Besondere Gäreigenschaften von Gülle und Festmist - Wirkungen auf Anlagentechnik und Gesamtanlagensystem Dr. Hans Oechsner und Dr. Andreas Lemmer Landesanstalt.

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1 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

2 Besonderheiten der Güllevergärung

3 Zusammensetzung der Gülle
Biogas 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

4 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

5 75 kW Anlage - Schweinegülle

6 75 kW Anlage - Rindergülle

7 75 kW Anlage – Schweinegülle + NaWaRo

8 75 kW Anlage – Schweinegülle + Festmist
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9 Anlagen - Planungsbeispiele
Güllebedarf Fermenter Gärrestlager 75 kW Schweinegülle: m³/d m³ netto m³ offen (40 d HRT; 4,2 % TS) 75 kW Rindergülle: m³/d m³ netto m³ offen (40 d HRT; 7,9 % TS) Beispiele für 80 % Gülle, 20 % NaWaRo Güllebedarf NaWaRo Fermenter Gärrestlager Bedarf (gasdicht geschlossen) 75 kW Schweinegülle: ,5 m³/d ha m³ netto m³ (70 d HRT; 4,2 % TS; 20 % Mais) ,2 t/d 75 kW Rindergülle: ,1 m³/d ha m³ netto m³ (70 d HRT; 7,9 % TS; 20 % Mais) ,8 t/d

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

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

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

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14 Wärmebilanz: 75 kW Schweinegülle

15 Wärmebilanz: 75 kW Rindergülle

16 Wärmebilanz 75 kW Biogasanlage 80 % Gülle – 20 % Nawaro

17 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

18 – 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.

19 Sonderbauformen 75 kW Anlage
Bilder: Bebra-Biogas Agrikomp

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

21 Praxisbeispiele Gülle-Kleinanlagen
Einsatzstoff- menge [t FM/d] , , , ,0 Verweilzeit [d] Fermenter

22 Praxisbeispiele Gülle-Kleinanlagen Einsatzstoffzusammensetzung

23 Praxisbeispiele Gülle-Kleinanlagen Mittlere hydraulische Verweilzeiten (HRT)

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

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

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

27 Sonderbauformen 75 kW Anlage
Systeme „Kleinfermenter“ : Sehr kurze Verweilzeit im Fermenter 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

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

29 Pferdemist als Futter für Biogasfermenter?
Mehr als 1 Mio. Pferde in Deutschland gehalten Mistanfall: 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

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

31 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

32 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

33 Mit QZ aufbereitete Substrate
Maissilage sec sec Pferdemist sec sec

34 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

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

36 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

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

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

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

40 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

41 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

42 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?

43 Vielen Dank für ihre Aufmerksamkeit!
Kontakt: Dr. Hans Oechsner, Landesanstalt für Agrartechnik und Bioenergie, Garbenstr. 9, Stuttgart .: Tel.: –