MONITORING LEITFADEN

ZUR OPTIMIERUNG VON ANAEROBER VERGÄRUNG UND

BIOMETHAN ANLAGEN

AutorInnen:

Sandra Esteves, Sustainable Environment Research Centre, University of Glamorgan (Wales, UK)

Martin Miltner, Technische Universität Wien (Österreich) Sascha Flesch, Karl Puchas, Landes Energie Verein Steiermark (Österreich)

Teillieferung im Rahmen von:

Förderung von Biomethan und seiner Marktentwicklung durch lokale und regionale

Partnerschaften Ein Projekt im Rahmen des Intelligent Energy – Europe Programms

Vertrag Nummer: IEE/10/130; Deliverable Referenz: Task 5.2; Abgabe Date: Juli 2013

Inhalt

1. Gegenstand des Leitfadens ................................................................................................................... 3

2. Monitoring in Biogasanlagen ................................................................................................................. 4

3. Monitoring - Parameter ......................................................................................................................... 6

4. Monitoringparameter – empfohlene Parameter und Untersuchungshäufigkeit................................ 10

4.1 Substrate - Rohstoffe ................................................................................................................. 10

4.2 Fermentationsprozess ............................................................................................................... 11

4.3 Gärrest ......................................................................................................................................... 14

4.4 BIOGAS AUFBEREITUNG / BIOMETHANPRODUKTION ................................................. 15

4.5 Kosten und Nutzen des Monitoring von AD-Biogas und Biomethan Anlagen .................. 17

4.5.1 Typische Kosten von Analyse Geräten, Labor Analyse und Monitoring Verträgen. .............. 17

4.5.2 Beispiel für wirtschaftlichen Nutzen bei Steigerung der Anlagenleistung aufgrund von

Monitoring .......................................................................................................................................... 18

5. Allgemeine Anlagenparameter (Planung, Funktion und Leistung) ..................................................... 20

Rechtliches / Haftungsausschluss:

Die alleinige Verantwortung für den Inhalt dieses Berichts liegt bei den AutorInnen. Der Inhalt spiegelt nicht unbedingt die Meinung der Europäischen Union wider. Weder die Exekutivagentur für Wettbewerbsfähigkeit und Innovation noch die Europäische Kommission ist für den Gebrauch der hier enthaltenen Informationen verantwortlich.

Die Informationen in diesem Bericht werden in gutem Glauben einem breiten Publikum zur Verfügung gestellt. Entsprechend dem Thema und der Vielfalt der Technologien, der Substrate, der Vorgangsweisen und Absatzmärkte, mussten viele Aspekte verallgemeinert werden. Die AutorInnen haften nicht, soweit gesetzlich zulässig, für etwaige Aufwendungen oder Verluste, einschließlich jeder besonderen, zufälligen, daraus folgenden oder ähnlichen Schäden oder Verlusten, die direkt oder indirekt infolge der Nutzung des Leitfadens oder darin enthaltener Informationen auftreten. Die Berichterstattung über kommerzielle Produkte oder Techniken, ihre Quellen oder deren Verwendung in Verbindung mit den darin angegebenen Materialien ist nicht als tatsächliche oder implizierte Befürwortung der Technologien, Produkte oder Dienst-leistungen auszulegen.

Urheberrecht: Ohne schriftliche Erlaubnis der AutorInnen ist weder die vollständige noch

auszugsweise Kopie dieses Reports zulässig. Der zusammenfassende Bericht wurde in 9

Sprachen übersetzt. Der vollständige Bericht ist derzeit nur in Englisch verfügbar. University of

Glamorgan, 2012 Copyright für alle Fotos in diesem Bericht.

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1. Gegenstand des Leitfadens

Dieser Leitfaden beschreibt die Notwendigkeit und die Auswirkungen einer Umsetzung des

entsprechenden Monitoring von Biogas und Biomethananlagen. Er gibt einen Überblick über

zahlreiche Parameter sowie Stichprobenmethoden und Monitoringregeln, die für den

eigentlichen Vergärungsvorgang selbst, für die vergorenen Substrate, für die entstehenden

Gärreste und das erzeugte Biogas relevant sind. Es überschreitet den Rahmen dieses

Handbuchs, Kontrollmaßnahmen, Systeme oder Regelungen zu bewerten, dennoch bietet es

einen zusammenfassenden Überblick über typische Kontrollmaßnahmen, um die

Funktionsweise der Biogasanlagen zu verbessern.

Der Leitfaden liefert allgemeine Informationen zum Monitoring der wichtigsten Parameter und

zur Steuerung einer Biogasanlage um:

eine Optimierung hinsichtlich der hydraulischen und organischen Belastung von

Substraten zu ermöglichen

Flexibilität bei der Auswahl der Eingangssubstrate zu gewähren

Abfälle (sofern Substrate als Abfälle klassifiziert sind) bestmöglich in der Biogasanlage

zu behandeln

den Wirkungsgrad der Biogas/Biomethanproduktion zu optimieren

hochqualitative Gärreste und Biomethan zu liefern

die Anlagenverfügbarkeit zu verbessern

die Betriebskosten zu optimieren

den ökologischen Nutzen der Anlage zu verbessern

4 | S e i t e

2. Monitoring in Biogasanlagen

Anaerobe Vergärung ist ein biochemischer Vorgang bei dem organische Materie/Biomasse

unter Ausschluss von Sauerstoff, durch eine Serie von Reaktionen mit Hilfe verschiedener

Gruppen von Mikroorganismen abgebaut wird. Aus diesen Prozessen entsteht neben den

Gärrest auch Methan und Kohlendioxid (siehe Abbildung 1). Die verschiedenen Stufen des

Verfahrens können gemeinsam innerhalb eines Behälters (Fermenter) ablaufen, oder getrennt

in mehreren Behältern. Das erwünschte Resultat der Vergärung ist Methan, welches zur

Umwandlung von erneuerbarer Energie zu elektrischem Strom, Wärme oder Fahrzeugtreibstoff

verwendet werden kann. Der Gärrest enthält wertvolle Nährstoffe und kann als Dünger auf

landwirtschaftliche Flächen ausgebracht werden. Biogasanlagen zur Verwertung organischer

Abfälle und zur Biogaserzeugung sind eine umweltfreundliche, attraktive Technologie. Die

Vorteile für die Umwelt reichen über Abfallbehandlung, Reduzierung der Umweltverschmutzung,

Erzeugung von erneuerbaren Energien bis zur Verbesserung der landwirtschaftlichen Praxis.

Den Einsatz und den Nutzen durch Gärreste und Nährstoffe zu erweitern ist derzeit Gegenstand

weiterer Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten. Mehr als 8000 Biogasanlagen sind derzeit

weltweit vorhanden (nicht mitgerechnet Klein- bzw. Mikroanlagen). Europa hat derzeit die

größte installierte Leistung und der Einsatz wächst in manchen Regionen weiter. Der

Schwerpunkt liegt auf der Verarbeitung biogener Reststoffe und in vielen Fällen auf der

Erzeugung von Bioenergie aus Energiepflanzen. Laut IEA, wird derzeit Weltweit in 170

Biomethananlagen Biogas für die Einspeisung und für die Nutzung als Kraftstoff aufbereitet.

Abbildung 1: Vereinfachte Darstellung der verschiedenen Stufen im Vergärungsprozess

Hydrolyse

Komplexe organische Materialien (Kohlehydrate, Proteine und Fette)

werden in kleinere Moleküle zerlegt

Säurebildung/Fermentation

Erzeugung von Wasserstoff, CO2 und flüchtigen Fettsäuren (VFAs)

Essigsäurebildung

Alkohole und flüchtige Fettsäuren werden umgewandelt in Acetat,

Wasserstoff und CO2; Wasserstoff und CO2 können auch wieder zu

Acetat umgewandelt werden.

Methanbildung

Acetate, Wasserstoff und CO2 werden zu Methan umgewandelt

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Der Vergärungsprozess kann durch eine Vielzahl von Prozessstörungen instabil werden:

Anstieg der organischen oder hydraulischen Belastung

Auftreten von toxischen oder hemmenden Verbindungen, die durch Schädigung der

aktiven Mikroorganismen oder Verringerung der Wirksamkeit bzw. Aktivität der Enzyme

die Fermentierung beeinträchtigen können

Mangel an notwendigen Nährstoffe oder Spurenelemente zur Aufrechterhaltung und

Wachstum der Mikroorganismen

Abweichung von der optimalen Betriebstemperatur

In vielen Fällen könnte die Prozessinstabilität durch Betreiben des Fermentierungsprozesses

weit unterhalb der maximalen Kapazität mittels verringerten Substratdurchsatzes vermieden

werden. Dies bedeutet jedoch, dass größere Anlagen als nötig gebaut wurden und somit mit

höherem Kapitaleinsatz-und Betriebskosten ökonomisch ineffizient betrieben werden. Es ist

auch wichtig zu berücksichtigen dass die Mikroorganismen das organische Material nur dann

optimal abbauen können, wenn die Milieubedingungen passend für die Mikroorganismen sind.

Daher führen weder die Unterfütterung noch lange Verweilzeiten im Fermenter

notwendigerweise zu einer besseren Umsetzung der Organik zu Biogas, da das Wachstum der

mikrobiellen Kultur wegen des Mangels an Nährstoffen ebenfalls begrenzt wird.

Wichtige Unterschiede entstehen auch durch die Vorbehandlung der Substrate (z.B.

Lagerungsbedingungen oder komplexere Vorbehandlungen) zur Erhöhung ihrer

Abbaugeschwindigkeit. Diese können einen direkten Einfluss auf beispielsweise pH-Wert,

Ammoniumgehalt und Fettsäuren haben. Darüber hinaus gibt es eine Reihe anderer Faktoren,

die zur Effizienzbeurteilung beitragen.

Regelmäßiges Monitoring kann einen wesentlichen Beitrag zu einem effizienten Betrieb einer

Biogas- bzw. Biomethananlage leisten. Das Verstehen von effizienten Prozessen, und

Verbesserungsmöglichkeiten ist der Schlüssel für Betreiber, um in der Lage zu sein, geeignete

und wirksame Steuerungs/Kontrollmaßnahmen zu ergreifen. Das kann mit einem

Substratwechsel, der Zugabe von Säure bzw. Lauge, Nährstoffen und Spurenelementen, einer

Änderung der organischen und hydraulischen Belastungsrate, Substratvorbehandlung oder

Gärrestnachbehandlung sowie dem Betreiben eines Hilfsprozesses neben anderen

Maßnahmen zur Ammoniakentfernung zusammenhängen.

Zusätzlich zur Durchführung von Monitoring und Steuerungsmaßnahmen zur Verbesserung des

Anlagenbetriebs und der Wirksamkeit, gibt es gute Gründe, die Qualität von Gärrest zu

überwachen, um beispielsweise Bedingungen für Gärresteigenschaften zu erfüllen. Ebenfalls

muss die Qualität von Biogas und Biomethan überprüft werden.

6 | S e i t e

3. Monitoring - Parameter

Innerhalb jeder Verfahrensstufe einer Biogas/Biomethananlage gibt es zahlreiche Parameter die

überwacht werden können (Abbildung 2). Gekennzeichnete Monitoring Parameter wurden von

den AutorInnen dieser Studie - basierend auf Literaturangaben als auch anhand jahrelanger

Erfahrung in der Erforschung von Anaerober Vergärung und Biogasaufbereitung und Arbeiten

mit großtechnischen Anlagen in Europa ausgewählt.

Abbildung 2: Zusammenspiel der verschiedenen Stufen innerhalb einer AD und eine Biomethananlage

Parameter sind nach der Verfahrensstufe der Biogas- und Biomethan-Anlage, in der sie

gemessen werden können (Abbildung 3) unterschieden worden. Die Kombination aus einer

Anzahl von diesen Parametern führt zu gutem Verständnis des Anlagenbetriebs und wird eine

Reihe von Vorteilen, einschließlich der Optimierung der Biogas- und Biomethanerzeugung

ermöglichen. Nicht alle Parameter müssen für alle Anlagen gemessen werden. Jedoch kann es

in manchen Fällen notwendig sein, zusätzliche Parameter abhängig von den spezifischen

Umständen zu messen.

Insbesondere in Bezug auf die Biogasanlage, Substrate und Gärreste gibt es derzeit noch

keinen einheitlichen Standard für ein geeignetes Monitoringsystem. Die in diesen Leitfaden

angeführten Überprüfungsintervalle sind als unverbindliche Empfehlungen zu verstehen! Eine

höhere Frequenz wäre vorteilhaft, jedoch ist klar, dass das mit zusätzlichen Kosten verbunden

ist, wie z.B. durch externe Analyselaborkosten, Investitionen in Sensoren, Personalkosten,

Sensorkalibrierung und Wartung. Sobald ein Monitoring System implementiert ist, besteht für

den Betreiber die Notwendigkeit, Messdaten und biochemische Analysen zu interpretieren, sie

dann zu korrelieren, mögliche Analysestörungen zu identifizieren und daraus über den Status

der Anlage Schlüsse zu ziehen, so dass dann Regelungs- oder Optimierungsmaßnahmen

umgesetzt werden können. All das sollte so rasch als möglich durchgeführt werden, da falsch

eingestellte Parameter sich bald auf ein schlechtes Ergebnis der Vergärung auswirken.

Substrate

anärobe Vergärung

Gärrest Biogasreinigung und

Veredelung/ Anreicherung

allgemeine Anlagenparameter

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Abbildung 3 zeigt mögliche Monitoring Aspekte zur Beurteilung der Leistung von Biogasanlagen

auf. Das ideale Monitoring soll automatisiert sowie kontinuierlich durchgeführt werden und

Echtzeit-Daten bereitstellen. Somit sind auch sofortige Steuerungs- und Kontrolleingriffe aus der

Ferne möglich. Gegenwärtig können jedoch auf Grund technischer Schwierigkeiten und aus

Kostengründen nicht alle wichtigen Parameter kontinuierlich und in Echtzeit gemessen und

erfasst werden.

Abbildung 3: Monitoring Parameter für jede Verfahrensstufe zum Betrieb einer Biogasanlage

Biogas und

Biomethan

Strömungsrate

Gasgehalt

bezüglich CH4,

CO2, O2, H2S, H2O

und NH3

sonstige Inhalte –

Partikel, Siloxane,

flüchtige

organische,

Mercaptane,

Sauerstoff und

Halogene

Brennwert und

Wobbe Kennzahl

Gesamttrocken-

substanz

Organische

Trockensubstanz

N, P, K, Na, Ca,

Mg und S Gehalt

Pathogene/Krank-

heitserreger

Organische und hydraulische Belastung

Verweildauer

Trockensubstanz und Organische Trockensubstanz

C:N Wert

Organisch Stickstoff

und Ammonium

pH

Temperatur

Volatile Fettsäuren (gesamt and Artenbildung,

einschließlich lange Ketten)

Makro and Mikronährstoffe

Biogas Durchfluss

Zusammensetzung (CH4, CO2, O2, NH3,

H2S und H2)

Gesamttrocken-

substanz

Organische

Trockensubstanz

Spurenelemente

Gesamtsickstoff

Kohlehydrate,

Proteine und

Lipide

mögliche Gift-

oder Hemmstoffe

für Pflanzen, Tiere

und mikrobielle

Rezeptoren (z.B.

Schwermetalle)

pH physikalische

Verunreinigungen

(Glas / Plastik,

etc.)

Pathogene/Krank

heitserreger

Biozide

Biogas oder

Methan Potenzial

8 | S e i t e

9 | S e i t e

Inbetriebnahme

Normalbetrieb

Herunterfahren

Der Erfolg jedes Prozessüberwachungssystems ist auch durch die entsprechende Anordnung

von Sensoren und ausreichende Probenentnahme oder Protokolle bestimmt. Die Positionierung

des Sensors/der Sonde oder der Entnahmestelle ist ebenfalls ein wichtiges Kriterium. Bei der

Platzierung der Sensoren in Kontakt mit festen und flüssigen Substraten ist eine verstärkte

Verschmutzung wahrscheinlich. Die Reinigung und Wartung der Sensoren muss regelmäßig

und häufig durchgeführt werden (außer es gibt eine Sensor Selbstreinigung). Sensoren können

auch an Stellen platziert werden, wo die Inhalte des Fermenters schlecht durchmischt sind, oder

einige anorganische Materialablagerungen auftreten, oder an der Oberseite des Fermenters, wo

Schaum und Krustenbildung die Messungen beeinflussen (es sei denn der Sensor soll gerade

diese speziellen Bedingungen messen).

Aus diesen Gründen muss die Positionierung der Probenentnahme und Sensoren gut

durchdacht werden. Probenentnahme an mehreren Stellen, mehrfach-Parameter und häufige

Überwachung gelten als gute Strategie, um Proben-Heterogenität, Sensorverschmutzung und

andere Störungen auszugleichen.

Bei der Auswahl der Messmethode sollte man die erforderliche Messgenauigkeit und die

Qualität der Instrumente beachten. Instrumente, die in diesem Bereich eingesetzt werden,

müssen häufiger gewartet werden. Besonderes Augenmerk ist auf das jeweilige Messprinzip

und mögliche Interferenzen zu legen. Die Messinstrumente sollten nur in Messumgebungen

eingesetzt werden für die sie konstruiert wurden.

Das Monitoring kann prinzipiell in 3 Phasen eingeteilt

werden:

1) Inbetriebnahme 2) Normalbetrieb 3) Herunterfahren

Jede Betriebsphase hat in Hinblick auf die Überwachung

besondere Erfordernisse. Bei der Inbetriebnahme einer

Anlage sollte ein Monitoringsystem mit häufigerer Proben-

entnahme gewählt werden.

Die Monitoring Häufigkeit im Normalbetrieb bei nahezu

unveränderten Betriebsbedingungen (z.B. keine Änderung

der Substratqualität) kann reduziert werden. Speziell bei

Änderungen der Betriebssituation ist die Frequenz der

Monitoringaktivitäten wieder zu erhöhen. Speziell bei

massiver Änderungen der Substratzusammensetzung kann

es möglicherweise mehrere Monate (etwa 3 hydraulische

Verweilzeiten) dauern bis die Biogasanlage wieder mit

stabilen Betriebsbedingungen läuft.

10 | S e i t e

4. Monitoringparameter – empfohlene Parameter und Untersuchungshäufigkeit

4.1 Substrate - Rohstoffe

Die anaerobe Behandlung zahlreicher Substrate wie Klärschlamm, biogene kommunale Abfälle, landwirtschaftliche Reststoffe (Gülle, nachwachsende Rohstoffe) und verschiedene andere Industrieabfälle ist Stand der Technik. Zahlreiche weitere organische Materialien eignen sich ebenfalls relativ gut zur Vergärung. Einen wichtigen Punkt in diesem Zusammenhang stellt die chemische Charakterisierung des Einsatzmaterials dar. Speziell bei Abfallbehandlungsanlagen setzt sich das Inputmaterial aus unterschiedlichsten Stoffströmen zusammen. Hierbei ist zu betonen, dass ein stabiler und sicherer Betrieb nur bei ausreichender Kenntnis der Zusammensetzung der Substrate gegeben ist. Es wird daher angeraten die entsprechenden Substrate auf TS, oTS, TKN, N-NH4 und gegebenenfalls auf CSB und FFS hin untersuchen zu lassen. Beim Zusammenführen unterschiedlicher Substrate ist auch darauf zu achten, dass speziell proteinreiche Fraktionen (wie z.B. Hühnerkot, Blut, Schlachthausabfälle und andere proteinreiche vergärbare Industrieabfälle) zu einer Stickstoffanreicherung führen und somit eine mögliche Prozessinhibierung durch das Zusammenspiel von erhöhtem pH-Wert und freiem Stickstoff (NH4-N) hervorrufen können. Die Zusammensetzung und Mischverhältnisse von Inputmaterialien sollten möglichst konstant gehalten werden. Zusätzlich sollte bei der Anlieferung die allgemeine Qualität des Substrates beurteilt werden bzw. auch die Herkunft hinterfragt werden. Bei der Anlieferung sollte das Substrat auch auf langfasriges Material oder Verunreinigungen (z.B. Eintrag von Erde durch zu geringe Schnitttiefe) vermieden werden.

Parameter empfohlene Untersuchungshäufigkeit

pH-Wert Vor dem ersten Einbringen in den Fermenter bzw. wenn sich die Herkunft des Rohstoffs verändert bzw. unbekannt ist; eine TS- und oTS-Bestimmung ist wöchentlich zu empfehlen; stichprobenweise sollte jedenfalls 1 x jährlich eine Analyse durchgeführt werden;

TS

oTS

Biogasertragspotential

Nährstoffe (N, P, K)

Gesamtstickstoff TKN

Schwermetalle

Organische Schadstoffe (Biozide, Antibiotika, Desinfektionsmittel, etc.)

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4.2 Fermentationsprozess

Klasse A – Optimierte Biogasanlage - Betrieb auf konstantem/stationärem

Zustand – Geringes Risiko

Die Biogasanlage wird bei niedriger Faulraumbelastung und ausreichend hoher hydraulischer

Verweilzeit betrieben. Änderungen in der Substratzusammensetzung erfolgen nur selten und

der Substratmix bleibt über einen langen Zeitraum unverändert. Abhängig von Art und Qualität

der eingesetzten Substrate ist die Häufigkeit der Überprüfung der nachfolgend aufgelisteten

Parameter individuell anzupassen. Die Auflistung ist eine unverbindliche Empfehlung!

Parameter empfohlene Untersuchungshäufigkeit Fermentertemperatur täglich

Zusammensetzung Biogas (CH4, CO2, H2S, O2) täglich

pH-Wert wöchentlich

Gehalt an flüchtigen Fettsäuren Gesamt monatlich (gelegentlich), bzw. wenn sich Änderungen im Prozess bemerkbar machen

Gehalt an NH4 monatlich / wöchentlich

Alkalität (Biocarbonat) / Pufferkapazität monatlich

Spurenelemente (Kobalt, Nickel, Selen, Molybdän, Eisen, Wolfram)

jährlich

Organische Schadstoffe (Biozide, Antibiotika, Desinfektionsmittel, etc.)

jährlich

Klasse B – Biogasanlage die mit instationären Bedingungen betrieben wird –

Mittleres Risiko

Die Biogasanlage wird grundsätzlich bei niedriger Faulraumbelastung und ausreichend hoher

hydraulischer Verweilzeit betrieben. Jedoch kann es durch eine Änderung der

Substratzusammensetzung zeitweise zu einer starken Erhöhung der organischen

Faulraumbelastung kommen. Abhängig von Art und Qualität der eingesetzten Substrate ist die

Häufigkeit der Überprüfung der nachfolgend aufgelisteten Parameter individuell anzupassen.

Die Auflistung ist eine unverbindliche Empfehlung!

Parameter empfohlene Untersuchungshäufigkeit Biogasertrag laufend (online)

Fermentertemperatur täglich

Zusammensetzung Biogas (CH4, CO2, H2S, O2) täglich

Gehalt an flüchtigen Fettsäuren Gesamt 3 x wöchentlich

pH-Wert 3 x wöchentlich

Alkalität (Biocarbonat) / Pufferkapazität 3 x wöchentlich

Gehalt an NH4 3 x wöchentlich

Spurenelemente (Kobalt, Nickel, Selen, Molybdän, Eisen, Wolfram)

mehrmals (3-4 x jährlich)

Organische Schadstoffe (Biozide, Antibiotika, Desinfektionsmittel, etc.)

jährlich

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Klasse C – Biogasnlage bei maximaler Belastung (geringe hydraulische Verweilzeit, häufige Änderung der Substratzusammensetzung) – Hohes Risiko

Das Risiko eines möglichen instabilen Betriebes ist gegeben. Die Biogasanlage wird bei

maximaler Faulraumbelastung und minimaler hydraulischer Verweilzeit betrieben. Änderungen

in der Substratzusammensetzung erfolgen laufend und die Qualität der eingesetzten Substrate

ändert sich häufig oder ist für den Betreiber nicht gut einschätzbar. Abhängig von Art und

Qualität der eingesetzten Substrate ist die Häufigkeit der Überprüfung der nachfolgend

aufgelisteten Parameter individuell anzupassen. Die Auflistung ist eine unverbindliche

Empfehlung!

Parameter empfohlene Untersuchungshäufigkeit

Biogasertrag laufend, online

Zusammensetzung Biogas (CH4, CO2, H2S, O2)

laufend, online

Fermentertemperatur täglich

Alkalität (Biocarbonat) / Pufferkapazität täglich

Abbaugrad Organik täglich

Gehalt an flüchtigen Fettsäuren Gesamt täglich

pH-Wert 3 x wöchentlich

Gehalt an NH4 3 x wöchentlich

Spurenelemente (Kobalt, Nickel, Selen, Molybdän, Eisen, Wolfram)

mehrmals (3-4x jährlich)

Organische Schadstoffe (Biozide, Antibiotika, Desinfektionsmittel, etc.)

jährlich

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Mithilfe der nachfolgenden Tabelle kann auf eine sehr einfache Weise der Zustand einer Biogasanlage beurteilt werden. Es muss hier aber angemerkt werden, dass die Werte in erster Linie der Orientierung dienen. Des Weiteren muss eine Anlage, deren Werte sich im roten Bereich befinden, nicht zwangsläufig gefährdet sein. Die Tabelle hat die Funktion einer Ampel, die Farben werden nachfolgend kurz erläutert:

WICHTIG: Regelmäßiges Monitoring ist eine Grundvoraufsetzung für eine effiziente Prozesskontrolle, damit man Trends erkennen kann. Ein einzelner Wert (eine einzelne Analyse) hat nur eine sehr geringe Aussagekraft!

GRÜN: Günstiger Fermenterzustand, bei sehr regelmäßiger Beschickung ist eine häufige Überwachung nicht notwendig.

GELB: Tolerabler Wertebereich mit ersten Stressreaktionen der Mikroorganismen;

Es liegt im Interesse des Betreibers die Betriebsweise und Überwachung so zu wählen, um wieder in den grünen Bereich zu kommen.

ROT: Instabiler Prozesszustand, die Zwischenprodukte (z.B. Fettsäuren) können nicht abgebaut werden, es besteht die Gefahr der Übersäuerung oder anderer Hemmungen.

Es sind regelmäßige Untersuchungen und nach Absprache eine Änderung der Prozessbedingungen notwendig.

grün gelb rot

pH [ - ] 7,5 – 8,2 7,2 – 7,5 < 7,2; > 8,2

Freie flüchtige Fettsäuren (VFA) gesamt

[mg/L] < 1.300 1.300 – 4.500 > 4.500

Essigsäure [mg/L] < 1.000 1.000 – 2.000 > 2.000

Propionsäure [mg/L] < 250 250 – 1.000 > 1.000

i-Buttersäure [mg/L] < 60 60 - 200 > 200

Buttersäure [mg/L] < 50 50 - 100 > 100

i-Valeriansäure [mg/L] < 50 50 - 100 > 100

Valeriansäure [mg/L] < 50 50 - 100 > 100

Undissoziierte freie flüchtige Fettsäuren (UFA) gesamt

[mg/L] < 5,5 2,5 - 10 > 10

NH4-Stickstoff [mg/L] < 5.000 > 5.000 ---

NH3 [mg/L] < 700 700 – 1.100 > 1.100

TS [%] 4 - 8 < 4; 8 - 10 > 10,5

oTS [%] < 6 6 – 8,3 > 8,3

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4.3 Gärrest

Im Zuge der Methangärung werden die chemisch-physikalischen Eigenschaften bzw. das

Emissionsverhalten von organischen Abfällen durch Verkleinerung der Partikelgröße,

weitgehenden Abbau der organischen Bestandteile, Aufschluss potentieller Pflanzennährstoffe,

Verbesserung des Entwässerungsvermögens, weitestgehende Geruchsreduzierung und

verfahrensabhängig partielle Hygienisierung entscheidend verbessert. Grundsätzlich wird der

Kohlenstoffanteil des Substrates im Zuge der Methangärung zum überwiegenden Teil zu Biogas

umgesetzt.

Der Gärrest kann entweder ohne weitere Behandlung gelagert oder durch Separation in eine

feste und eine flüssige Phase getrennt werden.

Das vergorene organische Material (Gärrest) besteht je nach Biogasverfahren zu etwa 80 bis

95% aus Restwasser. Dieses enthält gelöste, unabgebaute bzw. im Zuge der Mineralisierung

entstandene, anorganische bzw. organische Verbindungen. Der Feststoffanteil des Gärrestes

enthält unlösliche, unabgebaute, organische und anorganische Komponenten sowie den

Großteil der für den Biogasprozess verantwortlichen Bakterien-Mischkultur.

Welche einzelnen Parameter untersucht werden müssen, hängen von verschiedenen

Rahmenbedingungen ab und sind von Land zu Land unterschiedlich geregelt. Eine Abstimmung

mit den jeweils zuständigen lokalen Behörden ist unumgänglich. Üblicherweise erfolgt eine

Überprüfung der verschiedenen Parameter durch geeignete und zertifizierte Labors. Die

folgende Auflistung stellt eine unverbindliche Empfehlung für den Biogasanlagenbetreiber dar.

Parameter empfohlene Untersuchungshäufigkeit

Abbaugrad Organik gelegentlich (mind. 1 x jährlich)

pH-Wert gelegentlich (mind. 1 x jährlich)

Spurenelemente (Kobalt, Nickel, Selen, Molybdän, Eisen, Wolfram)

gelegentlich (mind. 1 x jährlich)

Salzgehalt gelegentlich (mind. 1 x jährlich)

Spezifisches Gewicht gelegentlich (mind. 1 x jährlich)

TS gelegentlich (mind. 1 x jährlich)

oTS gelegentlich (mind. 1 x jährlich)

csb gelegentlich (mind. 1 x jährlich)

Schwermetalle gelegentlich (mind. 1 x jährlich)

Nährstoffe (N, P, K) gelegentlich (mind. 1 x jährlich)

Organische Säuren gelegentlich (mind. 1 x jährlich)

Gesamtstickstoff, Ammoniumstickstoff gelegentlich (mind. 1 x jährlich)

Hygieneparameter (Salmonellen, E coli, Enterococci)

jährlich (bei Abfallvergärung mind. 2 x jährlich)

15 | S e i t e

4.4 BIOGAS AUFBEREITUNG / BIOMETHANPRODUKTION

Neben der Nutzung von Biogas zur Produktion von Strom und Wärme durch eine Kraft-Wärme-

Koppelung ist die Einspeisung von aufbereitetem Biogas (Biomethan) in das öffentliche Gasnetz

Stand der Technik.

Das im Fermenter produzierte Biogas ist einerseits mit Wasserdampf beladen und muss zur

Einspeisung in das Gasnetz zunächst einmal getrocknet werden. Abhängig vom Schwefelgehalt

des Rohmaterials, der hydraulischen Verweilzeit, den organischen Bestandteilen etc. variiert

darüber hinaus die Qualität des Biogases (Zusammensetzung aus CH4, CO2, H2S) durchaus

signifikant. Der Schwefelwasserstoffgehalt (H2S) kann dabei zwischen nahezu Null und 3%

(wenn sehr schwefelhaltige Rohmaterialien genutzt werden) schwanken. Wenn Klärschlamm

zur Biogasproduktion eingesetzt wird, muss zusätzlich auf Siloxane geachtet werden, welche

Probleme in den Motoren verursachen können.

Verschiedene Prozesse zur Entschwefelung des Biogases sind bereits verfügbar. Auf der einen

Seite kann der Schwefelwasserstoffgehalt bereits im Fermenter reduziert werden. Dieser Schritt

wird üblicherweise durch das Hinzufügen diverser Eisensalze direkt in den Fermenter

unterstützt. Weiters kann Schwefelwasserstoff durch teilweise direkte Oxidation reduziert

werden. In diesem Fall wird Sauerstoff (Luft) direkt in den Fermenter eingeblasen, um den

Schwefelwasserstoff mittels des Stoffwechsels der im Fermenter ansässigen Bakterien zu

zersetzen. Der Schwefel verbleibt in beiden Fällen als Elementarschwefel, Sulfit oder Sulfat im

Schlamm und verlässt das System über den Gärrest.

Andererseits kann der Schwefelwasserstoffgehalt im Biogas außerhalb des Fermenters

reduziert werden. Dieser Vorgang kann mittels biologischer Entschwefelung (Schwefeloxidation

mit Hilfe von Bakterien, durch Luftzuführung), chemischer Entschwefelung (Abbau mittels dafür

geeigneten chemischen Lösungen oder chemischer Oxidationsmittel), mittels Aktivkohle oder

eines chemisch wirksamen Adsorptionsmittels (Eisenoxid, Zinkoxid) erfolgen. Die Adsorption

von Schwefelwasserstoff führt üblicherweise für Biogas zu hohen spezifischen Kosten. Weshalb

dieses Verfahren überwiegend zur Endreinigung eingesetzt wird. Nicht alle genannten

Entschwefelungsverfahren sind vorteilhaft, wenn man Biogas zur Einspeisung in das

Erdgasnetz konditionieren möchte. Im Wesentlichen ist auf die Einblasung von Luft zu

verzichten, um dem Biogas nicht die zusätzliche Verunreinigung Stickstoff beizumischen, die in

späteren Schritten kaum oder nur noch mühsam entfernt werden kann.

Nach der Entschwefelung ist die Anreicherung von Methan im Biogas einer der wichtigsten Schritte. Dieser Prozessschritt wird hauptsächlich durch das Entfernen von Kohlendioxid (CO2) und der Feuchte charakterisiert. Hier sind heute wiederum verschiedenste Technologien kommerziell verfügbar. Diese umfassen die Druck-Wechsel-Absorption (PSA-Absorption von CO2 und H2O mittels Molekularsieb), die drucklose Gaswäsche mit Aminlösungen wie MEA, MDEA, die Druckwasserwäsche, oder die Trennung des Gasgemisches mittels Membranverfahren (Gaspermeation – die einzelnen Gasbestandteile werden durch Anwendung einer Polymer-Membran selektiv voneinander getrennt).

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Detailinformationen zu diesen Technologien sind der Broschüre „ÜBERBLICK ÜBER BIOGASAUFBEREITUNGS-TECHNOLOGIEN ZUR PRODUKTION VON BIOMETHAN“ (www.lev.at, und www.bio-methanregions.eu) zu entnehmen. Sobald das Biogas für die Einspeisung in das öffentliche Gasnetz oder als Treibstoff aufbereitet

wurde, ist zum Nachweis der Produktqualität die Einhaltung einer Reihe von Kontrollparametern

von größter Wichtigkeit. Diese Parameter hängen nicht vom gewählten Aufbereitungsverfahren

sondern von der geplanten Nutzung des Biomethans ab.

Die folgenden Qualitätsparameter des produzierten Biomethans müssen ermittelt und deren

Übereinstimmung mit den gesetzlichen Richtlinien müssen bestätigt werden, um die minimalen

Anforderungen für die Einspeisung in ein Erdgasnetz zu erfüllen. Die Messung des

Volumenstroms ist dabei keine gesetzliche Richtlinie, sondern ist zur Abrechnung mit dem

Gasnetzbetreiber unbedingt erforderlich.

Parameter Einheit empfohlene

Untersuchungshäufigkeit

Biomethan Volumenstrom m³/h regelmäßig

Biomethan CH4-Gehalt %v/v trocken regelmäßig

Biomethan CO2-c Gehalt %v/v trocken regelmäßig

Biomethan O2- Gehalt %v/v trocken regelmäßig

Biomethan H2S- Gehalt mg/m³, ppmv regelmäßig

Biomethan H2O- Gehalt %v/v, ppmv, Taupunkt regelmäßig

Die minimalen Anforderungen der anlagenspezifischen Parameter geben dem Besitzer und

Betreiber einen Überblick über den Verbrauch des Aufbereitungsverfahrens und damit einen

Einblick in die Effizienz und Wirtschaftlichkeit der Anlage.

Parameter Einheit empfohlene

Untersuchungshäufigkeit

elektrischer Energieverbrauch insgesamt kWhel regelmäßig

Wärmeenergieverbrauch kWhth regelmäßig

Kühlenergieverbrauch kWhth regelmäßig

17 | S e i t e

4.5 Kosten und Nutzen des Monitoring von AD-Biogas und Biomethan Anlagen

Monetäre Überlegungen spielen beim Betrieb einer Biogasanlage eine wichtige Rolle. Vorzüge

eines „guten“ Monitoring wurden zu Anfangs erläutert. Auf Grund der heterogenen Verhältnisse

von Anlagen, deren Auslegung und individuellen Gegebenheiten der Anlage, ist es schwierig

konkrete Monitoring-Kosten für alle erdenklichen Arten von Biogasanlagen zu nennen. Des

Weiteren ist es aus verschiedenen Gründen schwierig Informationen über reale Kosten für

Monitoring-Sensoren, Analysegeräten und Anlagenüberwachungsverträgen von den jeweiligen

Lieferanten, Anlagenplanern und Betreibern zu bekommen.

Eine Auswahl von Informationen zu den Kosten wurde jedoch aus einer Reihe von

europäischen Ländern erhoben und hier zusammengefasst. Dabei handelt es sich einerseits um

Kosten für analytische Instrumente und Kosten für typische Laboranalysen.

4.5.1 Typische Kosten von Analyse Geräten, Labor Analyse und Monitoring

Verträgen.

Die am häufigsten verwendeten Echtzeit-Analysgeräte messen Biogas, Biomethan

Durchflussmengen und die Gas-Zusammensetzung. Die Investitionskosten für

Mehrkomponenten-Gas-Messgeräte, welche die Gaskonzentrationen von CH4, CO2, O2 und

H2S messen, variieren von € 20.000,- bis € 80.000,- je nach Analyseverfahren und Genauigkeit,

ob offline oder fortlaufend gemessen wird und ob eine automatisierte Kalibrierung und Gas

Trocknung durchgeführt werden. Messgeräte für Biogas und Biomethan Volumenstrom-

Messung kosten rund € 5.000,- bis € 12.000,- je nach Gas Durchfluss. Die Messung des pH-

Wertes kann in der Regel entweder in Echtzeit direkt oder ex-situ durchgeführt werden. Die

Kosten der pH-Sonden liegen bei rund 300 €, jedoch die Signalgeber Box erfordert zusätzlich €

700,- bis € 900,-.

Ex-situ-Analysen können in der Regel mit für Monitoring von Rohstoffen, Fermenterinhalten und

Gärrestmerkmalen relevanten biochemischen Parametern durchgeführt werden. Diese

Analysen können mit Analysegeräten oder Analysemethoden vor Ort oder per Probensendung

an externe Labors durchgeführt werden. Zum Beispiel kann die Anschaffung eines flüchtige

Fettsäuren-Analysegerätes, welches die Konzentrationen einer Reihe von flüchtigen Fettsäuren

einschließlich Essigsäure, Buttersäure und Propionsäure misst, ca. € 35.000,- kosten, während

die Kosten eines Titriergerät zur Messung von Alkalinität und sämtlichen flüchtigen Fettsäuren

in der Größenordnung von € 1.700,- bis € 3.800,- liegen. Zusätzliche Betriebskosten sind mit

der Durchführung dieser Analysen, den Verbrauchsmaterialien, der Wartung und der Arbeitszeit

des Betriebspersonals verbunden.

Nicht jedes Analysegerät wird sich hinsichtlich seiner Beschaffungskosten rentieren. Daher

werden im Regelfall Kosten für Laboranalysen fällig. Diese können in Form von Einzelanalysen

oder in Rahmen von Monitoring Verträgen anfallen.

Einjährige Verträge für Anlagenmonitoring variieren in Inhalt und Umfang und daher auch

hinsichtlich Kosten. Diese Verträge dienen unter anderem zur Vermeidung von Ausfallszeiten,

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als Nachweis gesetzlicher Emissionswerte, zur allgemeinen Anlagenoptimierung und liegen

preislich in der Größenordnung von € 5.000,- bis € 40.000,- pro Jahr. Wobei hier die

kostspieligeren Verträge die kontinuierliche Optimierung der Anlage, basierend auf technischer

Beratung und Laboranalysen, beinhaltet.

Die folgende Tabelle fasst die Kosten ausgewählter Labors in Deutschland zusammen. Diese

Werte sollten jedoch nur als Anhaltspunkt dienen. Rahmenverträge, Rabatte, Methoden sowie

dessen Genauigkeit können zu Abweichungen der angeführten Werte führen.

Kosten für die Analyse der relevanten Parameter durch externe Labors (Kosten pro Probe,

sofern nicht anders angegeben)

Parameter

Labor-Analyse-Kosten

Biogasertragspotenzial 80 – 150 €

Ausgärversuch 360 – 450 €

Gärresttest 360 – 450 €

Biogaszusammensetzung (CH4, CO2, H2S, O2) Ca. 45 € / Verbindung inkl. NH³

pH-Wert 5 – 9 €

TS (Trockensubstanzgehalt) und oTS 20 €

csb –Chemischer Sauerstoff-Bedarf (für Biogas nicht relevant) Ca. 20 €

Gesamtstickstoff TKN Ca. 30 – 45 €

Gehalt an NH4 Ca. 15 €

Gehalt an flüchtigen Fettsäuren Gesamt (Säuresprektrum) Ca. 50 €

Schwermetalle (As, Cd, Cr, Cu, Ni, Pb und Zn) und Spurenelemente (Kobalt, Nickel, Selen, Molybdän, Eisen, Wolfram)

100 – 130 €

FOS und TAC 20 – 30 €

Hinweis: Die Analysen werden in der Regel in dreifacher Ausführung durchgeführt und Kostet enthalten

keine Steuern. In der Regel kann für langfristige Monitoring Verträge oder Mehrfachproben 10-20%

Rabatt. Manche Labors haben auch Mindestgebühren.

4.5.2 Beispiel für wirtschaftlichen Nutzen bei Steigerung der Anlagenleistung

aufgrund von Monitoring

Anhand eines vereinfachten Beispiels für Deutschlands „typischen“ Biogasanlage, werden hier

die Kostenvorteile demonstriert, wenn sich die Biogas Produktion aufgrund des Monitoring

erhöht.

Agrarrohstoffbasierte Biogasanlage (Betrieb in Deutschland)

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Nennleistung 500 kW

Substrate Schweinegülle (1.600 Tonnen) Klee (175 Tonnen) Energiepflanzen (Mais-Ganzpflanzensilage 8.500 Tonnen)

Einspeisetarif 185,50 € / MWh (bei IBN 2014 und EEG 2012)

Eingespeister Ökostrom 3.741 MWh el / a (nach EEG-Referenzerträgen)

Biogasertrag/ Tonne oTS 600 m³/ t oTS

Wärmeerlös € 22,5 / MWh

Verkaufbare Wärmemenge 1.937 MWh

Preis f. Ganzpflanzensilage Maissilage

€ 62,5 /t TS 35 € / t FM 106 € / t TS

Investitionskosten € 2.041.000,-

Die Berechnung der Wirtschaftlichkeit erfolgte mittels einer dynamischen Betrachtung.

In der Berechnung nicht berücksichtigt ist eine eventuelle Versteuerung der jährlichen Gewinne.

Das Ergebnis wird in der Berechnung als „Ergebnis vor Steuer“ dargestellt. Die

Ersatzinvestitionen nach Ende der Nutzungszeit werden über kurzfristige Kredite finanziert,

ohne Berücksichtigung einer eventuellen Eigenfinanzierung durch gebildete Rücklagen. Als

Betrachtungszeitraum für die Wirtschaftlichkeitsberechnung wurden 15 Jahre gewählt. In der

Wirtschaftlichkeitsberechnung wurde der Restbuchwert der Biogasanlage nach Ende der

Lebensdauer, nicht berücksichtigt.

Basis 10% mehr Gasertrag 20% mehr Gasertrag

Betriebsergebnis (vor Steuern)

€ 268.925,- € 340.911,- € 418.898,-

Gewinnsteigerung € 71.986,- € 149.973,-

Wie aus der o.a. Business Case Berechnung ersichtlich kann durch eine Steigerung der

Biogasproduktion um 10 % ein zusätzlicher jährlicher Gewinn von rund € 72.000,- erzielt

werden. Bei einer Steigerung der Gasproduktivität um 20 % kann der Jahresgewinn sogar rund

€ 150.000,- gesteigert werden.

Zusammenfassend kann gesagt werden, dass durch ein zielgerichtetes Monitoring der

Biogasanlage und der daraus resultierenden Ertragsoptimierung eine deutliche

Gewinnsteigerung der Anlage erreicht werden kann.

Bei jährlichen Ausgaben für das Monitoring von rund € 50.000,- und die Investition in ein

schlagfertiges Anlagenmonitoring rentiert sich der Aufwand bereits nach wenigen Monaten.

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5. Allgemeine Anlagenparameter (Planung, Funktion und Leistung)

Biogasanlagen werden allgemein durch zahlreiche Parameter beschrieben. Diese beschreiben

Planungsparameter, typische Betriebsfunktion und beinhalten Jahresproduktion und

Jahresenergieverbrauch. Diese Information dient normalerweise zur Zusammenfassung des

Anlagenprofils und erlaubt ein Bewerten/Vergleichen von Prozessen und Anlagen. Diese Daten

werden in der Regel in der Planungsphase erarbeitet und basieren auf der geplanten Leistung,

kann aber geändert werden, wenn sich Substrate, Leistung und Prozessverhalten verändern.

Auf diese Parameter wird in diesem Leitfaden nicht näher eingegangen.

Die „Organische Faulraumbelastung“ [kg oTS/m³d] und „Hydraulische Verweilzeit“ [Tage] sind

wichtige Parameter für die Planung und überschlägige Überprüfung der Biogasanlage. Jedoch

sind diese Parameter keine speziellen Monitoringparameter. Diese Werte sollten bei einem

Substratwechsel berechnet und überprüft werden.

Viel Erfolg bei Ihrem Biogasanlagen-Monitoring!