19.09.2009 Dipl.-Ing. Tobias Burgstaller 1 Biomasse Energieerzeugung Kapitel 3.2 Biogasgewinnung und...

19.09.2009 Dipl.-Ing. Tobias Burgstaller 1

Biomasse Energieerzeugung

Kapitel 3.2Biogasgewinnung und Verwertung Biomasseenergieerzeugungenergy from renewable raw materials



Gliederung

Gliederung

- Biochemie- Symbiose- Biogasproduktion- Biogasausbeuten- Gärversuche und Gärtest- Prozessbedingungen- Biogaserzeugung- Reaktoren- Reaktorbauarten- Biogasnutzung / Verwertung / Aufbereitung- Biogaskomponenten- Entschwefelungsverfahren / CO2-Abscheideverfahren- Zukunftsszenario



Biochemie, der anaerobe Abbau

Biochemie

substrates and products examples

polysaccharides proteins

lipids nuclein acids

monosacharidsaminoacids

lower fatty acids

lower fatty acidsethanol

acetate hydrogen

CH +CO4 2 CH +2H4 2O

1

2

3a

C H On 2n4n C H O6 6 12 2+ nH On6

C H O6 612 CH CH COOH 3 2 3

2 2

+ CH COOH+ CO + H

CH CH COOH + 23 2 2H O

CH COOH + CO + 33 2 2H

CH COOH3

CH + CO 4 2

4H + CO2 2

CH + 2H 4 2O

1 11

2

3b

hydrolysis

acidogenic bacteria

process

bacteria

fermentation

acidogenic bacteria

â-oxidation

acetogenic bacteria

methanogenation

methan bacteria

3a 3b



Symbiose zw. H2 prod. und H2 verbr. MO

Symbiose

-10

-8

-6

-4

-2

0

2

-160-120-80-4004080

bar 2 butyrate 3 ethanol

4 methane1 propionate

log pH2

kJ mol-1GEinfluss des Wasserstoffpartialdruckes auf die freie Enthalpiedifferenz ΔG

Energie rein spontan



Einflussgrößen Biogasausbeuten

Biogasproduktion

Quelle: Einflüsse auf den Vergärungsprozess [Schattner und Gronauer (2000)]



Biogasausbeuten verschiedener Substrate

Biogasausbeuten

oTS = Organische Trockensubstanz in [% von der TS]

FM = Frischmasse in [kg o. t]

TS = Trockensubstanz in [% von der FM]

(nur oTS ist mikrobiell verwendbar)



Biogasausbeuten verschiedener Substrate

Biogasausbeuten

Substrat TS oTS Biogas-ertrag CH4 Hektar-ertrag

Strom-ertrag*

% % Nm3/t oTS % tFM/ha kWh/t FM

WirtschaftsdüngerRindergülle

Ohne -mit Futterrest 8 80 280-370 55 32-42Rindermist 25 80 450 55 158

Schweinemist 6 80 400 60 37Nachwachsende Rohstoffe

Roggen/Weizenkörner 87 98 700 53 13-15 1012GPS 40 94 520 52 325Gras, frisch 18 91 600 54 170Grassilage 25 88 560 54 213Kartoffel 22 94 730 52 251Maissilageje nach Reifegrad

22-35 95-96 570-600180 m³/tfeucht

52 45 198-335

Zuckerrübe 23 92 700 51 6-9 242Substrate aus der Weiterverarbeitung

Altbrot 65 97 760 53 813Bioabfall 40 50 615 60 236Fette/ÖleFettabscheiderfettFrittierfettRapskuchen 15%

59591

908793

10001000680

686863

9817981160

Schlempe aus Alkprod. Getreide - Kartoffel 6 94-87 640-670 59-56 68-63

Molke 5 92 750 53 59Speisereste 16 87 680 60 182



Wertgebende Bestandteile

Biogasausbeuten

C-Anteile entscheidend für die Energieerzeugung!N-Anteile entscheidend für das MO Wachstum (minimal 7mgN/g Mikroorganismen)

C/N-Verhältnis daher optimal zwischen 10 – 16 (x mal mehr C als N)

Ausgangsstoff Glühverlust % C/N N %

Küchenabfälle 20-80 12-20 0,6-2,2

Bioabfälle 30-70 10-25 0,6-2,7

Hausmüll 25-50 30-40 0,8-1,1

Abwasserschlamm 20-70 15 4,5

Frischmist 20,3 20 0,6

Flüssigmist 10-16 8-13 3,2

Frische Rinde 90-93 85-180 0,5-1

Holzhäcksel 65-85 400-500 0,1-0,4

Traubentrester 80,8 50 1,5-2,5

Papier 75 170-800 0,2-1,5



Hemmung / Minderung der Gasausbeute

Biogasausbeuten

Bei Anwesenheit von Sulfaten und Nitraten (energetisch günstiger):

CH3-COO- + SO42- 2HCO3

- + H+ + S2-

4H2 + SO42- 4H2O + S2-

2 NO3- + 5H2 N2 + 2OH- + 4H2O

Schwefelwasserstoffbildung (entsteht bei Vergärung):

S2- + H+ HS-

HS- + H+ H2S

Ausgewählte Hemmstoffe:

Ammoniak, Schwefelwasserstoff, Schwermetalle, Sulfate, etc. Fettsäureanreicherung, Überangebot an Nährstoffen

Sulfatreduktion / Nitratreduktion kein CH4! (Klauenwäsche durch Kupfersulfat)

Wasserstoff wird verbraucht!



Gärtest nach nach DIN 38 414 Teil 8 (DEV)

Gärversuche / Gärtest

Gärtest

Probe homogenisiert, mechanisch aufbereitet (Siebung 10 mm, Sieb-überlauf zerkleinern), Animpfen mit Schlamm in Standflasche, Luftdicht , 35°C, pH =6,6 – 8,0gebildete Gasmenge entspricht Gasbildungspotential nach 28 Tagen, Qualitätstest auf CH4, CO2, H2S, ...Bezug auf TS-Gehalt, Angabe in Nl/(kgTS*d)



Prozessbedingungen und Variablen

Prozessbedingungen

Biogas pro kg oTS“ gewählt.

I Anforderung an die Zusammensetzung des/r Inputmaterialien d.h.: Grenzen, z. B. TS-Gehalt, Faseranteil und –länge, Korngröße, Viskosität, Fremdstoffgehalt

II Vorbehandlung zur Verringerung der Schadstoff- und Inertstoffgehalte z.B.: Handsortierung, mechanische/magnetische Abtrennung, Nassaufbereitung

III Für das Verfahren erforderliche Vorbehandlung z.B.: Zerkleinerung und Aufschluss durch mechanische, chemische, enzymatische, thermische,

bakteriologische Verfahren oder Hilfsstoffe Einstellen des TS-Gehaltes durch Zumischung von Prozesswasser

Einstellen des Nährstoffgehaltes durch Zumischen anderer vergärbarer Substrate IV a) Verfahren

1-Phasen-Vergärung 2-Phasen-Vergärung Einstufiges Verfahren

Mehrstufiges Verfahren

Feststoff stationär

Feststoff mobil

Aufkon- zentrierung

Abkon- zentrierung

b) Gärtemperaturbereiche c) Rühr- und Mischsystem

d) Förderorgane zwischen den Stufen (Pumpen etc) e) Sediment- und Schwimmstoffabscheidung in der Vergärung

f) Verweilzeiten g) Einrichtungen zur Steuerung des Prozessmilieus

h) Phasentrennung am Schluss der Vergärung V Nachbehandlungsverfahren

Düngerqualität abhängig von Nachrotteverfahren, Trocknung, Entkeimung, Salz- und Nährstofffrachten,

Abwasserreinigung, Abluftreinigung, Biogasaufbereitung, Verwendungszweck:

Kompost/Dünger, Direkt- oder Indirekteinleitung, Biogasverstromung oder -wärmeerzeugung VI Endprodukte

Spezifikation nach anerkannten Kriterien



Gesamter Prozessablauf der Biogaserzeugung

Biogaserzeugung



Beispiel Gesamtmassenfluss Bioabfallvergärung

Biogaserzeugung

Abbaugrad:

= (coTS, zu - coTS, ab)/ coTS,zu

Abbaugrade der Vergärung:

31 % TS, 52 % oTS, 12 % Feuchtmasse

Abbaugrade der Nachrotte:

10 % TS, 31 % oTS, 17 % Feuchtmasse



Grundparameter

Biogaserzeugung

Richtwerte BR = 4 – 5 kgoTS/m³d Verweilzeit tm = 20 d (bei Güllen, Mist, Bioabfall) bzw. 70 d (bei NaWaRo)



Bauformen Reaktor (Fermenter)

Reaktor

Bauformen unterschiedlicher Gärreaktoren:

- Nichtgerührte „Tanks“ oder „Gruben“ im ländlichen Bereich bei Mist- oder Gülle Vergärung meist Kleinanlagen

- Nichtgerührte Reaktoren nach dem UASB-Prinzip (unaerobic-sludge-blanket) für Substrate mit geringem Feststoffgehalt oder Trockenfermentation

- Gerührte Gärreaktoren



Bauformen Reaktor und Materialien (Fermenter)

Reaktor

Beispiele Baustoffe:- Mauerwerk alte Anlagen im landl. Bereich- Emaillierter Baustahl St37 oder Edelstahl

V2A, im Gasraum V4a- Beton B35 – B25 Merkblatt Beton für

Biogasanlagen (WU-Beton) - Kunststoffe



Erwärmung Reaktor (Fermenter)

Bauart

Quelle: Systeme zur Erwärmung der Reaktionsmasse im Fermenter [Dr. Bernd Linke, Agratechnik Bornim, ATB]

Bei hohem industr. Standart = extern (hohe Kosten)Bei landw. Standart = intern (geringe Kosten)Beide Verfahren gleichrangig im Einsatz



Erwärmung Reaktor (Fermenter)

Bauart



Druchmischung Reaktor (Fermenter)

Bauart

Quelle: Systeme zur Durchmischung des Fermenterinhaltes [Dr. Bernd Linke, Agratechnik Bornim, ATB]

Die spezifische Rührerleis-tung liegt zwischen 10 – 15 W/m3



Substratzufuhr Reaktor (Fermenter)

Bauart

Substrat Fördereinrichtungen und Pumpen:

- häufig Spiralförderer oder Transportbänder, Schneckenförderer

- Bei Substrat mit nur wenig Feststoffanteil wie Stroh wird eine Tauchpumpe mit Schneidrad eingesetz

- Bei allen anderen Pumpen zur Substratförderung werden meist Excenterschneckenpumpen oder Drehkolbenpumpen eingesetzt (aber immer Verdrängerpumpen!)

- Der Austrag flüssigen Gärgutes kann auch durch Gravitation über einen Siphon erfolgen

- Bei Rohrleitungen von DN 80 bis 150 muss eine Mindestgeschwindigkeit von w = 0,3 m/s eingehalten werden (sonst Absetzen von Schwebstoffen z.B. TS)

Der Energieaufwand für das Aufrechthalten der Betriebstemperatur, Rührenund Pumpen in einem konventionellen Rührkessel beträgt 20 bis zu 35 % der Bruttoenergieproduktion!



Biogasnutzung (die 3 Hauptpfade)

Verwertung



Biogasaufbereitung

Aufbereitung

H2S H2O CO2

Gasbrenner < 0,1 Vol-% nein neinWärme-Kraft-Kopplung < 0,05 Vol-% nein neinTreibstoff (Verdichtung in Flaschen)

ja ja ja

Einspeisung in öffentl. Gasnetz

ja ja ja

Brennstoffzelle < 0,01 Vol-% k.a. k.a.Fackel nein nein nein

Biogasreinigung in Abhängigkeit vom Verwendungszweck

Nein = keine spezielle aufbereitung nötigJa = spezielle Konditionierung grundlegende VoraussetzungUmrechnung ppm in Vol.% = 10.000ppm entspr. 1 Vol.%Fackel brennt bei ca. 30 Vol.% CH4 – BHKW bei 45 – 48 Vol.% CH4



Biogasaufbereitung bis zur Einspeisung

Aufbereitung

In jedem Fall aber zu beachten:

- Notfackel für den gesamten Biogasvolumenstrom bzw. Feuerungsleistung- Gasspeicher für mind. 2-3 h- Entschwefelungsverfahren: biologisch, physikalisch oder chemisch



Ausgewählte Biogaskomponenten (allg.)

Biogasbestandteile

Biogaskomponenten Biogase Schwankungsbreite Ursprung

Methan 45% - 70% Biol. VergärungsprozessKohlenstoffdioxid 25 - 55% Biol. Vergärungsprozess

Wasserdampf relative Feuchte 100%,20g/kg (25°C, 1013mbar)

SubstratGleichgewichtseinstellung

Schwefelwasserstoff (H2S) 10 bis 30.000 ppm S-Gehalt Substrat, Freisetzung im biol. Vergärungsprozess

Ammoniak 0,01 - 2,5 mg/m³ Bei Gülle und Lebensmittel-abfällen mit hohem Proteinanteil

Siloxane 0,1 - 5 mg/m³ Bei Lebensmittelabfällen, Eintrag über Biosphäre (n. n.)

aromatische Verbindungen (Benzol, Toluol, Ethylbenzol, Xylol, Cumol)

< NWG von 1mg/m³, nur Toluol bis 5mg/m³ in Einzelfällen

z.B. bei Vergärung von Altfetten

Halogene (Chlor, Fluor) < NWG von 0,1mg/m³ Pestizide, Lösungsmittel, Desinfektion von Ställen

Stickstoff N2 0,01 - 5% interner biol. EntschwefelungSauerstoff O2 0,01 - 2% interner biol. Entschwefelung



Entschwefelungsverfahren biologisch

Entschwefelung

Thiobacillus thiooxidans, aerob, chemolithoautotroph, opt. pH-Wert 2 –2,8, T 25-30 °C

Sulfolobus acidocaldarius, aerob, fakultativ autotroph, chemolithoheterotroph, opt pH-Wert 2 – 3, T 75-85°C

Direkte Oxidation zu Schwefelsäure: H2S + 2O2 → H2SO4

Oder indirekt über elementaren Schwefel: 2 H2S + O2 → 2S + 2 H2O2 S + 2H2O + 3O2 → 2H2SO4



Entschwefelungsverfahren physikalisch

Entschwefelung

Eingesetzte Apparate:

- an Festbettadsorbern - oder seltener an

Wanderbettadsorbern

Eingesetzte Sorptionsmaterialien meist in Pellets:

- Aktivkohle oder Aktivkoks- Silikagel- Aktivtonerde oder- Zeolithische Molekularsiebe



Entschwefelungsverfahren chemisch

Entschwefelung

Eingesetzte Verfahren:

- Oxidation von Schwefelwasserstoff an Eisenoxidmassen

- Ausfällung des Schwefelwasserstoffs durch Zugabe von Eisensalzen oder Laugenwäsche

Eingesetzte Apparate:

- Füllkörperkolonnen- Wanderbettadsorber- Flugstromadsorber

2Fe(OH)3 + 3H2S → Fe2S3 + 6H2O

Regeneration des gebildete Eisensulfid durch Zufuhr von Luftsauerstoff in das Biogas:

2Fe2S3 + 6H2O + 3O2 → 4 Fe(OH)3 + 6S



Gaseinspeisung (ausgewählte Verfahren)

Gaseinspeisung

Folgende DVGW-Arbeitsblätter sind bei der Gaseinspeisung besonders zu beachten:

- G 260 „Gasbeschaffenheit“- G 262 „Nutzung von regenerativ erzeugten Gasen“- G 280 „Gasodorierung“ G 685 „Gasabrechnung“

GreenGasanlage Rathenow (Brandenburg)

Biogasproduktion

1.150 Nm³/h Biogas, 520 Nm³/h endkonditioniertes Biogas, 43,80 Mio. kWh/a, Nassfermentation, Substrat: Mais- und Ganzpflanzensilage, Getreidekorn, Rinder- und Schweinegülle

Aufbereitung Chemische Wäsche (Fa. HAASE)Inbetriebnahme Ende 2008



CO2- Abscheideverfahren (Überblick)

Gasaufbereitung

Verfahrens-prinzip

Verfahrens-variante Trenneffekt

WäscheDruckwasserwäsche

Lösen von Gasen in einer Flüssigkeit

CO2 phys. in Wasser gelöst

Selexolwäsche Chem. Reaktion von CO2 mit AminlösungAminwäsche

Trockenreinig-ungsverfahren Druckwechselabsorption

am Kohlenstoff-molekularsieb

Bindung von Gasen an einen Feststoff

p hochAdsorption von CO2

Gastrennung mittels Membranen Polymermembran

unterschiedliche Durchlässigkeit

p hochCO2 Permeation

Kryogene Verfahren Rektifikation

(Gasverflüssigung)

unterschiedliche Kondensa-tionspunkte

p hoch, T tief Kondensiert CO2

Tiefentemperaturtrennung unterschliedliche Gefrierpunkte

T tief friert CO2 aus



DWA (PSA) Druckwechseladsorption

Gasaufbereitung



DWA (PSA) Druckwechseladsorption kompl.

Gasaufbereitung



DWW Druckwasserwäsche kompl.

Gasaufbereitung



Zukunftsszenario „Große Anlagen für große Ziele“

Ziele

Im Jahr 2020 sollen 6 Milliarden Kubikmeter Bio-Methan in das Erdgasnetz eingespeist werden. Dies würde 6% des deutschen Gasverbrauches des Jahres 2006 decken. Die Bundesregierung will damit einen Teil ihrer Klimaschutzziele erreichen.

Was bedeutet das?21 bestehende Anlagen27 weitere im Bau

Wie kommen wir zum Ziel?

1.200 weitere Anlagen bis 2020!!!!

Ist das zu schaffen!!!???

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