Ökonomische und ökologische Bewertung von zwei Gärresteaufbereitungssystemen

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1 Ökonomische und ökologische Bewertung von zwei Gärresteaufbereitungssystemen Ralf Block BIGATEC Ingenieurbüro für Bioenergie Keltenstr. 7, Rheinberg, Tel.: / , Fax: / Ziel dieses Projektes ist die ökonomische und ökologische Bewertung von zwei Gärrestaufbereitungssystemen auf der Basis von Praxisversuchen und Modellkalkulationen für das Betreiben von Biogasanlagen. Bei den Aufbereitungssystemen handelt es sich um ein System der Schweizer Firma VP Verfahrensund Prozesstechnik GmbH VP, Limmatstraße 2, CH-8957 Spreitenbach AG, und der Firma A3- Abwasser-Abfall-Anlagentechnik GmbH (A3), Magdeburgerstraße 16, Gelsenkirchen. Das System der Firma VP ist seit 2001 an einem landwirtschaftlichen Betrieb mit circa Mastschweineplätzen und rund Sauenplätzen im Einsatz. Die Firma A3 verfügt über Erfahrungen aus dem Betrieb von Anlagen mit unterschiedlichen Aufbereitungstechniken sowie einer Laboranlage mit der zu untersuchenden Technik. Die von beiden Firmen eingesetzte Verfahrenstechnik besteht aus den Prozessstufen: Feststoffabtrennung, Ultrafiltration und Umkehrosmose. Für die ökonomische Bewertung der Systeme liegen Planungszahlen und Angebote beider Firmen vor. Die Zahlen der Firma VP konnten während der durchgeführten Versuche überprüft und entsprechend der Projektziele angepasst werden. Die Auswertungen zu dem Datenmaterial der Firma A3 beschränkten sich auf den theoretischen Teil, da die erste technische Anlage gerade erst gefertigt und noch nicht in Betrieb ist. Die ermittelten Aufbereitungskosten bewegen sich zwischen 13,91 / m 3 für die Anlagengröße von m 3 /a und 5,96 / m 3 für die Anlagengröße von m 3 /a. Bei diesen Kosten ist die Technik momentan nur in sehr großen Anlagen oder Nischenbereichen einsetzbar. Tendenziell ist allerdings festzustellen, dass sowohl die Investitionskosten als auch die Betriebskosten durch Effizienzsteigerung weiter fallen werden. Bei der Auswertung der Stoffströme konnte eine wesentliche Aussage bestätigt werden: Etwa 50 Prozent des eingesetzten Gärrestes wird zu prinzipiell einleitfähigem, keimfreien Wasser aufbereitet. Im Versuch konnten 43,7 Prozent für ein Ausgangsmaterial mit einem TS-Gehalt von 1,6 Prozent und 48,8 Prozent für ein Ausgangsmaterial mit einem TS-Gehalt von 5,8 Prozent bestimmt werden. Als weiteren in der Außenbilanz wirksamen Teilstrom haben wir den Feststoff des Dekanters mit einem Massenanteil von bis zu 15,5 Prozent bei 17,8 Prozent TS-Anteil und das Retentat der Umkehrosmose mit einem Masseanteil von bis zu 14 Prozent mit 3,3 Prozent TS-Anteil ermittelt. Diese beiden Teilströme können als Dünger eingesetzt werden. Die restlichen 21,7 Prozent in der Massenbilanz entsprechen dem Retentat der Ultrafiltration, dass wegen des Anteils an organischer Masse wieder dem Fermentationsprozess zugeführt wird. Neben der prinzipiellen Reduktion der auszubringenden Massen auf ungefähr 50 Prozent des Ausgangsmaterials werden der Wert und die Transportdistanz der zur Verwertung anstehenden Teilmassenströme deren Erlöspotenzial bestimmen. Beim Einsatz der Gärresteaufbereitung sollte eine besondere Aufmerksamkeit der Entwicklung der Nährstofffrachten in den einzelnen Teilströmen gelten. Auch im gartenbaulichen Umfeld werden noch einige Fragen, wie beispielsweise die Wirkung der Chloridanteile bei der Düngung mit dem Retentat der Umkehrosmose, zu beantworten sein. 143

2 Inhalt Warum Gärrestaufbereitung Technik der betrachteten Gärrestaufbereitung Daten der betrachteten Systeme zur Gärrestaufbereitung Beispiele Warum Gärrestaufbereitung? 1. Gartenbauunternehmen können in Biogasanlagen anfallende Wärme und das CO 2 -Gas optimal verwerten (geschlossene Kreislaufwirtschaft). 2. Gartenbauunternehmen verfügen nicht über ausreichende Flächen zur Verwertung der Nährstoffe aus dem Gärrest rentabeler Biogasanlagen (> 300 kw el ). 3. Der durchschnittliche landwirtschaftliche Betrieb (35 ha am Niederrhein) lässt eine nur unrentable Biogasnutzung mit max. 50 kw el zu. 4. Landwirtschaftliche Betriebe mit intensiver Viehhaltung verfügen über keine ausreichenden Flächen zur Nährstoffverwertung aus dem Gärrest von Biogasanlagen. Warum Gärrestaufbereitung? 5. Transportfähige Nährstoffe aus dem Gärrest sind die Voraussetzung für eine umweltverträgliche, flächenverteilte Düngung. 6. Transportfähige Nährstoffe aus Gärresten entschärfen den Wettbewerbsdruck im regionalen Pachtmarkt. 7. Gärrestaufbereitung ist somit Voraussetzung für eine Anwendungserweiterung der Biogastechnologie als Beitrag zur Erfüllung klima-, umwelt- und energiepolitischer Ziele. Z.B. werden durch die Kombination von Milchviehhaltung und Biogasanlagenbetrieb der Ausstoß klimarelevanter Gase (Methan, Lachgas, Ammoniak) um 59 % gesenkt in Schweinebetrieben um ca. 20 %. Strom aus Biogas beinhaltet das größte ökonomische und ökologische Zukunftspotenzial für die Nutzung regenerativer Energien. 144

3 Flächenbedarf einiger Biogasanlagen Technik der betrachteten Gärrestaufbereitung Dekanter Trennprinzip: Zentrifugalkräfte Ultrafiltration Trennprinzip: Cross-Flow-Filtration Umkehrosmose 1x Trennprinzip: Halbdurchlässige Membran Umkehrosmose 2x Ionenaustauscher Gärrest UF-Retentat UO-Retentat1x UO-Retentat 2x Regenerat Feststoff Fugat UF- Permeat UO-Permeat 1x UO-Permeat 2x Klarlauf Gärrestaufbereitung - Versuchsablauf BGA ST 40 m³ Container 1 S EIN 2 BGA PH 40 m³ Container S EIN Separation 5 6 Konzentrat 5a 6a Filtrat ST Filtrat 40 m ³ PH 40 m ³ 60 Liter 60 Liter Ultra- Filtration (UF) 9 9a UF- F A3 10 UF- F Konzentrat 2 x 1 m³ Filtrat 6 x 1 m ³ 13 13a UO- F 14 UO- F Umkehr- Klarlauf Osmose 1 x 1 m³ (UO) Konzentrat 2 x 1 m³ 4 S- K Flockungshilfsmittel 8 UF- K 12 UO- K 3 S- K 7 7a UF- K 11 11a UO- K 145

4 Bildschau Gärrestaufbereitung Dekanter Bildschau Gärrestaufbereitung UF-Anlage Bildschau Gärrestaufbereitung Umkehrosmose 146

5 Massenbilanz Retentat Ultrafiltration Dekanter- Feststoff Retentat Umkehrosmose Gärrest Biogasanlage B 15,5 % 21,7 % 14 % 48,8 % Wasser 15,5 Massen% 16,5% N 67,5% P2O5 14% K2O 21,7 Massen% 39,1 % Nges 36,36% P2O5 23,1 % K2O 14 Massen% 34,4 % Nges 4,3 % P2O5 28,3 % K2O Kosten Anlage 1: Dekanter und Ultrafiltration Anlage 2: Dekanter+ UF+ UO Anlage 3: Dekanter+ UF+ UO+ IT m³/a m³/a m³/a /a /m³ 8,34 /m³ 6,08 /m³ 3,55 /m³ /a /m³ 13,66 /m³ 10,16 /m³ 5,87 /m³ /a /m³ 13,91 /m³ 10,33 /m³ 5,96 /m³ Beispiel: Gärrestaufbereitung an einer Biogasanlage mit Abfallbehandlungsanlage Substrat Biogasanlage: 100 m 3 /d Waschwasser: 50 m 3 /d Aufgabe: Die 50 m 3 Waschwasser sollen täglich in der Gärrestaufbereitungsanlage erzeugt werden. Resultat: 50 m 3 sauberes (keimfreies) Waschwasser pro Tag Wegfall der Wasserbeschaffungskosten Reduzierung der auszubringenden Gärreste von m 3 p. a. auf t Feststoff und t Flüssigdünger 147

6 Beispiel: Biogasanlage an einem landwirtschaftlichen Betrieb mit hohem Gülleaufkommen 148