Entwicklung eines Leitfadens zur Auswahl von ... · BMWi-03KB106A, 31.01.2019 I Entwicklung eines...

BMWi-03KB106A, 31.01.2019 I

Entwicklung eines Leitfadens zur

Auswahl von standortspezifisch

angepassten Rühr- und

Substrataufschlussverfahren für

Biogasanlagen – ELIRAS

Schlussbericht FKZ 03KB106A

Hofmann, Josephine;Pröter, Jürgen;Weinrich, Sören;Kornatz,

Peter;Daniel-Gromke, Jaqueline;Schumacher Britt;Rostalski,

Kay;Merkel, Wolfgang

DBFZ Deutsches Biomasseforschungszentrum

gemeinnützige GmbH

Torgauer Straße 116

04347 Leipzig

Tel.: +49 (0)341 2434-112

Fax: +49 (0)341 2434-133

www.dbfz.de

[email protected]

Datum: 31.01.2019

http://www.dbfz.de/

mailto:[email protected]

BMWi-03KB106A, 31.01.2019 II

Projektträger: Projektträger Jülich

Forschungszentrum Jülich GmbH

Lena Panning

Zimmerstraße 26-27

10923 Berlin

Projektkoordinator: DBFZ Deutsches Biomasseforschungszentrum gemeinnützige GmbH


04347 Leipzig

Dr.-Ing. Jürgen Pröter Dr.-Ing. Jan Liebetrau

Tel.: +49 (0)341 2434-517 +49 (0)341 2434-716

Fax: +49 (0)341 2434-133

E-Mail: [email protected] [email protected]

Verbundpartner Lifetec –Systems GmbH

Schulenbrooksweg 37

21029 Hamburg

Wolfgang Merkel

Tel.: +49 (0)345/5801770 Mobil: +49 (0)172/6337903

Fax: +49 (0)345/5801771

E-Mail: [email protected]

Maier Energie und Umwelt GmbH

Bergerhausen 5

87719 Mindelheim

Alois Maier

Tel.: +49(0)8261738 945 Fax: +49 (0)8261738 947

E-Mail: [email protected]

Erstelldatum: 31.01.2019

Projektnummer DBFZ: 3230038

Projektnummer PTJ: 03KB106A

Gesamtseitenzahl 141

Die Verantwortung für den Inhalt dieser Veröffentlichung liegt bei den Autoren.

Für alle Abbildungen, die nicht anderweitig gekennzeichnet sind, liegt das Copyright bei der

DBFZ gGmbH.

An dieser Stelle sei den wissenschaftlichen Hilfskräften Josephine Hörner, Christof Zeeb und Mia

Samantha ein großer Dank für die geleistete Arbeit ausgesprochen.



Inhaltsverzeichnis

BMWi-03KB106A, 31.01.2019 III

Inhaltsverzeichnis

Abkürzungs- und Symbolverzeichnis ................................................................................................................................ V

1 Kurzdarstellung .................................................................................................................................................... 8

1.1 Aufgabenstellung ....................................................................................................................................................... 8

1.2 Voraussetzungen, unter denen das Vorhaben durchgeführt wurde ................................................................... 8

1.3 Planung und Ablauf des Vorhabens ...................................................................................................................... 10

1.4 Anknüpfung an den wissenschaftlichen und technischen Stand .................................................................... 11

1.5 Zusammenarbeit mit anderen Stellen ................................................................................................................. 14

2 Ausführliche Darstellung .................................................................................................................................. 14

2.1 Verwendung der Zuwendung.................................................................................................................................. 14

2.2 Zusammenfassung .................................................................................................................................................. 14

2.3 Ergebnisse und Gegenüberstellung der vorgegebenen Ziele ........................................................................... 15

2.3.1 Bestandsaufnahme (AP1)..................................................................................................................... 15

2.3.1.1 Stand der Rührtechnik in Biogasanlagen ....................................................................................... 15

2.3.1.2 Substrataufschluss im Biogasanlagenbestand (2014) ................................................................. 16

2.3.1.3 Literatur- und Herstellerangaben zu Substrataufschlussverfahren .............................................. 17

2.3.1.4 Weiterentwicklung experimenteller Untersuchungen zum Substrataufschluss (DBFZ) .............. 21

2.3.1.5 Literaturrecherche ........................................................................................................................... 25

2.3.2 Fragekatalog (AP2) ................................................................................................................................ 27

2.3.3 Effekte des Substrataufschlusses (AP3) ............................................................................................ 27

2.3.3.1 Einteilung der Effekte von Substrataufschluss .............................................................................. 27

2.3.3.2 Einfluss durchmischtes Fermentervolumen auf Biogasbildung .................................................... 30

2.3.3.3 Statistische Signifikanz .................................................................................................................... 33

2.3.3.4 Charakterisierung von Substrat und Fermenterinhalt (AP3) ......................................................... 38

2.3.4 Gärversuche (AP3 und AP7) ................................................................................................................. 51

2.3.4.1 Gärversuche im Labormaßstab (AP3) ............................................................................................. 53

2.3.4.2 Gärversuche im großtechnischen Maßstab (AP7) ......................................................................... 71

2.3.5 Energetische und ökonomische Bewertung (AP5) ........................................................................... 78

2.3.5.1 Methodik der betriebswirtschaftlichen Bewertung ........................................................................ 79

2.3.5.2 Ergebnisse ........................................................................................................................................ 85

2.3.6 Ökologische Bewertung (AP5).............................................................................................................. 90

2.3.6.1 Methodik der THG-Bilanzierung ...................................................................................................... 90

2.3.6.2 Ergebnisse ........................................................................................................................................ 93

2.3.7 ELIRAS Leitfaden (AP6) ......................................................................................................................... 95

2.3.7.1 Aufbau des ELIRAS-Leitfadens ........................................................................................................ 95

2.3.7.2 ELIRAS Modell .................................................................................................................................. 98

2.4 Wichtigste Positionen des zahlenmäßigen Nachweises .................................................................................113

2.5 Notwendigkeit und Angemessenheit der geleisteten Arbeit ..........................................................................113

2.6 Darstellung des voraussichtlichen Nutzens .......................................................................................................114

Inhaltsverzeichnis

BMWi-03KB106A, 31.01.2019 IV

3 Kurzfassung – Berichtsblatt .......................................................................................................................... 115

4 Document Control Sheet ................................................................................................................................ 117

Abbildungsverzeichnis .................................................................................................................................................. 118

Tabellenverzeichnis ...................................................................................................................................................... 122

Literatur- und Referenzverzeichnis ............................................................................................................................. 124

5 Anhang ............................................................................................................................................................ 129

A 1 Fragekatalog ................................................................................................................................................... 129

A 2 Veränderung der einzelnen Siebfraktionen im diskontinuierlichen Gärversuch ....................................... 133

A 3 Diskontinuierlicher Gärversuch zum Vergleich der mechanischen und mechanisch-chemischen

Desintegration ................................................................................................................................................ 134

A 4 Prozessstabilität im kontinuierlichen Gärversuch im Labormaßstab L3 ................................................... 135

A 4.1 pH-Wert ....................................................................................................................................................................135

A 4.2 Flüchtige organische Säuren FOS .......................................................................................................................135

A 4.3 Pufferkapazität FOS/TAC .....................................................................................................................................136

A 4.4 Ammoniumstickstoff NH4-N ................................................................................................................................136

A 5 Abklingversuch L3 .......................................................................................................................................... 137

A 6 Futtermittelanalyse Winterweizenstroh (Gärversuch L3) ............................................................................ 138

A 7 Partikelgrößenverteilung (Gärversuch L3) .................................................................................................... 139

A 7.1 Winterweizenstroh, unbehandelt ........................................................................................................................139

A 7.2 Winterweizenstroh, mechanisch-chemisch desintegriert ................................................................................139

A 7.3 Fermenterinhalt F1, unbehandeltes Substrat ...................................................................................................139

A 7.4 Fermenterinhalt F2, mechanisch-chemisch desintegriertes Substrat ..........................................................140

A 7.5 Fermenterinhalt F3, unbehandeltes Substrat ...................................................................................................140

A 7.6 Fermenterinhalt F4, mechanisch-chemisch behandeltes Substrat ...............................................................140

A 8 Gärversuch L4 mit thermisch desintegriertem Gerstenstroh ..................................................................... 141

A 8.1 Methanertrag kontinuierlicher Gärversuch ........................................................................................................141

A 8.1 Futtermittelanalyse Gerstenstroh .......................................................................................................................141

A 9 Eingangsdaten für die Massenbilanzierung der kontinuierlichen Gärversuche ........................................ 142

A 9.1 Gärversuch L3 mit mechanisch-chemisch desintegriertem Weizenstroh ....................................................142

A 9.2 Gärversuch L4 mit thermisch desintegriertem Gerstenstroh .........................................................................142

Abkürzungs- und Symbolverzeichnis

BMWi-03KB106A, 31.01.2019 V


Abkürzung Erklärung

ANOVA Varianzanalyse (Analysis of Variance)

AP Arbeitspaket

AHD Algorithmus Hydrodynamik

AMPTS Automatic Methane Potential Test System

ASA Algorithmus Substrataufschluss

BGA Biogasanlage

BHKW Blockheizkraftwerk

BMP Restgaspotenzial

CFD computational fluid dynamics

D Durchmischung

DBFZ Deutsches Biomasseforschungszentrum gemeinnützige GmbH

F Fermenter

FoTS Fermentierbare organische Trockensubstanz

FKZ Förderkennzeichen

FM Frischmasse

GC Gaschromatographie

GPL Gärproduktlager

HPLC High-Performance-Liquid Chromatographie

HRT Hydraulic Retention Time (Verweilzeit)

HTK Hühnertrockenkot

IKTS Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme

LTS Lifetec –Systems GmbH

Maier Maier Energie und Umwelt GmbH

NFC Nicht-Faser-Kohlenhydrate (Zucker, Stärke, Pektine)

p p-Wert (Signifikanzwert eines statistischen Tests)


BMWi-03KB106A, 31.01.2019 VI

Abkürzung Erklärung

oTS Organische Trockensubstanz

PTJ Projektträger Jülich

R² Bestimmtheitsmaß

rpm revolutions per minute (Umdrehungen pro Minute)

THG Treibhausgas

TS Trockensubstanz

UFZ Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung

VT Versuchstag

Formelzeichen Erklärung Einheit

CH4 Methangehalt %

D Durchmischung %

fk Faktor zur Übertragung vom diskontinuierlichen in den kontinuierlichen Prozess –

fW Faktor für den stöchiometrischen Wasserbedarf –

fB Faktor für mikrobielles Biomassewachstum –

FoTS Fermentierbare organische Trockensubstanz %TS

FOS Flüchtige organische Säuren (Summenparameter) mg L-1

FOS/TAC Pufferkapazität –

FM Frischmasse g

HRT Hydraulic Retention Time (hydraulische Verweilzeit) d

K Konsistenzfaktor Pa sn

k-Wert Bruttoreaktionsgeschwindigkeitskonstante/Reaktionskinetik d-1

kB0 Reaktionskinetik der Gasbildung von unbehandeltem Substrat im diskontinuierlichen

Gärversuch (Batch-Test)

d-1

kB1 Reaktionskinetik der Gasbildung von desintegriertem Substrat im diskontinuierlichen

Gärversuch (Batch-Test)

d-1

KK0 Reaktionskinetik der Gasbildung von unbehandeltem Substrat im kontinuierlichen

Gärversuch (Labor- oder Praxismaßstab)

d-1


BMWi-03KB106A, 31.01.2019 VII

Formelzeichen Erklärung Einheit

kK1 Reaktionskinetik der Gasbildung von desintegriertem Substrat im kontinuierlichen

Gärversuch (Labor- oder Praxismaßstab)

d-1

m Fließindex –

mStroh Masse an Stroh g

NH4-N Ammoniumstickstoffgehalt g kgFM-1

oTS Organische Trockensubstanz %TS

OLR Organic Loading Rate (Raumbelastung) goTS L-1 d-1

TS Trockensubstanz %FM

VCH4,spez Gemessener Methanertrag L kgoTS-1

VRestgas Restgaspotenzial L kgFM-1

x50 Median (Partikeldurchmesser) mm

xK Mittlerer Partikeldurchmesser einer Partikelklasse mm

xm Mittlerer Partikeldurchmesser der gesamten Verteilung mm

xm0 Mittlerer Partikeldurchmesser von unbehandeltem Substrat oder Fermenterinhalt mm

xm1 Mittlerer Partikeldurchmesser von desintegriertem Substrat oder Fermenterinhalt mm

xS Siebgröße, Maschenweite mm

Griechisches

Symbol

Erläuterung Einheit

α Irrtumswahrscheinlichkeit –

γ Schergeschwindigkeit s-1

η Dynamische Viskosität Pa s

Temperatur °C

ψ Sphärizität –

Kurzdarstellung

BMWi-03KB106A, 31.01.2019 8

1 Kurzdarstellung

1.1 Aufgabenstellung

Substrataufschlussverfahren (auch Desintegrationsverfahren) nehmen in der aktuell im Fokus stehende

Effizienzsteigerung von Biogasanlagen eine wichtige Rolle ein, da sie ein enormes Potenzial zur Erhöhung

der Substratausnutzung sowie zur Senkung des Energieaufwandes besitzen. Die Angaben von Herstellern

zu den Effekten einer Substrataufschlusseinheit sind dabei allerdings so vielfältig und unübersichtlich

wie der Markt an Substrataufschlussverfahren selbst. Betreibern von Biogasanlagen fehlen einheitliche

Kriterien zur objektiven Bewertung genannter Verfahren. Ziel des Vorhabens ELIRAS ist es, den Betreibern

mit dem im Projekt entwickelten Leitfaden ein solches Werkzeug zur Entscheidungshilfe an die Hand zu

geben. Der Leitfaden umfasst dabei eine wissenschaftliche Methodik, die auf Basis verfahrens-

technischer Berechnungsgrundlagen und hydrodynamischer Parameter eine einheitliche Herangehens-

weise zur objektiven Bewertung von Substrataufschlussverfahren ermöglicht. Unter Berücksichtigung der

Anlagenspezifik wird sowohl der Einfluss von Desintegrationsverfahren auf die Gasbildung als auch auf

die Hydrodynamik im Fermenter betrachtet.

1.2 Voraussetzungen, unter denen das Vorhaben durchgeführt wurde

Der Zuwendungsempfänger DBFZ Deutsches Biomasseforschungszentrum gemeinnützige GmbH (DBFZ)

verfügt über langjährige Erfahrung in der wissenschaftlichen Bewertung von Biogasprozessen im Labor-

und Praxismaßstab. Im Labormaßstab steht eine große Anzahl an Modellfermentern zur Verfügung. Es

kann auf umfangreiche Erfahrungen in der Durchführung diskontinuierlicher sowie (quasi-)

kontinuierlicher Gärversuche zurückgegriffen werden. Die stetige Weiterentwicklung der Methodik hat

eine Erhöhung der Aussagefähigkeit und Genauigkeit von Gärversuchen nach sich gezogen.

Der umfangreiche Erfahrungsschatz des DBFZ beruht auf der erfolgreichen Durchführung zahlreicher

Vorhaben zur Desintegration in der Vergangenheit. Die wichtigsten Forschungsprojekte sind in Tabelle 1

gelistet. Es wird deutlich, dass das DBFZ Erfahrungen zum Substrataufschluss einer Vielzahl an

Substraten und Substrataufschlussverfahren vorweisen kann.

Wesentliche Erkenntnisse aus abgeschlossenen Forschungsvorhaben wurden in der Fachliteratur

veröffentlicht (nachfolgend eine Auswahl):

Schumacher, B., Hofmann, J. und Pröter, J.: Verfahrensüberblick zur Desintegration von

Biomasse. Biogas Journal 1_2012, S.88-94

Schumacher, B., Liebetrau, J., Wedwitschka, H.: A Concept of a Comparative Energetic and

Economic Assessment of Pre-Treatment Technologies for Substrates. BioGasWorld –

International Anaerobic Digestion Symposium, 23.-25.4.2013, Berlin, Germany, organised by

IBBK, p. 160-167, ISBN: 978-3-940706-06-5

Schumacher, B.; Wedwitschka, H.; Glover, K.; Liebetrau, J.: Disintegration in The Biogas Sector -

Technologies and Effects, in: Wong, J.; Tyagi, R.; Nelles, M.; Selvam, A. (Eds.) International

Conference on Solid Waste 2013 - Innovation in Technology and Management, 5-9 May 2013

Hong Kong Special Administrative Region, P.R. China, Conference Proceedings, pp. 325-333, CD

pp. 321-324, ISBN 978-988-19988-5-9

Kurzdarstellung

BMWi-03KB106A, 31.01.2019 9

Tabelle 1: abgeschlossene Forschungsvorhaben des DBFZ zum Thema Substrataufschluss

Titel

Forschungsvorhaben

Fördermittelgeber, Projekt-

träger, Förderkennzeichen;

Projektpartner

Laufzeit betrachteter

Substrat-

aufschluss

betrachtete

Substrate

Forcierte Co-Vergärung

von Klärschlamm und

organischen Abfällen*

Bundesministerium für

Wirtschaft und Technologie

2001 Ultraschall Klär-

schlamm,

Gülle

Verfahren zur

Aufbereitung von

Klärschlamm und

anderer Substrate mit

UV-Licht zur

Biogaserzeugung*


Wirtschaft und Technologie

2004 UV Klär-

schlamm

Untersuchungen und

Bewertungen zum

Einsatz von Enzymen in

Biogasanlagen auf

deren Wirksamkeit und

deren Wirkungsweise

sowie zur Veränderung

des Verfahrensablaufs

im Labor-, Technikum-

und Praxisanlagen-

Maßstab


Ernährung, Landwirtschaft und

Verbraucherschutz (BMELV);

Fachagentur Nachwachsende

Rohstoffe e. V. (FNR); Partner:

ATB Potsdam, PFI Pirmasens,

ASA Spezialenzyme, ARCHEA,

Biogas Nord

10/2010

bis

09/2013

Enzymatisch Maissilage,

Roggen-

Ganz-

pflanzen-

silage,

Grassilage,

Rindergülle,

HTK

Wachstumskern –

Chemnitz FutureGas:

Entwicklung von

Steuerungswerkzeugen

für modulare

Biogasanlagen

hinsichtlich ihres

Stoffstrommanagements

Bundesministerium für Bildung

und Forschung (BMBF);

Projektträger Jülich (PtJ); FKZ:

03WKBS01A, u.a. Ventury

GmbH Energieanlagen,

(insgesamt 10 Partner)

09/2010

bis

08/2013

Thermo-

Druck-

Hydrolyse

Gersten-

stroh,

Grassilage,

Papier-

schlamm

ERANET „Klein aber

effizient – Kosten- und

energieeffiziente

Biomethanproduktion„


Ernährung und Landwirtschaft

(BMEL), Fachagentur

Nachwachsende Rohstoffe e.

V. (FNR); FKZ: 22028412, u.a.

Ventury GmbH Energieanlagen,

weitere Projektpartner aus

Polen und Schweden

02/2013

bis

04/2016

Auto-

hydrolyse,

Thermo-

Druck-

Hydrolyse

Rindermist

* Vorhaben zur Untersuchung von Substrataufschluss, welche am Vorgängerinstitut des DBFZ liefen

Kurzdarstellung

BMWi-03KB106A, 31.01.2019 10

Über die jährliche Betreiberbefragung des DBFZ besteht Zugang zu einem Großteil der Biogasanlagen

Deutschlands. Auch im Vorhaben „Biogas-Messprogramm III“ (1.12.2015 - 30.11.2019, FKZ: 22403515,

FNR), welches vom DBFZ federführend bearbeitet wird, wird intensiv mit Praxis-Biogasanlagen

zusammengearbeitet. Diese Kontakte wurden im Vorhaben ELIRAS genutzt, um geeignete Biogasanlagen

zu finden und den ELIRAS Leitfaden auch im großtechnischen Maßstab anzuwenden.

Auch über den Verbundpartner Maier Energie- und Umwelt (nachfolgend Maier) bestehen zahlreiche

Kontakte zu Biogasanlagen. Es kann auf ein Netzwerk von bisher mehr als 130 ertüchtigten Anlagen

zurückgegriffen werden. Dieses Netzwerk des Verbundpartners Maier ist für das Vorhaben ELIRAS von

besonderem Interesse, da es sich um ertüchtigte, im Umbau befindliche Biogasanlagen bzw. um

Biogasanlagen mit Interesse an Effizienzsteigerung handelt. Aufgrund der Begleitung der Biogasanlagen

durch das Unternehmen Maier während einer Bestandsaufnahme oder Umstellung, besteht intensiver

Kontakt und somit größere Kooperationsbereitschaft der Anlagenbetreiber.

Als Bindeglied zwischen Wissenschaft und Praxis setzt der dritte Verbundpartner Lifetec –Systems GmbH

(nachfolgend LTS) sein Know-How auf dem Gebiet der Rührtechnik in den wissenschaftlichen

Modelluntersuchungen zur Hydrodynamik ein.

Als positive Voraussetzung wird auch die bestehende Vernetzung zum Service- und Begleitvorhaben SuB

(03KB001 DBFZ) der Energetischen Biomassenutzung gesehen, welches als Plattform zur öffentlichen

Darstellung des Vorhabens genutzt werden kann.

1.3 Planung und Ablauf des Vorhabens

Gemäß Vorhabenbeschreibung wurde das Vorhabens in acht Arbeitspaketen (AP) geplant und umgesetzt.

Die Untergliederung des Vorhabens in Arbeitspaketen und die dazugehörigen Meilensteine sind

nachfolgend zusammengefasst.

AP1: Bedarfs- und Potenzialanalyse

M 1.1: Auswahl der Reststoffe abgeschlossen

M 1.2: Analyse des Bedarfs an Substrataufschlussverfahren abgeschlossen

AP2: Entwicklung eines Fragekatalogs für eine Ist-Stands-Analyse als Bestandteil des Leitfadens

M 2.1: Fragekatalog für eine Ist-Stands-Analyse erstellt

AP3: Bewertung von Substrataufschlussverfahren

M 3.1: Labor- und Technikumsuntersuchungen abgeschlossen

AP4: Bewertung und Auswahl der Rührtechnik

M 4.1: Methodik Rührtechnik erstellt

AP5: Energetische, ökonomische und ökologische Bewertung

M 5.1: Vorgehensweise für Energiebilanz festgelegt

M 5.2: Ökonomische Berechnungstools erstellt und getestet, Ökologische Bewertung

abgeschlossen

Kurzdarstellung

BMWi-03KB106A, 31.01.2019 11

AP6: Erarbeitung eines Leitfadens zur Effizienzsteigerung von Biogasanlagen durch

Substrataufschluss

M 6.1: Leitfaden Substrataufschlussverfahren erstellt

AP7: Anwendung des Leitfadens an einer großtechnischen Biogasanlage

M 7.1: Demonstration des Vorhabens im großtechnischen Maßstab abgeschlossen

AP 8: Fachliche und organisatorische Koordination des Verbundvorhabens

M 8.1: 1. Zwischenbericht nach Maßgabe des PtJ (01/2016)

M 8.2: 2. Zwischenbericht nach Maßgabe des PtJ (01/2017)

M 8.3: Projektabschluss (12/2017)

Wie bereits in der Vorhabenbeschreibung hingewiesen wurde, waren die ursprünglich veranschlagten

Bearbeitungszeiträume insbesondere für die praktischen Untersuchungen zunächst vorläufig. Aufgrund

anfänglich nicht nachzuweisender Effekte von Substrataufschluss in Gärversuchen kam es im realen

Projektverlauf zu Verzögerungen. Das DBFZ stellte am 19.04.2017 einen Antrag auf kostenneutrale

Verlängerung um 6 Monate, woraus sich eine Verschiebung des Projektendes vom 31.12.2017 auf

30.6.2018 ergab. Dem Antrag auf Verlängerung wurde zum 03.05.2017 vom PtJ entsprochen. Von Seiten

der Projektpartner LTS und Maier wurde keine Verlängerung beantragt. Planung und Erreichungsstand

des Vorhabens können dem Balkenplan in Abbildung 1 entnommen werden.

Abbildung 1: Arbeits- und Meilensteinplanung (Projektende 12/2017) sowie realer Erreichungsstand nach Verlängerung des

Vorhabens (Projektende 06/2018)

1.4 Anknüpfung an den wissenschaftlichen und technischen Stand

Auf welchem Stand Wissenschaft und Praxis zu den Themen „Substrataufschluss“ und „Durchmischung“

ist, wurde im ersten Arbeitspaket des Vorhabens ELIRAS herausgearbeitet. Die Darstellung zum Ist-Stand

der Rührtechnik in Biogasanlagen, zum Substrataufschluss im Biogasanlagenbestand, in der Literatur

und nach Angaben der Hersteller sowie der Stand bisheriger experimenteller Untersuchungen zum

Substrataufschluss ist in Kapitel 2.3.1 „Bestandsaufnahme (AP1)“ (ab S. 15) nachzulesen.

AP 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 2 3 4 5 6

1.1 1.2

2.1

3.1 3.1

4.1 4.1

5.1 5.2 5.2

6.1 6.1

7.1 7.1

8.1 8.1 8.1 8.1 8.2 8.1 8.2

Planung lt. Vorhabenbeschreibung 1.1 Meilenstein lt. Vorhabenbeschreibung Planung nach Verlängerung 1.1 Meilenstein nach Verlängerung

8 Koordination des

Verbundvorhabens

5 Energet., ökon. &

ökol. Bewertung

6 Leitfaden Substrat-

aufschlussverf.

7 Demonstration des

Vorhabens

2 Entwickung eines

Fragekatalog

3 Bewertung Substrat-

aufschlussverf.

4 Bewertung

Rührtechnik

2015 2016 2017 2018

1 Bedarfs- und

Potenzialanalyse

Kurzdarstellung

BMWi-03KB106A, 31.01.2019 12

Der Biogasanlagenbestand wurde mit Hilfe der DBFZ-eigenen Datenbank zur jährlichen

Betreiberbefragung hinsichtlich Desintegrationsverfahren ausgewertet. Zur Literaturrecherche wurden

bestehende Zugänge zu Fachzeitschriften genutzt. Die Angaben der Hersteller wurden im persönlichen

Kontakt auf der Biogas-Jahrestagung 2015 in Bremen zusammengetragen.

Aus den Vorhaben

„Untersuchungen von Mischungssystemen in Biogasfermentern unter Einsatz der Prozess-

Tomographie“ (FKZ: 22016111), Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.V. (FNR), 11/2011-

01/2014; [1]

„Entwicklung eines Steuerungs- und Regelkonzeptes für Mischprozesse in Biogasfermentern auf der

Basis zu validierender Prozessmodelle“ (FKZ: 22023012), Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe

e.V. (FNR), 09/2013-02/2016; [2]

EFFIGEST („Entwicklung einer hocheffizienten Prozesskette zur Effizienzsteigerung bei der Vergärung

von Geflügelmist unter Nutzung modifizierter Strohfraktionen und mit prozessintegrierter Gewinnung

marktfähigem Düngers“; Fraunhofer IKTS (Dresden); 09/2013-08/2016; Förderkennzeichen FKZ:

03KB081; PTJ); [3]

wurden bereits erarbeitete Erkenntnisse zum Zusammenhang von Stoffeigenschaften und Mischprozess

bei hoch konzentrierten faserigen Stoffsystemen sowie zum Substrataufschluss von Stroh genutzt und

im Vorhaben ELIRAS verwertet.

Im Nachfolgenden wird die zum Beginn des Vorhabens herrschende Definition von Substrataufschluss in

kurzer Form beschrieben.

Im „Leitfaden Biogas“ wird der Substrataufschluss (auch Desintegration genannt) über das Ziel „die

Zerstörung der Zellwandstruktur zur Freisetzung des gesamten Zellinhaltes“ [4] definiert. Dabei kann der

Substrataufschluss sowohl zur Vorbehandlung von Substraten für Biogasanlagen als auch zur

Behandlung des Fermenterablaufs der anaeroben Vergärung mit dem Zweck einer erneuten Vergärung

erfolgen. Durch die Freisetzung von Zellmaterial wird eine gesteigerte Verfügbarkeit abbaubarer

Substanzen erwartet. Im Zusammenhang mit einer vergrößerten Partikeloberfläche zieht dies einen

schnelleren Substratabbau nach sich. [5–8] Um die Wirkung eines Substrataufschlusses zu bewerten,

wird häufig lediglich die Auswirkung auf die Biogasbildung beurteilt. Sekundäre Effekte auf die

Hydrodynamik im Biogasfermenter werden dabei selten berücksichtigt. Während sich der verstärkte

Substratabbau direkt auf die Biogasbildung auswirkt, ziehen sekundäre Effekte eine indirekte Effizienz-

steigerung des Biogasprozesses nach sich, wie z. B. eine effizientere Nutzung der Fermenterkapazität

oder eine verminderter Rühr- und Pumpleistung infolge der verbesserten Durchmischung.

Substrataufschlussverfahren können nach der Art des Energieeintrages in physikalische, chemische und

biologische Verfahren untergliedert werden. [6] Während thermische, mechanische und elektrische

Prozesse den physikalischen Methoden zugeordnet werden, erfolgt die chemische und biologische

Desintegration durch Zugabe von Stoffen (z.B. Säuren, Mikroorganismen und Enzymen) zur Anregung von

Reaktionen (z. B. Hydrolyse, Oxidation). Die Bandbreite an existierenden Desintegrationsverfahren wird

in Abbildung 2 verdeutlicht, wobei über die genannten Verfahren hinaus durchaus weitere Ansätze

existieren.

Kurzdarstellung

BMWi-03KB106A, 31.01.2019 13

Abbildung 2: Unterscheidung von Verfahren zum Substrataufschluss [6]

Die in Abbildung 2 dargestellten Substrataufschlussverfahren finden in unterschiedlichem Umfang

bereits praktische Anwendung, wobei die Praxis von mechanischen Verfahren dominiert wird. [9]

Desintegrationsverfahren können vor der Vergärung, nach dem anaeroben Abbauprozess zum Aufschluss

von rezirkuliertem Gärrest, oder bei mehrstufigen Anlagen nach bzw. während der ersten Prozessstufe in

den Verfahrensablauf integriert werden. Trotz des zum Teil breiten praktischen Einsatzes ist die

Einschätzung der Sinnhaftigkeit von Substrataufschlussverfahren für Anlagenbetreiber angesichts der

Palette an existierenden Technologien und mangelnder objektiver Kriterien schwierig. Es fehlen

Ansatzpunkte zur Abschätzung der Kosten- und Energieeffizienz und zur Beurteilung verschiedener

Desintegrationsverfahren passend zur Anlagenspezifikation. Es ist kaum tieferes Wissen über

Zusammenhänge zwischen Substrataufschluss und Prozessparametern, wie der Viskosität und der

Rührwerksleistung, vorhanden. In der Praxis findet die hydrodynamische Bewertung kaum eine

Anwendung, insbesondere hinsichtlich der Berücksichtigung des Einflusses des Zerkleinerungsgrades

durch Aufschlussverfahren.

Ausführliche Darstellung

BMWi-03KB106A, 31.01.2019 14

1.5 Zusammenarbeit mit anderen Stellen

Zur Durchführung der Vergleichsmessungen im Rahmen der Methodenentwicklung zur Partikelgrößen-

analyse (Kapitel 2.3.3.4 „Charakterisierung von Substrat und Fermenterinhalt (AP3)“, S. 44), wurde

Kontakt zur TU Bergakademie Freiberg aufgenommen. Im EVT-Labor (Energieverfahrenstechnik und

thermischen Rückstandsbehandlung) des Instituts für Energieverfahrenstechnik und Chemieingenieur-

wesen (IEC) der TU Freiberg wurde vergleichend zur Gefriersiebung am DBFZ eine Partikelgrößen-

verteilung auf optischen Wege (Camsizer) aufgenommen.

Auch der bestehende nachbar- und partnerschaftliche Kontakt des DBFZ zum Helmholtz-Zentrum für

Umweltforschung (UFZ) wurde in der Bearbeitung von AP3 genutzt. Für den thermischen Aufschluss der

Sorghumsilage (vergleiche Erfolgskontrollbericht Kapitel 4.1.2 „Gärversuche im Labormaßstab mit

Sorghumsilage“) wurde ein Autoklav des Departments Technische Umweltchemie (Themenbereich

Umwelt- und Biotechnologie) am UFZ genutzt.

2 Ausführliche Darstellung

2.1 Verwendung der Zuwendung

Die Zuwendungen wurden entsprechend der Zielsetzung im Projektantrag eingesetzt. Im Folgenden

sollen am Beispiel einzelner AP die Verwendung der Zuwendungen dargelegt werden.

2.2 Zusammenfassung

Die Auswirkungen eines Substrataufschlusses auf den Biogasprozess können nach dem ELIRAS Ansatz

auf drei Effekte zurückgeführt werden:

a) Erhöhung des vergärbaren organischen Anteils

b) Steigerung der Reaktionsgeschwindigkeit

c) Veränderung der Hydrodynamik

Mit Hilfe einer Massenbilanzierung und Modellierung des Biogasprozesses sowie hydrodynamischer und

granulometrischer Betrachtungen werden die Effekte im ELIRAS Modell theoretisch beschrieben. Die

analytisch-experimentelle Grundlage dafür bildet eine umfassende Charakterisierung von Substrat und

Fermenterinhalt über TS, oTS, flüchtige Bestandteile, Partikelgrößenverteilung sowie diskontinuierliche

und kontinuierliche Gärversuche. Bei Kenntnis der Anlagen- und Propellerkonfiguration sowie der

Mengen und Zusammensetzung der zugegebenen Substrate und produzierten Gasmengen auf einer

Praxis-Biogasanlage kann vom Ausgangszustand auf den unbekannten Zustand nach Einsatz eines

Substrataufschlusses geschlossen werden. Die Veränderung der Abbaukinetik und des Gasbildungs-

potenzials infolge des Substrataufschlusses wird über diskontinuierliche Gärversuche bestimmt.


BMWi-03KB106A, 31.01.2019 15

Im Ergebnis des Vorhabens wurde das ELIRAS Modell mit Messdaten von Labor- und Praxis-Gärversuchen

validiert. Über das Gasbildungspotenzial und die Veränderung der Gasbildungskinetik im dis-

kontinuierlichen Labor-Gärversuch konnte die real gemessene Gasertragssteigerung im kontinuierlichen

Prozess vorhergesagt werden. Der bislang unterschätzte hydrodynamische Effekt eines Substrat-

aufschlusses wurde theoretisch anhand zweier Praxis-Biogasanlagen nachvollzogen.

2.3 Ergebnisse und Gegenüberstellung der vorgegebenen Ziele

2.3.1 Bestandsaufnahme (AP1)

Arbeitspaket (AP) 1 umfasst die Aufnahme des Ist-Standes der Rührtechnik in Biogasanlagen als auch

von Substrataufschlussverfahren. Um den Ist-Stand des Substrataufschlusses darzustellen, wurde

der Biogasanlagenbestand (Kapitel 2.3.1.2; S. 16),

Literatur- und Herstellerangaben (Kapitel 2.3.1.3; S. 17)

sowie bisherige experimentelle Untersuchungen zum Substrataufschluss (Kapitel 2.3.1.4; S. 21)

gesichtet.

2.3.1.1 Stand der Rührtechnik in Biogasanlagen

Mit der Ausarbeitung der Grundlagen zur Rührtechnik und dem Stand der Technik an Biogasanlagen

wurde der Ist-Stand der Rührtechnik erfasst und im Schlussbericht der Projektpartner Maier Energie und

Umwelt GmbH/Lifetec-Systems GmbH (nachfolgend „Schlussbericht Maier/LTS“) in Kapitel 2.1.1.2.1

beschrieben.

Die hinter den verschiedenen Rühraufgaben auf Biogasanlagen stehenden komplexen Rührprozesse

können vereinfacht unter Strömungsbeschleunigung und Turbulenzerzeugung zusammengefasst

werden. Durch die Verschiedenheit der Rühraufgaben lassen sich diese nicht mit einer Art Hydraulik

erreichen. Dennoch kann festgehalten werden, dass es für alle Rühraufgaben notwendig ist, eine

bestimmte örtliche Geschwindigkeit bzw. Geschwindigkeitsänderung zu induzieren, deren Erfassung

noch nicht Stand der Technik ist. Eine weitere technische Herausforderung liegt darin, die

Geschwindigkeitsänderung mit minimaler Turbulenzerzeugung auf alle Bereiche eines Gärbehälters

auszudehnen. Die Ausdehnung der Durchmischung des Fermenterinhaltes auf Biogasanlagen wird dabei

von folgenden Kenngrößen beeinflusst:

Beckengeometrie

Rheologie

Kavernenbildung

Korrespondenz von Rührorganen

Die integrale rheologische Kenngröße für die Auslegung einer Hydraulik ist das Fließverhalten. Bei der

Auslegung wird dabei immer ein Kompromiss zwischen Energieaufwand und durchmischtem

Behältervolumen geschlossen werden. Neben den Möglichkeiten, die Durchmischung auf Biogasanlagen

hydraulisch und pneumatisch zu realisieren, ist die in Deutschland am weitesten verbreitete Art das


BMWi-03KB106A, 31.01.2019 16

Rühren mit mechanischen Rührwerken. Der Fokus des Vorhabens lag demnach darauf, die

Durchmischung mit mechanischen Rührwerken zu charakterisieren und in die Effekte, die ein

Substrataufschluss nach sich zieht, einzuordnen.

2.3.1.2 Substrataufschluss im Biogasanlagenbestand (2014)

Die im Rahmen der jährlichen Betreiberbefragung erhobenen Daten für das Bezugsjahr 2014 wurden mit

dem Fokus auf den Istzustand, Potenziale und Rahmenbedingungen zur Desintegration ausgewertet.

Unter den insgesamt 829 antwortenden Anlagen, haben 13 % (108 Anlagen) angegeben, ihr Substrat

aufzuschließen. Dieser Anteil erhöht sich auf 22 % unter älteren Biogasanlagen, welche vor dem Jahr

2000 in Betrieb gingen. Mit steigender Anlagenleistung nimmt auch der Anteil an Anlagen zu, welche

Desintegrationseinheiten installiert haben. Wie in Abbildung 3 dargestellt ist, wird der Substrataufschluss

zu 66 % auf mechanischem Wege umgesetzt. Ein Zehntel der Anlagen schließt das Substrat mit

biologischen Verfahren auf, 8 % der Anlagen mit chemischen Verfahren und nur vereinzelte Anlagen

thermisch, elektrisch oder mit Ultraschall.

Abbildung 3: Im Biogasanlagenbestand eingesetzte Substrataufschlussverfahren (DBFZ-Betreiberbefragung 2015, Bezugsjahr

2014)

Um Potenziale für Substrataufschluss zu identifizieren, wurden aus dem Fermentationsvolumen und der

zugeführten Substratmenge die hydraulischen Verweilzeiten der befragten Biogasanlagen berechnet.

Zum Fermentationsvolumen wurde das Volumen der Hauptfermenter und der beheizten Gärrestlager

gezählt. Mit sinkender Verweilzeit steigt das Potenzial, mit Desintegration einen Effekt zu erzielen, da das

Substrat bei kurzen Verweilzeiten möglicherweise noch nicht komplett aufgeschlossen wurde. Der mit

38 % größte Anteil der Biogasanlagen (213 Stück) weist lange Verweilzeiten von 60 bis 120 d auf. Unter

den für Desintegration interessanten Biogasanlagen mit kleiner 30 Tagen Verweilzeit (9 % der Anlagen;

51 Stück) haben 39 % (20 Anlagen) noch keinen Substrataufschluss installiert. 78 % der Biogasanlagen,

welche bereits einen Substrataufschluss integriert haben, vergären das Substrat mit 200-300 Tagen

Verweilzeit, wodurch bereits im unbehandelten Zustand ein hoher Umsatz ermöglicht wird.

66%

10%

8%

2%

1%

2%

11%

13%

ohne Desintegration

mechanisch

biologisch

chemisch

thermisch

Ultraschall

elektrisch

keine Angaben=829


BMWi-03KB106A, 31.01.2019 17

An 40 % der Biogasanlagen (152 Stück) steht nach Abzug des Eigenwärmebedarfs und der externen

Wärmenutzung noch Restwärme von über 1.000 MWhth a-1 zur Verfügung. Bei 18 % (68 Anlagen) ist eine

Restwärme von über 2.000 MWhth a-1 geschätzt worden. Für diese Anlagen ist eine Restwärmenutzung

in Form einer thermischen Desintegration denkbar.

Betrachtet man den Substratinput der antwortenden Biogasanlagen, besitzt ca. ein Drittel der

Substratmengen Potenzial zur Desintegration. Zu Substraten mit Aufschlusspotenzial wurden

langfaserige, strohhaltige Substrate sowie Abfall- und Reststoffe gezählt, wie z.B.:

Grassilage, GPS-Getreide, Getreidekorn, Zwischenfrüchte, Landschaftspflegematerial,

Stroh, Geflügelfestmist/Hühnertrockenkot (HTK), Rinderfestmist, Schweinefestmist,

Bioabfall, Speisereste sowie industrielle/gewerbliche/landwirtschaftliche Reststoffe.

Der Großteil (32 %) der behandlungswürdigen Substrate entfällt auf strohhaltige Substrate.

2.3.1.3 Literatur- und Herstellerangaben zu Substrataufschlussverfahren

Mit der Teilnahme an der Biogas-Jahrestagung 2015 in Bremen wurden Hersteller von Desintegrations-

verfahren kontaktiert und der aktuelle Stand im Biogasmarkt aufgenommen. Der Kontakt zu den

Herstellern wurde genutzt, um technische und wirtschaftliche Kenndaten der Desintegrationsaggregate

abzufragen. Grundlage für die Befragung bildete eine umfassende Literaturrecherche zu den Kenngrößen

des Substrataufschlusses sowie bereits zusammengetragene hauseigene Daten im Rahmen

vorangegangener Projekte. Im Ergebnis aus Herstellerangaben und Literaturwerten konnte eine grafische

Übersicht über die Schwankungsbreiten ausgewählter Parameter entwickelt werden. Diese fasst

zusammen, in welchen Größenordnungen Desintegrationsaggregate Leistung aufnehmen, Substrat

durchsetzen können, aber auch in welchem Rahmen Investitionen notwendig sind und welche Effekte

auf die Gasausbeute von den Herstellern versprochen werden.

Um eine herstellerneutrale Darstellung zu gewährleisten, wurde von einer Nennung der Marktnamen der

Aggregate abgesehen. Es erfolgte eine Unterteilung in die allgemeinen Kategorien nach

Energieeintragsart in Anlehnung an SCHUMACHER ET AL. (2012). [6] Für die chemische Desintegration

konnten aufgrund fehlender Marktpräsenz keine Kenndaten erhoben werden.

Im nachfolgenden Diagramm (Abbildung 4) verdeutlichen Balken die Schwankungsbreiten des jeweiligen

Parameters. Einzelwertangaben wurden durch Punkte dargestellt. Da sich die Größenordnungen

zwischen den einzelnen Kategorien oft erheblich unterscheiden, wurden große Schwankungsbreiten mit

Angabe der Endwerte abgeschnitten (Symbol: Pfeil). Die Diagramme dienen einer ersten Orientierung zu

Desintegrationseinheiten auf dem Markt. Es liegt eine umfassende Recherche zu Grunde. Da aufgrund

der Vielfalt und ständigen Weiterentwicklung nicht alle verfügbaren Desintegrationsverfahren abgefragt

werden konnten, stellen die Angaben keinen Anspruch auf Vollständigkeit.


BMWi-03KB106A, 31.01.2019 18

Abbildung 4: Herstellerangaben zu a) Anschlussleistung; b) Investitionskosten; c) Durchsatz und d) spezifischem

Energieverbrauch von Substrataufschlussverfahren

Betrachtet man die Anschlussleistung und den spezifischen Energieverbrauch der auf dem Markt

verfügbaren Desintegrationsapparate, zeichnet sich bereits ein erstes Bild vom Leistungsbedarf von

Substrataufschlussverfahren (Abbildung 4.a). Meist wird elektrische Leistung benötigt. Lediglich

thermische Verfahren verbrauchen zusätzlich thermische Energie, was die erhöhten Werte der

Anschlussleistung von bis zu 275 kW erklärt. Bei thermischen Desintegrationsverfahren wird ca. 90 %

der gesamten Leistung in Form von thermischer Energie für die Dampfbereitstellung benötigt. Mit den

verbleibenden 10 % elektrische Energie wird die Peripherie versorgt. [10] Mit 1,5 kWel bis hin zu 200 kWel

Anschlussleistung weisen mechanische Desintegrationseinheiten einen sehr großen Schwankungs-

bereich auf. Mehr als die Hälfte an Apparaten (6 von 11) bewegen sich jedoch im Leistungsbereich

zwischen 30 kWel und 90 kWel. Im Gegensatz zu den sehr energieaufwendigen mechanischen und

thermischen Vorbehandlungsverfahren, fallen Apparate zur Erzeugung von Ultraschall, Kavitation und

Elektrokinese durch niedrige Anschlussleistungen auf.

Zur besseren Vergleichbarkeit der Aggregate wurde in Ergänzung zur Anschlussleistung die Leistung pro

durchgesetzte Substratmenge betrachtet. Abbildung 4 d) zeigt den spezifischen Energieverbrauch der

recherchierten Substrataufschlussverfahren als Energieeintrag pro Tonne Frischmasse (FM). Auch hier

handelt es sich in allen Kategorien, außer bei der thermischen Desintegration, um den elektrischen

0 50 100 150 200 250 300

mechanisch

biologisch+

mechanisch

Ultraschall

Kavitation

thermisch

elektrisch

Anschlussleistung [kW]

0 250 500 750 1.000 1.250

Investitionskosten [T€]

0 20 40

mechanisch

biologisch+

mechanisch

Ultraschall

thermisch

elektrisch

Durchsatz [m³/h]

1.020

m³/h

0 20 40 60 80 100

1.500

kWhel/tFM

Spezif. Energieverbrauch [kWh/tFM] c)

a) b)

d)


BMWi-03KB106A, 31.01.2019 19

Energieverbrauch. Der spezifische Elektroenergieverbrauch kann bei der mechanischen Aufbereitung bis

zu 95 kWhel/tFM betragen, wobei hier Schneidmühlen und die Extrusion von Stroh den oberen

Leistungsbereich ausmachen. Die Mehrzahl an mechanischen Verfahren (14 von 16) benötigen hingegen

weniger als 25 kWhel pro Tonne Frischmasse. Mit 35 Wel pro Modul [11] und 5 veranschlagten Modulen

für eine 500 kW Biogasanlage [12] ist die elektrische Desintegration die Technologie mit der geringsten

Anschlussleistung. Bei den geringen elektrischen Energieverbräuchen von 2,5 bis 17 kWh/tFM der

Ultraschall-Apparate ist zu beachten, dass einer Ultraschalldesintegration meist eine mechanische

Desintegrationseinheit vorgeschaltet ist, um einen Vorzerkleinerung und vor allem Störstoffabscheidung

zu gewährleisten, welche zusätzlichen Energiebedarf mit sich bringt. [13]

Mechanische Desintegrationsverfahren weisen zwar einen hohen spezifischen Elektroenergieeintrag auf,

können aber auch die größten Mengen an Substrat durchsetzen, wie in Abbildung 4.c zu erkennen ist.

Während die Kombination aus biologischer und mechanischer Desintegration [14] zwischen 10 und 40

m³ Substrat pro Stunde aufbereiten kann, sind mit rein mechanischen Desintegrationsvorrichtungen

Durchsätze von 0,5 m³/h bis hin zu 1020 m³/h möglich. Auch hier wurden bei nur einem Viertel der

mechanischen Desintegrationsapparate mögliche Durchsätze von größer 50 m³/h genannt. Die Angaben

beziehen sich auf unterschiedliche Substrate, meist aber auf Maissilage, zerkleinerbare Feststoffe oder

Suspensionen mit 10-12 % TS. Da die hohen Durchsätze von bis zu 1020 m³/h für das Medium Wasser

ermittelt wurden [15], reduziert sich dieser mögliche Durchsatz für Biomassesuspensionen. In

Ultraschallaggregaten können Substrate von bis zu 10 % TS mit 0,6 bis 2 m³/h durchgesetzt werden. [13,

16] Der elektrische Substrataufschluss für 15 % TS haltige Suspensionen kann mit bis zu 40 m³/h

erfolgen. [12]

Um eine ökonomische Bewertung der verschiedenen Formen des Substrataufschlusses vornehmen zu

können, müssen die anfallenden Kosten berücksichtigt werden. Da die Kosten stark vom gewählten

Aggregat abhängen, werden Informationen zu Kosten über die Investitionskosten hinaus meist nur in

Form konkreter Angebote von den Herstellern herausgegeben. Abbildung 4.b gibt einen Überblick zu den

von Herstellern angegebenen Investitionskosten verschiedener Desintegrationsverfahren. Für 92 % der

mechanischen Desintegrationseinheiten bewegen sich die Investitionskosten zwischen 3.000 € und

108.000 €. Die Investitionskosten für die Kombination aus biologischer und mechanischer

Desintegration liegen mit 80.000 € bis 180.000 € oberhalb der rein mechanischen Desintegration. Für

den Substrataufschluss mit Ultraschall und Kavitation sind mit Investitionen zwischen 60.000 € und

170.000 € zu rechnen. Deutlich höhere Investitionen sind bei der Installation einer elektrischen

Desintegrationseinheit mit 500.000 € zu leisten. Die Spitze bildet die Anschaffung einer thermischen

Desintegrationseinheit mit 1.100.000 €. Es bleibt aber zu beachten, dass sich diese Angabe auf ein

thermisches Aggregat für Biogasanlagen mit großen Leistungsklassen von 1 MW bezieht.

Betriebskosten fallen in Form von Strom- und Wärmebereitstellung für mechanische und thermische

Desintegrationseinheiten an. Zusätzliche Betriebsmittel werden lediglich bei biologischen Verfahren

benötigt und belaufen sich auf 2-3 € L-1. Kosten für Wartung und Instandhaltung sind stark hersteller-

und aggregatabhängig. Dennoch kann davon ausgegangen werden, dass insbesondere an mechanischen

Desintegrationsaggregaten hoher Verschleiß auftritt. Der größte Verschleiß ist an den

Zerkleinerungsteilen (Messer, Siebe, Schlägel, Hämmer, Ketten, etc.) der mechanischen Desintegrations-

apparate zu verzeichnen, sodass diese regelmäßig gewechselt werden müssen. Die Betriebskosten für

den reinen Austausch von Verschleißteilen wurde auf Grundlage der Herstellerangaben und Schätzungen

auf 500 bis 5.000 € a-1, vereinzelt sogar auf bis zu 100.000 € a-1 angesetzt. Die aufgrund hoher


BMWi-03KB106A, 31.01.2019 20

spezifischer Energieverbräuche erwartungsgemäß hohen Stromkosten sind darin noch nicht erhalten.

Bei der Desintegration mit Ultraschall und Elektrokinese fallen keine Wartungs- und Instandhaltungs-

kosten im engeren Sinne an. Jedoch sind aller 2 bis 5 Jahre Ersatzinvestitionen notwendig, welche sich

bei Ultraschall in relativ kostengünstigen 2.000 bis 4.000 € pro Jahr niederschlagen. Elektrische

Desintegrationsaggregate sind sehr kostenintensiv in der Neuanschaffung und bedeuten so einen

jährlichen Kostenanfall von ca. 100.000 €. Da die Energieverbräuche bei Desintegration mit Ultraschall

niedrig und bei Elektrokinese äußerst gering sind (siehe Abbildung 4 b), ist bei beiden Verfahren mit

deutlich geringeren Betriebskosten als bei der mechanischen Desintegration zu rechnen.

Ein Ausgleich der anfallenden Kosten von Desintegrationseinheiten wird mit der Mehrproduktion an Gas

argumentiert. Abbildung 5 zeigt auch hier stark streuende Herstellerangaben und Literaturangaben. Die

höchsten Steigerungen der Gasausbeute (9 % bis 40 %) wurden bei der mechanischen Desintegration

versprochen. Bei den weiteren Arten der Desintegration wurden Angaben von mehr als 30 % gesteigerte

Biogasausbeute nicht überschritten. Es bleibt zu berücksichtigen, dass es sich um Gasertrags-

steigerungen handelt, die sich Hersteller von Ihrem Verfahren versprechen bzw. die sie mit Studien

nachgewiesen haben. Eine Prüfung der Angaben zeigte jedoch oft fehlende Quellenangaben,

unzureichende Hintergrundinformationen und wenige wissenschaftlich korrekte, statistisch fundierte und

langzeiterprobte Vorgehensweisen.

Abbildung 5: Herstellerangaben und Literaturwerte zu erwarteten Effekte auf die Gasausbeute infolge der Desintegration

In den Gesprächen mit den Herstellern auf der Biogas-Jahrestagung im Bremen im Januar 2015 zeigte

sich ein Umdenken in der Branche. Ein Großteil der Hersteller gesteht ein, dass eine Aufbereitung von

bereits gut vergärbarem Substrat (wie z.B. Maissilage) bei hohen Verweilzeiten nicht sinnvoll ist. Viele

Hersteller zielen daher auf schwieriger vergärbare Substrate und Reststoffe ab, bei denen noch

Aufschlusspotenzial besteht. Mit der Zeit am Markt sind die Erfahrungen auch hinsichtlich der

beobachteten Effekte der Desintegration gewachsen. Die Mehrzahl an Herstellern fokussiert sich heute

nicht mehr nur auf höhere Gaserträge, sondern auch auf sekundäre Effekte, wie Einsparungen in Pump-

und Rührleistung sowie Substrateinsparungen und –austausch. Das Umdenken zur Bedeutung von

Desintegration in Biogasanlagen bestätigte nochmals die Aktualität des Inhaltes des Verbundvorhabens

ELIRAS. Das Projekt betrachtet Desintegrationseffekte sowohl von der primären Seite einer

Gasertragssteigerung als auch von der sekundären Seite des Substrathandlings.

Die enormen Schwankungsbreiten und verschiedenen Informationen, die Herstellerangaben und Studien

zu Grunde liegen, zeigen erneut, dass ein umfassender Vergleich aller Desintegrationsverfahren

0 10 20 30 40 50

mechanisch

biologisch+

mechanisch

Ultraschall

thermisch

elektrisch

Erhöhung Gasausbeute [%]


BMWi-03KB106A, 31.01.2019 21

schwierig ist. Mit der Vielzahl an Desintegrationsverfahren und Möglichkeiten diese zu kombinieren

wurde außerdem deutlich, dass eine wissenschaftliche Bewertung aller Verfahren im Rahmen eines

Projektes nicht möglich sein wird. Von daher muss eine Methode entwickelt werden, welche unabhängig

vom Desintegrationsverfahren Aussagen zur Veränderung der Gasbildung und sekundärer Effekte infolge

eines Substrataufschlusses zulässt. Die Entwicklung einer solchen Bewertungsmethode ist der Kern des

Verbundprojektes ELIRAS.

2.3.1.4 Weiterentwicklung experimenteller Untersuchungen zum Substrataufschluss (DBFZ)

Ist-Stand experimenteller Untersuchungen zum Substrataufschluss

Zur Aufnahme des Ist-Standes experimenteller Untersuchungen zum Substrataufschluss, wurde neben

der Literatur auch vorhandene Daten aus Laborversuchen des DBFZ zum Substrataufschluss gesichtet.

In abgeschlossenen Laborversuchen am Hause des DBFZ konnte im Labormaßstab infolge

Desintegration bislang keine bzw. nur geringfügige Steigerungen in der Gasbildung nachgewiesen

werden. Zu den Substraten, bei denen der Substrataufschluss eine erhöhte Biogasbildung nach sich zog,

zählten Rindergülle, Rindermist und Stroh. Weiterhin wurde deutlich, dass sich bisherige Untersuchungen

zur Desintegration nur auf ein oder mehrere ausgewählte Verfahren und Substrate beziehen und somit

keine allgemeine Aussage zum Substrataufschluss zulassen. Es fehlen objektive, verfahrens- und

substratübergreifende Bewertungskriterien von Substrataufschlussverfahren.

Darüber hinaus wurde festgestellt, dass die Bewertung der Effekte von Substrataufschlussverfahren mit

Hilfe von Gärversuchen im Labormaßstab eine komplexere Herangehensweise erfordert als bislang

üblich. Mit der Sichtung des Bestands an experimentellen Untersuchungen zum Substrataufschluss

wurden folgende Kernthemen herausgearbeitet, deren Umsetzung ein Umdenken erfordert, damit

Substrataufschlussverfahren mit Hilfe von Gärversuchen fundiert bewertet werden können. Tabelle 2

stellt die bislang übliche Herangehensweise mit der für eine fundierte Bewertung notwendigen

Herangehensweise gegenüber.

Tabelle 2: Bislang übliche und notwendige Herangehensweise zur fundierten Bewertung von Substrataufschlussverfahren

mit Hilfe von Gärversuchen

Kriterium Gärversuche zur Bewertung von Substrataufschluss

Bislang übliche Herangehensweise notwendige Herangehensweise

Betriebsweise diskontinuierlich kontinuierlich

Maßstab Labormaßstab Praxismaßstab

Prozesszustand dynamisch stationär

Versuchsplanung Einfachansätze Mehrfachansätze

Diskontinuierliche Gärversuche

Die weit verbreitete Bewertung von Substrataufschluss über diskontinuierliche Gärversuche ist gut für

eine erste Abschätzung geeignet. Jedoch können die Ergebnisse diskontinuierlicher Gärversuche nicht

ohne Weiteres auf den kontinuierlichen Prozess übertragen werden, v.a. nicht auf den großtechnischen

Maßstab einer Praxisanlage. Gründe hierfür liegen zum einen in der stark verschiedenen Prozessbiologie,

aber auch an hydrodynamischen Unterschieden, da die Durchmischung im Labormaßstab nicht dieselbe


BMWi-03KB106A, 31.01.2019 22

ist wie in der Praxis. Auch hydrodynamische Effekte, welche als Folge eines Substrataufschlusses

auftreten können, wurden in der Vergangenheit nicht berücksichtigt.

Bei der Planung diskontinuierlicher Gärversuche sollte ein ausreichend großer Versuchszeitraum von

mindestens 30-50 Tagen vorgesehen werden, damit ein verfrühter Abbruch eines Gärversuchs nicht zu

einer Fehlinterpretation der Effekte infolge einer Desintegration führt. Wie in Kapitel 2.3.3.1 „Einteilung

der Effekte von Substrataufschluss“ beschrieben, sollte ein diskontinuierlicher Gärversuch erst

abgebrochen werden, wenn bei allen Ansätzen keine Gasbildung mehr verzeichnet wird. Das Ende

diskontinuierlicher Gärversuche ist an dem in der VDI 4630 [17] festgesetzten Abbruchkriterium und am

horizontalen Verlauf der kumulierten Gasbildungskurven zu erkennen.

Zum Ende des Projektzeitraums zeigte die Auswertung von laborübergreifenden Ringversuchen zu

diskontinuierlichen Gärversuchen eine starke Variabilität der Ergebnisse. [18] Insbesondere die

Abhängigkeit des im diskontinuierlichen Gärversuch ermittelten Gasertrags vom eingesetzten Inokulum

stellt die Bewertung von Substrataufschlussverfahren mit Hilfe von Batch Versuchen in Frage. Wenn der

Gasertrag von der Angepasstheit des Inokulums an das jeweilige Substrat abhängt, wird die Aussagekraft

des Ergebnisses eines diskontinuierlichen Gärversuchs stark herabgesetzt. Eine Abschätzung des

Einflusses ist jedoch nach bisherigem Stand der Forschung noch nicht möglich. [18]

Kontinuierliche Gärversuche

Neben diskontinuierlichen Gärversuchen werden für die Untersuchung eines Substrataufschlusses oft

zwei kontinuierlich beschickte Laborfermenter verglichen, wobei ein Fermenter mit unbehandeltem

Substrat und ein Fermenter mit desintegriertem Substrat betrieben wird. Auch hier ist die

Aussagefähigkeit zu Effekten auf einer großtechnischen Biogasanlage begrenzt. Das liegt zum einen an

den bereits genannten prozessbiologischen und hydrodynamischen Unterschieden von Labor- und

Praxismaßstab. Zum anderen wird bei einem kurzen Betrieb von kontinuierlichen Gärversuchen selten

ein stationärer Zustand erreicht. Das betrifft sowohl den Zeitraum vor einer Umstellung auf Beschickung

mit desintegriertem Substrat als auch den Zeitraum nach der Umstellung. Beim Anfahren von

Fermentern, aber auch bei jeglicher Substratumstellung muss dem komplexen System der

Biogaserzeugung genügend Zeit gewährt werden, um stationäre Bedingungen herzustellen. Aus

Effizienzgründen können die in der VDI 4630 genannten drei bis fünf hydraulischen Verweilzeiten bis

Wiederherstellung von „konstanten Verteilungen“ [17] im Regelfall nicht eingehalten werden. Da eine

Verweilzeit üblicherweise ein bis mehrere Monate umfasst, werden kontinuierliche Gärversuche aus

Effizienzgründen selten über einen Zeitraum länger als eine Verweilzeit durchgeführt. Allerdings sollte

erst nach Erreichen eines stationären Betriebs mit unbehandeltem Substrat auf Beschickung mit

desintegriertem Substrat umgestellt werden, um einen aussagekräftigen Messwert für den

unbehandelten Zustand zu erhalten. Auch nach einer Umstellung kann eine ordnungsgemäße

Auswertung erst nach Ablauf mehrerer Verweilzeiten mit konstanten Prozessbedingungen (Verweilzeit,

Raumbelastung etc.) garantiert werden. Gerade durch Substrataufschluss verfügbar gemachte schnell

vergärbare Bestandteile sorgen für starke dynamische Effekte, die sich beispielsweise in einem starken

Überschwingen der Gasproduktion nach einer Umstellung auf desintegriertes Substrat äußern können.

Gleichzeitig sind im System noch langsam abbaubare Substratbestandteile aus dem Zustand vor der

Substratumstellung vorhanden, was die eindeutige Zuordnung von Effekten erschwert. Die Sichtung des

Bestands an experimentellen Untersuchungen am DBFZ zeigte, dass ein stationärer Betrieb sowohl vor


BMWi-03KB106A, 31.01.2019 23

als auch nach der Umstellung auf Beschickung mit desintegriertem Substrat in der Vergangenheit nicht

gewährleistet werden konnte.

Statistische Aspekte

Abgesehen von einer stationären Betriebsweise berücksichtigt eine fundierte Auswertung auch

statistische Aspekte, die bislang selten Beachtung fanden. Eine Literaturrecherche von 55

wissenschaftlichen Artikeln ergab, dass in mehr als ein Drittel der Studien der Begriff „signifikant“

verwendet wird, ohne darauf einzugehen, ob und wie auf Signifikanz geprüft wurde. In 20 % der

gesichteten Artikel fand die Statistik gar keine Erwähnung. [19]

Weit verbreitet ist ein Versuchsaufbau mit zwei im Einzelansatz betriebenen Fermentern, wobei einer mit

unbehandeltem und der andere mit desintegriertem Substrat beschickt wird. Die Bewertung des

Substrataufschlusses erfolgt durch den Vergleich des Biogasertrags beider Fermenter. Aus statistischer

Sicht lässt jedoch der Vergleich von lediglich zwei Fermentern keine Aussage darüber zu, ob der

beobachtete Effekt, der sich durch Desintegration einstellt, auf diesen Substrataufschluss zurück-

zuführen ist oder im Rahmen üblicher Schwankungen zwischen parallelen Fermentern liegt. Gerade bei

Versuchen zur Desintegration liegen die Effekte auf die Gasbildung oft in kleinen Größenordnungen. Die

Charakteristik von Substraten und die hinter der Biogasbildung stehende Aktivität der Mikrobiologie

hingegen unterliegen Schwankungen, die oft die Größenordnung der Effekte eines Substrataufschlusses

übersteigt. Vor diesem Hintergrund ist es zwingend notwendig, für jeden Versuch die Höhe der üblichen

Schwankungen zwischen identisch betriebenen Parallelfermentern abzuschätzen. [19] Genauere

Ausführungen zur statistischen Versuchsplanung finden sich in Abschnitt 2.3.3.3 (Statistische

Signifikanz, S. 33).

Flüchtige organische Bestandteile

Weitere Ungenauigkeiten, die bei der Sichtung abgeschlossener Gärversuche zum Substrataufschluss

deutlich wurden, betrafen die Durchführung des eigentlichen Desintegrationsverfahrens sowie die

analytische Erfassung und Ergebnisdarstellung des Gärversuchs.

Bei der Durchführung eines Substrataufschlusses, ist darauf zu achten, dass keine Substratbestandteile,

insbesondere Organik, verloren gehen, um den desintegrierten Zustand eines Substrates mit dem

unbehandelten Zustand vergleichen zu können. Dafür muss eine Bilanzierung der organischen

Massenströme vorliegen. Besonderes Augenmerk wird hier auf flüchtige organische Komponenten

gelegt, welche erfasst und bilanziert werden müssen. Gerade bei einem thermischen Substrataufschluss

besteht die Möglichkeit, dass sich bei den hohen Temperaturen neue flüchtige organische Bestandteile

bilden oder diese in der Prozessführung verloren gehen können (z.B. beim Ablassen von Druck während

der Abkühlung). Wird diese mögliche Zu- oder Abnahme flüchtiger Komponenten nicht erfasst, ist die

Vergleichbarkeit der beiden Zustände „unbehandelt“ und „desintegriert“ nicht mehr gegeben.

Die Veränderung der Gasbildung wird richtigerweise über einen Vergleich des Gasertrags (auch:

„spezifische Gasbildung“) beschrieben. Diese spezifische Kenngröße mit den Einheiten [mL goTS-1] oder

[m³ toTS-1] ermöglicht einen Vergleich der Gasbildung bezogen auf die oTS und berücksichtigt somit die

Inputmenge an Organik. Eine spezifische Darstellung aller Kenngrößen ist zwingend notwendig, um eine

Vergleichbarkeit zu gewährleisten. Da bei der Bestimmung der Trockensubstanz mit Hilfe der Trocknung

im Trockenschrank (nach DIN 12880, [20]) neben Wasser auch andere flüchtige organische Bestandteile


BMWi-03KB106A, 31.01.2019 24

entweichen, wird der wahre TS-Gehalt von Substraten unterschätzt. Die damit einhergehende

Überschätzung spezifischer Kenngrößen mit Bezug zur TS, wie dem Biogasertrag oder dem

Biogasbildungspotenzial, führt zu einem fehlerhaften Vergleich von Substraten untereinander. [21] In

diesem Zusammenhang sei auch die insbesondere bei Silagen notwendige Korrektur der

Trockensubstanz erwähnt, die erstmalig durch WEIßBACH & STRUBELT [22–24] beschrieben wurde.

Die Basis zur Beschreibung des Anteils an flüchtigen Komponenten ist eine umfassende

Substratcharakterisierung, die neben der klassischen TS/oTS-Analyse auch eine Erfassung flüchtiger

Säuren und Alkohole beinhaltet. In der Laboranalytik haben sich dabei die Verwendung einer Head-Space-

Gaschromatographie (GC) mit Derivatisierung oder eine High-Performance-Liquid Chromatographie

(HPLC) bewährt.

Schlussfolgerungen

Werden die genannten Punkte zur Verbesserung der experimentellen Untersuchungen berücksichtigt,

lassen diskontinuierliche Gärversuche, aber auch kontinuierliche Gärversuche erste Abschätzungen zu

möglichen Effekten eines Substrataufschlusses zu. Gerade die Kombination aus beiden Gärversuchen

ermöglicht eine Steigerung der Aussagekräftigkeit, da sowohl Gasbildungpotenziale als auch

prozessbiologische und kinetische Abschätzungen abgeleitet werden können. Eben diese kombinierte

Auswertung von analytischen und experimentellen Methoden zur Bewertung der Biogasbildung ist das

Kernstück des Vorhabens zur Entwicklung des Modells, auf dem der ELIRAS-Leitfaden fußt.

Aus den Recherchen in AP1 lassen sich folgende Kenngrößen zur Bewertung von Substrataufschluss mit

Hilfe von Gärversuchen und Labormethoden im Labormaßstab ableiten:

Tabelle 3: Aus experimentellen und analytischen Laboruntersuchungen abgeleitete Kenngrößen zur Bewertung von

Substrataufschluss sowie Voraussetzungen, unter denen eine fundierte Auswertung möglich ist.

Laborversuch/Methode Abgeleitete Kenngröße Voraussetzungen

Diskontinuierlicher

Gärversuch (Bach-Test)

Änderung des Biogas-/Methanertrags unter

diskontinuierlichen Versuchsbedingungen

Änderung Gasbildungskinetik

Änderung Biogaspotenzial

Stationärer Betrieb

vor der Umstellung

auf desintegriertes

Substrat

Stationärer Betrieb

nach der Umstellung

auf desintegriertes

Substrat

Identischer

Parallelbetrieb von

mindestens zwei

Fermentern je

Ansatz (Doppel-

ansätze)

Kontinuierlicher

Gärversuch

Änderung des Biogas-/Methanertrag unter

kontinuierlichen Versuchsbedingungen

Änderung Gasbildungskinetik

Änderung Biogaspotenzial

Charakterisierung von

Substrat und

Fermenterinhalt

TS, oTS mit Korrektur um flüchtige

Bestandteile

FoTS

Granulometrie

Hydrodynamische

Betrachtung

Durchmischung

Verfügbares Reaktionsvolumen


BMWi-03KB106A, 31.01.2019 25

2.3.1.5 Literaturrecherche

Um den Stand der Wissenschaft aufzunehmen, wurde eine Literaturrecherche zum Thema Substrat-

aufschluss vorgenommen. Dabei lag der Fokus auf Arbeiten, welche die Effekte einer Desintegration auf

die Gasbildung im Zusammenhang mit der Partikelgröße betrachten, da dies als Kernthema für das

Projekt ELIRAS angesehen wird (vergleiche Kapitel 2.3.3.4 „Charakterisierung von Substrat und

Fermenterinhalt (AP3)“; S. 38). Die in der Fachliteratur berichteten Effekte einer Partikelgrößen-

verkleinerung auf die Gasbildung sind widersprüchlich. Es werden überwiegend positive, aber auch

negative Effekte der Partikelgröße auf die anaerobe Vergärung dargestellt.

Die kontinuierliche Gärversuche mit Primärschlamm bei verschiedenen Verweilzeiten zeigten einen

klaren Übergang großer Flocken hin zu kleineren infolge der Vergärung. Bei suboptimalen Vergärungs-

bedingungen (HRT=10 d, 𝜗=25°C) wurden hauptsächlich große Klärschlammflocken ≥ 0,1 mm

zerkleinert. Wurden die Bedingungen der Vergärung durch eine Temperaturerhöhung auf 𝜗=35°C

verbessert, fand überwiegend eine Reduktion kleinerer Flocken (< 0,1 mm) statt. [25]

PALMOWSKI UND MÜLLER berichten von einer Erhöhung des Methanertrags aus Bioabfällen um 57 % bzw.

86 % bei einer Zerkleinerung der Partikel auf 5 cm und 0,2 cm. [26]

Bei der Vergärung verschiedener forst- und landwirtschaftlicher Reststoffe, wie Weizenstroh, Reisstroh,

Blätter verschiedener Pflanzen und Bermudagras, erzielte eine Partikelgrößenzerkleinerung von 30 mm

auf 1 mm einen signifikanten Anstieg der Methanproduktion. Eine weitere Zerkleinerung auf 0,1 mm

hingegen brachte nur einen geringen Effekt. Unter den fünf Partikelgrößen 0,088 mm; 0,40 mm; 1,0 mm;

6,0 mm und 30,0 mm wurde die größte Menge an Biogas bei der Vergärung der feinsten Partikeln mit

0,088 mm und 0,40 mm Größe gemessen. Bei strohhaltigen Substraten zeigte sich eine Zunahme des

Methanertrags aus den Batch Tests mit abnehmender Partikelgröße, während der Zusammenhang bei

sukkulenten Substraten, wie Blättern, geringer ausgeprägt war. [27]

Unter den vier untersuchten landwirtschaftlichen Reststoffen Weizen-, Gersten-, Reisstroh und

Maisstängel konnten MENARDO ET AL. nur beim Gersten- und Weizenstroh Effekte auf den Methanertrag

nachweisen. Beim Gerstenstroh konnte der Methanertrag durch Partikelgrößenreduktion auf 0,5 cm um

54 % erhöht werden. Bei Weizenstroh brachte eine Zerkleinerung der Partikel auf 0,2 cm sogar eine

Erhöhung des Methanertrags um 84 % mit sich. [28]

Im Vorhaben EFFIGEST („Entwicklung einer hocheffizienten Prozesskette zur Effizienzsteigerung bei der

Vergärung von Geflügelmist unter Nutzung modifizierter Strohfraktionen und mit prozessintegrierter

Gewinnung marktfähigem Düngers“; Fraunhofer IKTS (Dresden); 09/2013-08/2016; Förderkennzeichen

FKZ: 03KB081; PTJ), führte die mechanisch-chemische Behandlung von Stroh zu einer Reduzierung

schwer abbaubarer Faserbestandteile im Substrat und zu einer 12–22 %igen Steigerung des Gasertrags

im diskontinuierlichen Gärversuchs. Auch bei kontinuierlicher Beschickung konnte infolge des

Strohaufschlusses ein Mehrertrag an Gas nachgewiesen werden. [3]

SURENDRA UND KHANAL [29] konnten einen signifikant höheren Methanertrag aus Napiergras von einem

6 mm Sieb im Vergleich zum Methanertrag des Grases mit 10 mm und 20 mm Größe nachweisen. Am

deutlichsten war der Effekt bei jüngerem Reifegrad zu sehen.


BMWi-03KB106A, 31.01.2019 26

Auch MSHANDETE ET AL. konnten einen umgekehrt proportionalen Zusammenhang zwischen Partikelgröße

und Gasbildung nachweisen. In diskontinuierlichen Gärversuchen brachte die auf 2 mm zerkleinerte

Sisalfaser einen 23 % höheren Methanertrag im Vergleich zur unbehandelten Probe. [30]

In den anaeroben Gärversuchen von SHARMA ET AL. bewirkte eine Partikelgrößenzerkleinerung von 30 mm

auf 1 mm einen signifikanten Anstieg der Methanproduktivität aus faserigen Substraten, wie Stroh. Eine

weitere Zerkleinerung auf 0,1 mm erzielte nur noch einen kleinen Effekt. Die maximale Biogasmenge

wurde bei der Vergärung von Partikeln der Größe 0,088 bis 0,400 mm erreicht. Eine Zerkleinerung wurde

jedoch nicht für alle der sieben untersuchten land- und forstwirtschaftlichen Reststoffe empfohlen. Bei

sukkulentem Material, wie Blätter, war die Vergärung von größeren Partikeln vorteilhaft. [27]

Auch Angelidaki und Ahring berichten, dass eine Zerkleinerung der in Gülle enthaltenen Fasern kleiner

6 mm, im Vergleich zur Reduktion der Partikelgröße im Bereich zwischen 6 und 30 mm nicht zu einer

Verbesserung des Methanbildungspotenzials führte. [31]

Dass eine Verschiebung hin zu kleineren Partikeln auch negative Effekte auf die Gasbildung haben kann,

zeigten u.a. FERREIRA ET AL. [32], IZUMI ET AL. [33] und DE LA RUBIA ET AL. [34].

Bei der diskontinuierlichen Vergärung von Weizenstroh wurden 5-13 % höhere Methanerträge und auch

eine schnellere Kinetik für das auf 3-5 cm geschnittene Stroh als für das < 1 mm gemahlene Stroh erzielt.

Das Befeuchten von Weizenstroh erhöhte den Methanertrag in diskontinuierliche Gärversuchen um

4-10 %, was die Autoren auf eine verbesserte Durchmischung zurückführen, da der Feststoffgehalt um

das 10-fache reduziert werden konnte. [32]

IZUMI ET AL. berichten davon, dass eine Verkleinerung des mittleren Partikeldurchmessers von

Lebensmittelresten von 0,888 auf 0,718 mm durch Mahlen im Vergleich zur üblichen Zerkleinerung von

Lebensmittelresten in Japan zunächst eine Erhöhung des Methanertrags um 28 % zur Folge hatte. Eine

übermäßige Partikelgrößenzerkleinerung auf bis zu 0,393 mm führte jedoch zu einer Anhäufung an

organischen Säuren, weshalb sich die Methanproduktion verringerte. [33]

Auch RUBIA ET AL. konnten in Batch-Tests mit Ölkuchen aus Sonnenblumen den höchsten Methanertrag

für die größte Partikelgröße (1,4 – 2,0 mm) nachweisen. Die niedrigste Biogasproduktion und auch die

kleinste Geschwindigkeitskonstante k zeigte sich bei der kleinsten Partikelfraktion (0,355–0,55 mm),

was auf die Entstehung von Propionsäure zurückgeführt wurde. [34] Die Autoren berufen sich auf das

Argument von GOLLAKOTA UND MEHER [35], nach denen die Nährstoffverteilung Einfluss auf das

Methanbildungspotenzial nimmt und diese nicht mit den Partikelgrößenfraktionen gleichzusetzen sind.

In einem Projekt von IKTS und KSB [2] zeigte sich, dass auch die sehr kleine Partikelgrößenfraktionen

einen Einfluss auf das Fließverhalten haben und bei gleicher Volumenkonzentration zu einer erhöhten

dynamischen Viskosität führen können. Daraus wurde die Empfehlung für Substrataufschlussverfahren

abgeleitet, dass eine Desintegration „den Anteil langfaseriger Partikel weitestgehend reduzieren sollte,

ohne dabei eine zu hohe Anreicherung feinster Partikel zu erzeugen.“ [2]

Mit Abschluss des Verbundprojekts ELIRAS veröffentlichten GARUTI ET AL. vom Centro Ricerche Produzioni

Animali, C.R.P.A. S.p.A in Italien einen Artikel zum Monitoring einer Biogaspraxisanlage, welche im

Betrachtungszeitraum eine Desintegrationseinheit in Betrieb nahm. Betrachtet wurde die Erhöhung des

Methanbildungspotenzials bei der Vorbehandlung landwirtschaftlicher Biomasse infolge


BMWi-03KB106A, 31.01.2019 27

hydrodynamischer Kavitation. Es wurden umfassende, auch für den ELIRAS Modellansatz interessante,

Laboranalysen vorgenommen. Dazu zählen Batch-Gärversuche mit Modellanpassung zur Bestimmung

des Methanertrags und des Restgaspotenzials, Partikelgrößenanalysen und die Aufnahme der

Viskositäten. Außerdem fanden statistische Signifikanz und ein ausreichend langer

Betrachtungszeitraum zur Gewährleistung eines stationären Betriebs Berücksichtigung. Die

Betrachtungen zeigten, dass der Methanertrag mit Hilfe der hydrodynamischen Kavitation sowohl im

diskontinuierlichen Gärversuch (+ 14 %) als auch auf der Praxisanlage (+ 10 %) erhöht werden konnte.

Zudem führte die Vorbehandlung dazu, dass die Partikelgrößen und auch die Viskosität des

Fermenterinhaltes verringert wurden. Mit Installation der hydrodynamischen Kavitationseinheit konnten

Rühr-, Pump- und Heizleistung der Biogasanlage abgesenkt werden. [36]

2.3.2 Fragekatalog (AP2)

Der im AP2 entwickelte Fragekatalog dient der Datenaufnahme zur Ist-Stands-Analyse einer

Biogasanlage. Er erfasst u.a. bauliche und technische Gegebenheiten sowie den Prozesszustand und

eingesetzte Substrate auf einer Biogasanlage und dient als Basis für den Entscheidungsalgorithmus im

ELIRAS-Modell. Der vollständige Fragekatalog ist dem Schlussbericht unter Anhang 6 angehängt. Eine

ausführliche Beschreibung des Fragekatalogs ist im Schlussbericht Maier/LTS unter Kapitel 2.1.2

nachzulesen.

2.3.3 Effekte des Substrataufschlusses (AP3)

2.3.3.1 Einteilung der Effekte von Substrataufschluss

Das Grundgerüst des ELIRAS Modells besteht darin, dass die Effekte einer Desintegration auf drei

Hauptursachen zurückgeführt werden können:




Im Idealfall wirkt ein Substrataufschluss auf allen drei Wegen. In der Realität ist ein Effekt jedoch nur auf

ein bis zwei Ursachen begründet. Insbesondere der letztgenannte Einfluss einer Desintegration auf die

Durchmischung wird in wissenschaftlichen Betrachtungen zum Substrataufschluss selten berücksichtigt.

Zudem erfolgt oft eine Vermischung der beiden ersten Punkte, die jedoch für eine modellbasierte

Nachbildung von Desintegrationseffekten sauber getrennt werden müssen. Die Kombination aus den drei

Effekten führt dazu, dass sich infolge eines Substrataufschlusses die Gasbildung aus der gleichen Menge

an eingesetzter Organik erhöht.


Die im Zusammenhang mit Substrataufschluss oft aufgeführte Freisetzung von eingeschlossenem

Zellmaterial [37] sowie die Annahme, dass eine Desintegration Substratbestandteile chemisch

umwandeln kann, kann dazu führen, dass abbaubare Substanzen besser verfügbar sind. Das hat zum

Ergebnis, dass sich das Biogasbildungspotenzial bzw. der vergärbare organische Anteil, beschrieben

durch den Parameter fermentierbare organische Trockensubstanz (FoTS), erhöht wird.

Der klassische experimentelle Nachweis dieses Parameters erfolgt durch diskontinuierliche Gärversuche.

Eine Erhöhung des vergärbaren organischen Anteils äußert sich darin, dass die kumulierte Biogasbildung


BMWi-03KB106A, 31.01.2019 28

aus dem Substrat im unbehandelten als auch im desintegrierten Zustand einen Kurvenverlauf mit

gleichem Anstieg, aber verschiedenen Endwerten aufweist. Bei im Punkt a) wirkungsvoller Desintegration

weist die Kurve der Biogasbildung aus desintegriertem Substrat einen höheren Endwert auf als die Kurve

aus unbehandeltem Substrat. Der höhere Endwert ist gleichzusetzen mit einem erhöhten

Biogasbildungspotenzial bzw. einem größeren Anteil an FoTS. Abbildung 6 zeigt einen bespielhaften

Kurvenverlauf aus einem diskontinuierlichen Gärversuch, der sich als Folge des beschriebenen Effekts

einer Desintegration „Erhöhung des vergärbaren organischen Anteils“ ergibt.

Abbildung 6: Beispielhafter Kurvenverlauf der kumulierten Biogasbildung von unbehandeltem und desintegriertem Substrat

(ermittelt in diskontinuierlichen Gärversuchen), ausschließlich zurückzuführen auf eine Erhöhung des

vergärbaren organischen Anteils infolge eines Substrataufschlusses


Der zweite Haupteffekt einer Substratdesintegration ist die Steigerung der Reaktionsgeschwindigkeit. Da

die Ursachen für diesen Effekt in der Vergrößerung der Partikeloberfläche, der Erhöhung des Anteils

schnell abbaubarer Fraktionen sowie die Freisetzung von Enzymen gesehen wird, kann davon

ausgegangen werden, dass dieser Effekt häufiger vorkommt wird als eine Erhöhung des vergärbaren

Anteils (Punkt a). Die Erhöhung der Reaktionsgeschwindigkeit ermöglicht bei gleichem Umsatz ein

Herabsetzen der hydraulischen Verweilzeit, gleichzusetzen mit einem kleineren Fermentervolumen, aber

auch eine Steigerung der Raumbelastung.

Auch der zweitgenannte Effekt eines Substrataufschlusses auf die Biogasbildung lässt sich im Ergebnis

eines diskontinuierlichen Gärversuchs erkennen. Wie in Abbildung 7 schematisch verdeutlicht, wird die

Steigerung der Reaktionsgeschwindigkeit infolge einer Desintegration in einem höheren Anstieg und

somit einer steileren Kurve der kumulierten Biogasbildung aus dem desintegriertem Substrat gegenüber

der Kurve aus unbehandeltem Substrat ersichtlich. Es wird also zu Beginn des Batch-Gärversuchs in

kürzerer Zeit eine größere Menge an Biogas gebildet. Zum Ende der Gärversuche hin, flacht die Kurve

der Biogasbildung aus desintegriertem Substrat allmählich ab und nähert sich der Kurve der

Biogasbildung aus unbehandeltem Substrat an. Bei unendlich langer Verweilzeit würden beide Kurven

letztendlich auf denselben Endwert hinauslaufen, wenn sich die Desintegration ausschließlich auf die

Reaktionsgeschwindigkeit (Punkt b) ausgewirkt hat.

0

50

100

150

200

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mu

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Bio

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sb

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un

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Zeit

unbehandelt

desintegriert


BMWi-03KB106A, 31.01.2019 29

Abbildung 7.a zeigt einen solchen diskontinuierlichen Gärversuch mit langem Versuchszeitraum, zu

dessen Ende hin eine Annäherung der beiden Gasbildungskurven erfolgt. Da in diesem Beispiel nach

Versuchstag 50 kaum noch Gasbildung zu verzeichnen ist, wie an den nahezu horizontal verlaufenden

Kurven zu erkennen ist, kann davon ausgegangen werden, dass der Gärversuch abgeschlossen ist. Im

Gegensatz dazu veranschaulicht Abbildung 7.b den selben beispielhaften Gärversuch bei Abbruch nach

25 Tagen Versuchslaufzeit. Insbesondere aus der unbehandelten Substratprobe wird am Tag 25 noch

Gas gebildet, wie am merklichen Anstieg der grauen Kurve erkannt werden kann. Würde die Auswertung

des Gärversuchs zu diesem verfrühten Zeitpunkt stattfinden, wie es in der Praxis leider oft erfolgt, würde

sich ein verfälschtes Bild ergeben. Die Kurve der kumulierten Gasbildung aus desintegriertem Substrat

endet deutlich oberhalb der Gasbildungskurve aus unbehandeltem Substrat, und legt die

Fehlinterpretation nahe, dass die Desintegration zu einer gesteigerten Biogasbildung geführt hat. Wie

jedoch an dem noch steilen Anstieg der Gasbildungskurve aus unbehandeltem Substrat zu erkennen ist,

ist der Gärversuch am Tag 25 noch nicht abgeschlossen. Bei längerer Versuchsdauer nähern sich die

Kurven an und die am Versuchstag 25 bemerkten Unterschiede sind am Tag 50 nicht mehr nachweisbar

(vergleiche Abbildung 7.a).

Abbildung 7: Beispielhafter Kurvenverlauf der kumulierten Biogasbildung von unbehandeltem und desintegriertem Substrat

(ermittelt in diskontinuierlichen Gärversuchen), ausschließlich zurückzuführen auf eine Steigerung der

Reaktionsgeschwindigkeit infolge des Substrataufschlusses;

a) korrekte Interpretation bei ausreichend langer Versuchslaufzeit,

b) Fehlinterpretation bei zu kurzer Versuchslaufzeit


Als letzter, oft unberücksichtigter Effekt eines Substrataufschlusses sei der Einfluss auf die

Hydrodynamik zu nennen (Punkt c). Desintegration kann die Rheologie des Fermenterinhaltes verändern,

Sink- und Schwimmschichtbildung minimieren und im Ergebnis das durchmischte Fermentervolumen

erhöhen. Das führt zum einen dazu, dass die Verweilzeit im System erhöht werden kann. Zum anderen

verbessert sich die Handhabbarkeit des Fermentersubstrates, was sich in weniger Störfällen äußern und

zu einer Absenkung der Rühr- und Pumpleistung führen kann. Die Summe aus den möglichen Effekten

hat neben dem vereinfachten Substrathandling ebenfalls eine Erhöhung der Biogasbildung zur Folge.

0

50

100

150

200

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300

350

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Bio

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Zeit [d]

unbehandelt

desintegriert

a)

0

50

100

150

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250

300

350

400

450

0 5 10 15 20 25

ku

mu

lie

rte

Bio

ga

sb

ild

un

g

Zeit [d]

unbehandelt

desintegriert

b)


BMWi-03KB106A, 31.01.2019 30

Schlussendlich wird der Einfluss der Durchmischung auch als Grund vermutet, weshalb im

Praxismaßstab von Effekten infolge des Substrataufschlusses berichtet wird, ein Nachweis im

Labormaßstab aber nicht erbracht werden kann. Aufgrund der geringen Fermentergröße in

Laborversuchen ist der Fermenterinhalt bei der Vergärung von unbehandeltem Substrat häufig bereits

vollständig durchmischt. Wirkt sich die Desintegration lediglich auf den 3. Effekt „Veränderung der

Hydrodynamik“, nicht aber auf den vergärbaren organischen Anteil (Punkt a) und die Reaktions-

geschwindigkeit (Punkt b) aus, so kann bei bereits idealer Durchmischung im Labormaßstab kein Effekt

auf die Gasbildung erzielt werden. Im Praxismaßstab hingegen, wenn der Fermenterinhalt aus

unbehandeltem Substrat nicht vollständig durchmischt wird und eine Desintegration eine Erhöhung des

durchmischten Fermentervolumens nach sich zieht, bewirkt der Substrataufschluss unter ansonsten

identischen Bedingungen eine Steigerung der Biogasbildung auf der Praxisanlage, die im Labormaßstab

nicht nachweisbar ist.

Wie die Rheologie und dessen Veränderung infolge eines Substrataufschlusses in einem Biogas-

fermenter beschrieben werden kann, wurde in AP4 „Bewertung und Auswahl der Rührtechnik“

untersucht. Da dieses Arbeitspakets fast ausschließlich vom Verbundpartner LTS bearbeitet wurde,

erfolgt die ausführliche Darstellung der Ergebnisse im Schlussbericht Maier/LTS unter Kapitel 2.1.4. Von

Seiten des DBFZ wurde eine theoretische Abschätzung vorgenommen, welchen Einfluss das

durchmischte Reaktionsvolumen auf die Gasbildung einer Biogasanlage haben kann (siehe

nachfolgendes Kapitel 2.3.3.2). Außerdem wurde mit der mittleren Partikelgröße xm ein Parameter

identifiziert, welcher die Durchmischung eines Fermenterinhaltes beschreiben soll und somit eine

Kopplung der Arbeitspakete 3 und 4 ermöglicht. Die Methodenentwicklung und Interpretation des

Parameters xm erfolgte durch das DBFZ und wird ausführlich in Kapitel 2.3.3.4 „Charakterisierung von

Substrat und Fermenterinhalt (AP3)“, S. 38 dargestellt.

2.3.3.2 Einfluss durchmischtes Fermentervolumen auf Biogasbildung

Der Erfahrung des Verbundpartners Maier nach sind nur wenige Biogasanlagen in der Praxis vollständig

durchmischt, da nur selten die für das komplexe Medium Fermenterinhalt passenden Rührtechnik

installiert ist. Mit unzureichender Durchmischung wird das Fermentervolumen nicht vollständig

ausgenutzt. Das führt wiederum dazu, dass das aktive Reaktionsvolumen abnimmt und der Biogasertrag

gemindert wird. Somit beschränken sich die hydrodynamischen Effekte einer Substratdesintegration

nicht nur auf eine verbesserte Durchmischung im Sinne einer Viskositätsabsenkung, sondern bewirken

zusätzlich eine verbesserte Durchmischung im Sinne eines erhöhten Reaktionsvolumens.

Theoretische Berechnungen mit Hilfe einer Szenarienbetrachtung

Zu dieser Hypothese wurden am DBFZ zunächst theoretische Berechnungen durchgeführt. Betrachtet

wurde die Minderung der Gasbildung durch die Abnahme des Reaktionsvolumens infolge unzureichender

Durchmischung.

Abbildung 8 zeigt die Veränderung der relativen Gasbildung infolge einer Absenkung des Reaktions-

volumens, in Abhängigkeit von der Verfügbarkeit des Substrates. Die Substratverfügbarkeit wird durch

die Bruttoreaktionsgeschwindigkeit k charakterisiert. Diese Kenngröße charakterisiert über die

verfahrenstechnischen Kenngröße der Reaktionsgeschwindigkeit hinaus, alle Prozesse, die den


BMWi-03KB106A, 31.01.2019 31

zeitlichen Verlauf der Biogasreaktion beeinflussen (z.B. Stofftransportprozesse). Die Bruttoreaktions-

geschwindigkeitskonstante wird nachfolgend kurz als „k-Wert“ bezeichnet. Hinter einem niedrigen k-Wert

von k=0,1 d-1 verbirgt sich ein schlecht verfügbares Substrat, wie z.B. ein Substratmix mit hohem

Strohanteil. Ein k-Wert von k=0,3 d-1 hingegen kann sich bei einer Substratmischung mit gut verfügbaren

Rübenanteilen einstellen. Unter „relativer Gasbildung“ ist der Anteil der Gasmenge zu verstehen, der sich

bei einer Durchmischung kleiner 100 % im Verhältnis zur bei 100 % Reaktionsvolumen gebildeten

Gasmenge ergibt. Die Darstellung erfolgte für eine fiktive Biogasanlage mit 30, 60 und 90 Tagen

Verweilzeit (Hydraulic Retention Time, HRT).

Abbildung 8: Relative Gasproduktion, anteilig an der Gasproduktion bei 100 % Durchmischung, verursacht durch ein

abnehmendes Reaktionsvolumen infolge unzureichender Durchmischung; dargestellt in Abhängigkeit von

Verweilzeit HRT und Bruttoreaktionsgeschwindigkeit k. Rot markiert: Betriebspunkte A und B der

Szenarienbetrachtung

Die relative Gasproduktion sinkt exponentiell mit abnehmender Durchmischung. Der mit zunehmender

Verweilzeit steiler werdende Anstieg in Abbildung 8 zeigt, dass der Einfluss des durchmischten

Reaktionsvolumens auf die Biogasbildung mit zunehmender Verweilzeit abnimmt (Vergleich der

Diagramme von links nach rechts). Betrachtet man den Einfluss bei gleichbleibender Verweilzeit

(Kurvenschar innerhalb eines Diagramms) zeigt sich ein flacherer Kurvenverlauf und somit eine stärkere

Abhängigkeit der relativen Gasproduktion von der Durchmischung mit abnehmendem k-Wert.

Die Relevanz dieser Betrachtungen für das Projekt ELIRAS zeigt sich, wenn man folgendes Szenario

betrachtet: Eine fiktive Biogasanlage mit 30 d Verweilzeit vergärt schwer verfügbares Substrat

(k=0,1 d- 1). Aufgrund der Substrateigenschaften und unangepasster Rührtechnik werden nur 60 % des

verfügbaren Fermentervolumens durchmischt. An diesem Betriebspunkt A (in Abbildung 8 markiert) wird

nur 86 % der theoretisch möglichen Gasmenge produziert. Durch Installation einer Substrat-

desintegration wird die Verfügbarkeit des Substrates erhöht. Der k-Wert steigt von k=0,1 d-1 auf

k=0,2 d - 1. Außerdem bewirkt die Konditionierung des Substrates eine Erhöhung des Reaktionsvolumens

von 60 % auf 80 %. Mit dieser Änderung verschiebt sich der Betriebspunkt A zwei Kurven höher und nach

rechts auf Betriebspunkt B, vergleiche Abbildung 8. An Betriebspunkt B werden 97 % der möglichen

0%

10%

20%

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Durchmischung

HRT (100 %)=30 d

A

B

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Durchmischung

HRT (100 %)=90 d

k=0,30

k=0,25

k=0,20

k=0,15

k=0,13

k=0,100%

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70%

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90%

100%

0% 20% 40% 60% 80% 100%

Durchmischung

HRT (100 %)=60 d

relative Gasproduktion

Anteil an Gasproduktion bei 100 % Durchmischung


BMWi-03KB106A, 31.01.2019 32

Gasbildung produziert, was einer Steigerung der relativen Gasproduktion infolge Desintegration

gegenüber Betriebspunkt A um 11 % gleichkommt.

Validierung an einer Praxisanlage

Um die vorgestellte Theorie mit realen Messdaten zu validieren, wurde eine Praxisanlage aus den

Kontakten des Verbundpartners Maier ausgewählt, welche eine Umstellung der Rührwerke im

Projektzeitraum vorgenommen hatte. Mit der Rührwerksumstellung berichtete der Anlagenbetreiber von

einer wesentlichen Verbesserung im Handling des Fermenterinhaltes. Darüber hinaus wurde auch

weniger Substrat eingesetzt, was auf eine Erhöhung des Biogasertrags infolge der Umrüstung schließen

lässt. Die Kenndaten der Praxisanlage sind in Tabelle 4 zusammengefasst.

Tabelle 4: Kenndaten Praxisanlage mit Rührwerksumstellung

Allgemeine Daten Prozesskenngrößen Hauptfermenter Substrate

Baujahr 2005 Raumbelastung 6 goTS L-1 d-1 67% Maissilage

Bemessungsleistung 570 kW Verweilzeit (100% durchmischt) ca. 40 d 16% Rindergülle

Anlagenschema

11% Schweinegülle

6% Hühnermist

Da die Umstellung der Rührwerke im Hauptfermenter erfolgte, wurde dieser in den Fokus der

Betrachtungen genommen. Verglichen wurde die Gasbildung und Substratzufuhr über einen Zeitraum

von vier Monaten, wobei in beiden Zeiträumen die gleichen Monate im Jahr betrachtet wurden, damit die

Substratzusammensetzung und Gärrestentnahme vergleichbar sind. Der Vergleich des Biogasertrags vor

und nach der Umstellung ergab eine 7 %ige Steigerung infolge der Rührwerksumstellung. Wie aus

Berechnungen des Verbundpartners Maier hervorging, wurde der Hauptfermenter im Ursprungszustand

nur zu 61 % durchmischt. Der Wechsel der Rührwerke führte zu einer Erhöhung des durchmischten

Volumens auf 83 %.

Mit Hilfe einer Massenbilanzierung der Praxisanlage wurde betrachtet, ob die gemessene Steigerung der

Biogasbildung auf der Anlage auch theoretisch abgebildet werden kann. Dazu wurde, aus Erfahrungs-

werten für k-Werte unterschiedlicher Substrate, der Vergärung der Substratmischung auf der Praxis-

anlage (vergleiche Tabelle 4) eine Geschwindigkeit von k=0,19 d-1 zugeordnet. Aus der gemessenen

Biogasmenge bei den unterstellten 61 % Durchmischung im Zustand vor der Umstellung wurde

berechnet, welche tägliche Biogasmenge gebildet würde, wenn sich die Durchmischung des

Hauptfermenters auf 83 % erhöht. Es ergab sich eine theoretische relative Steigerung des Biogasertrags

um 4 %. Praktisch gemessen wurde eine relative Steigerung des Biogasertrags von 7 %, welche zwar

oberhalb, aber in der gleichen Größenordnung wie die theoretisch berechnete Steigerung, liegt. Die

verbleibende Differenz von ca. 3 % muss auf andere Phänomene zurückgeführt werden, die sich infolge

einer Rührwerksumstellung ergeben und mit einer Änderung des durchmischten Volumens allein nicht

abgebildet werden können.

Ein Phänomen wäre hier die Einflussnahme der Durchmischung auf das Gas-Hold-Up im Fermenterinhalt.

Unter dem Gas-Hold-Up wird das im Fermenterinhalt zurückgehaltene Gas verstanden, welches z.B. in

1400 m³

Hauptfermenter

1400 m³

Nachgärer 1900 m³

Gärrestlager


BMWi-03KB106A, 31.01.2019 33

Form von Gasblasen, nicht aber in gelöster Form vorliegt. Mit der Einflussnahme eines Substrat-

aufschlusses auf die Rheologie des Fermenterinhaltes, kann davon ausgegangen werden, dass sich das

Gas-Hold-Up im Fermenter verringert. Erhöht man im strukturviskosen Medium Fermenterinhalt die

Rührerdrehzahl, wird die Viskosität des Mediums herabgesetzt. Damit wird der Aufstieg von Gasblasen

gefördert. Das hat wiederum Auswirkung auf das Reaktionsvolumen und den Biogasertrag.

Eine weitere Erklärung für den oben aufgeführten 3 %igen Unterschied zwischen gemessener und

theoretisch berechneter Steigerung des Biogasertrags, ist ein zu hoch angesetzter k-Wert des Prozesses.

Erniedrigt man den angenommenen k-Wert von k=0,19 d-1 und unterstellt somit eine schlechtere

Verfügbarkeit der Substratmischung als im ersten theoretischen Ansatz (siehe oben), wird die Differenz

zwischen theoretisch berechneter und praktisch gemessener Steigerung des Biogasertrags kleiner.

Schlussfolgerung

Als allgemeine Aussage aus den theoretischen Betrachtungen lässt sich zusammenfassen, dass der

größte Einfluss auf die Gasbildung bei geringen Verweilzeiten und schwer verfügbaren Substraten mit

kleinen k-Werten erzielt werden kann. Auf einer realen Praxisanlage führte die Umstellung der

Rührtechnik zu einer Veränderung der Biogasproduktion, die in einer ähnlichen Größenordnung lag wie

theoretisch berechnet. Somit kann davon ausgegangen werden, dass die verwendeten Modelle den

Praxisbetrieb hinreichend nachbilden können.

2.3.3.3 Statistische Signifikanz

Wie bereits in Abschnitt 2.3.1.4 („Weiterentwicklung experimenteller Untersuchungen zum

Substrataufschluss“) erwähnt, berücksichtigen vergangene Gärversuchen zum Substrataufschluss selten

statistische Aspekte. Wie kontinuierliche Gärversuche statistisch geplant, durchgeführt und ausgewertet

werden können, wurde im Projektzeitraum ELIRAS in der Veröffentlichung „Statistical Interpretation of

Semi-Continuous Anaerobic Digestion Experiments on the Laboratory Scale“ [19] dargelegt und soll

nachfolgend grob zusammengefasst werden.

Terminologie

Die Grundidee hinter einer statistischen Betrachtung von kontinuierlichen Gärversuchen ist, die täglich

aufgenommene Gasbildung unter stationären Bedingungen als zufällige Stichprobe anzusehen. Die

Aufnahme dieser Stichprobe dient der Schätzung der unbekannten Grundgesamtheit der realen täglichen

Gasproduktion. Der übliche Versuchsaufbau in kontinuierlichen Gärversuchen mit der täglichen Zugabe

von Substrat und anschließender Messung der Gasproduktion kann somit als die tägliche Wiederholung

desselben Experiments gesehen werden. Lange Versuchszeiträume sind mit einem großen

Stichprobenumfang gleichzusetzen.

Um statistische Aspekte versuchsübergreifend zu berücksichtigen, sollte eine einheitliche Terminologie

verwendet werden. Abbildung 9 verdeutlicht schematisch statistische Begriffe eines exemplarischen

kontinuierlichen Gärversuchs. Besonderes Augenmerk sollte auf den Unterschied zwischen den Begriffen

„Desintegration“, „Ansatz“ und „Fermenter“ gelegt werden.


BMWi-03KB106A, 31.01.2019 34

Mit „Desintegration“ ist der bereits definierte Substrataufschluss gemeint, welcher einen Einfluss auf die

Messgröße Biogasbildung nimmt. Im Gegensatz dazu beschreibt der Begriff „Ansatz“ die Veränderung

der Bedingungen bzw. die Bedingungen in einem Biogasprozess generell. CASLER definiert den „Ansatz“

als „Verfahren oder System, dessen Effekt auf das experimentelle Material gemessen oder beobachtet

wird.“ [38] Mit dieser Definition werden ein Substrataufschluss, andere Eingriffe in den Prozess, aber

auch der Prozesszustand ohne Veränderungen als „Ansätze“ gesehen. Der letztgenannte Ansatz A0 wird

als „Kontrollansatz“ bezeichnet. Ein Ansatz wirkt auf eine „Versuchseinheit“, im Fall von Gärversuchen

auf den Fermenter F. Mehrere parallel betriebene Fermenter werden in der „Wiederholeinheit“

zusammengefasst, welche wiederum als ein „Ansatz“ bezeichnet werden kann. Der beispielhafte Aufbau

eines Gärversuchs in Abbildung 9 besteht aus drei Wiederholeinheiten bzw. Ansätzen, welche jeweils zwei

Versuchseinheiten (Doppelansätze), beinhalten. Beim ersten Ansatz werden keine Veränderungen

vorgenommen, sodass der Ansatz A0 als Kontrollansatz dient. Hinter den Ansätzen A1 und A2 könnten

beispielsweise zwei unterschiedliche Substrataufschlussverfahren stehen.

Abbildung 9: Schematische Darstellung statistischer Begrifflichkeiten in Gärversuchen [34]

Voraussetzungen zur Anwendung statistischer Tests

Werden bei der Auswertung von Versuchen statistische Test verwendet, müssen die gemessenen Daten

drei Grundvoraussetzungen erfüllen:

Unabhängigkeit

Normalverteilung

Varianzhomogenität

Diese Voraussetzungen müssen bei der Anwendung von parametrischen Tests, wie dem t-Test oder der

Varianzanalyse, eingehalten werden, um robuste Testergebnisse zu erhalten. In Gärversuchen mit semi-

kontinuierlicher Zugabe der gleichen Menge an Substrat jeden Tag, stationären Bedingungen und einem

langen Versuchszeitraum, um Fluktuationen auszugleichen, kann davon ausgegangen werden, dass

„unabhängige“ Messwerte vorliegen. Neben der Unabhängigkeit der Messwerte durch die Versuchs-

umsetzung sollte auch auf zeitliche Unabhängigkeit geprüft werden, welche sich durch den Ausschluss

von Trends im Versuchszeitraum nachweisen lässt. Die verbleibenden beiden Voraussetzungen

„Normalverteilung“ und „Varianzhomogenität“ können grafisch, numerisch anhand der

Verteilungsparameter oder mit vorgeschalteten Signifikanztests überprüft werden. Da statistische Tests

robuster auf eine Verletzung der Voraussetzungen reagieren, wenn gleiche Stichprobengrößen vorliegen,

sollte in der Praxis darauf geachtet werden, dass die Versuchseinheiten die gleiche Menge an

Messwerten vorliegen haben, d.h. dass alle Ansätze mit gleicher Versuchsdauer umgesetzt werden.


BMWi-03KB106A, 31.01.2019 35

Schrittfolge zur statistischen Auswertung von Gärversuchen

Um die in Gärversuchen beobachteten Effekte auf die Gasbildung auf statistische Signifikanz hin zu

überprüfen, empfiehlt sich folgende Vorgehensweise:

I. Versuchsergebnisse auf Fehler überprüfen, fehlerhafte Daten entfernen

II. Grafische Veranschaulichung der Hauptaussage des Gärversuchs mit Hilfe eines Boxplots;

Beispiel, siehe Abbildung 10

III. Überprüfung der Voraussetzungen für die Anwendung von statistischen Tests

a. Unabhängigkeit: Versuchsumsetzung (stationärer Betrieb, langer Versuchszeitraum), kein

signifikanter Anstieg der Regressionsgeraden

b. Normalverteilung: z.B. Symmetrie in Histogramm und Boxplot, Kolmogorov-Smirnov-

Lilliefors Test

c. Varianzhomogenität: z.B. vergleichbar breite Antennen im Boxplot, Levene‘s Test

IV. Entscheidung für einen statistischen Test, z. B. mit Hilfe eines Entscheidungsbaums (siehe [34],

S. 646)

V. Formulieren der Null-Hypothese

VI. Statistischer Test

VII. Ggf. Post-Hoc-Test zur Lokalisierung signifikanter Unterschiede nach einer Varianzanalyse

Statistische Auswertung von Gärversuchen mit Boxplots

Mit Hilfe dieser Vorgehensweise wurden vier exemplarische Gärversuche mit unterschiedlichen

Versuchsaufbauten ausgewertet (siehe [34]). Die Auswertung eines beispielhaften Gärversuchs in Form

eines Boxplots ist in Abbildung 10 dargestellt (Versuchsaufbau analog Abbildung 9).

Der Boxplot lässt bereits eine erste Aussage zu, die durch einen nachfolgenden statistischen Test

bestätigt wird: Die Gasbildung der parallel betriebenen Fermenter F1 und F2 innerhalb eines Ansatzes

unterscheidet sich nur minimal. Die Unterschiede der Gasbildung zwischen den Ansätzen sind signifikant.

Mit dem Substrataufschluss unter Ansatz A1 konnte eine signifikante Steigerung gegenüber der

Gasbildung aus dem Kontrollansatz A0 erzielt werden. Die Gasbildung aus dem Ansatz A2 hingegen

unterscheidet sich nicht signifikant vom Kontrollansatz A0.

Da die Daten die Voraussetzungen für die Anwendung eines statistischen parametrischen Tests erfüllen,

wurde mit Hilfe einer hierarchischen Varianzanalyse auf Signifikanz getestet. Dazu wurden die

Unterschiede auf der ersten Stufe A (zwischen den Ansätzen) mit den Unterschieden der darunter-

liegenden Stufe F (zwischen den Fermentern, innerhalb der Ansätze) ins Verhältnis gesetzt. Signifikanz

liegt erst vor, wenn die Unterschiede in der Gasbildung zwischen Ansätzen höher sind als die

Unterschiede zwischen den Fermentern. Unterschiede zwischen parallelen Fermentern, welche unter

gleichen Versuchsbedingungen betrieben werden, sind in der Biogastechnik nicht unüblich und können

z.B. auf die Prozessbiologie zurückgeführt werden. Solche Schwankungen zwischen Versuchs-

wiederholungen sollten durch identischen Versuchsaufbau und Betriebsweise minimal gehalten werden

und in einer fundierten Auswertung Berücksichtigung finden.


BMWi-03KB106A, 31.01.2019 36

Abbildung 10: Boxplot des Biogasertrags eines beispielhaften Gärversuchs mit drei Ansätzen

Statistische Versuchsplanung durch Teststärkenanalyse

Aus statistischer Sicht ist das Ziel eines jeden Gärversuchs den wahren Wert des Biogasertrags unter den

gegebenen Bedingungen zu ermitteln. Dieser Wert wird durch wiederholte Messungen geschätzt. Der

Schätzfehler wird kleiner, je größer die Anzahl der Messungen ist. Außerdem wird mit steigender Anzahl

an Messwerten das Rauschen reduziert und Effekte treten deutlicher hervor. Der Zahl der Wiederholungs-

messungen, welche in Gärversuchen der Anzahl an parallel betriebenen Fermentern entspricht, sind

jedoch aus finanzieller und organisatorischer Sicht Grenzen gesetzt. An diesem Punkt erweist sich eine

Teststärkenanalyse als Bestandteil der statistischen Versuchsplanung als nützlich.

Mit Hilfe der Teststärkenanalyse lässt sich die minimale Anzahl an Versuchswiederholungen schätzen,

welche notwendig sind, um einen gegebenen Effekt statistisch signifikant nachzuweisen. Umgekehrt

kann auch der minimal nachweisbare Effekt bei einem gegebenen Versuchsaufbau berechnet werden.

Beide Schätzungen hängen von der postulierten Teststärke ab, welche üblicherweise mit einem Wert von

80 % angesetzt wird. Eine Teststärke von 80 % ist gleichzusetzen mit einer 80 %igen Wahrscheinlichkeit

die Nullhypothese „Es gibt keine signifikanten Unterschiede“ zu verwerfen, wenn sie nicht korrekt ist.

Eine Teststärkenanalyse wird vor der eigentlichen Versuchsplanung durchgeführt und basiert

idealerweise auf einem Versuch mit möglichst vielen parallel betriebenen Versuchsfermentern. Aus

diesen Versuchswiederholungen lässt sich die übliche Schwankung zwischen identisch betriebenen

Fermentern schätzen.

In einem beispielhaften Vorversuch wurde zwischen acht parallel betrieben Fermentern eine Schwankung

im Biogasertrag von 7,8 mL goTS-1 ermittelt. Der mittlere Biogasertrag betrug 706 mL goTS-1, sodass es sich

um eine Schwankung von ± 1,1 % handelt. Basierend auf diesem Vorversuch wurde die eine Teststärken-

analyse durchgeführt, deren Ergebnis in Abbildung 11 dargestellt ist. Das Diagramm zeigt den

funktionellen Zusammenhang zwischen der Anzahl an Versuchswiederholungen und dem nachweisbaren

Unterschied im Biogasertrag für diesen Vorversuch.


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Abbildung 11: Anzahl an notwendigen Versuchswiederholungen, um Veränderungen im Biogasertrag in Abhängigkeit von der

Teststärke nachzuweisen (berechnet mit G*Power auf Basis eines Vorversuchs mit acht parallel betriebenen

Fermentern mit einer Schwankung im Biogasertrag von 7,8 mL goTS-1)

Aus dem Diagramm in Abbildung 11 lässt sich ablesen, dass bei einer Teststärke von 80 % und einem

Versuchsaufbau mit Doppelansätzen (zwei Versuchswiederholungen) Veränderungen im Biogasertrag ab

6 % signifikant nachweisbar sind. Da die Kurve exponentiell verläuft, wären sechs Fermentern pro Ansatz

notwendig, um bei gleicher Schwankung und Teststärke einen Effekt im Biogasertrag von 2 % mit

Signifikanz nachzuweisen. Gelingt es die Schwankungen zwischen parallel betriebenen Fermentern noch

weiter als die ermittelten 7,8 mL goTS-1 zu senken, kann die Anzahl an notwendigen Versuchs-

wiederholungen reduziert werden.

Schlussfolgerung zu statistisch fundierten Gärversuchen

Für zukünftige Gärversuche zum Nachweis von Effekten auf den Biogasertrag infolge eines

Substrataufschlusses, empfiehlt sich ein Vorversuch mit einer möglichst großen Anzahl an parallel

betriebenen Fermentern zur Abschätzung der Schwankungen zwischen Parallelfermentern. Über die

Teststärkenanalyse wird die Anzahl an notwendigen Versuchswiederholungen für den eigentlichen

Gärversuch geschätzt und die Anzahl an Fermentern entsprechend reduziert. Um sowohl eine räumliche

als auch zeitliche Parallelität zu erzielen, sollte der Kontrollansatz auch im eigentlichen Gärversuch weiter

betrieben werden.

Je nach Schwankung zwischen den parallel betriebenen Fermentern im Vorversuch, sollten Versuchs-

fermenter je Ansatz mindestens doppelt betrieben werden. Nur mit einem Versuchsaufbau von

mindestens zwei Fermentern je Ansatz kann beurteilt werden, ob gemessene Effekte infolge

Desintegration auf übliche Schwankungen zwischen Fermentern oder wirklich auf den

Substrataufschluss zurückzuführen sind. [19]


BMWi-03KB106A, 31.01.2019 38

2.3.3.4 Charakterisierung von Substrat und Fermenterinhalt (AP3)

TS-Korrektur

Die Vergleichbarkeit zwischen verschiedenen Gärversuchen ist nur gewährleistet, wenn die gebildete

Gasmenge spezifisch als Gasertrag, d.h. bezogen auf die Menge an zugeführter Organik (oTS), angegeben

wird. Da allerdings bei der klassischen Substratcharakterisierung der oTS und TS nach DIN 12880 [20]

flüchtige organischen Komponenten verloren gehen, muss eine nachträgliche Korrektur des TS-Gehalts

vorgenommen werden. Diese TS-Korrektur wurde bereits in Kapitel 2.3.1.4 („Weiterentwicklung

experimenteller Untersuchungen zum Substrataufschluss (DBFZ)“, S. 21) oder ausführlicher in der

Messmethodensammlung Biogas [16] und durch WEIßBACH & STRUBELT [22–24] beschrieben.

Fermentierbare organische Trockensubstanz (FoTS)

Ein weiterer Ansatz, der aus den Arbeiten von WEIßBACH (vergleiche z.B. [39]) hervorgegangen ist, ist die

Angabe des Gasbildungspotenzials eines Substrates über die fermentierbare organische Trocken-

substanz, kurz FoTS. Die FoTS ist die Teilmenge der oTS, welche von den Mikroorganismen im

Biogasprozess tatsächlich zu Gas umgesetzt werden kann. Insbesondere bei lignocellulosehaltigen

Substraten, wie Stroh, unterscheidet sich die FoTS von der oTS, da z.B. Lignin ein organischer Bestandteil

in Biogassubstraten ist, welcher von der Prozessbiologie nicht verwertet werden kann. Da die FoTS somit

den gesamten vergärbaren organischen Anteil eines Substrates umfasst, ist die Kenngröße

gleichzusetzen mit dem Biogasbildungspotenzial. Experimentell bestimmt werden kann das Gasbildungs-

potenzial bzw. der FoTS über diskontinuierliche Gärversuche. Die FoTS ist dabei der Wert der kumulierten

Biogasbildung, der bei theoretisch unendlich langer Versuchslaufzeit erreicht wird. [17] Der in der Praxis

angegebene Endwert der kumulierten Gasbildung eines diskontinuierlichen Gärversuchs bei Erreichen

des Abbruchkriteriums liegt dabei immer unterhalb der wahren FoTS. Da die wahre FoTS bei unendlich

langer Versuchslaufzeit vorliegt, kann diese Kenngröße durch Extrapolation und Modellierung nur

theoretisch, aber nicht experimentell bestimmt werden. Eine detaillierte Beschreibung zur Abschätzung

der FoTS kann in den Veröffentlichung von WEINRICH [40] [41] nachgelesen werden. Wie bereits in Absatz

2.3.3.1 („Einteilung der Effekte von Substrataufschluss“) erläutert wurde, lässt sich mit Hilfe der FoTS

ein Teileffekt einer Substratdesintegration, die Erhöhung des vergärbaren organischen Anteils,

beschreiben.

Hydrodynamik

Die beiden oben genannten Parameter spielen vor allem bei der Charakterisierung von Inputsubstraten

eine wichtige Rolle. Soll der Inhalt des Fermenters charakterisiert werden, kommen neben den

Kenngrößen zur Beschreibung des Prozesszustands (z.B. pH-Wert, Ammoniumstickstoff) auch

physikalische Kennwerte zum Einsatz. Neben der TS-, oTS-Analyse zählen dazu hydrodynamische

Kenngrößen. In den experimentellen Untersuchungen der Projektpartner Maier und LTS in AP4 wurde der

Einfluss verschiedener Rührergeometrien und Modellfluide auf die hydrodynamischen Kenngrößen

Leistungseintrag, Mischzeit, Oberflächenverhalten, Kavernengröße und Axialschub untersucht, wie im

Schlussbericht Maier/LTS (vergleiche z.B. Kapitel 2.1.4.2 „Material und Methoden“) ausführlich

dargelegt.


BMWi-03KB106A, 31.01.2019 39

Das Fließverhalten von Fermenterinhalten wurde über Fließkurven charakterisiert und darüber der Anteil

des durchmischten Fermentervolumens bestimmt. Diese Kenngröße der Durchmischung des Fermenters

ist von wesentlicher Bedeutung, da sie die Anknüpfung der Arbeiten der Projektpartner Maier und LTS an

die Arbeiten des DBFZ ermöglicht. Die Durchmischung D kann beschrieben werden als der Anteil des

Fermenterinhaltes, der eine Strömungsgeschwindigkeit von mindestens 1 cm/s aufweist und somit als

durchmischt gekennzeichnet werden kann. Über die Durchmischung kann der dritte Teileffekt eines

Substrataufschlusses „Veränderung der Hydrodynamik“ beschrieben werden, indem vom durchmischten

Fermentervolumen auf die Gasbildung rückgeschlossen wird. Wie bereits in Abbildung 8 verdeutlicht

(siehe Abschnitt 2.3.3.2), sinkt relative Gasproduktion, berechnet aus der Gasbildung bei ungenügender

Durchmischung (D < 100 %) im Verhältnis zur Gasbildung bei 100 % Durchmischung, exponentiell mit

abnehmender Durchmischung.

Da die Bestimmung der Durchmischung über die Aufnahme von Fließkurven und modellbasierte

Nachbildung des Fermenters sehr aufwendig ist, wurde nach einem Kennwert gesucht, der einfach zu

bestimmen ist und ebenfalls einen Rückschluss auf die Durchmischung zulässt. Im Projekt

„Untersuchungen von Mischungssystemen in Biogasfermentern unter Einsatz der Prozess-Tomographie“

der Verbundpartner Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme (IKTS) und KSB AG

wurde festgestellt, dass der Einfluss der im Fermenterinhalt enthaltenen Fasern und Partikel auf das

Fließverhalten gegenüber dem TS-Gehalt deutlich überwiegt. [1] Basierend auf diesen Erkenntnissen,

wurde im Projekt ELIRAS die mittlere Partikelgröße als die potenzielle Kenngröße identifiziert, um den

Fermenterinhalt hydrodynamisch zu charakterisieren und auf die Durchmischung rückzuschließen. In der

Fachliteratur gibt es bereits einige Hinweise auf einen Zusammenhang zwischen Partikelgröße und

Biogasbildung, jedoch hängen die Ergebnisse stark von untersuchten Substraten und Versuchs-

bedingungen ab. Der Stand der Wissenschaft zum Zusammenspiel von Partikelgröße und Vergärung ist

im Kapitel 2.3.1.5 „Literaturrecherche“ (S.25) dargestellt.

Im Vorhaben ELIRAS wurden Kontakte des Verbundpartners Maier zu Biogasanlagenbetreibern genutzt,

um sowohl Fließkurven als auch Partikelgrößenanalysen realer Fermenterinhalte von Praxisanlagen

aufzunehmen. Über das Vorhaben „Biogas-Messprogramm III“ (vergleiche Kapitel 1.2; „Voraussetzungen,

unter denen das Vorhaben durchgeführt wurde“, S. 8) des DBFZ konnten weitere Praxisanlagen beprobt

werden, welche mit den Buchstaben A bis E anonymisiert bezeichnet wurden. Abbildung 12 stellt die

Fließkurven der Fermenterinhalte der beprobten Praxisanlagen in einem Diagramm zusammen.


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Abbildung 12: Fließkurven von Fermenterinhalten realer Praxis-Biogasanlagen BGA A bis BGA E

Es können deutliche Unterschiede im Fließverhalten der verschiedenen Fermenterinhalte ausgemacht

werden, welche auch auf die Zusammensetzung des Substratinputs auf den Praxisanlagen zurückgeführt

werden können (siehe Tabelle 5). Wie bereits der hohe Anteil an grobfaseriger Ganzpflanzensilage (40 %)

auf BGA B vermuten lässt, liegt die Fließkurve des Fermenterinhaltes von BGA B mit einem

Fließkoeffizienten K von ca. 12 Pasm über denen der anderen beprobten Praxisanlagen. Tabelle 5

ermöglicht außerdem eine Gegenüberstellung der Fließkurven mit den mittleren Partikeldurchmessern

xm der Fermenterinhalte. Mit Ausnahme von BGA A können die Biogasanlagen nach mittlerem

Partikeldurchmesser in der gleichen Reihenfolge wie die Lage der Fließkurven in Abbildung 12 sortiert

werden.


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Tabelle 5: Hydrodynamische Kennwerte und Substratzusammensetzung der beprobten Praxisanlagen BGA A bis BGA E;

kursiv dargestellt: Substratbestandteile, welche die Fließfähigkeit des Fermenterinhaltes vermutlich herabsetzen

BGA Substratzusammensetzung Fließkoeffizient K

[Pa sm]

Fließindex m

[–]

mittlere Partikel-

größe xm [mm]

A 19 % Maissilage 3 % Anwelksilage Abdecke 71 % Rindergülle 5 % Futterreste 3 % Getreideschrot

8,7482

0,298

1,50

B 15 % Rindergülle 45 % Maissilage 40 % Ganzpflanzensilage

11,832

0,322

2,28

C 79 % Rindergülle 4 % Getreideschrot+Kleie 17 % Mais 0,2 % Grassilage

7,4494 0,344 1,77

D 40 % Schweinegülle mit Jauche 40 % Maissilage 10 % Grassilage

10 % HTK

4,9363 0,433 1,68

E 15 % Maissilage 5 % Kartoffeln 4 % Anwelksilage 7 % Mist 69 % Gülle

2,6766 0,437 1,23

F 80 % Maissilage

20 % Zuckerrübensilage

2,5958 0,503 1,07

Da die Lage der Fließkurven durch den Fließkoeffizienten K beschrieben wird, lässt sich ein funktionaler

Zusammenhang zwischen Fließverhalten und mittlerem Partikeldurchmesser xm ableiten. In Abbildung

13 wurde der Fließkoeffizient K über dem mittlerem Partikeldurchmesser xm aufgetragen. Auch hier zeigt

sich, dass die BGA A am stärksten von der Regressionsgerade abweicht. Mit einem Bestimmtheitsmaß

R² von 78 % kann ein linearer Zusammenhang gemäß Formel 1 beschrieben werden.

𝐾 = 7,4753 ∙ 𝑥𝑚 − 5,5001 Formel 1

Diese lineare Abhängigkeit ermöglich die Bestimmung des Fließverhaltens eines Fermenterinhaltes

lediglich über die Kenngröße mittlere Partikelgröße und ohne die weitaus aufwendigere Aufnahme der

Fließkurven. Da der lineare Zusammenhang mit einem Bestimmtheitsmaß von 78 % und einem geringen

Stichprobenumfang von nur 6 Messpunkten noch nicht sehr genau beschrieben wird, sollte die

empirische Abschätzung zukünftig durch weitere Messpunkte ergänzt werden.


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Abbildung 13: Empirisch ermittelte Abhängigkeit des Fließkoeffizienten K von der mittleren Partikelgröße xm

Partikelgrößenanalyse

Methodenentwicklung Siebanalyse

Nachdem die mittlere Partikelgröße als Kopplungsparameter der Arbeitspakete 3 und 4 identifiziert

wurde, galt es eine Methode zu entwickeln, um diesen für die Charakterisierung von Medien des

Biogasprozesses neuen Parameter zu bestimmen.

Die mittlere Partikelgröße xm einer Probe lässt sich berechnen, wenn die Partikelgrößenverteilung der

Probe bekannt ist. Partikelgrößenverteilungen dienen der Beschreibung disperser Systeme. Dazu wird

das disperse System, gleichzusetzen mit einem Gemenge an Partikeln, über Mengenanteile in

unterschiedliche Klassen eingeteilt. Je nachdem, welche Mengenart zur Unterscheidung der Klassen

herangezogen wird, können verschiedene Methoden zur Partikelgrößenanalyse unterschieden werden.

Breite Anwendung in der Partikelgrößenanalyse findet die Unterteilung der Partikelklassen nach Masse,

die mit Hilfe einer Siebanalyse umgesetzt wird. [42]

Die Herausforderung bei der Partikelgrößenanalyse von Medien des Biogasprozesses ist die sehr

inhomogene Stoffcharakteristik der Proben, welche sich in den verschiedenen physikalischen

Stoffeigenschaften der Partikel, in einer hohen Verteilungsbreite und auch einer nicht kugelartigen

Partikelform äußert. Proben aus dem Biogasprozess weisen eine sehr unregelmäßige, oft auch faserige

Partikelform mit stark verschiedenen Stoffeigenschaften auf. Bei der Siebanalyse von Proben mit nicht

kugelartigen Partikeln passieren die Partikel das Sieb nur in einer bestimmten Orientierung. Eine Faser

kann das Sieb demnach auch mit seiner kleinsten Projektionsfläche, unabhängig von der Länge

passieren. Deshalb handelt es sich bei dem mit Hilfe einer Siebanalyse bestimmten mittleren

Partikeldurchmesser xm um einen Äquivalentdurchmesser, der beschreibt, welchen Durchmesser eine

wirkungsgleiche Kugel hat. Aussagen über die Partikelform können mit Hilfe der Siebanalyse nicht


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getroffen werden. Optische Methoden zur Partikelgrößenanalyse ermöglichen durch die Angabe von

Formfaktoren, wie der Sphärizität ψ, eine Beschreibung der Partikelform. Die Sphärizität gibt einen

Hinweis darauf, wie sich die Partikelform von dem Ideal der Kugel unterscheidet und ermöglicht eine

Korrektur des Partikelvolumens. Für die Auswertung von Siebversuchen ist diese Korrektur jedoch nicht

notwendig, da nicht das Volumen, sondern die statistische Faserlänge den Durchgang durch ein Sieb

entscheidet. [43]

Die Partikelgrößenverteilung von Proben aus dem Biogasprozess reicht von feinsten Partikeln im

µm-Bereich bis hin zu groben Fasern im cm-Bereich, welche im Gegensatz zu Schüttgütern mit Wasser

vermengt aggregieren und schwierig zu trennen sind. Aufgrund der hohen Verteilungsbreite kann die

Partikelgrößenverteilung nicht in einem Schritt bestimmt werden und erfordert einen ersten Trennschritt.

Da am DBFZ keine optischen oder quantitativen Messmethoden zur Verfügung standen, wie in der

Messvorschrift des Fraunhofer IKTS beschrieben [21], wurde die Partikelgrößenverteilung mit Hilfe einer

klassischen Siebanalyse aufgenommen. Zum Einsatz kam ein Siebturm aus Metallsieben mit 20 mm

Durchmesser und eine Siebmaschine (AS 300) der Firma Retsch GmbH (Haan).

In einem ersten Ansatz wurde die Probe ohne Einsatz der Siebmaschine lediglich im Siebturm mit Wasser

gespült und anschließend getrocknet. Da diese Nasssiebung jedoch sehr zeitaufwendig war und nur eine

geringe Reproduzierbarkeit erzielt werden konnte, wurde die Methode weiterentwickelt. Die Zeitdauer

einer Analyse konnte wesentlich reduziert werden, indem die Probe vor der Partikelgrößenanalyse

gefriergetrocknet und die Siebung im trockenen Zustand mit Hilfe einer Siebmaschine durchgeführt

wurde. Auch schlug sich das Ersetzen des bei der Nasssiebung spülenden Laboranten durch die

Siebmaschine in einer Erhöhung der Reproduzierbarkeit nieder.

Im Wesentlichen wurden bei der Methodenentwicklung zwei Arten von Proben unterschieden, welche als

Medien im Biogasprozess untersucht werden könnten:

a) Prozessmedien mit hohem Feinanteil und hohem Flüssigkeitsanteil, wie Fermenterinhalte

b) Substrate, meist grobfaserig und mit geringer Feuchte, wie Silagen

Wie in Abbildung 14 schematisch verdeutlicht, müssen beide Probenarten auf unterschiedliche Weise für

eine Partikelgrößenanalyse vorbereitet werden. Da bei Prozessmedien mit hohem Flüssigkeits- und

Feinanteil, wie Fermenterinhalten, grobe Partikel während einer Gefriertrocknung mit den Feinanteilen

aggregieren, ist bei dieser Art von Probe eine Vorabtrennung der Feinfraktion notwendig. In diesem ersten

Trennschritt (1.) wird die Probe in Anlehnung an die Methode nach IKTS [21] auf ein 0,5 mm Sieb gegeben

und mit Wasser gespült bis nur noch der Grobanteil auf dem Sieb verbleibt. Die in diesem ersten

Trennschritt abgetrennte Feinfraktion mit Partikeln ≤ 0,5 mm wird am Ende der Partikelgrößenanalyse

durch Kenntnis der Anfangseinwaage über Differenzenbildung rückgerechnet.

Da ein Überführen der trockenen Siebrückstände von den Sieben auf Papierfilter aufgrund von statischer

Aufladung und dem Festsetzen in den Maschen nur schwer ohne Verluste umsetzbar war, wurden die

beladenen Siebe direkt auf einer Oberschalenwaage ausgewogen.


BMWi-03KB106A, 31.01.2019 44

Abbildung 14: Schrittweise Vorgehensweise zur Aufnahme einer Partikelgrößenverteilung von a) Fermenterinhalten

(Prozessmedien) und b) Substraten (z.B. Silagen)

Die grafische Auswertung einer Partikelgrößenanalyse über die Dichte- und Summenverteilung

ermöglicht die Ableitung wichtiger Kenngrößen zur Beschreibung des dispersen Systems. Eine häufig

angegebene Kenngröße ist der Median x50. Der Median wird als Verteilungskenngröße grafisch aus der

Summenverteilung bestimmt und gibt an, dass 50 % der Probenmasse kleiner bzw. gleich dem

angegebenen Wert ist. Da durch die geringe Anzahl an Messpunkten eine grafische Auswertung der

Siebanalyse ungenau ist, wurde sich für die Ausgabe der mittleren Partikelgröße xm entschieden. Die

mittlere Partikelgröße xm ist das gewichtete Mittel der mittleren Partikelgrößen xK aller Partikelklassen.

Bei der Siebanalyse wird die mittlere Partikelgröße xK einer Partikelklasse als Mittelwert zwischen der

Maschenweite xS des Siebes und der des nächst größeren Siebes im Siebturm bestimmt. Die mittlere

Partikelgröße xm wiederum mittelt die xK der einzelnen Klassen gewichtet nach dem Massenanteil des

Siebrückstands an der Gesamtmasse der Probe auf dem jeweiligen Sieb.

Vergleich Siebanalyse – optische Partikelgrößenanalyse (Camsizer)

Um die Ergebnisse der Partikelgrößenanalyse nach der vorgestellten Methodik mit anderen etablierten

Methoden abzugleichen, wurde Kontakt zur TU Bergakademie Freiberg aufgenommen. Im EVT-Labor

(Energieverfahrenstechnik und thermischen Rückstandsbehandlung) des Instituts für Energieverfahrens-

technik und Chemieingenieurwesen (IEC) der TU Freiberg erfolgt die Partikelgrößenanalyse auf optischem

Wege mit Hilfe von zwei Camsizern (P4 und XT, Retsch GmbH, Haan). Bei diesem Messprinzip wird die

Probe zunächst mit definiert großen Partikeln suspendiert, auf eine Rüttelrinne gegeben und gleichmäßig

verteilt. Durch optische Messung werden die Partikel der Probe mit den zugegebenen Proben bekannter

Partikelgröße verglichen. Mit Hilfe des Camsizers können Fraktionen im kleinsten µm-Bereich bis hin zu

größeren Fraktionen bis 30 mm analysiert werden.

Um verschiedenartige Proben zu analysieren, wurde eine Partikelgrößenanalyse einer festen Probe und

flüssigen Probe beauftragt. Dabei handelte es sich um Maissilage und Fermenterinhalt einer Maismono-

vergärung an der Forschungsbiogasanlage. Beide Proben wurden bereits in der Methodenentwicklung

der Siebanalyse am DBFZ eingesetzt, weshalb Vergleichsmessungen zu deren Partikelgrößenverteilung

vorlagen. Neben dem institutsübergreifenden Vergleich der verschiedenen Messprinzipien konnte die

optische Partikelgrößenanalyse an der TU Freiberg zusätzliche Informationen über die Probe, wie die

Sphärizität ψ der Partikel, liefern. Da mit dem Camsizer jedoch nur feste, trockene Proben analysiert

werden können, wurden die Proben an beiden Instituten im gefriergetrockneten Zustand analysiert.

Abbildung 15 zeigt, dass die optische Partikelgrößenanalyse mit dem Camsizer eine hohe Auflösung der

einzelnen Klassen und somit eine hohe Genauigkeit der Messung ermöglicht. Wird der Volumenanteil der

Partikel der Maissilage über die mittleren Klassengrößen aufgetragen, ergibt sich der für

Normalverteilungen typische Glockenkurvenverlauf mit einem Maximum bei der Partikelgröße 7,55 mm.

1. Trennen a) Fermenterinhalt

Feinfraktion

Grobfraktion

2. Einfrieren 4. Sieben

Auswertung

5. Auswiegen b) Substrat 3. Trocknen


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Abbildung 15: Partikelgrößenverteilung von Maissilage, aufgenommen mit Camsizer P4 und XT (Retsch) an der TU

Bergakademie Freiberg

Ein Vergleich zum analysierten Fermenterinhalt in Abbildung 16 macht deutlich, dass die Partikelgrößen

im Fermenterinhalt viel breiter verteilt sind als bei der Maissilage. Es sind nahezu alle Klassengrößen

stärker vertreten, dafür gleichmäßiger und mit geringeren Volumenanteilen verteilt. Die höchsten

Volumenanteile sind in den sehr kleinen Größenklassen um 5 µm und um 27 µm, aber auch in den

größeren Klassen um 6,7 mm auszumachen. Damit wurde die Erfahrung, dass es sich bei

Fermenterinhalt um eine sehr inhomogene Probe handelt, welche zu einem Teil aus sehr feinen und zum

anderen Teil aus verhältnismäßig großen Partikeln besteht, analytisch bestätigt. Diese besondere

Partikelgrößenverteilung kann auf die Entstehung von Fermenterinhalten zurückgeführt werden. Da

Fermenterinhalt das Produkt der Vergärung der Substratpartikel ist, besitzt die Probe einen hohen Anteil

an feinen Partikeln im µm-Bereich, die bereits im Biogasprozess umgesetzt wurden. Bei den Anteilen im

mm-Bereich handelt es sich um frisch zugegebenes bzw. noch nicht weit vergorenes Substratmaterial,

welches aufgrund der quasikontinuierlichen Betriebsführung einer Biogasanlage ebenfalls ein

Bestandteil von Fermenterinhalten ist.

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

0,0

2

0,0

4

0,0

5

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6

0,0

8

0,1

0

0,1

2

0,1

5

0,1

9

0,2

4

0,3

0

0,3

8

0,4

8

0,6

0

0,7

6

0,9

5

1,1

9

1,5

0

1,9

0

2,3

7

2,9

8

3,7

8

4,7

5

5,9

5

7,5

5

9,5

0

11

,85

15

,00

19

,00

Vo

lum

en

an

teil [

%]

mittlere Klassengröße [mm]


BMWi-03KB106A, 31.01.2019 46

Abbildung 16: Partikelgrößenverteilung von Fermenterinhalt der Forschungsbiogasanlage des DBFZ, mit Camsizer P4 und XT

(Retsch) an der TU Bergakademie Freiberg analysiert

Um die beiden Messprinzipien Camsizer und Siebanalyse zu vergleichen, wurden die Klassenbreiten der

optisch aufgenommenen Partikelverteilungen vergrößert und an die Klassenbreiten der Siebanalyse

angepasst, wie in Abbildung 17 dargestellt. Unterschiede in den ermittelten Fraktionsanteilen der beiden

Messprinzipien zeigen sich vor allem in den mittleren Klassengrößen von 2,58 mm bis 6,50 mm (bzw.

dem Rückstand der Siebe 2,00 mm; 3,15 mm und 5,00 mm). Es wird davon ausgegangen, dass die

optisch aufgenommene Partikelverteilung mit dem Camsizer ein genaueres Bild der Probe wiedergibt, da

die Verteilung der charakteristischen Glockenkurve näherkommt als die Partikelverteilung, welche mit

der Siebanalyse ermittelt wurde. Außerdem konnte mit der optischen Methode des Camsizers eine

höhere Reproduzierbarkeit erzielt werden, worauf die kleineren Fehlerindikatoren im Vergleich zur

Siebanalyse in Abbildung 17 hindeuten. Vergleicht man allerdings die mittleren Partikelgrößen xm, zeigen

sich nur geringfügige Unterschiede zwischen den Messprinzipien. Mit dem Camsizer wurde für die

Maissilage eine mittlere Partikelgröße xm von 6,10 mm ermittelt. Die Siebanalyse ergab ein xm=6,14 mm.

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

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0,0

0

0,0

0

0,0

1

0,0

1

0,0

1

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2

0,0

2

0,0

2

0,0

3

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4

0,0

4

0,0

5

0,0

6

0,0

7

0,0

9

0,1

2

0,1

7

0,2

4

0,3

4

0,4

8

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7

0,9

5

1,3

3

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0

2,6

5

3,7

8

5,3

0

7,5

5

10

,60

15

,00

Vo

lum

en

an

teil [

%]

mittlere Klassengröße [mm]


BMWi-03KB106A, 31.01.2019 47

Abbildung 17: Vergleich der Partikelgrößenverteilung und des mittleren Partikeldurchmesser xm von Maissilage, mit Camsizer

P4 und XT (Retsch) an der TU Bergakademie Freiberg und per Siebanalyse (Retsch) am DBFZ analysiert

Ein ähnliches Bild zeigt der Vergleich der beiden Messprinzipien an der Probe Fermenterinhalt. Auch hier

werden Unterschiede in den ermittelten Partikelgrößenverteilungen ersichtlich, siehe Abbildung 18.

Vergleicht man wiederum die mittleren Partikeldurchmesser xm, liegen diese mit 1,97 mm (ermittelt mit

dem Camsizer) und 1,73 mm (ermittelt per Siebanalyse) nicht weit auseinander. Tabelle 6 fasst die

gemessenen mittleren Partikeldurchmesser beider Proben zusammen.

0

5

10

15

20

25

30

35

40

28,0012,006,504,082,581,700,950,25

16,008,005,003,152,001,400,500,00

Vo

lum

en

an

teil a

n T

S [

%]

mittlere Klassengröße xK [mm]

Siebgröße xS [mm]

Siebanalyse Camsizer

xK

xS

6,10

6,14

0 1 2 3 4 5 6 7

xm [mm]


BMWi-03KB106A, 31.01.2019 48

Abbildung 18: Vergleich der Partikelgrößenverteilung und des mittleren Partikeldurchmesser xm von Fermenterinhalt der

Forschungsbiogasanlage des DBFZ, mit Camsizer P4 und XT (Retsch) an der TU Bergakademie Freiberg und per

Siebanalyse (Retsch) am DBFZ analysiert

Mit Hilfe der optischen Partikelgrößenanalyse (Camsizer) konnte zusätzlich zur Partikelverteilung auch

die Form der Partikel beschrieben werden. Die Sphärizität ψ beschreibt, wie nah die Partikelform an eine

Kugel herankommt, wobei ein Wert von 1,0 einer Kugel entspricht. Wie aus Tabelle 6 abzulesen ist,

beträgt die Sphärizität der Maissilagepartikel im Mittel 0,45, was für eine faserige Partikelform spricht.

Interessant ist der Vergleich der Proben „Fermenterinhalt, grob“, gleichzusetzen mit Partikeln größer

1 mm, und „Fermenterinhalt, fein“, mit Partikeln ≤ 0,5mm. Es zeigt sich, dass die Partikel des feineren

Anteils mit ψ=0,77 kugelähnlicher sind als der grobe Anteil des Fermenterinhaltes, der eine Sphärizität

von ψ=0,24 aufweist. Damit konnte mit auch ein messtechnischer Hinweis darauf gegeben werden, dass

die Partikel im Fermenterinhalt mit abnehmender Größe kugelähnlicher bzw. weniger faserähnlicher

werden.

Tabelle 6: Vergleich der mittleren Partikelgröße und Sphärizität von Maissilage und Fermenterinhalt der

Forschungsbiogasanlage des DBFZ, mit Camsizer P4 und XT (Retsch) an der TU Bergakademie Freiberg und per

Siebanalyse (Retsch) am DBFZ ermittelt

Mittlere Partikelgröße xm Sphärizität ψ

Maissilage Fermenterinhalt Maissilage Fermenterinhalt

grob (x>1mm) fein (x≤ 0,5mm)

Camsizer 6,14 mm 1,97 mm 0,45 0,24 0,77

Siebanalyse 6,10 mm 1,73 mm −

Da für die Charakterisierung von Medien des Biogasprozesses im Vorhaben ELIRAS nicht die Partikel-

größenverteilung, sondern die Kenngröße mittlerer Partikeldurchmesser xm Eingang in weitere

0

10

20

30

40

50

60

70

28,0012,006,504,082,581,700,950,25

16,008,005,003,152,001,400,500,00

Vo

lum

en

an

teil a

n T

S

[%]

mittlere Klassengröße xK [mm]

Siebgröße xS [mm]

Siebanalyse Camsizer

xK

xS

1,97

1,73

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5

xm [mm]


BMWi-03KB106A, 31.01.2019 49

Betrachtungen findet, wird der Vergleich der Siebanalyse mit etablierten Messmethoden, wie dem

Camsizer, positiv bewertet und die Methode der Gefriersiebung als hinreichend genau angesehen.

Abnahme der Partikelgröße im diskontinuierlichen Gärversuch

Um den Zusammenhang zwischen Partikelgröße und anaerober Vergärung experimentell zu untersuchen,

wurde ein diskontinuierlicher Gärversuch regelmäßig beprobt und die Veränderung der Partikelgrößen-

verteilung über die Zeit aufgenommen.

Ein erster Vorversuch mit einem Fermenter zeigte bereits eine Veränderung der Partikelgröße im

zeitlichen Verlauf der anaeroben Vergärung. Außerdem wurde deutlich, dass die Herausforderung einer

solchen Versuchsanordnung darin liegt, dass in einem diskontinuierlichen Gärversuch nur wenig

Trockensubstanz bzw. Partikel auf ein hohes Fermentervolumen kommen, was bei häufiger Probenahme

eine repräsentative Probenahme erschwert. Deshalb wurden im Hauptversuch drei Fermenter parallel

betrieben und der Anteil an zugegebenem Substrat erhöht, damit mehr Fasern im Fermenterinhalt

enthalten sind. Um die Menge an Substrat pro Fermenter zu bestimmen, wurde ein weiterer Vorversuch

vorgesehen, in welchem die maximale organische Beladung eines diskontinuierlichen Gärversuchs

identifiziert wurde. Bei der maximalen organischen Beladung handelt es sich um die Menge an Substrat,

bis zu der die Gefahr einer zu starken Säurebildung und somit einer Übersäuerung der Fermenterbiologie

auszuschließen ist. In diesem Vorversuch zur organischen Beladung wurden vier 5-L-Fermenter mit

unterschiedlichen Mengen an Maissilage beschickt und die Prozessstabilität über pH-Wert und

Säurebildung beobachtet. Im Ergebnis dieser Vorversuche wurden 22 goTS kgImpfschlamm-1 als maximal

mögliche organische Beladung unter den gegebenen Versuchsbedingungen ermittelt. Zudem zeigte sich

ein starkes Schäumen der Vorversuchsfermenter, welches im Hauptversuch durch verstärktes Rühren

und Zugabe von Antischaummittel unterbunden werden sollte.

Im Hauptversuch kamen vier parallel betriebene 15-Liter-Rührkessel zum Einsatz, wovon drei Fermenter

identisch mit Substrat und Impfschlamm beschickt wurden. Im verbleibenden Versuchsfermenter wurde

kein Substrat zugegeben, um die Eigengasbildung des Impfschlammes zu ermitteln. Als Substrat kam

Maissilage mit 34 % TS und einer oTS von 97 %TS zum Einsatz. 733,3 g Substrat wurden mit 11 kg

Fermenterinhalt der DBFZ-Forschungsbiogasanlage aus einer Mais-Monovergärung angeimpft, um die im

Vorversuch ermittelte organische Beladung von 22 goTS kgImpfschlamm-1 einzustellen. Anaerobe Bedingungen

wurden zum Versuchsbeginn durch Spülen des Kopfraums des Fermenters mit Stickstoff gewährleistet.

Das entstehende Biogasvolumen wurde über Trommelgaszähler (TG 05, Dr.-Ing. RITTER Apparatebau

GmbH & Co. KG, Bochum) erfasst. Zur Analyse der Gaszusammensetzung wurde das entstandene Gas in

Gassäcken gesammelt und mit Hilfe eines AWITE-Gasanalysators (AWIFLEX, Awite Bioenergie GmbH,

Langenbach) über Infrarotabsorption bzw. elektrochemisch bestimmt. Die anaerobe Vergärung erfolgte

unter mesophilen Bedingungen bei einer Fermentertemperatur von ca. 39°C.

Der Fermenterinhalt wurde mit einem zentral angeordneten Ankerrührer vollständig durchmischt. Um ein

Überschäumen zu verhindern, wurde die Rührerdrehzahl anfangs auf 180 rpm eingestellt, am

darauffolgenden Tag auf 140 rpm und im weiteren Versuchsverlauf auf 70 rpm abgesenkt. Da die Proben

über einen Kugelhahn am Fermenterboden entnommen wurden und somit Sedimentation

ausgeschlossen werden musste, wurde die Rührerdrehzahl vor jeder Probenahme erhöht. Der

Entnahmestutzen wurde vor der Probenahme mit ca. 500 mL Vorlauf gespült. Im gesamten Gärversuch

wurden 10 Proben entnommen und der mittlere Partikeldurchmesser xm mit Hilfe einer Siebanalyse

(vergleiche Methodenbeschreibung S. 44) bestimmt.


BMWi-03KB106A, 31.01.2019 50

Um die zeitliche Veränderung der Partikelgrößenverteilung im Fermenterinhalt zu betrachten, wurden die

einzelnen Siebanteile in drei Fraktionen unterteilt. Die Grobfraktion umfasst dabei Partikel größer

3,15 mm, die Feinstfraktion Partikel ≤ 0,5 mm und die Feinfraktion alle dazwischenliegenden Partikel-

größen (0,5 < xm ≤ 3,15 mm). Betrachtet man die Veränderung der Fraktionsanteile des Fermenter-

inhaltes im diskontinuierlichen Gärversuch (Abbildung 19), verschiebt sich mit zunehmender Zeit ein

Anteil der Grobfraktion in die Feinstfraktion. Außerdem zeigt sich, dass die Grobfraktion über den

Zeitverlauf stärker abnimmt als die Feinfraktion. Die höher aufgelöste Veränderung der einzelnen

Siebfraktionen der Partikelgrößenverteilung ist in Anhang A 3 zu finden.

Abbildung 19: Veränderung der Grob-, Fein- und Feinstfraktion des Fermenterinhaltes im diskontinuierlichen Gärversuch

In Ergänzung zu Abbildung 21 ist in Abbildung 20 die Veränderung der Fraktionsanteile der Grob-, Fein-

und Feinstfraktion als Funktion im zeitlichen Verlauf dargestellt. Hier zeigt sich in allen Fraktionsanteilen

ein exponentieller Kurvenverlauf, welcher auch für die kumulierte Biogasbildung in einem

diskontinuierlichen Gärversuch kennzeichnend ist.

Abbildung 20: Zeitliche Veränderung der Fraktionsanteile Grob-, Fein- und Feinstfraktion im diskontinuierlichen Gärversuch

0%

5%

10%

15%

20%

25%

30%

35%

Fra

kti

on

sa

nte

il a

n T

S [

%T

S]

Grobfraktion xm> 3,15 mm

0%

5%

10%

15%

20%

25%

30%

35%

Feinfraktion 0,5<xm≤ 3,15 mm

60%

65%

70%

75%

80%

85%

90%

95%

Feinstfraktion xm≤0,5 mm

t=0d

t=1d

t=2d

t=4d

t=6d

t=8d

t=10d

t=18d

t=28d

t=38d

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

0 5 10 15 20 25 30 35 40

An

teil [

%T

S]

Zeit t [d]

>3,15 mm

0,5…3,15 mm

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

0 5 10 15 20 25 30 35 40Zeit t [d]

≤ 0,5 mm


BMWi-03KB106A, 31.01.2019 51

Wird in der weiteren Auswertung des diskontinuierlichen Gärversuchs der bei jeder Probenahme

bestimmte mittlere Partikeldurchmesser xm im Verlauf der Zeit und mit umgekehrter Achse dargestellt,

kann die Abnahme der mittleren Partikelgröße im Fermenterinhalt in Zusammenhang mit der

Gasbildungskurve des diskontinuierlichen Gärversuchs gebracht werden. Im Diagramm in Abbildung 21

ist der kumulierte Biogasertrag gemeinsam mit der Abnahme der mittleren Partikelgröße des

Fermenterinhaltes im zeitlichen Verlauf des diskontinuierlichen Gärversuchs aufgetragen. Es zeigt sich,

dass die Abnahme des mittleren Partikeldurchmessers dem Kurvenverlauf des kumulierten

Biogasertrags folgt. Es kann demnach geschlussfolgert werden, dass die Zerkleinerung der Partikel im

Fermenterinhalt mit derselben Kinetik erfolgt wie die Biogasbildung. Diese Erkenntnis wird auch im

ELIRAS Modell (vergleiche Kapitel 2.3.7.2 „ELIRAS Modell“, S. 98) genutzt, um den mittleren

Partikeldurchmesser des Fermenterinhaltes im unbekannten Zustand nach erfolgtem Substrat-

aufschluss zu prognostizieren.

Abbildung 21: Kumulierter Biogasertrag und Abnahme der mittleren Partikelgröße des Fermenterinhaltes im

diskontinuierlichen Gärversuch (Dreifachbestimmung mit Angabe der Fehlerindikatoren)

2.3.4 Gärversuche (AP3 und AP7)

Der Fokus des ELIRAS Projektteils, welcher von Seiten des DBFZ durchgeführt wurde, lag auf

Gärversuchen zu den Effekten des Substrataufschlusses. Auf Basis dieser Gärversuche wurde das Modell

des ELIRAS Leitfadens experimentell validiert. Um auch Scale-up Effekte zu berücksichtigen und einen

Praxisbezug herzustellen, wurden die Gärversuche sowohl im Labormaßstab (AP3) als auch im

großtechnischen Maßstab (AP7) durchgeführt.

Tabelle 7 gibt eine Übersicht über alle betrachteten Gärversuche des Vorhabens ELIRAS. Zu den in

Tabelle 7 zusammengestellten Laborversuchen wurden sowohl diskontinuierliche als auch

kontinuierliche Gärversuche sowie daran anschließend Abklingversuche durchgeführt.

0,20

0,50

0,80

1,10

1,40

1,70

2,00

2,300

100

200

300

400

500

600

700

0 10 20 30 40

mit

tle

re P

art

ike

lgrö

ße

xm

[mm

]

Bio

ga

se

rtra

g [

mL

N/g

oTS]

Zeit [d]


BMWi-03KB106A, 31.01.2019 52

Tabelle 7: Übersicht über im ELIRAS Vorhaben durchgeführte Gärversuche im Labor- und Praxismaßstab

Nr. Substrate Desintegration Betriebsdaten Bemerkung

Labormaßstab

L1 Schlempe Thermisch

(Autoklav: 140°C; 3 bar);

Ultraschall

HRT = 8 d

OLR = 8 𝑔𝑜𝑇𝑆

𝐿 𝑑

Abnahme Gasertrag

infolge Desintegration;

siehe Kapitel 4.1.1

Erfolgskontrollbericht

L2 Sorghumsilage Mechanisch (Mahlen)

Thermisch (160°C; 190°C)

Enzymatisch (Zellulase)

Chemisch (Harnstoff)

Keine

kontinuierlichen

Gärversuche

durchgeführt

Abnahme Gasertrag

infolge Desintegration;

siehe Kapitel 4.1.2


L3 Winterweizenstroh

Hühnertrockenkot

Wasser

Mechanisch-chemisch

(trockene Extrusion +

Natronlauge)

HRT = 60 d

OLR = 2,5 𝑔𝑜𝑇𝑆

𝐿 𝑑

Laufzeit* = 55 d

L4 Gerstenstroh

Rindergülle

Thermisch (Druckwechsel-

konditionierung: 190°C;

13,7 bar; 30 min)

HRT = 30 d


𝐿 𝑑

Laufzeit* = 55 d

L5 Hühnermist Thermisch

(Druckwechselkondi-

tionierung: 150°C; 5min)

HRT = 30 d


𝐿 𝑑

Laufzeit* = 33 d

Fehlende Bestimmung

flüchtiger

Komponenten;

siehe Kapitel 4.1.3


Praxismaßstab

P1 Maissilage

Zuckerrübe

Mechanisch (Umstellung

der Beschickung) HRT = 230 d

OLR = 5,64 𝑔𝑜𝑇𝑆

𝐿 𝑑

Laufzeit*= 105 d

Als Demonstrator-

Biogasanlage für das

Vorhaben ELIRAS

ausgewählt

P2 Maissilage

Ganzpflanzensilage

Grassilage

Reststoffe

Rinder/Schweinegülle

Ultraschall im Bypass

(Rezirkulat) HRT = 55 d


𝐿 𝑑

Keine Veränderung

infolge Desintegration

nachweisbar;

siehe Kapitel 4.2


* Laufzeit des kontinuierlichen Gärversuchs im Gleichgewichtszustand, im Mittel über alle Fermenter, ohne Abklingversuch

Aufgrund positiver Erfahrungen in der Vergangenheit, der homogenen Zusammensetzung und der

Möglichkeit kurzer Verweilzeiten wurden die ersten Gärversuche L1 mit dem Substrat Schlempe

umgesetzt. Da jedoch infolge thermischer und Ultraschall-Desintegration keine Steigerung des

Gasertrags nachgewiesen werden konnte, wurde für die nachfolgenden Gärversuche L2 ein anderes

Substrat in Betracht gezogen. In den Fokus rückte als ebenfalls homogenes Substrat Sorghumsilage,

welches in der Handhabbarkeit sehr Maissilage ähnelt. Zudem enthält Sorghumsilage einen höheren

Anteil an langsam abbaubarer Substratfraktion, welche mit Hilfe eines Substrataufschlusses verfügbar

gemacht werden könnte. In den diskontinuierlichen Gärversuchen L2 konnte unter einem breiten

Spektrum an verschiedenen Substrataufschlussverfahren jedoch keines identifiziert werden, welches

eine Erhöhung der Gasbildungsgeschwindigkeit oder des Biogasertrags der aufgeschlossen


BMWi-03KB106A, 31.01.2019 53

Sorghumsilage nach sich zog. Deshalb wurde auch von dem Einsatz von Sorghumsilage zur Durchführung

der Gärversuche in AP3 des Vorhabens ELIRAS abgesehen. Auf Basis einer Literaturrecherche rückte

Stroh als neues Modellsubstrat für das Vorhaben ELIRAS in den Vordergrund. Außerdem wurde der

Gärversuch L5 mit Hühnermist aus einem anderen Vorhaben unter den Gesichtspunkten des Vorhabens

ELIRAS ausgewertet.

Die erfolgreich durchgeführten und ausgewerteten Labor-Gärversuche L3 zur mechanisch-chemischen

Desintegration von Winterweizenstroh und L4 zur thermischen Desintegration von Gerstenstroh sind im

nachfolgenden Kapitel 0 des Schlussberichts dargestellt. Da die Gärversuche L1 und L2 und die

Auswertung des Gärversuchs L5 nicht erfolgreich waren, werden die Zwischenergebnisse dieser im

Erfolgskontrollbericht (Kapitel 4.1.1 bis 4.1.3) zusammengefasst.

Im Praxismaßstab (AP7) wurde die Umstellung der Beschickung an der Demonstrator-Biogasanlage (P1)

des Vorhaben ELIRAS betrachtet, siehe Kapitel 2.3.4.2 „Gärversuche im großtechnischen Maßstab

(AP7)“, S. 71. Die Installation einer Ultraschall-Desintegration an einer weiteren großtechnischen Anlage

(P2) wurde ebenfalls im Rahmen des ELIRAS Projekts wissenschaftlich begleitet. In den Gärversuchen

P2 konnte jedoch kein Effekt infolge der Desintegration nachgewiesen werden. Die Ausführliche

Auswertung des Praxis-Gärversuchs P2 ist im Erfolgskontrollbericht unter Kapitel 4.2 dargestellt.

2.3.4.1 Gärversuche im Labormaßstab (AP3)

Methoden


Mit Hilfe diskontinuierlicher Gärversuche sollte eine erste Aussage zum Effekt eines Substrat-

aufschlusses getroffen werden. Außerdem wurden aus dem Verlauf der diskontinuierlichen Gasbildung

Parameter zur Verfügbarkeit und Vergärungsgeschwindigkeit von Substraten abgeleitet, welche Eingang

in das Modell finden, auf welchem der ELIRAS Leitfaden fußt.

Die Grundlage zur Umsetzung der diskontinuierlichen Gärversuche bildete die VDI 4630 [17]. Dazu

wurden 2,5 goTS Probeneinwaage mit je 500 g Impfschlamm in je drei Parallelansätzen ohne weitere

Substratzugabe bei mesophiler Betriebsweise (Temperatur =39°C) vergoren. Als Impfschlamm kam

ausgefaulter, aber noch aktiver Gärrest einer Mais-Rindergülle-Vergärung der Forschungsbiogasanlage

des DBFZ zum Einsatz. Neben einer Nullprobe mit Impfschlamm ohne Substrat wurde in einem

Referenzansatz mikrokristalline Zellulose als Substrat eingesetzt. Damit wurde die Eigengasbildung und

Aktivität des Impfschlammes kontrolliert und erfasst. Das gebildete Biogasvolumen wurde täglich mit

Hilfe von Eudiometersystemen aufgenommen und auf Normbedingungen (0°C; 1013,25 mbar) korrigiert.

Die Analyse der Gaszusammensetzung erfolgte mit dem mobilen Deponiegasmesssystem Ansyco GA

2000 (ANSYCO analytische Systeme und Componenten GmbH, Karlsruhe). Der Abbruch der

diskontinuierlichen Gärversuche fand frühestens mit dem Erreichen des Abbruchkriteriums (tägliche

Zunahme der Biogasrate < 1 %) statt. Zur Vergleichbarkeit der Gaserträge zwischen verschiedenen

Substraten, wurde die gebildete Gasmenge auf die eingesetzte Menge an organischer Trockensubstanz

bezogen.


BMWi-03KB106A, 31.01.2019 54


Kontinuierliche Gärversuche wurden in doppelt angesetzten Fermentern mit 10 Liter Reaktionsvolumen

umgesetzt. Der Fermenterinhalt wurde mit einem zentral angeordneten Ankerrührer vollständig

durchmischt. Die quasikontinuierliche Beschickung mit Substrat erfolgte täglich über einen Fütterungs-

stutzen nach vorheriger Ablaufentnahme. Abbildung 22 zeigt den grundlegenden Versuchsaufbau

kontinuierlicher Gärversuche. Auf Beschickung mit desintegriertem Substrat wurde nach ausreichend

langer Laufzeit der Gärversuche zur Gewährleistung eines stationären Betriebs umgestellt. Ein Abbruch

der Gärversuche erfolgte ebenfalls erst nach ausreichend langer Betriebsweise, sodass zur Auswertung

der stationäre Betrieb herangezogen werden konnte. Das entstehende Biogasvolumen wurde über

Trommelgaszähler (TG 05, Dr.-Ing. RITTER Apparatebau GmbH & Co. KG, Bochum) erfasst. Mit der

täglichen Aufnahme von Umgebungsdruck und –temperatur wurde die erfasste trockene Gasmenge auf

Normbedingungen (0°C; 1013,25 mbar) korrigiert. Zur Analyse der Gaszusammensetzung wurde das

entstandene Gas in Gassäcken gesammelt und mit Hilfe eines AWITE-Gasanalysators (AWIFLEX, Awite

Bioenergie GmbH, Langenbach) über Infrarotabsorption bzw. elektrochemisch bestimmt. Die anaerobe

Vergärung erfolgte unter mesophilen Bedingungen bei einer Fermentertemperatur von ca. 39°C.

Zur Auswertung der kontinuierlichen Gärversuche wurden die gemittelten Gaserträge der

Mehrfachansätze „unbehandelt“ und „desintegriert“ verglichen. Dabei wurde sowohl der Zeitraum vor als

auch nach Umstellung auf Beschickung mit desintegriertem Substrat betrachtet. Um zu beurteilen, ob

die Unterschiede im Gasertrag als signifikant angesehen werden können, wurden die Ergebnisse mit Hilfe

des Softwarepakets „IBM® SPSS Statistics 20“ mit einer Irrtumswahrscheinlichkeit α von 5 % auf

Signifikanz überprüft. Die genaue Vorgehensweise zur statistischen Auswertung ist in Kapitel 2.3.3.3

„Statistische Signifikanz“ ab S. 33 nachzulesen.

Abbildung 22: Versuchsaufbau quasikontinuierlich betriebener Laborfermenter, schematisch nach [44]

© J

an

Gu

tze

it (

DB

FZ

)


BMWi-03KB106A, 31.01.2019 55

Im wöchentlichen Abstand wurde eine umfassende Analytik vorgenommen, welche neben der Aufnahme

der klassischen Parameter

pH-Wert

Flüchtige organische Säuren FOS (nach Kapp), Pufferkapazität FOS/TAC (nach FAL)

Ammonium-Stickstoff NH4-N (nach Neßler)

Säurespektrum organischer Säuren

TS/oTS

auch umfassendere Analysen gemäß Kapitel 2.3.3.4 („Charakterisierung von Substrat und

Fermenterinhalt (AP3)“, S. 38) beinhaltet:

Bestimmung flüchtiger organischer Säuren und Alkohole zur Korrektur der TS/oTS

Fermentierbare organische Trockensubstanz FoTS

Granulometrie (Partikelgrößenanalyse, mittlerer Partikeldurchmesser)

Gärversuche im Labormaßstab

L3 Mechanisch-chemische Desintegration von Weizenstroh und Hühnertrockenkot

Da in den Labor-Gärversuchen L1 und L2 zur Desintegration von Schlempe und Sorghum (Auswertung im

Erfolgskontrollbericht, Kapitel 4.1.1 und 4.1.2) keine Steigerung der Gasbildung infolge des

Substrataufschlusses nachgewiesen werden konnte, wurde ein weiteres Gärsubstrat in Betracht

gezogen. Auf Basis einer Literaturrecherche wurde Stroh als Substrat identifiziert, bei welchem ein

Substrataufschluss größere Effekte auf die Gasbildung erzielen kann. Hervorzuheben ist das Vorhaben

EFFIGEST („Entwicklung einer hocheffizienten Prozesskette zur Effizienzsteigerung bei der Vergärung von

Geflügelmist unter Nutzung modifizierter Strohfraktionen und mit prozessintegrierter Gewinnung

marktfähigem Düngers“; Fraunhofer IKTS (Dresden); 09/2013-08/2016; Förderkennzeichen FKZ:

03KB081; PTJ), in welchem die mechanisch-chemische Behandlung von Stroh zu einer Reduzierung

schwer abbaubarer Faserbestandteile im Substrat und zu einer 12–22 %igen Steigerung des Gasertrags

im diskontinuierlichen Gärversuchs führte. Auch bei kontinuierlicher Beschickung konnte infolge des

Strohaufschlusses ein Mehrertrag an Gas nachgewiesen werden. Der mechanisch-chemische

Substrataufschluss wurde durch Zugabe von Natronlauge mit anschließender Pelletierung des Strohs

umgesetzt. Die größten Effekte stellten sich bei der Behandlung des Strohs mit Natronlauge im Verhältnis

von 5 % ein. [3] Auch Fachartikel zum Aufschluss von Stroh als Futtermittel [45, 46] bestätigen einen

Aufschluss von Stroh im Verhältnis von ca. 5 g Natronlauge auf 100 g Stroh, damit dieses optimal von

Wiederkäuern aufgeschlossen werden kann. In der Literatur wird ebenfalls häufig von einem Aufschluss

von Stroh zur anschließenden Vergärung berichtet, vergleiche Kapitel 2.3.1.5 „Literaturrecherche“, S. 25.


In den Gärversuchen L3 des ELIRAS-Vorhabens wurde Winterweizenstroh (nachfolgend Stroh)

mechanisch-chemisch nach Vorbild der Literatur aufgeschlossen. Es kam Stroh mit einer TS von 92 %


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und einer oTS von 92 %TS zum Einsatz. Die Angaben zur TS und oTS beinhalten bereits die Korrektur um

flüchtige Bestandteile. Im unbehandelten Zustand lag das Stroh bereits gehäckselt, aber noch mit langen

Faserlängen von bis zu 10 cm vor (vergleiche Abbildung 23 a). Für den mechanisch-chemischen

Aufschluss wurde das Stroh zunächst trocken extrudiert und anschließend mit Natronlauge eingeweicht.

Da das Stroh trocken in einen Extruder gegeben wurde, kommt der mechanische Aufschluss einer

Zerkleinerung in einer Mühle gleich, ohne die für die Extrusion typischen Dampfdruckeffekte. Für die sich

anschließende chemische Behandlung mit Natronlauge wurde 0,18 g 32%ige Natronlauge je Gramm

Substrat-TS zugegeben, was einem Verhältnis von 100 %iger Natronlauge zu TS Substrat von 5,8 %

entspricht. Da sich in den ersten Versuchen zeigte, dass das sehr trockene Stroh nicht ausreichend

benetzt werden konnte, wurde die Natronlauge zusätzlich mit 4,53 g Wasser je Gramm TS Substrat

verdünnt und 4,71 g des Wasser-Natronlaugen (32 %)-Gemisch je Gramm TS Substrat mit einer

Sprühflasche zugegeben. Der Stroh-Natronlaugen Ansatz wurde über mindestens 24 h eingeweicht. Wie

in Abbildung 23 zu sehen ist, konnte bereits optisch eine Verkürzung der Faserlänge infolge der

mechanischen und mechanisch-chemischen Desintegration ausgemacht werden.

Abbildung 23: a) unbehandeltes Winterweizenstroh (gehäckselt);

b) mechanisch desintegriertes Winterweizenstroh (trocken extrudiert/gemahlen)

c) mechanisch-chemisch desintegriertes Winterweizenstroh (trocken extrudiert + Einweichen in Natronlauge)

In diskontinuierlichen Gärversuchen wurde der Effekt dieses mechanisch-chemischen Substrat-

aufschlusses auf die Vergärung von Stroh in Abhängigkeit der Einwirkzeit untersucht. Dazu wurde das

Stroh über 24 h (1 d) und 120 h (5 d) im Wasser-Natronlaugen-Gemisch eingeweicht. Das Ergebnis des

diskontinuierlichen Gärversuchs ist in Abbildung 24 grafisch verdeutlicht. Da durch den mechanisch-

chemischen Aufschluss des Substrates mit Natronlauge ein Teil des gebildeten Kohlenstoffdioxids in der

Flüssigphase gebunden wurde, wurde zur Auswertung die kumulierte Methanbildung herangezogen. Mit

Abbruch des diskontinuierlichen Gärversuchs am Tag 35 zeigt sich ein signifikanter (t-Test:

p<0,000<0,05) Anstieg des Methanertrags infolge Desintegration um +29 %. Der steilere Kurvenverlauf

des kumulierten Methanertrags deutet auf eine Beschleunigung der Gasbildung aus desintegriertem

Stroh hin. Außerdem bewirkte die mechanisch-chemische Desintegration eine Verkürzung der lag-Phase

zu Beginn des Gärversuchs.


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Abbildung 24: Kumulierter Methanertrag aus unbehandeltem und mechanisch-chemisch desintegriertem Winterweizenstroh

(Einweichzeit: 1d und 5d), ermittelt im diskontinuierlichen Gärversuch (Dreifachbestimmung mit Angabe der

Fehlerindikatoren)


Um in kontinuierlichen Gärversuchen eine ausreichende Stickstoffversorgung zu gewährleisten, wurde

das Stroh gemeinsam mit Hühnertrockenkot (HTK) vergoren. Es wurde HTK mit durchschnittlich 51 % TS

und einer oTS von 92 %TS eingesetzt. Der mechanisch-chemische Substrataufschluss fand ausschließlich

beim Substratbestandteil Stroh statt. Analog zu den diskontinuierlichen Gärversuchen wurden je Gramm

TS Substrat 0,18 g 32%ige Natronlauge und 4,53 g Wasser mit einer Sprühflasche zugegeben und über

mindestens 24 h eingeweicht. Unter der Vorgabe, 75 % des oTS Inputs aus Stroh bereitzustellen, wurden

die Fermenter täglich mit 22 g Stroh und 20 g HTK beschickt. Das Substrat wurde unter Zuhilfenahme

von ca. 30 g Spülwasser vollständig in den Fermenter überführt, sodass eine hydraulische Verweilzeit von

60 d eingestellt wurde. Die Raumbelastung betrug 2,5 goTS L-1 d-1. Um eine vollständige Nährstoff-

versorgung zu gewährleisten, wurde wöchentlich eine Spurenelementmischung zugegeben. Die Ansätze

„unbehandelt“ und „desintegriert“ wurden jeweils in zwei parallel betriebenen Fermentern F umgesetzt.

Die kontinuierlichen Gärversuche liefen über einen Zeitraum von 200 Tagen, wobei davon über 52 Tage

Gleichgewichtszustand herrschte, bevor auf Beschickung mit aufgeschlossenem Substrat umgestellt

wurde. Nach einem anfänglichen Überschwingen der Gasproduktion infolge des Substrataufschlusses,

wurde ein 57 tägiger Versuchszeitraum im Gleichgewicht zur Auswertung der Gasproduktion aus

desintegriertem Substrat herangezogen. Abbildung 25 zeigt den für die Auswertung relevanten Ausschnitt

des Versuchszeitraums ab Versuchstag 90 und ohne das Überschwingen der Gasbildung bei den

Fermentern F2 und F3 zwischen Versuchstag 112 und 146. Zur Mitte der Versuchslaufzeit wurde eine

Verknappung des Substrates festgestellt. Daher wurde entschieden, die Beschickung der Fermenter F1

und F3 mit unbehandeltem Substrat ab Versuchstag 145 zu beenden, da diese lediglich parallel zu den

Versuchsfermentern F2 und F4 (mit desintegriertem Substrat) auch nach Umstellung auf Beschickung


BMWi-03KB106A, 31.01.2019 58

mit desintegriertem Stroh betrieben wurden. Trotz dieser Maßnahme stand noch ein ausreichend großer

Versuchszeitraum zur Mittelwertbildung des Methanertrags aus unbehandeltem Substrat zur Verfügung.

Da durch den Eintrag von Natronlauge in die Flüssigphase des Fermenters Kohlenstoffdioxid vermehrt

gebunden wurde, ging die Biogasbildung mit zunehmender Versuchszeit zurück. Deshalb wurde die

Bildung von Methan zur Auswertung herangezogen. Durch den Einsatz der mechanisch-chemischen

Desintegration konnte der mittlere Methanertrag im kontinuierlichen Gärversuch von 258 mLN/goTS auf

290 mLN/goTS erhöht werden, was einer Steigerung von 12 % entspricht.

Abbildung 25: Methanertrag aus unbehandeltem und mechanisch-chemisch desintegriertem Winterweizenstroh (Co-Vergärung

mit HTK), ermittelt im kontinuierlichen Gärversuch im Doppelansatz, rechts: Angabe der mittleren Methanerträge

unbehandelt und desintegriert sowie die prozentuale Veränderung infolge Desintegration; F…Fermenter

Es sei darauf hingewiesen, dass es bei Einsatz von Natronlauge in höheren Konzentrationsbereichen zu

massiven Prozesshemmungen kommt. Dies haben noch nicht veröffentlichte Versuche am DBFZ

ergeben. [47] Die Ergebnisse der wöchentlichen Laboranalysen des Fermenterinhaltes zur Beurteilung

der Prozessstabilität sind in den Anhängen A 5.1 bis A 5.4 zu finden. Die Diagramme zeigen, dass die

tägliche Zugabe einer Base die Pufferkapazität der Fermenter F2 und F4 ab Versuchstag 145 übersteigt.

pH-Wert (A 5.1) und FOS (A 5.2) bzw. FOS/TAC (A 5.3) steigen leicht an. Da jedoch ein langsamer Anstieg

erfolgt und die Werte im Rahmen empfohlener Optima [44] liegen, kann von einer stabilen

Prozessführung ausgegangen werden. Auch der Verlauf der Ammoniumstickstoffkonzentration über den

Versuchszeitraum (A 5.4) liegt unterhalb der Hemmkonzentration [4] und zeigt keine starken

Schwankungen, weshalb eine Hemmung ausgeschlossen werden kann. Bei der kontinuierlichen

Vergärung des Strohs traten keine Schwimmschichten und kein Schäumen auf. Auch vor dem

Hintergrund einer konstanten Gasbildung deutete demnach nichts auf eine Prozessinstabilität hin.


BMWi-03KB106A, 31.01.2019 59

Vor der Umstellung auf Beschickung mit desintegriertem Substrat (Tag 90–110) wurde mit Hilfe einer

einfaktoriellen Varianzanalyse (ANOVA) auf Unterschiede im Methanertrag geprüft und kein signifikanter

Unterschied (p=0,234 > α=0,05) festgestellt. Nachdem die Fermenter F2 und F4 mit desintegriertem

Substrat beschickt wurden (Tag 111–204), zeigte die hierarchische Varianzanalyse mit

p=0,004 < α=0,05 einen signifikanten Unterschied zwischen dem mittleren Methanertrag des Ansatzes

„unbehandelt“ (F1 und F3) und dem Methanertrag des Ansatzes „desintegriert“ (F2 und F4). Die im

kontinuierlichen Gärversuch ermittelte Erhöhung des Methanertrags um 12 % infolge der mechanisch-

chemischen Desintegration kann demnach als signifikant angesehen werden. Die statistische

Auswertung sollte jedoch vor dem Hintergrund betrachtet werden, dass nicht alle Voraussetzung für die

Anwendung des parametrischen statistischen Tests der hierarchischen Varianzanalyse gegeben waren.

Zwar lag für den Datensatz Normalverteilung vor, jedoch keine Varianzhomogenität. Der Boxplot in

Abbildung 26 veranschaulicht die Ergebnisse des Gärversuchs im Zeitraum nach der Umstellung auf

desintegriertes Substrat aus der statistischen Perspektive. Die Boxen von F2 und F4 (Ansatz

„desintegriert“) liegen deutlich oberhalb des Ansatzes „unbehandelt“ (F1 und F3).

Abbildung 26: Boxplot der Methanerträge aus unbehandeltem und mechanisch-chemisch desintegriertem Winterweizenstroh,

ermittelt im kontinuierlichen Gärversuch im Doppelansatz, Versuchszeitraum Tag 111–204, F…Fermenter

Abklingversuch

Zum Abschluss des kontinuierlichen Gärversuchs wurden die Fermenter als Abklingversuche

weitergeführt. Dazu wurde die Substratzufuhr gestoppt, die Aufzeichnung der Gasmenge allerdings weiter

betrieben. Die Gasmengenerfassung mittels AWITE-Gasanalysators erfolgte stündlich, sodass auch eine

stundengenaue Auflösung der Gasbildung darstellbar ist. Abbildung 27 zeigt einen 40 tägigen Ausschnitt

des Abklingversuchs L3 zwei Tage vor und nach Beendigung der Substratzufuhr. Um die Kurven auf ein

Ausgangsniveau zu bringen, wurde die Abweichung von der über die Tage -4 bis 0 gemittelten

Methanbildungsrate der Fermenter F1 bis F4 aufgetragen. Horizontal wurden die Abklingkurven auf einen

Me

tha

ne

rtra

g,

no

rmie

rt [

mL

N/g

oTS]


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zeitgleichen letzten Beschickungszeitpunkt verschoben. Die Gasbildung des gesamten, über knapp 3

Monate andauernden Abklingversuchs ist in Anhang A 6 dargestellt.

Die schlagartigen Anstiege der Methanbildungsrate vor dem Beginn des Abklingversuchs (Tag -2 bis

Tag 0) sind den Beschickungsereignissen zuzuordnen. Der Anstieg der Gasbildung nach Beschickung mit

thermisch desintegriertem Substrat (rot und orange) ist höher als der Anstieg nach Beschickung mit

unbehandeltem Substrat (grün), was auf eine schnellere und höhere Gasbildung aus desintegriertem

Substrat schließen lässt. Im sich anschließenden Abklingversuch fällt die Restgasbildung aus den

Fermentern, welche mit thermisch desintegriertem Substrat beschickt wurden, schneller ab als die

Gasbildung aus den Fermentern mit unbehandeltem Substrat.

Abbildung 27: Methanrate der Fermenter des Gärversuchs L4 nach Beendigung der Substratzufuhr (Abklingversuch L4); die

Kurven wurden auf einen gemeinsamen Startzeitpunkt und ein Höhenniveau zu Beginn des Abklingversuchs

verschoben

Abklingversuche sind damit eine weitere Möglichkeit, um Informationen für ein Bewertungsmodell ELIRAS

zu erlangen. Im Gegensatz zu diskontinuierlichen Gärversuchen liegen zu Beginn der Abklingversuche

kontinuierliche stationäre Prozessbedingungen vor, welche die Vergleichbarkeit zur realen Anlage

erhöhen. Dennoch ist ein Abklingversuch deutlich aufwendiger als ein diskontinuierlicher Batch-Test, da

dem Abklingen immer ein kontinuierlicher stationärer Betrieb vorausgehen muss und sich sehr lange

Versuchszeiträume ergeben. Außerdem genügt die Genauigkeit der Messungen durch Sauerstoffeintrag

und die sehr geringe Gasbildung zum Ende der Abklingversuche noch nicht für die hohen Ansprüche einer

Modellierung.

Substratcharakterisierung


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Das in den Gärversuchen eingesetzte Winterweizenstroh wies im Mittel eine TS von 92,3 % und eine oTS

von 92,4 %TS auf, während HTK mit TS=51,0 % und oTS=68,9 %TS zum Einsatz kam. Alle Angaben sind

bereits um flüchtige Bestandteile korrigiert.

Die Weender- und van Soest-Futtermittelanalyse des unbehandelten und mechanisch-chemisch

desintegrierten Strohs zeigt eine deutliche Veränderung der Substratbestandteile. Die Desintegration

bewirkte eine Zunahme des Gehalts an Nicht-Faser-Kohlenhydraten NFC bei gleichzeitiger Abnahme der

Gerüstbau-Kohlenhydrate. So konnten die Zellwandbestandteile Zellulose und Hemizellulose mit Hilfe

der Desintegration um 24 % und 43 % verringert werden, während sich der Anteil an schnell verfügbaren

Kohlenhydraten (NFC), wie Zucker, Stärke oder Pektine, um den Faktor 23 erhöhte. Der Gehalt der sehr

robusten Gerüstbaustruktur Lignin hingegen wurde durch den Substrataufschluss nicht beeinflusst.

Diese Verschiebung innerhalb der Kohlenhydratfraktionen von den schwerer vergärbaren Zellwand-

bestandteilen hin zu den leicht vergärbaren Nicht-Faser-Kohlenhydraten NFC lässt auf eine Erhöhung der

Vergärbarkeit des Strohs infolge der Desintegration schließen. Die Zahlenwerte zur Abbildung 28 finden

sich in Anhang A 7.

Abbildung 28: Gehalt an Nährstoffen und Gerüstbau-Kohlenhydraten sowie Nicht-Faser-Kohlenhydraten NFC (Zucker, Stärke,

Pektine) der Trockensubstanz des unbehandelten und mechanisch-chemisch desintegrierten Winterweizenstrohs

als Ergebnis der Weender- und van Soest-Futtermittelanalyse

Um den Einfluss der mechanisch-chemischen Desintegration auf die Granulometrie des Strohs zu

beschreiben, wurde eine Partikelgrößenanalyse mit dem unbehandelten und desintegrierten Stroh

durchgeführt. Die Partikelgrößenverteilung wurde dabei mit Hilfe der im Vorhaben ELIRAS entwickelten

Methode der Gefriersiebung in einer Dreifachbestimmung aufgenommen (Methodenentwicklung: siehe

Kapitel 2.3.3.4 „Charakterisierung von Substrat und Fermenterinhalt (AP3)“, S. 38). Wie bereits optisch

an einer deutlich verkürzten Faserlänge des desintegrierten Strohs zu erkennen ist (vergleiche Abbildung

23, S. 56), zeigen sich auch stark verschiedene die Partikelgrößenverteilungen zwischen unbehandeltem

und desintegrierten Substrat, siehe Abbildung 29.

0

100

200

300

400

500

600

700

800

Rohasche Rohprotein Rohfett NFC Zellulose Lignin Hemizellulose

An

teil a

n T

rock

en

su

bsta

nz

[g/k

gTS]

unbehandelt

desintegriert


BMWi-03KB106A, 31.01.2019 62

Abbildung 29: Anteil der Siebfraktionen an der Trockensubstanz TS des unbehandelten und mechanisch-chemisch

desintegrierten Winterweizenstrohs, ermittelt über Gefriersiebung (Dreifachbestimmung)

Während sich der Großteil (98 %) der Partikel des unbehandelten Strohs gleichmäßig auf den Sieben mit

Maschenweiten ≤ 3,15 mm verteilen, fällt der überwiegende Anteil (94 %) des desintegrierten Strohs

bereits durch das kleinste Sieb und weist somit Partikelgrößen ≤ 0,5 mm auf. Im Vergleich dazu besteht

das unbehandelte Stroh nur zu 14 % aus Partikeln ≤ 0,5 mm. 2 % der Fasern des unbehandelten Strohs

verbleiben auf den drei groben Sieben mit den Maschenweiten 5 mm, 8 mm und 16 mm. Im

aufgeschlossenen Stroh können keine Partikel > 16 mm mehr nachgewiesen werden und nur 0,8 % der

Partikel verbleiben auf den Sieben mit 5 mm und 8 mm Maschenweite. Zusammenfassend bewirkte

demnach der Substrataufschluss, dass ca. 80 % der Partikel, welche im unbehandelten Stroh im

Feinanteil zwischen 0,5 mm und 5 mm vorliegen, in den Feinstanteil ≤ 0,5 mm verschoben wurden.

Der mittlere Partikeldurchmesser des unbehandelten Strohs von 2,16 mm wurde mit Hilfe der

mechanisch-chemischen Desintegration um mehr als 80 % auf 0,40 mm verringert. Beim desintegrierten

Stroh konnte eine höhere Reproduzierbarkeit der Dreifachbestimmung erzielt werden, was auf die

Homogenität der Probe zurückzuführen ist. Die Zahlenwerte zu Abbildung 29 finden sich in Anhang A 8.1

und A 8.2.

Charakterisierung Fermenterinhalt

Die Granulometrie wurde auch zur Charakterisierung der Fermenterinhalte der kontinuierlichen

Gärversuche (L3) herangezogen. Dazu wurde einen Monat nach Umstellung auf Beschickung der

Fermenter F2 und F4 auf desintegriertes Substrat, Fermenterinhalt aus den vier Parallelfermentern

entnommen und einer Partikelgrößenanalyse (Gefriersiebung, Dreifachbestimmung) unterzogen. Die


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ermittelten Partikelgrößenverteilungen der Fermenter F1 bis F4 sind in Abbildung 30 grafisch

veranschaulicht.

Abbildung 30: Anteil der Siebfraktionen an der Trockensubstanz TS sowie mittlerer Partikeldurchmesser xm der Fermenterinhalte

des Gärversuchs L3 mit unbehandeltem und mechanisch-chemisch desintegriertem Winterweizenstroh (Co-

Vergärung mit HTK), ermittelt über Gefriersiebung (Dreifachbestimmung)

Dabei fällt zunächst auf, dass zwischen den identisch betriebenen Fermentern F1 und F3 des Ansatzes

„unbehandelt“ deutliche Unterschiede in der Partikelgrößenverteilung festgestellt wurden, während die

Partikelgrößenverteilungen der Fermenter F2 und F4 des Ansatzes „desintegriert“ gut miteinander

übereinstimmen. Da jedoch die Abweichungen innerhalb der Dreifachbestimmungen für beide Fermenter

in der gleichen Größenordnung liegen (ähnlich lange Fehlerindikatoren), ist der Unterschied nicht auf die

Analyse, sondern auf die Probenahme bzw. Beschickung der Fermenter zurückzuführen. Bei

unbehandeltem Stroh handelt es sich um ein sehr inhomogenes Substrat, welches vereinzelt Fasern von

bis zu 10 cm enthielt (vergleiche Abbildung 23 a). Wurde nun Fermenter F1 zufällig vermehrt mit langen

Fasern beschickt, ist im Fermenterinhalt dieses Fermenters ein größerer Fraktionsanteil bei längeren

Faserlängen (z.B. beim 3,15 mm Sieb, siehe Abbildung 30) als beim Fermenterinhalt F2 wiederzufinden.

Nachfolgend wird für den Ansatz „unbehandelt“ das Mittel zwischen F1 und F3 herangezogen.

Wie bereits beim Substrat (Stroh, unbehandelt) bestehen auch die Fermenterinhalte des Ansatzes

„unbehandelt“ fast ausschließlich (98 %) aus Partikeln ≤ 3,15 mm. Auf den größten Sieben mit

Maschenweiten von 5 mm, 8 mm und 16 mm verbleiben 2 % der Partikel. In den Fermenterinhalten des

Ansatzes „desintegriert“ hingegen können keine Partikel größer 8 mm und ein vernachlässigbarer Anteil

(0,07 %) an Partikeln größer 5 mm nachgewiesen werden. Der Großteil der Partikel (96 %) im

Fermenterinhalt des Ansatzes „desintegriert“ weist Partikelgrößen ≤ 1,4 mm auf. Bereits 78 % der

Partikel fallen durch das kleinste Sieb mit der Maschenweite 0,5 mm. Bei den Fermenterinhalten


BMWi-03KB106A, 31.01.2019 64

hingegen, welche mit unbehandeltem Substrat beschickt wurden, beträgt der Feinstanteil

(Partikelgrößen ≤ 0,5 mm) im Mittel 52 %.

Ähnlich zur granulometrischen Veränderung des Strohs infolge des Substrataufschlusses, bewirkt die

mechanisch-chemische Desintegration des Substrates auch im Fermenterinhalt eine Verschiebung der

Partikel aus dem Feinanteil (0,5 mm bis 5 mm) in den Feinstanteil (≤ 0,5 mm). Da jedoch Fermenterinhalt

aus unbehandeltem Substrat im Vergleich zum unbehandelten Stroh bereits zu einem höheren Anteil aus

feineren Partikeln besteht, werden infolge des Substrataufschlusses nur 25 % der Partikel vom Feinanteil

in den Feinstanteil verschoben.

Im Fermenterinhalt bewirkte der mechanisch-chemische Substrataufschluss eine Verringerung des

mittleren Partikeldurchmessers xm der Fermenterinhalte von 1,6 mm auf 0,6 mm um 65 %. Aus der

Verkleinerung des mittleren Partikeldurchmessers folgert auch ein hydrodynamischer Effekt des

mechanisch-chemischen Substrataufschlusses. In den Anhängen A 8.3 bis A 8.6 sind die Zahlenwerte

zur Partikelgrößenanalyse der Fermenterinhalte des Gärversuchs L3 zusammengefasst.

Schlussfolgerung Gärversuch L3

Im Labor-Gärversuch L3 wurde der mechanisch-chemische Aufschluss mit trockener Extrusion und

Natronlauge von Winterweizenstroh untersucht. In diskontinuierlichen Gärversuchen zeigte sich eine

Beschleunigung der Gasbildung sowie eine Steigerung des Methanertrags um +29 %. Die kontinuierliche

Co-Vergärung des Strohs mit HTK bestätigte einen Anstieg des Methanertrags infolge mechanisch-

chemischer Desintegration um 12 %. In der Futtermittelanalyse des unbehandelten und desintegrierten

Strohs konnte nachgewiesen werden, dass der Substrataufschluss des Strohs eine Verschiebung eines

Anteils an schwer vergärbaren Gerüstbaukohlenhydraten hin zu leicht vergärbaren Nicht-Faser-

Kohlenhydraten nach sich zog. Sowohl im Substrat als auch im Fermenterinhalt der kontinuierlichen

Gärversuche führte der mechanisch-chemische Substrataufschluss zu einer Abnahme der mittleren

Partikelgröße, was auf einen hydrodynamischen Effekt der Desintegration schließen lässt. Da im

Gärversuch L3 erfolgreich signifikante Effekte infolge des Substrataufschlusses nachgewiesen wurden

und zudem eine umfassende Datenbasis vorlag, wurden die Ergebnisse zur Validierung des ELIRAS

Modells herangezogen (siehe 2.3.7.2 „ELIRAS Modell“, S. 103).

L4 Thermische Desintegration von Gerstenstroh und Rindergülle

Um die Datenbasis zur Entwicklung des ELIRAS-Modells zu erweitern, wurde neben dem Labor-

Gärversuch L3 zur mechanisch-chemischen Desintegration von Weizenstroh ein Gärversuch zum

thermischen Aufschluss von Gerstenstroh nach den Vorgaben von ELIRAS ausgewertet und um

zusätzliche Analysen ergänzt. Der Gärversuch L4 wurde ebenfalls im Labormaßstab umgesetzt und war

Teil des Vorhabens „Wachstumskern – Chemnitz FutureGas: Entwicklung von Steuerungswerkzeugen für

modulare Biogasanlagen hinsichtlich ihres Stoffstrommanagements“ (Laufzeit: 09/2010-08/2013;

Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF); Projektträger Jülich (PtJ); FKZ: 03WKBS01A). Der

Endbericht des Vorhabens ist im Informationszentrum der TIB (Technische Informationsbibliothek und

Universitätsbibliothek) verfügbar [48]. Ausgewählte Ergebnisse wurden auch in einem Fachartikel

veröffentlicht. [49]


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Der thermische Substrataufschluss wurde über eine Druckwechselkonditionierung umgesetzt. Dazu

wurde das Stroh im Verhältnis von ca. 1:3 mit Wasser versetzt und mit Dampf erhitzt. Nach Ablauf einer

bestimmten Verweilzeit wurde das feuchte Stroh gemeinsam mit dem Dampf explosionsartig aus dem

Druckbehälter über ein Ventil in einen Entspannungsbehälter entlassen. Durch die schlagartige

Entspannung sind neben dem thermischen Einfluss durch die hohe Temperatur auch physikalische

Effekte zu vermuten. Da in diskontinuierlichen Gärversuchen eine Druckwechselkonditionierung bei

190°C über 30 min die höchste Steigerung des Gasertrags gegenüber dem unbehandelten Substrat

ermittelt wurde, wurde diese Parameter als optimaler Betriebspunkt gewählt. Welche optische

Veränderung der thermische Substrataufschluss nach sich zog, ist in Abbildung 31 zu erkennen. Im

„unbehandelten“ Zustand (Abbildung 31.a) wurde das Gerstenstroh mit einer Strohmühle (STZ, Fa. Himel,

Melchingen) auf eine Länge von ca. 10 mm vorzerkleinert. Die Druckwechselkonditionierung bei 190°C

über 30 min zog eine deutliche Struktur- und Farbänderung nach sich, wie an der pastösen Konsistenz

und der Dunkelfärbung des aufgeschlossenen Strohs in Abbildung 31.b zu erkennen ist. [48]

Abbildung 31: a) unbehandeltes Gerstenstroh (10 mm Länge);

b) Gerstenstroh nach Druckwechselkonditionierung (190°C, 30 min) [48]


Zur Findung des optimalen Betriebspunktes des thermischen Substrataufschlusses wurden Temperatur

und Verweilzeit der Druckwechselkonditionierung variiert und die Veränderung der Biogasbildung in

diskontinuierlichen Gärversuchen untersucht. Die diskontinuierlichen Gärversuche wurden im

Dreifachansatz entsprechend der VDI-Richtlinie 4630 unter mesophilen Prozessbedingungen

durchgeführt. Es kamen AMPT-Systeme (Automatic Methane Potential Test System) der Firma

Bioprocesscontrol (Lund, Schweden) zum Einsatz. Abbildung 32 zeigt den kumulierten Methanertrag der

für das Vorhaben ELIRAS relevanten Ansätze zur Vergärung von unbehandeltem und bei 190°C über

30 min thermisch desintegriertem Gerstenstroh. Wie an dem deutlich steileren Kurvenverlauf der

Methanbildung aus desintegriertem Substrat zu erkennen ist, stieg die Geschwindigkeit der anaeroben

Vergärung infolge der Druckwechselkonditionierung. Der Methanertrag konnte durch den thermischen

Substrataufschluss signifikant (t-Test: p<0,000<0,05) um 11 % erhöht werden.

a) b)


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Abbildung 32: Kumulierter Methanertrag aus unbehandeltem und thermisch desintegriertem Gerstenstroh (190°C; 30 min),

ermittelt im diskontinuierlichen Gärversuch (Dreifachbestimmung mit Angabe der Fehlerindikatoren)


Da in diskontinuierlichen Gärversuchen ein deutlicher Effekt des thermischen Substrataufschlusses

aufgezeigt werden konnte, wurde ein kontinuierlicher Gärversuch angeschlossen, in dem Gerstenstroh

im unbehandelten und thermisch desintegrierten Zustand im Doppelansatz vergoren wurde. Es kamen

vier baugleiche 10-Liter-Fermenter zum Einsatz. Zur Bewahrung der Prozessstabilität und Vermeidung

von Schwimmschichten betrug die Raumbelastung 3 goTS L-1 d-1 und die mittlere hydraulische Verweilzeit

30 Tage. Der kontinuierliche Gärversuch wurde über einen Zeitraum von 180 Tagen betrieben, wobei die

erste Phase dem Einfahren und Herstellen stabiler Prozessbedingungen diente. Ab dem 92. Versuchstag

wurden zwei der vier Versuchsfermenter mit thermisch desintegriertem Gerstenstroh beschickt, während

die verbleibenden beiden Fermenter weiter mit unbehandeltem Stroh betrieben wurden. Die Druck-

wechselkonditionierung zur Desintegration des Gerstenstrohs erfolgte am optimalen Betriebspunkt von

190°C über 30 min. Um die Lagerungsdauer des aufgeschlossenen Substrates so kurz wie möglich zu

halten, wurden einzelne Chargen Stroh in einem etwa zweiwöchentlichen Abstand der Druckwechsel-

konditionierung unterzogen.

Nach einem anfänglichen Überschwingen der Gasproduktion mit Umstellung der Beschickung der

Fermenter F3 und F4 auf thermisch desintegriertes Substrat, beginnt mit Zugabe der Strohcharge 4 eine

Phase konstanter Gasbildung, welche zur Auswertung im Vorhaben ELIRAS herangezogen wurde. Wie in

Abbildung 33 zu erkennen ist, konnte der mittlere Methanertrag während dieses stationären

Betrachtungszeitraums durch den Einsatz des thermischen Substrataufschlusses von 214 mLN goTS-1 auf

273 mLN goTS-1 um 28 % erhöht werden.


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Abbildung 33: Methanertrag im kontinuierlichen Gärversuch aus unbehandeltem und thermisch desintegriertem (190°C; 30

min) Gerstenstroh, Co-Vergärung mit Rindergülle, F…Fermenter

Ob der 28 %ige Unterschieds im Methanertrag statistisch gesichert werden kann, wurde mit Hilfe eines

statistischen Signifikanztest geprüft. Da mit der hierarchischen Varianzanalyse ein parametrischer Test

zum Einsatz kommen sollte, mussten zunächst die Voraussetzungen zur Anwendung eines para-

metrischen Signifikanztests überprüft werden. Unabhängigkeit und Normalverteilung war für den Großteil

der Versuchseinheiten (Fermenter) gegeben. Allerdings verwarf der Levene‘s Test die Varianz-

homogenität, wie auch im Boxplot (Abbildung 34) an der längeren Antenne von „F3 desintegriert“

gegenüber den anderen Versuchseinheiten zu erkennen ist. Die hierarchische Varianzanalyse bestätigte

die Signifikanz des im kontinuierlichen Gärversuch nachgewiesenen Unterschieds im Methanertrag mit

einem p<0,000 < α=0,05.


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Abbildung 34: Boxplot der Methanerträge aus unbehandeltem und thermisch desintegriertem Gerstenstroh

(Thermodruckhydrolyse bei 190°C über 305 min), ermittelt im kontinuierlichen Gärversuch im Doppelansatz,

F…Fermenter

Im Anhang A 9.1 wird der Betrachtungszeitraum ELIRAS in den gesamten Versuchszeitraum des

kontinuierlichen Gärversuchs L3 eingeordnet. Der Abfall des Gasertrags mit Zugabe der 3. Strohcharge

konnte auf eine suboptimale Entspannung und Probenahme während der Druckwechselkonditionierung

dieser Charge zurückgeführt werden.

Im Betrachtungszeitraum ELIRAS des Gärversuchs L3 lagen stabile Prozessbedingungen vor, wie z.B. am

konstanten Verlauf des pH-Wertes des Fermenterinhaltes abgeleitet werden kann, siehe hierzu

Endbericht „Wachstumskern – Chemnitz FutureGas“ [48], S. 49. Die Unterschiede im Niveau des pH-

Wertes des Fermenterinhaltes nach Umstellung auf desintegriertes Substrat bestätigen unterschiedliche

Prozessbedingungen in den Fermenteransätzen „unbehandelt“ und „thermisch desintegriert“. [48]

Abklingversuch

Mit Abschluss der kontinuierlichen Gärversuche wurde die Substratzufuhr gestoppt und die Fermenter

als Abklingversuche weitergeführt. Abbildung 35 zeigt die Methanbildungsrate der Fermenter F1 bis F4

zwei Tage vor und nach Beendigung der Substratzufuhr. Die Kurven der Methanbildungsrate wurden

horizontal auf eine gleichzeitig stattfindende letzte Beschickung verschoben. Vertikal erfolgte eine

Anpassung auf ein Höhenniveau durch Bezug der täglichen Methanbildungsrate auf den Mittelwert des

letzten Tages vor Einstellen der Beschickung.

Die schlagartigen Anstiege der Methanbildungsrate vor dem Beginn des Abklingversuchs (Tag -2 bis

Tag 0) sind als sprunghafte Gasbildung aus dem zu diesen Zeitpunkten beschicktem Substrat zu

interpretieren. Wie an dem stark ausgeprägten Anstieg der Gasbildungsrate nach Beschickung mit

Me

tha

ne

rtra

g,

no

rmie

rt [

mL

N/g

oTS]


BMWi-03KB106A, 31.01.2019 69

thermisch desintegriertem Substrat (rot und orange) gegenüber dem kleinen Anstieg nach Beschickung

mit unbehandeltem Substrat (grün) auszumachen ist, wird aus desintegriertem Substrat deutlich mehr

und schneller Biogas gebildet. Im sich anschließenden Abklingversuch fällt die Restgasbildung aus den

Fermentern, welche mit thermisch desintegriertem Substrat beschickt wurden, deutlich schneller ab als

die Gasbildung aus den Fermentern mit unbehandeltem Substrat.

Abbildung 35: Methanbildungsrate der Fermenter des Gärversuchs L4 nach Beendigung der Substratzufuhr (Abklingversuch

L4); die Kurven wurden auf einen gemeinsamen Startzeitpunkt und ein Höhenniveau zu Beginn des

Abklingversuchs verschoben

Substratcharakterisierung

Durch die thermische Desintegration des Gerstenstrohs im feuchten Zustand sank die mittlere TS des

Strohs von 92,8 % auf 16,5 %, während sich die oTS von im Mittel 97 %TS nicht veränderte. Als Co-Substrat

kam 6,0 %ige Rindergülle mit einer oTS von 80 % zum Einsatz.

Die Weender- und van Soest-Futtermittelanalyse des unbehandelten und thermisch desintegrierten

Strohs zeigt eine Veränderung der Substratbestandteile. Der thermische Substrataufschluss bewirkte

eine deutliche Zunahme des Gehalts an Nicht-Faser-Kohlenhydraten NFC. Gleichzeitig nahmen die

Gerüstbau-Kohlenhydrate, insbesondere die Gehalte an Zellulose und Hemizellulose ab. Der Anteil an

Zellulose konnte im Mittel um 21 % verringert werden, der Anteil an Hemizellulose sogar um 70 %. Schnell

verfügbare Kohlenhydrate (NFC), wie Zucker, Stärke oder Pektine, stiegen auf mehr als das 6-fache an.

Auch der Gehalt der sehr robusten Gerüstbaustruktur Lignin wurde durch den Substrataufschluss erhöht,

allerdings in stark unterschiedlichem Maße, sodass von einer Auswertung abgesehen wird. Die

Verschiebung innerhalb der Kohlenhydratfraktionen von den schwerer vergärbaren Zellwand-

bestandteilen hin zu den leicht vergärbaren Nicht-Faser-Kohlenhydraten NFC lässt auf eine verbesserte

Vergärbarkeit des Strohs infolge der thermischen Desintegration schließen. Die Zahlenwerte zur

Abbildung 36 finden sich in Anhang A 9.1.


BMWi-03KB106A, 31.01.2019 70

Da die Gärversuche in einem zurückliegenden Projekt durchgeführt wurden, wurde der Gehalt an

flüchtigen Komponenten im Substrat noch nicht standardmäßig analysiert. Für die nachträgliche

Auswertung der Versuche im Vorhaben ELIRAS, lagen keine frischen Substrate mehr vor, sodass zu

berücksichtigen bleibt, dass die Werte der Substratcharakterisierung ohne Korrektur um flüchtige

Bestandteile angegeben sind.

Abbildung 36: Gehalt an Nährstoffen und Gerüstbau-Kohlenhydraten sowie Nicht-Faser-Kohlenhydraten NFC (Zucker, Stärke,

Pektine) der Trockensubstanz des unbehandelten und thermisch desintegrierten Gerstenstrohs als Ergebnis der

Weender- und van Soest-Futtermittelanalyse

Schlussfolgerung Gärversuch L4

Im Labor-Gärversuch L4 wurde der Aufschluss von Gerstenstroh mit Hilfe einer Druckwechsel-

konditionierung (190°C, 30 min) untersucht. In diskontinuierlichen Gärversuchen zeigte sich eine

Beschleunigung der Gasbildung sowie eine Steigerung des Methanertrags um +11 %. Die kontinuierliche

Vergärung des Strohs bestätigte einen Anstieg des Methanertrags infolge mechanisch-chemischer

Desintegration um 28 %. In der Futtermittelanalyse des unbehandelten und desintegrierten Strohs

konnte nachgewiesen werden, dass der Substrataufschluss des Strohs eine Verschiebung eines Anteils

an schwer vergärbaren Gerüstbaukohlenhydraten hin zu leicht vergärbaren Nicht-Faser-Kohlenhydraten

nach sich zog. Da im Gärversuch L4 erfolgreich signifikante Effekte infolge des Substrataufschlusses

nachgewiesen wurden und zudem eine umfassende Datenbasis vorlag, wurden die Ergebnisse zur

Validierung des ELIRAS Modells herangezogen (siehe 2.3.7.2 „ELIRAS Modell“, S. 108).


BMWi-03KB106A, 31.01.2019 71

2.3.4.2 Gärversuche im großtechnischen Maßstab (AP7)

Demonstratoranlage

Die Demonstration des Vorhabens im großtechnischen Maßstab erfolgte an einer Demonstrator-

Biogasanlage, nachfolgend Demonstrator genannt, welche ihr Beschickungssystem im Projektzeitraum

ELIRAS von Fest- auf Flüssigdosierung umgestellt hat. Es wird davon ausgegangen, dass die Art der

Substratbeschickung einer Biogasanlage analog eines Substrataufschlusses einen Einfluss auf die

Vergärung hat. Durch z.B. Verdichten und Auflösen des Substrates in der Pressschnecke oder das

Anmaischen mit Rezirkulat werden im Vergleich zur Feststoffbeschickung Effekte, wenn auch nur von

hydrodynamischer Natur, erwartet. Deshalb wird die Umstellung der Beschickung auf dem Demonstrator

mit einer mechanischen Desintegration gleichgesetzt. Die wissenschaftliche Begleitung der Umstellung

wird im Vorhaben ELIRAS als Praxis-Gärversuch P1 eingeordnet, vergleiche auch Tabelle 7.

Ausgangspunkt für die Betrachtungen im AP7 war die Beschreibung des Ist-Zustandes der

Demonstratoranlage anhand des in AP2 entwickelten Fragekatalogs. Die Bemessungsleistung der im

Dezember 2006 erbauten Anlage beträgt 1605 kW. Wie in Abbildung 37 schematisch festgehalten

wurde, besteht der Demonstrator aus zwei parallel betriebenen Hauptfermentern (a, a‘) mit einem

Durchmesser von 23 m und einer Füllhöhe von 5,5 m, woraus sich ein Gärvolumen von je 2300 m³ ergibt.

Ein Teilstrom das Fermenterinhaltes der Hauptfermenter wird über eine mechanische Zerkleinerung

(Hammermühle Impra 5M; TIETJEN Verfahrenstechnik GmbH, Hemdingen) rezirkuliert, um die Viskosität

des Gärmediums herabzusetzen. An die Hauptfermenter schließt sich ein Nachgärer (b) mit 2300 m³

Volumen und ein zweiter Nachgärer (b‘) mit 5000 m³ (Durchmesser: 30 m, Höhe: 7 m) an. Nach der Fest-

Flüssig-Trennung nach dem letzten Nachgärer wird die Flüssigphase in das geschlossene, nicht beheizte

Gärproduktlager (c) (Volumen: 5000 m³) befördert. Wie im Schlussbericht Maier/LTS (S. 79) detailliert

beschrieben, wird Hauptfermenter I (a) von drei schnelllaufenden Rührwerken durchmischt. Die

Durchmischung im Hauptfermenter II (a‘) hingegen wird mit einer Kombination aus zwei Langsamläufern

und zwei Schnellläufern realisiert.

Die Betriebstemperatur der Trockenfermentation liegt mit 46-48°C im meso-thermophilen Bereich.

Täglich werden in beide Hauptfermenter ca. 40 t Substrat zugeführt, welches sich aus Maissilage

(ca. 80 %) und Zuckerrübensilage zusammensetzt. Im Betrachtungszeitraum betrug die Raumbelastung

ca. 6 goTS L-1 d-1. Das Substrat verweilte über ca. 50 d in den Hauptfermentern, in der gesamten Anlage

ca. 270 d.


BMWi-03KB106A, 31.01.2019 72

Abbildung 37: Fließschema und Frontaufnahme (© Maier Energie- und Umwelt GmbH) der Demonstratoranlage mit

Hauptfermenter- (a, a‘), Nachgärer- (b, b‘) und Gärrestlagerbehälter (c); Substratstrom nach Umstellung der

Fütterung grün dargestellt

Aus dem entstandenen Biogas wird in zwei vor Ort befindlichen und einem Satelliten-BHKW Strom und

Wärme produziert. Bei einem Wirkungsgrad von 40 % beträgt die jährliche Elektroenergieproduktion bei

13.850.000 kWh, wovon ca. 3,5 % zum Betrieb der Biogasanlage verwendet werden. Da auf der Anlage

die Menge an produziertem Gas zunächst nur als Gesamtmenge an den BHKWs erfasst wurde, wurde im

Rahmen des Vorhabens ELIRAS ein Gasmengenmessgerät (GD300, Esters Elektronik GmbH,

Aschaffenburg) am Hauptfermenter 2 nachgerüstet. Damit konnten die gebildeten Gasmengen am

Hauptfermenter 2, an dem die Umrüstung stattfand, aufzeichnen werden. Das Funktionsprinzip der

Gasmengenerfassung über einen Schwingstrahl-Durchflussmesser (in Abbildung 37 durch „F“ gekenn-

zeichnet) ist im Schlussbericht Maier/LTS ab S. 82 nachzulesen.

Die Beschickung des Fermenters mit Substrat wurde im Projektzeitraum von einer Feststoffbeschickung

über einen Schneckenbaum auf eine Flüssigdosierung umgestellt. Bei der Flüssigdosierung wird das

Substrat mit einer Kombination aus einem Bandförderdosierer und einer Förderpumpe des Fabrikats BIO-

MIX (Pumpenfabrik Wangen GmbH, Wangen im Allgäu) mit Rezirkulat angemischt in den Fermenter

befördert, siehe Abbildung 38. In Abbildung 37 sind die Substratströme nach Fütterungsumstellung grün

dargestellt. Durch am Förderband integrierte Reißelemente und das Anmaischen des zuvor trocken

dosierten Substrates mit Rezirkulat wird von Substrataufschlusseffekten ausgegangen.


BMWi-03KB106A, 31.01.2019 73

Abbildung 38: Dosiersystem aus a) Bandförderer und b) Förderpumpe BIO-MIX (Pumpenfabrik Wangen GmbH, Wangen im Allg.)

© Maier Energie- und Umwelt GmbH

Praxis-Gärversuch P1

Versuchszeitraum

Im Vorhaben ELIRAS wurde das Betriebstagebuch der Demonstratoranlage von Januar 2017 bis Februar

2018 über eine Versuchszeit von 423 Tagen ausgewertet. Der Betrachtungszeitraum für den Vergleich

vor/nach Umstellung der Beschickung wurde so gewählt, dass von Versuchstag (VT) 264–304 ein

Zeitfenster vor Umbau der Beschickung und das Zeitfenster VT 318–423 nach dem Umbau

herangezogen wurde. Damit ergibt sich ein Betrachtungszeitraum von 160 Versuchstagen von

September 2017 bis Februar 2018, währenddessen die Demonstratoranlage unter konstanten

Bedingungen, wie Raumbelastung und Verweilzeit, betrieben wurde und die Umstellung der Beschickung

erfolgte. Der Umbau der Dosierung an Hauptfermenter 2 erfolgte im Versuchszeitraum VT 305–317. Die

Messdaten in diesem Zeitraum des Umbaus wurden nicht zur Auswertung herangezogen. Ab VT 282

wurde die Gasmenge zusätzlich zur Gesamtbiogasanlage auch am Hauptfermenter 2 erfasst.

Gasbildung

Abbildung 39 zeigt die Messpunkte des täglich erfassten Biogasertrags, zum Einen ermittelt über die

Gasbildung der gesamten Anlage (orange) und zum Anderen über den nachträglich installierte

Gasmengenerfassung an Hauptfermenter 2 (blau). Die übereinanderliegenden Messpunkte verdeut-

lichen, dass beide Systeme zur Erfassung des Biogasertrags gut übereinstimmende Messwerte liefern.

Außerdem zeigen die Messwerte des Biogasertrags vor dem Betrachtungszeitraum (VT 0–304), dass der

Umstellung der Beschickung ein stationärer Betrieb vorausging.

Um die Gasbildung vor und nach Umstellung der Beschickung zu vergleichen, wurden die Mittelwerte der

täglich erfassten Biogaserträge im stationären Zustand vor und nach dem Umbau gegenübergestellt.

Dazu wurde die VT 264–304 für den Zustand „vor Umstellung“ herangezogen, in Abbildung 39 durch

eine grüne Pfeillinie markiert. Die rote Pfeillinie kennzeichnet den Betrachtungszeitraum zur


BMWi-03KB106A, 31.01.2019 74

Mittelwertbildung der täglichen Biogaserträge nach Umstellung von VT 318–423. Der nicht betrachtete

Zeitraum des Umbaus der Dosierung wurde ausgegraut.

Vor der Umstellung der Substratbeschickung betrug der tägliche Biogasertrag 459 mLN goTS-1. Die Um-

stellung der Beschickung, welche einem Substrataufschluss gleichkommt, führte zu einer signifikanten

Erhöhung des Biogasertrags um 13 % auf 517 mLN goTS-1. Die Signifikanz des Unterschiedes wurde

aufgrund von gegebener Normalverteilung, aber Varianzheterogenität der Daten mit Hilfe des Welch’s t-

Test auf einem Irrtumswahrscheinlichkeit α von 5 % getestet. Mit einem p<0,000 < α=0,05 wurde die

Nullhypothese „Es gibt keinen Unterschied zwischen den Biogaserträgen vor und nach Umstellung der

Beschickung“ signifikant verworfen.

Abbildung 39: Täglich gemessener Biogasertrag von Hauptfermenter 2 der Demonstratoranlage im Versuchszeitraum,

gemessen am BHKW für die Gesamtanlage, rückgerechnet auf Hauptfermenter 2 (orange) und gemessen am

Hauptfermenter 2 (blau); rote und grüne Linie: mittlerer Biogasertrag im Betrachtungszeitraum VT 264-304 (vor

Umstellung) und 318-423 (nach Umstellung)

Vergleicht man den Anteil der direkt am Hauptfermenter 2 gemessenen Gasmenge an der Gasmenge der

Gesamtanlage (gemessen am BHKW), wird deutlich, dass dieser Anteil infolge der Umstellung der

Beschickung von 36 % auf 41 % steigt. Vor der Umstellung der Beschickung wurden demnach 36 % der

Gesamtgasmenge in Hauptfermenter 2 produziert. Mit Umbau der Beschickung konnte das Substrat im

Hauptfermenter 2 besser umgesetzt werden, wodurch dann 41 % der Gesamtgasmenge bereits in der

ersten Stufe in Hauptfermenter 2 produziert wurden.

Granulometrie

Eine Partikelgrößenanalyse des Fermenterinhaltes von Hauptfermenter 2 der Demonstratoranlage ergab

die in Abbildung 40 dargestellte Partikelgrößenverteilung. Wie bereits bei der Partikelgrößenanalyse


BMWi-03KB106A, 31.01.2019 75

anderer Fermenterinhalte (vergleiche Abbildung 18, S. 48 und Abbildung 30, S. 63) festgestellt wurde,

besteht auch der Inhalt des Hauptfermenters 2 des Demonstrators fast ausschließlich (96 %) aus

Partikeln ≤ 3,15 mm und zu einem Großteil von knapp 70 % aus Partikeln ≤ 0,5 mm. Es können keine

Partikel größer 8 mm nachgewiesen werden. Der mittlere Partikeldurchmesser deutet mit 1,07 mm auf

vergleichsweise kleinfaserigen Fermenterinhalt hin, welches sich auch durch den Substrateinsatz

Maissilage und Zuckerrübensilage erklären lässt.

Abbildung 40: Anteil der Siebfraktionen an der Trockensubstanz TS sowie mittlerer Partikeldurchmesser xm des

Fermenterinhaltes von Hauptfermenter 2 der Demonstrator-Biogasanlage

Hydrodynamische Effekte

Die rheologische Charakterisierung des Fermenterinhaltes erfolgte durch die Verbundpartner Maier und

LTS. Dazu wurde die Viskosität des Fermenterinhaltes von Hauptfermenter, Nachgärer und Gärrestlager

mit Hilfe eines Rotationsviskosimeters („Rheotest 2“, VEB MLW Prüfgeräte Werk Medingen) bestimmt,

wie im Schlussbericht Maier/LTS ab S. 85 beschrieben. Da bei der Vermessung von Fermenterinhalt

vereinzelt enthaltene große Störstoffe im Ringspalt des Rotationsviskosimeters verkanten, wurde für die

Vermessung von Realsubstraten die größtmögliche Spaltbreite von 9,45 mm eingestellt. Die ermittelte

Abnahme der dynamischen Viskosität η der Fermenterinhalte mit steigender Schergeschwindigkeit γ

deutet auf nicht-newtonsches Verhalten der Medien hin. Dieses strukturviskose Fließverhalten lässt sich

durch den Potenzansatz nach Ostwald-de-Waele (Formel 2) mit Hilfe der Parameter Konsistenz K und

Fließindex m näherungsweise beschreiben:

𝜂 = 𝐾 ∙ 𝛾𝑚−1 Formel 2

Ein Vergleich der Prozessstufen zeigt über den gesamten Schergeschwindigkeitsbereich eine höhere

dynamische Viskosität des Fermenterinhaltes der Hauptfermenter im Gegensatz zum Nachgärer und


BMWi-03KB106A, 31.01.2019 76

Gärrestlager. Die Umstellung der Beschickung von Hauptfermenter 2 führte zu einer Abnahme der

dynamischen Viskosität des Fermenterinhaltes. Der Konsistenzfaktor K sank von 49 Pasm auf 34 Pasm,

wie aus dem Anstieg der Fließkurven bestimmt wurde, siehe Abbildung 41.

Abbildung 41: Doppelt-logarithmische Darstellung der dynamischen Viskosität in Abhängigkeit der Schergeschwindigkeit des

Fermenterinhaltes von Hauptfermenter 2 vor und nach Umstellung der Beschickung; ermittelt mit einem

Rotationsviskosimeter der Spaltbreite 9.45 mm; mathematische Anpassung nach Ostwald-de-Waele; nach:

Schlussbericht Maier/LTS, S. 97

Die Durchmischung eines Fermenters vor der Beschickungsumstellung lässt sich grafisch mit Hilfe einer

CFD (computational fluid dynamics) Simulation verdeutlichen. Abbildung 42 zeigt die simulierte

Strömungsgeschwindigkeit des Fermenterinhaltes in Hauptfermenter 2 der Demonstrator-Biogasanlage.

Die Besonderheit bei der Modellierung des Hauptfermenters 2 liegt darin, dass der Fermenter von zwei

Schnell- (Nr. 2, 4) und zwei Langsamläufern (Nr. 1, 3) durchmischt wird. Ausgehend von einem

Schubgleichgewicht, werden die unterschiedlichen Schübe der Rührer addiert und der Mittelwert auf vier

theoretische Rührer aufgeteilt. Die Simulation erfolgt nach Berechnung einer neuen Drehzahl für die vier

identischen theoretischen Rührer. Durch die Einbauhöhe des Rührwerks lassen sich im unteren Bereich

des Hauptfermenters 2 lediglich in der Nähe des Rührers 1 Strömungen feststellen (siehe Abbildung

42 a). In mittlerer Höhe (Abbildung 42 b) ist hingegen eine deutliche Korrespondenz der Rührer 3–4–1–

2 festzustellen, die jedoch zwischen Rührer 2 und 3 schwächer ausgeprägt ist. Mit zunehmender Höhe

(Abbildung 42 c) sind um die Rührer 2 und 3 starke Strömungsgeschwindigkeiten von 30-50 cm s-1 zu

verzeichnen, weshalb eine Korrespondenz beider Rührer angenommen werden kann. Betrachtet man

den gesamten Fermenter (Abbildung 42 d), kann von einer Korrespondenz ohne Strömungsabriss

zwischen den einzelnen Rührwerken ausgegangen werden. Trotz dass demnach eine globale

Beckenströmung vorliegt, zeigt der Konturplot in Abbildung 42 d) nicht durchmischte Totzonen im

Zentrum und an den Außenwänden des Fermenters.


BMWi-03KB106A, 31.01.2019 77

Abbildung 42: Simulation der Strömungsgeschwindigkeiten der zwei Schnell- (2, 4) und Langsamläufer (1, 3) in

a) unterer,

b) mittlerer und

c) oberer Höhe sowie

d) des gesamten Fermenterinhaltes des Hauptfermenters 2 der Demonstrator-Biogasanlage

e) Konturplot der globalen, durchschnittlichen Strömungsgeschwindigkeit des Hauptfermenters 2;

vor der Umstellung der Beschickung; simuliert mit ANSYS FLUENT 14.0 (ANSYS, Inc., Canonsburg, USA); nach:

Schlussbericht Maier/LTS, S. 94-95

Welchen Einfluss die Veränderung der Rheologie auf den Betrieb einer Biogasanlage hat, zeigt die

Modellierung mit dem Algorithmus Hydrodynamik (AHD). Bei Kenntnis der Abmessungen des Fermenters

und der Rührer ermöglicht der AHD eine Berechnung der Strömungsgeschwindigkeit und die Ableitung

des durchmischten Fermentervolumens aus der Rheologie eines Prozessmediums. Der AHD ist

Bestandteil des Modells, auf welchem der ELIRAS Leitfaden fußt und wird in Kapitel 2.3.7.2 „ELIRAS

Modell“ ab S. 98 näher erläutert. Im konkreten Fall des Demonstrators führte die die

Viskositätserniedrigung infolge der Beschickungsumstellung am Hauptfermenter 2 zu einer Erhöhung der

Anteil des durchmischten Fermentervolumens von 81 % auf 100 %. Der Substrataufschluss durch

Umstellung der Beschickung von Fest- auf Flüssigfütterung führte demnach dazu, dass der

Hauptfermenter 2 im Vergleich zur unzureichenden Durchmischung von 81 % im Ausgangszustand nun

vollständig durchmischt wurde. Diese theoretische Betrachtung wird durch den Bericht des

Anlagenbetreibers über ein verbessertes Handling des Fermenterinhaltes infolge der Umstellung der

Beschickung bestätigt.


BMWi-03KB106A, 31.01.2019 78

Anwendung des ELIRAS Ansatzes

Mit Kenntnis der Anlagenparameter sowie der Veränderung von Gasbildung, Granulometrie und

Durchmischung lässt sich anhand des Demonstrators der theoretische ELIRAS Ansatz im Praxismaßstab

prüfen. Wie in Kapitel 2.3.3.1 „Einteilung der Effekte von Substrataufschluss“ (S. 27) im Detail dargestellt

wurde, besteht der ELIRAS Ansatz darin, die Wirkung eines Substrataufschlusses auf die drei

Haupteffekte


b) Steigerung der Reaktionsgeschwindigkeit, und


zurückzuführen.

Da auf der Demonstrator-Biogasanlage die Umstellung der Beschickung als Desintegration betrachtet

wurde, liegt die Vermutung nahe, dass nachgewiesene Effekte im Wesentlichen auf den letzten Punkt c)

die „Veränderung der Hydrodynamik“ zurückzuführen sind. Eine theoretische Nachrechnung analog

Kapitel 2.3.3.2 („Einfluss durchmischtes Fermentervolumen auf Biogasbildung“, S. 30) ergab, dass die

mit dem AHD berechnete Erhöhung des durchmischten Fermentervolumens von 81 % auf 100 %, eine

Steigerung der Gasbildung von 6 % nach sich ziehen würde. In der Berechnung wurde bereits der im

Hauptfermenter 2 rezirkulierte Fermenterinhalt berücksichtigt.

Da diese theoretisch berechnete Steigerung der Gasbildung von 6 % noch deutlich unter der real

gemessenen Steigerung der Gasbildung von 13 % lag, wurden noch weitere Ursachen für die

Veränderung der Gasbildung in Betracht gezogen. Einen Ansatzpunkt liefert der bereits in Kapitel 2.3.3.2

erwähnte Gas-Hold-up. In unveröffentlichten Voruntersuchungen des DBFZ zeigten Dichtemessungen von

Fermenterinhalten Gasanteile im Fermenterinhalt in der Spanne von 10-20 %. Setzt man mit dieser

Kenntnis 20 % Gas-Hold-up im Fermenter im Ausgangszustand an und unterstellt, dass die Veränderung

der Viskosität des Fermenterinhaltes infolge der Beschickungsumstellung 10 % des Gas-Hold-ups

freisetzt, erhöht sich das verfügbare Reaktionsvolumen und die Gasbildung steigt. In Kombination mit

der aus dem AHD berechneten Erhöhung des Fermentervolumens (von 81 % auf 100 %) ergibt die

Abnahme des Gas-Hold-ups von 20 % auf 10 % in der theoretischen Berechnung eine Erhöhung der

Gasbildung von 13 %. Im Vergleich zu den im ersten Ansatz weiter oben bestimmten 6 % theoretische

Steigerung, konnte nun die real gemessene Steigerung der Gasbildung von 13 % auch theoretisch

nachberechnet werden.

Die erfolgreiche Nachrechnung auf Basis hydrodynamischer Effekte bestätigt den ELIRAS Ansatz, dass

ein Großteil der Wirkung eines Substrataufschlusses auch auf die Veränderung der Hydrodynamik

zurückgeführt werden kann. Wählt man einen geringeren Wert des theoretisch angenommenen Gas-Hold-

ups von 20 % im Ausgangszustand, sinkt auch die theoretisch nachgerechnete Steigerung unter die real

gemessene von 13 %. Die wenigen fehlenden Prozentpunkte zwischen Berechnung und Messung

könnten dann nach dem ELIRAS-Ansatz auf kinetische Effekte (Punkt b) zurückgeführt werden. Es wäre

denkbar, dass die Umstellung der Beschickung neben der „Veränderung der Hydrodynamik“ (Punkt c)

auch eine geringfügige „Steigerung der Reaktionsgeschwindigkeit“ (Punkt b) nach sich zog.

2.3.5 Energetische und ökonomische Bewertung (AP5)

Für die energetische und ökonomische Bewertung wurden die Effekte eines Substrataufschlusses bei

Biogasanlagen als eine erhöhte Gasausbeute je eingesetzter Einheit Substrat aufgefasst. Hieraus lässt


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sich aus betriebswirtschaftlicher Sicht ableiten, dass sich bei konstanten Substrateinsatzkosten eine

höhere Leistung durch die Möglichkeit einer gesteigerten Gasproduktion und folgend eine höhere

Produktion der verkaufsfähigen Strom- und Wärmemengen, ergibt. Umgekehrt ermöglicht die

Beibehaltung der ursprünglichen Gasproduktion, Einsparungen in Substratmengen und somit in den

Substrateinsatzkosten. Darüber hinaus wurde durch die veränderte Rheologie des Fermenterinhaltes

infolge des Substrataufschlusses eine geringere Rührleistung zur Durchmischung des Fermenters

erwartet als im Vergleich zu nicht aufgeschlossenem Substrat. Betriebswirtschaftlich werden sich

hierdurch Änderungen in der Kostenstruktur, in Form von verminderten Eigenstromkosten der Anlage

ergeben.

Den betriebswirtschaftlichen Vorteilen eines Substrataufschlusses stehen die für den Aufschluss nötigen

Investitionen, Verbrauchs- und Betriebskosten gegenüber. Ein betrachtetes Aufschlussverfahren wird

dann betriebswirtschaftlich vorzüglich, wenn die durch das Verfahren zusätzlich generierten Erlöse oder

Kosteneinsparungen die Summe der Kosten für die Etablierung und den Betrieb übersteigen.

Für die betriebswirtschaftliche Betrachtung von Aufschlussverfahren ergaben sich folgende Fragen als

Untersuchungsgegenstand:

1. In wie weit kann ein Aufschlussverfahren zur Verminderung der spezifischen Substrateinsatz-

kosten führen?

2. Wie wirkt sich ein Aufschlussverfahren auf die Eigenstromkosten einer Anlage aus?

3. Welche Kosten verursacht die Etablierung und der Betrieb eines Substrataufschlusses?

4. Kann in der betriebswirtschaftlichen Gesamtbetrachtung einer Anlage die Nutzung eines

Substrataufschlusses monetäre Vorteile gegenüber einem Anlagenbetrieb ohne Substrat-

aufschluss generieren?

Im Folgenden wurden diese Fragestellungen an einem definierten Beispiel beantwortet und die

relevanten Faktoren auf die betriebswirtschaftlichen Aspekte des Anlagenbetriebs bestimmt. Hierzu

wurde eine standardisierte Berechnungsmethodik unter Anwendung von Referenz- und Aufschluss-

szenarien verwendet.

2.3.5.1 Methodik der betriebswirtschaftlichen Bewertung

Im folgenden Abschnitt werden die Methodik der betriebswirtschaftlichen Bewertung von Aufschluss-

verfahren, die Beispielanlage sowie die definierten Aufschlussszenarien mit ihren gesonderten

Annahmen erläutert.

DesiTool - Berechnungswerkzeug zur ökonomischen Bewertung von Aufschlussverfahren

DesiTool ist ein, aus bestehenden Berechnungswerkzeugen des DBFZ, abgeleitetes Tool auf Excel-Basis

zur betriebswirtschaftlichen Analyse des Einflusses von Desintegrationsverfahren auf die Produkt-

gestehungskosten. DesiTool zielt hierbei auf die Produktgestehungskosten als betriebswirtschaftliche

Vergleichsgröße ab und orientiert sich bei der Berechnung an der Annuitätenmethode nach VDI 2067

und VDI 6025. DesiTool berechnet für einen eingegebenen Anlagentyp die produzierte Gasmenge. Diese

wurde zwischen den Vergleichsszenarien konstant gehalten, was gleichbedeutend mit der Beibehaltung

aller vorhanden baulichen Strukturen außer der Aufschlusseinheit ist. Somit verändert sich die Kosten-


BMWi-03KB106A, 31.01.2019 80

struktur zwischen den Szenarien lediglich in Bezug auf den Substrataufschluss als Untersuchungs-

gegenstand. Ursächlich sind hier im Einzelnen die Substratkosten, Investitionen, Betriebs- und

Verbrauchskosten bei unterschiedlichen Aufschlussverfahrensszenarien. Der Vorteil bei dieser

Vorgehensweise ist, dass Erlöse, die je nach EEG Fassung sowie Möglichkeiten des Wärmeverkaufs

anlagenspezifisch sehr differieren können, für den betriebswirtschaftlichen Vergleich nicht

entscheidungsrelevant sind. In der ökonomischen Betrachtung in AP5 reichen allein die Produkt-

gestehungskosten aus, um die betriebswirtschaftliche Vorzüglichkeit der Aufschlussverfahrensszenarien

untereinander abzubilden. Eine Vollkostenrechnung wurde hier ausdrücklich nicht durchgeführt und wäre

auch nicht zielführend gewesen.

Abbildung 43 schematisiert den Ablauf der Berechnung im DesiTool. Einer definierten Referenzanlage

mit festgelegten technischen Parametern und Substratmix (vergleiche Abbildung 43: Ref), wurden

Parallelberechnungsstränge mit beliebig vielen Aufschlussverfahrensszenarien gegenüber gestellt

(vergleiche Abbildung 43: S1, S2…Sn). Die Produktgestehungskosten errechnen sich auf zwei Ebenen.

Die erste Ebene sind die Produktgestehungskosten nach Gärstrecke in Form von Rohgasgestehungs-

kosen und Methangestehungskosten, während die zweite Ebene durch die Stromgestehungskosten am

Einspeisepunkt nach BHKW gebildet wurde. Für den Verfahrensvergleich reicht die erste Ebene aus,

jedoch sind in der Praxis die Stromgestehungskosten als Vergleichsgröße geläufiger, weshalb diese hier

unter der Annahme einer BHKW-Mechanisierung nach Stand der Technik berechnet wurden (siehe

Tabelle 8).

Substrat

Gärstrecke

Aufschluss-verfahren

BHKW

Stromgestehungskosten €/kWh

Rohgas-/ Methangestehungskosten

€/m3

Substrat: Bereitstellungskosten frei

Eintrag

Aufschluss: Investition, Betriebs- und

Verbrauchskosten

Gärstrecke: Investition, Betriebs- und

Verbrauchskosten

BHKW:Investition, Betriebs- und

Verbrauchskosten

Referenzstrang

Szenarienstrang

RefS1, S2...Sn

Pump- und Rührleistung

Strombedarf

Substratbedarf

Aufschlussmittelbedarf

Aufgeschlossenes Substrat+

-

-

Eigenstromkosten

+ +

-

Substratkosten

-

Betriebsmittelkosten

+

+

Anlagentechnik

Investition

+

+

Gasleistung+

-

+++

Gasverbrauch

Stromerzeugung

=

=

Kausalkettendiagramm zur Auswirkung des Substrataufschluss

Versuchsplan / Ablauf der Berechnung

Relevante Faktoren

Gasgestehungskosten

-

+-

++

Stromgestehungskosten

Investitionen=

=+-

+-=

Steigend

Abnehmend

Gleichbleibend

Quelle: Eigene Darstellung Abbildung 43: Berechnungsschema des DesiTools mit den relevanten betriebswirtschaftlichen Faktoren sowie den qualitativen

kausalen Verknüpfungen der Anlagen- und Kostenstruktur bei Einsatz eines Substrataufschlussverfahrens. Der

Kausalkette liegt die Annahme zu Grunde, dass die Stromproduktion bei den Szenarien im Vergleich zur

Referenzvariante konstant gehalten wird.


BMWi-03KB106A, 31.01.2019 81

Darüber hinaus wurden als Zwischenergebnis die Investitionen, kapital-, verbrauchs- und

betriebsbezogene Kosten sowie sonstige Kostenpositionen ausgegeben. Unter Differenzbildung zur

Referenz konnten die monetären Auswirkungen der Szenarien qualitativ und quantitativ abgebildet

werden.

Zusätzlich zur Szenarienvergleichsrechnung, wurden Sensitivitätsanalysen mit Zielgröße Produkt-

gestehungskosten in Abhängigkeit zur Biogasertragssteigerung, Stromersparnis und dem Einfluss des

Substratpreises ebenfalls für alle Szenarien und im Vergleich zur Referenz unter ceteris paribus

Bedingungen durchgeführt. Multifaktorielle Sensitivitäten wurden nicht betrachtet.

Über den Berechnungsablauf hinaus bildet Abbildung 43 korrespondierend die Zusammenhänge und

Einflüsse des Substrataufschlusses auf den Prozess und die betriebswirtschaftlichen Parameter einer

Biogasanlage ab. Hier wurde deutlich, dass Kostenvorteile des Substrataufschlusses ausschließlich aus

Substrat- und Stromkosteneinsparungen resultieren können.

Definition der Beispielanlage

Für die betriebswirtschaftliche Bewertung der Aufschlussverfahren war es notwendig, eine Biogasanlage

als Referenz zu definieren, auf die im Folgenden die zu untersuchenden Aufschlussszenarien aufgesetzt

wurden. Für die Definition wurde sich an der gängigen und in der Praxis etablierten, landwirtschaftlichen

Biogasanlage mit 500 kW installierter Leistung und praxisüblichen 8.000 Stunden Jahreslaufleistung im

Volllastbetrieb orientiert. Außerdem wurden die Erfahrungen der ELIRAS-Demonstrator-Biogasanlage

(vergleiche Kapitel 2.3.4.2 „Gärversuche im großtechnischen Maßstab (AP7)“, S. 71) berücksichtigt.

Nach dem Vorbild des ELIRAS-Laborversuchs L3 sollte auf der Beispielanlage ein mechanisch-

chemischer Substrataufschluss, bestehend aus trockener Extrusion mit anschließendem Einweichen in

Natronlauge, installiert werden. Darüber hinaus wurde ein weiteres Szenario mit rein mechanischem

Substrataufschluss, ohne den Einsatz von Natronlauge, betrachtet.

Der Substratmix wurde so gewählt, dass der Laborversuch L3 in den Praxismaßstab übertragen werden

kann und die technischen Voraussetzungen für einen volldurchmischten Rührkesselfermenter im

kontinuierlichem Betrieb erfüllt werden. Dabei wurde von einem großen Anteil von ca. 18 % Stroh

ausgegangen, welches der für eine Desintegration interessierende Bestandteil des Substratmixes ist.

Dieses trockene Substrat wurde mit ca. 68 % Rindergülle auf einen durchmischbaren TS-Gehalt gebracht.

Zudem dient der Wirtschaftsdünger Rindergülle gemeinsam mit ca. 3 % HTK (analog Laborversuch L3)

als Stickstoff- und Spurenelementlieferant. Um sich an der Demonstratoranlage des Vorhabens ELIRAS

zu orientieren, bestand der Substratmix außerdem zu jeweils ca. 5 % aus Mais- und Zuckerrübensilage.

Die vollständige technische Definition der Beispielanlage findet sich in Tabelle 8. Die dort berechneten

Methanausbeuten basieren auf den KTBL-Faustzahlen Biogas ([50], S. 133). Dadurch, dass die

Anlagendefinition am Substratmix orientiert wurde, ergab sich rechnerisch eine installierte elektrische

Leistung von 517 kW sowie eine Bemessungsleistung von 472 kW.


BMWi-03KB106A, 31.01.2019 82

Tabelle 8: Technische Parameter der Beispielanlage zur Durchführung der betriebswirtschaftlichen Bewertung. Die Werte

wurden so gewählt, dass sie den im Projekt genutzten Demonstrator und die durchschnittliche Biogasanlage in

Deutschland widerspiegeln. Der Methanertragsberechnung liegen die Gaserträge des KTBL ([50], S. 133) zu

Grunde.

Allgemeine betriebswirtschaftliche Annahmen

Die in Tabelle 9 dargestellten allgemeinen betriebswirtschaftlichen Annahmen beziehen sich global auf

die Referenz und die Szenarien gleichermaßen. Der Betrachtungszeitraum wurde mit 20 Jahren auf die

für Biogasanlagen typische Laufzeit ausgelegt und resultiert aus der zwanzigjährigen EEG-Vergütung. Mit

der Novellierung des EEG und der Umstellung auf ein kompetitives Ausschreibungssystem, oder durch

Umrüstung, ist die Laufzeit in der Regel mit einem anderen, einzelanlagenspezifischen Wert zu

bemessen. Für den hier durchgeführten Vergleich zwischen den Szenarien war dieser Wert jedoch nicht

primär entscheidungsrelevant. Für die konkrete einzelbetriebliche Betrachtung musste der Betrachtungs-

zeitraum jedoch individuell angepasst werden.

Die Preissteigerungsrate in der Kategorie Verbrauchsbezogene Kosten wurde nicht auf die Substratpreise

angewendet. Hier besteht eine zu hohe zeitliche und lokale Schwankungsbreite durch kurzfristig

dynamische Markteinflüsse, sodass die jährliche Preissteigerung von diesen Effekten überlagert wird und

diesbezüglich keine allgemeine Annahme möglich ist.

Beim Preis für das Verbrauchsmittel Natronlauge handelt es sich um den Bezugspreis für die Industrie

im palettiertem Großgebinde frei Hof. Bei den gegebenen Verbrauchsmengen kann zur Diskussion

gestellt werden, ob durch Mengenrabatte der Bezugspreis noch reduziert werden kann. Es wird jedoch

vorweggenommen, dass hierdurch die Wirtschaftlichkeit von Verfahren, die Natronlauge einsetzen, nicht

wesentlich beeinflusst wird.

Die in Tabelle 10 notierten Substratpreise beziehen sich jeweils auf frei Substrateintrag des Fermenters,

d. h. Lager- und Lagerentnahmekosten sind bereits im Preis enthalten und wurden nicht gesondert

ausgewiesen. Soweit möglich, stammen die Substratpreise aus dem KTBL Wirtschaftlichkeitsrechner

Technische Anlagenparameter

Basisparameter Einheit Wert Basisparameter Einheit Wert

Installierte elektrische Leistung kW 517Vollnutzungs-

stundenh/a 8.000

Bemessungsleistung kW 472Relativer

Eigenstrombedarf% 8,00

Elektrischer Wirkungsgrad % 41,00Absoluter

EigenstrombedarfkWh/a 330.868

Thermischer Wirkungsgrad % 40,00Relativer

Eigenwärmebedarf% 24,00

Elektrische Energie kWh/a 4.135.851Absoluter

EigenwärmebedarfkWh/a 968.394

Thermische Energie kWh/a 4.034.976

Substrate Einheit 1 2 3 4 5

Art Maissilage Zuckerrübensilage Stroh HTK Rindergülle

Einsatzmenge t FM/a 1.000 1.000 3.400 600 13.000

Einsatzanteil Masse % 5,26 5,26 17,89 3,16 68,42

Art des Lagers Fahrsilo Fahrsilo Rundballen Miete (nicht siliert) Güllelager

Eintragtechnik Radlader RadladerBallenbrecher/

EinstreuhäkslerRadlader Pumpe

Methanertrag m3 CH4 / t FM 112,39 68,87 176,05 96,77 13,38

Jahresmethanertrag m3 CH4/a 112.385 68.869 598.574 58.064 173.888

Jahresprimärfeuerungsleistung kWh/a 1.120.478 686.622 5.967.784 578.893 1.733.663

Summe Jahresprimärfeuerungsleistung kWh/a 10.087.440

Quelle: Eigene Darstellung; Der Methanertragsberechnung liegen die Gaserträge des KTBL (2013) zu Grunde.


BMWi-03KB106A, 31.01.2019 83

Biogas (2018). Für Hühnertrockenkot (HTK) wurde abweichend ein Erfahrungswert des Anlagen-

betreibers der ELIRAS Demonstratoranlage verwendet. Hier sei darauf hingewiesen, dass 20 €/t HTK als

Richtwert dienten. In der Praxis unterliegt der Preis für HTK je nach Marktlage starken Schwankungen.

Für Gülle wurde eine kostenneutrale Abgabe unterstellt. Dieses Vorgehen erklärt sich damit, dass Gülle

in der Regel als Koppelprodukt des Betriebszweigs Tierproduktion anfällt und somit lediglich in den

Betriebszweig Biogas verschoben wurde. Es ist zu beachten, dass hier im individuellen Einzelfall aus

Gründen der Geschäftsform und Bilanz Verrechnungspreise angesetzt werden müssen. Wenn die

Biogasanlage nicht in einen landwirtschaftlichen Betrieb eingebunden ist, müsste tatsächlich Gülle

zugekauft werden. Diese Fälle wurden hier jedoch nicht betrachtet.

Tabelle 9: Allgemeine betriebswirtschaftliche Annahmen der Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen. Die Annahmen gelten

jeweils für Referenz- und Szenarienrechnung gleichermaßen.

Tabelle 10: Für die Wirtschaftlichkeitsberechnungen unterstellte Substratkosten. Die Substratkosten werden frei

Fermentereintrag unterstellt. Lager- und Entnahmekosten sind eingepreist.

Quelle: (1 Betreiber Demonstrator-Biogasanlage ELIRAS; (2 KTBL ([50], S. 133); (3 Rindergülle wird als hofinterne

Lieferung kostenneutral betrachtet; (1 TS=92 %, kurzgehäckselt

Spezielle technische und betriebswirtschaftliche Annahmen der Aufschlussszenarien

Die Aufschlussszenarien zeichnen sich jeweils durch Ihre speziellen technischen und betriebs-

wirtschaftlichen Annahmen aus. Bei der Extrusion wurde sich auf das Substrat Stroh beschränkt, da

dieses die höchsten Substratkosten aufwies und eine Substrateinsparung hier die höchste Wirkung

vermuten ließ. Die in den zwei Szenarien jeweilig unterstellte Aufschlusstechnik war identisch. Hierbei

Allgemeine betriebswirtschaftliche Annahmen

Einheit Wert

Kapitalkostenparameter

Betrachtungszeitraum a 20

Eigenkapitalanteil % 20%

Fremdkapitalanteil % 80%

Eigenkapitalverzinsung % 10%

Fremdkapitalverzinsung % 5%

Kalkulationszinssatz % 5%

Preissteigerungsrate

Kapitalbezogene Kosten % 1%

Verbrauchsbezogene Kosten (Ausgenommen Substrat) % 1%

Betriebsbezogene Kosten % 2%

sonstige Kosten % 2%

Instandhaltungskosten % 2%

Einlagen % 2%

Kostengerüst

Lohn €/Akh 30

Strom €/kWh 0,19

Diesel €/l 1

Wassergebühren €/m3

1

Natronlauge (32%) €/t 600

Versicherung % der Investition 1,00%

Substratkosten Einheit 1 2 3 4 5

Art Maissilage Zuckerrübensilage Stroh HTK Rindergülle

Substratpreis frei Eintrag €/t FM 40 37 102(4

20 (1

0 (3

Jahressubstratkosten frei Eintrag €/a 40.000 37.000 346.800 12.000 0

Methangestehungskosten Substrat (2 €/m

3 CH4 0,36 0,54 0,58 0,21 0

Quelle: KTBL (2013); (1

Betreiber Biogasanlage Hermanshof (2018); (2

Berechnet nach KTBL-Biogasausbeuten(2013); (3

Rindergülle wird als hofinterne Lieferung

kostenneutral betrachtet; (4

92 % TM Kurzgehäckselt


BMWi-03KB106A, 31.01.2019 84

handelte es sich um einen Extruder mit einer möglichen Stundenleistung von 3,25 tFM. Die Tages-

laufleitung wurde in Abhängigkeit zum durchgeführten Massefluss bestimmt (hier ca. 9 tFM d-1 bei ca. 3 h

Tageslaufleistung). Für die Erstinvestition waren in Summe ca. 150.000 € zu berücksichtigen (siehe

Tabelle 11). Die Gesamtlebensdauer der Anlage wurde vom Hersteller mit 16 Jahren veranschlagt, wobei

für die Bauteile mit Produktberührung eine Lebensdauer von 8 Jahren angegeben wurde. Dem

entsprechend ist nach 8 Jahren eine Revision fällig, die hier mit 50 % der Erstinvestition angenommen

wurde, sowie nach 16 Jahren der vollständige Ersatz der Anlage. Die genannten konkreten

Zahlenangaben zum Extruder, welche in die Wirtschaftlichkeitsbetrachtung eingehen, wurden beim

Hersteller abgefragt. [51]

Tabelle 11: Investitionsdaten für die Aufschlusseinheit. Für die Berechnung der Stromgestehungskosten unter

Berücksichtigung einer Aufschlusseinheit ist die Erstinvestition, die Lebensdauer sowie der Anteil der

Ersatzinvestition zu berücksichtigen. Quelle: Herstellerangaben [51]

Tabelle 12: Technisch betriebswirtschaftliche Kennwerte der Aufschlussszenarien. Hier wird unterschieden zwischen

extrudiertem Stroh und extrudiertem Stroh, welches vorher in Natronlauge geweicht wurde.

Hauptunterscheidungsmerkmal zwischen den Szenarien sind die Biogasertragssteigerung, die Rührleistung

sowie der Einsatz von Aufschlussmitteln.

Investitionsdaten Aufschlusseinheit

Investition Lebensdauer Ersatzinvestition

[€] [a]

Extruder (frei Werk) 98.500,00 8 50%

Montage inkl. Transport innerhalb Deutschlands 32.500,00 8 50%

Planungskosten 16.000,00 16 100%

Quelle: Abgeleitet von Lehmann (2018)

Einheit

Parameter der Aufschlusseinheit

Art der Konditionierung Stroh extrudiert

Stroh extrudiert mit

NaOH

Einweichung

Biogasertragssteigerung % 6,40 12,40

Einsparung Rührleistung % 52,10 52,10

Methanertrag konditioniert m3 CH4 / t FM 187,32 197,88

Methanmehrertrag m3 CH4 / t FM 11,27 21,83

Jahresmethanmehrertrag m3 CH4/a 38.309 74.223

Technische Kapazität Aufschlusseinheit t/h 3,25 3,25

Tatsächlicher Tagesdurchsatz t FM/d 9,32 9,32

Tagesbetriebsstunden h/d 2,87 2,87

Jahresbetriebsstunden h/a 1.046 1.046

Spezifischer Stromverbrauch kWh / t FM 80 80

Absoluter Jahresstromverbrauch kWh / a 272.000 272.000

Einsatzmengen für Aufschlusschemikalien

Art des Hilfsstoffs Natronlauge

Konzentration des Hilfsstoffes % 32

Absolute Tageseinsatzmenge des Hilfsstoffes t / d 1,43

Quelle: Eigene Darstellung

Szenarien


BMWi-03KB106A, 31.01.2019 85

In der ökonomischen Bewertung des Substrataufschlusses an der Beispielanlage werden die beiden

Aufschlussszenarien „Extrusion ohne Natronlauge“ und „Extrusion mit Natronlauge“ betrachtet. Dabei

wurde angenommen, dass nur der Substratbestandteil Stroh einer Desintegration unterzogen wird. Wie

in Tabelle 12 dargestellt, unterscheiden sich die beiden Szenarien lediglich in der Gasertrags-

ersteigerung. Für die mechanisch-chemische Desintegration im zweiten Szenario, wurde eine relative

Gasertragssteigerung von 12 % zu Grunde gelegt, welche im kontinuierlichen Gärversuch des ELIRAS

Laborversuchs L3 ermittelt wurde (vergleiche Kapitel 2.3.4.1 „In den Gärversuchen P2 konnte jedoch

kein Effekt infolge der Desintegration nachgewiesen werden. Die Ausführliche Auswertung des Praxis-

Gärversuchs P2 ist im Erfolgskontrollbericht unter Kapitel 4.2 dargestellt.

Gärversuche im Labormaßstab (AP3)“, S. 53 ). Aus zusätzlichen diskontinuierlichen Gärversuchen im

Labormaßstab war bekannt, dass eine rein mechanische Desintegration in Etwa die Hälfte an möglicher

Gasertragssteigerung nach sich zieht (vergleiche Anhang A 4). Deshalb wurde für das erste Szenario eine

relative Steigerung des Biogasertrags von 6 % angesetzt.

Abgesehen von der Gasertragssteigerung bewirkt der Substrataufschluss eine Absenkung der

Rührleistung, welche sich aus betriebswirtschaftlicher Sicht auf die Stromkosten auswirken. Am Beispiel

der Demonstrator-Biogasanlage wurde vom Projektpartner Maier abgeschätzt, welche Einsparungen in

der Rührleistung durch Einsatz eines Substrataufschlusses möglich ist. Mit Hilfe des Algorithmus

Hydrodynamik wurde das Fließverhalten des Fermenterinhaltes des Demonstrators vor und nach dem

Einsatz der Desintegrationseinheit simuliert. Die genaue Vorgehensweise der Partner kann im

Schlussbericht Maier/LTS ab S. 91, zusammengefasst in Tabelle 7 (S. 98), nachgelesen werden. Im

Ergebnis der theoretischen Betrachtungen führte der Einsatz der Desintegration zu einer Absenkung der

Viskosität des Fermenterinhaltes von 47 Pasm auf 34 Pasm. Dadurch wird es theoretisch möglich, anstelle

eines schnelllaufenden Tauchmotorrührwerks des Typs P184-1000/234 ZRG ein langsamlaufendes

Tauchmotorrührwerks des Typs P42-2500/164 ZRG zu verwenden. Der Langsamläufer nimmt am

Betriebspunkt einen größeren Axialschub und deutlich weniger Leistung auf als der ursprünglich

installierte Schnellläufer. Bei einer Laufzeit der Rührwerke von 50 % nimmt der verbrauchte Strom im

Jahr von 49.625 kWh auf 23.783 kWh um 52,1 % ab.

Der spezifische Stromverbrauch und somit die Stromkosten für die Extrusion ist mit 80 kWh/tFM Stroh als

hoch zu bewerten.

Bei der Dosierung von ca. 1,4 t Natronlauge am Tag mit einer Konzentration von 32 % im

Aufschlussszenario mit Natronlauge wurde sich ebenfalls am Laborversuch L3 orientiert. Diese Dosierung

entspricht der üblichen Praxis, wie sie für die Behandlung von Stroh als Futtermittel eingesetzt wird. In

Bezug zur Einsatzmenge finden sich in der jüngeren Literatur Werte von ca. 6 % Massenprozent relativ

zur Strohmenge bei einer Konzentration der Natronlauge von 50 % [52]. Aus der historischen Entwicklung

heraus ist festzustellen, dass der Strohaufschluss mit Natronlauge in Zeiten mit Futterknappheit attraktiv

war. Die Strohmassenflüsse waren jedoch im Unterschied zur Biogaserzeugung wesentlich geringer und

dementsprechend auch der tägliche Bedarf von Natronlauge.

2.3.5.2 Ergebnisse

Im Folgenden werden die Ergebnisse der Wirtschaftlichkeitsberechnungen dargestellt. Hierbei wurde in

die eigentliche Annuitätenrechnung mit Produktgestehungskosten als Verfahrensvergleich der


BMWi-03KB106A, 31.01.2019 86

Aufschlussverfahren und die Sensitivitätsbetrachtungen unterschieden. Für die Berechnungen galten die

in Abschnitt 2.3.5.1 getroffenen Annahmen, in Verbindung mit der beschriebenen Methodik.

Annuitätenrechnung der Produktionskosten und Produktgestehungskosten in Abhängigkeit der

Aufschlussszenarien

Die Annuitätenberechnungen in Tabelle 13 zeigen generell, dass die Annuitäten der Kosten für die

Aufschlussszenarien im Vergleich zur Referenz deutlich höher sind. Bei der Variante ohne Natron-

laugeneinsatz (Szenario 1) sind die jährlichen Kosten rund 6 % höher während der Kostenanstieg mit

Natronlaugeneinsatz (Szenario 2) gegenüber der Referenz ca. 42 % beträgt. Tabelle 13 macht die Gründe

für diese Differenzen ersichtlich. Bei beiden Aufschlussszenarien ist durch Substrateinsparungen eine

deutliche Reduktion der Substratkosten (Verbrauchsbezogene Kosten Gaserzeugung) eingetreten. Diese

Substratkosteneinsparungen wurden jedoch von den Stromkosten des Extruders (Szenario 1) und in

Szenario 2 in noch größerem Umfang von den hohen verbrauchsbezogenen Kosten durch die großen

Mengen an Natronlauge überkompensiert.


BMWi-03KB106A, 31.01.2019 87

Tabelle 13: Variantenvergleich an Hand der absoluten Investitionen und Annuitäten der einzelnen Kostenpositionen und

Differenz der Varianten zur Referenz. Die Gasverwertung durch das BHKW ist hier eingepreist.

Entsprechend der Annuitäten und der gesteigerten Gasproduktion zeigen sich Auswirkungen auf die

Produktgestehungskosten. Tabelle 14 zeigt, dass die Auswirkungen auf die abschließende

Bewertungsgröße, die Stromgestehungskosten, zwischen Referenz und Extrusion ohne Natronlauge als

gering zu bewerten sind. Auf Ebene der Methangestehungskosten sind die Differenzen jedoch mit

0,03 €/m3 deutlicher ausgeprägt und besser erkennbar. In Bezug auf die Stromgestehungskosten ist die

Extrusion mit Natronlauge im Vergleich zur Referenz um 0,08 €/kWh teurer. Die Methan-

gestehungskosten liegen über 1 €/m3. Hierbei ist zu beachten, dass die Lagerhaltung für Aufschluss-

chemikalien und auch eine ggf. notwendige Entsorgung nicht mit eingerechnet wurde.

Variantenvergleich

Absolute Kosten bezogen frei BHKW-Ausspeisung (Mit BHKW eingepreist)

0 1 2 1 2

Referenz Stroh extrudiert

Stroh extrudiert

mit NaOH

Einweichung

Stroh

extrudiert

Stroh

extrudiert

mit NaOH

Einweichung

Investition

Gaserzeugung € 2.313.032,00 2.313.032,00 2.313.032,00 x x

Gasverwertung € 470.087,00 470.087,00 470.087,00 x x

Substratkonditionierung € 0,00 147.000,00 147.000,00 x x

Summe € 2.783.119,00 2.930.119,00 2.930.119,00 x x

Kapitalbezogene Kosten und Reperaturkosten

Gaserzeugung €/a -246.260,88 -246.260,88 -246.260,88 0,00 0,00

Gasverwertung €/a -70.280,16 -70.280,16 -70.280,16 0,00 0,00

Substratkonditionierung €/a 0 -17.975,20 -17.975,20 -17.975,20 -17.975,20

Summe €/a -316.541,03 -334.516,23 -334.516,23 -17.975,20 -17.975,20

Verbrauchsbezogene Kosten

Gaserzeugung €/a -498.664,93 -458.808,25 -441.409,33 39.856,67 57.255,60

Gasverwertung €/a 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00

Substratkonditionierung €/a 0,00 -51.714,00 -365.139,60 -51.714,00 -365.139,60

Summe €/a -498.664,93 -510.522,25 -806.548,93 -11.857,33 -307.884,00

Betriebsbezogene Kosten

Gaserzeugung €/a 0,00 0,00

Gasverwertung €/a 0,00 0,00

Substratkonditionierung €/a -5.100,00 -5.100,00 -5.100,00 -5.100,00

Summe €/a 0,00 -5.100,00 -5.100,00 -5.100,00 -5.100,00

Sonstige Kosten

Gaserzeugung €/a -1.231,30 -1.231,30 -1.231,30 0,00 0,00

Gasverwertung €/a -351,40 -351,40 -351,40 0,00 0,00

Substratkonditionierung €/a 0 -89,88 -89,88 -89,88 -89,88

Summe €/a -1.582,71 -1.672,58 -1.672,58 -89,88 -89,88

Summe der Kosten €/a -816.788,67 -851.811,07 -1.147.837,74 -35.022,40 -331.049,07


AbsolutDifferenz

(Referenz - Variante)


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Tabelle 14: Verfahrensvergleich an Hand der spezifischen Produktgestehungskosten differenziert nach den Ebenen Gas frei

Flansch Gärstrecke und Strom frei Einspeisepunkt BHKW.

Es wird deutlich, dass einerseits die Stromkosten des Extruders und anderseits der Preis für Natronlauge

der betriebswirtschaftliche Hebel ist. Der Faktor Natronlauge ist hier jedoch durch den Preis so schwer

gewichtet, dass selbst eine Halbierung der Einsatzmenge die Verhältnisse nicht günstiger gestalten kann.

Sensitivitätsanalyse

Die Sensitivitätsanalyse zeigt die Reaktion einer bestimmten Zielgröße auf die Variation definierter

Faktoren, in Abhängigkeit der zu untersuchenden Szenarien. Die Zielgröße wurde hier mit den Strom-

gestehungskosten festgelegt. Die Faktoren Substratpreis, Biogasertragssteigerung und Verminderung

der Rührleistung durch den Substrataufschluss wurden variiert. Es wurden die Szenarien Extrusion mit

und ohne Natronlauge für Rührleistung und Biogasertragssteigerung betrachtet, während für den

Substratpreis noch zusätzlich die Referenz mit einbezogen wurde.

Abbildung 44 zeigt die Ergebnisse der durchgeführte Sensitivitätsanalyse. Hieraus lassen sich folgende

Aussagen ableiten:

1. Bei Reduktion der Rührleistung sinken die Stromgestehungskosten linear. Das Verhältnis hierbei

beträgt für das Szenario 1 „Extrusion ohne Natronlauge“ 1:0,07 während die Reduktion der

Stromgestehungskosten für das Szenario 2 „Extrusion mit Natronlauge“ mit einem Verhältnis von

1:0,05 geringer ausfällt. Dies ist insofern nachvollziehbar, als dass der hohe Anteil des

Betriebsmittels Natronlauge dominiert und somit die Rührleistungseinsparung durch den

besseren Aufschluss des Substrats überlagert wird. Das Szenario ohne Natronlaugeneinsatz wirkt

sich somit aus betriebswirtschaftlicher Sicht günstiger auf eine verminderte Rührleistung aus als

das Szenario mit Natronlaugeneinsatz.

2. Mit Erhöhung des Biogasertrags sinken die Stromgestehungskosten annähernd exponentiell.

Somit wirkt sich eine hohe Steigerung des Biogasertrags weniger aus als eine geringe. Wird

jedoch unterstellt, dass eine Gassteigerungsrate bis 50 % realistisch sein kann ist bei der

Extrusion ohne Natronlauge (Szenario 1) eine Verminderung der Stromgestehungskosten um ca.

13 % möglich. Bei zusätzlichem Einsatz von Natronlage (Szenario 2) beträgt die Verminderung

der Stromgestehungskosten bei einer Steigerung des Biogasertrags von 50 % nur ca. 10 %.

Variantenvergleich (Produktgestehungskosten)Spezifische Produktgestehungskosten

0 1 2

Referenz Stroh extrudiert

Stroh extrudiert

mit NaOH

Einweichung

Rohgasgestehungskosten frei BHKW-

Flansch (exkl. BHKW)€/m

3 0,39 0,41 0,56

Methangestehungskosten frei BHKW-

Flansch (exkl. BHKW)€/m

3 0,74 0,77 1,06

Stromgestehungskosten frei BHKW-

Ausspeisung (inkl. BHKW)€/kWh 0,20 0,21 0,28



BMWi-03KB106A, 31.01.2019 89

3. Bei steigenden Substratkosten dämpft ein höherer Aufschlussgrad die Auswirkungen auf die

Stromgestehungskosten ab. Umgekehrt wird der Effekt auf die Stromgestehungskosten bei

sinkenden Substratpreisen verstärkt. Grund hierfür ist, dass durch den Substrataufschluss

maßgeblich Substratkosten eingespart werden. Aus betriebswirtschaftlicher Sich wirkt sich somit

ein hoher Aufschlussgrad positiv auf die Stromgestehungskosten aus. Hier wird jedoch vernach-

lässigt, dass die absoluten Kosten für den Aufschluss das Verfahren trotzdem in Hinsicht auf die

Stromgestehungskosten betriebswirtschaftlich unattraktiv machen.

Abbildung 44: Sensitivitätsdiagramm der Szenarien im Vergleich. Die Prozentualen Änderungen der stromgestehungskosten

werden in Abhängigkeit zu den prozentualen Änderungen der variierten Faktoren dargestellt. Je

Sensitivitätsanalyse wird jeweils nur der zu variierende Faktor ceteris paribus verändert. Eine Multifaktoranalyse

erfolgt nicht.

Die Sensitivitätsanalyse zeigt, dass sich die Substratpreise am stärksten auf die Stromgestehungskosten

auswirken. Der Substrataufschluss brachte hier sogar einen relativen betriebswirtschaftlichen Vorteil, der

jedoch durch die absoluten Stromgestehungskosten überlagert wurde. Darüber hinaus wurde deutlich,

dass die Volatilität der landwirtschaftlichen Erzeugerpreise und somit auch der daran gekoppelten

Substratpreise, die Vorteile einer Gasertragssteigerung oder Verminderung der Rührleistung, überlagern.


BMWi-03KB106A, 31.01.2019 90

Die Bearbeitung von AP5 zeigte, dass eine energetische und ökonomische Bewertung des

Substrataufschlusses, unabhängig vom gewählten technischen Verfahren, eine besondere Wichtigkeit

hat. Dem folgend sollte für wissenschaftliche Untersuchungen zum Substrataufschluss in jedem Falle

eine ökonomische Voreinschätzung zur betriebswirtschaftlichen Tragfähigkeit eines Verfahrens

vorgenommen werden, wenn ein Übertrag in den Praxismaßstab erfolgen soll. Hierbei genügt eine

Überschlagsrechnung, die den erwarteten Gasmehrertrag die zu erwartenden Investitionen und

Betriebskosten auf Basis von Schätzungen gegenüberstellt. Es bleibt zu beachten, dass die zu erwarteten

Ertrags- und Kostengerüste maßgeblich vom Anwendungskontext eines Verfahrens abhängen. So kann

ein Verfahren für eine Praxisanwendung unter bestimmten Bedingungen betriebswirtschaftlich tragfähig

sein, für eine andere jedoch nicht. Gleichzeitig können sich durch eine Vorabschätzung Ansatzpunkte

erschließen, um ein Verfahren an sich technisch zu ändern, dass es die betriebswirtschaftliche

Tragfähigkeit erreicht. Für eine gesamtheitliche ökonomische Vorabschätzung sind hier möglicherweise

auch Sekundäreffekte außerhalb des zu betrachtenden Systems zu berücksichtigen. Die Vorein-

schätzung ist somit auch unter der interdisziplinären Sichtweise durchzuführen.

Am Beispiel von ELIRAS hätte eine ökonomische Vorababschätzung zu Beginn der wissenschaftlichen

Bewertung gezeigt, dass der mechanische-chemische Substartaufschluss mit Natronlauge zwar für Stroh

in der Viehfutteraufbereitung in Jahren mit Futterknappheit Sinn machen kann, jedoch durch die hohen

Durchsatzmengen, wie sie bei Biogasanlagen üblich sind, betriebswirtschaftlich nicht tragfähig ist. Unter

anderen Randbedingungen, vor allem ohne den Einsatz der hohen Mengen an Betriebsmittel, ist ein

mechanischer Substrataufschluss durchaus eine Betrachtung wert.

Auf Grundlage der Erkenntnisse aus AP5 wird eine ökomische Grobabschätzung in den ELIRAS-Leitfaden

aufgenommen und gleich zu Beginn der Betrachtung gestellt, Näheres dazu in Kapitel 2.3.7 „ELIRAS

Leitfaden (AP6)“, ab S. 95.

2.3.6 Ökologische Bewertung (AP5)

Im Rahmen der ökologischen Bewertung wurde der Einsatz des Substrataufschlusses an Biogasanlagen

hinsichtlich des Einflusses auf die Treibhausgas (THG)-Emissionen bewertet. Ziel war zu prüfen, inwieweit

der Einsatz von Desintegrationsverfahren die THG-Bilanz der Biogasproduktion verbessert und damit zu

einem zusätzlichen Klimaschutzbeitrag führen kann. Analog zu den Szenarien und Annahmen der

ökonomischen Bewertung (vergleiche vorheriges Kapitel 2.3.5 „Energetische und ökonomische

Bewertung (AP5)“) und den im Vorhaben ermittelten Daten und Erkenntnissen zu den Effekten der

Desintegration wurde eine Abschätzung der THG-Emissionen im Vergleich verschiedener Szenarien

vorgenommen. Dem Referenzszenario (ohne Substrataufschluss) wurden 2 Szenarien mit

Substrataufschluss (Szenario 2: Extrusion von Stroh; Szenario 3: Extrusion von Stroh mit Natronlauge)

gegenübergestellt.

2.3.6.1 Methodik der THG-Bilanzierung

Der Fokus der Abschätzung der THG-Emissionen wurde auf den Vergleich verschiedener Szenarien gelegt,

da die Erkenntnisse zeigen, dass die wesentlichen Unterschiede der betrachteten Szenarien beim

Biogasertrag, beim Strombedarf für die Desintegration und bei den verwendeten Betriebsmitteln

(Natronlauge) liegen. Die folgenden Darstellungen zeigen demnach keine Gesamt-THG-Bilanz, welche die

gesamte Bereitstellungskette (Transport / Logistik der Einsatzstoffe) der Biogaserzeugung und dessen


BMWi-03KB106A, 31.01.2019 91

Nutzung (Strombereitstellung über BHKW) beinhaltet, sondern die spezifischen THG-Emissionen der

Szenarien im Vergleich.

Als Referenz dient das Biogaskonzept ohne Substrataufschluss (Szenario 1). Im Szenario 2 wurde

angenommen, dass der Anteil Stroh extrudiert wurde, wodurch ein höherer Biogasertrag erzielt werden

konnte. Im Szenario 3 wurde zusätzlich zur mechanischen Desintegration von Stroh analog des ELIRAS-

Laborversuchs (L3) Natronlauge eingesetzt. Aufgrund des zusätzlichen chemischen Aufschlusses ergab

sich ein höherer Biogasmehrertrag (vergleiche Tabelle 15). Für die Darstellung der spezifischen THG-

Emissionen der 3 Szenarien wurde angenommen, dass der Substrateinsatz konstant bleibt und nur der

Gasmehrertrag für den Anteil der aufgeschlossenen Strohmengen betrachtet wird. Tabelle 15 zeigt die

ermittelten Substratmengen mit Gaserträgen und den resultierenden Gasmengen für die Szenarien 1 bis

3 im Überblick. Die veränderten Gaserträge für Stroh infolge des Substrataufschlusses (Szenario 2 und

3) sind dabei rot markiert.

Tabelle 15: Annahmen: Substrateinsatz und Gaserträge der Szenarien mit und ohne Substrataufschluss. Szenario 1

(Referenz) ohne Substrataufschluss im Vergleich zu den Szenarien 2 mit mechanischem und Szenario 3

mechanisch-chemischem Substrataufschluss unter Zugabe von Natronlauge.

Substrat ohne Substrataufschluss (Referenz - Szenario 1)

Menge Biogasertrag Jahresbiogasertrag Methangehalt Methanertrag Heizwert

t FM/a m³/t FM m³/a % m3/a kWh/a

Maissilage 1.000 216,13 216.125 52,00 112.385 1.120.478

Zuckerrübensilage 1.000 132,44 132.440 52,00 68.869 686.622

Stroh 3.400 338,56 1.151.104 52,00 598.574 5.967.784

HTK 600 175,95 105.570 55,00 58.064 578.893

Rindergülle 13.000 24,32 316.160 55,00 173.888 1.733.663

NA 0 0,00 0 0,00 0 0

Total 1.921.399 52,66 1.011.779 10.087.440

Substrat mit Substrataufschluss (Szenario 2 - Stroh extrudiert)



Maissilage 1.000 216,13 216.125 52,00 112.385 1.120.478


Stroh 3.400 360,23 1.224.775 52,00 636.883 6.349.722

HTK 600 175,95 105.570 55,00 58.064 578.893

Rindergülle 13.000 24,32 316.160 55,00 173.888 1.733.663

NA 0 0,00 0 0,00 0 0

Total 1.995.070 52,63 1.050.088 10.469.379

Substrat mit Substrataufschluss (Szenario 3 - Stroh extrudiert mit NaOH)



Maissilage 1.000 216,13 216.125 52,00 112.385 1.120.478


Stroh 3.400 380,54 1.293.841 52,00 672.797 6.707.789

HTK 600 175,95 105.570 55,00 58.064 578.893

Rindergülle 13.000 24,32 316.160 55,00 173.888 1.733.663

NA 0 0,00 0 0,00 0 0

Total 2.064.136 52,61 1.086.003 10.827.446


BMWi-03KB106A, 31.01.2019 92

Für die Darstellung der THG-Emissionen ist die Kenntnis der relevanten In- und Outputströme der Energie

sowie Hilfs- bzw. Einsatzstoffe erforderlich. Die für die THG-Bilanz notwendige Datenbasis umfasst für die

betrachteten Anlagenkonzepte Substrateinsatz und technische Parametern analog der Annahmen der

ökonomischen Betrachtung (vergleiche Kapitel 2.3.5; Tabelle 8; S. 82). Darüber hinaus werden

Annahmen aus den ELIRAS-Laborversuchen zur Desintegration sowie externe Daten und Einschätzungen

auf der Basis von Datenbanken und Projektberichten herangezogen.

Im Wesentlichen wurden in der ökologischen Bewertung folgende Parameter berücksichtigt:

Gas-/Stromproduktion

Strombedarf für die Biogaserzeugung (Biogasanlage)

Strombedarf für den Substrataufschluss (nur Szenario 2 und 3)

Stromeinsparung der Desintegration aufgrund der reduzierten Pump- und Rührwerksleistung (nur

Szenario 2 und 3)

Bedarf an Natronlauge (nur Szenario 3)

Für den Einsatz der Natronlauge wurden die THG-Emissionen für die Produktion der Natronlauge gemäß

der Datenbank ProBas ([53]; Datensatz ifeu 2004 für 50%-ige Natronlauge mit 986 kg CO2-Äq/tNaOH) zu

Grunde gelegt und auf 32%-ige Natronlauge als Abschätzung rückgerechnet (ca. 631 kg CO2-Äq/tNaOH).

Für den Strombedarf der Biogaserzeugung und der Desintegration wurde der nationale Strommix für

2017 (nach [54] mit 489 g CO2-Äq/kWhel) berücksichtigt.

Im Rahmen des Vorhabens wurden keine Emissionsmessungen zur Desintegration von Stroh

durchgeführt. Nach DANIEL-GROMKE ET AL. [55] und LIEBETRAU ET AL. [56] können Pauschal-Werte für die

Methanemissionen zur Biogaserzeugung (1 %) und für das BHWK (1,5 %) in Bezug zur gesamten

Gasproduktion angenommen werden. Im Rahmen der Treibhausgasbilanzierung werden klimarelevante

Gase mit Hilfe der Charakterisierungsfaktoren in CO2-Äquivalente umgerechnet. Nach IPCC [57] wurde

für den Umrechnungsfaktor von Methan zu THG-Äquivalente der Faktor 28 verwendet.

Die Annahmen der betrachteten Szenarien, die der THG-Bilanz zu Grunde gelegt wurden, sind im

Überblick in Tabelle 16 dargestellt.


BMWi-03KB106A, 31.01.2019 93

Tabelle 16: Annahmen für die THG-Bilanz der Szenarien im Überblick: Szenario 1 (Referenz) ohne Substrataufschluss im

Vergleich zu den Szenarien 2 mit mechanischem und Szenario 3 mechanisch-chemischem Substrataufschluss

unter Zugabe von Natronlauge.

Szenarien

Einheit

Szenario 0

(Referenz,

unbehandelt)

Szenario 1

(Stroh

extrudiert)

Szenario 2

(Stroh extru-

diert + NaOH)

Biogasertrag gesamt m3/ a 1.921.399 1.995.070 2.064.136

Methanertrag gesamt m3/ a 1.011.779 1.050.088 1.086.003

Gasertrag kWh/a 10.087.440 10.469.379 10.827.446

Stromertrag kWhel/a 4.135.851 4.292.445 4.439.253

Strombedarf Gaserzeugung* kWhel/a 330.868 230.886 230.886

THG-Emissionen Strom Gaserzeugung g CO2-äq /a 161.794.474 112.903.420 112.903.420

Spezif. THG-Emissionen Strom Gaserzeugung g CO2-äq /kWhel 39 26 25

Strombedarf Substrataufschluss kWhel/a 272.000 272.000

THG-Emissionen Substrataufschluss g CO2-äq /a 0 133.008.000 133.008.000

Spezif. THG-Emissionen Substrataufschluss g CO2-äq /kWhel 0 31 30

Strombedarf Gasnutzung (BHKW) kWhel/a 82.717 85.849 88.785

THG-Emissionen Strombedarf BHKW g CO2-äq /a 40.448.619 41.980.114 43.415.891

Spezif. THG-Emissionen Strombedarf BHKW g CO2-äq /kWhel 9,8 9,8 9,8

Betriebsmittel (Natronlauge 32%-ig) t/a 522

THG-Emissionen Natronlauge Produktion (32%-ig) g CO2-äq /a 329.371.328

Spezif. THG-Emissionen Natronlauge Produktion (32%-ig) g CO2-äq /kWhel 74

Methanemissionen Biogasanlage (pauschal 1%) m3/a 10.118 10.501 10.860

Methanemissionen Biogasanlage (pauschal 1%) g CH4/kWhel 1,8 1,8 1,8

Spezif. THG-Emissionen Biogasanlage g CO2-äq/kWhel 49,3 49,3 49,3

Methanemissionen BHKW (1,5%) m3/a 15.177 15.751 16.290

Methanemissionen BHWK (1,5%) g CH4/kWhel 2,6 2,6 2,6

Spezif. THG-Emissionen BHKW g CO2-äq/kWhel 74,0 74,0 74,0

*Stromreduktion S2 und S3 infolge der geringeren Rühr- und Pumpleistung analog ökonomischer Bewertung vgl. Kapitel 2.3.5

2.3.6.2 Ergebnisse

Tabelle 17 zeigt die ermittelten THG-Emissionen der Szenarien 1 bis 3 in g CO2-Äquivalente je kWhel und

je kWh (Gas). Da für die Parameter „Strombedarf BHWK“, „Emissionen der Biogasanlage“ und

„Biogasnutzung im BHWK“ jeweils Pauschal-Werte zu Grunde gelegt wurden, ergeben sich hinsichtlich

der Darstellung der spezifischen THG-Emissionen keine Unterschiede, weshalb für den Szenarien-

vergleich in der grafischen Gegenüberstellung auf diese Parameter verzichtet wurde (vergleiche Tabelle

17 und Abbildung 45).


BMWi-03KB106A, 31.01.2019 94

Tabelle 17: Spezifische THG-Emissionen der Szenarien 1 - 3 im Vergleich jeweils in g CO2-Äquivalente je kWhel (Strom) und je

kWh (Gas). Szenario 1 (Referenz) ohne Substrataufschluss im Vergleich zu den Szenarien 2 mit mechanischem

und Szenario 3 mechanisch-chemischem Substrataufschluss unter Zugabe von Natronlauge.

Szenario Szenario 1

(Referenz, unbehandelt)

Szenario 2

(Stroh extrudiert)

Szenario 3

(Stroh extrudiert mit NaOH)

Einheit g CO2-Äq/

kWhel

g CO2-Äq/

kWh

g CO2-Äq/

kWhel

g CO2-Äq/

kWh

g CO2-Äq/

kWhel

g CO2-Äq/

kWh

Strombedarf für

Gaserzeugung

39,1 16,0 26,3 10,8 25,4 10,4

Substrataufschluss 31,0 12,7 30,0 12,3

Produktion Natronlauge

(32%-ig)

74,2 30,4

Gesamt THG-Emissionen 39,1 16,0 57,3 23,5 129,6 53,1

Abbildung 45 veranschaulicht die spezifischen THG-Emissionen in g CO2-Äquivalente je kWhel für die

betrachteten Szenarien der Desintegration (Szenario 2 und 3) im Vergleich zum Referenzszenario (ohne

Desintegration von Stroh).

Abbildung 45: Spezifische THG-Emissionen in g CO2-Äquivalente je kWhel für die Szenarien 2 und 3 (mit Substrataufschluss) im

Vergleich zur Referenz (Szenario 1).

Die wesentlichen Unterschiede im Szenarienvergleich ergeben sich für den Strombedarf der

Gaserzeugung und Substrataufschluss (Szenario 2 und 3) sowie für den Einsatz der Natronlauge

(Szenario 3), weshalb die spezifischen THG-Emissionen deutlich variieren.


BMWi-03KB106A, 31.01.2019 95

Die Szenarien zum Substrataufschluss (Szenario 2 und 3) weisen im Vergleich zum Referenzszenario

höhere spezifische THG-Emissionen auf, die durch die Stromeinsparung infolge der reduzierten Pump-

und Rührleistung der Desintegration nicht kompensiert werden können.

So liegen die spezifischen THG-Emissionen für Szenario 2 (Stroh Extrusion) etwa 50% höher als das

Referenzszenario (ohne Substrataufschluss), während Szenario 3 (Stroh Extrusion mit Natronlauge) im

Vergleich zum Referenzszenario sogar mehr als das 3-fache an THG-Emissionen aufweist. Dies ist auf

den großen „CO2-Fußabdruck“ der Produktion von Natronlauge und den hohen Einsatz von Natronlauge

für den Substrataufschluss zurückzuführen.

Im Ergebnis zeigen die betrachteten Szenarien der Desintegration unten den dargestellten Annahmen im

Vergleich zum Biogaskonzept ohne Substrataufschluss demnach keine verbesserte THG-Bilanz.

2.3.7 ELIRAS Leitfaden (AP6)

2.3.7.1 Aufbau des ELIRAS-Leitfadens

Der im Vorhaben ELIRAS zu erarbeitende Leitfaden besteht aus einer Reihe an Abschätzungen, welche

nacheinander Teilaspekte der Effekte einer Desintegration beleuchten. Die Anwendung des Leitfadens

umfasst die Beantwortung folgender Fragestellungen:

1. Abschätzung Handlungsbedarf

2. Ökonomische Grobabschätzung

3. Ermittlung der Veränderung des Gasertrags infolge Desintegration mit dem ELIRAS Modell

4. Finale ökonomische Berechnung

Das Kernstück des Leitfadens ist dabei das ELIRAS Modell, welches den Effekt eines

Substrataufschlusses auf den Gasertrag ausgibt. Dem ELIRAS Modell ist eine Abschätzung zum

Handlungsbedarf sowie eine ökonomische Grobabschätzung vorgeschaltet, welche darüber entscheiden,

ob ein Substrataufschluss überhaupt sinnvoll ist und somit die Anwendung des ELIRAS Modells in Frage

kommt.

Die erste technische Abschätzung (1.) umfasst eine einfache Ja-/Nein-Abfrage in Form eines Fragebogens

und eine Ist-Stands-Analyse der Biogasanlage. Die erste Abfrage wurde in Form eines Fragekatalogs

erarbeitet, siehe Anhang A 1. Er ist für Nassfermentationsanlagen anwendbar und analysiert den

Handlungsbedarf bezüglich Substratvorbehandlung und Fermenterdurchmischung. Mit Hilfe dieser

Abfrage kann abgeschätzt werden, ob eine Desintegration unter den gegebenen Bedingungen auf einer

Biogasanlage grundsätzlich denkbar ist. Zur Aufnahme des technischen Ist-Zustandes der Biogasanlage

kann der in AP2 entwickelte Fragebogen (siehe (Kapitel 2.3.2 „Fragekatalog (AP2)“, S. 27 bzw. Anhang A

2) zur Hilfe genommen werden.

Zusätzlich zu der technischen Vorabschätzung zum Handlungsbedarf steht zu Beginn einer

wissenschaftlichen Bewertung von Substrataufschlussverfahren eine ökonomische Grobbetrachtung

(2.), welche die Erlöse der erwarteten Gasertragssteigerung den Mehraufwendungen durch die

Installation einer Desintegrationseinheit gegenüberstellt. Erst wenn ein Substrataufschluss auch aus

ökonomischer Sicht sinnvoll ist, sollte eine tiefergehende wissenschaftliche Bewertung mit Hilfe des

ELIRAS Modells (3.) erfolgen. Wichtigste Ausgabegröße des ELIRAS Modells ist die Veränderung des


BMWi-03KB106A, 31.01.2019 96

Gasertrags infolge des Substrataufschlusses. In einer finalen ökonomischen Berechnung (4.) wird der im

ELIRAS Modell ermittelte Gasmehrertrag den ökonomischen Aufwendungen im Detail gegenübergestellt,

sodass mit diesem letzten Punkt des ELIRAS Leitfadens eine Handlungsempfehlung zur Installation einer

Desintegrationseinheit auf einer Biogasanlage gegeben werden kann. Abbildung 47 verdeutlicht den

Aufbau des ELIRAS Leitfadens schematisch. Das Konzept des dunkelgrün dargestellten Kern des ELIRAS

Leitfadens, dem ELIRAS Modell, sowie dessen Validierung sind im nachfolgenden Kapitel 2.3.7.2

(„ELIRAS Modell“, S. 98) beschrieben.

Im konkreten praktischen Anwendungsfall auf einer großtechnischen Biogasanlage würde der ELIRAS

Leitfaden wie folgt angewendet werden: Gemeinsam mit dem Anlagenbetreiber erfolgt auf Basis des Ist-

Zustandes der Biogasanlage eine grobe technische und ökonomische Abschätzung, ob ein

Substrataufschluss überhaupt in Frage kommt. Bei positivem Ausgang wird der Fermenterinhalt der

Biogasanlage im Ausgangszustand sowie das Substrat beprobt. Um mit Hilfe des ELIRAS Modells die

Veränderung des Gasertrags prognostizieren zu können, muss auch eine Probe des desintegrierten

Substrates bereitgestellt werden. Hier ist denkbar, eine kleine Menge an Substrat in Kooperation mit dem

Hersteller der Desintegrationseinheit probehalber aufzuschließen. Diese drei Proben „Fermenterinhalt“,

„Substrat unbehandelt“ und „Substrat desintegriert“ werden mit Hilfe von Laboranalysen und

Gärversuchen charakterisiert und finden Eingang in das ELIRAS Modell. Die Werkzeuge des ELIRAS

Modells Massenbilanzierung, Modellierung sowie Betrachtungen zur Veränderung der Partikelgröße und

Hydrodynamik ermöglichen eine Vorhersage zur Veränderung des Gasertrags infolge des Substrat-

aufschlusses. Auf Basis dieser Kenngröße wird, erneut in Zusammenarbeit mit dem Anlagenbetreiber,

final abgeschätzt, ob bei dem im ELIRAS-Modell ermitteltem Gasmehrertrag die Installation einer

Substratdesintegration auch ökonomisch sinnhaft ist.


BMWi-03KB106A, 31.01.2019 97

Abbildung 46: Schematische Darstellung des ELIRAS-Leitfadens

Algorithmus Substrataufschluss

• Substrat unbehandelt

• Substratcharakterisierung → TS, oTS, Flüchtige

• diskontinuierlicher Gärversuch → Gasbildungspotenzial, Kinetik Batch kB0

• Partikelgrößenanalyse → mittlerer Partikeldurchmesser xm0

• Substrat desintegriert

• diskontinuierlicher Gärversuch → Gasbildungspotenzial, Kinetik Batch kB1


• Fermenterinhalt

• Gasmengenmessung → Kinetik Konti kK0 Praxisanlage im Ausgangszustand


Algorithmus Hydrodynamik

•Fermenterinhalt

• Fließkurven → durchmischtes Fermentervolumen D

xm

D

3. Veränderung Gasertrag infolge Desintegration

+

4. finale ökonomische Berechnung

ELIRAS Modell

1. Abschätzung Handlungsbedarf + 2. ökonomische Grobbetrachtung

ja

ELIRAS Leitfaden

Werkzeuge

Betrachtung zur

Veränderung der

Partikelgröße

Betrachtung zur

Hydrodynamik

Modellierung und

Parameteridentifikation

Massenbilanzierung


BMWi-03KB106A, 31.01.2019 98

2.3.7.2 ELIRAS Modell

Wird in den ersten beiden Schritten des ELIRAS Leitfadens ein Handlungsbedarf und ökonomische

Sinnhaftigkeit herausgearbeitet, kann das ELIRAS Modell als Bestandteil des ELIRAS Leitfadens

angewendet werden.

Modellkonzept

Das ELIRAS Modell wurde als Ergebnis von AP3 und AP4 entwickelt und umfasst die zwei Algorithmen

Algorithmus Hydrodynamik (AHD) und Algorithmus Substrataufschluss (ASA).

Der „Algorithmus Hydrodynamik“ wurde von den Verbundpartnern Maier und LTS entwickelt. Das iterative

Verfahren des AHD ermöglicht eine Beschreibung des hydraulischen Zustands in einem Fermenter. Mit

Kenntnis der Fermenterabmaße und der Rührwerke sowie aus den Fließeigenschaften des Mediums

(Dichte, Fließindex m, Konsistenzfaktor K) wird das durchmischte Fermentervolumen D, die mittlere

Fließgeschwindigkeit des Mediums und der Leistungseintrag der Rührwerke berechnet. Eine konkrete

Beschreibung des AHD ist im Schlussbericht Maier/LTS unter dem Kapitel „Beschreibung des

Algorithmus Hydrodynamik (AHD)“ ab S. 69 und S. 91 zu finden. Auf Basis der Veränderung der

Durchmischung D des Fermenterinhaltes wird der hydrodynamische Effekt eines Substrataufschlusses

(siehe Kapitel 2.3.3.1 „Einteilung der Effekte von Substrataufschluss“, S. 27, Effekt c) beschrieben. In

der Weiterentwicklung des ELIRAS Modells durch das DBFZ zeigte sich, dass ein Substrataufschluss auch

eine Veränderung des Anteils an Gasblasen im Fermenter, kurz Gas-Hold-up, nach sich ziehen und somit

ebenfalls Einfluss auf die Durchmischung D nehmen kann. Die Veränderung der Durchmischung D, als

Ausgabegröße des AHD, wirkt sich auf die Gasbildung aus, was mit dem „Algorithmus

Substrataufschluss“ ASA bestimmt wird. Eine Zunahme der Gasbildung bewirkt eine Abnahme des

mittleren Partikeldurchmessers xm, welcher wiederum Eingang in den AHD findet. Die Kenngrößen

mittlerer Partikeldurchmesser xm und Durchmischung D ermöglichen somit eine Kopplung der beiden

Algorithmen AHD und ASA, siehe Abbildung 46. Die Vorhersage des Zustands der Biogasanlage mit

Substrataufschluss erfolgt iterativ.

Der Fokus des vom DBFZ bearbeiteten Parts des ELIRAS Modells lag auf der Entwicklung des

„Algorithmus Substrataufschluss“, kurz ASA. In den ASA gehen Kenngrößen zur Charakterisierung von

Substrat und Fermenterinhalt sowie die Ergebnisse von Gärversuchen im Labormaßstab ein. Die

Modellierung erfolgt mit Hilfe der Anlagenkenndaten, welche im 1. Schritt des ELIRAS Leitfadens

aufgenommen wurden, sowie auf Basis der drei Proben:

Substrat im unbehandelten Zustand

Substrat im desintegrierten Zustand

Fermenterinhalt des Hauptfermenters der Praxis-Biogasanlage während der Beschickung mit

unbehandeltem Substrat (Ausgangszustand).

Sollte die Desintegrationseinheit noch nicht auf der Biogasanlage verfügbar sein, ist denkbar, eine kleine

Menge an Substrat in Kooperation mit dem Hersteller der Desintegrationseinheit probehalber auf-

zuschließen und so die Probe „Substrat im desintegrierten Zustand“ zu erhalten.


BMWi-03KB106A, 31.01.2019 99

Welche Analysen von den genannten Proben vorgenommen werden, welche Parameter daraus Eingang

in das ELIRAS Modell finden und welche Ergebnisse zur Prognose des Effekts eines Substrataufschlusses

daraus abgeleitet werden, ist in Tabelle 18 zusammengestellt. Diese Tabelle kann als Checkliste für die

Anwendung des ELIRAS Modells im Praxisfall verwendet werden.


BMWi-03KB106A, 31.01.2019 100

Tabelle 18: Checkliste zur Probenahme und Analyse bei der Datenerhebung für die Anwendung des ELIRAS Modells

Probe Analyse Parameter Modellwerkzeug Ergebnis

Substrat

unbe-

handelt

alle ein-

gesetzten

Substrate

oder

Substrat-

mischung,

ohne

Rezirkulat

Substrat-

charakterisierung

TS, oTS

ggf. organische Flüchtige (zur TS Korrektur, insb. bei Silagen)

Bezugsgrößen für alle Modellwerkzeuge

Partikelgrößen-

analyse

Partikelgrößenverteilung

Substrat unbehandelt

mittlerer Partikeldurchmesser

xm Substrat unbehandelt

Betrachtung zur

Veränderung der

Partikelgröße infolge

Desintegration

Mittlerer Partikel-

durchmesser xm

Fermenterinhalt

desintegriert

Diskontinuierlicher

Labor-Gärversuch

(Batch)

Gasbildungskurve

Biogasbildungspotenzial

Modellierung,

Parameter-

identifikation

Kinetik (kB0) und

Gaspotenzial des

desintegrierten

Substrates

(Batch)

Substrat

des-

integriert

alle ein-

gesetzten

Substrate

oder

Substrat-

mischung,

ohne

Rezirkulat

Substrat-

charakterisierung

TS, oTS

ggf. organische Flüchtige (zur TS Korrektur, insb. bei Silagen)


Partikelgrößen-

analyse

Partikelgrößenverteilung

Substrat desintegriert

mittlerer Partikeldurchmesser

xm Substrat desintegriert

Betrachtung zur

Veränderung der


Desintegration

Veränderung xm

Fermenterinhalt

infolge

Desintegration

Diskontinuierlicher

Labor-Gärversuch

(Batch)

Gasbildungskurve

Biogasbildungspotenzial

Modellierung,

Parameter-

identifikation

Kinetik (kB1) und

Gaspotenzial des

desintegrierten

Substrates

(Batch)

Fermen-

terinhalt

Praxis-

Biogas-

anlage

Konti-

nuierlicher

Prozess

Charakterisierung TS, oTS

Organische Flüchtige


Diskontinuierlicher

Labor-Gärversuch

Restgaspotenzial Abschätzung des verfügbaren Potenzials

für Substrataufschluss

Partikel-

größenanalyse

xm Fermenterinhalt unbehandelt Betrachtung zur

Veränderung der


Desintegration

Veränderung xm

Fermenterinhalt

infolge

Desintegration

Fließkurve Durchmischtes

Reaktionsvolumen D des

Fermenters

Betrachtung hydro-

dynamischer Effekt

der Desintegration

Veränderung der

Durchmischung

D infolge

Desintegration Dichte Gas-Hold-up (Gasanteil im

Fermenterinhalt)

Praxis-

Biogas-

anlage

Anlagen- und Pro-

pellerkonfiguration

Umsetzung und Zustand der

Durchmischung im

Ausgangszustand

Gasmengen-

messung

Normierter Gasertrag der

Praxisanlage im

Ausgangszustand

Massenbilanz

kontinuierlicher

Prozess

Kinetik (kK0) und

Gaspotenzial der

kontinuierliche

Vergärung des

unbehandelten

Substrates

Gaszusammen-

setzung

Anteil an Methan

Substrat-

zusammensetzung

und Beschickung

Eingesetzte Substratmengen

Anlagen-

konfiguration,

Rezirkulation

Anteil/Menge an rezirkuliertem

Fermenterinhalt


BMWi-03KB106A, 31.01.2019 101

Wie in Tabelle 18 bereits farblich gekennzeichnet wurde, bedient sich das ELIRAS Modell der Werkzeuge

● Betrachtung zur Veränderung der Partikelgröße infolge Substrataufschluss

● Betrachtung hydrodynamischer Effekt der Desintegration

● Modellierung und Parameteridentifikation

● Massenbilanzierung

Die Grundlage aller Betrachtungen bildet die Charakterisierung von Substrat und Fermenterinhalt im

diskontinuierlichen Gärversuch und auf der kontinuierlichen Praxis-Biogasanlage. Das unbehandelte und

auch das aufgeschlossene Substrat wird über die Parameter TS und oTS beschrieben, wobei darauf zu

achten ist, dass die Substratcharakterisierung auch flüchtige organische Säuren und Alkohole

berücksichtigt und die TS gegebenenfalls korrigiert wird (vergleiche Kapitel 2.3.1.4 „Weiterentwicklung

experimenteller Untersuchungen zum Substrataufschluss (DBFZ)“, S. 21 ).

Zusätzlich zur klassischen Charakterisierung über TS und oTS beinhaltet der ELIRAS Ansatz auch die

Beschreibung granulometrischen Zustands von Substrat und Fermenterinhalt. Dazu wird eine

Partikelgrößenanalyse des Substrats im unbehandelten und desintegrierten Zustand sowie des

Fermenterinhaltes im Ausgangszustand vorgenommen. Über die Veränderung der Partikelgröße des

Substrats infolge des Substrataufschlusses wird die Partikelgrößenverteilung des Fermenterinhaltes bei

Beschickung mit desintegriertem Substrat abgeschätzt. Die Partikelgröße xm des desintegrierten

Fermenterinhaltes zur gegebenen Verweilzeit wird über eine Kinetik erster Ordnung ermittelt. Diese

Annahme basiert auf der Erkenntnis des diskontinuierlichen Gärversuchs zur Methodenentwicklung der

Partikelgrößenanalyse, der zum Ergebnis hatte, dass die Abnahme der Partikelgröße in der anaeroben

Vergärung der Kinetik der Biogasbildung folgt (vergleiche Abbildung 21, S. 51).

Zur Abschätzung der hydrodynamischen Effekte eines Substrataufschlusses, werden die Fließkurve des

Fermenterinhaltes sowie Kenndaten zur Anlagen- und Propellerkonfiguration aufgenommen. Hierbei

muss auch der Zustand der Propeller nach meist langjährigem Anlagenbetrieb berücksichtigt werden. Auf

Basis dieser Kenngrößen liefert der AHD die Durchmischung D des Fermentervolumens. Über die Dichte

des Fermenterinhaltes wird zusätzlich der Anteil an im Fermenterinhalt gebundenen Gasblasen (Gas-

Hold-up) bestimmt, welcher sich ebenfalls auf das Reaktionsvolumen auswirkt.

Zur Beschreibung des kontinuierlichen Prozesses wird nach der, am DBFZ entwickelten und in der

Messmethodensammlung Biogas ([16], Kapitel 7.4) festgehaltenen, Methode zur Massenbilanzierung

kontinuierlicher Biogasprozesse vorgegangen. Neben den Kenngrößen zur Berücksichtigung des

mikrobiellen Biomassewachstums, des stöchiometrischen Wasserbedarfs bzw. Methangehalts (fB, fW und

CH4) sowie der zugeführten organischen Trockensubtanz (mStroh, TS und oTS) werden lediglich der

gemessene Methanertrag, der Methangehalt sowie das Restgaspotenzial (VCH4,spez, CH4 und VRestgas) im

stationären Betrieb benötigt. Alle weiteren Kenngrößen zur Charakterisierung der Substrate und des

Gärrests berechnen sich eindeutig über den resultierenden Umsatz im Fermenter. [58] [16] Auf Basis der

Massenbilanz wird das charakteristische Methanbildungspotenzial und die entsprechenden

Reaktionskinetik erster Ordnung (VCH4,spez und k) bestimmt.

Um die Veränderung des Gasbildungspotenzials, des Gasertrags und der Gasbildungskinetik infolge der

Desintegration abschätzen zu können, wird die kumulierte Gasbildung des unbehandelten und

desintegrierten Substrates mit Hilfe von diskontinuierlichen Gärversuchen im Labormaßstab (Batchtests)


BMWi-03KB106A, 31.01.2019 102

aufgenommen. Der Verlauf der kumulierten Gasbildung wird als einfache Reaktion erster Ordnung

modelliert und daraus die Kinetik der Vergärung des unbehandelten Substrates (kB0) sowie das

Gasbildungspotenzial im diskontinuierlichen Prozess bestimmt. Parallel zu den Gärversuchen des

unbehandelten Substrates wird das Substrat auch im desintegrierten Zustand einem diskontinuierlichen

Gärversuch unterworfen und die Kinetik kB1 sowie das Gasbildungspotenzial ermittelt. Für die

Modellierung und Parameteridentifikation der kontinuierlich betriebenen Praxisanlage wird die Messung

der Gasmengen und Gaszusammensetzung benötigt. Über die im Betriebstagebuch protokollierte

Substratzusammensetzung und Beschickung werden die auf der Praxisanlage eingesetzten

Substratmengen ermittelt. Mit Hilfe einer Massenbilanz, der Modellierung und Parameteridentifikation

erhält man Gasbildungskinetik (kK0) und -potenzial des kontinuierlichen Prozesses im Ausgangszustand.

Die Reaktionskinetik des desintegrierten Substrates im kontinuierlichen Betrieb (kK1) ist nicht bekannt

und wird aus den bekannten Parametern kB0, kB1 und kK0 geschätzt, wie in Abbildung 47 schematisch

dargestellt.

Abbildung 47: Bestimmung der Abbaukinetik der Praxisanlage im desintegrierten Zustand (Fragezeichen rechts unten) aus der

Abbaukinetik in diskontinuierlichen Batch-Gärversuchen (oben) und dem kontinuierlichen Betrieb der Anlage im

unbehandelten Zustand (links unten)

Durch die unterschiedlichen Betriebsbedingungen im diskontinuierlichen und kontinuierlichen Betrieb ist

grundsätzlich mit verschiedenen Prozesszuständen, mikrobiellen Wachstumsbedingungen und daraus

resultierenden Abbaubedingungen und Gaserträgen zu rechnen [59]. Eine direkte Übertragung der

Reaktionskinetik vom diskontinuierlichen zum kontinuierlichen Betrieb ist in der Regel nicht möglich [60,

61]. In der Validierung des ELIRAS-Modells mit realen Messdaten aus Laborversuchen (vergleiche

nachfolgender Abschnitt „Modellvalidierung“) wurde ein fester Faktor fK zur Übertragung der

Reaktionskonstante vom diskontinuierlichen auf den kontinuierlichen Betrieb identifiziert, welcher

unabhängig von den beiden betrachteten Substrataufschlüssen angewendet werden konnte. Dieser

Übertragungsfaktor fK kann gemäß Formel 3 beschrieben werden.

fK =kK

kB Formel 3


BMWi-03KB106A, 31.01.2019 103

Durch Multiplikation der ermittelten Reaktionskinetik des aufgeschlossenen Substrates im

diskontinuierlichen Betrieb (kB1) mit dem konstanten Übertragungsfaktor fK lässt sich auf die unbekannte

Reaktionskinetik kK1 im kontinuierlichen Prozess schließen. Gemeinsam mit der im diskontinuierlichen

Gärversuch ermittelten Veränderung des Gasbildungspotenzials lässt sich anhand der Kinetik kK1 der

Gasertrag auf der Praxisanlage nach erfolgtem Substrataufschluss prognostizieren.

Zusätzlich zum Eingang der genannten Parameter in die Elemente des ELIRAS Modells, kann mit Hilfe

eines diskontinuierlichen Gärversuchs mit Fermenterinhalt auch das Restgaspotenzial der Praxis-

Biogasanlage bestimmt werden. Unter Berücksichtigung der Massenbilanz und Kinetik der Vergärung

kann darüber das für einen Substrataufschluss verfügbare Potenzial auf einer Praxisanlage abgeschätzt

werden. Beispielsweise ließe ein hohes Restgaspotenzial bei gleichzeitiger niedriger Verweilzweit große

Effekte auf die Gasbildung infolge eines Substrataufschlusses erwarten.

Modellvalidierung

Die Validierung des Algorithmus Hydrodynamik (AHD) erfolgte anhand der theoretischen Nachrechnung

einer Praxisanlage in Kapitel 2.3.3.2 („Einfluss durchmischtes Fermentervolumen auf Biogasbildung“, S.

30) sowie mit Hilfe der Messdaten des ELIRAS Demonstrator-Biogasanlage in Praxis-Gärversuch P1

(siehe Kapitel 2.3.4.2 „Gärversuche im großtechnischen Maßstab (AP7)“, S. 71).

Der Algorithmus Substrataufschluss (ASA) des ELIRAS Modells wurde mit Messdaten aus Gärversuchen

im Labormaßstab validiert. Für die Modellvalidierung wurden die Gärversuche L3 und L4 ausgewählt, da

der Substrataufschluss in diesen Versuchen einen Gasmehrertrag nach sich zog und alle benötigten

Versuchsdaten vorlagen.

Labor-Gärversuch L3: mechanisch-chemische Desintegration von Stroh

Wie in Abbildung 48 zu erkennen ist, konnte die Gasbildung im diskontinuierlichen Gärversuch L3 zur

mechanisch-chemischen Desintegration von Stroh gut mit einer einfachen Reaktion erster Ordnung

abgebildet werden. Die Reaktionskinetik des unbehandelten Substrates konnte durch mechanisch-

chemische Desintegration mehr als verdoppelt werden. Das Methanbildungspotenzial als Ergebnis des

diskontinuierlichen Gärversuchs stieg infolge des Substrataufschlusses von 260 mLN goTS-1 auf

328 mLN goTS-1. Diese enorme Steigerung des Gasbildungspotenzials konnte nicht im kontinuierlichen

Gärversuch bestätigt werden, siehe Ergebnisdarstellung auf S. 106.


BMWi-03KB106A, 31.01.2019 104

Abbildung 48: Simulation des kumulierten Methanertrags im diskontinuierlichen Gärversuch L3 (mechanisch-chemische

Desintegration) mit Hilfe einer Reaktion erster Ordnung

Der stationäre Zustand des kontinuierlichen Gärversuchs L3 wurde, wie in Abbildung 49 dargestellt,

bilanziert. In die Massenbilanz eingehenden Eingangsgrößen, welche sich aus den Messdaten des

Gärversuchs ergaben, sind in Anhang A 10.1 zusammengestellt. Neben den Kenngrößen zur

Berücksichtigung des mikrobiellen Biomassewachstums und des stöchiometrischen Wasserbedarfs bzw.

Methangehalts (fB, fW und CH4, in Abbildung 49 ■ dargestellt) sowie der zugeführten organischen

Trockensubstanz (mStroh, TS und oTS, in ■) werden lediglich der gemessene Methanertrag, der

Methangehalt sowie das Restgaspotenzial (VCH4,spez, CH4 und VRestgas, in ■) im stationären Betrieb benötigt.

Alle weiteren Kenngrößen zur Charakterisierung der Substrate und des Gärrest berechnen sich eindeutig

über den resultierenden Umsatz im Fermenter. Auf Basis der Massenbilanz wird das charakteristische

Methanbildungspotenzial und die entsprechenden Reaktionskinetik erster Ordnung (VCH4,spez und k in ■)

bestimmt. Das Methanbildungspotenzial der kontinuierlichen Vergärung von unbehandelten Stroh

beträgt 265 mLN goTS-1. Bei 60 Tagen Verweilzeit wurde ein Methanertrag von 189 mLN goTS-1 erzielt.


BMWi-03KB106A, 31.01.2019 105

Abbildung 49: Bilanzierung des kontinuierlichen Gärversuchs L3 im Labormaßstab, Beschickung mit unbehandeltem Substrat

Bei kurzer Versuchsdauer wird das Restgaspotenzials auf Basis einer exponentiellen Regression als

finaler Endwert bei unendlicher Verweilzeit extrapoliert. Für die Vergärung von unbehandeltem Stroh im

kontinuierlichen Gärversuch L3 wurde ein Restgaspotenzial von 10,4 L Biogas je kg Gärrest ermittelt. In

der grafischen Darstellung der Gasbildungsverläufe aus unbehandeltem Stroh in Abbildung 50, wird

ersichtlich, dass nach den für den Gärversuch L3 gewählten 60 Tagen Verweilzeit das Restgaspotenzial

der zugrundeliegenden Vergärungsprozesse noch nicht vollständig ausgeschöpft ist. Diese Reserven

können über eine Desintegration erschlossen werden.

ṁStroh 22,22 g/d ṁWasser: 144,45 g/d

TS 92,2 % FM ṁSubstrat: g/d

oTS 91,93 % TS TS: % FM

FoTS 63,1 % oTS oTS % TS

V̇Biogas,spez 510 L/kg oTS FoTS % oTS

V̇CH4,spez 265 L/kg oTS ṁWasser: g/d ṁBiogas,FoTS 8,05 g/d

ṁTS: g/d ṁBiogas,Wasser 0,95 g/d

ṁoTS: g/d ṁBiogas 9,00 g/d

ṁFoTS: g/d V̇Biogas 6,85 L/d

ṁAsche: g/d V̇CH4 3,55 L/d

Stöchiometrie V̇CO2 3,29 L/d

fw 11,25 % FoTS V̇Biogas,spez 364 L/kg oTS

fB 5 % FoTS Vliq 10 L

CH4 51,9 % k 0,04 1/d

CO2 48,1 % HRT 60 d

ρBiogas 1,315 g/L

Ybiogas 808 L/kg FoTS V̇Biogas 6,71 L/d

ṁGärrest: g/d CH4 53,0 %

TS: % FM CO2 47,0 %

oTS: % TS V̇CH4 3,55 L/d

FoTS % oTS V̇CO2 3,15 L/d

ṁWasser: g/d V̇Biogas,spez 356 L/kg oTS

ṁTS: g/d V̇CH4,spez 189 L/kg oTS

ṁoTS: g/d

VRestgas 17,4 L/kg FM ṁBakterien: g/d

V̇Restgas 2,75 L/d ṁFoTS: g/d

V̇CH4 1,43 L/d ṁAsche: g/d

V̇CO2 1,32 L/d

Messwert

166,67

12,3

91,93

63,0882

146,19

20,48

18,82

Stöchiometrie (Berechnung)

10,77

11,88

1,65

Fermenter

Umsatz 71,4 %

0,42

3,40

1,65

157,66

7,88

86,70

31,57

145,24

12,43

ProzesswasserStroh Maische

Biogas

GärrestRestgas


BMWi-03KB106A, 31.01.2019 106

Abbildung 50: Extrapolation des Restgaspotenzials aus unbehandeltem Stroh, ermittelt über eine Massenbilanzierung des

kontinuierlichen Gärversuchs L3

Für den im Anwendungsfall des ELIRAS Leitfadens unbekannten Zustand des kontinuierlichen Prozesses

nach Substrataufschluss liegen im Gärversuch L3 Messdaten vor, welche der Validierung des ELIRAS

Modells dienen. Abbildung 51 zeigt die Massenbilanz für den Einsatz von desintegriertem Stroh. Infolge

des mechanisch-chemischen Substrataufschlusses stieg der Methanertrag auf 211 mLN goTS-1, das

Methanbildungspotenzial von Stroh hingegen sank leicht auf 247 mLN goTS-1 ab.

0

4

8

12

0 50 100 150 200

Re

stga

spo

ten

tial

[L

je L

Gär

rest

]

Zeit [d]

Simulation Data

10,4 L je kg Gärrest


BMWi-03KB106A, 31.01.2019 107

Abbildung 51: Bilanzierung des kontinuierlichen Gärversuchs L3 im Labormaßstab, Beschickung mit desintegriertem Substrat

Für die Validierung des ELIRAS Modells anhand des Gärversuchs L3 wird die tabellarische

Zusammenfassung der Ergebnisse der eben beschriebenen Parameter (Tabelle 19) betrachtet. Für den

Übertrag der Reaktionskinetik k vom diskontinuierlichen in den kontinuierlichen Prozess lässt sich ein

Faktor fK von 0,36 bestimmen. Auf Basis des im diskontinuierlichen Gärversuch ermittelten

Methanbildungspotenzials von desintegriertem Stroh (328 mLN goTS-1) und der mit dem Übertragungs-

faktor fK angepassten Kinetik des kontinuierlichen Prozesses wurde ein Methanertrag von 276 mLN goTS-1

im desintegrierten Zustand prognostiziert.

Der im Labor-Gärversuch L3 real gemessene Methanertrag lag mit 211 mLN goTS-1 deutlich darunter. Die

Ursache hierfür wird in einer Prozesshemmung des kontinuierlichen Systems vermutet, welche sich durch

den kontinuierlichen Eintrag von Natrium und Ligninabbaustoffen in den Fermentationsprozess erklären

ließe (vergleiche auch Kapitel 2.3.4.1, S. 55). [47] Auch in anderen noch nicht veröffentlichten

Gärversuchen am DBFZ [47] ergab sich eine im Verhältnis zum kontinuierlichen Prozess

überproportionale Steigerung des Gasbildungspotenzials im diskontinuierlichen Gärversuch infolge des

Substrataufschlusses mit Natronlauge. Die Ursachen dafür sind nicht bekannt.



oTS 92,9 % TS TS: % FM











CH4 51,9 % k 0,10 1/d

CO2 48,1 % HRT 60 d

ρBiogas 1,315 g/L



TS: % FM CO2 47,0 %





ṁoTS: g/d




V̇CO2 0,62 L/d

1,44

16,31

145,23

11,23

9,79

0,47

1,60

Messwert

156,46

7,18

87,19

Fermenter

Umsatz 85,6 %

146,29

20,24

18,80

11,08

1,44

166,53

12,2

92,89

58,9186 Stöchiometrie (Berechnung)


Biogas

GärrestRestgas


BMWi-03KB106A, 31.01.2019 108

Wird die Vorhersage auf Grundlage des Gasbildungspotenzials aus dem kontinuierlichen Gärversuch im

unbehandelten Zustand (265 mLN goTS-1) getroffen, liegt die Schätzung des Methanertrags mit

223 mLN goTS-1 näher an den gemessenen 211 mLN goTS-1.

Tabelle 19: Aus den Messdaten des Labor-Gärversuchs L3 (mechanisch-chemische Desintegration von Stroh) ermittelte

Modellparameter Restgaspotenzial (extrapoliert) und Gasertrag im diskontinuierlichen und kontinuierlichen

Prozesszustand. Bei der Modellanpassung wird eine Reaktion erster Ordnung unterstellt.

Labor-Gärversuch L4: thermische Desintegration von Stroh

Auch die Gasbildung der diskontinuierlichen Gärversuche L4 zur thermischen Desintegration von Stroh

wurde mit Hilfe einer Reaktion erster Ordnung modelliert, jedoch war die Anpassung weniger genau als

beim Gärversuch L3, was insbesondere an der Gasbildungskurve des desintegrierten Substrates (rote

Kurve in Abbildung 52) zu erkennen ist. Wie bereits der deutlich steilere Kurvenverlauf des kumulierten

Methanertrags aus thermisch-desintegriertem Substrat gegenüber dem flachen Kurvenverlauf der

Gasbildung aus unbehandelten Substrat vermuten lässt, führte die thermische Desintegration des Strohs

zu einem starken Anstieg der Vergärungsgeschwindigkeit. Die Reaktionskinetik im unbehandelten

Zustand konnte auf mehr als das Vierfache erhöht werden. Im Gegensatz zum Gärversuch L3 führte die

thermische Desintegration des Strohs nur zu einer minimalen Steigerung des im Batch-Versuch

ermittelten Methanbildungspotenzials von 239 mLN goTS-1 auf 244 mLN goTS-1.

L3 mechanisch-chemische Desintegration von Stroh Zustand Potential Ertrag HRT

Messwerte L/kg oTS L/kg oTS d

diskontinuierlicher Gärversuch unbehandelt 260 ∞

diskontinuierlicher Gärversuch desintegriert 328 ∞

kontinuierlicher Gärversuch unbehandelt 265 189 60

Übetragungsfaktor Kinetik f K (Batch → Konti) 0,36

Vorhersage

kontinuierlicher Gärversuch

Potential aus diskontinuierlichem Gärversuch (desintegriert) desintegriert 328 276 60

Potential aus kontinuierlichem Gärversuch (unbehandelt) desintegriert 265 223 60

Messwert

kontinuierlicher Gärversuch desintegriert 247 211 60


BMWi-03KB106A, 31.01.2019 109

Abbildung 52: Simulation des kumulierten Methanertrags im diskontinuierlichen Gärversuch L4 (thermische Desintegration von

Stroh) mit Hilfe einer Reaktion erster Ordnung

Abbildung 53 schematisiert die Massenbilanzierung des kontinuierlichen Gärversuchs L4 bei

Beschickung mit unbehandeltem Substrat, in die die unter Anhang A 10.2 zusammengefassten

Messdaten des Gärversuchs eingehen. Da es sich im Gärversuch L4 um eine Co-Vergärung von Stroh und

Rindergülle handelt, aber nur das Stroh aufgeschlossen wurde, wurde der 30 %ige Anteil des Co-

Substrats Rindergülle vom Methanertrag und Restgaspotenzial abgezogen. Bei der kontinuierlichen

Vergärung von unbehandeltem Substrat ergibt sich ein Methanbildungspotenzial von 328 mLN goTS-1. Der

Methanertrag bei 30 Tagen Verweilzeit beträgt 148 mLN goTS-1.


BMWi-03KB106A, 31.01.2019 110

Abbildung 53: Bilanzierung des kontinuierlichen Gärversuchs L4 im Labormaßstab, Beschickung mit unbehandeltem Substrat

Aus dem Restgaspotenzial (Abbildung 54) des unbehandelten Strohs wird deutlich, dass nach den 38

Tagen Verweilzeit des Gärversuchs L4 nur ein geringer Teil des Potenzials von 62,6 L Biogas je kg Gärrest

genutzt wird und demnach noch große Reserve für einen Substrataufschluss zur Verfügung stehen.



oTS 97,06 % TS TS: % FM











CH4 51,9 % k 0,03 1/d

CO2 48,1 % HRT 30 d

ρBiogas 1,315 g/L



TS: % FM CO2 47,0 %





ṁoTS: g/d




V̇CO2 3,46 L/d

0,37

8,91

0,63

325,23

4,43

95,64

64,70

310,84

14,39

13,76

16,22

0,63

Fermenter

Umsatz 45,1 %

Messwert

333,00

6,4

97,06

78,3024

311,66

21,34

20,71

Stöchiometrie (Berechnung)


Biogas

GärrestRestgas


BMWi-03KB106A, 31.01.2019 111

Abbildung 54: Extrapolation des Restgaspotenzials aus unbehandeltem Stroh, ermittelt über eine Massenbilanzierung des

kontinuierlichen Gärversuchs L4

Der im Anwendungsfall ELIRAS unbekannte Zustand des kontinuierlichen Prozesses nach

Substrataufschluss, für welchen im Gärversuch L4 Messdaten vorliegen, ist in Abbildung 55 bilanziert.

Der Methanertrag stieg in Folge der thermischen Desintegration auf 189 mLN goTS-1.

0

10

20

30

40

0 50 100 150 200 250 300

Re

stga

spo

ten

tial

[L

je L

Gär

rest

]

Zeit [d]

Simulation Data

32,6 L je kg Gärrest


BMWi-03KB106A, 31.01.2019 112

Abbildung 55: Bilanzierung des kontinuierlichen Gärversuchs L4 im Labormaßstab, Beschickung mit thermisch desintegriertem

Substrat

Die Ergebnisse der Modellierung und Massenbilanzierung des Gärversuchs L4 sind in Tabelle 20

zusammengefasst. Auch in diesem Gärversuch konnte für das unbehandelte Substrat ein Übertragungs-

faktor fK von 0,36 für den Übertrag vom diskontinuierlichen in den kontinuierlichen Prozess ermittelt

werden. Auf Basis des im diskontinuierlichen Gärversuch ermittelten Methanbildungspotenzials von

desintegriertem Stroh (244 mLN goTS-1) und der mit dem Übertragungsfaktor fK angepassten Kinetik des

kontinuierlichen Prozesses wurde der im Labor-Gärversuch L3 real gemessene Methanertrag von

189 mLN goTS-1 im desintegrierten Zustand mit Hilfe des ELIRAS Modells erfolgreich prognostiziert.



oTS 96,5 % TS TS: % FM











CH4 51,9 % k 0,06 1/d

CO2 48,1 % HRT 29 d

ρBiogas 1,315 g/L



TS: % FM CO2 47,0 %





ṁoTS: g/d




V̇CO2 2,04 L/d

341,00

6,2

96,5493

70,743 Stöchiometrie (Berechnung)

319,78

21,22

20,49

14,50

0,73

Fermenter

Umsatz 63,7 %

Messwert

331,18

3,76

94,12

0,73

44,88

318,74

12,45

11,72

0,46

5,26


Biogas

GärrestRestgas


BMWi-03KB106A, 31.01.2019 113

Tabelle 20: Aus den Messdaten des Labor-Gärversuchs L4 (thermische Desintegration von Stroh) ermittelte Modellparameter

Restgaspotenzial (extrapoliert) und Gasertrag im diskontinuierlichen und kontinuierlichen Prozesszustand. Bei

der Modellanpassung wird eine Reaktion erster Ordnung unterstellt.

Schlussfolgerung

Anhand der Labor-Gärversuche L3 und L4 sowie dem Praxis-Gärversuch P1 (Demonstrator Biogasanlage)

konnte der ELIRAS Leitfaden konzipiert und validiert werden. Die Validierung des ELIRAS Modells mit den

Messdaten des Gärversuchs L4 war sehr gut, die Abweichungen der Messwerte des Gärversuchs L3 zur

Prognose können erklärt werden. Mit Hilfe weiterer Versuche wird das ELIRAS Modell weiter validiert und

gegebenenfalls angepasst. Nach bisherigem Stand erfolgt die Prognose des unbekannten Gasertrags im

kontinuierlichen Prozess bei Einsatz von desintegriertem Substrat über das Gasbildungspotenzial,

welches im diskontinuierlichen Gärversuch ermittelt wurde bei neu bestimmter Kinetik kK1 im

kontinuierlichen desintegrierten Zustand. Für die zur Validierung herangezogenen Gärversuche konnte

ein einheitlicher Übertragungsfaktor fK ermittelt werden. Über diesen Faktor konnte die Reaktionskinetik

kK1 des kontinuierlichen Prozesses aus der Veränderung der Kinetik infolge der Desintegration, welche

im diskontinuierlichen Gärversuch ermittelt wurde, bestimmt werden. Das aus dem kontinuierlichen

Prozess im Ausgangszustand ermittelte Gasbildungspotenzials konnte nicht zur Prognose des konti-

nuierlichen Proezsses im desintegrierten Zustand herangezogen werden, wie im Erfolgskontrollbericht

unter Kapitel 4.3 „Problematik Gasbildungspotenzial bei der Validierung des ELIRAS Modells“ näher

beleuchtet wird.

2.4 Wichtigste Positionen des zahlenmäßigen Nachweises

Der Kosten- und Zeitplan wurde eingehalten. Die Kostendetails sind den zahlenmäßigen Nachweisen des

deutschen Projektkonsortiums zu entnehmen.

2.5 Notwendigkeit und Angemessenheit der geleisteten Arbeit

Zu Beginn des Vorhabens ELIRAS war kaum tieferes Wissen über Zusammenhänge zwischen

Substrataufschluss und Prozessparametern, wie der Viskosität und der Rührwerksleistung, vorhanden.

In der Praxis findet die hydrodynamische Bewertung kaum eine Anwendung insbesondere hinsichtlich der

L4 thermische Desintegration von Stroh Zustand Potential Ertrag HRT

Messwerte L/kg oTS L/kg oTS d

diskontinuierlicher Gärversuch unbehandelt 239 ∞

diskontinuierlicher Gärversuch desintegriert 244 ∞

kontinuierlicher Gärversuch unbehandelt 328 148 30

Übetragungsfaktor Kinetik f K (Batch → Konti) 0,36

Vorhersage


Potential aus diskontinuierlichem Gärversuch (desintegriert)

Messwert



BMWi-03KB106A, 31.01.2019 114

Berücksichtigung des Einflusses des Zerkleinerungsgrades durch Aufschlussverfahren. Dies hat jedoch

enormen Einfluss auf die Funktionalität und die Energieeffizienz der Gesamtanlage. Insbesondere, weil

derzeit Rührtechnik und Substrataufschluss getrennt und unabhängig voneinander betrachtet werden.

Zur Erzielung eines Optimums ist die Inbeziehungssetzung beider Aspekte unerlässlich.

Des Weiteren fehlt auf wissenschaftlicher Ebene der Nachweis der effektiveren Substratnutzung durch

bestehende Aufschlussverfahren. Daher besteht für Anlagenbetreiber, Hersteller, Planer und Designer

eine Schwierigkeit, den wirtschaftlich relevanten Effekt von Aufschlussverfahren zu bewerten. Es fehlen

einheitliche Bewertungskriterien. Eine Beratung erfolgt meist herstellerabhängig und ist daher nicht

zwingend objektiv. Der Markt an Desintegrationsverfahren ist umfangreich und undurchsichtig. Dies

erschwert zum einen die unabhängige Beurteilung der Sinnhaftigkeit eines Substrataufschlusses. Zum

anderen fehlen Bewertungskriterien, welche die Entwicklung innovativer Ansätze zur Substrat-

aufbereitung beurteilen und Qualitätsansprüche setzen.

An diesen Punkten setzt das Vorhaben ELIRAS an und setzt sich zum Ziel, einheitliche Auswahl- und

Bewertungskriterien für Rührwerke und Substrataufschlussverfahren zur Effizienzsteigerung der

Biogasproduktion aus Reststoffen zu entwickeln. Die damit geschaffene Vergleichbarkeit ist neuartig und

ermöglicht erstmalig die Vielzahl an verschiedenen Desintegrationsverfahren objektiv zu bewerten.

Kernstück zur Entwicklung des ELIRAS Leitfadens ist die Konzipierung und Validierung des ELIRAS

Modells, welches auf Grundlage von Gärversuchen und Parametern zur Charakterisierung von Substrat

und Fermenterinhalt, eine Prognose der Auswirkungen eines Substrataufschlusses auf den Gasertrag

ermöglicht. Der Aufwand für die dafür notwendigen praktischen Untersuchungen und die Entwicklung

eines entsprechenden Kriterienkatalogs ist bezüglich Messtechnik und Personal allerdings erheblich und

kann nicht durch die Grundfinanzierung oder parallellaufende Projekte abgedeckt werden.

2.6 Darstellung des voraussichtlichen Nutzens

Der fortgeschriebene Verwertungsplan ist im 3. Kapitel des Erfolgskontrollberichts zu finden.


BMWi-03KB106A, 31.01.2019 115

3 Kurzfassung – Berichtsblatt

1. ISBN oder ISSN

Nicht geplant

2. Berichtsart

Schlussbericht

3a/b. Titel des Berichts/der Publikation

Entwicklung eines Leitfadens zur Auswahl von standortspezifisch angepassten Rühr- und

Substrataufschlussverfahren für Biogasanlagen – ELIRAS

4.a/b Autoren des Berichts/der Publikation

DBFZ: Hofmann, Josephine; Pröter, Jürgen;

Weinrich, Sören; Kornatz, Peter; Daniel-Gromke,

Jaqueline; Schumacher Britt;

Maier/LTS: Rostalski, Kay; Zimmermann, Philipp;

Kronberg, Andreas; Merkel, Wolfgang

5. Abschlussdatum des Vorhabens

30.06.2018

6. Veröffentlichungsdatum

31.01.2019

7. Form der Publikation

Schlussbericht

8. Durchführende Institutionen (Name, Adresse)


gemeinnützige GmbH


04347 Leipzig

Lifetec –Systems GmbH

Schulenbrooksweg 37

21029 Hamburg


Bergerhausen 5

87719 Mindelheim

9. Ber.-Nr. Durchführende Institutionen

3230038 (DBFZ)

10. Förderkennzeichen

03KB106A (DBFZ)

11a/b. Seitenanzahl Bericht/Publikation

141

12. Literaturangaben

61

13. Fördernde Institution (Name, Adresse)

Bundeswirtschaftsministerium Berlin (BMWi)

Scharnhorststr. 34-37

10115 Berlin

14. Tabellen

21

15. Abbildungen

55

16. Zusätzliche Angaben

17. Vorgelegt bei (Titel, Ort, Datum)

18. Kurzfassung

Ziel des Vorhabens ELIRAS war es, Biogasanlagenbetreibern einen Leitfaden an die Hand zu geben,

welcher eine wissenschaftliche Methodik umfasst, die auf Basis verfahrenstechnischer

Berechnungsgrundlagen und hydrodynamischer Parameter eine einheitliche Herangehensweise zur

objektiven Bewertung von Substrataufschlussverfahren ermöglicht.

Nach dem ELIRAS Ansatz können die Auswirkungen eines Substrataufschlusses auf den

Biogasprozess auf a) eine Erhöhung des vergärbaren organischen Anteils, b) eine Steigerung der

Reaktionsgeschwindigkeit und c) die Veränderung der Hydrodynamik zurückgeführt werden. Diese

Effekte werden auf Basis einer Massenbilanzierung und Modellierung sowie mit Hilfe

hydrodynamischer und granulometrischer Betrachtungen theoretisch beschrieben. Auf Grundlage von

Labor- und Praxisversuchen wurde das ELIRAS Modell als Teil des ELIRAS Leitfadens entwickelt und

validiert. Im Ergebnis des Vorhabens ELIRAS liegt ein Leitfaden vor, welcher die Vorhersage der

Effekte eines Substrataufschlusses sowohl auf die Gasbildung als auch auf die Hydrodynamik im

Fermenter ermöglicht.


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19. Schlagwörter

Rührung

Desintegration

20. Verlag 21. Preis


BMWi-03KB106A, 31.01.2019 117

4 Document Control Sheet

1. ISBN or ISSN

Not planned

2. Type of document

Final report

3a/b. Title of the report/publication

ELIRAS – Developing a guideline for the selection of site specific stirring and disintegration processes

for biogas plants

4.a/b Authors of the report/publication

DBFZ: Hofmann, Josephine; Pröter, Jürgen;

Weinrich, Sören; Kornatz, Peter; Daniel-Gromke,

Jaqueline; Schumacher Britt;

Maier/LTS: Rostalski, Kay; Zimmermann, Philipp;

Kronberg, Andreas; Merkel, Wolfgang

5. Abschlussdatum des Vorhabens

30.06.2018

6. Veröffentlichungsdatum

31.01.2019

7. Form der Publikation

Monographie

8. Durchführende Institutionen (Name, Adresse)


gemeinnützige GmbH


04347 Leipzig

Lifetec –Systems GmbH

Schulenbrooksweg 37

21029 Hamburg


Bergerhausen 5

87719 Mindelheim

9. Ber.-Nr. Durchführende Institutionen

3230038 (DBFZ)

10. Förderkennzeichen

03KB106A (DBFZ)

11a/b. Seitenanzahl Bericht/Publikation

141

12. Literaturangaben

61

13. Fördernde Institution (Name, Adresse)

Bundeswirtschaftsministerium Berlin (BMWi)

Scharnhorststr. 34-37

10115 Berlin

14. Tabellen

21

15. Abbildungen

55

16. Zusätzliche Angaben

17. Vorgelegt bei (Titel, Ort, Datum)

18. Kurzfassung

Target of the project ELIRAS was to develop a guideline for operators of biogas plants which

describes a scientific method evaluating disintegration processes in an objective and consistent way.

According to the ELIRAS approach, effects of substrate disintegration on the biogas process can be

attributed to a) increasing the organic fraction, b) enhancing the reaction rate and c) changing of

hydrodynamics. Those effects are described theoretically on the basis of mass balance and modelling

as well as by means of hydrodynamic and granulometric studies. The ELIRAS model as a part of the

ELIRAS guideline was developed with the help of experiments in lab- and large-scale. As result of the

project ELIRAS, a guideline can be presented which predicts the effects of disintegration on

gasproduction and hydrodynamics in the fermenter.

19. Schlagwörter

mixing

disintegration

20. Verlag 21. Preis

Abbildungsverzeichnis

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Abbildung 1: Arbeits- und Meilensteinplanung (Projektende 12/2017) sowie realer

Erreichungsstand nach Verlängerung des Vorhabens (Projektende 06/2018) ............... 11

Abbildung 2: Unterscheidung von Verfahren zum Substrataufschluss [5] ............................................. 13

Abbildung 3: Im Biogasanlagenbestand eingesetzte Substrataufschlussverfahren (DBFZ-

Betreiberbefragung 2015, Bezugsjahr 2014) .................................................................... 16

Abbildung 4: Herstellerangaben zu a) Anschlussleistung; b) Investitionskosten; c) Durchsatz

und d) spezifischem Energieverbrauch von Substrataufschlussverfahren ...................... 18

Abbildung 5: Herstellerangaben und Literaturwerte zu erwarteten Effekte auf die Gasausbeute

infolge der Desintegration .................................................................................................... 20

Abbildung 6: Beispielhafter Kurvenverlauf der kumulierten Biogasbildung von unbehandeltem

und desintegriertem Substrat (ermittelt in diskontinuierlichen Gärversuchen),

ausschließlich zurückzuführen auf eine Erhöhung des vergärbaren organischen

Anteils infolge eines Substrataufschlusses ........................................................................ 28

Abbildung 7: Beispielhafter Kurvenverlauf der kumulierten Biogasbildung von unbehandeltem

und desintegriertem Substrat (ermittelt in diskontinuierlichen Gärversuchen),

ausschließlich zurückzuführen auf eine Steigerung der Reaktionsgeschwindigkeit

infolge des Substrataufschlusses; a) korrekte Interpretation bei ausreichend

langer Versuchslaufzeit, b) Fehlinterpretation bei zu kurzer Versuchslaufzeit ............... 29

Abbildung 8: Relative Gasproduktion, anteilig an der Gasproduktion bei 100 % Durchmischung,

verursacht durch ein abnehmendes Reaktionsvolumen infolge unzureichender

Durchmischung; dargestellt in Abhängigkeit von Verweilzeit HRT und

Bruttoreaktionsgeschwindigkeit k. Rot markiert: Betriebspunkte A und B der

Szenarienbetrachtung .......................................................................................................... 31

Abbildung 9: Schematische Darstellung statistischer Begrifflichkeiten in Gärversuchen [34] ............. 34

Abbildung 10: Boxplot des Biogasertrags eines beispielhaften Gärversuchs mit drei Ansätzen ............ 36

Abbildung 11: Anzahl an notwendigen Versuchswiederholungen, um Veränderungen im

Biogasertrag in Abhängigkeit von der Teststärke nachzuweisen (berechnet mit

G*Power auf Basis eines Vorversuchs mit acht parallel betriebenen Fermentern

mit einer Schwankung im Biogasertrag von 7,8 mL goTS-1) ................................................ 37

Abbildung 12: Fließkurven von Fermenterinhalten realer Praxis-Biogasanlagen BGA A bis BGA E ........ 40

Abbildung 13: Empirisch ermittelte Abhängigkeit des Fließkoeffizienten K von der mittleren

Partikelgröße xm .................................................................................................................... 42

Abbildung 14: Schrittweise Vorgehensweise zur Aufnahme einer Partikelgrößenverteilung von a)

Fermenterinhalten (Prozessmedien) und b) Substraten (z.B. Silagen) ............................. 44

Abbildung 15: Partikelgrößenverteilung von Maissilage, aufgenommen mit Camsizer P4 und XT

(Retsch) an der TU Bergakademie Freiberg ........................................................................ 45

Abbildung 16: Partikelgrößenverteilung von Fermenterinhalt der Forschungsbiogasanlage des

DBFZ, mit Camsizer P4 und XT (Retsch) an der TU Bergakademie Freiberg

analysiert ............................................................................................................................... 46


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Abbildung 17: Vergleich der Partikelgrößenverteilung und des mittleren Partikeldurchmesser xm

von Maissilage, mit Camsizer P4 und XT (Retsch) an der TU Bergakademie

Freiberg und per Siebanalyse (Retsch) am DBFZ analysiert ............................................. 47

Abbildung 18: Vergleich der Partikelgrößenverteilung und des mittleren Partikeldurchmesser xm

von Fermenterinhalt der Forschungsbiogasanlage des DBFZ, mit Camsizer P4 und

XT (Retsch) an der TU Bergakademie Freiberg und per Siebanalyse (Retsch) am

DBFZ analysiert ..................................................................................................................... 48

Abbildung 19: Veränderung der Grob-, Fein- und Feinstfraktion des Fermenterinhaltes im

diskontinuierlichen Gärversuch ........................................................................................... 50

Abbildung 20: Zeitliche Veränderung der Fraktionsanteile Grob-, Fein- und Feinstfraktion im

diskontinuierlichen Gärversuch ........................................................................................... 50

Abbildung 21: Kumulierter Biogasertrag und Abnahme der mittleren Partikelgröße des

Fermenterinhaltes im diskontinuierlichen Gärversuch (Dreifachbestimmung mit

Angabe der Fehlerindikatoren) ............................................................................................ 51

Abbildung 22: Versuchsaufbau quasikontinuierlich betriebener Laborfermenter, schematisch

nach [42] ............................................................................................................................... 54

Abbildung 23: a) unbehandeltes Winterweizenstroh (gehäckselt); b) mechanisch desintegriertes

Winterweizenstroh (trocken extrudiert/gemahlen) c) mechanisch-chemisch

desintegriertes Winterweizenstroh (trocken extrudiert + Einweichen in

Natronlauge) ......................................................................................................................... 56

Abbildung 24: Kumulierter Methanertrag aus unbehandeltem und mechanisch-chemisch

desintegriertem Winterweizenstroh (Einweichzeit: 1d und 5d), ermittelt im

diskontinuierlichen Gärversuch (Dreifachbestimmung mit Angabe der

Fehlerindikatoren) ................................................................................................................ 57

Abbildung 25: Methanertrag aus unbehandeltem und mechanisch-chemisch desintegriertem

Winterweizenstroh (Co-Vergärung mit HTK), ermittelt im kontinuierlichen

Gärversuch im Doppelansatz, F…Fermenter ...................................................................... 58

Abbildung 26: Boxplot der Methanerträge aus unbehandeltem und mechanisch-chemisch

desintegriertem Winterweizenstroh, ermittelt im kontinuierlichen Gärversuch im

Doppelansatz, Versuchszeitraum Tag 111–204, F…Fermenter ....................................... 59

Abbildung 27: Methanrate der Fermenter des Gärversuchs L4 nach Beendigung der

Substratzufuhr (Abklingversuch L4); die Kurven wurden auf einen gemeinsamen

Startzeitpunkt und ein Höhenniveau zu Beginn des Abklingversuchs verschoben ......... 60

Abbildung 28: Gehalt an Nährstoffen und Gerüstbau-Kohlenhydraten sowie Nicht-Faser-

Kohlenhydraten NFC (Zucker, Stärke, Pektine) der Trockensubstanz des

unbehandelten und mechanisch-chemisch desintegrierten Winterweizenstrohs als

Ergebnis der Weender- und van Soest-Futtermittelanalyse .............................................. 61

Abbildung 29: Anteil der Siebfraktionen an der Trockensubstanz TS des unbehandelten und

mechanisch-chemisch desintegrierten Winterweizenstrohs, ermittelt über

Gefriersiebung (Dreifachbestimmung) ................................................................................ 62

Abbildung 30: Anteil der Siebfraktionen an der Trockensubstanz TS sowie mittlerer

Partikeldurchmesser xm der Fermenterinhalte des Gärversuchs L3 mit

unbehandeltem und mechanisch-chemisch desintegriertem Winterweizenstroh

(Co-Vergärung mit HTK), ermittelt über Gefriersiebung (Dreifachbestimmung) ............... 63


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Abbildung 31: a) unbehandeltes Gerstenstroh (10 mm Länge); b) Gerstenstroh nach

Druckwechselkonditionierung (190°C, 30 min) [46] ........................................................ 65

Abbildung 32: Kumulierter Methanertrag aus unbehandeltem und thermisch desintegriertem

Gerstenstroh (190°C; 30 min), ermittelt im diskontinuierlichen Gärversuch

(Dreifachbestimmung mit Angabe der Fehlerindikatoren) ................................................ 66

Abbildung 33: Methanertrag im kontinuierlichen Gärversuch aus unbehandeltem und thermisch

desintegriertem (190°C; 30 min) Gerstenstroh, Co-Vergärung mit Rindergülle,

F…Fermenter ......................................................................................................................... 67

Abbildung 34: Boxplot der Methanerträge aus unbehandeltem und thermisch desintegriertem

Gerstenstroh (Thermodruckhydrolyse bei 190°C über 305 min), ermittelt im

kontinuierlichen Gärversuch im Doppelansatz, F…Fermenter .......................................... 68

Abbildung 35: Methanbildungsrate der Fermenter des Gärversuchs L4 nach Beendigung der

Substratzufuhr (Abklingversuch L4); die Kurven wurden auf einen gemeinsamen

Startzeitpunkt und ein Höhenniveau zu Beginn des Abklingversuchs verschoben ......... 69

Abbildung 36: Gehalt an Nährstoffen und Gerüstbau-Kohlenhydraten sowie Nicht-Faser-

Kohlenhydraten NFC (Zucker, Stärke, Pektine) der Trockensubstanz des

unbehandelten und thermisch desintegrierten Gerstenstrohs als Ergebnis der

Weender- und van Soest-Futtermittelanalyse .................................................................... 70

Abbildung 37: Fließschema und Frontaufnahme (© Maier Energie- und Umwelt GmbH) der

Demonstratoranlage mit Hauptfermenter- (a, a‘), Nachgärer- (b, b‘) und

Gärrestlagerbehälter (c); Substratstrom nach Umstellung der Fütterung grün

dargestellt ............................................................................................................................. 72

Abbildung 38: Dosiersystem aus a) Bandförderer und b) Förderpumpe BIO-MIX (Pumpenfabrik

Wangen GmbH, Wangen im Allg.) © Maier Energie- und Umwelt GmbH .......................... 73

Abbildung 39: Täglich gemessener Biogasertrag von Hauptfermenter 2 der Demonstratoranlage

im Versuchszeitraum, gemessen am BHKW für die Gesamtanlage, rückgerechnet

auf Hauptfermenter 2 (orange) und gemessen am Hauptfermenter 2 (blau); rote

und grüne Linie: mittlerer Biogasertrag im Betrachtungszeitraum VT 264-304 (vor

Umstellung) und 318-423 (nach Umstellung) .................................................................... 74

Abbildung 40: Anteil der Siebfraktionen an der Trockensubstanz TS sowie mittlerer

Partikeldurchmesser xm des Fermenterinhaltes von Hauptfermenter 2 der

Demonstrator-Biogasanlage ................................................................................................ 75

Abbildung 41: Doppelt-logarithmische Darstellung der dynamischen Viskosität in Abhängigkeit

der Schergeschwindigkeit des Fermenterinhaltes von Hauptfermenter 2 vor und

nach Umstellung der Beschickung; ermittelt mit einem Rotationsviskosimeter der

Spaltbreite 9.45 mm; mathematische Anpassung nach Ostwald-de-Waele; nach:

Schlussbericht Maier/LTS, S. 97 ......................................................................................... 76

Abbildung 42: Simulation der Strömungsgeschwindigkeiten der zwei Schnell- (2, 4) und

Langsamläufer (1, 3) in a) unterer, b) mittlerer und c) oberer Höhe sowie d) des

gesamten Fermenterinhaltes des Hauptfermenters 2 der Demonstrator-

Biogasanlage e) Konturplot der globalen, durchschnittlichen

Strömungsgeschwindigkeit des Hauptfermenters 2; vor der Umstellung der

Beschickung; simuliert mit ANSYS FLUENT 14.0 (ANSYS, Inc., Canonsburg, USA);

nach: Schlussbericht Maier/LTS, S. 94-95 ......................................................................... 77


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Abbildung 43: Berechnungsschema des DesiTools mit den relevanten betriebswirtschaftlichen

Faktoren sowie den qualitativen kausalen Verknüpfungen der Anlagen- und

Kostenstruktur bei Einsatz eines Substrataufschlussverfahrens. Der Kausalkette

liegt die Annahme zu Grunde, dass die Stromproduktion bei den Szenarien im

Vergleich zur Referenzvariante konstant gehalten wird. ................................................... 80

Abbildung 44: Sensitivitätsdiagramm der Szenarien im Vergleich. Die Prozentualen Änderungen

der stromgestehungskosten werden in Abhängigkeit zu den prozentualen

Änderungen der variierten Faktoren dargestellt. Je Sensitivitätsanalyse wird

jeweils nur der zu variierende Faktor ceteris paribus verändert. Eine

Multifaktoranalyse erfolgt nicht. .......................................................................................... 89

Abbildung 45: Spezifische THG-Emissionen in g CO2-Äquivalente je kWhel für die Szenarien 2 und

3 (mit Substrataufschluss) im Vergleich zur Referenz (Szenario 1). ................................. 94

Abbildung 46: Schematische Darstellung des ELIRAS-Leitfadens ............................................................ 97

Abbildung 47: Bestimmung der Abbaukinetik der Praxisanlage im desintegrierten Zustand

(Fragezeichen rechts unten) aus der Abbaukinetik in diskontinuierlichen Batch-

Gärversuchen (oben) und dem kontinuierlichen Betrieb der Anlage im

unbehandelten Zustand (links unten) ............................................................................... 102

Abbildung 48: Simulation des kumulierten Methanertrags im diskontinuierlichen Gärversuch L3

(mechanisch-chemische Desintegration) mit Hilfe einer Reaktion erster Ordnung ...... 104

Abbildung 49: Bilanzierung des kontinuierlichen Gärversuchs L3 im Labormaßstab, Beschickung

mit unbehandeltem Substrat ............................................................................................. 105

Abbildung 50: Extrapolation des Restgaspotenzials aus unbehandeltem Stroh, ermittelt über

eine Massenbilanzierung des kontinuierlichen Gärversuchs L3 ..................................... 106


mit desintegriertem Substrat ............................................................................................. 107

Abbildung 52: Simulation des kumulierten Methanertrags im diskontinuierlichen Gärversuch L4

(thermische Desintegration von Stroh) mit Hilfe einer Reaktion erster Ordnung .......... 109


mit unbehandeltem Substrat ............................................................................................. 110

Abbildung 54: Extrapolation des Restgaspotenzials aus unbehandeltem Stroh, ermittelt über

eine Massenbilanzierung des kontinuierlichen Gärversuchs L4 ..................................... 111


mit thermisch desintegriertem Substrat ........................................................................... 112

Tabellenverzeichnis

BMWi-03KB106A, 31.01.2019 122

Tabellenverzeichnis

Tabelle 1: abgeschlossene Forschungsvorhaben des DBFZ zum Thema Substrataufschluss ................ 9

Tabelle 2: Bislang übliche und notwendige Herangehensweise zur fundierten Bewertung von

Substrataufschlussverfahren mit Hilfe von Gärversuchen ..................................................... 21

Tabelle 3: Aus experimentellen und analytischen Laboruntersuchungen abgeleitete Kenngrößen

zur Bewertung von Substrataufschluss sowie Voraussetzungen, unter denen eine

fundierte Auswertung möglich ist. ............................................................................................ 24

Tabelle 4: Kenndaten Praxisanlage mit Rührwerksumstellung ............................................................... 32

Tabelle 5: Hydrodynamische Kennwerte und Substratzusammensetzung der beprobten

Praxisanlagen BGA A bis BGA E; kursiv dargestellt: Substratbestandteile, welche die

Fließfähigkeit des Fermenterinhaltes vermutlich herabsetzen .............................................. 41

Tabelle 6: Vergleich der mittleren Partikelgröße und Sphärizität von Maissilage und

Fermenterinhalt der Forschungsbiogasanlage des DBFZ, mit Camsizer P4 und XT

(Retsch) an der TU Bergakademie Freiberg und per Siebanalyse (Retsch) am DBFZ

ermittelt ...................................................................................................................................... 48

Tabelle 7: Übersicht über im ELIRAS Vorhaben durchgeführte Gärversuche im Labor- und

Praxismaßstab ........................................................................................................................... 52

Tabelle 9: Technische Parameter der Beispielanlage zur Durchführung der

betriebswirtschaftlichen Bewertung. Die Werte wurden so gewählt, dass sie den im

Projekt genutzten Demonstrator und die durchschnittliche Biogasanlage in

Deutschland widerspiegeln. Der Methanertragsberechnung liegen die Gaserträge des

KTBL ([48], S. 133) zu Grunde. ................................................................................................. 82

Tabelle 10: Allgemeine betriebswirtschaftliche Annahmen der Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen.

Die Annahmen gelten jeweils für Referenz- und Szenarienrechnung gleichermaßen. ......... 83

Tabelle 11: Für die Wirtschaftlichkeitsberechnungen unterstellte Substratkosten. Die

Substratkosten werden frei Fermentereintrag unterstellt. Lager- und Entnahmekosten

sind hiermit eingepreist. Quelle: (1 Betreiber Demonstrator-Biogasanlage ELIRAS; (2

KTBL ([48], S. 133); (3 Rindergülle wird als hofinterne Lieferung kostenneutral

betrachtet; (1 TS=92 %, kurzgehäckselt ................................................................................... 83

Tabelle 12: Investitionsdaten für die Aufschlusseinheit. Für die Berechnung der

Stromgestehungskosten unter Berücksichtigung einer Aufschlusseinheit ist die

Erstinvestition, die Lebensdauer sowie der Anteil der Ersatzinvestition zu

berücksichtigen. Quelle: Herstellerangaben [49] .................................................................... 84

Tabelle 13: Technisch betriebswirtschaftliche Kennwerte der Aufschlussszenarien. Hier wird

unterschieden zwischen extrudiertem Stroh und extrudiertem Stroh, welches vorher

in Natronlauge geweicht wurde. Hauptunterscheidungsmerkmal zwischen den

Szenarien sind die Biogasertragssteigerung, die Rührleistung sowie der Einsatz von

Aufschlussmitteln. ..................................................................................................................... 84

Tabelle 14: Variantenvergleich an Hand der absoluten Investitionen und Annuitäten der

einzelnen Kostenpositionen und Differenz der Varianten zur Referenz. Die

Gasverwertung durch das BHKW ist hier eingepreist. ............................................................ 87

Tabelle 15: Verfahrensvergleich an Hand der spezifischen Produktgestehungskosten differenziert

nach den Ebenen Gas frei Flansch Gärstrecke und Strom frei Einspeisepunkt BHKW. ....... 88

Tabellenverzeichnis

BMWi-03KB106A, 31.01.2019 123

Tabelle 16: Annahmen: Substrateinsatz und Gaserträge der Szenarien mit und ohne

Substrataufschluss. Szenario 1 (Referenz) ohne Substrataufschluss im Vergleich zu

den Szenarien 2 mit mechanischem und Szenario 3 mechanisch-chemischem

Substrataufschluss unter Zugabe von Natronlauge. ............................................................... 91

Tabelle 17: Annahmen für die THG-Bilanz der Szenarien im Überblick: Szenario 1 (Referenz) ohne

Substrataufschluss im Vergleich zu den Szenarien 2 mit mechanischem und Szenario

3 mechanisch-chemischem Substrataufschluss unter Zugabe von Natronlauge. ................ 93

Tabelle 18: Spezifische THG-Emissionen der Szenarien 1 - 3 im Vergleich jeweils in g CO2-

Äquivalente je kWhel (Strom) und je kWh (Gas). Szenario 1 (Referenz) ohne

Substrataufschluss im Vergleich zu den Szenarien 2 mit mechanischem und Szenario

3 mechanisch-chemischem Substrataufschluss unter Zugabe von Natronlauge. ................ 94

Tabelle 19: Checkliste zur Probenahme und Analyse bei der Datenerhebung für die Anwendung

des ELIRAS Modells ................................................................................................................. 100

Tabelle 20: Aus den Messdaten des Labor-Gärversuchs L3 (mechanisch-chemische

Desintegration von Stroh) ermittelte Modellparameter Restgaspotenzial (extrapoliert)

und Gasertrag im diskontinuierlichen und kontinuierlichen Prozesszustand. Bei der

Modellanpassung wird eine Reaktion erster Ordnung unterstellt. ....................................... 108

Tabelle 21: Aus den Messdaten des Labor-Gärversuchs L4 (thermische Desintegration von Stroh)

ermittelte Modellparameter Restgaspotenzial (extrapoliert) und Gasertrag im

diskontinuierlichen und kontinuierlichen Prozesszustand. Bei der Modellanpassung

wird eine Reaktion erster Ordnung unterstellt. ...................................................................... 113

Literatur- und Referenzverzeichnis

BMWi-03KB106A, 31.01.2019 124


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BMWi-03KB106A, 31.01.2019 128

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Anhang

BMWi-03KB106A, 31.01.2019 129

6 Anhang

A 1 Abschätzung Handlungsbedarf

Ja/Nein Abfrage für Nassfermentationsanlagen (Rührkessel, Pfropfenstromreaktoren), nicht geeignet für

Garagenanlagen. Je häufiger ein Nein zur Antwort gegeben wird, desto größer ist der Handlungsbedarf

zur Installation eines Substrataufschlusses.

Substrat/-vorbehandlung ja nein

Einsatz von 100 % flüssigem Substrat

Einsatz von leicht/schnell abbaubarem Substrat

Substratvorbehandlung vorhanden

Substratvorbehandlung funktioniert gut

Substratart/-menge bleibt in Zukunft unverändert

kein Bedarf an Automatisierung

Fermenter

Dosierung in den Fermenter funktioniert gut

Durchmischung im Fermenter ist gut (keine Totzonen)

Verweilzeit im Fermenter > 60 Tage

Raumbelastung < 5 kg oTS/m³/d

Biogasmenge dem Substrat entsprechend erwartungsgemäß

Biologie (z.B. pH-Wert, FOS/TAC) stabil

Temperatur im Fermenter stabil (< 2°C Schwankung)

Abbaugeschwindigkeit der Substrate ist ausreichend

Gesamtanlage

Technik verlässlich

Arbeitsaufwand Betrieb Anlage O.K.

Wartung unkompliziert

Ausfallzeiten gering

Gasproduktion/-verbrauch passen zueinander

Gasspeicher ausreichend groß (Überdrucksicherung springt nie/selten

an)

Restgas im Gärrest gering

Gärrestlager gasdicht abgedeckt mit Gasfassung

Energieverbrauch zufriedenstellend

Gasgestehungskosten zufriedenstellend

Anhang

BMWi-03KB106A, 31.01.2019 130

A 2 Fragekatalog

Biogasanlage Bezeichnung: Datum:

Kontaktdaten

Betreiber: Ansprechpartner vor Ort:

Adresse:

Tel. / Handy: Fax: Email:

Kenndaten

Bemessungsleistung [kWel]: Hersteller:

Baujahr: Investitionskosten [€]:

X Substratart ca. Menge [tFM/d] Kosten [€/tFM] frei BGA

Maissilage

Ganzpflanzensilage (GPS)

Landschaftspflegematerial

Grassilage

Bioabfälle

Gülle: [ ] Rind [ ] Schwein

Festmist: [ ] Rind [ ] Schwein

Hühnermist / Hühnertrockenkot (HTK)

Sonstiges: ………………………………………………………..

Komponente Anzahl Gesamtvolumen [m³] Aufenthaltszeit [Tage]

Vorgrube

Fermenter

Nachgärer

Gärrestlager [ ] offen [ ] abgedeckt

…………………………………………………..

Verfahrensskizze (Schaltung, Gärrestrückführung…)

Anhang

BMWi-03KB106A, 31.01.2019 131

X Raumbelastung im Fermenter

geringer als 2 kg oTS/m³/d

2 bis 5 kg oTS/m³/d

größer als 5 kg oTS/m³/d

genaue Angabe: ……………………………………

X Temperaturbereich im Fermenter

32˚C - 42˚C (mesophil)

43˚C - 49˚C (meso-thermophil)

50˚C - 58°C (thermophil)

schwankend

X Hilfsmittel Menge

Spurenelemente

Tonmineralien

Branntkalk

Mikroorganismen

….……………………..

X Prozessstörung Häufigkeit, Details

Sinkschichten

Schwimmschichten

Schaumbildung

Sonstige: ……………………………

X Steht Überschusswärme zur Verfügung?

ja [kWhth/Jahr]; [%]

nein

X Enzymzugabe Details

ja, Zugabe in die Vorgrube (Hydrolyse)

ja, Zugabe in den Fermenter

nein

X Messdatenaufnahme Häufigkeit, Details

Biogasvolumenstrom

Gaszusammensetzung

[ ] CH4 [ ] CO2 [ ] H2S [ ] O2 [ ] H2

erzeugte Strommenge

erzeugte Wärmemenge

Eigenstrombedarf

Eigenwärmebedarf

Substrat (Menge, Zusammensetzung)

Leistungsaufnahme Rührwerke

Gasspeicherauslastung

Sonstige: ……………………………………….

X Prozesskontrolle, Analysen

nein

ja, im Rahmen eigener Messungen

ja, über ein externes Labor

wenn ja, welche Parameter:

[ ] pH-Wert

[ ] Säurespektrum (Gaschromatograph)

[ ] Ammoniumstickstoff NH4-N

[ ] flüchtige org. Säuren FOS, FOS/TAC

[ ] TS, oTS Substrat oder Zulauf

[ ] TS, oTS Gärrest oder Ablauf

[ ] Futtermittelanalyse Substrat/Zulauf

[ ] Futtermittelanalyse Gärrest/Ablauf

[ ] Sonstige: ……………………………………..

X Aufschlussverfahren Wenn ja, welche?

nein

ja, mechanische (Mühle, Prallbrecher, Schredder, Extruder, Ultraschall…)

ja, thermische (Thermo-Druck-Hydrolyse, Mikrowellen …)

ja, elektrische (Schockwellen, BioCrack©…)

ja, chemische (Hydrolyse, Säuren…)

Anhang

BMWi-03KB106A, 31.01.2019 132

Effekte infolge des Substrataufschlusses Stärke Detailangaben

-2…stark vermindert; -1…vermindert; 0…unverändert;

+1…erhöht; +2…stark erhöht -2 -1 0 +1 +2

Handhabbarkeit, Pumpfähigkeit

Sinkschichtbildung

Schwimmschichtbildung

Biogasbildung

Substratverbrauch

Verweilzeit

Raumbelastung

Eigenenergieverbrauch

Ausfallzeiten; Schadensfälle

Wartung

Sonstiges: ………………………………………

Wie beschicken Sie Ihre Biogasanlage?

X Beschickungsart Hersteller Typenbezeichnung Größe (m³, ...)

Vorgrube

Schubbodencontainer

Schneidcontainer mit Speicher

Sonstiges

………………………………………………….

Wie dosieren Sie die Substratzufuhr in den Fermenter?

X Dosierungsaggregat

Förderschnecke

Exzenterschneckenpumpe

Drehkolbenpumpe

Dickstoffpumpe

Welchen Rührwerkstyp verwenden Sie?

X Rührwerkstyp

Schnellläufer

Langsamläufer

Sonstiges (Gaseinpressung) ………………………

Anhang

BMWi-03KB106A, 31.01.2019 133

A 3 Veränderung der einzelnen Siebfraktionen im diskontinuierlichen

Gärversuch

0%

1%

2%

3%

4%

5%

6%

7%

8%

9%

10%

8…16 mm 5…8 mm 3,15…5 mm 2…3,15 mm 1,4…2 mm 0,5…1,4 mm

Fra

kti

on

sa

nte

il [

%T

S]

Partikelgröße

60%

65%

70%

75%

80%

85%

90%

95%

100%

≤0,5 mm

t=0d

t=1d

t=2d

t=4d

t=6d

t=8d

t=10d

t=18d

t=28d

t=38d

Anhang

BMWi-03KB106A, 31.01.2019 134

A 4 Diskontinuierlicher Gärversuch zum Vergleich der mechanischen und

mechanisch-chemischen Desintegration

0

50

100

150

200

250

300

350

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

Me

tha

ne

rtra

g , k

um

ulie

rt [

mL

N/g

oTS]

Zeit t [d]

Stroh extr. + NaOH (1d)

Stroh extr. + NaOH (frisch)

Stroh extrudiert

Stroh unbehandelt

Anhang

BMWi-03KB106A, 31.01.2019 135

A 5 Prozessstabilität im kontinuierlichen Gärversuch im Labormaßstab L3

A 5.1 pH-Wert

A 5.2 Flüchtige organische Säuren FOS

7,00

7,20

7,40

7,60

7,80

8,00

90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220

pH

-W

ert

Versuchszeit [d]

F1 unbehandelt F2 desintegriert


0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220

Flü

ch

tige

org

an

isch

e S

äu

ren

FO

S [

g/l]

Versuchszeit [d]



Anhang

BMWi-03KB106A, 31.01.2019 136

A 5.3 Pufferkapazität FOS/TAC

A 5.4 Ammoniumstickstoff NH4-N

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220

Pu

ffe

rka

pa

zitä

t F

OS

/TA

C

Versuchszeit [d]



0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220

Am

mo

niu

msti

ck

sto

ff [

g/l]

Versuchszeit [d]



Anhang

BMWi-03KB106A, 31.01.2019 137

A 6 Abklingversuch L3

Anhang

BMWi-03KB106A, 31.01.2019 138

A 7 Futtermittelanalyse Winterweizenstroh (Gärversuch L3)

Anteil an Trockensubstanz [g/kgTS] Stroh, unbehandelt Stroh, desintegriert

Rohasche 81 143

Rohprotein 38 9

Rohfett 18 3

NFC 7 169

Zellulose 694 530

Lignin 114 119

Hemizellulose 48 27

Anhang

BMWi-03KB106A, 31.01.2019 139

A 8 Partikelgrößenverteilung (Gärversuch L3)

A 8.1 Winterweizenstroh, unbehandelt

Maschen-

weite [mm]

Mittlerer Partikeldurchmesser

der Partikelklasse xK [mm]

Fraktionsanteil [%] Verteilungssumme [%]

16,00

8,00

5,00

3,15

2,00

1,40

0,50

0,00

28,00

12,00

6,50

4,08

2,58

1,70

0,95

0,25

0,13% ± 0,22%

1,15% ± 1,14%

0,92% ± 0,72%

24,84% ± 2,70%

9,85% ± 2,13%

21,63% ± 2,15%

27,87% ± 0,86%

13,63% ± 5,71%

100,00% ± 0,00%

99,87% ± 0,22%

98,73% ± 1,33%

97,81% ± 1,35%

72,98% ± 3,62%

63,13% ± 4,61%

41,50% ± 6,32%

13,63% ± 5,71%

A 8.2 Winterweizenstroh, mechanisch-chemisch desintegriert

Maschen-

weite [mm]




16,00

8,00

5,00

3,15

2,00

1,40

0,50

0,00

28,00

12,00

6,50

4,08

2,58

1,70

0,95

0,25

0,00% ± 0,00%

0,02% ± 0,03%

0,74% ± 0,10%

1,33% ± 0,34%

0,68% ± 0,06%

1,69% ± 0,07%

1,73% ± 0,09%

93,81% ± 0,37%

100,00% ± 0,00%

100,00% ± 0,00%

99,98% ± 0,03%

99,24% ± 0,10%

97,92% ± 0,43%

97,23% ± 0,49%

95,54% ± 0,46%

93,81% ± 0,37%

A 8.3 Fermenterinhalt F1, unbehandeltes Substrat

Maschen-

weite [mm]




16,00

8,00

5,00

3,15

2,00

1,40

0,50

0,00

28,00

12,00

6,50

4,08

2,58

1,70

0,95

0,25

0,00% ± 0,00%

1,69% ± 2,31%

0,85% ± 0,31%

32,49% ± 1,47%

3,73% ± 0,70%

10,05% ± 0,87%

9,21% ± 1,14%

41,98% ± 0,90%

100,00% ± 0,00%

100,00% ± 0,00%

98,31% ± 2,31%

97,46% ± 2,15%

64,97% ± 3,61%

61,24% ± 4,29%

51,19% ± 4,55%

41,98% ± 3,75%

Anhang

BMWi-03KB106A, 31.01.2019 140

A 8.4 Fermenterinhalt F2, mechanisch-chemisch desintegriertes Substrat

Maschen-

weite [mm]




16,00

8,00

5,00

3,15

2,00

1,40

0,50

0,00

28,00

12,00

6,50

4,08

2,58

1,70

0,95

0,25

0,00% ± 0,00%

0,00% ± 0,00%

0,00% ± 0,00%

1,22% ± 0,35%

1,83% ± 0,62%

7,98% ± 0,91%

9,33% ± 0,42%

79,63% ± 0,36%

100,00% ± 0,00%

100,00% ± 0,00%

100,00% ± 0,00%

100,00% ± 0,00%

98,78% ± 0,35%

96,95% ± 0,96%

88,97% ± 1,83%

79,63% ± 2,08%

A 8.5 Fermenterinhalt F3, unbehandeltes Substrat

Maschen-

weite [mm]




16,00

8,00

5,00

3,15

2,00

1,40

0,50

0,00

28,00

12,00

6,50

4,08

2,58

1,70

0,95

0,25

0,65% ± 1,13%

1,02% ± 0,40%

0,56% ± 0,19%

5,43% ± 2,10%

3,13% ± 0,91%

13,49% ± 3,13%

13,75% ± 3,92%

61,96% ± 1,08%

100,00% ± 0,00%

99,35% ± 1,13%

98,33% ± 1,26%

97,76% ± 1,24%

92,33% ± 2,20%

89,20% ± 1,56%

75,71% ± 2,93%

61,96% ± 6,59%

A 8.6 Fermenterinhalt F4, mechanisch-chemisch behandeltes Substrat

Maschen-

weite [mm]




16,00

8,00

5,00

3,15

2,00

1,40

0,50

0,00

28,00

12,00

6,50

4,08

2,58

1,70

0,95

0,25

0,00% ± 0,00%

0,00% ± 0,00%

0,13% ± 0,23%

1,88% ± 0,29%

2,30% ± 0,13%

9,37% ± 2,74%

10,29% ± 0,40%

76,02% ± 0,52%

100,00% ± 0,00%

100,00% ± 0,00%

100,00% ± 0,00%

99,87% ± 0,23%

97,99% ± 0,08%

95,69% ± 0,20%

86,31% ± 2,60%

76,02% ± 2,20%

Anhang

BMWi-03KB106A, 31.01.2019 141

A 9 Gärversuch L4 mit thermisch desintegriertem Gerstenstroh

A 9.1 Methanertrag kontinuierlicher Gärversuch

Verändert nach [48]

A 9.1 Futtermittelanalyse Gerstenstroh

Anteil an

Trockensubstanz

[g/kgTS]

Stroh,

unbehandelt

(Versuchsbeginn)

Stroh, thermisch

desintegriert

(Versuchsbeginn)

Stroh, thermisch

desintegriert

(Tag 159)

Stroh, thermisch

desintegriert

(Tag 164)

Rohasche 29 27 26 25

Rohprotein 42 42 41 43

Rohfett 14 6 7 7

NFC 37 253 241 233

Zellulose 471 412 326 383

Lignin 123 167 264 243

Hemizellulose 284 92 96 65

Anhang

BMWi-03KB106A, 31.01.2019 142

A 10 Eingangsdaten für die Massenbilanzierung der kontinuierlichen

Gärversuche

A 10.1 Gärversuch L3 mit mechanisch-chemisch desintegriertem Weizenstroh

V ̇CH4,spez L/kg oTS

Total Stroh HTK Unbehandelt 258 189 69

Behandelt 290 211 79

FM g/d

Stroh HTK H2O HTK + H2O ṁSubstrat HRT

Unbehandelt 22,2 19,6 124,8 144,4 166,7 60,0

Behandelt 21,9 20,2 124,3 144,6 166,5 60,0

TS %FM oTS %TS ṁoTS g/d

Stroh HTK Stroh HTK Stroh HTK

Anteil

HTK

Unbehandelt 92,2 51,1 91,9 68,9 18,8 6,9 0,3

Behandelt 92,2 49,9 92,9 69,4 18,8 7,0 0,3

Dichte Gärrest 0,9 g/L

A 10.2 Gärversuch L4 mit thermisch desintegriertem Gerstenstroh

V ̇CH4,spez L/kg oTS

Total Stroh Gülle

Unbehandelt 214 148 66 Behandelt 273 189 84

FM g/d

Stroh Gülle H2O Gülle + H2O ṁSubstrat HRT

Unbehandelt 23,0 310,0 0,0 310,0 333,0 30,0

Behandelt 131,0 210,0 0,0 210,0 341,0 29,3

TS %FM oTS %TS ṁoTS g/d

Stroh Gülle Stroh Gülle Stroh Gülle Anteil Gülle

Unbehandelt 92,8 3,6 97,1 83,1 20,7 9,2 0,3

Behandelt 16,2 5,2 96,5 83,1 20,5 9,1 0,3

Dichte Gärrest 0,9 g/L

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