Biogas- und Biomethanerzeugung Eine kurze Einführung

Dies ist eine Zusammenfassung der “Training the Trainers” PräsentationenDie im Rahmen des Projektes Biomethane Regions abgehalten wurde

Teil 1 – Treforest, Süd-Wales in Mai 2011Teil 2 – Kopenhagen, Dänemark in November 2011

Folgende Ausführungen sind Zusammenfassungen derInhalte & Präsentationen die im Rahmen des Trainings durchgeführt wurden. Die Präsentationen sindunter www.bio-methaneregions.eu undwww.energie-zentrum.com verfügbar.

Inhalt

• Der anaerobe Abbau

• Anlagen-Monitoring und Überwachung

• Komponenten einer Biogasanlage

• Biogasaufbereitung

• Substratvorbehandlung

• Gärrestcharkteristika und Behandlung

Der anaerobe AbbauRichard Dinsdale

Universität Glamorgan

Die anaerobe Faulung

Die anaerobe Faulung ist die Umwandlung von organischen Material/Stoffen durchMikroorganismen zu Methan und Kohlendioxyd

unter Ausschluß von Sauerstoff.

CXHYOZ CO2 +CH4+ anaerobe Restbiomasse

Phasen des anaeroben Abbaus

Hydrolyse

Acidogene Phase

Acetogene Phase

Methanogene Phase

Guwy, (1996), Adaptiert von Mosey, (1983)

Organisches Material Proteine,

Kohlenhydrate

Monitoring und ÜberwachungSandra Esteves

Universität Glamorgan

Zusammenfassend

Kontinuierliches Monitoring und Analyse derSubstrate und der Fermenterleistung führen zueiner erhöhten Ausbeute/Effizienz und somit zu

einer höheren Anlagenrentabilität.

Wie können wir kontrollieren/ die Anlage optimieren?

• Prozesskontrolle basierend auf Substrateingenschaftenund Fermenterleistung– Regulierung der Temperatur-Grundeinstellung

– Änderung der Beschickungsrate/ Verweilzeit im Fermenter

– Wahl der Substrate. Das “perfekte” Rezept finden.

– Beimengung von Wasser / Rezirkulieren von Flüssiggärresten

– Alkalinität und pH Regelung

– Beimengung von Mikro- und Makronährstoffe: z.B. Eisen, Kobald, Nickel, Molybdän, Selen, Kalzium, Magnesium, und Vitamin B

– Durchführung von Vor- und Nachbehandlungen

Komponenten einer BiogasanlageKarl Puchas

Lokale Energie Agentur

Substrate Substrat Vorbehandlung

Fermenter -Technologie

Gas Behandlung

Gas Nutzung

Gärrückstand Nutzung / Entsorgung

Lieferung

Lagerung

Zerkleinern

Sortierung

Pasteurisation

Sterilisation

Naßfermentat

ion

Trockenferme

ntation

mesophil

thermophil

Entschwefelung

Trocknung

CO2-

Absonderung

Gas-

Lagerung

Abwärme

KWK (Strom +

Wärme)

Gaseinspeisung

Brennstoffzelle

Kfz-Treibstoff

Lagerung

Aufbringung /

Entsorgung

Naßfermentation

Trocken -fermentation

> 25% TS

keine Pumpen

Batch-Verfahren (Semi-automatisch)

< 25% TS

kontinuierlicher Prozess

Pumpen automatisch

Fermentationsarten

Gülle (lflüssig)

NAWARO

Abfall

flüssig � pumpen

gratis

Geruch

geringer Energiegehalt

fest � pumpen nicht möglich

Beschaffungskosten

rel. hoher Energiegehalt

Flüssig und fest

Vorbehandlung notwendig

Geruch

Eventuell Hygienisierung notwendig

Substrate

Typische landwirtschaftliche Biogasanlage

Typische industrielle Biogasanlage

Typische Biogasanlage für Abfälle (mit Kompostierung)

Biogas ReinigungMichael Harasek

Technische Universität Wien

Biogas ReinigungEin Separationsproblem

Ammoniak (NH3)

Schwefelwasserstoff (H2S)

Kohlenstoffdioxid (CO2)

Wasserdampf (H2O)

Bio-Methan (CH4)

Bio

gas

Weitere Verunreinigungen (Partikel, Tropfen, Siloxane, Kohlenwasserstoffe, Merkaptane)

Biogas Reinigungsschritte

Biogas Reinigung� Eine Vielzahl an Verfahren/ Technologien

� Druckwechseladsorption

� Wasser Wäscher

� Selexolabsorption

� Aminwäsche

� Membranseparation

� Kryogene Gasreinigung

� Hybridsysteme

� Die Entscheidung welche Technologie/Verfahren sollte nicht nur auf wirtschaftlichen Kriterien beruhen – billig kann auch teuer werden!!

� Technologie/Verfahren nach folgenden Kriterien auswählen:

� Reinigungskapazität

� turn-down ratio

� Leistung beim Hoch- und Runterfahren der Anlage und Bedienbarkeit

� Die benötigte Gasqualität

� Chemikalien- und Energieverbrauch

SubstratvorbehandlungGregg Williams und Des Devlin

Universität Glamorgan

• Es gibt eine Vielzahl von Materialien die sich als Substrat für Biogasanlageneignen.

• Zu berücksichtigen sind, Verfügbarkeit, Kosten, Handhabung und Lagerung

• Zusammensetzung und biologische Abbaubarkeit

• Monitoring und Analysen sind für einen effizienten Anlagenbetrieb notwendig

• Die Buswell Formel – liefert den theoretischen Energieertrag

• Fermentationstest – um das Biogaspotenzial zu erheben.

• Vorbehandlung kann den Prozess unterstützen und die Gasproduktionfördern

Zusammenfassung

Substrat Charakterisierung – Chemische Analyse

AL Seadi (2001)

Substrat Organischer Inhalt

C:N TS% VS% von TS

Biogas m3 /kg org.TS

Ungewollte Stoffe Andere Ungewollte Stoffe

Schweinemist Kohlenhydrate, Proteine, Fette

3-10 3-8 70-80 0,25-0,5 Holz, Späne, Wasser, Sand, Stroh, Perlonborsten, Schlieren

Antibiotika, Desinfektionsmittel

Kuhmist Kohlenhydrate, Proteine, Fette

6-20 5-12 80 0,2-0,3 Perlonborsten, Erde, Wasser, Stroh, Holz, Transportverunreinigungen

Antibiotika, Desinfektionsmittel, NH4+

Geflügelmist Kohlenhydrate , Proteine, Fette

3-10 10-30 80 0,35-0,6 Kies, Sand, Federn Antibiotika, Desinfektionsmittel, NH4+

Magen/Gedärmeinhalte

Kohlenhydrate, Proteine, Fette

3-5 15 80 0,4-0,68 Tierreste Antibiotika, Desinfektionsmittel

Molke 75-80% Laktose20-25% Proteine

- 8-12 90 0,35-0,8 Transportverunreinigungen

Molkekonzentrat 75-80% Laktose20-25% Proteine

- 20-25 90 0,8-0,95 Transportverunreinigungen

Klärschlamm schwimmend

65-70% Proteine30-35% Fette

- Tierreste Schwermetalle, Desinfektionsmittel, Organische Schadstoffe

Küchenabfälle Kohlenhydrate 4-10 1-5 80-95 0,35-0,78 Nicht abbaubare Fruchtreste

Stroh Kohlenhydrate, Fette

80-100 70-90 80-90 0,15-0,35 Sand, Kies

Grünschnitt 100-150 60-70 90 0,2-0,5 Erde, Zellulosehaltiges Material Pestizide

Gras 12-25 20-25 90 0,55 Kies Pestizide

Grassilage 10-25 15-25 90 0,56 Kies

Frucht-Abfall 35 35 75 0,25-0,5

Fischöl 30-50% Fette -

Sojaöl/Margarine 90% Gemüse-Öl -

Alkohol 40% Alkohol -

Essensreste 10 80 0,5-0,6 Knochen, Kunststoffe Desinfektionsmittel

Organ. Komm. Abfall Kunststoff, Metall, Steine, Holz, Glas Schwermetalle, Organische Schadstoffe

Klärschlamm Schwermetalle, Organische Schadstoffe

AL Seadi (2001)

Substrat Charakterisation –andere Schätzungen

LiteraturwerteVGG1

Gärrestcharakteristika und BehandlungSandra Esteves

Universität Glamorgan

Anaerobe Abbauprozess

HydrolyseHydrolyse AcidogeneseAcidogenese AcetgeneseAcetgenese MethanogeneseMethanogenese

KohlenhydrateProteine

Fette

In der Lösung:Kurz kettriger

ZuckerAminosäuren

Fettsäuren

KurzkettrigeSäuren,Alkohol

CO2 and H2

Essigsäure und Alkohole

Essigsäure und Alkohole

H2SH2S

CO2 und H2CO2 und H2

CH4 , CO2 und H2O

CH4 , CO2 und H2OHomoacetigenesisHomoacetigenesis

NH4, NH3NH4, NH3

Sulphat Reduktion

Abbauprodukte der Proteine

Ko

mp

lexe

Ko

mp

lexe

Sub

stra

teSu

bst

rate

Wasser

LigninLignin LigninLignin

Leicht- und Schwerrmetalle(P, K, Na, Ca usw.)

Leicht- und Schwerrmetalle(P, K, Na, Ca usw.)

Leicht- und Schwerrmetalle

(P, K, Na, Ca usw.)

Leicht- und Schwerrmetalle

(P, K, Na, Ca usw.)

Wasser

GGää

rrest

rrest

Ino

rgan

isch

Ino

rgan

isch

Bio

gas

Bio

gas

Tabelle 6: Beispiel zu Inhaltsstoffen ausgewählter Gärrest-Produkte

Kennwert Verdauter Kuhmist Verdauter Schweinemist gemischte Mistausgabe(30% Kuhm., 50% Schweinem., 20% C&I)

kompl. sFl sF kompl. sFl sF kompl. sFl sF

Trockenmasse in % 7 3,1 23 5 1,5 30 4 1 30

Gesamt N (kg/Tonne) 5,47 4,6 9 5,05 4,36 9,56 5,15 4,49 12,5

Verfügbare N (kg/Tonne) 3,29 3,3 3,3 3,78 3,79 3,72 4,12 4,13 4

Organisch N-Rest

(kg/Tonne)2,18 1,3 5,7 1,27 0,57 5,84 1,03 0,36 8,5

Phosphate (kg/Tonne) 1,02 0,2 4,2 1,21 0,56 5,49 1,16 0,37 10

Schätzwert (gesamt N,P) 4,45 € 2,65 € 11,52 € 4,56 € 3,13 € 13,96 € 4,52 € 2,88 € 22,95 €

Verfügbarkeitspreis 2,08 € 1,74 € 3,41 € 2,40 € 2,14 € 4,15 € 2,55 € 2,23 € 6,17 €

sFl=separierte Flüssigkeiten

sF=separierte Feststoffe

Nährstoffgehaltdes Gärrests

Kernaussagen

Man sollte Optionen für Gärreste abwägen. Gibt es einen geeignetenMarkt dafür?

Gärreste beinhalten wichtige Nährstoffe und können als gute Alternative zum chemischen Düngemittel eingesetzt werden.

Separationstechnologie kann verwendet werden um den Gärrest zuentwässern.

Die Auswahl der Separationstechnologie sollte in Abhängigkeit derweiteren Verwendung des Gärrestes getroffen werden.

IchIch BIOGASBIOGAS

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