Parameter für die Steuerung und Optimierung landwirtschaftlicher Biogasanlagen

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1 Thüringer Landesanstalt für Landwirtschaft Parameter für die Steuerung und Optimierung landwirtschaftlicher Biogasanlagen DR. G. REINHOLD Leipziger Biogas-Fachgespräch 2003/2004 "Steuerung von Biogasprozessen Neue Erkenntnisse in der Prozessbiologie" in Leipzig Das Thüringer Ministerium für Landwirtschaft, Naturschutz und Umwelt

2 Leipziger Biogas-Fachgespräche 2003/2004 Steuerung von Biogasprozessen Parameter für die Steuerung und Optimierung landwirtschaftlicher Biogasanlagen Dr. G. Reinhold Thüringer Landesanstalt für Landwirtschaft Naumburger Str. 98, Jena Tel /

3 Entwicklung Biogasanlagenbau in Deutschland Erneuerbare- Energien- Gesetz Stromeinspeisegesetz

4 Standorte landwirtschaftlicher Biogasanlagen Steinheuterode Körner 32 Anlagen im Betrieb m³ Reaktorraum kw elektrische Leistung (installiert) (30 bis 50 Anlagen in Vorbereitung) Förtha Wolfmannshausen Stand: Mai 2003 Reinhold, 2003 TLL Jena,

5 Steuerung Optimierung Temperaturhaltung Durchmischung Zuspeisemenge H 2 S-Gehalte!Gewünschter Verfahrensablauf!Stabile Verhältnisse keine Störungen!Planbarkeit Gaserzeugung Elektroenergieerträge Wirkungsgrad! Effektivität! Wirtschaftlichkeit Kaum direkter Eingriff auf die Biologie

6 Stromlieferung ins Netz BGA mit Überschusseinspeisung Stromerzeugung (kwh/d) mittlere Elektroleistung (kw) Einflussfaktoren: Stromeigenbedarf, Gaserzeugung, BHKW-Wartung bzw. Ausfälle,...

7 Zeitverlauf Reaktorbelastung und Gasverbrauch in der Biogasanlage Rieth ( ) 14. Aug Aug Sep Sep Okt Okt Nov Nov Dez Dez Jan Jan. 03 Biogasverbrauch

8 Einflussmöglichkeiten 1. Anlagenplanung Substratanfall! durch Landwirt geplant Wirtschaftsdünger meist in der Größenordnung bekannt Futterreste und Abfälle im Betrieb (Menge u. TS sind oft grobe Schätzwerte) NAWAROS oft beliebig, abhängig vom Preis!Anlagenauslegung! durch Planer! Reaktorgröße (Anzahl)! Verweilzeit, Reaktorbelastung,...! Gaserzeugung! BHKW Größe! Durchmischung, Heizung,...

9 Optimierung in der Planungsphase Ermittlung und Optimierung der Reaktorbelastung (Gaserzeugung) mit Bezug zu den Investkosten! erfolgt kaum erzeugte Gasmenge Einflussfaktoren: - Substratart - Temperatur Tage Verweilzeit

10 Hydraulische Verweilzeit (ohne Nachgärraum) IST 38,3 Tage (mit Nachgärraum 51.1 Tage) Tage

11 Parameter Reaktorbelastung Biogasverbrauch (m³/d) Zeitverlauf Reaktorbelastung und Gasverbrauch in der Biogasanlage Rieth ( ) 6,50 6,00 5,50 5,00 4,50 4,00 3,50 3,00 2,50 2,00 Biogasverbrauch Reaktorbelastung Reaktorbelastung kg/m³ d 0 1, Aug Aug Sep Sep Okt Okt Nov Nov Dez Dez Jan Jan. 03

12 Belastungsabhängige Methanausbeute Belastungsabhängige Gas- und Methanausbeute (BGA Rieth ) (BGA Rieth, ) Ausbeute l/kg ots y = -256,62Ln(x) + 521,89 R 2 = 0,2559 CH4 Ausbeute Norm l/kg Logarithmisch (CH4 Ausbeute Norm l/kg) 0 1,50 1,70 1,90 2,10 2,30 2,50 2,70 2,90 3,10 3,30 Reaktorbelastung kg/m³ d

13 Reaktorbelastung in Thüringer Biogasanlagen Mittel IST 2,48 kg/m³ d (ohne NAWARO 2,0 kg/m³ d) 6 Optimal (5) kg/m³ d

14 Ökonomische Kennziffern zwei Anlagenkonzepte Reaktorbelastung Reaktorgröße m³ Gaserzeugung Investition Erlöse Kosten Rückflussdauer Anlage A 1,5 kg/m³ d % 100 % 100 % 100 %??? Jahre Anlage B 3 kg/m³ d % % (??) % (Wärmenutzung) %??? Jahre

15 Einflussfaktor Substrat Erschließung von Zusatzsubstraten nach Inbetriebnahme Wechselnde Substrate Mobiler Antransport von zusätzlicher Gülle ist ökonomisch meist nachteilig (Größendegression reicht nicht aus) kostenfreie Reststoffe sind immer NAWARO vorzuziehen

16 Biogasbildung aus Kosubstraten (Vollmer 2001) Substrat Schweinegülle I SG I + 50 g Raps GP Schweinegülle II SG II + 5% Glycerin Schweinegülle III SG III + 41,6 g Rapskuchen Schweinegülle IV SG IV + 9% ZR Pressschnitzel Biogasbildung l / l

17 Methanerträge von Gras-Kosubstraten (Öchsner 2002) 0,39 CH 4 -Erträge (m³/kg ots) 0,4 0,3 0,2 0,17 0,08 0,22 0,26 0,1 0 Grassilage (extensiv) Rasenschnitt Grassilage (internsiv)

18 Wirtschaftlichkeitskennziffern typgleicher Anlagen Reaktorgröße m³ Investition (ohne Förderung) Substrate Rindergülle Ko-Substrat Reaktorbelastung Erreichte mittlere Elektroenergieleistung Rückflussdauer Anlage A m³ Maissilage 1,6 kg/m³ d 161 kw > 16 Jahre Anlage B m³ Fette 2,6 kg/m³ d 338 kw 5,7 Jahre

19 Verfahrenstechnische Optimierung Systematische Erfassung + Auswertung der Daten ist erforderlich (CH 4, O 2,... Festlegung der Reaktortemperatur Schnellerer Abbau bei höheren Temperaturen Wärme ist meist vorhanden Festlegung der Durchmischung Schwimmschicht und Temperatur als Indikator Grundschlammabzug (TS-Kontrolle) Festlegung der Zuspeisehäufigkeit Biologische Entschweflung Reglung nach Restsauerstoff im Gas

20 Zu überwachende Verfahrensparameter Substrate (Zuspeisemenge, TS,...) Kontinuität anstreben, Vorsicht bei Wechsel, Fettsäuregehalte bzw. ph-werte Gaserzeugung (Menge, Qualität,...) Verlaufskurven, Stromerzeugung (Menge, Störungen,...) Wirkungsgradkontrolle! Prozessvisualisierung

21 Prozess- Indikatoren -TS % F1 TS F2 TS NF1 TS NF2 TS -ph 8,6 8,5 8,4 8,3 8,2 8,1 8 7,9 7,8 7, F1 ph F2 ph NF1 ph NF2 ph

22 (mg/l) F1 Essigsäure F2 Essigsäure NF1 Essigsäure NF2 Essigsäure Essigsäure Propionsäure (mg/l) F1 Proionsäure F2 Proionsäure NF1 Proionsäure NF2 Proionsäure

23 Schlussfolgerungen Eine gute Planung legt die Grundlagen für 20 Jahre Datenerhebung vor Ort stellt notwendigen, ersten Schritt zur Optimierung dar Prozessvisualisierung zur Generierung von Verlaufskurven bzw. prozessbiologische Begleitung (Eigenlabor Dienstleister). Insgesamt bestehen außer über die Substrate (Belastung) und Temperatur geringe Einflussmöglichkeiten. Bei stark wechselnden Substraten ist eine intensive Prozessbegleitung erforderlich.

24 Weitere Infos Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit