5. Fachtagung Biogas 2010 Chancen und besondere Effekte der zweistufigen Biogastechnologie

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Matthias Baumhauer
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1 5. Fachtagung Biogas 2010 Chancen und besondere Effekte der zweistufigen Biogastechnologie Prof. Dr. G. Busch,

2 INHALT 1. Prinzip der Zweistufigkeit 2. Systemvorteile der zweistufigen Biogastechnologie 3. Technologische Beispiele 4. Zusammenfassung

3 Maische Hydrolysat Ablauf Prinzip der zweistufigen Biogastechnologie Hydrolyse Methanisierung Substrat bioverfügbare Stoffe: Kohlenhydrate Fette Eiweiße H 2, CO 2, Essigsäure Propionsäure, Buttersäure, Alkohole, andere org. Verbindungen H 2, CO 2, Essigsäure Prozesswasserrücklauf Bakterienmasse Bakterienmasse Bakterienmasse Methan, CO 2 Biogas Hydrolysegas Biogas Biogas Fermentative Maischbehälter Bakterien Acidogene Bakterien Acetogene Bakterien Methanogene Bakterien Nicht hydrolysierter Feststoff Schlamm Gärrest

4 Prinzip der zweistufigen Biogastechnologie

5 Systemvorteile der zweistufigen Biogastechnologie Durch die apparative Trennung von Hydrolyse und Methanisierung entfällt die strikte Wahrung des Gleichgewichts von Säurebildung und verbrauch. Dadurch erhöht sich a priori die Stabilität des Gesamtprozesses. Das Hydrolysegas enthält einen hohen Anteil des insgesamt gebildeten Kohlendioxids. Dadurch reichert sich das Methan im Biogas an und kann Konzentrationen > 80 % erreichen. Dieses Gas-Splitting erlaubt niedrigere Kosten für die Reinigung des Gases zur Netzeinspeisung. Die Biogasproduktion kann mit geringer Zeitverzögerung direkt durch die Zugabe an Hydrolysat bedarfsabhängig gesteuert werden. Nicht bioverfügbare Bestandteile des Substrats können bereits schon in der Hydrolyse ausgeschleust werden und belasten nicht den Methanreaktor. Durch die Zugabe von nahezu feststofffreiem Hydrolysat in die Methanisierung können dort Hochleistungssystem (z. B. Festbettreaktoren) mit hoher Gasproduktivität (> 10m³/(m³*d) und kurzen Verweilzeiten (<24 h) verwendet werden.

Systemvorteile der zweistufigen Biogastechnologie Steuerbarkeit der Biogasproduktion Abschalten der Hydrolysatzugabe in den Methanreaktor Abschalten der Hydrolysatzugabe in den

6 Systemvorteile der zweistufigen Biogastechnologie Steuerbarkeit der Biogasproduktion Abschalten der Hydrolysatzugabe in den Methanreaktor Abschalten der Hydrolysatzugabe in den Methanreaktor Schnelles Zuschalten der Hydrolysatzugabe in den Methanreaktor Langsames Zuschalten der Hydrolysatzugabe in den Methanreaktor Versuchszeit [h]

7 Systemvorteile der zweistufigen Biogastechnologie Es bestehen deutlich mehr verfahrenstechnische Optionen für die Anpassung der Technologie an das Substrat. Daher sind zweistufige Verfahren insbesondere für die Verwertung von Substrate ändernder Zusammensetzung (Abfälle) geeignet. Durch konstruktive Maßnahmen und/oder die Verfahrensführung kann eine Trennung von hydraulischer Verweilzeit und Feststoffverweilzeit erfolgen. Die aktive Biomasse (Biozönosen) können so sicher im Reaktor gehalten werden. Der deutliche geringere Feststoffgehalt im Methanreaktor reduziert den notwendigen Energieeintrag zur Homogenisierung. Die auftretenden Schergefälle sind geringer. Die mechanisch empfindlichen Biozönosen (Biofilme, Flocken, Pellets) werden daher geschont und sind produktiver.

8 Technologische Beispiele Einstufige Prozesse Vorbehandlung Fermenter Verwertung / Beseitigung der Gärreste - Zerkleinerung - Mischung - Anmaischen Flüssigkeiten und suspendierte Feststoffe CSTR Schlammbett UASB Düngemittel oder Deponierung (nach Trocknung und Nachrotte) Beispiele: Gülle Gülle und Kofermentate Abwasser

9 Technologische Beispiele Zweistufige Prozesse Vorbehandlung Hydrolyse Methanisierung Verwertung / Beseitigung der Gärreste - Zerkleinern - Sortieren - Mischen - Anmaischen Flüssige Substrate Suspensionen Anpassung an das Substrat! CSTR Schlammbett Festbett CSTR Schlammbett Nach Teilchengrößen, - konzentration, Prozessintensität CSTR Schlammbett Festbett UASB Düngemittel oder Beseitigung oder Wertstofftrennung EBS - Herstellung Schüttgut Perkolation Trockenfermentation

10 Technologische Beispiele Biogas mit erhöhtem Methananteil Anreicherung des Methangehaltes im Biogas durch Nutzung des aus der Hydrolyse herstellbaren Wasserstoffs Wasserstoff Kohlendioxid Obersäule mit überwiegend hydrogenotropher Methanbildung biogener Einsatzstoff Hydrolysegas Untersäule mit überwiegend acetotrophe Methanbildung Kohlendioxidabtrennung (hyper-)thermophile Hydrolyse Hydrolysat Methanreaktor Bisherige Ergebnisse: Methankonzentration bis 94 % - Nahezu 100 % Umsatz des eingesetzten Wasserstoffs fester Hydrolyserest Rücklaufwasser Überschusswasser Rücklaufwassertank

11 Technologische Beispiele Der Schlammbettreaktor Sequencing batch reactor im anaeroben Betrieb Biogas Der Rieselbettreaktor Anaerob betriebenes Rieselbett Flüssiges Substrat niedriger Konzentration Biogas Biogas overflow filling Settling Residues + sludge Vorteile: hohe Leistung u. Stabilität, kurze Verweilzeit unempfindlich gegenüber suspendierten Feststoffen geringer Energieeintrag Für ein- und mehrstufige Prozesse Gasförmiges Substrat, e.g. CO 2 + H 2 Prozesswasserkreislauf Ablauf

12 Technologische Beispiele CC HS -Technologie Überschuss- W indenergie Mit der Überschuss-Windenergie kann die Grundlast der Energieversorgung durch Kohlekraftwerke umweltfreundlich gesichert werden! H 2 O Elektrolytische W asserzerlegung O 2 Zw ischenspeicher Kohle H 2 Kombination? Zw ischenspeicher CO 2 CC-Kraftwerk Oxifuel Energie H 2 O Carbon Credits! Biologische Methansynthese CH 4 Gasnetz Upgrading zu Bioerdgas CO 2 Zw ischenspeicher Die biologische Methansynthese benötigt keinen anderen Input als CO 2 und H 2. Zweifache Nutzung des Kohlenstoffs! CO 2 ca. 50 % Ablagerung wie Storage beim CCS

$und Speiseabfällen 100,00 90,00 88,74 biogenic fraction 80,00 Results of standard biogas test DS 24.5 6 % Temperature 55 70,00 C VS 22.9 1.$ 1 % Composition of the restaurant waste ph start 7.6 60,00 TOC 51.5 6.1 % ph end 7.8 50,00 TN 2.3 0.4 % DS degradation rate 72.

1 % Composition of the restaurant waste ph start 7.6 60,00 TOC 51.5 6.1 % ph end 7.8 50,00 TN 2.3 0.4 % DS degradation rate 72.

13 biogenic Material Fine Paper Plastic glass Wood waste Metal Textile Composite Inert Residue % Technologische Beispiele Biogas aus Restaurant- und Speiseabfällen 100,00 90,00 88,74 biogenic fraction 80,00 Results of standard biogas test DS % Temperature 55 70,00 C VS % Composition of the restaurant waste ph start ,00 TOC % ph end ,00 TN % DS degradation rate 72.0 % 40,00 VS degradation rate 80.5 % 30,00 biogas yield 1079 l/(kg VS) 20,00 methane yield l/(kg VS) 10,00 3,90 4,00 2,00 0,20 0,10 0,10 0,10 0,56 0,20 0,10 0,00

14 Technologische Beispiele Substratspezifische Hydrolyse kann die Ausbeute erhöhen! input Hydrolysis gas filling Settling Biogas overflow Residues + sludge Hydrolysis as CSTR, methanation as sludge bed reactor Hydrolysis gas hydrolysis HRT 3 d 3.5 d VS degradation rate 67 % 90 % methanation Methane yield l/(kg VS) Ratio (actual/maximum) 53 % Both at thermophilic conditions Biogas hydrolysis HRT 2 d 3.5 d VS degradation rate 75 % 90 % methanation input Methane yield l/(kg VS) Ratio (actual/maximum) 85 % Hydrogen yield Both at thermophilic conditions 179 l/(kg VS) filling Settling residues Settling overflow Both hydrolysis and methanation as sludge bed reactor excess sludge

15 Technologische Beispiele Hydrolyse durch Perkolation Hydrolysis gas Biogas input overflow Hydrolysis residues filling Settling excess sludge Both at thermophilic conditions hydrolysis methanation HRT 3 d 3.4 d VS degradation rate 71 % 90 % Methane yield l/(kg VS) Ratio (actual/maximum) 90 %

16 Zusammenfassung Zweistufige Biogasverfahren sind grundsätzlich stabiler als einstufige. Die verfahrens- und apparatetechnische Trennung von Hydrolyse und Methanisierung gestattet die optimale Anpassung an die Substrate und somit eine höhere Ausbeute. Mit zweistufigen Verfahren kann durch ein Gassplitting die Methankonzentration im Biogas wesentlich erhöht werden. Die Trennung von Feststoff- und hydraulischer Verweilzeit erlaubt die deutliche Verkürzung der mittleren Verweilzeiten bei hoher Biogasproduktivität. Zweistufige Verfahren sind insbesondere zur Verwertung schwieriger Substrate (Feststoffe, wechselnde Zusammensetzung, hohe Störstoffanteile, etc.) geeignet. Ich danke für Ihre Aufmerksamkeit!

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