Stand der Biogaserzeugung in Deutschland

Transkript

1 Stand der Biogaserzeugung in Deutschland Dr. rer. nat. E. Angelova, R. Kittler, J. Daniel-Gromke

2 Inhalt DBFZ Deutsches Biomasseforschungszentrum gemeinnützige GmbH Entwicklung der Biogasanlagen in Deutschland Substratzusammensetzung in Biogasanlagen Hühnertrockenkot zur Biogaserzeugung Vorteile und gegenwärtige Herausforderungen

3 DBFZ Deutsches Biomasseforschungszentrum gemeinnützige GmbH Bioenergiesysteme Systemanalyse Bioenergie Biochemische Konversion Thermochemische Konversion Bioraffinerien AG Mikrobiologie Anaerober Systeme

4 Angewandte Forschung am DBFZ Forschungsbiogasanlage Verbrennungstechnikum Kompaktierungszentrum HTC-Prüfstand Motorprüfstand Methanisierungsprüfstand

5 Angewandte Forschung am DBFZ Biokraftstofflabor Analytiklabor Biogaslabor Arbeit in den Laboren

6 Anteil der Biomasse an der Stromerzeugung BMU KI III 1, Entwicklung Erneuerbarer Energien in 2011, update 4/2013 Flüssige Biomasse 4% Biogas 47% Rund 6% der deutschen Stromerzeugung beruht auf der Verwendung von Biomasse Feste Biomasse 32% Bioabfälle 12% Klärgas 3% Deponiegas 2% Biogas ist die wichtigste Form der Bioenergie

7 Entwicklung Biogasanlagen Deutschland DBFZ Stand: 06/ > 1000 kwel kwel > 500 kwel kwel kwel kwel Anlagenzahl [-] kwel install. el. Leistung [MWel] Installierte elektrische Anlagenleistung [MWel] DBFZ 2013

8 Entwicklung Biomethananlagen Deutschland DBFZ Stand: 06/ > 700 m3 i.n./h Anzahl [-] bis 700 m3 i.n./h < 350 m3 i.n./h Gesamt-Einspeisekapazität in m3 i.n./h Biomethan Inbetriebnahmejahr Einspeisekapazität in Nm³/h Biomethan

9 Regionale Verteilung der Biogas- und Biomethananlagen DBFZ 2013 Ende 2012: ca Anlagen (Vor-Ort-Verstromung) mit MWel Ende 2012: 120 Anlagen mit Biomethanaufbereitung mit einer Gesamteinspeisekapazität von m3 i.n./h Biomethan (bzw. 7,1 TWh (Hs)

10 Substratzusammensetzung in Biogasanlagen DBFZ 2012: Betreiberbefragung Biogas 2011 In Biogasanlagen werden hauptsächlich Gülle und NawaRo verwendet (über 90% massebezogen) Energiebezogen dominieren Energiepflanzen (NawaRo): darunter Maissilage

11 Wärmenutzungskonzepte Biogasanlagen DBFZ 2012: Betreiberbefragung Biogas Anteil der Nennungen [%] sonstiges* öffentliche Gebäude Nahwärmeversorgung Trocknungsprozesse Stallbeheizung Sozialgebäude 0 70 kwel kwel kwel kwel > 1000 kwel n=481 Kleinst- und Kleinanlagen nutzen Wärme hauptsächlich für die Beheizung von Wohngebäuden und Ställen Mittlere und große Anlagen machen zunehmend von Wärmenutzungskonzepte für Dritte Gebrauch Das EEG 2012 verlangt für Neuanlagen ab 2014 einen Wärmenutzungsgrad von mind. 60%

12 Regionale Verteilung der Bioabfallvergärungsanlagen DBFZ 2011 Ca. 120 Abfallvergärungsanlagen, die überwiegend Biotonne (getrennt erfasste Bioabfälle) einsetzen Zzgl. ca. 180 weitere Anlagen als Co- Fermentationsanlagen (DBFZ-Datenbank) Insgesamt ca. 300 Anlagen (Abbildung) Derzeit werden jährlich rund 1 Million Tonnen Bioabfall vergärt; rd. 10% der getrennt erfassten Bioabfälle gehen in die Vergärung (überwiegend Kompostierung) das zusätzliche Potential wird auf 3 Millionen Tonnen/Jahr geschätzt

13 Substratzusammensetzung in Bioabfallvergärung DBFZ 2012: Betreiberbefragung Biogas 2011 Abfälle der Fleischindustrie 2% Klärschlamm 2% Andere 7% Öle und Fette 13% Abfälle der Nahrungsmittelindustrie 10% Küchenabfälle 12% Das in Deutschland verfügbare Potential aus Haushaltsabfällen wird auf 21,8 PJ/Jahr geschätzt Aus der Nahrungsmittel und Gülle 5% Haushaltsabfälle 48% Landschaftspflegematerial 1% Fleischproduktion wird das Potential auf 9,4 PJ/Jahr geschätzt

14 Gülle zur Biogaserzeugung - Status Quo Deutschland DBFZ 2012: EEG Monitoring Gülle in der Biogaserzeugung massebezogen (2011) Gülle in der Biogaserzeugung energiebezogen (2011) Schwein Rind (trocken) Hühner Schwein Rind (trocken) Mix (feucht) Hühner Rind(feucht) Mix (feucht) Rind(feucht) n = 533 n = 533

15 Hühnertrockenkot zur Biogaserzeugung Vorteile und gegenwärtige Herausforderungen Dr. F. Jacobi, K. Strach, Dr. rer. nat. E. Angelova

16 Hühnertrockenkot (HTK) zur Biogaserzeugung Vorteile Substrat TS % VS %TS Gasertrag ml N /gvs Methanertrag mln/gvs Gasertrag m 3 /Mgwm 1 Gülle (Rind) Hühnergülle Maissilage Hohe Stickstoffkonzentration Gärresteverwendung als Dünger möglich Zentrales und großtechnisch zu lösendes Aufkommen an HTK In großen Mengen verfügbar Keine Substratkosten (vor Ort)

17 Hühnertrockenkot (HTK) zur Biogaserzeugung Herausforderung Hoher Gehalt an unerwünschten Materialien Schneller Verschleiß von Pump- und Rohrleitungssystemen Prozessstörung durch Ammonium/Ammoniak und chem. Reststoffe (Tierpharmaka) Osteuropa: Ca. 1 Million Hühner/Farm Täglich 300 Tonnen HTK Angepasstes Bestückungs- /Pumpsystem für Biogasanlagen Entsprechende Reinigungsverfahren Entsprechende Substratcharakterisierung Kontinuierliches Monitoring der hemmenden Stoffe Bisher noch keine großtechnische Anlage für Monovergärung Re-Design von deutscher Technologie

18 Hühnertrockenkot Anaerobe Vergärung und Biogasgewinnung DBFZ Projekt: Langzeitversuch Fermentation von Hühnergülle mit Ammonium-Stripping Herausforderung bei der anaerober Vergärung von Hühnertrockenkot (HTK): Aus den im HTK enthaltenen Stickstoff (Urinsäure und Proteine) wird Ammonium (NH 4+ ) gebildet, welches z.t. in Form von Ammoniak (NH 3 ) vorliegt. Die NH 4+ und NH 3 -Konzentrationen steigen während der Fermentation weiter an NH 3 hemmt den Gärprozess bereits in einer Konzentration im Bereich g/l bis hin zum Zusammenbruch der Prozessbiologie Eine Kofermentation mit Substraten die eine geringen N-Konzentration aufweisen ist möglich Jedoch werden große Mengen an Kosubstraten benötigt, die oftmals nicht vorhanden sind Lösungsansatz: Ammonium-Stripping

19 Laborversuche NH 4 -Entfernung Monovergärung von HTK NH 3 HTK Feststoffe Laborreaktor [NH 4 ] Separation [NH 4 ] [NH 4 ] NH 3 - Stripping Anheizen, geringer P (Evaporation) [NH 4 ] (NH 4 NH ) 2 HPO 4 4 Neutralisierung & Bindung mit Phosphor- oder Schwefelsäure säure Vorteil: Nutzung als Dünger

20 Laborversuche NH 4 -Entfernung Monovergärung von HTK Reduktion Stickstoffgehalt und Ammonium-Stripping in mehreren Schritten: Separation von Fest-/Flüssigphase Stripping-Prozess der Flüssigphase unter Hitzezufuhr Fällung von NH 3 -N mittels Säure Rückeinbringung der stickstoffarmen Flüssigphase in den Fermentationsprozess >> Vermminderung der Gesamtkonzentration Teilweise Rückführung der Festphase >> Hält den TM-Gehalt hoch >> Verlängert Verweildauer >> Erhöht die Abbaurate

21 Monovergärung von HTK Ergebnisse Laborversuche Beschickungsraten 4, , Organic Feeding loading amounts rate (g (g/d) VS / (l*d) 3, , , , , , organic loading rate (g VS / (l*d) mgr (s) mgre mhtk 0, Date

22 Monovergärung von HTK Ergebnisse Ammonium 9,0 8,0 7,0 6,0 2 1,8 1,6 1,4 ph-wert NH4-N NH3-N NH4-N (g/l) ph 5,0 4,0 3,0 2,0 1,0 0, Date ,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 NH3-N (g/l)

23 Monovergärung von HTK Ergebnisse Gasertrag Specific gas production (mln/g VS) Monofermentation von HTK ist möglich, solange die Ammoniumkonzentration gering gehalten wird Date specific gas production

24 Großtechnische Anwendung Bisher hauptsächlich großtechnische Anwendung in Kofermentation Weiterbehandlung und Reinigung der Gärreste ist möglich

25 Zusammenfassung HTK Ammonium-Stripping Die Monovergärung von HTK ist bei Kontrolle der Ammoniakkonzentration möglich Aus HTK können große Mengen an Biogas gewonnen werden Durch Weiterverarbeitung der Gärreste können Nebenprodukte Dünger erzeugt werden wie bspw. Umweltschäden durch das unbehandelte Ausbringen von HTK werden verringert Großtechnische Anwendung ist zur Kofermentation bereits vorhanden

26 Ansprechpartner Dr. rer. nat. Elena H. Angelova Tel.: +49 (0)

27 Международная научная сеть биоэнергетики Германия, Восточная Европа и Центральная Азия 27

28 Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) 2 und 3. Novelle EEG 2009 Level of remuneration in ct/kwhel Basic remuneration up to 150 kw el 11, kw el to 500 kw el kw el up to 5 MW el 8, MW el up to 20 MW el ,63 Nawaro-bonus up to 150 kw el 5.94/ / to 500 kw el 5.94/ / kw el up to 5 MW el 3.96 / / 2.46 Manure bonus up to 150 kw el kw el to 500 kw el Landscape maintenance material bonus up to 500 kw el Other bonuses up to 500 kw el Technology bonus Innovative plant technology up to 5 MW el Gas processing up to 350 m3 i.n / 0.99 g 1.96 / 0.98 CHP (reduction of emissions) bonus up to 20 MW el 2.97/ i / 1.96 EEG 2012 Level of remuneration in ct/kwhel Basic remuneration up to 150 kw el , kw el to 500 kw el el kw to 5 MW el MW el up to 20 MW el Manure digestion (small plant) up to 75 kw el ,50 Raw material compensation Feedstock remuneration-class I up to 500 kw el 6/6 6/6 500 kw el to 750 kw el 5/2.5 5/ kw el up to 5 MW el 4/2.5 4/2.5 Feedstock remuneration-class II up to 500 kw el kw el up to 5 MW el 8/6 8/6 Gas treatment bonus(conversion of biogas to biomethane) up to 700 m3 i.n up to 1,000 m3 i.n up to 1,400 m3 i.n Organic waste digestion up to 500 kw el , kw el up to 20 MW el ,72