Docstoc

Verfahrenstechnische Anpassungen

Document Sample
Verfahrenstechnische Anpassungen Powered By Docstoc
					                  Fachbereich Agrarwirtschaft und Landschaftsarchitektur



         Verfahrenstechnische
      Anpassungen zur Optimierung
       von Nährstoffkreisläufen in
            Biogasanlagen
                     Prof. Dr. Ludwig Popp
             Dr. Wolfgang Schumann (LFA Gülzow)
08.03.2006                  Dechema-Bioenergie
                              Popp/Schumann
         Einleitung - Grundlagen - Ökonomische Bewertung - Zusammenfassung



                           Gliederung
• Einleitung
• Grundlagen der Stickstoffdynamik bei der
  Biogaserzeugung und Gärrestverwertung
• Ökonomische Bewertung verfahrens-
  technischer Optimierung
• Zusammenfassung



08.03.2006                       Dechema-Bioenergie                          2/20
                                   Popp/Schumann
          Einleitung - Grundlagen - Ökonomische Bewertung - Zusammenfassung



              Einfluss der Vergärung auf:
• Phosphor (P): keine Veränderung
• Kalium (K): keine Veränderung
• Schwefel (S): geringfügige Ausgasung als
  H2S, nach Entschwefelung des Gases
  Rückführung in Gärrest
• Stickstoff: teilweise Umwandlung des
  organischen gebundenen N in NH4-N,
  während der Fermenterphase kaum Verluste
 08.03.2006                       Dechema-Bioenergie                          3/20
                                    Popp/Schumann
         Einleitung - Grundlagen - Ökonomische Bewertung - Zusammenfassung



       Auswirkung der Vergärung auf den
             Gärrest (Döhler 2004)
• Abbau der organischen Trockensubstanz
• Verminderung der Viskosität
• Abbau geruchsaktiver Substanzen
• Erhöhung des Ammoniumanteiles in der
  Stickstofffraktion
• Erhöhung des pH-Wertes
• Erhöhung der Temperatur
08.03.2006                       Dechema-Bioenergie                          4/20
                                   Popp/Schumann
          Einleitung - Grundlagen - Ökonomische Bewertung - Zusammenfassung



              Konsequenzen des TS-Abbaues
+ Geringere CH4-Emissionen während der
  Lagerung
+ Dünnflüssiger, dadurch bessere Pumpfähig-
  keit, besseres Eindringen in den Boden
+ Keine Schwimmschicht, dadurch weniger
  Homogenisierungsaufwand
- Keine Schwimmschicht, dadurch höhere
  NH3-Emissionen während der Lagerung

 08.03.2006                       Dechema-Bioenergie                          5/20
                                    Popp/Schumann
          Einleitung - Grundlagen - Ökonomische Bewertung - Zusammenfassung

  Ursachen und Effekte der Erhöhung des
          Ammoniumgehaltes
Beim Abbau der oTS werden auch organische N-
Verbindungen (Aminosäuren, Eiweiß,..) abgebaut.
Dabei entstehen unter Sauerstoffabschluss
Ammoniumverbindungen.

+ Erhöhung des primär pflanzenverfügbaren
  Stickstoffanteils (bessere Nährstoffwirkung)

- Erhöhung des Stickstoff-Emissionspotentials, da
  Ammoniumverbindungen zu Ammoniak dissoziieren
  und dann leicht flüchtig sind.

 08.03.2006                       Dechema-Bioenergie                          6/20
                                    Popp/Schumann
         Einleitung - Grundlagen - Ökonomische Bewertung - Zusammenfassung




NH3N- Emissionen in Abhängigkeit vom NH4-N-Gehalt
(Gronauer 1993)

08.03.2006                       Dechema-Bioenergie                          7/20
                                   Popp/Schumann
         Einleitung - Grundlagen - Ökonomische Bewertung - Zusammenfassung



         Effekte der pH-Wert-Erhöhung
• Die Vergärung führt zu einem
  deutlichen Anstieg des pH-Wertes im
  Gärsubstrat
+ Wirkt der Bodenversauerung entgegen
- Deutlich erhöhtes Ammoniak-
  Emissionspotential (pH-Anstieg von 7,3
  auf 8,0 erhöht um den Faktor 4,5)

08.03.2006                       Dechema-Bioenergie                          8/20
                                   Popp/Schumann
         Einleitung - Grundlagen - Ökonomische Bewertung - Zusammenfassung




NH3N- Emissionen in Abhängigkeit vom pH-Wert
(Gronauer 1993)
08.03.2006                       Dechema-Bioenergie                          9/20
                                   Popp/Schumann
                    Einleitung - Grundlagen - Ökonomische Bewertung - Zusammenfassung


                            pH-Werte in den Fermentern von
                                Biogasanlagen in M-V
            8,4
            8,3
            8,2
            8,1
pH-Werrt




            8,0
            7,9
            7,8
            7,7
            7,6
            7,5
                        1     2     3      4       5        6      7      8       9       10
                                                  Anlagen-Nr.


           08.03.2006                       Dechema-Bioenergie                          10/20
                                              Popp/Schumann
         Einleitung - Grundlagen - Ökonomische Bewertung - Zusammenfassung




     NH3N- Emissionen in Abhängigkeit von der Temperatur
                       (Gronauer 1993)
08.03.2006                       Dechema-Bioenergie                          11/20
                                   Popp/Schumann
                             Einleitung - Grundlagen - Ökonomische Bewertung - Zusammenfassung

                            N-Gehalt in den Fermentern und im Endlager einer Biogasanlage
                                                        in M-V

                     10,0                                                                        100

                      9,0                                                                        90

                      8,0                                                                        80

                      7,0                                                                        70
N-Gehalt [kg/t FM]




                                                                                                       relativer N-Gehalt
                                                                                                        (Bezug Asche)
                      6,0                                                                        60

                      5,0                                                                        50

                      4,0                                                                        40

                      3,0                 6,1                                                    30
                                                                            5,1
                      2,0                                                                        20

                      1,0                                                                        10

                      0,0                                                                        0
                                       Fermenter                          Endlager



        08.03.2006                                   Dechema-Bioenergie                               12/20
                                                       Popp/Schumann
         Einleitung - Grundlagen - Ökonomische Bewertung - Zusammenfassung




NH3-Emissionen nach der Ausbringung von Biogasgülle bei
unterschiedlichen Ausbringverfahren (Amon 2004)
08.03.2006                       Dechema-Bioenergie                          13/20
                                   Popp/Schumann
                          15




                                                                                           50 °C (thermophil)
                          10
 erzeugte Gasmenge in l




                                                                                           30 °C (mesophil)
                                                                                           20 °C (psychrophil)
      pro l Substrat




                           5
                                                                                          Gesamte Gasmenge
                                                                                          Methananteil




                           0
                               0           50                  100            150
                                            Verweilzeit in Tagen

                                   Einfluss von Verweilzeit und Temperatur auf Gasmenge
                                                und Methangehalt (nach Baader)


08.03.2006                                            Dechema-Bioenergie                               14/20
                                                        Popp/Schumann
         Einleitung - Grundlagen - Ökonomische Bewertung - Zusammenfassung


             Annahmen zur Auslegung eines
               gasdichten Gärrestlagers

•   Anlagenleistung 500 kW
•   Substrat: Gülle + Nawaros
•   Jährlicher Substratbedarf: 43.000 t
•   Jährlicher Reststoffanfall: 40.000 t
•   Gärrestlager: 20.000 m³/180 d
•   Invest-Kosten gasdichtes Lager 15 €/m³

08.03.2006                       Dechema-Bioenergie                          15/20
                                   Popp/Schumann
         Einleitung - Grundlagen - Ökonomische Bewertung - Zusammenfassung



             Annahmen zur Auslegung eines
               gasdichten Gärrestlagers

• N-Verlust: 1 kg N/m³ Gärrest ≈ 20%
• Gasausbeute im Lager: Ø 7 m³/m³
  (Keymer 2005)
• Energiegehalt Biogas: 6 kWh/m³
• Elektrischer Nutzungsgrad: 33%
• Stromerlös 14 Ct/kWh (Ertrag-Kosten)

08.03.2006                       Dechema-Bioenergie                          16/20
                                   Popp/Schumann
          Einleitung - Grundlagen - Ökonomische Bewertung - Zusammenfassung

       Ökonomische Bewertung gasdichter
            Abdeckung des Lagers
Investition                              15,00 €/m³ Lagerraum
(ohne
Rührtechnik)

Kosten             17,5 %/a                2,63 €/m³ Lagerraum


Ertrag             Strom                   1,96 €/m³ Gärrest
                   Stickstoff              0,55 €/m³ Gärrest


                   jährlich                5,02 €/m³ Lagerraum/a1
1   zweimaliger Umschlag/a
08.03.2006                        Dechema-Bioenergie                          17/20
                                    Popp/Schumann
          Einleitung - Grundlagen - Ökonomische Bewertung - Zusammenfassung

      Ökonomische Bewertung gasdichter
     Abdeckung eines Lagers mit 20.000 m³
    Investition                                        300.000,00 €


    Kosten                17,5 %/a                      52.500,00 €


    Ertrag                Strom (14 Ct/kWh)             78.400,00 €1
                          Stickstoff                    22.000,00 €1


    Ertrag                jährlich                     100.400,00 €1
1   zweimaliger Umschlag/a
08.03.2006                        Dechema-Bioenergie                          18/20
                                    Popp/Schumann
         Einleitung - Grundlagen - Ökonomische Bewertung - Zusammenfassung



                    Zusammenfassung
• Ammoniakemissionen bei der Biogaserzeugung
  sind nicht nur ein ökologisches sondern ein
  erhebliches ökonomisches Problem
• Zur Verminderung von Ammoniakemissionen
  bei der Biogaserzeugung ist eine durchgehende
  „Behandlung unter Druck“ sinnvoll
• Im Gärrestlager entstehen zum Teil erhebliche
  Mengen an Biogas (bis 10 % des Gesamt-
  ertrages)

08.03.2006                       Dechema-Bioenergie                          19/20
                                   Popp/Schumann
         Einleitung - Grundlagen - Ökonomische Bewertung - Zusammenfassung



                    Zusammenfassung
• Die Verstromung von Biogas aus dem
  Gärrestlager in Verbindung mit dem
  Gewinn aus nicht verlorenem Stickstoff
  rechtfertigt ein gasdichtes Gärrestlager
• Zur Vermeidung von Ammoniakverlusten
  bei der Ausbringung muss diese unbedingt
  bodennah erfolgen.


08.03.2006                       Dechema-Bioenergie                          20/20
                                   Popp/Schumann

				
DOCUMENT INFO