Besondere Gäreigenschaften von Gülle und Festmist - Wirkungen auf Anlagentechnik und Gesamtanlagensystem Dr. Hans Oechsner und Dr. Andreas Lemmer Landesanstalt für Agrartechnik und Bioenergie der Universität Hohenheim Oktober 2017 13. Sächsischer Biogastagung Wertschöpfung durch Erneuerbare Energien/ Biogas im ländlichen Raum

Besonderheiten der Güllevergärung

Zusammensetzung der Gülle Biogas 4402-021 WS 2014/15 Zusammensetzung der Gülle Organische Substanz Nahrungsmittel, Futtermittel, Gülle, Mist, Abfallstoffe... Wasser Trockenmasse Anorganische Substanz Rohasche (Sand Ton, Mineralstoffe, Spurenelemente) Organische Substanz (Lebende Materie) Erläuterung zu dieser Folie: Einteilung der organischen Substanz entsprechend der einzelnen Stoffgruppen. Protein Rohprotein Aminosäuren Säureamide, einfache Peptide, Betain.. Fette Rohfett Triglyceride Sterine Wachse Chlorophyll Carotine Organische Säuren 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. Quelle: Kirchgessner Landesanstalt für Agrartechnik und Bioenergie Dr. Hans Oechsner

Flüssigmist als Augangsstoff der Biogaserzeugung TS Asche oTS oTS/TS % FM % FM % FM % Rindergülle 7,8 1,6 6,2 80,0 % Mastschweinegülle 4,5 1,2 3,7 83,0 % Rinderfestmist 25,0 4,8 21,2 84,8 % Grassilage 31,8 2,9 28,5 90,5 % Maissilage 31,9 1,6 30,3 94,9 % Im Vergleich zu nachwachsenden Rohstoffen: sehr niedrige Trockensubstanzgehalte = hoher Wassergehalt relativ hohe Aschegehalte

75 kW Anlage - Schweinegülle

75 kW Anlage - Rindergülle

75 kW Anlage – Schweinegülle + NaWaRo

75 kW Anlage – Schweinegülle + Festmist 8

Anlagen - Planungsbeispiele Güllebedarf Fermenter Gärrestlager 75 kW Schweinegülle: 50 m³/d 2.000 m³ netto 8.200 m³ offen (40 d HRT; 4,2 % TS) 75 kW Rindergülle: 30 m³/d 1.200 m³ netto 4.900 m³ offen (40 d HRT; 7,9 % TS) Beispiele für 80 % Gülle, 20 % NaWaRo Güllebedarf NaWaRo Fermenter Gärrestlager Bedarf (gasdicht geschlossen) 75 kW Schweinegülle: 12,5 m³/d 22 ha 1.100 m³ netto 2.600 m³ (70 d HRT; 4,2 % TS; 20 % Mais) 3,2 t/d 75 kW Rindergülle: 11,1 m³/d 20 ha 1.000 m³ netto 2.300 m³ (70 d HRT; 7,9 % TS; 20 % Mais) 2,8 t/d

Anlagen - Planungsbeispiele Güllebedarf Fermenter Gärrestlager 75 kW Schweinegülle: 50 m³/d 2.000 m³ netto 8.200 m³ offen (40 d HRT; 4,2 % TS) 75 kW Rindergülle: 30 m³/d 1.200 m³ netto 4.900 m³ offen (40 d HRT; 7,9 % TS) Beispiele für Gülle und Festmist Güllebedarf Festmist Fermenter Gärrestlager Bedarf (gasdicht geschlossen) 75 kW Schweinegülle: 20 m³/d 5 t/d 1.250 m³ netto 4.100 m³ (50 d HRT; 4,5 % TS)

Bauausführungen Erläuterung zu dieser Folie: In den folgenden Folien werden grundlegende Begriffe näher definiert.

Bauausführung 75 kW Anlage Fermenter: Betondecke oder Folienabdeckung? Warum? Wärmeeffizienz gewinnt besondere Bedeutung bei Kleinanlagen!

Wärmebilanz: 75 kW Schweinegülle

Wärmebilanz: 75 kW Rindergülle

Wärmebilanz 75 kW Biogasanlage 80 % Gülle – 20 % Nawaro

Wärmebilanz 75 kW Anlagen Reine Gülleanlagen sind wärmetechnisch kritisch Gute Wärmdämmung, Betondecke, kein Wärmeüberschuss bei Schweinegülle: Wärmerückgewinnung erforderlich Gülle + NaWaRo: 80% + 20 % Wärmeüberschuss im Winter nur bei Betondecke und guter Dämmung Überschuss abhängig von Bauausführung, Standort, Gärtemperatur Nutzbare Wärmemenge i.d.R. < 800 kWh (80 l Heizöl) / Tag Gülle und Festmistmischung verbessert Bedingungen Hohe Wärmebedarf der Anlagen führt bei technischen Störungen sehr schnell zu einem Absinken der Temperatur => häufig externe Wärmequelle notwendig

– Einfluss der Verweilzeit auf die Effizienz der Anlagen- Sonderbauformen – Einfluss der Verweilzeit auf die Effizienz der Anlagen- Erläuterung zu dieser Folie: In den folgenden Folien werden grundlegende Begriffe näher definiert.

Sonderbauformen 75 kW Anlage Bilder: Bebra-Biogas Agrikomp

Praxisbeispiele Gülle-Kleinanlagen TS- / oTS-Gehalt und spezifischer Methanertrag

Praxisbeispiele Gülle-Kleinanlagen Einsatzstoff- menge [t FM/d] 21,7 11,0 17,5 10,0 Verweilzeit [d] 66 127 21 10 Fermenter

Praxisbeispiele Gülle-Kleinanlagen Einsatzstoffzusammensetzung

Praxisbeispiele Gülle-Kleinanlagen Mittlere hydraulische Verweilzeiten (HRT)

Praxisbeispiele Gülle-Kleinanlagen: Abbau der zugeführten organischen Trockensubstanz von Fermenter und Gärrestlager

Restmethanpotenzial RMP [%] Praxisbeispiele Gülle-Kleinanlagen: Restmethanpotential in Prozent (%) der täglich produzierten Methanmenge der Gülle-Kleinanlagen (37°C) Restmethanpotenzial RMP [%]

Praxisbeispiele Gülle-Kleinanlagen : Maximales theoretisches Emissionspotential in Prozent der Gülle-Kleinanlagen (20°C) Emissionspotenzial [%]

Sonderbauformen 75 kW Anlage Systeme „Kleinfermenter“ : Sehr kurze Verweilzeit im Fermenter 10 - 20 Tage Ungeeignet für „reine“ Güllevergärung in Kombination mit offenem Gärrestlager: sehr schlechte Substratausnutzung In Kombination mit volldurchmischten Fermentern teuer. 80-20 Vergärung von Gülle + NaWaRo: Kombination mit großem, gasdichten Nachgärer erforderlich Mindestverweilzeit 150 d

Pferdemist, Festmist als Gärsubstrat Erläuterung zu dieser Folie: In den folgenden Folien werden grundlegende Begriffe näher definiert.

Pferdemist als Futter für Biogasfermenter? Mehr als 1 Mio. Pferde in Deutschland gehalten Mistanfall: 17 - 20 t je Pferd und Jahr 50 – 70 % Strohanteil (schwankender Anteil) Mangel an Lagerfläche Probleme im Umfeld von Städten Hohe Entsorgungskosten Energetische Nutzung in Biogasanlagen kann ein Lösungsansatz sein. Pferdemist darf in Biogasanlagen Häußermann et al., 2002; Beck, 2005; Winter, 2014

Hoher Fasergehalt: Verfahrenstechnische Herausforderungen Verstopfung des Überlaufs möglich Schwimm-schicht Anstieg der Viskosität und Mehrbedarf an Rührenergie Langsame Umsetzung

Vergärbarkeit von Pferdemist Erkenntnisse Gute Umsetzbarkeit von strohhaltigem Pferdemist oTS: Pferdemist 198 m³ CH4 / t vs. Mais 330 – 350 m³ CH4 / t FM: Pferdemist ca. 80 m³ CH4 / t vs. Mais 100 – 120 m³ CH4 / t Unzureichender Abbau der alternativen Einstreumaterialien Verlust von organischen Bestandteilen und Verringerung der Methanausbeute während der Lagerung (-24 %) Spurennährstoffgehalte vergleichbar mit Grassilagen

Mechanische Vorbehandlung als mögliche Lösung – Querstromzerspaner cross flow grinder Rotierende Ketten ursprünglich aus der Recycling-Industrie Arbeitskammer Durchmesser: 0,9 bis 2,5 m Anschlussleistung 55 bis 315 kW Kettendrehzahl: 1200 /min Einsatz in Batch- oder Durchflussbetrieb

Mit QZ aufbereitete Substrate Maissilage 15 sec 30 sec Pferdemist 15 sec 30 sec

Nutzbarkeit von Pferdemist Futterration Vorbehandlung bei Fermenter 1 26 % 33 % Futter-menge HRT OLR [t/d] [d] [kg/m³ d] Fermenter 1 aufbereitet 10.5 ± 2.0 78.8 14.1 2.9 0.5 Fermenter 2 Kontrolle 10.4 2.3 79.5 15.6 2.8 0.6 Frischmasse t/d 10.9 ± 2.0 Raumbelastung kg / m³ d 2.7 0.4 Verweilzeit d 75.7 13.9

Pferdemist im Praxisbetrieb Mit und ohne mechanischer Vorbehandlung Mit Vorbehandlung 0.272 m³/kg oTS 0.200 m³/kg oTS Ohne Vorbehandlung Mönch-Tegeder, 2013

Nutzbarkeit von Pferdemist in Praxisanlagen Prozessbiologie Stabiler Betrieb (geringe Konzentrationen organischer Säuren) Anstieg des TS-Gehaltes in den Fermentern (+3 %) Substratausnutzung Pferdemistqualität ist entscheidend Nahezu vollständige Ausnutzung durch Vorbehandlung (89 %) Unzureichender Abbau ohne Desintegration (65 %) (In Bezug auf HBT-Methanerträge) Verfahrenstechnik Keine Probleme in Fermenter 1 (mit Vorbehandlung) Schwimmschicht in Fermenter 2, Handhabung des Fermenterinhalts problematisch (ohne Vorbehandlung) Energiebedarf Bio-QZ : 11,3 ± 1,3 kWhel / t FM, erlaubt erst die Nutzung von Substraten mit Erträgen von > 300 kWh/t FMel

Allgemeine Mikro-Nährstoffverteilung in tierischen Exkrementen Soll-Konzentration Schweinegülle: n = 6 ; Rindergülle: n = 16 ; Rinderfestmist: n = 11 ; Hühnertrockenkot: n = 3

Allgemeine Mikro-Nährstoffverteilung in der Pflanze Maissilage: n = 23 ; Rübenmus: n = 1 ; Grassilage: n = 24 ; GPS: n = 6 Soll-Konzentration

Unkrautsamen im Biogasprozess Anfertigen der Proben und einbringen Querschnittbild einfügen, praxisnah Durchflussfermenter, in Fermenter gesetzt und damit in biogasmilieu

Unkrautsamen im Biogasprozess Überblick 37° bzw. 42°C Senkrechter strich, temperatur farbe, legende weißer Hintergrund, untere striche bedeuten 0 thermophiler Versuch Verweilzeit bei dieser Temperatur

Fazit und Ausblick Mit dem EEG 2014/2017 existieren interessante Anreize für Kleinanlagen 100% Güllevergärung: nur für sehr große Milchviehbetriebe und Bullenmäster interessant (ab ca. 550 GV) Gülle – NaWaRo Anlagen (80%-20%) stellen verfahrenstechnisch neue Herausforderungen an die Anlagentechnik: - Niedrige Investitionskosten, da sonst keine ausreichende Wirtschaftlichkeit darstellbar - Gleichzeitig: Besondere Bedeutung der Wärmeeffizienz und Wärmedämmung - Einfache, aber funktionelle Ausführung! => Betriebsindividuelle Anpassung der Anlagen erforderlich

Fazit und Ausblick Güllevergärung aus ökologischer Sicht sehr sinnvoll! - erhebliche Reduktion der Treibhausgasemissionen tierh. Betriebe - Geruchsreduktion bei der Gülleausbringung - Unkrautsamen abgetötet Festmist und Pferdemist als interessante Gärsubstrate Große Variation der „Güllequalität“ zwischen den Betrieben: Daher vor Planungsbeginn unbedingt durchführen: - TS / oTS-Analytik - ggfs. Gärtest zur Methanertragsbestimmung Wirtschaftlichkeit kritisch prüfen! - Berücksichtigung von Kostensteigerungen von ca. 1,2 % p.a. - Rentabilität von Anlagen <<75 kW nur selten gegeben Arbeitsaufwand nicht unterschätzen! - Kann der Betrieb die zusätzlichen Kapazitäten bereit stellen?

Vielen Dank für ihre Aufmerksamkeit! Kontakt: Dr. Hans Oechsner, Landesanstalt für Agrartechnik und Bioenergie, Garbenstr. 9, 70599 Stuttgart Email.: hans.oechsner@uni-hohenheim.de Tel.: +49 711 – 459 22683