PFLANZENKOHLE IM BIOGASPROZESS STEIGERUNG DER ENERGIEAUSBEUTE? Prof. Dr.-Ing. Achim Loewen Dipl. Wi.-Ing. Jan-Markus Rödger M. Eng. Waldemar Ganagin Dipl.-Ing. Agr. Andreas Krieg HAWK Hochschule für angewandte Wissenschaft und Kunst Fakultät Ressourcenmanagement Fachgebiet Nachhaltige Energie- und Umwelttechnik NEUTec / 3rd INTERREG NSR Biochar Conference
Gliederung Motivation bei NEUTec Motivation der Kaskadennutzung Konzept des Bio²-Ansatzes Stand des Wissens Versuchsauslegung Ergebnisse Thesen 2
Fachgebiet Nachhaltige Energieund Umwelttechnik NEUTec Angewandte Forschung und Entwicklung Abfallwirtschaft und Umwelttechnik Energie- und Verfahrenstechnik Biogas Feste Biobrennstoffe Biogene Kraftstoffe Dezentrale Energieversorgungskonzepte Klima- und Ressourcenschutz Einer der Träger und Sitz des Göttinger Büros des Kompetenzzentrum 3N
Motivation bei NEUTec Verknüpfung der Forschungsschwerpunkte Vielzählige Biogasprojekte seit 10 Jahren Forschung in der thermischen Konversion seit 3 Jahren vertieft Identifizierung von neuen Nutzungskonzepten der Biogastechnologie (Weg von reiner Anbaubiomasse) Ganzheitliche Betrachtung von Konzepten rückt immer mehr in den Fokus 4
Motivation bei NEUTec Mitarbeit im EU INTERREG NSR Projekt Biochar Climate Saving Soils Bilanzierung von Prozessketten der Produktion und Nutzung von Pflanzenkohle Durchführung von Feldversuchen Laufzeit 10/2009 12/2013 5
Motivation der Kaskadennutzung Forschungsbedarf Rotte Kompost Agrarflächen Pflanzenkohle Einstreu Futtermittel Silierung Biogas Gülle Substrate / Gärreste Wertschöpfung muss erhöht werden Zusätzliche ökologische Vorteile nutzen Wertschöpfung 6
Konzept des Bio²-Ansatzes Rödger et al. 2013 Bestehende Infrastruktur nutzen (fast 8.000 Biogasanlagen in Deutschland) Ökonomische Vorteile generieren Pflanzenkohle aktivieren Kombination der Biogas- und Pflanzenkohletechnologien Zu untersuchen: Welchen Einfluss hat Pflanzenkohle auf die Biogasbildung? 7
Stand der Wissenschaft Autor: Biogasprozess: Zugabe Biochar [%/kg TS] Art der Kohle: Versuchstage [d] Biogasmehrertrag Kumar et al. (1986) Batch (6,5 l) 5 % Holzkohle 40 17 % Semikonti (6,5 l) 5 % Holzkohle 40 34,7 % Inthapanya, S. (2012) Batch (1,4 l) 1 % Reisschale 30 31 % Batch (1,4 l) 3 % Reisschale 30 31 % Batch (1,4 l) 1 % (Nylon-Bag) Reisschale 30 35 % (-8% CH 4 ) Nomura et al. (2006) hat die Immobilisierung und Akkumulation von Methanogenen nachgewiesen TU Graz (2012) hat den Zusammenhang zwischen Aufwuchsfläche und Erweiterung der mikrobiellen Funktionalität aufgezeigt 8
Grundlagen Vorüberlegungen: Einsatzmenge und Pflanzenkohlentyp Zugabe etwa 2,5 % bezogen auf Frischmasse; Kohle aus unbehandeltem Holz Einsatzort im Biogasprozess - Hauptfermenter oder Nachgärer? Wahl des Substratmixes praxisrelevant Versuchsdauer soll auch Gärrestlagerung abdecken Gewählte Parameter: Pflanzenkohle aus Holzhackschnitzeln 550 C über 2 h pyrolysiert Auswirkungen im Hauptfermenter und Nachgärer sollen untersucht werden Gärrest als Impfmaterial und Maissilage als Substrat Versuchsdauer von 91 Tagen gewählt 9
Versuchsaufbau 5 verschiedene Ansätze 1 x Gärrest (GR) 2 x Hauptfermenter mit Gärrest, Maissilage ohne/mit Biochar (GR/MS; GR/MS/BC) 2 x Nachgärer mit Gärrest und Biochar (GR/BC; GR/BC13) 30 l HDPE-Fässer Klimakammer (37 2 C) Einheit (1) GR (2) GR/MS (3) GR/MS/BC (4), (5)* GR/BC Gärrest [kg FM ] 20,00 20,00 20,00 20,00 Maissilage [kg FM ] - 0,36 0,36 - Pflanzenkohle [kg FM ] - - 0,50 0,50 Trockensubstanz [% FM] 7,17 7,64 9,58 9,16 Org. Trockensubstanz [% TS] 76,63 78,15 79,55 78,48 Org. Kohlenstoff [% TS] 37,73 38,14 44,67 44,78 Stickstoff [% TS] 3,70 3,49 2,83 2,95 ph-wert [-] 8,00 7,64 7,96 8,47 ots Substr./oTS Impfsch. - 0,11 0,44 0,34 *unterscheidet sich zu (4) in der Partikelgröße (>13mm) der Kohle 10
Versuchsdurchführung 5 Versuche mit je drei Wiederholungen Homogenisierung der Substrate Tägliche Gasmessung in den ersten 4 Wochen danach im 3-Tages Intervall Biogas wird auf Menge und Zusammensetzung (CH 4, CO 2, H 2 S, O 2 ) untersucht Einhaltung der VDI-Richtlinie 4630 11
Einsatz im Hauptfermenter Verzögerung? Boost-Effekt? Maximum Verringerung 8,9 % Hauptfermenter d MS MS/BC Delta [Ndm³CH 4 /kg ots ] [Δ % zu MS] 25 377 449 18,93 40 398 485 21,70 60 431 508 17,81 91 488 532 8,89 Einfluss auf Abbaukinetik leicht abbaubarer Substanzen Höherer Abbaugrad der Organik 12
Einsatz im Nachgärer Nachgärer d BC BC13 [Δ % zu GR] 25 12,78 13,51 40 17,34 14,66 60 15,13 17,90 91 13,59 24,03 Restgaspotenzial gesteigert Restgaspotenzial weiter gesteigert 76 % Restgaspotenzial ausgeschöpft Höherer Nutzungsgrad des Restgaspotenzials Einfluss der Aufwuchsfläche und mikrobiellen Aktivität 13
Thesen zum Biogasertrag Bessere Substratausnutzung Höhere Ausschöpfung des Restgaspotenzials Marginaler Eigenabbau zu vernachlässigen Beeinflussung des Habitats für Mikroorganismen Schadstoffaufnahme und Verringerung der Hemmeffekte Verbesserte Versorgung der Mikroorganismen mit Spurenelementen Leistungsstärkere Biozönose syntropher Mikroorganismen Mikroorganismen nutzen die Pflanzenkohle als Schutzraum, geringerer Einfluss von Scherkräften 14
Thesen zur Kaskadennutzung Möglichst früh in der Wertschöpfungskette nutzen Direkte (Erlöse) und indirekte (Einsparungen) Erträge sind zu generieren Optimaler Einsatzort ist zu diskutieren: Bringt die Verkettung der möglichen Anwendungen auch den maximalen monetären Nutzen? Wirkungsweise und Nutzen bei verschiedenen Verdauungssystemen und Energiepflanzen? Wie wirken sich verschiedene Verkettungen der Einzelanwendungen auf den Gesamtnutzen aus? 15
Thesen zur Kaskadennutzung Mögliche Einsatzorte: Zusatz zu Futtermitteln Promotor bei der Konservierung (Silierung) von Energiepflanzen Im Biogasprozess (Haupt- und Nachgärer) Adsorbens in der Gülle- und Gärrestbehandlung In der Landwirtschaft als Bodenverbesserer 16
VIELEN DANK! Kontakt: roedger@hawk-hhg.de loewen@hawk-hhg.de Weitere Informationen: Rödger et al.: Steigerung des Biogasertrages durch die Zugabe von Pflanzenkohle. Müll und Abfall, 9/2013 17