Einführung in die Biogasnutzung. Aufbau einer Biogasanlage Quelle: LFL Bayern, 2007

Einführung in die Biogasnutzung

Aufbau einer Biogasanlage

Quelle: LFL Bayern, 2007

Fermenter: Luftundurchlässiger, isolierter (beheizter) Gärbehälter, in dem

Mikroorganismen (Bakterien) die organischen Substanzen in anaerober

Reaktion zersetzen. Das Hauptprodukt hierbei ist Biogas.

Quelle: Maciejczyk, FVB; FNR-Handreichung Biogas

Fermenter Nachgärbehälter

Der Fermenter

Nachgärbehälter: Nachgeschalteter Fermenter zur Erhöhung der Verweilzeit

und einer besseren Ausfaulung des Gärsubstrates. Vielfach mit integriertem

Gasspeicher ausgeführt.

Fermenter Nachgärbehälter


Der Nachgärbehälter

Endlagerbehälter: Letzter, mit Gärrest aus dem Gärraum (Fermenter +

Nachgärbehälter) beschickter Behälter, ohne aktive Temperaturregelung mit oder

ohne Abdeckung und Anschluss an die Gaserfassung.

Ausschließlich zur Abkühlung, längerfristigen Lagerung und Ausfaulung des

Gärrestes.

EndlagerbehälterNachgärbehälter


Der Endlagerbehälter

V = 350 m³

d = 10 m

Gasspeicher(Folienhaube)

Luftzufuhr

Isolierungmit Witterungsschutz

Überlauf

Betonbehälter

Gasentnahme

Fussbodenheizung Kondensatfalle

zur GasverwertungSubstrat-einlass

Wandheizung

Überdruck-sicherung

Propeller-rührwerk

Fermenterdecke

(Holzkonstruktion)Gasübertritt

Stehender Fermenter (Rührkessel)

Baumaterial: Stahl-Beton, Edelstahl

Quelle: Biogashandbuch Bayern, 2004

Fermenterbauform 1

Foto: Weltec

Edelstahlfermenter im Bau

Foliengasspeicher

Isolierung mit Witterungsschutz

Überlauf

Betonbehälter

Gasentnahme

Überdrucksicherung

Trennschicht(Holzkonstruktion)

Dach

Kondensatfalle

Zur externenEntschwefelung

Haspelrührwerk Plattenheizung

Feststoffein-bringung

FlüssigeSubstrat-zugabe

Liegender Fermenter (Gärkanal, „Propfenstromfermenter“)

Baumaterial: Stahl-Beton, Edelstahl

Quelle: Biogashandbuch Bayern, 2004

Fermenterbauform 2

Foto: Energiebüro Wiebking

Liegender Fermenter (Gärkanal, „Pfropfenstromfermenter“)

1. Befüllung des Fermenters:

15 °CZugabe von Wasser, vergorener Gülle oder Frischgülle (ca. 50 % des Fermenter-volumens)

2. Aufheizen auf Zieltemperatur:

38 °C Schrittweise Aufheizung des Fermenters auf Zieltemperatur

Quelle: Maciejczyk, FVB

Inbetriebnahme einer Biogasanlage

Wandheizung-Kunststoffrohre

Wandheizung-Schwarzstahl

Wandheizung-Edelstahl

Wärmetauscher

Heizungssysteme für Fermenter/Nachgärer

3. Weitere Animpfung des Fermenters:

38 °C

weitere Zugabe von Gülle oder Gärresten zur Animpfung des Prozesses unter Beachtung der Prozessparameter (Temperatur, Gasqualität, Gasmenge...)

4. Gasproduktion:

nach Erreichen der Mindestgasqualität => BHKW-Betrieb mit Biogas38 °C


Inbetriebnahme einer Biogasanlage


Einstufiges Verfahren:

Bei landwirtschaftlichen Biogasanlagen werden überwiegend alle

Gärprozesse zusammen in einem räumlichen und zeitlichen

Zusammenhang durchgeführt. Eine Trennung zwischen den einzelnen

Phasen (Hydrolyse, Versäuerung, Acetogene Phase und Methanogene

Phase) findet bei einstufigen Verfahren nicht statt.

Hydrolyse

VersäuerungEssigsäurebildung

Methanbildung

:Allgemeine Merkmale verschiedener Verfahrensvarianten

Mehrstufiges Verfahren:

Beim Einsatz schnell abbaubarer Substrate (z. B. Fette, Getreide) findet eine

verstärkte Hydrolyse und somit auch Versäuerung statt. Diese Anhäufung von

Säuren führt zu einer Absenkung des pH-Wertes. Nachfolgende Gärprozesse

werden von dieser „Übersäuerung“ negativ beeinflusst. Mit der Trennung der

entsprechenden Phasen (z. B. Verflüssigung/Versäuerung und Essigsäurebildung/

Methanbildung ) können die jeweiligen Bakteriengruppen optimal arbeiten. Aus

ökonomischen Gründen eher seltener anzutreffen.


Versäuerung

Essigsäurebildung

Methanbildung

Stufe 1 Stufe 2

Hydrolyse

Allgemeine Merkmale verschiedener Verfahrensvarianten

Elektromotor

Foto:Fa. MT-Energie

Abb.:Fa. Flygt

Fotos:Fa. UTS

Hydraulikmotor

Tauchmotor-Propellerrührwerke

Quelle: Mitterleitner, H. (2001), verändert durch FVB 2006

Substrat-aufbereitung


VergärungVergärung

GasstreckeGasstrecke

GasverwertungGasverwertung

Energie-pflanzen

1.

2.

3.

4.

5.

Substrat-bereitstellung

Substrat-bereitstellung Wirtschafts-

düngerLandw. Neben-

produkteAbfälle pflanzl.

HerkunftAbfälle tier.

Herkunft

Fünf Schritte der Biogaserzeugung und Verwertung

Mistplatte Vor- /Güllegrube

Hinweis: Mit zunehmender Lagerdauer reduziert sich der Gasertrag bei

den tierischen Exkrementen


SubstratbereitstellungLagerung tierischer Exkremente

Quelle: verändert nach VLK (2002)

Nachwachsende Rohstoffe

Wirtschafts-dünger

Abfälle pflanzl.

Herkunft

Abfälle tierischer HerkunftGras, Mais, Kartoffeln,

Zwischenfrüchte, Silagen...

RindergülleSchweinegülleGeflügelkotMist...

Rübenblatt, Ernterückstände... Biertreber,

Gemüseabfall,Fritierfett,Schlempe,Trester...

Speisereste, Fettabscheider,Flotatschlamm, Panseninhalt, Darminhalt...

Vergärung Biogas

Landwirtschaftliche Flächen

Landw. Nebenprodukte

Gärprodukte

Substrate









Stationärer Futtermischwagen

Dosierstationen

Vorgrube/Anmischbehandlung

Pumpen

1.

2.

3.

4.

5.







1.

2.


Fermenter:- Heizen- Isolieren- Fördern- Rühren- Sinkschichten austragen- Gaslager

Nachgärbehälter: - Rühren- Gaslager

Gülleendlager

Gülleverteilung

3.



4.

5.


Quelle: Schmack Biogas AG

BiogasBiogas

Biomasse

P2O5 K2O CaO MgO SiO2 NH4 H2S

P2O5 K2O CaO MgO SiO2 NH4 H2S

LigninLignin KohlenhydrateKohlenhydrateFetteFetteMineralstoffeMineralstoffe

anorganische TMorganische TM

Trockenmasse Wasser

ProteineProteine

Biogas aus Biomasse

WasserTrockenmasse

Organische Substanz(Lebende Materie)

ProteinRohprotein

Aminosäuren,Säureamide,

einfache Peptide, Betain..

FetteRohfett

TriglycerideSterine Wachse

ClorophyllCarotine

Organische Säuren

Schwer abbaubare

KohlenhydrateRohfaserCellulose

PentosaneLignin

SuberinCutin

Leicht abbaubare Kohlenhydrate

N-Freie ExtraktstoffeZucker,Stärke

Glykogen, HemicellulosePektine

Lösliche Anteile von Cellulose, Lignin etc.

Anorganische SubstanzRohasche (Sand Ton, Mineralstoffe, Spurenelemente)

Organische SubstanzEnergiepflanzen, Gülle, Mist, biogene Reststoffe...

Quelle: Barbara Eder, Kirchgessner

Substrate für den Gärprozesses

Quelle: FAL, Weiland (2003)

1. StufeHydrolyse Makromoleküle

(Hydrolytische Phase)

2. StufeVersäuerung

(Acidogene Phase)

3. StufeEssigsäurebildung(Acetogene Phase)

4. StufeMethanbildung

(Methanogene Phase)

hydrolytischeBakterien

fermentativeBakterien

acetogeneBakterien

methanogeneBakterien

Fettsäuren(Propionsäure)

Alkohole

BiomassePolysacharide

ProteineFette

ZuckerAminosäurenFettsäuren

H2/CO2

Essigsäure

pH: 5-6 pH: 5,5 – 6,7 pH: 6,6 – 8,0

BiogasCH4/CO2

Anaerober Abbau organischer Verbindungen

Grundlagen des Gärprozesses – Anaerober Abbau

Quelle: „Anaerobtechnik; Springerverlag 2005

Biomasse

PolymereKohlenwasserst.

Proteine Fette Inertstoffe gelöst

MonomereKohlenwasserst.

Aminosäurenlangk. Fett-

säurenMethanol

Formiat CO2 + H2 Acetat Ethanol Butyrat Valeriat Propionat

Formiat CO2 + H2 Acetat Acetat H2+CO2 MethanolAcetat H2

CH4 + CO2 + H2O

Hydrolyse

Versäuerung

Acetogenese

Methanogenese

Komponente Gehalt

CH4 50-75 Vol. %

CO2 25-75 Vol. %

H2S 0-5.000 ppm

NH3 0-500 ppm

H2O 1-3 Vol. %Staubpartikel < 5

N2 0-5 Vol. %

Beispiel einer typischen „NawaRo-Biogasanlage“:

-CH4 52 Vol. %-CO2 35 Vol. %-H2S 120 ppm-O2 0,5 Vol. %

Quelle: FNR (2003) verändert durch FVB

=> 1.000 ppm = 0,1 Vol.%

Zusammensetzung von Biogas

Trockenmasseverringerung durch Abbau von organischer Substanz

- Organische Trockensubstanz (reich an Kohlenstoff) wird im Rahmen des Gärprozesses

zu Biogas (CO2 + CH4) umgewandelt.

- Bis zu 80 % der organischen Trockenmasse kann durch die Vergärung abgebaut

werden => Verringerung des TS/oTS-Gehaltes im Gärrest.

- Die Fließfähigkeit und Homogenität von Biogasgülle ist wesentlich besser, als

unvergorene Gülle => sie lässt sich somit gleichmäßiger und problemloser Ausbringen

und dringt schneller und tiefer in den Boden ein.

- Entsprechend dem Gasertrag/Gasqualität kann ein mittlerer Masseabbau von 1,25 kg

Masse /m³ Biogas angesetzt werden.

Quelle: Dr. G. Reinhod, TLL, 2003

Eigenschaften vergorener Gülle







1.

2.

3.


GasreinigungGastrocknung

Sicherheits-einrichtungen

4.

5.



Gashaube mit EPDM-Folie Foliendach (gespannt)

Tragluftfoliendach Externe Gasspeicher

Fotos:Cenotec, Sattler

Fotos:Biolene, Cenotec

Gasspeicherung

Quelle: FVB (2006)

Erdgas-Qualität:

Vergleich zwischen Rohbiogas und aufbereiten Biomethan







1.

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3.



elektrischer Strom

Abwärme

4.

5.

Verstromung:- Gas-Otto-Motor - Zündstrahlmotor- Gasmotor - Stirling-Motor- Brennstoffzellen - ORC-Prozess- Mikrogasturbine


Quelle: Dr. P. Weiland, FAL, verändert FvB

mäßige Aufbereitung

Brenner

Wärme

Reinigung

Fuel Cell

Reformierung

Wärme Strom

Speicher

Verdichtung

KraftstoffeErdgas-Netz Wärme Strom

BHKW

BIOGAS

Aktuell wird Biogas überwiegend in Blockheizkraftwerken (BHKW´s) zu Strom und Wärme umgewandelt.

Gasverwertung

Foto: Energiebüro Wiebking

GasverwertungBlockheizkraftwerk (BHKW)

Quelle:Schnell-Motor; Wikipedia

GasverwertungMotoren im BHKW

Gasmotor Fremdzündung durch Zündkerze

Verdichtungsverhältnis: 12 : 1

Einspritzdüse

Zündkerze

ZündstrahlerSelbstzündung durch Heizöl/Diesel/RME/PflanzenölVerdichtungsverhältnis: 17 : 1

Biogasanlagenanzahl und installierte Leistung

Quelle: Fachverband Biogas e.V.

139 159 186 274 370 450617

8501.050

1.3001.600

1.7502.050

2.680

3.5003.711

3.891

4.984

5.905

7.100

7.470

390

650

1.100

1.2711.377

1.893

2.291

2.767

2.872

0

450

900

1.350

1.800

2.250

2.700

3.150

3.600

0

1.000

2.000

3.000

4.000

5.000

6.000

7.000

8.000

ins

talli

ert

e e

lek

tr.

Le

istu

ng

An

lag

en

zah

l

Jahre

Anzahl Biogasanlagen

©Fachverband Biogas e.V.

Biogasmarkt 2011 in Deutschland

Ende 2010 Prognose Ende 2011 Prognose 2012

Anlagenzahl(davon Biomethan-Einspeiseanlagen)

5.905 (45) 7.100 (60) 7.470(80)

Installierte el. Leistung in MW

2.291 2.780 2.900

Netto-Stromproduktion in MWh pro Jahr

15 Mio. 18 Mio. 20 Mio.

Mit Biogas-Strom versorgte Haushalte

4,2 Mio. 5,1 Mio. 5,7 Mio.

Anteil am Stromverbrauch in % 2,5 3,1 3,0

Umsatzvolumen in D in Euro

5,1 Mrd. 6,1 Mrd. 5,5 Mrd.

Arbeitsplätze 39.000 46.000 46.000

Exportrate in % 10 10 25

Quelle: FvB, 2011

Emissionsverminderung als positiver Umwelteffekt:

- klimaschädliches CO2 und CH4, das ohne die Vergärung unkontrolliert in die

Atmosphäre gelangen würde, kann im Rahmen des Biogasverfahrens

energetische genutzt werden (CH4 ist ca. 21mal klimaschädlicher als CO2 !).

Quelle: Agentur für Erneuerbare Energien

Klimabilanz von Biogasanlagen

Fachverband BiogasAngerbrunnenstr. 12

85356 Freising

www.biogas.org

Vielen Dank für Eure Aufmerksamkeit....

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Einführung in die Biogasnutzung. Aufbau einer Biogasanlage Quelle: LFL Bayern, 2007