Biogasanlagenbau Auf den Aufschluss kommt es an Dipl.-Ing. Thilo Lehmann Jocketa-Bahnhofstraße 34 D- 08543 Pöhl Tel.: (+49) 037439 / 744-0 Fax: (+49) 037439 / 744-25 post@lehmann-maschinenbau.de www.lehmann-maschinenbau.de 1
- in Tradition sächsischer Ingenieur-Technik - Sonderanlagenbau und Zulieferung Schwerlasthubtechnik Hydraulik Sondermaschinenbau Umwelttechnischer Anlagenbau Zulieferung Engineering 2
Einbringtechnik Schraubenwalzenzerkleinerer Hebebalgpumpe Kratzkettendosierer Allmetallerkennungsanlage Erkennung von Störstoffen (Eisen- und NE - Metalle), automatische Ausschleusung, integrierbar in Bandförderer Filterschneckenpresse Rollengurtförderer 3
MSZK Maschinensysteme zur Zerfaserung und Kompaktierung MSZK 65-90 MSZK 15 Zerfaserung Kompaktierung MSZK 180-250 4
Holzfaserstoff (Mikroskop REM) thermo- mechanisch aufgeschlossen mittels Doppelschneckenextruder 5
Bioextruder im Einsatz Hühnermist 6
Extrusion von Stallmist Stallmist 7
Extrusion von Deichschnitt Deichschnitt 8
Lignozellulose ein komplexes Substrat Zellulose liegt in kristallinen Fasern vor, die in einem Netzwerk aus Hemizellulosen und Lignin eingebunden sind. Grafik: C. Somerville 9
Lignozellulose biologisch aufgebaut und abbaubar Aufschlussverfahren übergeordnete Faserstrukturen, Hemizellulosen, und Lignin sind zu entfernen enzymatischer weiterer Aufschluß in wässriger Lösung (Zellulasen) Grafik: NREL 10
Wirkung des Extruders Zerstörung der Ligninstruktur Grafik: NREL 11
Wirkprinzip der Bioextrusion ineinanderlaufende, gegenläufige Schnecken bewirken mechanischen Energieeintrag Zerkleinerung Quetschen Zerreiben hydro-thermalen Aufschluss hohen Druck hohe Temperatur (an Druck gebunden) plötzliche Entspannung bedeutet Zerreißen der Zellstruktur Druck / Wärme Ligninphase Wechselbelastung (Kavitäten) durch ständige Wiederholung > Aufschluß / Auffaserung / Plastifizierung < 12
Verbesserung der mechanischen Eigenschaften 1. geeignet für schwer in Biogasanlagen beherrschbare Substrate wie Festmist, Landschaftspflegematerial, Maisstroh, Stroh, Gras, Silagen, Ganzpflanzen, Bioabfall 2. keine Schwimmschichten 3. gute Rohr-, Ventilpassier- und Transportfähigkeit 4. geringe Rührenergie, da extrudiertes Substrat in Mittellage geht und sich gut verteilt 5. hohe Homogenität des Substrates (Extruder ist ein Intensivmischer) 6. hohe TS-Gehalte über Feststoffpfad einbringbar 13
Verbesserung des biochemischen Abbaus 1. Herausbildung neuer Bakterienstämme entsprechend des Dargebotes an Futter durch Grenzflächenmechanik 2. Erhöhung der Reaktionsgeschwindigkeit des Abbaus der Biomasse durch größere Oberfläche und optimale Reaktions-/ Milieubedingungen 3. Verkürzung der Verweilzeit bei besseren Ausfaulgrad Einsparung von Faulraumvolumen 4. bessere Gasbildungsrate des organischen Trockensubstanzgehaltes 5. Erhöhung der Raumbelastung bei besseren C/N Verhältnis 6. geringes Temperaturgefälle zwischen extrudierten Substrat und Fermenter 7. hohe Drücke im Inneren des Extruders bedingen Abtötung von Krankheitskeimen, Pilzsporen und Unkrautsamen Senkung der Keimbelastung mundgerechte Bakterienkost 14
Ackerbauliche Vorteile entscheidend die verfügbare, org. Trockensubstanz 1. Mehrertrag durch Einsatz von Hybridroggen ggü. Maissilage (beide extrudiert) Substrat Hybridroggen* Mais* Differenz GPS Silage 20 t/ha 40 t/ha 2. Monokultur des Maises als Energiepflanze ist gebrochen (s. o. Beispiel) 3. Einsparung von Logistikaufwand (hoher TS, weniger Wassertransport, dadurch weniger Volumen zu transportieren, weniger Feuchte in der Anlage bzw. aufs Feld aufzubringen) und von Siloraum bzw. Gärrestbecken 4. Felder schneller verfügbar 5. Bodenwert wird verbessert durch freie Fruchtfolge Erklärung: konkretes Beispiel aus dem Vogtland (Vorgebirgsland 350-600m Höhe, Plauener Trockenbecken; Durchschnittsbodenwerte des Vogtlandes: 35 Bodenpunkte), Werte in anderen Regionen dürften höher ausfallen, sowohl für Maissilage als auch für Hybridroggen. * aus Siloabdeckung, laut KTBL * Bereits im 2. Jahr liegen die Ertragswerte in o.g. Größe vor, der Hybridroggen wird 8 Tage vor der eigentlichen Ernte als GPS geerntet. TS 70% 30% 14,2 t/ha TS 12,0 t/ha TS ots 94,0% 94,7% Mehrertrag 377 Nm³ Methan / ha * 10,4 kwh / Nm³ = 3.920,8 kwh / ha elektr. Wirkungsgrad von 38,6 % 1.513,4 kwh / ha Einspeisevergütung 0,20 / kwh 302,7 / ha 13,63 t/ha ots 11,36 t/ha ots 270,08 Nm³/ t ots 290,86 Nm³/ t ots Substratzustand Ernteertrag Ernteertrag Ernteertrag Methangasausbeute Methangasausbeute / ha 3.681,2 Nm³/ ha 3.304,2 Nm³/ ha 377,0 Nm³/ ha 15
Bestätigung der Ergebnisse Ergebnisse Charakterisierung der Ausgangsproben Die Ergebnisse der TS-Bestimmung wurden mit Standardabweichung in Tabelle 1 dargestellt. Tab. 1: Ergebnisse der TS- und OTS-Bestimmung der untersuchten Substrate Probe 1 (extrudierte Ganzpflanzensilage) Probe 2 (unbehandelte Ganzpflanzensilage) TS in % 67,69 ± 1,22 68,50 ± 2,56 ots in % der TS 90,03 ± 1,53 90,19 ± 0,88 Ermittlung der Biogasproduktion Im Gärtest zeigte die Probe 1 eine mittlere Biogasproduktion von 268,75 N m3/t Frischmasse bzw. 440,58 Nm3/t OTS (Abb. 1). Die Probe 2 hatte eine mittlere Biogasproduktion von 199,02 N m3/t Frischmasse bzw. 320,99 Nm3/t OTS (Abb. 1 und Abb. 2). Das produzierte Biogas der Probe 1 hatte einen Methananteil von 61,3 %, der Methangehalt des produzierten Biogases der Probe 2 lag bei 56,2 %. Tab.2: Mittlere Gaserträge in N m3 pro Tonne Frischmasse (FM) bzw. pro Tonne organischer Trockensubstanz (OTS) Probe 1 (extrudierte Probe 2 (unbehandelte Steigerung Ganzpflanzensilage) Ganzpflanzensilage) Gasertrag in Nm³/t FM 268,75 199,02 35,0% Gasertrag in Nm³/t ots 440,58 320,99 37,3% Methanertrag in Nm³/t ots 270,08 180,40 49,7% Ø Methanertrag Maissilage 290,86 255,55 13,8% (Nm³/t ots) (sächs. LAfL) 16
Nutzensrechnung der Bioextrusion 1. ohne Bioextrusion 2. Einsparung Biomasse 3. Ersatz Maissilage 1.1 Masse Maissilage 1.2 Masse Grassilage 1.3 Masse Hybridroggensilage 2. Summe der (kalkulat.) Anlagenkosten pro Jahr [t/a] [t/a] [t/a] 8.160 [ / a] 308.562,00 40t/ha [ / t FM ] 37,81 7.160 [ / a] 333.132,00 40t/ha [ / t FM ] 46,53 2.040 1.275 2.071 [ / a] 339.206,00 40t/ha 25t/ha 20t/ha [ / t FM ] 62,98 3. Substratkosten 285.600,00 35,00 250.600,00 35,00 238.516,80 44,29 4. Gesamtkosten 594.162,00 72,81 583.732,00 81,53 577.722,80 107,27 5. Erträge 5.1 Wirkarbeit [h] 5.2 Strom 5.3 Wirkarbeit 5.4 Vergütung (0,20 / kwh) [h] [kw] [kwh] 8.000 404 3.231.360 646.272,00 79,20 8.000 404 3.232.310 646.462,08 90,29 8.000 459 3.670.430 734.086,04 136,31 6. Gewinn 52.110,00 6,39 62.730,08 8,76 156.363,24 29,03 7. Flächenertrag (380 / ha) 9.500,00 1,33 8. Gesamtertrag 52.110,00 6,39 72.230,08 10,09 156.363,24 29,03 9. Differenz Gesamtertrag 20.120,08 84.133,16 104.253,24 17
Grassilagevergärung 18
Biogasertrag [Ncbm] 400 Rapssilagevergärung (ohne Körner) 350 300 250 200 Ncbm/tFM original Ncbm/tFM extrudiert Ncbm/tOTS original Ncbm/tOTS extrudiert 150 100 50 0 1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 Zeitraum der Vergärung [Tage] TS ots Biogasausbeute Rapssilage 282,23 original 56,83% 92,81% Nm³/t ots Rapssilage 376,97 extrudiert 67,14% 91,96% Nm³/t ots Zuwachs an Methanausbeute Methangehalt Methanausbeute Biogasausbeute 178,65 Nm³/t ots 63,3 Vol. % 227,69 Nm³/t ots 60,4 Vol. % 33,50% 27,50% 19
Methanertragssteigerung durch Bioextrusion ohne Bioextrusion mit Bioextrusion 300,0 +14% +26% +50% +50% +74% +11% +69% +19% +73% +84% +268% 250,0 200,0 150,0 100,0 50,0 0,0 1 Maissilage 2 Grassilage 3 Stroh m. geringem Kornanteil 1 1 2 2 2 2 2 2 3 2 2 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 4 GP-Feinschnitt 5 Grassamenstroh 6 Putenmist 7 Rindermist-/Silagereste 8 Tomaten (getrocknet) 9 Traubentrester 10 Gärreste (entwässert) 11 Fermentersubstrat Angaben in l N / kg ots Quellen: 1 Sächs. Landesanstalt f. Landwirtschaft, 2 Biogas Oberfranken, 3 Prüf- u. Forschungsinst. Pirmasens, Batchversuche nach VDJ 4630 20
Verkürzung der Verweilzeit Erhöhung der Faulraumbelastung durch Bioextrusion Anlagenspezifische Gasproduktivität in m³ Biogas / m³ Faulraum / Tag 3 Bh3 G/M/m xd F - Grenzflächenmechanik durch Bioextrusion sichert hohe Abbaurate der Biomasse - Hohe Faulraumbelastung ohne wesentliche Veränderung der Propionsäurekonzentration 3 neues Verfahren 0 - das Material geht in die Mittellage bei Verringerung der Neigung zur Schwimmschichtbildung 2 1 Stand der Technik 1 2 3 4 5 6 7 8 Bioextrusion ermöglicht den Einsatz neuer biogener Stoffe wie Zellulose und hemizellulosehaltiger Materialien (Stroh, Landschaftspflegematerial, Mist u.a.) und die Herausbildung neuer methanbildender Bakterien entsprechend des Angebotes, an verfügbarem Futter durch den Aufschluss. FB/kg ots/wd 3 F 21
Bio- Extrudiertechnik Durchsatzleistungen und Energieverbrauch für ausgewählte Biomassen 22
Leistung [kwh/t FM] Durchschnittlicher Energieverbrauch Tendenz der Leistungswerte* des Gärsubstrates, bezogen auf TS 24 22 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 2 1 15 20 30 40 50 60 70 80 TS - Gehalt *) ermittelte Leistungswerte einschließlich: Dosierer, Schnecke / Band / Detektor, Bioextruder, Schnecke / Band 1 Biogasanlage 500 KW, Maissilage 30% TS, Einbring- und Aufschlusstechnik ca. 4,7 kwh/tfm (Agrofarm 2000)* 2 Biogasanlage 192 KW, Maissilage, GPS, Getreide 50% TS, Einbring- und Aufschlusstechnik ca. 7,4 kwh/tfm (Hertel, Möschwitz) beide Anlagen abgebildet in Heftchen Biogasanlagenbau eine weitere Abhängigkeit ergibt sich aus dem Rohfasergehalt des Substrates, dem Aschegehalt usw. * Wert aus Heft 19/2008 Biomasseaufbereitung zur Vergärung (Landesanstalt für Landwirtschaft) 23
Gasproduktivitätsvergleich 1,60 1,40 1,20 1,00 0,80 0,60 0,40 0,20 0,00 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Durchschnittswert: 100 % Anlage mit Bioextrusion : 137 % Beste Anlage ohne Bioextrusion: 116 % Gasproduktivitätssteigerung - Meßdauer 3 Monate - ggü Durchschnitt: 37% ggü beste Anlage ohne Bioextrusion: 21% 24
Bioliquid Verfahren (zum Patent angemeldet) ( A ) [ 1 ] Wäsche / Störstoffauslese [ 2 ] Vorseparation TS 22 24% (Schnecke) [ 3 ] Nachentwässerung mit kombiniertem Aufschluß [ 4 ] Konditionierung durch Fermentation (aerob) unter Perkolation einer stickstoffhaltigen Flüssigkeit (Dosierung / Steuerung von Stickstoff und Enzymverbindungen) [ 5 ] Hydrolyse [ 6 ] Separation / Trennung Preßsaft Fasergewinnung [ 7 ] Mischung mit Trockengut [ 8 ] Naßkompaktierung ( B ) [ I ] Preßsaftbehältnis [ II ] BG Erzeugung (anaerob) 25
Bioliquid Verfahren (zum Patent angemeldet) 1 Annahmedosierer mit Wasserbad / Lufteintrag (40 C Wärmetauscher) 2 Ultraschallsedimentation 3 Störstoffaustrag über Kratzketten 4 Substratschnecke mit Re-/Entwässerung 5 Heißwasserzuführung (~ 70 C) 7 kombinierte Zerkleinerungs-/Homogenisierungsschnecke / Verdichtungsschnecke 8 Waschextruder mit Flüssigphasenschnecke und Aufschlußsystem 9 Zuführschnecke 10 Konditionierung mit Perkolation (Stickstoffzuführung / Enzyme bedarfsorientiert) 11 Förderschnecke mit Flüssigkeitsbesprühung 12 Separationspresse (TS 40-60%) 13 Förderschnecke für Presskuchenzufuhr, Konditionerer, Mischschnecke 14 Kompaktierextruder mit Schnabelmatritze 15 Flüssigtank / Zwischenpuffer / mit Temperaturführung 26
Außenliegendes Turborührwerk Wartung und Instandhaltung ohne Unterbrechung der Gasproduktion 3 1 4 5 1 Fermenter 2 vertikales Turborührwerk 3 Antrieb 7 4 Einströmöffnung 5 Rührflügel 2 6 Ausströmöffnung 7 Schieber 6 1 Fermenter Turborührwerk Turborührwerk 2+5 27
Biogasentschwefelung Biogas H2S ca. 50 ppm Luftaustritt regenerierte Waschflüssigkeit Absorberstufe verbauchte Waschflüssigkeit Biostufe Biogas H S > 1000 ppm Lufteintritt Methangehaltabsenkung bei direkter Zufuhr von Entschwefelungsluft in den Biogasstrom Herkömmliche Verfahren BioPEAC Verfahren 28
Trocknungssysteme Plattenbandtrockner Trocknungscontainer Trockenboden 29
Naßkompaktierung von Gärresten 30
Naßpelletierung von Gärresten 31
Gärrestaufbereitung zu Brennstoff (fest und gasförmig) und zu Langzeitdünger Kompaktierung Pellettierung Brikettierung 32
Versuchsanlage am Institut für Abfallwirtschaft und Altlasten der TU Dresden (iaa) - Biogasomat Baureihe BGM 3 / 5000 MT Der Biogasomat dient zum Nachweis der Biogasausbeute an verschiedenen Grundsubstraten, insbesondere an Substraten mit höherem Feststoffanteil. 33
Wir planen und bauen Ihre Biogasanlage! 34
Anlagenbeispiele Anlagenbeispiel Unser Ziel: Zufriedene Kunden In der eigens erstellten Modell- und Demonstrationsanlage wurden neue vorteilhafte technische Lösungen integriert, so u.a.: - - - - - patentiertes außenliegendes Turborührwerk kombiniertes Aufschluß-/Hydrolyseverfahren bei kurzen Verweilzeiten Gärrestseparation Gärresttrocknung mit Plattenbandtrockner, Trockencontainer und Trockenboden Düngemittelpelletierung des getrockneten Gärrestes mit Zusätzen Trockenfermentation 500 kw elektrisch Input: Ganzpflanzensilage Grassilage, Kleegrassilage Getreide, Mais Mist Landschaftspflege Thilo Lehmann, Geschäftsführer der, Pöhl / Vogtlandkreis 35
BGA Pöhl 500 kw el 36
Vergütung in Cent / kw el. BGA Pöhl 500 kw el Vergütungssätze im Jahr 2010 30,00 25,00 20,00 15,00 10,00 5,00 0,00 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 0 50 100 150 150 200 250 300 350 400 450 500 Güllebonus 4,00 4,00 4,00 4,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 Grundvergütung 11,67 11,67 11,67 11,67 9,18 9,18 9,18 9,18 9,18 9,18 9,18 9,18 KWK-Bonus 1,30 1,30 1,30 1,30 1,30 1,30 1,30 1,30 1,30 1,30 1,30 1,30 NawaRo-Bonus 7,00 7,00 7,00 7,00 7,00 7,00 7,00 7,00 7,00 7,00 7,00 7,00 Technologiebonus alt 2,00 2,00 2,00 2,00 2,00 2,00 2,00 2,00 2,00 2,00 2,00 2,00 Leistung in kw 37
Vergütung in BGA Pöhl 500 kw el Vergütung 1.000.000,00 900.000,00 800.000,00 700.000,00 600.000,00 500.000,00 400.000,00 300.000,00 200.000,00 100.000,00 0,00 0 1.000 2.000 3.000 4.000 5.000 6.000 7.000 8.000 8.760 Leistung in Stunden 500 kw 450 kw 350 kw 250 kw 150 kw 38
Anlagenbeispiele Anlagenbeispiel Unser Ziel: Zufriedene Kunden Unsere Anlage läuft seit Beginn stabil und zuverlässig. Durch die Bioextrusion haben wir keine Schwimmschichten und einen Mehrertrag an Biogas bei den eingesetzten Substraten gegenüber KTBL*- Liste von 19%. * Kuratorium f. Technik und Bauwesen in der Landwirtschaft e.v. H. Hertel, Landwirt und Betreiber der Biogasanlage, Möschwitz Gmd. Pöhl / Vogtlandkreis Naßfermentation 195 kw elektrisch Anlage mit: - Kratzkettendosierer 25 m³ - Band mit Detektor - Extruder MSZB 22e - Förderschnecke - Syphonschnecke Input: Grassilage Ganzpflanzensilage Maissilage Stroh Landschaftspflege Mist / Gülle 39
Anlagenbeispiele 40
Container mit Extruder und Detektorband Fermenter Querförderer Container mit Extruder und Detektorband Dosierer Förderer 41
Erhöhung des Stromertrages von 39% durch Extrudertechnik 42
Anlagenbeispiele Zusammenhang zwischen theoretischer und tatsächlich produzierter Strommenge 43
Anlagenbeispiele Zusammenhang zwischen theoretischer und tatsächlich produzierter Strommenge 44
Anlagenbeispiele Anlagenbeispiel Unser Ziel: Zufriedene Kunden bisheriger Zustand (ohne Extruder) Maissilage Grassilage Gülle Rührzeiten 58 62 t/d nicht möglich gewesen 20 40 t/d 40 min/h neuer Zustand (mit Bioextruder B74) Trockenfermentation 1,2 MW elektrisch Anlage mit: - Kratzkettendosierer 80 m³ - Band mit Detektor - Extruder MSZB 74e Input: Grassilage, Maissilage, Strohmist Maissilage Grassilage Gülle Rührzeiten Ziel: 42 t/d 24 t/d keine, wurde auf Trockenfermentation umgestellt => Techn.bonus 2 x 6 min/h Verarbeitung von 30% Strohmist => Güllebonus Hr. Wiersma, Geschäftsführer der Biogasanlage Prowind Nennhausen 45
Anlagenbeispiele Unser Ziel: Zufriedene Kunden 14 installierte Bioextruder, zum Teil in Trockenfermentationsanlagen nach C.A.R.M.E.N. e.v., installiert 2004 bis 2007, sprechen für sich. Bioextruder MSZ B 55e 46
Anlagenbeispiele Anlagenbeispiel Unser Ziel: Zufriedene Kunden Seit 2003 betreiben wir die Bioextrusion. Ein Mehrertrag von ca. 20 27% Biogas und ein hoher TS-Gehalt um 14% im Gasaustauschfermenter, beim minimalen Eigenenergiebedarf von 2,4% mit geringen Verschleiß- und Wartungsarbeiten belegen die Wirksamkeit des Systems. Klaus Rank, Geschäftsführer der Agrofarm 2000 GmbH, Eichigt / Vogtlandkreis Naßfermentation 580 kw elektrisch Thermo- mechanische Aufschlussanlage mit Dosierer, Zuführband mit Metalldetektor, Bioextruder und Abführband. Input: Gras Mais Ganzpflanze Mist Stroh Gülle 47
Layout einer BGA mit 150 / 300 / 500 kw el 48
Vielen Dank fürs Zuhören. Haben Sie noch Fragen? Jocketa-Bahnhofstraße 34 D- 08543 Pöhl Tel.: (+49) 037439 / 744-0 Fax: (+49) 037439 / 744-25 post@lehmann-maschinenbau.de www.lehmann-maschinenbau.de 49