Strohbasierte Biogaspellets als alternatives Inputsubstrat in Biogasanlagen

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1 Strohbasierte Biogaspellets als alternatives Inputsubstrat in Biogasanlagen Fachtagung Biogas aus Stroh, in Heiden Referent: Björn Schwarz Fraunhofer

2 Agenda Motivation für einen Stroheinsatz in Biogasanlagen Herausforderungen beim Stroheinsatz in Biogasanlagen Eigenschaften und mögliche Rolle von strohbasierten Biogaspellets Zusammenfassung und Ausblick Folie 2

3 Motivation für Stroh in Biogasanlagen Mengen-, Energiepotenzial und Gestehungskosten Mengenpotenzial Mais aktuell ca Mio. t TS pro Jahr in BGA Stroh Potenzial: 8 bis 13 Mio. t TS pro Jahr Spreu Potenzial: 10 Mio. t TS pro Jahr Biogasertrag Mais 650 Nl/kg otr 195 Nl/kg Frischmasse Stroh 540 Nl/kg otr 480 Nl/kg Frischmasse Spreu vergleichbar mit Stroh Substratgestehungskosten Mais 40 EUR/t ca. 10 ct/kwhel Stroh 43 EUR/t ca. 5 ct/kwhel (nur Bergung) Spreu SpreuStroh-Verfahren: Kostensenkung mgl. (?) Folie 3

4 Motivation für Stroh in Biogasanlagen Nachhaltigkeit, Anwendungspotenzial Nachhaltigkeit Bessere Klimabilanz als NawaRo Keine Konkurrenz zur Nahrungsmittelproduktion Erhalt der Bodenfruchtbarkeit (besonders bei Nutzung in BGA) Erhalt der Nährstoffe + Ergänzung von Nährstoffen aus Co- Substraten (Wirtschaftsdünger) Erhalt und Rückführung schwer abbaubarer C-Verbindungen Humusreproduktion Verminderung der Stickstoffzehrung auf dem Acker Anwendungspotenzial Sehr große Anzahl an potenziellen Abnehmern Gute Verteilung in Deutschland Folie 4

5 Motivation für Stroh in Biogasanlagen Erfolgreicher Verfahrensnachweis im kleintechnischen Maßstab (2009) Biogas Biogas Extruder Anmaischbehälter Schwingsieb Schneckenpresse Stroh Dickstoff Brauchwasser a b Fermenter 1 Fermenter 2 Rückführung Flüssigphase Sieb Rückführung Flüssigphase Schneckenpresse 7 Monate Betriebsdauer B R = 2,2; t hyd = 50 d Beschickung 6 mal täglich Strohmonovergärung Mittlerer Methanertrag = 270 Nl/kgoTR zu ca. 70% von Maissilage Finanziert aus Mitteln der Europäischen Union und des Freistaates Sachsen Folie 5

6 Herausforderungen für die Vergärung von SpreuStroh Stoffeigenschaften Schwere Abbaubarkeit der Lignocellulose Ligninschutzschichten sind zu zerstören Aufschlussverfahren notwendig Prallzerkleinerung Thermisch Chemisch Nährstoffmangel Stickstoffmangel Spurenstoffmangel Ausgleich durch Wirtschaftsdünger notwendig Geringer Wassergehalt flüssige Co-Substrate (Gülle) Prozesswassermanagement (Gärrestaufbereitung, Rezirkulierung) Folie 6

7 Herausforderungen Strohvergärung Handling Quelle: (REIß 2012) Bildung von Schwimmschichten in Nassfermentern Strohdichte (mit Poren bzw. Lufteinschlüssen) ca. 0,32 g/cm³ Feststoffdichte Stroh (ohne Poren bzw. Lufteinschlüsse) ca. 1,5 g/cm³ Wassersättigung der Poren notwendig z.b. Anmaischen (z.b. mit Gärrest) z.b. Wasserdampfbehandlung Geringe Transportwürdigkeit Größere Transportentfernungen Maissilage Wassertransport Strohballen Lufttransport Ballendichte =120 bis 200 kg/m³ Quelle: REIß, C. (2012): Optimierung der Anmaischbedingungen von Weizenstroh für die Biogaserzeugung Fraunhofer Schwarz, in Nassfermentern. B. Fachtagung Diplomarbeit Biogas - TU-Dresden, aus Stroh, in Heiden Folie 7

8 Strohpellets Schüttdichte von ca. 600 kg/m³ höhere Transportwürdigkeit BMWi Projekt EFFIGEST: Biogaspellets + HTK Lösungsansatz für Logistik, Aufschluss und gg. Aufschwimmen Ein strohbasiertes Inputmaterial für Biogasanlagen Projektpartner: Gefördert durch: Rückert NatUrgas GmbH Grundlage der Herstellung von Biogaspellets Wirksamkeit der Natronlauge als Aufschlusschemikalie schon lange bekannt (mind. seit 1918) Versuche zur Herstellung von Futtermitteln aus Stroh mittels Pelletierung und NaOH-Zugabe (1975 bis 1980) Verbesserung der Verdaulichkeit Übertragbarkeit auf Biogasanlagen? Folie 8

9 Herstellung Einsatz mobiler Pelletanlagen der Fa. PCM Versuchsanlage für die Zugabe von NaOH Hammermühle Kleintechnische Presse Matrize Folie 9

10 Eigenschaften - Überblick unbehandelt nach Hammermühle pelletiert pelletiert mit 5% NaOH Folie 10

11 Eigenschaften - Schüttdichte Schüttdichte zwischen 500 und 700 kg/m³ 3 fache Dichte im Vergleich zu Strohballen Abhängigkeit von der Faserzerkleinerung Transportstabilität nachgewiesen p Pellet; n1 1% NaOH; n5 5%NaOH Folie 11

12 Eigenschaften - Wasserlöslichkeit 0 min 10 min 30 min Kein Aufschwimmen Schnelles Auflösen innerhalb von ca. 60 min Sehr gute Eignung im Nassfermenter (Labor- und Kleintechnischer Maßstab) Folie 12

13 Eigenschaften - Stoffeigenschaften Verringerung des Rohfasergehaltes Erhöhung gelöster CSB Folie 13

14 Eigenschaften - Gasausbeute Zerkleinerung von Stroh mittels Hammermühle führt erwartungsgemäß zu einer Steigerung des Abbaus Weitere deutliche Steigerung durch 5%ige NaOH Dosierung Folie 14

15 Eigenschaften - Gasausbeute Versuche mit Weizenstrohpellets (WSP) und Roggenstrohpellets (RSP) Varianten mit 5%igen NaOH- Pellets erzeugen im Schnitt 8 bis 11 % mehr Biogas Aufgrund des 50% igen Geflügelmistanteils (otr bezogen) liegt die eigentliche Steigerung des Gasertrages aus dem Stroh bei über 15% gegenüber den Pellets ohne NaOH Folie 15

16 Zusammenfassung Stroh als Inputmaterial für Biogasanlagen gehört neben Wirtschaftsdüngern zu den nachhaltigsten Biomassen mit hohem Mengenpotenzial Pelletierung mit simultaner Dosierung von NaOH hat großes Potenzial für die Herstellung effizienter Biogaspellets als Alternative zu NawaRo Hohe Transportwürdigkeit sehr gutes Verhalten bei Lagerung, Dosierung und Vergärung Gute Gasausbeute verlässliche Energiequelle Keine Investitionen für Zerkleinerung oder Anmaischung beim Anwender Im Labor und kleintechnisch bewährt Folie 16

17 Ausblick Weitere Schritte Folgeprojekt STEP soll im Sommer starten Herstellung von 250 t Biogaspellets Einsatz in großtechnischer BGA Gefördert durch: Teilnahme am Innovationsforum Übertragung der Ergebnisse auf ein neues Substrat Mischung aus Spreu (bis 10 Mio. t/a) und Stroh Kompakternteverfahren (Korn + Stroh + Spreu) Senkung der Bergungskosten Zentrale Aufbereitungsstellen idealer Ort für Pelletierung Folie 17

18 Regionaler Ertrag / Zentrale Aufbereitung 30 % Getreideanbau = 3393 ha = 6786 t/a (2 t/ha Stroh oder Spreu) = 660 kwel Teilversorgung von 3 BGA á 500 kw 6 km 16 h/d Aufbereitung (Pellet) = 5840 h/a = 1,2 t/h Aufbereitungskapazität Folie 18

19 Ausblick Kosten: Ziel: vergleichbare Kosten wie Maissilage (40 EUR/t) Ergibt einen Preis von 90 bis 95 EUR pro t Biogaspellets Kosten für Substrat Kein Zukauf von Stroh in Konkurrenz zu anderen Nutzungspfaden möglich (zu teuer) Nutzung von Überschüssen und Mengen in Kreislaufbewirtschaftung (Gärrest inkl. Dünger zurück aufs Feld) Bergung ca. 40 EUR/t Einsparungen evtl. durch alternative Ernteverfahren (s. Projekt SpreuStroh ) Kosten für Pelletierung (ohne Optimierung): 60 bis 120 EUR/t Einsparung an Aufwand (weniger Vorzerkleinerung, etwas geringere Verpressung) Alternative Kompaktierverfahren (z.b. Brikettierung) Ohne entsprechende Vergütung seitens EEG keine Zukunft Nachhaltigkeitsbonus für Wirtschaftsdünger und Stroh wäre gute Option Gekoppelt an Pflicht zur Wärmenutzung und Flexibilität eine Option für Fortbestand der BGAs Folie 19