Einführung Versuchsaufbau, untersuchte Substrate

Einfluss der Faulraumbelastung auf die Gasausbeute von Gülle und nachwachsenden RohstoffenForschungsprojekt gefördert von Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.V.

Biogastagung, Landwirtschaftskammer Nordrhein-WestfalenHaus Düsse, 15. April 2005

Einführung

Versuchsaufbau, untersuchte Substrate

Ergebnisse

Bemessungsmodell

Fazit

Bernd Linke und Pia MähnertInstitut für Agrartechnik Bornim (ATB) www.atb-potsdam.de

Strom

Wärme

Gärrückstand

ReststoffeEnergiepflanzen

1 Stallanlagen2 Güllegrube3 Sammelbehälter/

Lagerplatz4 Biogasreaktor5 Gasspeicher6 Blockheizkraftwerk7 Güllelagerbehälter8 Ackerfläche

1

23

4

5

6

7

8

Strom

Wärme

ReststoffeEnergiepflanzen

1 Stallanlagen2 Güllegrube3 Sammelbehälter/

Lagerplatz4 Biogasreaktor5 Gasspeicher6 Blockheizkraftwerk7 Güllelagerbehälter8 Ackerfläche

1

23

4

5

6

7

8

Strom

Wärme

Gärrückstand

ReststoffeEnergiepflanzen

1 Stallanlagen2 Güllegrube3 Sammelbehälter/

Lagerplatz4 Biogasreaktor5 Gasspeicher6 Blockheizkraftwerk7 Güllelagerbehälter8 Ackerfläche

1

23

4

5

6

7

8

Strom

Wärme

ReststoffeEnergiepflanzen

1 Stallanlagen2 Güllegrube3 Sammelbehälter/

Lagerplatz4 Biogasreaktor5 Gasspeicher6 Blockheizkraftwerk7 Güllelagerbehälter8 Ackerfläche

1

23

4

5

6

7

8

1

23

4

5

6

7

8

Vereinfachtes Schema zur Nassvergärung

Einfluss auf

Biogasproduktion:

• Temperatur

• Art des Substrates

• Belastung

0

1

2

3

4

5

0 50 100 150 200 250

mittlere hydraulische Verweilzeit tm (d)

oT

S-R

au

mb

ela

stu

ng

BR (

kg

m-3

d-1

)

)(1

0

−tkgc

50100150200250300

350

R

mB

ct 0

=

Beziehung zwischen BR , tm und c0

33 d 100 d

Gülle Maissilage

m

Rt

cB 0

=

oTS- Raumbelastung BR (kg m-3 d-1)

oT

S-

Bio

gasau

sbeute

y( m

- 3kg

-1)

Einfluss der oTS-Raumbelastung auf die oTS-Biogasausbeute y = f(BR) ?

?

����81,29,87,1Rindergülle

31,6 (35,1)3,3 (3,7)9,4 (10,5)1,1 (-)86,723 (21)4,7Roggen-GPS

8,2 (6,4) 0,9 (0,7)7,5 (7,7)27 (61)91,813 (15)3,8Rübensilage

24,1 (20,1)2,6 (3,2)14,4 (8,1)5,3 (1,5)94,631 (35)3,7Maissilage

XF

[% TS]

XL

[% TS]

XP

[% TS]

Zucker

[% TS]

oTS

[% TS]

TS

[% FM]

pHSubstrat

(...) Futterwerttabelle für Wiederkäuer nach KIRCHGESSNER (1997)

Durchschnittliche Analysenwerte der untersuchten Substrate

Schematischer Aufbau der Versuchsanlage

1/3

2/3

1/3

Versuchsanlage und untersuchte Varianten

����������� ��

��������������������� �

��������������������� �

���������������

���������� ���������� �

���������� ���������� �

����������� ����

���������� ���������� �

���������� ���������� �

����������� ����

�������������

Beispiel Reaktor 2:

67% der oTS-Masse im zugegebenemSubstrat bestand aus Maissilage und 33% aus Rindergülle

Maissilage, Rindergülle und zwei Gemische

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5

oTS-Raumbelastung BR (kg m-3

d-1

)

oT

S-B

iog

asa

usb

eu

te y

B (

m3 k

g-1

oT

S)

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

100% Maissilage 67% Maissilage 33% Maissilage Rindergülle ymax Maissilage ymax Rindergülle

Roggen-GPS, Rindergülle und zwei Gemische

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5

oTS-Raumbelastung BR (kg m-3

d-1

)

oT

S-B

iogasausbeute

y B

(m

3 k

g-1

oT

S)

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

100% Roggen-GPS 67% Roggen-GPS 33% Roggen-GPS Rindergülle ymax Roggen-GPS ymax Rindergülle

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5

oTS-Raumbelastung BR (kg m-3

d-1

)

oT

S-B

iog

asa

usb

eu

te y

B (

m3 k

g-1

oT

S)

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

100% Rübensilage 67% Rübensilage 33% Rübensilage Rindergülle ymax Rübensilage ymax Rindergülle

Rübensilage, Rindergülle und zwei Gemische

my

y

c

cc=

−

0

0

0)(000

0

=⋅+⋅−⋅=

=+−=

crVcmcmdt

dcV RR

UmsatzAblaufZulaufÄnderung

abgebaute Substratmenge = gebildete Biogasmenge

Zeit t (d)

cc −0

c

y

0c my

ckr ⋅−=

��

���

�−= 1

1 0

c

c

ktm

���

����

�

−

=

yy

y

kterf

m

m

1.

m

R

t

Vm =

0

)(

)(

1

0

1

0

−

−

tkgc

dtm

)(

)(1

tV

tkgc

R

−

)(13 −dmQB

Modellbildung nach Reaktion 1. Ordnung

)(1

0

−dtm

yy

y

c

c

m

m

−

=0

R

mB

ct 0

=

R

mBck

ckyy

+⋅

⋅=

0

0

0,7

0,75

0,8

0,85

0,9

0,95

1

0 50 100 150 200 250 300

tm (d)

An

teil p

vo

n y

m (

-)

0.30.4

0.5

0.04

0.05

0.06

0.150.2

0.125

0.1

0.09

0.08

0.07

0.035

0.03

0.025k=0.02 d

-1

���

����

�

−

=

yy

y

kt

m

m

1

mypy ⋅=1+⋅

⋅=

kt

ktp

m

m

Wirkungsgrad der Biogasausbeute: p=f(k,tm)

0

2

4

6

8

10

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2

1/BR (m3*d/kg)

y/(

ym

-y)

α

13

0 127,8tan−

=⋅= dkgmckα

1027,0

292

127,8−

== dk

3

0 292−

= kgmc

���

����

�

−

=⋅

yy

y

Bck

mR

10

Grafische Ermittlung des k-Wertes für Maissilage

���

����

�

−

=

yy

y

kterf

m

m

1.

R

mB

ct 0

=

Wirkungsgrad der Biogasausbeute: Maissilage

0,7

0,75

0,8

0,85

0,9

0,95

1

0 50 100 150 200 250 300

tm (d)

An

teil p

vo

n y

m (

-)

0.30.4

0.5

0.04

0.05

0.06

0.150.2

0.125

0.1

0.09

0.08

0.07

0.035

0.03

0.025k=0.02 d

-1

36 2 1,5 1,2 1,0

BR (kgm-3d-1) für c0=300 kgoTS t-1

Monovergärung von Maissilage k=0,027 d-1

oTS-Biogasausbeute bei Kofermentation

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

0 33 67 100

Anteil Kosubstrat in der Mischung pE (Masse-% oTS)

oT

S-B

iog

asa

usb

eu

te y

B (

m3 k

g-1

oT

S)

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

03367100

Anteil Rindergülle in der Mischung 1-pE (Masse-% oTS)

Mais BR3 Rüben BR3 Roggen BR3

100/)( EGEGM pyyyy ⋅−+=

Reaktionsgeschwindigkeitskonstante k bei der Kofermentation

0

0,02

0,04

0,06

0,08

0,1

0,12

0,14

0,16

0,18

0,2

0,22

0,24

0,26

0,28

0,3

0 33 67 100

oTS-Anteil Kosubstrat in der Mischung pE (Masse-% oTS.)

Re

aktio

nsg

esch

win

dig

ke

itsko

nsta

nte

k (

d-1

)

0

0,02

0,04

0,06

0,08

0,1

0,12

0,14

0,16

0,18

0,2

0,22

0,24

0,26

0,28

0,3

Maissilage Roggen-GPS Rübensilage

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Zusammenfassung der Versuchsergebnisse

Fazit

Mit steigender oTS-Raumbelastung verringert sich die oTS-Biogasaubeute z.B. aus Rindergülle, NawaRos und Mischungen aus beiden Substraten:

Die Werte k, ym und c0 sind substratspezifisch.

Während ym im einfachen Gärtest bestimmt werden kann,ist für die Ermittlung von k ein Langzeitversuch notwendig.

Die Abbaugeschwindigkeit (Größe des k-Wertes) von Mais und Roggen-GPS ist im Gegensatz zur Rübensilage deutlich geringer und erfordert vergleichsweise geringere Belastungen.

Die oTS-Biogasausbeute von Gemischen aus Gülle und NawaRos verhält sich proportional zur oTS-Biogasausbeuteder Einzelsubstrate:

)/( 00 Rm Bckckyy +⋅⋅⋅=

100/)( EGEGM pyyyy ⋅−+=