Hochlastvergärung

Laufzeit:

1-6-2016 - 31-5-2019

 

Beschreibung:

Teilnehmer: FH Münster (Federführung), Bioenergiecluster Oost Nederland, PlanET

 

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Die bestehenden landwirtschaftlichen Biogasanlagen entstanden weitestgehend aus abgedeckten Lagerbehältern für tierische Ausscheidungen aus größeren Stallanlagen.

 

Das hier zu untersuchende Verfahren baut auf einem vollkommen neuen Reaktorkonzept auf, bei dem durch ein innovatives Reaktordesign ein effizienter Biomasserückhalt erfolgt. Dies ermöglicht Fahrweisen mit erheblich kürzeren Verweilzeiten. Die anaeroben Mikroorganismen, die die Substrate in Biogasanlagen abbauen, vermehren sich aufgrund ihres Stoffwechsels im Vergleich zu den aeroben Mikroorganismen vergleichsweise langsam. Daher hat der Rückhalt der Organismen für einen schnellen effizienten Abbau der Biomasse eine große Bedeutung. Konventionelle Biogasanlagen werden als kontinuierliche Rührkesselreaktoren betrieben. Das bedeutet, dass stetig mit dem Gärrest auch Bakterien dem System entnommen werden. Aufgrund dieser Tatsache wird die Verweilzeit des Substrats in der Anlage durch die Vermehrungs-geschwindigkeit der Bakterien bestimmt. Eine zu geringe Verweilzeit hat Auswaschung der Organismen und damit das Ende der Biogasproduktion zur Folge. Durch die Verwendung eines Reaktors, der die Mikroorganismen im System hält, kann die Bakteriendichte im Reaktor erhöht und damit die Abbaugeschwindigkeit erhöht werden. Der Rückhalt der Organismen kann beispielsweise durch die Bildung von Granulaten und dem Rückhalt der Granulate erfolgen. Ein Beispiel hierfür ist der Upflow anaerobic sludge blanket (UASB), der bereits in der industriellen Abwassertechnik eingesetzt wird. An der Fachhochschule Münster wurden in der Vergangenheit bereits Versuche zur anaeroben Behandlung von Textilabwässer durchgeführt. Die Versuche haben gezeigt, dass die Abwässer bereits nach einer Verweilzeit von fünf anstatt erst nach 40 Tagen abgebaut waren.

 

Durch die Entwicklung eines äquivalenten Verfahrens für den Abbau von landwirtschaftlichen Reststoffen, mit einem hohen Wassergehalt, kann die energetische Verwertung dieser Stoffe immens an Effizienz gewinnen und technisch im Bereich der Biogastechnologie eine neue Entwicklungsstufe von Biogasanlagen darstellen.

 

Im Rahmen des Arbeitspakets wird ein neuartiger Biogasreaktor für die Vergärung von Wirtschaftsdüngern sowie anderen flüssigen Reststoffen, wie Presswässern, entwickelt und untersucht. Hierbei handelt es sich um einen Hochleistungsreaktor, der sich in seinem Reaktordesign deutlich von landwirtschaftlichen Biogasanlagen absetzt. Ansatzpunkt sind hier Reaktorkonzepte aus der industriellen, anaeroben Abwassertechnik. Diese Reaktoren erreichen erheblich höhere Belastungen und damit kürzere Verweilzeiten, kleinere Reaktorvolumina und geringere Investitions- und Betriebskosten. Auch werden höhere Gasausbeuten und ein höherer sowie schnellerer Abbau der organischen Substanz ermöglicht. Die eingesetzten flüssigen Substrate werden auf diese Weise optimal ausgenutzt. Die Hochlastreaktoren können allerdings nur mit weitgehend flüssigen, feststoffarmen Substraten beschickt werden. Daher eignen sich Hochlastreaktoren besonders für dünnflüssigen Wirtschaftsdünger, Presswässer und Filtrate aus der Separation von Wirtschaftsdüngern. Gerade diese fallen in großen Mengen an und können so kostengünstig mit einem effizienten Reaktorkonzept energetisch verwertet werden. Der Abbau der enthaltenen Organik ermöglicht ebenso eine effektivere Nutzung der enthaltenen und nicht abgebauten Nährstoffe, insbesondere Stickstoff, im Anschluss an die energetische Nutzung.

 

Im Rahmen des Arbeitspaketes werden in einem halbtechnischen Versuchsreaktor grundlegende Versuche durchgeführt. Hier werden die Rahmenbedingung für die Nutzung von flüssigen Substraten in einem Hochlastsystem, vergleichende Reaktionskonzepte erarbeitet und Optimierungspotenziale erhoben. Die Erfahrungen und Ergebnisse aus den geplanten Versuchsreihen bereiten eine anschließende Nutzung in einer großtechnischen Biogasanlage vor.

 

1. Stand der Technik und Anwendung für flüssige Reststoffe (D/Nl)

 

In diesem Arbeitspaket wird der aktuelle Stand der Technik erarbeitet. Hierzu wird eine Literatur- und Marktrecherche angefertigt. Ziel der Literaturrecherche ist es, geeignete Reaktorkonzepte für einen Hochlastreaktor für den Betrieb mit flüssigen Reststoffen, wie tierischen Exkrementen oder Presswässern, zu vergleichen und einen für die Anwendung geeignetes Reaktorkonzept für die anschließenden Versuchsreihen auszuwählen. Zunächst wird die IST-Situation in der deutschen und niederländischen Projektregion zum Anfall und Art der infrage kommenden Substrate von erhoben und ausgewertet. Anschließend werden anwendbare Reaktortypen und bereits gemachte Erfahrungen Dritter zur Anwendung von Hochlastreaktoren in landwirtschaftlichen und thematisch verwandten Bereichen ermittelt.

 

Entscheidend für den erfolgreichen Betrieb einer solchen Anlage ist auch die notwendige Konditionierung der Substrate. Zu nennen sind hier beispielsweise die Zerkleinerung mittels mechanischen Aufbereitungsverfahren und auch die Abtrennung grober, partikuläre Bestandteile.

 

Aus dem gesammelten Wissen wird im abschließend ein Verfahrenskonzept erarbeitet. In das Verfahrenskonzept fließt neben den oben ermittelten Daten auch eine erste grobe Beurteilung der Wirtschaftlichkeit ein. Voraussichtlich wird das Verfahrenskonzept wie in der Abbildung 2 dargestellt aussehen.

 

2. Bau eines halbtechnischen Hochlastreaktor

 

Auf Basis des Verfahrenskonzeptes werden zwei Laborbiogasanlage im Technikum der FH-Münster errichtet. Mit Hilfe dieser kontinuierlich arbeitenden Anlage ist es möglich, die Eignung von z.B. Wirtschaftsdünger für die anaerobe Vergärung in einem Hochlastverfahren zu untersuchen. Hierbei werden neben der grundsätzlichen Eignung, die notwendige Konditionierung der Substrate, erfolgreiche Reaktorkonzepte und biologische sowie technische Rahmenbedingungen festgelegt.

 

Diese Anlage bietet entscheidende Vorteile gegenüber herkömmlichen Batchversuchen. Es können für Biogasanlagen aus der Praxis, spezifische Rahmenbedingungen (Temperatur, Nährstoffe, Intervalle für die Substratzufuhr, Verweilzeit, u.a.) explizit eingestellt und untersucht werden. Daher sind die Ergebnisse aus solchen Versuchen als sehr praxisnah und übertragbar einzustufen. Der Aufbau und die Inbetriebnahme einer solchen Anlage sind entsprechend betreuungsintensiv. Die Anlage kann in das vorhandene Technikum der FH Münster integriert werden und partizipiert entsprechend von der vorhandenen Laborausstattung, so dass eine umfassende Analyse der Untersuchungsparameter in weiten Teilen gegeben ist.

 

3. Untersuchung der Potenziale verschiedener Substrate

 

In dem dritten Arbeitspaket werden die unter Punkt 1 identifizierten Substrate untersucht. Hierfür wird zu Beginn der Biogasertrag der Substrate mit dem Batchgärtest der FH Münster ermittelt und die sich daraus ergebenen Potenziale in der Projektregion errechnet. Auf Basis einer ersten Wirtschaftlichkeitsberechnung werden anschließend die Substrate, die für die wirtschaftliche energetische Verwertung geeignet sind in dem entwickelten Hochlastreaktor vergoren. Anhand dieser Versuche können die Aussagen aus den Batchversuchen überprüft und somit abgesichert werden. Des Weiteren erlauben sie eine Aussage zur Verweilzeit der Substrate im Reaktor, welche einen wesentlichen Einfluss auf die Wirtschaftlichkeit hat.

 

4. Berichterstellung und Öffentlichkeitsarbeit

 

Für die abschließende schriftliche Bewertung werden über den gesamten Projektzeitraum die Ergebnisse und deren Interpretation aus den Versuchen in einem Bericht zusammengefasst. Ein Augenmerk wird auf die Übertragbarkeit in die Praxis geworfen. Ebenfalls stehen der Wissenstransfer zwischen den Ländern sowie die Veröffentlichung der Ergebnisse hier im Fokus. Die Veröffentlichung der Ergebnisse erfolgt durch Artikel in nationalen und internationalen Medien sowie durch Tagungsbeiträge und in den Netzwerken der Partner.

Milestone

 

Beschreibung:

 

1. Meilenstein:

Das Verfahrenskonzept ist vollständig erstellt und eine erste wirtschaftliche Betrachtung des Konzeptes wurde durchgeführt.

 

2. Meilenstein:

Die zwei halbtechnischen Reaktoren wurden geplant, gebaut und in Betrieb genommen.

 

3. Meilenstein:

Die zuvor identifizierten Substrate wurden untersucht und die Verwertung wirtschaftlich bewertet.

 

4. Meilenstein:

Das Projekt wurde abgeschlossen, die Ergebnisse in einem Bericht zusammengefasst und Veröffentlicht.