Technische Möglichkeiten zur. Landwirtschaft

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1 Technische Möglichkeiten zur Der Reduzierung Landwirt des als Energiewirt Lagerbedarfs- von Biogaserzeugung Gärrest bei Biogasanlagen in der Landwirtschaft Hans Oechsner, Stephan Ruile, Florian Siemeister Landesanstalt für Agrartechnik und Bioenergie Universität Hohenheim Gliederung Einleitung Verfahren der Gärrestaufbereitung 2 Beispiele zur 2-stufigen Vakuumverdampfung Ergebnisse Fazit 2 1

2 Einleitung, Problemstellung Konzentration von Biogasanlagen in Gebieten mit hoher Viehdichte Regionale Nährstoffüberschüsse - Verwertung der Gärrückstände nicht immer vor Ort sinnvoll möglich Einsatz von Reststoffen steigert Gärrestanfall Enge Ausbringzeiträume (Dünge-VO) 3 Warum Gärproduktaufbereitung? Hoher Wassergehalt, Niedriger Nährstoffgehalt Große Lagerkapazitäten Hohe Transportkosten Lokale Nährstoffüberschüsse Verbesserung der Nährstoff-verwertung, Ausbringverluste reduzieren Häufig keine wirtschaftlichen Alternativen zur Abwärmenutzung der BGA Bedarf an Lagerkapazität steigt durch neue gesetzliche Vorgaben (9 Monate Lagerdauer) Störfall-VO ab kg Biogas (ca m³) 4 2

3 Verfahren der Gärrestaufbereitung Effenberger, et al Reduzierung des Gärrestvolumens durch den Abbau organischer Substanz Substrat reduziertes Gärrestvolumen Rindergülle 3 % Schweinegülle 3 % Festmist 14 % Maissilage 25 % Grassilage 23 % 6 3

4 Separierung Reduzierung des Volumens um 10 bis max. 20% Frischmasse 13% 87% Trockensubstanz 34% Feste Phase Dünne Phase 66% Organische Substanz 40% 60% Stickstoff Gesamt 11% 89% Ammonium-N 11% 89% Phosphor gesamt 31% 69% Kalium gesamt 13% 87% 60% 40% 20% 0% 20% 40% 60% 80% 100% Untersuchung am Unteren Lindenhof, Diehl, 2011 TS-Gehalt Gärrest: 7,2 % TS-Gehalt Feststoff: % TS-Gehalt Flüssigkeit: 5 6 % 7 Separation - Nährstoffmanagement Abhängigkeit der Nährstoffverlagerung von der Einstellung des Separators nass TS-Geh. d. Feststoffs: 18% 30% trocken FM-Anteil: 17.5% 8 % im Feststoff C Anteil 50% 40% im Feststoff N Anteil: 20% 10% im Feststoff P Anteil: 32% 25% im Feststoff K Anteil: 16% 7.5% im Feststoff 4

5 Membrantrennverfahren 10 Membrantrennverfahren Membranen aus organischen Materialien, Keramik oder Poymerschichten Hohe Drücke erforderlich Mehrere Stufen erforderlich % Permeat in Vorfluterqualität Fouling reduziert Standzeit der Membran Kostenintensiv Anwendung in der Trinkwasserreinigung, -entsalzung 11 5

6 Trocknung / Eindicken von Gärrest Solar-Gewächshaustrockner Mississippi-Trockner Meiners, AgroEnergien, 2011 Bandtrockner Thermosystem GmbH Wurfschaufeltrockner Schmitt Enertec GmbH Jumbo Group GmbH Trocknung / Eindicken von Gärrest Solar-Gewächshaustrockner Mississippi-Trockner Meiners, AgroEnergien, 2011 Bandtrockner Gefahr hoher Stickstoffverluste ohne Abluftbehandlung! Thermosystem GmbH Wurfschaufeltrockner Schmitt Enertec GmbH Jumbo Group GmbH 6

7 Ammoniak-Rückhaltung Besondere Bedeutung bei Trocknungsverfahren Im Gärrest mehr als 50% des N liegt in Form von NH 4+ -N vor Hoher ph-wert, hohe Temperatur Ohne Rückhaltung geht NH 4+ -N weitgehend verloren - Nährstoffverlust - Umweltbelastung Meist durchströmt beladene Trocknungsluft einen schwefelsäurehaltigen Wasserstrom über Füllkörper Verbindung von Ammoniak und Schwefelsäure zu Ammoniumsulfatlösung (ASL) ASL als Dünger nutzbar 14 Ammoniak-Rückhaltung Dosierung der Schwefelsäure nach ph-wert Ausreichende Dimensionierung wichtig Kontaktzeiten Regelmäßige Wartung Reinigung der Füllkörper Ansäuerung des Substrates bereits zu Beginn der Verdampfungsphase möglich wird von manchen Systemen genutzt 15 7

8 Ammoniak-Rückhaltung Dosierung der Schwefelsäure nach ph-wert Ausreichende Dimensionierung wichtig Kontaktzeiten Regelmäßige Wartung Reinigung der Füllkörper Ansäuerung des Substrates bereits zu Beginn der Verdampfungsphase möglich wird von manchen Systemen genutzt Hohner, Untersuchungen an einer Anlage zur Vakuumverdampfung von Gärrest Beispiel: 2-stufige Vakuumverdampfung Separation (Firma Paul Michl, SM260) Vakuumverdampfer (380 kw therm ) System: Firma Steffen Hartmann Recylingtechnologien GmbH Feststoffseparation Gärproduktverdampfungsstufe Neutralisationsstufe ASL-Verdampfungsstufe Produkte: Separierter Feststoff Eingedicktes Gärprodukt Ammoniumsulfatlösung Wasser (Dampf) Ruile, 2013; Kuntze,

9 Massenströme Rohgärrest Separator Fugat Feststoff Gärreststufe Gärrest (eingedickt) Ammoniakwasser Neutralisation Schwefelsäure AS-Lösung ASL-Stufe Wasser AS-Konzentrat Beispiel: 2-stufige Vakuumverdampfung 470 l/h 760 l/h 188 kw th 150 kg/h 1,6 kg/h 270 l/h 19 9

10 Untersuchungsparamter am Vakuumverdampfer (380 kw therm. ) Massenflussbilanzierung Nährstoffbilanzierung 3 Zielvarianten untersucht: Massenreduktion, Mittelweg (Massen- und Nährstoffreduzierung), Nährstofftrennung Energiebedarf elektrisch thermisch Wirtschaftlichkeit 21 Massenflussbilanzierung Ziel: Massenreduktion Ziel: Mittelweg (Masse/Nährstoff) Gärrestdurchsatz: 762 kg/h (18 t / d) Gärrestdurchsatz: 435 kg/h (10 t / d) 22 10

11 Gehalt in % bzw. g/kg Stickstoffbilanzierung Nährstofftrennung 23 Inhaltsstoffe eingedickter Gärrest TS (%) ots (%) N ges. (g/kg) NH4-N (g/kg) P2O5 (g/kg) K2O (g/kg) Massenreduktion Mittelweg Nährstofftrennung 24 11

12 Ammoiniumsulfatgehalt (%) Stickstoffgehalte der Ammoniumsulfatkonzentration 35% 30% ASL-Konzentrat 25% 20% 15% 10% 5% 0% Massenreduktion Mittelweg Nährstofftrennung Stickstoffgehalt nur bei 3-4 %!!!! (AHL: um 30 %) aber ca. 10-fache Konzentration des Ausgangssubstrats 25 Energieverbauch Energieaufnahme thermisch: 188 kw therm. Schwankungen Energieaufnahme elektrisch 30 kw el. Hauptverbraucher: - Umwälzpumpe (18 kw) - Vakuumpumpe (2,8 kw) 26 12

13 Vakuumverdampfung (System MKR-Metzger) 27 Monitoring von Gärrestaufbereitungsanlagen Vakuumverdampfer RT 600 von MKR Ziele Lagerbedarf durch Volumenreduzierung verringern Produktion eines lager- und vermarktungsfähigen Düngers für Bedarfszeiten Umsetzung Erstellung von Massenbilanz und Energiebedarf der Anlagen durch manuelle Messungen 28 13

14 Vakuumverdampfung Feststoff Gärrest Separator Flüssigphase Destillat Konzentrat Verdampfer Wärme 29 Vakuumverdampfung Feststoff Gärrest Separator Flüssigphase Destillat Konzentrat Verdampfer Ammoniumsulfatlösung Schwefelsäure Ammoniumsulfatlösung Schwefelsäure Wärme 30 14

15 Vakuumverdampfung Feststoff Gärrest Separator Flüssigphase Destillat Konzentrat Verdampfer Ammoniumsulfatlösung Schwefelsäure Wärme 31 Massenflüsse pro Tag Feststoff Gärrest 17,3 t 100 % Separator 15 % 2,6 t 85 % 14,7 t Flüssigphase Verdampfungleistung: 1,35 l / kwh Volumenreduzierung um 64 % 4 % 49 % 32 % 630 kg 8,5 t 5,6 t Destillat Konzentrat Verdampfer Ammoniumsulfatlösung Schwefelsäure Wärme 189 kg 262 kw 32 15

16 Massenbilanz pro Tag Separation Verdampfung Täglicher Gärrestinput kg 33 Stickstoffbilanz 3 23 % im Feststoff Stickstoff im Gärrest 47 % im Konzentrat 30 % im ASL 34 16

17 Phosphorbilanz 3 30 % im Feststoff Phosphor im Gärrest 30 % im Feststoff 3 % Differenz 67 % im Konzentrat 36 Stromaufnahme Dauer: 26 d Mittelwert: 17,1 ± 2,0 kw 40 17

18 Stromaufnahme Dauer: 31 d Mittelwert: 18,4±3,2 kw 41 Stromaufnahme 42 18

19 Stromaufnahme 43 Fazit Volumenreduzierung um 64 % möglich Konzentrat-ASL-Gemisch 100% höhere Stickstoffkonzentration als Gärrestinput Nachfrage nach Feststoff und Konzentrat bis dahin noch gering 44 19

20 Wirtschaftlichkeit Hohe Abhängigkeit von der Betriebsstruktur - Energiekosten (elektrisch, thermisch?) - Betriebsmittel (Schwefelsäure) - Investitionskosten - Wartung / Reparaturen / Betreuung + Einsparungen (Lager, Transport, Ausbringung) + Düngermehrwert + KWK-Bonus 45 Fazit Verschiedene Verfahren zur Reduzierung des Gärrestvolumens verfügbar Unterschiedliche Effizienz Separierung % Volumenreduzierung Trocknung 50 % Reduzierung möglich (und mehr) Trocknung komplexe Verfahren mit hohen Anforderungen an Betreiber Hohe Ansprüche an Arbeitssicherheit (Schwefelsäure!) 46 20

21 Fazit Rückhaltung von Ammoniak unerlässlich Bei intaktem Betrieb geringe Stickstoffverlustrate im Prozess möglich Vorteile bei der Ausbringung N-Verwertung gezieltere Düngung durch Nährstoffabtrennung möglich Ammoniumsulfat als mineralischer Dünger?? Verwertung von Überschusswärme möglich aber hoher Wärmebedarf (188 kwh th für 226 l/h Volumenreduzierung) Hoher Bedarf an elektrischer Energie (30 kwh) Wirtschaftlichkeit von einzelbetrieblicher Kostenstruktur abhängig (z.b. KWK-Bonus) 47 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! 48 21