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BIOGAS JOURNAL | 6_2022 WISSENSCHAFT Foto 2: TM-Pilotanlage – Stand 13. Juli 2020. Tabelle 1: Täglicher Substrateinsatz im Fermenter mit und ohne Turbomaische-Behandlung Tagesfütterungsmenge 01.09.20 bis 16.11.20 im Mittel in t FM Tagesfütterungsmenge 17.11.20 bis 24.01.21 im Mittel in t FM Maissilage 35,4 34,8 Stroh unbehandelt 6,0 0,5 Stroh behandelt 0 4,2 Rindermist unbehandelt 6,9 0,2 Rindermist behandelt 0 2,3 Pferdemist unbehandelt 0,2 0 Pferdemist behandelt 0 0,6 Schafmist unbehandelt 0 0,7 Schafmist behandelt 0 5,1 Kartoffeln 0,2 0,8 Rindergülle 0 1,8 Schweinegülle 14,8 17,7 HTK 5,5 5,9 Einsatzstoffmenge von etwa 13,5 Tonnen (t) Frischmasse pro Tag ergibt sich ein spezifischer Strombedarf von 36 Kilowattstunden (kWh)/t Frischmasse. Im Vergleich erfordert die mechanische Aufbereitung in alternativen Verfahren 70 bis 150 kWh elektrische Energie pro Tonne Frischmasse. Es wird mindestens die Hälfte des Strombedarfes eingespart. Zu berücksichtigen ist, dass es sich hier um eine Pilotanlage handelt, die noch Potenzial hinsichtlich einer energetischen Optimierung hat. Die Turbomaische am Standort der Biogasanlage Grabsleben Die Biogasanlage Grabsleben besteht aus vier Fermentern (davon zwei liegende Fermenter F3 und F4), zwei Nachgärern und sieben Gärproduktlagern. Die Anlage wurde ursprünglich mit den Behältern F1, F2, NG1, GPL 1 bis 4 errichtet und 2019/20 um die restlichen Anlagenteile erweitert. Praktisch handelt es sich um zwei bis auf die Gasnutzung vollkommen voneinander unabhängige Biogasproduktionsanlagen. Neben 3,6 Megawatt (MW) installierter elektrischer Blockheizkraftwerk-(BHKW)-Leistung verfügt der Standort über eine Biogasaufbereitungsanlage mit einer Einspeisekapazität von 700 Normkubikmetern pro Stunde (Nm³/h). Die TM-Pilotanlage (Foto 2) ist an den liegenden Fermenter 3 (F3, graues Gebäude, Foto 1) angeschlossen. Die Pilotanlage besteht aus einem axial gerührten und von unten belüfteten Reaktor mit 180 Kubikmetern (m³) Nutzvolumen und einem Kontroll- und Pumpenraum (grün-weißer Container im Vordergrund, siehe Foto 2). Zur Optimierung der Prozessparameter fanden Untersuchungen an Versuchsfermentern (Foto 3) der Firma BIONOVA statt. Die Versuche erfolgten sowohl vorbereitend als auch parallel zum Betrieb der Pilotanlage. Behandelte Substrate In den Versuchszeiträumen kamen in Fermenter 3 Maissilage, Kartoffeln, Stroh und tierische Exkremente [Hühnertrockenkot (HTK), Gülle und Mist] zum Einsatz. Die lignocellulosehaltigen Substrate Stroh, Rinder-, Pferde- und Schafmist wurden vor der Vergärung in der TM behandelt. In Tabelle 1 sind die in Fermenter 3 eingesetzten Substratmengen sowie die entsprechende Anzahl der Fütterungstage für den Zeitraum 01.09.2020 bis 24.01.2021 (146 Tage) aufgeführt. In diesem Zeitraum war vereinbart, dass Fermenter 3 mit dem hier dargestellten, weitgehend unveränderten Substratmix gefüttert wird, um einen Vergleich vor und nach Inbetriebnahme der Turbomaische realisieren zu können. Da auf die Anlieferung der Mistarten kaum Einfluss besteht, war das Ziel des Misteinsatzes eine konstante Menge unabhängig von der Herkunftstierart. Der Betrieb der Turbomaische in diesem Zeitraum fand vom 17.11.2020 bis 24.01.2021 (68 Tage) statt. Die grün markierten Zeilen zeigen die Substratmengen, die in der TM vorbehandelt wurden. Die zu behandelnden Substrate wurden mit der Dünnphase aus der Separation auf einen TS-Gehalt zwischen 13 Prozent und 14 Prozent angemischt und in die TM gepumpt. Erfahrungen aus dem Pilotbetrieb Die Pilotanlage wurde Ende 2019 / Anfang 2020 errichtet und nach einer Vielzahl von technischen 97
WISSENSCHAFT BIOGAS JOURNAL | 6_2022 Abbildung 1: Vergleich gemessener und simulierter Biogasmengen für Fermenter 3 20.000 Datenausfall BGA 1. Betriebszeitraum Havarie BGA 2. Betriebszeitraum 18.000 tägliche Biogasmengen in m³ 16.000 14.000 12.000 10.000 8.000 6.000 4.000 2.000 0 01.09.2020 01.10.2020 01.11.2020 01.12.2020 01.01.2021 Biogas simuliert F3 in m³/Tag 01.02.2021 01.03.2021 01.04.2021 01.05.2021 01.06.2021 01.07.2021 01.08.2021 01.09.2021 01.10.2021 Biogas in m³/Tag gemessen F3 01.11.2021 01.12.2021 01.01.2022 01.02.2022 01.03.2022 Tests im November in Betrieb genommen. Lediglich die erwünschten TS-Gehalte in der Maische von >13 Prozent wurden nicht erreicht. Über den gesamten Projektzeitraum ab Inbetriebnahme (16 Monate) gab es zwei Zeiträume (1 x 2,5 Monate, 1x 8 Monate), in denen der Turbomaische-Prozess stabil gelaufen ist. Dies lag zum großen Teil an einer Großhavarie der Biogasanlage (fast vollständiges Auslaufen eines Gärrestlagers mit Flutung von Pumpenräumen etc.) und deren Nachwirkungen. Nach der Havarie Anfang Februar 2021 dauerte es nach einigen Versuchen im Mai und Juni bis in den Spätsommer 2021, bis die Maische wieder in Betrieb gehen konnte, da unter anderem die Anlagensteuerung der Biogasanlage zerstört wurde und ausgetauscht werden musste. Um die Veränderungen des spezifischen Gasertrages ermitteln zu können, wurden die Gasmengen von Fermenter 3 separat erfasst und der Prozess im Fermenter als auch für die Gesamtanlage modelliert, um gegebenenfalls aus Änderungen der Anlagenbeschickung resultierende Änderungen im Gasertrag ausschließen zu können. Die gemessenen und modellierten Gasmengen werden in Abbildung 1 und Abbildung 2 veranschaulicht. Abbildung 1 veranschaulicht in Grün den gemessenen Gasertrag in Fermenter 3. Ende Oktober bis Anfang November ist die komplette Datenerfassung der Biogasanlage ausgefallen, so dass keine Messdaten verfügbar sind. Ab Mitte November war die TM in Betrieb für Stroh und Festmist. Ausgehend vom Substrateinsatz veranschaulicht die lila Linie die modellierte Gasmenge, die ohne Turbomaische-Einsatz zu erwarten wäre. Für diesen Zweck wurde im Projekt ein auf die Biogasanlage Grabsleben angepasstes Prozessmodell entwickelt. Die modellierte Gasbildung entspricht bis 20.10.20 in etwa der gemessenen Gasbildung. Im Zeitraum zwischen Ende November 2020 und der Großhavarie Anfang Februar 2021 übersteigt die gemessene Gasbildung deutlich die modellierten Werte. Die Analyse der Gaszusammensetzung zeigt vor und nach Einsatz der TM keine relevanten Veränderungen der Methan- oder Kohlendioxidkonzentration, sodass die erhöhte Biogasmenge einer erhöhten Methanmenge entspricht. Die Veränderung der Differenz zwischen gemessener und modellierter Biogasmenge wird auf den Einsatz der TM zurückgeführt, Veränderungen anderer Einflussgrößen konnten weitestgehend ausgeschlossen werden. Nach dem Wiederanfahren der TM nach der Großhavarie lag die gemessene Gasmenge für rund 14 Tage noch über den modellierten Werten, bevor die TM Mitte April 2021 bedingt durch Störungen (Rührwerk, starke Schaumbildung) abgeschaltet wurde. Im zweiten Versuchszeitraum ab August 2021 konnte der im ersten Versuchszeitraum erreichte Mehrertrag bis Ende Januar nicht mehr stabil erreicht werden. Etwa ab Ende Januar 2021 lag die gemessene Gasbildung dann wieder deutlich und relativ konstant oberhalb der modellierten Menge. Wie im vorangegangenen Abschnitt zur Analyse der Prozessparameter erwähnt, werden die unterschiedlichen 98
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