Thema Maximale Erträge durch hydrothermalen Aufschluß Bioextrusion Author: Dipl.-Ing. Thilo Lehmann

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1 Bioextrusion Thema Maximale Erträge durch hydrothermalen Aufschluß Bioextrusion Author: Dipl.-Ing. Thilo Lehmann 1

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3 Holzfaserstoff (Mikroskop REM) thermo- mechanisch aufgeschlossen mittels Doppelschneckenextruder Bioextrusion 3

4 Bioextruder im Einsatz Hühnermist Bioextrusion 4

5 Extrusion von Stallmist Stallmist Bioextrusion 5

6 Extrusion von Deichschnitt Deichschnitt Bioextrusion 6

7 Lignozellulose ein komplexes Substrat Zellulose liegt in kristallinen Fasern vor, die in einem Netzwerk aus Hemizellulosen und Lignin eingebunden sind. Grafik: C. Somerville Bioextrusion 7

8 Lignozellulose - biologisch aufgebaut u. abbaubar Aufschlussverfahren übergeordnete Faserstrukturen, Hemizellulosen, und Lignin sind zu entfernen enzymatischer weiterer Aufschluß in wässriger Lösung (Zellulasen) Grafik: NREL Bioextrusion 8

9 Wirkung des Extruders Zerstörung der Ligninstruktur Grafik: NREL Bioextrusion 9

10 Wirkprinzip der Bioextrusion ineinanderlaufende, gegenläufige Schnecken bewirken mechanischen Energieeintrag Zerkleinerung Quetschen Zerreiben hydro-thermalen Aufschluss hohen Druck hohe Temperatur (an Druck gebunden) plötzliche Entspannung bedeutet Zerreißen der Zellstruktur Druck / Wärme Ligninphase Wechselbelastung (Kavitäten) durch ständige Wiederholung > Aufschluß / Auffaserung / Plastifizierung < Bioextrusion 10

11 Verbesserung der mechanischen Eigenschaften 1. geeignet für schwer in Biogasanlagen beherrschbare Substrate wie Festmist, Landschaftspflegematerial, Maisstroh, Stroh, Gras, Ganzpflanzen, Bioabfall 2. keine Schwimmschichten 3. gute Rohr-, Ventilpassier- und Transportfähigkeit 4. geringe Rührenergie, da extrudiertes Substrat in Mittellage geht und sich gut verteilt 5. hohe Homogenität des Substrates (Extruder ist ein Intensivmischer) 6. hohe TS-Gehalte über Feststoffpfad einbringbar Bioextrusion 11

12 Verbesserung des biochemischen Abbaus 1. Herausbildung neuer Bakterienstämme entsprechend des Dargebotes an Futter durch Grenzflächenmechanik 2. Erhöhung der Reaktionsgeschwindigkeit des Abbaus der Biomasse durch größere Oberfläche und optimale Reaktions-/ Milieubeding. 3. Verkürzung der Verweilzeit bei besseren Ausfaulgrad Einsparung von Faulraumvolumen 4. bessere Gasbildungsrate des org. Trockensubstanzgehaltes 5. Erhöhung der Raumbelastung bei besseren C/N Verhältnis 6. geringes Temperaturgefälle zwischen extr. Substrat und Fermenter 7. hohe Drücke im Inneren d. Extruders bedingen Abtötung von Krankheitskeimen, Pilzsporen, Unkrautsamen - Senkung d. Keimbelastung mundgerechte Bakterienkost Bioextrusion 12

13 Ackerbauliche Vorteile entscheidend die verfügbare, org. TS 1. Mehrertrag durch Einsatz von Hybridroggen ggü. Maissilage (beide extr.) Substrat Hybridroggen* Mais* Differenz TS 70% 30% 14,2 t/ha TS 12,0 t/ha TS Erklärung: konkretes Beispiel aus dem Vogtland (Vorgebirgsland m Höhe, Plauener Trockenbecken; Durchschnittsbodenwerte des Vogtlandes: 35 Bodenpunkte), Werte in anderen Regionen dürften höher ausfallen, sowohl für Maissilage als auch für Hybridroggen. * aus Siloabdeckung, laut KTBL * Bereits im 2. Jahr liegen die Ertragswerte in o.g. Größe vor, der Hybridroggen wird 8 Tage vor der eigentlichen Ernte als GPS geerntet. Bioextrusion 13 ots 94,9% 94,0% 13,49 t/ha ots 11,28 t/ha ots Mehrertrag Nm³ Methan / ha * 10,4 kwh / Nm³ = ,2 kwh / ha elektr. Wirkungsgrad von 38,6 % 4.141,1 kwh / ha Einspeisevergütung 0,23 / kwh ~ 950 / ha 319,79 Nm³/ t ots 290,86 Nm³/ t ots Substratzustand GPS Silage Ernteertrag 20 t/ha 40 t/ha Ernteertrag Ernteertrag Methangasausbeute Methangasausbeute / ha 2. Monokultur des Maises als Energiepflanze ist gebrochen (s. o. Beispiel) 3. Einsparung von Logistikaufwand (hoher TS, weniger Wassertransport, dadurch weniger Volumen zu transportieren, weniger Feuchte in der Anlage bzw. aufs Feld aufzubringen) und von Siloraum bzw. Gärrestbecken 4. Felder schneller verfügbar 5. Bodenwert wird verbessert durch freie Fruchtfolge 4.312,5 Nm³/ ha 3.280,9 Nm³/ ha 1.031,6 Nm³/ ha

14 Nutzensrechnung der Bioextrusion 1. ohne Bioextrusion 2. Einsparung Biomasse 3. Ersatz Maissilage 1.1 Masse Maissilage 1.2 Masse Grassilage 1.3 Masse Hybridroggensilage 2. Summe der (kalkulat.) Anlagenkosten pro Jahr [t/a] [t/a] [t/a] [ / a] ,00 40t/ha [ / t FM ] 37, [ / a] ,00 40t/ha [ / t FM ] 46, [ / a] ,00 40t/ha 25t/ha 20t/ha [ / t FM ] 62,98 3. Substratkosten ,00 35, ,00 35, ,80 44,29 4. Gesamtkosten ,00 72, ,00 81, ,80 107,27 5. Erträge 5.1 Wirkarbeit [h] 5.2 Strom 5.3 Wirkarbeit 5.4 Vergütung (0,20 / kwh) [h] [kw] [kwh] ,00 79, ,08 90, ,04 136,31 6. Gewinn ,00 6, ,08 8, ,24 29,03 7. Flächenertrag (380 / ha) 9.500,00 1,33 8. Gesamtertrag ,00 6, ,08 10, ,24 29,03 9. Differenz Gesamtertrag , , ,24 Bioextrusion 14

15 Grassilagevergärung Bioextrusion 15

16 Rapssilagevergärung (ohne Körner) TS ots Biogasausbeute Rapssilage 282,23 original 56,83% 92,81% Nm³/t ots Rapssilage 376,97 extrudiert 67,14% 91,96% Nm³/t ots Zuwachs an Methanausbeute Methangehalt Methanausbeute Biogasausbeute 178,65 Nm³/t ots 63,3 Vol. % 227,69 Nm³/t ots 60,4 Vol. % 33,50% 27,50% Bioextrusion 16

17 Methanertragssteigerung durch Bioextrusion ohne Bioextrusion mit Bioextrusion 350,0 +14% +26% +50% +50% +74% +11% +69% +19% +73% +84% +268% +27% +16% 300,0 250,0 200,0 150,0 100,0 50,0 0,0 Maissilage Grassilage Stroh m. geringem Kornanteil GP-Feinschnitt Grassamenstroh Putenmist Rindermist-/Silagereste Tomaten (getrocknet) Traubentrester Gärreste (entwässert) Fermentersubstrat Rapssilage Hybridroggensilage Angaben in l N / kg ots Quellen: 1 Sächs. Landesanstalt f. Landwirtschaft, 2 Biogas Oberfranken, 3 Prüf- u. Forschungsinst. Pirmasens, Batchversuche nach VDJ 4630 Bioextrusion 17

18 Bio- Extrudiertechnik Durchsatzleistungen und Energieverbrauch für ausgewählte Biomassen Bioextrusion 18

19 Durchschnittlicher Energieverbrauch 24 Tendenz der Leistungswerte* des Gärsubstrates, bezogen auf TS Leistung [kwh/t FM] TS - Gehalt *) ermittelte Leistungswerte einschließlich: Dosierer, Schnecke / Band / Detektor, Bioextruder, Schnecke / Band 1 Biogasanlage 500 KW, Maissilage 30% TS, Einbring- und Aufschlusstechnik ca. 4,7 kwh/tfm (Agrofarm 2000)* 2 Biogasanlage 192 KW, Maissilage, GPS, Getreide 50% TS, Einbring- und Aufschlusstechnik ca. 7,4 kwh/tfm (Hertel, Möschwitz) beide Anlagen abgebildet in Heftchen Biogasanlagenbau eine weitere Abhängigkeit ergibt sich aus dem Rohfasergehalt des Substrates, dem Aschegehalt usw. * Wert aus Heft 19/2008 Biomasseaufbereitung zur Vergärung (Landesanstalt für Landwirtschaft) Bioextrusion 19

20 Bioliquid Verfahren (zum Patent angemeldet) ( A ) [ 1 ] Wäsche / Störstoffauslese [ 2 ] Vorseparation TS 22 24% (Schnecke) [ 3 ] Nachentwässerung mit kombiniertem Aufschluß [ 4 ] Konditionierung durch Fermentation (aerob) unter Perkolation einer stickstoffhaltigen Flüssigkeit (Dosierung / Steuerung von Stickstoff und Enzymverbindungen) [ 5 ] Hydrolyse [ 6 ] Separation / Trennung Preßsaft Fasergewinnung [ 7 ] Mischung mit Trockengut [ 8 ] Naßkompaktierung ( B ) [ I ] Preßsaftbehältnis [ II ] BG Erzeugung (anaerob) Bioextrusion 20

21 Bioliquid Verfahren (zum Patent angemeldet) 1 Annahmedosierer mit Wasserbad / Lufteintrag (40 C Wärmetauscher) 2 Ultraschallsedimentation 3 Störstoffaustrag über Kratzketten 4 Substratschnecke mit Re-/Entwässerung 5 Heißwasserzuführung (~ 70 C) 7 kombinierte Zerkleinerungs-/Homogenisierungsschnecke / Verdichtungsschnecke 8 Waschextruder mit Flüssigphasenschnecke und Aufschlußsystem 9 Zuführschnecke 10 Konditionierung mit Perkolation (Stickstoffzuführung / Enzyme bedarfsorientiert) 11 Förderschnecke mit Flüssigkeitsbesprühung 12 Separationspresse (TS 40-60%) 13 Förderschnecke für Presskuchenzufuhr, Konditionerer, Mischschnecke 14 Kompaktierextruder mit Schnabelmatritze 15 Flüssigtank / Zwischenpuffer / mit Temperaturführung Bioextrusion 21

22 Trocknungssysteme Plattenbandtrockner Trocknungscontainer Trockenboden Bioextrusion 22

23 Naßkompaktierung von Gärresten Bioextrusion 23

24 Naßpelletierung von Gärresten Bioextrusion 24

25 Gärrestaufbereitung zu Brennstoff (fest und gasförmig) und zu Langzeitdünger Kompaktierung Pellettierung Brikettierung Bioextrusion 25

26 Versuchsanlage am Institut für Abfallwirtschaft und Alt-lasten der TU Dresden (iaa) - Biogasomat Baureihe BGM 3 / 5000 MT Der Biogasomat dient zum Nachweis der Biogasausbeute an verschiedenen Grundsubstraten, insbesondere an Substraten mit höherem Feststoffanteil. Bioextrusion 26

27 Wir planen und bauen Ihre Biogasanlage! Bioextrusion 27

28 Anlagenbeispiele Anlagenbeispiel Unser Ziel: Zufriedene Kunden In der eigens erstellten Modell- und Demonstrationsanlage wurden neue vorteilhafte technische Lösungen integriert, so u.a.: patentiertes außenliegendes Turborührwerk kombiniertes Aufschluß-/Hydrolyseverfahren bei kurzen Verweilzeiten Gärrestseparation Gärresttrocknung mit Plattenbandtrockner, Trockencontainer und Trockenboden Düngemittelpelletierung des getrockneten Gärrestes mit Zusätzen Trockenfermentation 500 kw elektrisch Input: Ganzpflanzensilage Grassilage, Kleegrassilage Getreide, Mais Mist Landschaftspflege Thilo Lehmann, Geschäftsführer der LEHMANN Maschinenbau GmbH, Pöhl / Vogtlandkreis Bioextrusion 28

29 BGA Pöhl 500 kw el Bioextrusion 29

30 BGA Pöhl 500 kw el Vergütungssätze im Jahr ,00 25,00 Vergütung in Cent / kw el. 20,00 15,00 10,00 5,00 0, Güllebonus 4,00 4,00 4,00 4,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 Grundvergütung 11,67 11,67 11,67 11,67 9,18 9,18 9,18 9,18 9,18 9,18 9,18 9,18 KWK-Bonus 1,30 1,30 1,30 1,30 1,30 1,30 1,30 1,30 1,30 1,30 1,30 1,30 NawaRo-Bonus 7,00 7,00 7,00 7,00 7,00 7,00 7,00 7,00 7,00 7,00 7,00 7,00 Technologiebonus alt 2,00 2,00 2,00 2,00 2,00 2,00 2,00 2,00 2,00 2,00 2,00 2,00 Leistung in kw Bioextrusion 30

31 BGA Pöhl 500 kw el Vergütung , , , , , , ,00 Vergütung in , , ,00 0, Leistung in Stunden 500 kw 450 kw 350 kw 250 kw 150 kw Bioextrusion 31

32 Anlagenbeispiele Anlagenbeispiel Unser Ziel: Zufriedene Kunden Seit 2003 betreiben wir die Bioextrusion. Ein Mehrertrag von ca % Biogas und ein hoher TS-Gehalt um 14% im Gasaustauschfermenter, beim minimalen Eigenenergiebedarf von 2,4% mit geringen Verschleiß- und Wartungsarbeiten belegen die Wirksamkeit des Systems. Klaus Rank, Geschäftsführer der Agrofarm 2000 GmbH, Eichigt / Vogtlandkreis Naßfermentation 580 kw elektrisch Thermo- mechanische Aufschlussanlage mit Dosierer, Zuführband mit Metalldetektor, Bioextruder und Abführband. Input: Gras Mais Ganzpflanze Mist Stroh Gülle Bioextrusion 32

33 Anlagenbeispiele Anlagenbeispiel Unser Ziel: Zufriedene Kunden Naßfermentation 195 kw elektrisch Unsere Anlage läuft seit Beginn stabil und zuverlässig. Durch die Bioextrusion haben wir keine Schwimmschichten und einen Mehrertrag an Biogas bei den eingesetzten Substraten gegenüber KTBL*- Liste von 19%. * Kuratorium f. Technik und Bauwesen in der Landwirtschaft e.v. H. Hertel, Landwirt und Betreiber der Biogasanlage, Möschwitz Gmd. Pöhl / Vogtlandkreis Anlage mit: - Kratzkettendosierer 25 m³ - Band mit Detektor - Extruder MSZB 22e - Förderschnecke - Syphonschnecke Input: Grassilage Ganzpflanzensilage Maissilage Stroh Landschaftspflege Mist / Gülle Bioextrusion 33

34 Anlagenbeispiele Bioextrusion 34

35 Anlagenbeispiele Anlagenbeispiel Unser Ziel: Zufriedene Kunden bisheriger Zustand (ohne Extruder) Maissilage Grassilage Gülle Rührzeiten t/d nicht möglich gewesen t/d 40 min/h neuer Zustand (mit Bioextruder B74) Trockenfermentation 1,2 MW elektrisch Anlage mit: - Kratzkettendosierer 80 m³ - Band mit Detektor - Extruder MSZB 74e Input: Grassilage, Maissilage, Strohmist Maissilage Grassilage Gülle Rührzeiten Ziel: 42 t/d 24 t/d keine, wurde auf Trockenfermentation umgestellt => Techn.bonus 2 x 6 min/h Verarbeitung von 30% Strohmist => Güllebonus Hr. Wiersma, Geschäftsführer der Biogasanlage Prowind Nennhausen Bioextrusion 35

36 Anlagenbeispiele Unser Ziel: Zufriedene Kunden 60 installierte Bioextruder, zum Teil in Trockenfermentationsanlagen nach C.A.R.M.E.N. e.v., installiert 2004 bis 2007, sprechen für sich. Bioextruder MSZ B 55e Bioextrusion 36

37 Layout einer BGA mit 150 / 300 / 500 kw el. Bioextrusion 37

38 Kontakt LEHMANN Maschinenbau GmbH Jocketa Bahnhofstraße Pöhl Dipl. - Ing. Thilo Lehmann Tel.: (+49) (0)37439 / Fax: (+49) (0)37439 / anfrage@lehmann-maschinenbau.de Bioextrusion 38