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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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Effektives und emissionsfreies
Anfahren von Biogasanlagen
Matthias Plöchl
16. Jahrestagung Fachverband Biogas
31. Januar 2007 Leipzig
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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
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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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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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ha
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(N
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kg
-1
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TM
)
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0.35
0.4
Dt. Weidelgras
Knaulgras (einfach)
Wiesenfuchsschwanz
Mähnert et al. 2002
B
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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
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
B
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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
B
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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
B
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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
B
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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
B
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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
B
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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
B
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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
B
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TB
Gliederung
●
Effizienzkriterien
●
Grundlagen der anaeroben Vergärung
●
Prozessparameter und Methoden zur
Überwachung
●
Prozessoptimierung
●
Emissionen aus Biogasanlagen
●
Emissionsvermeidung
●
Ausblick
B
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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
B
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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
B
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TB
Steigerung der Produktionssumme
Increasing biogas total production
0.00
200.00
400.00
600.00
800.00
1 000.00
0
1 0
20
30
40
Time [d]
Bio
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tal
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[m
]³
0.00
80.00
1 60.00
240.00
320.00
400.00
Bio
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rod
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n r
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[m
/d]³
Production sum (batch) [m ]³
Production sum (batch) [m ]³
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
Production sum (batch) [m ]³
Production rate (batch) [m /d]
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Production rate (cont.fl.) [m /d]
³
Production rate (batch) [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
B
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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
B
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TB
Gliederung
●
Effizienzkriterien
●
Grundlagen der anaeroben Vergärung
●
Prozessparameter und Methoden zur
Überwachung
●
Prozessoptimierung
●
Emissionen aus Biogasanlagen
●
Emissionsvermeidung
●
Ausblick
B
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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
B
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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
B
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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
B
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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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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
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Effizienzkriterien
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Grundlagen der anaeroben Vergärung
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Prozessparameter und Methoden zur
Überwachung
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Prozessoptimierung
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Emissionen aus Biogasanlagen
●
Emissionsvermeidung
●
Ausblick
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Was bringt die Zukunft?
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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