Forschungsarbeiten der Landesanstalt im Bereich Biogas

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1 Forschungsarbeiten der Landesanstalt im Bereich Biogas Dr. Andreas Lemmer der Universität Hohenheim Januar 2016 Messegelände Ulm

2 Vom , 12:11 Uhr 70 Entlassungen zum Jahresende Neues EEG trifft Bio-Construct in Melle Riemsloh. Schon die bloße Ankündigung von Kürzungen der Einspeisevergütung um 35 Prozent hat ausgereicht, um den Bau neuer Biogasanlagen völlig zum Erliegen zu bringen, ärgert sich Bio-Construct- Sprecher Matthias Kief. Die Folgen der Pläne der schwarz-roten Regierung sind für den Riemsloher Biogas-Anlagenbauer gravierend: Bis zum Jahresende sollen 60 bis 70 Mitarbeiter entlassen werden. AC Biogas ist pleite Wie soll es nach der Insolvenz weitergehen? Foto: B. Lütke Hockenbeck Die in Münster ansässige AC Biogas GmbH ist offensichtlich pleite. Was mit den langfristigen Lieferverträgen für die benötigten Substrate wird, ist unklar. Das Geschäft flaut ab: Bürgermeister Wilfried Roos bedauert die angekündigten Entlassungen bei Envitec sehr, kann die Entscheidung über den Stellenabbau aber nachvollziehen.

3 Wie kann eine post-eeg-zukunft für Biogas aussehen?

4 Forschung heißt: Visionen entwickeln Lösungsansätze erproben Ausbau der erneuerbaren Energien => tiefgreifender Wandel der Energieversorgungsstrukturen Ziele: Reduktion der Treibhausgasemissionen (Basis 1990) Senkung des Primärenergieverbrauchs (Basis 2008) Anteil der Stromerzeugung aus EE am Bruttostromverbrauch Anteil der erneuerbaren Energien am Bruttoendenergieverbrauch Treibhausgasminderungsquote für Kraftstoffe S. Kohler, dena, 2014

5 Entwicklung der Strombereitstellung aus erneuerbaren Energien

6 Zentrale Handlungsfelder und Fragen der Energie- und Wirtschaftswende Strommarkt: Wie lösen wir das Transport- und Speicherproblem? Mobilität und Wärmemarkt: Wie kann eine umweltverträgliche Form des Individualverkehrs im ländlichen Raum und überregional erreicht werden? (Reichweitenproblem der Elektroautos) Plattformchemikalien: Biobasierte Wirtschaftssysteme erfordern Grundstoffe auf der Basis nachwachsender Rohstoffe

7 Zentrale Handlungsfelder weltweit Abfallminderung und Verwertung: Hoher Anteil der organischen Abfälle wird über Deponien entsorgt => Grundwasserbelastungen => Treibhausgasemissionen => Verbreitung von pathogenen Keimen und: Verschwendung von Energie Stoffliche Nutzung: ca. 13% des Erdgases und Erdöls werden stofflich genutzt

8 Herausforderungen für Wissenschaft und Forschung im Biogasbereich 1 Flexibilität und Lastmanagement: Lösung für Transport- und Speicherproblem Netzmanagement 2 Mobilität und Heizenergie: Umweltverträgliche Form des Individualverkehrs im ländlichen Raum Bereitstellung von Heizenergie 3 Abfallverwertung und biobasierte Rohstoffe: Weltweite Lösungsansätze gefordert Neue Produkte mit neuen Eigenschaften

9 Herausforderungen für Wissenschaft und Forschung im Biogasbereich 1 Flexibilität und Lastmanagement: Lösung für Transport- und Speicherproblem Netzmanagement A: Klassische Ansätze

10 Stromerzeugung bei Direktvermarktung Nach EEG Festvergütung 4,8 Mio kwh el / a 290 m³/h Nach Marktprämienmodell Erzeugte Wärmeenergie 5,04 Mio kwh th / a BMU, ,8 Mio kwh el / a 290 m³/h Erzeugte Wärmeenergie 5,04 Mio kwh th / a BMU, 2011

11 Speicherdauer bei Direktvermarktung Zwischenfazit Biogas Speicherbedarf steigt erheblich gegenüber einer permanenten Volllastanlage an Beispiel 500 kw Referenzanlage: (250 kw Grundlast + 2 MW Spitzenlast (3h Laufzeit/d)) zusätzlicher Gasspeicherbedarf: m³ Speicherung des Gases funktioniert nur bei nahezu gleichmäßiger täglicher Verwertung. => Speicherung über mehrere Tage kaum möglich => Wochen(end)rhythmus schwer einzuhalten

12 Herausforderungen für Wissenschaft und Forschung im Biogasbereich 1 Flexibilität und Lastmanagement: Lösung für Transport- und Speicherproblem Netzmanagement B: Innovative Ansätze: Zweiphasige Vergärung

13 Verfahrensprinzip der zweiphasigen Vergärung Gasspeicher Hydrolysefermenter Gasspeicher Methanreaktor Gasmessstrecke Methanreaktor ph MR L HF L Fernzugriff G-CSC HF V1 HF V1.1 MR V1 MR V1.1 T T MR M M3 Feststoffeintrag L HF L Sieb fest-flüssig Trennung Hydrolysefermenter T T HF ph HF Probe 4 P2 V7 V12 V11Probe 3 S3 P1 V2 el. H1 V9 Probe 1 V10 M Feststoffaustrag Sensection AG Probe 2 FrymaKoruma

14 Laboranlage der zweiphasigen Vergärung

15 Ergebnisse zur zweiphasigen Vergärung Untersuchung zum Abbaugrad in zweistufigen Systemen. Test von: 3 Substrate Heu/Stroh Zuckerrübe Maissilage 3 Maschenweiten Heu/Stroh Zuckerrübe Maissilage spezifscher Methanertrag [Nl kg 1 ] Heu/Stroh Maissilage Zuckerrübe 25 m 50 m 100 m 25 m 50 m 100 m 25 m 50 m 100 m

16 Ergebnisse zur zweiphasigen Vergärung Untersuchung zum Abbaugrad in zweiphasigen Systemen. 500 Heu/Stroh Maissilage Zuckerrübe Ergebnis: Zuckerrüben sehr gut in Zweiphasigen Systemen abbaubar Siebweite hat bisher nur einen geringen Einfluss auf den realisierbaren Methan- Ertrag spezifscher Methanertrag [Nl kg 1 ] Heu/Stroh: Nachbehandlung erforderlich 0 25 m 50 m 100 m 25 m 50 m 100 m 25 m 50 m 100 m

17 Flexibilität und Lastmanagement FAZIT FÜR DIE FORSCHUNG Forschung zur zweiphasigen Prozessführung Zweiphasig Prozessführung mit der entwickelten Laboranlage ermöglicht eine sehr hohe Substratflexibilität und extrem stabile Fermentationsprozesse Methanreaktoren weisen eine extreme Stabilität auf und können innerhalb kurzer Zeit von Stillstand auf Volllast gesteigert werden Laboranlage erreicht eine Auftrennung der Gase bereits während der Fermentation Methangehalte im Methanreaktor von über 80 % erreichbar Ca. 70 % der Methanproduktion im Methanreaktor => Großer Vorteil für die Einspeisung von Biogas ins Erdgasnetz

18 Flexibilität und Lastmanagement FAZIT FÜR DIE FORSCHUNG Relevanten aktuellen Forschungsprojekte an der Landesanstalt ELAST-2P: Lastabhängige Methanproduktion in zweiphasigen Systemen. Dr. Jonas Lindner. Förderung BMBF / PtJ MethanoQuant: Quantifizierung der Wege der Methanbildung Johannes Krümpel. Förderung BMBF / PtJ Vergärung von Zuckerrüben in zweiphasigen Systemen Ela Kumanowska, Dr. Simon Zielonka. Förderung BMEL / FNR FlexFeed: Flexibilisierung der Biogasproduktion durch bedarfsgerechte Substratzufuhr und innovative Messtechnik. Dr. Hans-Joachim Nägele. Förderung BMU / PtJ

19 Herausforderungen für Wissenschaft und Forschung im Biogasbereich 2 Mobilität und Heizenergie: Umweltverträgliche Form des Individualverkehrs im ländlichen Raum Bereitstellung von Heizenergie A: Klassische Ansätze

20 Aufbereitung von Biogas zu Biomethan Landesanstalt 1.21 für Agrartechnik und Bioenergie

21 Herausforderungen für Wissenschaft und Forschung im Biogasbereich 2 Mobilität und Heizenergie: Umweltverträgliche Form des Individualverkehrs im ländlichen Raum Bereitstellung von Heizenergie B: Innovative Ansätze: Zweiphasige Druckfermentation

22 Zweiphasige Druckfermentation - Grundlagen Aufbau der Versuchsanlagen Verschiedenen Gasanteile des Biogases zeigen deutliche Unterschiede in der Löslichkeit Aufbau von Hochlast Methanreaktoren Betrieb der Reaktoren bei 1 10 bar Druckerhöhung durch Mikroorganismen 23

23 Grundlagen der zweiphasigen Druck-Fermentation 24

24 Versuchsanlage zur zweiphasigen Druckfermentation Vollautomatischer Betrieb und Datenerfassung online auf einer Datenbank im RZ 25

25 Ergebnisse zur zweiphasigen Druckfermentation Vollautomatischer Betrieb und Datenerfassung online auf einer Datenbank im RZ Steigender Fermentationsdruck führt zu einem Abfall des ph- Wertes Dennoch keine Prozessstörung erkennbar Anstieg des Methangehaltes mit steigendem Fermentationsdruck Belastbarkeit: HRT < 1,5 d, Br CSB > 15 kg *m -3 *d -1 26

26 Herausforderungen für Wissenschaft und Forschung im Biogasbereich 2 Mobilität und Heizenergie: Umweltverträgliche Form des Individualverkehrs im ländlichen Raum Bereitstellung von Heizenergie B: Innovative Ansätze: Methanisierung von Wasserstoff 27

27 Mikrobielle Konversion von Wasserstoff zu Methan Ermöglicht die integrative Kombination aus: Stromnetz + Wärmenetz + Erdgasnetz

28 Mobilität und Heizenergie Aktuelle relevante Forschungsprojekte der Landesanstalt AG-HiPreFer: Verfahrenstechnische Grundlagenuntersuchungen zur zweiphasigen Hochdruckfermentation. Wolfgang Merkle, Förderung: BMBF / PtJ Konversion von Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid zu Methan in bestehenden Biogasanlagen. Bernhard Lecker. Förderung: Ministerium für Wissenschaft, Forschung und Kunst BW / PtJ Hochdruckmethanisierung von Wasserstoff. Timo Ullrich. Förderung: Ministerium für Wissenschaft, Forschung und Kunst BW / PtJ

29 Herausforderungen für Wissenschaft und Forschung im Biogasbereich 3 Abfallverwertung und biobasierte Rohstoffe: Weltweite Lösungsansätze gefordert Neue Produkte mit neuen Eigenschaften

30 Nutzung von Abfallstoffen zur Energieproduktion Weltweit dominiert die Entsorgung von organischen Abfallstoffen auf Deponien Riesiges Potenzial zur Verwertung dieser Stoffe in Biogasanlagen Häufige Wirtschaftlichkeit ohne EEG, d.h. ohne Einspeisevergütung gegeben

31 Herausforderungen für Wissenschaft und Forschung im Biogasbereich 3 Abfallverwertung und biobasierte Rohstoffe: Weltweite Lösungsansätze gefordert Neue Produkte mit neuen Eigenschaften Entwicklung neuer Bioraffinerie Konzepte und biobasierter Kunststoffe

32 Entwicklung neuer Bioraffinerie - Konzepte Biomasse Lebensmittelproduktion Energie- Produktion Stoffliche Nutzung Menschliche Nutzung

33 Entwicklung neuer Bioraffinerie - Konzepte Biomasse Lebensmittelproduktion Energie- Produktion Stoffliche Nutzung Menschliche Nutzung Zielsetzung: Effiziente Biomassenutzung und Entwicklung neuer Produkte /-eigenschaften

34 Entwicklung neuer Bioraffinerie - Konzepte Derzeit: t Milchsäure pro Jahr für eine industrielle Nutzung als Lösemittel und PLA verwandt 60 bis 70 % davon werden fermentativ erzeugt Bis zum Jahr 2020 werden bis zu 15 Mio. Tonnen erwartet Herstellung aus organischen Reststoffen und nachwachsenden Rohstoffen

35 Weiterentwicklung von Silierverfahren zur gezielten Produktion und Separation von Plattformchemikalien Einsatz von Mikroorganismenkulturen, Spurenelementen und Puffersubstanzen zur Anreicherung von Carbonsäuren (Milchsäure) in Silagen Separation, Extraktion und Stabilisierung der erzeugten Substanzen Einleitung Zielsetzung und Methodik Ergebnisse

36 Ergebnisse Milchsäuregehalt und spezifischer Methanertrag der Maisvarianten Milchsäuregehalt und spezifischer Methanertrag der Amaranthvarianten Extraktionseffizienz von % => Mg ha -1 Milchsäure Extraktionseffizienz von % => Mg ha -1 Milchsäure

37 Abfallverwertung und biobasierte Rohstoffe Aktuelle relevante Forschungsprojekte der Landesanstalt GOBI: Ganzheitliche Optimierung der Biogasbereitstellung und Entwicklung von Bioraffineriekonzepten. Dr. Nicola Haag. Förderung: BMBF / PtJ N Verlagerung in Biogasanlagen. Natali Böttcher. Förderung: BMEL / FNR Opti-Gär: Gewinnung von Plattformchemikalien durch optimierte Silierverfahren. Jörg Steinbrenner. Förderung BMEL / FNR

38 Fazit: Ziele der Energie- und Klimapolitik bewirken eine erhebliche Veränderung der Energiesysteme Wesentliche Änderungen der Infrastruktur und Wirtschaftsprozesse sind erforderlich Innovative Biogaskonzepte bieten Lösungsansätze für: - Systemintegration von Erdgas-, Nahwärme- und Stromnetzen - Speicherung und Energietransport - Individuelle Mobilität und Heizenergieversorgung - Bioraffinerien mit neuartigen Produkten und verbesserten Eigenschaften Aber: Hohe Komplexität der Energieversorgungsstrukturen

39 Fazit: Biogasforschung: Weiterhin große Herausforderungen Wesentliche Beiträge für: Weiterentwicklung unserer Energieversorgungsstruktur Energiesystem-Dienstleistungen werden an Bedeutung gewinnen Landwirtschaft / Biogaswirtschaft ist auch die Grundlage einer biobasierten Wirtschaftsweise Daher: Durchstarten unerlässlich oder

40 Vielen Dank für ihre Aufmerksamkeit! Kontakt: Dr. Andreas Lemmer,, Garbenstr. 9, Stuttgart mailto: Tel.: