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TB

Effektives und emissionsfreies

Anfahren von Biogasanlagen

Matthias Plöchl

16. Jahrestagung Fachverband Biogas

31. Januar 2007 Leipzig

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A

TB

Gliederung

●

Effizienzkriterien

●

Grundlagen der anaeroben Vergärung

●

Prozessparameter und Methoden zur

Überwachung

●

Prozessoptimierung

●

Emissionen aus Biogasanlagen

●

Emissionsvermeidung

●

Ausblick

B

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TB

Gliederung

●

Effizienzkriterien

●

Grundlagen der anaeroben Vergärung

●

Prozessparameter und Methoden zur

Überwachung

●

Prozessoptimierung

●

Emissionen aus Biogasanlagen

●

Emissionsvermeidung

●

Ausblick

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TB

Effizienzkriterien

●

Maximale Ausschöpfung des Methanbildungs-

potenzials der eingesetzten Substrate

●

in möglichst kurzer Zeit

●

bei möglichst hoher Raumbelastung

●

Unter Vermeidung schädlicher Emissionen

●

Ammoniak

●

Geruch

●

Methan

B

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TB

Gliederung

●

Effizienzkriterien

●

Grundlagen der anaeroben Vergärung

●

Prozessparameter zur Überwachung

●

Methoden der Überwachung

●

Prozessoptimierung

●

Emissionen aus Biogasanlagen

●

Emissionsvermeidung

●

Ausblick

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TB

vierstufiger Prozess

●

Die anaerobe

Vergärung

erfolgt in

vier Stufen

●

Hydrolyse

●

Acidogenese

●

Acetogenese

●

Methanogenese

nach Ohly (2006)

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TB

Milieubedingungen

●

Jede dieser Stufen hat eigene Anforder-
ungen an die Milieubedingungen

Parameter

Hydrolyse/Versäuerung

Methanogenese

Temperatur

25 – 35 °C

mesophil: 32 – 42 °C

thermophil: 50 – 58 °C

pH-Wert

5.2 – 6.3

6.7 – 7.5

C/N-Verhältnis

10 – 45

20 – 30

Feststoffgehalt

TM <40% FM

TM <30% FM

Nährstoffbedarf
C:N:P:S

500:15:5:3

600:15:5:3

Spurenelemente Keine spez. Ansprüche

Ni, Co, Mo, Se

Generationszeit

24 – 36 h

10 – 15 d

nach Ohly (2006)

B

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TB

Methanbildungspotenzial

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

0

7

14

21

28

Zeit (d)

M

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Dt. Weidelgras
Knaulgras (einfach)
Wiesenfuchsschwanz

Mähnert et al. 2002

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TB

Gliederung

●

Effizienzkriterien

●

Grundlagen der anaeroben Vergärung

●

Prozessparameter und Methoden zur

Überwachung

●

Prozessoptimierung

●

Emissionen aus Biogasanlagen

●

Emissionsvermeidung

●

Ausblick

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TB

Prozessparameter

●

Zur Überwachung des effektiven Betriebs

können mehrere Parameter herangezogen

werden, die jedoch starke Unterschiede in ihrer

Aussagekraft zeigen

●

tägliche erzeugte Strommenge

●

Gaszusammensetzung

●

pH-Wert der Fermenterinhalte

●

FOS/TAC-Koeffizieten

●

Kapazität des Carbonatpuffers

●

Essigsäureäquivalente

●

zeitnahe Überwachung von Wasserstoff (H

2

),

Essigsäure und Propionsäure

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TB

tägliche erzeugte Strommenge

●

ist abhängig von

●

der Menge und Art der zugegebenen

Substrate

●

der Gaszusammensetzung und dessen

Einfluss auf die Effizienz des BHKW

●

der Effizienz der Umsetzung im Fermenter

●

welche u.a. wiederum eine Funktion der Menge

und Art der zugegebenen Substrate ist

➔

ist ein unzureichender Parameter

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TB

Gaszusammensetzung

●

für die meisten Substrate wird ein Methan-

gehalt des Gases von 50% bis 60% erwartet

●

eine starke Abweichung nach unten ist ein

Hinweis auf einen gestörten Prozess

●

Gaszusammensetzung, gebildete Gasmenge

und täglich erzeugte Strommenge geben

Rückschluss auf die Effizienz des BHKW

●

hierdurch können Störquellen in diesem

Bereich ermittelt werden

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TB

pH-Wert der Fermenterinhalte

●

in erster Linie von dem aktiven Puffer abhängig

●

meist der Carbonatpuffer, pH 6.5

●

aber auch der Ammoniakpuffer, pH 9.25

➔

meist keine Aussage über die Effizienz des

Prozesses möglich

➔

pH<5 bedeutet eine erhebliche Störung des

Prozesses

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TB

FOS/TAC-Koeffizient

●

ermittelt durch Titration mit einer starken Säure

(Salzsäure, HCl oder Schwefelsäure, H

2

SO

4

)

●

zuerst Konzentration an anorganischem Kohlenstoff

(TAC = Total Anorganic Carbon) und somit die

Kapazität des Carbonatpuffers

●

dann Konzentration der flüchtigen organischen Säuren

(= FOS)

●

das Verhältnis dieser Werte sollte kleiner 0.3 sein

●

größere Quotienten weisen auf eine Störung hin

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TB

FOS/TAC-Koeffizient

●

Bestimmung des TAC erfasst auch andere

Verbindungen, z.B. Ammonium

●

Grenzwert von 2 g·l

-1

Essigsäureäquivalente für FOS

kann auch in effizient arbeitenden Anlagen

überschritten werden

➔

der von Weiland angegebene Grenzwert kein echter

Absolutwert sondern auch nur ein Hinweis

➔

die regelmäßige Bestimmung des FOS/TAC kann

durchaus dazu führen, dass Störungen möglichst früh

erkannt werden

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TB

Kapazität des Carbonatpuffers

●

vor kurzem gemeinsam von der Universität Bonn und

der Gewitra GmbH entwickelter Schnelltest

●

jedoch m.E. kein Absolutwert für ausreichende

Pufferkapazität

➔

anlagenspezifisch Veränderungen dieses Wertes

beobachten

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TB

Wasserstoff, Essigsäure, Propionsäure

●

methanbildenden Bakterien haben das langsamste

Wachstum (5 – 15 Tage) aller beteiligten Organismen

➔

Methanogenese der geschwindigkeitsbestimmende

Schritt der gesamten Umsetzung

●

Ist also der Prozess an dieser Stelle gestört oder
nicht ausreichend effizient, kommt es zur Anreich-

erung der Produkte der vorangehenden Prozess-
schritte: Wasserstoff, Essigsäure, Propionsäure, ...

●

zeitnahe Überwachung von Wasserstoff (H

2

), Essig-

säure und Propionsäure sollte den störungsfreie
Ablauf der Umsetzung gewährleisten können

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TB

Wasserstoff, Essigsäure, Propionsäure

●

diese Parameter reagieren sehr schnell auf Verän-

derungen des Gesamtprozesses

●

über deren Kontrolle sollte auch eine Steigerung der

Effizienz möglich sein

●

Möglichkeiten einer zeitnahen Überwachung sind bis-
her ausgesprochen teuer oder noch nicht verfügbar

●

diese Parameter können im Allgemeinen nur mit
ausgesprochenen Laborgeräten und nicht in der

Anlage bestimmt werden

●

künstliche Nase, Multigassensor, in der Entwicklung,
vor Ortbestimmung von Essig- und Propionsäure-

konzentration in der Fermenterlösung

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TB

Gliederung

●

Effizienzkriterien

●

Grundlagen der anaeroben Vergärung

●

Prozessparameter und Methoden zur

Überwachung

●

Prozessoptimierung

●

Emissionen aus Biogasanlagen

●

Emissionsvermeidung

●

Ausblick

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TB

optimale Prozessführung

●

optimale Prozesssteuerung und effizientes Anfahren

einer Biogasanlage

●

nicht nur die Kenntnis der entscheidenden

Prozessparameter wichtig

●

sondern auch die Vorbereitung und die Kenntnis der

Rahmenbedingungen

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TB

Kennwerte

●

Hierzu gehören

●

die Bestimmung der maximalen Methan- und

Biogasausbeuten der einzusetzenden Substrate,

●

deren Abbaugeschwindigkeit,

●

insbesondere unter Einfluss von Raumbelastung und

folglich Verweilzeit,

●

die Zusammensetzung der Substrate in Bezug auf C/N-

Verhältnis und Verfügbarkeit von weiteren Nähr- und

Mikronährstoffen

●

Bakteriengesellschaften haben jedoch erhebliches

Anpassungspotenzial

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Steigerung der Produktionssumme

Increasing biogas total production

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200.00

400.00

600.00

800.00

1 000.00

0

1 0

20

30

40

Time [d]

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0.00

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Production sum (batch) [m ]³

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Production rate (batch) [m /d]

³

Production rate (cont.fl.) [m /d]

³

Production rate (batch) [m /d]

³

Production rate (cont.fl.) [m /d]

³

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Steigerung der Produktionsrate

Increasing biogas production rate

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Production sum (batch) [m ]³

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Production rate (batch) [m /d]

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Production rate (cont.fl.) [m /d]

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TB

Prozesssteuerung

●

auf Grundlage von Planungsdaten zu erwartende

Leistung berechnen

●

Substratzugabeplan, der auf einer langsamen

Steigerung der Raumbelastung beruht

●

vor jeder Steigerung sollten die Prozessparameter

stabil sein

●

genügend Zeit für das Nachwachsen insbesondere der

methanogenen Bakterien

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TB

Schwimmschichten

●

Vermeidung von Schwimmschichten durch Anpassen

der Rührzeiten

●

Grundsatz soviel wie nötig und sowenig wie möglich

●

in Schwimmschichten finden Acido- und Acetogenese

statt

●

hieraus kann ein Versäuerungsschub resultieren, der

sich negativ auf die anschließende Methanogenese

auswirken kann

●

außerdem wird hier zunehmend CO

2

emittiert, das den

Methangehalt des Biogases reduziert und somit die

Leistungsfähigkeit des BHKW senkt

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Gliederung

●

Effizienzkriterien

●

Grundlagen der anaeroben Vergärung

●

Prozessparameter und Methoden zur

Überwachung

●

Prozessoptimierung

●

Emissionen aus Biogasanlagen

●

Emissionsvermeidung

●

Ausblick

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TB

Geruchs- und Ammoniakemissionen

●

In der öffentlichen Wahrnehmung und Diskussion in

erster Linie Emissionen die mit Geruch verbunden sind

●

Ursache hierfür sind Ammoniak und flüchtige

organische Säuren

●

Vergärung von Wirtschaftsdüngern

●

reduziert die Emissionen flüchtiger organischer Säuren

●

Ammoniakemissionen können leicht erhöht werden

●

Vergärung von Silagen

●

neuartige Geruchsemissionen, die von vielen jedoch als

nicht unangenehm empfunden werden

●

durch Sickersäfte aus dem Silo jedoch unangenehme

Gerüche auf Grund flüchtiger organischer Säuren

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TB

klimarelevante Emissionen

●

Für die Umwelt wichtiger sind Emissionen

klimarelevanter Gase

●

Methan (CH

4

)

●

Lachgas (N

2

O)

●

durch Vergärung von Wirtschaftsdüngern werden

Emissionen, die während der Lagerung unvergorenen

Materials entstehen, vermieden

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TB

klimarelevante Emissionen

●

Einsatz von Energiepflanzen erzeugt jedoch ein

Emissionspotenzial, das bis dahin nicht bestanden hat

●

Nutzung als Substrat in einer Biogasanlage hat den

Zweck das Methanbildungspotenzial der Pflanzen-

masse anzuregen und auszuschöpfen

●

Methanbildungspotenzial ist jedoch im Fermenter nicht

erschöpft

●

und kann somit im Gärrestlager zu einer unbeab-

sichtigten Emission klimarelevanter Gase führen

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Gliederung

●

Effizienzkriterien

●

Grundlagen der anaeroben Vergärung

●

Prozessparameter und Methoden zur

Überwachung

●

Prozessoptimierung

●

Emissionen aus Biogasanlagen

●

Emissionsvermeidung

●

Ausblick

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TB

Vermeidung Geruchsemissionen

●

Geruchsemissionen durch sorgsame Bereitung und

Führung des Silos vermeiden

●

Pflanzenmaterial sollte einen ausreichenden Trocken-

massegehalt für die Silierung haben

●

das Material muss ausreichend verdichtet werden

●

anschließend gut mit Folie abgedichten

●

Sickersaft muss gesammelt und in den Fermenter

geleitet werden

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Vermeidung Geruchsemissionen

●

Geruchsemissionen durch saubere Entnahme der Silage

aus dem Silo vermeiden

●

sauberes Herausschneiden der Silage

●

genügend großer Vorschub im Silo

●

Sind die Schnittkanten unsauber, oder ist der Vorschub

zu gering, können Nachgärungen und aerober Abbau

der Silage eintreten

●

Verluste an Silagemasse bei 10 – 20%

●

Geruchsemissionen

●

Verlust an Einkommen

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TB

Vermeidung von Klimagasemissionen

●

Vermeidung der Emission klimarelevanter Gase durch

gasdichte Abgedeckung des gesamten Prozesses

●

eingesetzte Substrate und Effizienz des Prozesses

bestimmen Zeitdauer und Volumina die abgedeckt sein

sollten

●

Bereits geringe Methanemissionen haben wegen des

hohen CO

2

-Äquivalentwerts von 23 einen erheblichen

Beitrag zur Klimabeeinflussung

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Vermeidung von Klimagasemissionen

●

Laborversuche legen eine Verweildauer im gasdicht

abgedeckten System von mindestens 210 Tagen nahe

●

Kann durch abgedeckte Gärrestlager erreicht werden

●

das Potenzial, das in einer gesteigerten Effizienz des

Prozesses liegt, sollte ausgenutzt werden

●

das Risiko ungewollter Emissionen klimarelevanter

Gase verringern

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Gliederung

●

Effizienzkriterien

●

Grundlagen der anaeroben Vergärung

●

Prozessparameter und Methoden zur

Überwachung

●

Prozessoptimierung

●

Emissionen aus Biogasanlagen

●

Emissionsvermeidung

●

Ausblick

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Was bringt die Zukunft?

●

Gülle, Festmist und organische Reststoffe werden als

Substrate an Bedeutung (wieder) zunehmen

●

Die Effizienz insbesondere beim Einsatz von Energie-

pflanzen muss deutlich gesteigert werden

●

Der Bedarf an professioneller Unterstützung in der

Verfahrensbiologie/Prozesssteuerung wir zunehmen

●

Alle Beteiligten in der Biogasbranche müssen dazu

beitragen, dass das positive Image nicht beschädigt

wird

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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit