Effizienzsteigerung durch Substrataufbereitung

Effizienzsteigerung durch Substrataufbereitung
Arbeitsschwerpunkt im Projekt:
„Nutzung von nachwachsenden Rohstoffen mit integrierter Abwasser-
und Klärschlammverwertung zur regenerativen Energieerzeugung mit
BHKW und Brennstoffzelle“

Ansatzpunkte zur Leistungssteigerung:
Substrat Substrataufbereitung
Biomasse
NawaRo
Züchtung
Anbauverfahren
Wirtschaftsdünger
Zerkleinerung
Aufschluss
Hydrolyse
Dekonservierung
Desintegration
Fermenter Gassystem Gasnutzung
Rühren
Mischen
Heiztechnik
Prozessführung
Regeltechnik
Speicherung
Reinigung
Trocknung
Erdgasqualität
BHKW
Brennstoffzelle
Wärmenutzung
Netzeinspeisung
Gärrestlagerung/
nutzung
Fest/Flüssig Trennung
Rückführung
Vorflutgerechte
Aufbereitung
Landwirtschaftliche
Verwertung
Vergasung

Anaerobe Abbauphasen organischer Stoffe
Kohlehydrate, Fette, Proteine
Bruchstücke und gelöste organische
Verbindungen
H 2 , CO 2 Organische Säuren, Essigsäure
Alkohole
Essigsäure ( Acetat)
Biogas, CH 4 + CO 2
Hydrolyse
Vorversäue
rung
Acetogene
Phase
Methanogene
Phase

Vereinfachte Übersicht der Prozesse beim anaeroben Abbau (Literatur):

Anaerobe Abbauphasen organischer Stoffe
Kohlehydrate, Fette, Proteine
Unterstützung des Lösungsvorganges
Bruchstücke und gelöste organische
Verbindungen
Hydrolyse
Vorversäue
rung
CO 2 , H 2 S
H2 , CO2 Organische Säuren, Essigsäure
Alkohole
Saure Phase: pH= 4…6 T= 35…40 °C
Acetogene
Hydrolysierende Mikroorganismen in Symbiose mit versäuernden Bakterien, Phase räumliche
Zusammenfassung zwingend Essigsäure erforderlich ( Acetat)
Hydrolyse wird zum limitierenden Faktor des anaeroben Abbaus bei schwerer Methanogene zugänglichen
Substraten (Zellulose,Stärken,Pektin) je höher der Vorversäuerungsgrad Phase ist, desto mehr ist die
Leistungsfähigkeit der acetogenen Stufe gefragt, desto höher ist aber auch die Methanausbeute in
der Nachfolgestufe Biogas, CH4 + CO2

Verfahrenstechnische Ziele der Zerkleinerung:
Vergrößerung der Stoffübergangsflächen im Substrat, Erhöhung der
Stoffumsatzgeschwindigkeiten und Abbauraten der biologischen Einzelreaktionen
Mobilisierung von Enzymen und Spurenstoffen durch Erhöhung der Stoffübergangs- und
Stofftransportgeschwindigkeiten
Verbesserung der Eigenschaften des Gärsubstrates
- Reduzierung der Viskosität
- Reduzierung der erforderlichen Rührenergie
- Verbesserung der Mischgüte
- Verringerung der Neigung zur Bildung von Schwimm- und Sinkschichten
- Reduzierung der Verstopfungsgefahr in Rohrleitungen und Pumpen

Dekonservierung – Silagewäsche
Verringerung der biologischen Stabilität der Silage durch Herauslösen des bereits in
niedermolekularer Form vorliegenden Substratanteiles und getrennte Führung
dieses Stoffstromes ohne Zerkleinerung und Vorhydrolyse direkt in den Fermenter
Einsatz von Brauchwasser oder Flüssigphase des Gärrestes als Waschmedium
Verfahrensschema Substratvorbehandlung
Biogener
Katalysator
Nawa
Ro
Desintegration
Rückführung in
Nachfermenter
Wäsche Zerkleinerung Vorhydrolyse
Gasspeicher
Gas
Gärrest
Brauchwasser

Ergebnisse:

Ergebnisse: Vorhydrolyse
Zusammenhang Hydrolysekonstante und spezifischer CH 4 –Anfall
spezifischer CH4-Anfall in lN/kg oTRzu
600
550
500
450
400
350
300
0,000 0,020 0,040 0,060 0,080 0,100 0,120
Hydrolysekonstante in 1/ d

Ergebnisse: Vorhydrolyse
Einfluss pH-Wert Imputmischung - Waschung

Ergebnisse: Vorhydrolyse
Einfluss Zerkleinerungsfortschritt des Inputsubstrates
Hydrolysekonstante in 1/d
0,20
0,18
0,16
0,14
0,12
0,10
0,08
0,06
0,04
0,02
0,00
M aissilage
unbehandelt
M aissilage zerkleinert
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
Summenparameter Z zur Beschreibung des Zerkleinerungsgrades

Ergebnisse: Bewertung Zerkleinerung von Maisilage
Granulometrische Charakterisierung
Siebdurchgang
Feinfraktion
Laserbeugung
Spektroskopie
Partikelgrößenverteilung
Substrat
Trennschnitt 1 mm
Masseanteil
Grobfraktion
Quantitative
Bildanalyse
Partikelgrößen-
-formverteilung
Ausrüstungstechnische Bewertung:
Siebrückstand
-Betriebssicherheit
-Verschleiß
-Energieverbrauch
-Personalbedarf
-Wartung/Instandhaltung
-Investitionskosten

Ergebnisse: Zerkleinerung Maissilage - Auswahlkriterien

Ergebnisse: Zerkleinerung Maissilage
Spezifischer Energiebedarf in Abhängigkeit vom Zerkleinerungsfortschritt
elektr. Arbeit pro kg_TR [kWh/kg_TR]
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
Extruder 2
Planscheibenmühle
Ultra-Turrrax ® 2.DL
Grindomix (2min)
Ultra-Turrrax ® 1.DL
TCM Fleischwolf
Extruder 1
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
prozentuale Erhöhung des Summenparameter Z [%]

Ergebnisse: Vergärung - Pilotanlage Rosswein
spez. Methananfall in NL/kgoTRzu
600
500
400
300
200
100
0
Fermenter 1+2
Fermenter 1
Fermenter 2
Raumbelastung (F1+F2)
ohne Innovationen mit Innovationen
367 l/kg oTRzu
+20%
441 l/kg oTRzu
NaWaRo-Zerkleinerung
07.06.2007 27.06.2007 17.07.2007 06.08.2007 26.08.2007 15.09.2007
18
15
12
9
6
3
0
Raumbelastung in kg oTR/(m³* d)

Wirtschaftlichkeit am Beispiel einer 750 KW elektr. Biogasanlage:
Einnahmen:
Energieabgabe ohne Vorbehandlung:
- elektrisch 5.475.000 KWh/a
- thermisch 3.547.800 KWh/a
Energieabgabe mit Substratvorbehandlung:
- elektrisch 6.570.000 KWh/a
- thermisch 4.642.800 KWh/a
Steigerung durch Substratvorbehandlung: Elektroenergie: 480 KWh/d, 12ct/KWh 21.024 Eur/a
- elektrisch
Gewinn durch Substratvorbehandlung: 594.501 Eur/a
1.095.000 KWh/a Wart. Verschl: BHKW 1,35ct/KWh,5%IK 25.633 Eur/a
- thermisch 1.095.000 KWh/a
Zusätzliche Einnahmen:
Ausgaben gesamt: 116.731 Eur/a
- Elektroenergie
Gewinn durch Substratvorbehandlung: 69.481 Eur/a
158.837 Eur/a
- Wärme 27.375 Eur/a
Ausgaben:
Investitionskosten, Abschreibung, Verzinsung:
Waschpresse: 120.000 Eur, 8a, 5%,
Extruder: 85.000 Eur, 8a, 5%,
Einbindung: 12.000 Eur 8a, 5%,
Annuität gesamt: 33.575 Eur/a
(Nutzung der Ausrüstungen zur Vorbehandlung 8 h/d, 3,2 MW -> 3,8 MW)
Personal: 1AK, 4h/d 36.500 Eur/a
( Nutzung der Ausrüstungen zur Vorbehandlung 4 h/d, 0,75 MW -> 0,9 MW)

Zusammenfassung:
1) Durch Substratvorbehandlung mit den Verfahrensstufen Waschung, Zerkleinerung,
Vorhydrolyse erhöht sich die Methanausbeute im Vergleich zu unbehandelten Substra-
ten um 5 bis 20 %-Punkte. Im großtechnischem kontinuierlichen Betrieb wurde dauerhaft
eine Erhöhung von 367 NL/ kgoTSzu auf 441 NL/ kgoTSzu ( 20% ) nachgewiesen;
2) Durch die Rückführung der CSB gel - angereicherten Waschflüssigkeit in den üblicher-
weise vorhandenen Nachfermenter reduziert sich die Raumbelastung im 1. Fermenter bei
steigender Gesamtmethanausbeute. Die Entfrachtung des 1. Fermenters kann mit zu-
sätzlichen Substratgaben ( Erhöhung der Raumbelastung mindestens bis zum Ausgangs-
level ) zur zusätzlichen Gasproduktion genutzt werden

Zusammenfassung:
3) Von den am Markt befindlichen Zerkleinerungsausrüstungen sind nicht alle für den Be-
trieb auf Biogasanlagen geeignet. Einschränkungen sind insbesondere beim Energie-
verbrauch sowie bei der Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit zu beachten. Empfohlen werde
können derzeit für die Zerkleinerung Extruder und für den Waschvorgang Waschpressen.
Beide Ausrüstungen werden jeweils von mehreren Herstellern angeboten;

Zusammenfassung:
4) Durch die Einführung der Substratvorbehandlung erhöht sich die Gesamtwirschaftlichkeit
von Biogasanlagen deutlich (Einzelnachweis erforderlich).
Die Ausrüstungen zur Substratvorbehandlung sind sowohl zur Nachrüstung in bestehen-
den Anlagen als auch für Neuerrichtungen geeignet.

Gasanfall Pilotanlage ohne Hydrolysegas:
spez. Gasanfall in NL/kgoTRzu
1000
900
800
700
600
500
400
300
200
100
0
Fermenter 1+2
Fermenter 1
Fermenter 2
Raumbelastung (F1+F2)
ohne Innovationen mit Innovationen
688 l/kg oTRzu
780 l/kg oTRzu
NaWaRo-Zerkleinerung
07.06.2007 27.06.2007 17.07.2007 06.08.2007 26.08.2007 15.09.2007
20
18
16
14
12
10
8
6
4
2
0
Raumbelastung in kg oTR/(m³* d)

Gasanfall Pilotanlage:
Gasanfall in Norm m³/d
16
14
12
10
8
6
4
2
0
07.06.2007
17.06.2007
27.06.2007
07.07.2007
17.07.2007
27.07.2007
06.08.2007
Fermenter 1 Roßwein
Fermenter 2 Roßwein
16.08.2007
26.08.2007
05.09.2007
15.09.2007
25.09.2007

CSB-Bilanz:
1) C-Gehalt der organischen Substanz liegt hinreichend genau bei 50% ( +- 5%);
2) Aus 12g C (1 mol) entstehen immer 22,4 l Faulgas ( Normbedingungen)
3) Aus 1 kg oTR = 500 g C entstehen 500 g / 12 g * 22,4 l = 933 l / kg oTR abgebaut
Definition CSB:
Wieviel O 2 braucht man um CH 4 vollständig zu Wasser und Kohlendioxid zu oxidieren?
CH 4 + 2 O 2 -> CO 2 + 2 H 2 O
1 mol CH 4 verbraucht 2 mol O 2
1 mol CH 4 verbraucht 64 g O 2
16 g CH 4 verbraucht 64 g O 2
22,4 l CH 4 verbraucht 64 g O 2
1 g CH 4 = 64/ 16 g CSB = 4 g CSB
1 g CSB = 16/ 64 g CH 4 = 0,25 g CH 4
1 NL CH 4 = 64 g/ 22,4 NL CSB = 2,86 g CSB
1 g CSB = 22,4 NL / 64 g CH 4 = 0,35 NL CH 4

Versuchsergebnisse:
3. Einfluss der Zerkleinerung auf die Hydrolysekonstante:
Hydrolysekonstante in 1/d
0,20
0,18
0,16
0,14
0,12
0,10
0,08
0,06
0,04
0,02
0,00
M aissilage
unbehandelt
M aissilage zerkleinert
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
Summenparameter Z zur Beschreibung des Zerkleinerungsgrades

iogener
atalysator
awa
o
Desintegration
Wäsche Zerkleinerung
Hydrolyse
Gasspeicher
Gas
Gärrest
Brauchwasse
r

Versuchsergebnisse: Zerkleinerung
Zerkleinerung
Partikelgröße Partikelstruktur
Primäreffekte: - Erhöhung der Partikelanzahl
- Verringerung der Partikelgröße
- Erhöhung der Partikeloberfläche
Auswirkung:
- Erhöhung der Kontaktflächen für
Mikroorganismen
- Verbesserung der Handhabung
- Aufbruch von Hüllstrukturen (Fasern)
- Zerstörung von Zellen
- Änderung der Oberflächenstruktur
- Erhöhung der Zugängigkeit von
Stoffen

Erhöhung der Effizienz der Biogaserzeugung und
-verwertung durch innovative Prozessführung
mechanische
Vorzerkleinerung
NawaRo
wasser/
ebtschlamm
Anmaischreaktor
Feinstzerkleinerung
Desintegration
Zielstellung:
Hydrolyse
Gasspeicher
Gasspeicher
Fermenter Nachgärung
- Erhöhung Biogasausbeute um 30 %
- Reduzierung der Faulzeit auf ca. 30 Tage
Gasreinigung
Eigenwärme
SOFC
Vorlage
BHKW
Membranfiltration
- Erhöhung des Wirkungsgrades der Verstromung auf ca. 40 %
- landwirtschaftliche Verwertung des Gärrestes
Zentrifuge
Vorfluter
elektr. Strom
Einspeisung ins
öffentliche Strom
Wärmeverbrauch
Stadtwerke Roßw
Feldrandmiete
Konzentrat
Weiterverw

DMS – Aufbau und Spezifikation
Mobilisierung von Enzymen
Ultraschalleinheit :
1 bis 3 x 1-1.4 kW, niedrige
Amplitude, geringer Verschleiss,
Standzeit 2…3 Jahre,
wartungsarm
Erhöhung der US-Wirkung
Kreislaufpumpe, 5 – 15 m³/h,
Exzenterschneckenpumpe,
Energieaufnahme ca. 0.7 KW
Mech. Vorzerkleinerung
Vorzerkleinerer,
Energieaufnahme ca. 4…6 KW,
auswechselbare Schneidwerkzeuge,
Standzeit ca. 0,5…1 a in
Abhängigkeit vom miner. Anteil
Beschickung
Gesamtenergieverbrauch
ca. 6,0…11,2 KW
Pumpe, 0,5 -2 m³/h,
Exzenterschneckenpumpe,
Energieaufnahme ca. 0,4 KW