Optimierungspotenziale Der Landwirt als Energiewirt - Biogaserzeugung in der Hans Landwirtschaft. Optimierungspotenziale bei der Biogaserzeugung

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1 8. Mitteldeutscher Bioenergietag 22. November 2011 in Coldiz Optimierungspotenziale Der Landwirt als Energiewirt - bei der Biogaserzeugung Biogaserzeugung in der Hans Landwirtschaft Oechsner, Andreas Lemmer Landesanstalt für Agrartechnik und Bioenergie, Universität Hohenheim Ansatzpunkte zur Steigerung der Effizienz der Biogastechnologie Steigerung der Flächenerträge und Energieeffizienz der Biomasseproduktion Verlustarme Lagerung bis zur Nutzung Hoher Wirkungsgrad bei der fermentativen Umwandlung der Biomasse zu Biogas Bestmögliche Nutzung der erzeugten Gase BHKW Gasreinigung, Universität Hohenheim 1

2 Ansatzpunkte zur Effizienzsteigerung bei der fermentativen Produktion von Biogas: Substratqualität Aufbereitung der Biomasse Mechanisch Biologisch Prozessstabilisierung Prozessüberwachung Prozesshilfsstoffe Optimierung der Anlagentechnik Betriebsweise Prozessgestaltung 6 Inhaltstoffe und abbaubarer Anteil Mais - Restpflanze Lignin 4% Protein 7% Fett 2% Lignini 1% Mais - Kolben Protein 9% 4% Stärke + Lösliche Zucker 27% Zellulose 8% Zellulose 32% Hemizellulose 14% Stärke + Lösliche Zucker 64% Hemizellulose 28% 7, Universität Hohenheim 2

3 Biogas- / Methanertrag Tierische Exkremente und NaWaRo Spezifischer Methanertrag beispielhafter Substrate: Rindergülle: 200 Nl / kg ots Rinderfestmist: Grassilage extensiv: Schweinegülle: Maissilage: Kleegrassilage: Grassilage: Getreidekorn: 220 Nl / kg ots 250 NL /kg ots 250 Nl / kg ots 330 Nl / kg ots 340 Nl / kg ots 350 Nl / kg ots 380 Nl / kg ots Biologische Umsetzung von Energie 90% 80% 70% 80% 75% 68% Energieumsetzungsra ate [%] 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% 45% 40% 15% Umsetzrate GE zu Biogasenergie 9, Universität Hohenheim 3

4 Ansatzpunkte zur Effizienzsteigerung bei der fermentativen Produktion von Biogas: Substratqualität Aufbereitung der Biomasse Mechanisch Biologisch Prozessstabilisierung Prozessüberwachung Prozesshilfsstoffe Optimierung der Anlagentechnik Betriebsweise Prozessgestaltung 10 Substrataufbereitung Pflanzen oder Pflanzenteile mit hohem Faseranteil Lignozellulose erschwerter Abbau Kann Aufbereitung anaerobe Abbaubarkeit verbessern? Mikrofaserstruktur Schwarz et al., , Universität Hohenheim 4

5 Intensivaufbereitung verschiedene Substrate durch Querstromzerspanung + 24 % Hartmann, Enzyme im Biogasprozess Mikrofaserstruktur Enzyme sind biologische Katalysatoren Mithilfe von Enzymen sollen Polysaccharide (Gerüstsubstanzen) gespalten werden Lignozellulose soll für Mikroorganismen zugängliche gemacht werden Wirksamkeit von Enzymen in der Industrie für spezielle Anwendungen ist unumstritten Quelle: Genome programs of the US department of Energy Office of Science Lässt sich deren Wirkung auch im Biogasprozess belegen? 14, Universität Hohenheim 5

6 Bildung von Zuckern Mais-Restpflanze, Sorte Gavott, milchreif, gemörsert 35 ots) Reduzierende Zucker (% ohne Enzyme Celluclast 1,5 L Novozym 342 Reduzierende Zucker während der Hydrolyse mit Citratpuffer 0,1M bei ph-werte 5, Hydrolysezeit (Stunden) Brulé u. Vintiloiu, Methanausbeute im Batch Gärtest unter optimalen Bedingungen Prozentuale Erhöhung des spezifischen Methanertrages von Mais-Restpflanze ,0 Mehrertrag (%) ,0-0,2-1,2 1,0-0,4-1,7 1,0 0, Maisstroh ohne Enzyme Mais-Restpflanze mit Zusatz von Cellulasen und Xylanasen versch. Hersteller 0,1 g/kg ots Normal dosiert Maisstroh + MethaPlus 1/10000 Maisstroh + GoldFerm- Mais 1/10000 r Maisstroh + Genencor 1/10000 Maisstroh + Novozymes 1/10000 Mais-Restpflanze mit Zusatz von Cellulasen und Xylanasen versch. Hersteller 1 g/kg ots 10fach überdosiert Maisstroh + MethaPlus 1/1000 Maisstroh + GoldFerm- Mais 1/1000 r Maisstroh + Genencor 1/1000 Maisstroh + Novozymes 1/1000 Brulé, , Universität Hohenheim 6

7 Zwischenfazit - Substrataufbereitung soll die Abbaubarkeit der Stoffe erhöhen: Höhere Biogaserträge bei gleicher Einsatzmenge Mechanische Substrataufbereitung: Keine höhere Biogasausbeute sbe bei grüner Biomasse Bis zu 30 % Ertragssteigerung bei Pferdemist und Stroh Energiebedarf für Zerkleinerung? Reduzierter Energiebedarf für Rühren? Biologische Substrataufbereitung Enzyme Wirkung bei optimalen Prozessen gering Bei suboptimaler Aktivität der nativen Enzyme Schwimmschichten, Rühraufwand beeinflusst? Zweiphasige Vergärung? 17 Ansatzpunkte zur Effizienzsteigerung bei der fermentativen Produktion von Biogas: Substratqualität Aufbereitung der Biomasse Mechanisch Biologisch Prozessstabilisierung Prozessüberwachung Prozesshilfsstoffe Optimierung der Anlagentechnik Betriebsweise Prozessgestaltung 18, Universität Hohenheim 7

8 Schema der anaeroben Vergärung Primäre Gärer (versäuernde Bakterien, Exoenzyme) 1. Stufe: 2. Stufe: Sekundäre Gärer 3. Stufe: Methanogene 4. Stufe: Hydrolytische Phase Acidogene Phase Acetogene Phase Methanogene Phase Verflüssigung Versäuerung Essigsäurebildung Methanbildung H 2 / CO 2 Biomasse Monomere Biogas - Kohlehydrate - Monosaccharide H CH 4 / CO 2 2 ; H + -Eiweiß - Aminosäuren Carbonsäuren - Fette - Fettsäuren Alkohole Essigsäure - Lactat - Ethanol ph 5,0 6,3 - Butyrat ph 5,5 6,7 ph 6,8 8,0 - Propionat 19 Prozesskontrolle unerlässlich Biologische Prozessstörungen führen zu einer schlechten Substratausnutzung durch unzureichende Umsetzung der Einsatzstoffe und Produktionsausfall Prozesskontrolle ist unerlässlich, um verfügbares Fermentervolumen optimal nutzen zu können Kontrollparameter: Inputmenge und -Qualität, Biogasmenge und Qualität, Stromproduktion Fettsäurekonzentration, Pufferkapazität => Bisher Probenahme und Untersuchung im Labor erforderlich, Universität Hohenheim 8

9 Neuer Ansatz der Prozesskontrolle: NIRS - Online-Messsystem Entwicklung eines Kalibrationsmodells Substrat Sensor Saphirfenster Lichtwellenleiter NIR-Detektor Lichtquelle Absorption Reflektion Spektren NIRS-Schätzmodell Einer Laboranalyse werden 300 Einzelspektren pro Minute über einen Zeitstempel zugewiesen Reflektion [%] Statistische Auswertung 0,3 0,2 0,1 Thermophiler Fermenter Mesophiler Fermenter Mais Silage mmmmmm Wellenlänge [nm] Laboranalyse (GC) Referenzdaten + Spektren TENIRS, Stockl NIRS - Online-Messsystem A äq. [mg/l] NIRS-Schätzwerte Konz. HAcä Thermophiler Fermenter, 52 C Mesophiler Fermenter, 42 C y = 0,942x R² = 0,964 Summe der FFS verrechnet zum Essigsäureäquivalent Kalibrierung Mesophiler Fermenter Referenzwerte Konz. HAcäq. [mg/l] A: Summe der FFS verrechnet zum Essigsäureäquivalent Kalibrierung C äq. [mg/l] NIRS-Schätzwerte Konz. HAcä y = 0,968x R² = 0, Referenzwerte Konz. HAcäq. [mg/l] C: Summe der FFS verrechnet zum Essigsäureäquivalent Kalibrierung Stockl, , Universität Hohenheim 9

10 Was passiert, wenn eine biologische Prozessstörung erkannt wurde? Erhebliche Erkenntnisgewinne in den vergangenen Jahren über die Prozessbiologie, z.b. Mineralstoffbedarf Methanogene Mikroorganismen haben einen speziellen Bedarf an Mikronährstoffen, insbesondere Ni, Co, Mo, Se, Fe Spurenelementmangel führt zu einer Destabilisierung des Gärprozesses Konzentrationen organischer Säuren im Fermenter steigt Biogasproduktion sinkt erheblich! 24 Spurenelemente erfüllen wichtige Funktionen im Biogasprozess Sie sind am Aufbau von Koenzymen und Kofaktoren maßgeblich beteiligt Bisher sind 7 Koenzyme bekannt, die im Biogasprozess eine wichtige Rolle spielen (Bauer, et al, 2009) Oxidierte Formen dienen als Elektronenakzeptoren (z.b. Eisenoxid, Manganoxid) (Pickering, 1986) Reduzieren die Sulfidtoxizität Stimulieren das methanogene Wachstum (Oleschkiewicz u. Scharma, 1990) Kofaktor F 430 Nickel als Zentralatom (rot eingekreist) 25, Universität Hohenheim 10

11 Vergärung reiner Maissilage ohne Güllezusatz Versuche im Biogaslabor 15 Fermenter a 17 l Mesophiler Betrieb, 37 C OLR 2,5 kg ots/m³*d HRT 40 d 26 Vergärung reiner Maissilage ohne Güllezusatz Versuche im Biogaslabor 15 Fermenter a 17 l Mesophiler Betrieb, 37 C OLR 2,5 kg ots/m³*d HRT 40 d Variante Kontrolle Zugesetzte Substrate Maissilage und Wasser 1 Maissilage, Wasser und Puffersubstanz 2 Maissilage, Wasser, Puffersubstanz und Holzfaser 3 Maissilage, Wasser, Puffersubstanz und Spurenelemente 4 Maissilage, Wasser, Harnstoff, Spurenelemente und Holzfaser 5 Maissilage, Wasser, Puffer, Spurenelemente, Harnstoff und Holzfaser 27, Universität Hohenheim 11

12 Vergärung reiner Maissilage ohne Güllezusatz 8 HAC: mg/l Methanertrag: 335 l/kg ots 1,6 l / l FV 7,5 7 ph-wert 6,5 6 5,5 HAC: mg/l Zugabe von Hilfsstoffen mit Spurenelementen 5 4,5 4 HAC: bis mg/l 0,6 l / l FV Biogas < 45 % Methan Zugabe von Hilfsstoffen ohne Spurenelementen Preißler 2006 Zeit (in d) 28 Zugabe verschiedener Spurenelemente/ Mischungen in versch. Konzentrationen 400 zum Gärsubstrat 350 e M ehtane Production (ml) per syring M Bis zu 25 % höherer Methanertrag Fast 4 fach schnellere Methanbildung innerhalb von 25 Tagen Doppelte Abbaugeschwindigkeit Days Preißler, , Universität Hohenheim 12

13 Richtwerte der Optimal-Konzentration verschiedener Spurenelemente Minimum: Maximum: mg / kg TM mg / kg TM Nickel 3,0 16,0 Kobalt 0,4 5,0 Molybdän 1,0 6,0 Selen 0,2 2,0 Eisen Mangan Wolfram 0,1 30 Zink Preißler, Lemmer, Oechsner, Allgemeine Mikro-Nährstoffverteilung in der Pflanze 1,50 1,20 0,90 0,60 0, ,00 W Se Co Maissilage: n = 23 ; Rübenmus: n = 1 ; Grassilage: n = 24 ; GPS: n = 6 32, Universität Hohenheim 13

14 Allgemeine Mikro-Nährstoffverteilung in tierischen Exkrementen ation Mikronährstoffkonzentra [mg / kg TM] 14,00 12,00 10,00 8,00 6,00 4,00 2,00 4,00 Schweinegülle Rindergülle 350 3,50 Rinderfestmist 3,00 Hühnertrockenkot 2,50 2,00 1,50 1,00 0,50 0,00 Ni Mo 0,00 W Se Co Schweinegülle: n = 6 ; Rindergülle: n = 16 ; Rinderfestmist: n = 11 ; Hühnertrockenkot: n = 3 33 Zwischenfazit - Prozessstabilisierung Optimale Prozesskontrolle erlaubt eine vollständige Ausnutzung des Fermentervolumens Frühzeitige Erkennung von Prozessstörungen Automatisierung des Fermenterbetriebes auf hohem Niveau Effizienzsteigerung um 20 % denkbar Spurenelementzusatz gleicht Mangelzustände aus Optimale Versorgung der Mikroorganismen Schneller, vollständiger Substratabbau Bedarfsgerechter Zusatz unerlässlich (Analyse) Kann große Effizienzvorteile bringen 34, Universität Hohenheim 14

15 Ansatzpunkte zur Effizienzsteigerung bei der fermentativen Produktion von Biogas: Substratqualität Aufbereitung der Biomasse Mechanisch Biologisch Prozessstabilisierung Prozessüberwachung Prozesshilfsstoffe Optimierung der Anlagentechnik Betriebsweise Prozessgestaltung 35 Eigenenergiebedarf Stromproduktion Elektrische Hilfsenergieaufnahme Erzeugte elektrische Leistung [kw Wh/d] % 8,4 100 % Durchschnittstag % d] Hilfsenerigeaufnahme [kwh/ Erzeugung BHKW Gaserzeugung Licht und Kraft Feststoffeinträge Sonstige Elektrische Hilfsenergieaufnahme BGA Gasverwertung Rührwerke Güllepumpe Nägele, , Universität Hohenheim 15

16 Entwicklung eines Systems zur Probenahme aus dem Fermenter Bestimmung der Nährstoffverteilung Strömungsgeschwindigkeit (Absolut) und Vektoren im Becken. Halbmond 4x2.3m, gekreuzt Quelle: Casartelli, E., Waser, R., Frankhauser (2006) Strömungstechnische Optimierung eines Biomasse-Rührwerks, Bundesamt für Energie (Schweiz) 39 Entwicklung eines Systems zur Probenahme aus dem Fermenter Bestimmung der Nährstoffverteilung Nägele, , Universität Hohenheim 16

17 Entwicklung des Probenentnahmesystems Führungsstange Ringraum- dichtung Obere Absperrblase bl Inneres Rohr Ventilsteuerung für die Blasen Füllraum Substrat Äußeres Flanschrohr Untere Absperrblase Ringdichtung Ventilstück Fermenteröffnung Nägele, Aktuelle Forschung: Neue Ansätze der Biogas-Anlagentechnik: Zweiphasige Vergärung Produktion von Biogas mit hohen Methangehalten Aufwand zur Reinigung des Biogases sinkt Einfache Einspeisung des Biogases ins Erdgasnetz Hoher Wirkungsgrad bei der Gasnutzung Optimierungspotenziale 43 bei der Biogaserzeugung, Universität Hohenheim 17

18 Bioraffinerie-Modul zum gerichtet - fermentativen Aufschluss von Biomasse für eine kombinierte energetische und stoffliche Verwertung - FABES - Modul Hahn, 2010 Schlussfolgerung Zur Effizienzsteigerung des Biogasprozesses gibt es eine Reihe verfahrenstechnischer Ansätze Mechanischer h und biologischer i Substrataufschluss: t Abbaubarkeit faserreicher Stoffe wird gesteigert Substratspektrum wird erweitert (Reststoffe wie Pferdemist, Treber, Trester, etc.) Energiebilanz dieser Systeme muss noch geprüft werden Prozessüberwachung: Online Messtechnik in Kombination mit gezieltem Additiveinsatz kann die Prozessstabilität deutlich steigern Geringes Ausfallrisiko trotz hoher Auslastung! 45, Universität Hohenheim 18

19 Schlussfolgerung Zur Effizienzsteigerung des Biogasprozesses gibt es eine Reihe verfahrenstechnischer Ansätze Prozesshilfsstoffe Optimale Versorgung der Mikroorganismen Schneller, vollständiger Substratabbau Betriebsweise: Eigenenergiebedarf der Biogasanlagen kann zukünftig voraussichtlich deutlich gesenkt werden Prozessgestaltung Neue technische Ansätze Effizientere Nutzung des Biogases 46 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Vielen Dank für die finanzielle Unterstützung der Projekte durch die FNR und das MLR Baden-Württemberg!, Universität Hohenheim 19

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