7 Kube Die energieautarke Bioethanolanlage

Die energieautarke Ethanolanlage
Jürgen Kube
Leiter Forschung und Entwicklung
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Gründer der Agraferm Technologies AG
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Dr.-Ing. Hans Friedmann: Mehr als 20 Jahre Biogaserfahrung in Forschung, Planung,
Beratung, Anlagenerrichtung und Anlagenbetrieb, Promotion im Bereich
Bioverfahrenstechnik an der TUHH (Mikrobiologische Methanbildung unter erhöhtem
Druck, TUHH). Vorstandsvorsitzender Agraferm Technologies AG,
Gründungsmitglied Biogasunion, Präsidiumsmitglied des Fachverbandes Biogas
Dipl.-Ing. Christian Heck: 10 Jahre Erfahrung im Bereich Biogas, Abwicklung von
mehr als 100 Biogasanlagen, Geschäftsführer Agraferm Luxemburg s.àr.l.
Franz Böhm: Experte für Marketing und Marktentwicklung,
Aufsichtsratsvorsitzender Agraferm Technologies AG
Organigramm
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Massenströme Bioethanol Anlage
DDGS Produktion
Corn
Enzymes
Water
Liquefaction,
Saccharification
Sugar solution
Yeast
Fermentation
Aqueous ethanol solution
Heat
Ethanol
Purification
Ethanol
Stillage
Heat
DDGS
Production
DDGS
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Water vapor
Massenströme Bioethanolanlage
Biogas + Dünger
Corn
Enzymes
Water
Liquefaction,
Saccharification
Sugar solution
Yeast
Fermentation
Aqueous ethanol solution
Heat
Ethanol
Purification
Stillage
Anaerobic
digestion
Fertilizer
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Ethanol
Water
Electric energy
Massen- und Energiebilanzen einer
Ethanol-Anlage (1 kg Ethanol)
Input Ethanol-Anlage
Energy
• 3.22 kg Mais
(86% TM)
(13.4 kWh)
• 3.33 kg Wasser
(teilweise wiederverwendet)
• 6.5 kBTU Wärme Destillation
(1.9 kWh)
• 11.3 kBTU Wärme DDGS-Produktion
(3.3 kWh)
• 0.4 kWh Strom
(0.4 kWh)
Output Ethanol-Anlage
• 1 kg CO2
• 1 kg DDGS
• 1 kg Ethanol
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(90% TM)
(5.1 kWh)
(8.3 kWh)
Massen- und Energiebilanzen einer
Ethanol-Anlage mit Biogasproduktion
Energy (Hs)
Input Ethanol-Anlage
• 3.22 kg Mais
(86% TM)
(13.4 kWh)
• 3.33 kg Wasser
(teilweise wiederverwendet)
• 6.5 kBTU Wärme Destillation
(1.9 kWh)
• Wärme DDGS-Produktion
(entfällt)
• 0.4 kWh Strom
(0.4 kWh)
Output Ethanol-Anlage
• 1 kg CO2
• 445 L Biogas
(55% CH4)
• 1 kg Ethanol
• 1.6 kg Dünger
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(2.7 kWh)
(8.3 kWh)
(30% TS)
Biogas Potential von Schlempe
eigene Messwerte
Methane yield Stillage
600
YCH4 [Nm³/toDM]
500
400
Rye stillage dry mill
Wheat stillage dry mill
300
Corn stillage dry mill
Wheat stillage dry mill
200
100
0
0
5
10
15
time [d]
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20
25
Zusammensetzung der Schlempe
• Fasern aus Mais/Weizen
• Protein aus Mais/Weizen (Gluten)
• Öl aus Mais/Weizen
• Hefezellen aus Ethanol Fermentation
• Stärkereste
• gelöste Hemicellulose
• Ethanol, Glycerin
• Zucker (Maltose, Glukose)
• Schwefelsäure
• Kalium-Phosphat-Puffer (Liquifaction/Saccharifaction Enzyme)
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Herausforderungen der
Schlempefermentation
• Gemisch aus einfach- und schwerabbaubaren Substraten
(Katabolische Repression, Vorversäuerung)
• Hoher Stickstoffgehalt (Ammoniak-Hemmung)
• Hoher Schwefelgehalt (H2S-Hemmung)
• Hoher Kaliumgehalt (Osmotische Hemmung)
• Hoher Gehalt an Magnesium und Phosphat (MAP-Ausfällungen)
• Hohe Volumenlast/ niedrige organische Last (Große Fermenter /
geringe Beladungsrate)
• Große Volumina (Wasser-Management)
• Hohe Temperatur der Schlempe (Wärme-Management)
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Herausforderungen:
Reaktorgröße
volumetric loading rate vs. hydraulic retention time
10% Stillage
volumetric loading rate [kgoDM/(m³ d)]
35
30
CSTR:
Biomass is flushed from the fermenter, low
biomass concentration in the fermenter.
Retention time must be higher than generation
time of microorganisms at fermentation
conditions (approx. 10 to 15 days)
25
maximal loading rate
CSTR 10 kg/(m³ d)
20
15
10
minimal hydraulic retention time
CSTR 20 days
5
0
0
5
10
15
20
25
30
35
HRT [d] (proportional to fermenter size)
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40
45
50
Herausforderungen: Reaktorgröße
Hochlastfermenter
volumetric loading rate vs. hydraulic retention time
10% Stillage
volumetric loading rate [kgoDM/(m³ d)]
35
maximal loading rate
AHP 30 kg/(m³ d)
30
AHP: (Anaerobic High Performance)
Biomass accumulates in the fermenter, high
biomass concentration in the fermenter.
retention time can be lower than generation time
of microorganisms at fermentation conditions
(approx. 10 to 15 days)
25
20
15
10
minimal hydraulic retention time
AHP 0.25 to 1 day
5
0
0
5
10
15
20
25
30
35
HRT [d] (proportional to fermenter size)
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40
45
50
Herausforderungen: Stickstofffracht
• Mittlerer Stickstoffgehalt der Schlempe 5 – 15% der
Trockenmasse
• Trockenmassegehalt der Schlempe 5 – 30%
• Stickstoffgehalt 2,5 – 45 g/L N
• Ammoniakgehalt hängt vom Proteinabbau ab
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Herausforderungen: Stickstofffracht
pH-Wert des Ammonium-Carbonat Puffers ohne Salze
Partialdruck CO2 0,45 bar; Temperatur 55 °C
8,5
8,0
pH
7,5
7,0
6,5
6,0
0
2
4
6
8
10
NH4-N [g/L]
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12
14
16
18
20
Herausforderungen: Stickstofffracht
Auswirkungen der Ammoniakkonzentration auf die Generationszeit
12
125 %
150 %
175 %
200 %
NH4-N [g/L]
10
8
µ/µmax
14
100%
90%
80%
70%
60%
50%
40%
30%
20%
10%
0%
0
50
100 %
100
150
200
250
300
350
NH3-N [mg/L]
6
4
2
125 %
0 200 %
6,00
6,50
7,00
7,50
pH
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Angelikadi und Ahring (1993) Appl Microbiol Biotech, 38 560-564
Gallert und Winter (1997) Appl Microbiol Biotech, 48 405-410
8,00
8,50
Pilotanlage für Schlempefermentation
(7 m³ netto)
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Letzte Versuchsergebnisse
loading rate
acetic acid equivalent
1000
10
900
9
800
8
700
7
600
6
500
5
400
4
300
3
200
2
100
1
0
0
/07
/08
/08
/08
/08
/07
/07
/07
/08
/08
/08
0
0
1
0
0
1
1
1
9
9
9
2
3
3
1
1
0
1
2
0
1
2
/
/
/
/
/
/
/
/
/
/
/
12
12
12
12
01
01
01
02
02
02
03
time
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loading rate [kgoDM/(m³ d)];
Acetic acid equivalent [g/L]
Methane yield [Nm³/toDM]
methane yield
Schlempefermentation: Aufenthaltszeit
methane yield
Hyraulic retention time
acetic acid equivalent
1000
30
900
Methane yield [Nm³/toTM]
700
20
600
500
15
400
10
300
200
100
5
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0
/08
/08
/08
/08
/07
/07
/07
/07
/08
/08
/08
9
9
9
0
1
1
1
1
0
0
0
0
1
2
1
0
1
2
3
1
2
3
/
/
/
/
/
/
/
/
/
/
/
12
12
12
12
01
01
01
02
02
02
03
time
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0
Hydraulic retention time [d];
Acetic acid equivalent [g/L]
25
800
Schlempevergärung –
Gärrestbehandlung (A3)
• Stabile Membranflüsse bis 200 L/(m² h) im Pilot-Maßstab
• Umkehrosmose zur Prozesswasserbereitstellung
• Wasserabtrennung ohne Verdampfung
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Zusammenfassung
Massen- und Energiebilanzen
• Größter Wärmeverbraucher einer Bioethanolanlage ist die DDGSProduktion
• Statt DDGS-Produktion kann die Schlempe in einer Biogasanlage
genutzt werden
• Ohne DDGS-Produktion kann mehr als die Hälfte des Wärmebedarfs
der Bioethanolanlage eingespart werden
• Verstromung des Biogases erzeugt elektrische Energie und Wärme
• Biogasprozess ist ideal für verdünnte Systeme, da die Energie in
Form von Methan aus dem Strom abgetrennt werden kann
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Zusammenfassung
Fermentation
• Biomasserückhaltung ist der Schlüssel zur
Schlempefermentation
• Raumbelastung von 10 kg/(m³ d) wurde stabil erreicht
• Hydraulische Aufenthaltszeit von 6,5 d
• Methanausbeute ist stabil bei hohen Beladungsraten
• Scale up in der Höhe wird die Biomasserückhaltung noch
verbessern
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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit
Dr.-Ing. Jürgen Kube, Färberstr. 7, 85276 Pfaffenhofen/Ilm, 08441/8086-112
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