Messmethodensammlung

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1 07 Schriftenreihe des BMU-Förderprogramms Energetische Biomassenutzung Messmethodensammlung Biogas Methoden zur Bestimmung von analytischen und prozessbeschreibenden Parametern im Biogasbereich Energetische Biomassenutzung

2 Energetische Biomassenutzung Schriftenreihe des BMU-Förderprogramms Energetische Biomassenutzung BAND 7 Messmethodensammlung Biogas Methoden zur Bestimmung von analytischen und prozessbeschreibenden Parametern im Biogasbereich Herausgegeben von Jan Liebetrau, Diana Pfeiffer, Daniela Thrän November 2013, 2. Aufl age (Aktualisierung: ) Gefördert vom Koordiniert vom Wissenschaftlich begleitet vom

3 4 Autoren Autoren: DBFZ Deutsches Biomasseforschungszentrum gemeinnützige GmbH (DBFZ): Martin Apelt, Rene Benndorf, Peter Fischer, Josephine Hofmann, Jan Liebetrau, Helge Lorenz, Jana Mühlenberg, Yong-Sung Kim, Jürgen Pröter, Britt Schumacher, Katrin Strach, Sören Weinrich, Tanja Westerkamp, Michael Dittrich-Zechendorf Agraferm Technologies AG Jürgen Kube Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme (IKTS): Karin Jobst, Marc Lincke, Annett Lomtscher, Björn Schwarz Fraunhofer UMSICHT: Jorge Iván Salazar Gómez, Andrea Gerstner, Alisa Jović gewitra Ingenieurgesellschaft für Wissenstransfer mbh: Carsten Cuhls Helmholtz-Zentrum Potsdam Deutsches Geoforschungszentrum (GFZ) Zentrum für CO 2 -Speicherung Mikrobielles Geoengineering: Anne Kleyböcker, Tobias Lienen Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung (UFZ) Umwelt- und Biotechnologisches Zentrum (UBZ): Lucie Moeller, Kati Görsch, Yvonne Köster, Andreas Zehnsdorf ISF Schaumann Forschung mbh: Dietmar Ramhold Kurt-Schwabe-Institut für Mess- und Sensortechnik e.v. Meinsberg (KSI): Jens Zosel TU Berlin Fachgebiet Biotechnologie, Bioverfahrenstechnik: Stefan Junne, Erich Kielhorn, Peter Neubauer TU Berlin Fachgebiet Bodenkunde: Peter Dominik, Doreen Zirkler

4 Autoren 5 TU Berlin Fachgebiet Verfahrenstechnik: Matthias Kraume, Manuel Brehmer TU Braunschweig Leichtweiß-Institut Abteilung Abfall und Ressourcenwirtschaft: Christof Heußner, Oliver Kugelstadt, Tobias Bahr, Klaus Fricke Universität Hohenheim Landesanstalt für Agrartechnik und Bioenergie: Hans Oechsner Universität Rostock, Agrar- und Umweltwissenschaftliche Fakultät Institut für Umweltingenieurwesen: Nils Engler

5 6 Impressum Impressum Herausgeber Jan Liebetrau, Diana Pfeiffer, Daniela Thrän DBFZ Deutsches Biomasseforschungszentrum gemeinnützige GmbH Torgauer Straße 116 D Leipzig Telefon: +49 (0) Redaktion Michael Dittrich-Zechendorf, Diana Pfeiffer Fotos Titel: DBFZ, DBFZ, DBFZ, Susanne Beeck / pixelio Rücken: A. Gröber / DBFZ Fachliche Koordination Jan Liebetrau DBFZ Deutsches Biomasseforschungszentrum gemeinnützige GmbH Telefon: +49 (0) jan.liebetrau@dbfz.de Satz le-tex publishing services GmbH DBFZ Druck Fischer Druck, Leipzig Förderung Erstellt mit fi nanziellen Mitteln des Bundesministeriums für Umwelt, Naturschutz, Bau und Reaktorsicherheit, Berlin (BMUB) ISSN Für die Ergebnisdarstellung mit entsprechenden Konzepten, Schlussfolgerungen und fachlichen Empfehlungen sind ausschließlich die Autoren zuständig. Dies beinhaltet auch die Wahrung etwaiger Autorenrechte Dritter. Daher können mögliche Fragen, Beanstandungen, Rechtsansprüche u.ä.m. nur von den Autoren bearbeitet werden. Die aufgeführten Meinungen, Bewertungen oder Vorschläge geben nicht die Meinung des Herausgebers wieder. Alle Rechte vorbehalten. DBFZ 2015 (Aktualisierung: )

6 Inhaltsverzeichnis 7 Inhaltsverzeichnis Impressum 6 Inhaltsverzeichnis 7 Verzeichnis der Abkürzungen und Formelzeichen 13 1 Einleitung 17 2 Begriffsbestimmungen 20 3 Methoden zur Ermittlung der Basisparameter Bestimmung der Trockensubstanz und der organischen Trockensubstanz (Katrin Strach, DBFZ) Trockensubstanzgehaltskorrektur nach Weissbach (Britt Schumacher, DBFZ) Bestimmung des FOS-Wertes (nach Kapp) und des FOS/TAC-Wertes (nach FAL) (Katrin Strach, DBFZ) Bestimmung des Ammoniumstickstoffgehaltes (Katrin Strach, DBFZ) 35 4 Methoden zur Ermittlung der chemischen Parameter Bestimmung von aliphatischen organischer Säuren und Benzaldehyd mit Head-Space-GC (Martin Apelt, DBFZ) Bestimmung der organischen Säuren (Lucie Moeller, Kati Görsch, UFZ; Dietmar Ramhold, ISF Schaumann Forschung GmbH; Erich Kielhorn, TU Berlin) Bestimmung von Aldehyden, Alkoholen, Ketonen, volatilen Fettsäuren (Erich Kielhorn, Peter Neubauer, Stefan Junne, TU Berlin) Untersuchung von Feststoffproben (Substraten) und Gärresten mit HPLC auf aliphatische und aromatische Säuren, Alkohole und Aldehyde (Martin Apelt, DBFZ) Bestimmung von Zuckern und Glucose-Abbau Produkten (Jana Mühlenberg, DBFZ) Bestimmung von Zuckern basierend auf einer GC-MS-Analytik (Erich Kielhorn, Peter Neubauer, Stefan Junne, TU Berlin) Bestimmung von Gesamtstickstoff und Rohprotein (Michael Dittrich-Zechendorf, DBFZ) Bestimmung des Proteingehaltes (Lucie Moeller, Kati Görsch, UFZ) Bestimmung von Rohfett (Michael Dittrich-Zechendorf, DBFZ) Bestimmung der Rohfaser (Michael Dittrich-Zechendorf, DBFZ) 65

7 8 Inhaltsverzeichnis 4.11 Arbeitsvorschrift zur ADF und ADL-Bestimmung (Michael Dittrich-Zechendorf, DBFZ) Bestimmung der Neutral-Detergentien-Faser (NDF) (Michael Dittrich-Zechendorf, DBFZ) Messung von organischen Spurenverbindungen (Jorge Iván Salazar Gómez, Andrea Gerstner, Alisa Jović; Fraunhofer UMSICHT) Messung H 2 (gelöst gasförmig) (Jens Zosel, KSI) Emissionsmessungen an Anlagen zur biologischen Abfallbehandlung (Carsten Cuhls, gewitra Ingenieurgesellschaft für Wissenstransfer mbh, Jan Liebetrau, DBFZ) Bestimmung der Gesamtemissionen aus Biogasanlagen mittels optischer Fernmesstechnik (Tanja Westerkamp, DBFZ) 89 5 Methoden zur Ermittlung der physikalischen Parameter Partikelgrößenverteilung (Marc Lincke, Frauenhofer IKTS) Bestimmung der Oberflächenspannung (Lucie Moeller, Kati Görsch, UFZ) Bestimmung des Schaumpotenzials mit dem Bubble-Test (Lucie Moeller, Kati Görsch, UFZ) LEIPZIGER SCHAUMTESTER - Testset zur Bestimmung der Schaumneigung von Substrat im aktiven Gärmaterial (Lucie Moeller, Yvonne Köster, Andreas Zehnsdorf, UFZ) Viskosität (Manuel Brehmer, Matthias Kraume, TU Berlin, Karin Jobst, Marc Lincke, Fraunhofer IKTS) Strömungsuntersuchung (Manuel Brehmer, Matthias Kraume, TU Berlin, Annett Lomtscher, Fraunhofer IKTS) Bestimmung der Verweilzeit mittels Tracer (Helge Lorenz, Yong-Sung Kim, Rene Benndorf, Peter Fischer, DBFZ) Bestimmung des Verweilzeitverhaltens mit Hilfe von Tracerstudien (Anne Kleyböcker, GFZ) Arbeitsvorschrift Sandbestimmung (Katrin Strach, DBFZ) Methoden zur Ermittlung der biologischen Parameter Versuchsbeschreibung zum Oberhausen-Rostock-Göttinger Aktivitätstest (ORGA-Test) (Nils Engler, Universität Rostock) Gasertragstest (Batch) (Marc Lincke, Björn Schwarz, Fraunhofer IKTS) Kontinuierliche Vergärungsversuche (Marc Lincke, Björn Schwarz, Fraunhofer IKTS) Kontinuierliche Vergärungsversuche (Katrin Strach, DBFZ) Mikrobiologische Untersuchungen (Tobias Lienen, GFZ) 170

8 Inhaltsverzeichnis Bestimmung des Restgas- / Restmethanpotenzials (Hans Oechsner, Landesanstalt für Agrartechnik und Bioenergie, Universität Hohenheim) Bestimmung des maximal möglichen Biogasertrages von Substraten durch Aufschluss mittels Natronlauge (Björn Schwarz, Fraunhofer IKTS) Berechnungs- und Bewertungsmethoden (Prozessbeschreibende Parameter / Metaparameter) SWOT-Analyse (Christof Heußner, Oliver Kugelstadt, Tobias Bahr, Klaus Fricke, TU Braunschweig) Berechnung von Anlagen- / Prozessindizes (Optimierungspotential einzelner Prozessschritte) (Christof Heußner, Oliver Kugelstadt, Tobias Bahr, Klaus Fricke, TU Braunschweig) Bestimmung der Humuswirkung organischer Dünger (Doreen Zirkler, Peter Dominik, TU Berlin) Massenbilanzierung (Jürgen Pröter, Sören Weinrich, Josephine Hofmann, DBFZ; Jürgen Kube, Agraferm Technologies AG) 190 Abbildungsverzeichnis 201 Tabellenverzeichnis 203 Literaturverzeichnis 205

9 10 Verzeichnis der Abkürzungen und Formelzeichen Verzeichnis der Abkürzungen und Formelzeichen ohne SI-Einheiten Abkürzung / Erklärung Einheit Formelzeichen γ Scherrate [1/s] 3D Scherrate [1/s] Dreidimensional γ * Schergeschwindigkeit nach Herstellervorschrift ermittelt [1/s] γ * Schergeschwindigkeit nach Herstellervorschrift ermittelt [1/s] 5-HMF 5-Hydroxymethylfurfural Repräsentative γ rep Repräsentative Scherrate Scherrate [1/s] [1/s] γ rep AbfAblV Abfall-Ablagerungs-Verordnung Radienverhältnis [ ] δ Radienverhältnis [ ] Dynamische Viskosität [kg/ms] ADF η Säure-Detergentien-Faser Dynamische Viskosität [% TS ] [kg/ms] Umsatz der FoTS [kg FoTS/ kg FoTS] ADL η Säure-Detergentien-Lignin Umsatz der FoTS [% [kg TS ] FoTS/ kg FoTS] eff Effektive Viskosität [kg/ms] η aots eff Effektive Viskosität [kg/ms] el Anorganische elektrischer Trockensubstanz Wirkungsgrad des BHKW [kg aots / kg [kw TS] kw] η el elektrischer Wirkungsgrad des BHKW [kw / kw] A Sn N Projektionsfl Viskosität äche nicht-newtonscher der Sonde Fluide [m²] [Pas] η BG n N Viskosität nicht-newtonscher Fluide [Pas] Bestimmungsgrenze Scheinbare Viskosität [mpa s], [Pa s] η S Scheinbare Viskosität [mpa s], [Pa s] Dichte (im Trockenzustand bei Standardtemperatur und [kg/m³], [kg m³ (i.n.)] BHKW ρ Blockheizkraftwerk Dichte (im Trockenzustand bei Standardtemperatur und [kg/m³], [kg / m³ (i.n.)] druck) druck) bls backward-lagrangian Dichte des Biogases Stochastic (im Trockenzustand bei [kg m³ (i.n.)] ρ B Dichte des Biogases (im Trockenzustand bei [kg / m³ (i.n.)] Standardtemperatur und druck) B R Raumbelastung Standardtemperatur und druck) [kg ots /(m³ d)] p(x,y) Elektrische Leitfähigkeit der Pixel [ms/cm] Cσ p(x,y) Elektrische Leitfähigkeit der Pixel [ms/cm] Konstante Schubspannung [ ] [N/m²] τ Schubspannung [N/m²] C C Konzentration Winkelgeschwindigkeit der zu untersuchenden Verbindung der [mg/m³ (i. N.)] [1/s] ω Winkelgeschwindigkeit [1/s] Biogasprobe, bezogen auf spezifi sche Bedingungen (im Trockenzustand bei Standardtemperatur und druck) CCA Konstantstromanemometrie CCD t Kreuzkorrelationskameras Mittlere Verweilzeit [s] t Mittlere Verweilzeit [s] CH4 Methankonzentration im Biogas im Biogas [m³ / m³] [m³ m³] c CH4 Methankonzentration im Biogas [m³ / m³] CO2 Kohlendioxidkonzentration im Biogas [m³ m³ c CO2 Kohlendioxidkonzentration im Biogas im Biogas [m³ / m³] [m³ / m³ ] i,ch4 Heizwert Biogas (im Trockenzustand bei Standardtemperatur [kwh m³ (i.n.)] H i,ch4 Heizwert Biogas (im Trockenzustand bei Standardtemperatur [kwh / m³ (i.n.)] CFD Numerische und und druck) druck) Strömungssimulations-Berechnungen / V Volumenstrom (im Trockenzustand bei Standardtemperatur [m³ (i.n.) d] V computational Volumenstrom fl uid dynamics (im Trockenzustand bei Standardtemperatur [m³ (i.n.) / d] B und und druck) CH druck) m 4 -C Methankohlenstoff Massestrom [kg/d] m Massestrom [kg/d] Cm Massestrom der Substratmischung [kg/d] m L Stirnfl S Massestrom ächenfaktor der Substratmischung [kg/d] Cm Massestrom des Gärrestes [kg/d] lam Konstante G Massestrom des verwendeten des Gärrestes Rührers [kg/d] C MO Metzner-Otto-Konstante CO 2 -Äq. Kohlendioxidäquivalent CSB Chemischer Sauerstoffbedarf [mg CSB /L] C SR Messsystemkonstante für die Umrechnung von Drehfrequenz [min/s] in Scherrate C SS Messsystemkonstante für die Umrechnung von Drehmoment [Pa/Nm] in Schubspannung CTA Konstanttemperaturanemometrie d Durchmesser [m] DAD Dioden-Array-Detektor DAS Data aquisition system Kommentar [HK2]: Kommentar [HK2]: in Word (PDF) in Word (PDF)

10 Verzeichnis der Abkürzungen und Formelzeichen 11 Abkürzung / Erklärung Einheit Formelzeichen DC Direct current (Gleichstrom) DGGE Denaturierende Gradienten Gelelektrophorese DIN Deutsches Institut für Normung DNS Dinitrosalicylsäure d S Sondendurchmesser [m] E(t) Verweilzeit-Dichtefunktion [ ] ECD Elektroneneinfang-Detektor EEG Erneuerbare Energien Gesetz ERT Prozess-Tomographie (electrical resistance tomography) F Geometrie-Systemfaktor [ ] F(t) Verweilzeit-Summenfunktion [ ] γ Scherrate [1/s] FAL Bundesforschungsanstalt für Landwirtschaft γ * Schergeschwindigkeit nach Herstellervorschrift ermittelt [1/s] FET Feldeffektransistor Repräsentative Scherrate [1/s] γ rep δ FID Flammenionisationsdetektor Radienverhältnis [ ] η FISH Fluoreszenz-insitu-Hybridisierung Dynamische Viskosität [kg/ms] η FM Frischmasse Umsatz der FoTS [kg FoTS/ kg FoTS] η F eff Effektive Viskosität [kg/ms] N2 Gasdurchströmungsgeschwindigkeit [ml/min] η el elektrischer Wirkungsgrad des BHKW [kw / kw] ηfos Flüchtige organische Säuren [mg/l] n N Viskosität nicht-newtonscher Fluide [Pas] ηfots S Fermentierbare Scheinbare organische Viskosität Trockensubtanz [kg FoTS /[mpa s], kg TS] [Pa s] ρ f W Stöchiometrischer Dichte (im Trockenzustand Wassereinbau bei Standardtemperatur und [kg Wasser [kg/m³], / FoTS] [kg / m³ (i.n.)] druck) f X Mikrobieller Biomasseaufbau [kg Biomasse / kg FoTS] ρ B Dichte des Biogases (im Trockenzustand bei [kg / m³ (i.n.)] GB 21 Gasbildung Standardtemperatur (z. B. bezogen und auf druck) 21 Tage) (im Trockenzustand [L (i. N.)/kg ots ] σ p(x,y) Elektrische bei Standardtemperatur Leitfähigkeit der und Pixel druck); siehe Abfall- [ms/cm] τ Ablagerungs-Verordnung Schubspannung (AbfAblV)). [N/m²] ω GC Winkelgeschwindigkeit Gaschromatograph [1/s] GC-MS Gaschromatograph mit Massenspektrometer Ges.-C Gesamtkohlenstoff GWP(-Wert) Globales Erwärmungspotential / Global Warming Potential / Greenhouse Warming Potential t Mittlere Verweilzeit [s] c CH4 Methankonzentration im Biogas [m³ / m³] chac CO2 Essigsäure Kohlendioxidkonzentration im Biogas [m³ / m³ ] H i,ch4 Heizwert Heizwert Biogas Biogas (im Trockenzustand (im bei Standardtemperatur bei Standardtemperatur [kwh / m³ [kwh (i. N.)] / m³ (i.n.)] und druck) V Volumenstrom (im Trockenzustand bei Standardtemperatur B HPLC Hochleistungsfl und druck) üssigkeitschromatographie [m³ (i.n.) / d] m HRT Hydraulische Massestrom Verweilzeit / hydraulic retention time [d] [kg/d] m h S Massestrom der Substratmischung [kg/d] Schaum Höhe des generierten Schaums [mm] m G Massestrom des Gärrestes [kg/d] HSMW Halbstundenmittelwerte IC Ionenchromatographie ICP-OES Plasma-Atom-Emissions-Spektrometrie ID Innendurchmesser [mm] IR Infrarot Komm in Wor

11 12 Verzeichnis der Abkürzungen und Formelzeichen Abkürzung / Erklärung Einheit Formelzeichen ISO Internationale Organisation für Normung ISTD Interner Standard γ Scherrate γ Scherrate [1/s] K Ostwaldfaktor γ * [Pa Schergeschwindigkeit s n ] nach Herstellervorschr γ * Schergeschwindigkeit nach Herstellervorschrift ermittelt [1/s] k Reaktionskonstante Repräsentative 1. Scherrate Repräsentative Ordnung γ rep [1/d] [1/s] Scherrate γ rep δ γ Radienverhältnis Scherrate δ Radienverhältnis [1/s] [ ] K* Konsistenzfaktor der drehzahlbasierten Fließkurve [mpa s m ] η η Dynamische Viskosität γ * Dynamische Schergeschwindigkeit Viskosität nach Herstellervorschrift ermittelt [kg/ms] [1/s] η k, k Metzner Umsatz Repräsentative / Reed-Fließkoeffi der FoTS Scherrate zient η [Pa Umsatz [kg s n FoTS/ ] der [1/s] FoTS γ rep kg FoTS] ηδ η eff Effektive Viskosität eff Effektive Radienverhältnis Viskosität [kg/ms] [ ] η K 1/s Konsistenzfaktor eines defi nierten Schergeschwindigkeitsbereichs (Scherratenbereichs) η n N η el [mpa elektrischer s m ] Wirkungsgrad des BHKW el elektrischer Dynamische Wirkungsgrad Viskosität des BHKW [kw [kg/ms]/ kw] η Viskosität nicht-newtonscher Fluide n N Viskosität Umsatz der nicht-newtonscher FoTS Fluide [kg FoTS/ [Pas] kg FoTS] η (Konsistenzfaktor für die scheinbare Viskosität η S bei Scheinbare Viskosität S eff Scheinbare Effektive Viskosität [mpa s], [kg/ms] [Pa s] ρ η einer Schergeschwindigkeit von γ = 1 s -1 ) ρ Scherrate Dichte (im Trockenzustand bei Standardtemp el Dichte elektrischer (im Trockenzustand Wirkungsgrad des bei BHKW Standardtemperatur und [kg/m³], [kw[kg/ / kw] m³ (i.n.)] druck) ηkbe Kolonienbildende druck) γ * Schergeschwindigkeit nach Herstellervorschrift ermittelt n N Viskosität nicht-newtonscher Einheiten Fluide [Pas] ρ ρ B Repräsentative Dichte Scherrate des Biogases (im Trockenzustand bei ηkrwg B Dichte des Biogases (im Trockenzustand bei [kg / m³ (i.n.)] S Kreislaufwirtschafts- Scheinbare Viskosität und Abfallgesetz γ rep [mpa s], [Pa s] Standardtemperatur und druck) ρ Standardtemperatur Dichte (im Trockenzustand und druck) bei δ Standardtemperatur Radienverhältnis und σ p(x,y) Elektrische [kg/m³], [kg Leitfähigkeit / m³ (i.n.)] σγ K der Pixel p(x,y) VP Faktor Elektrische druck) Scherrate zur Umrechnung Leitfähigkeit der beim der Pixel η ViskoPakt genutzten Dynamische Viskosität [ ] [ms/cm] [1/s] τ Drehzahlen die Scherraten ( Faktor τ Schubspannung ργ * Schubspannung η ViskoPakt ) Umsatz der FoTS [N/m²] B Dichte Schergeschwindigkeit des Biogases (im nach Trockenzustand Herstellervorschrift bei ermittelt [kg /[1/s] m³ (i.n.)] ω ω Winkelgeschwindigkeit L Charakteristische Winkelgeschwindigkeit Standardtemperatur Repräsentative Länge Scherrate und druck) η eff Effektive Viskosität [m] [1/s] γ rep σδ L p(x,y) Elektrische Radienverhältnis Leitfähigkeit der Pixel (i. N.) Normliter (im Trockenzustand bei η el Standardtemperatur elektrischer Wirkungsgrad [ms/cm] [ ] des BHKW τ η Schubspannung Dynamische Viskosität und druck) η n N Viskosität nicht-newtonscher [kg/ms] [N/m²] Fluide ω η Winkelgeschwindigkeit Umsatz der FoTS η S Scheinbare Viskosität [kg FoTS/ [1/s] kg FoTS] ηl2f Laser-2-Fokus-Anemometrie t eff Effektive Viskosität Mittlere Verweilzeit ρ t Dichte (im Trockenzustand Mittlere [kg/ms] Verweilzeit [s] bei Standardtemperatur und LBP Linear back projection Kommentar [HK2]: η c CH4 druck) c el elektrischer Wirkungsgrad des BHKW Methankonzentration [kw / kw] im Biogas CH4 Methankonzentration im Biogas [m³ m³] in Word (PDF) ηlda Laser-Doppler-Anemometrie ρ B c Dichte des Biogases CO2 Kohlendioxidkonzentration (im Trockenzustand bei c n N Viskosität nicht-newtonscher Fluide [Pas] im Biogas CO2 Kohlendioxidkonzentration im Biogas [m³ / m³ ] η Standardtemperatur H i,ch4 Heizwert und Biogas druck) Ht L S Scheinbare Viskosität [mpa s], [Pa s] O Obukhov-Länge [m] (im Trockenzustand bei Stan i,ch4 Heizwert Mittlere Verweilzeit Biogas (im Trockenzustand bei Standardtemperatur σ p(x,y) Elektrische Leitfähigkeit [kwh und druck) der /[s] m³ Pixel (i.n.)] ρ Dichte (im Trockenzustand bei Standardtemperatur und [kg/m³], [kg / m³ (i.n.)] Kommentar [HK2]: cm CH4 Drehmoment und Methankonzentration druck) im Biogas τ V Schubspannung Volumenstrom [Nm] [m³ / m³] in Word (PDF) druck) V Volumenstrom (im Trockenzustand bei Standardtemperatur (im Trockenzustand bei Stand cb B [m³ (i.n.) / d] ρm CO2 Kohlendioxidkonzentration im Biogas Fließindex und druck) ω Winkelgeschwindigkeit [m³ / m³ ] B Dichte des Biogases (im Trockenzustand bei und druck) [kg / m³ (i.n.)] H i,ch4 Heizwert Standardtemperatur Biogas (im Trockenzustand und druck) bei Standardtemperatur m Massenstrom Massestrom m Massestrom [kwh / m³ (i.n.)] und druck) [kg/d] [kg/d] σ m p(x,y) Elektrische Leitfähigkeit der Pixel m S Massestrom [ms/cm] der Substratmischung S Massestrom der Substratmischung [kg/d] V m³ B (i. N.) Kubikmeter Volumenstrom im Normzustand (im Trockenzustand (im Trockenzustand bei Standardtemperatur m τ m bei G Massestrom [m³ (i.n.) des / d] Gärrestes G Massestrom Schubspannung des Gärrestes [N/m²] [kg/d] Standardtemperatur und druck) ω Winkelgeschwindigkeit und druck) [1/s] m Massestrom [kg/d] MCF Methylchloroformat t Mittlere Verweilzeit m S Massestrom der Substratmischung [kg/d] c CH4 Methankonzentration im Biogas m G Massenstrom Massestrom des des Gärrestes [kg/d] [kg/d] c CO2 Kohlendioxidkonzentration im Biogas mg/m³ (i. N.) Einheit mg je m³ im Normzustand H i,ch4 (im Trockenzustand bei Heizwert Biogas (im Trockenzustand bei Standardtemperatu t Standardtemperatur Mittlere Verweilzeit und druck) und druck) [s] Kommentar [HK2]: c V Volumenstrom (im Trockenzustand bei Standardtemperatur mg CH4 Methankonzentration im Biogas [m³ / m³] in Word (PDF) B CSB /L Milligramm CSB pro Liter c CO2 Kohlendioxidkonzentration im Biogas und druck) [m³ / m³ ] HMGRT Reale Aufenthaltszeit / minimum m guaranteed retention Massestrom i,ch4 Heizwert Biogas (im Trockenzustand bei Standardtemperatur [kwh / m³ (i.n.)] time und druck) m S Massestrom der Substratmischung V m G Massestrom des Gärrestes MID B Magnetisch-induktiver Volumenstrom (im Durchfl Trockenzustand ussmesser bei Standardtemperatur [m³ (i.n.) / d] und druck) m MS Massenspektrometer Massestrom [kg/d] m S Massenstrom Massestrom der der Substratmischung [kg/d] [kg/d] m G Massestrom des Gärrestes [kg/d] MYA Hefeextrakt-Agar n Drehzahl [1/s] n Fließexponent [ ]

12 Verzeichnis der Abkürzungen und Formelzeichen 13 Abkürzung / Erklärung Einheit Formelzeichen n Metzner / Reed-Index [ ] n Herschel / Bulkley-Index [ ] NaWaRo Nachwachsende Rohstoffe Nd:YAG Neodymium-Yttrium-Aluminium-Garnet-Doppelpulslaser NDF Neutrale-Detergentien-Faser [% TS ] Ne Newtonzahl (Leistungskennzahl) NG Nachweisgrenze NGS Next Generation Sequencing NH 4 -N Ammoniumstickstoff NMVOC Non methane organic compounds NO 2 -N Nitritstickstoff NO 3 -N Nitratstickstoff OEG Obere Explosionsgrenze [%] ORGA-Test Oberhausen-Rostock-Göttinger Aktivitätstest ots Organische Trockensubstanz [%TS]; [kg ots / kg TS] ots G Organische Trockensubstanz des Gärrestes [kg ots / kg TS] ots S Organische Trockensubstanz der Substratmischung [kg ots / kg TS] p Druck [Pa] P Rührerleistung [W] p.a. pro analysi (analysenrein) P el Elektrische Leistung des BHKW [kw] PIV Particle-Image-Velocimetry ppb Parts per billion (Teilchen pro Milliarde Teilchen) ppm Parts per million (Teilchen pro Million Teilchen) ppm*m Teilchen pro Million mal Meter ppmv Parts per million by volume (Volumenmischungsverhältnis) PTB Physikalisch-Technische Bundesanstalt Q 0 Anzahl-Dichteverteilung [ ], [%] q 0 (x EQPC ) q 3 (x EQPV ) Q 0 (x EQPC ) Q 3 (x EQPV ) qpcr Anzahl-Dichteverteilung (in der Mengenart 0) des fl ächengleichen Kreisdurchmessers Volumen-Dichteverteilung (in der Mengenart 3) des volumenäquivalenten Kugeldurchmessers Anzahl-Summenverteilung (in der Mengenart 0) des fl ächengleichen Kreisdurchmessers Volumen-Summenverteilung (in der Mengenart 3) des volumenäquivalenten Kugeldurchmessers (quantitative) Polymerasekettenreaktion [1/µm]; [%/µm] [1/µm]; [%/µm] [ ]; [%] [ ]; [%]

13 14 Verzeichnis der Abkürzungen und Formelzeichen Abkürzung γ / Erklärung Scherrate Einheit [1/s] Formelzeichen γ * Schergeschwindigkeit nach Herstellervorschrift ermittelt [1/s] rγ rep Radius Repräsentative Scherrate [mm]; [1/s] δ Radienverhältnis [m] [ ] Rη 1 Widerstand Dynamische Viskosität [Ω] [kg/ms] η Umsatz der FoTS [kg FoTS/ kg FoTS] R 2 Widerstand [Ω] η eff Effektive Viskosität [kg/ms] rη a Außenradius [mm] el elektrischer Wirkungsgrad des BHKW [kw / kw] Rη n N CR Kontrollwiderstand Viskosität nicht-newtonscher Fluide [Ω] [Pas] Re η S Reynoldszahl Scheinbare Viskosität [mpa s], [Pa s] ρ Dichte (im Trockenzustand bei Standardtemperatur und [kg/m³], [kg / m³ (i.n.)] r i Innenradius druck) [mm] RID ρ B Brechungsindexdetektor Dichte des Biogases (im Trockenzustand bei [kg / m³ (i.n.)] rrna Ribosomale Standardtemperatur Ribonukleinsäure und druck) σ p(x,y) Elektrische Leitfähigkeit der Pixel [ms/cm] R S Betriebs- oder Sondenwiderstand [Ω] τ Schubspannung [N/m²] STD ω Standard Winkelgeschwindigkeit [1/s] SWOT S-Strength Stärken, W-Weaknesses Schwächen, O- Opportunities Chancen, T-Threats Risiken T Tatsächliche Temperatur der Biogasprobe [ C] t Mittlere Mittlere Verweilzeit Verweilzeit [s] [s] c CH4 Methankonzentration im Biogas [m³ / m³] TA Luft Technische Anleitung zur Reinhaltung der Luft c CO2 Kohlendioxidkonzentration im Biogas [m³ / m³ ] TAC Carbonat H i,ch4 Heizwert Pufferkapazität Biogas (im Trockenzustand (Totales Anorganisches bei Standardtemperatur Carbonat) [kwh / m³ (i.n.)] TC Gesamtkohlenstoff und druck) (Total Carbon) TD V Volumenstrom (im Trockenzustand bei Standardtemperatur [m³ (i.n.) / d] B Thermodesorption und druck) TDLAS m Tunable Massestrom Diode Laser Absorption Spectrometer (Absorptionsspektrometer [kg/d] m S Massestrom auf der Basis Substratmischung durchstimmbarer Laserdioden) [kg/d] Tm G Massestrom des Gärrestes [kg/d] f Fluidtemperatur [ C] TGB Trypton-Glucose-Bouillon TMW Tagesmittelwerte TN Total Nitrogen (totaler Stickstoff) TOC Gesamter organischer Kohlenstoff (Total Organic Carbon) T S Sondentemperatur [ C] TS Trockensubstanz [%] TS G Trockensubstanz des Gärrestes [kg TS / kg FM] TS getr. Trockensubstanz der getrockneten Probe [%] TS S Trockensubstanz der Substratmischung [kg TS / kg FM] TS WG Trockensubstanzgehalt-Wassergehalt [g/kg]; [g/l]; [%] U Heizspannung [V] u* Schubspannungsgeschwindigkeit in der Meteorologie [m/s] U B Brückenspannung [V] UEG Untere Explosionsgrenze [%] Kommentar [HK2]: in Word (PDF)

14 B Standardtemperatur und druck) σ p(x,y) Elektrische Leitfähigkeit der Pixel [ms/cm] τ Schubspannung [N/m²] ω Winkelgeschwindigkeit [1/s] Verzeichnis der Abkürzungen und Formelzeichen 15 Abkürzung t / Erklärung Mittlere Verweilzeit Einheit [s] Formelzeichen c CH4 Methankonzentration im Biogas [m³ / m³] Vc CO2 Probenvolumen Kohlendioxidkonzentration im Biogas [ml] [m³ / m³ ] H v i,ch4 Heizwert Biogas (im Trockenzustand bei Standardtemperatur [kwh / m³ (i.n.)] Geschwindigkeit und druck) [m/s] V Volumenstrom (im Trockenzustand (im bei Standardtemperatur und und druck) bei Standardtemperatur [m³ (i. N.) [m³ / d] (i.n.) / d] B m Massestrom [kg/d] VDLUFA Verband Deutscher Landwirtschaftlicher Untersuchungsm S Massestrom der Substratmischung [kg/d] m und Forschungsanstalten G Massestrom des Gärrestes [kg/d] V Gesamt Gesamtvolumen [ml] V GP Volumen der Gasphase im Reaktor [ml] VOC Flüchtiger organischer Verbindungen / volatile organic compounds V Schaum Volumen des generierten Schaums [ml] w Geschwindigkeit [m/s] WG Wassergehalt w m Mittlere Geschwindigkeit [m/s] WMZ Wirksame Mineralisierungszeit w X Geschwindigkeit [m/s]; [mm/s] x EQPC Flächengleicher Kreisdurchmesser [µm] x EQPV Volumenäquivalenter Kreisdurchmesser [µm] XF Rohfaser [g / kg TS] x max Faserlänge [mm] Y FoTS Biogasbildungspotential der FoTS (im Trockenzustand bei [m³ (i. N.) / kg FoTS] Standardtemperatur und druck) Y G Restgaspotential (im Trockenzustand bei Standardtemperatur [m³ (i. N.) / kg FM] und druck) z 0 Rauhigkeitslänge [m] z ein Einlaufl änge [m] γ Scherrate Scherrate [1/s] [1/s] γ γ * Schergeschwindigkeit Scherrate nach Herstellervorschrift ermittelt [1/s] γ * Schergeschwindigkeit nach nach Herstellervorschrift ermittelt ermittelt [1/s] Repräsentative Scherrate γ rep γ * Schergeschwindigkeit nach Herstellervorschrift ermittelt γ δ γ rep Repräsentative Scherrate γ * Radienverhältnis [ ] γ rep Repräsentative Scherrate Scherrate Scherrate [1/s] [1/s] γ * Scherrate [1/s] γ * η Schergeschwindigkeit Scherrate Dynamische Radienverhältnis Viskosität nach Herstellervorschrift ermittelt [1/s] [kg/ms] [ ] γ rep γ * Schergeschwindigkeit Scherrate Radienverhältnis nach Herstellervorschrift ermittelt [1/s] γ rep γ * Repräsentative Schergeschwindigkeit [ ] Umsatz Dynamische der FoTS Viskosität Scherrate nach Herstellervorschrift ermittelt [kg FoTS/ [kg/ms] [1/s] γ rep γ * Repräsentative Schergeschwindigkeit Dynamische Viskosität Scherrate nach Herstellervorschrift ermittelt [ ] [kg/ms] [1/s] γ rep FoTS] Radienverhältnis Repräsentative Scherrate [1/s] γ rep eff Effektive Umsatz der FoTS [kg FoTS/ [ ] FoTS] Dynamische Radienverhältnis Repräsentative Umsatz der FoTS Scherrate FoTS/ [1/s] γ rep Viskosität [kg/ms] [ ] FoTS] Dynamische Radienverhältnis eff el elektrischer Effektive Viskosität Viskosität Wirkungsgrad des BHKW [kg/ms] [kw [ ] / kw] δ eff Dynamische Radienverhältnis Effektive Viskosität Viskosität [kg/ms] [ ] Umsatz Umsatz Dynamische el n N Viskosität elektrischer nicht-newtonscher Wirkungsgrad des Fluide BHKW [kw [Pas] kw] der FoTS der FoTS Viskosität [kg FoTS [kg / kg FoTS/ [kg/ms] FoTS] FoTS] η eff el elektrischer Wirkungsgrad des BHKW [kw kw] eff Umsatz Dynamische der FoTS Viskosität [kg FoTS/ [kg/ms] FoTS] eff Effektive Umsatz n N S Scheinbare der nicht-newtonscher Viskosität Fluide [mpa s], [Pas] Viskosität FoTS [kg FoTS/ [kg/ms] FoTS] η Effektive el Viskosität [Pa s] ρ n N Viskosität nicht-newtonscher Fluide [kg/ms] [Pas] eff el Effektive Umsatz der Viskosität FoTS FoTS/ [kg/ms] FoTS] el elektrischer S Dichte Scheinbare (im Trockenzustand bei Standardtemperatur und [kg/m³], [mpa s], [kg / [Pa s] Wirkungsgrad des BHKW [kw kw] n N m³ (i.n.)] S Scheinbare Viskosität [mpa s], eff Effektive Viskosität [kg/ms] η el [Pa s] n N elektrischer Wirkungsgrad des BHKW [kw kw] eff Effektive Viskosität [kg/ms] Elektrischer druck) Dichte (im Trockenzustand bei Standardtemperatur und [kg/m³], [kg m³ (i.n.)] n N Viskosität Wirkungsgrad nicht-newtonscher des BHKW Fluide [kw / kw] [Pas] el elektrischer Wirkungsgrad des BHKW [kw kw] η B druck) Dichte (im Trockenzustand bei Standardtemperatur und [kg/m³], [kg m³ (i.n.)] n N Viskosität nicht-newtonscher Fluide [Pas] el elektrischer Wirkungsgrad des BHKW [kw / kw] Scheinbare des Biogases (im Trockenzustand bei / m³ (i.n.)] B Standardtemperatur druck) Viskosität [mpa s], [Pa s] n N Viskosität nicht-newtonscher Fluide [Pas] η Viskosität Scheinbare nicht-newtonscher des Viskosität Fluide [Pas] Biogases (im und Trockenzustand druck) bei [mpa s], m³ [Pa s] n N Viskosität nicht-newtonscher Fluide [Pas] (i.n.)] Dichte (im Trockenzustand bei Standardtemperatur und [kg/m³], [kg m³ (i.n.)] Scheinbare Viskosität [mpa s], [Pa s] η σ B Dichte p(x,y) Elektrische Standardtemperatur (im des Trockenzustand Biogases (im Leitfähigkeit und Trockenzustand bei Standardtemperatur der druck) bei und [kg/m³], [kg m³ (i.n.)] m³ (i.n.)] S Scheinbare Scheinbare Pixel [ms/cm] τ p(x,y) Schubspannung Elektrische Standardtemperatur Leitfähigkeit und der druck) druck) Dichte Viskosität Viskosität (im Trockenzustand bei Standardtemperatur und [mpa [mpa s], [kg/m³], [Pa s] [kg m³ (i.n.)] ρ druck) Dichte (im Trockenzustand bei Standardtemperatur Pixel und [ms/cm] Dichte druck) des Biogases (im [N/m²] ω p(x,y) Elektrische Leitfähigkeit Trockenzustand der bei [Pa [kg/m³], [kg s] [kg / m³ (i.n.)] m³ (i.n.)] Pixel [ms/cm] Dichte druck) des Biogases (im Winkelgeschwindigkeit Schubspannung Trockenzustand bei [kg m³ (i.n.)] [N/m²] p(x,y) Standardtemperatur Dichte des Biogases Schubspannung (im und Trockenzustand druck) bei [kg m³ (i.n.)] ρ [N/m²] [1/s] p(x,y) B Standardtemperatur Dichte des Biogases (im und Trockenzustand druck) bei [kg / m³ (i.n.)] p(x,y) Elektrische Standardtemperatur Winkelgeschwindigkeit Leitfähigkeit und der druck) Pixel [ms/cm] [1/s] p(x,y) Elektrische Standardtemperatur Winkelgeschwindigkeit Leitfähigkeit und der druck) Pixel [ms/cm] [1/s] p(x,y) Schubspannung Elektrische Leitfähigkeit der Pixel [ms/cm] [N/m²] σ p(x,y) Schubspannung Elektrische Leitfähigkeit der Pixel [ms/cm] [N/m²] Winkelgeschwindigkeit Schubspannung [N/m²] [1/s] τ Winkelgeschwindigkeit Schubspannung [N/m²] [1/s] Winkelgeschwindigkeit [1/s] ω Winkelgeschwindigkeit [1/s] t Mittlere Verweilzeit [s] ct CH4 Methankonzentration Mittlere Verweilzeit im Biogas [m³[s] / m³] CH4 Methankonzentration Mittlere Verweilzeit im Biogas [m³ [s] m³] CO2 Kohlendioxidkonzentration im Biogas ] H CH4 Methankonzentration im Biogas [m³ m³] t CO2 i,ch4 Heizwert Kohlendioxidkonzentration Biogas (im Trockenzustand im Biogas bei Standardtemperatur [kwh / m³ (i.n.)] CH4 Mittlere Verweilzeit CO2 Kohlendioxidkonzentration im Biogas [s] t CH4 Mittlere Verweilzeit [s] t CH4 Methankonzentration Mittlere i,ch4 und Heizwert druck) Biogas (im Trockenzustand bei Standardtemperatur [kwh m³ (i.n.)] Verweilzeit im Biogas [m³[s] m³] t CO2 CH4 i,ch4 V Volumenstrom und Heizwert druck) Biogas (im Trockenzustand bei Standardtemperatur [kwh m³ (i.n.)] CO2 Methankonzentration Mittlere Verweilzeit im Biogas [m³[s] m³] CO2 Kohlendioxidkonzentration Methankonzentration im Biogas (im bei [m³ (i.n.) / d] B V B Volumenstrom und druck) im Biogas [m³ m³] c CO2 i,ch4 i,ch4 Kohlendioxidkonzentration Methankonzentration im Biogas (im im Biogas bei [m³ [m³ / (i.n.) m³] CO2 d] V i,ch4 Heizwert Kohlendioxidkonzentration B Volumenstrom Biogas (im Trockenzustand im Biogas bei Standardtemperatur [kwh [m³ m³ m³ (i.n.)] Hc CO2 i,ch4 Heizwert Kohlendioxidkonzentration Biogas (im (im Trockenzustand im Biogas bei bei Standardtemperatur [kwh [m³ [m³ (i.n.) / m³ m³ (i.n.)] /] d] und Heizwert druck) Biogas (im Trockenzustand bei Standardtemperatur [kwh / m³ (i.n.)] Komm in Wor Komm in Komm Wor in Komm Wor Komm Komm in Wor in Komm Word in Komm in Word Komm Word in Komm Word in Word in Word

15 rep γ rep Repräsentative Scherrate γ * Radienverhältnis Repräsentative Schergeschwindigkeit Scherrate nach Herstellervorschrift ermittelt [1/s] γ rep [ ] Radienverhältnis [ ] Dynamische Radienverhältnis Repräsentative Scherrate [1/s] γ rep Viskosität [kg/ms] [ ] Dynamische Viskosität [kg/ms] δ Umsatz Dynamische Radienverhältnis der FoTS Viskosität [kg FoTS/ [kg/ms] [ ] FoTS] Umsatz der FoTS [kg FoTS/ FoTS] η eff Effektive Umsatz Dynamische der Viskosität FoTS Viskosität [kg FoTS/ [kg/ms] [kg/ms] FoTS] eff Effektive Viskosität [kg/ms] η el elektrischer Wirkungsgrad des BHKW [kw kw] eff Effektive Umsatz der Viskosität FoTS [kg FoTS/ [kg/ms] FoTS] el elektrischer Wirkungsgrad des BHKW [kw kw] η eff n N Viskosität nicht-newtonscher Fluide [Pas] el elektrischer Effektive Viskosität Wirkungsgrad des BHKW [kw [kg/ms] kw] n N Viskosität nicht-newtonscher Fluide [Pas] η el Scheinbare Viskosität [mpa s], [Pa s] n N Viskosität elektrischer nicht-newtonscher Wirkungsgrad des Fluide BHKW [kw[pas] / kw] S Scheinbare Viskosität [mpa s], [Pa s] η n N Dichte Dichte (im Trockenzustand (im Trockenzustand bei Standardtemperatur bei und und [kg m³ (i.n.)] S Scheinbare Viskosität nicht-newtonscher Viskosität Fluide [mpa s], [Pas] [Pa s] Dichte (im Trockenzustand bei Standardtemperatur und [kg/m³], [kg m³ (i.n.)] η S druck) druck) Dichte Scheinbare (im Trockenzustand Viskosität bei Standardtemperatur und druck) [kg /[kg/m³], [mpa s], (i. N.)] [kg [Pa s] m³ (i.n.)] ρ des Biogases (im Trockenzustand bei m³ (i.n.)] B Dichte Dichte druck) Dichte (im Trockenzustand bei Standardtemperatur und [kg/m³], [kg / m³ (i.n.)] des Biogases (im Trockenzustand bei [kg m³ (i.n.)] Standardtemperatur des Biogases (im Trockenzustand und druck) bei Standardtemperatur Elektrische und druck) Leitfähigkeit der Pixel [ms/cm] p(x,y) [kg / m³ (i. N.)] B Dichte druck) des Biogases (im Trockenzustand bei [kg m³ (i.n.)] Standardtemperatur und druck) ρ p(x,y) Elektrische Standardtemperatur Leitfähigkeit und der druck) B Dichte des Biogases (im Trockenzustand bei [kg / m³ (i.n.)] Pixel [ms/cm] Schubspannung [N/m²] p(x,y) Elektrische Elektrische Standardtemperatur Leitfähigkeit der Pixel [ms/cm] Schubspannung Leitfähigkeit der und Pixel druck) [ms/cm][n/m²] σ p(x,y) Winkelgeschwindigkeit Schubspannung Elektrische Leitfähigkeit der Pixel [ms/cm] [N/m²] [1/s] Winkelgeschwindigkeit [1/s] τ Winkelgeschwindigkeit Schubspannung [N/m²] [N/m²] [1/s] ω Winkelgeschwindigkeit [1/s] [1/s] 16 Verzeichnis der Abkürzungen und Formelzeichen t Mittlere Verweilzeit [s] t Mittlere Verweilzeit [s] t CH4 Methankonzentration Mittlere Verweilzeit im Biogas [m³[s] m³] CH4 Methankonzentration im Biogas [m³ m³] t CO2 Kohlendioxidkonzentration im Biogas CH4 Methankonzentration Mittlere Verweilzeit im Biogas [m³[s] m³] CO2 Kohlendioxidkonzentration im Biogas c CH4 CH4 i,ch4 Heizwert Biogas (im Trockenzustand bei Standardtemperatur [kwh m³ (i.n.)] CO2 Kohlendioxidkonzentration Methankonzentration im Biogas im Biogas [m³ [m³ / m³ m³] i,ch4 Heizwert Biogas (im Trockenzustand bei Standardtemperatur [kwh m³ (i.n.)] c CO2 CO2 i,ch4 und Heizwert Kohlendioxidkonzentration druck) Biogas (im Trockenzustand im Biogas bei Standardtemperatur [kwh [m³ / m³ m³ (i.n.)] ] und druck) V H i,ch4 Volumenstrom (im bei [m³ (i.n.) d] V Volumenstrom und druck) i,ch4 Heizwert Biogas (im Trockenzustand bei Standardtemperatur [kwh / m³ (i.n.)] (im Trockenzustand bei Standardtemperatur [m³ (i.n.) d] B V Volumenstrom und druck) (im Trockenzustand bei Standardtemperatur [m³ (i.n.) d] B und druck) m V Massestrom [kg/d] m Massestrom und Volumenstrom druck) (im Trockenzustand bei Standardtemperatur [m³ (i.n.) / d] B [kg/d] m Massestrom und druck) der Substratmischung [kg/d] S der Substratmischung m des Gärrestes S Massestrom der Substratmischung [kg/d] G des Gärrestes m G S Massestrom des der Substratmischung Gärrestes [kg/d] m G Massestrom des Gärrestes [kg/d] Kommentar [HK2]: Kommentar [HK2]: in Word (PDF) in Kommentar Word (PDF) [HK2]: in Kommentar Word (PDF) [HK2]: in Word (PDF)

16 Einleitung 17 1 Einleitung Im Rahmen der nationalen Klimaschutzinitiative fördert das Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU) seit April 2009 mit dem Programm Energetische Biomassenutzung Projekte zur Entwicklung und Optimierung klimafreundlicher und energieeffi zienter Technologien zur energetischen Verwertung von Biomasse unter Berücksichtigung von Nachhaltigkeits- und Klimaschutzaspekten. Biogasanlagen stellen dabei eine sehr erfolgreiche und vielversprechende Option der energetischen Biomassenutzung dar. Die Zahl der Anlagen nimmt dabei seit Jahren kontinuierlich zu und mit ca Anlagen (Stand Ende 2012) kann man von einer etablierten Technologie sprechen. Trotzdem besteht ein erhebliches Optimierungspotential hinsichtlich der Effi zienz der Konversions- und Verwertungsprozesse auf Biogasanlagen. Mit der Optimierung der Biogasgewinnung aus unterschiedlichen biogenen Materialien kann der Anteil an erneuerbaren Energien an der Stromversorgung erhöht und zur Reststoffverwertung beigetragen werden. Hierzu erforschen im Förderprogramm aktuell 38 von 90 Projekten primär die effektive Nutzbarmachung von Reststoffen durch die Entwicklung innovativer Verfahrenskombinationen, die technologische Optimierung des Vergärungsprozesses und die Ausweitung der Nutzungsmöglichkeiten des entstehenden Biogases. Der Aspekt der Nachhaltigkeit, besonders die Reduktion von Klimagasemissionen, spielt dabei eine besondere Rolle. Neben den Einzelaktivitäten der Projekte wurde gemeinsam projektübergreifend im Rahmen der Arbeitsgruppe Biogas des Förderprogramms Energetische Biomassenutzung die Idee entwickelt, eine Zusammenstellung der in den einzelnen Vorhaben angewendeten Methoden zu erarbeiten. Trotz der beachtlichen Anzahl an Praxisanlagen ist festzustellen, dass die prozessbegleitende Analytik und die wissenschaftlichen Analysemethoden mit den neuen Anforderungen, die sich aus den sehr speziellen Eigenschaften der Substrate und der technischen Gegebenheiten der Verfahren ergeben, vor vielfältig Herausforderungen gestellt wurden. Die eingesetzten messtechnischen Methoden wurden aus Anwendungen in anderen Wissenschaftsbereichen übernommen und mussten in der überwiegenden Mehrzahl der Fälle erheblichen Modifi kationen unterzogen werden, um den Anforderungen der Praxis gerecht werden. Das Ergebnis ist eine Vielzahl von Methoden, die in Anlehnung an standardisiertes methodisches Vorgehen durchgeführt werden, bis hin zu völligen Neuentwicklungen (z. B. FOS/TAC), die bisher nicht standardisiert sind. Dadurch entstand eine Vielzahl von

17 18 Einleitung Varianten und Abwandlungen von Methoden, die einen sinnvollen Vergleich der Ergebnisse oft unmöglich macht. Um dieser Tatsache zu begegnen, ist es zunächst notwendig, die verwendeten Methoden übersichtsartig zusammenzustellen, zu bewerten und langfristig mit den Institutionen, die diese einsetzen, in eine Diskussion für eine Harmonisierung zu treten. Aus diesem Ansatz entstand die Idee der Messmethodensammlung Biogas. In einem ersten Schritt sollen die in den Vorhaben des Förderprogramms eingesetzten, wesentlichen Methoden dargestellt werden. Diese Darstellung soll über die Laufzeit des Förderprogrammes sukzessiv weiterentwickelt und die enthaltenen Methoden diskutiert und bewertet werden. Langfristig wird eine Einbindung von Institutionen außerhalb des Teilnehmerkreises des Förderprogramms Energetische Biomassenutzung angestrebt, um die abgebildeten Methoden auf eine breitere Basis stellen zu können. Die Messmethodensammlung Biogas bietet daher erstmalig die Gelegenheit, eine Übersicht zu den im Biogassektor eingesetzten Methoden abzubilden und Vergleiche hinsichtlich der Eignung für spezielle Anwendungen anzustellen. Zudem bietet die Messmethodensammlung den Lesern die Möglichkeit, Institutionen zu identifi zieren, die sich mit den dargestellten Methoden befassen und mit diesen Erfahrungen auszutauschen und die Methoden weiterzuentwickeln. In der hier vorgelegten zweiten Aufl age der Messmethodensammlung Biogas haben die am Programm beteiligten Institutionen die angewendeten Methoden zusammengetragen. Aus der großen inhaltlichen Variabilität der beteiligten Vorhaben resultiert auch eine große Variabilität der Methoden, die fast das gesamt Spektrum der Biogasforschung abbilden. In den wenigen Fällen, in denen unterschiedliche Methoden für die gleiche Messgröße eingereicht wurden, wurden diese gleichberechtigt dargestellt. Mit der Fortschreibung des Förderprogrammes werden auch weiterhin neue Vorhaben und methodische Ansätze hinzukommen, die für die Weiterentwicklung der Messmethodensammlung und eine intensive Diskussion zu den Methoden beitragen werden. Die hier vorgestellten Methoden werden in den technischen Prozessen und Verfahren, die zur Umwandlung von Biomasse zu Biogas und dessen Verwertung dienen, angewendet. Dabei werden sowohl Abfallbehandlungsanlagen als auch landwirtschaftliche Anlagen betrachtet. Die in dieser Sammlung aufgezeigten Methoden beziehen sich auf einen komplexen Prozess, der in der Praxis in einer Vielzahl von Variationen realisiert wird.

18 Einleitung 19 Die in den Kapiteln Basisparameter, chemische, physikalische und biologische Parameter dargestellten Methoden beschreiben die stofflichen Eigenschaften der Ausgangssubstrate, des Fermenterinhaltes sowie der Produkte. Diese Methoden werden verwendet, um die Qualität der Ausgangssubstrate und Endprodukte, sowie Prozesszustände im Fermentationsprozess zu beschreiben. Sie dienen als Ausgangsgrößen für übergeordnete Untersuchungen wie Prozessbewertungen, Massen- und Energiebilanzierungen. Diesen übergeordneten Rahmen bedient auch die Bewertung der Emissionen. Dazu ist es notwendig Qualität und Quantität der emittierten Substanzen zu bestimmen. In dem Kapitel Berechnungs- und Bewertungsmethoden werden übergeordnete Methoden wie die SWOT Analyse, Massenbilanzierungen oder die Bestimmung von Prozessindizes dargestellt, diese werden angewendet um das Gesamtverfahren oder Teilprozesse hinsichtlich ihrer technischen Eignung oder der energetischen Effi zienz zu bewerten. Sollten Sie weitere Methoden, auch über das BMU-Förderprogramm hinaus, zur Messmethodensammlung beitragen wollen oder haben Sie Anmerkungen bzw. Anpassungsvorschläge zur aktuellen Ausgabe, dann kontaktieren Sie bitte Diana Pfeiffer (Tel: ;

19 20 Begriffsbestimmungen 2 Begriffsbestimmungen Begriff Erklärung Abbaugrad in % Auf die Ausgangsmenge des Substrats bezogene Verminderung der Masse an organischer Substanz durch anaeroben Abbau. Abfall Bewegliche Sache, die im Anhang 1 zum Kreislaufwirtschafts- und Abfallgesetz (KrWG) enthalten ist und deren sich der Besitzer entledigen will. Ablauffracht z. B. in kg ots /d oder in kg TS /d Aus einer Vergärungsanlage abgeführte Masse pro Zeiteinheit. Ablaufkonzentration z. B. in kg ots /m³ oder in kg TS /m³ Konzentration eines Stoffes im Ablauf (z. B. Gehalt an organischer Trockensubstanz in kg ots /m³). ots organische Trockensubstanz; TS Trockensubstanz Ammonium- Stickstoffgehalt (NH 4 -N-Gehalt) Anaerobe Abbaubarkeit Anaerobe Behandlung anorganische Trockensubstanz (aots) Batch-Test Bioabfall Biogas Der Ammonium-Stickstoffgehalt ist die Summe der in Form von NH 4+ - Ionen und undissoziiertem NH 3 vorliegenden Stickstoffverbindungen jeder Prozessstufe. Grad der mikrobiellen Umsetzung von Substraten oder Co-Substraten, im Allgemeinen ausgedrückt als Abbaugrad. Biotechnologischer Prozess unter Ausschluss von Luft(-sauerstoff) mit dem Ziel des Abbaus von Organik unter Gewinnung von Biogas. anorganische Trockensubstanz; Asche, Glührückstand, wird nach VDLUFA bei 550 C aus der Trockensubstanz (TS) gewonnen; repräsentiert den inerten Anteil der Probe des Substrates Diskontinuierlicher Test, bei dem organische S ubstrate oder Co- Substrate unter defi nierten anaeroben Bedingungen einer Vergärung unterzogen werden und bei dem Aussagen zur Vergärbarkeit und Gasausbeute gewonnen werden kann. Bioabfälle: Abfälle tierischer oder pfl anzlicher Herkunft zur Verwertung, die durch Mikroorganismen, bodenbürtige Lebewesen oder Enzyme abgebaut werden können; hierzu gehören insbesondere die in Anhang 1 Nr. 1 genannten Abfälle; Bodenmaterial ohne wesentliche Anteile an Bioabfällen gehört nicht zu den Bioabfällen; Pfl anzenreste, die auf forst- oder landwirtschaftlich genutzten Flächen anfallen und auf diesen Flächen verbleiben, sind keine Bioabfälle (BIOABFV, 1998), (NOVELLIERUNG BIOABFV, 2007) Gasförmiges Produkt der Vergärung, das hauptsächlich aus Methan und Kohlenstoffdioxid besteht und je nach Substrat außerdem Ammoniak, Schwefelwasserstoff, Wasserdampf und andere gasförmige oder verdampfbare Bestandteile enthalten kann.

20 Begriffsbestimmungen 21 Begriff Biogasanlage Biogasaufbereitung Biogasausbeute Biogasbildungspotenzial Biogasmenge Biogas-Methangehalt Biogasrate Biogasrate, spezifi sche (Biogasproduktivität) Biomasse Chemischer Sauerstoff bedarf (CSB) Co-Fermentation Co-Substrat Einphasige Methangärung Erklärung Bauliche Einheit zur Erzeugung von Biogas aus den angelieferten Materialien, bestehend aus wenigstens einem oder mehreren Fermentern sowie der dafür notwendigen Verrohrung und Verkabelung. In der Regel gehören zu einer Biogasanlage außerdem Bevorratungs- und Zuführungseinrichtungen für die Gärsubstrate, Gasreinigungs- und Gasnutzungssysteme (z. B. BHKW) sowie Lager- und manchmal auch Aufbereitungsmöglichkeiten für den Gärrest und das Biogas in Erdgasqualität mit dem Ziel der Einspeisung ins Erdgasnetz. Es wird zwischen einstufi gen Biogasanlagen und mehrstufi gen Biogasanlagen unterschieden. (nach VDI 3475 Blatt 4) Die Biogasaufbereitung umfasst alle technisch notwendigen Einrichtungen zur Reinigung des mit Fremdstoffen verunreinigten Biogases und zur Methananreicherung. Gasreinigung z. B. in L (i. N.)/kg ots oder L (i. N.)/kg FM Biogasmenge je eingesetzter Substratmenge. L (i. N.) Normliter FM Frischmasse ots organische Trockensubstanz z. B. in L (i. N.)/kg ots Maximal mögliche Biogasausbeute, die aus einer defi nierten Substratmenge erzeugt werden kann. z. B. in L (i. N.) Gebildetes Biogas in Volumeneinheit. Die Biogasmenge ist die auf Normbedingungen gemäß DIN 1343 (0 % relative Luftfeuchte; 0 C Gastemperatur; 1013,25 mbar Umgebungsdruck) umgerechnete Volumen der Rohbiogasmenge. Der Biogas-Methangehalt ist der Volumenanteil an Methan, der sich in einer Volumeneinheit Biogas befi ndet. z. B. in L (i. N.)/d Produzierte Biogasmenge pro Zeiteinheit. in L (i. N.)/(L d) Verhältnis der Biogasrate zum aktiven Arbeitsvolumen des Fermenters. Biomasse ist rezente organische Materie aus Phyto- und Zoomasse. Hierzu gehören auch aus Phyto- und Zoomasse resultierende Folge- und Nebenprodukte, Rückstände und Abfälle, deren Energiegehalt aus Phytound Zoomasse stammt. in mg CSB /L Maß für den Gehalt an oxidierbaren Verbindungen im Substrat. (hier) Anaerober biotechnologischer Prozess, bei dem ein (Haupt-) Substrat zusammen mit einem oder mehreren weiteren Substraten ( Co-Substraten) vergoren wird. Rohstoff für eine Fermentation / Vergärung, der jedoch nicht der Rohstoff mit dem prozentual größten Anteil am gesamten zu vergärenden Stoffstrom ist. Die mikrobiellen Teilschritte Hydrolyse, Säuregärung und Methanbildung laufen ohne räumliche Trennung ab.

21 22 Begriffsbestimmungen Begriff Einstufi ge Biogasanlage Eintrag Einzelprobe Energiepfl anzen Entschwefelungsgrad Faulschlamm Faulung Fermentation Fermenter Fermentervolumen Flüchtige organische Säuren (FOS) FOS/TAC-Wert Erklärung Eine einstufi ge Biogasanlage ist dadurch gekennzeichnet, dass alle Phasen bis zum Biogas in einem oder mehreren parallel geschalteten Fermentern ablaufen. Als Eintrag wird das Befüllen eines Fermenters bezeichnet. Probenmenge, die bei einem einzelnen Probenahmevorgang entnommen wird; sie ist zeitlich und örtlich eng auf eine Entnahmestelle begrenzt. Pfl anzen, die zum ausschließlichen Zwecke der Energieerzeugung angebaut werden. Der Entschwefelungsgrad beschreibt den Grad der Elimination von Schwefelverbindungen im Biogas durch biologische, chemische oder physikalische Entschwefelungsverfahren. Ausgefaulter Klärschlamm (siehe auch Impfschlamm). Ausdruck für Vergärung (dieser Begriff wird häufi g in der Abwasserbehandlung benutzt). Biotechnologischer Prozess zur Produktgewinnung. Behälter, welche der gezielten Umsetzung (Fermentation) von Gärgemisch durch Mikroorganismen dienen. Fermenter zur Biogaserzeugung sind dadurch gekennzeichnet, dass das darin enthaltene Fermentationsmedium ( Gärgemisch) aktiv beheizt wird, ein aktiver Stofftransport aufrechterhalten wird (z. B. durch Rühren oder Perkolation) und der biologische Prozess aktiv gesteuert wird. Fermenter sind außerdem dadurch gekennzeichnet, dass das entstehende Biogas erfasst und der Verwertung zugeführt wird. Im Allgemeinen kann zwischen Vorfermentern, Hauptfermentern und Nachfermentern unterschieden werden. Volumen des Fermenters (Reaktors), in dem die Vergärung ( Fermentation) stattfi ndet. Es handelt sich hier um wasserdampffl üchtige Fettsäuren (C 1 bis C 5 ). Der Gesamtgehalt an fl üchtigen organischen Säuren berechnet sich als Essigsäureäquivalent in jeder Prozessstufe. Beim FOS/TAC-Wert handelt es sich um den Quotienten aus der durch Titration mit 0,1 N Schwefelsäure ermittelten Menge an fl üchtigen organischen Säuren (FOS), ausgedrückt als mg/l Essigsäure (HAc) und dem als mg CaCO 3 /L dargestellten Säureverbrauch derselben Titration bis ph = 5 (TAC). Der FOS/TAC-Wert ist rein empirischer Natur und stellt einen Frühwarnparameter zur Beurteilung der Prozessstabilität dar. Für einen stabilen Betrieb gilt ein Grenzwert von < 0,3 als sicher. Bei reinen NaWaRo-Anlagen Testformel:a+b= b wird bei FOS/TAC-Werten c zwischen 0,4 und 0,6 in der Regel noch ein stabiler Betrieb erreicht. Verbrauch B 166 0, mg/l HAc Verbrauch A 500 mg/l CaCO 3 (1) Frischmasse (FM) Gärgemisch (Fermenterinhalt) Masse eines HRT V Stoffes oder Substrates im Originalzustand mit dem natürlichen R V Wassergehalt. d (2) Substrat einschließlich Gärhilfsmittel, Rezirkulate und Biozönose in einem Fermenter. Massenstrom_zu Massenstrom_ab Bestand (3) Massenstrom zu Massenstrom ab Bestand (4) B R m c V R 100 (5)