Energie- und Stoffumsetzung in Biogasanlagen

Abstract

Die fehlende bzw. vornehmlich auf Labortests beruhende Datenlage zur Biogastechnologie war Ausgangspunkt für ein Pilotprojekt und die vorliegende Arbeit, in dem über eine Messperiode von zwei Jahren hinweg praxisrelevante Kenndaten an vier landwirtschaftlichen Biogasanlagen messtechnisch erhoben wurden. Die vier mit einer umfangreichen Messtechnik ausgestatteten Anlagen werden im mesophilen Temperaturbereich betrieben und verwerten neben Wirtschaftsdünger, nachwachsende Rohstoffe und organische Reststoffe. Die durchgeführten Messungen umfassen zum einen den Bereich der Bilanzierung, d. h. die Ermittlung von Gaserträgen, Energieausbeuten und -nutzungen und zum anderen den Bereich der Prozessanalyse. Die Prozessanalyse diente der Untersuchung von Parametern, die Aussagen über die Stabilität des Gärprozesses und der Inhaltsstoffe des Substrates zulassen. Bei den Messungen wurden der energetische In- und Output der Anlagen erfasst. <br /> In den vier Biogasanlagen mit einer installierten elektrischen Leistung von 160-200 kW (2.80 kW, 2.100 kW) werden den Fermentern täglich 20-31 t organisches Substrat zugeführt. Die Substratzufuhr erfolgt in Anlehnung an den erforderlichen Biogasbedarf um eine möglichst hohe Auslastung der BHKW zu erreichen. Die Anlagen erzeugen aus dem zugeführten Substrat zwischen 1642 m³/d (160 kW) und 1941 m³/d (200 kW) an Biogas. Im Nachgärer wird ein Anteil von bis zu 32 % der gesamten Gasproduktion erzielt. Das Resultat spricht damit aus ökonomischer sowie ökologischer Sicht für die Ausstattung des Nachgärers mit einem Foliengasspeicher. Das Biogas besteht zu 52,3-59,7 % aus Methangas und 143,2-357,8 ppm Schwefelwasserstoff. Aus dem produzierten Biogas werden täglich 3555 (160 kW_el) bis 4735 (200 kW_el) kWh an Strom sowie 2908 (160 kW_el) bis 3780 (200 kW_el) kWh an Wärme erzeugt. Damit entstehen aus einem Kubikmeter Biogas 1,7 kWhel (80 kW_el-Motor) bzw. 2,1 kWhel (100 kW_el-Motor) elektrische Energie. Der elektrische Wirkungsgrad der acht untersuchten BHKW beziffert sich bei den beiden 80 kW_el-Motoren im Durchschnitt auf 31,4 % und bei den sechs 100 kW_el-Motoren auf 36,5 %. Die 80 kW_el-Motoren erzielen lediglich einen thermischen Wirkungsgrad in Höhe von 29,5 % und die 100 kW_el-Motoren von nur 28,9 %. Der elektrische Wirkungsgrad fällt mit 36,5 % auffallend hoch aus und der thermische Wirkungsgrad ist weitaus geringer, als in der Literatur zu finden ist. Der durchschnittliche Heizölanteil der acht BHKW beläuft sich auf 13,6 % und erfüllt damit nicht die Forderung der Energieversorgungsunternehmen von maximal 10 %. Die Messergebnisse zeigen, dass eine dreimalige Methangasmessung pro Tag für die Wirkungsgradberechnungen der BHKW ausreichend ist. Die BHKW erreichen durchschnittlich 8333 Betriebsstunden pro Jahr und damit eine Auslastung von 96 %. Dieses Ergebnis ist als sehr positiv zu bewerten. Die Anlagen produzieren pro Kubikmeter Fermentergärvolumen und Tag 1,8-3,3 m³ Biogas und pro Kubikmeter Fermenter- und Nachgärervolumen 0,5-1,3 m³ Biogas. Daraus ergibt sich eine Stromproduktion pro Tag von 3,9-8,1 kWh_el pro Kubikmeter Fermentergärvolumen und 1,0-3,1 kWhel/m³ Fermenter- und Nachgärervolumen.<br /> Die Durchführung von Versuchen zur Ermittlung der Gasausbeute einzelner Substrate ergibt eine Biogasausbeute von 45 m³/m³ Rindergülle, 65 m³/t Futterrüben, 67 m³/t Markstammkohl, 93 m³/t Zuckerrübenwurzelspitzen, 138 m³/t Zuckerrübenwurzelspitzen mit Pressschnitzeln, 164 m³/t Kartoffeln, 189 m³/t Maissilage, 197 m³/m³ Milch, 151-289 m³/m³ Speiseabfälle, 548 m³/t Körnerraps und 560 m³/m³ Sonnenblumenöl. Die Ergebnisse weichen zum Teil stark von auswertbaren Literaturangaben ab.<br /> Als Prozessenergie für den Betrieb der Anlagen wird im Mittel 674 kWh_th/d (20 %) an thermischer Energie (ausgenommen Anlage 4) und 158 kWhel/d (3,7 %) an elektrischer Energie verbraucht. Das entspricht ausgesprochen niedrigen Verbrauchswerten. Die Höhe des Stromverbrauchs hängt im Wesentlichen von der Art des Feststoffdosierers bzw. dem zugeführten Substrat ab und von der Laufzeit der Rührwerke im Fermenter. Die Laufzeiten der Rührwerke korrelieren negativ mit den installierten elektrischen Leistungen. Eine höhere installierte Rührwerksleistung verursacht niedrigere Laufzeiten und damit einen geringeren Stromverbrauch. Bei den Feststoffdosierern werden zwischen 5 und 11 kWh/t verbraucht. Der Futtermischwagen erzielt zwar die höchste Leistungsaufnahme, weist aber die niedrigste Laufzeit und zusätzlich auch den geringsten Arbeitsaufwand auf.<br /> Der Arbeitszeitbedarf für die Anlagenbetreuung beträgt im Durchschnitt 85 min/d. Davon werden 33 % für den Bereich Wartung/Reparatur und 67 % für den Bereich Betreibung/Substratzufuhr benötigt.<br /> Die Substratanalysen der Anlagen im Fermenter ergeben im Durchschnitt einen pH-Wert von 7,7, einen Trockensubstanzgehalt von 6,2 % und einen organischen Trockensubstanzgehalt von 44,5 kg/m³. Im Nachgärer sind Werte von 7,9 pH-Wert, 5,2 % TS und 34,7 kg/m³ oTS festzustellen. Das entspricht einer Abbaurate von 15 % TS und 21 % oTS von Fermenter zu Nachgärer, bei einer gesamten durchschnittlichen Verweilzeit von 105 Tagen. <br /> Im Rahmen des Messprogramms wurden hilfreiche Daten für die Praxis gewonnen. Die Ergebnisse können als Planungsgrundlage bei der Konzeption und dem Bau von Biogasanlagen einfließen.

<strong>Energy and Substance Conversion in Biogas plants - Results of measurement investigations of agricultural Biogas plants in the Rheinland</strong><br /> The current data situation on biogas technology is not extensive and is mainly based on laboratory testing. This was the motivation for a pilot project and the dissertation at hand, where data was collected from four agricultural biogas plants during a period of two years. These four plants are equipped with extensive measurement technology and are run under mesophilic temperature conditions. They utilize manure, renewable primary products and organic waste products. The measurements carried out cover balancing, i.e. determining the gas-output, production and usage of energy, as well as process analysis. The latter investigates parameters which permit statements on stability of the fermentation process and on the substances of contents of the substrate. Input and output of the plants were quantified during the measurement periods. <br /> At the four biogas plants, which have an installed power of 160-200 kW (2.80 kW, 2.100 kW), the fermenters are daily supplied with 20-31 t of organic substrate. The substrate supply follows the required amount of biogas to a preferable 100 % exploitation of the power stations. The plants produce between 1642 m³/d (160 kW) and 1941 m³/d (200 kW) of biogas from the supplied substrate. The secondary fermenter yields a share of 32 % of the entire gas production. This result is an economic and ecological argument for equipping the secondary fermenter with a plastic gasholder. The biogas is composed of 52.3-59.7 % methane gas and 143.2-357.8 ppm hydrosulphide. The produced biogas generates daily 3555 (160 kW) to 4735 (200 kW) kWh of electricity as well as 2908 (160 kW) to 3780 (200 kW) kWh of heat energy. Calculations show that one cubic metre biogas yields 1.7 kWh_el (80 kW-motor) and 2.1 kWh_el (100 kW-motor) respectively. The electrical efficiency factor of the eight power stations investigated amounts to 31.4 % on average at both of the 80 kW-motors, and to 36.5 % at the 100 kW-motors. The 80 kW-motors yield a thermal efficiency factor of 29.5 %, the 100 kW-motors of 28.9 % only. The electrical efficiency factor of 36.5 % turns out remarkably high, and the thermal efficiency factor is far smaller than found in research literature. The average fuel oil proportion of the eight power stations amounts to 13.6 % and thereby does not meet the requirement of maximum 10 % by the power supply companies. The power stations reach an average production time of 8333 hours per year and consequently an exploitation of 95 %, which can be rated as a very positive result.<br /> The plants produce 1.8-3.3 m³ biogas per cubic metre fermentation volume per day as well as 0.5-1.3 m³ biogas per cubic metre fermentation and secondary fermentation volume. This results in an daily electricity production of 3.9-8.1 kWhel per cubic meter fermentation volume and 1.0-3.1 kWh_el / m³ fermentation and secondary fermentation volume. <br /> Tests were carried out to determine the yield of gas of individual substrates. They show a biogas generation of 45 m³/m³ bovine liquid manure, 54 m³/t fodder beets, 93 m³/t root tips of sugar beets, 138 m³/t root tips of sugar beets with pressed pulp, 99 m³/t marrow-stem kale, 164 m³/t potatoes, 189 m³/t corn silage, 197 m³/m³ milk, 151-289 m³/m³ food waste, 548 m³/t oilseed rape and 560 m³/m³ sun flower oil. Some of the results deviate greatly from considered research literature.<br /> For running the plants, the process energy amount on average to 674 kWh_th/d (20 %) of thermal energy (apart from plant 4) and 158 kWhel/d (3.7 %) of electric energy. This corresponds to notably low consumption values. The amount of electric power consumption mainly depends on the kind of feeding technology and the supplied substrate, as well as on the run-tim[L1]e of the fermenter’s agitators. Run-times of agitators are in turn related to the installed power. A higher installed power leads to shorter run-times and thereby to lower power consumption. The moving floor conveyors use between 5 and 11 kWh/t. The feedstuff mixing cart yields the highest received power, but at the same times the shortest run-time and, additionally, the lowest expenditure of labour. <br /> On average, 85 min/d working time is needed for running and servicing the plants. 33 % of this time is used for servicing, 67 % for running and supply of substrate.<br /> The substrate-analyses of the plant matter in the fermenter show on average the following values: ph-value of 7.7, dry matter content (dmc) of 6.2 % and the organic dry matter content (odmc) of 44.5 kg/m³. The secondary fermenter gives the values 7.9, 5.2 % and 34.7 kg/m³ respectively. This corresponds to a degradation rate of 15 % dmc and 21 % odmc from fermenter to secondary fermenter, at an average total dwell period of 105 days. <br /> The measurement programme gained valuable data for the practical use of biogas plants. The results will be helpful for planning and designing these plants.<br /> [L1]Operation time