1. Bestandteile der Biogasanlagen

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1. Bestandteile der Biogasanlagen

Hauptseminar SS2011-Physik im AlltagBiogasanlagenRobert Bärreiter08.07.2011


1. Bestandteile der Biogasanlagen• Substrate• Fermenter• Biogasentstehung• Aufbereitung von Biogas• Nutzung der Energie2. Biogasanlagen in Deutschland• Entwicklung• Investitionskosten und Ertrag• Vergütung• Vor- und NachteileInhaltsverzeichnisRobert Bärreiter, 08.07.2011 2


1. Bestandteile der BiogasanlageAufbau der BiogasanlageFunktionsweiseEntstehung vonBiogas durchanaerobe GärungStromerzeugungim BHKWAufbau der Biogasanlage[1]Robert Bärreiter, 08.07.2011 3


1. Bestandteile der BiogasanlageSubstrate•Eignung wasserhaltiger Biomasse• Cellulosehaltige Materialien wie Stroh und Holz müssendagegen über Bioextrusion aufgeschlossen werden• Einteilung von Substraten in: Nachwachsende Rohstoffe(Energiepflanzen) Produktionsabfälle aus Lebensmittel- undFuttermittelindustrieMaterialBiogasertrag[m³/t]Methangehalt[%]Rindergülle 25 65Schweinegülle 36 60Maissilage 202 52Grassilage 172 54Speiseabfälle 220 60 Wirtschaftsdünger aus der ViehhaltungAltfett (z.B.Fritierfett)600 70 Speisereste, Biotonne, etc.Biogasertrag und Methangehalt ausgewählter Substrate[2]Robert Bärreiter, 08.07.2011 4


1. Bestandteile der BiogasanlageSubstrate (2)•Mais ist bedeutendster nachwachsender Rohstoff: Hohe Hektarerträge (ca. 50-65t/ha) Effiziente Ernteverfahren Ganzjährig lagerbar als Silage Boni für nachwachsende RohstoffeSilierung von Mais[3]Robert Bärreiter, 08.07.2011 5


1. Bestandteile der BiogasanlageDie VorgrubeAufgaben:• Pufferfunktion• Zerkleinern• Durchmischen von Gülle mit anderen SubstratenBefüllung einer Vorgrube [4]Hygienisierung ist für Substrate erforderlich, dienach EG-Hygienevorschrift ohne Behandlung nichtlandwirtschaftlich entsorgt werden dürfen!Robert Bärreiter, 08.07.2011 6


1. Bestandteile der BiogasanlageFermenterTechnische ParameterAusschluss vonSauerstoff und LichtVerweilzeit > 30Tage(Batch-Betrieb)KonstantesTemperaturniveauAusreichendWasser/Feuchte fürdie Bakterientätigkeitmöglichst kleinePartikel(großeOberfläche)HomogenisierungAufbau eines Fermenters[5]Robert Bärreiter, 08.07.2011 7


1. Bestandteile der BiogasanlageDie vier Phasen der BiogasentstehungHydrolyse•Zerlegung der langkettigen, organischen Verbindungen mittels Exoenzymen ineinfache organische Verbindungen(z.B. Aminosäuren, Zucker)Acidogenese•Abbauen der kleineren Moleküleinheiten von Bakterien zu niedermolekularenorganischen Säuren: z.B. zu Essigsäure, Propionsäure, Buttersäure, Milchsäure,sowie Alkoholen, Kohlendioxid (gering) und Wasserstoff (gering).Acetogenese•Umwandeln der organischen Säuren und Alkoholen in Essigsäure, Wasserstoff undKohlendioxidMethanogenese•Produkte der vorherigen Phasen werden durch Mikroorganismen in Kohlendioxid,Wasser und Methan umgewandeltRobert Bärreiter, 08.07.2011 8


1. Bestandteile der BiogasanlageEigenschaften von BiogasDichte• 1,2 kg/m 3Heizwert• 4-7,5 kWh/m 3(abhängig vom Methangehalt)Zusammensetzung• 50 - 75 % Methan (CH 4 )• 25 - 50 % Kohlendioxid (CO 2 )• 0 - 10 % Wasserdampf (H 2 O)• 0 - 5 % Stickstoff (N 2 )• 0 - 2 % Sauerstoff (O 2 )• 0 - 1 % Wasserstoff (H 2 )• 0 - 1 % Ammoniak (NH 3 )• 0 - 1 % Schwefelwasserstoff (H 2 S)Robert Bärreiter, 08.07.2011 9


1. Bestandteile der BiogasanlageVerschiedene AnlageformenKriterium Anlagetyp MerkmaleTrockensubstanzgehalt Naßvergärung bis ca. 15% TS-GehaltTrockenvergärung25-35% TS-GehaltTemperaturniveau Psychrophil bis 20° CMesophilbis 35° CThermophilbis 55° CStufigkeit Einstufig Alle Abbaustufen gleichzeitigZweistufigMehrstufigTrennung von Hydrolyse undMethanbildungTrennung von Hydrolyse,Säurebildung undMethanbildungRobert Bärreiter, 08.07.2011 10


1. Bestandteile der BiogasanlageDie Endgrube• Lagerung für mehrere Monate nötig• teilweise Trennung von flüssig und festemGärrest• Verwertung des Gärrests als DüngerEndlager für Gülle[6]Endlager für festen Gärrest[7]Robert Bärreiter, 08.07.2011 11


1. Bestandteile der BiogasanlageAufbereitung von Biogas zur Nutzung im BHKWEntschwefelung• notwendig, um Korrosion zu vermeiden: als Schwefelwasserstoff (H 2 S) im Biogasenthalten, bei Verbrennung entsteht aggressive Schwefelsäure (H 2 SO 4 ).• es gibt biologische und chemische Verfahren- Luftentschwefelung- Aktivkohle- Eisensalze- Membrantrennverfahren: unterschiedliche Durchlässigkeit vonpolymeren Membranwerkstoffen sorgt für die Abtrennung derunerwünschten GaskomponentenTrocknung• Vermeidung von Korrosion in Motoren durch Wasser• Durch Abkühlung kann das kondensierte Wasserentfernt werden, gleichzeitig wird das in Wasser gelösteAmmoniak entferntAufbereitung von Biogas zur Einspeisungauf Erdgasqualität:Entschwefelung + TrocknungCO 2 -Abtrennung: keine Beitrag zum Heizwert Entfernung durch Gaswäsche ,Absorptionsverfahren an Aktivkohle oderGastrennung an Membranen möglichKonditionierung: Anpassung des Biogasesbezüglich Trockenheit, Druck und HeizwertVerdichtung: Zur Einspeisung in das Erdgasnetzsind Drücke bis etwa 20 bar notwendigVerdichtung durch KompressorRobert Bärreiter, 08.07.2011 12


1. Bestandteile der BiogasanlageEntschwefelungLuftentschwefelung (Grobentschwefelung):Schwefelwasserstoff wird im Gasraum des Fermenters durch schwefeloxidierende Bakterien inAnwesenheit von Sauerstoff (O 2 ) zu elementarem Schwefel (oder schwefliger Säure) oxidiert.Der elementare Schwefel setzt sich als gelbe Schicht im Gasraum des Fermenters auf derFlüssigphase ab.AktivkohleNutzung in Anlagen in Verbindung mit Luftentschwefelung als Vorreinigung „sicheres“ Verfahren zur Entschwefelung, zusätzlich werden Schadgase wie Ammoniak,Siloxane und Halogenverbindungen entfernt.Nach Erreichen der maximalen Beladung muss die Aktivkohle ausgetauscht werden.EisensalzeSchwefelwasserstoff wird noch in der Flüssigphase des Fermenters direkt als schwerlöslichesEisensulfid gebundenFür einen alleinigen Einsatz in der Biogasentschwefelung nicht geeignet, nur zurFeinentschwefelungWird in Verbindung mit Luftentschwefelung angewendetRobert Bärreiter, 08.07.2011 13


1. Bestandteile der BiogasanlageKraftwärmekopplung im BlockheizkraftwerkFunktionsprinzip:•Nutzung von Kraft und Wärme•Erzeugung von Strom über einen anden Verbrennungsmotorgekoppelten Generator+ Nutzung der Motorabwärmeüber Wärmetauscher Gesamtwirkungsgrad 90%•Abwärme wird innerbetrieblichgenutzt (Fermenterheizung,Trocknung der Ernte) oder in einFernwärmenetz eingespeistVereinfachter Aufbau eines BHKW‘s[8]•Gasottomotor, Zündstrahlmotoroder Mikrogasturbine einsetzbarRobert Bärreiter, 08.07.2011 14


1. Bestandteile der BiogasanlageKraftwärmekopplung im Blockheizkraftwerk(2)Robert Bärreiter, 08.07.2011 15


1. Bestandteile der BiogasanlageKraftwärmekopplung im Blockheizkraftwerk(3)Mikrogasturbine:+ lange Lebensdauer, niedrige Mindestgasqualität, unempfindlich gegen H 2 S, keineSchmiermittel- höherer Gasverbrauch, hohe Investitionskosten, niedriger elektrischer WirkungsgradRobert Bärreiter, 08.07.2011 16


1. Bestandteile der BiogasanlageCO 2 -Bilanz – ein geschlossener Kreislauf+ Bei der Photosynthese wird CO 2 inSauerstoff umgewandelt- CO 2 -Emission durch BHKW, bzw.Anbau-& Erntevorgänge sowieTransportCO 2 -Bilanz nahezu neutralGeschlossener Kreislauf [9]Robert Bärreiter, 08.07.2011 17


2. Biogasanlagen in DeutschlandEntwicklung•1948: erste landwirtschaftlichbetriebene Biogasanlage (8 bis 10m³ Biogas täglich) im Odenwald•Heute ca. 7000 Biogasanlagen miteiner elektrischen Leistung von2.500 MWEntwicklung der Biogasanlagen[10]•Verdopplung der Anzahl undVerdreifachung der elektrischenLeistung in den letzten 5 JahrenBranchenzahlen Biogas[10]Robert Bärreiter, 08.07.2011 18


2. Biogasanlagen in DeutschlandStrommix in Deutschland•Biogasanlagen stellen mit ca.11% den vierthöchsten Anteilan erneuerbaren Energien•Die erneuerbaren Energienliefern ca. 17% desBruttostromverbrauchsRobert Bärreiter, 08.07.2011 19


2. Biogasanlagen in DeutschlandKosten & Ertrag•Investitionskosten einer 150-kW-Anlage: ab 600 000 €Gesetzlich zugesicherte Vergütung: 180 000 € pro Jahr (für 20 Jahre)Verbrauch an Mais: 2500 t (Preis: ca. 28 € pro t(Stand: 2011))Anbaufläche: 45 haVersorgt rund 350 HaushalteBiogaspark Penkun:•40 Fermenter•Investitionskosten: 78 Mio.€•20 Megawatt Strom pro StundeStrom für 40.000 Haushalt•Ertrag von rund 24-26 Mio.€ proJahr durch die EinspeisungBiogaspark Penkung10]Robert Bärreiter, 08.07.2011 20


2. Biogasanlagen in DeutschlandVergütungRobert Bärreiter, 08.07.2011 21


2. Biogasanlagen in DeutschlandVorteile• Einsatz regenerative Energiequelle• Reduktion fossiler Energieträger zur Energiegewinnung• Reduzierung der Importabhängigkeit• CO 2 -Bilanz nahezu neutral• Biogas ist speicherbar• Nutzbar zur Produktion von Strom, Wärme und Kraftstoff• Bisher ungenutzte Pflanzen und Pflanzenteile können verwertet werden (z.B.Getreideabputz, Pappeln, Weiden, etc. )• Reduzierung von Methan durch energetische Nutzung der Roh-Gülle• Reduzierung der Geruchsemssion• Dezentrale Stromerzeugung• Reduktion der Transportstrecken (z.B. Wärmeversorgung)• Einkommensalternative für den landwirtschaftlichen Raum• Einsparung von Kunstdünger auf Erdölbasis durch ackerbauliche GärrestnutzungRobert Bärreiter, 08.07.2011 22


2. Biogasanlagen in DeutschlandNachteile• Förderung von Monokulturen, Zerstörung des Landschaftsbildes im ländlichen Raum• Regionale Flächenkonkurrenzen zwischen Anbauflächen für Nahrungsmittel-,Futtermittel und Energiepflanzenerzeugung• Stark subventioniert: - Preis für kWh an der Strombörse: 0,08€- Einspeisevergütung: 0,18-0,24 €/kWh1 ha Mais mit rund 2000 € vom Verbraucher subventioniert [12]Rentabilität ohne Subventionen?• Schädigung des Klimas möglich durch steigende Menge von Lachgas• Methan hat pro Masseneinheit einen 25-fach höheren Treibhauseffekt alsKohlendioxid Vermeidung von Emissionen nötig• Für die Ausbringung des Gärrests müssen genügend Flächen zur Verfügung stehen• Antibiotika im Fermenter führt zu Störungen• Erhöhtes Verkehrsaufkommen auf ländlichen Straßen durch lange TransportwegeRobert Bärreiter, 08.07.2011 23


Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit !!!Robert Bärreiter, 08.07.2011 24


QuellenBücher•Kurt Kugeler; Peter-W.Phlippen, Energietechnik•Thomas Bührke, Roland Wengenmayr: ERNEUERBARE ENERGIE. Alternative Energiekonzepte für die Zukunft. 2010Weitere Quellen:•[1] http://www.nep-group.com/text/funktion-von-biogas/aufbau-einer-biogasanlage.html•[2] Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.V. (FNR): Biogas Basisdaten Deutschland Stand: Januar 2008•[3] www.unendlich-viel-energie.de•[4] http://www.technikatlas.de/~tb13/ba_vorgrube.htm•[5] http://schmack-biogas.viessmann.com/sb/de_de/Downloads/literatur.html•[6] http://www.biogas-infoboard.de•[7 ]http://tk-agrarservice.net•[8] http://www.ing-büro-junge.de•[9] http://www.juwi.de/•[10] http://www.biogas.org•[11 ]http://www.umweltschutz-news.de•[12]http://www.daserste.de/plusminus/beitrag_dyn~uid,05f3cpfa591pf7bx~cm.asphttp://www.bollmer.de•http://de.wikipedia.org/wiki/Substrat_(Biogasanlage)•http://www.seilnacht.com/referate/biogas01.htm•http://www.bmu.de•http://www.unendlich-viel-energie.de/de/bioenergie.html•http://www.luenepost.de/index.php?option=com_content&task=blogcategory&id=30&Itemid=97•http://www.dlr.rlp.de/internet/global/themen.nsf/a0e8dba46db89ca4c1257625005152bb/ce50ad8d4659d5e7c125770600505b2f/$FILE/EEG_Verguetung_Biogas_2011.pdf•http://www.atb-potsdam.de/Hauptseite-deutsch/ATB-aktuell/Presse/P-Archiv-aktuell/p_info13_02-dateien/Wirtschaftlichkeit_von_Biogasanlagen.pdf•http://www.klimaaktiv.at/article/archive/13521/•http://www.biogas4all.de/Vision/Geschichte/geschichte.htmlRobert Bärreiter, 08.07.2011 25

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