HTC, Biogas, und Landwirtschaft – das APECS Konzept

Jan Mumme (ATB Potsdam) jmumme@atb-potsdam.de

73. Symposium des ANS e. V. Second INTERREG NSR Biochar Conference Berlin, 19-20. September 2012

Inhalt

24.09.2012 2

Die Herausforderung

APECS Idee

Biogas aus Feststoffen

Biokohle aus Gärresten

Bio-Aktivierung von Biokohle

Biokohle im Boden

Fazit

Böden unter Stress

24.09.2012 3

Biogas, die zwei Gesichter…

24.09.2012 4

Biogas 2012

-> 14% des erzeugten erneuerbaren Stroms (3% des Gesamt-Stroms)

-> 1 Mio. ha Energiepflanzen (8% des Ackerlands)

-> 60 Mio. t Gärreste (nur 8.5 Mio. t kommunaler Bioabfall)

>>>> weiterer Stress auf Böden

Biogas+Biokohle…die Lösung?

24.09.2012 5

organische Reststoffe

Biogas + Biokohle

hochwertige Energie + bessere Böden - Kohlenstoff

Inhalt

24.09.2012 6

Die Herausforderung

APECS Idee

Biogas aus Feststoffen

Biokohle aus Gärresten

Bio-Aktivierung von Biokohle

Biokohle im Boden

Fazit

Integrierte Produktion von Biogas und Biokohle Das APECS-Biomasse-Modell

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gut abbaubare oTS

schwer abbaubare oTS

mineralische TS

-> Ausschließliche Verwendung von Reststoffen -> Nutzung aller Bestandteile der Biomasse -> Einbeziehung des Bodens

Biomasse-> Biogas&Gärrest

Gärrest-> Biokohle

Boden- Applikation

Optimization of anaerobic digestion process using a novel reactor and mathematical methods Analysis of HTC and

Pyrolysis, process optimization and product design

Increasing of nutrients sorption capacity, reduction of inhibitory organic substances

Investigation of chars stability and the effects of soils, plants and GHG emissions

24.09.2012 8

Die APECS-Prozesskette

Biokohle-> Bodenverbesserer

Inhalt

24.09.2012 9

Die Herausforderung

APECS Idee

Biogas aus Feststoffen

Biokohle aus Gärresten

Bio-Aktivierung von Biokohle

Biokohle im Boden

Fazit

Organische Reststoffe -> Biogas

Biogas

Workaround?

Classical reactor S

ou

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ing.i

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24.09.2012

Der Aufstromreaktor (UASS) Entwickelt für die Feststoffvergärung

Methane reactor UASS reactor

Biomass

Digestate Liquor cycle

Methane

Methane

400 L UASS pilot reactor

24.09.2012

Biogas aus Stroh

24.09.2012 12

oTS- Belastung (gL-1d-1)

oTS-Methan- Ausbeute (L g-1)

Verweil-zeit (d)

2,5 0,21 14

3,5 0,20 10

4,5 0,19 8

6 0,19 6

8 0,17 4

-> Effiziente Vergärung von Feststoffen ohne Vorbehandlung -> Extrem kurze Verweilzeit möglich -> Produktivität ähnlich Energiepflanzen

Inhalt

24.09.2012 13

Die Herausforderung

APECS Idee

Biogas aus Feststoffen

Biokohle aus Gärresten

Bio-Aktivierung von Biokohle

Biokohle im Boden

Fazit

Biokohle aus Gärresten

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Pyrolyse vs. HTC

- Kohle-Ausbeute und Qualität

- Energieeffizienz

- Nebenprodukte

HTC Kohle aus Gärresten

Mu

mm

e e

t al. 2

011

Bio

reso

ur. T

ech

no

l.

190°C

230°C

270°C

24.09.2012 15

-> hoher Einfluss der Temperatur

-> spezieller Weg der Inkohlung

-> HTC-Kohle besitzt hohen H2-Gehalt

BET-Oberfläche von HTC-Kohle (TU Berlin)

-> Gärrest: 190°C optimal, relativ geringe Oberfläche

Mumme et al. 2011

24.09.2012

(c)

3 µm

230 °C

(d)

3 µm

270 °C

Oberfläche

0

5

10

15

20

25

30

190°

pH 5

10 Std.

230°

pH 5

6 Std.

270°

pH 5

10 Std.

190°

pH 3

6 Std.

230°

pH 5

10 Std.

270°

pH 5

10 Std.

Zellulose Gärrest

[m²/

g]

Mikroporen (DR) BET Mesoporen (BJH)

PAK-Belastung von HTC- und Pyrokohlen

-> Relativ geringe Belastung, große Schwankungsbreite

Helmis 2011

24.09.2012

Inhalt

24.09.2012 18

Die Herausforderung

APECS Idee

Biogas aus Feststoffen

Biokohle aus Gärresten

Bio-Aktivierung von Biokohle

Biokohle im Boden

Fazit

Biologische Aktivierung von Biokohle P

iele

rt 2

01

0

24.09.2012 19

Le

hm

an

n 2

00

9

Le

hm

an

n 2

00

9

Pyrochar

HTC char

Biochar-soil-aggregat

?

Biologische Aktivierung von Biokohle Kompostierung vs. Fermentation

ww

w.e

co

liblo

g.c

om

+ Erprobtes Verfahren

+ Preiswerte Technik

- THG-Emissionen

- Nährstoff- und Energieverlust

24.09.2012 20

+ Energiegewinnung (Biogas)

+ keine Nährstoffverluste

+ keine/geringe THG-Emissionen

- Verfahren im Entwicklungsstadium

24.09.2012 21

Ziele

- Organische Schadstoffe -> zu Biogas

- Labile Biokohle-Fraktionen -> zu Biogas

- Oberfläche -> erhöht

-> funktionalisiert

-> beladen mit Nährstoffen

- Kontrollierte Biofilmbildung

- Optimiertes Verfahren

Biologische Aktivierung von Biokohle

Methanobacterium

Methanoculleus

Methanosaeta

Methanosarcina

Methanospirillum

Methanothermobacter

Re

lative

ab

un

da

nce

in

%

0

20

40

60

80

100

55°C - Carrier element (92 sequences)

55°C - Effluent liquor (64 sequences)

37°C - Carrier element (68 sequences)

37°C - Effluent liquor (73 sequences)

Heeg et al. 2012

(in preparation)

Anaerobe Biofilme auf unterschiedlichen Materialien

24.09.2012 22

0

20

40

60

Ref Ref red Bentonit Ref SE Ref red

SE

Ref gew Bentonit

gew

Bio

film

ko

nze

ntr

ati

on

(g

etr

oc

kn

et)

(mg

gA

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uch

str

äg

er

-1)

RS ohne SE RS mit SE G ohne SE G mit SE

Bio

film

(m

g /

g p

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) A B C D E F G Materials A-G

Ram

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0.

Wern

er

20

12

.

Biokohle Schaumglas

PE

Schaumglas

Inhalt

24.09.2012 23

Die Herausforderung

APECS Idee

Biogas aus Feststoffen

Biokohle aus Gärresten

Bio-Aktivierung von Biokohle

Biokohle im Boden

Fazit

Feldversuche mit HTC-Kohle 1 und 2% C im Oberboden

HTC-Kohle, roh, 2 %C

24.09.2012 24

HTC-Kohle, aktiviert, 2 %C

Sorghumhirse (Jahr 1)

[t/ha, TS]

24.09.2012 25

0

2

4

6

8

10

12

Ko

ntr

olle

Min

eral

dü

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ng

Ro

hko

hle

1 %

Ro

hko

hle

2 %

Akt

ivie

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Ko

hle

1 %

Akt

ivie

rte

Ko

hle

2 %

Ko

mp

ost

30

t/h

a

Ko

mp

ost

50

t/h

a

Mumme et al. 2012

(unpublished)

Feldversuche mit HTC-Kohle Ertragseffekte

Grünroggen (Jahr 2)

[t/ha, TS]

Inhalt

24.09.2012 26

Die Herausforderung

APECS Idee

Biogas aus Feststoffen

Biokohle aus Gärresten

Bio-Aktivierung von Biokohle

Biokohle im Boden

Fazit

Fazit Gärrest -> HTC-Kohle

HTC sehr gut geeignet

HTC ermöglicht sehr unterschiedliche Kohle-Qualitäten

Energieeffizienz der Biogaserzeugung kann verdoppelt werden

Aber: Oberfläche von HTC-Kohle gering; organische Schadstoffe

Bio-Aktivierung von HTC-Kohle

Fermentation (Biogas) gut anwendbar

Organische Schadstoffe -> Abbau zu Biogas

Aber: Benötigt adaptierte Fermentertechnologie; mikrobiologische Grundlagen

(Struktur und Dynamik von Biofilmen)

Boden- und Pflanzeneffekte von HTC-Kohle

HTC-Kohle weniger stabil als Pyrolysekohle

Verbesserung der Pflanzenwirkung mit Zeit (field aging), Bio-Aktivierung, höhere

Dosierung

Aber: Zusammenhänge und Übertragbarkeit unklar

24.09.2012 27

24.09.2012 28

Roadmap “Biogas-Biokohle Farm”

Gärreste

Biokohle

Boden

Biomasseabfälle

Karbonisierung

BodenverbesserungRückführung von stabilem C

N,P,K Mikroorganismen

Fermentation

Biogas

Erhöhter Ernteertrag

Aktivierte Kohle

Biokohle-FermentationAbbau von Schadstoffen

Biogas

24.09.2012

Danke!

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