Fachtagung: Effizienzsteigerung von Biogasanlagen Effizienz von Biogasanlagen: Aktuelle Forschungsergebnisse 10.11.2011 1
Inhalt 1 Einleitung 2 Substratalternativen (Zwischenfruchtanbau und tierische Ausscheidungen) 3 Effiziente Wärmenutzung (Dampfproduktion für industrielle Prozesse am Beispiel der Ethanolproduktion) 4 Separation (Wirtschaftsdünger und Gärreste) 5 Optimierung von Biogasanlagentechnik 6 Fazit 2
1 Einleitung Forschungsfelder Biogas Einsatzsubstrate - Potenziale - Alternativen - Aufbereitung Gärreste - Nutzung - Aufbereitung - Rückführung Wärme - Neue Nutzungspfade (Bioethanol) - Aufbereitung von Gärresten - Wärmebereitstellung 3
Projekt land Biores Biogasvereniging Achterhoek 4
2 Substratalternativen Neben pflanzen können Substratalternativen genutzt werden Tierische Ausscheidungen von Schweinen, Rindern und Geflügel Zwischenfrüchte Sonnenblumen Sommer-Triticale Sommer-Gerste Grünroggen Raps, Ölrettich, Hafer, Hirse und weitere Die Potenziale wurden im Forschungsprojekt land Biores zusammen mit der LWK NRW und LWK Niedersachsen und weiteren Projektpartnern erhoben Deren Biogaspotenziale wurden sowohl berechnet als auch in Vergärungsständen ermittelt 5
2 Substratalternativen 6
2 Substratalternativen Frischmasse-Spezifische Methangaserträge [l/kg FM ] 7 120 100 80 60 40 20 0 FM-Spezifische Methangaserträge nach Aussaatdatum (Baserga) 01. Jul 06. Jul 11. Jul 16. Jul 21. Jul 26. Jul Keimdatum Hafer Raps Sommergerste Sonnenblumen Elmar Brügging, HeliarocM.Sc. Sonnenblumen Stegerwaldstraße Rigasol 39 Triticale Silomais (KTBL) Poly. (Hafer) Poly. (Sommergerste) Poly. (Sonnenblumen Heliaroc) Poly. (Sonnenblumen Rigasol) Poly. (Triticale)
CO 2 -neutrale Dampferzeugung zur Bioethanolproduktion gefördert durch das 8
3 Effiziente Wärmenutzung 9 Dampfbereitstellung aus der BHKW- Abgaswärmenutzung für Industrieprozesse (Beispiel: Ethanolproduktion) Reduzierung der CO 2 -Emissionen für eine CO 2 -neutrale Bioethanolproduktion Bisher:Dampfbereitstellung zur Produktion von Bioethanol mit Heizöl Zukünftig:Nutzung der thermischen des Abgaswärmestromes von mit Biogas betriebenen BHKW in einem Abhitzedampferzeuger Ziel des F&E-Vorhabens: Prozessoptimierung sowie ökologische und wirtschaftliche Bewertung der CO 2 -neutralen Dampfproduktion
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3 Effiziente Wärmenutzung Betriebssituation vor der Umsetzung Daten: 85% thermischer Wirkungsgrad 469kg/h Sattdampf bei einem Betriebsüberdruck von 4bar und 152 C Heizölverbrauch: ca. 19 l/hl r.a. Als Speisewasser dient das Kühlwasser der Destillationskolonnen Bereits umgesetzte Optimierungsmaßnahme: Wärmedämmung der Kolonnen Einsparung etwa 4,8 l Heizöl/h 11
3 Effiziente Wärmenutzung 12
3 Effiziente Wärmenutzung Situation nach der Umsetzung: Daten Dampferzeuger 348 kw th, 470 kg/h Dampf, 6 bar ü, 165 C ca. 50 % der thermischen Leistung der BHKW steht für die Dampfproduktion zur Verfügung Bei fehlender Dampfabnahme Wärmetauscher Seit ca. einem halben Jahr kein Heizölverbrauch in der Produktion! (Ausgenommen sind Zeiten während Wartungs-und Instandhaltungsmaßnahmen an den BHKW) Optimierungspotenziale wurden erkannt und umgesetzt (Speisewasseraufbereitung, Wärmedämmung, Einsätze in Rohrleitungen zur Vergleichmässigung, etc.) 13
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3 Effiziente Wärmenutzung Treibhausgas (THG)-Bilanz für Bioethanol aus regionaler Brennerei von Universität Hohenheim, Deutsches Biomasse Forschungs Zentrum (DBFZ) und Verband der regionalen Brennereien e.v. Grundlage für Berechnung: EU-Richtlinie zur Förderung der Nutzung von aus erneuerbaren Quellen Verankerung von Nachhaltigkeitskriterien Nachhaltiger Anbau von Biomasse Schutz von natürlichen Lebensräumen THG-Einsparpotenzial von Biokraftstoffen und flüssigen Bioenergieträgern THG-Verminderungspotenzial von 76,5 % gegenüber der fossilen Referenz auf Getreidebasis Durch den Einsatz von Abfällen erhöhtes THG- Verminderungspotenzial 16
3 Effiziente Wärmenutzung 17
4 Separation Austrag der Feststoffe über Förderschnecke Austrag der flüssigen Fraktion über ein laserperforiertes Filtersieb (80 oder 100 µm) Pumpen der Vorlage über eine selbstansaugende Kreiselpumpe Flüssige Fraktion wird über Vakuum und Pressen der Schnecke durch das Filtersieb gezogen 18
4 Separation Separiert wurde möglichst frische Schweinegülle, Rindergülle und NaWaRo-Gärrest am Betrieb Bioenergie Beerlage GmbH & Co.KG in Billerbeck Separation mit dem Klass Wendelfilter in zwei verschiedenen Einstellungen Analysenprogramm: Nährstoffanalyse (N, P, K, MgO, CaO) Biogaserträge (nach VDI 4630 im Batch-Versuch) Summenparameter (ph, Leitfähigkeit, Redox-Potenziale) Einfluss der Güllealterung und Abscheidegrade 19
4 Separation 20
4 Separation 21
4 Separation Bei der Separation von dünner Schweinegülle fand sich eine steigende Effizienz der Abscheidung mit dem Güllealter Insgesamt ergibt sich ein konkurrenzfähiges Minimalkonzept gegenüber investintensiver Alternativen Die Nährstoffgehalte in der flüssigen Fraktion blieben trotz Alterung annähernd gleich 22
4 Separation 23
4 Separation 24
4 Separation Durch die Separation erhöht sich der Biogasertrag der Gülle um ca. das vierfache 3-5 Tonnen separierte Schweinegülle ersetzen ca. 1 Tonne Silomais Die erzielbaren Biogaserträge in den Rohgüllen ohne Separation halbieren sich innerhalb einer Lagerung von nur 7 Tagen Die Verluste sind bei der Rindergülle größer als bei der Schweinegülle Separation egalisierte in diesen Versuchen Biogasverluste durch Lagerung! 25
4 Separation 25 Biogasertragsverlust durch Alterung (Schweinegülle) FM-Spezifischer Methangasertrag [m³/t FM ] 20 15 10 5 0 TS = 12,1 % TS = 12,3 % TS = 11,1 % TS = 2,8 % TS = 7,5 % TS = 2,8 % TS = 18,0 % TS = 21,4 % TS = 2,8 % 0 2 4 6 8 10 12 14 16 Güllealter in Tage [d] Schweinegülle Separiert, feuchte Einstellung Separiert, trockene Einstellung 26
4 Separation 30 Biogasertragsverlust durch Alterung (Rindergülle) FM-Spezifischer Methangasertrag [m³/t FM ] 25 20 15 10 5 0 TS = 11,9 % TS = 18,3 % TS = 7,8 % TS = 19,6 % TS = 13,9 % TS = 7,2 % TS = 7,0 % 0 2 4 6 8 10 12 14 16 Güllealter in Tage [d] Rindergülle Separiert, feuchte Einstellung Separiert, trockene Einstellung 27
Ökologische und ökonomische Optimierung von bestehenden und zukünftigen Biogasanlagen Hochschule Ingolstadt KOMPETENZFELD ERNEUERBARE ENERGIEN Wilfried Zörner (FH) Georg Häring Dipl.-Wirtsch.-Ing. (FH) Matthias Sonnleitner Fachhochschule Münster FACHBEREICH ENERGIE GEBÄUDE UMWELT (FH) (FH) Christin Bücker Techn. schutz Regine Vogt 28
5 Optimierung von Biogasanlagen 29
5 Optimierung von Biogasanlagen relatives Restgaspotential [%] 9 80 % der Biogasanlagen verfügen nicht über ein 8 abgedecktes Endlager 7 Dadurch ergeben sich Restgaspotenziale 6 Diese stehen im Zusammenhang mit der Verweilzeit 5 4 3 2 1 0 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 Verweilzeit [d] einstufige Anlagen zweistufige Anlagen gasdichtes Endlager 30
5 Optimierung von Biogasanlagen Einschaltströme führen zu unnötig hohen Leistungsspitzen Verhindern eines gleichzeitigen Betriebs großer Stromverbraucher in Verbindung mit einem Sanftanlauf Vermeidung von Anfahr-Leistungsspitzen Reduzierung der Leistungsvorhaltung durch den Stromversorger Hier findet sich ein unausgeschöpftes Potenzial der Kostensenkung 31
5 Optimierung von Biogasanlagen Einbringsystem + Rührwerk Hydraulisches Rührwerk Einbringsystem + Rührwerk 32
5 Optimerung von Biogasanlagen Eigenstrom der Biogasanlage am Beispiel des Feststoffeintrags BY1 BY2 BY3 BY4 BY5 BY6 BY7 BY8 BY9 BY10 MS1 MS2 MS3 MS4 MS5 MS6 MS7 MS8 MS9 MS10 0,2 0,5 0,6 0,4 1,1 1,1 1,2 Mittelwert BY: 1,1 kwh el /t FM 1,51 2,1 2,3 2,9 2,8 2,6 2,7 3,7 3,8 4,2 Mittelwert MS: 4,6 kwh el /t FM 5,5 6,2 11,6 33 0 2 4 6 8 10 12 14 Eigenbedarf Einbringung ohne Gülle [kwh el /t FM ]
Optimierung von Biogasanlagen Transportwege zwischen Feststoffeinbringung und Silolager 7 spezifischer Zeitaufwand [min/(d*t FM )] 6 5 4 3 2 1 4,8 6,2 3,0 3,2 3,4 3,6 1,4 5,8 2,6 4,8 Mittelwert BY: 3,9 min/(d*t FM ) Mittelwert MS: 1,2 min/(d*t FM ) 1,3 1,5 1,1 1,1 1,2 1,4 1,1 0,8 1,5 1,0 0 34 * Einsatz von Co-Fermenten (Speisereste, Glycerine)
6 Fazit In allen Forschungsfeldern Biogas gibt es Optimierungspotenziale Neben dem pflanzenanbau gibt es signifikante Biogaspotenziale in der Güllevergärung und einem alternativen Zwischenfruchtanbau Zwischenfrüchte erreichen hohe Biogaserträge Die Dampferzeugung aus BHKW-Abgas ermöglicht auch höhere Temperaturniveaus für industrielle Nutzungspfade der Wärme Die Separation ermöglicht eine effiziente Nutzung der Biogaspotenziale aus Schweine- und Rindergülle Die Separation ermöglicht es, gezielt Nährstoffe aus Viehveredelungsregionen auszutragen 35
Weitere Informationen: /fue /biogas 36