Verfahrenstechnische Konzepte für kleine Biogasanlagen

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1 Verfahrenstechnische Konzepte für kleine Biogasanlagen Landesanstalt für Agrartechnik und Bioenergie Fachtagung Hohenheim 0 1 Biogasforschung in Hohenheim Hohenheimer Biogasertragstest 3x129 Kolbenprober (100 ml) BatchBetrieb Versuchsdurchgang: 40 verschiedene Varianten + Nullvariante + 2 Standardsubstrate mit je 3 Wiederholungen Biogaslabor für Durchflussversuche 2 1

2 Begriffsdefinitionen 3 Begriffsdefinition Grundbegriffe Biogas Fermenter: Gärbehälter zur Biogasproduktion Luftundurchlässig geschlossen isolierter + beheizter Gärbehälter Zufuhr von unvergorenem Substrat Fermenter Nachgärbehälter Quelle: Maciejczyk, FVB; FNR Handreichung Biogas 4 2

3 Begriffsdefinition Grundbegriffe Biogas Nachgärbehälter: Nachgeschalteter Fermenter zur Verlängerung der Verweilzeit Luftundurchlässig geschlossen isolierter + beheizter Gärbehälter Im Gegensatz zum Fermenter keine Zufuhr an Frischsubstrat Quelle: Maciejczyk, FVB; FNR Handreichung Biogas Fermenter Nachgärbehälter 5 Begriffsdefinition Grundbegriffe Biogas Lagerbehälter: Dient zur Lagerung des vergorenen Substrates Luftundurchlässig geschlossen oder offen Isolierung möglich aber keine Heizung (aktive Temperaturregulierung) Im Gegensatz zum Nachgärer keine Heizung Quelle: Maciejczyk, FVB; FNR Handreichung Biogas Nachgärbehälter Endlagerbehälter 6 3

4 Begriffsdefinition Grundbegriffe Biogas Verweilzeit = Nutzbares Fermentervolumen [m³] (HydraulicRetentionTime: HRT) Tägl. Substratvolumenstrom [m³/d] Verweilzeit: durchschnittliche Zeit, die das Substrat im Fermenter bleibt Theoretische Aufenthaltszeit im Fermenter Minimal notwendige Verweilzeiten aus prozesstechnischer Sicht: Substrat*: Rindergülle oder Schweinegülle Gülle + NawaRo NawaRoMonovergärung Verweilzeit: 40 Tage 80 Tage 100 Tage 7 Begriffsdefinition Grundbegriffe Biogas Raumbelastung [B R ] = Tägl. Substratmassenstrom [kg otm/d] Nutzbares Fermentervolumen [m³] Raumbelastung: Menge des organischen Materials, dass täglich dem nutzbaren Gärbehältervolumen zugeführt wird. Maß für die Belastung der Fermenterbiologie. Zielgrößen: Niedrige Belastung: < 2 kg ots/(m³*d) Mittlere Belastung: 2 4 kg ots/(m³*d) Hohe Belastung: > 5 kg ots/(m³*d) 8 4

5 Rechtliche Rahmenbedingungen und Anlagendimensionierung 9 Vorgaben des EEG 2012 für 75 kw Anlagen Die Vergütung beträgt 25 ct pro Kilowattstunde wenn: Die Stromerzeugung am Standort der Biogasanlage erfogt => kein Satelliten BHKW Die installierte Leistung max. 75 kw beträgt Durchschnittlich ein Anteil von Gülle von mind. 80 % eingesetzt wird Hier: Gülle im Sinne der Nr. 9 und 1115 der Anlage 3 der Biomasseverordnung 9. Pferdemist 14. Schweinefestmist 11. Rinderfestmist 15. Schweinegülle 12. Rindergülle 13. Schaftmist, Ziegenmist 10 5

6 Vorgaben des EEG 2012 für 75 kw Anlagen 6: Technische Vorgaben: (4) Anlagenbetreiber von Anlagen zur Erzeugung von Strom aus Biogas müssen sicherstellen, ste e dass bei der Erzeugung g des Biogases (1) ein neu zu errichtendes Gärrestlager am Standort der der Biogaserzeugung technisch gasdicht abgedeckt ist und die hydrauliche Verweilzeit in dem gasdichten und an eine Gasverwertung angeschlossenen System mindestens 150 Tage beträgt (2) Zusätzliche Gasverbrauchseinrichtungen zur Vermeidung einer Freisetzung von Biogas verwendet werden. Anforderungen nach Satz 1 gilt nicht, wenn Biogas ausschließlich aus Gülle im Sinne des 2 Satz 1 Nummer 4 des Düngegesetzes eingesetzt wird 11 Vorgaben des EEG 2012 für 75 kw Anlagen 75 kw Anlagen ausschließlich mit Gülle betrieben: Gülle im Sinne des 2 Satz 1 Nummer 4 des Düngegesetzes: Wirtschaftsdünger aus tierischen Ausscheidungen, auch mit geringen Mengen Einstreu oder Futterresten oder Zugabe von Wasser, dessen Trockensubstanzgehalt 15 % nicht übersteigt Kein Festmist Kein Feststoffdosierer an der Anlage Aber: Sowohl Tierhaltung zur Lebensmittelerzeugung als auch sonstige Tierhaltung in der Landwirtschaft 12 6

7 75 kw Anlage Schweinegülle Gülle GV Gülle/a Menge/a kg/d TSGehalt kg ots/d Schweinegülle 75 kw [m³/a] [m³/a] u [kg FM /d] [%] [kg/d] Schweinegülle 15 m³ , Rindergülle 20 m³ 7,5 Hühnertrockenkot t 50,0 Geflügelmist t 25,0 Festmist t 25,0 Kosubstrate AnbauflächeErtrag Menge/a kg/d TSGehalt kg ots/d [ha] [dt TS/ha] [dt/a] u [kg FM /d] [%] [kg/d] Silomais dt 33,0 Wiesen 45 schnittig dt 37,0 Wiesen 23 schnittig 0 70 dt 35,0 Körnermais 0 70 dt 86,0 GPS 0 85 dt 28,0 Getreide 0 68,8 dt 86,0 Wasser 0 m³ Faulsubstrat 0 m³ 5,0 Gesamt , BHKW Ist Wert Methan gesamt [m³/d] 473 Substratmenge [m³/d] 50 Biogasenergie [kwh] Verweilzeit [d] 40 Bruttoenergie (incl. ZÖ) [kwh] Raumbelastung [kg ots/m³*d 095 0,95 Wirkungsgrad elektrisch [%] 37 Zielwert max. 2,70 Elektrische Energie [kwh/tag] Elektrische Energie (incl. ZÖ) [kwh/tag] Fermentergröße [m³ netto] Laufzeit BHKW: [h/d] 23 Leistung, elektr. ZSBHKW [kw] Faulsubstratlager: [m³] Leistung, elektr. GASBHKW[kW] 76 vorhanden: [m³] zu errichten: [m³] Fahrsilo: [m³] Methan [m³/d] 473 Methan [m³/d] 473 Soll Wert 450 4, kw Anlage Rindergülle Gülle GV Gülle/a Menge/a kg/d TSGehalt kg ots/d Schweinegülle 75 kw [m³/a] [m³/a] u [kg FM /d] [%] [kg/d] Schweinegülle 15 m³ 4,2 Rindergülle 20 m³ , Hühnertrockenkot t 50,0 Geflügelmist t 25,0 Festmist t 25,0 Kosubstrate AnbauflächeErtrag Menge/a kg/d TSGehalt kg ots/d [ha] [dt TS/ha] [dt/a] u [kg FM /d] [%] [kg/d] Silomais dt 33,0 Wiesen 45 schnittig dt 37,0 Wiesen 23 schnittig 0 70 dt 35,0 Körnermais 0 70 dt 86,0 GPS 0 85 dt 28,0 Getreide 0 68,8 dt 86,0 Wasser 0 m³ Faulsubstrat 0 m³ 5,0 Gesamt , Methan [m³/d] 448 Methan [m³/d] 448 BHKW Ist Wert Methan gesamt [m³/d] 448 Substratmenge [m³/d] 30 Biogasenergie g [kwh] Verweilzeit [d] 40 Bruttoenergie (incl. ZÖ) [kwh] Raumbelastung [kg ots/m³*d 1,70 Wirkungsgrad elektrisch [%] 37 Zielwert max. 2,70 Elektrische Energie [kwh/tag] Elektrische Energie (incl. ZÖ) [kwh/tag] Fermentergröße [m³ netto] Laufzeit BHKW: [h/d] 23 Leistung, elektr. ZSBHKW [kw] Faulsubstratlager: [m³] Leistung, elektr. GASBHKW[kW] 72 vorhanden: [m³] zu errichten: [m³] Fahrsilo: [m³] 14 Soll Wert 4,50 7

8 Anlagen Planungsbeispiele Güllebedarf Fermenter Güllelager NaWaRo 75 kw Schweinegülle: 50 m³/d m³ netto m³ offen (40 d HRT; 4,2 % TS) 75 kw Rindergülle: 30 m³/d m³ netto m³ offen (40 d HRT; 7,9 % TS) Beispiele für 80 % Gülle, 20 % NaWaRo, 150 d gasdicht, 180 d Güllelager Güllebedarf Fermenter Güllelager NaWaRo 75 kw Schweinegülle: 12,5 m³/d m³ netto m³ offen*) 22 ha (150 d HRT; 4,2 % TS; 20 % Mais) 3,2 t/d 75 kw Schweinegülle: 12,5 m³/d 950 m³ netto m³ davon 22 ha (60 d HRT; 4,2 % TS; 20 % Mais) 50 % gasdicht *) 3,2 t/d *) offene Güllelager nur, sofern diese bereits am Betrieb vorhanden sind! 15 Anlagen Planungsbeispiele Beispiele für 80 % Gülle, 20 % NaWaRo, 150 d gasdicht, 180 d Güllelager Güllebedarf Fermenter Güllelager NaWaRo 75 kw Rindergülle: 11,1 m³/d m³ netto m³ offen*) 20 ha (150 d HRT; 7,9 % TS; 20 % Mais) 2,8 t/d 75 kw Rindergülle: 11,1 m³/d 850 m³ netto m³ davon 20 ha (60 d HRT; 4,2 % TS; 20 % Mais) 50 % gasdicht*) 2,8 t/d *) offene Güllelager nur, sofern diese bereits am Betrieb vorhanden sind! 16 8

9 Richtwerte zur Planung einer 75 kw Anlage Vorgehensweise bei der Anlagenplanung (80% Gülle, 20% NaWaRo): Prüfung der Kapazitäten der vorhandenen Endlager Ausreichende Kapazitäten vorhanden Keine ausreichenden Kapazitäten vorhanden Neubau: 1 großer Fermenter m³ Nutzvolumen 17 Neubau: 1 Fermenter, ca m³ Nutzvolumen und 1 gasdichtes, wärmegedämmtes Güllelager, mind m³ Nutzvolumen (HRT > 150 Tage gasdicht, Lagerdauer 180 Tage) Bauausführungen 18 9

10 Bauausführung 75 kw Anlage Fermenter: Betondecke oder Folienabdeckung? Warum? Wärmeeffizienz gewinnt besondere Bedeutung bei Kleinanlagen! 19 Wärmebilanz: 75 kw Schweinegülle 20 10

11 Wärmebilanz 75 kw Biogasanlage Wärmebilanz 75 kw Anlagen Reine Gülleanlagen sind wärmetechnisch kritisch Gute Wärmdämmung, Betondecke, keine Wärmeüberschuss bei Schweinegülle: Wärmerückgewinnung erforderlich Gülle + NaWaRo: 80% + 20 % Wärmeüberschuss nur bei Betondecke und guter Dämmung Überschuss abhängig von Bauausführung, Standort, Gärtemperatur Nutzbare Wärmemenge i.d.r. < 800 kwh (80 l Heizöl) / Tag 22 11

12 Bauausführung 75 kw Anlage Feststoffeintrag: Nur bei Anlagen 6 8 m³ Füllmenge Einmaliger Eintrag pro Tag reicht aus große Güllemenge => Prozessstabilität Nur Silomais als NaWaRo: einfache Dosierer Korrosionsbeständigkeit!! oder: große Eintragschnecke mit Trichter Grassilage, GPS und Festmist: Dosierer auf Vertikalmischerbasis 23 Bilder: Fliegl Sonderbauformen 24 12

13 Sonderbauformen 75 kw Anlage Bilder: BebraBiogas Agrikomp 25 Sonderbauformen 75 kw Anlage Systeme Kleinfermenter : z.b. Agrikomp GüllEwerk, Bebra, u.a. Sehr kurze Verweilzeit im Fermenter < 10 Tage Ungeeignet für reine Güllevergärung in Kombination mit offenem Gärrestlager, sehr schlechte Substratausnutzung 8020 Vergärung von Gülle + NaWaRo: Kombination mit großem, gasdichten Nachgärer erforderlich Mindestverweilzeit 150 d 26 13

14 Fazit und Ausblick Mit dem EEG 2012 werden interessante Anreize für Kleinanlagen geschaffen 100% Güllevergärung: g nur für sehr große Milchviehbetriebe und Bullenmäster interessant (ab ca. 550 GV) Gülle NaWaRo Anlagen (80%20%) stellen verfahrenstechnisch neue Herausforderungen an die Anlagentechnik: Niedrige Investitionskosten, da sonst keine ausreichende Wirtschaftlichkeit darstellbar Gleichzeitig: Besondere Bedeutung der Wärmeeffizienz und Wärmedämmung Anforderungen des EEG 2012 müssen erfüllt sein => Betriebsindividuelle Anpassung der Anlagen erforderlich 27 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Kontakt: Dr. A. Lemmer Landesanstalt für Agrartechnik und Bioenergie Garbenstr. 9, Stuttgart Tel / ForschungsBiogasanlage Unterer Lindenhof 28 14

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