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19.09.2009 Dipl.-Ing. Tobias Burgstaller 1 Biomasse Energieerzeugung Kapitel 3.2 Biogasgewinnung und Verwertung Biomasseenergieerzeugung energy from renewable.

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1 Dipl.-Ing. Tobias Burgstaller 1 Biomasse Energieerzeugung Kapitel 3.2 Biogasgewinnung und Verwertung Biomasseenergieerzeugung energy from renewable raw materials

2 Dipl.-Ing. Tobias Burgstaller 2 Biomasse Energieerzeugung Gliederung  Biochemie  Symbiose  Biogasproduktion  Biogasausbeuten  Gärversuche und Gärtest  Prozessbedingungen  Biogaserzeugung  Reaktoren  Reaktorbauarten  Biogasnutzung / Verwertung / Aufbereitung  Biogaskomponenten  Entschwefelungsverfahren / CO2-Abscheideverfahren  Zukunftsszenario

3 Dipl.-Ing. Tobias Burgstaller 3 Biomasse Energieerzeugung Biochemie, der anaerobe Abbau Biochemie

4 Dipl.-Ing. Tobias Burgstaller 4 Biomasse Energieerzeugung Symbiose zw. H2 prod. und H2 verbr. MO Symbiose Einfluss des Wasserstoffpartialdruckes auf die freie Enthalpiedifferenz ΔG Energie reinspontan

5 Dipl.-Ing. Tobias Burgstaller 5 Biomasse Energieerzeugung Einflussgrößen Biogasausbeuten Biogasproduktion Quelle: Einflüsse auf den Vergärungsprozess [Schattner und Gronauer (2000)]

6 Dipl.-Ing. Tobias Burgstaller 6 Biomasse Energieerzeugung Biogasausbeuten verschiedener Substrate Biogasausbeuten oTS = Organische Trockensubstanz in [% von der TS] FM = Frischmasse in [kg o. t] TS = Trockensubstanz in [% von der FM] (nur oTS ist mikrobiell verwendbar)

7 Dipl.-Ing. Tobias Burgstaller 7 Biomasse Energieerzeugung Biogasausbeuten verschiedener Substrate Biogasausbeuten SubstratTSoTSBiogas-ertragCH4Hektar- ertrag Strom-ertrag* %Nm 3 /t oTS %t FM /hakWh/t FM Wirtschaftsdünger Rindergülle Ohne -mit Futterrest Rindermist Schweinemist Nachwachsende Rohstoffe Roggen/Weizenkörner GPS Gras, frisch Grassilage Kartoffel Maissilage je nach Reifegrad m³/t feucht Zuckerrübe Substrate aus der Weiterverarbeitung Altbrot Bioabfall Fette/Öle Fettabscheiderfett Frittierfett Rapskuchen 15% Schlempe aus Alkprod. Getreide - Kartoffel Molke Speisereste

8 Dipl.-Ing. Tobias Burgstaller 8 Biomasse Energieerzeugung Wertgebende Bestandteile Biogasausbeuten C-Anteile entscheidend für die Energieerzeugung! N-Anteile entscheidend für das MO Wachstum (minimal 7mgN/g Mikroorganismen) C/N-Verhältnis daher optimal zwischen 10 – 16 (x mal mehr C als N) Ausgangsstoff Glühverlust %C/NN % Küchenabfälle ,6-2,2 Bioabfälle ,6-2,7 Hausmüll ,8-1,1 Abwasserschlamm ,5 Frischmist20,3200,6 Flüssigmist ,2 Frische Rinde ,5-1 Holzhäcksel ,1-0,4 Traubentrester80,8501,5-2,5 Papier ,2-1,5

9 Dipl.-Ing. Tobias Burgstaller 9 Biomasse Energieerzeugung Hemmung / Minderung der Gasausbeute Biogasausbeuten Bei Anwesenheit von Sulfaten und Nitraten (energetisch günstiger): CH 3 -COO - + SO HCO H + + S 2- 4H 2 + SO H 2 O + S 2- 2 NO H 2 N 2 + 2OH - + 4H 2 O Schwefelwasserstoffbildung (entsteht bei Vergärung): S 2- + H + HS - HS - + H + H 2 S Ausgewählte Hemmstoffe: Ammoniak, Schwefelwasserstoff, Schwermetalle, Sulfate, etc. Fettsäureanreicherung, Überangebot an Nährstoffen Sulfatreduktion / Nitratreduktion kein CH4! (Klauenwäsche durch Kupfersulfat) Wasserstoff wird verbraucht!

10 Dipl.-Ing. Tobias Burgstaller 10 Biomasse Energieerzeugung Gärtest nach nach DIN Teil 8 (DEV) Gärversuche / Gärtest Gärtest Probe homogenisiert, mechanisch aufbereitet (Siebung 10 mm, Sieb- überlauf zerkleinern), Animpfen mit Schlamm in Standflasche, Luftdicht, 35°C, pH =6,6 – 8,0 gebildete Gasmenge entspricht Gasbildungspotential nach 28 Tagen, Qualitätstest auf CH4, CO2, H2S,... Bezug auf TS-Gehalt, Angabe in Nl/(kgTS*d)

11 Dipl.-Ing. Tobias Burgstaller 11 Biomasse Energieerzeugung Gärtest nach nach DIN Teil 8 (DEV) Gärversuche / Gärtest

12 Dipl.-Ing. Tobias Burgstaller 12 Biomasse Energieerzeugung Gärtest nach nach DIN Teil 8 (DEV) Gärversuche / Gärtest

13 Dipl.-Ing. Tobias Burgstaller 13 Biomasse Energieerzeugung Prozessbedingungen und Variablen Prozessbedingungen Biogas pro kg oTS“ gewählt.

14 Dipl.-Ing. Tobias Burgstaller 14 Biomasse Energieerzeugung Gesamter Prozessablauf der Biogaserzeugung Biogaserzeugung

15 Dipl.-Ing. Tobias Burgstaller 15 Biomasse Energieerzeugung Beispiel Gesamtmassenfluss Bioabfallvergärung Biogaserzeugung Abbaugrad:  = (c oTS, zu - c oTS, ab )/ c oTS,zu Abbaugrade der Vergärung: 31 % TS, 52 % oTS, 12 % Feuchtmasse Abbaugrade der Nachrotte: 10 % TS, 31 % oTS, 17 % Feuchtmasse

16 Dipl.-Ing. Tobias Burgstaller 16 Biomasse Energieerzeugung Grundparameter Biogaserzeugung Richtwerte BR = 4 – 5 kgoTS/m³d Verweilzeit tm = 20 d (bei Güllen, Mist, Bioabfall) bzw. 70 d (bei NaWaRo)

17 Dipl.-Ing. Tobias Burgstaller 17 Biomasse Energieerzeugung Bauformen Reaktor (Fermenter) Reaktor Bauformen unterschiedlicher G ä rreaktoren:  Nichtger ü hrte „ Tanks “ oder „ Gruben “ im l ä ndlichen Bereich bei Mist- oder G ü lle Verg ä rung meist Kleinanlagen  Nichtger ü hrte Reaktoren nach dem UASB-Prinzip (unaerobic-sludge- blanket) f ü r Substrate mit geringem Feststoffgehalt oder Trockenfermentation  Ger ü hrte G ä rreaktoren

18 Dipl.-Ing. Tobias Burgstaller 18 Biomasse Energieerzeugung Bauformen Reaktor und Materialien (Fermenter) Reaktor Beispiele Baustoffe:  Mauerwerk alte Anlagen im landl. Bereich  lierter Baustahl St37 oder Edelstahl V2A, im Gasraum V4a  Beton B35 – B25 Merkblatt Beton f ü r Biogasanlagen (WU-Beton)  Kunststoffe

19 Dipl.-Ing. Tobias Burgstaller 19 Biomasse Energieerzeugung Erwärmung Reaktor (Fermenter) Bauart Quelle: Systeme zur Erwärmung der Reaktionsmasse im Fermenter [Dr. Bernd Linke, Agratechnik Bornim, ATB] Bei hohem industr. Standart = extern (hohe Kosten) Bei landw. Standart = intern (geringe Kosten) Beide Verfahren gleichrangig im Einsatz

20 Dipl.-Ing. Tobias Burgstaller 20 Biomasse Energieerzeugung Erwärmung Reaktor (Fermenter) Bauart

21 Dipl.-Ing. Tobias Burgstaller 21 Biomasse Energieerzeugung Druchmischung Reaktor (Fermenter) Bauart Quelle: Systeme zur Durchmischung des Fermenterinhaltes [Dr. Bernd Linke, Agratechnik Bornim, ATB] Die spezifische R ü hrerleis- tung liegt zwischen 10 – 15 W/m 3

22 Dipl.-Ing. Tobias Burgstaller 22 Biomasse Energieerzeugung Substratzufuhr Reaktor (Fermenter) Bauart Substrat Fördereinrichtungen und Pumpen:  häufig Spiralförderer oder Transportbänder, Schneckenförderer  Bei Substrat mit nur wenig Feststoffanteil wie Stroh wird eine Tauchpumpe mit Schneidrad eingesetz  Bei allen anderen Pumpen zur Substratförderung werden meist Excenterschneckenpumpen oder Drehkolbenpumpen eingesetzt (aber immer Verdrängerpumpen!)  Der Austrag flüssigen Gärgutes kann auch durch Gravitation über einen Siphon erfolgen  Bei Rohrleitungen von DN 80 bis 150 muss eine Mindestgeschwindigkeit von w = 0,3 m/s eingehalten werden (sonst Absetzen von Schwebstoffen z.B. TS) Der Energieaufwand für das Aufrechthalten der Betriebstemperatur, Rühren und Pumpen in einem konventionellen Rührkessel beträgt 20 bis zu 35 % der Bruttoenergieproduktion!

23 Dipl.-Ing. Tobias Burgstaller 23 Biomasse Energieerzeugung Biogasnutzung (die 3 Hauptpfade) Verwertung

24 Dipl.-Ing. Tobias Burgstaller 24 Biomasse Energieerzeugung Biogasaufbereitung Aufbereitung H2SH2SH2OH2OCO 2 Gasbrenner< 0,1 Vol-%nein Wärme-Kraft-Kopplung< 0,05 Vol-%nein Treibstoff (Verdichtung in Flaschen) ja Einspeisung in öffentl. Gasnetz ja Brennstoffzelle< 0,01 Vol-%k.a. Fackelnein Biogasreinigung in Abhängigkeit vom Verwendungszweck Nein = keine spezielle aufbereitung nötig Ja = spezielle Konditionierung grundlegende Voraussetzung Umrechnung ppm in Vol.% = ppm entspr. 1 Vol.% Fackel brennt bei ca. 30 Vol.% CH4 – BHKW bei 45 – 48 Vol.% CH4

25 Dipl.-Ing. Tobias Burgstaller 25 Biomasse Energieerzeugung Biogasaufbereitung bis zur Einspeisung Aufbereitung In jedem Fall aber zu beachten:  Notfackel für den gesamten Biogasvolumenstrom bzw. Feuerungsleistung  Gasspeicher für mind. 2-3 h  Entschwefelungsverfahren: biologisch, physikalisch oder chemisch

26 Dipl.-Ing. Tobias Burgstaller 26 Biomasse Energieerzeugung Ausgewählte Biogaskomponenten (allg.) Biogasbestandteile Biogaskomponenten Biogase Schwankungsbreite Ursprung Methan45% - 70%Biol. Vergärungsprozess Kohlenstoffdioxid %Biol. Vergärungsprozess Wasserdampf relative Feuchte 100%, 20g/kg (25°C, 1013mbar) Substrat Gleichgewichtseinstellung Schwefelwasserstoff (H 2 S)10 bis ppm S-Gehalt Substrat, Freisetzung im biol. Vergärungsprozess Ammoniak0,01 - 2,5 mg/m³ Bei Gülle und Lebensmittel- abfällen mit hohem Proteinanteil Siloxane0,1 - 5 mg/m³ Bei Lebensmittelabfällen, Eintrag über Biosphäre (n. n.) aromatische Verbindungen (Benzol, Toluol, Ethylbenzol, Xylol, Cumol) < NWG von 1mg/m³, nur Toluol bis 5mg/m³ in Einzelfällen z.B. bei Vergärung von Altfetten Halogene (Chlor, Fluor)< NWG von 0,1mg/m³ Pestizide, Lösungsmittel, Desinfektion von Ställen Stickstoff N 2 0,01 - 5% interner biol. Entschwefelung Sauerstoff O 2 0,01 - 2% interner biol. Entschwefelung

27 Dipl.-Ing. Tobias Burgstaller 27 Biomasse Energieerzeugung Entschwefelungsverfahren biologisch Entschwefelung Thiobacillus thiooxidans, aerob, chemolithoautotroph, opt. pH-Wert 2 – 2,8, T °C Sulfolobus acidocaldarius, aerob, fakultativ autotroph, chemolithoheterotroph, opt pH-Wert 2 – 3, T 75-85°C Direkte Oxidation zu Schwefelsäure: H 2 S + 2O 2 → H 2 SO 4 Oder indirekt über elementaren Schwefel: 2 H 2 S + O 2 → 2S + 2 H 2 O 2 S + 2H 2 O + 3O 2 → 2H 2 SO 4

28 Dipl.-Ing. Tobias Burgstaller 28 Biomasse Energieerzeugung Entschwefelungsverfahren physikalisch Entschwefelung Eingesetzte Apparate:  an Festbettadsorbern  oder seltener an Wanderbettadsorbern Eingesetzte Sorptionsmaterialien meist in Pellets:  Aktivkohle oder Aktivkoks  Silikagel  Aktivtonerde oder  Zeolithische Molekularsiebe

29 Dipl.-Ing. Tobias Burgstaller 29 Biomasse Energieerzeugung Entschwefelungsverfahren chemisch Entschwefelung Eingesetzte Verfahren:  Oxidation von Schwefelwasserstoff an Eisenoxidmassen  Ausfällung des Schwefelwasserstoffs durch Zugabe von Eisensalzen oder Laugenwäsche Eingesetzte Apparate:  Füllkörperkolonnen  Wanderbettadsorber  Flugstromadsorber 2Fe(OH) 3 + 3H 2 S → Fe 2 S 3 + 6H 2 O Regeneration des gebildete Eisensulfid durch Zufuhr von Luftsauerstoff in das Biogas: 2Fe 2 S 3 + 6H 2 O + 3O 2 → 4 Fe(OH) 3 + 6S

30 Dipl.-Ing. Tobias Burgstaller 30 Biomasse Energieerzeugung Gaseinspeisung (ausgewählte Verfahren) Gaseinspeisung Folgende DVGW-Arbeitsblätter sind bei der Gaseinspeisung besonders zu beachten:  G 260 „Gasbeschaffenheit“  G 262 „Nutzung von regenerativ erzeugten Gasen“  G 280 „Gasodorierung“ G 685 „Gasabrechnung“ GreenGasanlage Rathenow (Brandenburg) Biogasproduktion Nm³/h Biogas, 520 Nm³/h endkonditioniertes Biogas, 43,80 Mio. kWh/a, Nassfermentation, Substrat: Mais- und Ganzpflanzensilage, Getreidekorn, Rinder- und Schweinegülle Aufbereitung Chemische Wäsche (Fa. HAASE) Inbetriebnahme Ende 2008

31 Dipl.-Ing. Tobias Burgstaller 31 Biomasse Energieerzeugung CO2- Abscheideverfahren (Überblick) Gasaufbereitung Verfahrens- prinzip Verfahrens- variante Trenneffekt Wäsche Druckwasserwäsche Lösen von Gasen in einer Flüssigkeit CO 2 phys. in Wasser gelöst Selexolwäsche Chem. Reaktion von CO 2 mit Aminlösung Aminwäsche Trockenreinig- ungsverfahren Druckwechselabsorption am Kohlenstoff- molekularsieb Bindung von Gasen an einen Feststoff p hoch Adsorption von CO 2 Gastrennung mittels Membranen Polymermembran unterschiedliche Durchlässigkeit p hoch CO 2 Permeation Kryogene Verfahren Rektifikation (Gasverflüssigung) unterschiedliche Kondensa- tionspunkte p hoch, T tief Kondensiert CO 2 Tiefentemperaturtrennung unterschliedliche Gefrierpunkte T tief friert CO 2 aus

32 Dipl.-Ing. Tobias Burgstaller 32 Biomasse Energieerzeugung DWA (PSA) Druckwechseladsorption Gasaufbereitung

33 Dipl.-Ing. Tobias Burgstaller 33 Biomasse Energieerzeugung DWA (PSA) Druckwechseladsorption kompl. Gasaufbereitung

34 Dipl.-Ing. Tobias Burgstaller 34 Biomasse Energieerzeugung DWW Druckwasserwäsche kompl. Gasaufbereitung

35 Dipl.-Ing. Tobias Burgstaller 35 Biomasse Energieerzeugung Zukunftsszenario „Große Anlagen für große Ziele“ Ziele Im Jahr 2020 sollen 6 Milliarden Kubikmeter Bio-Methan in das Erdgasnetz eingespeist werden. Dies würde 6% des deutschen Gasverbrauches des Jahres 2006 decken. Die Bundesregierung will damit einen Teil ihrer Klimaschutzziele erreichen. Was bedeutet das? 21 bestehende Anlagen 27 weitere im Bau Wie kommen wir zum Ziel? weitere Anlagen bis 2020!!!! Ist das zu schaffen!!!???


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