Vorbereitung und Aufschluss von Stroh zur Biogasgewinnung Biogas aus Stroh Biogasfachtagung in Heiden 30. August 2016 Daniel Baumkötter M.Eng. Prof. Dr.-Ing. Christof Wetter Dr.-Ing. Elmar Brügging Stegerwaldstraße 39 fon +49 (0)2551 / 9 62-422 baumkoetter@fh-muenster.de D-48565 Steinfurt fax +49 (0)2551 / 9 62-717 www.fh-muenster.de/wetter
Gliederung 1 Einleitung 2 Mechanische Vorbehandlungsverfahren 3 Versuche zum mechanischen Aufschluss 4 Fazit 2 Vorbereitung und Aufschluss von Stroh zur Biogasgewinnung
1 Einleitung Steigerung der Effizienz von Biogasanlagen Verstärkte Nutzung biogener Reststoffe zur Entschärfung der Lebensmittel contra Bioenergie Debatte Veränderte Anforderungen an die Vorbehandlung bei Verwendung lignocellulosehaltiger Substrate Ziele der Vorbehandlung Optimierung der Substratumsetzung Verbesserte Nutzung biogener Reststoffe Verbesserung des Biogasprozesses 3 Vorbereitung und Aufschluss von Stroh zur Biogasgewinnung
1 Einleitung 4 Vorbereitung und Aufschluss von Stroh zur Biogasgewinnung
2 Mechanische Vorbehandlungsverfahren Mechanische Zerkleinerung durch Prall Prinzip: mehrfache Prallbeanspruchung bei hohen Umdrehungszahlen Zerfaserung Zentrales Bauteil: mit hoher Geschwindigkeit drehender Rotor Gestaltung: Prallorgane: Leisten, Platten, Hämmer, Stifte, Ketten Mahlraum: Einbauten, Geometrie Ausschleusung über Sieb oder Auswurfklappe Zugabe von Wasser möglich 5 Vorbereitung und Aufschluss von Stroh zur Biogasgewinnung
2 Mechanische Vorbehandlungsverfahren Querstromzerspaner der Fa. MeWa Limator der Fa. Lindner Rotacrex von PlanET Biogrinder der Fa. BHS Sonthofen 6 HPZ 1200 (links) und HPZ 900 (rechts); Prallzerkleinerer der Fa. Huning Vorbereitung und Aufschluss von Stroh zur Biogasgewinnung Mobile Hammermühle AK 510 BioPower der Fa. Doppstadt
3 Versuche zum mechanischen Aufschluss Untersuchung des mechanischen Aufschlusses verschiedener Substrate mit Prallreaktor Ziel der Untersuchungen Optimale Einstellung der mechanischen Vorbehandlung zur effizienten Ausnutzung unterschiedlicher Substrate Hoher Biogasertrag Geringer Energie- und Kostenaufwand Folgende Aspekte wurden zur Beurteilung der mechanischen Vorbehandlung mit dem Prallreaktor betrachtet: Technische Optimierung und Bewertung der Pralltechnologie Energieeffizienz der Zerkleinerung hinsichtlich Stromverbrauch und Partikelgröße Wirkung der Zerkleinerung auf den Biogasertrag Einsatz verschiedener Substrate 7 Vorbereitung und Aufschluss von Stroh zur Biogasgewinnung
Einwurfschacht 3 Versuche zum mechanischen Aufschluss Absperrschieber Anstellwinkel 75 Rotor Siebplatten Rotor Prallelement 8 Auswurfklappe Vorbereitung und Aufschluss von Stroh zur Biogasgewinnung Austrag
3 Versuche zum mechanischen Aufschluss Einstellvarianten: Siebgrößen, Anstellwinkel Rotor, Größe und Form der Prallelemente, Drehzahl und Durchsatz Verfahrenstechnische Optimierungen (z.b. Umluft) 9 Vorbereitung und Aufschluss von Stroh zur Biogasgewinnung
Triticalestroh 3 Versuche zum mechanischen Aufschluss Hafer-GPS Untersuchte Substrate: 10 Unbehandelt, 20, 10 und 5 mm Sieb Links unbehandelt, rechts zerkleinert Maisstroh Pferdemist Vorbereitung und Aufschluss von Stroh zur Biogasgewinnung
3 Versuche zum mechanischen Aufschluss Stromverbrauch (beste Ergebnisse) Triticalestroh: 12 kwh el /t FM Maisstroh: 13 kwh el /t FM Hafer-GPS: 3 kwh el /t FM Pferdemist: 6 kwh el /t FM Beschaffenheit der Substrate hat großen Einfluss auf Stromverbrauch und Durchsatz: 2 x Triticalestroh (2014 und 2015) Gleiche Einstellungen Höherer Durchsatz und ca. 25 % niedrigerer Stromverbrauch (2014) 11 Vorbereitung und Aufschluss von Stroh zur Biogasgewinnung
3 Versuche zum mechanischen Aufschluss Partikelgrößenverteilung (Siebanalyse) Vor allem die Siebweite hat Einfluss auf die Partikelgrößenverteilung Weitere Zusammenhänge konnten nicht gezeigt werden Biogasertrag Bis zu 20 % Mehrertrag an Methan bei Stroh bei feineren Sieben höher Nur geringe Mehrerträge von etwa 5 % bei Maisstroh Bis zu 15 % Mehrertrag an Methan bei Pferdemist Kein signifikanter Mehrertrag bei Hafer-GPS 12 Vorbereitung und Aufschluss von Stroh zur Biogasgewinnung
3 Versuche zum mechanischen Energiebilanz Aufschluss für Tritcalestroh 90, 32 mm, 10 mm, 2.500 U/min, 300 kg/h Energiebilanz: 90, 32 mm, 10 mm, 2.000 U/min, 200 kg/h 90, 32 mm, 10 mm, 1.500 U/min, 100 kg/h 90, 32 mm, 20 mm, 2.000 U/min, 300 kg/h 90, 32 mm, 20 mm, 1.500 U/min, 200 kg/h 90, 2 mm, 10 mm, 1.500 U/min, 100 kg/h 90, 2 mm, 20 mm, 1.500 U/min, 200 kg/h 60, 8 mm, 20 mm, 1.500U/min, 200 kg/h -150-100 -50 0 50 100 150 200 250 300 350 Spezifischer Stromertrag in kwh el /t FM Stromverbrauch der mechanischen Zerkleinerung Zusätzlicher spezifischer Stromertrag aus dem Mehrertrag an Methan Zusätzlicher Stromertrag abzgl. Bedarf 13 Vorbereitung und Aufschluss von Stroh zur Biogasgewinnung
3 Versuche zum mechanischen Aufschluss Kostenbetrachtung des Prallreaktors am Beispiel Triticalestroh Einzelne Betrachtung für jedes Projekt erforderlich! (Systemauswahl, Einbindekosten, Steuerungsablauf) Spezifische Kosten Investitionskosten [ /t FM ] 12,11 Verschleißteile [ /t FM ] 2,57 Arbeitskosten [ /t FM ] 0,75 Stromkosten [ /t FM ] 2,40 Gesamt [ /t FM ] 17,84 Investitionskosten [ ] 120.000,00 Abschreibung (6 Jahre) [ /a] 20.000,00 Zinsen (2%) [ /a] 1.200,00 Verschleißteile [ /a] 4.500,00 Arbeitszeit [h/d] 0,25 Arbeitskosten [ /a] 1.312,50 Substratmenge [t FM /d] 5,00 [t FM /a] 1.750,00 Betriebstage [d/a] 350,00 Stromverbrauch [kwh el /t FM ] 12,00 [kwh el /d] 60,00 [kwh el /a] 21.000,00 Stromkosten [ /kwh el ] 0,20 [ /t FM ] 2,40 [ /d] 12,00 [ /a] 4.200,00 Gesamtkosten [ /a] 31.212,50 14 Vorbereitung und Aufschluss von Stroh zur Biogasgewinnung
3 Versuche zum mechanischen Aufschluss Wirtschaftlichkeit (Beispiel Stroh) Mehrertrag: ca. 20 /t FM deckt die Kosten für die Vorbehandlung Wie viel darf Stroh gegenüber Silomais kosten? Kosten Silomais: 35 /t FM Methanertrag Silomais: 340 l N /kg otr Methanertrag Stroh: 300 l N /kg otr Entspricht maximalen Kosten für Stroh von 54 /t FM (inkl. Vorbehandlung) 15 Vorbereitung und Aufschluss von Stroh zur Biogasgewinnung
4 Fazit Stand der Technik im Bereich Substratvorbehandlung: mechanische Zerkleinerung Vor allem für Aufschluss stark faserhaltiger Stoffe (Lignocellulose) geeignet (z.b. Stroh und Mist) Der Prallreaktor ist grundsätzlich für verschiedene Substrate geeignet und kann den Methangasertrag erhöhen Es besteht bei den meisten Substraten ein großes Potenzial Beispiel Stroh: Biogasmehrertrag von bis zu 20 % möglich Wirtschaftlichkeit von Intensität der Vorbehandlung und Substratkosten abhängig Geringerer bzw. günstigerer Einsatz von Substraten Bestehendes Optimierungspotenzial hinsichtlich des optimalen Betriebspunktes für verschiedene Substrate 16 Vorbereitung und Aufschluss von Stroh zur Biogasgewinnung
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