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VTP Beck/Abdel-Hadi 1
Dr. Jürgen BeckDr. Jürgen BeckBIOBIOVVoltaikoltaik®®SENCESENCE
Dr. Jürgen BeckDr. Jürgen Beck Fa. BIOVoltaik® GmbHRottenburg
AbschlussdiskussionAbschlussdiskussion ““Strategie der Biomasseverwertung in Deutschland Strategie der Biomasseverwertung in Deutschland
und über die Möglichkeiten in Litauenund über die Möglichkeiten in Litauen””
Exkursion LZUU KaunasExkursion LZUU Kaunas18.8.200718.8.2007
Biogas – Energiegewinnung aus Bioabfall und Energiepflanzen
BVBV52-1-52-1-22
Dr. Jürgen BeckDr. Jürgen BeckBIOBIOVVoltaikoltaik®®SENCESENCE
Dr. Jürgen BeckDr. Jürgen BeckBIOBIOVVoltaikoltaik®®SENCESENCE
Source: World Bank 1995, BP 1996
Primary Energy Consumption and Primary Energy Consumption and Gross National Product per CapitaGross National Product per Capita
10
100
1.000
10.000
100 1.000 10.000 100.000
Per Capita Gross National Product in US$
An
nu
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il E
qu
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t p
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ap
ita
Bangladesh
India
Pakistan
ChinaEgypt
Indonesia
Philippines
Thailand
Russian Federation
Venezuela
BrazilTurkey
Malaysia
MexicoArgentina
Australia
Singapore
Germany
USA
Japan
(Mühlbauer 2000)
VTP Beck/Abdel-Hadi 3
Dr. Jürgen BeckDr. Jürgen BeckBIOBIOVVoltaikoltaik®®SENCESENCE Methanemissionen
Methanemissionen entstehen durch: Anaeroben Abbau organischer Reststoffe der
Kommunen (z. B. Mülledeponien), der Landwirtschaft und der Ernährungsindustrie
Ruktus der Wiederkäuer und durch Darmgase Naßreisbau und Sümpfe Anaeroben Abbau von Biomasseschlämmen in
den Sedimenten von Seen, Flüssen und Ozeanen
Europäische Landwirtschaft (Brink et al. 2001) trägt dazu 1,9 Mt CH4 bei
VTP Beck/Abdel-Hadi 4
Dr. Jürgen BeckDr. Jürgen BeckBIOBIOVVoltaikoltaik®®SENCESENCE Restenergie in Bioabfällen
Kommunaler BioabfallKommunaler Bioabfall
Speisereste in Speisereste in unterschiedlichem unterschiedlichem RottestadiumRottestadium
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Dr. Jürgen BeckDr. Jürgen BeckBIOBIOVVoltaikoltaik®®SENCESENCE
Möglichkeiten der Energiegewinnung aus Biomasse
(nach Wellinger 1994)
Energie-fixierung in Biomasse
VTP Beck/Abdel-Hadi 6
Dr. Jürgen BeckDr. Jürgen BeckBIOBIOVVoltaikoltaik®®SENCESENCE
Verfahren zur energetischen Nutzung von Biomassen
BiomasseBiomasse
trocken:HolzHolz
GetreideGetreideMaisMaisRapsRaps
feucht:GetreideGetreide
MaisMaisGrasGras
RübenRübenFestmistFestmist
flüssig:
Flüssig-Flüssig-mistmist
Alkoholische Gärung
MethangärungVerbrennung
Verschwelung
VTP Beck/Abdel-Hadi 7
Dr. Jürgen BeckDr. Jürgen BeckBIOBIOVVoltaikoltaik®®SENCESENCE
Historische Entwicklung der
Biogasgewinnung I
Erste systematische Untersuchungen mit Sumpfgas durch Alessandro Volta 1770 in Oberitalien
1821 gibt Avogadro chemische Formel von Methan an 1824 Louis Pasteur: Versuche und Vorschlag,
Pferdemist zu vergären für Straßenbeleuchtung in Paris 1897 Abwasserklärung in Lepra-Krankenhaus in
Bombay/Indien, Nutzung zur Beleuchtung und ab 1907 zum Antrieb eines Motors
In Deutschland 1906 Imhoff entwickelt „Emscherbrunnen“ zur
Abwasserklärung, ab 1913 beheizter Fermenter 1920 Klärgas ins Essener Gasnetz eingespeist
VTP Beck/Abdel-Hadi 8
Dr. Jürgen BeckDr. Jürgen BeckBIOBIOVVoltaikoltaik®®SENCESENCE Historische Entwicklung II
Im 2. Weltkrieg Reinigung und Verdichtung für Fahrzeugantrieb, erste Kofermentation
1940 in Stuttgart Fettzugabe Nach dem 2. Weltkrieg durch Imhoff landw.
Biogasnutzung initiiert: „aus dem Mist einer Kuh ist hundert Mal soviel Gas zu gewinnen wie von einem städtischen Einwohner“
1947 Biogasanlage „System TU Darmstadt“ entwickelt
1959 von Landwirt Reusch in Hohenstein/Württemberg gebaut und bis in die 90er Jahre betrieben
In Italien 1920 Gasbrunnen für Sumpfgasnutzung in der Poebene
eingerichtet (wegen Brennstoffmangel)
VTP Beck/Abdel-Hadi 9
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Historische Entwicklung III
in den 50er Jahren Anpassung der Technologie an Landwirtschaft (Sink-/Schwimmschichten), System Schmidt-Eggersglüß zur Verwertung von Festmist, aber Probleme mit Schwimmdecken, daher System Reusch, sicherer – Streben nach Autarkie -
Ab Mitte 50er Jahre wurden die damals ca. 50 landw. Anlagen nach und nach stillgelegt (Heizölpreis von 0,10 auf 0,04 €/l gefallen, nur 2 überlebten
1973 erste Ölkrise, 1978 zweite Ölkrise Bauboom: 150 Anlagen errichtet
Motivation: Energiegewinnung zur innerbetrieblichen Verwertung
danach erneuter Energiepreisverfall 60 Anlagen ab Ende 80er Jahre stillgelegt
Seit Anfang 90er Jahre 2. Boomphase
VTP Beck/Abdel-Hadi 10
Dr. Jürgen BeckDr. Jürgen BeckBIOBIOVVoltaikoltaik®®SENCESENCE
Historische Entwicklung IV2. Boomphase
Zusatzeinkommen über Kofermentation von Abfallstoffen Entsorgungsdienstleistung -
Verbesserte Einspeisevergütung bei Biomassevergärung Geruchsminderung
Standortvorteil - Hygienisierung
Vorteil bei Tier- und Pflanzengesundheit - Dungwertverbesserung
Verringerung der Düngerkosten Verringerung des Treibhauseffekts (Kyoto-Protokoll)
Vorteil beim künftigen Handel mit Emissionszertifikaten
VTP Beck/Abdel-Hadi 11
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Historische Entwicklung V2. Boomphase
Gründe: Stromeinspeisungsgesetz, seit 2000 Erneuerbare Energien Gesetz (EEG)
gesicherte Stromabnahme mit verbesserter Bezahlung Energiegewinnung (Strom + Wärme) zur außer- und
innerbetrieblichen Verwertung seit August 2004 verbesserte Bezahlung von
Biogasstrom aus nachwachsenden Rohstoffen: bis 15 kW 11,2 Cent/kWh
-1,5% Degression p.a. Bonus nachwachsende Rohstoffe + 6,0 Cent/kWh
bis 500 kW Bonus KW-Kopplungs-Strom + 2 Cent/kWh Bonus innovative Technologie + 2 Cent/kWh
VTP Beck/Abdel-Hadi 12
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Anaerobe Fermentation
IIndustrielle und
kommunale
Abwasser-
behandlung
Landwirtschaftl.
Biogas-
systeme
Behandlung
fester organischer
Abfälle
Deponiegas
gewinnung
Abbau organischer
Masse, Hygiene Energiegewinnung
Hygiene
Umweltschutz
Energiegewinnung
Stabilisierung
v. K lärschlämmen
Energiegewinnung
Energiegewinnung
Düngewert
Geruchsbekämpfg.
Hygiene, Erlöse
Biogassysteme in Deutschland
VTP Beck/Abdel-Hadi 13
Dr. Jürgen BeckDr. Jürgen BeckBIOBIOVVoltaikoltaik®®SENCESENCE
Ziele des Biogasverfahrens
Gewinnung hochwertiger Energie durch Abbau organischer Reststoffe von NawaRos
Geruchsminderung Verringerte
Ätzwirkung Verbesserte
Fließfähigkeit Verminderte
Methanemissionen
Verbesserte Pflanzenverträglichkeit
Bessere Düngewirkung Verbesserte
Pflanzengesundheit Hygienisierung (vor,
während oder nach Prozess)
Abbau von Unkrautsamen Einsparung von
Kanalanschlußgebühren
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Bestand landwirtschaftlicher Biogasanlagen
www.biomass.info.net
2003 / 2004
VTP Beck/Abdel-Hadi 15
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0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
Anla
gen
zahl
0
200
400
600
800
1000
1200
inst
. el
. Lei
stung [M
W]
Anzahl Anlagen
inst. Gesamtleistung MWel.
Development of Biogas Plants in Germany
Number of Biogas Plants
Installed Electric Power
Nu
mb
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f B
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Ins t
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Po
wer
[M
wel
.]
2006
est
im.
German Biogas Association (2006)
VTP Beck/Abdel-Hadi 16
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Energetischer Vergleich anaerober und Energetischer Vergleich anaerober und aerober Aufbereitung organischer aerober Aufbereitung organischer
ReststoffeReststoffe
Metabolic Products
Aerobic Treatment /Composting
Anaerobic Treatment- Biogas
Fermentation -New Cell Biomass
60 % 10 %
Heat 40 % -
Methane - 90 %
Electricity consumed
about 2 kWhel/kg odm
generated
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Theoretische Gaserträge und -zusammensetzung
Substrat Gasertrag(l/kg TM)
Methangehalt(%)
Kohlendioxyd-gehalt (%)
Kohlen-hydrate
Proteine
Fette 3367
3070
5050
1200
700
800
(Hohlfeld / Sasse 1985)
Theoretische GaserträgeTheoretische Gaserträge
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Monofermentation von SpeiserestenAnlage Donaueschingen
Fahrzeug -Waage
Endlager
Gasspeicher
800 m³
1000 m³
3000 m³
165 m³
165 m³
165 m³
165 m³
Vorgrube
Beschickungs-grube
BHKW 511 kWel
Reserve-kessel
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Homogenisieren in Biogasfermentern
(Schulz 1996)
VTP Beck/Abdel-Hadi 20
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Vereinfachtes Schema einer
Biogasanlage
Gülle
AbfälleBiomasse
Faulschlamm
Wärme
1 Stallanlagen2 Güllegrube 3 Sammelbehälter 4 Hygienisierungstank5 Biogasreaktor6 Gasspeicher 7 Blockheizkraftwerk8 Güllelagerbehälter 9 Ackerfläche
23 4
7
8
Biogas
Strom5
6
9
1
(Linke 2001)
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Wärmetausch am BHKW
VTP Beck/Abdel-Hadi 22
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Bemessungs- und Leistungsparameter
Grundparameter
Zulaufmenge
(FS oder oTS) Qm
d0
3
Zulaufkonzentration
(oTS oder OS) ckg
m0 3
Reaktorvolumen
V mR3
Biogasmenge Qm
dB
3
Ablaufmenge Qm
dA
3
Ablaufkonzentration ckg
mA 3
Belastungsparameter Leistungsparameter
mittlere Verweilzeit: tV
Qdm
R0
Raumbelastung: BQ c
V
c
t
kg
m dR
R m
0 0 0
3
Schlammbelastung: BQ c
V c
kg
kg dTSR A
0 0
Biogasausbeute: yQ
Q c
m
kgBB
0 0
3
Biogasrate: rQ
Vy B
m
m dBB
R
B R
3
3
spezifische Biogasrate: rQ
V c
m
kg dSB
R A
3
(Linke 2001)
VTP Beck/Abdel-Hadi 23
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Biogasausbeuten bezogen auf Frischmasse
http://www.biomasse-info.net/
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(Heyland 1978)
Energieertrag von Nutzpflanzen
VTP Beck/Abdel-Hadi 25
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• Kofermentation verbessert reaktorspezifischen Methanertrag
• effektivere Nutzung des Fermentervolumens• Steigerung der pro Tag nutzbaren Methanmenge
Rüben• hohe Flächenerträge an leicht fermentierbarer oTS• gute Abbaubarkeit • verlustarme Konservierung, automatisierbare Entnahme• kein zusätzlicher Nährstoff- / Schadstoffeintrag
Kofermentation von Rindergülle mit Gehaltsrübenmussilage Zielsetzung
BVBV52-1-52-1-2626
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Different Energetic Efficiency Different Energetic Efficiency of Wheat of Wheat
Energy Generation from 1000 kg of CerealsEnergy Generation from 1000 kg of Cereals1.1. BioethanolBioethanol 350 l Bioethanol - Consumption for Process Energy (33%)350 l Bioethanol - Consumption for Process Energy (33%) = 234 l Ethanol x 6,5 kWh/l= 234 l Ethanol x 6,5 kWh/l = = 1521 kWh Energy1521 kWh EnergyValuable, versatile utilisable, can be stored and transportedValuable, versatile utilisable, can be stored and transported
38% electric efficiency x 0,16 € = 38% electric efficiency x 0,16 € = 92,47 €92,47 € 42% thermal efficiency x 0,03 € = 42% thermal efficiency x 0,03 € = 19,16 €19,16 €
Energetic ValueEnergetic Value 111,63 € 111,63 €2. Incineration „ Heat with Wheat“2. Incineration „ Heat with Wheat“
3950 kWh Gross Energy Content3950 kWh Gross Energy Content 90 % Efficiency90 % Efficiency = = 3555 kWh Energy3555 kWh Energy
Simple thermal energy only for heating purposesSimple thermal energy only for heating purposesProblems with exhaust gases and ashesProblems with exhaust gases and ashes
• 3555 kWh x 0,03 € = 3555 kWh x 0,03 € = 106,65 € 106,65 €
Energetic ValueEnergetic Value 106,65 € 106,65 €
BVBV52-1-52-1-2727
Dr. Jürgen BeckDr. Jürgen BeckBIOBIOVVoltaikoltaik®®SENCESENCE
Dr. Jürgen BeckDr. Jürgen BeckBIOBIOVVoltaikoltaik®®SENCESENCE
Different Energetic Efficiency of Different Energetic Efficiency of CerealsCereals
Energy Generation from 1000 kg of CerealsEnergy Generation from 1000 kg of Cereals 3. Biogas3. BiogasBiological Generation of Biogas Biological Generation of Biogas 750 m³ 750 m³- 2% Consumption for Process - 2% Consumption for Process = 735 m³ Biogas= 735 m³ BiogasEnergy Content with 55% Methane Energy Content with 55% Methane = = 4042 kWh4042 kWhValuable, versatile utilisable, can be stored Valuable, versatile utilisable, can be stored and transported with restrictions and transported with restrictions
38% electric efficiency x 0,16 € = 38% electric efficiency x 0,16 € = 245,75 245,75 €€ 42% thermal efficiency x 0,03 € = 42% thermal efficiency x 0,03 € = 50,92 € 50,92 €
Energetic ValueEnergetic Value 296,86 € 296,86 € Financial AdvantagesFinancial Advantages + 185.23 € + 185.23 €
+ 190.21 €+ 190.21 €Consequence: Best energetic Utilisation of Cereals with Biogas FermentationConsequence: Best energetic Utilisation of Cereals with Biogas Fermentation
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Vergleichsmessungen an Biogasanlagen
(FNR 2004)
Anlage 35System Entec
VTP Beck/Abdel-Hadi 29
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Technologische und ökologische Wirkungen der Methangärung
Technologische Eigenschaften: TS-Gehalt um 25-40% gesenkt, bessere
Fließfähigkeit Homogenität, leichter zu rühren, für moderne
Verteiler geeignet Düngewirkung:
Engeres C/N-Verhältnis, kaum N-Verluste, C-Abbau, besser pflanzenverfügbar
größere Gefahr von NH3-Emissionen kein Abbau von Nährstoffen !!
VTP Beck/Abdel-Hadi 30
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Technologische und ökologische Wirkungen der Methangärung
Geruchsabbau: Flüchtige Fettsäuren im Prozess abgebaut, wenn
keine Überlastung Bei Überlastung starker Anfall von FFS
Hygiene: Pathogene Keime abgebaut (Temperatur,
Verweildauer) Wichtiger Ansatz zur Bekämpfung von Seuchen,
insb. wenn mit separater Hygienisierung ausgerüstet Phytohygiene gestärkt Unkrautrsamen abgebaut
VTP Beck/Abdel-Hadi 31
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Perspektiven und Chancen der Biogaserzeugung
Wesentlicher Teil der zukünftigen Strategien zur energetischen Nutzung feuchter und flüssiger Bioabfälle sowie zu deren Massenreduktion
Neben Kompostierung wichtigste Behandlung zur Rückführung von Nährstoffen im Kreislauf
CO2-neutrale Energiegewinnung, Handel von Emissionszertifikaten
Ermöglicht Entsorgungsdienstleistung / -einkünfte Zusatzeinkommen durch Anbau und Verwertung
von NawaRos Vom Landwirt zum Energiewirt
VTP Beck/Abdel-Hadi 32
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Dynamic Development in Biogas Industry
2006Forecast
2020
Number of Plants 3.500 -
Installed electric Power (total)
1.100 MW 9.500 MW
Power Generation > 5 x109 kWh1 76 x109 kWh
Share of Total German Power Generation
> 1 % 17 %
Turnover of Plant Manufacturers
> 1 Billion EUR 7,6 Billion EUR
Jobs about 10.000 85.000
CO2 Emission Reduction
5 Mio t/a 103 Mio t/a
Biogas Industry in Germany – Forecast 2006
1 : depending on start date of unit German Biogas Association (2006)
VTP Beck/Abdel-Hadi 33
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Perspektiven und Chancen der Biogaserzeugung
Vielversprechender Ansatz, da Stromproduktion für Spitzenlast möglich
Sehr dynamischer Wachstumsmarkt Gute Ideen können schnell verwirklicht werden Exportschlager, grosse Nachfrage in Fernost,
auch an Knowhow USA ist Entwicklungsland bei Anaerobtechnologie D ist Marktführer mit guten Aussichten