BiogasanlagenTechnik Aufbau und Funktion Lerngebiet 12 17 Energieressourcen

Biogasanlagen-Technik Aufbau und Funktion Lerngebiet 12. 17: Energieressourcen schonen Von Dustin Dombek 1

Was ist Biogas? ► ein brennbares Gas, erzeugt aus der Vergärung von Biomasse jeglicher Art ► Aus chemischer Sicht eine Verbindung aus - Methan (40 – 75 %) - Kohlendioxid (25 – 55 %) - sowie andere Stoffe wie Stickstoff, Sauerstoff, Wasserstoff, Schwefelwasserstoff oder Ammoniak 2

Hauptbestandteil Methan … ► Für die Verwertung von Biogas am wichtigsten, da bei der Verbrennung Energie entsteht ► chemische Verbindung aus der Gruppe der Kohlenwasserstoffe und das einfachste Alkan (CH 4) ► Methan ist ca. 21 mal klimaschädlicher als CO 2! 3

Aufbau einer Biogasanlage 4

Die Komponenten - Der Fermenter 5

Fermenter - Gärbehälter - Rührkessel ► können als zylindrische Behälter aus Stahlbeton oder aber als Stahlbehälter ausgeführt werden ► ist ein isolierter und beheizter Gärbehälter, in dem unter Ausschluss von Sauerstoff (anaerober Reaktion) Mikroorganismen (Bakterien) die organischen Substanzen zersetzen ► Hierbei entsteht das Biogas 6

Der Nachgärbehälter 7

Der Nachgärbehälter 8

Der Nachgärbehälter ► Ein weitere Fermenter (Nachgärbehälter) der die Verweilzeit des Substrates erhöht und somit auch die Ausfaulung des Gärsubstrates verbessert ► Fermenter und Nachgärer besitzen meist Doppelmembranen Tragluftdächer als Gasspeicher ► Bei Tragluftdächern dient die innere Folie als Gasspeicher und die äußere Folie als Witterungsschutz 9

Beheizung der Fermenter ► Fermenter sind mit Wand- und teilweise mit Bodenheizung ausgestattet, dies ist nötig um die nötige Temperatur der Substrate zu erreichen, damit diese den Gärungsprozess starten können 10

Der Endlagerbehälter 11

Der Endlagerbehälter ► Wird mit den Gärresten der Fermenter u. Nachgärbehälter befüllt ► Benötigt keine aktive Temperaturregelung, besitzt keine Abdeckung sowie keinen Anschluss an die Gaserfassung ► Hier wird der Gärrest gelagert und kann Abkühlen, Ausfaulen, und bei bedarf als Dünger der Landwirtschaft zugeführt werden 12

Der Endlagerbehälter ► Die Nährstoffe im Substrat bleiben vollständig verfügbar und können von den Pflanzen besser aufgenommen werden ► Die Fließfähigkeit der Gülle wurde verbessert, sowie der unangenehme Geruch ist durch den Abbau organischer Säuren verschwunden 13

Der Gasspeicher ► Die Verwertung und Erzeugung des Biogases untersteht ständigen Schwankungen (z. B. Tag und Nacht) ► Es kann erforderlich sein, dass Gas zwischenzuspeichern 14

Entschwefelung ► Erhöhte Schwefelwasserstoffkonzentrationen kann zu Problemen bei der Verbrennung im BHKW führen ► Durch Entstehung von Schwefeldioxid kann es zu Korrosionsschäden im BHKW kommen 15

Entschwefelung ► Biologische Entschwefelung § Hier übernehmen Mikroorganismen die Festlegung des Schwefels ► Chemische Entschwefelung § hier wird Schwefel über Metallsalze als Sulfid festgelegt ► 12, 5 Prozent der Biogasanlagen nutzen Aktivkohle zur Biogasentschwefelung 16

Gasverwertung Blockheizkraftwerk (BHKW) 17

Blockheizkraftwerk ► Seit Einführung des Stromeinspeisegesetzes auf Biogasanlagen nicht mehr wegzudenken ► Gängige Alternative auf landwirtschaftlichen Biogasanlagen zur Erzeugung von Wärme und Strom ► bestehen aus einem mit Biogas betriebenen Verbrennungsmotor (Biogasmotor) ► Abwärme der Biogasmotoren wird zum Beheizen der Fermenter und wenn möglich in ein Wärmenutzungskonzept eingebunden (z. B. Beheizen des Wohnhauses) 18

Blockheizkraftwerk ► Möglich sind umgestellte Benzinmotoren aus der Kraftfahrzeugtechnik (Gas-Otto-Verfahren) ► Aber auch Dieselmotoren nach dem Zündstrahlverfahren (Selbstzünder) Zündkerze Einspritzdüse 19

Prinzip Blockheizkraftwerk 20

Gasverwertung Biogasaufbereitung ► Biogas kann mit technischen Verfahren auf Erdgasqualität gebracht werden, es wird auch als Bioerdgas oder Biomethan bezeichnet ► Dadurch wird eine Einspeisung ins örtliche Erdgasnetz möglich ► Dazu später mehr … 21

Substrat-Spektrum Gras, Mais, Kartoffeln, Zwischenfrüchte, Silagen (Nachwachsende Rohstoffe) ► Rindergülle, Schweinegülle, Geflügelkot, Mist (Wirtschaftsdünger) ► Rübenblatt, Ernterückstände (Landw. Nebenprodukte) ► Biertreber, Gemüseabfall, Fritierfett, Schlempe, Trester (Abfälle pflanzlicher Herkunft) ► Speisereste, Fettabscheider, Flotatschlamm, Panseninhalt, Darminhalt (Abfälle tierischer Herkunft) ► 22

Substrat-Spektrum 23

Substrat-Spektrum 24

Substrat-Spektrum ► Video mit Pro- und Kontra Argumenten zum Thema Substrate ► http: //www. youtube. com/watch? v=v. Oj 9 RFk. POzs 25

Die richtige Mischung … ► Jedes organische Material muss an den jeweiligen Prozess angepasst, bzw. aufbereitet werden ► Eine Mischung aus flüssigen (Gülle) und Trockensubstraten (Maissilage, Grassilage) erbringt die größten Erträge ► Das Wissen um die Einflüsse und Effekte jedes einzelnen Substrates sowie der Substratmischung sind der Schlüssel zum effektiven Betrieb der Biogasanlage 26

Substrateinbringung 27

Substrateinbringung ► In den meisten Biogasanlagen wird die Substratmischung voll Automatisch durchgeführt ► Computergesteuerte Förderbänder und Pumpen sorgen für die ideale Zuführung einer voreingestellten Mischung der Substrate ► Vorgruben gibt es in den verschiedensten Varianten und Größen, daher können sie in unterschiedlich langen Perioden die Substrate in die Fermenter fördern ohne aufgefühlt werden zu müssen 28

Der Biogas-Prozess ► ein gesteuerter mikrobieller Abbau von organischer Substanz (Nawa. Ro, Gülle etc. ) ► dient zur Produktion von Methan, das als Primärenergieträger in Motoren verbrannt werden kann, um dabei Strom- und Wärme zu erzeugen ► Zunächst in aeroben, dann jedoch unter anaeroben Bedingungen, Bedingungen also den Abbau unter Luft- bzw. Sauerstoffabschluss wird die Biomasse vergoren 29

Virtuelle Begehung und Animation einer Biogasanlage ► http: //www. youtube. com/watch? v=G 1 LPY 3 EDj. LU 30

Die vier Reaktions-Abschnitte die Hydrolyse § Zerlegung der organischen Substanz in kleinere Bestandteile unter Einsatz von Wasser ► die Acidogenese § Versäuerung bzw. Säure-Bildung ► die Acetogenese § Essigsäure-Bildung ► die Methanogenese § Methan-Bildung ► In einer im Durchfluss betriebenen Biogasanlage laufen diese vier Abschnitte gleichzeitig ab 31

Einstufiges Verfahren Eine Trennung zwischen den Phasen findet nicht statt ► findet am häufigsten Anwendung ► Essigsäurebildung Hydrolyse Versäuerung Methanbildung 32

Mehrstufiges Verfahren Aus ökonomischen Gründen eher seltener anzutreffen ► Mit Trennung der entsprechenden Phasen können die jeweiligen Bakteriengruppen optimal arbeiten ► Essigsäurebildung Hydrolyse Versäuerung Stufe 1 Methanbildung Stufe 2 33

Hydrolyse ► Im ersten Schritt, der Spaltung von Molekülen unter Reaktion mit Wasser (Hydrolyse) zerlegen vor allem Bakterien komplexe Makromoleküle aus Kohlenhydraten (z. B. Stärke), Fetten und Proteinen mit Hilfe von Enzymen. Dabei entstehen vor allem kürzere Spaltprodukte (Oligomere, Monomere) wie Zucker, Aminosäuren und Fettsäuren. 34

Acidogenese ► In der Versäuerungsphase (Acidogenese) entstehen aus den Hydrolyseprodukten (vor allem aus den Zuckern, Fetten und Proteinen) Wasserstoff, Kohlendioxid, Alkohole und Fettsäuren. 35

Acetogenese ► Bei der Essigsäurebildung (Acetogenese) werden die Produkte der Acidogenese weiter in kleinere Moleküle umgesetzt. Es entstehen vor allem Essigsäure, Wasserstoff und Kohlendioxid. Acetogene bzw. syntrophe Bakterien bauen die Fettsäuren, z. B. durch Oxidation oder komplexere Reaktionen, weiter ab. 36

Acetogenese ► Die Umsetzung der Fettsäuren ist allerdings problematisch, da sie einen Einsatz von Energie erfordert. Nur wenn die Endprodukte durch weitere Umsetzung durch die „Nachfolger“ (die methanogenen Archaeen), aus dem Reaktionsgleichgewicht gebracht werden, werden die sonst in umgekehrter Richtung verlaufenden Reaktionen möglich. Fettsäure-abbauende sowie acetogene Bakterien und methanogene Archaeen sind also notwendigerweise aufeinander angewiesen. Diese strikte, an Symbiose grenzende Abhängigkeit wird „Syntrophie“ genannt. 37

Methanogenese ► Im letzten Schritt, der Methanbildung (Methanogenese), werden vor allem Essigsäure, Wasserstoff und Kohlendioxid von methanogenen Archaeen in Kohlendioxid, Wasser und Methan umgewandelt. 38

Zwei Wege zur Methanbildung ► Wasserstoff verwertend (hydrogenotroph) § bei höherer Raumbelastung bzw. geringerer Verweilzeit und höherer Temperatur ► Essigsäure spaltend (acetoklastisch) § geringer Raumbelastung bzw. längerer Verweilzeit und niedrigen Essigsäure-Gehalten ► Da die Methanogenese ein energieliefernder (exothermer) Prozess ist (frei werdende Reaktionsenergie), kann sie die energiezehrenden Reaktionen, der Acetogenese und der syntrophen Acetat-Oxidation (energiezehrende Reaktion) ermöglichen. 39

Zwei Wege zur Methanbildung 40

Zwei Wege zur Methanbildung 41

Flussschema des Biogas-Prozesses 42

Gasverwertung Biogasaufbereitung ► Durch Kondensation (Abkühlung) wird das Biogas größtenteils von Wasserstoff befreit (getrocknet) ► Die Entschwefelung sowie die Methananreicherung (Abtrennung des CO 2) bilden die nächsten Schritte ► Bevorzugte Verfahren sind die § Druckwechseladsorption und die § Druckwasserwäsche 43

Gasverwertung Biogasaufbereitung ► Manche Biogasanlagen besitzen ausschließlich den Nutzes der Biomethan Herstellung ► Dazu ein kurzer Film: ► http: //www. youtube. com/watch? v=CS 7 q. D 61 s. A_A 44

Die Nachteile von Biogasanlagen ► http: //www. ndr. de/fernsehen/sendungen/panorama_3/pan oramadrei 279. html 45

Quellen ► ► ► ► ► www. renewable-energy-concepts. com/german/bioenergie. html www. unendlich-viel-energie. de/uploads/media/Technische_Skizze_-_Biogasanlage 08. jpg www. biogas-kanns. de/. . . /biogas_praesentation-oberschulen_2011. ppt www. mifratis. de/biogaszusammensetzung. php de. wikipedia. org/wiki/Methan www. bioe-schwerin. de www. cortan. de www. biogas-forum-bayern. de/publikationen/Prozessmodell_Biogas. pdf www. guellewehr. de/tl_files/pics/bilder/Einsatzbilder/biogasanlagen-endlager/guellemixerendlager-schwimmdecke. jpg www. juwi. de/typo 3 temp/pics/Biogasanlage_Ramstein. L 10029092_J. Hosan_b 87 b 37 f 037. jpg www. luftbild-auto. de/imgdata/gl_51_dsc 01481 b. jpg farm 4. static. flickr. com/3497/3872261312_a 56343 ecf 2. jpg www. woodventure. de/bioenergie/technik/gasspeicher/ biogas-anlagenbau. n-e-st. de/pool/images/big-20121031 -200012 -dsc 3288. jpg www. imittelstand. de www. kneifel-haustechnik. de/bhkw-technik. htm http: //mediathek. fnr. de/grafiken/daten-und-fakten/bioenergie/biogas/massebezogenersubstrateinsatz-in-biogasanlagen. html http: //mediathek. fnr. de/grafiken/daten-und-fakten/bioenergie/biogas/massebezogener 46 substrateinsatz-nachwachsender-rohstoffe-in-biogasanlagen. html