19.09.2009 Dipl.-Ing. Tobias Burgstaller 1 Biomasse Energieerzeugung Kapitel 3.2 Biogasgewinnung und Verwertung Biomasseenergieerzeugung energy from renewable

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  • 19.09.2009 Dipl.-Ing. Tobias Burgstaller 1 Biomasse Energieerzeugung Kapitel 3.2 Biogasgewinnung und Verwertung Biomasseenergieerzeugung energy from renewable raw materials
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  • 19.09.2009 Dipl.-Ing. Tobias Burgstaller 2 Biomasse Energieerzeugung Gliederung Biochemie Symbiose Biogasproduktion Biogasausbeuten Grversuche und Grtest Prozessbedingungen Biogaserzeugung Reaktoren Reaktorbauarten Biogasnutzung / Verwertung / Aufbereitung Biogaskomponenten Entschwefelungsverfahren / CO2-Abscheideverfahren Zukunftsszenario
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  • 19.09.2009 Dipl.-Ing. Tobias Burgstaller 3 Biomasse Energieerzeugung Biochemie, der anaerobe Abbau Biochemie
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  • 19.09.2009 Dipl.-Ing. Tobias Burgstaller 4 Biomasse Energieerzeugung Symbiose zw. H2 prod. und H2 verbr. MO Symbiose Einfluss des Wasserstoffpartialdruckes auf die freie Enthalpiedifferenz G Energie reinspontan
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  • 19.09.2009 Dipl.-Ing. Tobias Burgstaller 5 Biomasse Energieerzeugung Einflussgren Biogasausbeuten Biogasproduktion Quelle: Einflsse auf den Vergrungsprozess [Schattner und Gronauer (2000)]
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  • 19.09.2009 Dipl.-Ing. Tobias Burgstaller 6 Biomasse Energieerzeugung Biogasausbeuten verschiedener Substrate Biogasausbeuten oTS = Organische Trockensubstanz in [% von der TS] FM = Frischmasse in [kg o. t] TS = Trockensubstanz in [% von der FM] (nur oTS ist mikrobiell verwendbar)
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  • 19.09.2009 Dipl.-Ing. Tobias Burgstaller 7 Biomasse Energieerzeugung Biogasausbeuten verschiedener Substrate Biogasausbeuten SubstratTSoTSBiogas-ertragCH4Hektar- ertrag Strom-ertrag* %Nm 3 /t oTS %t FM /hakWh/t FM Wirtschaftsdnger Rinderglle Ohne -mit Futterrest 880280-3705532-42 Rindermist 258045055158 Schweinemist6804006037 Nachwachsende Rohstoffe Roggen/Weizenkrner 87987005313-151012 GPS409452052325 Gras, frisch189160054170 Grassilage258856054213 Kartoffel229473052251 Maissilage je nach Reifegrad 22-3595-96570-600 180 m/t feucht 5245198-335 Zuckerrbe 2392700516-9242 Substrate aus der Weiterverarbeitung Altbrot 659776053813 Bioabfall405061560236 Fette/le Fettabscheiderfett Frittierfett Rapskuchen 15% 5 95 91 90 87 93 1000 1000 680 68 68 63 98 1798 1160 Schlempe aus Alkprod. Getreide - Kartoffel 694-87640-67059-5668-63 Molke 5927505359 Speisereste168768060182
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  • 19.09.2009 Dipl.-Ing. Tobias Burgstaller 8 Biomasse Energieerzeugung Wertgebende Bestandteile Biogasausbeuten C-Anteile entscheidend fr die Energieerzeugung! N-Anteile entscheidend fr das MO Wachstum (minimal 7mgN/g Mikroorganismen) C/N-Verhltnis daher optimal zwischen 10 16 (x mal mehr C als N) Ausgangsstoff Glhverlust %C/NN % Kchenabflle 20-8012-200,6-2,2 Bioabflle30-7010-250,6-2,7 Hausmll25-5030-400,8-1,1 Abwasserschlamm20-70154,5 Frischmist20,3200,6 Flssigmist10-168-133,2 Frische Rinde90-9385-1800,5-1 Holzhcksel65-85400-5000,1-0,4 Traubentrester80,8501,5-2,5 Papier75170-8000,2-1,5
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  • 19.09.2009 Dipl.-Ing. Tobias Burgstaller 9 Biomasse Energieerzeugung Hemmung / Minderung der Gasausbeute Biogasausbeuten Bei Anwesenheit von Sulfaten und Nitraten (energetisch gnstiger): CH 3 -COO - + SO 4 2- 2HCO 3 - + H + + S 2- 4H 2 + SO 4 2- 4H 2 O + S 2- 2 NO 3 - + 5H 2 N 2 + 2OH - + 4H 2 O Schwefelwasserstoffbildung (entsteht bei Vergrung): S 2- + H + HS - HS - + H + H 2 S Ausgewhlte Hemmstoffe: Ammoniak, Schwefelwasserstoff, Schwermetalle, Sulfate, etc. Fettsureanreicherung, berangebot an Nhrstoffen Sulfatreduktion / Nitratreduktion kein CH4! (Klauenwsche durch Kupfersulfat) Wasserstoff wird verbraucht!
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  • 19.09.2009 Dipl.-Ing. Tobias Burgstaller 10 Biomasse Energieerzeugung Grtest nach nach DIN 38 414 Teil 8 (DEV) Grversuche / Grtest Grtest Probe homogenisiert, mechanisch aufbereitet (Siebung 10 mm, Sieb- berlauf zerkleinern), Animpfen mit Schlamm in Standflasche, Luftdicht, 35C, pH =6,6 8,0 gebildete Gasmenge entspricht Gasbildungspotential nach 28 Tagen, Qualittstest auf CH4, CO2, H2S,... Bezug auf TS-Gehalt, Angabe in Nl/(kgTS*d)
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  • 19.09.2009 Dipl.-Ing. Tobias Burgstaller 11 Biomasse Energieerzeugung Grtest nach nach DIN 38 414 Teil 8 (DEV) Grversuche / Grtest
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  • 19.09.2009 Dipl.-Ing. Tobias Burgstaller 12 Biomasse Energieerzeugung Grtest nach nach DIN 38 414 Teil 8 (DEV) Grversuche / Grtest
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  • 19.09.2009 Dipl.-Ing. Tobias Burgstaller 13 Biomasse Energieerzeugung Prozessbedingungen und Variablen Prozessbedingungen Biogas pro kg oTS gewhlt.
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  • 19.09.2009 Dipl.-Ing. Tobias Burgstaller 14 Biomasse Energieerzeugung Gesamter Prozessablauf der Biogaserzeugung Biogaserzeugung
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  • 19.09.2009 Dipl.-Ing. Tobias Burgstaller 15 Biomasse Energieerzeugung Beispiel Gesamtmassenfluss Bioabfallvergrung Biogaserzeugung Abbaugrad: = (c oTS, zu - c oTS, ab )/ c oTS,zu Abbaugrade der Vergrung: 31 % TS, 52 % oTS, 12 % Feuchtmasse Abbaugrade der Nachrotte: 10 % TS, 31 % oTS, 17 % Feuchtmasse
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  • 19.09.2009 Dipl.-Ing. Tobias Burgstaller 16 Biomasse Energieerzeugung Grundparameter Biogaserzeugung Richtwerte BR = 4 5 kgoTS/md Verweilzeit tm = 20 d (bei Gllen, Mist, Bioabfall) bzw. 70 d (bei NaWaRo)
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  • 19.09.2009 Dipl.-Ing. Tobias Burgstaller 17 Biomasse Energieerzeugung Bauformen Reaktor (Fermenter) Reaktor Bauformen unterschiedlicher G rreaktoren: Nichtger hrte Tanks oder Gruben im l ndlichen Bereich bei Mist- oder G lle Verg rung meist Kleinanlagen Nichtger hrte Reaktoren nach dem UASB-Prinzip (unaerobic-sludge- blanket) f r Substrate mit geringem Feststoffgehalt oder Trockenfermentation Ger hrte G rreaktoren
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  • 19.09.2009 Dipl.-Ing. Tobias Burgstaller 18 Biomasse Energieerzeugung Bauformen Reaktor und Materialien (Fermenter) Reaktor Beispiele Baustoffe: Mauerwerk alte Anlagen im landl. Bereich Emaillierter Baustahl St37 oder Edelstahl V2A, im Gasraum V4a Beton B35 B25 Merkblatt Beton f r Biogasanlagen (WU-Beton) Kunststoffe
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  • 19.09.2009 Dipl.-Ing. Tobias Burgstaller 19 Biomasse Energieerzeugung Erwrmung Reaktor (Fermenter) Bauart Quelle: Systeme zur Erwrmung 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
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  • 19.09.2009 Dipl.-Ing. Tobias Burgstaller 20 Biomasse Energieerzeugung Erwrmung Reaktor (Fermenter) Bauart
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  • 19.09.2009 Dipl.-Ing. Tobias Burgstaller 21 Biomasse Energieerzeugung Druchmischung Reaktor (Fermenter) Bauart Quelle: Systeme zur Durchmischung des Fermenterinhaltes [Dr. Bernd Linke, Agratechnik Bornim, ATB] Die spezifische R hrerleis- tung liegt zwischen 10 15 W/m 3
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  • 19.09.2009 Dipl.-Ing. Tobias Burgstaller 22 Biomasse Energieerzeugung Substratzufuhr Reaktor (Fermenter) Bauart Substrat Frdereinrichtungen und Pumpen: hufig Spiralfrderer oder Transportbnder, Schneckenfrderer Bei Substrat mit nur wenig Feststoffanteil wie Stroh wird eine Tauchpumpe mit Schneidrad eingesetz Bei allen anderen Pumpen zur Substratfrderung werden meist Excenterschneckenpumpen oder Drehkolbenpumpen eingesetzt (aber immer Verdrngerpumpen!) Der Austrag flssigen Grgutes kann auch durch Gravitation ber 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 fr das Aufrechthalten der Betriebstemperatur, Rhren und Pumpen in einem konventionellen Rhrkessel betrgt 20 bis zu 35 % der Bruttoenergieproduktion!
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  • 19.09.2009 Dipl.-Ing. Tobias Burgstaller 23 Biomasse Energieerzeugung Biogasnutzung (die 3 Hauptpfade) Verwertung
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  • 19.09.2009 Dipl.-Ing. Tobias Burgstaller 24 Biomasse Energieerzeugung Biogasaufbereitung Aufbereitung H2SH2SH2OH2OCO 2 Gasbrenner< 0,1 Vol-%nein Wrme-Kraft-Kopplung< 0,05 Vol-%nein Treibstoff (Verdichtung in Flaschen) ja Einspeisung in ffentl. Gasnetz ja Brennstoffzelle< 0,01 Vol-%k.a. Fackelnein Biogasreinigung in Abhngigkeit vom Verwendungszweck Nein = keine spezielle aufbereitung ntig 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
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  • 19.09.2009 Dipl.-Ing. Tobias Burgstaller 25 Biomasse Energieerzeugung Biogasaufbereitung bis zur Einspeisung Aufbereitung In jedem Fall aber zu beachten: Notfackel fr den gesamten Biogasvolumenstrom bzw. Feuerungsleistung Gasspeicher fr mind. 2-3 h Entschwefelungsverfahren: biologisch, physikalisch oder chemisch
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  • 19.09.2009 Dipl.-Ing. Tobias Burgstaller 26 Biomasse Energieerzeugung Ausgewhlte Biogaskomponenten (allg.) Biogasbestandteile Biogaskomponenten Biogase Schwankungsbreite Ursprung Methan45% - 70%Biol. Vergrungsprozess Kohlenstoffdioxid25 - 55%Biol. Vergrungsprozess Wasserdampf relative Feuchte 100%, 20g/kg (25C, 1013mbar) Substrat Gleichgewichtseinstellung Schwefelwasserstoff (H 2 S)10 bis 30.000 ppm S-Gehalt Substrat, Freisetzung im biol. Vergrungsprozess Ammoniak0,01 - 2,5 mg/m Bei Glle und Lebensmittel- abfllen mit hohem Proteinanteil Siloxane0,1 - 5 mg/m Bei Lebensmittelabfllen, Eintrag ber Biosphre (n. n.) aromatische Verbind