Das solare Energiesystem - Biogas-Infoboard
Das solare Energiesystem - Biogas-Infoboard
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Ingenieurbüro für Entwicklung und Anwendung umweltfreundlicher Technik GmbH<br />
Luftwärme<br />
Wärmepumpe<br />
Kollektor<br />
<strong>Das</strong> <strong>solare</strong> <strong>Energiesystem</strong><br />
Rotte Verbrennung<br />
Biomasse Wind- & Wasserkraft<br />
Pyrolyse Vergärung<br />
Wärme Brennstoff Strom<br />
Solarzelle Kraftwerk
Ingenieurbüro für Entwicklung und Anwendung umweltfreundlicher Technik GmbH<br />
Dung<br />
Vieh<br />
<strong>Biogas</strong> im natürlichen Stoffkreislauf<br />
Wasser<br />
Absterben<br />
organische<br />
Reststoffe<br />
Methangärung<br />
Düngung<br />
Licht<br />
Photosynthese<br />
Strom +<br />
Wärme<br />
O2 CO2
Ingenieurbüro für Entwicklung und Anwendung umweltfreundlicher Technik GmbH<br />
<strong>Biogas</strong> – anaerobe Vergärung<br />
• Vergärung von organischer Substanz unter Luftabschluß<br />
• Temperiertes Milieu (35 – 55 °C)<br />
• Biologischer Abbauvorgang durch Bakterien in mehreren<br />
Stufen,<br />
• Bildung von <strong>Biogas</strong> (CH4, CO2 und Spurengase)<br />
• Vollständiger Erhalt der Nährstoffe im Gärrest
Batch-Verfahren<br />
• diskontinuierliche,<br />
einmalige Beschickung<br />
• ohne gleichzeitige<br />
Entleerung des<br />
Fermenterinhaltes.<br />
• Ein Rührwerk kann<br />
vorhanden sein.<br />
Ingenieurbüro für Entwicklung und Anwendung umweltfreundlicher Technik GmbH<br />
Charakteristik von Anaerob-Systemen (1)<br />
d<br />
c<br />
b<br />
a<br />
Speichersystem<br />
• diskontinuierliche,<br />
mehrmalige<br />
Beschickung (a-d)<br />
• ohne gleichzeitige<br />
Entleerung des<br />
Fermenterinhaltes.<br />
Vollständig<br />
durchmischtes,<br />
kontinuierliches<br />
System<br />
• Einstufiges<br />
Durchflußverfahren<br />
• Rührsystem zur<br />
Homogenisierung.<br />
• Beschickung<br />
kontinuierlich oder<br />
semikontinuierlich.<br />
Anaerobes<br />
Kontaktverfahren<br />
• Einstufiges<br />
Durchflußverfahren<br />
• Rührsystem zur<br />
Homogenisierung<br />
• Rückführung von aktivem<br />
Schlamm<br />
• Die Beschickung<br />
kontinuierlich oder<br />
semikontinuierlich.
Aufstromsystem mit<br />
Schlammbett ohne<br />
Trägermaterial<br />
• integrierter Schlammund<br />
Gasabscheider<br />
• sedimentierte Schlamm<br />
als Schlammbett im<br />
unteren Teil des<br />
Fermenters.<br />
Ingenieurbüro für Entwicklung und Anwendung umweltfreundlicher Technik GmbH<br />
Charakteristik von Anaerob-Systemen (2)<br />
Anaerobfilter<br />
Festbettfermenter<br />
• Up- oder Downflow<br />
• aktive Biomasse auf<br />
einem festen<br />
Trägermaterial<br />
Wirbelbett-System<br />
(Fluidized Bed)<br />
• Aufstromverfahren<br />
• Zurückhaltung der<br />
aktiven Biomasse auf<br />
Kleinstfüllkörpern<br />
• Kreislaufführung um die<br />
Füllkörper in Schwebe<br />
zu halten<br />
2-stufiges-System<br />
• zwei in Reihe liegende<br />
Fermenter<br />
• Hydrolyse im ersten<br />
Fermenter.<br />
• Jeder für sich kann nach<br />
den beschriebenen<br />
Verfahren gestaltet<br />
werden.
Ingenieurbüro für Entwicklung und Anwendung umweltfreundlicher Technik GmbH<br />
Fermenter- und Rührsysteme<br />
Tauchpropeller Mammutpumpe Zentralrührwerk Umpumpen<br />
Gaseigendruck Gaseinpressen Haspelrührwerk
Ingenieurbüro für Entwicklung und Anwendung umweltfreundlicher Technik GmbH<br />
Doppelmembran-<br />
Folienspeicher<br />
P < 5 mbar<br />
Folienspeicher im<br />
Behälter<br />
P < 20 mbar<br />
Speicherung von <strong>Biogas</strong> - Systemvarianten<br />
EPDM-<br />
Folienspeicher<br />
P < 10 mbar<br />
Wassertassenspeicher<br />
P < 50 mbar<br />
Ballonspeicher<br />
P < 5 mbar<br />
Mitteldruckspeicher<br />
P < 40 bar<br />
Kissenspeicher mit<br />
Belastungsgewicht<br />
P < 50 mbar<br />
Hochdruckspeicher<br />
P < 350 bar
Ingenieurbüro für Entwicklung und Anwendung umweltfreundlicher Technik GmbH<br />
Gärtemperatur und Methanbildungsaktivität<br />
Methanogene Aktivität [%]<br />
100<br />
50<br />
Quelle: Weiland, P. (2003)<br />
Anwendungsbereich<br />
32-42 °C<br />
Mesophile<br />
Thermophile<br />
Methangärung<br />
Mathangärung<br />
Anwendungsbereich<br />
50-58 °C<br />
0<br />
20 30 38 40 50 55 60<br />
Temperatur [°C]
Biomasse<br />
Polysacharide<br />
Proteine<br />
Fette<br />
Quelle: Weiland, P. (2003)<br />
Ingenieurbüro für Entwicklung und Anwendung umweltfreundlicher Technik GmbH<br />
1.Stufe<br />
Hydrolyse Makromoleküle<br />
(hydrolytische Phase)<br />
hydrolytische<br />
Bakterien<br />
Die 4 Stufen des anaeroben Abbaus<br />
Zucker<br />
Aminosäuren<br />
Fettsäuren<br />
2.Stufe<br />
Vergärung Spaltprodukte<br />
(acidogene Phase)<br />
fermentative<br />
Bakterien<br />
Carbonsäure<br />
Alkohole<br />
3.Stufe<br />
Acetatbildung<br />
(acetogene Phase)<br />
H2 / CO2<br />
acetogene<br />
Bakterien<br />
Acetat<br />
4.Stufe<br />
Methanbildung<br />
(methanogene Phase)<br />
methanogene<br />
Bakterien<br />
<strong>Biogas</strong><br />
CH4 / CO2
Komponente<br />
CH4<br />
CO2<br />
H2S<br />
NH3<br />
Wasserdampf<br />
Staubpartikel<br />
N2<br />
Quelle: Weiland, P. (2003)<br />
Ingenieurbüro für Entwicklung und Anwendung umweltfreundlicher Technik GmbH<br />
Gehalt<br />
1 - 5 Vol.-%<br />
> 5 µm<br />
0 - 5 Vol.-%<br />
Typische Komponenten von <strong>Biogas</strong><br />
50 - 75 Vol.-%<br />
25 - 50 Vol.-%<br />
0 - 5000 ppmV<br />
0 - 500 ppmV<br />
Wirkung<br />
• brennbare <strong>Biogas</strong>komponente<br />
• vermindert Brennwert und Zündverhalten<br />
• fördert Korrosion<br />
• Korrosion in Aggregaten und Rohrleitungen<br />
• SO2-Emissionen nach Vereinbarung<br />
• Katalysatorgift<br />
• vermindert Zündverhalten<br />
• NOx-Emissionen nach Verbrennung<br />
• Korrosion in Aggregaten und Rohrleitungen<br />
• Kondensat beschädigt Instrumente und Aggregate<br />
• bei Frost Gefahr der Vereisung von Rohrleitungen und Düsen<br />
• verstopft Düsen<br />
• vermindert Brennwert und Zündverhalten
Hemmstoff<br />
Sauerstoff<br />
Ingenieurbüro für Entwicklung und Anwendung umweltfreundlicher Technik GmbH<br />
Schwefelwasserstoff<br />
Flüchtige Fettsäuren<br />
Ammoniumstickstoff<br />
Schwermetalle<br />
Desinfektionsmittel<br />
Antibiotika<br />
Quelle: Weiland, P. (2003)<br />
Hemmende und toxische Parameter<br />
Hemmkonzentration<br />
> 0,1 mg/l O2<br />
> 50 mg/l H2S<br />
> 2000 mg/l HAc<br />
(pH = 7,0)<br />
> 3500 mg/l NH3<br />
Cu > 50 mg/l<br />
Zn > 150 mg/l<br />
Cr > 100 mg/l<br />
k.A.<br />
Anmerkungen<br />
Hemmung der obligat anaeroben Methanbakterien<br />
Hemmwirkung steigt mit sinkendem pH-Wert<br />
Hemmwirkung steigt mit sinkendem pH-Wert. Hohe<br />
Adaptionsfähigkeit der Bakterien<br />
Hemmwirkung steigt mit steigendem pH-Wert und<br />
steigender Temperatur. Hohe Adaptionsfähigkeit<br />
der Bakterien<br />
Nur gelöste Metalle wirken inhibierend.<br />
Entgiftung durch Sulfidfällung<br />
Hemmwirkung produktszezifisch
Ingenieurbüro für Entwicklung und Anwendung umweltfreundlicher Technik GmbH<br />
Hemmung der Methanbildung durch Ammonium-Stickstoff<br />
undiss. NH3[%] NH4-N [%] Hemmung [%]<br />
100<br />
10,00<br />
90,00<br />
1,00<br />
0,10<br />
99,00<br />
99,90<br />
0,01<br />
99,99<br />
6,0 7,0<br />
pH-Wert<br />
8,0<br />
Dissoziationsgleichgewicht NH3/NH4-N Hemmung der Methanbildung durch NH3<br />
(Methanbildung aus Essigsäure)<br />
Quelle: Weiland, P. (2003)<br />
75<br />
50<br />
25<br />
T = 38 °C<br />
0 0 20 40 60 80 100<br />
mg/l NH4-N<br />
T = 30 °C
Ingenieurbüro für Entwicklung und Anwendung umweltfreundlicher Technik GmbH<br />
Hemmung der Methanbildung durch Schwefelwasserstoff<br />
100 H2S [%] HS- [%]<br />
80<br />
60<br />
40<br />
20<br />
0<br />
6,0 6,4<br />
6,8 7,0 7,2 7,6 8,0<br />
pH-Wert<br />
0<br />
20<br />
40<br />
60<br />
80<br />
100<br />
Hemmung [%]<br />
Dissoziationsgleichgewicht von H2S/HS - Hemmung der Methanbildung<br />
(Methanbildung aus Essigsäure)<br />
Quelle: Weiland, P. (2003)<br />
100<br />
75<br />
50<br />
25<br />
pH 6,8 - 7,6<br />
0 0 50 100 150 200<br />
mg/l H2S (undiss.)
Ingenieurbüro für Entwicklung und Anwendung umweltfreundlicher Technik GmbH<br />
Hemmung der Methanbildung durch flüchtige Fettsäuren<br />
Säure undiss. [%] Säure diss. [%]<br />
10,00<br />
90,00<br />
1,00<br />
0,10<br />
Essigsäure<br />
Propionsäure<br />
99,00<br />
99,90<br />
0,01<br />
99,99<br />
6,0 7,0<br />
pH-Wert<br />
8,0<br />
Dissoziationsgleichgewicht von Fettsäuren<br />
Quelle: Weiland, P. (2003)<br />
Hemmung [%]<br />
100<br />
75<br />
50<br />
25<br />
Essigsäure<br />
Propionsäure<br />
0 0 20 40 60 80<br />
mg/l Säure (undiss.)<br />
Hemmung der Methanbildung
Ingenieurbüro für Entwicklung und Anwendung umweltfreundlicher Technik GmbH<br />
Kenngrößen der <strong>Biogas</strong>technologie<br />
Organische Trockenmasse oTS: [ kg ]<br />
Raumbelastung (B R ) [ kg oTS/m³xd ]<br />
Feststoffverweilzeit (RT) d<br />
hydraulische Verweilzeit (HRT) [ d ]<br />
Abbaugrad oTSab / oTS zu [ % ]<br />
bez. Gasproduktion (Fermentervolumen): [ m³/m³/d ]<br />
bez. Gasproduktion (Inputsubstrat): [ m³/Mgzu ]<br />
bez. Gasproduktion (abgebauter oTS): [ m³/kg oTSab ]<br />
bez. Gasproduktion (oTS im Input): [ m³/kg oTSzu ]
Ingenieurbüro für Entwicklung und Anwendung umweltfreundlicher Technik GmbH<br />
<strong>Biogas</strong>qualität in Abhängigkeit vom Gärsubstrat<br />
Stoffgruppe<br />
Kohlenhydrate<br />
Proteine<br />
Fette<br />
Bioabfall<br />
Nachwachsende<br />
Rohstoffe<br />
<strong>Biogas</strong>ertrag<br />
[ l /lg oTS ]<br />
700 – 830<br />
700 – 900<br />
1.000 – 1.400<br />
350 – 500<br />
500 – 700<br />
Methangehalt<br />
[ Vol.-% ]<br />
50 – 55<br />
70 – 75<br />
68 – 73<br />
55 – 68<br />
50 – 62<br />
Energieinhalt im Mittel 5,0 bis 5,5 kWh (Hu)<br />
Heizwert<br />
[ kWh/m³]<br />
5,0 – 5,5<br />
7,0 – 7,5<br />
6,8 – 7,3<br />
5,5 – 6,8<br />
5,0 – 6,2
Ingenieurbüro für Entwicklung und Anwendung umweltfreundlicher Technik GmbH<br />
INPUT BHKW<br />
(=Output <strong>Biogas</strong>)<br />
<strong>Biogas</strong> 100%<br />
Hu 100%<br />
Energiebilanz BHKW<br />
BHKW<br />
OUTPUT BHKW<br />
Abgas 10%<br />
Strom 40%<br />
Wärme 50%<br />
Prozeßwärme 20%
Ingenieurbüro für Entwicklung und Anwendung umweltfreundlicher Technik GmbH<br />
INPUT Substrat<br />
TS 100%<br />
H2O 100%<br />
N; P; K 100%<br />
Massenbilanz Vergärung<br />
M<br />
Fermenter<br />
OUTPUT <strong>Biogas</strong><br />
TS 80%<br />
H2O 1%<br />
OUTPUT Substrat<br />
TS 20%<br />
H2O 99%<br />
N; P; K 100%<br />
• Organische Substanz wird in Methan und Kohlendioxid umgewandelt !<br />
• Wasser und alle Nährstoffe bleiben erhalten !<br />
• Feste Abfälle werden zu flüssigen Abfällen bzw. Abwasser !
Getreide<br />
Wasser<br />
Ingenieurbüro für Entwicklung und Anwendung umweltfreundlicher Technik GmbH<br />
Getreidesilo<br />
Zisterne<br />
Mühle<br />
Fließbild <strong>Biogas</strong>anlage auf Basis Getreide<br />
Mischer<br />
Fermenter Gasspeicher<br />
Nachgärraum<br />
Gärrestlager<br />
Gasfackel<br />
Gasmotor<br />
Strom<br />
Wärme<br />
Gärrest - Dünger
Trockenstoffe<br />
Ingenieurbüro für Entwicklung und Anwendung umweltfreundlicher Technik GmbH<br />
Mischer<br />
Schema einer NAWARO-<strong>Biogas</strong>anlage<br />
M<br />
Fermenter<br />
BHKW<br />
Gasspeicher<br />
Nachgärraum und<br />
Schlammspeicher
Methangehalt<br />
Redox<br />
Ingenieurbüro für Entwicklung und Anwendung umweltfreundlicher Technik GmbH<br />
Gasmenge<br />
M<br />
Fermenter<br />
Messtechnik<br />
Zugabe BHKW<br />
Füllstand<br />
Online-Messung<br />
Gasspeicher<br />
Nachgärraum und<br />
Schlammspeicher<br />
(Temperatur)
fällt<br />
steigt<br />
Prozeß noch<br />
stabil<br />
Trend zur<br />
Überlastung<br />
Ingenieurbüro für Entwicklung und Anwendung umweltfreundlicher Technik GmbH<br />
steigt /<br />
gleich<br />
pH<br />
Redox<br />
Prozeß stabil<br />
Trend:<br />
höhere<br />
Leistung<br />
steigt<br />
Prozeß stabil<br />
Trend:<br />
geringere<br />
Leistung<br />
Entscheidungsbaum<br />
c-CH4 c-CH4<br />
fällt<br />
steigt<br />
fällt<br />
steigt /<br />
gleich<br />
fällt<br />
pH<br />
Redox<br />
Prozeß<br />
instabil<br />
Gasbildungsrate<br />
fällt<br />
steigt<br />
akute Gefahr<br />
fällt<br />
steigt<br />
Akute Gefahr<br />
Biozinöse<br />
gestört<br />
fällt<br />
steigt /<br />
gleich<br />
pH<br />
Redox<br />
steigt<br />
Prozeß stabil<br />
Trend:<br />
geringere<br />
Leistung<br />
fällt<br />
steigt<br />
fällt<br />
extremer<br />
Sonderfall<br />
bei Fettsubstraten<br />
fällt<br />
pH<br />
Redox<br />
Prozeß<br />
gestört<br />
fällt<br />
steigt
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