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

Überblick Einleitung Mikrobiologische Grundlagen Anlagentechnik Wirtschaftlichkeit & Potential Thomas Vössing 27.08.2008

Einleitung Biogas, nur eine Option der Energiegewinnung aus Biomasse Thomas Vössing 27.08.2008

27.08.2008

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 27.08.2008

Einleitung Einsatzmöglichkeiten für Biogasanlagen: Zur Vergärung von: Faulschlamm (Kläranlagen) Organischen Abfällen („Biomüll“) Landwirtschaftlichen Reststoffen Energiepflanzen (NawaRo`s) Thomas Vössing 27.08.2008

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 27.08.2008

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 27.08.2008

Mikrobiologische Grundlagen Was passiert bei der Gärung? http://www.fnr-server.de/cms35/Biogasgewinnung.1452+M56eda35ead3.0.html Substratumsetzung abhängig vom Substrat, hier typische Substrate: Cellulose, Proteine.. Substrate: energiepflanzen, faluschlamm, gülle.. Thomas Vössing 27.08.2008

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 27.08.2008

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 27.08.2008

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 27.08.2008

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 27.08.2008

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.. http://www.biogas-nord.com/index.php?id=163 Thomas Vössing 27.08.2008

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 27.08.2008

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 27.08.2008

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 27.08.2008

Anlagentechnik Schema einer typischen Nassfermentationsanlage Thomas Vössing 27.08.2008

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 27.08.2008

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 27.08.2008

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 27.08.2008

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 27.08.2008

Anlagentechnik Gasaufbereitung und Einspeisung in das Erdgasnetz zur dezentralen Nutzung Verfahren zur Rohgasaufbereitung: Gaswäsche H2O-Verflüssigung Oxidation an Aktivkohle Animation Thomas Vössing 27.08.2008

Wirtschaftlichkeit & Potential Kosten einer Biogasanlage Investitionskosten Bsp 1: 70 kW-Anlage: ca. 200.000 € 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 27.08.2008

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 27.08.2008

Wirtschaftlichkeit & Potential Beispielanlage „Salem“ Berechnungstool Thomas Vössing 27.08.2008

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 27.08.2008

Wirtschaftlichkeit & Potential Thomas Vössing 27.08.2008

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 2.000 Euro subventioniert (nach EEG) Thomas Vössing 27.08.2008

Wirtschaftlichkeit & Potential Deutschland ist „Biogas-Weltmeister“ Niederlande etwa 30 Anlagen USA etwa 130 Anlagen Beispiel chinesischer Bauern (http://de.youtube.com/watch?v=SLvBovektGw) Thomas Vössing 27.08.2008

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 27.08.2008

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

Beispielanlagen Wirtschaftliche Betrachtung Umweltpolitische Betrachtung Wirtschaftliche Nutzung natürlicher Rohstoffe Hygienisierung der Gülle Verringerung der Geruchsbelastung Verbesserung der Dünngequalität Thomas Vössing 11.08.2008

Beispielanlagen Biokraftwerk Neubukow Gründe für den Bau: In Umgebung fallen 55 000 t/a Gülle an Geruchsbelästgung durch Gülle Nutzung der durch regenerativ erzeugten Energie Technische Daten Thomas Vössing 11.08.2008

Beispielanlagen Jährliche Stoffströme Energetische Betrachtung Schweinegülle: 20.000 t Rindergülle: 35.000 t Cofermente: 25.000 t (Nahrungsmittelabfälle der Industrie) Energetische Betrachtung Thomas Vössing 11.08.2008