Lignozellulosehaltige Substrate (k)ein Problem für Biogasanlagen

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1 Thema Energiepflanzentag - Trossin Lignozellulosehaltige Substrate (k)ein Problem für Biogasanlagen Autor: Dipl.-Ing. Jürgen Zorn 1

2 Hydrophobierungsmittel Fermentationsmittel Düngstoffe, Additive Binder (nach Bedarf) Extruderfaserstoff Hackschnitzel (Alt-,Rest- und Waldholz) Stroh, Leinen, Hanf, Trester u.a. Bambus, Chinagras (nach Bedarf) Weich-u. Hartbraunkohle Klärschlamm Tone, Lehme Bio- Müll Xylit aufbereiten, homogenisieren, aufschließen, aktivieren, plastfizieren intensivmischen, zerfasern, kompaktieren, entwässern Filterstoffe Begrünungssubstrate Torfersatz Rohkompost Faserverstärkte Kunststoffe Blas- und schüttbare Dämmstoffe Energieträger Dämmplatten Bauelemente Biomasseaufschluß Faserstoffe Zellulose -Ausbringung auf Felder -weitere Kompostierung -Pelletierung -Erdsubstrat -Humus -Mulchsystem -Wasserspeichergranulat -Oele -Wasser -Abwasser -Gülle -Exkremente -Extrusions- Profile -Spritzteile -Formteile -Isolierung -Industriebau -Passiv- und Niedrigenergiehausbau -Steilhänge -Dachbegrün. -Garten- und Landschaftsbau -Bauausführung -Rekonstruk tion -Neubau -Pelletheizung -Staubfeuerung -Rostfeuerung -Brikettfeuerung -Biogas -Kompostierung -landwirtschaftliche Nutzung -Tiereinstreu -Cofermentate -Papier -Pappe -Filterstoffe -Halbzeuge Energiepflanzentag - Trossin

3 Maschinensysteme z. Zerfaserung & Kompaktierung MSZK MSZK 15 Zerfaserung Kompaktierung MSZK Energiepflanzentag - Trossin

4 Holzfaserstoff (Mikroskop REM) thermo- mechanisch aufgeschlossen mittels Doppelschneckenextruder Energiepflanzentag - Trossin

5 Bioextruder im Einsatz Strohiger Hühnermist Energiepflanzentag - Trossin

6 Extrusion von Stallmist Stallmist Energiepflanzentag - Trossin

7 Extrusion von Deichschnitt Deichschnitt Energiepflanzentag - Trossin

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

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

10 Grafik: NREL Wirkung des Extruders Zerstörung der Ligninstruktur Energiepflanzentag - Trossin

11 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 < Energiepflanzentag - Trossin

12 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 Energiepflanzentag - Trossin

13 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 Energiepflanzentag - Trossin

14 Ackerbauliche Vorteile entscheidend die verfügbare, org. TS 1. Mehrertrag durch Einsatz von Hybridroggen ggü. Maissilage (beide extr.) Substrat Hybridroggen* Mais* Differenz Substratzustand GPS Silage Ernteertrag 20 t/ha 40 t/ha TS 70% 30% Ernteertrag 14,2 t/ha TS 12,0 t/ha TS ots 95,0% 94,7% Ernteertrag 13,30 t/ha ots 11,36 t/ha ots Mehrertrag Nm³ Methan / ha * 9,97 kwh / Nm³ = ,6 kwh / ha elektr. Wirkungsgrad von 38,6 % 6.211,3 kwh / ha Einspeisevergütung 0,23 / kwh ~ / ha Methangasausbeute 369,79 Nm³/ t ots 290,86 Nm³/ t ots 2. Monokultur des Maises als Energiepflanze ist gebrochen (s. o. Beispiel) Methangasausbeute / ha 4.918,2 Nm³/ ha 3.304,2 Nm³/ ha 1.614,0 Nm³/ ha 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 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. Energiepflanzentag - Trossin

15 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 Energiepflanzentag - Trossin

16 Leistung [kwh/t FM] Durchschnittlicher Energieverbrauch Tendenz der Leistungswerte* des Gärsubstrates, bezogen auf TS TS - Gehalt Verschleißteile für Bioextruder kleiner 1 / t Frischmasse. Energiepflanzentag - Trossin

17 Maissilage Grassilage Stroh m. geringem Kornanteil GP-Feinschnitt Grassamenstroh Putenmist Rindermist-/Silagereste Tomaten (getrocknet) Traubentrester Gärreste (entwässert) Fermentersubstrat Rapssilage Hybridroggensilage 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, , Angaben in l N / kg ots Quellen: 1 Sächs. Landesanstalt f. Landwirtschaft, 2 Biogas Oberfranken, 3 Prüf- u. Forschungsinst. Pirmasens, Batchversuche nach VDJ Energiepflanzentag - Trossin

18 Grassilagevergärung Energiepflanzentag - Trossin

19 Nutzung hochlignozellulosehaltiger Reststoffe und Substrate durch Bioextrusion Energiepflanzentag - Trossin

20 Ertragspotential der verschiedenen Kulturen Kultur dt TM / ha m³ Methan / ha Vergütung* / ha Weizenstroh Hybridroggensilage Maisstroh Miscanthus Rapsstroh Quelle: LEHMANN * Energiegehalt 9,97 kwh/m³ Methan, Wirkungsgrad BHKW 38,6%, Vergütung 0,23 / kwh Die Vergütungssätze für Weizenstroh, Maisstroh und Rapsstroh sind zusätzlich zu den Erträgen aus der Kornernte zu verstehen. Energiepflanzentag - Trossin

21 zufuhrspez. Gassumme (ln/ kgotrzu) Strohvergärung Nl 535 Nl 441 Nl Versuchsdauer (d) Weizenstroh unbehandelt Weizenstroh extrudiert Weizenstroh NaOH-Vollaufschluss Quelle: Fraunhofer Gesellschaft IKTS Dresden Energiepflanzentag - Trossin

22 Lignozellulose ein komplexes Substrat Stroh, unbehandelt Stroh, nass extrudiert Stroh, trocken extrudiert Stroh, vor Bioextrusion Stroh, nach Bioextrusion Energiepflanzentag - Trossin

23 Miscanthusvergärung Quelle: Biogas Forum Bayern Quelle: Biogas Oberfranken Energiepflanzentag - Trossin

24 Verholzter Strauch- und Baumschnitt Quelle: Fraunhofer Gesellschaft IKTS Dresden Energiepflanzentag - Trossin

25 Bio- Extrudiertechnik Durchsatzleistungen und Energieverbrauch für ausgewählte Biomassen Energiepflanzentag - Trossin

26 Verarbeitung tierischer Rest- und Abfallprodukte Energiepflanzentag - Trossin

27 BGA Pöhl 499 kw el - Baubeginn im Februar Inbetriebnahme Ende Dezember Input ca. 30 t/d nachwachsende Rohstoffe Besonderheiten der Biogasanlage - Bioextrusion - außenliegende Rührwerke m. Wärmeeintrag - Separation des Gärrestes - Kompaktierung / Pelletierung des Gärrestes mit Trocknung - Gasentschwefelung nach BioPEAC-Verfahren Unsere Demonstrations- und Modell-Biogasanlage zur Trockenfermentation 499 kw elektr. Input: strohiger Mist, Landschaftspflegematerial, trockene Ganzpflanzensilage, Maissilage, Grassilage und einem hohen Grasanteil von 55% Energiepflanzentag - Trossin

28 BioEnergie Pöhl - Inputfrachten In der folgenden Tabelle sind die Inputfrachten, der im Februar und März, gefütterten Substrate angegeben. Die Analysewerte für TR und otr stammen aus der Beprobung vom mittlere Beschickung Februar/März (Quelle: Hr. Flügel) TR (Analyse IKTS) otr (Analyse IKTS) mittlere TR- Fracht mittlere otr- Fracht t/d % % t/d t/d Hybridroggen 3,72 55,6 96,1 2,07 1,99 Mist 11,15 28,4 87,4 3,17 2,77 Grassilage (2009) 4,25 30,0* 89,7 1,27 1,14 Maissilage 10,62 24,8 95,5 2,64 2,52 Rapsstroh 4,25 26,0 91,6 1,10 1,01 Summe bzw. Mittel 33,98 30,2 92,0 10,25 9,43 Ergebnisbericht Fraunhofer IKTS vom Energiepflanzentag - Trossin

29 BioEnergie Pöhl otr-abbaugrad In folgender Tabelle ist der otr-abbaugrad bezogen auf die gesamte zugeführte otr-fracht anhand des Gasertrages berechnet. Methanproduktion (Quelle: Hr. Flügel: 220 Nm³/h Biogas mit 57,5% Methan) m³/h 126,5 m³/d 3036,0 otr-abbau t/d 7,03 otr-abbaugrad % 74,5 Der ermittelte Wert von ca. 75% stellt für die in Helmsgrün eingesetzten (zum großen Teil schwer abbaubaren) Substrate einen sehr guten Wert dar. Derartige Werte werden üblicherweise von reinen Maisanlagen erreicht und zum Teil knapp übertroffen, aber nicht von Anlagen mit größeren Anteilen von Stroh und Mist. Ergebnisbericht Fraunhofer IKTS vom Energiepflanzentag - Trossin

30 BioEnergie Pöhl Grad der fermentierbaren ots (FoTS) Für die einzelnen Berechnungsformeln nach WEIßBACH und den Mittelwert aller Formeln ergibt sich für die Substratmischung der BGA Helmsgrün eine mittlere FoTS, welche laut Weißbach bei 100%igem Umsatz eine Methanmenge von 420Nl/kg FoTS ergeben müsste. Die sich daraus theoretisch für Helmsgrün ergebenden Methanmengen sind in der folgenden Tabelle dargestellt. FoTS Methanertrag (Weißbach) theoretischer Methanertrag BGA Helmsgrün tatsächlicher Methanertrag BGA Helmsgrün Substratausnutzung Im Vergleich dazu erreicht die BGA Helmsgrün eine tatsächliche Methanmenge welche, je nach Formel, zwischen 98 und 105% liegt. Im Mittel wird demnach die komplette fermentierbare organische Substanz in Helmsgrün in Biogas umgewandelt. Ergebnisbericht Fraunhofer IKTS vom g/ kg TS NL/kg FoTS m³/d m³/d % Formel Mais 693, , ,0 101,6 Formel Getreide GPS 671, , ,0 105,0 Formel Gras 716, , ,0 98,3 Mittel 694, , ,0 101,6 Energiepflanzentag - Trossin

31 Repowering Nachrüstung bestehender Anlagen Verbesserung des Ausfaulgrades Gesteigerte Abbaurate der organischen Trockensubstanz Leichterer Abbau inkrustierter Zellulose und Hemizellulose Viele Substrate sind ohne Bioextrusion (thermo-mechanischen Aufschluss ) nicht biogasanlagenfähig. Einsatz in bisher 140 Anlagen Energiepflanzentag - Trossin

32 Möglichkeiten des Extruders zum thermomechanischen Aufschluss zur Agglomeration zur Mischung zur Entwässerung zur Konversion von Biomasse zur Konservierung zur Futterherstellung Energiepflanzentag - Trossin

33 Kontakt LEHMANN Maschinenbau GmbH Jocketa Bahnhofstraße Pöhl Dipl.-Ing. Jürgen Zorn Vertrieb Tel.: (+49) (0)37439 / Fax: (+49) (0)37439 / j.zorn@lehmann-maschinenbau.de Energiepflanzentag - Trossin