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Verfahrenstechnische Anpassungen

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									                  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



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          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
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         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
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          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

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          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.

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         Einleitung - Grundlagen - Ökonomische Bewertung - Zusammenfassung




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

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         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)

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         Einleitung - Grundlagen - Ökonomische Bewertung - Zusammenfassung




NH3N- Emissionen in Abhängigkeit vom pH-Wert
(Gronauer 1993)
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                    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
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         Einleitung - Grundlagen - Ökonomische Bewertung - Zusammenfassung




     NH3N- Emissionen in Abhängigkeit von der Temperatur
                       (Gronauer 1993)
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                             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



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         Einleitung - Grundlagen - Ökonomische Bewertung - Zusammenfassung




NH3-Emissionen nach der Ausbringung von Biogasgülle bei
unterschiedlichen Ausbringverfahren (Amon 2004)
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                                                                                           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)


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         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

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         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)

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          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
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          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
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         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
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         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.


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