salem 2008 zukunft der energien energie aus biogas thomas vössing tu dortmund

Salem 2008Zukunft der Energien„Energie aus Biogas“

Thomas VössingTU Dortmund

Überblick

• Einleitung• Mikrobiologische Grundlagen • Anlagentechnik• Wirtschaftlichkeit & Potential

Thomas Vössing27.08.2008 2

Einleitung

• Biogas, nur eine Option der Energiegewinnung aus Biomasse


27.08.2008 4

Einleitung

• Einsatzmöglichkeiten für Biogasanlagen:– Zur Vergärung von:

• Faulschlamm (Kläranlagen)• Organischen Abfällen („Biomüll“)• Landwirtschaftlichen Reststoffen• Energiepflanzen (NawaRo`s)


Mikrobiologische Grundlagen

• Woraus besteht Biogas?


Tabelle: Inhaltsstoffe von RohbiogasKomponente Anteil im Biogas Vol.%Methan CH

440-75

Kohlendioxid CO2

25-55

Schwefelwasserstoff H2S 0,005-0,5

Ammoniak NH3

0-1

Wasserdampf H2O 0-10

Stickstoff N2

0-5

Sauerstoff O2

0-2

Wasserstoff H2

0-1


Was passiert bei der Gärung?



• 1. Phase: Hydrolyse– Ausscheidung von Exoenzymen (zB. Cellulase, Amylase)– Spaltung der Polymere in Monomere

• Aminosäuren, Zucker, Fettsäuren


Beispielbakterienstamm Habitat Eigenschaften

Ruminococcus albus Pansenflora Cellulose-Abbau,37°C, anaerob


• 2. Phase: Versäuerung– Aufnahme und metabolische Verarbeitung der Momonere

durch fermentative Bakterien– Gärungsprodukte: Propionsäure, Buttersäure, Alkohole,

CO2, H2 ect.



Schwartzia succicnivorans Rinderpansen Succinat-Abbau,35°C, anaerob


• 3. Phase: Essigsäurebildung– Aufnahme von acetogenen Bakterien– Gärprodukte: Essigsäure, CO2, H2

– Syntrophobacter spec.:

CH3CH2CH2COOH + 2 H2O 2 CH3COOH + 4 H2



Syntrophobacter spec. Rinderpansen 37°C, anaerob


• 4. Phase: Methanbildung– Reaktionen methanogener Archaea

• 4 H2 + CO2 CH4 + 2 H2O• CH3COOH CH4 + CO2


Methanogene Archaea Habitat Eigenschaften

Methanobacterium Sumpfgebiet, Reisfelder, Seesediment

37°C, strikt anaerob


• Wichtige Einflussgrößen der Gärung– Substratzusammensetzung



• Wichtige Einflussgrößen der Gärung– Temperatur

• Optimum für Hydrolyse/Versäuerung: 25-35°C

•



• Wichtige Einflussgrößen der Gärung– pH- Wertoptimum: 6,7 - 7,5– Sonstige Hemmstoffe

• Ammonium-/Ammoniakkonzentration• Spurenelemente (O2, H2S, Antibiotika, Nährstoffe ect.)


Anlagentechnik

• Nassfermentation– Niedriger TS-Anteil

des Substrates– Hoher Gülle-/Wasseranteil

• Trockenfermentation– Hoher TS-Anteil des Substrates– Hoher Anteil an Kosubstraten


Anlagentechnik

• Schema einer typischen Nassfermentationsanlage


Anlagentechnik

• Verfahrensgestaltung der Gärung (Nassfermentation)– Einstufenprozeß

– Zweistufenprozeß


Hydrolyse/Versäuerung Biogasreaktor

Biogas

Biogasreaktor

Biogas

Anlagentechnik

• Was geschieht mit dem Biogas?• Blockheizkraftwerk (BHKW)– Verbrennungsmotor, der Generator antreibt

• Mit Kraft-Wärme-Kopplung erreichbarer Wirkungsgrad bis zu 85%CH4 + 2 O2 CO2 + 2 H2O

• Alternativ: – Brennstoffzelle

• Ermöglicht direkte Umwandlung von Biomethan zu Strom

– Gaseinspeisung


Anlagentechnik

• Trockenfermentation– kontinuierlich: Propfenströmer– diskontinuierlich: Garagenverfahren

(Perkulationsverfahren)


Anlagentechnik

• Strikte Unterteilung aus biologischer Sicht nicht möglich

• Weiter verbreitertes Verfahren• Breites Substratspektrum

(Verwertung von Gülle)

Trockenfermentation• Verwertung von biologischen

Abfällen und NawaRo`s• Technologiebonus von 2 ct./kWh• Garagenverfahren

– Geringe Investitionskosten– Geringe Gasausbeute

• Propfenströmer– Hohe Effizienz und Prozessstabilität– Hohe Investitionskostenosten

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Nassfermentation

Anlagentechnik

• Gasaufbereitung und Einspeisung in das Erdgasnetz zur dezentralen Nutzung

• Verfahren zur Rohgasaufbereitung:– Gaswäsche– H2O-Verflüssigung– Oxidation an Aktivkohle

Animation


http://daten.ktbl.de/biogas/navigation.do?selectedAction=Startseite

Wirtschaftlichkeit & Potential

• Kosten einer Biogasanlage– Investitionskosten

• Bsp 1: 70 kW-Anlage: ca. 200.000 €• Bsp 2: 550 kW-Anlage: ca. 1,2 Mio. € • Bsp 3: 2 MW-Anlage: ca. 4,3 Mio. €

(zB. für Bauernverbunde)

– Laufende Ausgaben– Verbrauchsgebundene Kosten

• Substrat



• Einnahmen: Standort Deutschland– Erneuerbare Energien Gesetz (EEG) und die Novellierung

vom August 2004– Vergütungspreise für Biogansanlagen in Ct./kWh:

– Erträge aus Wärme


Bis 150 kW Bis 500 kW Bis 5 MW Über 5 MW

Grundvergütung 11,5 9,9 8,9 8,4

NawaRo-Bonus 6,0 6,0 4,0 -

Innovations-Bonus 2,0 2,0 2,0 2,0

KWK 2,0 2,0 2,0 -


• Entwicklung der Biogasanlagenzahlen



• Probleme bei der Nutzung von NawaRo`s– „Fuel against Food“– Energiepflanzen verändern das Landschaftsbild– Sehr intensive Bodennutzung– Hoch subventioniert: Jeder Hektar Energiemais wird

derzeit mit 2.000 Euro subventioniert (nach EEG)



• Deutschland ist „Biogas-Weltmeister“– Niederlande etwa 30 Anlagen– USA etwa 130 Anlagen

• Beispiel chinesischer Bauern (http://de.youtube.com/watch?v=SLvBovektGw)



• Fazit– Kann einen signifikanten Anteil im regenerativen

Energiemix ausmachen– Vielfältig anwendbar, Chancen gerade in abgelegenen

Regionen und für Bauernverbünde– In Deutschland: stark subventionierte Technologie– Problematik der Nutzung von Energiepflanzen


Salem 2008Zukunft der Energien„Energie aus Biogas“

Vielen Dank für Ihre/Eure

Aufmerksamkeit!

Beispielanlagen

• Wirtschaftliche Betrachtung

• Umweltpolitische Betrachtung– Wirtschaftliche Nutzung natürlicher Rohstoffe– Hygienisierung der Gülle– Verringerung der Geruchsbelastung– Verbesserung der Dünngequalität


Einnahmen € Ausgaben €Elektrische Energie Abschreibung 400.000thermische Energie Betriebskosten 500.000Cofermentate Personal 150.000Summe der Einnahmen Summe der Ausgaben

Beispielanlagen

• Biokraftwerk Neubukow– Gründe für den Bau:

• In Umgebung fallen 55 000 t/a Gülle an• Geruchsbelästgung durch Gülle• Nutzung der durch regenerativ erzeugten Energie

– Technische Daten


Gülle 150 t/d Cofermentate 65 t/d Biogasproduktion 3,2 Mio. Nm3/a Fermenterkapazität 2*2400m3

Prozesstemperatur Hydrolyse 25°C, Fermenter 37°C Biogasnutzung 2 Blockheizkraftwerke, je 500kW

Beispielanlagen

• Jährliche Stoffströme– Schweinegülle: 20.000 t– Rindergülle: 35.000 t– Cofermente: 25.000 t (Nahrungsmittelabfälle der Industrie)

• Energetische Betrachtung


Energieform Verfügbare Energiemenge [kWh] Eigenverbrauch [kWh] Energieüberschuss [kWh]elektrisch 8.000.000 640.000 (12%) 7.360.000thermisch 9.650.000 1.900.000 (20%) 7.750.000gesamt 17.650.000 2.540.000 (14%) 15.110.000

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