Agraferm Technologies AG

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1 Agraferm Technologies AG Kenngrößen von Biogasanlagen nach VDI 4631 Hans Friedmann 18. Juni 2009

2 Inhalt Übersicht der Kenngrößen Substrat Fermenter Gasreinigung und -aufbereitung Gasverwertung Gesamtanlage Erläuterung unklarer Kennzahlen Kennzahlen in der Praxis 2

3 Kenngrößen von Biogasanlagen 3

4 Kenngrößen von Biogasanlagen 4

5 Kenngrößen von Biogasanlagen 5

6 Kenngrößen von Biogasanlagen 6

7 Kenngrößen von Biogasanlagen 7

8 Kenngrößen von Biogasanlagen 8

9 Kenngrößen von Biogasanlagen 9

10 Kenngrößen von Biogasanlagen 10

11 Kenngrößen von Biogasanlagen 11

12 Kenngrößen von Biogasanlagen 12

13 Hydraulische Aufenthaltszeit 13

14 Vergärung von festen Substraten Biogas Substrat Fermenter Ablauf fester Dünger Prozesswasser flüssiger Dünger 14

15 Beispiel: 500 kw Grassilage 8% TS t/a 53% CH t/a 35% TS 3560 m³ Fermenter t/a 8% TS t/a 5% TS t/a 28% TS t/a 5% TS Aufenthaltszeit: Input 112 d (ohne PW) Input 28 d (mit PW) Output 30 d Raumbelastung 2,8 kg/(m³ d) flüssiger Dünger 15

16 Beispiel: 500 kw Grassilage 15% TS t/a 53% CH t/a 35% TS 1070 m³ Fermenter t/a 15% TS t/a 5% TS t/a 28% TS t/a 5% TS Aufenthaltszeit: Input 34 d (ohne PW) Input 25 d (mit PW) Output 30 d Raumbelastung 9,3 kg/(m³ d) flüssiger Dünger 16

17 Bewertung der Abbauleistung Diese Parameter beschreiben die Abbauleistung des Biogasreaktors. Sie lassen sich nicht unabhängig voneinander variieren. Inkorporation von Wasser bei der Hydrolyse beachten Buswell-Formel: C a H b O c N d S e + (4a b 2c +3d + 2e) H 2 O = 1/8 (4a + b 2c 3d 2e) CH 4 + 1/8 (4a - b + 2c + 3d + 2e) CO 2 + dnh 4 + eh 2 S 17

18 Beispiel: Vergärung von Maissilage TM 32%, GV 96%, Y BG = 630 Nm³/t otm, CH 4 = 52%, 12% Wassereinbindung Wasser 680 kg Wasser 649 kg otm 307 kg Salz 13 kg Gärrest: TM 12.9%, GV 86% Biogas 254 kg otm 83 kg Salz 13 kg 18

19 Beispiel: Vergärung von Maissilage TM 32%, GV 96%, Y BG = 750 Nm³/t otm, CH 4 = 52%, 12% Wassereinbindung Wasser 680 kg Wasser 644 kg otm 307 kg Salz 13 kg Gärrest: TM 7,7%, GV 76% Biogas 303 kg otm 41 kg Salz 13 kg 19

20 Beispiel: Vergärung von Maissilage TM 32%, GV 96%, Y BG = 800 Nm³/t otm, CH 4 = 52%, 12% Wassereinbindung Wasser 680 kg Wasser 641 kg otm 307 kg Salz 13 kg Gärrest: TM 5,3%, GV 64% Biogas 323 kg otm 23 kg Salz 13 kg 20

21 Beispiel: Vergärung von Maissilage Abbaugrad aus Biogasmasse: η = = Masse Biogas = Masse otm, ein YBG m Biogas m otm, ein η 82% 99% 105% 21

22 Beispiel: Vergärung von Maissilage Abbaugrad aus otm-bilanz: η = 1 - = Masse otm, aus = Masse otm, ein YBG m otm, aus m otm, ein η 73% 87% 92% 22

23 Raumabbauleistung vs. Biogasproduktivität Raumabbauleistung = otm-abbaugrad x Raumbelastung schwierig zu ermitteln bekannt Raumabbauleistung = (1- Buswell-Wasser) x Biogasproduktivität x Dichte Biogas Substratspezifisch, Schwierig zu ermitteln einfach zu ermitteln substratspezifisch 23

24 Einheiten unklar besser: h/a besser: kw 24

25 Exergetische Betrachtung Exergie ist definiert als der Anteil eines Energiestromes, der sich mit einem reversiblen Prozess vollständig in Arbeit umwandeln lässt. Der Anteil eines Energiestromes, der nicht in Arbeit umgewandelt werden kann, wird als Anergie bezeichnet. Energie = Exergie + Anergie Anders als Energie ist Exergie keine Zustandsgröße. Exergie ist eine wichtige Kenngröße zur verfahrenstechnischen Optimierung von Energieerzeugungsanlagen. 25

26 Exergetische Betrachtung Bestimmung der Exergie: Ele. Energie: 100% Exergie Wärme: Umrechnung über den Carnot-Faktor Biogas: Verbrennung bei λ = 1, Abwärmenutzung im Carnot-Prozess T Zufuhr von Wärme (isotherm) η ex T Umg = 1 T max Abfuhr von Wärme (isotherm) bei Umgebungstemperatur Entropie s [kj/(kg K)] 26

27 Biogas 100 kwh Exergetische Betrachtung Beispiel: BHKW mit Dampferzeugung Energetische Betrachtung BHKW η ges = 80% Dampf 17 kwh, 180 C Warmwasser, 23 kwh, 90 C Strom 40 kwh Exergetische Betrachtung Biogas 82 kwh BHKW η ex = 61% Dampf 6 kwh Warmwasser, 4 kwh Strom 40 kw 27

28 Exergetische Betrachtung Aus 100 kwh Biogas (82 kwh Exergie) werden Nutzung Energie Exergie Verbrennung im Kessel zur Warmwassererzeugung (90 C) BHKW (volle Wärmenutzung mit Dampferzeugung 180 C) Gasreinigung (PSA) + 5 kwh elektrische Energie Gasreinigung (PSA) + 5 kwh elektrische Energie mit wärmegeführtem BHKW (volle Wärmenutzung bei 90 C) 85 kwh 16 kwh 80 kwh 50 kwh 98 kwh 79 kwh 82 kwh 47 kwh 28

29 Kennzahlen in der Praxis Vergleich von vier verschiedenen BGA anhand der Kennzahlen nach VDI 4631 Anlagendaten aus den Betriebstagebüchern Alle Anlagen im stationären Zustand 29

30 Anlage A 2 x 265 kw Feststoffeintragssystem Fermenter m³ Nachgärer 1 Separator BHKW 1 BHKW 2 30

31 Anlage B 3 x 1 MW Einmischbehälter Nachgärer 1 Nachgärer 2 Nachgärer 3 Nachgärer 4 Separator Fermenter 1 Fermenter 2 Fermenter m³ 3500 m³ 3500 m³ BHKW 1 BHKW 2 BHKW 3 Notfackel 1 Notfackel 2 31

32 Anlage C 3 x 265 kw Vorgrube Fermenter m³ Nachgärer 1 Feststoffeintragssystem Nachgärer 2 Fermenter m³ Separator BHKW 1 BHKW 2 BHKW 3 32

33 Anlage D 3 x 526 MW Feststoffeintragssystem 1 Feststoffeintragssystem 2 Fermenter m³ Nachgärer 1 Fermenter m³ Nachgärer 2 BHKW 1 BHKW 2 BHKW 3 33

34 Kennzahlen Substrate Anlage A Anlage B Anlage C Anlage D Substratarten Gras/Grassilage [t/a] Mais/Maissilage [t/a] GPS [t/a] Sonnenblumen [t/a] Hirse [t/a] Festmist [t/a] Gülle [t/a] Rezirkulat [t/a] TS-Gehalt Input Mittelwert [%] von FS 29% 34% n/a 36 % ots-gehalt Input Mittelwert [%] von FS 27% 31% n/a 34 % Biogasausbeute Mittelwert [Nm³/toTM] Biogasausbeute Mittelwert [Nm³/toFM] Methanausbeute Mittelwert [Nm³/toTM] Methanausbeute Mittelwert [Nm³/toFM] Durchsatz Substrate (Input) [t/a] Durchsatz Mittelwert [t/d] 25,7 153,1 94,1 96,3 34

35 Kennzahlen Fermenter Anlage A Anlage B Anlage C Anlage D Fermentervolumen [m³] TS-Gehalt Fermenter Mittelwert [%] 10.9% n/a n/a 10,2% ots-gehalt Fermenter Mittelwert [%] von FS 83,8% n/a n/a n/a NH4-N Fermenter Mittelwert [mg/l] 1.911,76 n/a n/a n/a ph-wert Fermenter Mittelwert [-] 7,43 n/a n/a 7,61 flüchtige org.säuren Mittelwert [mg HAc /kg] 680 n/a n/a n/a Essigsr.-Gehalt Mittelwert [mg/kg] 466 n/a n/a n/a Propionsr.-Gehalt Mittelwert [mg/kg] 128 n/a n/a n/a FOS/TAC Mittelwert [-] n/a n/a n/a 0,21 Prozesstemperatur Mittelwert [C ] Prozesstemperatur Abweichung [K] 1,57 1,0 1,0 1,0 Hydraulische Verweilzeit (Inputbez.) Mittelwert [d] , otm-raumbelastung Mittelwert [kg otm /(m³ d)] 9,6 1,1 3,4 4,2 otm-abbaugrad Mittelwert [%] Biogasproduktivität Mittelwert [Nm³/(m³*d)] 6,42 2,69 2,19 4,26 Methanproduktivität Mittelwert [Nm³ CH4 /(m³*d)] 3,49 1,54 1,12 2,25 Biogasertrag Mittelwert [m³/h] Methangehalt Mittelwert [% Methan ] 54% 57% 51% 53% CO2-Gehalt Mittelwert [% CO2 ] n/a 41% n/a 46% O2-Gehalt Mittelwert [% O2 ] n/a n/a n/a 0% H2S-Gehalt Mittelwert ppm n/a

36 Kennzahlen Gasverwertung Anlage A Anlage B Anlage C Anlage D elektr. Wirkungsgrad Herstellerangabe [%] 43% 40% 40% 43% jährliche Vollaststunden [kwhprakt./ kwhtherot.] 95,3% n/a 97,6% 100,0% elektr. Nennleistung Herstellerangabe [kw] [%];[Anteil Energie spez. aus Zündöl/Gesamtenergie] Zündölverbrauch Herstellerangabe 6% n/a 6% n/a Bruttostromerzeugung Mittelwert [kwh/d]

37 Kennzahlen Gesamtanlage Anlage A Anlage B Anlage C Anlage D Eigenenergieverbrauch Gesamtanlage [kwh/a] n/a n/a Eigenenergieverbrauch Gesamtanlage [%] 6,90% n/a n/a 17% Elektr. Bruttoleistung [kwh/a] , Gasbetriebsleistung Mittelwert [m³ CH4 /h] n/a n/a n/a 394 Anlagenverfügbarkeit [h/a] n/a massenspez. Elektr. Energieertrag Mittelwert [kwh el /kg otm ]

38 Eingespeiste Strommenge Anlage D Scheinbar hohe Auslastung (8720 h/a) durch höhere Einspeisungsleistung als auf dem Typenschild der BHKW 38

39 Vielen Dank für Ihr Interesse Dr.-Ing. Hans Friedmann, Färberstr. 7, Pfaffenhofen/Ilm, 08441/