Analyse und Optimierung neuer Biogasanlagen ausgewählte Ergebnisse Department für Nachhaltige Agrarsysteme Institut für Landtechnik Katharina Hopfner-Sixt
Inhalte des Vortrags verstärkter Ausbau der Biogasproduktion ermöglicht die Entwicklung einer Vielfalt an Verfahrensvarianten mit hoher Professionalisierung Datenerhebung Substrateinsatz Anlagentechnik Prozessparameter Schlussfolgerungen
Flächendeckendes Monitoring Projektdauer: Dezember 2004 Februar 2007 Betriebsbesuche: Feb. 2005 März 2006 untersuchte Biogasanlagen: 55. Biogasanlagen 7 Oberösterreich 12 Kärnten 3 Burgenland 14 Steiermark 5 Vorarlberg 14 Niederösterreich
Flächendeckendes Monitoring (N=55) Besichtigung und Dokumentation der Biogasanlage Probenahme Substratinput Probenahme Gärsubstrat aller Prozessstufen ph-wert Messung Gasanalyse Fragebogenerhebung: Inputsubstrate, Anlagentechnik, Gärrückstand, Verfahrenskennwerte, Kostenkalkulation, Arbeitszeit Laboranalyse umfangreiche und detaillierte Betriebsdatensammlung
Intensives Monitoring auf 11 Biogasanlagen technische Analyse und Dokumentation der Anlage Messungen zu Stoff- und Energieströme der Anlage tägliche Datenerfassung Substratinputmenge Temperatur ph-wert Gasverbrauch Gaszusammensetzung produzierte Strommenge Input- und Gärsubstratproben 2 x / Woche Fermenter 2 x / Woche Nachfermenter 1 x / Monat Endlager 1 x / Monat Substratinput Analysen im Labor
Laboranalysen Probeninhalt Gärrohstoff Gärsubstrat Gärrest Flächendeckendes Monitoring TS-Gehalt, ots-gehalt, ph-wert, TS-Gehalt, ots-gehalt, ph-wert, Gesamt-N, NH 4 -N, organische Säuren, TS-Gehalt, ots-gehalt, ph-wert, Gesamt-N, NH 4 -N, organische Säuren, Ca- und Mg-Gehalt, P- und K-Gehalt, Schwermetalle (Fe, Cu, Zn, Mn, Cd, Cr, Ni, Pb) Intensives Monitoring TS-Gehalt, ots-gehalt, ph-wert, pro Anlage 8 mal: Weender-Analyse TS-Gehalt, ots-gehalt, ph-wert, Gesamt-N, NH 4 -N, organische Säuren, pro Anlage 8 mal: N org., C org., Bruttoenergiegehalt, Zucker- Gehalt, Stärke-Gehalt, Ca- und Mg-Gehalt, S-Gehalt TS-Gehalt, ots-gehalt, ph-wert, Gesamt-N, NH 4 -N, organische Säuren, Ca- und Mg-Gehalt, P- und K-Gehalt, Schwermetalle (Fe, Cu, Zn, Mn, Cd, Cr, Ni, Pb)
Datenauswertung Leistungsklassen Substratklassen Klassifizierung N Klassifizierung N Beschreibung < 100 kw el. 13 100 % Energiepflanzen 6 nur Energiepflanzen 101-250 kw el. 19 > 50 % Energiepflanzen 32 überwiegend Energiepflanzen 251-500 kw el. 18 > 50 % Wirtschaftsdünger 11 überwiegend Wirtschaftsdünger > 500 kw el. 5 > 50 % organische Abfälle 3 überwiegend organischer Abfall ausgewogene Mischung 3 kein dominierender Anteil
Anlagengröße_1 2004: Ø Anlagengröße 180 kw el. 2005: Ø Anlagengröße 250 kw el.
Anlagengröße_2 untersuchte Biogasanlagen: Ø Anlagengröße 320 kw el.
Verstärkter Einsatz von Energiepflanzen 10,9 % Energiepflanzen alleine 65,5 % Energiepflanzen und Wirtschaftsdünger 20,0 % Energiepflanzen, Wirtschaftsdünger und organische Abfälle 3,6 % Wirtschaftsdünger und organische Abfälle organische Abfälle 6% Wirtschaftsdünger 31% Energiepflanzen 63% berechnet aus täglichem Substratinput von 55 Biogasanlagen
Einsatzhäufigkeit - Energiepflanzen Anzahl eingesetzter Substrate: 1-2 Substrate: 11,1 % 3-5 Substrate: 70,4 % 5-7 Substrate: 18,5 % 100 90 85,5 80 70 Häufigkeit [%] 60 50 40 52,7 38,2 32,7 32,7 30 20 12,7 10 5,5 5,5 3,6 0 Maissilage Grassilage Kleegrassilage CCM GPS Rübenabfälle Getreideausputz Sonnenblumensilage Vinasse
Substratzusammensetzung Beispielanlagen 100 % Energiepflanzen
Substratzusammensetzung Beispielanlagen >50 % Energiepflanzen 100% Anteil der Substratkomponenten an Energiepflanzenration in % 80% 60% 40% 20% Vinasse Sonnenblumensilage Weizenkorn Getreideausputz Rübenabfälle Getreide-GPS CCM Kleegrassilage Grassilage Maissilage 0% Anlage 7 Anlage 9 Anlage 11 Anlage 13 Anlage 15 Anlage 17 Anlage 19 Anlage 21 Anlage 23 Anlage 25 Anlage 27 Anlage 29 Anlage 31 Anlage 33 Anlage 35 Anlage 37 Biogasanlagen mit > 50 % Energiepflanzenanteil
Einsatzhäufigkeit - Wirtschaftsdünger 100,0 90,0 Einsatzhäufigkeit [% der Anlagen] 80,0 70,0 60,0 50,0 40,0 30,0 20,0 58,2 41,8 10,0 10,9 9,1 10,9 0,0 Schweinegülle Rindergülle Geflügelgülle,-mist Pferdemist kein Wirtschaftsdünger eingesetzte Wirtschaftsdünger
Substratbedarf Hauptkomponente Input durchschnittlich hinzugefügte Menge Substrat in t FM / Tag durchschnittlich hinzugefügte Menge Energiepflanzen in t FM / Tag < 100 kw el. 101 250 kw el. 251 500 kw el. > 501 kw el. 100 % Energiepflanzen 3,0 6,2 29,0 32,9 > 50 % Energiepflanzen 7,9 5,3 16,0 12,6 28,9 20,3 30,4 27,4 > 50 % Wirtschaftsdünger 9,3 3,1 28,5 2,6 32,2 11,1 24,4 6,7 > 50 % organische Abfälle k.a. k.a. 12,0 0 k.a. k.a. 24,1 2,1 Energiepflanze/ Wirtschaftsdünger/organis che Abfälle gemischt 8,7 3,0 10,7 4,3 k.a. k.a. k.a. k.a.
Flächenbedarf Karpenstein-Machan (2006): 52 ha 100 kwel. 78 ha 150 kwel. 260 ha 500 kwel. durchschnittliche Anbaufläche in ha Hauptkomponente Input < 100 kw el. 101 250 kw el. 251 500 kw el. > 501 kw el. 100 % Energiepflanzen 50 76 k.a. 262 > 50 % Energiepflanzen 48 80 163 200 > 50 % Wirtschaftsdünger 43 39 133 k.a. > 50 % organische Abfälle k.a. k.a. k.a. 18 Energiepflanzen / Wirtschaftsdünger / organische Abfälle 39 23 k.a. k.a.
Zugabehäufigkeit Relative Häufigkeit [% der Anlagen] 40,0 35,0 30,0 25,0 20,0 15,0 10,0 5,0 > 500 kwel. 251-500 kwel. 101-250 kwel. < 100 kwel. 0,0 1-4 5-10 11-15 16-20 > 20 Zugabehäufigkeit [... mal pro Tag]
Einsatzhäufigkeit - Fermentersysteme 80,0 70,0 70,6 Einsatzhäufigkeit [% der Anlagen] 60,0 50,0 40,0 30,0 20,0 10,0 7,4 8,8 13,2 0,0 stehend volldurchmischt liegend volldurchmischt ringförmig volldurchmischt liegend Pfropfenstrom Fermenterbauform
Fermentervolumen_1 1. Stufe: stehender Fermenter 1. Stufe: liegender Fermenter Fermenter [m³] Nachfermenter [m³] Fermenter [m³] Nachfermenter [m³] < 100 kw el. 671 956 350 350 101-250 kw el. 914 1.017 720 400 251-500 kw el. 1.642 1.851 1.200 1.200 > 500 kw el. 1.114 1.784 320 2.000
Fermentervolumen_2 51 % zwischen 501 1.000 m³ Fermentervolumen 29 % größer als 1.000 m³ Fermentervolumen 30 spezifisches Fermentervolumen [m³/kwel.] 25 20 15 10 5 0 < 100 kwel. 101-250 kwel. 251-500 kwel. > 501 kwel. Leistungsklassen
Feststoffeintrag 87 % Dosierstationen, davon 64 % Futtermischwagen 71 % bringen alle 2 Stunden oder öfter Feststoffe autom. in den Fermenter ein durchschnittliche Laufzeit für Feststoffdosierstationen beträgt 78 Minuten pro Tag 90,0 80,0 82,7 Einsatzhäufigkeit [% der Anlagen ] 70,0 60,0 50,0 40,0 30,0 20,0 10,0 0,0 11,5 1,9 3,8 Fermenter Mischgrube Hydrolysebehälter Fermenter und Nachfermenter Ort der Feststoffeinbringung
Durchmischungstechnik Gesteigerte Anforderungen: Verstärkter Einsatz von Energiepflanzen höhere Trockensubstanzgehalte höhere Fasergehalte Steigerung der Anlagenkapazität größere Fermenter Steigerung der Anzahl an Rührwerken Schwachstelle bei 32 % der Biogasanlagen (21 % BHKW, 11 % Feststoffeintrag)
Durchmischungstechnik 60,0 Einsatzhäufigkeit [% der Anlagen] 50,0 40,0 30,0 20,0 10,0 0,0 ~50 % > 500 kwel. 251-500 kwel. 101-250 kwel. < 100 kwel. 1 Rührwerk installiert 2 Rührwerke installiert 3 Rührwerke installiert Anzahl installierter Rührwerke
Einsatzhäufigkeit: Fermentergröße, Anzahl Rührwerke Fermentergröße [m³] < 500 501 1.000 1.001 1.500 1.501 2.000 > 2.000 Einsatzhäufigkeit [% der Anlagen] 20,0 50,8 4,6 13,8 10,8 Einsatz 2 od. 3 Rührwerke [% der Anlagen] 7,7 54,5 66,7 66,7 85,7
Durchmischungstechnik 40,0 Einsatzhäufigkeit [% der Anlagen] 35,0 30,0 25,0 20,0 15,0 10,0 > 500 kwel. 251-500 kwel. 101-250 kwel. < 100 kwel. 5,0 0,0 Tauchmotorpropellerrührwerk 62,2 % Paddelrührwerk Langachsrührwerk Haspelrührwerk Stabpropeller Rührwerkstyp
Charakteristika von Rührwerken Tauchmotorpro -pellerrührwerk Langachsrührwerk Paddelrührwerk Haspelrührwerk Stabpropeller Einsatzhäufigkeit [% der Anlagen] 34,0 35,0 18,5 8,7 3,8 Ø Anschlussleistung 13,4 14,8 11,2 1,4 15 [kw] (11 15) (5 30) (10 15) (1 1,6) (15) Ø Rührwerksflügel [cm] 71,0 379,0 275,0 190,0 60,0 Ø Drehzahl Rührwerkflügel [Umdrehungen/min.] 400,0 18,0 36,0 5,0 400,0 Ø Einschaltintervall Rührwerk [ mal pro Tag] 26,0 34,0 28,0 42,0 12,0 Ø Laufzeit Rührwerk [Stunden / Tag] 3,9 7,1 5,1 17,0 2,3
Aufteilung Rührwerke pro Fermenter Fermenter mit einem Rührwerk 71,4 % Paddelrührwerk 14,3 % TM-Propellerrührwerk 14,3 % Langachsrührwerk Fermenter mit zwei Rührwerken 27,0 % zwei TM-Propellerrührwerke 23,0 % Paddel-/ TM-Propellerrührwerk 19,2 % zwei Paddelrührwerke 11,5 % Langachs-/ TM-Propellerrührwerk 7,7 % TM-Propeller-/ Stabpropellerrührwerk 7,7 % Paddel-/ Stabpropellerrührwerk 3,9 % zwei Langachsrührwerke Fermenter mit drei Rührwerken 33,3 % zwei TM- Propellerrührwerke/ Paddelrührwerk 33,3 % zwei Paddel rührwerke /TM- Propellerrührwerk 33,3 % drei Langachsrührwerke bei 47 % der Anlagen werden ein Schnell- und ein Langsamläufer kombiniert
Prozesstemperatur 100 90 Einsatzhäufigkeit [% der Anlagen] 80 70 60 50 40 30 20 10 0 mesophil thermophil kombiniert Temperaturbereich
Verweilzeit 140 120 Nachfermenter Fermenter 103,6 118,6 hydraulische Verweilzeit [Tage] 100 80 60 40 55,8 62,8 20 0 liegend volldurchmischt liegend Pfropfenstrom stehend volldurchmischt ringförmig stehend volldurchmischt zylindrisch Fermenterbauform
Raumbelastung Raumbelastung [kg ots/m³ Arbeitsvolumen u. Tag] 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 Fermenter Nachfermenter Gesamtarbeitsvolumen 0 liegend volldurchmischt liegend Pfropfenstrom stehend volldurchmischt ringförmig Fermenterbauform stehend volldurchmischt zylindrisch
Biogas- und Methanausbeute 200 substratspezifische Biogas- bzw. Methanausbeute [m³ N Biogas/t Substrat] bzw. m³ N Methan/t Substrat] 180 160 140 120 100 80 60 40 20 m³n Biogas / t Substrat m³n Methan / t Substrat 0 100 % Energiepflanzen > 50 % Energiepflanzen > 50 % Wirtschaftsdünger > 50 % organische Abfälle ausgew ogene Mischung Substratschwerpunkt
Methanproduktivität 1,20 1,13 Methanproduktivität [m³ N Methan/d und AV] 1,00 0,80 0,60 0,40 0,20 0,26 0,60 0,55 0,00 liegend volldurchmischt liegend Pfropfenstrom stehend volldurchmischt ringförmig Fermenterbauform stehend volldurchmischt zylindrisch
Abbaugrad 100 90 80 Abbaugrad Fermenter Gesamtabbaugrad Abbaugrad [% ots] 70 60 50 40 30 20 10 0 liegend volldurchmischt liegend Pfropfenstrom stehend volldurchmischt ringförmig stehend volldurchmischt zylindrisch Fermenterbauform
Problembereiche 30 Nennungen [Anzahl der Biogasanlagen] 25 20 15 10 5 0 BHKW Gasspeicher keine Rührwerke Heizung Prozessstörung Feststoffeintrag Temperaturumstellung Problembereich
Mängel und Störungen Problembereich Rührwerke Prozessstörung im Fermenter BHKW Feststoffeintrag Gasspeicher Heizung Leitungen Temperaturbereich Dimensionierung Bunker, Probleme mit Schneckenzubringung (Schneckenbruch, zu schwaches Getriebe), Probleme mit Störstoffen, falsche Dimensionierung, Riss der Membran, zu schwache Mittelstütze undichte Heizungsschläuche Mängel und Störungen falsche Dimensionierung und/oder Platzierung, Motor-/Getriebeschäden, Paddelauslegung, undichte hydraulische Leitung, Rührwellenbruch, Probleme mit Bodenverankerung Schaumbildung, Entstehung einer Schwimmdecke durch mangelhafte Durchmischung, ungeeignete Platzierung der Rührwerke, Fütterungsfehler, ph-wert Absenkung, Betonschäden Zünddefekt, Steuerungsprobleme, Netzschwankungen, durchgebrannter Turbolader, Ladeluftkühler Verstopfung der Gas- oder Substratleitung, Verstopfung Überlauf Probleme bei Umstellung von mesophilen auf thermophile Prozesstemperatur Gaszähler Ausfall
Schlussfolgerungen leistungsstarke Systeme hohe Professionalität der Biogasanlagen technische Veränderungen durch Energiepflanzeneinsatz Optimierungspotential vorhanden Substrate: Fruchtfolge, Nutzung Restpflanze Biorefinery, Vorbehandlung Substrateinbringung: Zeit-, Gewichtssteuerung, Koppelung mit Durchmischung, Verbesserung Schneckenförderung Fermenter: spezialisierte Systeme, Fermenterdimensionierung, Durchmischung: hohe Störanfälligkeit, Kombination langsam schnelllaufend, hoher Energiebedarf Prozessparameter: konsequente Überwachung wichtig
Department für Nachhaltige Agrarsysteme Institut für Landtechnik Dr. Katharina Hopfner-Sixt Univ. Prof. DI. Dr. Thomas Amon DI Alexander Bauer, DI Vitomir Bodiroza, Dr. Dejan Milovanivic, Dr. Barbara Amon Gregor Mendel-Straße 33, 1180 Wien, Österreich Tel.: +43 1 47654-4416, Fax: +43 1 47654-1005 katharina.hopfner-sixt@boku.ac.at, www.boku.ac.at