Fachtagung Prozessmesstechnik in Biogasanlagen

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1 Programm/Tagungsreader Fachtagung Prozessmesstechnik in Biogasanlagen Spezialsession zur Mikrobiologischen Messmethoden für die Prozesskontrolle bei Biogasanlagen in Leipzig KUBUS des Helmholtz-Zentrums für Umweltforschung - UFZ Gefördert vom Koordiniert vom Wissenschaftlich begleitet vom

2 Impressum Herausgeber Daniela Thrän, Diana Pfeiffer Kontakt DBFZ Deutsches Biomasseforschungszentrum gemeinnützige GmbH Torgauer Straße 116 D Leipzig Telefon: +49 (0) Telefax: +49 (0) Geschäftsführung Wissenschaftlicher Geschäftsführer: Prof. Dr.mont. Michael Nelles Administrativer Geschäftsführer: Dipl.-Kfm. (FH) LL.M. Daniel Mayer Redaktion Programmbegleitung des BMUB-Förderprogramms Energetische Biomassenutzung Bildnachweis Umschlag vorn: Umschlag hinten: Wenn nicht anders am Bild bezeichnet, liegen die Rechte beim DBFZ. Layout & Herstellung Angela Gröber Förderung Erstellt mit finanziellen Mitteln des Bundesministeriums für Umwelt, Naturschutz, Bau und Reaktorsicherheit, Berlin (BMUB) Copyright: Alle Rechte vorbehalten. Kein Teil dieses Druckerzeugnisses darf ohne schriftliche Genehmigung des Herausgebers vervielfältigt oder verbreitet werden. Unter dieses Verbot fällt insbesondere auch die gewerbliche Vervielfältigung per Kopie, die Aufnahme in elektronische Datenbanken und die Vervielfältigung auf anderen digitalen Datenträgern. Alle Rechte vorbehalten. DBFZ 2014

3 Inhalt Fachtagung Prozessmesstechnik in Biogasanlagen in Leipzig Inhaltsverzeichnis Programm 6 Vergleichende Untersuchungen an großtechnischen Biogasreaktoren - Mikrobiologische, verfahrenstechnische, ökologische und ökonomische Bewertung und Optimierung 9 Steigerung der Energieeffizienz bei der Vergärung fester biogener Reststoffe 25 Effizienzsteigerung von Grünlandsubstraten 47 Bioabfallvergärung Beiträge zur Prozessoptimierung und zur verbesserten Gasnutzung 63 Imageanalyse und Imagewandel der Biogastechnologie 73 Grünlandenergie Havelland - Die energetische Nutzung von Gras und Schilf 86 4

4 Fachtagung Prozessmesstechnik in Biogasanlagen in Leipzig Inhalt Bestimmung der Biogaserträge für Presswasser aus der mechanischen Entwässerung von Läuterbottichtreber 99 5

5 Programm Fachtagung Prozessmesstechnik in Biogasanlagen in Leipzig 1. Tag März :00 Uhr Grußworte Saal 1AB Begrüßung Michael Nelles (Wiss. Geschäftsführer, DBFZ/Universität Rostock) Jan Liebetrau (DBFZ) Block A: Labormethoden zur Prozessbewertung Moderation: Fabian Jacobi (DBFZ) 10:15-10:45 Uhr Qualität von Laboranalytik im Bereich der Biogasproduktion Katrin Fischer-Kaiser & Günter Henkelmann (Bayerische Landesanstalt für Landwirtschaft - LfL) 10:45-11:15 Uhr Analyse und Bewertung der Spurenelementversorgung von Mikroorganismen Harald Lindorfer (Schaumann BioEnergy GmbH), Thomas Fritz und Dietmar Ramhold (ISF GmbH), Adam Feher (Hochschule für angewandte Wissenschaft und Kunst) 11:15-11:45 Uhr Messungen zur Abbaukinetik von Einzelsubstraten und Substratmischungen Nils Engler (Universität Rostock), Michael Nelles (DBFZ/Universität Rostock) 11:45 Uhr Mittagspause Foyer 13:00-13:30 Uhr Saal 1AB Effi zienz der Biogasproduktion: Probleme und Lösungsansätze Jan Liebetrau (DBFZ) 13:30-14:00 Uhr Effi zienzkontrolle der Biogasproduktion durch Massenbilanzierung anhand der Fermentierbaren organischen Trockensubstanz (FoTS) Friedrich Weißbach (Freiberufl icher Firmenberater) 14:00 Uhr Kaffeepause Foyer W-Lan: KUBUS Passwort: Biomassenutzung_2014 4

6 Fachtagung Prozessmesstechnik in Biogasanlagen in Leipzig Programm 1. Tag März 2014 Block B: Sicherheit und Emissionen Moderation: Jan Liebetrau (DBFZ) 14:30-15:00 Uhr Messtechnik für optimale Sicherheitskonzepte auf Biogasanlagen Sarah Gehrig (Dr. Gehrig Management- & Technologieberatung GmbH) 15:00-15:30 Uhr Messung von Methanemissionen aus Biogasanlagen: Eingesetzte Messtechnik und Praxiserfahrungen Wolfgang Schreier (SGS - RUK GmbH) 15:30 Uhr Kaffeepause Foyer Block C: Messtechnische Lösungen zur Prozesskontrolle: Erfahrung aus der Praxis Moderation: Harald Lindorfer (Schaumann BioEnergy GmbH) 16:00-16:30 Uhr Fernwirktechnische Anforderungen an Anlagen mit flexibilisiertem Betrieb Ulrich Gerigk (Energy2market GmbH) 16:30-17:00 Uhr Messtechnik und Steuerungstechnik an zweistufigen Systemen zur Trockenfermentation Jochen Springer, Hagen Hilse, Sebastian Otto (GICON Großmann Ingenieur Consult GmbH) 17:00-17:30 Uhr Kennzahlen-gesteuerter Betrieb von Biogasanlagen: Mindestanforderungen an die Messtechnik, Erfahrungen aus der Übernahme von Anlagen Mirco Koppmann, Daniel Kruckelmann (agri.capital GmbH) 17:30 Uhr Ende des ersten Veranstaltungstages 19:00 Uhr Netzwerktreffen im Bayrischen Bahnhof Sächsisch-Bayerischer Salon, 1. OG Bayrischer Platz 1, Leipzig... mit dem Auto: Vor Ort stehen ausreichend hauseigene Parkplätze zur Verfügung. Zufahrt mit dem Pkw über Kohlenstraße mit der Bahn: Vom Hbf mit der Straßenbahnlinie 16 (Richtung Lößnig) bis Haltestelle Bayerischer Platz 5 2

7 Programm Fachtagung Prozessmesstechnik in Biogasanlagen in Leipzig 2. Tag März :00 Uhr Grußworte Saal 1AB Jan Liebetrau (DBFZ) Block A: Messtechnische Lösungen zur Prozesskontrolle: Condition Monitoring und Gasmengenmessung Moderation: Markus Schlattmann (Awite Bioenergie GmbH) 09:05-09:30 Uhr Zustandsüberwachung von Anlagenkomponenten und der Anlage mit Prozessmesstechnik und -automatisierung Uwe Scheller (Siemens AG) 09:30-10:00 Uhr Erfahrungen bei der messtechnischen Erfassung von Rohbiogas- und Biomethanmengen Hajo Nägele (Universität Hohenheim) 10:00-10:30 Uhr Rohbiogasdurchfl ussmessung mittels Ultraschalltechnologie Sebastian Grahlow (Endress+Hauser Messtechnik GmbH+Co. KG) 10:30 Uhr Kaffeepause Foyer Block B: Neue Sensorentwicklung Moderation: Markus Schlattmann (Awite Bioenergie GmbH) 11:00-11:30 Uhr Entwicklung und Anwendung einer elektronischen Zunge zum Nachweis organischer Säuren und Spurenelemente in Biogasgüllen Thomas Nacke (Institut für Bioprozess- und Analysenmesstechnik e. V.) 11:30-12:00 Uhr Entwicklung eines LAP-Sensors zur Erfassung der mikrobiellen Aktivität in Abhängigkeit von Nährstoffkonzentrationen Simone Groebel (NOWUM-Energy), Michel J. Schöning, Thorsten Selmer (FH Aachen, Campus Jülich) 11:45 Uhr Mittagspause Foyer 8

8 Fachtagung Prozessmesstechnik in Biogasanlagen in Leipzig Programm 2. Tag März 2014 Block C: Simulation, Modellierung und Regelung von Biogasanlagen Moderation: Jan Liebetrau (DBFZ) 13:15-13:45 Uhr Dynamische Simulation für den optimierten und lastflexiblen Betrieb von Biogasanlagen Ingolf Seick (Hochschule Magdeburg-Stendal), Ralf Tschepetzki (ifak system GmbH) 13:45-14:15 Uhr Regelprozesse in der Praxis Markus Schlattmann (Awite Bioenergie GmbH) 14:15-14:45 Uhr Praxisnahe Modellierung von Biogasanlagen Sören Weinrich (DBFZ), Michael Nelles (DBFZ/Universität Rostock) 14:45-15:15 Uhr Monitoring und Optimierung des Strömungszustandes im Biogasfermenter: Mess- und regeltechnisches Konzept Kay Rostalski (KSB AG) 15:15 Uhr Zusammenfassung 15:30 Uhr Ende der Veranstaltung Die Präsentationen sind nach der Konferenz abrufbar unter: 7 9

9 Programm Fachtagung Prozessmesstechnik in Biogasanlagen in Leipzig 2. Tag März 2014 Spezialsession zu Mikrobiologischen Messmethoden für die Prozesskontrolle bei Biogasanlagen Neue Methoden in der biologischen Anlagenbetreuung *** Frühwarn-Indikatoren für Prozessstörungen Moderation: Sabine Kleinsteuber (UFZ) 09:00 Uhr Grußworte Sabine Kleinsteuber (UFZ) 09:00-09:30 Uhr Mikrobiologische Prozesse in einer Biogasanlage und deren Störungen Harald Lindorfer (Schaumann BioEnergy GmbH) 09:30-9:50 Uhr Aktivitätsanalyse per Barcode Dynamiken mikrobieller Gemeinschaften in Biogasprozessen Susann Müller, Christin Koch, Birke Brumme (UFZ) 09:50-10:10 Uhr Frühwarn-Indikatoren für Prozessstörungen wie Übersäuerung und Schaumbildung Mikrobiologie (Übersäuerung, Schaumbildung, Aggregate) Hilke Würdemann, Anne Kleyböcker, Tobias Lienen (Deutsches GeoForschungsZentrum GFZ) 10:10-10:30 Uhr Kohlenstoff- und Wasserstoffi sotopenanalysen zur Überwachung von Methanbildungsprozessen: Perspektiven der Prozessoptimierung und Ausfallverminderung von Biogasanlagen Anko Fischer (Isodetect GmbH Standort Leipzig), Marcell Nikolausz, Hans-Herrmann Richnow (UFZ) 10:30 Uhr Kaffeepause und Ende der Spezialsession 10

10 Fachtagung Prozessmesstechnik in Biogasanlagen in Leipzig Abstracts der Fachtagung Prozessmesstechnik in Biogasanlagen Spezialsession zur Mikrobiologischen Messmethoden für die Prozesskontrolle bei Biogasanlagen 11

11 Abstracts Fachtagung Prozessmesstechnik in Biogasanlagen 1. Tag Block A: Labormethoden zur Prozessbewertung Qualität der Laboranalytik im Bereich der Biogasproduktion Ergebnisse aus den LfL-Biogas-Ringversuchen Katrin Fischer-Kaiser, Günter Henkelmann (Bayerische Landesanstalt für Landwirtschaft) Kontakt: Schlagwörter: Qualitätssicherung, Analytik, Laborvergleichsuntersuchung, Analysemethoden, Biogas Hintergrund Der anaerobe Prozess der Biogasproduktion in landwirtschaftlichen Anlagen ist maßgeblich bestimmt von einer Reihe unterschiedlicher Einfl ussfaktoren. Dazu gehören unter anderem die Qualität und Dosierung der Einsatzstoffe, die Konzentration der Mineralstoffe und Spurenelemente im Fermenter sowie der Eintrag oder das Auftreten von Inhibitoren, welche die Mikrobiologie im Fermenterinhalt stören können. Von entscheidender Bedeutung für die Wirtschaftlichkeit und Nachhaltigkeit einer Biogasanlage können daher detaillierte Informationen über die im Prozess auftretenden chemischen, biologischen und physikalischen Parameter sein. Die Laboranalytik bietet dem Betreiber einer Biogasanlage zahlreiche Verfahren, mit denen der Prozess der Biogaserzeugung vom Einsatzstoff über den Fermenterinhalt bis hin zum verkehrsfähigen Gärrest analytisch begleitet werden kann. Voraussetzung für eine mögliche Beurteilung der untersuchten Prozessparameter anhand der Untersuchungsergebnisse ist allerdings eine gute Qualität der Laboranalysen. Probleme bei Laboranalysen Probenahme, Probenhandling, Lagerung vor und während des Transports zum Untersuchungslabor sowie die Probenvorbereitung haben anteilig einen enorm hohen Einfl uss auf das Ergebnis einer Laboruntersuchung. Nicht zu unterschätzen sind jedoch auch die Faktoren, die sich speziell auf die Laboranalyse beziehen und dazu führen, dass die Ergebnisse mit gewissen Unsicherheiten behaftet sind. Dies ist unter anderem eine Folge daraus, dass für viele der zur Beurteilung des Fermentationsprozesses relevanten Messgrößen keine allgemein anerkannten einheitlichen Methoden oder DIN-Normen existieren. Somit sind Prüfwerte unterschiedlicher Labore nur bedingt vergleichbar, was deren Wert für Betreiber und Berater deutlich einschränkt. LfL-Biogas-Ringversuche Im Rahmen eines Projekts zur Entwicklung und Umsetzung eines Qualitätsmanagement-Systems für die Biogasproduktion in Bayern werden an der Bayerischen Landesanstalt für Landwirtschaft (LfL) in der Abteilung für Qualitätssicherung und Untersuchungswesen (AQU) seit 2009 Ringversuche durchgeführt, die die Vergleichbarkeit der Laboruntersuchungen verbessern sollen. Dabei wird homogenisiertes Pro-benmaterial wie z. B. Fermenterinhalt oder auch Gärrest an die am Ringversuch teilnehmenden Labordienstleister verschickt und die Analysenergebnisse entsprechend nach validierten Statistikverfahren ausgewertet und miteinander verglichen. Abbildung 1: Durchschnittliche Z u -Scores der Methoden zur Essigsäureäquivalent-Bestimmung in den Ringversuchen der Jahre 2009 bis

12 Fachtagung Prozessmesstechnik in Biogasanlagen 1. Tag Block A: Labormethoden zur Prozessbewertung Abstracts Vergleich von Analysenmethoden Im Verlauf der bisherigen Ringversuche hat sich herausgestellt, dass es bei vielen für die Prozessbeurteilung sehr wichtigen Parametern, wie z. B. die Carbonsäuren, nur unzuverlässige Ergebnisse mit hoher Streuung der Laborwerte gibt. Eine genauere Betrachtung der Labor-Angaben zu den Analysenmethoden hat gezeigt, dass für die quantitative Bestimmung der Essigsäurekonzentrationen in fl üssigem Fermenterinhalt mindestens sechs unterschiedliche Methoden von den Ringversuchsteilnehmern eingesetzt wurden. Ein weiteres Beispiel ist der Parameter Essigsäureäquivalent, bei dem die Genauigkeit der Analysenmethoden nicht ausreichend ist. Die durchschnittliche relative Vergleichsstandardabweichung von 33,2% im Laborvergleich ist für zuverlässige Aussagen über die Summe der fl üchtigen Carbonsäuren und den Prozess ungenügend. Abbildung 1 zeigt die mittleren absoluten Z u -Scores von 1,64 bis 3,11 der Methoden, die in den Ringversuchen 1 bis 7 eingesetzt wurden. Der Zu-Score ist eine Maßzahl zur Einschätzung der Ergebnisse und Bewertung der Labore und ist als defi niert, wobei im Faktor f tabellierte, asymmetrische Toleranzkoeffi zienten enthalten sind. Absolute Z u -Scores > 2 weisen auf Ergebnisse außerhalb der Toleranzgrenzen hin. Die Methodenbandbreite reicht von Titration und Ionenchromatographie (IC) über Hochleistungsfl üssigkeits-chromatographie (HPLC) zu Destillation und Titration oder Gaschromatographie (GC). Unter sonstige Methoden sind noch vereinzelte Laborergebnisse zu nennen, die mit Fotometer oder NIRS (Nahinfrarotspektroskopie) ermittelt wurden bzw. zu denen keine Methodenangaben (z. B. LC-MS) gemacht wurden. Auch bei anderen im Biogasprozess relevanten Untersuchungsparametern wird sich mit der Fortführung der Ringversuche an der LfL und bei genauerer Betrachtung der Methoden zeigen, ob die Qualitätsziele erreicht werden können. Zudem soll geprüft werden, ob die bisherigen Erkenntnisse zur Einstufung der Genauigkeit von Methoden in der Biogasanalytik zu verifi zieren sind. In Zukunft sollen vereinheitlichte Vorgehensweisen und Empfehlungen für Probenahme, Transport und verwendete Methoden etabliert werden, um die Qualität der Laboranalysen zu steigern und die Nutzbarkeit der Ergebnisse für den Anlagenbetreiber zu verbessern. Weitere Informationen: Biogas Forum Bayern Labor, FISCHER-KAISER, K.; HENKELMANN, G.; GAUL, T. (2013): Die Unterschiede werden kleiner Ergebnisse der Biogas-Ringversuche nähern sich weiter an. In: Joule Heft 4, HENKELMANN, G.; FISCHER-KAISER, K. (2013): Die Qualität von Faseranalysen und Untersuchungen im Umfeld von Biogasanlagen, Beitrag zum Kongress 2013, VDLUFA-Schriftenreihe

13 Abstracts Fachtagung Prozessmesstechnik in Biogasanlagen 1. Tag Block A: Labormethoden zur Prozessbewertung Analyse und Bewertung der Spurenelementversorgung von Mikroorganismen Harald Lindorfer(Schaumann BioEnergy GmbH), Adam Feher (HAWK Göttingen/NEUTec), Thomas Fritz und Dietmar Ramhold (ISF GmbH) Kontakt: Schlagwörter: Bioverfügbarkeit, Spurenelemente, Bedarfsnorm Die Überwachung der Spurenelement- und Nährstoffversorgung in Fermentern landwirtschaftlicher Anlagen hat sich erst in den letzten Jahren als Standard etabliert. Allerdings unterscheiden sich die Analysenwerte zwischen verschiedenen Laboren zum Teil erheblich. Zusätzlich werden aus den gleichen Messwerten sehr unterschiedliche Bewertungen und Handlungsempfehlungen abgeleitet. Dies trägt bei einigen Betreibern, aber auch bei Behörden nach wie vor zur Verunsicherung bezüglich des Einsatzes von Spurenelementen bei. Die vorliegende Präsentation gibt einen Überblick über die Standardverfahren zur Messung von Spurenelementen und beschreibt die wichtigsten Parameter zur Bewertung von Messergebnissen. Die Funktion von Spurenelementen in Mikroorganismen allgemein und bei Anaerobiern im Speziellen wurde schon von vielen Autoren beschrieben und ist zumindest in Grundlagen fester Bestandteil von Lehrbüchern. Grob gesehen werden Spurenelemente von Mikroorganismen in drei Funktionen benötigt: Bildung von Enzymen, Aufbau von Transport und Speicherproteinen und zum geringeren Teil Aufbau von Strukturproteinen. Der höchste Bedarf liegt bei der Bildung von Enzymen. Vor allem im Bereich der Methanbildung, spielen auch sehr spezielle Spurenelemente wie beispielsweise Nickel, Kobalt, Molybdän und Wolfram eine entscheidende Rolle. Ist ein Mangel an essentiellen Spurenelementen in einem Fermenter vorhanden, treten in Abhängigkeit von dem konkreten Mangel verschiedene Symptome nacheinander auf die bis zu einem kompletten Erliegen des Prozesses führen können. Der konkrete Bedarf an Spurenelementen ist festgelegt durch die zugegebene Menge an abbaubarer organischer Substanz, bzw. der erforderlichen Abbauleistung durch die Mikroorganismen. Dieser Bedarf kann theoretisch für einzelne Abbauschritte erfasst oder experimentell für Mikroorganismengruppen oder das Gesamtsystem bestimmt werden. Beide Wege sind nicht ganz trivial, da verschiedene Einfl ussfaktoren den spezifi schen Bedarf beeinfl ussen. Neben der Grundversorgung aus dem Substratmix wird der mikrobielle Spurenelementbedarf maßgeblich von der organischen Raumbelastung und der Verweilzeit der Mikroorganismen im System bestimmt. Letztendlich spielt natürlich auch die Verfügbarkeit der vorhandenen Spurenelemente eine entscheidende Rolle. Je leichter die benötigten Nährstoffe aufgenommen werden können, desto weniger werden benötigt und umso schneller können die Mikroorganismen auf wechselnde Anforderungen reagieren. Grundsätzlich kann davon ausgegangen werden, dass die Bioverfügbarkeit der Nährstoffe durch deren chemische Bindungsform bestimmt wird. Weitere Parameter, wie z.b. der ph-wert oder das Vorhandensein von Ionenaustauschern oder Komplexbildnern beeinfl ussen die mikrobielle Aufnahme zusätzlich. Bestehende Spurenelement-Bedarfsnormen für Mikroorganismen basieren überwiegend auf der Auswertung von Laborversuchen und Praxiserfahrungen. Grundlage bilden dabei die gemessenen Gesamtgehalte in den Proben, da die direkte Messung des bioverfügbaren Anteils derzeit nur eingeschränkt möglich ist. Für die Messung von Spurenelementen in wässriger Lösung kommen im Wesentlichen vier Verfahren zur Anwendung: ICP-OES (Inductively Coupled Plasma - Optic Emission Spectroscopy), ICP-MS (Inductively Coupled Plasma - Mass Spectroscopy), AAS (Atomabsorptions-Spekroskopie) und Ionenchromatographie (IC). Für alle Verfahren existieren Regelwerke (DIN EN ISO und/oder VDLUFA). Die Exaktheit der Messungen ist dabei vor allem durch die Reinheit der Proben, also die Freiheit von Störstoffen und die Messgenauigkeit des Analysesystems geprägt. Eine In-line Messung des Spurenelementgehaltes im Fermenter ist derzeit nicht möglich. Für die grobe Abschätzung des bioverfügbaren Anteils in einer Probe, bietet die Abtrennung der fl üssigen Phase und die Messung der gelösten Fraktion eine Möglichkeit. Diese Methode hat allerdings einige Nachteile, da einerseits prinzipiell nur ein Teil des bioverfügbaren Anteils erfasst wird, und andererseits eine Abtrennung kolloidaler nicht bioverfügbarer Verbindungen quasi nicht möglich ist. Die aussagekräftigsten Daten liefert das Verfahren der sequentiellen Extraktion, das allerdings sehr aufwändig und in der Routineanalytik nicht ohne weiteres einsetzbar ist. Dabei handelt es sich um eine Methode, bei der das zu untersuchende Material in mehreren Schritten mit verschiedenen Extraktionslösungen behandelt wird. Dabei werden Fraktionen, die Nährstoffe mit ähnlichen chemischen Eigenschaften enthalten, sukzessive aus der Probe gelöst und anschließend quantifi ziert. Die bisherigen Ergebnisse zeigen, dass die Verteilung der Elemente in den Fraktionen stark von den an der Anlage eingesetzten Substraten abhängt. Weiterhin haben betriebstechnische Parameter wie z.b. Raumbelastung, Gärtemperatur oder chemische Zusammensetzung des eingesetzten Nährstoffpräparates einen erheblichen Einfl uss auf die Verteilung in den Fraktionen. Es ist davon auszugehen, dass sich in den nächsten Jahren eine einfachere Methode zur Messung des bioverfügbaren Anteils von Spurenelementen etablieren wird. 14

14 Fachtagung Prozessmesstechnik in Biogasanlagen 1. Tag Block A: Labormethoden zur Prozessbewertung Abstracts Messungen zur Abbaukinetik von Einzelsubstraten und Substratmischungen Nils Engler (Universität Rostock), Michael Nelles (DBFZ/Universität Rostock) Kontakt: Hintergrund 15

15 Abstracts Fachtagung Prozessmesstechnik in Biogasanlagen 1. Tag Block A: Labormethoden zur Prozessbewertung 16

16 Fachtagung Prozessmesstechnik in Biogasanlagen 1. Tag Block A: Labormethoden zur Prozessbewertung Abstracts Effizienz der Biogasproduktion: Probleme und Lösungsansätze Jan Liebetrau (DBFZ) Kontakt: Hintergrund 17

17 Abstracts Fachtagung Prozessmesstechnik in Biogasanlagen 1. Tag Block A: Labormethoden zur Prozessbewertung 18

18 Fachtagung Prozessmesstechnik in Biogasanlagen 1. Tag Block A: Labormethoden zur Prozessbewertung Abstracts Effizienzkontrolle der Biogasproduktion durch Massenbilanzierung anhand der Fermentierbaren organischen Trockensubstanz (FoTS) Friedrich Weißbach (Freiberuflicher Firmenberater) Kontakt: Schlagwörter: Fermentierbare organische Trockensubstanz, Biogas, Methan, Methanbildungspotenzial, Substratausnutzung, fl exible Biogaserzeugung Das effi ziente Betreiben von Biogasanlagen setzt die möglichst präzise Kenntnis des Methanbildungspotenzials der Substrate voraus. Diese Informationen sind notwendig, um Substrate qualitätsabhängig bewerten zu können, um über die erforderliche Menge und die zweckmäßige Kombination von Substraten entscheiden zu können und um den Ausnutzungsgrad der Substrate und damit die Effi zienz der Anlagenfahrweise beurteilen zu können. Für alle diese Zwecke reichen Richtwerte und Faustzahlen zum Biogas- und Methanertrag, wie sie von Gremien des KTBL (Kuratorium für Technik und Bauwesen in der Landwirtschaft) empfohlen werden, nicht aus. Deshalb wurde eine Methode für die differenzierte Substratbewertung auf der Basis von Laboranalysen entwickelt. Die Eignung und die Nutzungsmöglichkeiten dieser Methode wurden durch Fermenter-Bilanzen und Monitorings unter Praxisbedingungen nachgewiesen. Im Mittelpunkt dieser Methode steht die Bestimmung des Gehaltes an Fermentierbarer organischer Trockensubstanz (FoTS) des Substrats und deren Ausnutzungsgrad im Fermentationsprozess. UUnter der FoTS wird derjenige Anteil der ots verstanden, der bei optimaler Verfahrensgestaltung der Biogasgewinnung potenziell nutzbar ist. Der Gehalt an FoTS ist somit ein technologischer Maximalwert. Er gibt an, wieviel von der ots bei guter fachlicher Praxis in der Biogaserzeugung genutzt werden kann. Im Rahmen der Entwicklung und Erprobung der Methode wurden folgende Erkenntnisse gewonnen: Silagen enthalten fl üchtige Säuren und Alkohole, die ein hohes Methanbildungspotenzial besitzen. Ihre Konzentration muss deshalb analytisch bestimmt, die TS-Gehalte müssen entsprechend korrigiert und die Gehalte an den einzelnen Inhaltsstoffen auf die korrigierte Trockensubstanz (TS k ) umgerechnet werden. Die Gehalte an mikrobiologisch im Fermenter umsetzbaren Nährstoffen stimmen überraschend gut mit den aus Verdaulichkeitsmessungen an Schafen gewonnenen Gehalten an wahr verdaulichen Nährstoffen überein. Die Gehalte an scheinbar verdaulichen Nährstoffen, bei denen die endogenen Ausscheidungen der Versuchstiere unberücksichtigt bleiben, führen dagegen zu Fehleinschätzungen. Für die einzelnen chemischen Verbindungen, aus denen die mikrobiell umgesetzte ots besteht, lassen sich die zu erwartenden Volumina an Methan und Kohlendioxid auf stöchiometrischem Wege defi nitiv berechnen und damit das Methanbildungspotenzial je kg FoTS des jeweiligen Substrats bestimmen. Bei allen bisher zur Biogasgewinnung eingesetzten Halm- und Körnerfrüchte kann trotz unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung mit einheitlich rund 420 Normliter Methan in 800 Normliter Biogas je kg FoTS gerechnet werden. Zuckerrüben und daraus gewonnene Silagen erfordern dagegen eine gesonderte Bewertung. 19

19 Abstracts Fachtagung Prozessmesstechnik in Biogasanlagen 1. Tag Block A: Labormethoden zur Prozessbewertung Durch mehrmonatige Fermenter-Bilanzen wurde zunächst überprüft, ob die mit dieser Methode vorhergesagte Methanproduktion bei vollständiger Ausnutzung der FoTS in der Praxis tatsächlich erreichbar ist. Das konnte durch das gemessene und auf Normbedingungen umgerechnete Methanvolumen und die damit erzeugte Strommenge bestätigt werden. Durch Fermenter-Monitorings (bisher liegen die Ergebnisse von jeweils drei- bis vier-monatigen Studien an 14 Biogasanlagen mit 500 kw el Leistung vor) und zahlreiche Laboranalysen von Substraten und Gärresten war es dann auf der Basis des jeweiligen FoTS-Inputs möglich, den Ausnutzungsgrad von Substratmischungen zu bestimmen, die Verwertung von Getreidekörnern zu kontrollieren und das Restgaspotenzial verschiedener Biogasanlagen realistisch, d. h. am Gasbildungspotenzial-Input gemessen, zu bewerten. Die dargestellte Methode der Bestimmung des Gehaltes an FoTS und der Ermittlung des Methanbildungspotenzials (MBP) je kg FoTS dürfte sich im besonderen Maße dazu eignen, Beiträge zur Bewältigung aktueller Herausforderungen zu leisten. Das gilt sowohl für das Austauschverhältnis von Feldfrüchten gegen Abfallstoffe als auch für die Steuerung einer zeitlich fl exiblen Biogasproduktion. In welchem Verhältnis etwa Maissilage durch andere landwirtschaftliche Biomassen ersetzt werden kann, wird wesentlich von den FoTS-Gehalten abhängen. Die Programmierung einer zeitgsteuerten Gasproduktion verlangt neben einer substratabhängigen Geschwindigkeitskonstante (k) Angaben über das substratabhängige Maximum der Gasproduktion (Ymax). Dieser letztgenannte Parameter Ymax steht in Form des MBP (Produkt aus FoTS und MBP/kg FoTS) für viele Substrate anwendungsbereit zur Verfügung. 20

20 Fachtagung Prozessmesstechnik in Biogasanlagen 1. Tag Block B: Sicherheit und Emissionen Abstracts Messtechnik für optimale Sicherheitskonzepte auf Biogasanlagen Sarah Gehrig (Dr. Gehrig Management- & Technologieberatung GmbH) Kontakt: Schlagwörter: Das 21

21 Abstracts Fachtagung Prozessmesstechnik in Biogasanlagen 1. Tag Block B: Sicherheit und Emissionen Messung von Methanemissionen aus Biogasanlagen Eingesetzte Messtechnik und Praxiserfahrungen Wolfgang Schreier (SGS - RUK GmbH) Kontakt: Schlagwörter: Das 22

22 Fachtagung Prozessmesstechnik in Biogasanlagen 1. Tag Block B: Sicherheit und Emissionen Abstracts 23

23 Abstracts Fachtagung Prozessmesstechnik in Biogasanlagen 1. Tag Block C: Messtechnische Lösungen zur Prozesskontrolle: Erfahrung aus der Praxis Fernwirktechnische Anforderungen an Anlagen mit flexibilisiertem Betrieb Ulrich Gerigk (Energy2market GmbH) Kontakt: Energy2market ist ein unabhängiges Handelshaus. Unternehmenszweck: Vermarktung von Energie und Flexibilität aus dezentralen Erzeugungsanlagen, Speichern und fl exiblen Verbrauchern in Handels- und Regelmärkten durch den Aufbau und Betrieb Virtueller Kraftwerke. Standortoptimierung für EVU und Energie intensive Industrie. Marktpositionierung: e2m ist der Marktpartner für mittelständische Erzeuger und EVU in allen Bereichen der Vermarktung. In Abhängigkeit von den Fähigkeiten & Ambitionen der Partner übernimmt e2m Handelsrisiken und Dienstleistungen. Flexibler Betrieb dezentraler KWK-Anlagen und regelbare EEG-Anlagen KWK-Anlagen und regelbare EEG-Anlagen sind aufgrund ihrer Fähigkeiten schon heute in der Lage, schnell, fl exibel und zuverlässig auf Volatilitäten im Energiemarkt zu reagieren. Aufgrund der derzeit üblicherweise vorherrschenden Anlagenkonstellation, der gesetzlichen Rahmenbedingungen und der Erlösmöglichkeiten kann und wird dem Markt dabei derzeit in erster Linie negative Regelenergie zur Verfügung gestellt. Flexibler Anlagenbetrieb heute - Regelenergie Eine der Kernaufgaben der Übertragungsnetzbetreiber (ÜNB) ist die Gewährleistung der Netzstabilität mit dem Ziel, ungeplante Abweichungen zwischen Erzeugung und Verbrauch elektrischer Energie zu kompensieren. Auf Grund des in Deutschland gesetzlich verankerten Unbundlings also der Entfl echtung von Netz und Erzeugung sind die ÜNB gezwungen, die dafür benötigte Regelleistung täglich bzw. wöchentlich auszuschreiben. Die derzeit in Deutschland benötigten Regelmengen belaufen sich dabei auf ca MW (NEG/POS). Es wird zwischen Primärregelleistung / Sekundärregelleistung / Minutenreserveleistung mit unterschiedlichen Fähigkeiten unterschieden. Der Einsatz von Regelenergie wird in erster Linie für den Ausgleich von Prognosefehlern verwendet. Darüber hinaus steht die gesamte Regelleistung auch für den Fall von Frequenzabweichen +/-200mHz zur Verfügung. Primärregelleistung (PRL): Regelgeschwindigkeit 30s, Aufruf gesteuert von der Netzfrequenz Sekundärregelleistung (SRL): Regelgeschwindigkeit 5 Min., Aufruf gesteuert vom LFR ÜNB Minutenreserveleistung (MRL): Regelgeschwindigkeit 15 Min., Aufruf gesteuert per Hand ÜNB Regelenergie und Virtuelle Kraftwerke (VKW) Seit 2010 haben neben Regelkraftwerken auch virtuelle Kraftwerke (VKW) die Möglichkeit, am Regelenergiemarkt teilzunehmen. Im Unterschied zu diesen traditionellen Marktteilnehmern wird in den VKW eine Vielzahl von kleinen dezentralen technischen Einheiten (TE) gebündelt. Bei diesen TE kann es sich dabei sowohl um Verbrauchs-, als auch um Erzeugungsanlagen handeln, zu denen seit Inkrafttreten des EEG 2012 auch in Direktvermarktung befi ndliche BHKW von Biogasanlagen zählen. Der Betreiber des VKW hat dabei jederzeit Zugriff auf die Statusinformationen im System und kann Einfl uss auf die Flexibilitäten der TE nehmen, diese steuern. Fernwirktechnische Anforderungen an TE Wesentliche Voraussetzung für die Teilnahme der einzelnen TE ist dabei das Vorhandensein von durch den Transmission Code vorgegebenen Fähigkeiten. Durch die wachsende Rolle von VKW im Regelenergiemarkt und die damit verbundene Systemrelevanz sahen sich die ÜNB im Frühjahr 2013 gezwungen, IT-Sicherheitskriterien für die Beteiligung von VKW an der RE zu defi nieren. 24

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