Biogasertrag und Wirtschaftlichkeitsanalyse der Substratvorbehandlung mittels Querstromzerschneider

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Gerhardt Albert
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1 Biogasertrag und Wirtschaftlichkeitsanalyse der Substratvorbehandlung mittels Querstromzerschneider Referent: Oliver Wulff

2 Anlagenbeschreibung BGA Anlagendaten/-informationen Speicher-Durchfluss-Verfahren Fermenter 1 Fermenter 2 Nachgärer BHKW 1 BHKW 2 Fermenter 3 Lager Mischsubstrat: Maissilage und Pferdemist Vergärungsprozess-Dauer ca Tage 1

3 Anlagenbeschreibung BGA Eintragsystem für Substrate Quelle: 894ff e55af1c62e991cfcc.jpg ( ) Quelle: machines/haas-schneckenfoerderer-hfs/ foerderschnecke-1-big.jpg ( ) Quelle: ( ) Quelle: agrartec/fluessig-eintragtechnik-powerfeed/ powerfeed/komponenten.html ( ) Vorhaltung und Zuführung von Substraten und Feststoffen Förderschnecke gleichmäßige Substrateinführung in QZ definiertes Volumen wird transportiert QZ QZ 900 der Firma MeWa Zerkleinerung Material + homogenisiert Schubbodencontainer Spül-Eintragsystem Einbringtechnik in Fermenter Weitere Aufreibung Rückflussverhinderer 2

Arbeitszyklus Einstellbare Arbeitszyklen

4 Anlagenbeschreibung BGA Querstromzerschneider QZ 900 (Fa. MeWa) Zuführung Substrat von oben in Arbeitsraum Definierte Füllmenge pro Arbeitszyklus Einstellbare Arbeitszyklen Rotierende Ketten im Arbeitsraum (wie großer Mörser) 3 Verschleiß Zerkleinerung Homogenisierung Quelle: ( )

Oberfläche Homogenisierung bei Mischsubstraten Größere Angriffsfläche für

5 Projektbeschreibung: Biologische Grundlagen Bedeutung der Hydrolyse zur Substrataufbereitung Aufbrechen von Zellstrukturen Vergrößerung der spezifischen Oberfläche Homogenisierung bei Mischsubstraten Größere Angriffsfläche für Bakterien Verbesserte enzymatische Prozesse Mehr Material zur Umsetzung Gleichmäßige Vergärung 4

6 Projektbeschreibung: Das Ziel Ist der QZ wirtschaftlich? Kosten Nutzen 5

Messung: Biogasmengen, Biogaskonzentrationen Bestimmung Methanerträge je Menge ots

7 Projektablauf Analyse Verschleißverhalten + Eigenenergieverbrauch Probennahme Bestimmung Zusammensetzung, TS- und ots-gehalt Batchversuch im Labormaßstab Messung: Biogasmengen, Biogaskonzentrationen Bestimmung Methanerträge je Menge ots Ermittlung Energieerträge über Brennwert von Methan und Wirkungsgrade der BHKWs Kosten/ Nutzen 6

8 Auswertung und Ergebnisse Gasertragsmessung und Analyse Ermittlung von Unterschieden zwischen unbehandeltem, zerkleinertem und grob zerkleinertem Substrat Batchversuche nach VDI 4630 Material wird mit Impfmasse versetzt (Standardbiozönose- Substrat) 3-facher Ansatz Nullprobe (Kontrolle) Gasbildung des Impfschlammes zum abziehen Messung der Biogaserzeugung und CH4-Konzentrationen und grafische Auswertung Laufzeit je Versuch ca. 21 Tage 7

9 Substrate und Versuchsdurchführung Zu untersuchendes Substrat: Mischsubstrat 75 % Maissilage & 25 % Pferdemist Zwei Durchläufe bis (22 Tage) neue Kette bis (21 Tage) alte Kette Jeweils 3 Substrate: 1. Nicht zerkleinert 2. 5 Sekunden zerkleinert (durch QZ) Sekunden zerkleinert (durch QZ) Dreifachbestimmung statistische Sicherheit + Puffer bei Reaktorausfällen 8

10 Substrate Unzerkleinert 5 Sekunden zerkleinert 15 Sekunden zerkleinert 9

11 Versuchsstand 10

Versuchsaufbau Je 3 Sensoren (Firma BlueSens)

12 Versuchsaufbau Je 3 Sensoren (Firma BlueSens) CH 4 O 2 CO 2 12 Biogasreaktoren Impfschlamm (je 1 L) Mikrobielle Biomasse nach DIN , (Obst- und Gemüseabfälle) 11 Computer zur Aufzeichnung Magnetrührstäbe zur Durchmischung Je 1 Milligascounter (Firma Ritter) Volumenmessung

Ergebnisse Verschleißverhalten und Eigenenergieverbrauch des QZ Substratdurchsatz pro Jahr ca. 11.

13 Ergebnisse Verschleißverhalten und Eigenenergieverbrauch des QZ Substratdurchsatz pro Jahr ca t/a Spezifischer Energieverbrauch: 9,28 kwh/t Investitionskosten: Betriebskosten (Strom/Transport): /a Wartungskosten: 4.777,6 /a Jährliche Kosten ,6 /a 12

14 CH4 [Nml] Methanproduktion Methanproduktion aller Substrate (gemittelt) zur neuen Kette V CH4 negativ [Nml] V CH4 n.z. [Nml] 800,00 700,00 V CH4 5 Sek. [Nml] V CH4 15 Sek. [Nml] 600,00 500,00 400,00 300,00 200,00 100,00 0, Zeit [d] 13

15 CH4 / FM [Nl/g] CH4 / FM [Nl/g] Methanproduktion 5 Sekunden zerkleinert 15 Sekunden zerkleinert 300 Neue Kette Alte Kette 300 Neue Kette Alte Kette Zeit [d] Zeit [d] 14

16 Methanausbeute [L CH4 / kg ots] Methanerträge 250 nicht zerkleinert, alte Kette 200 nicht zerkleinert, neue Kette Sek. Zerkleinert, neue Kette Sek. Zerkleinert, alte Kette Sek. Zerkleinert, neue Kette 0 15 Sek. Zerkleinert, alte Kette 15

17 Erlöse [ ] elektrisch / t Substrat Finanzielle Erlöse (elektrisch) 70 nicht zerkleinert, neue Kette 60 nicht zerkleinert, alte Kette Sek. Zerkleinert, neue Kette ,17 56,92 49,40 57,21 47,26 5 Sek. Zerkleinert, alte Kette 10 22,66 15 Sek. Zerkleinert, neue Kette 0 15 Sek. Zerkleinert, alte Kette 16

18 Diskussion und Fazit: Methanerträge Mehrertrag 5 Sekunden lange Zerkleinerung: Plus von 2,7 % erzielt (neue Kette) Mehrertrag 15 Sekunden lange Zerkleinerung: Plus von 5,2 % erzielt (neue Kette) Anstieg Umsetzungsgeschwindigkeit + Gasausbeute bei zerkleinertem Material Vergleich Literaturwerte anderer Zerkleinerungsanlagen: Im Vergleich verhältnismäßig geringer Mehrwert Beispiele: Schnecken-Extruder Mehrertrag von 13,7 % 17

19 Diskussion und Fazit: Wirtschaftlichkeitsbetrachtung Umsatzsteigerung durch Substrataufbereitung: 5 Sekunden Zerkleinerung Neue Kette Plus von 1,10 /t/a 15 Sekunden Zerkleinerung Neue Kette Plus von 1,54 /t/a Betriebskosten: 1,86 /t/a 18

Fehlerquellen & Fazit Mögliche Fehlerquellen Homogenität der Proben nicht gewährleistet (Mischsubstrat) Durchmischung im Versuch regelmäßig ausgesetzt Versuchszeit

20 Fehlerquellen & Fazit Mögliche Fehlerquellen Homogenität der Proben nicht gewährleistet (Mischsubstrat) Durchmischung im Versuch regelmäßig ausgesetzt Versuchszeit Schimmelbefall bei Probe zur alten Kette Reale Reaktorgröße der BGA nicht berücksichtigt Fazit: Längere Versuchsreihe mit größeren Versuchsreaktoren (Plausibilisierung und genauere Werte) 19

21 Quellen Vorlesung Bioenergien II SoSe 2014 HSHL (Prof. Dr. Kiuntke) VDI 4630 Vergärung organischer Substrrate Faustzahlen Biogas (ISBN ) Energie aus Biomasse (ISBN ) Biogasanlagen (ISBN ) 20

22 Danke für Ihr Interesse.

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