Energy

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Biogas – anaerobe Fermentation von Klär-

schlamm und kommunalen Abfällen

Dipl.-Bw. Dirk Volkmann Minsk, 16. September 2009

Inhalt

1. Biogas

2. Biogas aus Klärschlamm •  dena-Referenzprojekt •  Projekt des IKTS

3. Biogas aus Industrieschlamm •  EU-Life Projekt

4. Biogas aus organischen Abfällen

5. Fazit

1. Funktionsweise einer Biogasanlage

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2. Biogas aus Klärschlamm

•  in Deutschland fallen jährlich ca. 2 Millionen to Klär- schlamm (TS) aus ca. 10.000 Kläranlagen an •  nur ca. 1/3 des Klärschlamms wird auf landwirtschaft- lichen Flächen ausgebracht •  Industrieklärschlämme enthalten Reststoffe wie Schwermetalle und werden normalerweise verbrannt; Verbrennung in Monoverbrennungsanlagen ist teuer •  Industrieabwässer sind mit teilweise hohen Konzen- trationen von Chemikalien belastet und müssen vorbe- handelt werden, damit die Abwässer biologisch abgebaut werden können

dena-Referenzprojekt (Leiber GmbH, Bramsche) - 2. Preis Energy Efficiency Award 2008 -

•  früher: Abwasserreinigung durch Abbau der Schmutzstoffe durch aerobe Bakterien; große Schlamm- mengen, die chemisch entwässert und entsorgt wurden •  heute: anaerobe Abwasserreinigungsanlage mit verdoppelter Kapazität und mit verringertem Chemikalien- und Stromeinsatz und Abfallaufkommen •  das erzeugte Biogas wird in einem BHKW zu Strom und Wärme umgewandelt; der Strom wird ins Netz eingespeist, die Wärme wird im Betrieb genutzt

dena-Referenzprojekt

Energieerzeugung BHKW mit Biogasbetrieb (Nennleistung: 190 kWel und 240 kWth) Strom Wärme Einnahmen: Stromeinspeisung (nach EEG) Wärmelieferung an Dritte und innerbetriebliche Nutzung

1.115.000 kWh/Jahr 641.000 kWh/Jahr

147.000 €/Jahr 22.000 €/Jahr

Stromkosteneinsparung durch Energieeffizienzmaßnahmen weitere Betriebskosteneinsparungen (geringerer Chemikalieneinsatz und reduzierte Abfallmenge)

26.000 €/Jahr

81.000 €/Jahr

CO2-Reduzierung 1.109 to/Jahr

Investitionen 850.000 €

Kapitalrendite > 30 %

Projekt des IKTS (Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Sinterwerkstoffe, Dresden

•  noch vor der Faulung wird ein Teil des Schlamms mit Ultraschall behandelt (Erzeugung von implodierenden Bläschen) und mechanisch zerkleinert •  durch Kavitation aus Mikroorganismen freigesetzte und aktivierte Enzyme beschleunigen und verbessern den Abbau organischer Stoffe •  dadurch wird die Gasausbeute um bis zu 45% erhöht •  weniger Verbrauch von Energie und Zusatzstoffen zur Entwässerung, die Faulzeiten verkürzen sich

3. kombinierte Behandlungsverfahren für Industrieklärschlamm (EU-Life Projekt)

1. Entfernung der wasserlöslichen Stoffe mit Wasser, Auswaschen des Sulfats (zur Vermeidung der Bildung von Schwefelwasserstoff)

2. Zerstörung der Schlammflocken mit Natronlauge (T = > 90° C) 3. Spaltung der organischen Bestandteile (Proteine, Fette, Kohlen-

hydrate) und größtenteils Umwandlung in wasserlösliche Stoffe > Aufschluss des Schlamms

4. Neutralisation der eingesetzten Lauge für die anaerobe Behandlung 5. Versäuerung der Schlämme bei 35° C durch spezielle

Mikroorganismen, es entstehen erst längerkettige, dann kurzkettige Carbinsäuren

6. Überführung der Carbonsäuren in Biogas (60% Methan, 40% CO2)

Biogas aus Klärschlamm: Verfahrenskonzept

Überschußschlamm

Rest-schlamm

Anaerobe Behandlung Waschstufe Alkalische

Hydrolyse

Wasser Lauge Biogas

Wasserlösliche Bestandteile

Klärschlamm unbehandelt

Schlamm aus Anaerob-Reaktor

Klärschlamm nach Hydrolyse

Biogas aus Klärschlamm: Mikroskopie

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Biogas aus Klärschlamm

•  die Schlammflocken haben sich nach der Hydrolyse weitestgehend aufgelöst •  der verbleibende Rest wird in der anschließenden Vergärung teilweise in Gas überführt •  der Restschlamm wird entwässert und verbrannt •  die sulfathaltigen Waschlösungen und die Abwässer aus der anaeroben Behandlung werden in der Kläranlage gereinigt

Verbleib der Schlamminhaltsstoffe bezogen auf die Trockensubstanz

30%

55%

98% 100%

2%

eingesetzter Schlamm

gewaschener Schlamm

Stoffbilanz nach Hydrolyse und anaerober Behandlung

gelöste Stoffe zur Kläranlage

Feststoff zur Verbrennung

13% Biogas

gelöste Stoffe zur Kläranlage

•  seit ca. 25 Jahren werden in Deutschland biogene Abfälle getrennt gesammelt •  heute: ca. 13 Mio. to Bio- und Grünabfälle •  deutsche Haushalte werfen 4 Mio. to Organisches in separate Tonnen •  1 Mio. to Bio- und Grünabfälle in Siedlungs- und Gewerbeabfall (die nicht vergoren sondern in MBA aufbereitet oder dem Klärschlamm zugefügt werden)

•  3 – 4 Mio. to energiereiche Speisereste, Schlachtab- fälle und Reste aus der Lebensmittelerzeugung

source: DW-1.com

4. Biogas aus organischen Abfällen

organische Abfälle

oTS / % TS Biogasaus-beute l/kg oTS

CH4-Gehalt %

Kommunale Reststoffe

Biomüll 50 - 70 150 - 600 58 - 65

Küchenabfälle 80 - 98 200 - 500 45 - 61

Parkrasen-Schnitt 82 - 92 550 - 680 55 - 62

Marktabfälle 50 - 80 450 62

Reststoffe aus Schlachtung Panseninhalt 80 - 90 200 - 400 58 - 62

Reststoffe aus Agroindustrie Fettabscheiderückst. 75 - 93 700 60 - 72

Bierherstellung Biertreber 80 580 - 750 60

Obstverarbeitung Apfeltrester 85 - 90 660 - 680 65 - 70

Kartoffelverarbeitung Kartoffelpülpe 90 650 - 750 52 - 65

Alkoholgewinnung Getreideschlempe 83 - 88 430 - 700 58 - 65

Zuckergewinnung Melasse 85 - 90 360 - 490 70 - 75 Que

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organische Reststoffe

•  eignen sich grundsätzlich zur Vergärung und Kofermentation in Verbindung mit tierischen Exkrementen •  bei fermentierbaren Monosubstraten (z.B. Glykol aus der Industrie ist Gülle als ‚Basissubstrat‘ für eine stabile Fermentation empfehlenswert •  wesentliche Voraussetzung bei der Vergärung von Monosubstraten ist eine ausreichende Versorgung der Mikroorganismen mit Nährstoffen und Spurenelementen

phys.-chem. Mindestanforderungen für die Methanogenese

Milieufaktoren pH-Wert Salzgehalt (Leitfähigkeit) Temperatur

6,5 – 8,0 2,5 bis 25 mS/cm

8 bis 55°C

Elemente Sauerstoff Wasserstoff Gesamtkohlenstoff

Konzentration < 1 ppm

6 Pa 0,2 bis 50 g/l CSB

Natrium / Kalium / Magnesium 45 - 200 ppm / 75 - 250 ppm / 10 - 40 ppm

Schwefel / Eisen / Nickel 50 – 100 ppm / 10 – 200 ppm / 0,5 – 30 ppm

Kobalt / Molybdän, Wolfram, Selen / Zink 0,5 – 20 ppm / 0,1 – 0,35 ppm / 0 – 3 ppm

Chemische Verbindungen: Phosphat 50 – 150 ppm

Mengenverhältnis C : N : P : S 2.000 : 15 : 5 : 3 (Gesamtprozess)

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Eignung von biogenen Abfällen

•  nicht alle sind geeignet: organische Masse aus Hausab- fällen, die nicht getrennt gesammelt wird, eignet sich nicht, da durch hohe Schadstoffeinträge keine Rückkehr in den Stoffkreislauf möglich (Gärrest !)

•  geeignet sind: Abfälle aus Schlachthöfen, Molkereien, Brauereien, Speisereste aus Großkantinen, Hotels, Krankenhäuser und abgelaufene Artikel aus dem Lebensmittelhandel •  größte Chancen: Grünschnitt und Gartenabfälle – gehen heute energetisch ungenutzt zu 85 % in die Kompostierung (Kapazität in D: 12 Mio. to)

Vorbehandlung von organische Reststoffen

Verfahrenstechniken zur Vorbehandlung Störstoffabtrennung Siebe, Windsichter, Zyklon,

Magnetabscheider, Pressen, Manuelle Auslese

Substrataufbereitung mechanisch (Mixer, Macerator), chemisch (Zugabe von Säuren, Laugen), biologisch (Zugabe von Enzymen, thermisch (Hygenisierung)

Kombinationsverfahren gemeinsame Sink- und Schwimmstoffabtrennung und mechanische Aufbereitung Q

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5. Fazit

•  die Biogasausbeute – somit die Produktion von Strom und Wärme - bestimmt maßgeblich das wirtschaftliche Ergebnis einer Anlage •  Die maximale Biogasausbeute ist nicht garantiert und wird durch eine Vielzahl von Größen (mit-)bestimmt, die vom Anlagenbetreiber z. T. beeinflusst werden (können) •  Ziel muss es sein, die Biogasausbeute durch eine optimierte Biologie und eine daran angepasste Anlagentechnik zu maximieren

•  Biogas hat im Vergleich zu anderen Erneuerbaren Energien auch ein großes Potenzial: Die Gasspeicherung ist relativ günstig und erlaubt eine flexible Stromproduktion, wann immer diese benötigt wird – daher auch für die Spitzenlast- produktion geeignet, unabhängig von externen Faktoren wie Sonneneinstrahlung oder Wind

5. Fazit

Systemvergleich mit anderen EE

Elektroenergie aus Wind

Elektroenergie aus Photovoltaik

Elektroenergie aus Wasserkraft

Zeitverlauf in Tagen über 1 Jahr Zeitverlauf in Std. über 1 Tag

Elektroenergie aus Biogas

Energy

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