2. Training - Was ist Biogas? (DBFZ)

2. Biogas-Training
Was ist Biogas?
Jaqueline Daniel-Gromke, Nadja Rensberg; Deutsches BiomasseForschungsZentrum
(DBFZ)
Ankara,
Ankara, 11.07.2011
Das Projekt ist Teil der Internationalen Klimaschutzinitiative. Das Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit fördert die Initiative aufgrund eines Beschlusses des
deutschen Bundestages.
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Was ist „Biogas“? (1)
• Biogas entsteht bei der mikrobiellen Zersetzung von organischer
Substanz unter Luftabschluss
• Brenngas aus ca. 50 - 80 % Methan (CH4) und 20 - 50 %
Kohlendioxid (CO2)
• Dieser Zersetzungsprozess erfolgt auch in der Natur (Sümpfe, am
Boden von Gewässern) → Das Wesen der Vergärungsanlagen
besteht also in der Überführung von natürlichen Abbauprozessen in
eine technische Gestalt. Dabei wird die freigesetzte Energie
(Biogas) technisch genutzt.
• Bei der Verbrennung von Methan entsteht auch CO2
CH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H2O
• Es entsteht nur soviel CO2, wie die Pflanzen während des
Wachstums aus der Atmosphäre aufgenommen haben, d.h. das
CO2 belastet nicht den globalen Kohlenstoffkreislauf.
Das Projekt ist Teil der Internationalen Klimaschutzinitiative. Das Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit fördert die Initiative aufgrund
eines Beschlusses des deutschen Bundestages.
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Was ist „Biogas“? (2)
Das Projekt ist Teil der Internationalen Klimaschutzinitiative. Das Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit fördert die Initiative aufgrund
eines Beschlusses des deutschen Bundestages.
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Was ist „Biogas“? (3)
Für die anaerobe Fermentation sind grundsätzlich alle nativ organischen Stoffe
aus dem landwirtschaftlichen Bereich, aus der Lebensmittelverarbeitung und aus
der kommunalen Getrenntsammlung von Bioabfall und Speiseresten geeignet, die
• frei von Fremd- und Störstoffen,
• frei von Ligninstrukturen (Holz),
• unbelastet von Schwermetallen und Zellgiften,
• besonders strukturarm, wasserreich und übel riechend sind.
Dazu zählen:
• Mist und Gülle aus der Tierhaltung (Schweine, Rinder, Geflügel),
• Abfälle aus der Lebensmittelverarbeitung (Tierschlachtung, Milchverarbeitung,
Verarbeitung von Obst + Gemüse, Speiseabfälle,
Fettabscheiderinhalte, etc.)
• Nachwachsende Rohstoffe (Maissilage, Getreide GPS, Getreidekörner, Gras,
etc.).
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Was ist „Biogas“? (4)
Produkte der Vergärung:
• Hauptprodukt der Vergärung ist das Biogas - ein vollständiger Ersatz
für fossile Brennstoffe (insbesondere Erdgas).
Folgende Anwendungen sind in Biogasanlagen möglich:
– Verbrennung in Heizkesseln zur Wärmeerzeugung (Warmwasser, Dampf),
– Verbrennung in Blockheizkraftwerken (stationärer Verbrennungsmotor
gekoppelt mit Generator) zur Erzeugung von elektrischem Strom und
Wärme,
– Reinigung des Biogases zu Erdgasqualität mit dem Ziel, es in vorhandene
Erdgasnetze einzuspeisen. Damit eröffnen sich alle Anwendungen, die es
für Erdgas gibt, d.h. auch Fahrzeugbetrieb mit Druckgas (CNG =
compressed natural gas).
• Daneben entsteht das Gärprodukt (flüssig oder fest), das als
organischer NPK-Dünger Anwendung in der Landwirtschaft, im Landschafts- und Gartenbau findet.
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Grundbegriffe – Biogas (1)
TS:
= Trockensubstanz
Trockensubstanz (TS) = Biomasse – Wasser;
→ Bestimmung durch Trocknen bei 105 °C bis zur
Gewichtskonstanz
oTS:
= organische Trockensubstanz (Glühverlust)
org. Trockensubstanz (oTS) =Trockensubstanz – Rohasche
→ Bestimmung durch Veraschung bei > 600 °C
Gasausbeute:
Biogasmenge, die in Bezug auf die eingesetzte
Substratmenge entsteht. (Angabe in m³/kg oTS)
Kosubstrate:
Zur Vergärung bestimmte organische Stoffe, die nicht
Wirtschaftsdünger (Gülle, Stallmist) sind.
Dazu zählen heute vor allem Nachwachsende Rohstoffe,
aber auch kommunale, gewerbliche oder industrielle
organische Abfälle.
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Grundbegriffe – Biogas (2)
Verweilzeit:
Die Verweilzeit ist die durchschnittliche Zeit, die ein Substrat im
Fermenter bleibt (mittlere hydraulische Aufenthaltszeit).
Bei Gülle ca. 30 - 40 Tage, bei NaWaRo ca. 60 - 100 Tage.
Raumbelastung:
Die Raumbelastung gibt an, welche Fracht an org. Material täglich
einem Volumenteil des Fermenters zugeführt wird (< 4 kg oTS/m³*d).
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Grundbegriffe – Biogas (3)
Nachwachsende Rohstoffe (NaWaRo
(NaWaRo)
NaWaRo):
Sammelbegriff für stofflich und energetisch genutzte Biomasse (keine Abfälle,
keine Futter- und Lebensmittel).
Es handelt sich hierbei i.d.R. um land- und forstwirtschaftlich erzeugte Rohstoffe
wie Holz, Flachs, Raps, Zuckerstoffe und Stärke aus Rüben, Kartoffeln, Getreide,
Gras oder Mais, die einer stofflichen oder energetischen Anwendung zugeführt
werden.
Dazu zählen auch Pflanzen und Teile von Pflanzen, die bei der Landschaftspflege
anfallen. (vgl. EEG vom 01.08.2004, § 8, Absatz 2, Ziff. 1a)
KraftKraft-WärmeWärme-Kopplung (KWK):
Gleichzeitige Umwandlung von eingesetzter Energie in elektrische (oder
mechanische) Energie und in Wärme, die zur energetischen Nutzung bestimmt ist
(Nutzwärme). In Biogasanlagen werden heute überwiegend Blockheizkraftwerke
(BHKW) eingesetzt.
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Umwelt- und Hygienevorteile durch
Biogaserzeugung
Herkömmliche Lagerung von
Abfällen führt zu hohen
Emissionen
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In Biogasanlagen entsteht daraus
wertvoller Dünger und klimafreundliche
Energie!
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Möglichkeit zusätzlicher Einnahmen /
Einsparungen
Einsparung anderer
Lösungen für Hygiene,
Trinkwasserschutz
Energieverkauf,
mögliche Einnahmen
durch CO2 - Zertifikate
Methanemissionen, CO2 –
Umrechnungsfaktor ca. 25
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Das Projekt ist Teil der Internationalen Klimaschutzinitiative. Das Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit fördert die Initiative aufgrund
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Vergleich Kompostierung - Vergärung
Vergärung
Kompostierung
•
•
•
•
•
•
•
Aerober Abbauprozess,
Drei-Stoff-Gemisch (org.
Feststoffe, Wasser und
Luftsauerstoff),
Nur geeignet für Schüttgüter,
Starke Freisetzung von Wärme,
Energie technisch nicht nutzbar
Freisetzung von CO2,
Lignin (Holzstoff) ist abbaubar.
•
•
•
•
•
•
Anaerober Abbauprozess,
Zwei-Stoff-Gemisch (organische
Substanz + Wasser),
Geeignet für flüssige, pastöse und
feste Biomasse (ggf.
Verdünnung),
Nur geringe Wärmefreisetzung,
Biogas energetisch nutzbar (bei
der Verbrennung wird CO2 frei),
Lignin ist nicht vergärbar.
Beide sind mikrobiologische Abbauverfahren für organische Substanz.
Produkte beider sind „Sekundärrohstoffdünger“, die auf den Acker gehören.
Nur soviel CO2 wird emittiert, wie die Pflanzen beim Wachsen aufgenommen
haben.
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Gärbiologie (1)
Der Biogasprozess im Fermenter entspricht dem
Verdauungsprozess im Pansen einer Kuh!
Beschickung
Motor
BiogasAnlage
Quelle: EBA-Zentrum Triesdorf
Produkt:
verbesserte Gülle
Produkte: Strom, Wärme
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Gärbiologie (2)
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Gärbiologie (3)
EinEin- oder zweistufige Vergärung ?
•
Einstufige Vergärungsanlagen vereinen alle 4 Schritte in nur einem
Reaktionsraum, dem Fermenter. Das hat den Vorteil, dass nur 1 Behälter zu
errichten ist. Allerdings sind die optimalen Milieubedingungen für die beteiligten
Bakterienarten z.T. recht unterschiedlich. Damit ist impliziert: optimal
eingestellte Bedingungen für eine Art ⇒ nicht optimal für die anderen Arten.
Auch die Stoffwechselgeschwindigkeiten der verschiedenen Arten sind sehr
unterschiedlich. Bei einstufigen Anlagen wird so die langsamste Art zur
bestimmenden für den Gesamtprozess. Die Folge davon sind sehr lange
Verweilzeiten (>> 30 Tage) und geringe organische Raumbelastungen (1,0 bis
3,0 kg oTS/m³*d).
•
Zweistufige Vergärungsanlagen trennen die Schritte 1 und 2 (Hydrolyse und
Versäuerung) räumlich von den Schritten 3 und 4 (Acetatbildung,
Methanbildung). Das hat den entscheidenden Vorteil, dass nun die
Milieubedingungen der beiden Stufen individuell eingestellt werden können und
damit die Leistungsfähigkeit des Gesamtprozesses deutlich gesteigert werden
kann. In der Folge sind Verweilzeiten des Gesamtprozesses < 25 Tage und
organische Raumbelastungen >> 3,0 kg oTS/m³*d (bis 8,0 kg oTS/m³*d)
möglich.
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Gärbiologie (4)
Vergärungstemperatur: mesophil oder thermophil ?
Stämme von Mikroorganismen werden entsprechend ihres
Temperaturoptimums
eingeteilt in:
– psychrophile ~ 5 … 20 °C,
– mesophile ~ 33 … 38 °C,
– thermophile
= 55 °C.
Psychrophile Abbauprozesse laufen in der Natur ab (z.B. Sümpfe),
haben jedoch keine Bedeutung in technischen Anlagen.
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Gärbiologie (5)
Die Mehrzahl der Biogasanlagen werden als mesophile Anlagen betrieben:
– Hohe Prozessstabilität, weil in diesem Temperaturbereich 12 methanogene
Stämme aktiv sind → gute Variabilität gegenüber unterschiedlichen Substraten,
– Ausreichend hohe Prozessgeschwindigkeit und Abbaugrad der org. Substanz
– Breites Temperaturoptimum
Thermophile Anlagen sind selten und nur in ausgewählten Spezialfällen zu
empfehlen:
– Nur 1 Bakterienstamm im thermophilen Bereich stoffwechselaktiv → Gefahr eines
instabilen Prozesses,
– Ca. 15 % höhere Gasausbeute (bei geringerem Methangehalt) bei kürzerer
Verweilzeit
– Sehr enges Temperaturoptimum
Wichtiger als die absolute Temperaturhöhe ist jedoch die Konstanz der
Temperatur.
Temperatur Untersuchungen bereits in den frühen 80-er Jahren haben ergeben,
dass ständige Schwankung um +/- 2 ° einer Gasausbeute bei einer konstanten
Temperatur von 24 °C entsprechen (ca. 60 %).
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Temperaturoptima
140%
120%
100%
80%
thermophil
mesophil
60%
40%
20%
0%
0 °C
10 °C
20 °C
30 °C
40 °C
50 °C
60 °C
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70 °C
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Gärbiologie (6)
NassNass- oder Trockenvergärung ?
– Nassvergärungsverfahren → pumpfähige Substrate (TS-Gehalt < 15 %),
– Trockenvergärungsverfahren → stapelbare Substrate (TS-Gehalt > 20
%).
Also, bei NaWaRo (Silagen, Getreideschrot) → Anwendung des
Trockenverfahrens?
Nein, methanogene Bakterien brauchen für Ihre Stoffwechselaktivität ein
feuchtes (nasses) Medium. Außerdem ist die wässrige Lösung besser
geeignet, Stofftransporte zur Zelle hin (Substrate) und von der Zelle weg
(Stoffwechselprodukte) zu gewährleisten.
Einige Trockenvergärungsverfahren arbeiten deshalb mit der Perkolation von
Nährlösungen durch den immobilen Biomassestapel.
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Gärbiologie (7)
Natürlich können auch in Nassvergärungsverfahren stapelbare
Substrate verarbeitet werden. Allerdings werden diese unter Zugabe
einer einsprechenden Flüssigkeit (Prozesswasser, Frischwasser, Gülle
etc.) zu einer Maische verdünnt, bevor sie in das biologische System
gepumpt werden. Einige Anlagenkonzepte führen auch die Feststoffe
und die Flüssigkeit auf separaten Wegen in das biologische System, so
dass erst im Fermenter die Vermischung erfolgt. In jedem Fall wird so
der Stofftransport bezüglich der einzelnen Bakterien (hin und weg)
innerhalb der Gärbehälter durch Rührwerke ermöglicht.
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Gärbiologie (8)
Bei allen biochemischen Prozessen ist ein
vollständiges Nährstoffangebot für die
Synthese von Biomasse unerlässlich.
Ausgehend von der Bruttoformel für
Biomasse C106H180O45N16P besteht folgender
Nährstoffbedarf:
Org. Kohlenstoff
C
45 – 50 %
Wasserstoff
H
7–9%
Sauerstoff
O
34 – 39 %
Stickstoff
N
2 – 10 %
Phosphor
P
0,1 – 6 %
Hinzu kommen noch einige Spurenelemente (Eisen, Nickel, Kobalt, Selen, Molybdän,
Wolfram u.a.). In den tierischen Ausscheidungen (Gülle, Mist) sind die essentiellen Stoffe in
ausreichendem und z.T. in überreichem Maße enthalten. Anders verhält es sich bei Einsatz
nachwachsender Rohstoffe. Hier kann es zu Einseitigkeiten kommen, die die von der
Biomasse bestimmten Substrat-Nährstoffverhältnisse wesentlich verändern. So führt
beispielsweise ein zu hohes C/N-Verhältnis dazu, dass ein Teil des vorhandenen
Kohlenstoffs kann nicht zu Methan umgesetzt werden kann (Methanbildungspotential bleibt
ungenutzt). Ein zu geringes C/N-Verhältnis hingegen führt zur Bildung von NH3 (Ammoniak)
aus überschüssigem Stickstoff.
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C/N Verhältnis des Gärsubstrates
vergaster Kohlensoffanteil
100%
80%
60%
40%
20%
0%
0,0
5,0
10,0
C/N Verhältnis
15,0
20,0
25,0
30,0
Abhängigkeit nach Kaltwasser, 1980
Das Projekt ist Teil der Internationalen Klimaschutzinitiative. Das Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit fördert die Initiative aufgrund
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Gärbiologie (9)
Hemmstoffe:
Hemmstoffe Antibiotika, Desinfektionsmittel, Lösemittel, Herbizide, Salze,
Schwermetalle.
Exakte Grenzwerte lassen sich in der Regel nicht benennen, weil die Bakterien in
begrenztem Umfang in der Lage sind, sich an veränderte Milieubedingungen
anzupassen. Man spricht auch von „Adaption“, d.h. im Verlauf von mehreren
Generationen kann die schädigende Toleranzschwelle verschoben werden.
Hemmstoffe können aber auch innerhalb des mikrobiologischen Abbauprozesses
gebildet werden. Dazu gehört die Bildung von Ammoniak.
Ammoniak Dieser steht im
chemischen Gleichgewicht zur Ammoniumkonzentration:
NH3 + H2O
+
-
NH4 + OH
Das chemische Gleichgewicht verschiebt sich bei steigendem pH-Wert und bei
steigender Temperatur hin zum toxisch wirkenden Ammoniak. Ammoniak hemmt
schon in geringen Konzentrationen das Wachstum der Bakterien (ab ca. 200
mg/l) und kann in höheren Konzentrationen zum völligen Zusammenbruch der
Bakterienpopulation führen.
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Verfahrensvarianten (1)
1. Durchfluss-Verfahren:
f
b
a
c
e
2. Speicherverfahren:
Gülle
d
a = Vorbehälter (Vorgrube)
b = Faulbehälter
c = Lagerbehälter
d = Folienhaube
e = Witterungsschutz
f = Überlauf
Gas
Gas
Gülle
Anlage leer
b+c
Anlage voll
Quelle:
Schulz, H. & Eder B.: Biogas-Praxis
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Verfahrensvarianten (2)
3. Speicher-Durchfluss-Verfahren:
d
e
f
Gülle
Gas
a
b
c
a = Vorbehälter (Vorgrube) d = Folienhaube
b = Faulbehälter
e = Witterungsschutz
c = Lagerbehälter
f = Überlauf
Quelle:
Schulz, H. & Eder B.: Biogas-Praxis
Das Projekt ist Teil der Internationalen Klimaschutzinitiative. Das Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit fördert die Initiative aufgrund
eines Beschlusses des deutschen Bundestages.
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Verfahrensvarianten (3)
Das Projekt ist Teil der Internationalen Klimaschutzinitiative. Das Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit fördert die Initiative aufgrund
eines Beschlusses des deutschen Bundestages.
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Technische Entwicklungen: Biomasse-Handling
Das Projekt ist Teil der Internationalen Klimaschutzinitiative. Das Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit fördert die Initiative aufgrund
eines Beschlusses des deutschen Bundestages.
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Fermenterbauformen (1)
Stehender Fermenter (Rührkessel)
Baumaterial:
Stahl-Beton, Edelstahl
Gasspeicher
(Folienhaube)
Fermenterdecke
(Holzkonstruktion)
Gasübertritt
Luftzufuhr
Überdrucksicherung
Propellerrührwerk
Überlauf
Isolierung
mit Witterungsschutz
V = 350 m³
d = 10 m
Betonbehälter
Gasentnahme
Substrateinlass
Wandheizung
zur Gasverwertung
Fussbodenheizung
Kondensatfalle
Quelle: Biogashandbuch Bayern, 2004
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Fermenterbauformen (2)
Deckenbereich (Gasraum nach 12 Jahren Betrieb)
Das Projekt ist Teil der Internationalen Klimaschutzinitiative. Das Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit fördert die Initiative aufgrund
eines Beschlusses des deutschen Bundestages.
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Fermenterbauformen (3)
Doppelkammer Fermenter (hydraulische Durchmischung)
Baumaterial:Stahl Beton, Edelstahl
Systeme: BIMA
VSP
INNOVAS
Zusammenstellung Ludley, Rostock
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eines Beschlusses des deutschen Bundestages.
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Fermenterbauformen (4)
Liegender Fermenter (Gärkanal, „Pfropfenstromfermenter)
Baumaterial:
Stahl-Beton, Edelstahl
Dach
Trennschicht
(Holzkonstruktion)
Feststoffeinbringung
Foliengasspeicher
Überdrucksicherung
Gasentnahme
Überlauf
Isolierung mit
Witterungsschutz
Betonbehälter
Flüssige
Substratzugabe
Zur externen
Entschwefelung
Kondensatfalle
Haspelrührwerk
Plattenheizung
Quelle: Biogashandbuch Bayern, 2004
Das Projekt ist Teil der Internationalen Klimaschutzinitiative. Das Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit fördert die Initiative aufgrund
eines Beschlusses des deutschen Bundestages.
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Mindestanforderungen an den Fermenterbau
• Werkstoffauswahl entsprechend Anforderungen, (d.h. beständig gegen
organische Säuren, Feuchtigkeit, H2S, Mikroorganismen etc.),
• Nutzvolumen entsprechend Auslegung (Raumbelastung, Verweilzeit),
• Gasdicht !!
• ca. 10% des geometrischen Volumens als Gasraum,
• Allseitige Wärmedämmung,
• Fermenterheizung (intern oder extern),
• Homogenisierungseinrichtung (mechanisch, hydraulisch oder
pneumatisch) an die Substrateigenschaften angepasst.
• Jederzeit von außen beherrschbar (Sand, Schaum etc.),
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eines Beschlusses des deutschen Bundestages.
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Rührwerkstechnik
Das Projekt ist Teil der Internationalen Klimaschutzinitiative. Das Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit fördert die Initiative aufgrund
eines Beschlusses des deutschen Bundestages.
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Biogasnutzungsmöglichkeiten (1)
BIOGAS
mäßige Aufbereitung
Reinigung
Reformierung
Brenner
Wärme
BHKW
Wärme
Strom
Fuel Cell
Wärme
Strom
Verdichtung
Speicher
Kraftstoffe
Erdgas-Netz
Source: Dr. P. Weiland; FAL Braunschweig, Germany 2001
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Biogasnutzungsmöglichkeiten (2)
Das Projekt ist Teil der Internationalen Klimaschutzinitiative. Das Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit fördert die Initiative aufgrund
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Abwärmenutzungen
o Nahwärme für Abnehmer mit kurzen Anbindungsleitungen
z. B. Nachbarbetriebe, Wohnhäuser
o Fernwärme für Abnehmer mit hohem Bedarf an
Prozesswärme z. B. Gärtnerei, Brauerei, Krankenhaus,
Schwimmbad usw.
o Speicherung der Wärme im Wasser, Erdreich oder
Kies/Wasserspeicher
o Trocknung von Holz (Sägewerke), Holzhackschnitzeln,
Kräutern, Tabak, Müll oder Klärschlamm etc.
o Umwandlung der Wärme in Kälte in einer
Absorptionskältemaschine zum Kühlen von Prozessen,
Büros und Ställen
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Biogasnutzungsmöglichkeiten (3)
BIOGAS
mäßige Aufbereitung
Reinigung
Reformierung
Brenner
Wärme
BHKW
Wärme
Strom
Fuel Cell
Wärme
Strom
Verdichtung
Speicher
Kraftstoffe
Erdgas-Netz
Source: Dr. P. Weiland; FAL Braunschweig, Germany 2001
Das Projekt ist Teil der Internationalen Klimaschutzinitiative. Das Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit fördert die Initiative aufgrund
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Biogasnutzungsmöglichkeiten (4)
Qualitätsanforderungen an Biogas als Kraftstoff
Methan:
≥ 96 Vol.%
Kohlendioxid
≤ 3 Vol. %
Sauerstoff
≤ 0,5 Vol. %
Schwefelwasserstoff
≤ 5 ppm
Staub
≤ 1 µm
Feuchte
Taupunkt: - 30 °C
Quelle: Prof. Dr. Ing. Peter Weiland (FAL)
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39
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
Türkisch-Deutsches Biogas Projekt
Deutsche Gesellschaft für
Internationale Zusammenarbeit (GIZ) GmbH
And Sokak No: 8/11
06680 Cankaya/Ankara, TURKEY
T
T
E
I
I
+90 312 466 7056
+49 6196 79830 007
[email protected]
www.giz.de
www.biyogaz.web.tr
Autor:
Jaqueline Daniel-Gromke, Nadja Rensberg
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