Prof. Dr.-Ing. Christof Wetter Dipl.-Ing. Elmar Brügging, M.Sc. Alexander Bruns

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1 Fachbereich Prof. Dr.-Ing. Christof Wetter Dipl.-Ing. Elmar Brügging, M.Sc. Alexander Bruns

2 Optimierte Nutzung von Nährstoffen aus Biogasanlagen durch Ammoniakstrippung und Gärrestaufbereitung Projektpartner: gefördert durch:

3 Inhalt Erneuerbare n Aktueller Sachstand Gründe für das F&E Vorhaben Aufbereitungsverfahren Ausgangssituation Verfahrenschritte der Gärrestaufbereitung Wissenschaftliche Begleitung Zusammenfassung

4 Erneuerbare n Nachhaltige nutzung als Zielvorgabe der Bundesregierung für Deutschland Anteil der erneuerbaren n an der bereitstellung in Deutschland ,3 % des Primärenergieverbrauchs 11,8 % der Stromerzeugung 5,9 % der Wärmeerzeugung 4,7 % der Kraftstoffe Vermeidung von ca. 97 Mio. t CO 2 /a Zielvorgabe für % des Primärenergieverbrauchs 12,5 % der Stromerzeugung 8,0 % der Wärmeerzeugung 5,75 % der Kraftstoffe (EU-Richtlinie 2003/30/EG) Vermeidung von 213 Mio. t CO 2 /a (- 21%) bis 2012 (Nationaler Allokationsplan für Deutschland)

5 Erneuerbare n

6 Erneuerbare n Struktur der Endenergiebereitstellung aus erneuerbaren n für das Jahr 2006 Etwa 7,4 % (5.380 GWh/a) der erneuerbaren elektrischen wird durch Biogasanlagen erzeugt Nach einer Potentialerhebung des Bundesministerium für, Naturschutz und Reaktorsicherheit besteht folgendes Biogaspotential in Deutschland: ca GWh/a durch den Anbau von pflanzen auf Stilllegungsflächen ca GWh/a durch die Vergärung von Wirtschaftsdünger

7 Erneuerbare n

8 Erneuerbare n Wirtschaftsdaten der Erneuerbaren n in Deutschland Gesamtumsatz: 21,6 Mrd. Euro Arbeitsplätze (2006) Biomasse: ca Arbeitsplätze Anstieg von: 62 % gegenüber 2004

9 Erneuerbare n

10 Biogasnutzung in Deutschland Durch das Erneuerbare ngesetz (EEG) ist ein wirtschaftlicher Betrieb von Biogasanlagen möglich. Die Anzahl der Biogasanlagen sowie die installierte elektrische Leistung ist seit Inkrafttreten des EEG (2000) sprunghaft angestiegen. 1999: ca. 850 Anlagen mit etwa 200 MW el 2005: ca Anlagen mit etwa 665 MW el 2006: ca Anlagen mit etwa MW el Das vorhandene Biogaspotential in Deutschland ist bei weitem noch nicht ausgenutzt, so dass eine Steigerung der produktion aus Biogas möglich ist. Konzeptentwicklungen zur Realisierung und Nutzung der vorhandenen Potentiale Standortgebundene Wärme- bzw. Kältenutzungskonzepte Standortungebundene Wärme- bzw. Kältenutzungskonzepte Entkopplung der Biogaserzeugung von der regionalen Nutzung

11 Gründe für das F&E -Vorhaben Regionales Überangebot an Nährstoffen durch Viehveredelung und Biogasanlagen In einigen Kreisen des Münsterlandes ist ein Überangebot an Phosphat zu verzeichnen. In Ackerbauregionen hingegen fehlt Phosphat und wird als mineralischer P-Dünger aufgebracht. Teilweise existiert eine Flächenkonkurrenz zwischen Viehveredelungsbetrieben und Biogasanlagen Eine Aufbereitung der Gärreste aus Biogasanlagen kann dazu beitragen die Situation zu entspannen, so dass Biogasanlagenbetreiber wie auch Viehveredelungsbetriebe davon profitieren

12 Gründe für das F&E -Vorhaben Quelle: Landwirtschaftskammer NRW, Datenbasis Viehzählung 2003

13 Möglichkeiten des F&E Vorhaben Entwicklung eines Verfahrens zur Aufbereitung anfallender Gärreste in der Region Sinnvolle Nutzung der thermischen des BHKW Nutzung verfügbarer Technologien Aufbereitung der Gärreste als Zukunftsperspektive: Transportwürdiger Dünger Einhaltung der TA-Luft Verringerung Geruchsemissionen Nutzen von Synergieeffekten mit der Viehveredelung

14 Ausgangssituation Der Geflügelhof Möllenbeck in Füchtorf betreibt seit 2002 eine Biogasanlage mit einer elektrisch installierten Leistung von 229 kw el In der Biogasanlage werden Co-Fermente (hauptsächlich Altfette, Lebensmittelreste, etc.) und Hühnermist eingesetzt Zu Beginn des Jahres 2007 wurde die Anlage auf 500 kw el erweitert Die Gärreste (ca m³/a) werden auf 50 % betriebseigene Flächen und zu 50 % auf betriebsfremde Flächen ausgebracht Bislang realisiertes Wärmenutzungskonzept: Wärmeversorgung der Hühnerställe Wärmeversorgung des Wohnhauses Trocknung von Holzhackschnitzeln

15 Ausgangssituation

16 Aufbereitungsverfahren Unterscheidung zwischen Teilaufbereitung und vollständiger Aufbereitung Durch Kombination der Teilaufbereitungsverfahren kann eine vollständige Aufbereitung realisiert werden Je nach Gärrestzustand (hoher TS-Gehalt, hoher Ammoniakgehalt, etc.) finden die jeweiligen Verfahren Anwendung Einteilung der Verfahren zur Gülle/Gärrestaufbereitung [KTBL, 1999] Aufbereitungsverfahren mechanisch thermisch chemisch physikalisch biologisch Separation Filtration Verdampfung Trocknung Fällung Flockung Ansäuern/ Alkalisieren Ammoniak- Strippung Anaerobe Behandlung Aerobe Behandlung Anoxische Behandlung

17 Verfahrensschritte der Gärrestaufbereitung Biogasanlage (Fermenter und BHKW zur Verstromung) Ammoniakstrippung (Nutzung der thermischen ) Entfernung des Ammoniaks Herstellung eines Ammoniakwassers Trocknung (Nutzung der thermischen ) Trocknung des Ammoniak reduzierten Gärrestes Herstellung eines transportwürdigen Düngers/Brennstoffs Substrat Fermenter BHKW Nachgärer Strippbehälter Trockner Ammoniakwasser Ammoniakwasser Transportwürdiger Dünger/Brennstoff transportwürdiger Gärrest Elektrische elektrische

18 Verfahrensschritte der Gärrestaufbereitung Ammoniakstrippung Apparatetechnische Realisierung: 1. Excenterschneckenpumpen 2. Strippbehälter 3. Kühler 4. Vakuumpumpe In Planung ist eine Desorptionskolonne, um den noch mit Ammoniak beladenen Luftstrom aus der Vakuumpumpe zu nutzen

19 Verfahrensschritte der Gärrestaufbereitung

20 Verfahrensschritte der Gärrestaufbereitung

21 Verfahrensschritte der Gärrestaufbereitung

22 Verfahrensschritte der Gärrestaufbereitung

23 Verfahrensschritte der Gärrestaufbereitung

24 Verfahrensschritte der Gärrestaufbereitung Ammoniakstrippung Nutzung von 2 thermischen Trennprinzipien Einfache Destillation im Batch-Betrieb Nutzung der Wärme aus dem Kühlsystems der BHKW s. Maximale Behältertemperatur von 80 C Unterdruck von 500 mbar absolut, hierdurch wird die Siedetemperatur im System (hier Wasser) auf ca. 80 C herabgesetzt Verdampfen von Wasser und des darin gelösten Ammoniaks und Kondensation in der Kühlerstrecke Strippung (Desorption) Austreiben eines Absorbts (hier Ammoniak) mittels eines Inertgases aus einer Flüssigkeit (hier Gärreste) Als Inertgas wird Umgebungsluft im Kreislauf geführt und durch das vorliegende Vakuum eingesogen

25 Verfahrensschritte der Gärrestaufbereitung

26 Verfahrensschritte der Gärrestaufbereitung Ammoniakstrippung Erste Versuchreihen haben stattgefunden Es konnte ein 4-5 %iges Ammoniakwasser aus den Brüden der Verdampfung kondensiert werden In ersten Vorversuchen für die Planung der Desorptionskolonne konnte 8 %iges Ammoniakwasser hergestellt werden Vermutete Schaumprobleme bzw. Verkrustungen sind bislang nicht in dem vermuteten Umfang eingetreten Proben 1 bis 9 vom Ammoniakwasser unfiltirert Proben 1 bis 9 vom Ammoniakwasser filtriert

27 Verfahrensschritte der Gärrestaufbereitung Proben 1 bis 9 vom Ammoniakwasser unfiltirert Proben 1 bis 9 vom Ammoniakwasser filtriert

28 Verfahrensschritte der Gärrestaufbereitung Ammoniakstrippung Carbonatpuffer, d. h. es wird zu Anfang auch CO 2 mit ausgestrippt Zusätzlich liegt das Gleichgewicht NH 3 /NH 4 + im Güllesystem vor

29 Verfahrensschritte der Gärrestaufbereitung Ammoniakstrippung NH3 als Gesamt-N-Anteil [%] % Carbonatpuffer, d. h. es wird zu Anfang auch strippbares CO 2 mit ausgestrippt Ammoniak Zusätzlich liegt das Gleichgewicht NH 3 /NH im Güllesystem vor C C C C C 90 Reihe ph-wert Szenario: ph-wert: 8,3 Temperatur: 80 C Vernachlässigung des Vakuums 0 NH4 + als Gesamt-N-Anteil [%]

30 Verfahrensschritte zur Gärrestaufbereitung Trocknung Konvektionstrocknung, als Heißmedium wird Luft verwendet Heißlufterzeugung mit Hilfe der Notkühler der BHKW Zusätzlich wird die Abluft aus den Luftkühlern der Ammoniakstrippung in den Trockentunnel eingespeist Lochband sorgt für den notwendigen Kreuzstrom

31 Verfahrensschritte zur Gärrestaufbereitung

32 Verfahrensschritte zur Gärrestaufbreitung Trocknung Bandtrockner mit 10 Etagen und 30 m Länge TS-Gehalt im Eintritt: ca. 6 % TS-Gehalt im Austritt: > 90 % Verfahrensführung: Eingangssubstrat wird mit bereits getrocknetem Material vermischt und auf den Trockner gegeben Nur geringe Geruchsbelästigung, aufgrund des vorher ausgestrippten Ammoniaks

33 Verfahrensschritte zur Gärrestaufbreitung

34 Verfahrensschritte zur Gärrestaufbreitung

35 Verfahrensschritte zur Gärrestaufbereitung Nährstoffverwertung Schließung von überregionalen Nährstoffkreisläufen Eingrenzung der regionalen Phosphatproblematik sowie Beitrag zur Ressourcenschonung (Endlichkeit von mineralischem Phosphor) Co-Substrate Hühnermist Biogasanlage NH 3 - Strippung Trocknung Ackerbauregionen Phosphor angereicherter Dünger Ammoniakwasser & Ammoniak angereicherter Dünger Regionale Verwertung

36 Wissenschaftliche Begleitung Laborcontainer an der Versuchsanlage Schnelle Analysenergebnisse Online Prozessüberwachung Flexibler Einsatz für ähnliche Forschungsprojekte

37 Wissenschaftliche Begleitung Wo liegen die Grenzen des Verfahrens? Welche Störanfälligkeit weist das Verfahren auf? Welche Optimierungspotentiale bestehen und wie können diese technisch und wirtschaftlich umgesetzt werden? Wie verhält sich die Anlage bei verschiedenen Ausgangssituationen, beispielsweise bei verschiedenen Ammoniakgehalten? Welche Emissionen werden von der Anlage ausgestoßen? Wie stark ist die Reduzierung der Geruchsemissionen? Welcher Wärmenutzungsgrad bezogen auf das BHKW wird durch das Verfahren erreicht? Kann diese Technik auf andere landwirtschaftliche Betriebe übertragen werden?

38 Zusammenfassung Sinnvolle Verfahrenskombination Reduzierung der Geruchsemissionen und Einhaltung der TA-Luft Beitrag zur Phosphor-Ressourcenschonung Reduzierung der regionalen Nährstofffracht Produktion eines Ammoniakwassers Herstellung eines transportwürdigen P-Düngers Sinnvolle und wirtschaftliche Nutzung der thermischen der BHKW Flexible Behälternutzungsmöglichkeiten sind denkbar (Hygieniesierungseinheit)