Praxisvergleich Pfropfenstromfermenter Rührkesselfermenter

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1 Praxisvergleich Pfropfenstromfermenter Rührkesselfermenter Eine verfahrenstechnische-, biologische-, energetische- und ökonomische Gegenüberstellung Projekt und Ergebnisvorstellung Osnabrück 12. Juni 2008 Dipl. Ing. (FH) Thomas Ehrmann Dipl. Ing. (FH) Michael Köhnlein Novatech GmbH, Wolpertshausen

2 Novatech Gmbh in Wolpertshausen Ziel ist es umweltfreundliche Technologie zu entwickeln, herzustellen, zu vertreiben und bei deren Anwendung zu beraten. 2

3 Meilensteine der Firmengeschichte: Stand und Entwicklung 1985 Gründung der Fa. Novatech mit Firmensitz in Vellberg 1990 Erste Biogasanlage 1992 Erste Fotovoltaikanlage 1996 Biogasanlage Wolpertshausen mit Nahwärmenetz 2003 Installierte PV-Leistung von kw p 2004 Erste PV-Gemeinschaftsanlage 2004 Initiierung einer Dach-Miet-Börse 2005 Installierte PV-Leistung von knapp kw p und BP Zertifizierung 2006 Bezug des neuen Firmensitzes in Wolpertshausen mit Anschluss an das Biogas-Nahwärmesystem Anzahl der Mitarbeiter: ca

4 Geschäftsfelder Planung und Realisierung von Biogas, - Fotovoltaik- und Solarthermieanlagen unter Einsatz von umweltschonender Technologie Biogas Fotovoltaik Solarthermie Grob- und Vorplanung Genehmigungsplanung Bau der kompletten Anlage Service, Wartung Prozessbetreuung Laboranalysen Repowering Planung Bau Service, Wartung Monitoring Dachmietbörse Gemeinschaftsanlagen Planung Bau Service, Wartung

5 Biogasanlagen von Novatech GmbH 35 Biogas-Projekte Anzahl 15 Inbetrieb-nahme

6 Standort Wolpertshausen Windenergie: kw 25% Biogas: 250 kw 25% Speicherturm für Nahwärmenetz in Wolpertshausen-Ost Photovoltaik: 880 kw 15% Wolpertshausen schafft 73% Eigenversorgung! Wasserkraft: kwh/a 8% 6

7 Projektvorstellung Diplomarbeit der FH Weihenstephan Außenstelle Triesdorf Diplomand: Dipl. Ing. (FH) Agr. Michael Köhnlein Novatech baut verschiedene Anlagentypen, keine Standardlösungen in unmittelbarer Nähe des Firmensitzes werden zwei landwirtschaftliche BGAs betrieben mit aber praktisch identischem Faulraumvolumen ähnlicher Gasleistung ähnlicher Substratmischung völlig unterschiedlicher Fermentertechnik Pfropfenstromfermenter Rührkesselfermenter Fragestellung: Wie wirkt sich die unterschiedliche Fermentertechnik auf Betrieb, Biologie, Kosten und Wirtschaftlichkeit aus? Messkampagne der Diplomarbeit: August 2007 Januar 2008, aufbauend auf Ergebnisse aus Betriebspraktika 7

8 Projektanlagenvorstellung Pfropfenstromfermenter (Parallelbetrieb) BHKW: Fermenter: Nachgärlager: Substrat: Rührwerk: Besonderheit: 370 kw Gasmotor 2 x 583 m³ Bruttovolumen m³, mit Gasspeicherhaus Rindergülle, Putenmist, Nawaro (Maissilage, GPS) 2 x Haspelrührwerke (Fa. Novatech) Eigenbau Feststoffeintrag 8

9 Projektanlagenvorstellung Stromleitung Heizölleitung Heizung 9

10 Projektanlagenvorstellung Rührkesselfermenter BHKW: Fermenter: Nachgärlager: Substrat: Rührwerk: Besonderheit: 2 x 250 kw Zündstrahlmotoren m³ Bruttovolumen, Betondecke m³, Tragluftfolienabdeckung mit Gasspeicher Schweinegülle, Putenmist, Nawaro (Maissilage, GPS) 2 x Tauchmotorrührwerke Nahwärmeversorgung von 3 Putenställen, Separation 10

11 Projektanlagenvorstellung Schweinegülle Putenmist Silo mais Separator Rührkesselfermenter: BD1060 m³ Nachgärlager: 1885 m³ Rührkesselfermenter: BD1060 m³ Nachgärlager: 1885 m³ 2 x 250 kw BHKW s Wohnhaus Wärmeverteiler Kondensatabscheider Legende: Heizöltank Substratleitun g Gasle itung Stromleitung Heizung Hei zöll ei tung Notkühler ursprünglich ausgelegt auf 180 kw!!!! 11

12 Projektanlagengegenüberstellung Rührkesselanlage Pfropfenstromanlage Fermenter Rührkesselanlage mit Betondecke Netto-Reaktorvolumen ca. 937 m³ 2 Propfenstromfermenter Netto-Reaktorvolumen insgesamt 997 m³ BHKW 2 Zündstrahl - BHKW der Firma Schnell mit je 250 kw el Gas - BHKW der Firma MDE mit 370 kw el Feststoffeintrag Fliegl BAC 480 Abschiebecontainer auf Fermenterdecke; Volumen 27 m³ Eigenkonstruktion; Volumen 54 m³ mit nach oben fördernde Schnecken Einspeisepumpe Armatec 20 m³/h Armatec 20 m³/h Rührwerk 2 Flygt Tauchrührwerke schnelllaufend mit einer Leistung je 15,5 kw Novatech - 2 Haspelrührwerke langsamlaufend mit einer Leistung je 4 kw Gasspeicher Tragluftfoliendach über Nachgärlager Gasspeicherhaus über Nachgärlager Separationseinheit Separator Eckhardt Pumpe Armatec nicht vorhanden 12

13 Vorgehensweise - Verfahrenstechnik Ermittlung Verfahrenstechnische Parameter Tägliche Erfassung der Inputmenge 1 x wöchentliche Substrat und Gärsubstratanalyse Raumbelastung Verweildauer Abbauleistung (abgebaute ots-menge) Ermittlung Prozessbiologische Parameter 1 x wöchentliche Substrat und Gärsubstratanalyse ph-wert Leitfähigkeit FOS/TAC ph-meter FOS/TAC 2000 Leitfähigkeit 13

14 Vorgehensweise - Energiebedarf Ermittlung des Energiebedarf zur Prozesserhaltung über Strom- und Wärmezähler Installationsorte der Aggregate Stromzähler (zusätzliche Erfassung des Gesamtverbrauchs) Rührkesselfermenter Pfropfenstromfermenter BHKW 1 X X Notkühler 1 X X BHKW 2 Notkühler 2 X X Feststoffeintrag X X Vorgrubenpumpe X X Rührwerk X X Separationseinheit X 14

15 Vorgehensweise - Ökonomie Vergleich über eine Mehrperiodische Vollkostenrechnung der Fermenter Geeignete Schnittstelle für eine Gegenüberstellung wegen kaum trennbaren Anlagenkomponenten (Rührwerk) Ähnliche Betriebsorganisation (Substrate, Raumbelastung) Abzinsen der Kosten auf die Gegenwart Quelle: Ströbel (2007) Ermittlung der spezifischen Fermenterkosten Variablen Kosten (Betriebskosten, Reparaturkosten) Feste Kosten (Investition, Versicherung) 15

16 Ergebnisse Ergebnisse Verfahrenstechnische Parameter - Fütterungsplan Durchschnittliche Substratinputmenge Pfropfenstromfermenter Substratzusammensetzung Rindergülle Mais Putenmist Getreide Gesamt [t FM] [t FM] [t FM] GPS [t FM] [t FM] 5,0 16,7 3,4 0,2 25,3 Durchschnittliche Substratinputmenge Rührkesselfermenter Substratzusammensetzung Schweingülle [t FM] Rezikulat [t FM] Mais [t FM] Putenmist [t FM] Getreide GPS [t FM] Gesamt [t FM] 2,0 12,0 12,8 2,3 4,0 33,2 Notwendigkeit!! 16

17 Ergebnisse Verfahrenstechnik Raumbelastung (B R ) und Verweildauer (HRT) Rührkesselfermenter HRT Rührkesselfermenter BR Pfropfenstromfermenter HRT Pfropfenstromfermenter BR 60 8 Verw weildauer [d] Starkregenereignis Gärrestausbringung Raumb belastung (BR) Mai. 25. Jun. 25. Jul. 25. Aug. 25. Sep. 25. Okt. 25. Nov. 25. Dez. Nahezu gleiche Raumbelastung von 6-7 kg ots/ (m³xd) Raumbelastung blieb konstant Verweilzeit blieb konstant (Rührkessel 28 Tage; Pfropfenstrom 39 Tage) Unterschiede in der Verweilzeit von 10 Tagen (Höhere Frischmassenzufuhr im Rührkesselfermenter durch erforderliche Rezirkulation) 17

18 Ergebnisse Verfahrenstechnik Ergebnisse Verfahrenstechnische Parameter - Verweildauer Platzregen Verweildauer Gärrestausbringung Verwei eildauer [d] Pfropfenstromfermenter Rührkesselfermenter Mai. 25. Jun. 25. Jul. 25. Aug. 25. Sep. 25. Okt. 25. Nov. 25. Dez. Untersuchungszeitraum - Verweilzeit blieb konstant (Rührkessel 28 Tag; Pfropfenstrom 39 Tage) - Unterschiede in der Verweilzeit von 10 Tagen (Höhere Frischmassenzufuhr im Rührkesselfermenter erforderlich) 18

19 Ergebnisse Verfahrenstechnik Abbauleistung Rührkesselfermenter Pfropfenstromfermenter 100% 90% 80% Abbaugrad [%] Relativer 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% Abbauleistung variierte mit ots-gehalt und Inputmenge der Ration (Rührkessel 4 kg ots/(m³xd) ; Pfropfenstrom 4,5 kg ots/(m³xd)) Unterschiede in der Abbauleistung von 0,5 kg ots/(m³xd) 19

20 Ergebnisse Verfahrenstechnik Vergleich tatsächlicher und theoretischer Biogasertrag im Pfropfenstromfermenter Theoretischer Biogasertrag Tatsächlicher Biogasertrag Biogasertrag [Nm³/d] Mai. 07 Jun. 07 Jul. 07 Aug. 07 Sep. 07 Okt. 07 Nov. 07 Dez

21 Ergebnisse Verfahrenstechnik Vergleich tatsächlicher und theoretischer Biogasertrag im Rührkesselfermenter Theoretischer Biogasertrag Tatsächlicher Biogasertrag Biogasertrag [N m³/d]

22 Ergebnisse Verfahrenstechnik Ergebnisse Prozessbiologische Parameter ph-wert ph - Wert der Fermenter 8,5 8 ph - Wert 7,5 7 Untersuchungspause Rührkesselfermenter Pfropfenstromfermenter A Pfropfenstromfermenter B 6, Mai. 21. Jun. 21. Jul. 21. Aug. 21. Sep. 21. Okt. 21. Nov. Untersuchungszeitraum - Der ph-wert blieb nahezu Konstant - Beide Fermenter befinden sich in einem guten Prozessstabilen ph- Wert-Bereich trotz hoher Raumbelastung 22

23 Ergebnisse Verfahrenstechnik Ergebnisse Prozessbiologische Parameter elektrische Leitfähigkeit Leitfähigkeit 30 Leitfähig gkeit [ms/cm] Rührkesselfermenter Pfropfenstromfermenter A Pfropfenstromfermenter B Mai. 25. Jun. 25. Jul. 25. Aug. 25. Sep. 25. Okt. 25. Nov. 25. Dez. Untersuchungszeitraum -Eine leicht sinkende Tendenz der Leitfähig im Untersuchungszeitraum (kritischer Bereich 60 ms/cm) 23

24 Ergebnisse Verfahrenstechnik Ergebnisse Prozessbiologische Parameter FOS/TAC-Wert FOS/TAC 0,60 0,50 FO OS/TAC 0,40 0,30 0,20 0,10 Rührkesselfermenter Pfropfenstromfermenter A Pfropfenstromfermenter B 0, Mai. 25. Jun. 25. Jul. 25. Aug. 25. Sep. 25. Okt. 25. Nov. 25. Dez. Untersuchungszeitraum - Schwankungen im FOS/TAC verlauf -FOS/TAC-Wert liegt bei beiden Fermentern im stabilen Bereich (opt. 0,2 0,5) 24

25 Ergebnisse Verfahrenstechnik FOS/TAC-Wert Pfropfenstromfermenter M3 FOS und TAC [g/kg] 20,00 18,00 16,00 14,00 12,00 10,00 8,00 6,00 4,00 2,00 0,00 FOS/TAC FOS [g/kg] TAC [g/kg] ,00 0,90 0,80 0,70 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 0,00 FOS/TAC 25

26 Ergebnisse Verfahrenstechnik FOS/TAC-Wert Rührkesselfermenter FOS/TAC FOS [g/kg] TAC [g/kg] 20 1, , ,80 FOS und TAC [g/kg] ,70 0,60 0,50 0,40 0,30 FOS/TAC 4 0,20 2 0, ,00 26

27 Ergebnisse Verfahrenstechnik FOS/TAC-Wert Pfropfenstromfermenter an 3 Messpunkten FOS/T TAC 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 0,00 mittlerer FOS/TAC-Wert mittlerer ph-wert Feststoffeintrag Überlauf 7,85 7,80 7,75 7,70 7,65 7,60 7,55 Messstelle 1 Messstelle 2 Messstelle 3 ph-w Wert abnehmender FOS/TAC Wert zunehmender ph-wert 27

28 Ergebnisse Verfahrenstechnik Vergleich Biogasproduktion [m³/h] und Raumbelastung (BR) 350 Rührkesselfermenter Rührkesselfermenter (BR) Pfropfenstromfermenter Pfropfenstromfermenter (BR) Biogasproduktion [m 3 /h] Raumbelastung (B R ) Mai. 07 Jun. 07 Jul. 07 Aug. 07 Sep. 07 Okt. 07 Nov. 07 Dez

29 Zusammenfassung der Verfahrenstechnik Verfahrenstechnische Parameter Gleiche Raumbelastung Gegenüberstellung war möglich Verweilzeit war bei der Rührkesselanlage um ca. 10 Tag kürzer durch hohe Frischmasseninput (notwendiges Rezirkulat) Errechneter höherer ots-abbau des Pfropfenstromfermenter von 0,5 kg ots/(m³xd) Prozessbiologische Parameter kaum prozessrelevante Unterschiede der Fermenter wurden festgestellt trotz hoher Raumbelastungen Mögliche Ursachen: Putenmist wirkt puffernd Hohe Rezirkulatmenge aus dem NGL (puffernde Wirkung) 29

30 Ergebnisse Energiebedarf Direkter Vergleich Pfropfenstromfermenter Rührkesselfermenter Haspelrührwerke Rührwerk Tauchmotorrührwerke 192 kwh (24 h) Nennleistung pro Tag 248 kwh (5 h) 110 kwh pro Tag 221 4,2 kwh pro Tonne FM 6,6 Gas - BHKW (94%) BHKW Zündstrahl BHKW (80%) 136,2 kwh pro Tag 171,5 0,018 kwh pro kwh 0,018 ohne Nahwärmenetz Notkühlung mit Nahwärmenetz 52,0 kwh pro Tag 0,0 Eigenkonstruktion Feststoffeintrag Abschiebecontainer 25,9 kwh pro Tag 7,3 1,0 kwh pro Tonne FM 0,36 30

31 Ergebnisse Energiebedarf Direkter Vergleich Pfropfenstromfermenter Exzenterschneckenp. 0,8 0,1 nicht vorhanden Einspeisepumpe kwh pro Tag kwh pro m³ Separation kwh pro Tag Rührkesselfermenter Exzenterschneckenp. 2 0,4 Schneckenseparator 5,8 kubischer Fermenter Wärmebedarf zylindrischer Fermenter 443,7 17,5 kwh pro Tag kwh pro Tonne FM 227,9 6,8 31

32 Ergebnisse Energie Gesamtüberblick Stromverbrauch Pfropfenstromfermenter Prozentualer Stromverbrauch Pfropfenstromfermenter 15% 13% Rest 6% Rührwerke 29% BHKW Feststoffeintrag 37% Notkühler Gesamtverbrauch 5 % (inkl. Notkühler, ca. 0,5 %) 32

33 Ergebnisse Energie Gesamtüberblick Stromverbrauch Rührkesselfermenter Prozentualer Stromverbrauch Rührkesselfermenter 15,42% 1,10% 10,95% 29,05% 0,91% Rührwerke im NGL mit fast gleicher Laufzeit wie im Fermenter Rest 42,42% Rührwerk Fermenter BHKW 1 BHKW 2 Feststoff Separation Gesamtverbrauch 7 % 33

34 Ergebnisse Energie Wärmeverbrauch Wärmebedarf zur Umgebungstemperatur Rührkessel Oberfläche/Volumen 0,7 m²/m³ Wärmebedarf [kwh/d] Mai. 25. Jun. 25. Jul. 25. Aug. 25. Sep. 25. Okt. 25. Nov. Untersuchungszeitraum 25. Dez Umgebungstemperatur gstemperatur [ C] Rührkesselfermenter Pfropfenstromfermenter Umgebungstemperatur - Boden, Decke und Wand - Isolierungsstärke 6 cm Pfropfenströmer - Oberfläche/Volumen 0,9 m²/m³ - Decke und Wand - Isolierungsstärke 10 cm - bei Rührkesselfermenter diskontinuierlich Wärmezufuhr - Geringerer Heizbedarf des Rührkesselfermenter 34

35 Zusammenfassung Energiebedarf Eigenstrombedarf größter Unterschied im Rührenergiebedarf um ca. 100 kwh/d des Rührkesselfermenters lange Rührzeiten durch hohen TS-Gehalt des Gärsubstrates Stromaufnahme an der Nennleistung durch hohe Viskosität bei der Rührkesselanlage wurde eine höhere Reststrommenge festgestellt längere Rührzeiten im NGL erforderlich (schlechter Abbau?) Strombedarf des Nahwärmenetz nicht Erfasst Wärmebedarf des Rührkesselfermenter war geringer großer Unterschied im Oberflächen/Volumen Verhältnis (Geometrisch bedingt) hohe Mengen an warmen Rezirkulat 35

36 Ergebnisse Ökonomie Kostenbereiche Rührkesselfermenter Verteilung der Kosten in der Laufzeit von 20 Jahren Rührkesselfermenter 1% 9% 2% 4% 3% 3% 40% Investition Variable Kosten Wartung Rührw erk Feste Kosten Wartung Fermenter Wartung Separator Entleerung 38% Wartung Rührw erksmast Gesamtkosten Jahreskosten Betriebskosten 1,06 Cent/pro. kwh* * bei 400 kw installierter Leistung und 8000 Volllaststunden 36

37 Ergebnisse Ökonomie Kostenbereiche Pfropfenstromfermenter Verteilung der Kosten in der Laufzeit von 20 Jahren Pfropfenstromfermenter 19% 7% 4% 4% 4% 62% Investition Variable Kosten Wartung Rührw erk Feste Kosten Wartung Fermenter Wartung Rührw erksmotor Gesamtkosten Jahreskosten Betriebskosten 1,08 Cent/pro. kwh* * bei 400 kw installierter Leistung und 8000 Volllaststunden 37

38 Ergebnisse Ökonomie Gesamtkostern der Fermenter-Laufzeit 20 Jahre Rührkessel Pfropfenstömer Wartung Rührw erksmast Entleerung Wartung Separator Wartung Fermenter Feste Kosten Wartung Rührw erksmotor Wartung Rührw erk Variable Kosten Investition - höhere Investitionskosten des Pfropfenströmers - großer Unterschied in den variablen Kosten (Energiebedarf) 38

39 Ergebnisse Ökonomie Geringer Kostenvorteil des Rührkesselfermenter (641 pro Jahr) bei maximalen Auslastung des Fermenters!!! hohe Betreiberfähigkeit erforderlich!!! weitere Kostensenkung des Pfropfenstromfermenters möglich Leistungssteigerung der Gesamtanlage Veränderung der Substratration 39

40 Schlussfolgerung Prozesssicherheit ist bei beiden Anlagen gegeben - keine wesentliche Unterschiede Verfahrenstechnische Unterschiede in der Verweilzeit und Abbauleistung Ermittlung der genauen Abbauleistung über Gasertrag noch erforderlich große Unterschiede im Energiebedarf durch die eingesetzte Rührwerkstechnik Fermenterbauweise bzw. Rührwerkstechnik muss an die Inputstoffe angepasst sein es gibt keine Standardanlagen höheres Leistungspotenzial im untersuchten Pfropfenstromfermenter erkennbar Rührwerkleistung nur halb ausgeschöpft Kostendegression bei größerer Leistung bessere Variabilität in den Inputstoffen des Pfropfenstromfermenter (hohe Substratpreise) höhere Mengen an problematischen Substrate wie Gras und Putenmist möglich 40

41 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! und schauen Sie doch einfach mal rein 41