Biogas, (k)ein wichtiger Baustein im Energiemix · Biogas, (k)ein wichtiger Baustein im Energiemix...

Biogas, (k)ein wichtiger Baustein im Energiemix Was Sie zum Thema Biogas wissen sollten Öffentliche Seminarreihe-Erneuerbare Energien Hochschule Karlsruhe

Dr. Barbara Eder 82347 Bernried

[email protected]

Mobil 0177 33 111 81

• Was ist eine Biogasanlage

• Verfahren

• Der Biogasprozess

• Substrate und ihre Eignung

• Biogasverwertung

• Geschichte, Entwicklung der Biogastechnologie in Deutschland und weltweit

• Leistung, Beitrag zum Energiemix

• Potentiale und Zukunft

Inhalt

HS Karlsruhe 3.Juni 2015, Folie 2

Schema Biogasanlage


Verbesserter

Dünger

Stall

BHKW

Gülle & Mist

organische

Reststoffe

Substrat Heizung Biogas BHKW Blockheizkraftwerk

Fermenter

Wohnhaus

Endlager

Substratannahme

Nachgärung

Stromeinspeisung

Nährstoffauf-

bereitung

Nachwachsende

Rohstoffe

Quelle:PlanET

Substratbe-

reitstellung

Substratauf-

bereitung/einbring

ung

Vergärung

Gasverwertung

Gasstrecke

Gülle/Mist Seuchenhygienisch

unbedenkliche

Substrate z. B.

NaWaRos

Rasenschnitte

Pflanzliche Abfälle

Seuchenhygienisch

bedenkliche

Substrate z. B.

Schlachtabfälle

Abfallfette

Speisereste

Direkteinspeisung Vorgrube Störstoffabtrennung Hygienisierung

Fermenter

Heizen Rühren

Isolieren Sinkschichten

Gaslager austragen

Nachgär-

behälter

Rühren

Gaslager

Sicherheits-

einrichtungen

Gasreinigung

Gastrocknung

Externes

Gaslager

Verstromung Gas-Otto-Motore Zündstrahlmotore

Gasmotore Stirling-Motore

Brennstoffzellen Abwärme

Elektrischer

Strom

Fünf Schritte der Biogaserzeugung und -verwertung

Gärest

verwertung

Gaseinspeisung Gasaufbereitung

Kraftstoffnutzung

Substrate und ihre Eignung


6

Organische Substanz

Nahrungsmittel, Futtermittel, Gülle, Mist, Abfallstoffe...

Wasser Trockensubstanz

Organische Substanz

(Lebende Materie)

Proteine

Rohprotein Aminosäuren,

Säureamide,

einfache Peptide,

Betain..

Fette

Rohfett Triglyceride

Sterine

Wachse

Clorophyll

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.

Anorganische Substanz

Rohasche (Sand Ton, Mineralstoffe, Spurenelemente)

Substrateinfluss auf Menge und Qualität des

Biogases


0

200

400

600

800

1000

1200

1400

Proteine Fette Kohlenhydrate

700

1250

790

71% 68% 50%

490

850

400

l /kg

oTS

Biogasausbeute l/kg oTS

Methangehalt %

Methanausbeute l/kg oTS

Gasausbeuten Nm³/kg oTS


Methanausbeuten verschiedener Substrate(EPA 2004)

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

Alt

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TS

Aspekte der Substratwahl


Die Substratwahl hat Einfluss auf

• Genehmigung und rechtliche Anforderungen bei Bau und Betrieb

• Technik und Betriebskosten der Anlage

• Technik der Konservierbarkeit und Lagerung

• Prozessbiologie

• Wirtschaftlichkeit

• Substratverfügbarkeit

• Höhe der EEG Vergütung

• Nährstoff-Humusbilanz

• Gärrestausbringung

• Klimabilanz

Substrateinsatz


DBFZ 2014

Methanhektarerträge


0

2000

4000

6000

8000

10000

Ert

rag

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…

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Sommer Winter

m³ C

H4/h

a


CO2-Kreislauf der Biomasse


0

100

200

300

400

500

600

700

CO2-Emission CO2-Vermeidung

Verminderung durch Substitution des dt. Energiemix

Substratproduktion (Silomais)

Bau & Betrieb

g C

O2

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/kW

h St

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CO2-Emission und Vermeidung


Nährstoffe bleiben im Kreislauf

Substratbe-

reitstellung

Substratauf-

bereitung/einbring

ung

Vergärung

Gasverwertung

Gasstrecke

Gülle Seuchenhygienisch

unbedenkliche

Substrate z. B.

NaWaRos

Rasenschnitte


Seuchenhygienisch

bedenkliche

Substrate z. B.

Schlachtabfälle

Abfallfette

Speisereste


Fermenter

Heizen Rühren


Gaslager austragen

Nachgär-

behälter

Rühren

Gaslager

Sicherheits-

einrichtungen

Gasreinigung

Gastrocknung

Externes

Gaslager




Elektrischer

Strom


Gülle-

Endlager


Kraftstoffnutzung

16

Einbringtechniken Vorgrube

B.E.

17

Einbringung mit Förderschnecke

18

Feststoffeinbringung Presskolben

Bsp. PLANET B.E.

Substratbe-

reitstellung

Substratauf-

bereitung

Vergärung

Gasverwertung

Gasstrecke


unbedenkliche

Substrate z. B.

NaWaRos

Rasenschnitte


Seuchenhygienisch

bedenkliche

Substrate z. B.

Schlachtabfälle

Abfallfette

Speisereste


Fermenter

Heizen Rühren


Gaslager austragen

Nachgär-

behälter

Rühren

Gaslager

Sicherheits-

einrichtungen

Gasreinigung

Gastrocknung

Externes

Gaslager




Elektrischer

Strom


Gülle-

Endlager


Kraftstoffnutzung

Der Biogasprozess


Abbaugeschwindigkeit der Stoffgruppen


Zucker (Mono-, Disaccharide)

Stärke (Polysaccharide)

Proteine

Proteide

Pektine (Polysaccharide)

Hemizellulose (Polysaccharide)

Zellulose (Polysaccharide)

Lignin (Polysaccharide)

Wachse

Harze,Gerbstoffe

Verweilzeit (HRT)

Bereich der

techn. / ökonom.

Grenzen der Verweilzeit (Vollmer, 1982)

Gasausbeute m³/kg

Mittlere hydraulische Verweilzeit (HRT)

0 5

Gasbildungsrate m³/m³*d

30 50 Tage

Gasausbeute und Gasbildungsrate


Temperatur und Bakterienaktivität


Praxis


Hygienisierungsleistung


Feststoff-Fermentation

28 Fermenter 12 x 6m 678m³, Nachgärung 15 x 6m 1060m³, FMW 13m³, 2 BHKW a 100kW elektr. Inbetriebnahme 2001, PLANET

Nass-Fermentation

29

Paddelrührwerk

Substratbe-

reitstellung

Substratauf-

bereitung

Vergärung

Gasverwertung

Gasstrecke


unbedenkliche

Substrate z. B.

NaWaRos

Rasenschnitte


Seuchenhygienisch

bedenkliche

Substrate z. B.

Schlachtabfälle

Abfallfette

Speisereste


Fermenter

Heizen Rühren


Gaslager austragen

Nachgär-

behälter

Rühren

Gaslager

Sicherheits-

einrichtungen

Gasreinigung

Gastrocknung

Externes

Gaslager




Elektrischer

Strom


Gärrest-

verwertung


Kraftstoffnutzung

Was passiert im Fermenter


• TS/oTS - Abbau: TS 13% → 5,8 % ; oTS 81% → 72% • C-Gehalt nimmt ab: Corg : 44% →39 %

• Verengung C/N Verhältnis: 12 → 5 • Anteil NH4-N steigt • P, K, Mg bleiben unverändert • Konzentrierung der Schwermetalle in der

Feststoffphase: Zn 209 mg/kg TS →620 mg/kg; Cu 149 mg/kg TS →393mg/kgTS

• höhere Humusreproduktion als bei organischen Düngern (z.B. Gülle)

• Hygienisierung (Keimreduktion, Unkrautsamen)

Aspekte der Substratwahl


Gärrestaufbereitung


Substratbe-

reitstellung

Substratauf-

bereitung

Vergärung

Gasverwertung

Gasstrecke


unbedenkliche

Substrate z. B.

NaWaRos

Rasenschnitte


Seuchenhygienisch

bedenkliche

Substrate z. B.

Schlachtabfälle

Abfallfette

Speisereste


Fermenter

Heizen Rühren


Gaslager austragen

Nachgär-

behälter

Rühren

Gaslager

Sicherheits-

einrichtungen

Gasreinigung

Gastrocknung

Externes

Gaslager




Elektrischer

Strom


Gülle-

Endlager


Kraftstoffnutzung

Biogas ist ein Gasgemisch


• 50 - 80 Vol.-% Methan CH4 Energieträger

• 25 - 45 Vol.- % Kohlendioxid CO2

• 2 - 7 Vol.- % Wasser H2O

• 20 - 20.000 ppm Schwefelwasserstoff H2S

• - 2 Vol.- % Stickstoff N2

• - 2 Vol.-% Sauerstoff O2

• - 1 Vol.-% Wasserstoff H2

Energiegehalt von Methan


1 m³ Methan

Strom 3,5 kWhel

Brennwert 10 kWh brutto

Wärme 6,5 kWhth

Bei KWK – Nutzung

mit elektrischen Wirkungsgrad von 35 %

Biogasaufbereitung


Substratbe-

reitstellung

Substratauf-

bereitung

Vergärung

Gasverwertung

Gasstrecke


unbedenkliche

Substrate z. B.

NaWaRos

Rasenschnitte


Seuchenhygienisch

bedenkliche

Substrate z. B.

Schlachtabfälle

Abfallfette

Speisereste


Fermenter

Heizen Rühren


Gaslager austragen

Nachgär-

behälter

Rühren

Gaslager

Sicherheits-

einrichtungen

Gasreinigung

Gastrocknung

Externes

Gaslager




Elektrischer

Strom


Gülle-

Endlager


Kraftstoffnutzung

Methaneinspeisung ins Netz

HS Karlsruhe 3.Juni 2015, Folie 41 520 Mio. Nm³ Methan (Bundesnetzagentur 2014), Erdgasverbrauch D 86,5 Mrd. m³ 2013 FNR

Treibstoffnutzung


43

Kraft-Wärme-Kopplung Blockheizkraftwerke

Kraft-Wärme-Kopplung


Zündstrahlmotoren von

ca. 30 kW bis ca. 300 kW elektr. Gasmotoren von

ca. 300 kW bis über 1,5 MW elektr.

Biogasverwertung


Sterlingmotor

Mikrogasturbine Brennstoffzelle

ORC Anlage


Entwicklung der Anlagenzahl

Europa


Die Leistung des EEG


Deutschland

EU-27

OECD, Welt

Der Rest der Welt


Äthiopien 120 Kenia 600 Tansania 520 Bangladesch 900 China 47 Mio. Indien 20 Mio. Nepal 200.000 Pakistan 17.000 Thailand 5.500 Vietnam 1,1 Mio. Bolivien 320 Kuba 1000


Entwicklung der Anlagenzahl

BMWi 2015


• speicherbar und damit eine gesicherte Energiebereitstellung

• flexibel und damit grund- und spitzenlastfähig

Besonderheit Biogas


Gesicherte Leistung

Fraunhofer IWES 2014

Beitrag und Potential


DBFZ 2014

Regelenergiebedarf : 45 TWh/Jahr Strom aus Biogas aktuell: 25 TWh/Jahr Strom aus Biogas zukünftig: ---?---


• Wärme, 55% th. Wirkungsgrad • Gesamtwirkungsgrad von 85-90 % • Rückführung org. Reststoffe in Nährstoffkreislauf • Ressourcenschonung (Nährstoffe, Energie, Klima) • Verbesserung des organischen Düngers

Biogas ist mehr als nur Strom


• Potentiale liegen in der Landwirtschaft • kleineren Leistungsbereich unter 250 kW • Methaneinspeisung unter 125 Nm3/h • Power to Gas

• Wärmesektor!!!!!

Zukunft von Biogas


Diskussion- Zum Nachlesen- Vielen Dank!

- Negative Effekte - Mais-Monokultur - Wildpflanzen - Transport - Teller Tank - Kosten - Sicherheit - ….

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