Qualitätskriterien zur Nutzung von Biomasse

zur Biogasproduktion

P. Weiland

Institut für Technologie und Biosystemtechnik

Bundesforschungsanstalt für Landwirtschaft (FAL)

FNR- Fachgespräch – Energiepflanzen

Inhalt

Auswahlkriterien den Einsatz von Biomasse

Qualitätskriterien

Ernte und Lagerung Handling Vergärbarkeit und Gasausbeute Gasqualität

Schlussfolgerungen

Auswahlkriterien für Energiepflanzen

Einflussgrößen für den Einsatz von Energiepflanzen

Energie-pflanzen

Erntetechnik

AnbauErtrag/Input

Gasqualität Vergärbarkeit

Handling

Lager-fähigkeit

Auswahlkriterien für Energiepflanzen

Anbau Ernte+Lagerung Vergärung Gasaufbereitung

Biom asseertragDüngemittelPflanzenschutzBewässerung

ErntetechnikTranportvol.AufbereitungSilierung/Tockenlager.Entnahm etech.Geruchsem is.

DosiertechnikEinbringtechnikVergärbarkeitGasertragVerweilze itEntm ischungLagervolum en

EntschwefelungNH -Elim ination3

Biogas

Einflussgrößen innerhalb der Verfahrenskette

Stoffliche Qualitätsanforderungen (1)

Physikalische Eigenschaften Partikelgröße Partikelform (Faser, Korn, Mus) Wassergehalt Störstoffgehalt

Biochemische Eigenschaften Inhaltsstoffe (Zucker, Stärke, Fette, Proteine) Nähr- und Wuchsstoffverhältnis Spurenelementgehalt Schadstoffe (Schwermetalle, Krankheitserreger)

Stoffliche Qualitätsanforderungen (2)

Mikrobiologische Eigenschaften

Bioverfügbarkeit der Inhaltsstoffe Silierverhalten Hydrolyse- und Gärverhalten Mikrobielle Abbaurate Mikrobielle Hemmung

(Inhaltsstoffe, Stoffwechselprodukte)

Einfluss des Verfahrensprinzips

Nassfermentation geringe Struktur der Biomasse kleine Partikelgröße geringe Flotationsneigung von Festsubstraten geringe Sinkneigung von Festsubstraten geringer Störstoffgehalt (Sand, Steine)

Trockenfermentation grobe Struktur der Biomasse große Partikelgröße Wassergehalt < 75 %

Ernte und Lagerung von Energiepflanzen

Ganzpflanzenernte mit bestehenden Maschinen geringes Transportvolumen (hohe Energiedichte) gute Siliereigenschaften (geringe Silierverluste) Einfache Entnahmetechnik aus dem Silo Geringe Verunreinigung mit Störstoffen (Sand,

Steine)

Anforderungskriterien für Ernte und Lagerung

von Energiepflanzen

Lagerung von Energiepflanzen

Einfluss des Wassergehaltes der Energiepflanzen auf die Lagermöglichkeiten

Wassergehalt Lagereigenschaften

< 20 % TS (Rüben)

starke Sickersaftbildung Tanksilierung erforderlich

20 – 28 % TS (div. Zwischenkulturen)

erhöhte Sickersaftbildung Fahrsilo mit Sickersafttank

28 – 35 % TS (Silomais, Grüngetreide)

keine Sickersaftbildung einfaches Fahrsilo

> 85 % TS (Getreidekorn)

lagerstabil einfaches Trockensilo

Handling

Biomasse darf im Dosierbehälter (Silo, Futtermischwagen, etc.) nicht zur Brückenbildung neigen (Gefahr bei Faserstoffen).

Biomasse darf bei Einmischung in die Vorgrube nicht zur spontanen Schwimmdeckenbildung führen (Gefahr bei Pflanzen mit hohem Lufteinschluss).

Biomasse darf bei Direktbeschickung des Fermenters nicht zur Verstopfung der Einbringtechnik führen (Gefahr bei Schneckensystemen und Faserstoffen).

Trockensubstrate (Getreidekorn) stellen bezüglich Handling die geringsten Anforderungen an Technik, Arbeitsaufwand und Energiebedarf.

Anforderungen an das Handling von Energiepflanzen

Phytohygiene

Sämtliche Energiepflanzen können Träger pflanzlicher Krankheitserreger sein.

Bisher liegen nur wenige Kenntnisse über die Inaktivierung pflanzlicher Krankheitserreger durch mesophile oder thermophile Anaerobbehandlung vor.

Pflanzen mit sichtbarem Krankheitsbefall (z.B. Fusarien) sollten von der Biogaserzeugung ausgeschlossen werden.

Anforderungen an die Phytohygiene

Vergärungsverhalten

Das C:N:P:S-Verhältnis sollte möglichst am Optimum (C:N:P:S = 500:15:5:3) liegen.

Essentielle Spurenelemente (Co, Ni, Mo, Wo, Se) müssen in ausreichender Konzentration in der Biomasse vorliegen (ansonsten Kovergärung, Spurenelementdosierung).

Die Biomasse sollte möglichst wenig „verholzt“ sein, da mit steigendem Verholzungsgrad die Gasausbeute und Gasbildungsrate abnimmt.

Der Rohfaseranteil sollte gering sein, da erforderliche Verweilzeit im Fermenter mit steigenden Rohfaseranteil zunimmt.

Faserhaltige Biomasse (z.B. Gras) muss kurz gehäckselt (< 5 mm) sein, um Schwimmdeckenbildung zu vermeiden.

Anforderungen im Hinblick auf die Vergärung

Gasertrag

Einfluss der Biomassezusammensetzung auf den Gasertrag

Inhaltsstoff Biogasausbeute

[NL/kg oTS] Methangehalt

[Vol.-%]

Kohlenhydrate 700 – 830 50 - 55

Rohfett 1.000 – 1.400 68 - 73

Rohprotein 700 – 900 70 -75

Lignin nicht vergärbar --

Der Gasertrag von Energiepflanzen ist abhängig von der Art und Menge

der vergärbaren Inhaltsstoffe und dem Grad der Lignifizierung.

Gasqualität

Der Methangehalt im Biogas erreicht bei stärke- , cellulose- und und zuckerhaltigen Energiepflanzen max. 55 Vol.-%.

Methangehalte > 60 Vol.-% werden nur bei Einsatz ölhaltiger Energiepflanzen (z.B. Sonnenblumen) erreicht.

Energiepflanzen mit hoher Schwefelaufnahme (z.B. Raps) sind wegen der hohen H2S-Gehalte im Biogas für die Biogaserzeugung nur bedingt geeignet:

Energiepflanze H2S-Gehalt im Biogas [ppmV]

Silomais 0 - 10

Raps 100 – 8.000

Substratanforderungen im Hinblick auf die Gasqualität

Fazit (1)

Sämtliche Grünpflanzen sind zur Vergärung geeignet, sofern noch keine Verholzung stattgefunden hat.

Hackfrüchte erfordern eine Vorreinigung und können nur im Silotank siliert und gelagert werden.

Gute Siliereigenschaften sind Voraussetzung für eine verlustarme Lagerung.

Bei Monovergärung ist auf ein ausgeglichenes Nährstoffverhältnis zu achten.

Essentielle Spurenelemente sind in der Regel in ausreichender Konzentration vorhanden.

Fazit (2)

Öl- und faserhaltige Pflanzen erfordern für den Abbau längere Verweilzeiten als protein- und kohlenhydrathaltige Energiepflanzen.

Pflanzen mit starker Schwefelaufnahme (Raps) sind für die Biogaserzeugung ungeeignet.

Die Vergärungseigenschaften einer Energie-pflanze variiert je nach Sorte, Standort, Bodenart und Erntezeitpunkt.

Die Anforderungen an die Eigenschaften der Biomasse sind abhängig von der Anlagenbauart, der Betriebsweise und dem betrieblichen Stoff-management.