Gärrestaufbereitung - Restgaspotentiale und Erfahrungswerte aus der Praxis

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Kristian Beltz
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1 Gärrestaufbereitung - Restgaspotentiale und Erfahrungswerte aus der Praxis Professur für Agrartechnologie und Verfahrenstechnik Dr. agr. Jörg Burgstaler, Dr. agr. Denny Wiedow, Prof. Dr. agr. habil. Norbert Kanswohl UNIVERSITÄT ROSTOCK FAKULTÄT AGRAR- UND UMWELTWISSENSCHAFTEN

2 Gliederung Vorstellung der Professur Hintergrund Verfahren der Gärrestbehandlung Gärrestseparation mechanische Trennverfahren Untersuchungsergebnisse der Professur TS-Gehalte Restgaspotential Fazit UNIVERSITÄT ROSTOCK FAKULTÄT AGRAR- UND UMWELTWISSENSCHAFTEN 2

Projektleitung und Team der Professur Agrartechnologie und Verfahrenstechnik Schwerpunkte der Professur: Optimierung von Haltungsverfahren für

Nebenprodukte Energiepflanzen Organisation und Betreuung der Projekte Prof. Dr. Kanswohl, Dr. Wiedow, Dr. Burgstaler, Dr. Schlegel, C. Klatt, B.

3 Projektleitung und Team der Professur Agrartechnologie und Verfahrenstechnik Schwerpunkte der Professur: Optimierung von Haltungsverfahren für landwirtschaftliche Nutztiere Aufbereitung/ Verwertung der in der Tierhaltung anfallenden Abprodukte sowie der landwirtschaftlichen Rest-/ Nebenprodukte Energiepflanzen Organisation und Betreuung der Projekte Prof. Dr. Kanswohl, Dr. Wiedow, Dr. Burgstaler, Dr. Schlegel, C. Klatt, B. Ibrahim Labor M. Beck, Dr. Wiedow, Dr. Burgstaler, C. Klatt, B. Ibrahim,S. Mielke UNIVERSITÄT ROSTOCK FAKULTÄT AGRAR- UND UMWELTWISSENSCHAFTEN 3

4 Hintergrund große Anzahl an Biogasanlagen vor allem regional konzentriert z. Bsp. NRW hohe Gärrestmengen unmittelbare Ausbringung nur eingeschränkt möglich Absatz und Nutzung müssen geplant werden praxistauglich und wirtschaftlich Separationstechnik mit Investitionskosten verbunden ABER: Einsparung von Lager- und Ausbringkosten Erlöse für Gärprodukte Erhöhung der Transportwürdigkeit unter Berücksichtigung der Bodenverbesserung und Nährstoffrückführung UNIVERSITÄT ROSTOCK FAKULTÄT AGRAR- UND UMWELTWISSENSCHAFTEN 4

Verfahren der Gärrestbehandlung Gärprodukt Trocknung Separation Getrocknetes Gärprodukt Feststofffraktion Flüssigphase Direkte Ausbringung Direkte Ausbringung

5 Verfahren der Gärrestbehandlung Gärprodukt Trocknung Separation Getrocknetes Gärprodukt Feststofffraktion Flüssigphase Direkte Ausbringung Direkte Ausbringung Eindampfung Kompostierung Ultrafiltration Trocknung Biologische Verfahren Konditionierung/ Strippung UNIVERSITÄT ROSTOCK FAKULTÄT AGRAR- UND UMWELTWISSENSCHAFTEN 5

6 Gärrestseparation physikalisch Feststoff - Separierung Nährstoffreiche Flüssigphase Festanteil mit hohem TS-Gehalt (25 30 %) Vorteile: einfache, kostengünstige Technologie Rückführung des Flüssiganteils kostengünstiger Transport des Festanteils Nachteile: keine Auftrennung der Nährstoffe (N-Reduktion) nur beschränkte TS-Gehalte möglich (25 30 %) UNIVERSITÄT ROSTOCK FAKULTÄT AGRAR- UND UMWELTWISSENSCHAFTEN 6

7 Gärrestseparation physikalisch Verwertung: Rückführung der Flüssigphase in den Fermenter getrennte landwirtschaftliche Ausbringung Separierung mit anschließender Trocknung z. Bsp. Bandtrockner Kompostierung Feststoffanteil thermische Verwertung des Feststoffanteils (Biomasseheizwerk) TS-Gehalt von % notwendig UNIVERSITÄT ROSTOCK FAKULTÄT AGRAR- UND UMWELTWISSENSCHAFTEN 7

Mechanische Trennverfahren - Pressschneckenseparator Quelle: https://bilder.landwirt.

8 Mechanische Trennverfahren - Pressschneckenseparator Quelle: UNIVERSITÄT ROSTOCK FAKULTÄT AGRAR- UND UMWELTWISSENSCHAFTEN 8

Mechanische Trennverfahren - Dekanter Quelle: http://www.klatec-gmbh.

9 Mechanische Trennverfahren - Dekanter Quelle: UNIVERSITÄT ROSTOCK FAKULTÄT AGRAR- UND UMWELTWISSENSCHAFTEN 9

com/s/cc_images/cache_31523036.jpg?t=1400759338 08.

10 Mechanische Trennverfahren - Dekanter Quelle: UNIVERSITÄT ROSTOCK FAKULTÄT AGRAR- UND UMWELTWISSENSCHAFTEN 10

11 Mechanische Trennverfahren verfahrenstechnische und betriebswirtschaftliche Merkmale Tab. 1: verfahrenstechnische und betriebswirtschaftliche Kennwerte von Separatoren (KTBL, 2013) Presschneckenseparator Siebtrommelfilter Dekanterzentrifuge Durchsatz [m³/h] ,5 50 TS-Gehalt Eingangssubstrat [%] TS-Gehalt Festphase [%] TS-Gehalt Flüssigphase [%] < 3 install. elektr. Leistung [kw el. ] , spezif. Energieverbrauch [kwh el. /m³ Input] 0,2 0,6 0,2 1,5 5, UNIVERSITÄT ROSTOCK FAKULTÄT AGRAR- UND UMWELTWISSENSCHAFTEN 11

12 Mechanische Trennverfahren verfahrenstechnische und betriebswirtschaftliche Merkmale Tab. 2: Vor- und Nachteile von Separatoren (KTBL, 2013) Vorteile Nachteile Presschneckenseparator Siebtrommelfilter Dekanterzentrifuge einfaches Verfahren inhomogene Substrate möglich ungenügende Feststoffabtrennung für weiterführende Verfahren Partikelgröße 0,5 1 mm verbleiben in Flüssigphase einfaches Verfahren inhomogene Substrate möglich ungenügende Feststoffabtrennung für weiterführende Verfahren wie PS-Separator Abscheidung Partikel mit kleinem Durchmesser hohe Phosphatabtrennung konstante Zusammensetzung des Eingangsmaterials erforderlich teures Verfahren Investitionsbedarf [ ] UNIVERSITÄT ROSTOCK FAKULTÄT AGRAR- UND UMWELTWISSENSCHAFTEN 12

13 Mechanische Trennverfahren verfahrenstechnische u. betriebswirtschaftliche Merkmale Fazit: ausschließlich Trennung fest/flüssig Pressschnecke/ Siebtrommel (kostengünstiger) weiterführende Verfahren nach Separation Dekanterzentrifuge (bessere Trennung) UNIVERSITÄT ROSTOCK FAKULTÄT AGRAR- UND UMWELTWISSENSCHAFTEN 13

14 Untersuchungsergebnisse der Professur TS-Gehalte 10 separierte Gärreste fest / flüssig Analysenparameter (TS, ots, FFS) Batch-Versuch nach VDI 4630 Tab. 3: Minimale, Maximale und Mittlere TS-Gehalte von 10 untersuchten Gärresten fest und flüssig TS-Gehalt Min. [% FM] TS-Gehalt Max. [% FM] TS-Gehalt Ø [% FM] Gärrest fest 17,56 27,84 23,42 Gärrest flüssig 5,41 11,62 8,08 TS-Gehalte befinden sich etwa in dem Bereich der KTBL UNIVERSITÄT ROSTOCK FAKULTÄT AGRAR- UND UMWELTWISSENSCHAFTEN 14

15 Untersuchungsergebnisse der Professur Restgaspotentiale Tab. 4: minimale, maximale und mittlere Biogas- und Methanerträge sowie Methangehalte der Flüssig- und Festphase von 10 untersuchten Gärresten Gärrest fest Biogasertrag Methanertrag Methan-Gehalt [l N kg -1 FM] [l N Methan kg -1 FM] [Vol.%] Min. 16,71 12,27 56,0 Max. 89,61 52,53 73,4 Ø 57,47 34,63 61,5 Min. 2,53 1,79 65,6 Gärrest flüssig Max. 21,6 15,35 72,5 Ø 9,35 6,45 68, UNIVERSITÄT ROSTOCK FAKULTÄT AGRAR- UND UMWELTWISSENSCHAFTEN 15

16 Untersuchungsergebnisse der Professur Restgaspotentiale 1.) große Schwankungsbreite der Biogas- und Methanerträge vor allem bei den festen Gärresten mögliche Ursachen: einstufiges oder mehrstufiges Verfahren Verweilzeit der Substrate im Fermenter keine vollständige Fermentation niedrigere Abbauraten 2.) Methan-Gehalte im flüssigen Gärrest höher mögliche Ursachen: bessere Verfügbarkeit der schnell abbaubaren Nährstoffgruppen (in Lösung) UNIVERSITÄT ROSTOCK FAKULTÄT AGRAR- UND UMWELTWISSENSCHAFTEN 16

17 Restgaspotentiale (RGP) von unseparierten Gärresten Ergebnisse Biogas-Messprogramm der FNR (2009, 61 Biogasanlagen): 1,7 21,7 l N Biogas kg -1 FM (mesophil, 37 C) einstufige Anlagen höheres RGP als mehrstufige Anlagen geringere Verweilzeit (niedrigere Abbauraten) Methanpotential: einstufige Anlagen: Ø 9,5 l N CH 4 kg -1 FM (3,3 21,7 l N CH 4 kg -1 FM) mehrstufige Anlagen: Ø 4,9 l N CH 4 kg -1 FM (1,7 8,9 l N CH 4 kg -1 FM) UNIVERSITÄT ROSTOCK FAKULTÄT AGRAR- UND UMWELTWISSENSCHAFTEN 17

18 Unseparierte Zuckerrübengärreste Prozessparameter: - Trockensubstanzgehalt 5,2 %, - organische Substanz 3,6 os % FM, - organischer Säuregehalt 0,6 g Sr kg -1 FM Biogaspotential: Ø 0,69 l N Biogas kg -1 FM (0,62 0,77 l N Biogas kg -1 FM) Methanpotential: Ø 0,41 l N CH 4 kg -1 FM (0,37 0,44 l N CH 4 kg -1 FM) UNIVERSITÄT ROSTOCK FAKULTÄT AGRAR- UND UMWELTWISSENSCHAFTEN 18

19 Fazit im Gärrest oft noch hohe Restgaspotentiale vorhanden Schwankungen abhängig vom Biogasverfahren und Inputsubstraten Vermeidung möglich längere, an das Inputsubstrat angepasste Verweilzeiten abgedeckte Gärrestlager (Altanlagen nachrüsten) Frage: Welche Strategie ist für mich interessant? Düngemanagement Abwärmenutzung der BGA (Stichwort: Bandtrockner) Logistik- und Ausbringkosten sinken nach Trennung Feststoff-Nutzung für mehrphasige BGA möglich UNIVERSITÄT ROSTOCK FAKULTÄT AGRAR- UND UMWELTWISSENSCHAFTEN 19

20 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit! Prof. Dr. agr. habil. Norbert Kanswohl Tel.: +49(0)381 / norbert.kanswohl@uni-rostock.de Agrar- und Umweltwissenschaftliche Fakultät Professur Agrartechnologie und Verfahrenstechnik Universtität Rostock Justus-von-Liebig-Weg 6b Rostock UNIVERSITÄT ROSTOCK FAKULTÄT AGRAR- UND UMWELTWISSENSCHAFTEN

21 Verfahren der Gärrestbehandlung Tab. 5: Verfahren der Gärrestbehandlung physikalisch chemisch biologisch Feststoff-Separierung Flockulation Entwässerung mit Ammoniak Strippung Phosphatausfällung anschließender Kompostierung Verdampfung Stickstoffausfällung Umkehrosmose UNIVERSITÄT ROSTOCK FAKULTÄT AGRAR- UND UMWELTWISSENSCHAFTEN 21

22 Mechanische Trennverfahren Eigenschaften Tab. 6: durchschnittliche Analysenergebnisse von separierten Gärresten (Pressschneckenseparator), Anhaltswerte (Wendland und Lichti, 2012) TS ( %) N ges. (kg/m³) NH 4 (kg/m³) P 2 O 5 (kg/m³) K 2 O (kg/m³) flüssige Phase 5,7 4,9 3,1 2,0 5,4 feste Phase 24,3 5,8 2,7 5,0 5,8 Nährstoffgehalte unterliegen starken Schwankungen regelmäßige Analysen Ø 65 % des Stickstoffs in Ammoniumform fester Gärrest enthält schnell verfügbaren Stickstoff + hohen ph-wert (bis > 9) Risiko hoher Stickstoffverluste im Lager und bei Ausbringung!! Phosphat und Kali langfristig dem Mineraldünger gleichwertig UNIVERSITÄT ROSTOCK FAKULTÄT AGRAR- UND UMWELTWISSENSCHAFTEN 22

Mechanische Trennverfahren - Pressschneckenseparator Quelle: http://www.fan-separator.

23 Mechanische Trennverfahren - Pressschneckenseparator Quelle: UNIVERSITÄT ROSTOCK FAKULTÄT AGRAR- UND UMWELTWISSENSCHAFTEN 23

Mechanische Trennverfahren - Siebtrommelfilter Quelle: https://3.imimg.

24 Mechanische Trennverfahren - Siebtrommelfilter Quelle: UNIVERSITÄT ROSTOCK FAKULTÄT AGRAR- UND UMWELTWISSENSCHAFTEN 24

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