Einfhrung in die Biogasnutzung Aufbau einer Biogasanlage Quelle
Einführung in die Biogasnutzung
Aufbau einer Biogasanlage Quelle: LFL Bayern, 2007
Der Fermenter: Luftundurchlässiger, isolierter (beheizter) Gärbehälter, in dem Mikroorganismen (Bakterien) die organischen Substanzen in anaerober Reaktion zersetzen. Das Hauptprodukt hierbei ist Biogas. Fermenter Quelle: Maciejczyk, FVB; FNR-Handreichung Biogas Nachgärbehälter
Der Nachgärbehälter: Nachgeschalteter Fermenter zur Erhöhung der Verweilzeit und einer besseren Ausfaulung des Gärsubstrates. Vielfach mit integriertem Gasspeicher ausgeführt. Fermenter Quelle: Maciejczyk, FVB; FNR-Handreichung Biogas Nachgärbehälter
Der Endlagerbehälter: Letzter, mit Gärrest aus dem Gärraum (Fermenter + Nachgärbehälter) beschickter Behälter, ohne aktive Temperaturregelung mit oder ohne Abdeckung und Anschluss an die Gaserfassung. Ausschließlich zur Abkühlung, längerfristigen Lagerung und Ausfaulung des Gärrestes. Nachgärbehälter Quelle: Maciejczyk, FVB; FNR-Handreichung Biogas Endlagerbehälter
Fermenterbauform 1 Stehender Fermenter (Rührkessel) Baumaterial: Stahl-Beton, Edelstahl Gasspeicher (Folienhaube) Fermenterdecke (Holzkonstruktion) Gasübertritt Luftzufuhr Überdrucksicherung Propellerrührwerk Substrateinlass Überlauf V = 350 m³ d = 10 m Wandheizung Fussbodenheizung Quelle: Biogashandbuch Bayern, 2004 Isolierung mit Witterungsschutz Betonbehälter Gasentnahme zur Gasverwertung Kondensatfalle
Edelstahlfermenter im Bau Foto: Weltec
Fermenterbauform 2 Liegender Fermenter (Gärkanal, „Propfenstromfermenter“) Baumaterial: Stahl-Beton, Edelstahl Dach Trennschicht (Holzkonstruktion) Feststoffeinbringung Foliengasspeicher Überdrucksicherung Gasentnahme Überlauf Isolierung mit Witterungsschutz Betonbehälter Flüssige Substratzugabe Quelle: Biogashandbuch Bayern, 2004 Zur externen Entschwefelung Kondensatfalle Haspelrührwerk Plattenheizung
Liegender Fermenter (Gärkanal, „Pfropfenstromfermenter“) Foto: Energiebüro Wiebking
Inbetriebnahme einer Biogasanlage 1. Befüllung des Fermenters: 15 °C Zugabe von Wasser, vergorener Gülle oder Frischgülle (ca. 50 % des Fermentervolumens) 2. Aufheizen auf Zieltemperatur: 38 °C Quelle: Maciejczyk, FVB Schrittweise Aufheizung des Fermenters auf Zieltemperatur
Heizungssysteme für Fermenter/Nachgärer Wandheizung-Kunststoffrohre Wandheizung-Edelstahl Wandheizung-Schwarzstahl Wärmetauscher
Inbetriebnahme einer Biogasanlage 3. Weitere Animpfung des Fermenters: 38 °C weitere Zugabe von Gülle oder Gärresten zur Animpfung des Prozesses unter Beachtung der Prozessparameter (Temperatur, Gasqualität, Gasmenge. . . ) 4. Gasproduktion: 38 °C Quelle: Maciejczyk, FVB nach Erreichen der Mindestgasqualität => BHKW-Betrieb mit Biogas
Allgemeine Merkmale verschiedener : Verfahrensvarianten Einstufiges Verfahren: Bei landwirtschaftlichen Biogasanlagen werden überwiegend alle Gärprozesse zusammen in einem räumlichen und zeitlichen Zusammenhang durchgeführt. Eine Trennung zwischen den einzelnen Phasen (Hydrolyse, Versäuerung, Acetogene Phase und Methanogene Phase) findet bei einstufigen Verfahren nicht statt. Essigsäurebildung Hydrolyse Quelle: Maciejczyk, FVB Versäuerung Methanbildung
Allgemeine Merkmale verschiedener Verfahrensvarianten Mehrstufiges Verfahren: Beim Einsatz schnell abbaubarer Substrate (z. B. Fette, Getreide) findet eine verstärkte Hydrolyse und somit auch Versäuerung statt. Diese Anhäufung von Säuren führt zu einer Absenkung des p. H-Wertes. Nachfolgende Gärprozesse werden von dieser „Übersäuerung“ negativ beeinflusst. Mit der Trennung der entsprechenden Phasen (z. B. Verflüssigung/Versäuerung und Essigsäurebildung/ Methanbildung ) können die jeweiligen Bakteriengruppen optimal arbeiten. Aus ökonomischen Gründen eher seltener anzutreffen. Essigsäurebildung Hydrolyse Versäuerung Stufe 1 Quelle: Maciejczyk, FVB Methanbildung Stufe 2
Tauchmotor-Propellerrührwerke Elektromotor Hydraulikmotor Foto: Fa. MT-Energie Fotos: Fa. UTS Abb. : Fa. Flygt
Fünf Schritte der Biogaserzeugung und Verwertung 1. Substratbereitstellung 2. Substrataufbereitung 3. Vergärung 4. Gasstrecke 5. Energiepflanzen Gasverwertung Quelle: Mitterleitner, H. (2001), verändert durch FVB 2006 Wirtschaftsdünger Landw. Neben- Abfälle pflanzl. produkte Herkunft Abfälle tier. Herkunft
Substratbereitstellung Lagerung tierischer Exkremente Mistplatte Vor- /Güllegrube Hinweis: Mit zunehmender Lagerdauer reduziert sich der Gasertrag bei den tierischen Exkrementen Quelle: Maciejczyk, FVB
Substrate Wirtschaftsdünger Rindergülle Schweinegülle Geflügelkot Mist. . . Nachwachsende Rohstoffe Gras, Mais, Kartoffeln, Zwischenfrüchte, Silagen. . . Landw. Nebenprodukte Rübenblatt, Ernterückstände. . . Vergärung Landwirtschaftliche Flächen Gärprodukte Quelle: verändert nach VLK (2002) Abfälle pflanzl. Herkunft Biertreber, Gemüseabfall, Fritierfett, Schlempe, Trester. . . Abfälle tierischer Herkunft Speisereste, Fettabscheider, Flotatschlamm, Panseninhalt, Darminhalt. . . Biogas
Fünf Schritte der Biogaserzeugung und Verwertung 1. Substratbereitstellung Stationärer Futtermischwagen 2. Vorgrube/Anmischbehandlung Substrataufbereitung Dosierstationen 3. Vergärung 4. Gasstrecke 5. Gasverwertung Quelle: Mitterleitner, H. (2001), verändert durch FVB 2006 Pumpen
Fünf Schritte der Biogaserzeugung und Verwertung 1. Substratbereitstellung 2. Substrataufbereitung Nachgärbehälter: - Rühren - Gaslager 3. Vergärung 4. Gasstrecke 5. Gasverwertung Gülleendlager Fermenter: - Heizen - Isolieren - Fördern - Rühren - Sinkschichten austragen - Gaslager Quelle: Mitterleitner, H. (2001), verändert durch FVB 2006 Gülleverteilung
Biogas aus Biomasse Trockenmasse organische TM Lignin Fette Kohlenhydrate Biogas Quelle: Schmack Biogas AG Wasser anorganische TM Proteine Mineralstoffe P 2 O 5 K 2 O Ca. O Mg. O Si. O 2 NH 4 H 2 S
Substrate für den Gärprozesses Organische Substanz Energiepflanzen, Gülle, Mist, biogene Reststoffe. . . Trockenmasse Wasser Anorganische Substanz Rohasche (Sand Ton, Mineralstoffe, Spurenelemente) Protein Rohprotein Aminosäuren, Säureamide, einfache Peptide, Betain. . Quelle: Barbara Eder, Kirchgessner Fette Rohfett Triglyceride Sterine Wachse Clorophyll Carotine Organische Säuren Organische Substanz (Lebende Materie) Schwer abbaubare Kohlenhydrate Rohfaser Cellulose Pentosane Lignin Suberin Cutin Leicht abbaubare Kohlenhydrate N-Freie Extraktstoffe Zucker, Stärke Glykogen, Hemicellulose Pektine Lösliche Anteile von Cellulose, Lignin etc.
Anaerober Abbau organischer Verbindungen 1. Stufe 2. Stufe Hydrolyse Makromoleküle Versäuerung (Hydrolytische Phase) (Acidogene Phase) p. H: 5 -6 3. Stufe 4. Stufe Essigsäurebildung Methanbildung (Acetogene Phase) (Methanogene Phase) p. H: 5, 5 – 6, 7 p. H: 6, 6 – 8, 0 H 2/CO 2 Biomasse Polysacharide Proteine Fette Zucker Aminosäuren Fettsäuren Biogas CH 4/CO 2 Fettsäuren (Propionsäure) Alkohole hydrolytische Bakterien Quelle: FAL, Weiland (2003) fermentative Bakterien Essigsäure acetogene Bakterien methanogene Bakterien
Grundlagen des Gärprozesses – Anaerober Abbau Biomasse Polymere Kohlenwasserst. Proteine Fette Inertstoffe gelöst Hydrolyse Monomere Kohlenwasserst. langk. Fettsäuren Aminosäuren Methanol Versäuerung Formiat CO 2 + H 2 Acetat Ethanol Butyrat Valeriat Acetat H 2+CO 2 Propionat Acetogenese Formiat Methanogenese Quelle: „Anaerobtechnik; Springerverlag 2005 CO 2 + H 2 Acetat H 2 CH 4 + CO 2 + H 2 O Methanol
Zusammensetzung von Biogas Komponente Gehalt CH 4 50 -75 Vol. % CO 2 25 -75 Vol. % H 2 S 0 -5. 000 ppm NH 3 0 -500 ppm H 2 O 1 -3 Vol. % Staubpartikel < 5 N 2 0 -5 Vol. % => 1. 000 ppm = 0, 1 Vol. % Quelle: FNR (2003) verändert durch FVB Beispiel einer typischen „Nawa. Ro. Biogasanlage“: -CH 4 -CO 2 -H 2 S -O 2 52 Vol. % 35 Vol. % 120 ppm 0, 5 Vol. %
Eigenschaften vergorener Gülle Trockenmasseverringerung durch Abbau von organischer Substanz - Organische Trockensubstanz (reich an Kohlenstoff) wird im Rahmen des Gärprozesses zu Biogas (CO 2 + CH 4) umgewandelt. - Bis zu 80 % der organischen Trockenmasse kann durch die Vergärung abgebaut werden => Verringerung des TS/o. TS-Gehaltes im Gärrest. - Die Fließfähigkeit und Homogenität von Biogasgülle ist wesentlich besser, als unvergorene Gülle => sie lässt sich somit gleichmäßiger und problemloser Ausbringen und dringt schneller und tiefer in den Boden ein. - Entsprechend dem Gasertrag/Gasqualität kann ein mittlerer Masseabbau von 1, 25 kg Masse /m³ Biogas angesetzt werden. Quelle: Dr. G. Reinhod, TLL, 2003
Fünf Schritte der Biogaserzeugung und Verwertung 1. Substratbereitstellung 2. Substrataufbereitung 3. 4. 5. Vergärung Gasstrecke Gasverwertung Quelle: Mitterleitner, H. (2001), verändert durch FVB 2006 Gasreinigung Gastrocknung Sicherheitseinrichtungen
Gasspeicherung Gashaube mit EPDM-Foliendach (gespannt) Fotos: Biolene, Cenotec Tragluftfoliendach Externe Gasspeicher Fotos: Cenotec, Sattler
Vergleich zwischen Rohbiogas und aufbereiten Biomethan Erdgas-Qualität: Quelle: FVB (2006)
Fünf Schritte der Biogaserzeugung und Verwertung 1. Substratbereitstellung 2. Substrataufbereitung 3. Vergärung 4. Gasstrecke 5. Gasverwertung Quelle: Mitterleitner, H. (2001), verändert durch FVB 2006 Verstromung: - Gas-Otto-Motor - Gasmotor - Brennstoffzellen - Mikrogasturbine - Zündstrahlmotor - Stirling-Motor - ORC-Prozess elektrischer Strom Abwärme
Gasverwertung BIOGAS mäßige Aufbereitung BHKW Wärme Strom Brenner Wärme Reinigung Reformierung Verdichtung Fuel Cell Speicher Wärme Strom Kraftstoffe Erdgas-Netz Aktuell wird Biogas überwiegend in Blockheizkraftwerken (BHKW´s) zu Strom und Wärme umgewandelt. Quelle: Dr. P. Weiland, FAL, verändert Fv. B
Gasverwertung Blockheizkraftwerk (BHKW) Foto: Energiebüro Wiebking
Gasverwertung Motoren im BHKW Zündstrahler Gasmotor Selbstzündung durch Heizöl/Diesel/RME/Pflanzenöl Verdichtungsverhältnis: 17 : 1 Fremdzündung durch Zündkerze Verdichtungsverhältnis: 12 : 1 Zündkerze Einspritzdüse Quelle: Schnell-Motor; Wikipedia
Biogasanlagenanzahl und installierte Leistung Quelle: Fachverband Biogas e. V.
Biogasmarkt 2011 in Deutschland Ende 2010 Prognose Ende 2011 Prognose 2012 5. 905 (45) 7. 100 (60) 7. 470(80) Installierte el. Leistung in MW 2. 291 2. 780 2. 900 Netto-Stromproduktion in MWh pro Jahr 15 Mio. 18 Mio. 20 Mio. Mit Biogas-Strom versorgte Haushalte 4, 2 Mio. 5, 1 Mio. 5, 7 Mio. Anteil am Stromverbrauch in % 2, 5 3, 1 3, 0 Umsatzvolumen in D in Euro 5, 1 Mrd. 6, 1 Mrd. 5, 5 Mrd. Arbeitsplätze 39. 000 46. 000 Exportrate in % 10 10 25 Anlagenzahl (davon Biomethan-Einspeiseanlagen) Quelle: Fv. B, 2011
Klimabilanz von Biogasanlagen Emissionsverminderung als positiver Umwelteffekt: - klimaschädliches CO 2 und CH 4, das ohne die Vergärung unkontrolliert in die Atmosphäre gelangen würde, kann im Rahmen des Biogasverfahrens energetische genutzt werden (CH 4 ist ca. 21 mal klimaschädlicher als CO 2 !). Quelle: Agentur für Erneuerbare Energien
Vielen Dank für Eure Aufmerksamkeit. . Fachverband Biogas Angerbrunnenstr. 12 85356 Freising www. biogas. org
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