Agraferm Technologies AG

Agraferm Technologies AG Kenngrößen von Biogasanlagen nach VDI 4631 Hans Friedmann 18. Juni 2009

Inhalt Übersicht der Kenngrößen Substrat Fermenter Gasreinigung und -aufbereitung Gasverwertung Gesamtanlage Erläuterung unklarer Kennzahlen Kennzahlen in der Praxis 2

Kenngrößen von Biogasanlagen 3

Hydraulische Aufenthaltszeit 13

Vergärung von festen Substraten Biogas Substrat Fermenter Ablauf fester Dünger Prozesswasser flüssiger Dünger 14

Beispiel: 500 kw Grassilage 8% TS 2.592 t/a 53% CH4 11.500 t/a 35% TS 3560 m³ Fermenter 34.275 t/a 8% TS 34.364 t/a 5% TS 5.645 t/a 28% TS 3.265 t/a 5% TS Aufenthaltszeit: Input 112 d (ohne PW) Input 28 d (mit PW) Output 30 d Raumbelastung 2,8 kg/(m³ d) flüssiger Dünger 15

Beispiel: 500 kw Grassilage 15% TS 2.592 t/a 53% CH4 11.500 t/a 35% TS 1070 m³ Fermenter 12.982 t/a 15% TS 4.075 t/a 5% TS 5.645 t/a 28% TS 3.265 t/a 5% TS Aufenthaltszeit: Input 34 d (ohne PW) Input 25 d (mit PW) Output 30 d Raumbelastung 9,3 kg/(m³ d) flüssiger Dünger 16

Bewertung der Abbauleistung Diese Parameter beschreiben die Abbauleistung des Biogasreaktors. Sie lassen sich nicht unabhängig voneinander variieren. Inkorporation von Wasser bei der Hydrolyse beachten Buswell-Formel: C a H b O c N d S e + (4a b 2c +3d + 2e) H 2 O = 1/8 (4a + b 2c 3d 2e) CH 4 + 1/8 (4a - b + 2c + 3d + 2e) CO 2 + dnh 4 + eh 2 S 17

Beispiel: Vergärung von Maissilage TM 32%, GV 96%, Y BG = 630 Nm³/t otm, CH 4 = 52%, 12% Wassereinbindung Wasser 680 kg Wasser 649 kg otm 307 kg Salz 13 kg Gärrest: TM 12.9%, GV 86% Biogas 254 kg otm 83 kg Salz 13 kg 18

Beispiel: Vergärung von Maissilage TM 32%, GV 96%, Y BG = 750 Nm³/t otm, CH 4 = 52%, 12% Wassereinbindung Wasser 680 kg Wasser 644 kg otm 307 kg Salz 13 kg Gärrest: TM 7,7%, GV 76% Biogas 303 kg otm 41 kg Salz 13 kg 19

Beispiel: Vergärung von Maissilage TM 32%, GV 96%, Y BG = 800 Nm³/t otm, CH 4 = 52%, 12% Wassereinbindung Wasser 680 kg Wasser 641 kg otm 307 kg Salz 13 kg Gärrest: TM 5,3%, GV 64% Biogas 323 kg otm 23 kg Salz 13 kg 20

Beispiel: Vergärung von Maissilage Abbaugrad aus Biogasmasse: η = = Masse Biogas = Masse otm, ein YBG 630 750 800 m Biogas 254 303 323 m otm, ein 307 307 307 η 82% 99% 105% 21

Beispiel: Vergärung von Maissilage Abbaugrad aus otm-bilanz: η = 1 - = Masse otm, aus = Masse otm, ein YBG 630 750 800 m otm, aus 83 41 23 m otm, ein 307 307 307 η 73% 87% 92% 22

Raumabbauleistung vs. Biogasproduktivität Raumabbauleistung = otm-abbaugrad x Raumbelastung schwierig zu ermitteln bekannt Raumabbauleistung = (1- Buswell-Wasser) x Biogasproduktivität x Dichte Biogas Substratspezifisch, Schwierig zu ermitteln einfach zu ermitteln substratspezifisch 23

Einheiten unklar besser: h/a besser: kw 24

Exergetische Betrachtung Exergie ist definiert als der Anteil eines Energiestromes, der sich mit einem reversiblen Prozess vollständig in Arbeit umwandeln lässt. Der Anteil eines Energiestromes, der nicht in Arbeit umgewandelt werden kann, wird als Anergie bezeichnet. Energie = Exergie + Anergie Anders als Energie ist Exergie keine Zustandsgröße. Exergie ist eine wichtige Kenngröße zur verfahrenstechnischen Optimierung von Energieerzeugungsanlagen. 25

Exergetische Betrachtung Bestimmung der Exergie: Ele. Energie: 100% Exergie Wärme: Umrechnung über den Carnot-Faktor Biogas: Verbrennung bei λ = 1, Abwärmenutzung im Carnot-Prozess T Zufuhr von Wärme (isotherm) η ex T Umg = 1 T max Abfuhr von Wärme (isotherm) bei Umgebungstemperatur Entropie s [kj/(kg K)] 26

Biogas 100 kwh Exergetische Betrachtung Beispiel: BHKW mit Dampferzeugung Energetische Betrachtung BHKW η ges = 80% Dampf 17 kwh, 180 C Warmwasser, 23 kwh, 90 C Strom 40 kwh Exergetische Betrachtung Biogas 82 kwh BHKW η ex = 61% Dampf 6 kwh Warmwasser, 4 kwh Strom 40 kw 27

Exergetische Betrachtung Aus 100 kwh Biogas (82 kwh Exergie) werden Nutzung Energie Exergie Verbrennung im Kessel zur Warmwassererzeugung (90 C) BHKW (volle Wärmenutzung mit Dampferzeugung 180 C) Gasreinigung (PSA) + 5 kwh elektrische Energie Gasreinigung (PSA) + 5 kwh elektrische Energie mit wärmegeführtem BHKW (volle Wärmenutzung bei 90 C) 85 kwh 16 kwh 80 kwh 50 kwh 98 kwh 79 kwh 82 kwh 47 kwh 28

Kennzahlen in der Praxis Vergleich von vier verschiedenen BGA anhand der Kennzahlen nach VDI 4631 Anlagendaten aus den Betriebstagebüchern Alle Anlagen im stationären Zustand 29

Anlage A 2 x 265 kw Feststoffeintragssystem Fermenter 1 800 m³ Nachgärer 1 Separator BHKW 1 BHKW 2 30

Anlage B 3 x 1 MW Einmischbehälter Nachgärer 1 Nachgärer 2 Nachgärer 3 Nachgärer 4 Separator Fermenter 1 Fermenter 2 Fermenter 3 3500 m³ 3500 m³ 3500 m³ BHKW 1 BHKW 2 BHKW 3 Notfackel 1 Notfackel 2 31

Anlage C 3 x 265 kw Vorgrube Fermenter 1 1900 m³ Nachgärer 1 Feststoffeintragssystem Nachgärer 2 Fermenter 2 1900 m³ Separator BHKW 1 BHKW 2 BHKW 3 32

Anlage D 3 x 526 MW Feststoffeintragssystem 1 Feststoffeintragssystem 2 Fermenter 1 2100 m³ Nachgärer 1 Fermenter 2 2100 m³ Nachgärer 2 BHKW 1 BHKW 2 BHKW 3 33

Kennzahlen Substrate Anlage A Anlage B Anlage C Anlage D Substratarten Gras/Grassilage [t/a] 1.729 22.455 82 0 Mais/Maissilage [t/a] 6.728 33.417 4.752 34.559 GPS [t/a] 681 0 4.199 575 Sonnenblumen [t/a] 149 0 0 0 Hirse [t/a] 97 0 0 0 Festmist [t/a] 0 0 6.012 0 Gülle [t/a] 0 0 19.285 0 Rezirkulat [t/a] 0 42.153 0 8.030 TS-Gehalt Input Mittelwert [%] von FS 29% 34% n/a 36 % ots-gehalt Input Mittelwert [%] von FS 27% 31% n/a 34 % Biogasausbeute Mittelwert [Nm³/toTM] 674 591 564 540 Biogasausbeute Mittelwert [Nm³/toFM] 184 185 87 186 Methanausbeute Mittelwert [Nm³/toTM] 366 337 289 285 Methanausbeute Mittelwert [Nm³/toFM] 100 105 45 98 Durchsatz Substrate (Input) [t/a] 9.384 55.872 34.329 35.134 Durchsatz Mittelwert [t/d] 25,7 153,1 94,1 96,3 34

Kennzahlen Fermenter Anlage A Anlage B Anlage C Anlage D Fermentervolumen [m³] 800 10.500 3.800 4.200 TS-Gehalt Fermenter Mittelwert [%] 10.9% n/a n/a 10,2% ots-gehalt Fermenter Mittelwert [%] von FS 83,8% n/a n/a n/a NH4-N Fermenter Mittelwert [mg/l] 1.911,76 n/a n/a n/a ph-wert Fermenter Mittelwert [-] 7,43 n/a n/a 7,61 flüchtige org.säuren Mittelwert [mg HAc /kg] 680 n/a n/a n/a Essigsr.-Gehalt Mittelwert [mg/kg] 466 n/a n/a n/a Propionsr.-Gehalt Mittelwert [mg/kg] 128 n/a n/a n/a FOS/TAC Mittelwert [-] n/a n/a n/a 0,21 Prozesstemperatur Mittelwert [C ] 46 41 37 40 Prozesstemperatur Abweichung [K] 1,57 1,0 1,0 1,0 Hydraulische Verweilzeit (Inputbez.) Mittelwert [d] 29.1 14,6 46 35 otm-raumbelastung Mittelwert [kg otm /(m³ d)] 9,6 1,1 3,4 4,2 otm-abbaugrad Mittelwert [%] Biogasproduktivität Mittelwert [Nm³/(m³*d)] 6,42 2,69 2,19 4,26 Methanproduktivität Mittelwert [Nm³ CH4 /(m³*d)] 3,49 1,54 1,12 2,25 Biogasertrag Mittelwert [m³/h] 216 1.178 339 746 Methangehalt Mittelwert [% Methan ] 54% 57% 51% 53% CO2-Gehalt Mittelwert [% CO2 ] n/a 41% n/a 46% O2-Gehalt Mittelwert [% O2 ] n/a n/a n/a 0% H2S-Gehalt Mittelwert ppm n/a 436 213 55 35

Kennzahlen Gasverwertung Anlage A Anlage B Anlage C Anlage D elektr. Wirkungsgrad Herstellerangabe [%] 43% 40% 40% 43% jährliche Vollaststunden [kwhprakt./ kwhtherot.] 95,3% n/a 97,6% 100,0% elektr. Nennleistung Herstellerangabe [kw] 530 3.000 795 1.578 [%];[Anteil Energie spez. aus Zündöl/Gesamtenergie] Zündölverbrauch Herstellerangabe 6% n/a 6% n/a Bruttostromerzeugung Mittelwert [kwh/d] 11.841 64.304 18.142 37.675 36

Kennzahlen Gesamtanlage Anlage A Anlage B Anlage C Anlage D Eigenenergieverbrauch Gesamtanlage [kwh/a] 298.227 n/a n/a 2.337.723 Eigenenergieverbrauch Gesamtanlage [%] 6,90% n/a n/a 17% Elektr. Bruttoleistung [kwh/a] 4.322.135 23.470.790 6.621.829 13,751.313 Gasbetriebsleistung Mittelwert [m³ CH4 /h] n/a n/a n/a 394 Anlagenverfügbarkeit [h/a] 8.190 n/a 8.353 8.720 massenspez. Elektr. Energieertrag Mittelwert [kwh el /kg otm ] 1.555 1.343 1.228 1.204 37

Eingespeiste Strommenge Anlage D Scheinbar hohe Auslastung (8720 h/a) durch höhere Einspeisungsleistung als auf dem Typenschild der BHKW 38

Vielen Dank für Ihr Interesse Dr.-Ing. Hans Friedmann, Färberstr. 7, 85276 Pfaffenhofen/Ilm, 08441/8086-100 39