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GÄRVERSUCHE MIT
WEIZENGRASSILAGE
(LABORVERSUCHE)
Im Auftrag der Holtmann Saaten GmbH, Ochtrup
von
Klaus Wulfert-Prahl
Dipl.-Ing. (TU)
Ingenieurbüro für Entwicklung und Anwendung
umweltfreundlicher Technik GmbH
Cuxhavener Straße 10; Speicher 17; 28217 Bremen
Tel.: +49 - (0)421 - 38 678 40
mobil: +49 - (0)178 - 8176774
fax: +49 - (0)421 - 38 678 88
www.utec-bremen.de Bremen, Oktober 2014
GÄRTESTS MIT RIESENWEIZENGRAS
1 AUSWAHL UND VORBEREITUNG IMPFSCHLAMM ................................................................... 1
2 VORVERSUCH UND ADAPTION DES IMPFSCHLAMMES AUF WEIZENGRAS ..................................... 1
3 HAUPTVERSUCH GÄRTEST ............................................................................................... 3
3.1 Substrate ..................................................................................................................... 3
3.2 Versuchsaufbau .......................................................................................................... 4
3.3 Versuchsdurchführung ................................................................................................ 5
3.4 Ermittlung des Methangehaltes ................................................................................. 6
3.5 Gärrestaufbereitung ................................................................................................... 6
3.6 Versuchsergebnisse ..................................................................................................... 7
3.6.1 Gasproduktion .................................................................................................... 7
3.7 Methangehalt ...........................................................................................................10
3.8 Gärrestanalysen ........................................................................................................11
3.9 Versuchsauswertung .................................................................................................12
4 RESÜMEE: ................................................................................................................. 12
5 ANHANG: .................................................................................................................. 13
1
Gärtest mit Riesenweizengras
1 AUSWAHL UND VORBEREITUNG IMPFSCHLAMM
Für die Gärtests wird ein möglichst aktiver Impfschlamm aus einer Biogasanlage benötigt, welche
mit vergleichbaren Substraten betrieben wird.
Herkunft des Impfschlammes: BGA Grimm, Heudorf
Substratzusammensetzung: Grassilage, Maissilage, keine Gülle
Probenahme: Schlammentnahme direkt aus Fermenter am
04.07.2014
Um die Eigengasproduktion des Impfschlammes zu verringern wurden die groben Feststoffe
(>1 mm) über Siebung abgetrennt. Anschließend wurde der Schlamm in gasdichten Fermentern in
einem Thermoschrank bei 38 °C gelagert, um die Bakterien aktiv zu halten und den Schlamm wei-
ter ausgasen zu lassen (04.07.2014 bis 17.07.2014)
2 VORVERSUCH UND ADAPTION DES IMPFSCHLAMMES AUF WEIZENGRAS
Für die Adaption des Impfschlammes an die Weizengrassilage wurden fünf Glasfermenter mit je
3,43 kg Impfschlamm befüllt und in vier Chargen zu je 50 g Frischmassen beschickt (Beginn des
Vorversuches am 18.07.2014). Die Grassilage wurde vorab zwecks einer besseren Verarbeitbar-
keit manuell auf eine Halmlänge von ca. 15 mm zerkleinert. Die Bestimmung der Trockensubstanz
und des Glühverlustes des Substrates ergab: TS 29,80 %; oTS 90,10 %.
Zugabe der Grassilage:
18.07.2014 50 g
21.07.2014 50 g
23.07.2014 50 g
25.07.2014 50 g
Um die Entwicklung der Gasproduktion detailliert verfolgen zu können, wurde die Gasproduktion
von einem Fermenter kontinuierlich gemessen und aufgezeichnet. Die Gasentwicklung ist in
Abb. 1 a und b wiedergegeben.
2
Abb. 1: a) Gasentwicklung des Fermenters 5 in l/h und b) zugehöriger Gassummenkurve
(Vorversuch, Adaptationsphase)
Anhand des Kurvenverlaufes lassen sich folgende Aussagen ableiten:
Nach einer Zugabe reagiert der Prozess mit einem sprunghaften Anstieg der Gasproduktion.
Die Peak-Höhe nimmt von Zugabe zu Zugabe deutlich zu.
Der eingesetzte Impfschlamm ist hoch aktiv.
Die leicht abbaubaren Inhaltstoffe des neuen Substrates werden von Zugabe zu Zugabe inten-
siver abgebaut, ein Anpassungsprozess ist hier anzunehmen.
Nach Abschluss des letzten Gaspeaks nimmt die Gasproduktion kontinuierlich ab.
Die gewählte Zugabemenge (4 x 50 g auf 3,43 l Impfschlamm) wird von dem Prozess gut an-
genommen und dient als Anhaltspunkt für die späteren Hauptversuche.
Auswertung des Vorversuches:
Silage: TS 29,8 %, oTS 90,1 %
Zugabe: 200 g Frischmasse; 59,6 g TS; 53,7 g OTS
Gesamte Gasproduktion: 28,2 l in 16,8 Tagen inklusive Grundgasproduktion
aus Impfschlamm
Spez. Gasertrag 525 l bzw. 477 nlBiogas / kg zugeführter organischer
Masse
3
3 HAUPTVERSUCH GÄRTEST
3.1 Substrate
Es wurden zwei Substrate für die Versuche eingesetzt:
Substrat 1 Weizengrassilage aus Erntejahr 2013 ( 2.Schnitt Okt. , Abb. 2a)
Substrat 2 Weizengrassilage aus Erntejahr 2014 (1.Schnitt Juli, Abb. 2b)
Abb. 2: a) Grassilage 1 (2013t) b) Grassilage 2 (2014)
Optische Beurteilung:
Grassilage 1: intensiv siliertes Material mit weicher Struktur, relativ fein zerkleinert
Grassilage 2: weniger intensiv siliert, harte Struktur, hoher langhalmiger Anteil
Analysendaten (LUFA Nord-West)
Um repräsentative Proben für Versuche und Analysen zu erhalten wurden nach intensiver Durch-
mischung von jeder Silage ca. 1,5 kg Material abgewogen, nachzerkleinert (Halmlänge max.
40 mm) und portioniert. Davon wurden ca. 800 g gasdicht verpackt und zwecks Analyse zur LUFA
Nordwest in Oldenburg gebracht. Der Rest wurde in gasdichten Plastikdosen bis zum Verbrauch
kühl gelagert, um Wasserverlust bzw. Veränderung des TS-Gehaltes zu unterbinden. Die ver-
suchsrelevanten Untersuchungsergebnisse sind in Tab. 1 wiedergegeben. Das vollständige Analy-
senprotokoll inklusive Futterwertdaten ist im Anhang zu finden. Für die Versuche wurden die
Silagen vor der Zugabe nochmals auf eine max. Halmlänge von 20 mm nachzerkleinert.
a b
4
Tab. 1: Analysendaten der Grassilage 1 und Grassilage 2
Parameter Grassilage 1 (alt) Grassilage 2 (neu)
pH [ / ] 5,7 5,0
TS [% ] 26,6 38,7
oTS [% an TS] 91,5 92,2
Asche [% an TS] 8,5 7,8
3.2 Versuchsaufbau
Für die Gärversuche im Batchtest werden Weithals-Glasfermenter eingesetzt, die mit einem
Gummistopfen gasdicht verschlossen werden. Der Gummistopfen verfügt über einen Gasauslass
und ist mit einem verschließbaren Tauchrohr versehen, über das das Substrat in den ungeöffneten
Fermenter eingespeist werden kann. Die Durchmischung erfolgt einmal täglich manuell durch
Schütteln des Fermenters. Ein Gasaustritt oder Lufteintrag durch das verschlossene Tauchrohr ist
ausgeschlossen.
Daten der verwendeten Fermenter:
Material: Glas
Verschluss: Gummistopfen mit Gasauslass und Tauchrohr
für die Substratzugabe
Reaktorvolumen: 5 l
Schlammvolumen: ca. 3,5 l
Gärtemperatur: 38 °C
Die Messung der Gasproduktion erfolgt über einen Nassgaszähler der Firma Ritter (hohe Genau-
igkeit auch bei kleinen Volumenströmen) (Abb. 3 a). Die Fermenter sind in einem Thermoschrank
aufgestellt, der gleichbleibend auf 38 °C temperiert ist (Abb. 3 b).
Abb. 3: a) Ritter-Nassgaszähler und b) Aufstellung der Fermenter mit Impf-
schlamm im Thermoschrank bei 38 °C, während der Ausgasungsphase.
a b
5
3.3 Versuchsdurchführung
Nach Abbruch der Vorversuche wurden alle Fermenter entleert und der Inhalt zweifach über ein
Sieb (1 mm) abgesiebt, um gröbere Feststoffpartikel aus der vorherigen Silagezugabe abzutren-
nen. Aus den gemischten Siebdurchgängen wurde ein homogener Impfschlamm, der gleichmäßig
auf fünf Fermenter verteilt wurde. Die mit 3,43 kg Impfschlamm befüllten Fermenter wurden zur
Temperierung und für den Abgleich der Grundgasproduktion in den Thermoschrank gestellt und
jeweils an die Gasuhren angeschlossen.
Verwendung der Fermenter:
Fermenter F1 und F2 für den Gärtest mit Grassilage 1
Fermenter F3 und F4 für den Gärtest mit Grassilage 2
Fermenter F5 für Ermittlung der Grundgasproduktion
Die Substratzugabe erfolgte in drei Portionen zu je 50 g FM mit zeitlichem Abstand. Diese Vorge-
hensweise wurde gewählt, um trotz geringer Impfschlammengen mit einem höheren Substratein-
satz arbeiten zu können und somit eine höhere Genauigkeit zu erzielen. Ohne die stufenweise
Zugabe des Substrats bestünde die Gefahr den Prozess zu überlasten. Der gesamtzeitliche Über-
blick über den Versuch ist in Tab. 2 dargestellt.
Tab. 2: Zeitlicher Überblick über den Gärtest F1 - F4
Gärtest F1 und F2 mit Grassilage 1 Gärtest F3 und F4 mit Grassilage 2
Versuchsbeginn 01.08.2014 04.08.2014
1. Zugabe 50 g FM 01.08.2014 04.08.2014
2. Zugabe 50 g FM 03.08.2014 06.08.2014
3. Zugabe 50 g FM 05.08.2014 09.08.2014
Versuchsende 19.09.2014 19.9.2014
Versuchszeitraum 48,8 d 45,8 d
6
3.4 Ermittlung des Methangehaltes
Die Ermittlung eines verlässlichen Wertes für den Methangehalt ist bei den durchgeführten Batch-
versuchen recht kompliziert. Zum einen wird die Messung durch die anfängliche Gasfüllung im
System (Fermenterkopf, Gasuhr) beeinflusst und zum anderen erschwert der sich ständig ändern-
de Methangehalt im produzierten Gas die Analyse. Des Weiteren ist die produzierte Gasmenge für
eine online-Messung zu gering. Der durchschnittliche Methangehalt im Biogas wurde daher im
Nachgang zu den Gärversuchen in einem eigenen Versuchslauf ermittelt. Zu diesem Zweck wurde
der Fermenter 3 direkt nach Abbruch des Gärtests nochmals mit Substrat (100 g Silage 1) be-
schickt. Das produzierte Gas wurde dann nicht über die Gasuhr geleitet, sondern über 12 Tage
direkt in einem diffusionsdichten Gasbeutel aufgefangen und anschließend mit einem Gasanalysa-
tor (INCA04 von Union Instruments) analysiert.
3.5 Gärrestaufbereitung
Nach 48 Versuchstagen wurden die Versuche abgebrochen und die Fermenter 1 und 2 vollständig
entleert. Um die Rückstände der Weizengrassilage zu gewinnen wurde der Inhalt von beiden Fer-
mentern F1 und F2 über ein Sieb (1 mm) abgesiebt. Der Siebrückstand wurde anschließend mit
Wasser gespült, um Feinanteile des Impfschlammes auszutragen.
Der separierte Feststoff wurde getrocknet, homogenisiert und als Probe an die LUFA Oldenburg
zur Analyse versandt.
7
3.6 Versuchsergebnisse
3.6.1 Gasproduktion
Abb. 4: Gasproduktion der Fermenter F1 bis F4 in Liter/d über den Versuchszeitraum.
Auswertung der Kurvenverläufe für F1 (rot) und F2 (blau) (Grassilage 1)
Steiler Anstieg der Gasproduktion während der Zugabephase.
Ausbildung eines kleinen Plateaus bei ca. 1,8 l/d. Anfänglich, dann stetig abnehmende Gas-
entwicklung.
Nahezu identischer Verlauf der Gasentwicklung bei beiden Versuchen.
Schlussfolgerung:
Störungsfreier Gärverlauf
Gute Überstimmung des Doppelversuches
Keine Überlastungserscheinungen
8
Auswertung des Kurverlaufes in Abb.3 für F3 (grün) und F4 (lila) (Grassilage 2)
Steiler Anstieg der Gasproduktion während der Zugabephase.
Ausbildung eines Plateaus bei ca. 2,2 l/d bei Fermenter 3 und kurzer Einbruch des Plateaus
bei Fermenter 4.
Anfänglich steile dann abflachende stetig abnehmende Gasentwicklung.
Sehr ähnlicher Verlauf der Gasentwicklung bei beiden Versuchen. Anfänglich höhere Gaspro-
duktion bei F3, dann Umkehrung und höhere Gasproduktion bei F4.
Schlussfolgerung:
Die Belastungsgrenze ist bei F4 erreicht, Einbruch des Plateaus deutet auf Überlastung hin.
Infolge des erneuten Anstiegs der Gasentwicklung ist dies für das Ergebnis nicht relevant.
Gleichlauf der Versuche akzeptabel (siehe auch Summenkurven in Abb. 5)
Abb. 5: Gassummenkurven der Gärtests der Fermenter F1 bis F4 und des Impfschlammes.
9
Auswertung der Gassummenkurven (Abb. 5):
Der Impfschlamm produziert mit ca. 4,6 l relativ wenig Biogas. Die Gasproduktion ist nach
48 Tagen vernachlässigbar klein geworden.
Der Gesamtgasertrag zeigt für beide Kurvenpaare ein gute Übereistimmung:
Summe Gas F1 und F2 28,83 und 29,36 l Differenz 0,53 l bzw. <2%
Summe Gas F3 und F4 38,30 und 39,17 l Differenz 0,87 l bzw. 2,2 %
Das Gaspotential der Substrate ist noch nicht ausgeschöpft, da die Kurvenpaare auch nach
48 bzw. 45 Tagen Gärzeit noch eine deutliche Steigung aufweisen.
Abschätzung des Restgaspotentials:
In Abb. 6 ist die Gasproduktion der letzten 20 Gärtage dargestellt. Die Kurven geben die Nettogas-
produktion in l/d (jeweils Mittelwerte der Doppelversuche für Silage 1 und 2).
Ferner ist für jede Versuchslinie die noch zu erwartende Gasentwicklung als lineare und als expo-
nentieller Trend/Regression wiedergegeben. Für die Berechnung des Restgaspotentials wird der
ungünstigere lineare Trend zugrunde gelegt.
Abb. 6: Abschätzung des Restgaspotentials für Grassilage 1 und Grassilage 2.
10
Durch Regression abgeschätzte Restgasmenge bis 65 Gärtage:
Grassilage 1: 1,89 l
Grassilage 2: 4,10 l
3.7 Methangehalt
Die Analyse des Biogases ergab folgende Zusammensetzung für das untersuchte Biogas:
CH4 [ % ] 57,10
CO2 [ % ] 44,50
O2 [ % ] 0,00
H2S [ ppm ] 120,00
Summe 101,60
Gärzeit 20.09. bis 02.10. = 12 Tage
Bewertung der Gasqualität:
Die Weizengrassilage ist hinsichtlich der Zusammensetzung und des Gärverhaltens mit konventio-
neller Grassilage oder Ganzpflanzensilage (GPS) vergleichbar. Für diese Substrate werden in der
Literatur (Faustzahlen Biogas, KTBL) folgende Methangehalte genannt.
Grassilage 53 %
GPS 53 %
Für weitere Überlegungen sollte von diesen Werten ausgegangen werden, da der im Versuch
bestimmte Wert von 57 % als zu hoch eingeschätzt wird.
11
Futterwertanalyse LUFA Substrat Gärrrest Abbaugrad
vorgetrocknet in Zugabe im Gärrest %
FM 300,0 17,3
TS %FM 25,6 93,1 76,8 16,1 79
oTS %TS 91,5 96,2 70,3 15,5 78
Asche %TS 8,5 3,8 6,5 0,60 91
Rohprotein %FM 2,2 5,90
%TS 8,59 6,34 6,6 1,0 85
Rohfett %FM 0,5 <0,20
%TS 1,95 0,21 1,5 0,0 98
Stärke %FM nicht bestimmbar 0,60
%TS n.b. 0,64 0,1 n.b.
Rohfaser %FM 10,0 40,1
%TS 39,06 43,1 30,0 6,9 77
ADF %FM 10,2 59,0
%TS 39,84 63,4 30,6 10,2 67
NDF %FM 16,2 87,3
%TS 63,28 93,8 48,6 15,1 69
Absolutwert g
3.8 Gärrestanalysen
Abb. 7: a) Substrat und b) separierter, gewaschener Gärrest (Grassilage 1).
Der Vergleich der Aufnahmen von Substrat und dem gewaschenen Gärrest zeigt, dass trotz des
hohen Abbaugrades die Struktur weitgehend erhalten geblieben ist.
Tab. 3: Vergleich der Futterwertanalysen von Substrat und separiertem Gärrest
Die Auswertung der Futterwertanalysen ergab einen Abbaugrad der Trockensubstanz und der
organischen Trockenmasse von 79 bzw. 78 %. Die höchsten Abbauraten sind bei Rohfett und
Rohprotein festzustellen, wohingegen die Rohfaserfraktion und deren Unterfraktionen ADF
(säurelösliche Faser) und NDF (in neutral Detergenzien lösliche Faser) mit 67 bis 77 % deutlich
schlechter abbaubar sind.
12
Silage 1 Silage 2
TS % 25,6 38,7
oTS % 91,5 92,2
FM g 150,0 150,0
TS g 38,4 58,1
OTS g 35,1 53,5
produziertes Gasvolumen
gemessen l 29,1 38,7
Verweilzeit d 48,8 45,8
Grundgasproduktion gemessen 4,9 4,3
Nettogasproduktion l 24,2 34,5
spez.Gasertrag bezogen auf
FM l/kg 161 230
TS l/kg 629 594
oTS l/kg 688 644
Normierungsfaktor 0,91 0,91
Nettogasproduktion (normiert) nl 22,0 31,4
spez.Gasertrag bezogen auf
FM nl/kg 146,6 209,1
TS nl/kg 572,5 540,4
oTS nl/kg 625,7 586,1
Extrapolation des Gasertrages
Verweilzeit d 65,0 65,0
Restgasproduktion nl 1,70 4,1
Spez. Gasertrag auf oTS nl/kg 674 663
3.9 Versuchsauswertung
In Tab. 4 sind alle relevanten Daten der Gärversuche und die berechneten spezifischen Gaserträ-
ge zusammengestellt.
Tab. 4: Basisdaten und Gaserträge
4 RESÜMEE:
Die hohen Erwartungen an die Ertragsfähigkeit der Weizengrassilagen konnten in beiden
Fällen mit Gaserträgen um 670 Nm³ pro Mg organischer Trockenmasse erfüllt werden.
Trotz signifikanter Unterschied zwischen den beiden Silagen in Struktur und Härte lassen
sich keine nennenswerten Unterschiede im Gasertrag feststellen.
Der Abbaugrad der organischen Trockenmasse lag nach 48 Tagen Gärzeit bei 0,78.
Der Gärrest weist noch die typische Halmstruktur auf und lässt sich daher gut separieren.
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5 ANHANG:
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