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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
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4
5
6
7
8
Strom
Wärme
Gärrückstand
ReststoffeEnergiepflanzen
1 Stallanlagen2 Güllegrube3 Sammelbehälter/
Lagerplatz4 Biogasreaktor5 Gasspeicher6 Blockheizkraftwerk7 Güllelagerbehälter8 Ackerfläche
1
23
4
5
6
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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 ⋅−+=