Biogasanlage

• 2021 etwa 13 % aus 9770 Biogasanlagen

  -> Anfangs eher kleine Anlagen, heute geht der Trend zu größeren Anlagen

  -> Attraktiv, da Abfälle wie Gülle, Mist, CO-Substrate wie Silage oder Futterreste dezentral am Hof anfallen

  -> eigene Biogasanlage verhindert lange Transportwege

• 2014: Ausbauleistung auf 100 MW begrenzt

• Alte Anlagen fallen aus der Förderung und müssen ihren Strom am Markt anbieten, das ist manchmal nicht wirtschaftlich möglich

  
  

  -> ab 2017 im neuen EEG, Bekenntnis des Staats zu Biogas als flexibler, speicherbarer und umweldfreundlicher Energoeträger

1. Basissubstrat (z.B. Gülle) wird mit Co_Substraten (z.B. Silage) im Fermenter vermischt

2. Im Fermenter findet eine anerobe Vergärung statt, bei der Biogas von Bakterien gebildet wird

3. Vergorenes Substrat (Gärrest) bleibt zurück, diese kann wiederrum als Dünger verwendet werden

4. Energetische verwendung im BHKW (Gasottomotor oder Zündstrahlmotor) oder Aufreinigung zu MEthan und Einspeisung ins Erdgasnetz

(Abwärme aus BHKW zur Versorgung des Fermenters, des Wohnhaueses, der Stahlung oder zu Nahwärme)

• aneerobe Fermentaion -> Basis und Co-Substrate werden durch Bakterien zersetzt

• Produktgas besteht aus 2/3 Methan, knapp 1/3 CO2 und 5% Wasser

  -> Weitere Anteile bestehend aus Wasserstoff, Schwefelwassersstoff, Ammoniak und anderen spurengasen

1. Hydrolyse: Aufspaltung der langkettigen Moleküle (Fette, Eiweiße, Kohlenhydrate) in kurzkettige Fettsäuren, Aminosäuren und Zucker

   -> Enzyme die aus Bakterien hervorgehen

2. Acidogenese: Produkte der Hydrolyse werden durch säurebildende Bakterien in kurzkettige Fettsäuren (Butter-,Essig-,Propionsäure) und Wasserstoff und CO2 umgewandelt

3. Acetogenese (Essigsäurebildung) die kurzkettigen Säuren werden in Vorläufersubstanzen des Biogases umgewandelt

   -> Bakterien diese Schrittes müssen eine Symbiose mit den Methanbakterien eingehen, da die Methanbakterien den Wasserstoff verbraucht, denn die Bakterien der Acetogenese hemmen

4. Methanogenese: Essigsäure, Wasserstoff und CO2 werden zu Methan

-> Laufen alle 4 Schritte in einem Fermenter ab, so spricht man von einstufigen Anlagen. Kompromis für die vier Bereiche notwendig

-> In zweistufigen Anlagen können die Prozessschritte in zwei Fermentern stattfinden -> Höhere Gasausbeute

• Sauerstoffanteil: -> Für große Teile der Bakterien im Fermenter ein Hinderniss (gerade Methanbakterien) -> da viele unterschiedliche Bakterien am Prozess teilnehmen, kann das O2 meist rechtzeitig verbraucht werden

• Temperatur: sehr wichtiger Parameter unpassende Temperaturen schaden den Bakterien.

  -> psychrophile Bakterien Optimum bei 25^C

  -> mesophile Bakterien (u.a Methanbakterien) 32-42°C (wichtigster BEitrag zur Produktion) (größter Anteil an Bakterien

  -> thermophile Bakterien 50 bis 57°C (instabil)

-> Reaktion im Fermentor ist exotherem, jedoch reicht die frei werdene Wärme für die meso- und thermophilen Bakterien nicht aus -> externe Beheizung!!

• pH-Wert:

  -> im Einstufigen Prozess besteht das Problem, dass säurebildende Bakterien am liebseten in einem pH-Bereich von 4,5 bis 6,3 arbeiten, Essigsäure und Methanbakterien aber am liebsten bei 6,8 bis 7,5

  -> zweistufiger Prozess kann helfen

• Nährstoffversorgung:

  -> Bakterien brauchen nicht nur Substrate sondern auch Nährstoffe wie Nickel, Eisen und Kobalt

  -> Substratzufuhr mit einem C/N Verhältnis 10-30 optimal

  -> Hemmstoffe wie Schwermetalle, Lösungsmittel und Salze können in zu großer Menge toxsisxch auf Bakterien wirken (Manche Hemmstoffe entstehen aber auch im Fermenter)

Raumbelastung B_r abhänig von:

• Massenstrom der organischen Trockensubstanz (oTS)

• Massenstrom an Abgischmasse (FM)

hydraulische Verweilzeit:

-> beide Parameter hängen miteinander zusammen, da mit steigender Raumbelastung mehr Substrat zugeführt wird und so die Verweilzeit zurückgeht. (üblich 30-60 Tage)

Durchmischung: ebenfalls von großer Bedeutung, da die Bakterien frisches Substrat benötigen, eine zu starke Durchmischung kann jedoch zum Abwürgen des Reaktors führen

Anzahl der Prozessstufen:

• Unterschied zwischen ein- und zweistufigen Anlagen hauptsächlich, die räumliche Trennung der einzelnen Vergärungsphasen (Hydrolyse, Versäuerungsphase, Essigsäurebildung, Methanbildung)

• Zweistufig: Hydrolyse und Versäuerungsphase in externen Behälter

  -> einstufig für Landwirtschaft am wichtigsten

Prozesstemperatur:

• Grenzen zwischen psychrophilen, mesophilen und thermophilen Bereichen schwimmend

• 85% der Anlagen werden im mesophilen Bereich betrieben (32 - 42°C)

Art der Beschickung:

• Art der Substanzzuführung extrem wichtig für den Gasertrag

• unterschieden wird zwischen:

  • diskontinuierlicher Beschickung

  • quasikontinuierlicher Beschickung

  • kontinuierlicher Beschickung

Hier wird zwischen dem Batch- und dem Wechselbehälter- verfahren unterschieden. (wichtigste Beschickungsart)

Batch:

• Fermenter wird komplett mit frischem Substrat gefüllt und Luftdicht verschlossen. Dort bleibt die Masse bis zum Ende ohne weitere Zu- oder Entnahme

• Gasausbeute nicht gleichmässig erst langsam, dann schnell und dann wieder langsame Entnahme an Gas

Wechselbehälterverfahren: (zwei Behälter)

• Behälter 1 wird langsam gefüllt während das Substrat in Behälter 2 langsam vergärt

• ist die Befüllung abgeschlossen wird Behälter 2 vollständig geleert und danch langsam gefüllt

Unterscheidung zwischen Durchfluss-, Speicher- und kombinierten Verfahren

Durchfluss-Verfahren: (meiste Verwendung in D)

• Aus Vorgrube wird eine bestimmte Menge Substrat mehrmals täglich in den Gärbehälter gefüllt -> selbe Menge Faulmaterial wird aus Gärbehälter in Lagerbehälter übergeben

Speicher-Verfahren: (Fermenter und Lagerbehälter zusammengefasst)

• voller Behälter wird bis auf einen Rest zum animpfen geleert. Dann wird der Behälter langsam befüllt.

• Ertrag nicht kontinuierlich aber gut steuerbar

Kombiniertes Durchfluss-Speicher-Verfahren:

• Restelager wird ebenfalls abgedeckt, somit wird das dort entstandene Gas abgefangen werden

Aufreinigung des Biogases für jede Verwendung notwendig.

Gasreinigung: (Wasserdampf und Schwefelwasserstoff)

-> Schwefelwasserstoff ist toxsisch

-> Mit dem Wasserdampf kann Schwefelsäure entstehen, diese ist gefährlich für Rohrleitungen und Gasmotoren

-> Entschwefelung und Trocknung erforderlich!!

Entschwefelung:

Biologisch: Findet im Fermenter unter Sauerstoffzufuhr und Zugabe des Bakterium Sulfobacter oxydans (meist im Substrat enthalten)

-> H2S wird in elementaren Schwefel zerlegt

Chemisch: Substanz wird zugeführt, die den Schwefel chemisch bindet und die Freisetzung von H2S verhindert

Trocknung: auskondensieren des Wasser durch gekühlte Rohrleitungen

Kraft-Wärme-Kopplung:

• BHKW mit Verbrennungsmotoren bei 1500 U/min

  -> Zündstrahl- oder Gasottomotoren

  -> Alternativ auch Stirlingmotoren, Mikrogasturbinen und Brennstoffzellen (nicht sehr häufig)

• Strom dirket in Netz mit 50hz

• Wärme für Fermenter, Stall Wohnhaus oder Nahwärme

• Gesamtwirkungsgrad 75 bis 85%

  -> thermischer Wk: 40-45%

  -> elektrischer Wk: 35-40%

Einspeisen ins Erdgasnetz:

• heute speisen etwa 200 der 9000 Anlagen Methan ins Netz

• CO2-Abscheidung, Entschwefelung und Trocknung zwingend erforderlich

• Heizwert und Wobbe-Index müssen angepasst werden

• Druckwasserwäsche (DWW): CO2 wird unter Druck von Wasser physikalisches gebunden (Absorbiert)

• Druckwechseladsorption (PSA): CO2 unter Druckeinwirkung an einer Kohlenstoffoberfläche angelagert -> mehrer Prozessschritte nötig

• Abscheidung des CO2 aus dem Methan über eine Polymembran

• Drucklose Aminwäsche die das CO2 löst und bindet, die Aminflüssigkeit wird dann thermisch regeneriert

• Mais und Grassilage wird zu Biogas vergoren

• Silage -> Fermenter (40°C) -> Nachfermenter (Gärrestlager) -> Feld

• Biogas treibt BHKW an, Wärme für die ges. Anlage, größter Teil wird gereinigt und ins Gasnetz gespeist

• zwei Anlagen -> Strom für 2700 Haushalte