Entwicklung eines einfachen und für den Landwirt durchführbaren Verfahrens zur Überwachung der Prozessstabilität in landwirtschaftlichen Biogasanlagen

Abstract

Seit der Einführung des Erneuerbare-Energien-Gesetzes (EEG) sind der Bau und Betrieb einer Biogasanlage durch den finanziellen Zugewinn für eine wachsende Zahl von Landwirten lukrativ geworden. Der Betrieb einer Biogasanlage kann jedoch insbesondere kleinere landwirtschaftliche Betriebe vor große Herausforderungen stellen. So sind Schwankungen der Energiegehalte in den auf Biogasanlagen zudosierten Kosubstraten die Regel. Zu hoch dosierte Energiedichten können bei unzureichender Prozesskontrolle jedoch zu einer irreversiblen Versauerung des Reaktors führen. Diese gravierende Prozessstörung stellt wirtschaftlich einen großen Verlust für den Betreiber dar. Daher sollte ein preiswertes und für Landwirte einfach zu handhabendes Frühwarnsystem in Form eines Schnelltests zur Prozessüberwachung entwickelt und erprobt werden. Zu diesem Zweck wurde zunächst eine Recherche existierender Methoden zur Prozesskontrolle durchgeführt. Darüber hinaus wurden Laborstudien zur Klärung der Frage durchgeführt, ob der HCO3 --Puffer einen geeigneten Parameter zur Prozesskontrolle darstellt und ob er durch eine volumetrische Messung zuverlässig quantifiziert werden kann. Die in den Laborstudien gewonnenen Erkenntnisse sollten dazu genutzt werden ein praxistaugliches Messystem zu entwickeln. In Praxisstudien sollte der Schnelltest erprobt und weiterentwickelt werden. Aus der Literaturstudie wurde deutlich, dass der Großteil der auf dem Markt erhältlichen Analysen- und Messgeräte für den Einsatz auf kleineren landwirtschaftlichen Anlagen zu kostenintensiv ist und einen zu großen mess- oder wartungstechnischen Aufwand erfordert. Lediglich die Titrationsmethoden und die Küvettentests wären geeignet, sie sind in ihrer Durchführung jedoch umständlich. Es existierte zum Zeitpunkt der Literaturstudie noch keine technisch ausgereifte, preiswerte und einfach durchführbare Methodik, die es Landwirten erlaubte die Prozessstabilität der Vergärung ihres Biogasreaktors frühzeitig zu beurteilen. Die Ergebnisse der Laborstudien bestätigten die Eignung des HCO3 --Puffersystems als Prozessparameter für die Charakterisierung des anaeroben Gärprozesses einer Biogasanlage. Sowohl die volumetrischen als auch die titrimetrischen Messungen des HCO3 --Puffers bildeten Prozessveränderungen frühzeitig ab. In der Handhabung ist die volumetrische Bestimmung der Titration jedoch überlegen. Aufgrund anlagenspezifischer Pufferkapazitäten, bedingt durch unterschiedliche Trägersubstrate (Schweine-/Rindergülle, Wasser), Kosubstrate und Faulraumbelastungen, war es nicht möglich allgemeingültige HCO3 --Grenzwerte zur Prozesskontrolle festzulegen. Insbesondere bei niedrigen HCO3 --Puffergehalten besitzen regelmäßig erstellte Fettsäurenmuster eine hohe Aussagekraft hinsichtlich der Bewertung des Gärprozesses. Sie sind in einem solchen Fall für eine sichere Prozessführung zu empfehlen. Dabei besitzen die Fettsäuren als Summenparameter, wie sie z.B. titrimetrisch oder mit Hilfe von Küvettentests ermittelt werden können, eine oft nur ungenügende Aussagekraft, während Muster der Einzelfettsäuren eine präzisere Einschätzung der Gärsituation im Reaktor erlauben. Der pH-Wert reagierte insbesondere bei hohen HCO3 --Pufferkapazitäten leicht verzögert auf steigende Säurenkonzentrationen. Er scheint als alleiniger Parameter zur Überwachung landwirtschaftlicher Biogasanlagen nicht geeignet. Die Praxisstudien ergaben, dass der entwickelte Schnelltest prozessbedingte Änderungen der HCO3 --Puffergehalte zuverlässig quantifizierte. Von den Betreibern wurde der Prototyp hinsichtlich Handhabbarkeit und Praxistauglichkeit als geeignet für die Prozesskontrolle bewertet. Die Hydrogencarbonatbestimmung ist in kurzer Zeit durchführbar und erfordert kein chemisches Vorwissen, keine weiteren Geräte oder Berechnungen (vgl. FOS/TAC). Da es keine Messsensorik, wie z.B. pH-Elektroden, enthält, ist es wartungsfrei und wenig fehleranfällig. Aus den genannten Gründen ist die Messung mit dem System von jeder Person auf dem Betrieb durchführbar, was für den Betreiber eine Arbeitserleichterung darstellen kann. Für Anlagenbetreiber mit geringer Prozesskenntnis ist zur Ermittlung ihres anlagenspezifischen HCO3 --Puffergrenzwertes eine Charakterisierungsphase durch ein Labor zu empfehlen, nach dessen Abschluss Handlungsempfehlungen ausgesprochen werden können. Betreiber mit viel Prozesserfahrung könnten auch allein am Trend ihrer Messungen und einiger weniger Fettsäurenbestimmungen bereits Rückschlüsse auf die für ihre Anlage spezifische HCO3 --Pufferkapazität treffen und daraus ihre persönlichen Handlungsvorgaben ableiten. Das System versetzt Landwirte in die Lage auf einfachste Weise selbst Prozessführung zu betreiben. Sie können auf diese Weise ihre Kosten für Laboranalysen (Fettsäurenmuster) reduzieren und ggfs. ihrem Berater zuarbeiten. Die Carbonatmessungen können Beratern wertvolle Informationen liefern über Betriebszeiten, in denen sie selbst die Anlage nicht analytisch begleiten können.