Prozeßoptimierung als Service-Paket

Transkript

1 Prozeßoptimierung als Service-Paket Dipl.-Chem. Markus Ott; Schmack Biogas GmbH; Oberer Mühlweg 4-6; D Burglengenfeld Tel.: ; Fax: -222; 1. Situation Obwohl inzwischen ein hervorragender Stand der Technik erreicht ist, muß die Biogas- Technologie oft noch Einschätzungen gegenübertreten, sie sei nur unter bestimmten Bedingungen, z.b. bei intensiver Kofermentation von Abfällen, wirtschaftlich zu realisieren. Dies steht in krassem Widerspruch zum enormen Potential und zu den hohen Erwartungen, die an sie auch von politischer Seite gestellt werden beides trifft zu und ist berechtigt: Allerdings ist leider ebenso Tatsache, dass die Branche einer großen Streuung technischer und wirtschaftlicher Standards unterliegt. Während eine Umfrage unter mehr als 100 bayerischen Biogaserzeugern ergeben hat, dass in rund 70 Fällen die Biogasanlage (BGA) im Schnitt zwei Mal völlig stillstand (was jeweils einem wirtschaftlich verlorenen Betriebsjahr gleichkommen kann), wird an anderer Stelle von Biogasanlagen berichtet, die sich allein aus landwirtschaftlichen Einsatzstoffen innerhalb von weniger als 10 Jahren amortisieren. Zentrale Ursache der oben genannten Probleme ist nach Ansicht des Autors immer noch die weit verbreitete Unkenntnis über die wichtigen biologischen Zusammenhänge des Biogas-Prozesses. Wie diese direkte Folgen für die Anlagenkonzeptionierung sowie die biologische Prozeßführung haben und die Effizienz der Biogasanlage verbessern können, soll im folgenden dargestellt werden. Dabei wird deutlich werden, warum die Schmack Biogas GmbH der biologischen Prozeßbetreuung eine zentrale Stellung im Portfolio beimißt. 2. Anlagenkonzeptionierung: der Durchflußfermenter EUCO Viele Erkenntnisse über den technischen, anaeroben Abbau von Biomasse stammen aus dem Bereich der Abwasserreinigung. Hier sind die unterschiedlichsten Zusammenhänge entdeckt und Reaktor-Technologien entwickelt worden. Mit zunehmenden Abbauraten, also steigender Effizienz, sind an dieser Stelle zu nennen: der klassische Rührkessel mehrere Rührkessel, kaskadierend angeordnet der Festbett-Reaktor der UASB-Reaktor

2 Allerdings wird der Einsatz der leistungsfähigeren dieser Reaktoren in der Biogas- Technologie durch die dort üblichen Bedingungen unmöglich. Sie sind vor allem für leicht abbaubare Substanzen, niedrige Nährstoff- und Stickstoff-Frachten bzw. (bezogen auf den Fermenter) Raumbelastungen konzipiert. Mit der Entwicklung des Durchflußfermenters EUCO gelang eine Adaption, deren Einsatz im Bereich landwirtschaftlicher Biogasanlagen möglich ist und die gegenüber den Speicher- und Speicherdurchflußfermentern herkömmlicher Biogasanlagen deutlich leistungsfähiger ist. Die entscheidenden Aspekte sind dabei: hydraulisch entkoppelte Verweilzeiten für unterschiedlich anspruchsvolle Einsatzstoffe Immobilisierung von Bakterien auf Bewuchsflächen -> höhere Bakteriendichte System-immanente Kaskadierung durch das Durchfluß-Prinzip in Modulbauweise mehrstufig kombinierbar Die Belastbarkeit des EUCO ist enorm, die hohe Prozeßstabilität vor allem bei Kofermentation von Vorteil. In der Tabelle sind die aktuellen Betriebsdaten für den Einsatz in der landwirtschaftlichen Biogasanlage B. aufgelistet. In dieser ist der EUCO wie üblich als erste Stufe vor einem Nachgärbehälter geschaltet (Kaskadierung!). Beispiel: Betriebsdaten Biogasanlage L. Einsatzstoffe Fermentervolumen EUCO Raumbelastung EUCO Raum-Zeit-Ausbeute aus EUCO Methangehalt Biogas aus EUCO Methangehalt Biogas insgesamt Schweinegülle, Kofermentation von Pülpe, Gemüsereste, Zuckerrübenschnitzel, Maissilage 260 cbm 4-5 kg TS pro Tag und cbm Fermentervolumen 3,1 cbm Biogas pro Tag und cbm Fermentervolumen Vol% Vol% Beurteilung der Betriebsdaten Vorab sei klargestellt: Obwohl die Erfahrungen dafür sprechen, geht es hier nicht darum, inwieweit in einem EUCO mehr Biogas aus einer bestimmten Menge Biomasse gewonnen werden kann. Es soll vielmehr gezeigt werden, daß eine hohe Belastbarkeit des Hauptfermenters einen insgesamt effizienteren Betrieb einer Biogasanlage ermöglicht.

3 Mit 260 cbm Volumen ist der EUCO relativ klein, trotzdem dient er in der Beispiel-BGA B. als Hauptfermenter vor einem klassischen Rührkesselfermenter. Die Aufteilung des Fermentervolumens der BGA ist insgesamt: Hauptfermenter: 2 x 260 cbm EUCO parallel Nachgär-Behälter: 2 x 800 cbm Rührkesselfermenter in Reihe Die Verweilzeit in den EUCOs liegt bei etwa 15 Tagen. Die Anlage ist nicht mehrstufig im Sinne einer Kombination Hydrolyse/Methanbildung. Einsatzstoffe sind die einer landwirtschaftlichen Biogasanlage mit intensiver Kofermentation landwirtschaftlicher Produkte. (Es werden keine Fette o.ä. kofermentiert!) Die beiden EUCOs werden scharf betrieben. Die Raumbelastung beträgt zwischen 4 und 5 Kilogramm Trockensubstanz pro Kubikmeter Fermentervolumen und Tag. Der relativ niedrige Methangehalt des Biogases aus dem EUCO ist ebenfalls ein Zeichen der hohen Belastung des Fermenters. Trotzdem ist der Prozeß sehr stabil: Die Raum-Zeit-Ausbeute (ein Maß für die Leistungsfähigkeit des Prozesses) liegt bei über 3 cbm Biogas pro cbm Fermentervolumen und Tag. Die beiden EUCOs liefern mit 1600 cbm Biogas etwa die Hälfte der gesamten Biogas-Produktion. Die andere Hälfte der Biogas-Produktion erfolgt in den Nachgärbehältern. Hier ist weitere Verweilzeit und Kapazität zur Verfügung gestellt. Ergebnis Durch die Aufteilung des Gesamt-Fermentervolumens der BGA in einen besonders leistungsfähigen ersten Schritt mit Durchflußfermenter EUCO und einen zweiten Schritt mit klassischen Rührkessel-Fermentern zur Erhöhung der Gesamtverweilzeit wird eine hohe Prozeßstabilität garantiert. Diese versetzt den Betreiber in die Lage, mit seiner BGA auch bei großen Einsatzmengen und hoher Belastung effektiv zu wirtschaften. 3. Analytische Prozeß-Überwachung Die Produktivität einer BGA ist dann am höchsten, wenn sie nach unter-nehmerischen Vorgaben des Betreibers ohne prozeßbedingte Einschränkung mit maximaler Auslastung betrieben werden kann. Dies verlangt neben einer entsprechenden Anlagenkonzeption eine konsequente und fachmännische Überwachung des Gärprozesses, damit Probleme, wie das viel zitierte Umkippen der BGA als größt-möglicher Störfall verhindert wird. (Auf die nötigen technischen Anforderungen wie Automatisierung, Steuerung etc. soll an dieser Stelle nicht eingegangen werden). Die wichtigsten Parameter der biologischen Überwachung und ihre Aussagekraft sind in der Tabelle aufgelistet. Auf einige von ihnen wird im Text weiter eingegangen.

4 Parameter der Prozeßüberwachung TS, ots Biogas-Menge und Qualität Raumbelastung, Abbaugrad, Effizienz Methanogene Aktivität Flüchtige Fettsäuren Prozeßstabilität Spurenmetalle Gärversuche Biologische Verfügbarkeit Substrat- Eigenschaften Gärverhalten Die flüchtigen Fettsäuren als Zwischenprodukte des Abbaus Als Zwischenprodukte des biologischen Abbaus sind die flüchtigen Fettsäuren prädestiniert zur Indikation von Problemen wie zu hoher Raumbelastung oder allgemein einer Hemmung der Methan bildenden Bakterien. Bei eingeschränkter methanogener Aktivität werden die im Prozeß entstehenden Fettsäuren nicht weiter zu Methan abgebaut, sondern reichern sich im Fermenter an. Ihre Konzentration ist also Maß für Zwischenprodukte als Prozess-Indikatoren Konzentration [ mg Hac-Eq. /l ] traditionell "blind" betrieben Datum die Belastung des Prozesses. Weniger entscheidend ist in diesem Zusammenhang der absolute Wert dieses Parameters als vielmehr die Änderung des für jede Anlage individuellen Mittelwertes im Laufe des Betriebes.

5 Das Diagramm zeigt eine betreute und eine nicht betreute Biogasanlage im Vergleich. Nach oben ist die Konzentration der flüchtigen Fettsäuren aufgetragen; ein Wert von 0 bis 2000 mg/l ist in etwa normal und unproblematisch. Während die Kurve der analytisch betreuten BGA von anfänglich über 6000 mg/l (bei Inbetriebnahme) auf unter 2000 mg/l sinkt und dort dauerhaft bleibt, ist die Kurve der nicht betreuten BGA besonders auffällig. Nach einer Phase intensiver Kofermentation beklagte der Betreiber einen plötzlichen Zusammenbruch der Biogasproduktion, worauf eine Fermenterprobe analysiert wurde. Ergebnis: infolge zu hoher Raumbelastung stieg der Wert der flüchtigen Fettsäuren extrem an, der Prozeß brach zusammen, die BGA stürzte ab. Erst nach eeinem halben Jahr waren das Ausgangsniveau und die volle Biogasproduktion wieder erreicht. Gärversuche zur Beurteilung von Einsatzstoffen Oft in ihrer Aussagekraft unterschätzt sind Gärversuche, in denen mögliche Einsatzstoffe hinsichtlich ihres Gärverhaltens untersucht werden. Neben der reinen zu erwartenden Gasausbeute ist zum Beispiel für die Dosierung in Biogasanlagen auch das zeitliche Gärverhalten wichtig. Außerdem ermöglichen Gärversuche Vergleiche mit anderen, standardisierten Substraten. Wichtig für die Vergleichbarkeit mit der Praxis und damit für die Aussagekraft eines Gärversuchs ist, daß der zum Einsatz kommende Bakterienschlamm an die Bedingungen einer landwirtschaftlichen Biogasanlage adaptiert ist. 4. Laborleistungen als Service-Paket Fit for Biogas Für die Effizienz und die maximale Wirtschaftlichkeit landwirtschaftlicher Biogasanlagen muß zukünftig sichergestellt sein, daß sie nach biologischen Gesichtspunkten betrieben werden. Bislang war die mangelnde Fachkenntnis der Betreiber eine problematische Hürde dafür. Da aber die Biogas-Technologie auf absehbare Zeit eine dezentrale Technologie (mit den entsprechenden Vorteilen) bleiben wird und deshalb weiter bei den Landwirten angesiedelt ist, ist es nach Ansicht des Autors zukünftig die Aufgabe der Anlagenhersteller, die Betreiber auch in dieser Hinsicht zu unterstützen. Schmack Biogas hat diesen Schritt mit dem Service-Paket Fit for Biogas bereits getan und bietet ihr entsprechendes Know-how und die langjährigen Erfahrungen im Rahmen eines prozeß-begleitenden Labor-Services an. Fit for Biogas ist quasi ein biologischer Wartungsvertrag, dessen Vergütung sich an der Stromproduktion und damit seinem Erfolg orientiert. Die folgende Abbildung zeigt die ersten, beachtlichen Ergebnisse von Fit for Biogas. Seit Beginn der Betreuung konnte der Gärprozeß bei den aufgeführten BGA konsequent optimiert die Gasausbeute im Durchschnitt mindestens verdoppelt werden.

6 Biogas-Ausbeute (m³/d) (Wochendurchschnitt) BGA H. BGA K.-K. BGA G. BGA F. (halbiert) Woche Natürlich wurde diese Produktionssteigerung auch durch zusätzliche Einsatzstoffe erzielt. Im Herbst nimmt ja erfahrungsgemäß die Menge der verfügbaren Stoffe zur Kofermentation zu. Entscheidend ist aber, daß die Intensivierung der Kofermentation eben nicht zu Prozeßschwierigkeiten, Abstürzen o.ä. führte, sondern effektiv genutzt werden kann. Die Erfahrungen der bisherigen Jahre zeigten ja, dass Betreiber gerade im Herbst Probleme bei der Prozeßführungen hatten und die meisten Totalausfälle zu beklagen waren. Ertrag Optimum Biologisch betreut Nicht betreuut Zeitverlauf Der große Vorteil einer biologischen Prozeß-Betreuung ist also der Ersatz des Prinzips Zufall durch eine kontrollierte Prozeßführung möglichst nahe am Optimum.