Gliederung

1. Kapitel 3.2Biogasgewinnung und Verwertung Biomasseenergieerzeugungenergy fromrenewable raw materials

2. Gliederung Gliederung • Biochemie • Symbiose • Biogasproduktion • Biogasausbeuten • Gärversuche und Gärtest • Prozessbedingungen • Biogaserzeugung • Reaktoren • Reaktorbauarten • Biogasnutzung / Verwertung / Aufbereitung • Biogaskomponenten • Entschwefelungsverfahren / CO2-Abscheideverfahren • Zukunftsszenario

3. Biochemie Biochemie, der anaerobe Abbau

4. Symbiose Symbiose zw. H2 prod. und H2 verbr. MO Energie rein spontan Einfluss des Wasserstoffpartialdruckes auf die freie Enthalpiedifferenz ΔG

5. Biogasproduktion Einflussgrößen Biogasausbeuten Quelle: Einflüsse auf den Vergärungsprozess [Schattner und Gronauer (2000)]

6. Biogasausbeuten Biogasausbeuten verschiedener Substrate FM = Frischmasse in [kg o. t] TS = Trockensubstanz in [% von der FM] oTS = Organische Trockensubstanz in [% von der TS] (nur oTS ist mikrobiell verwendbar)

7. Biogasausbeuten Biogasausbeuten verschiedener Substrate

8. Biogasausbeuten Wertgebende Bestandteile C-Anteile entscheidend für die Energieerzeugung! N-Anteile entscheidend für das MO Wachstum (minimal 7mgN/g Mikroorganismen) C/N-Verhältnis daher optimal zwischen 10 – 16 (x mal mehr C als N)

9. Biogasausbeuten Hemmung / Minderung der Gasausbeute Bei Anwesenheit von Sulfaten und Nitraten (energetisch günstiger): CH3-COO-+ SO42- 2HCO3- + H+ + S2- 4H2 + SO42- 4H2O + S2- 2 NO3- + 5H2 N2 + 2OH- + 4H2O Schwefelwasserstoffbildung (entsteht bei Vergärung): S2- + H+ HS- HS- + H+ H2S AusgewählteHemmstoffe: Ammoniak,Schwefelwasserstoff, Schwermetalle, Sulfate, etc. Fettsäureanreicherung, Überangebot an Nährstoffen Sulfatreduktion / Nitratreduktion kein CH4! (Klauenwäsche durch Kupfersulfat) Wasserstoff wird verbraucht!

10. Gärversuche / Gärtest • Gärtest nach nach DIN 38 414 Teil 8 (DEV) Gärtest Probe homogenisiert, mechanisch aufbereitet (Siebung 10 mm, Sieb-überlauf zerkleinern), Animpfen mit Schlamm in Standflasche, Luftdicht , 35°C, pH =6,6 – 8,0 gebildete Gasmenge entspricht Gasbildungspotential nach 28 Tagen, Qualitätstest auf CH4, CO2, H2S, ... Bezug auf TS-Gehalt, Angabe in Nl/(kgTS*d)

11. Gärversuche / Gärtest • Gärtest nach nach DIN 38 414 Teil 8 (DEV)

12. Gärversuche / Gärtest • Gärtest nach nach DIN 38 414 Teil 8 (DEV)

13. Biogas pro kg oTS“ gewählt. Prozessbedingungen • Prozessbedingungen und Variablen

14. Biogaserzeugung • Gesamter Prozessablauf der Biogaserzeugung

15. Biogaserzeugung • Beispiel Gesamtmassenfluss Bioabfallvergärung Abbaugrad:  = (coTS, zu - coTS, ab)/coTS,zu Abbaugrade der Vergärung: 31 % TS, 52 % oTS, 12 % Feuchtmasse Abbaugrade der Nachrotte: 10 % TS, 31 % oTS, 17 % Feuchtmasse

16. Biogaserzeugung • Grundparameter Richtwerte BR = 4 – 5 kgoTS/m³d Verweilzeit tm = 20 d (bei Güllen, Mist, Bioabfall) bzw. 70 d (bei NaWaRo)

17. Reaktor • Bauformen Reaktor (Fermenter) • Bauformen unterschiedlicher Gärreaktoren: • Nichtgerührte „Tanks“ oder „Gruben“ im ländlichen Bereich bei Mist- oder Gülle Vergärung meist Kleinanlagen • Nichtgerührte Reaktoren nach dem UASB-Prinzip (unaerobic-sludge-blanket) für Substrate mit geringem Feststoffgehalt oder Trockenfermentation • Gerührte Gärreaktoren

18. Reaktor • Bauformen Reaktor und Materialien (Fermenter) BeispieleBaustoffe: • Mauerwerk alte Anlagen im landl.Bereich • Emaillierter Baustahl St37 oder Edelstahl V2A, imGasraum V4a • Beton B35 – B25 Merkblatt Beton für Biogasanlagen (WU-Beton) • Kunststoffe

19. Bauart • Erwärmung Reaktor (Fermenter) Quelle: Systeme zur Erwärmung der Reaktionsmasse im Fermenter [Dr. Bernd Linke, Agratechnik Bornim, ATB] Bei hohem industr. Standart = extern (hohe Kosten) Bei landw. Standart = intern (geringe Kosten) Beide Verfahren gleichrangig im Einsatz

20. Bauart • Erwärmung Reaktor (Fermenter)

21. Bauart • Druchmischung Reaktor (Fermenter) Die spezifische Rührerleis-tung liegt zwischen 10 – 15 W/m3 Quelle: Systeme zur Durchmischung des Fermenterinhaltes [Dr. Bernd Linke, Agratechnik Bornim, ATB]

22. Bauart • Substratzufuhr Reaktor (Fermenter) • Substrat Fördereinrichtungen und Pumpen: • häufig Spiralförderer oder Transportbänder, Schneckenförderer • Bei Substrat mit nur wenig Feststoffanteil wie Stroh wird eine Tauchpumpe mit Schneidrad eingesetz • Bei allen anderen Pumpen zur Substratförderung werden meist Excenterschneckenpumpen oder Drehkolbenpumpen eingesetzt (aber immer Verdrängerpumpen!) • Der Austrag flüssigen Gärgutes kann auch durch Gravitation über einen Siphon erfolgen • Bei Rohrleitungen von DN 80 bis 150 muss eine Mindestgeschwindigkeit von w = 0,3 m/s eingehalten werden (sonst Absetzen von Schwebstoffen z.B. TS) Der Energieaufwand für das Aufrechthalten der Betriebstemperatur, Rühren und Pumpen in einem konventionellen Rührkessel beträgt 20 bis zu 35 % der Bruttoenergieproduktion!

23. Verwertung • Biogasnutzung (die 3 Hauptpfade)

24. Aufbereitung • Biogasaufbereitung Biogasreinigung in Abhängigkeit vom Verwendungszweck Nein = keine spezielle aufbereitung nötig Ja = spezielle Konditionierung grundlegende Voraussetzung Umrechnung ppm in Vol.% = 10.000ppm entspr. 1 Vol.% Fackel brennt bei ca. 30 Vol.% CH4 – BHKW bei 45 – 48 Vol.% CH4

25. Aufbereitung • Biogasaufbereitung bis zur Einspeisung • In jedem Fall aber zu beachten: • Notfackel für den gesamten Biogasvolumenstrom bzw. Feuerungsleistung • Gasspeicher für mind. 2-3 h • Entschwefelungsverfahren: biologisch, physikalisch oder chemisch

26. Biogasbestandteile • Ausgewählte Biogaskomponenten (allg.)

27. Entschwefelung • Entschwefelungsverfahren biologisch Thiobacillus thiooxidans, aerob, chemolithoautotroph, opt. pH-Wert 2 –2,8, T 25-30 °C Sulfolobus acidocaldarius, aerob, fakultativ autotroph, chemolithoheterotroph, opt pH-Wert 2 – 3, T 75-85°C Direkte Oxidation zu Schwefelsäure:  H2S + 2O2 → H2SO4 Oder indirekt über elementaren Schwefel:  2 H2S + O2 → 2S + 2 H2O 2 S + 2H2O + 3O2 → 2H2SO4

28. Entschwefelung • Entschwefelungsverfahren physikalisch • Eingesetzte Apparate: • an Festbettadsorbern • oder seltener an Wanderbettadsorbern • Eingesetzte Sorptionsmaterialien meist in Pellets: • Aktivkohle oder Aktivkoks • Silikagel • Aktivtonerde oder • Zeolithische Molekularsiebe

29. Entschwefelung • Entschwefelungsverfahren chemisch • Eingesetzte Verfahren: • Oxidation von Schwefelwasserstoff an Eisenoxidmassen • Ausfällung des Schwefelwasserstoffs durch Zugabe von Eisensalzen oder Laugenwäsche • Eingesetzte Apparate: • Füllkörperkolonnen • Wanderbettadsorber • Flugstromadsorber • 2Fe(OH)3+ 3H2S → Fe2S3 + 6H2O • Regeneration des gebildete Eisensulfid durch Zufuhr von Luftsauerstoff in das Biogas: • 2Fe2S3+ 6H2O + 3O2 → 4 Fe(OH)3 + 6S

30. Gaseinspeisung • Gaseinspeisung (ausgewählte Verfahren) • Folgende DVGW-Arbeitsblätter sind bei der Gaseinspeisung besonders zu beachten: • G 260 „Gasbeschaffenheit“ • G 262 „Nutzung von regenerativ erzeugten Gasen“ • G 280 „Gasodorierung“ G 685 „Gasabrechnung“

31. Gasaufbereitung • CO2- Abscheideverfahren (Überblick)

32. Gasaufbereitung • DWA (PSA) Druckwechseladsorption

33. Gasaufbereitung • DWA (PSA) Druckwechseladsorption kompl.

34. Gasaufbereitung • DWW Druckwasserwäsche kompl.

35. Ziele • Zukunftsszenario „Große Anlagen für große Ziele“ Im Jahr 2020 sollen 6 Milliarden Kubikmeter Bio-Methan in das Erdgasnetz eingespeist werden. Dies würde 6% des deutschen Gasverbrauches des Jahres 2006 decken. Die Bundesregierung will damit einen Teil ihrer Klimaschutzziele erreichen. Was bedeutet das? 21 bestehende Anlagen 27 weitere im Bau Wie kommen wir zum Ziel? 1.200 weitere Anlagen bis 2020!!!! Ist das zu schaffen!!!???