (BHKW) (Quelle: LEA Oststeiermark)

20 4. TECHNIK UND B.O. VON BIOGASANLAGEN Brennstoffzelle Brennstoffzellen produzieren aus den Elementen Wasserstoff und Sauerstoff elektrischen Strom und Wärme. Als Reaktionsprodukt der elektrochemischen Reaktion entsteht nur Wasserdampf. Allerdings muss der Wasserstoff erst bereitgestellt werden, gegenwärtig werden hierzu großteils fossile Brennstoffe (Erdgas und Methanol) oder alternativ anaerob erzeugtes Biogas eingesetzt. Es gibt mehrere Typen von Brennstoffzellen, die nach der Betriebstemperatur und der Art der Membran unterschieden werden. Die elektrische Leistung variiert von 1 kw el. bis 250 kw el. im stationären Bereich. Derzeit werden Brennstoffzellen hauptsächlich mit fossilem Erdgas betrieben, einige Forschungsaufträge beschäftigen sich auch mit der Verwendung von gereinigtem Biogas. Eingesetzt werden Brennstoffzellen in Bereichen, in denen ein hoher elektrischer / mechanischer Wirkungsgrad erwünscht ist (Stromerzeugung, Fahrzeugantrieb). Quelle: TU Graz / IWT Mikrogasturbine Bei Mikrogasturbinen handelt es sich um kleine, schnelllaufende Gasturbinen mit niedrigen Brennkammerdrücken und Temperaturen. Sie haben sich aus der Turboladertechnologie und aus den Hilfsantrieben in der Flugzeugindustrie entwickelt und werden vor allem als Kraft-Wärme- Kopplungs-Anlagen in der dezentralen Energieversorgung im Leistungsbereich unter 200 kw el verwendet. Mikrogasturbinen zeichnen sich durch sehr niedrige Emissionen, geringe Geräuschentwicklung und sehr niedrige Wartungskosten aus. Als Brennstoffe sind Erdgas, Biogas, Flüssiggas, Fackelgase und Heizöl möglich. Für den Einsatz von Biogas werden von der Firma Pro 2 Anlagentechnik GmbH eine Gasturbine mit 95 kw el und von der Firma Gas Energietechnologie GmbH eine Gasturbine mit 28 kw el angeboten. Quelle: TU Graz / IWT Gasturbine 1. Generator 2. Lufteintritt 3. Verdichter 4. Verbrennungsluft zum Rekuperator 5. Brennkammer 6. Turbine 7. Rekuperator 8. Abgas 9. Abgaswärmetauscher 10. Abgasaustritt 11. Heizwasseraustritt 12. Wassereintritt rechts im Schnitt, links schematisch

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