Salem 2008 Zukunft der Energien „Energie aus Biogas“

Präsentation zum Thema: "Salem 2008 Zukunft der Energien „Energie aus Biogas“"—  Präsentation transkript:

1 Salem 2008 Zukunft der Energien „Energie aus Biogas“
Thomas Vössing TU Dortmund

2 Überblick Einleitung Mikrobiologische Grundlagen Anlagentechnik
Wirtschaftlichkeit & Potential Thomas Vössing

3 Einleitung Biogas, nur eine Option der Energiegewinnung aus Biomasse
Thomas Vössing

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5 Einleitung Geschichtliche Entwicklung der Biomassegärung
1922: Nutzung von Methanbildnern als Biogasproduzenten Bis Mitte 1950: Vielzahl von Biogasanlagen auf Höfen und Kläranlagen (Fuhrparktumrüstung) Günstiges Öl ersetzt Biogasanlagen Neue Dynamik mit zunehmender Energieknappheit Thomas Vössing

6 Einleitung Einsatzmöglichkeiten für Biogasanlagen: Zur Vergärung von:
Faulschlamm (Kläranlagen) Organischen Abfällen („Biomüll“) Landwirtschaftlichen Reststoffen Energiepflanzen (NawaRo`s) Thomas Vössing

7 Mikrobiologische Grundlagen
Woraus besteht Biogas? Tabelle: Inhaltsstoffe von Rohbiogas Komponente Anteil im Biogas Vol.% Methan CH4 40-75 Kohlendioxid CO2 25-55 Schwefelwasserstoff H2S 0,005-0,5 Ammoniak NH3 0-1 Wasserdampf H2O 0-10 Stickstoff N2 0-5 Sauerstoff O2 0-2 Wasserstoff H2 Tabelle: Bundesministerium für Wirtschaft und Arbeit 2003 Thomas Vössing

8 Mikrobiologische Grundlagen
Der Energiegehalt des Biogases ist direkt vom Methangehalt abhängig Ein Kubikmeter Methan entspricht knapp zehn Kilowattstunden Energetische Nutzen von einem Kubikmeter Biogas (ca. 60% Methan) sechs Kilowattstunden; das entspricht 0,6 Liter Heizöl Thomas Vössing

9 Mikrobiologische Grundlagen
Was passiert bei der Gärung? Substratumsetzung abhängig vom Substrat, hier typische Substrate: Cellulose, Proteine.. Substrate: energiepflanzen, faluschlamm, gülle.. Thomas Vössing

10 Mikrobiologische Grundlagen
1. Phase: Hydrolyse Ausscheidung von Exoenzymen (zB. Cellulase, Amylase) Spaltung der Polymere in Monomere Aminosäuren, Zucker, Fettsäuren Beispielbakterienstamm Habitat Eigenschaften Ruminococcus albus Pansenflora Cellulose-Abbau, 37°C, anaerob a-Amylase gehört zu den Glycosidasen. Das heisst, sie spaltet (hydrolisiert) Stärke (Amylose, Amylopektin), Glykogen und andere 1,4-a-Glucane. a-Amylase spaltet die Amylose dabei in Oligosaccharide* mit einer Länge von 6-7 Glucoseeinheiten. Viskosität einer Stärkelösung nimmt durch die Wirkung der a-Amylase rasch ab. Man spricht auch von einer "Stärke-verflüssigung". Thomas Vössing

11 Mikrobiologische Grundlagen
2. Phase: Versäuerung Aufnahme und metabolische Verarbeitung der Momonere durch fermentative Bakterien Gärungsprodukte: Propionsäure, Buttersäure, Alkohole, CO2, H2 ect. Beispielbakterienstamm Habitat Eigenschaften Schwartzia succicnivorans Rinderpansen Succinat-Abbau, 35°C, anaerob Desto höher der Wasserstoffpartialdruck(..), desto weniger reduzierte Verbindungen, wie essigsäure, werden gebildet. Thomas Vössing

12 Mikrobiologische Grundlagen
3. Phase: Essigsäurebildung Aufnahme von acetogenen Bakterien Gärprodukte: Essigsäure, CO2, H2 Syntrophobacter spec.: CH3CH2CH2COOH + 2 H2O 2 CH3COOH + 4 H2 Beispielbakterienstamm Habitat Eigenschaften Syntrophobacter spec. Rinderpansen 37°C, anaerob H2 ist Produkt. Prinzip vom kleinsten zwang sagt aus das niedriger h2 druck erwünscht Thomas Vössing

13 Mikrobiologische Grundlagen
4. Phase: Methanbildung Reaktionen methanogener Archaea 4 H2 + CO2 CH4 + 2 H2O CH3COOH CH4 + CO2 Methanogene Archaea Habitat Eigenschaften Methanobacterium Sumpfgebiet, Reisfelder, Seesediment 37°C, strikt anaerob schon Spuren von O2 sind tödlich. O2 durch fakultativ anaerobier abwesend! Mesophil: Thomas Vössing

14 Mikrobiologische Grundlagen
Wichtige Einflussgrößen der Gärung Substratzusammensetzung TS- Anteil Oxidationgrad Viele Punkte, die für die Planung einer Biogasanlage wichtig sind.. Was folgt daraus.. Heizung, rühren.. Thomas Vössing

15 Mikrobiologische Grundlagen
Wichtige Einflussgrößen der Gärung Temperatur Optimum für Hydrolyse/Versäuerung: 25-35°C Wasserstoffpartialdruck: schmales Fenster Temperaturabhängigkeit: thermophil: schmales optimum> Prozessanfälligkeit, hoher Energieverbrauch Thomas Vössing

16 Mikrobiologische Grundlagen
Wichtige Einflussgrößen der Gärung pH- Wertoptimum: 6,7 - 7,5 Sonstige Hemmstoffe Ammonium-/Ammoniakkonzentration Spurenelemente (O2, H2S, Antibiotika, Nährstoffe ect.) pH-Wert: - wirkt direkt auf die Methanbildner -wichtiger noch: Dissoziationsgrad der organischen Säure, diese wirken nur im undissozierten Zustand, daher pH niedrig Ammoniumkonzentration: GGW: Ammonium—Ammoniak(hemmend) Mit hohem pH Verschiebung des GGW zu Ammoniak -GGW temperaturabhängig, mit steigender Temperatur GGW zu Ammoniak O2, H2S: Zellgifte, die töten bzw hemmen Nährstoffe: C:N:P:S, Ni,Co.. Thomas Vössing

17 Anlagentechnik Nassfermentation Trockenfermentation
Niedriger TS-Anteil des Substrates Hoher Gülle-/Wasseranteil Trockenfermentation Hoher TS-Anteil des Substrates Hoher Anteil an Kosubstraten Was ist häufiger.. Thomas Vössing

18 Anlagentechnik Schema einer typischen Nassfermentationsanlage
Thomas Vössing

19 Anlagentechnik Verfahrensgestaltung der Gärung (Nassfermentation)
Einstufenprozeß Zweistufenprozeß Biogasreaktor Biogas Hydrolyse/Versäuerung Biogasreaktor Biogas Einstufenprozess: -simultaner Ablauf der Abbaureaktionen -Reaktionsbedingungen nur für einen Schritt optimal eingestellt (Methanbildung) -einfach abbaubare Substarte Zweistufensystem: - individuelle Anpassung der Reaktionsbedingungen an Hydrolyse/versäuerung und Methanbildung -kurze Verweilzeiten während der Hydrolyse, kleiner Fermenter ausreichend Verbesserung der Abbauleistung und Prozessstabilität.. Kosten Thomas Vössing

20 Anlagentechnik Was geschieht mit dem Biogas? Blockheizkraftwerk (BHKW)
Verbrennungsmotor, der Generator antreibt Mit Kraft-Wärme-Kopplung erreichbarer Wirkungsgrad bis zu 85% CH4 + 2 O2 CO2 + 2 H2O Alternativ: Brennstoffzelle Ermöglicht direkte Umwandlung von Biomethan zu Strom Gaseinspeisung Methan um den Faktor 20 klimaschädlicher als CO2 Thomas Vössing

21 Anlagentechnik Trockenfermentation kontinuierlich: Propfenströmer
diskontinuierlich: Garagenverfahren (Perkulationsverfahren) Bei diesem Verfahren wird der Gärbehalter einmalig befüllt und verschlossen. Eine neue Charge wird in der Regel mit altem Material zum Animpfen vermischt. Das während des Abbauprozesses enstehende Perkolat wird rückgeführt. Dies dient der Befeuchtung und Impfung des Substrates im Behälter. Um eine gleichmäßige Gasproduktion zu erhalten, werden mehrere Garagen parallel betrieben, wobei der Ansatz jeweils zeitlich versetzt erfolgt. Dadurch, dass die Verfahren ohne aufwändige Pump- und Rührtechmik auskommen, sind sie in Betreuung und Eigenenergiebedarf der klassischen Flüssigvergärung überlegen. Allerdings ist verfahrensbedingt oft auch die Gasausbeute aus der eingesetzten Biomasse geringer (suboptimale Befeuchtung und Animpfen). Thomas Vössing

22 Anlagentechnik Nassfermentation Trockenfermentation
Strikte Unterteilung aus biologischer Sicht nicht möglich Weiter verbreitertes Verfahren Breites Substratspektrum (Verwertung von Gülle) Verwertung von biologischen Abfällen und NawaRo`s Technologiebonus von 2 ct./kWh Garagenverfahren Geringe Investitionskosten Geringe Gasausbeute Propfenströmer Hohe Effizienz und Prozessstabilität Hohe Investitionskostenosten

23 Anlagentechnik Gasaufbereitung und Einspeisung in das Erdgasnetz zur dezentralen Nutzung Verfahren zur Rohgasaufbereitung: Gaswäsche H2O-Verflüssigung Oxidation an Aktivkohle Animation Thomas Vössing

24 Wirtschaftlichkeit & Potential
Kosten einer Biogasanlage Investitionskosten Bsp 1: 70 kW-Anlage: ca € Bsp 2: 550 kW-Anlage: ca. 1,2 Mio. € Bsp 3: 2 MW-Anlage: ca. 4,3 Mio. € (zB. für Bauernverbunde) Laufende Ausgaben Verbrauchsgebundene Kosten Substrat Thomas Vössing

25 Wirtschaftlichkeit & Potential
Einnahmen: Standort Deutschland Erneuerbare Energien Gesetz (EEG) und die Novellierung vom August 2004 Vergütungspreise für Biogansanlagen in Ct./kWh: Erträge aus Wärme Bis 150 kW Bis 500 kW Bis 5 MW Über 5 MW Grundvergütung 11,5 9,9 8,9 8,4 NawaRo-Bonus 6,0 4,0 - Innovations-Bonus 2,0 KWK Neue Dynamik: garantierte Preise für 20 Jahre, Planungssicherheit Agrabetriebe zu Energiebetrieben? Thomas Vössing

26 Wirtschaftlichkeit & Potential
Beispielanlage „Salem“ Berechnungstool Thomas Vössing

27 Wirtschaftlichkeit & Potential
Entwicklung der Biogasanlagenzahlen Abbildung: Entwicklung der Biogasanlagenzahl und die daraus resultierende elektrisch installierte Leistung in Deutschland Quellen:Monitoring zur Wirkung des EEG auf die Entwicklung der Stromerzeugung aus Biomasse (BMU, 2007); Fachverband Biogas e.V. (2007); erstellt durch FNR (2008) Thomas Vössing

28 Wirtschaftlichkeit & Potential
Thomas Vössing

29 Wirtschaftlichkeit & Potential
Probleme bei der Nutzung von NawaRo`s „Fuel against Food“ Energiepflanzen verändern das Landschaftsbild Sehr intensive Bodennutzung Hoch subventioniert: Jeder Hektar Energiemais wird derzeit mit Euro subventioniert (nach EEG) Thomas Vössing

30 Wirtschaftlichkeit & Potential
Deutschland ist „Biogas-Weltmeister“ Niederlande etwa 30 Anlagen USA etwa 130 Anlagen Beispiel chinesischer Bauern ( Thomas Vössing

31 Wirtschaftlichkeit & Potential
Fazit Kann einen signifikanten Anteil im regenerativen Energiemix ausmachen Vielfältig anwendbar, Chancen gerade in abgelegenen Regionen und für Bauernverbünde In Deutschland: stark subventionierte Technologie Problematik der Nutzung von Energiepflanzen Thomas Vössing

32 Salem 2008 Zukunft der Energien „Energie aus Biogas“
Vielen Dank für Ihre/Eure Aufmerksamkeit!

33 Beispielanlagen Wirtschaftliche Betrachtung
Umweltpolitische Betrachtung Wirtschaftliche Nutzung natürlicher Rohstoffe Hygienisierung der Gülle Verringerung der Geruchsbelastung Verbesserung der Dünngequalität Thomas Vössing

34 Beispielanlagen Biokraftwerk Neubukow Gründe für den Bau:
In Umgebung fallen t/a Gülle an Geruchsbelästgung durch Gülle Nutzung der durch regenerativ erzeugten Energie Technische Daten Thomas Vössing

35 Beispielanlagen Jährliche Stoffströme Energetische Betrachtung
Schweinegülle: t Rindergülle: t Cofermente: t (Nahrungsmittelabfälle der Industrie) Energetische Betrachtung Thomas Vössing