INNOVATIONEN ZUR LEISTUNGS- STEIGERUNG VON BIOGASANLAGEN Entwicklung der Biogaserzeugung als Zukunftstechnologie Bauernfrühstück der VR-Bank Mittelsachsen eg Döbeln, 22.02.2013
Abteilung Biomassetechnologien und Membranverfahrenstechnik am Fraunhofer IKTS Abwasserbehandlung und Wasseraufbereitung Biogaserzeugung Bioalkoholherstellung als Kraftstoffersatz Katalytische Gasreaktionen Prozessintensivierung in der chemischen Verfahrenstechnik Vom Labor- über Pilotmaßstab zur Optimierung großtechnischer Anlagen
Ausgangssituation Gegenwärtige Unsicherheiten bezüglich Ausbau der Biogastechnik Vermaisung der Landwirtschaft durch Biogasanlagen Biogas verteuert Lebensmittel Neue Biogasanlagen kaum noch wirtschaftlich Quelle: www.lfl.bayern.de Ausbau der erneuerbaren Energien jedoch unumstritten Potenziale der Biomassenutzung Nutzung biogener Reststoffe Verbesserte Technologien Ausbau Biomassenutzung als Zukunftstechnologie
Optimierung des Gesamtprozesses der Biogaserzeugung und -verwertung
Nutzung biogener Reststoffe am Beispiel Stroh Mengenpotenzial von Stroh Maximales Potenzial an Stroh für Biogas in Deutschland ¹ 40 50 % des gesamten Strohaufkommens 13 15 Mio. t/a Frischmasse (85 % TR) Circa 12 Mio. t/a Trockenmasse (90 % otr) Maissilage zur Biogasproduktion 2011 680.000 ha ; 476,1 dt/ha 32,4 Mio. t/a Frischmasse (33 % TR) Circa 10,3 Mio. t/a Trockenmasse (96 % otr) 1 Weiser, C.: Information on sustainable use of agricultural residues for bioenergy supply. 2nd International Symposium 'Energy from Straw' Berlin, March 2012.
Nutzung biogener Reststoffe am Beispiel Stroh Herausforderungen bei der technischen Umsetzung Rohfasergehalt (Zellulose, Lignin) Maissilage: 220 g/kg TR Stroh: 470 g/kg TR Stroh, unzerkleinert Stroh, extrudiert Substratvorbehandlung von Stroh erforderlich Zerkleinerung à Gasausbeute von zerkleinertem Stroh circa 70 % der Gasausbeute von Mais Anmaischen (Vermeidung Schwimmschichtbildung) zufuhrspez. Gassumme (NL/kg otrzu) 700 600 500 400 300 200 100 0 0 5 10 15 20 25 30 35 Versuchsdauer (d) Stroh unbehandelt Weizenstroh NaOH Weizenstroh zerkleinert
Nutzung biogener Reststoffe am Beispiel Stroh Vergleich der substratspezifischen Kosten und Erlöse Studie IKTS für BGA 350 kw el (Sächsische Schweiz; EEG 2012) Kosten bzw. Erlöse (ct/ kwh) 25 20 15 10 21,16 Ct/kWh 19,16 Ct/kWh Gestehungskosten Substrate frei BGA (Transport < 5 km Silierverlust 12 %) Maissilage 40,56 EUR/t FM 123,01 EUR/t ots 5 Stroh 42,50 EUR/t FM 0 Weizenstroh Maissilage 48,51 EUR/t ots Kosten: Erlöse: Substrat e Subst rat behandlung Vergärungsverfahren Grundvergütung Subst rat bonus CRC-Verstromung
Einsatz des DECONDIS -Verfahrens DECONservation and DISintegration - bei Einsatz von Silagen Einsatz der Prozessstufen Zerkleinerung, Abpressen und Vorhydrolyse Biogas Silagen Substratvorbehandlung Schwachgasverwertung Brauchwasser Pressgut Hydrolyse M M Gärrest Fermentation Presswasser Nachgärung Prozesswasser
Einsatz des DECONDIS -Verfahrens Ergebnisse Steigerung der Methanausbeute 600 ohne Innovationen mit Innovationen 18 Pilot-Biogasanlage Applikationszentrum Bioenergie Pöhl spez. M ethananfall in NL/kgoTRzu 500 441 l/kg otrzu 400 Fermenter 1+2 +20% 367 l/kg otrzu 300 Fermenter 1 200 Fermenter 2 100 NaWaRo-Zerkleinerung Raumbelastung (F1+F2) 0 07.06.2007 27.06.2007 17.07.2007 06.08.2007 26.08.2007 15.09.2007 15 12 9 6 3 0 Raumbelastung in kg otr/ (m³* d) Erhöhung Methanausbeute um 20 % Entfrachtung Fermenter 1 à Potenzial für weitere Substratzufuhr ohne Beeinträchtigung Prozessstabilität
Einsatz des DECONDIS -Verfahrens Ergebnisse weitergehende Ausnutzung des Energiepotenzials der nachwachsenden Rohstoffe um 20% zusätzliche Erhöhung der Biogasausbeute bis zu 37% infolge der aus vorgenannten Innovationen resultierenden Steigerung der Raumbelastung Steigerung des Methangehaltes im Biogas bis zu 12 %-Punkte Reduzierung unerwünschter Begleitstoffe wie H 2 S bis zu 68 % Bioextruder B60s (LEHMANN Maschinenbau GmbH) Zerkleinerung von Maissilage
Bewertung der Wirtschaftlichkeit Erweiterung BGA 834 kw el auf 1.200 kw el durch Innovationen Steigerung spezifischer Methananfall Substrateinsatz 260 366 Substratmenge (t/a) Maissilage 5.100 GPS-Triticale 3.000 Weizenstroh 4.000 Rindergülle 4.000 Rinderfestmist 1.800
Bewertung der Wirtschaftlichkeit Erweiterung BGA 834 kw el auf 1.200 kw el durch Innovationen Einnahmen und Ausgaben Traditionelle Anlage Anlage mit Substratvorbehandlung Investitionskosten (EUR) 4.080.000 4.575.000 Einnahmen (EUR/a) 1.434.901 2.066.620 Verkauf Elektroenergie und Wärme Ausgaben (EUR/a) 1.346.731 1.534.429 Annuität, Substratkosten, Wartung, Transportkosten, Lohnkosten, Elektroenergie, Versicherungen Gewinn vor Steuern (EUR/a) 88.170 532.191 Amortisationszeit (Bewertung statisch) (a) 6,6 4,0
Optimierung des Mischprozesses im Fermenter zur weiteren Verbesserung des Biogasprozesses Verfahrenstechnische Probleme beim Mischen von Gärsubstraten Sink- und Schwimmschichten Toträume Kurzschlussströmungen Hohe energetische Aufwendungen Optimierung mittels Prozess-Tomographie Visualisierung von Strömungsprozessen opaker Substrate Einfluss Reaktorgeometrie Einfluss Substratvorbehandlung
Einfluss der Reaktorgeometrie auf die Mischgüte Tomographie- System Zylindrischer Reaktor 100 L; H/D = 0,46 Zylindrischer Reaktor 100 L; H/D = 1,0 Vor Substratzugabe Nach 60 min Mischzeit (Einmischen von Maissilage mit zwei Tauchmotorrührwerken) Mischgüte: 0,73 Mischgüte: 0,87
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Kontakt: Fraunhofer Institut für Keramische Technologien und Systeme Dr. Karin Jobst Tel: 0351 2553 7827 E-Mail: karin.jobst@ikts.fraunhofer.de