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VTP Beck/Abdel-Hadi 1 Dr. Jürgen Beck Dr. Jürgen Beck BIO BIOV oltaik oltaik® SENCE SENCE Dr. Jürgen Beck Dr. Jürgen Beck Fa. BIOVoltaik® GmbH Rottenburg Abschlussdiskussion Abschlussdiskussion Strategie der Biomasseverwertung in Strategie der Biomasseverwertung in Deutschland und über die Möglichkeiten in Deutschland und über die Möglichkeiten in Litauen Litauen Exkursion LZUU Kaunas Exkursion LZUU Kaunas 18.8.2007 18.8.2007 Biogas – Energiegewinnung aus Bioabfall und Energiepflanzen

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Dr. Jürgen BeckDr. Jürgen BeckBIOBIOVVoltaikoltaik®®SENCESENCE

Dr. Jürgen BeckDr. Jürgen Beck Fa. BIOVoltaik® GmbHRottenburg

AbschlussdiskussionAbschlussdiskussion ““Strategie der Biomasseverwertung in Deutschland Strategie der Biomasseverwertung in Deutschland

und über die Möglichkeiten in Litauenund über die Möglichkeiten in Litauen””

Exkursion LZUU KaunasExkursion LZUU Kaunas18.8.200718.8.2007

Biogas – Energiegewinnung aus Bioabfall und Energiepflanzen

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BVBV52-1-52-1-22

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Source: World Bank 1995, BP 1996

Primary Energy Consumption and Primary Energy Consumption and Gross National Product per CapitaGross National Product per Capita

10

100

1.000

10.000

100 1.000 10.000 100.000

Per Capita Gross National Product in US$

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Bangladesh

India

Pakistan

ChinaEgypt

Indonesia

Philippines

Thailand

Russian Federation

Venezuela

BrazilTurkey

Malaysia

MexicoArgentina

Australia

Singapore

Germany

USA

Japan

(Mühlbauer 2000)

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Dr. Jürgen BeckDr. Jürgen BeckBIOBIOVVoltaikoltaik®®SENCESENCE Methanemissionen

Methanemissionen entstehen durch: Anaeroben Abbau organischer Reststoffe der

Kommunen (z. B. Mülledeponien), der Landwirtschaft und der Ernährungsindustrie

Ruktus der Wiederkäuer und durch Darmgase Naßreisbau und Sümpfe Anaeroben Abbau von Biomasseschlämmen in

den Sedimenten von Seen, Flüssen und Ozeanen

Europäische Landwirtschaft (Brink et al. 2001) trägt dazu 1,9 Mt CH4 bei

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Dr. Jürgen BeckDr. Jürgen BeckBIOBIOVVoltaikoltaik®®SENCESENCE Restenergie in Bioabfällen

Kommunaler BioabfallKommunaler Bioabfall

Speisereste in Speisereste in unterschiedlichem unterschiedlichem RottestadiumRottestadium

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Möglichkeiten der Energiegewinnung aus Biomasse

(nach Wellinger 1994)

Energie-fixierung in Biomasse

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Verfahren zur energetischen Nutzung von Biomassen

BiomasseBiomasse

trocken:HolzHolz

GetreideGetreideMaisMaisRapsRaps

feucht:GetreideGetreide

MaisMaisGrasGras

RübenRübenFestmistFestmist

flüssig:

Flüssig-Flüssig-mistmist

Alkoholische Gärung

MethangärungVerbrennung

Verschwelung

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Historische Entwicklung der

Biogasgewinnung I

Erste systematische Untersuchungen mit Sumpfgas durch Alessandro Volta 1770 in Oberitalien

1821 gibt Avogadro chemische Formel von Methan an 1824 Louis Pasteur: Versuche und Vorschlag,

Pferdemist zu vergären für Straßenbeleuchtung in Paris 1897 Abwasserklärung in Lepra-Krankenhaus in

Bombay/Indien, Nutzung zur Beleuchtung und ab 1907 zum Antrieb eines Motors

In Deutschland 1906 Imhoff entwickelt „Emscherbrunnen“ zur

Abwasserklärung, ab 1913 beheizter Fermenter 1920 Klärgas ins Essener Gasnetz eingespeist

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Dr. Jürgen BeckDr. Jürgen BeckBIOBIOVVoltaikoltaik®®SENCESENCE Historische Entwicklung II

Im 2. Weltkrieg Reinigung und Verdichtung für Fahrzeugantrieb, erste Kofermentation

1940 in Stuttgart Fettzugabe Nach dem 2. Weltkrieg durch Imhoff landw.

Biogasnutzung initiiert: „aus dem Mist einer Kuh ist hundert Mal soviel Gas zu gewinnen wie von einem städtischen Einwohner“

1947 Biogasanlage „System TU Darmstadt“ entwickelt

1959 von Landwirt Reusch in Hohenstein/Württemberg gebaut und bis in die 90er Jahre betrieben

In Italien 1920 Gasbrunnen für Sumpfgasnutzung in der Poebene

eingerichtet (wegen Brennstoffmangel)

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Historische Entwicklung III

in den 50er Jahren Anpassung der Technologie an Landwirtschaft (Sink-/Schwimmschichten), System Schmidt-Eggersglüß zur Verwertung von Festmist, aber Probleme mit Schwimmdecken, daher System Reusch, sicherer – Streben nach Autarkie -

Ab Mitte 50er Jahre wurden die damals ca. 50 landw. Anlagen nach und nach stillgelegt (Heizölpreis von 0,10 auf 0,04 €/l gefallen, nur 2 überlebten

1973 erste Ölkrise, 1978 zweite Ölkrise Bauboom: 150 Anlagen errichtet

Motivation: Energiegewinnung zur innerbetrieblichen Verwertung

danach erneuter Energiepreisverfall 60 Anlagen ab Ende 80er Jahre stillgelegt

Seit Anfang 90er Jahre 2. Boomphase

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Historische Entwicklung IV2. Boomphase

Zusatzeinkommen über Kofermentation von Abfallstoffen Entsorgungsdienstleistung -

Verbesserte Einspeisevergütung bei Biomassevergärung Geruchsminderung

Standortvorteil - Hygienisierung

Vorteil bei Tier- und Pflanzengesundheit - Dungwertverbesserung

Verringerung der Düngerkosten Verringerung des Treibhauseffekts (Kyoto-Protokoll)

Vorteil beim künftigen Handel mit Emissionszertifikaten

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Historische Entwicklung V2. Boomphase

Gründe: Stromeinspeisungsgesetz, seit 2000 Erneuerbare Energien Gesetz (EEG)

gesicherte Stromabnahme mit verbesserter Bezahlung Energiegewinnung (Strom + Wärme) zur außer- und

innerbetrieblichen Verwertung seit August 2004 verbesserte Bezahlung von

Biogasstrom aus nachwachsenden Rohstoffen: bis 15 kW 11,2 Cent/kWh

-1,5% Degression p.a. Bonus nachwachsende Rohstoffe + 6,0 Cent/kWh

bis 500 kW Bonus KW-Kopplungs-Strom + 2 Cent/kWh Bonus innovative Technologie + 2 Cent/kWh

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Anaerobe Fermentation

IIndustrielle und

kommunale

Abwasser-

behandlung

Landwirtschaftl.

Biogas-

systeme

Behandlung

fester organischer

Abfälle

Deponiegas

gewinnung

Abbau organischer

Masse, Hygiene Energiegewinnung

Hygiene

Umweltschutz

Energiegewinnung

Stabilisierung

v. K lärschlämmen

Energiegewinnung

Energiegewinnung

Düngewert

Geruchsbekämpfg.

Hygiene, Erlöse

Biogassysteme in Deutschland

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Ziele des Biogasverfahrens

Gewinnung hochwertiger Energie durch Abbau organischer Reststoffe von NawaRos

Geruchsminderung Verringerte

Ätzwirkung Verbesserte

Fließfähigkeit Verminderte

Methanemissionen

Verbesserte Pflanzenverträglichkeit

Bessere Düngewirkung Verbesserte

Pflanzengesundheit Hygienisierung (vor,

während oder nach Prozess)

Abbau von Unkrautsamen Einsparung von

Kanalanschlußgebühren

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Bestand landwirtschaftlicher Biogasanlagen

www.biomass.info.net

2003 / 2004

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Dr. Jürgen BeckDr. Jürgen BeckBIOBIOVVoltaikoltaik®®SENCESENCE

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

Anla

gen

zahl

0

200

400

600

800

1000

1200

inst

. el

. Lei

stung [M

W]

Anzahl Anlagen

inst. Gesamtleistung MWel.

Development of Biogas Plants in Germany

Number of Biogas Plants

Installed Electric Power

Nu

mb

er o

f B

iog

a s P

lan

t s

Ins t

alle

d e

lec t

r ic

Po

wer

[M

wel

.]

2006

est

im.

German Biogas Association (2006)

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Energetischer Vergleich anaerober und Energetischer Vergleich anaerober und aerober Aufbereitung organischer aerober Aufbereitung organischer

ReststoffeReststoffe

Metabolic Products

Aerobic Treatment /Composting

Anaerobic Treatment- Biogas

Fermentation -New Cell Biomass

60 % 10 %

Heat 40 % -

Methane - 90 %

Electricity consumed

about 2 kWhel/kg odm

generated

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Theoretische Gaserträge und -zusammensetzung

Substrat Gasertrag(l/kg TM)

Methangehalt(%)

Kohlendioxyd-gehalt (%)

Kohlen-hydrate

Proteine

Fette 3367

3070

5050

1200

700

800

(Hohlfeld / Sasse 1985)

Theoretische GaserträgeTheoretische Gaserträge

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Monofermentation von SpeiserestenAnlage Donaueschingen

Fahrzeug -Waage

Endlager

Gasspeicher

800 m³

1000 m³

3000 m³

165 m³

165 m³

165 m³

165 m³

Vorgrube

Beschickungs-grube

BHKW 511 kWel

Reserve-kessel

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Homogenisieren in Biogasfermentern

(Schulz 1996)

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Vereinfachtes Schema einer

Biogasanlage

Gülle

AbfälleBiomasse

Faulschlamm

Wärme

1 Stallanlagen2 Güllegrube 3 Sammelbehälter 4 Hygienisierungstank5 Biogasreaktor6 Gasspeicher 7 Blockheizkraftwerk8 Güllelagerbehälter 9 Ackerfläche

23 4

7

8

Biogas

Strom5

6

9

1

(Linke 2001)

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Wärmetausch am BHKW

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Dr. Jürgen BeckDr. Jürgen BeckBIOBIOVVoltaikoltaik®®SENCESENCE

Bemessungs- und Leistungsparameter

Grundparameter

Zulaufmenge

(FS oder oTS) Qm

d0

3

Zulaufkonzentration

(oTS oder OS) ckg

m0 3

Reaktorvolumen

V mR3

Biogasmenge Qm

dB

3

Ablaufmenge Qm

dA

3

Ablaufkonzentration ckg

mA 3

Belastungsparameter Leistungsparameter

mittlere Verweilzeit: tV

Qdm

R0

Raumbelastung: BQ c

V

c

t

kg

m dR

R m

0 0 0

3

Schlammbelastung: BQ c

V c

kg

kg dTSR A

0 0

Biogasausbeute: yQ

Q c

m

kgBB

0 0

3

Biogasrate: rQ

Vy B

m

m dBB

R

B R

3

3

spezifische Biogasrate: rQ

V c

m

kg dSB

R A

3

(Linke 2001)

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Biogasausbeuten bezogen auf Frischmasse

http://www.biomasse-info.net/

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(Heyland 1978)

Energieertrag von Nutzpflanzen

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• Kofermentation verbessert reaktorspezifischen Methanertrag

• effektivere Nutzung des Fermentervolumens• Steigerung der pro Tag nutzbaren Methanmenge

Rüben• hohe Flächenerträge an leicht fermentierbarer oTS• gute Abbaubarkeit • verlustarme Konservierung, automatisierbare Entnahme• kein zusätzlicher Nährstoff- / Schadstoffeintrag

Kofermentation von Rindergülle mit Gehaltsrübenmussilage Zielsetzung

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Dr. Jürgen BeckDr. Jürgen BeckBIOBIOVVoltaikoltaik®®SENCESENCE

Different Energetic Efficiency Different Energetic Efficiency of Wheat of Wheat

Energy Generation from 1000 kg of CerealsEnergy Generation from 1000 kg of Cereals1.1.    BioethanolBioethanol 350 l Bioethanol - Consumption for Process Energy (33%)350 l Bioethanol - Consumption for Process Energy (33%) = 234 l Ethanol x 6,5 kWh/l= 234 l Ethanol x 6,5 kWh/l = = 1521 kWh Energy1521 kWh EnergyValuable, versatile utilisable, can be stored and transportedValuable, versatile utilisable, can be stored and transported

38% electric efficiency x 0,16 € = 38% electric efficiency x 0,16 € = 92,47 €92,47 € 42% thermal efficiency x 0,03 € = 42% thermal efficiency x 0,03 € = 19,16 €19,16 €

Energetic ValueEnergetic Value 111,63 € 111,63 €2. Incineration „ Heat with Wheat“2. Incineration „ Heat with Wheat“

3950 kWh Gross Energy Content3950 kWh Gross Energy Content 90 % Efficiency90 % Efficiency = = 3555 kWh Energy3555 kWh Energy

Simple thermal energy only for heating purposesSimple thermal energy only for heating purposesProblems with exhaust gases and ashesProblems with exhaust gases and ashes

• 3555 kWh x 0,03 € = 3555 kWh x 0,03 € = 106,65 € 106,65 €

Energetic ValueEnergetic Value     106,65 € 106,65 €

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Dr. Jürgen BeckDr. Jürgen BeckBIOBIOVVoltaikoltaik®®SENCESENCE

Different Energetic Efficiency of Different Energetic Efficiency of CerealsCereals

Energy Generation from 1000 kg of CerealsEnergy Generation from 1000 kg of Cereals  3. Biogas3. BiogasBiological Generation of Biogas Biological Generation of Biogas 750 m³ 750 m³- 2% Consumption for Process - 2% Consumption for Process = 735 m³ Biogas= 735 m³ BiogasEnergy Content with 55% Methane Energy Content with 55% Methane = = 4042 kWh4042 kWhValuable, versatile utilisable, can be stored Valuable, versatile utilisable, can be stored and transported with restrictions and transported with restrictions

38% electric efficiency x 0,16 € = 38% electric efficiency x 0,16 € = 245,75 245,75 €€ 42% thermal efficiency x 0,03 € = 42% thermal efficiency x 0,03 € = 50,92 € 50,92 €

Energetic ValueEnergetic Value 296,86 € 296,86 € Financial AdvantagesFinancial Advantages + 185.23 € + 185.23 €

+ 190.21 €+ 190.21 €Consequence: Best energetic Utilisation of Cereals with Biogas FermentationConsequence: Best energetic Utilisation of Cereals with Biogas Fermentation

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Vergleichsmessungen an Biogasanlagen

(FNR 2004)

Anlage 35System Entec

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Technologische und ökologische Wirkungen der Methangärung

Technologische Eigenschaften: TS-Gehalt um 25-40% gesenkt, bessere

Fließfähigkeit Homogenität, leichter zu rühren, für moderne

Verteiler geeignet Düngewirkung:

Engeres C/N-Verhältnis, kaum N-Verluste, C-Abbau, besser pflanzenverfügbar

größere Gefahr von NH3-Emissionen kein Abbau von Nährstoffen !!

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Dr. Jürgen BeckDr. Jürgen BeckBIOBIOVVoltaikoltaik®®SENCESENCE

Technologische und ökologische Wirkungen der Methangärung

Geruchsabbau: Flüchtige Fettsäuren im Prozess abgebaut, wenn

keine Überlastung Bei Überlastung starker Anfall von FFS

Hygiene: Pathogene Keime abgebaut (Temperatur,

Verweildauer) Wichtiger Ansatz zur Bekämpfung von Seuchen,

insb. wenn mit separater Hygienisierung ausgerüstet Phytohygiene gestärkt Unkrautrsamen abgebaut

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Dr. Jürgen BeckDr. Jürgen BeckBIOBIOVVoltaikoltaik®®SENCESENCE

Perspektiven und Chancen der Biogaserzeugung

Wesentlicher Teil der zukünftigen Strategien zur energetischen Nutzung feuchter und flüssiger Bioabfälle sowie zu deren Massenreduktion

Neben Kompostierung wichtigste Behandlung zur Rückführung von Nährstoffen im Kreislauf

CO2-neutrale Energiegewinnung, Handel von Emissionszertifikaten

Ermöglicht Entsorgungsdienstleistung / -einkünfte Zusatzeinkommen durch Anbau und Verwertung

von NawaRos Vom Landwirt zum Energiewirt

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Dynamic Development in Biogas Industry

2006Forecast

2020

Number of Plants 3.500 -

Installed electric Power (total)

1.100 MW 9.500 MW

Power Generation > 5 x109 kWh1 76 x109 kWh

Share of Total German Power Generation

> 1 % 17 %

Turnover of Plant Manufacturers

> 1 Billion EUR 7,6 Billion EUR

Jobs about 10.000 85.000

CO2 Emission Reduction

5 Mio t/a 103 Mio t/a

Biogas Industry in Germany – Forecast 2006

1 : depending on start date of unit German Biogas Association (2006)

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Dr. Jürgen BeckDr. Jürgen BeckBIOBIOVVoltaikoltaik®®SENCESENCE

Perspektiven und Chancen der Biogaserzeugung

Vielversprechender Ansatz, da Stromproduktion für Spitzenlast möglich

Sehr dynamischer Wachstumsmarkt Gute Ideen können schnell verwirklicht werden Exportschlager, grosse Nachfrage in Fernost,

auch an Knowhow USA ist Entwicklungsland bei Anaerobtechnologie D ist Marktführer mit guten Aussichten