Endbericht - Energetische Biomassenutzung

Transcrição

Schlussbericht
Bioabfallvergärung – Beiträge zur Prozessoptimierung
und zur verbesserten Gasnutzung
Optimierungsbeiträge Bioabfallvergärung
Gemeinsamer Schlussbericht der Projekte
03KB032A und 03KB032B
für das:
Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit
vertreten durch:
Forschungszentrum Jülich GmbH
Projektträger Jülich (PTJ),
Geschäftsbereich Erneuerbare Energien (EEN)
Außenstelle Berlin
Zimmerstraße 26-27
10969 Berlin
vom Projektteam:
Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheitsund Energietechnik UMSICHT (Projektleitung)
Institutsleiter Prof. Dr.-Ing. Eckhard Weidner
Osterfelder Straße 3
46047 Oberhausen
Dipl.-Ing. Joachim Krassowski
Dipl.-Chem.-Ing. Heiko Lohmann
Dr. Jorge Ivan Salazar Gomez
0208 8598-1162
0208 8598-1197
0208 8598-1327
[email protected]
[email protected]
[email protected]
Deutsches Biomasseforschungszentrum
gGmbH, Bereich Biogastechnologie
Umweltwechselwirkungen
Torgauer Straße 116
04347 Leipzig
Dr.-Ing. Jan Liebetrau
Dipl. Biotechnol. Elmar Fischer
Dipl.-Ing. (FH) Katrin Strach
0341 2434-716
0341 2434-452
0341 2434-560
[email protected]
[email protected]
[email protected]
Schlussbericht zum Projekt Optimierungsbeiträge Bioabfallvergärung, FKZ 03KB032A/B
Inhalt
I.
Rahmenbedingungen .................................................................................................. 1
1
Aufgabenstellung ..................................................................................................... 1
2
Voraussetzungen...................................................................................................... 1
3
Planung und Ablauf des Verfahrens ....................................................................... 1
4
Stand der Forschung ............................................................................................... 2
5
Zusammenarbeit mit anderen Stellen ..................................................................... 2
II.
Eingehende Darstellung .............................................................................................. 1
1
Einführung ................................................................................................................ 1
1.1 Rechtliche und wirtschaftliche Rahmenbedingungen für die Bioabfallvergärung... 2
2
Beteiligte Biogasanlagen ......................................................................................... 5
2.1 Biogasanlage A .................................................................................................... 5
2.1.1 Anlagenbeschreibung ..................................................................................... 5
2.1.2 Berechnung der Gasproduktion und -zusammensetzung ............................... 6
2.1.3 Raumbelastung .............................................................................................11
2.1.4 Hydraulische Verweilzeit ...............................................................................13
2.1.5 Biogasausbeute ............................................................................................13
2.1.6 Biogasproduktivität ........................................................................................15
2.1.7 Abbaugrad ....................................................................................................15
2.1.8 Auslastungsgrad ...........................................................................................16
2.2 Biogasanlage B ...................................................................................................17
2.2.1 Anlagenbeschreibung ....................................................................................17
2.2.2 Berechnung der Gasproduktion und -zusammensetzung ..............................19
2.2.3 Raumbelastung .............................................................................................21
2.2.5 Biogasausbeute ............................................................................................28
2.2.7 Abbaugrad ....................................................................................................31
2.3 Biogasanlage C ...................................................................................................33
2.3.1 Gasproduktion und -zusammensetzung ........................................................35
2.3.2 Berechnung der Raumbelastung ...................................................................37
2.3.4 Biogasausbeute ............................................................................................42
2.3.6 Abbaugrad ....................................................................................................43
3
Substratcharakterisierung bei Abfallvergärungsanlagen .....................................46
3.1 Ergebnisse der betriebsspezifischen Messprogramme ........................................47
3.1.1 Substrat und Gärrestanalysen der Anlage B..................................................47
3.1.2 Substrat und Gärrestanalysen der Anlage A..................................................49
3.1.3 Substrat und Gärrestanalysen der Anlage C .................................................52
3.1.4 Gärrestpotenziale und Gasbildungspotenziale ausgewählter Substrate ........55
3.2 Substratkatalog für die Optimierung der Substratzugabe und höhere
Prozessstabilität ..................................................................................................57
4
Betriebsoptimierung ...............................................................................................60
4.1 Bewertung des Optimierungspotenzial der im Projekt betrachteten Biogasanlagen
............................................................................................................................60
4.2 Bewertung der Ergebnisse der Anlage A .............................................................61
4.2.2 Raumbelastung .............................................................................................61
4.2.4 Biogasausbeute ............................................................................................62
4.2.6 Abbaugrad ....................................................................................................63
4.2.7 Ausnutzungsgrad ..........................................................................................63
4.2.8 Ausblick .........................................................................................................63
4.3 Bewertung der Ergebnisse der Anlage B .............................................................64
4.3.2 Raumbelastung .............................................................................................65
4.3.4 Biogasausbeute ............................................................................................65
4.3.6 Abbaugrad ....................................................................................................66
4.3.7 Ausnutzungsgrad ..........................................................................................66
4.3.8 Ausblick .........................................................................................................66
4.4 Bewertung der Ergebnisse der Anlage C .............................................................67
4.4.2 Raumbelastung .............................................................................................67
4.4.4 Biogasausbeute ............................................................................................68
4.4.6 Abbaugrad ....................................................................................................68
4.4.8 Ausblick .........................................................................................................68
4.5 Optimierungsansätze für Abfallvergärungsanlagen .............................................69
5
Gasanalytik ..............................................................................................................71
5.1 Materialien und Methoden ...................................................................................71
5.2 Quantitative und qualitative Erfassung relevanter Spurengase ............................74
5.3 Ergebnisse Anlage A ...........................................................................................74
5.4 Quantitative Ergebnisse Anlage A .......................................................................75
5.4.1 Siliciumorganische Verbindungen .................................................................75
5.4.2 Terpene.........................................................................................................76
5.4.3 Aromaten ......................................................................................................77
5.4.4 Furane...........................................................................................................78
5.4.5 Ketone und Alkohole .....................................................................................79
5.4.6 Alkane ...........................................................................................................80
5.4.7 Ester..............................................................................................................81
5.4.8 Organische Schwefelverbindungen ...............................................................82
5.5 Ergebnisse Anlage B ...........................................................................................83
5.6 Quantitative Ergebnisse Anlage B .......................................................................83
5.6.1 Siliciumorganische Verbindungen .................................................................83
5.6.2 Intensivprobenahme ......................................................................................86
5.6.3 Terpene.........................................................................................................86
5.6.4 Aromaten ......................................................................................................88
5.6.5 Furane...........................................................................................................90
5.6.6 Ketone und Alkohole .....................................................................................91
5.6.7 Alkane ...........................................................................................................93
5.6.8 Ester..............................................................................................................94
5.6.9 Schwefelverbindungen ..................................................................................95
5.7 Qualitative Ergebnisse Anlage B .........................................................................97
5.7.1 Ketone...........................................................................................................97
5.7.2 Terpene/Terpenoide ......................................................................................98
5.7.3 Ester..............................................................................................................99
5.8 Ergebnisse Anlage C .........................................................................................100
5.8.1 Siliciumorganische Verbindungen ...............................................................100
5.8.2 Terpene.......................................................................................................101
5.8.3 Aromaten ....................................................................................................102
5.8.4 Furane.........................................................................................................102
5.8.5 Ketone und Alkohole ...................................................................................103
5.8.6 Alkane .........................................................................................................104
5.8.7 Ester............................................................................................................104
5.8.8 Schwefelverbindungen ................................................................................105
5.8.9 Ketone.........................................................................................................106
5.8.10 Terpene/Terpenoide ....................................................................................106
5.8.11 Furane.........................................................................................................107
5.8.12 Kontinuierliche Messungen mittels Online-Massenspektrometer am Standort
C
107
5.9 Vergleich der Spurengaszusammensetzung der Biogasanlagen .......................110
5.10 Empfehlungen für Gasreinigungs- und Sensorsysteme .....................................112
6
Zusammenführung der Betriebsergebnisse aus allen Arbeitspaketen .............113
7
Verwertbarkeit der Ergebnisse .............................................................................113
8
Fortschritt auf dem Gebiet des Vorhabens an anderen Stellen .........................114
III.
Literatur .....................................................................................................................115
IV. Material und Methoden .............................................................................................117
1.
Bestimmung des Brennwertes ................................................................................117
2.
Bestimmung des Wassergehaltes ...........................................................................117
3.
Bestimmung des pH-Wertes ....................................................................................117
4.
Bestimmung der Trockensubstanz und der organischen Trockensubstanz........117
5.
Bestimmung der flüchtigen organischen Säuren (FOS) ........................................118
6.
Bestimmung des Ammonium –Stickstoff-gehaltes ................................................118
7.
Bestimmung von Gesamtstickstoff- und Rohproteingehalt ..................................118
8.
Bestimmung des Rohfettanteils ..............................................................................118
9.
Bestimmung des Rohfaseranteils ...........................................................................118
10. Arbeitsvorschrift zur ADF und ADL-Bestimmung ..................................................118
11. Bestimmung der Neutral-Detergentien-Faser (NDF) ..............................................119
I. Rahmenbedingungen
1 Aufgabenstellung
Das Gesamtprojekt besteht aus einem dreigliedrigen Untersuchungs- und Optimierungsprogramm an Biogasanlagen zur Abfallvergärung, das eine analytische Substratcharakterisierung, eine Online-Messung an bestehenden Anlagen und eine umfassende Biogasanalytik
umfasst. Hierdurch wird für die Vergärung biogener Abfälle eine Datenlage der Prozessparameter geschaffen, die es ermöglicht, das Optimierungspotenzial für den Betrieb dieser Anlagen weitreichend auszuschöpfen und die Biogasqualität entscheidend zu verbessern. Bestehende Vorbehalte gegen das erzeugte Biogas sollen so ausgeräumt werden. Übergeordnetes Ziel dieses Projektes ist es, durch die Optimierung des Vergärungsprozesses und die
Ausweitung der Nutzungsmöglichkeiten des hierbei entstehenden Biogases, den Technologiepfad der biologischen Abfallvergärung insgesamt deutlich zu verbessern und dessen Einsatz bei der Behandlung organischer Reststoffe deutlich auszuweiten. Die Projektergebnisse
können dazu beitragen, die Nutzung von organischen Reststoffen zur Biogaserzeugung weiter zu steigern und durch Effizienzsteigerungen zudem den Anteil der aus den Reststoffen
erzeugten Energie zu erhöhen.
2 Voraussetzungen
Die Projektbearbeitung erfolgte gemeinsam vom Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheitsund Energietechnik (Fraunhofer UMSICHT) und dem Deutschen Biomasseforschungszentrum (DBFZ). Die Arbeitsschwerpunkte (AS) wurden zwischen den Forschungsstellen entsprechend den in den jeweiligen Arbeitsgruppen vorhandenen technischen und wissenschaftlichen Kompetenzen und Ressourcen aufgeteilt:
AS 1
AS 2
AS 3
Substrat- und Flüssigphasencharakterisierung, Erstellung eines Substratkatalogs
(DBFZ)
Prozessbeurteilung und Ableitung von Optimierungsmaßnahmen zur Erhöhung der
Prozessstabilität (DBFZ und Fraunhofer UMSICHT)
Spurengasanalytik, Ableitung von Maßnahmen zur Gasreinigung (Fraunhofer
UMSICHT)
3 Planung und Ablauf des Verfahrens
Die in den einzelnen Arbeitsschwerpunkten generierten Ergebnisse wurden zusammengeführt und fließen in die Entwicklung einer Anleitung zur verbesserten Betriebsführung ein.
Diese beinhaltet sowohl eine Optimierung des Messprogramms und des Beschickungsregimes auf den Anlagen sowie eine Adaption des Prozessbeobachters im Hinblick auf die
Sicherung der Gasqualität auf der Biogasanlage.
AS 1
AS 2
AS 3
Statistisch abgesicherte Datenbasis für Betriebsprognosen
Systemmodellierungen,
Charakterisierung und
Erfassung relevanter
Betriebsspezifisches
Analyse der beteiligten
Spurengase bis in den
Messprogramm
Anlagen.
ppb-Bereich hinein
Substratkatalog für die
Betriebs- und DimensioPflichtenheft für GasreiOptimierung der Futternierungshilfen für Abfallnigungs- und Sensorsysmittelzugabe und höhere
vergärungsanlagen
teme
Prozessstabilität
Zudem werden direkte Betriebsverbesserungen an den am Projekt beteiligten Großanlagen
erwartet. Das im Projekt zusammengetragene Expertenwissen sowie die generierten Daten
stellen eine wertvolle Basis für weitere Forschungs- und Entwicklungsarbeiten dar.
1
4 Stand der Forschung
Bei der Vergärung organischer Abfälle sind ein stabiler und störungsfreier Anlagenbetrieb
sowie das Erreichen hoher Gasausbeuten und Umsatzraten oft nicht in ausreichendem Maße gewährleistet. Starke Gasmengen- und Qualitätsschwankungen erschweren die Biogaserzeugung und die Gasnutzungsmöglichkeiten erheblich.
Die Ursache hierfür ist vor allem in der wenig bekannten und auch zeitlich stark veränderlichen Zusammensetzung der bei der Vergärung eingesetzten Reststoffgemische zu sehen.
Die variierenden Eigenschaften der eingesetzten Substrate führen zu beständigen Schwankungen der Prozessbedingungen und in der Folge zu einer mangelnden Stabilität der biologischen Prozesse mit direkten Auswirkungen auf die Gasausbeute und -qualität. Messungen
erfolgen bislang nur unsystematisch; es werden keine Rückschlüsse von den eingesetzten
Substraten auf die resultierende Gaszusammensetzung gezogen und es gibt keine Langzeitbeobachtungen [Besgen 2004], [Ahrens 2007], [Ebertsch 2004]. Das bei den Anlagenbetreibern lokal vorliegende Wissen und die erfassten Daten werden darüber hinaus nicht in
ausreichendem Maße aufgearbeitet und für die Prozesskontrolle nutzbar gemacht. Aus diesem Grund gelingt die Prozesskontrolle der Biogasanlagen bislang nur unzureichend.
Bestehende Potenziale bei der Abfallvergärung werden hierdurch nicht effizient genutzt.
Darüber hinaus führen ungenügende Kenntnisse über den Verschmutzungsgrad des Gases
zu großen Akzeptanzproblemen bei innovativen Nutzungspfaden wie z. B. der Einspeisung
in das Erdgasnetz. Betriebserfahrungen an landwirtschaftlichen Vergärungsanlagen zeigen
aber, dass durch eine sehr gute Kenntnis der eingesetzten Substrate zuverlässige Prognosen über den biochemischen Prozess möglich sind. Die Zugabe von Substraten mit maßgeschneiderten Zusammensetzungen ermöglicht eine gezielte Beeinflussung des biochemischen Prozesses. Ein fundiertes Wissen über die Eigenschaften von Reststoffen ist also die
Voraussetzung für einen optimalen und störungsarmen Betrieb von Abfallvergärungsanlagen. Im Hinblick auf die großflächige energetische Nutzung von Biomassen wird auch in der
Literatur auf den hier noch bestehenden erheblichen Forschungsbedarf hingewiesen [Hohmann 2008].
Bei steigenden Anteilen der erneuerbaren Energien an der Stromerzeugung in Deutschland
kommt der Biogaserzeugung als eine der wenigen „regelbaren“ Quellen wachsende Bedeutung zu. Hier stellt sich zukünftig die Frage, wie Wechsel zwischen Lastspitzen und Grundlastbetrieb mit hoher Betriebssicherheit vereinbart werden können. Definierte Prozessergebnisse in Bezug auf Menge und Qualität des erzeugten Biogases sind unter den genannten
Bedingungen auf Abfallbehandlungsanlagen nur mit einer effiziente Prozesskontrolle möglich.
5 Zusammenarbeit mit anderen Stellen
Für die Auswahl und Ansprache eventuell in Frage kommender Anlagen wurde dem DBFZ
von Seiten des Bundesumweltministeriums eine umfassende Liste von Bioabfallbehandlungsanlagen bereitgestellt. Zusätzlich haben die Betreiber der drei ausgewählten Anlagen
das Projektteam mit der Bereitstellung der notwendigen Prozessdaten unterstützt.
2
II. Eingehende Darstellung
1 Einführung
Das Gesamtprojekt basiert auf einem dreigliedrigen Untersuchungs- und Optimierungsprogramm an Biogasanlagen zur Abfallvergärung, das eine analytische Substratcharakterisierung, eine Online-Messung an bestehenden Anlagen und eine umfassende Biogasanalytik
umfasst. Hierdurch soll für die Vergärung biogener Abfälle eine Datenlage der Prozessparameter geschaffen werden, die es ermöglicht, das Optimierungspotenzial für den Betrieb dieser Anlagen weitreichend auszuschöpfen und die Biogasqualität entscheidend zu verbessern. Bestehende Vorbehalte gegen das erzeugte Biogas sollen so ausgeräumt werden. Der
in Zukunft zunehmenden Bedeutung der erneuerbaren Energien folgt dieses Vorhaben, indem die Grundlagen für die Erzeugung eines qualitativ hochwertigen Produktes Biogas mit
hoher Bereitstellungssicherheit geschaffen werden.
Übergeordnetes Ziel dieses Programms war es, durch die Optimierung des Vergärungsprozesses und die Ausweitung der Nutzungsmöglichkeiten des hierbei entstehenden Biogases,
den Technologiepfad der biologischen Abfallvergärung insgesamt deutlich zu verbessern
und dessen Einsatz bei der Behandlung organischer Reststoffe auszuweiten.
Alle Arbeiten wurden an großtechnischen Abfallvergärungsanlagen durchgeführt. Für die
Anlagenauswahl wurden bei Projektbeginn Kriterien aufgestellt, die es zum einen ermöglichen sollten, die große Spannbreite unterschiedlicher Verfahren und Einsatzstoffe bei der
Abfallvergärung abzubilden, zum anderen aber auch dazu dienen sollte, Parallelen und Gemeinsamkeiten der Abfallvergärungstechnologie zu erkennen. Folgende Hauptkriterien wurden festgelegt:
•
•
•
•
Es sollten drei bis vier Anlagen in das Projekt eingebunden werden.
Die Substrate aller Anlagen sollten primär aus Bioabfällen und Speiseresten bestehen.
Zwei bis drei der ausgewählten Anlagen sollten über eine relativ konstante Zusammensetzung der Substrate verfügen und kontinuierlich betrieben werden. Eine der Anlagen
sollte über stark variierende Substratzusammenstellungen verfügen bzw. diskontinuierlich betrieben werden.
Nach Möglichkeit sollte eine der Anlagen ein klassisches Trockenfermentationsverfahren
(Garagenfermenter) einsetzen. (keine zwingende Voraussetzung)
Im Verlauf der Auswahl fand ein intensiver Austausch mit dem Projekt „03KB027 – Analyse
von Emissionen klimarelevanter Gase durch Biogasanlagen im Hinblick auf die ökologische
Bewertung der Biogasgewinnung aus Abfällen“ statt, bei dem eine größere Anzahl von Anlagen betrachtet wurde. Von Seiten des Bundesumweltministeriums wurde dem DBFZ für diese Projekt eine umfassende Liste von Bioabfallbehandlungsanlagen bereitgestellt, aus der
nach Vorgabe der wesentlichen Kriterien Anlagen ausgewählt werden konnten. Im Ergebnis
wurden acht Anlagen in die engere Wahl gezogen und mit der Anfrage um eine Projektbeteiligung angesprochen. Aus diesem Pool haben letztendlich drei Anlagen ihre Beteiligung an
dem Projekt zugesagt. Der Auswahlprozess der Biogasanlagen gestaltete sich nicht vollkommen unproblematisch. Hier zeigten sich bereits Besonderheiten des Abfallanlagenmarktes. Insbesondere die Bedenken gegenüber dem Bekanntwerden eigener interner Anlagendaten überwogen hierbei in der Regel die Vorteile, die durch das Projekt sowohl für die beteiligten Anlagen und insbesondere auch für die Branche generiert werden können. Eine der
Grundvoraussetzungen für die Kooperation mit allen drei Anlagen war dementsprechend
auch die Zusage, dass sämtliche Anlagendaten nur anonymisiert veröffentlicht werden dürfen. Im vorliegenden Bericht werden die Anlagen daher nicht benannt, sondern tragen die
Beizeichungen „Anlage A“, „Anlage B“ und „Anlage C“.
1
1.1
Rechtliche und wirtschaftliche Rahmenbedingungen für die Bioabfallvergärung
Bioabfallvergärungsanlagen generieren ihre Erlöse zum einen aus der Vergütung für den
erzeugten elektrischen Strom, zum anderen aus Erlösen für die erzeugte Wärme und Annahmeerlösen für die Bioabfälle, wobei sich hier jedoch kein einheitliches Bild zeigt.
Die energetische Nutzung des Biogases erfolgt überwiegend in Motor-Blockheizkraftwerken
(BHKW) direkt am Anlagenstandort. Die bei der Stromerzeugung anfallende Wärme wird als
Prozesswärme in der Anlage genutzt und bei ca. der Hälfte der Anlagen auch an externe
Wärmeverbraucher abgegeben (Abbildung 1-1). Eine kleine Anzahl von Anlagen bereitet das
Gas auf und speist es in das Erdgasnetz ein. Nutzungspfade für dieses eingespeiste Gas
sind Kraftstoff, KWK und der Wärmemarkt.
Gaseinspeisung
(5 Anlagen)
Nur interne
Wärmenutzung
(48 Anlagen)
Interne und
externe
Wärmenutzung
(43 Anlagen)
Abbildung 1-1: Energienutzung bei Abfallvergärungsanlagen (Datengrundlage Witzenhausen
Institut)
Der elektrische Strom der Abfallvergärungsanlagen wird auf Grundlage des Erneuerbaren
Energien Gesetzes (EEG) vergütet. Während der Projektlaufzeit wurden die Vergütungen
gemäß des EEG der Fassung vom 25. Oktober 2008 (EEG 2009) vergütet. Seit dem 1. Januar 2012 bemisst sich die die Vergütung nach der novellierten Fassung des EEG vom
30. Juni 2011 (EEG 2012) in Tabelle 1-1 sind die während der Projektlaufzeit geltende und
die aktuelle Vergütung dargestellt.
2
Tabelle 1-1: Übersicht der Vergütungen für Bioabfallvergärungsanlagen nach EEG 2009 und
EEG 2012
EEG2009
Inbetriebnahme 2011
Anlagenleistung
bis 150 kW
150 - 500 kW
500 - 5000kW
5MW - 20MW
Mögliche Bonusse
Gaseinspeisebonus
Anlagen bis 350m³/h Biomethan
Technologiebonus
u.a. Nachrotte für feste Gärreste
KWK-Bonus (Voraussetzung:
tech. Bonus und KWK gem.
Positivliste
Emissionsminderungsbonus
EEG2012
Anlagen mit 90% Abfällen aus
getrennter Sammlung1) und
Nachrotte
Grundvergütung (ct/kWh) Grundvergütung2) (ct/kWh)
11,43
14,30
9,00
12,30
8,09
11,00
7,63
6,00
2,00
1,00
0,00
3,00
2,00
1,00
Grundvergütung1) 2) (ct/kWh)
16,00
16,00
14,00
14,00
3,00
2,00
1,00
2,00
3,00
1,00
1) gem Abfallschlüssel:
A 20 02 01
A 20 03 01
A 20 03 02
2) Mindestens 60% KWK (Anrechnung von 25%-Punkten
für Fermenterbeheizung)
Tabelle 1-2 zeigt die hieraus berechneten maximal erzielbaren Vergütungen für Abfallvergärungsanlagen unter gleichen Voraussetzungen (Einsatz von Bioabfällen, Nachrotte und KWK
(35 % externe Wärmeabgabe) am Anlagenstandort.
Tabelle 1-2: Übersicht der unter gleichen Voraussetzungen erzielbaren Vergütungen für Bioabfallvergärungsanlagen nach EEG 2009 und EEG 2012
Anlagenleistung
EEG2009
Inbetriebnahme 2011
Vergütung incl. aller
Bonusse
EEG2012
Vergütung
Anlagen mit 90% Abfällen
aus getrennter Sammlung
1) und Nachrotte
Vergütung (ct/kWh) 1) 2)
15,48
16,00
13,05
16,00
12,14
14,00
11,68
14,00
1) gem Abfallschlüssel:
20 02 01
20 03 01
20 03 02
2) Mindestens 60% KWK (Anrechnung von 25%-Punkten
für Fermenterbeheizung)
Vergütung (ct/kWh)
bis 150 kW
150 - 500 kW
500 - 5000kW
5MW - 20MW
Hinsichtlich der Vergütungshöhen hat es somit mit der EEG Novelle 2012 eine Erhöhung der
Erlöse um ca. 0,5 - 3 ct/kWh gegeben, wobei die Verbesserung insbesondere im wichtigen
Leistungsbereich von 150 - 500 kW mit 2,95 ct/kWh relativ deutlich ausfällt. Verknüpft ist
dieser Erlös jedoch mit der Verpflichtung 60 % der anfallenden Wärme zu nutzen, wobei 25
Prozentpunkte für die Beheizung der Fermenter angerechnet werden können. Im EEG 2009
war die Wärmenutzung noch eine Option, die mit dem Bonus für Kraft-Wärme-Kopplung
(KWK-Bonus) vergütet wurde. Diese Beispielrechnung beschränkt sich jedoch auf Anlagen,
3
die strukturreichen Bioabfall verarbeiten, deren fester Gärrest für eine Nachrotte geeignet ist.
Bioabfallanlagen ohne eine Nachrotte werden weiterhin nur mit der Grundvergütung für Biomasse vergütet, welche jedoch gegenüber dem EEG 2009 ebenfalls angehoben wurde.
Hinsichtlich der Ausgangssituation auf der Erlösseite der Anlagen ist es somit mit den EEG
2012 zu einer Verbesserung gegenüber den Bedingungen während der Projektlaufzeit gekommen. Die Verbesserung der Erlössituation durch die Stromeinspeisung stellt bei Abfallanlagen zwar kein unmittelbares Anreizinstrument für die Durchführung Effizienz steigernder
Maßnahmen bei der Vergärung dar. Grundsätzlich kann aber davon ausgegangen werden,
dass die verbesserte Erlössituation insbesondere für die Nachrüstung bestehender reiner
Kompostierungsanlagen einen Anreiz darstellen kann, da hier bereits die technische Voraussetzungen für die Nachrotte bestehen.
Eine besondere Situation stellt sich für Abfallvergärungsanlagen hinsichtlich der Erlöse für
die Substrate dar. Für Anlagen, die kommunale Abfälle behandeln (siehe Anlage B), dafür
Annahmeerlöse generieren und zum Teil hierdurch auch an Entsorgungsverpflichtungen gebunden sind, ergibt sich eine schwer planbare Substratversorgung, mit zum Teil sehr hohen
Mengabweichungen zwischen die Frühjahrsmonaten mit sehr großen Anteilen Grünschnitt
und den Wintermonaten.
Anlagen, die industrielle und gewerbliche Abfälle annehmen (Anlage A und Anlage B), arbeiten in einem ähnlichen Spannungsfeld. Aufgrund der Konkurrenz am Abfallmarkt haben die
Betreiber dieser Anlagen eine relativ starke Bindung an ihre Substratlieferanten, so dass sie
darauf angewiesen sind, ihren Kunden als zuverlässiger Abnehmer zur Verfügung zu stehen.
Zum anderen können für verschiedene Substrate Annahmeerlöse erzielt werden, die das
„Durchschleusen“ einer großen Abfallmenge durch die Anlage lukrativer machen als die
Stromerlöse, die aus einer weitgehenden Vergärung der Abfälle generiert werden können. In
Abbildung 1-2Fehler! Verweisquelle konnte nicht gefunden werden. ist das Spannungsfeld des Betriebs von Abfallvergärungsanlagen dargestellt.
Abbildung 1-2: Spannungsfeld des Betriebs von Bioabfallvergärungsanlagen
Hierdurch war bei den untersuchten Anlagen das grundlegende Ziel des Anlagebetriebs –
anders als bei der Vergärung von nachwachsenden Rohstoffen – nicht zu jeder Zeit die Erzielung einer maximalen Biogasausbeute aus den Substraten, sondern die Realisierung eines hohen Durchsatzes, bzw. die Verarbeitung aller angedienten Abfälle. Optimierungsstra4
tegien für diese Biogasanlagen müssen daher darauf abzielen, eine maximale Substratausbeute unter diesen Rahmenbedingungen zu erzielen.
2 Beteiligte Biogasanlagen
Im Rahmen des Projektes werden drei verschiedene Biogasanlagen betrachtet, die sich in
ihrem technischen Aufbau und ihrer Prozessführung deutlich voneinander unterscheiden. So
wird gewährleistet, dass die Ergebnisse ein möglichst breites Spektrum abdecken.
2.1
Biogasanlage A
2.1.1 Anlagenbeschreibung
Das eingesetzte Substrat der Anlage A besteht in der Regel aus etwa 45 % Glycerin, 40 %
Fettschlämme aus der Biodieselproduktion und 15 % Rindergülle aus eigener Tierhaltung.
Die Substrate werden von verschiedenen Lieferanten zur Anlage gebracht und dort in einen
unterirdisch angelegten Pufferbehälter gepumpt. Dieser hat ein Volumen von 400 m³. Die
Substrate werden vermischt und in einen 100 m³ fassenden Vorlagebehälter befördert. Eine
Aufbereitung findet nicht statt. Da die Substrate hygienisiert angeliefert werden, ist ein Hygienisierung auf dem Gelände nicht erforderlich. Die Anlage verfügt über drei Fermenter, die
sich in ihrem Alter, Größe und in der technischen Ausführung unterscheiden.
Fermenter 1 hat ein Fassungsvolumen von 640 m³ und wird durch Gaseinpressung durchmischt. Fermenter 2 hat ein Fassungsvolumen von 1800 m³ und wird mittels zwei ölhydraulisch betriebenen Tauchmotorrührwerken durchmischt. Fermenter 3 hat ein Volumen von
3200 m³ und wird mittels eines Zentralrührwerks durchmischt. In jedem Fermenter ist eine
Überfüllsicherung vorhanden.
Die Fermentationstemperatur in allen Fermentern liegt in der Regel im mesophilen Bereich
bei ca. 40 °C, im Winter kann es bei länger anhaltenden tiefen Außentemperaturen in Ausnahmefällen auch zu Temperaturabsenkungen auf ca. 34 °C kommen.
Die Beschickung mit frischem Substrat erfolgt alle vier Stunden bei Fermenter 1 mit etwa
3 t/d, alle zwei Stunden bei Fermenter 2 mit etwa 12 t/d und stündlich bei Fermenter 3 mit
etwa 23 t/d. Die Durchmischung erfolgt automatisch und beginnt bei den Fermentern 2 und 3
ca. eine Minute vor der Beschickung und dauert vier Minuten. Fermenter 1 wird einmal täglich morgens für fünf Minuten durchmischt. Das Ablassen von Substrat erfolgt täglich per
Hand. Hiermit stellt der Betreiber sicher, dass die Anlage einmal am Tag begangen wird.
5
Endverbraucher
Verstromung
BHKW
Gasspeicher
Biogasaufbereitungsanlage
Einspeisung
ins
Erdgasnetz
Endverbraucher
Biogas
Fermenter
Gärrest
Gärrestlager
Landwirtschaft
Substratmischung
Vorgrube
Stall
Externe
Anlieferung
Abbildung 2-1: Fließbild der Anlage A
Das erzeugte Biogas wird zum Teil durch die Verbrennung in zwei Blockheizkraftwerken
(BHKW) verstromt, die mit einem 160 kW Zündstrahlmotor und einem 330 kW Gasmotor
ausgestattet sind. Ein drittes BHKW mit einer Leistung von 1260 kW wurde stillgelegt und
durch eine Gaseinspeisung ersetzt. Im Laufe des Jahres 2010 hat der Anlagenbetreiber begonnen, die Verstromung zurückzufahren und das Biogas aufzubereiten und einzuspeisen.
Im November 2010 konnte das 330 kW BHKW vom Netz genommen werden. Auch das verbleibende BHKW läuft inzwischen nur noch zeitweise mit. Der Gärrest aus den Fermentern
wird in der Landwirtschaft verwertet.
2.1.2 Berechnung der Gasproduktion und -zusammensetzung
Das erzeugte Biogas wird aus den einzelnen Fermentern geleitet und über eine Sammelleitung zusammengeführt. Bevor das Gas in den Gasspeicher und nachfolgend in die Verwertung in das BHKW gelangt, wird ein Teil des Gasstroms in die Biogasaufbereitungsanlage
(BGAA) geleitet. Dies geschieht über eine Pumpe, die sich am Eingang der BGAA befindet
und den benötigten Volumenstrom fördert. Es kann eine maximale Einspeisemenge von
880 m³/h Biogas aufbereitet werden. Am Eingang der Anlage befindet sich eine Messstelle
(M1), welche alle 60 Sekunden den eingehende Gasvolumenstrom, den Kohlenstoffdioxidund den Schwefelwasserstoffgehalt des Biogases und die Außentemperatur misst. Es findet
eine simultane Umrechnung des Volumenstroms von Kubikmeter auf Normkubikmeter statt.
6
M2
Fermenter 1
BHKW
Fermenter 2
Sammelleitung
Gasspeicher
BGAA
Fermenter 3
M1
Abbildung 2-2: Messstellenübersicht der Anlage A
Der Volumenstrom, der an der M1 gemessen wird, entspricht somit nicht der Gesamtmenge
des in den Fermentern erzeugten Gases, da nur ein Teilstrom in die BGAA geleitet wird. Um
die tatsächliche Gasproduktion zu erfassen, muss der Anteil des Gasvolumenstroms addiert
werden, der zur Verstromung in die BHKW gelangt. Dieser Anteil wird über die eingespeiste
Strommenge berechnet, die in Messstelle 2 (M2) erfasst wird.
Die Gaszusammensetzung, die an M1 gemessen wird, ist dennoch repräsentativ und kann
auf die gesamte Gasproduktion angewandt werden. Bevor die Berechnung der gesamten
Gasproduktion durchgeführt wird, soll eine Betrachtung der Messdaten von M1 erfolgen.
Auswertung Messstelle 1
In dem folgenden Diagramm (Abbildung 2-3) sind die gewonnen Messdaten aufgetragen und
geben eine Übersicht über die Gasproduktion und -zusammensetzung von September bis
November 2010. Dabei wurden die alle 60 Sekunden erfassten Daten über den Tag gemittelt. Der Methangehalt wurde berechnet, indem der Kohlenstoffdioxid- und der Schwefelwasserstoffgehalt von der Gesamtmenge an erzeugtem Biogas abgezogen wurde. Die Abbildung
ist unter der Prämisse zu betrachten, dass die Pumpe einen definierten Volumenstrom fördert. Wird über die Sammelleitung nicht ausreichend Gas zur Verfügung gestellt, kann es
prinzipiell auch dazu kommen, dass die Pumpe Biogas aus dem Gasspeicher abzieht. Das
würde zu verfälschten Ergebnissen führen.
7
900
100,00
Gasproduktion
800
Methangehalt
85,00
600
80,00
500
75,00
400
70,00
300
65,00
200
Methangehalt in %
90,00
700
Gasproduktion in Nm³/h
95,00
60,00
55,00
0
50,00
01
.0
9.
20
10
08
.0
9.
20
10
15
.0
9.
20
10
22
.0
9.
20
10
29
.0
9.
20
10
06
.1
0.
20
10
13
.1
0.
20
10
20
.1
0.
20
10
27
.1
0.
20
10
03
.1
1.
20
10
10
.1
1.
20
10
17
.1
1.
20
10
24
.1
1.
20
10
100
Datum
Abbildung 2-3: Gasproduktion und -zusammensetzung der Anlage A
Die Gasproduktion bewegte sich im Betrachtungszeitraum bis auf drei Ausnahmen in einem
Bereich zwischen 330 und 790 Nm³/h. Die erste Ausnahme fällt in den Zeitraum vom
13.09.2010 bis zum 16.09.2010. Hier fiel die Biogasproduktion bis zum Nullpunkt ab. Innerhalb dieses Zeitraums wurde eine größere Gaskühlung auf der Anlage installiert, so dass die
Substratzufuhr für einige Tage erheblich gedrosselt wurde. Die Beschickungsmenge fiel auf
ein Drittel der Normalzufuhr. Das Erliegen der Biogasproduktion ist nicht aus der verringerten
Beschickungsmenge erklärbar. Vielmehr kann angenommen werden, dass die Aufbereitungsanlage und damit auch die Messeinrichtung in diesem Zeitraum ausfiel. Dafür spricht
auch, dass die Inbetriebnahme der Aufbereitungsanlage im April 2010 erfolgte und es im
Rahmen der Eingliederung in die Anlage noch gelegentlich zum Auftreten von technischen
Problemen kam. In deren Folge schalten sich die Anlage und die Messeinrichtung von selbst
ab. Dies geschieht auch, wenn die Gasqualität für die Aufbereitung zu niedrig ist.
Die zweite Ausnahme ist ein Abfallen der Gasproduktion zwischen dem 02.11.2010 und dem
04.11.2010 bis auf einem Wert von unter 300 Nm³/h. Zu diesem Zeitpunkt traten Heizungsprobleme an der BGAA auf, an der sich auch die Messstelle für die im Diagramm dargestellten Daten befindet. Da die Messstelle mit einer Temperaturmessung ausgestattet ist und die
Umrechnung von Betriebskubikmeter zu Normkubikmeter automatisch erfolgt, kann davon
ausgegangen werden, dass die niedrigere Ausdehnung des Gases keine Ursache hierfür
darstellt. Da auch die Beschickungsmenge nur geringfügig eingeschränkt wurde, ist hier
nicht auf eine verringerte Biogasproduktion zu schließen. Eine höhere Wahrscheinlichkeit
besteht in der Annahme einer verringerten Qualität der verarbeiteten Substrate. Nach Aussagen des Anlagenbetreibers wird insbesondere das Glycerin in unterschiedlichen Qualitäten
angeliefert. Somit kann es bei gleicher Beschickungsmenge zu einer niedrigeren Gasproduktion kommen.
Auch der Schwefelgehalt im Glycerin unterliegt Schwankungen. Wird eine Charge mit hohem
Schwefelgehalt angeliefert, so steigt bei der Vergärung auch der Schwefelwasserstoffgehalt
des Biogases. Damit sinkt die Qualität des Gases und bei der weiteren Aufbereitung kann es
8
zu technischen Problemen an der BGAA kommen. Bei schlechter Gasqualität schaltet sich
die Aufbereitungsanlagen automatisch ab.
Die dritte Ausnahme weist ein geringes Ausmaß auf. Hier handelt es sich um einen Abfall
der Gasproduktion für zwei Tage bis auf knapp unter 420 Nm³/h. Auch in diesem Fall kann
eine niedrige Qualität der angelieferten Substrate als Ursache angenommen werden. Der
Methangehalt im Biogas variiert im Betrachtungszeitraum zwischen 60 und 68 Vol.-%, wobei
der Mittelwert 64 Vol.-% beträgt. Eine Schwankungsbreite von 8 % ist sehr hoch. Als Ursache wird die unterschiedliche Substratqualität angenommen.
Als weitere Gaskomponente wird der Schwefelwasserstoffgehalt im Biogas gemessen. Der
Verlauf über den Beobachtungszeitraum wird in Abbildung 2-4 dargestellt.
200
Gasproduktion
Schwefelwasserstoffgehalt
800
180
160
700
140
600
120
500
100
400
80
300
60
200
40
100
20
0
01
.
09
.2
01
08
0
.0
9.
20
10
15
.0
9.
20
10
22
.0
9.
20
10
29
.0
9.
20
10
06
.1
0.
20
10
13
.1
0.
20
10
20
.1
0.
20
10
27
.1
0.
20
10
03
.1
1.
20
10
10
.1
1.
20
10
17
.1
1.
20
10
24
.1
1.
20
10
0
Schwefelwassergehalt in ppm
900
Datum
Abbildung 2-4: Schwefelwasserstoffgehalte im Biogas der Anlage A
Der Schwefelwasserstoffgehalt ist während des Betrachtungszeitraumes deutlichen
Schwankungen unterworfen. In der Zeit vom 01.09.2010 bis zum 10.10.2010 ist ein regelmäßiges Ansteigen bis etwa 180 ppm und ein nachfolgendes Abfallen bis auf ca. 60 ppm
des Schwefelwasserstoffgehalts im Biogas zu beobachten. In diesen drei Wochen wurde drei
Mal der Höchstwert von rund 180 ppm Schwefel im erzeugten Gas erreicht.
Zwischen dem 10.10.2010 und dem 10.11.2010 sind die Schwefelwasserstoffkonzentrationen ungewöhnlich niedrig und bleiben konstant in einem Bereich unter 60 ppm. Nach dem
10.11.2010 ist ein erneuter Anstieg zu verzeichnen, der wie in den vorherigen Monaten bis
auf einen Wert von rund 180 ppm steigt. Danach erfolgt ein Abfall der Werte bis unter
80 ppm. Der regelmäßige Verlauf der Schwankungen im Zeitraum vom 01.09.2010 bis zum
10.10.2010 ergibt sich aus dem Zusammenspiel der Substratzusammensetzung und der
Dosierung vom Eisenschlamm. Besonders Glycerin, welches mit einem Anteil von 45 % der
Gesamtsubstratmischung den Hauptteil ausmacht, verfügt über einen hohen Schwefelgehalt.
Dem Prüfbericht der Landwirtschaftskammer Nordrhein-Westfalen (LUFA) zufolge liegt die
Konzentration bei 2200 mg/kg TS.
9
Um den Schwefelwasserstoffgehalt in den Fermentern zu regulieren, wird alle drei Wochen
Eisenschlamm zu dem Substrat zugegeben. Der Bestandteil Eisenhydroxid aus dem Eisenschlamm fällt zusammen mit dem gelösten Schwefel im Fermenter zu Eisensulfid aus. Nach
der Zugabe sinkt der Schwefelwasserstoffgehalt im Biogas ca. eineinhalb Wochen lang bis
auf einen Wert von 60 ppm ab. Sobald das gesamte Eisenhydroxid verbraucht ist, steigt der
Schwefelwasserstoffgehalt im Biogas wieder an.
Die regelmäßigen Schwankungen bleiben zwischen dem 10.10.2010 und dem 10.11.2010
aus. Der Schwefelwasserstoffgehalt im Biogas blieb niedrig, obwohl die Beschickungsmenge
konstant blieb, keine Betriebsstörungen vorlagen sowie weiterhin eine regelmäßige Eisenschlammzugabe erfolgte. Daher wird auf eine veränderte Substratqualität geschlossen. Unter dieser Annahme sind zwei Möglichkeiten denkbar. Einerseits könnte Glycerin mit einem
sehr niedrigen Schwefelgehalt angeliefert worden sein, so dass es bei gleichbleibender Abbaurate zu erheblich niedrigen Schwefelgehalten im Fermenter kommt. Eine andere Ursache
könnte ein erhöhter Gehalt an Eisenhydroxid im Eisenschlamm sein, so dass vermehrt
Schwefel aus der Gärmischung ausgefällt wird.
Berechnung der Biogasproduktion aus den Einspeisedaten
Da es durch die Messausfälle nicht möglich ist die Ergebnisse der M1 zur Berechnung der
Gasproduktion heranzuziehen, wird diese aus den Abrechnungen der Stadtwerke A über die
Biogaseinspeisung berechnet. Die Durchflussmessung an der BGAA erfolgt über zwei Zähler. Der erste Zähler misst die eingespeiste Menge Biogas im Normalbetrieb. Der zweite Zähler springt bei Anlagenstörungen an und misst die Menge Biogas, welche im Zeitraum der
Störung durch die Anlage geht. Da auch diese Menge aufbereitet und eingespeist wird, müssen die Werte aus beiden Zählern zusammengefasst werden.
Tabelle 2-1 enthält in den ersten beiden Spalten die Werte der jeweiligen Zähler, in der dritten Spalte werden die Werte summiert. Da die Zählung kumulativ dokumentiert wurde, muss
von jedem Wert der Vormonatswert abgezogen werden, um den absoluten Monatswert zu
erhalten. Dieser Wert ist in der letzten Spalte aufgeführt. Im Zeitraum von September bis
November wurde eine Gasmenge von 708.852 Nm³ in der BGAA aufbereitet.
Tabelle 2-1: Aufbereitete Gasmenge der Anlage A
Stand
Normkubikmeter
Störmenge
[Nm³]
[Nm³]
01.09.2010
658.426
4.426
01.10.2010
850.636
19.840
02.11.2010
1.131.865
20.669
01.12.2010
1.350.938
20.766
Summe
[Nm³]
662.852
870.476
1.152.534
1.371.704
Monatswert
[Nm³]
207.624
282.058
219.170
Auswertung Messstelle 2
Die an der M2 erfassten Daten sind Messungen der Strommenge, die in das Netz von E.ON
eingespeist wurde. Vor der Einspeisung wird der Teil abgezweigt, der für die Eigenversorgung der Biogasanlage und des Hofes benötigt wird. Für die Berechnung der Gasproduktion
müssen diese beiden Werte zusammengezählt werden.
Tabelle 2-2: Stromeinspeisung der BHKW der Anlage A
Stromeinspeisung
Eigenversorgung
[kWh]
[kWh]
September 2010
80.800
14.000
Oktober 2010
92.800
8.000
November 2010
43.200
10.000
Summe
[kWh]
94.800
100.800
53.200
10
Als nächster Zwischenschritt zur Bestimmung der Gasmenge folgt die Berechnung des
Heizwertes des Biogases. Dazu werden Angaben über den Methangehalt im Biogases benötigt sowie der Heizwert von Methan. Der monatlich durchschnittliche Methangehalt des produzierten Biogases wird aus den erfassten Messdaten von M1 gemittelt, wobei Methanwerte
höher als 75 Vol.-% als Messfehler eingeschätzt und aus der Rechnung entfernt wurden. Die
Werte sind in Tabelle 2-1 dargestellt.
Für die Berechnung der Stromeinspeisung wird für September und Oktober ein Gesamtwirkungsgrad von 34,5 % zugrunde gelegt. Im November wurde das BHKW mit 330 kW elektrischer Leistung vom Netz genommen. Das 1260 kW BHKW lief weiterhin bis zum Monatsende. Daher wird für diesen Zeitraum ein elektrischer Wirkungsgrad von 35,8 % angenommen.
Die Ergebnisse der Berechnung sind in Tabelle 2-3 dargestellt.
Tabelle 2-3: Stromeinspeisung Anlage A
Summe
September 2010
Oktober 2010
November 2010
[kWh]
94.800
100.800
53.200
Heizwert Biogas
[kWh/mN³]
7,16
7,10
7,02
Wirkungsgrad
BHKW
[-]
0,345
0,345
0,358
VN
[mN³]
38.355
41.127
21.169
In Tabelle 2-4 werden die einzelnen Ergebnisse zur gesamten Gasproduktion zusammengefasst.
Tabelle 2-4: Gesamte Gasproduktion der Anlage A
VN an M1
[mN³]
September 2010
341.560
Oktober 2010
474.393
November 2010
314.409
VN an M2
[mN³]
38.355
41.127
21.169
VN,gesamt
[mN³]
379.914
515.520
335.578
2.1.3 Raumbelastung
Aus der Annahmedokumentation und den Substratkennwerten wird im Folgenden die Raumbelastung der Anlage A berechnet. Im Zeitraum September bis November 2010 wurden folgende Substrate zur Anlage A angeliefert.
Tabelle 2-5: Verarbeitete Substrate der Anlage A im Zeitraum Sept. - Nov. 2010
Mayonnaise- EisenGlycerin
Fettschlamm schlamm
schlamm
Gülle
[t]
[t]
[t]
[t]
[t]
Sept. 2010
402
618
85
40
225
Okt. 2010
555
633
77
41
225
Nov. 2010
524
531
83
31
225
Gesamt
[t]
1.370
1532
1.394
Zur Berechnung der Raumbelastung muss die in die Fermenter eingetragene oTS-Menge
bekannt sein. Deren Bestimmung erfolgt über die Charakterisierung der Inputmaterialien anhand von Analysenergebnissen der LUFA, des DBFZ und Literaturwerten. Für die Substrateigenschaften von Rindergülle wurden Literaturwerte des Kuratoriums für Technik und
Bauwesen in der Landwirtschaft (KTBL) [KTBL 2005] hinzugezogen.
11
Tabelle 2-6: Analysenergebnisse und Literaturwerte zur Substratcharakterisierung
Substrat
TS
oTS
Quelle
[%]
[%TS]
Fettschlamm
11,4
LUFA
Glycerin
88,1
99,0
LUFA
Mayonnaiseschlamm
30,8
94,55
DBFZ
Glycerin
(fehlt)
(fehlt)
DBFZ
Fettschlamm
8,92
68,6
DBFZ
Eisenschlamm
5,17
15,02
DBFZ
Rindergülle
9,7
81
KTBL
Mit den Werten aus Tabelle 2-5 und Tabelle 2-6 kann nun die organische Trockenmasse des
Substrates berechnet werden.
Tabelle 2-7: Berechnung des monatlichen Eintrags an oTS
FettMayonnaiseEisenGlycerin
schlamm
schlamm
schlamm
[kg oTS/d] [kg oTS/d]
[kg oTS/d]
[kg oTS/d]
Sept. 2010
11.673
1.260
826
10
Okt. 2010
15.622
1.249
724
10
Nov. 2010
15.237
1.083
807
8
Gülle
Gesamt
[kg oTS/ d]
590
571
590
[kg oTS/ d]
14.360
18.176
17.724
Aus den Fütterungsaufzeichnungen der Fermenter geht die tägliche Beschickungsmenge pro
Fermenter hervor. Aus diesen Werten wird pro Fermenter und pro Monat ein Mittelwert gebildet. In einem weiteren Schritt wurde der relative Anteil pro Fermenter zum Gesamteintrag
berechnet. Darauf folgt die Ermittlung des täglichen oTS-Eintrags pro Fermenter mit den
Werten aus Tabelle 2-7. In einem letzten Schritt wird dieser Wert auf das Nutzvolumen des
Fermenters bezogen. Nach den Angaben des Anlagenbetreibers hat der Fermenter 1 einen
Füllstand von 550 m³ wobei täglich 30 m³ abgelassen werden. Die Fermenter 2 und 3 sind im
kompletten Nutzvolumen gefüllt. Es wird täglich ein Volumen von 50 m³ abgelassen, welches
sich in einem Zeitraum von 24 Stunden wieder auffüllt.
Tabelle 2-8: Berechnung der Raumbelastung der Anlage A
Einheit
Fermenter 1
Fermenter 2
September 2010 [t/d]
2,90
13,00
[%]
7,09
31,78
[kg oTS/d]
1.018
4.564
[kg oTS /d*m³]
1,85
2,54
Fermenter 3
25,00
61,12
8.777
2,74
gesamt
40,90
100,00
14.360
Oktober 2010
[t/d]
[%]
[kg oTS/d]
[kg oTS /d*m³]
3
6,09
1.106
2,01
14,8
30,02
5.457
3,03
31,5
63,89
11.614
3,63
49,30
100,00
18.176
November 2010
[t/d]
[%]
[kg oTS/d]
[kg oTS /d*m³]
2,90
6,71
1.151
2,09
13,8
31,94
5.479
3,04
26,5
61,34
10.522
3,29
43,20
100,00
17.153
Die Raumbelastung der Fermenter liegt bei durchschnittlich 2 kg oTS/d*m³ für Fermenter 1,
bei 2,9 kg oTS/d*m³ für Fermenter 2 und bei 3,2 kg oTS/d*m³ für Fermenter 3. Es ist zu er12
kennen, dass mit steigendem Nutzvolumen des Reaktorraums höhere Raumbelastungen
gefahren werden. Dies ist möglich, da die Fermenter mit steigendem Nutzvolumen öfter beschickt und auch häufiger durchmischt werden.
Die durchschnittliche Raumbelastung der Fermenter liegt innerhalb der üblichen Richtwerte
für Rührkesselfermenter (2 - 4 kg oTS/d*m³). Lediglich Fermenter 1, der durch Gaseinpressung durchmischt und nur einmal täglich gefüttert wird, weist im September 2010 mit
1,85 kg oTS/d*m³ eine geringere Raumbelastung auf.
2.1.4 Hydraulische Verweilzeit
Für die Berechnung der hydraulischen Verweilzeit wird pro Fermenter die tägliche Substratzufuhr über den Monat gemittelt. Anschließend wird das Nutzraumvolumen durch diesen
Wert dividiert. Die resultierenden hydraulischen Verweilzeiten sind in Tabelle 2-9 aufgeführt.
Tabelle 2-9: Hydraulische Verweilzeit der Fermenter der Anlage A
Fermenter 1
Fermenter 2
VS
Τ
VS
Τ
[m³/d]
[d]
[m³/d]
[d]
September 2010
2,9
190
13,0
138
Oktober 2010
3,0
183
14,8
122
November 2010
2,9
190
13,8
130
Fermenter 3
VS
Τ
[m³/d]
[d]
25,0
128
31,5
102
26,5
121
Im Fermenter 1 liegt die durchschnittliche Verweilzeit bei 188 Tagen bei einer mittleren Substratzufuhr von 3 m³/d, bei Fermenter 2 bei 130 Tagen bei einem Eintrag von 14 m³/d und bei
Fermenter 3 bei 117 Tagen bei 28 m³/d. Über den angegebenen Zeitraum bleiben sowohl die
Fütterungsmengen als auch die Verweilzeiten konstant. Kleinere Schwankungen haben keinen Einfluss auf die Prozessstabilität. Die reale Verweilzeit in den Fermentern 2 und 3 ist um
das drei- bis vierfache höher als die in der Literatur angegebenen Werte.
2.1.5
Biogasausbeute
Theoretische Biogasausbeute
Zur Berechnung der theoretischen Biogasausbeute werden die Literaturwerte aus dem KTBL
verwendet. Ausgehend von Tabelle 2-7 werden die Fraktionen Fettschlamm und Mayonnaiseschlamm zu der Fraktion Fettschlamm zusammengefasst. Die Fraktion Eisenschlamm wird
in der folgenden Rechnung aufgrund ihres geringen Anteils vernachlässigt. Der Massenanteil
an oTS der einzelnen Fraktionen wird von [t] auf [kg] umgerechnet und in Tabelle 2-10 übertragen.
13
Tabelle 2-10: Berechnung der theoretischen Biogasausbeute der Anlage A
Einheit
Glycerin
Fettschlamm
Gülle
September 2010
[kg oTS/d]
11.673
2.086
590
[kg oTS]
350.202
62.590
17.686
[l]
297.671.469
62.589.906
4.669.132
[l/ kg oTS]
Gesamt
14.349
430.478
364.930.508
848
Oktober 2010
[kg oTS/d]
[kg oTS]
[l]
[l/ kg oTS]
15.622
484.275
411.633.559
1.973
61.178
61.178.062
571
17.686
4.669.132
18.166
563.139
477.480.754
848
November 2010
[kg oTS/d]
[kg oTS]
[l]
[l/ kg oTS]
15.237
457.106
388.540.149
1.890
56.701
56.700.977
590
17.686
4.669.132
17.716
531.493
449.910.258
847
Die Ergebnisse stimmen aufgrund der gleich bleibenden Substratzusammensetzung weitgehend überein. Sie geben einen Mittelwert an, um den die tatsächliche Biogasausbeute
schwanken kann.
Reale Biogasausbeute
Zur Berechnung der Biogasausbeute werden die Zwischenergebnisse aus vorherigen Berechnungen verwendet. In Tabelle 2-8 findet sich der durchschnittliche Eintrag an organischer Trockensubstanz pro Tag in die Anlage. Dieser kann durch Multiplikation mit der Anzahl der jeweiligen Kalendertage auf einen Monatswert hochgerechnet werden. Des Weiteren wird aus Tabelle 2-4 die Spalte mit der gesamten Gasproduktion entnommen. Dividiert
man den monatlichen oTS-Eintrag durch die erzielte Gasproduktion so erhält man die Biogasausbeute.
Tabelle 2-11: Berechnung der realen Biogasausbeute der Anlage A
moTS
moTS
VN
Y
[kg oTS/ d]
[kg oTS]
[mN³]
[m³/kg oTS]
September 2010
14.360
430.800
379.914
0,88
Oktober 2010
18.176
563.456
515.520
0,91
November 2010
17.153
514.590
335.578
0,65
Y
[l/kg oTS]
882
915
652
Vergleich der theoretischen und realen Biogasausbeute
Beim Vergleich der realen und der theoretischen Biogasausbeute ist kein eindeutiger Trend
festzustellen. Aus Tabelle 2-12 geht hervor, dass im September und Oktober 2010 die Werte
des KTBL übertroffen wurden. Im September konnte eine Biogasausbeute erreicht werden,
die um 4 % höher lag als die theoretisch berechnete, im Oktober betrug die Differenz sogar
8 %. Das lässt auf eine sehr gute Substratausnutzung schließen. Im November dagegen lag
die reale Biogasausbeute nur bei 652 l/kg oTS, was eine Differenz von -23 % zur theoretisch
berechneten Biogasausbeute ausmacht.
14
Tabelle 2-12: Vergleich der theoretischen und realen Biogasausbeute der Anlage A
September 2010
Oktober 2010
November 2010
Ytheoretisch
Yreal
[l/kg oTS]
[l/kg oTS]
848
848
847
882
915
652
2.1.6 Biogasproduktivität
Bei der Anlage A wird die Gasproduktion nicht für die einzelnen Fermenter gemessen. Daher
kann die Gasproduktivität nur anlagenspezifisch bestimmt werden. Aus Tabelle 2-4 werden
die Daten über die gesamte Gasproduktion entnommen und durch die Anzahl der Kalendertage des jeweiligen Monats geteilt. Das Bruttoreaktorvolumen beläuft sich mit 550 m³ für
Fermenter 1, 1800 m³ für Fermenter 2 und 3200 m³ für Fermenter 3 auf insgesamt 5500 m³.
Tabelle 2-13: Berechnung der Biogasproduktivität der Anlage A
VG
VG
[mG³/Monat]
[mG³/d]
September 2010
379.914
12.664
Oktober 2010
515.520
16.630
November 2010
335.578
11.186
PG
[mG³/ mR³*d]
2,30
3,02
2,03
2.1.7 Abbaugrad
Zur Berechnung des Abbaugrads werden die TS- und oTS-Gehalte der Substratmischung
und des Gärrests benötigt. Die Ermittlung der Kennwerte des Anlageninputs erfolgt unter
Verwendung der Daten aus Tabelle 2-5 und Tabelle 2-6. Es wird erst der absolute TS- und
oTS-Gehalt der Substratmischung berechnet und in einem weiterem Rechenschritt der relative Anteil dieser Fraktionen.
Tabelle 2-14: TS- und oTS-Gehalte der Substratmischung der Anlage A
FS
TS
oTS
TS
[t/Monat]
[t/Monat]
[t/Monat]
[%]
September 2010
1.370
459
431
33,51
Oktober 2010
1.532
593
563
38,74
November 2010
1.394
558
532
40,03
oTS
[%TS]
93,86
94,96
95,27
Die Gärreste der Biogasanlage A werden einer regelmäßigen Analyse durch die LUFA unterzogen. In Tabelle 2-15 finden sich die Ergebnisse der Gärproduktanalysen für das Jahr
2010.
Tabelle 2-15: Ergebnisse der Gärrestanalysen der LUFA
TS
[%]
September 2010
8,3
Dezember 2010
8,7
oTS
[%TS]
57,5
60,6
Für den Monat November wurden Analysenergebnisse des DBFZ herangezogen.
15
Tabelle 2-16: Ergebnisse der Gärrestanalysen des DBFZ
Probennahmedatum
TS
[%]
23.11.2010
8,52
30.11.2010
8,45
Mittelwert
8,48
oTS
[%TS]
58,8
58,6
58,7
Die in Tabelle 2-5 und Tabelle 2-6 dargestellten Analyseergebnisse weichen nur geringfügig
voneinander ab. Da es von beiden Laboren keine Ergebnisse zu den Gärresteigenschaften
aus dem Monat Oktober gibt, wird dieser in Tabelle 2-17 approximiert. Aus dem Wert der
LUFA für den Monat September und dem Wert des DBFZ wird für den Monat November ein
Mittelwert gebildet. Dieser wird dem Monat Oktober zugewiesen.
Tabelle 2-17: Gemittelte Gärrestkennwerte
Monat
September 2010
November 2010
Mittelwert
TS
[%]
8,3
8,48
8,39
oTS
[%TS]
57,5
58,7
58,1
Im Folgenden wird der monatliche Abbaugrad für den Betrachtungszeitraum berechnet.
Tabelle 2-18: Abbaugrad in der Anlage A
TS-Gehalt TS-Gehalt
AnlagenAnlageninput
output
[%]
[%]
September 2010
33,51
8,3
Oktober 2010
38,74
8,4
November 2010
40,03
8,5
ηTS
[%]
75,2
78,3
78,8
oTS-Gehalt
Anlageninput
[%TS]
93,86
94,96
95,27
oTS-Gehalt
Anlagenoutput
[%TS]
57,5
58,1
58,7
ηoTS
[%TS]
84,8
86,7
86,9
2.1.8 Auslastungsgrad
Der Gesamtauslastungsgrad der Anlage A setzt sich aus der Auslastung der BHKW und der
BGAA zusammen. Im Betrachtungszeitraum wird die Anlage von der Verstromung mittels
BHKW auf Methaneinspeisung umgestellt. Die BGAA befindet sich in der Anlaufphase und
kann daher ihren vollen Auslastungsgrad noch nicht ausschöpfen. Im gleichen Zuge werden
die BHKW außer Betrieb genommen und laufen nur zeitweise mit.
Die BGAA kann eine Menge von 880 Nm³ Biogas pro Stunde aufbereiten. Aus diesem Wert
lässt sich ein theoretischer Monatswert berechnen. Die real eingespeiste Menge an Biogas
wird den Abrechnungen der Stadtwerke A entnommen. Aus diesen beiden Werten kann der
monatliche Auslastungsgrad berechnet werden.
Tabelle 2-19: Auslastungsgrad der BGAA der Anlage A
VG,theoretisch
VG,real
[Nm³/Monat]
[Nm³/Monat]
September 2010
633.600
207.624
Oktober 2010
654.720
282.058
November 2010
633.600
219.170
Auslastungsgrad
[%]
33
43
35
16
Die BHKW werden der Reihe nach vom Netz genommen und laufen nur noch mit, wenn der
Wärmebedarf der Fermenter nicht gedeckt werden kann. Ein BHKW mit der Leistung von
1260 kW wurde inzwischen vollständig außer Betrieb genommen. Das BHKW mit einer Leistung von 160 kW läuft im Betrachtungszeitraum durchgängig mit, das 330 kW BHKW kommt
zeitweise ergänzend dazu, wenn eine Störung in der BGAA vorliegt und zusätzlich Biogas
verstromt werden muss. Es wurde nach Angaben des Anlagenbetreibers Mitte November
2010 außer Betrieb genommen.
Tabelle 2-20: Auslastungsgrad der BHKW der Anlage A
Mögliche
Mögliche
Verstromung Verstromung
gesamt
(160 kW)
(330 kW)
[kWh]
[kWh]
[kWh]
September
2010
105.205
216.986
322.192
Oktober 2010
108.712
224.219
332.932
November
108.493
213.699
2010
105.205
Reale
Verstromung
Auslastungsgrad
[kWh]
[%]
80.800
92.800
25
28
43.200
20
Mit den Ergebnissen aus Tabelle 2-19 und Tabelle 2-20 kann der Auslastungsgrad der Anlage berechnet werden. Im Betrachtungszeitraum liegt die Anlagenauslastung der Anlage A
zwischen 55 und 71 %.
Tabelle 2-21: Gesamtauslastung der Anlage A
Auslastungsgrad
BGAA
[%]
September 2010
33
Oktober 2010
43
November 2010
35
2.2
Auslastungsgrad
BHKW
[%]
Gesamtauslastung
[%]
25
28
20
58
71
55
Biogasanlage B
2.2.1 Anlagenbeschreibung
Die Anlage B wurde mit dem Ziel gebaut, den gesamten, im Entsorgungsgebiet anfallenden,
getrennt erfassten Bioabfall (Biotonne) zu verarbeiten. Das Entsorgungsgebiet umfasst eine
Fläche von 1.414 km² und etwa 190.000 Einwohnern, von denen ca. 75 % über eine Biotonne verfügen. Die Anlage B war ursprünglich eine reine Kompostierungsanlage mit einer Verarbeitungskapazität von 12.000 t/a. Das Material wurde mit Hilfe von fünf EnvitalRottetrommeln einer 4-tägigen Intensivrotte unterzogen. Das vorgerottete Material durchlief
dann eine Aufbereitungsstrecke, in der unter anderem mit händischer Sortierung Störstoffe
(Folien, Steine usw.) ausgelesen wurden. Anschließend wurde das Material noch etwa vier
Wochen auf Tafelmieten der Nachrotte unterzogen, bis sich der gewünschte Rottegrad eingestellt hatte. Aufgrund erheblicher Geruchsemissionen kam es vermehrt zu Beschwerden
aus der umliegenden Bevölkerung. Zur Vermeidung künftiger Geruchsemissionen wurde
eine Vergärungsanlage integriert. Die erste Vergärungseinheit wurde 2004 mit einer Kapazität von 15.000 t/a in Betrieb genommen. Im Jahr 2007 folgte eine zweite Vergärungseinheit,
mit der die Kapazität auf 30.000 t/a stieg. Das Input-Material setzt sich aus Bioabfall (87 %),
Grün- und Astschnitt (10 %) und Spelzen (3 %) zusammen.
Der Aufbereitungsprozess, der der Vergärungsanlage vorgeschaltet ist, verläuft wie folgt. Die
Materialaufgabe erfolgt über einen Kastenbeschicker, welcher mittels eines Kettengurtförde17
rers das aufgegebene Material gegen zwei Dekompaktierwalzen fördert. Dadurch wird eine
homogene, kontinuierliche Beschickung der Bandanlage ermöglicht. Das Material läuft anschließend über die Bandanlage zu einem Sternsieb. Dieses trennt das Material in zwei
Fraktionen, eine Feinfraktion (< 50 mm) und eine Grobfraktion (> 50 mm). Die Feinfraktion
wird über ein Feinkornband direkt zur Vorhaltung in die Grüngutspeicher eingetragen. Die
Grobfraktion durchläuft weitere Aufbereitungsstufen (Magnetabscheider, Windsichter, händische Sortierung), bevor sie anschließend mittels einer Schneidscheibenmühle zerkleinert
wird. Danach erfolgt der Eintrag in die Grüngutspeicher. Die zwei Grüngutspeicher haben
eine Größe von jeweils 110 m³ und dienen der Vorhaltung des Materials, vorwiegend über
das Wochenende.
Kompost
Nachrotte
Endverbraucher
Aerobisierung
Verstromung
Entwässerung
BHKW
Biogas
Fermenter
Gärrest
Presswasser
Vorwärmung
Konditionierung
(Anmaischen)
Grüngutspeicher
Aufbereitung
Externe
Anlieferung
Abbildung 2-5: Fließbild der Anlage B
Bevor das Material den Fermentern zugeführt wird, wird es mittels eines Dosierers der Fa.
Vertic AG mit Prozess- und Frischwasser auf einen Trockensubstanzgehalt von ca. 29 %
angemaischt. Der Materialeintrag in die Fermenter erfolgt über zwei Substratwärmetauscher
pro Fermenter, in denen das Material mittels Abwärme der BHKWs auf eine Temperatur von
ca. 52 °C vorgeheizt wird. Diese Temperatur ist nötig, da die Mikroorganismen im Fermenter
im thermophilen Bereich arbeiten.
18
Das Kompogas-Verfahren ist ein Pfropfenstromverfahren, d. h. das Material wird kontinuierlich eingetragen und ohne horizontale Vermischung nach einer hydraulischen Verweilzeit von
etwa 14 Tagen wieder ausgetragen. Im Fermenter findet lediglich eine vertikale Durchmischung statt, welche die Aufgabe hat, das entstehende Biogas an die Oberfläche zu fördern.
In der Anlage sind zwei Blockheizkraftwerke der Fa. Jenbacher installiert. Diese verfügen
über eine elektrische Leistung von 330 kW und 526 kW. Insgesamt speist die Anlage etwa
6 Mio. kWh/a Strom in das öffentliche Netz ein. Das ist ausreichend, um etwa 3.000 Haushalte mit Strom zu versorgen. Die Abwärme wird lediglich für das Beheizen des Substrates
und der Fermenter eingesetzt. Die Gärreste werden nach Durchlaufen des Fermenters mittels dreier Schneckenpressen entwässert. Die Flüssigphase wird mit Hilfe eines Dekanters
aufbereitet. Ein Teil des Prozesswassers wird wieder dem Prozess zugeführt und der andere
Teil als flüssiges Gärprodukt an die Landwirtschaft angegeben. Der entwässerte Gärrest wird
über Trogschneckenförderer in die fünf Envital-Rottetrommeln gefördert. Die Trommeln dienen zum einen der zeitlichen Pufferung und zum anderen findet in ihnen eine Aerobisierung
statt. Nach etwa zwei bis drei Tagen Verweilzeit werden die Trommeln entleert und das Material auf Tafelmieten der Nachrotte unterzogen. Die Nachrotte dauert etwa drei bis fünf Wochen, bis sich der gewünschte Rottegrad eingestellt hat. Anschließend werden die Mieten mit
einer Siebmaschine auf 10 mm abgesiebt und als Fertigkompost an private Haushalte und
die Landwirtschaft abgegeben.
2.2.2 Berechnung der Gasproduktion und -zusammensetzung
Die Auswertung der verfügbaren Anlagendaten beginnt mit der Bestimmung der Gasproduktion und -zusammensetzung. Die Betriebsdaten der Anlage B enthalten genaue Angaben
über die täglich entstandene Menge an Biogas, allerdings keine Angaben über dessen Zusammensetzung. Um den Methananteil zu berechnen, wird auf die Daten der Stromabgabe,
technische Anlagendaten und den Heizwert von Methan zurückgegriffen.
In den Aufzeichnungen über die Stromabgabe findet sich die monatlich produzierte Menge
an Biogas, die als Betriebsvolumen angegeben ist. Zur weiteren Verwendung dieser Angaben muss eine Umrechnung auf Normkubikmeter erfolgen. Der Normkubikmeter wird nach
DIN 1343 als das Volumen eines Gases definiert, welches sich bei der Normtemperatur TN
von 0°C (273,15 K), dem Normdruck pN von 1,013 bar und einer Luftfeuchtigkeit von 0 %
einstellt.
Die Durchflussmessstellen zur Messung des Betriebsvolumenstroms befinden sich jeweils
am Fermenterausgang. Nach Angaben der BioKomp SAS hat das Biogas an dieser Stelle
eine Temperatur von 54-55 °C und einen Überdruck von 35 mbar1. Zur Umrechnung wird der
Betriebsdruck des Gases als Summe aus Normdruck und Überdruck angenommen. Die Ergebnisse der Umrechnung finden sich in Spalte 4 von Tabelle 2-22.
Die eingespeisten Kilowattstunden werden von den Elektrizitätswerken ermittelt und an die
Anlage B weitergeleitet. Die bei der Vergärung entstandene Biogasmenge wird vom Kompostwerk gemessen. Um mit diesen beiden Werten den Heizwert des Biogases berechnen
zu können, muss der Wirkungsgrad des BHKW bekannt sein. Die Anlage B verfügt über zwei
Gasmotoren mit unterschiedlicher Leistung. Der Verbrennungsmotor mit einer Leistung von
330 kW hat einen elektrischen Wirkungsgrad von rund 38,7 %, der Verbrennungsmotor mit
einer Leistung von 526 kW verfügt über einen elektrischen Wirkungsgrad von rund 38,6 %.
Daraus resultiert ein Gesamtwirkungsgrad von rund 38,6 %. Die Angaben der Wirkungsgrade beziehen sich auf Herstellerinformationen. In der Praxis fallen die Wirkungsgrade meist 23 % niedriger aus [Aschmann 2011]. Da beide Motoren in regelmäßigen Abständen gewartet
1
Nach telefonischer Auskunft von Christoph Hermann von der BioKomp SAS am 17.02.2011
19
und überholt werden, wird in den folgenden Berechnungen von einem nur um
1 Prozentpunkt verminderten Wirkungsgrad ausgegangen.
Tabelle 2-22: Berechnung der Gaszusammensetzung aus der Stromeinspeisung
2010
StromHeizwert
Heizwert
VG
VN
einspeisung
Biogas
Methan
[kWh]
[mG³]
[mN³]
[kWh/m³]
[kWh/m³]
Januar
499.707
276.451
235.767
5,64
9,97
Februar
436.248
248.471
211.905
5,48
9,97
März
544.950
306.826
261.672
5,54
9,97
April
463.104
266.243
227.062
5,42
9,97
Mai
428.706
260.174
221.886
5,14
9,97
Juni
466.533
271.003
231.121
5,37
9,97
Juli
475.479
289.322
246.744
5,13
9,97
August
526.572
299.579
255.492
5,48
9,97
September
488.394
276.853
236.110
5,50
9,97
Oktober
510.111
294.785
251.403
5,40
9,97
November
535.851
291.781
248.841
5,73
9,97
Dezember
428.346
277.051
236.279
4,82
9,97
Anteil Methan
[%]
56,5
54,9
55,6
54,4
51,5
53,8
51,4
55,0
55,2
54,1
57,4
48,4
Zur weiteren Auswertung werden die Daten in einem Diagramm dargestellt, so dass die
Schwankungen im Jahresverlauf erkennbar werden.
300.000
59,0
Gasproduktion
Methangehalt
290.000
57,0
55,0
270.000
260.000
53,0
250.000
51,0
240.000
230.000
49,0
Methangehalt in %
280.000
220.000
47,0
210.000
be
r
ez
em
be
r
D
r
er
ov
em
N
O
kt
ob
em
be
us
t
Se
pt
Au
g
Ju
li
i
Ju
n
M
ai
il
Ap
r
z
M
är
ru
Fe
b
Ja
n
ar
45,0
ua
r
200.000
Monat
Abbildung 2-6: Gasproduktion und -zusammensetzung der Anlage B
Die Graphik zeigt deutliche Schwankungen sowohl in der Gasproduktion als auch im Methangehalt des Biogases. Der Methananteil liegt im Jahresverlauf zwischen 48,4 und
57,4 Vol.-% und hat damit eine Spannungsbreite von 9 %, was als sehr hoch einzuschätzen
ist. Im Mai und Juli liegt der Methananteil unter 52 Vol.-% vom Biogas, im Dezember sinkt er
sogar auf unter 49 Vol.-%. Diese niedrigen Werte können sich problematisch bei der Verbrennung im BHKW auswirken. Des Weiteren ist auffällig, dass der Maximal- und Minimalwert in aufeinanderfolgenden Monaten erreicht werden. Während der Methangehalt im November rund 57 Vol.-% betrug, lag er im Dezember nur noch rund 48 Vol.-%. Dies stellt ei20
nen extremen Abfall dar. Der Mittelwert des Methangehaltes beträgt über das Jahr gerechnet
54 Vol.-% und liegt damit innerhalb des Bereiches der zu erwartenden Methangehalte.
Bei der Betrachtung der Gasproduktion erkennt man ebenfalls deutliche Schwankungen im
Jahresverlauf. Auffällig ist die geringe Gasproduktion im Februar, während im Folgemonat
der Höchststand des Jahres erreicht wird. Die Differenz beträgt rund 50.000 Nm³ Mehrproduktion an Biogas. Ein extremer Sprung wie er auch bei dem Methangehalt am Jahresende
zu finden war. Die durchschnittliche Gasproduktion liegt über das Jahr gerechnet bei rund
240.000 m³/Monat, wobei auch hier zwischen den einzelnen Monaten erhebliche Unterschiede auftreten. In der ersten Jahreshälfte liegt die Gasproduktion nur im März über dem
Mittelwert. In der zweiten Jahreshälfte dagegen liegen außer September und Dezember alle
Monate über dem Mittelwert.
Aus dem Diagramm wird die unregelmäßige Gasproduktion und der schwankende Methangehalt des Biogases ersichtlich. Es stellt sich kein stabiler Betriebszustand ein. Die Schwankungen des Methangehalts im Biogas wirken sich erheblich auf die potenzielle Menge einzuspeisenden Stroms aus und beeinflussen hiermit die Wirtschaftlichkeit der Anlage in einem
starken Maße. Besonders auffallend an dem Gesamtbild sind die extremen Sprünge sowohl
in der Gasproduktion als auch im Methangehalt. Diese deutlichen Differenzen, die bei beiden
Parametern in aufeinanderfolgenden Monaten erreicht werden, deuten auf eine ungleichmäßige Beanspruchung der Anlage hin.
2.2.3 Raumbelastung
Um die Raumbelastung, aber auch die Gasausbeute und den Abbaugrad ermitteln zu können, ist es notwendig den Gehalt an organischer Trockensubstanz in dem Inputmaterial zu
bestimmen. Folgende Materialien wurden im Jahr 2010 zur Abfallanlage angeliefert.
Tabelle 2-23: Im Jahr 2010 verarbeitete Substrate der Anlage B
Abfälle aus
Ast- und Grün2010
Bioabfall
pflanzlichem
schnitt
Gewebe
[t/Monat]
[t/Monat]
[t/Monat]
Januar
1.086
413
57
Februar
1.158
293
63
März
2.060
346
146
April
1.982
336
5
Mai
2.250
397
29
Juni
2.318
537
55
Juli
1.861
302
111
August
2.294
346
189
September
2.199
373
137
Oktober
2.035
376
101
November
1.762
208
189
Dezember
859
3
145
Gesamt
[t/Monat]
1.556
1.513
2.552
2.323
2.677
2.910
2.275
2.828
2.710
2.512
2.158
1.007
Bei dem Bioabfall handelt es sich um Abfälle aus privaten Haushalten, die der Fraktion Biotonne entsprechen. Der Grün- und Astschnitt stammt größtenteils aus dem Entsorgungsgebiet, ein geringer Teil wird angekauft. Das Verhältnis von Grünschnitt und Laub zu Astschnitt
beträgt rund 6 zu 1. Bei den Abfällen aus pflanzlichem Gewebe handelt es sich um Getreidespelzen.
21
Berechnung der theoretischen Raumbelastung
Um den TS- und oTS-Gehalt auch für Zeiträume vor der Beprobung durch das DBFZ betrachten zu können, werden theoretische Werte zur Berechnung herangezogen.
Die Axpo Genesys AG mit Sitz in der Schweiz ist in der Planung und Realisierung von Kompogasanlagen tätig. Der Begriff Kompogas wird in der Schweiz ausschließlich für Biogas
verwendet, welches aus der Vergärung von organischen Abfällen gewonnen wird
[Axpo 2010]. In einem von dem Unternehmen herausgegebenen Merkblatt [Genesys 2011]
sind Gasausbeuten zu Substraten angegeben, die in den von ihnen gebauten Anlagen gemessen wurden. Da auch die Anlage B eine Referenz des Unternehmens darstellt, sind die
Werte für die folgende Berechnung besonders geeignet. Ebenso entsprechen die Werte der
Axpo Genesys AG annähernd denen der KTBL. In der folgenden Tabelle sind die Werte zusammengestellt, die für die weitere Berechnung verwendet wurden.
Tabelle 2-24: Substratwerte der Axpo Genesys AG
Substratart
TS
[%]
Biotonne
40-75
Gemittelte Werte
57,5
Biotonne
Kommunales Grüngut (Laub, Gras und
19
Speiseabfälle)
Getreideabgang
87
(Mühlestaub und Stroh)
oTS
[%TS]
50-70
60
Y
[l/ kg oTS]
150-600
375
89
590
88
460
Bei dem Anlageninput handelt es sich um eine Substratmischung aus 87 % Bioabfall 10 %
Grün- und Astschnitt und 3 % Spelzen. Bei der Berechnung der Auslastungs- und Leistungsparameter wird das Verhältnis von Grünschnitt und Laub zu Astwerk vernachlässigt. Ersatzweise wird als Richtwert für die Spelzen der Wert für Getreideabgang verwendet. Die vorliegenden Werte sollen als Orientierungswerte angesehen werden, da keine genaueren Angaben zum oTS-Gehalt der Substrate vorliegen. Die Ergebnisse aus den folgenden Berechnungen sind daher als Annäherung an die realen Werte zu betrachten.
22
Tabelle 2-25: Berechnung der Raumbelastung der Anlage B
mTS
mTS
mTS BiomoTS BiomoTS
2010
Grünpflanzl.
abfall
abfall
Grünschnitt
schnitt Gewebe
[t/Monat] [t/Monat] [t/Monat]
Jan.
Feb.
März
Apr.
Mai
Juni
Juli
Aug.
Sept.
Okt.
Nov.
Dez.
624,64
665,87
1184,39
1139,77
1293,73
1332,82
1070,29
1319,18
1264,44
1170,25
1013,04
493,97
78,38
55,59
65,76
63,87
75,49
102,04
57,46
65,66
70,94
71,41
39,53
0,59
49,57
54,53
127,42
4,37
25,58
47,73
96,78
164,01
119,45
87,52
164,00
126,25
[t/Monat]
374,78
399,52
710,63
683,86
776,24
799,69
642,18
791,51
758,66
702,15
607,82
296,38
[t/Monat]
69,76
49,48
58,53
56,85
67,19
90,81
51,14
58,44
63,14
63,55
35,18
0,53
moTS
pflanz.
Gewebe
moTS
moTS
[t/Monat]
[t/Monat]
[kg oTS/d]
44,12
48,53
113,40
3,89
22,76
42,48
86,13
145,97
106,31
77,89
145,96
112,37
488,66
497,54
882,56
744,60
866,19
932,98
779,45
995,91
928,11
843,60
788,96
409,27
15.763
17.769
28.470
24.820
27.942
30.096
25.982
32.126
30.937
27.213
26.299
13.642
In der letzten Tabellenspalte kann der tägliche Input an oTS in die Anlage abgelesen werden. Diese Spalte wird in die nächste Tabelle übernommen um die Raumbelastung pro Fermenter zu berechnen. Im Folgenden wird von einer gleichartigen organischen Belastung beider Fermenter ausgegangen. Damit verteilt sich die eingetragene organische Fracht zu gleichen Teilen auf beide Reaktoren. Die Füllstände werden über den Monat gemittelt und für
beide Fermenter getrennt dargestellt. Aus den gegebenen Daten erfolgt in den letzten beiden
Spalten die Berechnung der theoretischen Raumbelastung.
Tabelle 2-26: Berechnung der theoretischen Raumbelastung der Anlage B
moTS pro
moTS
VR, F1
VR, F2
BR, F1
Fermenter
2010
[kg oTS/d]
[kg oTS/d]
[m³]
[m³]
[kg oTS/d*m³]
Jan.
15.763
7.882
862
862
9,1
Feb.
17.769
8.885
853
857
10,4
März
28.470
14.235
844
842
16,9
Apr.
24.820
12.410
848
854
14,6
Mai
27.942
13.971
853
859
16,4
Juni
30.096
15.048
854
855
17,6
Juli
25.982
12.991
840
846
15,5
Aug.
32.126
16.063
854
863
18,8
Sept.
30.937
15.469
853
864
18,1
Okt.
27.213
13.606
858
858
15,9
Nov.
26.299
13.149
856
865
15,4
Dez.
13.642
6.821
838
853
8,1
BR, F2
[kg oTS/d*m³]
9,1
10,4
16,9
14,5
16,3
17,6
15,4
18,6
17,9
15,9
15,2
8,0
Bei der Betrachtung der über den Jahresverlauf erreichten Raumbelastungen zeigt sich eine
überaus hohe Spannweite der Werte.
23
21,0
Raumbelastung F1
Raumbelastung F2
Raumbelastung in kg oTS/d*m³
19,0
17,0
15,0
13,0
11,0
9,0
7,0
t
Se
pt
em
be
r
O
kt
ob
er
N
ov
em
be
r
D
ez
em
be
r
Au
gu
s
Ju
li
Ju
ni
M
ai
Ap
ril
är
z
M
Fe
br
ua
r
Ja
nu
ar
5,0
Datum
Abbildung 2-7: Theoretische Raumbelastung der Anlage B
In den Wintermonaten Dezember, Januar und Februar liegt die Raumbelastung mit Werten
zwischen 8 und 10,4 kg oTS/d*m³ am niedrigsten. Sie unterschreiten zwar nicht den nach
Tabelle 4 angegebenen Bereich, bewegen sich aber an dessen unteren Grenze. Der März
als Übergang vom Winter zum Frühling und der November als Übergang vom Herbst zum
Winter sind gekennzeichnet von einer sprunghaften Änderung des Graphen. Im März wird
ein Ansteigen der Raumbelastung um 6,5 kg oTS/d*m³ auf einen Wert von 16,9 kg oTS/d*m³
verzeichnet, im November ein sehr deutlicher Abfall um 7,2 kg oTS/d*m³. In diesen Monaten
ist die Anlage auf Grund der Prozessstabilität besonders überwachungsbedürftig. In den dazwischen liegenden Monaten verbleibt die Raumbelastung bei einem Niveau bei rund 16,9
kg oTS/d*m³. Die Spannbreite der Schwankungen reduziert sich auf 4,1 kg oTS/d*m³. Die
Höhe der Absolutwerte überschreiten jedoch bis auf den April zu jeder Zeit die Richtwerte
aus der Literatur. Im August wird der Jahreshöchstwert mit 18,6 kg oTS/d*m³ erreicht.
Diese Werte weisen auf eine Prozessführung hin, die sich in der überwiegenden Zeit des
Jahres im instabilen Bereich bewegt. In jeden Monat ausschließlich Januar, Februar, April
und Dezember sind die Raumbelastungen höher als nach Literaturwerten für eine stabile
Prozessführung vorgesehen. Die extremen Sprünge der Raumbelastung im März und November sind ebenfalls als kritisch zu betrachten.
Der Anlagenbetreiber selbst führt keine Analysen des Inputmaterials durch. Im Rahmen des
BioOpt-Projektes wurden Substratproben durch das DBFZ genommen und auf unterschiedliche Eigenschaften, darunter TS- und oTS-Gehalt untersucht. Bei den Proben handelt es sich
um die aufbereitete Substratmischung aus dem Grüngutspeicher. Im Weiteren werden nur
die Ergebnisse aus dem Jahr 2010 verwendet. In Fehler! Verweisquelle konnte nicht gefunden werden.8 ist der Verlauf der Substratzusammensetzung dargestellt.
24
Tabelle 2-27: Ergebnisse der Substratanalyse durch das DBFZ
Probennahme
Analysedatum
TS
[%]
23.11.2010
24.11.2010
39
30.11.2010
01.12.2010
41
07.12.2010
08.12.2010
42
14.12.2010
16.12.2010
46
21.12.2010
22.12.2010
48
28.12.2010
29.12.2010
45
oTS
[%TS]
65
70
78
77
61
57
80
TS
oTS
TS-Gehalte in %
75
75
70
70
65
65
60
60
55
55
50
50
45
45
40
40
35
35
30
23.11.2010
30.11.2010
07.12.2010
14.12.2010
21.12.2010
oTS-Gehalte in %TS
80
30
28.12.2010
Datum der Probennahme
Abbildung 2-8: Verlauf der TS- und oTS-Gehalte nach Analysenergebnissen des DBFZ
Es sind Schwankungen in den TS- und oTS-Gehalten des Anlageninputs zu erkennen. Während der TS-Gehalt über die zwei Monate relativ geringe Schwankungen um rund 5 % aufweist, sind die Abweichungen für den oTS-Gehalt mehr als doppelt so hoch. Hier liegen die
Schwankungen bei rund 11 %, was als erheblich einzustufen ist. Insgesamt ist festzustellen,
dass die Eigenschaften des Anlageninput stark und kontinuierlich variieren.
Berechnung der realen Raumbelastung
Des Weiteren wird die Raumbelastung der beiden Fermenter aus den Analysenwerten des
DBFZ ermittelt. In Tabelle 2-28 finden sich hierzu in der zweiten und dritten Spalte die TSund oTS-Werte aus Tabelle 2-27. Zur Berechnung des wöchentlichen Anlageninputs werden
die Angaben über den Gesamtinput aus Tabelle 2-23 zu Grunde gelegt und durch die Anzahl
der Wochen pro Monat dividiert. Im November wurden insgesamt 2158,35 t Substrat verarbeitet, was einer Menge von 539,59 t pro Woche entspricht. Im Dezember wurden dem entsprechend 251,83 t pro Woche verarbeitet. In den letzten beiden Spalten der Tabelle 2-28
erfolgt schließlich die Berechnung des TS- und oTS-Gehalts bezogen auf den wöchentlichen
Anlageninput.
25
Tabelle 2-28: Berechnung des wöchentlichen oTS-Eintrags in die Anlage B
Datum
Wöchentlicher
mTS
moTS
mTS
Probennahme
Anlageninput
[kg TS/
[%]
[%TS]
[t]
Woche]
23.11.2010
39
65
539,59
208.821
30.11.2010
41
70
539,59
222.095
07.12.2010
42
78
251,83
104.963
14.12.2010
46
77
251,83
115.313
21.12.2010
48
61
251,83
119.821
28.12.2010
45
57
251,83
112.518
moTS
[kg oTS/
Woche]
136.235
154.956
81.430
88.537
73.282
63.955
Tabelle 2-29:29 bezieht sich auf die Wochen für die Analysenergebnisse des DBFZ vorliegen. In der zweiten Spalte findet sich der oTS-Gesamteintrag in die Anlage. Dieser Wert
wurde durch die Division der letzten Spalte aus Tabelle 2-28 durch die Anzahl der Tage in
der Woche ermittelt. Als nächster Schritt wurde die Höhe der wöchentlichen Beschickungsmenge pro Fermenter aus den Betriebsdaten berechnet. Als Ergebnis konnte eine gleichmäßige Verteilung des Anlageninputs auf die beiden Fermenter festgestellt werden, weshalb in
den folgenden Berechnungen eine gleichmäßige Verteilung der eingetragenen organischen
Fracht angenommen wird. Dieser Wert befindet sich in der dritten Spalte von Tabelle 2-29.
Der durchschnittliche Füllstand pro Fermenter und Woche wird ebenfalls anhand der Betriebsdaten berechnet und für beide Fermenter berücksichtigt. Aus den Ergebnissen kann in
einem letzten Rechenschritt die Raumbelastung ermittelt werden (Tabelle 2-29, Abbildung
2-9).
Tabelle 2-29: Berechnung der realen Raumbelastung
moTS pro
moTS
VR, F1
Fermenter
Zeitraum
[kg oTS/d]
23.11.-29.11.10
30.11.-06.12.10
07.12.-13.12.10
14.12.-20.12.10
21.12.-27.12.10
28.12.-02.01.11
19.462
22.137
11.633
12.648
10.469
9.136
[kg oTS/d]
9.731
11.069
5.817
6.324
5.235
4.568
[m³]
VR, F2
[m³]
855
861
834
844
843
835
863
874
858
858
858
843
BR, F1
[kg oTS
/d*m³]
11,4
12,9
7,0
7,5
6,2
5,5
BR, F2
[kg oTS
/d*m³]
11,3
12,7
6,8
7,4
6,1
5,4
26
14,0
Raumbelastung F1
Raumbelastung F2
Raumbelastung in kg oTS/d*m³
13,0
12,0
11,0
10,0
9,0
8,0
7,0
6,0
5,0
23.11-29.11.10
30.11-06.12.10
07.12-13.12.10
14.12-20.12.10
21.12 -27.12.10
28.12.- 02.01.11
Zeitraum
Abbildung 2-9: Reale Raumbelastung der Anlage B
Die Raumbelastung unterscheidet sich für beide Fermenter so geringfügig, dass von einer
gleichartigen organischen Belastung beider Fermenter ausgegangen wird. Die Betrachtung
der Werte lässt eine deutlich höhere Belastung der Fermenter im November als im Dezember erkennen. So lag die Raumbelastung im November noch bei durchschnittlich 12 kg
oTS/d*m³, während sie im Folgemonat mit einem Durchschnitt bei 6,5 kg oTS/d* m³ auf
knapp die Hälfte absinkt. Die Anlage wird folglich mit stark wechselnder Raumbelastung gefahren.
In der Literatur wird die durchschnittliche Raumbelastung für einen Pfropfenstromreaktor mit
5-15 kg oTS /d*m³ angegeben. Die Berechnungen zeigen, dass sich die Belastungen der
Anlage B durchaus in diesem Intervall befinden. Im November liegen die Werte ausschließlich in der oberen Hälfte, während sie im Dezember in der unteren Hälfte verbleiben.
Die hydraulische Verweilzeit der Substrate in der Anlage B wurde den Betriebsdaten entnommen. Da die Anlage im Pfropfenstromverfahren betrieben wird, wird das Substrat in so
genannten „Pfropfen“ durch die Anlage geschoben und vermischt sich nicht mit vorhergehenden oder nachfolgend eingebrachten Chargen. Dies ermöglicht eine präzise Bestimmung
der Verweilzeit.
27
Tabelle 2-30: Verweilzeiten des Substrates in der Anlage B
2010
ΤFermenter 1
[d]
Januar
Februar
März
April
Mai
Juni
Juli
August
September
Oktober
November
Dezember
ΤFermenter 2
[d]
15
16
13
11
12
10
10
11
10
10
10
14
14
15
13
11
12
12
10
10
8
9
17
13
In der Literatur wird die durchschnittliche Verweilzeit in einem Pfropfenstromfermenter mit 10
bis 40 Tagen angegeben. Bei der Betrachtung der Werte aus Tabelle 2-30 ist zu erkennen,
dass sich die Verweilzeiten beider Fermenter regelmäßig in der unteren Hälfte des angegebenen Zeitraumes bewegen.
Fermenter 1 lief von März bis November überwiegend mit 10 Tagen Verweilzeit. In den Wintermonaten kann ein Anstieg der Verweilzeit bis auf 16 Tagen verzeichnet werden. Fermenter 2 lief von März bis Oktober ebenfalls mit einer sehr kurzen Verweilzeit, wobei hier im September und Oktober eine Unterschreitung der Richtwerte eintrat. Dies lässt auf eine zeitweise instabile Prozessführung schließen. Auffällig ist, dass Fermenter 2 im November eine
stark verlängerte Verweilzeit aufweist. Von neun Tagen im Oktober steigt sie bis auf 17 Tage
im Folgemonat an. Des Weiteren fällt die im November immer noch sehr niedrige Verweilzeit
in Fermenter 1 auf. Während Fermenter 2 seine im Jahresverlauf höchste Verweilzeit fährt,
wird in Fermenter 1 das Substrat innerhalb von 10 Tagen durchgeschleust. Um eine stabile
Prozessführung zu gewährleisten, sollten die Verweilzeiten der Fermenter aneinander angepasst werden. Auch hohe Schwankungen sollten möglichst vermieden werden.
2.2.5
Biogasausbeute
Theoretische Biogasausbeute
Die Werte für den monatlichen oTS-Eintrag pro Substratart finden sich in Tabelle 2-25 und
werden von [t] auf [kg] umgerechnet. Zur Berechnung der theoretisch möglichen Biogasausbeute werden die Substratwerte der Axpo Genesys AG aus Tabelle 2-24 zu Grunde gelegt.
Durch Multiplikation der jeweiligen Substratart mit dem zugehörigen Wert der Gasausbeute
erhält man die theoretisch produzierbare Biogasmenge. Teilt man diesen Wert durch den
gesamten oTS-Gehalt des Anlageninput, so erhält man die spezifische Biogasausbeute der
Gesamtanlage.
28
Tabelle 2-31: Theoretische Biogasausbeute der Anlage B
moTS
moTS
moTS
2010
pflanz.
Y
Bioabfall
Grünschnitt
Gewebe
[kg oTS]
[kg oTS]
[kg oTS]
[l]
Januar
374.784
69.757
44.120 201.995.674
Februar
399.524
49.479
48.533 201.339.071
März
710.631
58.529
113.404 353.184.501
April
683.862
56.848
3.887 291.776.775
Mai
776.240
67.190
22.764 341.203.716
Juni
799.689
90.813
42.478 373.003.356
Juli
642.176
51.143
86.133 310.611.415
August
791.506
58.436
145.971 398.438.562
September
758.662
63.139
106.311 370.653.201
Oktober
702.151
63.555
77.895 336.635.275
November
607.821
35.181
145.956 315.829.368
Dezember
296.379
528
112.366 163.142.012
moTS
[kg oTS]
488.661
497.536
882.564
744.597
866.194
932.981
779.452
995.913
928.112
843.600
788.958
409.273
Y
[l/ kg oTS]
413
405
400
392
394
400
398
400
399
399
400
399
Reale Biogasausbeute
Die pro Fermenter monatlich durchschnittlich erzeugte Biogasmenge kann den Betriebsdaten entnommen werden und wurde in Normvolumen umgerechnet. Die Werte für den täglichen oTS-Eintrag pro Fermenter werden aus Tabelle 2-26 entnommen. Es wird für beide
Fermenter ein gleichmäßiger oTS-Eintrag angenommen.
29
Tabelle 2-32: Reale Biogasausbeute der Anlage B
Fermenter 1
VG
VN
moTS
2010
[m³/d]
[mN³/d]
[kg oTS/d]
Januar
4.988
4.251
7.882
Februar
4.509
3.843
8.885
März
5.033
4.290
14.235
April
4.576
3.901
12.410
Mai
4.233
3.608
13.971
Juni
4.618
3.937
15.048
Juli
4.754
4.053
12.991
August
4.880
4.160
16.063
September
4.685
3.993
15.469
Oktober
4.831
4.118
13.606
November
4.968
4.235
13.149
Dezember
4.518
3.851
6.821
Fermenter 2
VG
VN
moTS
2010
[m³/d]
[mN³/d]
[kg oTS/d]
Januar
4.308
3.672
7.882
Februar
4.365
3.721
8.885
März
4.865
4.147
14.235
April
4.299
3.664
12.410
Mai
4.160
3.546
13.971
Juni
4.415
3.763
15.048
Juli
4.579
3.903
12.991
August
4.784
4.078
16.063
September
4.544
3.873
15.469
Oktober
4.679
3.988
13.606
November
4.758
4.056
13.149
Dezember
4.419
3.766
6.821
Y
[m³/kg oTS]
0,54
0,43
0,30
0,31
0,26
0,26
0,31
0,26
0,26
0,30
0,32
0,56
Y
[m³/kg oTS]
0,47
0,42
0,29
0,30
0,25
0,25
0,30
0,25
0,25
0,29
0,31
0,55
Y
[l/kg oTS]
539
433
301
314
258
262
312
259
258
303
322
565
Y
[l/kg oTS]
466
419
291
295
254
250
300
254
250
293
308
552
Vergleich der theoretischen und realen Biogasausbeute
Die reale Biogasausbeute wurde für die jeweiligen Fermenter berechnet, während sich theoretische Biogasausbeute auf die Gesamtanlage bezieht. Die Werte sind dennoch vergleichbar, weil beide Fermenter keinen Größenunterschied aufweisen und in der Berechnung von
dem gleichen oTS-Eintrag ausgegangen wurde. Betrachtet man die Biogasausbeuten pro
Fermenter, so fällt die hohe Differenz der Biogasausbeute im Januar auf. Sie beträgt dort
73 l/ kg oTS. Von Februar bis Dezember ist die Biogasausbeute in den beiden Fermentern
sehr angeglichen, Abweichungen betragen durchschnittlich 11 l/ kg oTS. Wie schon bei der
Raumbelastung und der Verweilzeit sind jahreszeitliche Unterschiede zu erkennen. In den
Wintermonaten Januar, Februar und Dezember liegt die Biogasausbeute erheblich höher als
in den restlichen Monaten. Für Fermenter 1 werden Schwankungen zwischen 433 und
565 l/ kg oTS ermittelt, für Fermenter 2 liegen diese zwischen 419 und 552 l/ kg oTS. Auf die
Gesamtkapazität der Anlage gemittelt beträgt die Biogasausbeute für diesen Zeitraum rund
500 l/ kg oTS. In den restlichen Monaten ist die erreichte Biogasausbeute deutlich niedriger.
Hier liegt der Mittelwert für Fermenter 1 bei rund 290 l/ kg oTS mit Schwankungen zwischen
258 und 332 l/ kg oTS. Für Fermenter 2 liegt der Mittelwert bei 280 l/ kg oTS mit Schwankungen zwischen 250 und 310 l/ kg oTS.
Es ist festzustellen, dass sich die realen Biogasausbeuten in den beiden Fermentern bis auf
eine hohe Abweichung im Januar kaum unterscheiden. Generell werden im Winter höhere
Biogasausbeuten erreicht als in der restlichen Zeit des Jahres. Die theoretische Biogasausbeute schwankt über das Jahr gesehen nicht so sehr wie die reale, hier liegen die monatli30
chen Differenzen zwischen 390 und 410 l/ kg oTS. Sie bewegen sich folglich in einem Rahmen von 20 l/ kg oTS und können wegen Geringfügigkeit vernachlässigt werden. Auch werden bei den theoretischen Werten keine großen Abweichungen zwischen den Wintermonaten und der restlichen Zeit des Jahres beobachtet. Diese Daten weisen auf eine stabile und
gleichmäßige Auslastung Biogasausbeute der Anlage hin.
Die Biogasproduktivität lässt sich aus der Gasmenge, dem Reaktorvolumen und der jeweiligen Anzahl der Tage eines Monats berechnen.
Tabelle 2-33: Biogasproduktivität der Anlage B
VRr
2010
VN
[mN³]
[mR³]
Januar
235.767
Februar
211.905
März
261.672
April
227.062
Mai
221.886
Juni
231.121
Juli
246.744
August
255.492
September
236.110
Oktober
251.403
November
248.841
Dezember
236.279
Tage
[d]
2000
2000
2000
2000
2000
2000
2000
2000
2000
2000
2000
2000
PG
[m³/ mR³*d]
31
28
31
30
31
30
31
31
30
31
30
31
3,80
3,78
4,22
3,78
3,58
3,85
3,98
4,12
3,94
4,05
4,15
3,81
2.2.7 Abbaugrad
Das vergorene Substrat wird aus dem Fermenter ausgetragen, anschließend belüftet und
einer Nachrotte unterzogen. Eine Analyse der Gärreste auf Initiative des Anlagenbetreibers
findet nicht statt. Die einzige Informationsquelle über den verbliebenen oTS-Gehalt sind sie
Ergebnisse der Analysen durch das DBFZ. Eine umfassende Betrachtung ist daher nicht
möglich. Unter Beachtung der 14-tägigen Verweilzeit können nur drei Werte für die Monate
November und Dezember berechnet werden.
Tabelle 2-34: Ergebnisse der Substratanalyse durch das DBFZ
Probennahme
Analysedatum
TS
[%]
23.11.2010
24.11.2010
30.11.2010
01.12.2010
07.12.2010
08.12.2010
14.12.2010
15.12.2010
21.12.2010
22.12.2010
28.12.2010
29.12.2010
oTS
[% TS]
39
41
42
46
48
45
65
70
78
77
61
57
31
Tabelle 2-35: Ergebnisse der Gärrestanalyse durch das DBFZ
Probennahme
Analysedatum
TS
[%]
23.11.2010
24.11.2010
30.11.2010
01.12.2010
07.12.2010
08.12.2010
14.12.2010
15.12.2010
21.12.2010
22.12.2010
28.12.2010
29.12.2010
oTS
[% TS]
25
25
25
25
24
26
46
47
42
47
47
57
Mittels der eingehenden und ausgehenden oTS Massenströme kann der Abbaugrad berechnet werden:
Tabelle 2-36: Abbaugrad der Anlage B
Probennahme
Probennahme
Substratanalyse
Gärrestanalyse
23.11.2010
07.12.2010
30.11.2010
14.12.2010
07.12.2010
21.12.2010
14.12.2010
28.12.2010
ηTS
[%]
ηoTS
[% TS]
36
39
41
44
58
59
64
59
Im November wird ein TS-Abbau zwischen 36 und 39 % erreicht. Der oTS- Abbau liegt bei
rund 58 %. Im Dezember steigt der TS-Abbau etwas an und bewegt sich in einem Rahmen
von 41 bis 44 %, der oTS-Abbau steigt kurzfristig um 5 % gegenüber des Wertes vom Vormonat an. Der Richtwert für den Abbaugrad liegt zwischen 50 und 80 %. Diese Werte werden in der Anlage B für den oTS-Abbau erreicht.
Der theoretisch mögliche Auslastungsgrad liegt bei 100 % und wird dann erreicht, wenn die
Verbrennungseinheiten konstant und ohne Betriebsstörungen auf Volllast laufen.
Die monatlich erfolgte Stromeinspeisung ist den Stromabgabedaten der Anlage B entnommen und in der zweiten Spalte von Tabelle 2-37 angegeben. Dem gegenüber steht die theoretisch mögliche elektrische Leistung bei 8760 h Betriebsstunden pro Jahr. Im folgendem
wird die monatlich erreichte Auslastung der Anlage nach berechnet, in der letzten Zeile ist
zusätzlich der über das Gesamtjahr erreichte Auslastungsgrad aufgeführt. Die Anlage erreicht einen Gesamtauslastungsgrad von 80 % im Betriebsjahr 2010.
32
Tabelle 2-37: Realer Auslastungsgrad der Anlage B
2010
Erreichte Auslastung Theoretische Auslastung
[kWh]
[kWh]
Januar
499.707
614.544
Februar
436.248
555.072
März
544.950
614.544
April
463.104
594.720
Mai
428.706
614.544
Juni
466.533
594.720
Juli
475.479
614.544
August
526.572
614.544
September
488.394
594.720
Oktober
510.111
614.544
November
535.851
594.720
Dezember
428.346
614.544
gesamt
2.3
5.804.001
7.235.760
Auslastungsgrad
[%]
81
79
89
78
70
78
77
86
82
83
90
70
80
Biogasanlage C
Die Anlage C wurde auf dem Gelände eines ehemaligen Klärwerkes errichtet, von dem nur
das Vorklärbecken und die beiden Faultürme für den heutigen Betrieb genutzt werden. Andere zum Klärwerk gehörenden Teile wie beispielsweise Rechen und Nachklärbecken werden
im derzeitigen Betrieb nicht benötigt. Seit April 2010 wurden bis zum Jahresende rund 8.000
Tonnen biologische Abfälle eingesetzt.
Das Substrat wird auf das Betriebsgelände angeliefert und in einer Annahmehalle abgekippt.
Nach der Annahme gelangt das Substrat über einen Trogkettenförderer in den Stofflöser.
Hier wird es durch die Zugabe von Brauchwasser oder Zentratrückführung angeimpft und
eine pumpfähige Suspension erzeugt. Der Trockensubstanzgehalt kann durch Anpassung
der Rückführwassermenge geregelt werden. Mittels eines Laufrades wird der Biomüll schonend zerfasert und verflüssigt. Danach wird er über zwei Siebe fraktioniert und gelangt mit
einer Korngröße von 16 mm in den Vorlageschacht der Beschickungspumpe. Der verbliebene Siebrückstand wird für die nächste Charge im Suspensor nachgelöst. Als Vorlageschacht
dient der ehemalige Sandfang. Das Substrat verbleibt dort durchschnittlich zwei Tage bevor
der Überlauf in die Bioreaktoren gepumpt wird.
Je nach Anliefermenge werden die Fermenter tagsüber stündlich bis 2-stündlich für 30 Minuten beschickt. Nachts findet eine reduzierte Beschickung statt. Die täglichen Schwankungen
der Beschickungsmenge liegen zwischen 20 und 60 m³ Rohsuspension. Die zwei Reaktoren
sind die Faultürme des ehemaligen Klärwerkes und verfügen über ein Volumen von je
1000 m³. Sie unterscheiden sich in Alter und Bauweise. Der ältere Fermenter verfügt über
ein steileres Kegeldach als der jüngere, somit liegen zwei verschiedene statische Systeme
vor. Seit der früheren Nutzung zur kommunalen Abfallvergärung sind in den beiden Fermentern erhebliche Schwimmschichten vorhanden, die nur manuell unter erheblichen Arbeitsund Zeitaufwand reduziert werden können. Der Vergärungsprozess findet bei 40 °C statt.
Das Rühren des Fermenterinhalts erfolgt über Pumpen und Wärmetauscher und wird durch
eine kontinuierliche Gaseinpressung ergänzt.
Die Gaseinpressung wird durch vier Lanzen realisiert, deren Austrittsköpfe in geringer Höhe
über der Reaktorsohle eingehängt sind. Zur Einpressung wird das Biogas aus dem Reaktorkopf verwendet. Nach einer Vorreinigung durch einen Keramikfilter wird es in einem GasKompressor komprimiert und über einen Flüssigkeitsabscheider und eine Druckleitung in die
einzelnen Lanzen gefördert. Das Biogas zur Einpressung wird somit in einem separaten
33
Kreislauf geführt. Um eine optimale Einmischung zu gewährleisten, werden die Lanzen in
einem bestimmten Schema betrieben. Genaue Angaben über das Schema liegen nicht vor.
Zusätzlich findet eine hydraulische Durchmischung statt. Eine Pumpe saugt den Inhalt auf
halber Reaktorhöhe an und entlässt ihn im Reaktorkopf. Die Art der Durchmischung wechselt
im Zwölf-Stunden-Takt zwischen den Fermentern. Das entstandene Biogas wird über den
Gasdom aus den Reaktoren entnommen. Nach einer Vorentwässerung und Vorfilterung wird
das Kondensat abgeschieden. Anschließend wird es in einem Gasbehälter zwischengespeichert. Dieser verfügt über ein Volumen von 1000 m³. Bei dem Erreichen des maximalen Füllstandes schaltet sich automatisch eine Fackelsteuerung an, die das überschüssige Gas verbrennt.
Die Verwertung des Biogases findet in drei BHWK mit einer elektrischen Gesamtleistung von
861 kW statt. Mit der Abwärme werden Haushalte in der Umgebung versorgt. Wenn der
thermische Überschuss nicht ausreicht, läuft zeitweise ein 1,2 MWth Erdgas-Brenner mit.
Der sich am Reaktorboden sammelnde Gärrest wird manuell abgelassen. In Abhängigkeit
des Inputs kann das Ablassen mehrmals täglich erfolgen. Der Gärrest wird über eine Siebbandpresse in eine feste und eine flüssige Phase getrennt. Die flüssige Phase wird als Rezirkulat verwendet oder über das Abwassersystem abgeleitet. Die feste Phase wird zu einem
Kompostwerk geliefert und durch eine Nachrotte weiterbehandelt.
34
Kompost
Endverbraucher
Nachrotte
Verstromung
Gärrestaufbereitung
BHKW
Biogas
Gärrest
Fermenter
Anmaischen
Müllbunker
Externe
Anlieferung
Abbildung 2-10: Fließbild der Anlage C
2.3.1 Gasproduktion und -zusammensetzung
Es findet eine kontinuierliche Messung der Menge sowie des Methangehalts des erzeugten
Biogases statt. Für den Zeitraum September bis November 2010 sind die Messdaten in Abbildung 2-11 dargestellt. Das Volumen des entstandenen Biogases wird mit einem Durchflussmesser erfasst und in den Monatsberichten notiert Für eine vergleichende Betrachtung
werden die Gasmengen in Normkubikmeter umgerechnet. Nach Angaben des Anlagenbetreibers beträgt die Temperatur des Biogases an der Messstelle 40 °C und der Druck
50 mbar.
35
300
70
65
250
200
55
150
50
45
100
Methangehalt in %
60
40
50
35
Gasproduktion
Methangehalt
30
01
.
09
.2
01
0
08
.0
9.
20
10
15
.0
9.
20
10
22
.0
9.
20
10
29
.0
9.
20
10
06
.1
0.
20
10
13
.1
0.
20
10
20
.1
0.
20
10
27
.1
0.
20
10
03
.1
1.
20
10
10
.1
1.
20
10
17
.1
1.
20
10
24
.1
1.
20
10
0
Datum
Abbildung 2-11: Gasproduktion und -zusammensetzung der Anlage C
Es ist zu erkennen, dass die Gaszusammensetzung und der Methangehalt starken Schwankungen unterliegen. Im Betrachtungszeitraum wird pro Stunde ein Gasvolumen zwischen
98 Nm³ und 193 Nm³ produziert, die Schwankung beträgt demnach ca. 95 Nm³/h.
Der Methangehalt liegt im betrachteten Zeitraum zwischen 56 und 66 Vol.-%, wobei er im
Durchschnitt 61,2 Vol.-% beträgt. Eine Schwankung um 10 Vol.-% ist als sehr hoch einzuschätzen. Sie kann wahrscheinlich auf die breite Palette der eingesetzten Substrate zurückgeführt werden. Auffällig bei dem Verlauf des Graphen ist der Einschnitt um den 13.Oktober,
der eine Verringerung des Methangehalts anzeigt. Bis zu diesem Zeitpunkt lag der durchschnittliche Methangehalt bei 65,6%. Innerhalb weniger Tage sinkt er auf seinen Tiefpunkt
bei 56 Vol.-% und erholt sich im folgenden Verlauf wieder, aber ohne das vorherige Niveau
zu erreichen. Nach Vermutungen des Anlagenbetreibers wurde an diesem Tag die Methanmessung kalibriert und um eine Abweichung korrigiert. Allerdings kann dieser Abfall auch
substratabhängig sein.
Eine kontinuierliche Schwefelwasserstoffmessung findet nicht statt, soll jedoch nachgerüstet
werden. Im Moment finden sporadische Schwefelwasserstoffmessungen statt, im Jahr 2010
wurde insgesamt fünf Mal der Schwefelwasserstoffgehalt im Biogas bestimmt. Um die
Schwefelwasserstoffbildung zu regulieren werden dem Substrat täglich 50L einer Eisenhaltigen Entschwefelungslösung zugegeben. Der Schwefelwasserstoffgehalt lag im Dezember 2010 bei 9 ppm.
36
2.3.2 Berechnung der Raumbelastung
Im Folgenden wird die Raumbelastung der Anlage C aus den Kenndaten der Substrate berechnet. Im Zeitraum September bis November 2010 wurden folgende Produkte in der Anlage C verarbeitet.2
Tabelle 2-38: Im Sept.-Nov. 2010 verarbeitete Substrate der Anlage C
September 2010
mS
Oktober 2010
mS
November 2010
[t]
[t]
3
KDS
156 Rübenkleinteile
50 KDS
Pülpe
75 KDS
144 Rübenkleinteile
Biopower Gärsub25 Kartoffelstärke
strat
243 Pülpe
Obst-/
Biopower GärsubGemüseabfälle
97 strat
245 Pülpe
BackObst-/ Gemüseabfäl/Süßwarenabfälle
23 le
55 Biopower Gärsubstrat
BackSiebgetreide
13 /Süßwarenabfälle
24 Obst-/ Gemüseabfälle
Getreidesiebabfälle
28 Getreidesiebabfälle
62 Back- /Süßwarenabfälle
Getreidesiebabfälle
8 Kartoffelschälabfälle
Abfälle a.n.g.Abfälle a.n.g.Brauereischlamm
46 Brauereischlamm
Obst4
/Gemüseabfälle
4 Obst-/Gemüseabfälle
11 Überlagerte Getränke
Siebgetreide
6 Kartoffelschälabfälle
8 Rübenkleinteile
Abfälle a.n.g.Zwiebelschälabfälle
27 Siebgetreide
5 Brauereischlamm
Schlämme aus ZentriSiebgetreide
5 Fettwassergemisch
26 fugierprozessen
Fettwassergemisch
52 Fettabscheiderinhalte
3 Obst-/Gemüseabfälle
Siebgetreide
Fettwassergemisch
Kakao Fabrikations5
rückstände
Rübenkleinteile
Fettabscheiderinhalte
September gesamt
783
Oktober gesamt
887
November gesamt
mS
[t]
154
74
13
25
244
68
16
15
18
119
9
2
39
6
4
51
4
151
158
1.169
Die Anlage C vergärt eine breite Palette von Substraten. Um die Berechnung der Raumbelastung zu vereinfachen werden ähnliche Substratarten zu Gruppen zusammengefasst Tabelle 2-39 stellt eine vereinfachte Übersicht dar, wobei in der ersten Spalte die zusammengefassten Substrate aufgelistet sind. In der zweiten Spalten wird jeweils die neue Bezeichnung
der zusammengefassten Gruppe aufgeführt.
2
Bei Mehrfachnennung einer Substratart handelt es sich um verschiedene Anlieferer
Kartoffeldampfschalen
4
Bier mit schlechten Hefekulturen
5
Fehlchargen der Schokoladenherstellung
3
37
Tabelle 2-39: Vereinfachte Übersicht der verarbeiteten Substrate
Substratart
September 2010
KDS, Pülpe
Kartoffelreste
Biopower Gärsubstrat
Obst-/Gemüseabfälle, ZwiebelObst-/Gemüseabfälle
schälreste
Back-/Süßwarenabfälle
Siebgetreide, Getreidesieb
Siebgetreide
Abfälle a.n.g.-Brauereischlamm
Fettwassergemisch
mS
[t]
231
243
128
23
59
46
52
Oktober 2010
KDS, Pülpe, Kartoffelschälabfälle
Siebgetreide, Getreidesiebabfälle
November 2010
KDS+Pülpe+Schlämme aus
Zentrifugierprozessen
Getreidesiebabfälle+Siebgetreide
Brauereischlamm+Überlagerte
Getränke
Rübenkleinteile
Kartoffelreste
Obst-/Gemüseabfälle
Siebgetreide
Fettwassergemisch
50
254
245
66
24
67
153
26
3
Kartoffelreste
217
234
13
244
75
16
37
Rübenkleinteile
Kartoffelstärke
Siebgetreide
121
51
4
158
Fettwassergemisch
Kakao Fabrikationsrückstände
Angaben zu TS- und oTS-Gehalten liegen zum Teil durch Analysen des DBFZ vor. Für die
Berechnung der realen Raumbelastung wurden diese Ergebnisse durch Literaturwerte ergänzt. Die Berechnung der organischen Fracht pro Monat erfolgt in Tabelle 2-41.
38
Tabelle 2-40: Substratanalyse des DBFZ der Anlage C
Probenahmedatum
Analysedatum
Substratart
23.11.2010
30.11.2010
07.12.2010
14.12.2010
21.12.2010
(fehlend)
04.01.2011
11.01.2011
18.01.2011
25.01.2011
01.02.2011
24.11.2010
01.12.2010
08.12.2010
16.12.2010
22.12.2010
29.12.2010
05.01.2011
12.01.2011
19.01.2011
26.01.2011
02.02.2011
Biopower
Fettabscheider
Pferdemist
Flotatfett
Kartoffel-Pulpe
(Kartoffelstärke)
Kieselgur
Fett-Wassergemisch
Fettabscheider
Kartoffelschlempe
Milchfett
TS
[%]
19,26
5,95
24,54
9,34
14,16
89,52
30,60
(fehlend)
(fehlend)
14,68
6,08
oTS
[%TS]
82,15
83,10
83,45
85,53
94,49
98,85
12,50
(fehlend)
(fehlend)
(fehlend)
80,46
39
Tabelle 2-41: Monatlicher oTS-Eintrag der Anlage C
Bez. in
September 2010
mS
Literatur.
[t]
Quelle
TS
oTS
mTS
moTS
moTS
[%]
[%TS]
[t]
[t oTS]
[kg oTS]
Kartoffelreste
231
Kartoffel-Pulpe
DBFZ
14,16
94,49
33
31
30.941
243
128
Biopower
Gastro-Abfälle
DBFZ
Axpo Genesys
19,26
24
82,15
89
47
31
38
27
38.438
27.409
Back-/ Süßwaren-abfälle
23
Altbrot
KTBL
65
97
15
15
14.665
Siebgetreide
Abfälle a.n.g.Brauereischlamm
59
Getreidestaub
KTBL
87
65
51
33
33.268
46
Biertreber
KTBL
24
96
11
11
10.534
Fettwassergemisch
52
Flotatfett
DBFZ
9,34
85,53
5
4
4.173
192
159
159.429
Gesamt
783
Oktober 2010
Rübenkleinteile
50
Zuckerrüben
KTBL
19,5
96
10
9
9.435
Kartoffelreste
254
Kartoffel-Pulpe
DBFZ
14,16
94,49
36
34
33.973
245
Biopower
19,26
82,15
47
39
38.739
66
Gastro-Abfälle
DBFZ
Axpo
Genesys
23
89
15
13
13.412
24
Altbrot
KTBL
65
97
15
15
14.892
Siebgetreide
67
Getreidestaub
KTBL
87
65
58
38
37.883
153
Biertreber
KTBL
24
96
37
35
35.177
26
Flotatfett
DBFZ
9,34
85,53
2
2
2.042
Fettabscheider
DBFZ
5,95
83,10
0
0
155
221
186
185.709
Fettwassergemisch
Gesamt
3
887
40
November 2010
Bez. in
Literatur.
mS
Quelle
[t]
TS
oTS
mTS
moTS
moTS
[%]
[%TS]
[t]
[t oTS]
[kg oTS]
Kartoffelreste
217
Kartoffel-Pulpe
DBFZ
14,16
94,49
31
29
29.082
Rübenkleinteile
234
Zuckerrüben
KTBL
19,5
96
46
44
43.741
Kartoffelstärke
13
Kartoffelstärke
DBFZ
89,52
98,85
11
11
11.096
Biopower
19,26
82,15
47
39
38.660
24
89
18
16
15.962
244
75
Gastro-Abfälle
DBFZ
Axpo
Genesys
16
Altbrot
KTBL
65
97
10
10
9.962
Siebgetreide
37
Getreidestaub
KTBL
87
65
32
21
20.940
121
Biertreber
KTBL
24
96
29
28
27.769
51
Flotatfett
DBFZ
9,34
85,53
5
4
4.093
4
Milchfett
DBFZ
6,08
80,46
0
0
188
Fettabscheider
DBFZ
5,95
83,10
9
8
7.808
238
209
209.301
Fettwassergemisch
Kakao Fabrikationsrückstände
Gesamt
158
1.169
41
Den Berechnungen zufolge betrug die organische Belastung der Anlage 159.429 kg oTS im
September, 185.709 kg oTS im Oktober und 209.301 kg oTS im November. Da beide Fermenter über dasselbe Reaktorvolumen verfügen wird die monatlich eingetragene organische
Last zu gleichen Teilen auf diese verteilt. Über die Füllstände der Fermenter existieren für
das Betriebsjahr 2010 keine Aufzeichnungen, so dass bei den weiteren Berechnungen von
einer vollständigen Auslastung ausgegangen wird. Dies bedeutet, das Fermentervolumen
wird zur weiteren Berechnung auf jeweils 1000 m³ angesetzt. In Tabelle 2-42 wird nun die
Raumbelastung der Anlage C ermittelt.
Tabelle 2-42: Berechnung der Raumbelastung der Anlage C
moTS
Füllstand
[kg oTS]
[m³]
September 2010
79.714
1.000
Oktober 2010
92.854
1.000
November 2010
104.651
1.000
Tage
[d]
30
31
30
BR
[kg oTS/d*m³]
2,66
3,00
3,49
Im September betrug die Raumbelastung pro Fermenter 2,66 kg oTS/d*m³ und wurde zum
Oktober hin um 0,34 kg oTS/d*m³ gesteigert. Sie belief sich somit auf 3 kg oTS/d*m³. Zum
November fand eine erneute Steigerung um 0,49 kg oTS/d*m³ statt und erreichte damit einen Wert von 3,49 kg oTS/d*m³.
Da beide Fermenter mittels Gaseinpressung durchmischt werden kann von einem volldurchmischten Rührkessel ausgegangen werden. Die Anlage C liegt im Betrachtungszeitraum im Rahmen der in der Literatur angegebenen Werte.
Die Berechnung der Verweilzeit erfolgt unter der Betrachtung des Gesamtanlagenvolumens.
In den Monatsberichten wird die Substratzufuhr unter der Bezeichnung „Menge Rohsuspension“ angegeben. Die Substratzufuhr ist hierbei eine Mischung aus aufbereitetem Substrat,
Gärrest aus den Fermentern und angefallenem Brauchwasser, so dass eine genaue Bestimmung der Substratmenge und -zusammensetzung nicht möglich ist.
Tabelle 2-43: Verweilzeit der Anlage C
VR
[mR³]
September 2010
2000
Oktober 2010
2000
November 2010
2000
VS
[mS³/Monat]
783
887
1.169
Τ
[d]
[mS³/d]
26
29
39
77
70
51
Die für den Betrachtungszeitraum errechnete Verweilzeit liegt im September bei 77 Tagen,
im Oktober bei 70 Tagen und im November bei 51 Tagen. Da in der Betriebspraxis Gärrest
aus den Fermentern sowie Brauchwasser zugemengt werden, ist die reale Verweilzeit niedriger anzusetzen.
2.3.4 Biogasausbeute
Die Werte für die Berechnung sind in der zweiten Spalte von Tabelle 2-44 aufgeführt. Der
tägliche oTS-Eintrag wird aus den Daten aus Tabelle 2-42 berechnet.
42
Tabelle 2-44: Biogasausbeute der Anlage C
Sept. 2010
Okt. 2010
Nov. 2010
VG
VN
[mG³Monat]
44.385
80.836
46.976
[mN³/Monat]
37.225
67.796
39.398
moTS
[kg oTS]
159.429
185.709
209.301
Y
[m³/kg oTS]
0,2335
0,3651
0,1882
Y
[l/kg oTS]
233
365
188
Die Biogasausbeuten der Anlage C weisen im Betrachtungszeitraum deutliche Schwankungen auf. Im September liegt die Ausbeute bei einem Wert von 233 l/kg oTS und steigt zum
Folgemonat um 132 l/kg oTS an. Das Hoch von 365 l/kg oTS, welches somit im Oktober erreicht wird, hält sich nicht lange und zum November ist ein Abfall der Gasausbeute um rund
50 % auf 188 l/kg oTS zu verzeichnen.
Die Biogasproduktivität der Anlage C wird in Tabelle 2-45 berechnet.
Tabelle 2-45: Biogasproduktivität der Anlage C
VN
VR
[mN³/Monat]
[mR³]
Sept. 2010
37.225
1000
Okt. 2010
67.796
1000
Nov. 2010
39.398
1000
Tage
[d]
PG
[m³/ mR³*d]
30
31
30
1,24
2,19
1,31
2.3.6 Abbaugrad
Das vergorene Substrat wird aus dem Fermenter ausgetragen, abgepresst und anschließend
zur Nachrotte zu einem nahe gelegenen Kompostwerk gefahren. Wie bei der Anlage B findet
keine durchgängige Gärrestanalyse statt, so dass die Ergebnisse des DBFZ die einzige Bezugsquelle darstellen. Da im Vorfeld nur die TS- und oTS-Gehalte der Substrate im Zeitraum
September bis November berechnet wurden und die Probenahme durch das DBFZ im November begann, kann der Abbaugrad nur für den Monat November berechnet werden. Tabelle 2-47 enthält die Ergebnisse der Gärrestanalyse durch das DBFZ.
Tabelle 2-46: TS- und oTS-Gehalte der Substratmischung
FS
TS
oTS
[t/Monat]
[t/Monat]
[t/Monat]
Sept. 2010
78.261
19.248
15.943
Okt. 2010
88.672
22.086
18.571
Nov. 2010
116.910
23.839
20.930
Tabelle 2-47: Ergebnisse der Gärrestanalysen des DBFZ
Probenahmedatum
Analysedatum
TS
[%]
23.11.2010
24.11.2010
30.11.2010
01.12.2010
07.12.2010
08.12.2010
07.12.2010
16.12.2010
21.12.2010
22.12.2010
(fehlt)
29.12.2010
TS
[%]
oTS
[%TS]
25
25
20
83
84
88
oTS
[%TS]
3,64
3,55
6,89
4,18
8,15
27,9
56,38
54,10
53,44
50,81
57,95
55,02
43
Tabelle 2-48: Zusammenfassen der Ergebnisse der Gärrestanalyse durch das DBFZ
Probenahmedatum
Analysedatum
TS
oTS
[%]
[%TS]
23.11.2010
24.11.2010
3,64
30.11.2010
01.12.2010
3,55
Mittelwert
3,60
56,38
54,10
55,24
In Tabelle 2-49 kann nun der Abbaugrad des Substrats für den Monat November berechnet
werden.
Tabelle 2-49: Berechnung des Abbaugrads in der Anlage C
TS-Gehalt
TS-Gehalt
oTS-Gehalt
ηTS
Anlageninput Anlagenoutput
Anlageninput
[%]
[%]
[%]
[%TS]
Nov. 2010
20
3,6
82
88
oTS-Gehalt
Anlagenoutput
[%TS]
55,24
ηoTS
[%TS]
88,7
Im Folgenden wird der Auslastungsgrad der Anlage C ermittelt. Die BHKW werden mit den in
den Monatsberichten geführten Bezeichnung aufgelistet. Die Laufzeit ist ebenfalls den Monatsberichten entnommen. Dort wird sie in Minuten angegeben und wird in der fünften Spalte
von Tabelle 2-50 in Stunden umgerechnet. Durch Multiplikation der installierten Leistung mit
den Betriebsstunden ergibt sich die reale elektrische Leistung.
Die Anlage C verfügt über drei BHKW mit einer elektrischen Gesamtleistung von 861 kW.
Allerdings wird in Tabelle 2-50 ersichtlich, dass das BHKW G3 nur als Reserve BHKW genutzt wird und im Normalbetrieb nicht zum Einsatz kommt. Es wird daher in der Rechnung
vernachlässigt.
Tabelle 2-50: Leistungsabgabe der Anlage C
Bezeichnung in
Installierte
der
Leistung
Dokumentation
[kW]
September 2010 BHKW G1
307
BHKW G2
307
BHKW G3
247
Oktober 2010
BHKW G1
307
BHKW G2
307
BHKW G3
247
November 2010 BHKW G1
307
BHKW G2
307
BHKW G3
247
Reale
Leistung
Laufzeit
[min]
16.484
26.936
0
17.076
26.250
0
27.370
15.455
0
[h]
275
449
0
285
438
0
456
258
0
[kWh]
84.343
137.823
0
87.372
134.313
0
140.043
79.078
0
Aus den Daten der Tabelle 2-51 kann ergibt sich der Auslastungsgrad der Anlage C.
44
Tabelle 2-51: Auslastungsgrad der Anlage C
Erreichte elektrische
Leistung
[kWh]
September 2010
222.166
Oktober 2010
221.685
November 2010
219.121
gesamt
662.972
mögliche elektrische
Leistung
[kWh]
442.080
456.816
442.080
1.340.976
Auslastungsgrad
[%]
50
49
50
49
Im Betrachtungszeitraum fuhr die Anlage C mit einer gesamten elektrischen Leistung von
662.972 kWh. Damit ergibt sich ein Auslastungsgrad von 49,3%.
45
3 Substratcharakterisierung bei Abfallvergärungsanlagen
Im Gegensatz zu den landwirtschaftlichen Anlagen weisen Abfallanlagen stark variierende
Substratzusammensetzungen auf, was die Prozessführung deutlich erschwert.
Für die Vergärung von Bioabfällen werden in der Literatur große Spannbreiten für die Stoffzusammensetzung, den Gasertrag und die Gaszusammensetzung angegeben, eine Übersicht verfügbarer Daten kann Tabelle 3-1 entnommen werden. Dabei wird die im Gesamtbild
nicht zufriedenstellende Datenlage ersichtlich. Kursiv dargestellte Zahlen wurden auf Basis
der zur Verfügung stehenden Daten berechnet, sofern ein eindeutiges Ergebnis angegeben
werden kann. Es werden nur deutschsprachige Literaturquellen verwendet, da die Definition
von Bioabfall (Biowaste) international sehr unterschiedlich ist und daher auch die Ergebnisse
nicht direkt vergleichbar sind.
Tabelle 3-1: Zusammenstellung von Gasertragspotenzialen aus Bioabfall.
TS
oTS
Biogasertrag
Methangehalt
-1
-1
Substrat
[%]
[% TS]
[m³*tFM ]
[m³*toTS ]
[%]
Biomüll
[KTBL 2005]
Bioabfall
[Gronbach oJ]
Methanertrag
-1
[m³CH4*toTS ]
40
50
123
615
60
369
20- 35
-
60-200
-
-
-
Bioabfall
[Jäkel 2000]
Biomüll
[Archea 2001]
56
50
182
650
61,5
400
67,5
50
151,9
450
-
-
Bioabfall
[Wiegland oJ]
60-75
30-70
-
200-600
-
-
65
45
-
400
-
-
Bioabfall
[Eggersglüß 2001]
60-75
30-70
-
300-900
-
-
Biotonne
[FNR 2005]
40-75
50-70
80-120
150-600
58-65
-
Spannbreite
20-75
30-70
60-182
150-900
58-65
369-400
Bioabfälle
[Linke 2000]
Nach dieser Auflistung sind Angaben zu Stoffdaten und Gaserträgen der Bioabfallvergärung
im Vergleich zur Nutzung nachwachsender Rohstoffe relativ hohen Spannbreiten unterworfen, teilweise sind die Angaben unvollständig. Saisonale Unterschiede werden ebenfalls
nicht angegeben. Die Angabe des Methangehaltes fehlt bis auf zwei Ausnahmen völlig in
einem dritten Fall konnte sie aus den weiteren Daten berechnet werden. Somit kann eine
Bioabfallanlage auf Basis der aktuellen Daten nur schwer hinsichtlich der zu erwartenden
Trockensubstanzgehalte und der zu erwartenden Gasproduktion im Jahresverlauf eingeschätzt werden.
Die im Vorhaben durchgeführte intensive Analyse der verwendeten Substrate und Gärrestedient der Erstellung eines Substratkatalogs. Mit Hilfe umfangreicher Primärdaten kann
eine Beurteilung des Vergärungsprozesses, der eingesetzten Anlagentechnik, sowie Betriebsparameter erfolgen.
46
Die an Substrat und Gärrest vorgenommene Analytik umfasst dabei folgende Parameter:
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
pH-Wert
Trockensubstanz
organische Trockensubstanz
FOS
Ammonium-Stickstoff
Gesamt-Stickstoff
Rohfaser
Rohfett
Brennwert
Wassergehalt
Die Methoden zur Durchführung der Analysen werden im Anhang beschrieben. Die Probenahme fand über einen Zeitraum von 37 Wochen statt, dabei wurde von allen drei Biogasanlagen wöchentlich Substrate und Gärreste untersucht. Drei Gärrestproben und ausgewählte
Substrate wurden zusätzlich einer Gas- bzw. Restgaspotenzialanalyse unterzogen.
3.1
Ergebnisse der betriebsspezifischen Messprogramme
3.1.1 Substrat und Gärrestanalysen der Anlage B
Im Folgenden werden die Ergebnisse der Futtermittelanalytik (FMA) dargestellt. Die Futtermittelanalytik bietet die Möglichkeit, den pauschalen Parameter organische Trockensubstanz
zu differenzieren. Mit Kenntnis der spezifischen Abbaukoeffizienten der Einzelfraktionen ist
sowohl eine Abschätzung des potenziellen Gasertrags eines Substrats, als auch der damit
korrellierenden Abbaugrade möglich.
Die Analyse der Parameter Rohprotein (RP), Rohfaser (RFA), Säure-Detergentien-Faser
(ADF) und Neutral-Detergentien-Faser (NDF) erfolgte nach der Methodenvorschrift der
VDLUFA6. Die folgende Abbildung 3-1 zeigt den Verlauf der analysierten Parameter für die
Anlage B über den Untersuchungszeitraum von November 2010 bis August 2011.
6
VDLUFA, Methodenbuch III, Futtermitteluntersuchung, Amtliche Methode, Hamburg 1988.
47
600
RP- Rohprotein
RF - Rohfett
RFA- Rohfaser
ADF - saure Detergenzienfaser
NDF - neutrale Detergenzienfaser
Konzentraion [g/kgTS]
500
400
300
200
100
0
24.11.2010
13.12.2010
01.01.2011
20.01.2011
08.02.2011
27.02.2011
18.03.2011
06.04.2011
25.04.2011
14.05.2011
02.06.2011
21.06.2011
10.07.2011
29.07.2011
Abbildung 3-1: Anlage B – Änderungen in der Zusammensetzung der Futtermittelparameter bei
der Bioabfallvergärung über einen Untersuchungszeitraum von 37 Wochen.
Die Darstellung zeigt insbesondere im Winterhalbjahr 2010/2011 mit Ausnahme des Rohfettgehalts eine relativ starke und unregelmäßige Schwankung der untersuchten Futtermittelparameter. Aus diesem Grund wurde eine Mittelwertbestimmung für den gesamten Untersuchungszeitraum und eine getrennte Berechnung für den Winter (November 2010 bis
Februar 2011) und den Sommer (März bis August 2011) vorgenommen.
Tabelle 3-2: Ergebnisse der Futtermittelanalyse für das Substrat der Anlage B im Zeitraum November 2010 bis August 2011.
Zeitraum
TS
oTS
TKN
RP
RF
RFA
ADF
[%]
[%TS]
-1
[g*kg TS]
-1
[g*kg TS]
-1
[g*kg TS]
-1
[g*kg TS]
-1
[g*kg TS]
NDF
Winter
43±3
66±6
35±12
219±73
27±11
183±32
324±96
370±59
Sommer
44±9
55±7
29±10
178±59
25±10
179±30
250±33
326±39
Gesamt
43±8
59±8
31±11
187±66
26±10
182±31
280±75
341±51
[g*kg
-1
TS]
Die Analysenergebnisse für Trockensubstanz und organische Trockensubstanz liegen mit
43±8 % bzw. 59±8 % im Bereich der in der Literatur dokumentierten Werte. Nach Aussagen
des Betreibers schwankt die Zusammensetzung des Bioabfalls im Jahresverlauf aufgrund
des saisonal verstärkten Anfalls von Grünschnitt und Laub, was im Rahmen der Betrachtung
der wochenweise erfolgten Analysen auch nachvollzogen werden kann und somit die Notwendigkeit einer längerfristigen Untersuchung erklärt. Im Mittel liegt der Trockensubstanzgehalt des Inputs im Sommer geringfügig höher, ist aber auch größeren Abweichungen unterworfen. Die Fraktionen der Futtermittelanalyse zeigen hingegen im Sommer durchweg niedrigere Konzentrationen, was sich auch mit dem deutlich geringeren mittleren organischen
Trockensubstanzgehalt von 55±7 % gegenüber 66±6 % im Winterhalbjahr deckt. Zur Beurteilung der unterschiedlichen Gasertragspotenziale wird eine Berechnung auf Basis der Futtermittelfraktionen ]Mauky [2011] vorgenommen.
48
Tabelle 3-3:
Zeitraum
Abschätzung des Gasertragspotenzials für Bioabfall der Anlage B, auf Mittelwertbasis der untersuchten Futtermittelfraktionen. Berechnungen mit einem angenommenen Abbaugrad von 70 % auf Basis von [Mauky 2011].
TS
oTS
Biogas
Anteil CH4
-1
[%]
[%TS]
[m³*tFM ]
[%]
Winter
Sommer
Gesamt
43
44
43
66
55
59
92
66
74
51
52
52
Die Gasertragsberechnungen zeigen erwartungsgemäß Übereinstimmung mit den in der
Literatur dokumentierten Wertebereichen von 60-182 m³*tFM-1. Aufgrund des deutlich höheren
Anteils organischer Trockensubstanz im Winterhalbjahr ist das theoretische Gasertragspotenzial bei annähernd gleichem Trockensubstanzanteil um rund 39 % größer. Abweichend
von den Literaturdaten fällt der Methananteil bei der Berechnung geringer aus. Dies wird
durch die Festlegung der Abbaugrade und/oder durch physikalische und biologische Prozesse im Fermenter beeinflusst, die durch ein stöchiometrisches Prozessmodell nicht abgebildet
werden können.
Analog zur Bestimmung der Futtermittelparameter im Input wurde eine Untersuchung der
Gärreste vorgenommen, die Ergebnisse werden nachfolgend dargestellt.
Tabelle 3-4: Ergebnisse der Futtermittelanalyse für den Gärrest der Anlage B im Zeitraum
November 2010 bis August 2011.
Zeitraum
TS
oTS
TKN
RP
RF
RFA
ADF
[%]
[%TS]
-1
[g*kg TS]
-1
[g*kg TS]
-1
[g*kg TS]
-1
[g*kg TS]
-1
[g*kg TS]
Winter
25±1
49±4
25±8
129±77
13±15
175±39
367±97
319±21
Sommer
29±2
43±6
27±11
133±65
17±15
167±32
275±38
280±75
Gesamt
28±2
45±6
26±10
132±69
16±15
170±34
306±78
294±65
NDF
[g*kg
-1
TS]
Die Analyse der Gärreste zeigt deutliche Parallelen zum Substrat auf. Im Sommerhalbjahr
werden Substrate mit höherem Trockensubstanzgehalte eingesetzt, die jedoch in der Summe einen niedrigeren Anteil organischer Trockensubstanz aufweisen. Entsprechend fallen
auch die Fraktionen der Futtermittelanalyse geringfügig ab. Grundsätzlich wäre aufgrund der
Homogenisierung des Materials im Fermenter in Kombination mit einer mehrwöchigen Verweilzeit mit sehr geringen Standardabweichungen aller Parameter zu rechnen, dies ist jedoch nicht der Fall. Die Ursachen dafür sind vorrangig in den variablen Verweilzeiten und der
Probenahme zu sehen.
3.1.2
Substrat und Gärrestanalysen der Anlage A
Die Einsatzstoffe der Anlage A sind vergleichsweise fetthaltig und inhomogen. Im Gegensatz
zur Anlage B erfolgte eine Beprobung der unterschiedlichen Einzelsubstrate, daher kann
keine kumulierte Darstellung der jeweils eingebrachten Stoffe im Jahresverlauf erfolgen. Der
zusätzlich eingebrachte Eisenschlamm dient nicht als abbaubares Material, sondern wird zur
Bindung von Schwefel im Gärsubstrat und somit zur Reduktion der Schwefelwasserstoffgehalte im Biogas zugefügt. Die folgende Tabelle zeigt den Verlauf der Futtermittelfraktionen
für die Anlage A über den Untersuchungszeitraum von November 2010 bis August 2011.
49
Tabelle 3-5: Ergebnisse der Futtermittelanalyse für die verschiedenen Substrate der Anlage A
im Zeitraum November 2010 bis August 2011.
Probenbezeichnung
TKN
RP
RF
RFA
ADF
NDF
(Charakterisierung-Probenahmedatum)
[g/kgTS]
[g/kgTS]
[g/kgTS]
[g/kgTS]
[g/kgTS]
[g/kgTS]
10
61
n. a.
n. a.
n. a.
n. a.
n. a.
n. a.
n. a.
n. a.
n. a.
n. a.
Fettschlamm 23.11.2010
50
249
257
n. a.
n. a.
n. a.
Eisenschlamm 26.11.2010
n.n.
n.n.
5
n. a.
33
n. a.
BWE 02.12.2010
15
96
183
n. a.
n. a.
n. a.
4
26
26
n. a.
n. a.
n. a.
Glycerin 03.01.2011
1
8
3
n. a.
n. a.
n. a.
24
151
306
n. a.
n. a.
n. a.
BWE 11.01.2011
3
22
226
n. a.
n. a.
n. a.
Mayonnaiseschlamm 14.01.2011
23
144
907
n. a.
n. a.
n. a.
24
150
64
n. a.
n. a.
n. a.
28
175
323
n. a.
n. a.
n. a.
27
168
42
n. a.
n. a.
n. a.
BWE 10.02.2011
2
10
169
n. a.
n. a.
n. a.
10
62
366
n. a.
n. a.
n. a.
22
135
101
n. a.
n. a.
n. a.
Speisereste 18.03.2011
52
319
108
70
234
361
44
274
313
n. a.
n. a.
n. a.
44
278
93
109
216
322
37
232
121
n. a.
n. a.
n. a.
Glycerin 16.05.2011
0
1
2
n. a.
n. a.
n. a.
Biomix 23.05.2011
18
112
128
184
206
355
29
180
550
n. a.
n. a.
n. a.
Biomix 03.06.2011
37
220
46
181
244
479
43
255
59
77
347
257
13
80
102
n. a.
n. a.
n. a.
44
275
n.a.
n. a.
n. a.
n. a.
24
106
470
n. a.
n. a.
n. a.
Glycerin 25.07.2011
0
2
n. a.
n. a.
n. a.
n. a.
Vorgrube 29.07.2011
12
62
28
n. a.
n. a.
n. a.
BWE 29.07.2011
2
13
371
n. a.
n. a.
n. a.
43
263
150
66
141
226
1-52
1-319
2-907
(66-181)
(33-347)
(226-361)
Glycerin 20.11.2010
Bereich
Die Futtermittelanalyse ist im Falle der Untersuchung fetthaltiger Substrate methodisch eingeschränkt, da sie getrocknete Proben voraussetzt. Da fetthaltige Substanzen nicht mit den
zur Verfügung stehenden Standardmethoden eintrocknen, konnten nicht alle Parameter dieser Stoffe analysiert werden (n.a.). Die Messgrößen Rohprotein und Rohfett sind hiervon
nicht betroffen, da sie mit der Feuchtmasse der Proben ermittelt werden können. Die Problematik tritt bei der Behandlung des Gärrestes, aufgrund des hohen Gülleanteils im Input und
des starken Fettabbaus nicht auf.
50
Tabelle 3-6: Ergebnisse der Futtermittelanalyse für den Gärrest der Anlage A im Zeitraum November 2010 bis August 2011.
Probenbezeichnung
TKN
RP
RF
RFA
ADF
NDF
[g/kgTS]
[g/kgTS]
[g/kgTS]
[g/kgTS]
[g/kgTS]
[g/kgTS]
Gärrest 23.11.2010
65
294
53
107
294
250
Gärrest 30.11.2010
65
337
58
83
201
258
Gärrest 06.12.2010
65
317
40
86
155
247
Gärrest 14.12.2010
65
322
57
79
154
248
Gärrest 21.12.2010
83
431
43
77
154
267
Gärrest 28.12.2010
61
311
68
75
147
251
Gärrest 04.01.2011
65
312
56
72
166
223
Gärrest 11.01.2011
63
294
n.a.
73
n.a.
n.a.
Gärrest 18.01.2011
65
313
59
58
260
193
Gärrest 25.01.2011
66
343
63
68
286
195
Gärrest 01.02.2011
64
326
59
66
299
226
Gärrest 08.02.2011
62
272
57
70
145
221
Gärrest 15.02.2011
62
329
65
62
137
206
Gärrest 22.02.2011
62
333
64
62
130
202
Gärrest 01.03.2011
59
304
56
59
259
352
Gärrest 08.03.2011
61
329
56
64
121
217
Gärrest 22.03.2011
59
326
40
77
111
211
Gärrest 05.04.2011
60
321
62
66
87
119
Gärrest 12.04.2011
61
318
62
74
112
218
Gärrest 19.04.2011
61
284
53
67
116
200
Gärrest 26.04.2011
64
324
53
74
110
219
Gärrest 03.05.2011
64
301
62
67
259
178
Gärrest 10.05.2011
64
315
71
70
116
181
Gärrest 17.05.2011
62
309
55
128
113
192
Gärrest 24.05.2011
64
317
50
132
120
192
Gärrest 31.05.2011
67
342
49
139
139
215
Gärrest 07.06.2011
65
327
55
72
140
208
Gärrest 14.06.2011
67
334
49
81
130
213
Gärrest 21.06.2011
68
356
54
75
323
202
Gärrest 28.06.2011
68
326
50
89
136
212
Gärrest 05.07.2011
70
344
45
69
117
215
Gärrest 12.07.2011
71
334
74
76
90
220
Gärrest 19.07.2011
71
283
42
65
125
219
Gärrest 26.07.2011
72
318
48
69
110
210
Gärrest 02.08.2011
73
324
50
72
120
215
Gärrest 03.08.2011
72
350
65
71
125
218
Gärrest 04.08.2011
74
309
66
70
116
219
Mittelwert Gärrest
65±4
320±19
56±8
76±20
154±66
210±33
Die Gärreste der Anlage A zeichnen sich im Vergleich zur Anlage B trotz des inhomogenen
und variablen Inputs durch eine sehr konstante Zusammensetzung aus. Zu begründen ist
dies mit der hohen Verweilzeit der Fermenter von bis zu 190 Tagen.
51
3.1.3
Substrat und Gärrestanalysen der Anlage C
Die Inputstoffe der Anlage C prägen die Ergebnisse der Futtermittelanalysen aufgrund des
fortlaufend veränderlichen Inputs, dabei werden sowohl Fettabscheiderfette unterschiedlicher
Herkunft und Zusammensetzung als auch NawaRo (Rüben und Getreide), Reststoffe der
Lebensmittelproduktion wie z. B. diverse Kartoffelreste, Olivenreste, Bonbons aber auch
Pferdemist und -gülle sowie weitere Abfallstoffe, die teils unter Markennamen vertrieben
werden, eingesetzt. Die folgende Tabelle zeigt den Verlauf der Futtermittelfraktionen für die
Anlage C über den Untersuchungszeitraum von November 2010 bis August 2011.
52
Tabelle 3-7: Ergebnisse der Futtermittelanalyse für die verschiedenen Substrate der Anlage C
im Zeitraum November 2010 bis August 2011.
Probenbezeichnung
TKN
RP
RF
RFA
ADF
NDF
[g/kgTS]
[g/kgTS]
[g/kgTS]
[g/kgTS]
[g/kgTS]
[g/kgTS]
Biopower 23.11.2010
42
259
47
130
195
258
Fettabscheider 30.11.2010
129
809
995
n. a.
n. a.
n. a.
Pferdemist 07.12.2010
11
70
n.n.
516
583
739
Flotatfett 14.12.2010
34
214
447
n. a.
n. a.
n. a.
Kartoffel-Pulpe 21.12.2010
8
52
1
236
336
577
Kartoffelstärke 28.12.2010
0
0
n.n.
0
13
794
Kieselgur 04.01.2011
10
64
2
12
50
43
Fett-Wassergemisch 11.01.2011
40
250
88
n. a.
n. a.
n. a.
55
342
88
n. a.
n. a.
n. a.
Kartoffelschlämme aus Zentrifuge 25.01.2011
36
220
31
52
267
281
Milchfett 01.02.2011
52
404
189
n. a.
n. a.
n. a.
Verarbeitungsreste Olivenproduktion
16
89
101
402
474
646
13
84
11
145
178
370
08.02.2011
Silierte Rüben 15.02.2011
Rückstand Bonbonproduktion 22.02.2011
0
1
n. a.
n. a.
n. a.
n. a.
Backmischung 01.03.2011
21
131
15
104
139
515
Getreide Siebabfall 08.03.2011
23
147
26
157
185
497
Kakao 15.03.2011
8
50
304
n. a.
n. a.
n. a.
23
145
61
n. a.
n. a.
n. a.
39
242
229
n. a.
n. a.
n. a.
19
n.a.
n.a.
n.a.
n.a.
n.a.
Fettabscheider 1 12.04.2011
43
272
299
n. a.
n. a.
n. a.
Fettabscheider 2 12.04.2011
43
133
13
n. a.
n. a.
n. a.
108
369
64
143
261
369
Biopower 26.04.2011
45
279
238
169
314
341
Kartoffelzentrifuge 03.05.2011
34
209
20
38
183
210
32
202
306
n. a.
n. a.
n. a.
12
73
603
n. a.
n. a.
n. a.
9
55
1
23
44
35
Raps 31.05.2011
39
241
273
70
152
291
Maiskeimlinge 07.06.2011
24
148
381
303
377
621
25
156
92
n. a.
n. a.
n. a.
5
33
1
18
69
36
Fettwassergemisch 28.06.2011
50
241
60
n. a.
n. a.
n. a.
9
214
0
n. a.
n. a.
n. a.
Kartoffel 12.07.2011
25
158
10
100
162
427
Getreide 19.07.2011
21
129
n. a.
152
195
587
Pferdegülle 21.07.2011
34
130
n. a.
40
187
157
Vinasse 02.08.2011
50
311
n.a.
n.a.
n.a.
n.a.
Auch hier besteht das methodische Problem der Futtermittelanalyse im Umgang mit fetthaltigen Inputstoffen. Es zeigte sich, dass bei den umfangreich eingesetzten Fettabscheiderrückständen, je nach Herkunft Parameter, bei einer Probe bestimmbar waren und bei anderen
Proben wiederum nicht. Weiterhin konnte beispielsweise Dr. Soldan-Mix nicht vollständig
analysiert werden, da eine Probenaufbereitung aufgrund des hohen Zuckergehalts und der
damit verbundenen Eigenschaften wie hoher Löslichkeit in Wasser und Karamellisation bei
53
Erwärmung mit einer Veränderung der Probe einherging. Das breite, wechselnde Substratspektrum wirkt sich, anders als bei der Anlage A, auch auf die Gärreste aus, wie in der
nachfolgenden Tabelle dargestellt.
Tabelle 3-8: Ergebnisse der Futtermittelanalyse für den Gärrest der Anlage C im Zeitraum November 2010 bis August 2011.
TKN
RP
RF
RFA
ADF
NDF
Probenbezeichnung
[g/kgTS]
[g/kgTS]
[g/kgTS]
[g/kgTS]
[g/kgTS]
[g/kgTS]
Gärrest 23.11.2010
92
306
16
156
423
293
Gärrest 30.11.2010
95
351
19
105
229
249
Gärrest 07.12.2010
56
226
3
185
292
358
Gärrest 07.12.2010
77
274
13
127
237
261
Gärrest 21.12.2010
11
49
0
267
393
451
Gärrest 04.01.2011
74
306
14
225
304
395
Gärrest 12.01.2011
40
167
7
299
413
494
Gärrest 18.01.2011
51
181
15
152
302
284
Gärrest 25.01.2011
77
287
20
168
324
306
Gärrest 01.02.2011
57
244
22
113
191
236
Gärrest 01.02.2011
61
235
13
224
340
447
Gärrest 22.02.2011
66
240
39
111
201
233
Gärrest 01.03.2011
73
291
47
165
259
352
Gärrest 08.03.2011
79
495
41
100
175
211
Gärrest 14.03.2011
98
325
47
105
190
243
Gärrest 22.03.2011
134
434
13
71
136
174
Gärrest 29.03.2011
189
769
42
80
173
213
Gärrest 05.04.2011
85
338
63
175
69
294
Gärrest 19.04.2011
108
369
64
143
261
369
Gärrest 26.04.2011
103
387
65
127
224
279
Gärrest 03.05.2011
103
370
86
132
229
261
Gärrest 10.05.2011
95
340
61
124
207
251
Gärrest 17.05.2011
96
292
61
119
170
185
Gärrest 24.05.2011
87
335
36
128
159
196
Gärrest 31.05.2011
89
343
40
119
160
224
Gärrest 07.06.2011
92
284
32
66
133
162
Gärrest 21.06.2011
94
282
49
145
725
299
Gärrest 28.06.2011
90
329
48
119
198
269
Gärrest 05.07.2011
83
252
44
112
241
237
Gärrest 12.07.2011
89
343
42
138
204
290
Gärrest 19.07.2011
124
264
66
76
164
218
Gärrest 26.07.2011
130
480
45
73
137
194
Gärrest 02.08.2011
79
327
36
133
214
292
Mittelwert Gärrest
87±30
319±116
37±21
139±51
245±117
279±80
(CharakterisierungProbenahmedatum)
Die schwankende Zusammensetzung der Substrate kann offenbar nicht, wie an der Anlage
A durch eine sehr lange Verweilzeit kompensiert werden. Da die Anlage als Klärschlammbehandlung konzipiert wurde, führt der Einsatz von faserigen sowie fett- und feststoffhaltigen
Kofermenten zur Ausbildung von Sink- bzw. Schwimmschichten. Da die Fermenter nicht voll
durchmischt sind und der Gärrest am Grund abgezogen wird, besteht somit grundsätzlich die
54
Möglichkeit des Vorliegens von selektiven Verweilzeiten. Mit diesem Ansatz wären schwankende Zusammensetzungen als auch die geringen Ablaufwerte für Rohfett erklärbar.
3.1.4 Gärrestpotenziale und Gasbildungspotenziale ausgewählter Substrate
Im Laufe des Projektzeitraumes wurden diskontinuierliche Gärtests ausgewählter Substrate
und der Gärreste durchgeführt. Richtlinie für die Durchführung der Vergärungsversuche ist
die VDI 4630 Nr.5a. Zur Durchführung des Biogaspotenzialtests erfolgten Probenansätze
von je 1 g oTS Probe mit je 250 g Impfschlamm in drei Parallelansätzen. Um das Restgaspotenzial zu bestimmen wurden ca. 150 g Probematerial in drei Parallelansätzen verwendet.
Die Messung von TS und oTS erfolgten nach DIN/ISO 11465 bzw. DIN 38 409-H1-3. Im Folgenden werden die Ergebnisse dargestellt.
In den Tabellen sind die spezifischen Gaserträge bezogen auf die organische Trockensubstanz (oTS) hinterlegt. Diese Werte sind Mittelwerte der Dreifachansätze. Bei den Proben
wurden die gebildeten Biogaserträge um die Biogasbildung des Impfsubstrates korrigiert.
Tabelle 3-9: Ergebnisse der diskontinuierlichen Gärtests für ausgewählte Substrate und Gärreste der untersuchten Anlagen.
Spezif. GasCO2
H2S
TS
oTS
CH4
bildung
Probe
[%]
[%]
[ppm]
[%]
[%TS]
[mlN/goTS]
BWE
10.02.2011
Bioabfall
15.02.2011
Silierte Rüben
15.02.2011
63,117
100
45,38
Anlage A
Gärrest
15.02.2011
Anlage B
Gärrest
15.02.2011
Anlage C
Gärrest
15.02.2011
8
336
52
48
1286
63,44
353
65
35
34
18,79
74,12
784
78
22
7
8,61
59,09
146
71
29
73
25,72
54,09
50
66
34
86
6,00
68,91
195
71
29
3
Nachfolgend werden die Gasbildungsverlauf der oben gezeigten Tabelle in zwei Abbildungen
dargestellt. Die Erste Abbildung zeigt die Gaspotenzialbestimmung für silierte Rüben, Bioabfall aus Anlage B und Carbo BWE. Bei dem letztgenannten Einsatzstoff handelt es sich um
ein pflanzliches Konzentrat aus der Biodiesel- bzw. Rapsölverarbeitung. Es wird nach Herstellerangaben mit einem Gasertrag von 450-500 m³/tFM bei einem Wassergehalt von 55 %
angegeben.
7
8
Rechnerisch aus Wassergehalt ermittelt
Annahme: 100 % oTS v. TS
55
900
900
800
800
779
700
700
spezifische Netto-Biogasmenge
[mlN/goTS]
BWE, Anlage A 10.02.2011
Bioabfall, Anlage B 15.02.2011
600
600
Silierte Rüben 15.02.2011
500
500
400
400
353
336
300
300
200
200
100
100
0
0
0
0
5
10
15
20
25
30
35
40
Versuchsdauer [d]
Abbildung 3-2: Verlauf der Gasbildung aus Bioabfall, silierten Rüben und Carbo BWE im diskontinuierlichen Gärversuch.
Der Gasbildungsverlauf der Substrate weist zwischen Bioabfall und silierte Rüben Ähnlichkeiten auf. Zwar ist die Höhe des Gasertrags ist mit 353 und 779 m³/toTS sehr unterschiedlich, was aber anhand der im Substratkatalog dargestellten Werte plausibel erscheint. Der
Verlauf zeigt in beiden Fällen einen schnell voranschreitenden Abbau, ohne deutliche Pausen. Nach etwa 10 Tagen liefern die Rüben im Prinzip keinen weiteren Gasertrag, der Bioabfall kann nach etwa 30Tagen als ausgegoren angesehen werden. Der Verlauf der Gasbildungskurve für Carbo BWE weicht hiervon deutlich ab. Es bildet sich eine deutliche Plateauphase bei Tag 5 bis 9, sowie eine zweite Phase mit verzögerter Gasbildung in den Tagen 20 bis 25. Anschließend steigt die Gasbildungsrate wieder deutlich bis zum Versuchsabbruch nach 35 Tagen an. Laut Herstellerangaben enthält das Konzentrat im Wesentlichen Methanol, Glycerin und Fettsäureseifen. Der Kurvenverlauf lässt vermuten, dass unterschiedliche Substratinhaltstoffe nacheinander abgebaut werden und durch die Umstellung der Stoffwechselwege Phasen mit einer verringerten Gasbildung zu beobachten sind.
Ein ähnlicher Zusammenhang zeigt sich auch beim Gasbildungsverlauf des Gärrestes. Aufgrund des atypischen Verlaufs ist eine Extrapolation der Werte zur Abschätzung eines Gasbildungspotenzials nicht möglich. Da die Umsetzung der Referenz (mikrokristalline Zellulose)
auf eine sehr gute Aktivität der Mikroorganismen im Impfmaterial hindeutet, können Fehler,
verursacht durch eine schlechte Qualität des Inokulums, ausgeschlossen werden.
Da ein großer Anteil des Gasbildungspotenzials aus Bioabfall bereits nach 10 Tagen umgesetzt ist, kann ein geringes Restgaspotenzial erwartet werden. Diese Vermutung wurde
durch den Verlauf der Restgaspotenzialbestimmung bestätigt. Der Verlauf ist sehr gleichmäßig, mit nur 50 m3/toTS liegt das im Vergleich geringste Restgaspotenzial im Gärrest aus Bioabfall vor. Dabei ist anzumerken, dass die Anlage B gleichzeitig auch die kürzesten Verweilzeiten aufweist. Ein Vergleich der Restgasbildung aus den Gärresten findet sich in der folgenden Abbildung.
56
250
250
Gärrestpotenzial, Anlage A 15.02.2011
Gärrestpotenzial, Anlage B 15.02.2011
200
200
195
spezifische Netto-Biogasmenge
[mlN/goTS]
Gärrestpotenzial, Anlage C 15.02.2011
150
150
146
100
100
50
50
50
0
0
0
5
10
15
20
25
30
35
40
Versuchsdauer [d]
Abbildung 3-3: Verlauf der Restgasbildung aus den Gärresten der untersuchten Anlagen.
Die Restgaspotenzialbestimmung zeigt im Vergleich den sehr guten Abbau in der Bioabfallvergärungsanlage. Als vorteilhaft zeigt sich ein homogenisierter Input mit geringen Schwankungen im Jahresverlauf. Da der Gärrest der Bioabfallvergärungsanlage über den Jahresverlauf ebenso von relativ konstanter Zusammensetzung ist, kann dies auch auf das Restgaspotenzial übertragen werden. An den anderen Anlagen, die verschiedenartige Substrate
nach Verfügbarkeit einsetzen, kann hinsichtlich der oben gezeigten Ergebnisse nicht auf ein
gleichbleibendes Restgaspotenzial im Jahresverlauf geschlossen werden.
Der Gasbildungsverlauf der Bioabfallprobe (Anlage B) zeigt keine Auffälligkeiten, der Gasbildungsverlauf der beiden anderen Proben ist zudem unregelmäßig, was auf einen gestaffelten Abbau der Inhaltsstoffe schließen lässt, die sich jedoch nicht aus der Futtermittelanalyse
erschließt.
3.2
Substratkatalog für die Optimierung der Substratzugabe und höhere Prozessstabilität
Zur Erstellung des Substratkataloges wurden ausgewählte Parameter der Messkampagne
verwendet. Während des Beprobungszeitraums konnten einige Substratarten mehrmals untersucht werden, andere wiederum nur einmal. Im Katalog ist aufgrund der hohen Streuung
der Werte bei den mehrfach beprobten Inputstoffen, die Darstellung der Ergebnisse mittels
Minimal- und Maximalwerten gewählt worden. Bei der Untersuchung des Substrates aus der
Anlage B gab es methodisch keine grundsätzlichen Einschränkungen, dort wurden keine
fetthaltigen Stoffe eingesetzt. In den folgenden Tabellen erfolgt eine Charakterisierung der
Einsatzstoffe. Die Einteilung der Substrate erfolgt anhand ihrer Herkunft.
57
Tabelle 3-10: Auflistung von Trockensubstanz, organischer Trockensubstanz, pH-Wert, Brennwert und Wassergehalt aller im Vorhaben untersuchten Substrate.
Kategorie
TS
oTS
pH
Hs
H2O
Substrat
[%]
[%TS]
[-]
[kJ/kgTS]
%OS
Bioabfall
Bioabfall
28 - 62
40 - 78
n.a.
8.469 –
n. b.
15.738
Tierische Exkremente
Pferdegülle
1
58
7
18.650
n. b.
Speisereste und aufbereitete Mischungen von Speiseabfällen
Speisereste
11 - 17
84 - 90
4-5
18.990 –
81 - 89
20.700
Biopower
21
88
5
20.379
74
Biomix
16 - 18
79 - 81
4
17.600 –
n. b.
17.830
Carbo BWE
n. a.
n. a.
5-7
26.864 –
37 - 71
38.760
Fetthaltige Gemische
Fett-Wassergemische
n. a.
n. a.
4-5
16.260 –
89 - 94
18.497
Milchfett
6
80
5
22.446
91
Fettschlamm
9 - 21
69 - 88
4-5
18.203 –
36 - 92
35.508
1 - 50
40 - 95
4-5
8.469 –
85 - 99
34.540
Majonaiseschlamm
n. a.
n. a.
4-5
27.531 –
52 - 90
36.287
Verarbeitungsrückstände
Schlämme (Kartoffeln), aus Zentrifugen15
63
5
13.705
n. b.
entwässerung
Kartoffelzentrifuge
24
56
4
12.378
n. b.
Kartoffel
8
87
4
17.070
1
22
93
5
21.787
72
Rückstand Bonbonproduktion
100
100
n.a.
10.799
n. b.
Backmischung
87
95
n.a.
17.971
n. b.
Vinasse
n. a.
n. a.
6
15.030
50
Kakao
n. a.
n. a.
n. a.
24.331
0
Seifenwasser
n. a.
n. a.
12
15.320
49
Glycerin
n. a.
n. a.
5
17.060 –
7 - 10
18.020
Kieselgur
31 - 45
8 - 13
4-5
457 –
n. b.
1.330
Pflanzliche Roh- und Reststoffe
Silierte Rüben
19
74
n.a.
13.284
n. b.
Raps
95
94
n.a.
24.650
n. b.
Maiskeimlinge
48
33
n.a.
29.840
52
Getreide
87
95
n.a.
18.650
n. b.
Getreide Siebabfall
88
89
n.a.
16.683
n. b.
Nachfolgend werden die Ammonium- und Gesamtstickstoffgehalte, sowie die Futtermittelparameter aufgelistet.
58
Tabelle 3-11: Auflistung der Futtermittelparameter und Stickstoffgehalte aller im Vorhaben untersuchten Substrate
Kategorie
NH4-N
TKN
RP
RF
RFA
ADF
NDF
Substrat
[g/l]
[g/kgTS]
[g/kgTS]
[g/kgTS]
[g/kgTS]
[g/kgTS]
[g/kgTS]
Bioabfall
n.a.
2 - 51
14 - 321
3 - 51
125 263
147 512
251 463
Pferdegülle
Speisereste und aufbereitete Mischungen
von Speiseabfällen
Speisereste
0,09
34
130
n. a.
40
187
157
0
37 52
45
18 37
2 - 15
232 319
279
112 220
10 - 96
59 - 150
66 - 109
238
46 - 128
169
181 184
n.a.
141 347
314
206 244
n.a.
226 361
341
355 479
n.a.
40 50
52
4 - 50
9108
10 23
241 250
404
26 - 274
73 - 369
60 - 88
n.a.
n.a.
n.a.
189
26 - 550
0 - 603
n.a.
n.a.
143
n.a.
n.a.
261
n.a.
n.a.
369
61 - 144
366 907
n.a.
n.a.
n.a.
0,10
36
220
31
52
267
281
0,21
0,01
0,39
34
25
16
209
158
89
20
10
101
38
100
402
183
162
474
210
427
646
n.a.
0
1
n.a.
n.a.
n.a.
n.a.
n.a.
0,22
n.a.
0
n.a.
n.a.
21
n.a.
8
0
1
5 - 10
131
n.a.
50
0
1-8
33 - 64
15
n.a.
304
68
2-3
1-2
104
n.a.
n.a.
n.a.
n.a.
12 - 23
139
n.a.
n.a.
n.a.
n.a.
44 - 69
515
n.a.
n.a.
n.a.
n.a.
35 - 43
n.a.
n.a.
n.a.
n.a.
n.a.
13
39
24
21
23
84
241
148
129
147
11
273
381
n. a.
26
145
70
303
152
157
178
152
377
195
185
370
291
621
587
497
Bioabfall
Tierische
Exkremente
Biopower
Biomix
n.a.
< 0,30
Carbo BWE
n.a.
Fetthaltige
Gemische
Fett-Wassergemische
n.a.
Milchfett
Fettschlamm
Fettabscheider-inhalte
n.a.
1
n.a.
Mayonnaise-schlamm
0
Verarbeitungsrückstände
Kartoffelschlämme aus
Zentrifuge
Kartoffelzentrifuge
Kartoffeln
Rückstand
Bonbonproduktion
Backmischung
Vinasse
Kakao
Seifenwasser
Glycerin
Kieselgur
Pflanzliche Roh- und
Reststoffe
Silierte Rüben
Raps
Maiskeimlinge
Getreide
Getreide Siebabfall
n.a.:
n.b.:
169 371
nicht analysiert
nicht bestimmt wenn TS-Gehalt vorliegt
59
4 Betriebsoptimierung
4.1
Bewertung des Optimierungspotenzial der im Projekt betrachteten Biogasanlagen
Bevor die Betriebsergebnisse der einzelnen Biogasanlagen ausführlich diskutiert werden,
wird in Tabelle 4-1 ein umfassender Überblick über die Betriebsparameter gegeben. Die ermittelten Betriebsparameter werden für jeden Monat gesondert aufgeführt.
Bei der Anlage A bestehen erhebliche Unterschiede zwischen den drei Fermentern, so dass
diese einzeln aufgeführt werden. In der ersten Zeile wird der Wert für den Fermenter 1 eingetragen, in der zweiten Zeile der Wert von Fermenter 2 und in der Dritten der Wert von Fermenter 3. Die Anlagen B und C verfügen jeweils über mehrere Fermenter derselben Größe,
Prozessführung und Betriebsweise. Wurden Betriebsparameter für jeden Fermenter gesondert berechnet, so wird zur besseren Übersicht in der folgenden Tabelle ein gemittelter Wert
angegeben. Bei der Raumbelastung werden für die Anlage B die Werte aus der theoretischen Ermittlung angegeben, da für die reale Raumbelastung nur Werte für November und
Dezember vorlagen. Bei der Biogasausbeute werden die Werte angegeben, die sich aus der
Berechnung der realen Biogasausbeute ergaben. Der Abbaugrad wird nur für den oTSAbbau angegeben.
Tabelle 4-1: Übersicht über die Betriebsergebnisse der betrachteten BGA
Betriebsparameter
Anlage A
Anlage B
Raumbelastung BR
Sept. 2010
1,85
[kg oTS/ d*m³]
2,54
2,74
18,0
Okt. 2010
2,01
3,03
3,63
15,9
Nov. 2010
2,09
3,04
3,29
15,3
Verweilzeit Τ
Sept. 2010
193,0
[d]
138,4
128,2
9
Okt. 2010
185,9
121,7
101,5
9,5
Nov. 2010
191,9
130,8
120,7
13,5
Biogasausbeute Y
Sept. 2010
882
254
[l/kg oTS]
Okt. 2010
915
298
Nov. 2010
652
315
Biogasproduktivität PG Sept. 2010
2,30
3,94
[mG³/ mR³*d]
Okt. 2010
3,02
4,05
Nov. 2010
2,03
4,15
Abbaugrad ηoTS
Sept. 2010
84,8
[%]
Okt. 2010
86,7
Nov. 2010
86,9
58,5
Auslastungsgrad
Sept. 2010
58
82
[%]
Okt. 2010
71
83
Nov. 2010
55
90
Anlage C
2,66
3,00
3,49
77
70
51
233
365
188
1,24
2,19
1,31
88,7
50
49
50
60
4.2
Bewertung der Ergebnisse der Anlage A
Die Ermittlung der Gasproduktion erfolgte über abgeleitete Parameter, da die Anlage A das
erzeugte Biogas nicht nur verstromt, sondern auch einspeist. Durch die Teilung des Biogasstroms lag eine Vielzahl von Daten vor, die gesammelt, gesichtet und zusammengeführt
wurden.
Die Biogasaufbereitungsanlage (BGAA) verfügt über eine kontinuierliche Messung der zur
Einspeisung aufbereiteten Gasmenge. Das Messgerät verfügt über eine Temperaturmessung und rechnet die Gasmenge automatisch in Normkubikmeter um. Es erfolgt weiterhin
eine Erfassung des CO2- und H2S- Anteils im Biogas. Aus diesen Daten kann auf den Methangehalt geschlossen werden. Da diese Werte anteilig angegeben werden, können sie auf
die gesamte Menge an erzeugtem Biogas angewendet werden.
Zur Ermittlung der erzeugten Biogasmenge muss eine weitere Betrachtung der BHKW erfolgen. Hier wird ein Teil des erzeugen Biogases verstromt.
Die Laufzeiten der BHKW wurden nicht dokumentiert, die Gasmenge konnte daher nur über
die Stromabrechnung ermittelt werden. Hier wäre es hilfreich gewesen einen Durchflusszähler zu installieren, welcher die vorbeiströmende Gasmenge misst und automatisch in Normkubikmeter umrechnet. Da Anlage A in Zukunft allerdings die BHKW abschalten wird um nur
noch einzuspeisen,ist diese Anschaffung für das weitere Monitoring nicht sinnvoll.
Die Mess- und Berechnungsergebnisse besagen, dass die Gasproduktion im September
2010 bei 379.914 mN³, im Oktober bei 515.520 Nm³ und im November bei 335.578 Nm³ lag.
Hier werden deutliche Unterschiede ersichtlich. Es wird angenommen, dass die großen
Schwankungen durch mehrere Faktoren bedingt sind. Einerseits die momentan stattfindende
Umstellung der Anlage von der Verstromung zur Biogaseinspeisung, den damit verbundenen
technischen Herausforderungen und Schwierigkeiten. Andererseits die stetig variierende
Substratqualität, welche eine unterschiedlich hohe Gasproduktion nach sich zieht. Bei der
Betrachtung des Methangehalts im Biogas findet sich dieses Bild wieder. Auch hier werden
deutliche Schwankungen verzeichnet. Im Betrachtungszeitraum bewegt der Methangehalt
sich in einem Rahmen von 60 bis 68 Vol-%.
Als weitere Biogaskomponente wird der Gehalt an Schwefelwasserstoff (H2S) im Biogas gemessen. Abbildung 2-4 verdeutlicht die Konzentrationsschwankungen, die sich aus der Zudosierung von Eisenschlamm ergeben. Die Komponente Eisenhydroxid fällt den Schwefel
aus und sorgt so für verringerte Schwefelwasserstoffgehalte im Biogas.
Die Zugabe von Eisenschlamm wird vom Anlagenbetreiber regelmäßig durchgeführt. Die
Dosierung erfolgt nach Abschätzung.
Diese Methode zur Regulierung des Schwefelwasserstoffgehalts erscheint ungenau und
kann durch eine genaue Substratcharakterisierung verbessert werden. Beispielsweise könnte durch die Zugabe einer geringeren Menge von Eisenschlamm in kürzeren Intervallen eine
gleichmäßigere Entschwefelung herbeigeführt werden.
4.2.2 Raumbelastung
Die Raumbelastung der Anlage A wurde für die einzelnen Fermenter gesondert berechnet.
Grundlage hierfür bildeten die Dokumentation der Substratanlieferungen sowie die vom
DBFZ, der LUFA und aus dem KTBL ermittelten Substratkennwerte. Den Ergebnissen zufolge wurde Fermenter 1 mit einer durchschnittlichen Raumbelastung von 2 kg oTS/d*m³ gefahren, Fermenter 2 mit rund 2,9 kg oTS/d*m³ und Fermenter 3 mit rund 3,2 kg oTS/d*m³.
61
Mit höherem Nutzraumvolumen der Fermenter steigt auch die ihre Raumbelastung. Beim
Vergleich mit den Richtwerten aus der Literatur wird erkennbar, dass Rührkesselfermenter in
der Praxis mit Raumbelastungen bis zu 4 kg oTS/d*m³ gefahren werden. Da alle Fermenter
der Anlage A unter diesem Wert liegen, wäre hier zu prüfen, inwieweit sich die Raumbelastung der einzelnen Fermenter steigern lässt.
Eine Füllstandsmessung ist an den Fermentern nicht vorhanden. Zur Berechnung der
Raumbelastung wurden daher Annäherungswerte verwendet, die vom Anlagenbetreiber angegeben wurden. Für eine weitere wissenschaftliche Untersuchung oder Datenaufnahme
wäre es sinnvoll, eine Füllstandsmessung an den Fermentern zu installieren.
Die durchschnittliche theoretische Verweilzeit im Betrachtungszeitraum beträgt bei Fermenter 1 bei ca. 188 d, bei Fermenter 2 bei rund 130 d und bei Fermenter 3 bei knapp 117 d.
Beim Vergleich mit den Richtwerten aus der Literatur wird deutlich, dass die hydraulische
Verweilzeit in allen Fermentern um das Vielfache höher ist als übliche Richtwerte für Rührkesselfermenter.
Auf diese Weise wird sichergestellt, dass ein hoher Anteil der vergärbaren Materialien in Biogas umgewandelt wird. Die Anlage A wird mit einer Substratmischung aus 45 % Glycerin,
40% Fettschlämmen und 15% Rindergülle beschickt. Diese Substrate weisen ein hohes
Gaspotenzial mit einem hohen Methangehalt auf. Da die Substrate teilweise angekauft werden, ist es wirtschaftlich hohe Verweilzeit einzurichten. Damit kann das Gaspotenzial weitgehend ausgeschöpft werden.
Für eine vergleichende Betrachtung wurden die reale und die theoretische Biogasausbeute
berechnet. Die Berechnung der theoretischen Biogasausbeute erfolgte auf Grundlage der
Substratkenndaten aus dem KTBL. Da sich diese über den Betrachtungszeitraum nur geringfügig änderte, blieb die theoretische Biogasausbeute fast konstant bei 847 l/kg oTS. Die reale Biogasausbeute unterlag weitaus größeren Schwankungen. Sie lag im September 2010
um882 l/kg oTS, im Oktober 2010 bei etwa 915 l/kg oTS und schließlich im November 2010
bei rund 652 l/kg oTS.
Aus der Gegenüberstellung der Werte ist kein Trend erkennbar. Weder liegen die realen Biogasausbeuten konsequent unter den zu erwartenden Werten, noch darüber.
Die Unterschiede können in denselben Ursachen begründet liegen, die schon für die
Schwankungen der Gasproduktion und -zusammensetzung genannt wurden.
Im Betrachtungszeitraum wurde für die Anlage A eine Biogasproduktivität von durchschnittlich 2,45 mG³/ mR³*d gemessen. Die monatlichen Schwankungen sind deutlich erkennbar und
lassen sich wahrscheinlich auf dieselben Ursachen zurückführen wie die Schwankungen der
Gasproduktion.
Die Biogasproduktivität beschreibt die Biogasproduktion bezogen auf das Fermentervolumen
pro Tag. Bei der Berechnung dieses Parameters für die Anlage A konnte nur ein Wert für die
gesamte Anlage ermittelt werden, was keinen Aufschluss über den Einfluss der Prozessführung der einzelnen Fermenter gibt. Auch hier schlägt die fehlende Füllstandsmessung an
den Fermentern ins Gewicht. Zur Berechnung dieses Betriebsparameters wurden Näherungswerte verwendet.
62
4.2.6 Abbaugrad
In Tabelle 2-18 wurde der TS- und oTS-Abbaugrad in der Anlage A berechnet. Der TSAbbaugrad beträgt im Betrachtungszeitraum zwischen 75,2 und 78,8% und bleibt somit relativ konstant. Auch der oTS-Abbaugrad liegt fast durchgängig bei rund 86,2%TS und
schwankt nur sehr geringfügig.
Durch regelmäßige Beprobungen des Gärrestes durch die LUFA liegen Daten vor, die bis
zum Jahresanfang 2010 zurück reichen. Demnach verbleiben im Gärrest durchgängig etwa
8,4 % Trockensubstanz, der oTS-Gehalt des Gärrestes liegt sogar durchgängig bei etwa
58 %TS. Der oTS-Abbaugrad fällt mit 86,2%TS sehr hoch aus, folgt allerdings als Konsequenz aus den langen Verweilzeiten. Als Vergleichswert wurde durchschnittlich 60 %TS angegeben.
4.2.7 Ausnutzungsgrad
Die Berechnung des Ausnutzungsgrads der Anlagenkapazität ist gerade im Prozess der
Umstellung von Biogasverstromung auf Biogaseinspeisung problematisch. Die BHKW laufen
nur noch zeitweise mit. Eine genaue Dokumentation der Laufzeiten wird nicht geführt. Die
BGAA ist derweilen im Stadium der Inbetriebnahme und läuft daher nicht mit gesamter Kapazität. Dennoch wurde eine Berechnung auf Grundlage der vorhandenen Daten durchgeführt. Den Berechnungen zu Folge lag der Ausnutzungsgrad im Betrachtungszeitraum zwischen 55 und 71 %, wobei die gemessene Werte im September und November 2010 knapp
unter 60%, im Oktober 2010 knapp über 70% betrugen. Auch hier sind deutliche Schwankungen erkennbar, die schon bei der Bestimmung vorheriger Betriebsparameter auftraten.
4.2.8 Ausblick
Die ermittelten Betriebsparameter der Anlage A weisen teilweise deutliche Schwankungen
auf. Diese hängen wahrscheinlich nicht mit Problemen in der Betriebsführung, sondern zu
einem großen Teil mit der Umstellung der Biogasverwertung zusammen. Auch Qualitätsschwankungen der angelieferten Substrate können eine Ursache für die ermittelten Schwankungen einiger Parameter sein.
Durch die dauerhafte Beschickung der Anlage mit einer gleichbleibenden Substratmischung
kann sich eine gut adaptierte und dadurch effektiv arbeitende Biozönose ausbilden.
Als bedeutende Schwachstelle der Anlage wird die Entschwefelung bewertet. Durch die unpräzise Zugabe von Eisenschlamm kommt es zu hohen Schwankungen des Schwefelwasserstoffgehaltes im Biogas. Hier ist zu prüfen, inwiefern die Dosierung genauer erfolgen kann
und welche alternativen Entschwefelungsmethoden eingesetzt werden können.
Bei der vergleichenden Betrachtung der Verweilzeit hat sich gezeigt, dass die Anlage A über
ungewöhnlich hohe Verweilzeiten des Substrates in den Fermentern verfügt. Innerhalb dieser Zeit wird der größte Teil des organischen Substratanteils abgebaut. Bei der Betrachtung
des Abbaugrades wurde festgestellt, dass zwar konstant sehr hohe Werte erreicht werden,
der Gärrest aber immer noch über ein nennenswertes Restgaspotenzial verfügt. Bei der Untersuchung der Gärreste wurden Ergebnisse gewonnen, die auf einen diauxischen Abbau
der Substrate hindeuten. Hieraus kann abgeleitet werden, dass bei den Substraten der Anlage A, ein mehrstufiges Fermentationsverfahren zu besseren Abbauraten führen könnte.
Die Anlagendokumentation wird regelmäßig und im ausreichenden Maße durchgeführt. Sie
erfolgt allerdings handschriftlich und nicht systematisiert. Dies führt zwar nicht direkt zu Problemen, hat aber zur Folge, dass fundiertes Wissen über die Anlage und deren Betrieb nur für
einen sehr kleinen Personenkreis verfügbar ist. Durch eine Digitalisierung würde eine besse-
63
re Verfügbarkeit, vorwiegend durch Austausch über E-Mails, sowie eine vereinfachte Auswertung ermöglicht werden.
4.3
Bewertung der Ergebnisse der Anlage B
Die Anlage B ist eine kommunale Abfallaufbereitungsanlage. Die Abfallvergärung wird im
Pfropfenstromverfahren im thermophilen Temperaturbereich durchgeführt. Im Vergleich zu
den anderen beiden betrachteten Anlagen stellt dies eine Besonderheit dar. Die Vorteile für
die Abfallbehandlung, die durch die thermophile Betriebsführung entstehen, sind unter anderem eine schnelle Wachstumsrate der Mikroorganismen und folglich eine Ermöglichung von
kürzeren Verweilzeiten, sowie die Abtötung von pathogenen Keimen [Kaltschmitt 2009].
Die Anlagendokumentation erfolgt bei der Anlage B sehr ausführlich, übersichtlich und digitalisiert, so dass es hier sehr gut möglich war die Jahresverläufe der Betriebsparameter zu
betrachten. Das ist besonders im Hinblick auf die bei dieser Anlage im Jahresverlauf stark
schwankende Abfallzusammensetzung interessant.
Bis auf die Gaszusammensetzung und den Schwefelwasserstoffgehalt wurden alle zur Berechnung benötigten Werte täglich dokumentiert, was zu einer schnellen Auswertung führte.
Sowohl die Gasproduktion als auch der Methangehalt des Biogases schwankt über das Jahr
gesehen erheblich. Die durchschnittliche Gasproduktion beträgt übers Jahr gerechnet rund
240.000 Nm³, wobei zwischen den einzelnen Monaten Differenzen bis zu 50.000 Nm³ auftreten können. Die Gasproduktion liegt in der ersten Jahreshälfte weitgehend unter dem Jahresdurchschnittswert, hingegen in der zweiten Jahreshälfte bis auf zwei Ausnahmen darüber.
Auch beim Methangehalt im Biogas sind die Schwankungen erheblich. Er variiert übers Jahr
gesehen zwischen 48,4 und 57,4 Vol.-%, was eine Spannungsbreite von 9 Vol.-Prozentpunkten bedeutet.
Auffällig bei beiden Parametern ist, dass der Maximal- und Minimalwert in aufeinander folgenden Monaten erreicht werden. So wurde im Februar der Minimalwert der Gasproduktion
verzeichnet, im März dagegen der Maximalwert. Beim Methangehalt wurde im November der
höchste Anteil im Biogas verzeichnet, darauffolgend im Dezember der niedrigste. Die teilweise sehr niedrigen Methangehalte im Biogas von unter 52 Vol.-% im Mai, Juli und Dezember
2010 können zu Problemen bei der Verbrennung im BHKW führen. Hier wäre zu prüfen, welche Ursache der niedrigen Methanausbeute zu Grunde liegt. Gerade im Dezember müsste
durch die relative lange Verweilzeit und niedrige Raumbelastung der Anlage ein hoher Methangehalt erreicht werden.
Aus dem Gesamtbild der Daten kann geschlossen werden, dass sich insgesamt kein stabiler
Betriebszustand einstellt. Als eine Ursache der Schwankungen in der Gasproduktion und
-zusammensetzung können die veränderlichen Inhaltsstoffe der Beschickungschargen angenommen werden. Diese ist von den eingesammelten Abfällen abhängig und variiert kontinuierlich über den Jahresverlauf. Es kann sich weder eine gleichmäßige Gasproduktion noch
ein konstanter Methangehalt einstellen. Eine weitere Ursache kann das Durchmischungsverhältnis sein. Bei Pfropfenstromfermentern findet keine Homogenisierung durch Vermischung
im Fermenterinnenraum statt. Wird eine Abfallcharge mit schlechten Vergärungseigenschaften eingebracht, so resultieren daraus zeitweise niedrige Methangehalte im Biogas auch
wenn die nächste Charge hohe Methangehalte aufweist. Die unvollständige Durchmischung
kann somit zu sprunghaft wechselnden Betriebsergebnissen führen.
64
4.3.2 Raumbelastung
Pfropfenstromfermenter können mit einer erheblich höheren Raumbelastung gefahren werden Rührkesselfermenter. Dies ist eine wichtige Eigenschaft gerade wenn in kurzer Zeit eine
große Menge an Abfällen behandelt werden muss. Die Berechnung der Raumbelastung der
Anlage B erfolgte einmal mit Literaturwerten als theoretische Raumbelastung. Hierbei ist eine
Betrachtung der Entwicklung über das ganze Jahr möglich.
Die Werte theoretische Raumbelastung sind in Abbildung 2-7 dargestellt. In den Wintermonaten Dezember, Januar und Februar liegt die Raumbelastung zwischen 8 und
10,4 kg oTS/d*m³ und somit im Ganzjahresvergleich am niedrigsten. In den übrigen Monaten
liegt sie zwischen 14,6 und 18,7 kg oTS/d*m³. Die Übergangsmonate zwischen diesen beiden Phasen März und November sind von sprunghaften Änderungen der Raumbelastungen
geprägt. In diesen beiden Monaten wird eine aufmerksame Prozessführung besonders empfohlen.
Die schwankende Raumbelastung ergibt sich wie auch die Gasproduktion und
-zusammensetzung aus der inhomogenen Substratzusammensetzung und dem deutlichen
Unterschied der angelieferten Abfallmenge.
Hier ist zu prüfen, ob mit einer zusätzlichen Annahme und Vergärung von Abfällen in den
Wintermonaten Dezember, Januar und Februar eine Angleichung der Raumbelastung über
den Jahresverlauf erzielt werden kann. Dies könnte zu einer Stabilisierung des Betriebszustandes führen.
Die Werte der realen Raumbelastung liegen etwas unterhalb der Werte der theoretischen.
Sie bewegen sich im Rahmen der in Tabelle 2-29: Berechnung der realen Raumbelastung“
angegebenen Richtwerte. Bei der Betrachtung der realen Raumbelastung bestätigt sich der
Trend, der bei der theoretischen Berechnung deutlich wurde.
Die Verweilzeit wird in der Anlagendokumentation mitgeführt und beträgt für beide Fermenter
über das Jahr gerechnet durchschnittlich 11 Tage. In den Wintermonaten Dezember, Januar
und Februar liegt die Verweilzeit dabei um 3 bis 4 Tage höher als in den restlichen Monaten.
Dies erklärt sich aus der geringeren Abfallmenge, die zu dieser Zeit anfällt.
In der Literatur wird die durchschnittliche Verweilzeit für Pfropfenstromfermenter mit zehn bis
40 Tagen angegeben. Die Anlage B liegt mit ihren Verweilzeiten konsequent im unteren Bereich, im September und Oktober 2010 wurde die untere Grenze von zehn Tagen sogar unterschritten. Gerade im September, wo die Anlage mit sehr hohen Raumbelastungen von
rund 18 kg oTS/d*m³ gefahren wird, ist dies kritisch. Das Verfahrensziel ist bei dieser Anlage
nicht die Erzielung maximaler Abbauraten, sondern eine weitreichende Vorbehandlung der
angelieferten Abfälle. Daher müssen die angelieferten Abfallchargen schnellstmöglich durch
die Fermenter geschleust werden. Die Verweilzeiten werden dabei der Größe der Charge
angepasst.
Die Biogasproduktion ist als Bestandteil der Abfallaufbereitung eine sinnvolle Ergänzung und
durchaus wirtschaftlich. Die Einnahmen aus der Stromeinspeisung bringen einen wirtschaftlichen Vorteil und durch die entstehende Prozesswärme kann der Wärmebedarf der Anlage
gedeckt werden.
Wie schon bei der Anlage A wurden auch hier für eine vergleichende Betrachtung die reale
und die theoretische Biogasausbeute berechnet.
65
Die theoretische Biogasausbeute bezieht sich auf die Gesamtanlage und bleibt über das
Jahr betrachtet relativ konstant. Der Mittelwert über das Jahr beträgt rund 400 l/ kg oTS, wobei der Minimalwert mit 392 l/ kg oTS im April und der Maximalwert mit 413 l/ kg oTS im Januar erreicht wird. Die reale Biogasausbeute wurde auf die einzelnen Fermenter bezogen
berechnet. Hier beträgt der Mittelwert über Jahr um 283 l/kg oTS, allerdings sind deutlichere
Schwankungen im Jahresverlauf sichtbar. Diese entsprechen der wechselnden Raumbelastung sowie den Substratverweilzeiten in den Fermentern.
Dennoch wird bei der Berechnung unter realen Annahmen eine durchschnittliche Biogasausbeute erreicht, die deutlich unter der theoretische möglichen liegt. Die Substratausnutzung ist in der Anlage somit nicht optimal.
Die Biogasproduktivität bewegt sich über das Jahr betrachtet zwischen 3,11 mG³/mR³*d und
3,67 mG³/mR³*d. Sie beträgt somit im Durchschnitt 3,41 mG³/mR³*d. Es werden durchgängig
höhere Werte erreicht als in der Anlage A. Dies kann ist auf die hohe Raumbelastung der
Anlage B zurückzuführen, da diese einen maßgeblichen Einfluss auf diesen Parameter hat.
4.3.6 Abbaugrad
In Anlage B wurde ein TS- Abbau zwischen 36 und 44 % erreicht, der oTS-Abbau lag zwischen 58 und 64 %TS. Im Vergleich zu üblichen Richtwerten sind die erreichten Abbaugrade
für den TS-Abbau niedrig, der oTS-Abbau entspricht einem durchschnittlichen Wert. Unter
Berücksichtigung des Sachverhalts, dass die Verweilzeiten im betrachteten Zeitraum relativ
lang und die Raumbelastungen gering waren, kann davon ausgegangen werden, dass die
Abbaurate im Jahresdurchschnitt noch niedriger ausfällt.
In Anlage B wird der unvollständige Abbau der organischen Substanz zugunsten hoher
Durchsätze bewusst in kauf genommen. Die Anlage ist allerdings auch mit einer Einrichtung
zur aeroben Nachrotte ausgerüstet um die verbliebenen organischen Restgehalte abzubauen.
4.3.7 Ausnutzungsgrad
Die Anlage B verfügt über eine installierte elektrische Leistung von 826 kW und kann somit in
einem Betriebsjahr 7,2 Mio. kWh einspeisen. Der erreichte Ausnutzungsgrad lag im Jahr
2010 bei 80 %. Dieser Wert weist auf eine den Gegebenheiten entsprechende Anlagendimensionierung hin.
4.3.8 Ausblick
Die Anlage B ist eine reine Abfallbehandlungsanlage und vergärt nur Bioabfälle, die im Rahmen der kommunalen Abfallentsorgung eingesammelt wurden. Sie bildet hinsichtlich ihrer
Betriebsführung als Trockenvergärungsanlage im Vergleich zu den anderen beiden betrachteten Anlagen eine Ausnahme. Weiterhin wird sie im thermophilen Temperaturbereich gefahren, was sich im Bereich der Abfallbehandlung vorteilhaft auswirkt.
Durch die jahreszeitlich bedingte Schwankung im Abfallaufkommen müssen Raumbelastung
und Verweilzeiten der Anlage angepasst werden. In den Wintermonaten fällt weniger Abfall
an, so dass die Anlage mit höheren Verweilzeiten und niedrigerer Raumbelastung gefahren
werden kann. In den restlichen Monaten des Jahres ist die Raumbelastung höher und die
Verweilzeiten kürzer.
Aus den unterschiedlichen Raumbelastungen und Verweilzeiten resultieren zusammen mit
der inhomogenen Abfallzusammensetzung Schwankungen der Biogasproduktion und zusammensetzung, der Biogasausbeute und -produktivität. Diese Schwankungen sind ohne
66
strukturelle Anpassungen an der Anlagentechnik nicht vermeidbar, da sie ausschließlich von
der Abfallmenge und -zusammensetzung abhängen. Die Schwankungen können aber abgemildert werden, in dem in den Wintermonaten Dezember, Januar und Februar zusätzliches Substrat mitvergärt wird. In diesem Fall würden die Raumbelastung und die Verweilzeit
einen ähnlichen Wert erreichen, wie in den restlichen Monaten des Jahres. In den Übergangsmonaten März und November könnte eine Prozessstabilisierung erreicht werden.
4.4
Bewertung der Ergebnisse der Anlage C
Es findet eine regelmäßige Messung der erzeugten Biogasmenge sowie des Methangehalts
statt. Beide Größen unterliegen deutlichen Schwankungen. Im Betrachtungszeitraum bewegte sich die erzeugte Biogasmenge zwischen 98 Nm³/h und 193 Nm³/h. Die Schwankung beträgt demnach ca./etwa 100 mN³/h. Der Methangehalt im Biogas bewegt sich zwischen 56
Vol-% und 66 Vol-%, was eine Schwankung von 10 Vol.-Prozentpunkte ausmacht.
Die Schwankungen weisen eine hohe Spannungsbreite auf und werden wahrscheinlich
durch die stetig wechselnde Substratzusammensetzung verursacht. Auch die erst vor kurzer
Zeit erfolgte Inbetriebnahme der Anlage könnte hierbei eine Rolle spielen.
An der Anlage C findet keine Messung des Schwefelwasserstoffgehalts im Biogas statt.
Nachdem anfangs hohe Werte gemessen wurden, findet die Entschwefelung nun durch eine
tägliche Zugabe einer Eisenhaltigen Entschwefelungslösung, was zu einer weitgehenden
Reduzierung der Werte geführt hat.
Es wird empfohlen eine kontinuierliche Schwefelwasserstoffmessung einzurichten und zu
überprüfen, ob die Dosierung des Entschwefelungsmittels reduziert werden kann.
4.4.2 Raumbelastung
Die Berechnung der Raumbelastung der Anlage C war aufgrund des großen Spektrums unterschiedlicher Substrate sehr aufwändig. Die Anlage C vergärt eine Vielzahl an Substraten,
deren Zusammensetzung sich ständig ändert. Abhängig von dem Mischungsverhältnis der
Substrate und den Substrateigenschaften ändert sich folglich auch die Raumbelastung kontinuierlich.
Für den Betrachtungszeitraum wurde die Raumbelastung in der Anlage von 2,66 kg
oTS/d*m³ auf 3,49 kg oTS/d*m³ gesteigert. Diese Steigerung wird vom Anlagenbetreiber
nicht bewusst durch die kontinuierliche Erhöhung des Durchsatzes herbeigeführt. Die Kontrolle des Prozessverlaufs erfolgt durch eine kontinuierliche Fettsäureanalyse des Gärsubstrates. Wird bei diesen Analysen festgestellt, dass eine Belastungssteigerung der Fermenter möglich ist, so wird diese durchgeführt.
Die üblichen Richtwerte für Rührkesselfermenter geben an, dass diese in der Regel mit
Raumbelastungen von 2 bis 4 kg oTS/d*m³ gefahren werden. Die Anlage C verfügt daher
vermutlich noch um etwas Spielraum für einen weitere Steigerung.
Als problematisch kann allerdings die extrem wechselnde Substratzusammensetzung gesehen. Da die Substrateigenschaften mit jeder Anlieferung variieren, können keine Angaben
über die organische Belastung der Beschickungschargen gemacht werden.
Die hydraulische Verweilzeit der Anlage C liegt im Betrachtungszeitraum zwischen 77 und 51
Tagen, wobei eine abnehmende Tendenz zu beobachten ist, die mit der Steigung der
67
Raumbelastung einhergeht. Dennoch liegen die Werte im Rahmen der angegebenen Richtwerte für Rührkesselfermenter.
Die hydraulische Verweilzeit wurde anhand der monatlich angelieferten Substrate berechnet.
Eine alternative Berechnungsmöglichkeit wäre über die Angaben der „Menge Rohsuspension“, die in den Monatsberichten zu finden ist. Diese Größe beinhaltet den Substratstrom mit
Beimischungen von Brauchwasser und Gärrest aus den Fermentern. Die Beschickungsmenge ist hierbei erheblich höher, so dass in der Betriebspraxis von deutlich verringerten Verweilzeiten ausgegangen werden kann.
Um eine präzise Bestimmung der Verweilzeit zu ermöglichen wird empfohlen, die Mengenströme des Brauchwassers und Zentrats zu erfassen, welche dem Substrat beigemengt
werden.
Bei der Messung der erzeugten Biogasmenge erfolgt keine automatische Umrechnung in
Normkubikmeter. Die Messergebnisse wurden mit Angaben des Anlagenbetreibers über
Temperatur und Druck an der Messstelle umgerechnet.
Die Werte der Biogasausbeute lagen im Beobachtungszeitraum zwischen 188 l/kg oTS und
365 l/kg oTS. Hiermit unterliegt auch dieser Betriebsparameter deutlichen Schwankungen
während des Betrachtungszeitraumes.
Die Biogasproduktivität liegt im Betrachtungszeitraum zwischen 1,24 und 2,19 mG³/ mR³*d.
Da zur Berechnung der Biogasproduktivität die Werte der Biogasausbeute zu Grunde gelegt
werden, korrelieren die Schwankungen der beiden Parameter. Die in der Anlage C erreichte
Biogasproduktivität ist im Vergleich zu den beiden anderen untersuchten Biogasanlagen am
niedrigsten. Dies könnte an der erst kürzlich erfolgten Inbetriebnahme liegen.
4.4.6 Abbaugrad
Anhand der Gärrestanalysen konnte ein TS-Abbaugrad von 82% bis 88,7%TS angegeben
werden. Der erreichte Abbaugrad ist relativ hoch, unterliegt mit ca. 7 Prozentpunkten aber
ebenfalls einer hohen Schwankungsbreite.
Der Auslastungsgrad liegt im Betrachtungszeitraum für alle Monate bei rund 50% der Anlagenkapazität, wenn das dritte BHKW als Reserve-BHKW in der Berechnung vernachlässigt
wird. Aus diesen Werten wird ersichtlich, dass die BHKW-Ausstattung für die Anlage deutlich
überdimensioniert ist. Sogar bei Vernachlässigung eines Verbrennungsaggregates werden
sehr geringe Ausnutzungsgrade erreicht. Es ist fraglich, ob in der Anlage C die Biogaserzeugung soweit gesteigert werden kann, dass sich eine zufriedenstellende Ausnutzung der beiden sich in Betrieb befindenden BHKW erreicht werden kann. Bei der Bewertung der Anlage
C ist dieser Parameter daher von geringer Aussagekraft.
4.4.8 Ausblick
Die Anlage C wurde ursprünglich nicht als Biogasanlage konzipiert, sondern nach ihrem Bau
der neuen Betriebsweise durch Umbauten angepasst. Um sicher zu stellen, dass keine konstruktiven Leckagestellen vorhanden sind, wird empfohlen mindestens einmal eine Begehung mit einem Methanlecksuchgerät durchzuführen.
Zur Senkung des Eigenenergieverbrauches wird vorgeschlagen die vorhandenen Einzelposten hinsichtlich des Energieverbrauches zu untersuchen. Im Allgemeinen wird in einer Bio68
gasanlage der höchste Energieverbrauch durch das Rührwerk verursacht. Das Mischen des
Fermenterinhalts erfolgt in der Anlage über eine Gaseinpressung, die in einem unbekannten
Schema betrieben wird. Der Anlagenbetreiber vermutet, dass eine kontinuierliche Gaseinpressung statt findet. Ist dies der Fall, kann von einem hohen energetischen Aufwand ausgegangen werden. Hier ist zu prüfen, inwiefern die Gaseinpressung reduziert werden kann,
ohne dass sich Einbußen in der Biogaserzeugung ergeben.
Weiterhin wird empfohlen eine kontinuierliche Schwefelwasserstoffmessung einzurichten und
die Dosierung des Entschwefelungsmittels besser an die tatsächlichen Schwefelwasserstoffmengen anzupassen. Zusätzlich ist bei der Prozessführung zu beachten, dass sich bei
der stetig wechselnden Substratzusammensetzung keine spezifische Biozönose ausbilden
kann. Es findet somit kein optimaler Substratabbau statt. Allerdings steigt mit der Biodiversität im Fermenter die Prozessstabilität.
4.5
Optimierungsansätze für Abfallvergärungsanlagen
Der Projektansatz der mit Untersuchungen an drei unterschiedlich aufgebauten großtechnischen Vergärungsanlagen sehr praxisorientiert angelegt war, ermöglichte eine sehr detaillierte Betrachtung drei unterschiedlicher Anlagentechnologien.
Alle betrachten Anlagen waren während des Untersuchungszeitraumes kontinuierlich in Betrieb und erfüllten grundsätzlich ihre Aufgabe, den Großteil der in den Bioabfällen vorhanden
Organik in verwertbares Biogas umzusetzen.
Bei allen Anlagen zeigten die Untersuchungen jedoch unabhängig von der Verfahrenstechnik
deutliche Fluktuationen bei der Gasproduktion, bei den Methangehalten, sowie beim Abbau
der organischen Fracht.
Im Projektverlauf wurden durch die Zusammenarbeit des Projektteams verschiedene Optimierungspotenziale identifiziert. Die Umsetzungen wurden von den Betreibern bereits durchgeführt bzw. befinden sich in der Bau und Planungsphase.
Anlage A: Die Substrate der Anlage A zeigten ein diauxisches Abbauverhalten und ein nennenswertes Restgaspotenzial. Der Betreiber wird die Anlage daher mit einem Nachgärer
ausrüsten und die bisher einstufige Verfahrensführung auf eine zweistufige umstellen. Mit
den Planungen des Nachgärers wurde während der Projektlaufzeit begonnen. Derzeit befindet sich der Nachgärer im Bau. Die Investition wird vollständig vom Anlagenbetreiber getragen.
Anlage B: Das größte Potential der Anlage B liegt, bezogen auf die jährliche Anlieferung/Fütterung/Substratzusammensetzung, in der Reglementierung/im Ausgleich des
schwankenden Substratangebotes. Der derzeitige Zustand mit einer zeitweise sehr hoch
ausgelasteten Fermentationsstufe stellt sich jedoch Verfahrenstechnisch unkritisch dar, da
das eingesetzte Fermentersystem selbst starke Belastungsschwankungen und sehr kurze
Verweilzeiten ohne Betriebsprobleme verarbeiten kann. Zum gegenwärtigen Zeitpunkt stellt
das bestehende Verfahrenskonzept eine aus wirtschaftlichen Gesichtspunkten optimale Lösung dar, so dass hier vorerst keine Änderungen vorgesehen wurden.
Anlage C: Bei der Anlage C waren dem Betreiber bereits Probleme bei der Substratvorbehandlung bewusst und dieser war dabei, geeignete Lösungen zu identifizieren. Wesentliche
Probleme beim Betrieb stellen an dieser Anlage die häufig wechselnden Substrate mit zudem sehr unterschiedlichen Charakteristiken dar. Im Rahmen der Projektlaufzeit wurden,
unterstützt durch die im Rahmen des Projektes durchgeführte Analytik, mehrere technische
Anpassungen durchgeführt. Ein zusätzlicher Speicher zur Zwischenpufferung energiereicher
fetthaltiger Substrate wurde ergänzt. Im Substratzulauf wurden Zerkleinerungsaggregate zur
69
Optimierung der Substrathomogenisierung installiert. Auch hier wird die Finanzierung vom
Anlagenbetreiber getragen.
Aus den Arbeiten der praktischen Anlagenoptimierung kann das Fazit gezogen werden, dass
selbst an gut laufenden Anlagen ein großer Spielraum für effizienzsteigernde Maßnahmen
besteht.
Vergleicht man hinsichtlich der Ableitung von Optimierungsstrategien die Erkenntnisse des
vorliegenden Projekts mit vorhandenen Ergebnissen von anderen Vorhaben zur Optimierung
von Vergärungsanlagen, z. B. „Substratspezifische Verfahrensanpassungen bei der Biogasgewinnung aus Abfällen“ [Busch 2011], oder mit der Handreichung zur Optimierung von Biogasanlagen [Zörner 2010], lässt sich feststellen, dass die Probleme bei der praktischen
Durchführung von Optimierungsschritten nur selten durch das Fehlen technischer Erkenntnisse bedingt sind.
Problematisch erweist sich viel mehr die systematische Identifizierung der wesentlichen Optimierungsschritte. Hierzu wurden im Projekt die notwendigen Voraussetzungen geschaffen
und an den im Projekt beteiligten Anlagen bereits erfolgreich umgesetzt. Die Ergebnisse
werden von den Projektpartnern im Anschluss an dieses Projekt zur Erarbeitung eines Leitfadens zur systematischen Identifizierung und Umsetzung zielführender Optimierungsschritte
genutzt.
70
5 Gasanalytik
5.1
Materialien und Methoden
Probenahme
Die Probenahme und die anschließende Messung der flüchtigen organischen Verbindungen
wurden in Anlehnung an DIN EN ISO 16017-1 durchgeführt9. Die Probenahme erfolgte mit
Thermodesorptionsröhrchen, die aus Edelstahl bestehen und mit Silcosteel® beschichtet
sind, um zu verhindern, dass reaktive Verbindungen an der Metalloberfläche adsorbieren. In
den Röhrchen befinden sich einige mg eines oder mehrerer Adsorbentien. Auf diesen Anlagerungen/Anhaftungen reichern sich die im Biogas befindlichen flüchtigen organischen Verbindungen (VOC) an. Für die Probenahme wurden drei unterschiedliche Arten von TDRöhrchen (Markes International) verwendet: TD-Röhrchen mit Tenax® TA, 2-Bett-Röhrchen
mit Tenax® TA und UniCarb™ sowie 3-Bett-Röhrchen mit Tenax® TA, UniCarb™ und Carboxen™-1000. Durch die Verwendung von Mehrbett-Röhrchen können auch VOC mit einem
hohen Dampfdruck erfasst werden.
Vor der Probenentnahme wurden die TD-Röhrchen konditioniert, d.h. sie wurden im Labor
bei Temperaturen von 20-30°C über die eigentliche Desorptionstemperatur aufgeheizt, um
evtl. adsorbierte Verbindungen zu entfernen. Die konditionierten TD-Röhrchen wurden auf
den Biogasanlagen mit Schläuchen aus Tygon® sowohl mit der Entnahmestelle der Biogasanlage als auch mit einer Probenentnahmepumpe gasdicht verbunden10. Zwischen Entnahmestelle und Röhrchen wurde im Bedarfsfall ein Kondensatabscheider eingebaut, um Wasserdampf, der den Adsorptionsprozess stören könnte, aus dem Biogas abzutrennen. Bevor
die TD-Röhrchen mit der Entnahmestelle verbunden wurden, wurden alle gasführenden Leitungen und der Kondensatabscheider für 10 min mit Biogas gespült, um eine repräsentative
Probe zu erhalten.
Abbildung 5-1: Schematische Darstellung einer VOC-Probenahme mit einem 3-Bett-TDRöhrchen
Der genaue Volumenstrom wurde bei der Probenentnahme über einen Durchflussmesser
eingestellt. Nach Einstellung des notwendigen Durchflusses wurde ein ausreichendes Gasvolumen durch die Röhrchen gesaugt. Die Gasmenge wurde so bemessen, dass die TDRöhrchen nicht überladen wurden, um hierdurch ein Durchbruch der VOC am Ausgang des
Röhrchens zu verhindern. Als weitere Maßnahme wurden i.d.R. zwei TD-Röhrchen in Reihe
geschaltet, um zu überprüfen, ob ein Durchbruch stattgefunden hat. Wenn VOC im zweiten
TD-Röhrchen nachgewiesen wurden, wurde die Gesamtkonzentration an VOC als Summe
aus den VOC-Mengen auf beiden Röhrchen berechnet. Die optimale Durchflussraten und
Probenentnahmedauer hängten von der individuellen Gaszusammensetzung am jeweiligen
Biogasstandort ab und wurden zum Teil in Vorversuchen bestimmt. Typische Probenentnahmezeiten lagen zwischen 30 s und 10 min.
9
DIN EN ISO 16017-1: „Probenahme und Analyse flüchtiger organischer Verbindungen durch Sorptionsröhrchen/thermische Desorption/KapillarGaschromatographie, Teil 1“.
Tygon®-Schläuche weisen die notwendige Inertheit für die Probenahme auf.
10
71
Thermodesorption und GCMS-Messung (TD-GCMS)
Die mit dem Probengut beladenen TD-Röhrchen wurden in der Thermodesorptions-Einheit
des GCMS langsam bis zur endgültigen Desorptionstemperatur (300 °C) aufgeheizt. Die
desorbierten VOC reicherten sich im Trägergasstrom (Helium) an und wurden in der Kühlfalle der Thermodesorptions-Einheit auf TENAX® adsorbiert und anschließend bei einer hohen
Aufheizgeschwindigkeit wieder desorbiert. Durch diesen Schritt wurden im Chromatogramm
schmale, d.h. gut auswertbare Substanzpeaks erzielt. Alle Transferleitungen und Ventile der
Thermodesorptions-Einheit sind ebenfalls mit Silcosteel® inertisiert. Abschließend erfolgten
der Transfer zum GC, die Auftrennung der VOC auf der Kapillarfilmsäule des GC und die
Detektion der Einzelsubstanzen im MS (
Abbildung 5-2). Zur quantitativen Auswertung der Substanzpeaks werden Kalibriergeraden
mit Hilfe von TD-Röhrchen ermittelt, die mit flüssigen Kalibrierstandards dotiert wurden.
11
Abbildung 5-2: Schematische Darstellung der Thermodesorption mit anschließender Analyse
Kalibrierstandards
Zertifizierte Kalibrierstandards (von Supelco oder LGC-Standards) wurden zur Herstellung
der für die Kalibrierung des GCMS notwendigen Standardlösungen eingesetzt. Die Standards enthalten in der Regel mehrere VOC, die in einem geeigneten Lösungsmittel (z. B.
Methanol) gelöst sind. Die Kalibrierstandards weisen typischerweise Konzentrationen von
1000 - 5000 µg/ml auf. Zur Verdünnung der Kalibrierstandards wurden hochreine Lösungsmittel verwendet: Methanol ≥ 99,9 % bzw. Acetonitril ≥ 99,8 % (Merck). Für die Kalibrierung
des GCMS wurden pro Kalibriergerade 5 bis 10 Standardlösungen, die den erwarteten Konzentrationsbereich abdeckten, durch Verdünnung der Kalibrierstandards hergestellt. Zur Dotierung mit den Standardlösungen wurden konditionierte TD-Röhrchen in einer speziellen
Vorrichtung (Calibration Solution Loading Rig) fixiert. Anschließend wurde die benötigte
Menge (meistens 1 µl) der jeweiligen Standardlösung in das TD-Röhrchen injiziert. Durch
Spülen mit Inertgas (Helium oder Stickstoff) wurde das überschüssige Lösungsmittel vom
TD-Röhrchen entfernt. Hierbei bewährten sich ein Gasfluss von 50 - 100 ml/min und eine
Spüldauer von 20 s bis 1 min.
Messbedingungen
VOC-Proben und mit Standardlösungen dotierte TD-Röhrchen wurden unter gleichen Bedingungen analysiert. Nachfolgend sind die Geräteparameter des verwendeten GCMS
QP2010Plus und der TD-Einheit TD20 (beide von Shimadzu) aufgeführt, die für die Messung
der VOC-Proben und der dotierten TD-Röhrchen verwendet wurden (Tabelle 5-1).
11
Abbildung in Anlehnung an: http://www.shimadzu.com.au/products/literature/Mass_Spec/C146-E096-TD20.pdf
72
Tabelle 5-1: Messbedingungen GCMS
Geräteparameter
GCMS QP2010Plus
Ofenprogramm
Einstellungen
Starttemperatur: 50°C für 5 min
1. Rampe 5°C / min auf 200°C, 15 min halten
Rxi-5MS (Restek) oder vergleichbare Säule
Länge: 60 m*1,00 µm*0,25 mm
Säulenfluss: 2,43 ml/min, Druck: 244,2 kPa
Interface-Temperatur: 250°C, Split-Verhätnis: 1:1
Trägergas: Helium
Linear Velocity: 40 cm/s
Trennsäule
MS
Ionenquelle-Temperatur: 200°C,
Interface-Temperatur: 250°C,
Detektor-Spannung: 0,9 V
Mode: Scan
Massenbereich: 11-500 amu
Einstellungen
Geräteparameter
Thermodesorption
TD20
Desorptionsfluss: 60 ml/min
Desorptionszeit: 5 min
Desorptionstemperatur: 300°C
Temperatur Transferleitung: 250°C
Temperatur Kühlfalle: -15°C
Desorptionstemperatur Kühlfalle: 300°C,
Desorptionszeit Kühlfalle: 5 min
Online-Massenspektrometer
Neben der diskontinuierlichen Probennahme mit TD-Röhrchen und anschließenden Analytik
mit GCMS wurde am Standort C zusätzlich ein Massenspektrometer AIRSENSE.net (MS4
Analysentechnik GmbH) verwendet. Dies ist ein Chemisches IonisationsMassenspektrometer (CIMS), das gasförmige Komponenten qualitativ über deren Masse/Ladungsverhältnis (m/z) in einem Bereich von 2 bis 500 amu trennt und qualitativ über die
Zählrate (Counts/s) registriert. Hierfür erfolgt die Ionisierung des Messgases im Vergleich mit
anderen Ionisierungsverfahren bei erheblich niedrigeren Energien, weshalb die Gasmoleküle
weitgehend nicht fragmentiert werden. Im Gegensatz zum GCMS, bei dem die Gasbestandteile vor der Detektion auf einer Trennsäule voneinander separiert werden, gelangt das zu
messende Gas direkt über eine Membranpumpe in den auf etwa 200 °C beheizten Ventilblock. Die Gasmoleküle strömen durch ein Vorvakuum, welches von einem Baratron geregelt
wird. Anschließend fließt der Gasstrom durch ein Laserloch und eine feine Kapillare in die
Ladungsaustauschzelle.
Die Primärgasionen (Hg+, Xe+ und Kr+), welche Ionisierungsenergien zwischen 10 und 14 eV
besitzen, werden durch Elektronenstoßionisation in der Ionenquelle erzeugt. Dafür emittiert
ein bis auf etwa 2300 °C erhitztes Filament Elektronen, welche die Primärgasatome durch
Beschuss ionisieren. Der Ionenstrom wird vom Oktopolseparator und mit Hilfe von Blenden
gebündelt und durch Ziehspannungen ebenfalls in die Ladungsaustauschzelle befördert.
Hier findet die chemische Ionisierung der Messgasmoleküle statt, wobei die positiven Ladungen der Primärgasionen auf die neutralen Moleküle des Messgases übertragen werden.
A+ +
B
k
A
+ B+
73
Abbildung 5-3: Massenspektrometer AIRSENSE.net
5.2
Quantitative und qualitative Erfassung relevanter Spurengase
In der Anlage B und Anlage A wurden jeweils zwei Probennahmekampagnen mittels TDGCMS durchgeführt. Bei der ersten Kampagne wurden Proben über einen Zeitraum eines
halben Jahres genommen. Im Anschluss fand eine Intensivprobennahme mittels TD-GCMS
statt, bei der innerhalb von 5 bzw. 14 Tagen täglich eine Probe entnommen wurde. Für die
Anlage C wurde lediglich die TD-GCMS Langzeitmessung durchgeführt.
Der Biogasvolumenstrom betrug in der Regel 100 ml/min bei einer Probennahmedauer von
1 min. Folgende organischen Spurenverbindungen wurden quantifiziert: siliziumorganische
Verbindungen, Terpene, Aromaten, Furane, Ketone, Alkane, Ester und Schwefelverbindungen. Neben der Konzentrationsbestimmung der oben genannten Verbindungen wurden die
Chromatogramme zusätzlich auf weitere Verbindungen qualitativ ausgewertet.
5.3
Ergebnisse Anlage A
Die Probenentnahme wurde mittels Thermodesorptions-Röhrchen an einem Gasspeicher der
Biogasanlage durchgeführt. Abbildung 5-4 zeigt Aufbau der Probenentnahme.
Abbildung 5-4: Probenahme am Gasspeicher der Anlage A
74
Im Zeitraum vom 10.08.2010 - 26.07.2011 wurden neun Probennahmen durchgeführt. Eine
weitere, intensivere Probennahmekampagne fand im Zeitraum vom 01.08.2011 - 05.08.2011
statt, wobei täglich eine Probe genommen wurde. Die Ergebnisse werden im Folgenden für
die verschiedenen Stoffgruppen dargestellt und diskutiert.
5.4
Quantitative Ergebnisse Anlage A
5.4.1
Siliciumorganische Verbindungen
1,6
1,4
Konzentration [mg/Nm3]
1,2
1,0
L2
L3
L4
D3
D4
D5
TMS
0,8
0,6
0,4
0,2
0,0
10.08.2010
29.09.2010
18.11.2010
07.01.2011
26.02.2011
17.04.2011
06.06.2011
26.07.2011
Probenahmezeitpunkt
Abbildung 5-5: Konzentrationsverlauf siliziumorganische Verbindungen (Anlage A)
1,4
1,2
3
Konzentration [mg/Nm ]
1,0
L2
L3
L4
D3
D4
D5
TMS
0,8
0,6
0,4
0,2
0,0
31.07.2011
01.08.2011
02.08.2011
03.08.2011
04.08.2011
05.08.2011
06.08.2011
Probenahmezeitpunkt
Abbildung 5-6: Konzentrationsverlauf siliziumorganische Verbindungen während der Intensivprobenahme (Anlage A)
75
Die gemessenen Konzentrationen der siliziumorganischen Verbindungen im Rohgas der
Anlage A sind äußerst gering. Nur die Methylsiloxane D3, D4 und D5 weisen Konzentrationen von > 0,5 mg/Nm3 auf; die höchste gemessene Methylsiloxan-Konzentration beträgt 1,38
mg/Nm3 für D5. Verglichen mit der üblichen Methylsiloxanbelastung von Deponie- und Klärgasen ist Belastung des Biogases der Anlage A um mindestens einen Faktor von 25 niedriger, so dass Probleme bei der weiteren Nutzung des Biogases aufgrund der MethylsiloxanKonzentration unwahrscheinlich sind. Konzentrationsspitzen, wie am 20.01.2011 bzw.
19.04.2011 können z.B. durch Temperaturschwankungen in den Fermentern bzw. dem Gasspeicher verursacht sein.
5.4.2
Terpene
80
70
3
60
50
alpha-Pinen
Camphen
beta-Pinen
D-Limonen
p-Cymol
40
30
20
10
0
10.08.2010
29.09.2010
18.11.2010
07.01.2011
26.02.2011
17.04.2011
06.06.2011
26.07.2011
Probenahmezeitpunkt
Abbildung 5-7: Konzentrationsverlauf Terpene (Anlage A)
60
50
40
alpha-Pinen
Camphen
beta-Pinen
D-Limonen
p-Cymol
30
20
10
0
31.07.2011
01.08.2011
02.08.2011
03.08.2011
04.08.2011
05.08.2011
Probenahmezeitpunkt
Abbildung 5-8: Konzentrationsverlauf Terpene während der Intensivprobenahme (Anlage A)
76
Die Konzentration des Terpens Limonen steigt im Untersuchungszeitraum der Langzeitmessung (Abbildung 5-7) an, wobei am 19.04.2011 die höchste Limonen-Konzentration mit 77
mg/Nm3 gemessen wurde. Die Konzentrationen von beta-Pinen und Camphen waren im
Vergleich zum Limonen während der gesamten Messkampagne niedrig; sie lagen zwischen
ca. 0,3 - 3,5 mg/Nm3. Alpha-Pinen zeigt eine Konzentrationsspitze von 22 mg/Nm3 am
20.01.2011; ansonsten war die Konzentration von alpha-Pinen < 10 mg/Nm3. Der Konzentrationsanstieg von Limonen kann zwei Ursachen haben. Zum einen ist es denkbar, dass durch
eine Änderung der Substratzusammensetzung die Limonenproduktion aus Vorläuferverbindungen begünstigt wurde. Die zur Verfügung stehenden Daten hinsichtlich der Inputstoffe
der Biogasanlage lassen diesen Schluss jedoch nicht zu, da die Zusammensetzung des
Substrat-Mix über den betrachteten Zeitraum relativ konstant war. Eine zweite Möglichkeit
ist, dass im Gasspeicher aufgrund der Verweilzeit des Biogases bspw. acyclische C-10Terpene in Limonen umgewandelt wurden. Über den Zeitraum der Intensivprobenahme ist
Limonen wie auch bei der Langzeitmessung am stärksten vertreten und zeigt Konzentrationen bis zu 58 mg/Nm³. Sonstigen gemessene Terpene liegen unter 5 mg/Nm³.
5.4.3
Aromaten
Aromaten
10
9
8
3
7
6
Benzol
Toluol
Ethylbenzol
m/p-Xylol
o-Xylol
p-Cymol
5
4
3
2
1
0
10.08.2010
29.09.2010
18.11.2010
07.01.2011
26.02.2011
17.04.2011
06.06.2011
26.07.2011
Probenahmezeitpunkt
Abbildung 5-9: Konzentrationsverlauf Aromaten (Anlage A)
77
6
5
3
4
Benzol
Toluol
Ethylbenzol
m/p-Xylol
o-Xylol
p-Cymol
3
2
1
0
31.07.2011
01.08.2011
02.08.2011
03.08.2011
04.08.2011
05.08.2011
06.08.2011
Probenahmezeitpunkt
Abbildung 5-10: Konzentrationsverlauf Aromaten während der Intensivprobenahme (Anlage A)
Die Konzentrationen sowohl der BTXE-Aromaten als auch von o-Cymen sind insgesamt sehr
niedrig. Während die Konzentrationen der anderen aromatischen Verbindungen im Untersuchungszeitraum relativ konstant bleiben, steigt die Toluolkonzentration am 15.12.2010 bis
auf 9,9 mg/Nm3 an und fällt bis 21.06.2011 wieder auf 2,2 mg/Nm3 ab. Kleinere Konzentrationsspitzen sind auch für Benzol und Ethylbenzol zu erkennen. Insgesamt scheinen die in
geringen Konzentrationen vorkommenden Aromaten in ihrer Eigenschaft als Xenobiotika
keinen negativen Einfluss auf die Fermentationsvorgänge zu haben. Im Zeitraum der Intensivprobenahme sind Toluol, und Cymol am stärksten vertreten. Allgemein gesehen sinken
die Konzentrationen aller gemessenen Aromaten während der Intensivprobenahme.
5.4.4
Furane
6
3
5
4
Furan
2-Methylfuran
Tetrahydrofuran
2-Pentylfuran
3
2
1
0
10.08.2010
29.09.2010
18.11.2010
07.01.2011
26.02.2011
17.04.2011
06.06.2011
26.07.2011
Probenahmezeitpunkt
Abbildung 5-11: Konzentrationsverlauf Furane (Anlage A)
78
3,0
3
2,5
2,0
Furan
1,5
2-Methylfuran
Tetrahydrofuran
2-Pentylfuran
1,0
0,5
0,0
31.07.2011
01.08.2011
02.08.2011
03.08.2011
04.08.2011
05.08.2011
06.08.2011
Probenahmezeitpunkt
Abbildung 5-12: Konzentrationsverlauf Furane während der Intensivprobenahme (Anlage A)
Im Biogas der Anlage A wurden nur die Furan-Derivate 2-Pentylfuran (bis zu 5,7 mg/Nm3)
und 2-Methylfuran (bis zu 2 mg/Nm3) in geringen Konzentrationen quantifiziert.
5.4.5
Ketone und Alkohole
70
60
3
50
Aceton
2-Butanon
2-Butanol
2-Pentanon
3-Pentanon
2-Heptanon
40
30
20
10
0
10.08.2010
29.09.2010
18.11.2010
07.01.2011
26.02.2011
17.04.2011
06.06.2011
26.07.2011
Probenahmezeitpunkt
Abbildung 5-13: Konzentrationsverlauf Ketone/Alkohole (Anlage A)
79
120
100
80
Aceton
2-Butanon
2-Butanol
2-Pentanon
3-Pentanon
2-Heptanon
60
40
20
0
31.07.2011
01.08.2011
02.08.2011
03.08.2011
04.08.2011
05.08.2011
06.08.2011
Probenahmezeitpunkt
Abbildung 5-14: Konzentrationsverlauf Ketone/Alkohole während der Intensivprobenahme (Anlage A)
Die Aceton- und 2-Butanon-Konzentrationen erreichten am 19.04.2011 ein Maximum im Biogas. Danach sank die Aceton-Konzentration drastisch von 63,1 mg/Nm3 auf 32,8 mg/Nm3,
während die 2-Butanon-Konzentration nach dem 19.04.2011 nur in geringem Maße zurückging. Auch im Zeitraum der Intensivprobenahme sind Aceton und 2-Butanon dominant. Am
02.08.2011 wurde ein Maximum von über 100mg/Nm³ erreicht, Alle weiteren untersuchten
Ketone bzw. Alkohole wiesen im Gegensatz zu Aceton und 2-Butanon deutlich niedrigere
Konzentrationen auf. Der Konzentrationsverlauf dieser Verbindungen änderte sich im Untersuchungszeitraum nicht in signifikanter Weise.
5.4.6
Alkane
Alkane
18
16
3
14
n-Pentan
n-Hexan
n-Heptan
n-Octan
n-Nonan
n-Decan
n-Undecan
n-Dodecan
n-Tridecan
n-Tetradecan
n-Pentadecan
12
10
8
6
4
2
0
10.08.2010
29.09.2010
18.11.2010
07.01.2011
26.02.2011
17.04.2011
06.06.2011
26.07.2011
Probenahmezeitpunkt
Abbildung 5-15: Konzentrationsverlauf Alkane (Anlage A)
80
5
4
n-Pentan
n-Hexan
n-Heptan
n-Octan
n-Nonan
n-Decan
n-Undecan
n-Dodecan
n-Tridecan
n-Tetradecan
n-Pentadecan
3
2
1
0
31.07.2011
01.08.2011
02.08.2011
03.08.2011
04.08.2011
05.08.2011
06.08.2011
Probenahmezeitpunkt
Abbildung 5-16: Konzentrationsverlauf Alkane während der Intensivprobenahme (Anlage A)
Die meisten der untersuchten Alkane wiesen Konzentrationen von < 10 mg/Nm3 auf; eine
Ausnahme bildet bei der Langzeitmessung das n-Hexan, das am 22.02.2011 eine Konzentrationsspitze von 17,8 mg/Nm3 zeigte. Bei der Intensivprobenahme liegen alle gemessenen
Konzentrationen unter 5 mg/N³.
5.4.7
Ester
2,5
3
2,0
1,5
Methylpropanoat
Methylbutanoat
Methylpentanoat
Ethylpentanoat
1,0
0,5
0,0
10.08.2010
29.09.2010
18.11.2010
07.01.2011
26.02.2011
17.04.2011
06.06.2011
26.07.2011
Probenahmezeitpunkt
Abbildung 5-17: Konzentrationsverlauf Ester (Anlage A)
81
Ester
2,5
3
2,0
1,5
Methylpropanoat
Methylbutanoat
Methylpentanoat
Ethylpentanoat
1,0
0,5
0,0
31.07.2011
01.08.2011
02.08.2011
03.08.2011
04.08.2011
05.08.2011
06.08.2011
Probenahmezeitpunkt
Abbildung 5-18: Konzentrationsverlauf Ester während der Intensivprobenahme (Anlage A)
Die Konzentrationen der analysierten Ester in der Gasphase sind sehr gering und schwanken stark im betrachteten Untersuchungszeitraum der Langzeitmessung. Während der Intensivprobenahme sinken die Konzentrationen hingegen stetig.
5.4.8
Organische Schwefelverbindungen
10
9
8
7
Dimethylsulfid
Kohlenstoffdisulfid
6
2-Propanthiol
1-Propanthiol
5
2-Butanthiol
Thiophen
4
Methylpropylsulfid
Dimethyldisulfid
3
Dipropyldisulfid
2
1
0
10.08.2010
29.09.2010
18.11.2010
07.01.2011
26.02.2011
17.04.2011
06.06.2011
26.07.2011
Probenahmezeitpunkt
Abbildung 5-19: Konzentrationsverlauf Schwefelverbindungen (Anlage A)
82
In der Anlage A treten die Schwefelverbindungen in sehr geringen Konzentrationen auf. Bis
auf wenige Ausnahmen liegen alle Werte, auch die der Intensivprobenahme, unter
5 mg/Nm³.
9
8
7
Dimethylsulfid
6
Kohlenstoffdisulfid
2-Propanthiol
5
1-Propanthiol
2-Butanthiol
Thiophen
4
Methylpropylsulfid
Dimethyldisulfid
3
Dipropyldisulfid
2
1
0
31.07.2011
01.08.2011
02.08.2011
03.08.2011
04.08.2011
05.08.2011
06.08.2011
Probenahmezeitpunkt
Abbildung 5-20: Konzentrationsverlauf Schwefelverbindungen während der Intensivprobenahme (Anlage A)
5.5
Ergebnisse Anlage B
Die Anlage B wurde über den Zeitraum Oktober 2010 bis Juni 2011 sechs Mal mit TDRöhrchen beprobt. Zusätzlich zur Langzeitmessung wurde vom 18.-29.07.2011 eine Intensivprobenahme durchgeführt, bei der täglich eine Probe mit TD-Röhrchen gezogen wurde
(Wochenenden ausgeschlossen). Die Ergebnisse werden im Folgenden für verschiedene
Stoffgruppen dargestellt und diskutiert.
5.6
Quantitative Ergebnisse Anlage B
5.6.1 Siliciumorganische Verbindungen
Die Konzentrationen der gemessenen siliciumorganischen Verbindungen sind im Allgemeinen gering. Neben den linear aufgebauten Methylsiloxanen L2-L4 und den zyklisch aufgebauten Methylsiloxanen D3-D4 wurde das Trimethylsilanol, eine polare siliciumorganische
Verbindung, die eine OH-Gruppe enthält, quantifiziert. Die Methylsiloxane bilden eine Untergruppe der Silicone. Sie bestehen aus Si-O-Bindungen, wobei an den Si-Atomen zusätzlich
Methylgruppen (CH3-Gruppen) gebunden sind. Hiervon leitet sich die Bezeichnung Siloxane
ab: sil(icon) + ox(ygen) + (meth)ane. Trimethylsilanol gehört zu den Silanolen, eine Gruppe
von Silicium-Verbindungen, die Hydroxygruppen am Siliciumatom enthalten und formal den
Alkoholen entsprechen. Es unterscheidet sich von den Methylsiloxanen in seinen chemischen und physikalischen Eigenschaften. Trimethylsilanol ist aufgrund der OH-Gruppe eine
polare Verbindung, die eine größere Wasserlöslichkeit als die Methylsiloxane aufweist.
83
CH3
H3C
Si
O
CH3
Si
H3C
H3C
O
Si
H3C
O
H3C
Si
CH3
Si
CH3
CH3
CH3
O
O
Si
CH3
CH3
CH3
Abbildung 5-21: Struktur von Octamethylcyclotetrasiloxan (D4), Hexamethyldisiloxan (L2)
Trimethylsilanol (TMS) entsteht vermutlich während der anaeroben Fermentation aus Methylsiloxanen bzw. langkettigen Siliconen. Größere Konzentrationen wurden in der Vergangenheit in Deponiegasen nachgewiesen. Im Gegensatz zu TMS sind Methylsiloxane hydrophobe chemische Verbindungen mit einer geringen Wasserlöslichkeit. Methylsiloxane sind
siliciumorganische Verbindungen, die aufgrund ihrer nützlichen Eigenschaften (thermische
Stabilität, Oberflächenaktivität, Hydrophobie etc.) sowohl Bestandteil in vielen Verbraucherprodukten wie Shampoos oder Kosmetika sind als auch bei einer Vielzahl von industriellen
Prozessen, bspw. als Entschäumer, angewendet werden. Probleme verursachen Methylsiloxane und TMS z. B. bei der energetischen Nutzung von Biogas. Durch die Verbrennung von
Biogas in Gasmotoren-BHKW’s werden Methylsiloxane und TMS in Siliciumdioxid umgewandelt, das die Gasmotoren in erheblicher Weise schädigen kann. Es ist nicht bekannt,
dass Methylsiloxane und TMS während der anaeroben Fermentation aus Vorläuferverbindungen in der Biomasse gebildet werden. Es ist wahrscheinlicher, dass die in drei Biogasanlagen gefundenen siliciumorganischen Verbindungen anthropogenen Ursprungs sind und als
Kontaminationen der Biomasse in den Fermenter eingebracht werden.
Tabelle 5-2: Physikalische Eigenschaften von siliciumorganischen Verbindungen
Formel
MolWasserDampfgewicht
löslichkeit druck
[g/mol]
[mg/l]
[mm Hg]
(bei 25 °C) (bei 25 °C)
Lineare Methylsiloxane
Hexamethyldisiloxan (L2)
C6H18Si2O
162
0,93
42,2
Octamethyltrisiloxan (L3)
C8H24Si3O2
236
0,034
3,88
Decamethyltetrasiloxan (L4)
C10H30Si4O3
310
0,006
0,43
Cyclische Methylsiloxane
Hexamethylcyclotrisiloxan (D3)
C6H18Si3O3
222
1,56
8,6
Octamethylcyclotetrasiloxan (D4)
C8H24Si4O4
297
0,056
0,99
Decamethylcyclopentasiloxan (D5)
C10H30Si5O5
371
0,017
0,174
Trimethylsilanol
C3H10OSi
90
43000
21
84
18
16
14
12
L2
L3
L4
D3
D4
D5
TMS
10
8
6
4
2
0
24.10.2010
23.11.2010
23.12.2010
22.01.2011
21.02.2011
23.03.2011
22.04.2011
22.05.2011
21.06.2011
Probenahmezeitpunkt
Abbildung 5-22: Konzentrationsverlauf siliciumorganischer Verbindungen (Anlage B)
Zu Beginn des Untersuchungszeitraums wies Decamethylcyclopentasiloxan (D5) mit 16,7
mg/Nm3 die höchste Konzentration von allen untersuchten siliciumorganischen Verbindungen auf. Die D5-Konzentration sank dann zunächst auf 2 mg/Nm3, um im weiteren Verlauf
noch einmal ein relatives Maximum von etwa 12 mg/Nm3 zu erreichen. Neben D5 wurden
noch für die cyclischen Methylsiloxane D3 und D4 Konzentrationen von bis zu 2 mg/Nm3
bestimmt. Für die anderen siliciumorganischen Verbindungen wurden im Untersuchungszeitraum keine signifikanten Konzentrationen gemessen.
Ein Blick auf die Ergebnisse der Analysen der Flüssigphase zeigt, dass für den Zeitraum
Nov.-Dez. 2010 die Substrate weniger Rohfette enthielten und im April ein kurzfristiger Anstieg stattfand. Dies korreliert sehr gut mit dem Verlauf der Siloxane im Biogas. Es ist bekannt von Gas- bzw. Substratanalysen in Kläranlagen, dass sich die Siloxane auf den sog.
extrazellulären polymeren Substanzen, die sich während der biologischen Abwasserbehandlung bilden, anreichern und später bei der Klärschlammstabilisierung freigesetzt werden
[Dewil 2006]. Diese extrazellulären polymeren Substanzen sind hydrophob und bestehen
aus Polysacchariden, Proteinen, Lipiden, Phospholipiden und einer Vielzahl weiterer Verbindungen. Eine mögliche Quelle für die Siloxane in der Anlage B können deshalb hydrophobe
Substrate mit höherem Fettanteil sein. Der Anteil der gefütterten Bioabfälle in Dezember
2010 war halb so groß wie im vorherigen Monat. Im Zeitraum März-April 2011 ist dieser Anteil deutlich gestiegen.
Im Zeitraum Nov.-Dez. 2010 ist außerdem die Menge an Inputmaterial zurückgegangen
(vermutlich saisonbedingt), was als Folge hatte, dass die Raumbelastung in den Fermentern
gesenkt war, genauso wie der Gasertrag. Es ist auffällig, dass im genannten Zeitraum, der
Anteil an Ast- und Grünschnitt im Substrat drastisch reduziert war. Prinzipiell sollten solche
Substrate keinen Zusammenhang mit den hier gemessenen Siloxanen haben, d.h. die Änderung der Siloxankonzentration ist hauptsächlich auf die zugefütterte Menge an Bioabfälle
bzw. Raumbelastung im Fermenter zurückzuführen.
85
5.6.2
Intensivprobenahme
12
8
3
10
L2
L3
L4
6
D3
D4
D5
TMS
4
2
0
17.07.2011
19.07.2011
21.07.2011
23.07.2011
25.07.2011
Probenahmezeitpunkt
27.07.2011
29.07.2011
Abbildung 5-23: Konzentrationsverlauf siliciumorganischer Verbindungen während der Intensivprobenahme (Anlage B)
Im Zeitraum vom 18.07.2011 bis 29.07.2011 wurde eine Intensivprobenahme am Standort B
durchgeführt. Aus Abbildung 5-23 ist ersichtlich, dass die Konzentrationen der siliciumorganischen Verbindungen an den meisten Tagen zwischen etwa 1 und 4 mg/Nm3 schwankten.
Die D5-Anfangskonzentration sank relativ stark nach der ersten Probenahme, während für
D4 eine Konzentrationsspitze zu beobachtet war. Möglicherweise wurde diese Konzentrationsspitze durch einen teilweisen Abbau von D5 verursacht, bei dem durch Ringverkleinerung
aus D5-Molekülen D4-Moleküle gebildet wurden.
Genauso wie beim Konzentrationsverlauf der normalen Probenahme (Abbildung 5-22) ist die
Absenkung der Konzentration von Siloxan D5 mit der Abnahme des Anteils an Bioabfälle im
Substrat in Juli 2011 verbunden.
5.6.3 Terpene
In der Verbindungsklasse der Terpene ist eine Vielzahl von meist angenehm aromatisch riechenden Naturstoffen zusammengefasst. Es sind etwa 40000 Terpene heute bekannt, von
denen die meisten aus Pflanzen isoliert wurden12. Sie sind Bestandteile von ätherischen
Ölen, die aus Blüten, Blättern, Früchten, Rinden und Wurzeln bspw. durch Wasserdampfdestillation gewonnen werden. Technisch relevante Terpene sind u.a. Limonen, Pinen und
Camphen. Terpene werden durch Biosynthese in Pflanzen, Archebakterien, Hefen, Algen,
Tieren und im menschlichen Körper gebildet. Die Synthese läuft über die aktiven IsoprenEinheiten Isopentenyldiphosphat bzw. deren isomere Verbindung (3,3-Dimethylallyl-)diphosphat ab. Biologisch schwer abbaubare Terpene können mit dem Substrat (z. B. Speiseabfälle, Grünschnitt usw.) in den Fermenter eingebracht werden, wo sie sich später in der Gasphase anreichern. Zudem können Terpene während der Vergärungsprozesse im Fermenter
selbst entstehen.
12
Römpp Chemie-Lexikon, online-Ausgabe: http://www.roempp.com/prod/
86
Im Vergleich zu den siliciumorganischen Verbindungen ist der Gesamtgehalt des Biogases
an Terpenen deutlich größer. Im betrachteten Untersuchungszeitraum stieg die p-CymolKonzentration kontinuierlich bis auf 751 mg/Nm3 am 05.05.2011 an, anschließend sank die
Konzentration auf 352 mg/Nm3 (Abbildung 5-24). Einen ähnlichen Konzentrationsverlauf ist
für D-Limonen zu sehen, obwohl die Konzentration im Zeitraum Nov.-Dez. 2010 stark abgestiegen ist.
Weil Terpene in Wasser fast unlöslich sind, ist zu erwarten, dass sie sich im Fermenter
schnell in der Gasphase anreichern und durch Betriebsparameter wie z. B. Temperatur stark
beeinflusst werden können. Die thermophilen Bedingungen in B unterstützen diese Hypothese. Nach Smet et al [Smet 1999]. wird die Produktion von Terpenen bei der Vergärung von
Bioabfällen unter thermophilen Bedingungen gefördert. Darüber hinaus sind solche Bedingungen günstig für die Umwandlung von Limonen in p-Cymol. Dies stimmt überein mit der
hohen p-Cymol Konzentration in Anlage B.
Obwohl keine Gasanalysen der einzelnen Substrate vorliegen, d.h. z. B. von Bioabfällen oder Ast- und Grünschnitt, ist zu erwarten, dass sie die Quelle für die hier gemessenen Terpene ist. Da die vorhandenen Tagebücher von Anlage B monatliche Mittelwerte enthalten, ist
es nur möglich eine grobe Einschätzung des Zusammenhangs zwischen der Gasphase und
den Substraten zu machen. Trotzdem ist zu erkennen, dass der Anstieg der Anteile an Bioabfall, Ast- bzw. Grünschnitt und Abfälle aus pflanzlichem Gewerbe im Zeitraum März-April
2011 sehr gut mit dem Anstieg der Konzentration von Terpenen korreliert. Außerdem gibt es
einen direkten Zusammenhang zwischen Inputmaterial bzw. Gasertrag und TerpenKonzentration.
800
700
3
600
500
alpha-Pinen
Camphen
Beta-Pinen
D-Limonen
p-Cymol
400
300
200
100
0
24.10.2010
23.11.2010
23.12.2010
22.01.2011
21.02.2011
23.03.2011
22.04.2011
22.05.2011
21.06.2011
Probenahmezeitpunkt
Abbildung 5-24: Konzentrationsverlauf Terpene (Anlage B)
87
700
600
500
400
alpha-Pinen
Camphen
Beta-Pinen
D-Limonen
300
p-Cymol
200
100
0
17.07.2011
19.07.2011
21.07.2011
23.07.2011
25.07.2011
Probenahmezeitpunkt
27.07.2011
29.07.2011
Abbildung 5-25: Konzentrationsverlauf Terpene während der Intensivprobenahme (Anlage B)
Weil keine Information über die tägliche Fütterung der Fermenter oder den Gasertrag vorliegen, ist zu erwarten, dass der Konzentrationsanstieg am 19.07.11 (Abbildung 5-25) mit einer
Änderung eines Betriebsparameters verbunden ist (z. B. Temperatur).
5.6.4 Aromaten
Aus der Gruppe der aromatischen Verbindungen wurden Benzol, Toluol, Xylole, Ethylbenzol
(die sog. BTXE-Aromaten) und o-Cymol bestimmt. Mit Ausnahme von o-Cymol sind BTXEAromaten keine natürlichen Bestandteile der eingesetzten Substrate, sie werden aber in vielen Bereichen bspw. als Lösemittel oder Industriechemikalien eingesetzt, so dass sie möglicherweise als Verunreinigungen der verwendeten Substrate in den Fermenter gelangen
können. Wie von Rasi et al. [Rasi 2007] gezeigt wurde, werden aromatische Verbindungen
während des anaeroben Prozesses über den Abbau von Lignin produziert.
88
12
3
10
8
Benzol
Toluol
Ethylbenzol
m/p-Xylol
o-Xylol
6
4
2
0
24.10.2010
23.11.2010
23.12.2010
22.01.2011
21.02.2011
23.03.2011
22.04.2011
22.05.2011
21.06.2011
Probenahmezeitpunkt
Abbildung 5-26: Konzentrationsverlauf Aromaten (Anlage B)
Der Konzentrationsverlauf der Aromaten ähnelt dem der Terpene, was mit ihrer hydrophoben
Eigenschaften zusammenhängen könnte. Die Konzentrationen sind erwartungsgemäß sehr
gering. Es ist aber auffällig, dass der Anstieg der Konzentration im Zeitraum von März bis
April im Vergleich mit den Terpenen früher stattfindet. Eine plausible Erklärung dafür ist die
anthropogene Herkunft der Aromaten, d.h. sie können direkt nach Eingang in den Fermenter
in die Gasphase überführt werden, während die Terpene bei der Vergärung erst durch die
Zerstörung von pflanzlichen Zellen freigesetzt werden.
8
7
3
6
5
Benzol
Toluol
4
Ethylbenzol
m/p-Xylol
o-Xylol
3
2
1
0
17.07.2011
19.07.2011
21.07.2011
23.07.2011
25.07.2011
Probenahmezeitpunkt
27.07.2011
29.07.2011
Abbildung 5-27: Konzentrationsverlauf Aromaten (Anlage B)
89
Auffällig ist in Abbildung 5-27 die Ähnlichkeit des Konzentrationsverlaufs der Aromaten mit
dem der Terpene während der Intensivprobenahme. Diese Ähnlichkeit bestätigt die Annahme, dass der Konzentrationsanstieg vom 19.07.12 durch eine kurzfristige Änderung eines
Betriebsparameters entstanden ist.
5.6.5 Furane
Furan kann in Lebensmittel durch Erhitzungsprozesse gebildet werden. Das FuranStrukturelement ist deshalb in vielen aromawirksamen Komponenten enthalten, z. B. erhitztem Fleisch und Brot. Es wird angenommen, dass Furan thermisch aus Aminosäuren bzw.
Kohlenhydraten im Rahmen der Maillard-Reaktion oder durch Oxidation mehrfach ungesättigter Fettsäuren gebildet wird12. Die sog. Furan-Fettsäuren, die z. B. in Pflanzenölen bzw.
Fischölen gefunden werden, dienen als mögliche Quelle für die Furan-Verbindungen.
12
Abbildung 5-28: Mögliche Reaktionswege der Furan-Bildung
90
16
14
12
10
Furan
8
2-Methylfuran
Tetrahydrofuran
2-Pentylfuran
6
4
2
0
24.10.2010
23.11.2010
23.12.2010
22.01.2011
21.02.2011
23.03.2011
22.04.2011
22.05.2011
21.06.2011
Probenahmezeitpunkt
Abbildung 5-29: Konzentrationsverlauf Furane (Anlage B)
Der Konzentrationsverlauf der Furane zeigt eine Abhängigkeit mit der Fütterung der Bioabfälle, die pflanzliche Fette enthalten.
16
14
12
10
Furan
8
2-Methylfuran
Tetrahydrofuran
2-Pentylfuran
6
4
2
0
17.07.2011
19.07.2011
21.07.2011
23.07.2011
25.07.2011
Probenahmezeitpunkt
27.07.2011
29.07.2011
Abbildung 5-30: Konzentrationsverlauf Furane während der Intensivprobenahme (Anlage B)
5.6.6 Ketone und Alkohole
Ketone und Alkohole können während der anaeroben Fermentation der Biomasse als Produkte entstehen. Das Bakterium Clostridium acetobutylicum verfügt bspw. über die Fähigkeit,
durch Vergärung von Kohlenhydraten Aceton und Butanol zu produzieren.
91
Für schwer abbaubare chemische Verbindungen ist die Hydrolyse der geschwindigkeitsbestimmende Schritt. Während im Gegensatz dazu bei leichabbaubaren Substanzen die Acetatproduktion während der Vergärung der geschwindigkeitslimitierende Schritt ist. Dies hat
die Akkumulation im Fermenter von C3-C4-Substanzen wie z. B. Aceton oder 2-Butanon zur
Folge.
250
3
200
Aceton
2-Butanon
2-Butanol
2-Pentanon
3-Pentanon
2-Heptanon
150
100
50
0
24.10.2010
23.11.2010
23.12.2010
22.01.2011
21.02.2011
23.03.2011
22.04.2011
22.05.2011
21.06.2011
Probenahmezeitpunkt
Abbildung 5-31: Konzentrationsverlauf Ketone/Alkohole (Anlage B)
900
800
Konzentration [mg/Nm 3]
700
600
Aceton
500
2-Butanon
2-Butanol
2-Pentanon
400
3-Pentanon
2-Heptanon
300
200
100
0
17.07.2011
19.07.2011
21.07.2011
23.07.2011
25.07.2011
27.07.2011
29.07.2011
Probenahmezeitpunkt
Abbildung 5-32: Konzentrationsverlauf Ketone/Alkohole während der Intensivprobenahme (Anlage B)
92
Genau wie bei den vorherigen Verbindungsklassen, weisen die Ketone bzw. Alkohole ähnliche Konzentrationsverläufe auf. Diese Substanzen weisen auf Grund ihrer relativen großen
Dampfdrücke sehr hohe Konzentrationen in der Gasphase auf. Dies könnte ein Hinweis für
eine Prozessstörung sein, da die methanogenen Bakterien ihre Aufgabe nicht erfüllen.
5.6.7 Alkane
Längerkettige Alkane wie n-Nonan oder n-Tetradecan kommen als Bestandteile von essentiellen Ölen oder als Inhaltstoffe von Früchten vor. Kurzkettige Alkane wie bspw. das n-Hexan
werden als Lösemittel bei der Öl- und Fettextraktion verwendet und können möglicherweise
als Verunreinigungen der Biomasse in den Fermentationsprozess eingebracht worden sein.
Weil n-Pentan bei den Bedingungen in der Anlage B gasförmig vorkommt, ist zu erwarten,
dass n-Pentan sich nicht im Substrat befindet, sondern beim Abbau von z. B. Fettsäuren
erzeugt wird. Auffällig ist der ähnliche Konzentrationsverlauf (Spitze in April) zu den anderen
Verbindungsklassen.
8
7
n-Pentan
n-Hexan
n-Heptan
n-Octan
n-Nonan
n-Decan
n-Undecan
n-Dodecan
n-Tridecan
n-Tetradecan
n-Pentadecan
3
6
5
4
3
2
1
0
24.10.2010
23.11.2010
23.12.2010
22.01.2011
21.02.2011
23.03.2011
22.04.2011
22.05.2011
21.06.2011
Probenahmezeitpunkt
Abbildung 5-33: Konzentrationsverlauf Alkane (Anlage B)
93
9
8
7
3
n-Pentan
6
n-Hexan
n-Heptan
n-Octan
5
n-Nonan
n-Decan
4
n-Undecan
n-Dodecan
n-Tridecan
3
n-Tetradecan
n-Pentadecan
2
1
0
17.07.2011
19.07.2011
21.07.2011
23.07.2011
25.07.2011
Probenahmezeitpunkt
27.07.2011
29.07.2011
Abbildung 5-34: Konzentrationsverlauf Alkane während der Intensivprobenahme (Anlage B)
5.6.8 Ester
Ester sind Reaktionsprodukte von Carbonsäuren und Alkoholen. Die Ester kurz- bis mittelkettiger Carbonsäuren und Alkohole werden auch als Fruchtester bezeichnet, da sie Bestandteile von Fruchtaromen sind. Es sind über 400 Fruchtester bekannt.
1,4
1,2
3
1,0
0,8
Methylpropanoat
Methylbutanoat
Methylpentanoat
Ethylpentanoat
0,6
0,4
0,2
0,0
24.10.2010
23.11.2010
23.12.2010
22.01.2011
21.02.2011
23.03.2011
22.04.2011
22.05.2011
21.06.2011
Probenahmezeitpunkt
Abbildung 5-35: Konzentrationsverlauf Ester (Anlage B)
Die gemessenen Ester weisen vermutlich auf Grund der hohen Abbaurate im Fermenter sehr
geringe Konzentrationen auf. Der Konzentrationsverlauf während der Intensivprobenahme
94
(Abbildung 5-36) zeigt einen signifikanten Anstieg am 19.07.12, was wie oben erwähnt, ein
Hinweis auf eine Prozessstörung sein könnte.
9
8
3
7
6
5
Methylpropanoat
Methylbutanoat
Methylpentanoat
4
Ethylpentanoat
3
2
1
0
17.07.2011
19.07.2011
21.07.2011
23.07.2011
25.07.2011
Probenahmezeitpunkt
27.07.2011
29.07.2011
Abbildung 5-36: Konzentrationsverlauf Ester während der Intensivprobenahme (Anlage B)
5.6.9 Schwefelverbindungen
Unter den verschiedenen flüchtigen Schwefelverbindungen (Volatile sulphur compounds
VSCs), die im Biogas gefunden werden, ist Schwefelwasserstoff (H2S) in der Regel die dominante Verbindung. Unter bestimmten Bedingungen können andere Schwefelverbindungen
wie z. B. Sulfide, Thiole eine höhere Konzentration als Schwefelwasserstoff aufweisen [Andersson 2004]. Die Konzentration der flüchtigen Schwefelverbindungen hängt nicht nur von
den Eigenschaften und Zusammensetzung der Substrate ab, sondern auch von den Bedingungen während des Vergärungsprozesses. Die übliche Quelle für flüchtige Schwefelverbindungen in Biogas ist der Abbau von Proteinen.
Mit Ausnahme von Kohlenstoffdisulfid weisen alle anderen Schwefelverbindungen, die in der
Anlage B gemessen wurden, ähnliche Konzentrationsverläufe wie die anderen Verbindungsklassen auf. Ein möglicher Grund für die hohe Konzentration an Kohlenstoffdisulfid ist die
Anwesenheit von tierischen Proteinen in den Substraten.
95
25
20
Dimethylsulfid
kohlenstoffdisulfid
15
2-Propanthiol
1-Propanthiol
2-Butanthiol
Thiophen
10
Methylpropylsulfid
Dimethyldisulfid
Dipropyldisulfid
5
0
24.10.2010
23.11.2010
23.12.2010
22.01.2011
21.02.2011
23.03.2011
22.04.2011
22.05.2011
21.06.2011
Probenahmezeitpunkt
Abbildung 5-37: Konzentrationsverlauf Schwefelverbindungen (Anlage B)
Während der Intensivprobenahme (Abbildung 5-38) wurde festgestellt, dass im Vergleich mit
der Langzeitmessung die Konzentration von Kohlenstoffdisulfid stark gesunken ist und Dimethylsulfid dominiert. Obwohl keine Messungen von Schwefelwasserstoff vorliegen, ist zu
vermuten, dass Schwefelwasserstoff die höchste Konzentration aller VSCs in der Anlage B
aufweist.
60
50
40
Dimethylsulfid
Kohlenstoffdisulfid
2-Propanthiol
1-Propanthiol
30
2-Butanthiol
Thiophen
Methylpropylsulfid
Dimethyldisulfid
20
Dipropyldisulfid
10
0
17.07.2011
19.07.2011
21.07.2011
23.07.2011
25.07.2011
Probenahmezeitpunkt
27.07.2011
29.07.2011
Abbildung 5-38: Konzentrationsverlauf Schwefelverbindungen während der Intensivprobenahme (Anlage B)
96
5.7
Qualitative Ergebnisse Anlage B
Weil nicht alle identifizierten Substanzen kalibriert werden konnten, wurden für die qualitative
Auswertung repräsentative Verbindungen ausgewählt, um die Ergebnisse der quantitativen
Auswertung zu ergänzen. Für die qualitative Auswertung wurden die Peakflächen der verschiedenen Substanzen als TIC (Total Ion Chromatography) integriert, d.h. die Intensität
(Höhe) der Peaks im Chromatogramm ist die Summe alle Massenfragmente die bei einer
bestimmten Retentionszeit eluiert sind. Deshalb müssen die qualitativen Ergebnisse mit Vorsicht betrachtet werden, da es im schlimmsten Fall zur Überlagerung verschiedener Peaks
kommt, was zur Verfälschungen der relativen Konzentration führen kann.
5.7.1 Ketone
Im Vergleich mit den quantitativen Ergebnissen zeigen die qualitativen Ergebnisse keinen
Anstieg im Zeitraum März-April 2011, obwohl der Abstieg zwischen November-Dezember
2010 ähnlich aussieht. Dennoch stimmt der Konzentrationsverlauf während der Intensivprobenahme (Abbildung 5-39) sehr gut mit den quantitativen Ergebnissen überein.
70000000
60000000
4-Methyl-2-pentanon
2-Methyl-3-pentanon
3-Methyl-2-pentanon
3-Hexanon
2-Hexanon
Cyclopentanon
3-Heptanon
2-Heptanon
Peakfläche
50000000
40000000
30000000
20000000
10000000
0
17.11.2010
22.12.2010
26.01.2011
02.03.2011
06.04.2011
11.05.2011
Probenahmezeitpunkt
Abbildung 5-39: Qualitativer Verlauf Ketone (Anlage B)
97
20000000
18000000
16000000
14000000
4-Methyl-2-pentanone
3-Hexanone
2-Hexanone
Cyclopentanone
3-Heptanone
2-Heptanone
p-Menthan-2-one
Peakfläche
12000000
10000000
8000000
6000000
4000000
2000000
0
18.07.2010
20.07.2010
22.07.2010
24.07.2010
26.07.2010
28.07.2010
Probenahmezeitpunkt
Abbildung 5-40: Qualitativer Verlauf Ketone während der Intensivprobenahme (Anlage B)
5.7.2 Terpene/Terpenoide
Die Konzentrationsverläufe der Terpene in Abbildung Abbildung 5-41 zeigen ähnliche Verhältnisse wie bei den quantitativen Ergebnisse der Probenahme (normal und intensiv). Es ist
auffällig, dass beta-Phellandren, eine Substanz, die mit p-Cymol strukturell eng verbunden
ist, bei der monatlichen Probenahme eine der höchsten Intensitäten aufweist, aber während
der Intensivprobenahme am 19.07.12 einen Abstieg zeigt. Dies könnte darauf hinweisen,
dass sich bestimmte Betriebsparameter im Juli geändert haben, die im April verantwortlich
für die Umwandlung von p-Cymol in beta-Phellandren waren.
120000000
Isopren
.alpha.-Phellandren
.alpha.-Fenchen
100000000
.beta.-Phellandren
3-Caren
Peakfläche
80000000
Eukalyptol
.gamma.-Terpinen
Terpinolen
60000000
Campher
4-Carvomenthenol
40000000
Carvomenthol
.alpha.-Terpineol
p-Menthan-2-one
20000000
Caryophyllen
Thujopsen
0
16.11.2010
16.12.2010
15.01.2011
14.02.2011
16.03.2011
15.04.2011
15.05.2011
Probenahmezeitpunkt
Abbildung 5-41: Qualitativer Verlauf Terpene und Terpenoide (Anlage B)
98
60000000
50000000
.alpha.-Phellandren
.alpha.-Fenchen
.beta.-Phellandren
3-Caren
.gamma.-Terpinen
Terpinolen
Caryophyllen
Thujopsen
Camphor
Eukalyptol
4-Carvomethenol
Preakfläche
40000000
30000000
20000000
10000000
0
18.07.2010
20.07.2010
22.07.2010
24.07.2010
26.07.2010
28.07.2010
Probenahmezeitpunkt
Abbildung 5-42: Qualitativer Verlauf Terpene und Terpenoide während der Intensivprobenahme
(Anlage B)
5.7.3 Ester
Die gemessenen Ester bei der qualitativen Auswertung stimmen mit den Ergebnissen der
quantitativen Auswertung überein.
12000000
10000000
Peakfläche
8000000
Ethyl propanoat
sec-Butyl acetat
Methyl hexanoat
6000000
4000000
2000000
0
17.11.2010
17.12.2010
16.01.2011
15.02.2011
17.03.2011
16.04.2011
16.05.2011
Probenahmezeitpunkt
Abbildung 5-43: Qualitativer Verlauf Ester (Anlage B)
99
5000000
4500000
4000000
3500000
Peakfläche
3000000
Methyl hexanoat
2500000
2000000
1500000
1000000
500000
0
18.07.2010
20.07.2010
22.07.2010
24.07.2010
26.07.2010
28.07.2010
Probenahmezeitpunkt
Abbildung 5-44: Qualitativer Verlauf Ester während der Intensivprobenahme (Anlage B)
5.8
Ergebnisse Anlage C
Die Anlage C wurde über den Zeitraum November 2010 bis Juli 2011 acht Mal mit TDRöhrchen beprobt. Die Ergebnisse werden im Folgenden für verschiedene Stoffgruppen dargestellt und diskutiert.
Quantitative Ergebnisse Anlage C
5.8.1
Siliciumorganische Verbindungen
12
3
10
8
L2
L3
L4
D3
D4
D5
TMS
6
4
2
0
29.10.2010
28.11.2010
28.12.2010
27.01.2011
26.02.2011
28.03.2011
27.04.2011
27.05.2011
26.06.2011
26.07.2011
Probenahmezeitpunkt
Abbildung 5-45: Konzentrationsverlauf siliciumorganische Verbindungen (Anlage C)
100
Bei der Langzeitmessung in C sind die siliciumorganischen Verbindungen in geringen Konzentrationen vertreten. Lediglich D4 zeigt einmalig eine Konzentration von mehr als 11
mg/Nm³. Zum Ende der Langzeitmessung ist ein ansteigender Trend aller quantifizierten
Verbindungen zu verzeichnen. Tendenziell sind die cyclischen Siloxane im Vergleich zu linearen Siloxanen in größeren Konzentrationen in Biogasen vorhanden, da sie auch im größeren Maße Bestandteile von potentiellen Siloxanquellen sind, wie z. B. bei vielen Verbraucherprodukten [Horii 2008].
5.8.2
Terpene
120
3
100
80
alpha-Pinen
Camphen
Beta-Pinen
D-Limonen
p-Cymol
60
40
20
0
29.10.2010 28.11.2010 28.12.2010 27.01.2011 26.02.2011 28.03.2011 27.04.2011 27.05.2011 26.06.2011 26.07.2011
Probenahmezeitpunkt
Abbildung 5-46: Konzentrationsverlauf Terpene (Anlage C)
Die Belastung des Biogases mit Terpenen ist wesentlich geringer als in der Anlage B. Dies
hängt einerseits mit der mesophilen Betriebsweise der Fermenter zusammen, deren Temperatur ca. 12 K niedriger ist als die Temperatur der Fermenter in B (52 °C), andererseits mit
der unterschiedlichen Substratzusammensetzung an beiden Standorten. Bei der Anlage B
dominieren Abfallfraktionen, die in stärkerem Maße terpenhaltige Materialien enthalten. Zum
Ende des Messzeitraums steigt die Konzentration von D-Limonen in der Gasphase am
Standort C stark an. Dieser Anstieg könnte durch vermehrte Zugabe von Citrusfruchthaltigem Abfall bedingt sein.
101
5.8.3
Aromaten
30
3
25
20
Benzol
Toluol
Ethylbenzol
m/p-Xylol
o-Xylol
p-Cymol
15
10
5
0
29.10.2010 28.11.2010 28.12.2010 27.01.2011 26.02.2011 28.03.2011 27.04.2011 27.05.2011 26.06.2011 26.07.2011
Probenahmezeitpunkt
Abbildung 5-47: Konzentrationsverlauf Aromaten (Anlage C)
Die Aromaten unterliegen recht hohen Schwankungen in ihren Konzentrationen. Die Konzentrationsmaxima stimmen mit denen der Terpene überein, andere Verbindungsklassen wie
bspw. die Alkane scheinen einer gegenteiligen Anreicherung zu unterliegen. Da Aromaten
recht stabile Verbindungen sind, liegt es nahe, dass diese direkt aus dem Substrat stammen
und keiner komplizierten Umsetzung unterworfen sind.
5.8.4
Furane
14
12
3
10
8
Furan
2-Methylfuran
Tetrahydrofuran
6
2-Pentylfuran
4
2
0
29.10.2010 28.11.2010 28.12.2010 27.01.2011 26.02.2011 28.03.2011 27.04.2011 27.05.2011 26.06.2011 26.07.2011
Probenahmezeitpunkt
Abbildung 5-48: Konzentrationsverlauf Furane (Anlage C)
102
In der Stoffgruppe der Furane ist 2-Methylfuran die dominante Verbindung. Jedoch werden
auch hier keine sehr hohen Konzentrationen erreicht. Die gemessenen Furane können aus
erhitzten Lebensmitteln stammen, wie zum Beispiel der zugefütterten Backwarenabfälle.
5.8.5
Ketone und Alkohole
180
160
3
140
120
Aceton
2-Butanon
2-Butanol
2-Pentanon
3-Pentanon
2-Heptanon
100
80
60
40
20
0
29.10.2010 28.11.2010 28.12.2010 27.01.2011 26.02.2011 28.03.2011 27.04.2011 27.05.2011 26.06.2011 26.07.2011
Probenahmezeitpunkt
Abbildung 5-49: Konzentrationsverlauf Ketone und Alkohole (Anlage C)
Die langkettigen Verbindungen der Ketone und Alkohole sind weniger stark vertreten. Sie
werden im Fermenter gut umgesetzt. Höhere Konzentrationen finden sich bei Aceton und 2Butanon. Jedoch unterliegen sie einer gegensätzliche Konzentrationsentwicklung. Bei einer
hohen Konzentration an 2-Butanon stellt sich ein geringer Acetongehalt ein und umgekehrt.
Dies deutet auf eine Abbaureaktion von 2-Butanon zu Aceton hin. Vergleicht man die Konzentrationen mit denen der anderen Anlagen sind große Schwankungen in B zu sehen.
103
5.8.6
Alkane
10
9
8
n-Pentan
n-Hexan
n-Heptan
n-Octan
n-Nonan
n-Decan
n-Undecan
n-Dodecan
n-Tridecan
n-Tetradecan
n-Pentadecan
3
7
6
5
4
3
2
1
0
29.10.2010 28.11.2010 28.12.2010 27.01.2011 26.02.2011 28.03.2011 27.04.2011 27.05.2011 26.06.2011 26.07.2011
Probenahmezeitpunkt
Abbildung 5-50: Konzentrationsverlauf Alkane (Anlage C)
Die langkettigen Alkane (n-Pentadecan bis n-Decan) sind in sehr geringen Konzentrationen
von < 1 mg/Nm³ vertreten. Hohe Konzentrationsschwankungen sind wie bei den Ketonen
und Alkoholen auch bei den Alkanen wahrzunehmen.
5.8.7
Ester
0,80
0,60
0,40
Methylpropanoat
Methylbutanoat
Methylpentanoat
Ethylpentanoat
0,20
0,00
29.10.201 28.11.201 28.12.201 27.01.201 26.02.201 28.03.201 27.04.201 27.05.201 26.06.201 26.07.201
0
0
0
1
1
1
1
1
1
1
Probenahmezeitpunkt
Abbildung 5-51: Konzentrationsverlauf Ester (Anlage C)
104
Ester sind nicht oder nur in sehr geringer Konzentration gemessen worden, im Mai und Juni
wurde Ethylpentanoat in sehr geringen Konzentrationen (< 1 mg/Nm³) quantifiziert. Die bestimmten Ester können bei der Auswertung daher weitgehend vernachlässigt werden.
5.8.8
Schwefelverbindungen
120
100
Dimethylsulfid
80
Kohlenstoffdisulfid
2-Propanthiol
1-Propanthiol
2-Butanthiol
60
Thiophen
Methylpropylsulfid
Dimethyldisulfid
40
Dipropyldisulfid
20
0
29.10.2010 28.11.2010 28.12.2010 27.01.2011 26.02.2011 28.03.2011 27.04.2011 27.05.2011 26.06.2011 26.07.2011
Probenahmezeitpunkt
Abbildung 5-52: Konzentrationsverlauf Schwefelverbindungen (Anlage C)
Der Verlauf der Schwefelverbindungen zeigt im Februar einen Peak, der jedoch optisch
durch den hohen Gehalt an 1-Propanthiol (120 mg/Nm³) zunächst nicht auffällt. Ein weiterer
Anstieg ist zum Ende der Messreihe zu sehen. Jedoch liegen die Konzentrationen aller Verbindungen meist unter 10 mg/Nm³.
Qualitative Ergebnisse Anlage C
Die Kurvenverläufe der qualitativ nachgewiesenen zeigt weitere Verbindungen der Stoffklassen Ketone, Terpene/ und Furane. Während die Stoffklassen Ketone und Furane (Fehler!
Verweisquelle konnte nicht gefunden werden. und Abbildung 5-55) eine übersichtliche
Anzahl an weiteren Verbindungen aufweisen, wurde eine Großzahl an Terpenen und Terpenoiden (Abbildung 5-54) qualifiziert. Sie entstehen überwiegend bei der Umsetzung langkettiger und verzweigter Makromoleküle im Fermenter und stellen wie die Makromoleküle
selbst eine Vielfalt an Verbindungen dar.
105
5.8.9
Ketone
1200000
1000000
Peakfläche
800000
3-Methyl-2-butanone
4-Methyl-2-pentanone
600000
Cyclopentanone
5-Methyl-3-hexanone
400000
200000
0
16.11.2010
05.01.2011
24.02.2011
15.04.2011
04.06.2011
24.07.2011
Probenahmezeitpunkt
Abbildung 5-53: Qualitativer Verlauf Ketone während der Intensivprobenahme (Anlage C)
5.8.10 Terpene/Terpenoide
12000000
2-Methyl-1-buten
trans-2-Penten
cis-2-Penten
10000000
3-Methyl-1-buten
trans-1,3-Pentadien
cis-1,3-Pentadien
8000000
3-Methyl-2-penten
Peakfläche
cis,trans-2,4-Hexadien
.alpha.-Phellandren
3,7-Dimethyl-2-octen
6000000
.beta.-Phellandren
cis-2,6-Dimethyl-2,6-octadien
2,3,6-Trimethyl-1,5-heptadien
.alpha.-Thujen
4000000
3-Caren
2-Caren
.beta.-Thujen
2000000
.gamma.-Terpinen
Terpinolen
Eukalyptol
0
08.11.2010
28.12.2010
16.02.2011
07.04.2011
27.05.2011
16.07.2011
Probenahmezeitpunkt
Abbildung 5-54: Qualitativer Verlauf Terpene/Terpenoide während der Intensivprobenahme
(Anlage C)
106
5.8.11 Furane
5000000
4500000
4000000
3500000
Peakfläche
3000000
2-Ehylfuran
2500000
2,4-Dimethylfuran
2000000
1500000
1000000
500000
0
16.11.2010
05.01.2011
24.02.2011
15.04.2011
04.06.2011
24.07.2011
Probenahmezeitpunkt
Abbildung 5-55 : Qualitativer Verlauf Furane während der Intensivprobenahme (Anlage C)
5.8.12 Kontinuierliche Messungen mittels Online-Massenspektrometer am Standort C
Neben den TD-Messungen wurden kontinuierliche Messungen der Rohgasmessungen am
Standort C durchgeführt. Auf Basis des Scan der Spurengaszusammensetzung mittels GCMS wurde das Mess-Setup des CI-MS auf die Messaufgabe abgestimmt. Als Referenzsubstanz für die indirekte Kalibrierung des CI-MS wurde Benzol festgelegt, da Benzol verdünnt
in Stickstoff als stabiles Prüfgas erhältlich ist. Die relativen Kalibrierfaktoren der einzelnen
Spurenverbindungen zu Benzol wurden im Labor unter Verwendung von Reinsubstanzen
ermittelt. Die nachfolgende Tabelle 5-3 fasst das Mess-Setup des CI-MS zusammen.
107
Tabelle 5-3: Mess-Setup CI-MS
Verbindung
Schwefelwasserstoff
Dimethylsulfid
Dichlorethan
Pentan
Schwefelkohlenstoff
Benzol
Hexan
Toluol
Heptan
Xylole
Octan
Nonan
Trichlorethen
Decan
L2
Tetrachlorethen
D4
D5
Wasser
Ethan
Sauerstoff
Phosgen
Benzol*
Dichlormethan
Trichlorethan
R113
Faktoren für interne
Masse Ionisationsgas Kalibrierung mit Benzol
34,00
Hg
0,08
62,00
Hg
13,03
63,00
Hg
1,95
72,00
Hg
2,66
76,00
Hg
0,81
78,00
Hg
100 ppm (Bezugssubstanz)
86,00
Hg
0,74
92,00
Hg
0,64
100,00
Hg
0,45
106,00
Hg
2,58
114,00
Hg
0,30
118,00
Hg
0,20
130,00
Hg
0,28
142,00
Hg
0,08
147,00
Hg
0,26
164,00
Hg
0,09
281,00
Hg
0,09
355,00
Hg
0,12
20,00
Xe
0,06 (Benzol*)
29,00
Xe
0,24 (Benzol*)
31,20
Xe
19,81(Benzol*)
63,00
Xe
1,39 (Benzol*)
78,00
Xe
1
49,00
Xe
0,24 (Benzol*)
97,00
Xe
0,57 (Benzol*)
153,00
Xe
0,22 (Benzol*)
Tabelle 5-4 zeigt einen Vergleich zwischen der TD-Messung und der CI-MS Online-Messung
der Substanzklasse Aromaten am 30.03.2011. Die detaillierte Auswertung der durchgeführten online-Messungen zeigte bei den einzelnen Substanzklassen im Vergleich zu den Messungen mittels TD-Röhrchen deutliche Mehrbefunde. Aufgrund der sehr hohen Konzentrationen, z. B. Toluol von umgerechnet ca. 5 g/m³, ist davon auszugehen, dass die Messwerte
quantitativ nicht auswertbar sind. Grund dafür waren vermutlich Probleme bei der empirischen Bestimmung der Kalibrierfaktoren im Vorfeld der Messung, bei der die jeweiligen
Reinsubstanzen unter Laborbedingungen gemessen wurden. Es wird jedoch derzeit in Kooperation mit der Herstellerfirma des Massenspektrometers versucht, potentielle Fehlerquellen hinsichtlich der Kalibrierung zu identifizieren und zu beseitigen.
Tabelle 5-4: Ergebnisse Aromaten 30.03.2011 Anlage C
Toluol
Benzol
Xylole
TD-Messung 30.03.2011
CI-MS Messung 30.03.2011
in mg/m³
in ppm
in mg/m³
23,87
1300
4971
0,15
3
10
0,30
4
18
Eine qualitative Auswertung ermöglicht jedoch eine Betrachtung der Konzentrationsänderung
der verschiedenen Verbindungen über den Zeitraum der Messung. Schwefelwasserstoff z. B.
zeigt über den Verlauf mehrerer Tage Schwankungen in der Konzentration (Abbildung 5-56:
Qualitativer Verlauf Schwefelverbindungen 21-23.03.2011 (Anlage C)). Die anderen Schwe108
felverbindungen zeigen eine solche Schwankung nicht bzw. liegen in sehr niedrigen Konzentrationsbereichen.
45,00
1,4
40,00
1,2
30,00
0,8
25,00
0,6
20,00
15,00
0,4
Konzentration in ppm
Konzentration in ppm
35,00
1
Dimethylsulfid
Schwefelkohlenstoff
Schwefelwasserstoff
10,00
0,2
0
21.4.11
0:00
5,00
21.4.11
12:00
22.4.11
0:00
22.4.11
12:00
23.4.11
0:00
23.4.11
12:00
0,00
24.4.11
0:00
Datum, Uhrzeit
Abbildung 5-56: Qualitativer Verlauf Schwefelverbindungen 21-23.03.2011 (Anlage C)
Neben der Kalibrierung sind weitere Faktoren bei der Auswertung der Messergebnisse zu
beachten. Ein konstantes Messsignal über einen längeren Messzeitraum deutet eher darauf
hin, dass die im Mess-Setup festgelegte Masse nicht zur Detektion der gesuchten Verbindung geeignet ist. Weiterhin muss beachtet werden, dass die Messwerte einer gerätespezifischen Drift des CI-MS unterliegen. Diese Drift erfordert eine regelmäßige Nachkalibrierung
des CI-MS. Insgesamt lässt sich feststellen, dass zurzeit die TD-GCMS besser geeignet ist,
um die Zusammensetzung der untersuchten Gase im Spurenbereich quantitativ zu erfassen.
Hinsichtlich des CI-MS haben die Untersuchungen an der Anlage C gezeigt, dass sowohl die
Kalibriermethodik einer genauen Überprüfung bedarf als auch eine automatisierte Kompensation der Signaldrift notwendig ist, damit das Gerät zukünftig zur kontinuierlichen quantitativen Spurengasanalyse von Biogasen eingesetzt werden kann.
109
5.9
Vergleich der Spurengaszusammensetzung der Biogasanlagen
In den letzten Jahren erlebt Deutschland in der Biogasbranche einen erheblichen Aufschwung. Dabei werden ständig Verfahren neu entwickelt oder optimiert, die zu einer höheren Biogasausbeute führen sollen. Dies zeigt sich in der großen Vielfalt der Biogasanlagen.
Die untersuchten Biogasanlagen stellen nur eine kleine Auswahl dar.
Tabelle 5-5 zeigt die Unterschiede der verschiedenen Anlagen auf. Bei den Anlagen B und C
handelt es sich um Abfallvergärungsanlagen, bei der Anlage A um eine Covergärungsanlage. Anlage A und C weisen einen mesophilen Temperaturbereich im Fermenter auf (40 °C),
in der Anlage B herrschen thermophile Bedingungen (52 °C). Auch die Durchmischung unterscheidet sich je nach Anlage und in der Anlage A sogar in den unterschiedlichen Fermentern.
Tabelle 5-5: Übersicht über die betrachteten Biogasanlagen
Standort
Merkmal
Wassergehalt im
Reaktor
Anlage A
Anlage B
Nassvergärung
Trockenvergärung Nassvergärung
Temperatur
mesophil
thermophil
mesophil
Prozessführung
einstufig
zweistufig
einstufig
Durchmischung
Fermenter 1:
Gaseinpressung
Fermenter 1:
Pfropfenstrom
Fermenter 1:
Pumpen, Wärmetauscher,
Gaseinpressung
Fermenter 2:
Paddelrührwerk
Fermenter 2:
Pfropfenstrom
Fermenter 2:
Pumpen, Wärmetauscher,
Gaseinpressung
Fermenter 3:
Zentralrührwerk
Anlage C
-
-
Inputmaterialien
Covergärung
Abfallvergärung
Abfallvergärung
Durchsatz
14.000 t/a
30.000 t/a
8.000 t/a
Werden die untersuchten Anlagen über die Dauer der Messkampagne verglichen, lassen
sich keine Gemeinsamkeiten der Konzentrationsverläufe der Stoffverbindungen ausmachen.
Da die Temperatur Im Fermenter grundsätzlich konstant gehalten wird, können Konzentrationsschwankungen auch durch die Änderungen im Substratmix oder der Vorbehandlung der
Substrate bedingt werden. Auch ein diskontinuierlicher Betrieb durch Störungen im Betriebsablauf oder Wartungsarbeiten kann zu Konzentrationsschwankungen führen.
Generell gesehen ist jedoch B am stärksten mit Spurenverbindungen belastet. Abbildung
5-57 zeigt ein Vergleich der drei Anlagen und deren Spurengaskomponenten. Der thermophile Betrieb führt generell zu einer schnelleren Umsetzung der Biomasse und kommt so mit
einer kürzeren Verweildauer aus. Jedoch stellt sich ein niedrigerer Methangehalt im Biogas
ein, CO2 wird verstärkt gebildet. Bei einem höheren Umsatz an Biomasse werden auch vermehrt Spurenverbindungen in der Gasphase angereichert.
Die Besonderheit der Anlage A ist, dass auch Gülle aus der eigenen Tierhaltung als Substrat
genutzt wird. Dies ist bei den beiden anderen nicht der Fall. Hier werden ausschließlich Bioabfälle verwertet. Die Anlagen A und C arbeiten im mesophilen Bereich, bei einer Temperatur von 40 °C im Fermenter. Im Gegensatz zu Anlage B sind die Verweilzeiten der Substrate
daher länger. Die in Abbildung 5-57: Vergleich der Gaszusammensetzung der untersuchten
Biogasanlagen.
110
Anlage B (blau), Anlage C (rot) und Anlage A (schwarz) dargestellten Konzentrationen der
Spurengase aus Proben des Rohgases zeigen, dass C im ausgewählten Beispiel eine etwas
höhere Belastung aufweist als A. Die Anzahl und Höhe der Peaks ist jedoch stark abhängig
von der Substrataufgabe. Ein Zusammenhang zwischen bestimmten identifizierten Substanzen und den Substraten ist dennoch nur schwer auszumachen, da im Fermenter eine Vielzahl an Substraten zusammenkommt und in Wechselwirkung mit vorherigen Substrataufgaben steht.
Anlage B
Anlage C
Anlage A
Abbildung 5-57: Vergleich der Gaszusammensetzung der untersuchten Biogasanlagen.
Anlage B (blau), Anlage C (rot) und Anlage A (schwarz)
Auffällig ist jedoch, dass bestimmte Substanzen wie z. B. 2-Butanon, n-Octan oder DLimonen in allen Anlagen gefunden werden. Diese variieren jedoch in ihrer Konzentration
nicht nur in den verschiedenen Anlagen sondern auch bei verschiedenen Messungen in derselben Anlage.
111
5.10 Empfehlungen für Gasreinigungs- und Sensorsysteme
Die Ergebnisse der Spurengasuntersuchungen des Roh-Biogases zeigten zum Teil höhere
Konzentrationen für organische Siliciumverbindungen als die von den Gasmotorenherstellern
empfohlenen Obergrenzen(< 10 mg Si/Nm3 CH4). Siliciumorganische Verbindungen führen
zu Ablagerungen in Motoren und anderen Geräteteilen und daher zu einem hohen Verschleiß an Anlagenteilen. Eine direkte motorische Nutzung des Roh-Biogases ist daher nicht
empfehlenswert. Jedoch wird das Roh-Biogas in der Regel einer Vorbehandlung unterzogen.
Diese Gasreinigungssysteme werden ausgelegt, um schädliche Substanzen in ausreichendem Maße aus der Gasphase zu entfernen. In der Anlage B wird das Roh-Biogas vor der
motorischen Nutzung bspw. durch Aktivkohle-Adsorption vorbehandelt.
Die Anlage A verfügt über vergleichsweise niedrige Konzentrationen siliciumorganischer
Verbindungen. Es ist zu erwarten, dass diese bei der Aufbereitung zu Biomethan durch die
vorhandene Prozesskette zur Gasaufbereitung aus dem Gas abgeschieden werden.
Neben der etablierten Prozessanalytik der Gasphase für CH4, CO2, O2 und H2S gibt es vereinzelt Sensorenentwicklungen zur Detektion von kritischen Spurenverbindungen wie bspw.
Siloxane. Eine Methode zur selektiven Erkennung verschiedener Spurenverbindungen ist die
Verwendung von Microcantilever. Es handelt sich dabei um ein Art Schwingfeder, die in den
Gasstrom eingebracht wird und durch eine spezifische Dotierung der Oberfläche dieser
Schwingfeder selektiv auf bestimmte Spurenverbindung reagiert und durch eine entsprechende Frequenz eine Identifizierung der Spurenverbindung zulässt [Long 2009]. Diese
Sensortechnik ist noch jedoch noch im Entwicklungsstadium und nicht kommerziell verfügbar.
Ein Indikator für eine Prozessinstabilität sind flüchtige Fettsäuren (Volatile Fatty Acids- VFA).
Diese sind sehr korrosiv und daher für bisherige Online-Messungen ein Problem. Mit dieser
Problematik beschäftigt sich Ward et. al. mit einer Online-Messung in der Flüssigphase
[Ward 2010].
Die Forschung und Entwicklung neuer Technologien für die Messung von Spurenkomponenten und anderen Indikator-Substanzen muss vorangetrieben werden, da solche Sensorsysteme ermöglichen, kurzfristig Störungen zu detektieren, zeitnah zu beheben und langfristig
eine Optimierung der Biogasausbeute und -qualität zu garantieren.
112
6 Zusammenführung der Betriebsergebnisse aus allen Arbeitspaketen
Die Ergebnisse des Projekts ermöglichen es konkrete Vorgaben für weitere Untersuchungen
zu erarbeiten. In Folgeprojekten sollen die gefundenen Ansatzpunkte weiter untersucht werden. Insbesondere die unterschiedlichen Verweilzeiten der Substrate in den Fermentern der
Biogasanlagen (z. B. Anlage B) erschweren die Auswertung der Ergebnisse der Gasphase,
weil die Spurkomponenten, die stark verweilzeitabhängig sind, in einem Fermenter mit längeren Verweilzeiten eine höhere Konzentration aufweisen können als bei dem Fermenter mit
kürzeren Verweilzeiten. Weil die Probenahme der Biogase bei den drei Biogasanlagen immer an einer Stelle stattfand, wo das Biogas schon gemischt war, wäre es empfehlenswert,
eine Charakterisierung der entstehenden Gase jedes Fermenters durchzuführen, um die
Betriebsparameter ohne Kompensationseffekte (Mischungen) zu beobachten und die Änderungen besser beurteilen zu können.
Es wird empfohlen ein Screening der Gasphase (Dämpfe) der verschiedenen Substrate mittels Headspace in Kopplung mit Thermodesorption-GCMS durchzuführen, um feststellen zu
können, ob manche Substanzen wie z. B. Siloxane, Aromaten oder Terpene schon bei den
Substraten vorhanden sind oder während der Vergärung auf- bzw. abgebaut werden. Eine
Elementaranalyse würde zusätzliche Information über die Zusammensetzung der Substrate
liefern. Zudem wäre es möglich zu detektieren, ob manche Substrate Spuren von z. B. Metallen enthalten, welche eine hemmende Wirkung des Gärprozesses aufweisen könnten.
Die Ergebnisse aller drei Arbeitspakete deuten jedoch darauf hin, dass es Zusammenhänge
zwischen den eingesetzten Substraten und den Spurengaskonzentrationen gibt. Konkrete
Abhängigkeiten konnten jedoch aus den vorliegenden Ergebnissen noch nicht abgeleitet
werden. Insbesondere bleibt die Fragestellung offen, inwieweit es sich um Abhängigkeiten
vom jeweiligen Substrat handelt und inwieweit die auftretenden Konzentrationen durch den
Prozesszustand beeinflusst werden.
Deutlicher zeigt sich der Bezug zwischen Prozesszustand und den eingesetzten Substraten.
Der Aufbau des Substratkatalogs sollte unbedingt fortgesetzt und ausgebaut werden. Die
analysierten Parameter ermöglichen eine Zusammenfassung von Substraten mit ähnlichen
Abbaueigenschaften, so wie dieses bereits bei der Bewertung der Anlage C vorgenommen
wurde. Aus Vorlagen mit unterschiedlichen Substratklassen kann dann eine optimierte Anlagenbeschickung erfolgen, die den Anlagenbetrieb vergleichmäßigt und die Ausbeute aus den
Substraten erhöht.
Die Analyse der einzelnen Anlagen hat zudem gezeigt, dass ein großes Hemmnis bei der
Betriebsoptimierung für die einzelnen Betreiber nicht das Fehlen technologischer Möglichkeiten ist, sondern das Fehlen eines Konzepts zur systematischen Analyse der Anlagen. Obwohl es sich bei der Analyse der drei betrachten Anlagen nur um punktuelle Auswertengen
handelt, liegt die Vermutung nahe, dass es sich dabei um ein generelles Problem handelt.
Das Forschungskonsortium strebt daher an, die gewonnen Ergebnisse weiter auszuarbeiten
und einen Handlungsleitfaden für Biogasanlagenbetreiber zu erarbeiten, mit dem bestehende Anlagen systematisch analysiert und die Optimierungsschritte mit dem besten Kosten/Nutzenverhältnis ermittelt werden können.
7 Verwertbarkeit der Ergebnisse
Die im vorliegenden Projekt erzielten Ergebnisse und gemachten Erfahrungen können hinsichtlich der Spurengasanalytik kurz- und mittelfristig genutzt werden. Hierzu zählt unter anderem die Adaption der für dieses Projekt weiter entwickelten Probenahme mittels Thermodesorptionröhrchen und anschließender Quantifizierung der Proben durch GCMS (TDGCMS) für Klär- und Deponiegase. Diese Gase enthalten wie Biogase aus Abfallvergä113
rungsanlagen eine Vielzahl von organischen Spurenverbindungen, die durch TD-GCMS erfasst werden können. Insgesamt hat sich die TD-GCMS-Methode in diesem Projekt als verlässliche und robuste Methode zur Bestimmung von Spurenverbindungen in Biogasen erwiesen. Derzeit gibt es auf nationaler bzw. europäischer Ebene keine einheitliche Methodik zur
Bestimmung von Spurenverbindungen in Bio-, Klär- und Deponiegasen. Ein einheitliches
Probenahme- und Messprotokoll, wie es z. B. für die Messung von Teerbestandteilen in Produktgasen aus der Vergasung von Biomasse etabliert wurde13, wäre wünschenswert, um die
Qualität und Vergleichbarkeit der Spurengasanalytik zu gewährleisten. Die vorliegenden Daten können als Basis genutzt werden, um langfristig entsprechende nationale bzw. europäische Arbeitsgruppen oder Projekte zu initiieren.
Die Ergebnisse der Anlagenoptimierung können zudem direkt zur Ableitung von Optimierungsschritten bei Bioabfallvergärungsanlagen genutzt werden. Insbesondere die Erkenntnisse aus dem methodischen Aufbau des Projekts können zur Entwicklung eines Leitfadens
zur systematischen Optimierung der Biogasanlagen genutzt werden.
Der Substratkatalog stellt bereits für sich ein sehr nützliches Instrument zur Optimierung der
Anlagenbeschickung dar. Daher sollte dieser ausgebaut und um weitere Abfälle ergänzt
werden.
8 Fortschritt auf dem Gebiet des Vorhabens an anderen Stellen
Die Optimierung der Abfallvergärung unterliegt einer stetigen Weiterentwicklung. Forschungsvorhaben mit der gleichen Ausrichtung wie das durchgeführte Projekt wurden durch
das Projektteam nicht identifiziert. Forschungsvorhaben, die ebenfalls auf eine Optimierung
von Abfallvergärungsanlagen abzielen, liefen parallel zum Projekt im Förderprogramm
„Energetische Biomassenutzung“. Hier fand ein Austausch zwischen den Projekten regelmäßig auf den vom Service- und Begleitvorhaben initiierten Statusseminaren statt.
Das Projekt 03KB032 „Bioabfallvergärung – Beiträge zur Prozessoptimierung und zur verbesserten Gasnutzung“ war hierbei in der Arbeitsgruppe 2 – Bereitstellung gasförmiger Bioenergieträger eingeordnet. Der Austausch mit den weiteren Forschungsgruppen insbesondere mit den Projekten 03KB018 „Untersuchungen an großtechnischen Biogasreaktoren – Verfahrenstechnische, mikrobiologische, ökologische und ökonomische Bewertung und Optimierung“ und 3KB022 „Steigerung der Energieeffizienz bei der Verwertung biogener Reststoffe“
haben einen wesentlichen Beitrag zur Weiterentwicklung des Forschungsthemas geleistet.
13
European Tar Protocol, DIN CEN/TS 15439:2006-08
114
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116
IV. Material und Methoden
1. Bestimmung des Brennwertes
Der Brennwert bezeichnet den Quotient aus der bei vollständiger Verbrennung eines Brennstoffes freiwerdenden Wärmemenge und dem Gewicht des Brennstoffs. Dazu muss die
Temperatur des Brennstoffes und die seiner Verbrennungserzeugnisse vor dem Verbrennen
25 °C betragen Sowohl das beim Verbrennen der wasserstoffhaltigen Verbindungen des
Brennstoffes gebildete Wasser als auch die Verbrennungserzeugnisse von Kohlenstoff und
Schwefel liegen nach der Verbrennung im flüssigen bzw. gasförmigen Zustand vor. Eine
Oxidation von Stickstoff soll nicht stattfinden. Die Brennstoffprobe wird in der Sauerstoffatmosphäre einer kalorimetrischen Bombe verbrannt. Die Zündung erfolgt elektrisch über einen Zünddraht. Der Druck in der Bombe beträgt 30 bar. Die durch die Verbrennung entstehende Wärme erhöht die Temperatur des Kalorimetersystems gegenüber seiner Anfangstemperatur. Diese Temperaturerhöhung wird in einem Gerät mit adiabatem Wassermantel
gemessen. Aus der Brennstoffmasse, der Temperaturerhöhung und der Wärmekapazität des
Kalorimetersystems wird der Brennwert des Brennstoffs ermittelt. [DIN CEN/TS 14918 ]
2. Bestimmung des Wassergehaltes
Die Wassergehaltsbestimmung ist eine Kombination aus Ofentrocknung und coulometrischer
Bestimmung nach Karl Fischer. Die Proben werden in geschlossenen Gefäßen getrocknet,
die entstehenden Wasserdämpfe werden im Kreislauf in die Messzelle geleitet, in welcher
dann die coulometrische Bestimmung nach Karl Fischer erfolgt. Bei der coulometrischen
Wasserbestimmung wird elektrischer Strom zur Reagenzerzeugung benutzt. Der Strom setzt
aus dem iodidhaltigen KF-Reagenz durch Elektrolyse die stöchiometrisch entsprechende
Menge Iod frei.
ROH + SO2 + RN → [RNH]SO3R
H2O + I2 + [RNH]SO3R + 2RN → [RNH]SO4R +2 [RNH]I
Bei der Coulometrie enthält die KF-Lösung Iodid. Dieses Iodid wird an der Anode der Generatorzelle zu Iod oxidiert. An der Kathode entsteht parallel dazu in erster Linie Wasserstoff,
der in kleinen Blasen an die Oberfläche steigt und damit dem Gleichgewicht entzogen wird.
Das entstandene Iod reagiert sofort nach der Karl-Fischer-Reaktion mit dem Wasser. Während der gesamten Titration liegt in der Lösung ausschließlich Iodid vor. Dies ändert sich
schlagartig, wenn kein Wasser mehr in der Titrationszelle vorhanden ist. Durch die weitere
Zugabe von Iod existieren Iod und Iodid nebeneinander und bilden ein reversibles Redoxpaar. An der Indikatorelektrode wird eine Spannung angelegt, dadurch gibt das Iodid an der
positiven Anode sein Elektron ab, es entsteht Iod. Das Elektron wird an der Kathode wieder
an das Iod abgegeben und es entsteht wieder Iodid. Auf diese Weise kann ein Strom gemessen werden, der das Ende der Reaktion detektiert. [DIN EN 14774-1]
3. Bestimmung des pH-Wertes
Der pH-Wert wird mittels Einstabmesskette gemäß DIN EN 12176 festgestellt (Deutsche
Norm 1998).
4. Bestimmung der Trockensubstanz und der organischen Trockensubstanz
Die Bestimmung der Trockensubstanz und der organischen Trockensubstanz erfolgt in Anlehnung an die DIN 12880 bzw. DIN 12879 [DIN EN 12880; DIN EN 12879]. Für die Bestimmung der Trockensubstanz werden ca. 5 g Probe im Trockenschrank bei 105 °C bis zur Gewichtskonstanz getrocknet. Die Trockensubstanz wird bei zunächst 220 °C für 30 min und
anschließend bei 550°C für 2 h verascht.
117
5. Bestimmung der flüchtigen organischen Säuren (FOS)
Mittels des Verfahrens nach Kapp wird durch Titration die Konzentration der flüchtigen organischen Säuren bestimmt. 10 ml Klarphase einer Probe wird mit dem Titrationsautomaten
Mettler Toledo Typ Rondo 60/T90 mit 0,2 N Schwefelsäure in Stufen bis zu den pH-Werten
5; 4,4; 4,3 und 4,0 titriert. Mit den erreichten Säureverbräuchen lässt sich der FOS-Wert berechnen [Buchauer, 1998].
6. Bestimmung des Ammonium –Stickstoff-gehaltes
Die Bestimmung des Ammonium-Stickstoffs erfolgt nach dem Prinzip von Neßler. Dabei
kommt das Nessler-Regenz Kaliumtetraiodomercurat(II) K2[HgI4] zum Einsatz. Dieses bildet
mit Ammoniak einen rotbraunen Farbkomplex [Hg2N]I, das Iodid des Kations der Millonschen
Base. Mit Hilfe dieses Komplexes kann das Ammoniak photometrisch bestimmt werden.
7. Bestimmung von Gesamtstickstoff- und Rohproteingehalt
Durch einen sauren thermischen Aufschluss werden unter Katalysatorbeteiligung Proteine
und weitere stickstoffhaltige Verbindungen zu Ammonium gespalten. Mittels alkalischer
Wasserdampfdestillation wird Ammoniak freigesetzt und in Borsäure aufgefangen. Abschließend findet eine quantitative Bestimmung des Ammoniaks mittels Schwefelsäure statt. Der
ermittelte Ammoniakanteil lässt Rückschlüsse auf den im Protein gebundenen Stickstoff zu.
Hierzu wird der Faktor 6,25 zur Umrechnung des Stickstoffgehaltes auf den Rohproteingehalt angewendet. Die Methode erfolgt nach der Bestimmung von Kjeldahl. Die Methode ist
eine Hausmethode, die in Anlehnung an die Methodenvorschrift der VDLUFA, Methodenbuch III, Futtermitteluntersuchung, Bestimmung von Rohprotein, Kapitel 4.1.1, Amtliche Methode, Hamburg 1988 erfolgt [VDLUFA, 1988].
8. Bestimmung des Rohfettanteils
Die Probe wird mit Salzsäure erhitzt, um Proteine aufzuschließen und gebundene Lipide freizusetzen. Die Aufschlusslösung wird filtriert und das im Filter verbliebene Fett nach dem
Trocknen mit Petrolether extrahiert. Das Lösungsmittel wird abdestilliert und der getrocknete
Rückstand gewogen. Der Fettgehalt wird aus der Differenz zwischen Ein- und Auswaage
berechnet. Die Methode ist eine Hausmethode, die in Anlehnung an die Methodenvorschrift
der VDLUFA, Methodenbuch III, Futtermitteluntersuchung, Bestimmung von Rohfett, Kapitel
5.1.1, Amtliche Methode, Verfahren B, Hamburg 1988 erfolgt [VDLUFA, 1988].
9. Bestimmung des Rohfaseranteils
Die Proben werden mit H2SO4 und KOH behandelt. Der ungelöste Rückstand wird nach dem
Trocknen ausgewogen und verascht. Die Differenz aus Aschegehalt und ungelöstem Rückstand wird als Rohfaser bezeichnet. Die Methode ist eine Hausmethode, die in Anlehnung an
die Methodenvorschrift der VDLUFA, Methodenhandbuch III 2. Ergänzung, Hamburg 1988
erfolgt [VDLUFA, 1988].
10. Arbeitsvorschrift zur ADF und ADL-Bestimmung
Durch Kochen der getrockneten Proben in saurer ADF-Lösung werden Cellulose, Lignin und
Lignin-N-Verbindungen aus dem Futtermittel nicht herausgelöst. Dieser ungelöste Rückstand
wird nach dem Trocknen ausgewogen. Der bei der Bestimmung der ADF im Filtertiegel verbliebene Rückstand wird 3 h mit 72 %iger Schwefelsäure bei Zimmertemperatur behandelt.
Anschließend wird mit heißem Wasser bis zum Neutralpunkt gewaschen, getrocknet und
gewogen. Nach Veraschung der organischen Substanz wird erneut gewogen, der Glühverlust entspricht dem „Rohlignin“. Die Methode ist eine Hausmethode, die in Anlehnung an die
Methodenvorschrift der VDLUFA, Methodenhandbuch III 2. Ergänzung, Hamburg 1988 erfolgt [VDLUFA, 1988].
118
11. Bestimmung der Neutral-Detergentien-Faser (NDF)
Durch Kochen der getrockneten Proben in neutraler NDF-Lösung werden Hemicellulose,
Cellulose, Lignin und Lignin-N-Verbindungen aus dem Futtermittel nicht herausgelöst. Dieser
ungelöste Rückstand wird nach dem Trocknen ausgewogen und verascht. Die Differenz aus
Aschegehalt und ungelöstem Rückstand wird als Neutral-Detergentien-Faser (NDF) bezeichnet. Die Methode ist eine Hausmethode, die in Anlehnung an die Methodenvorschrift
der VDLUFA, Methodenhandbuch III 2. Ergänzung, Hamburg 1988 erfolgt [VDLUFA, 1988].
119

Endbericht - Energetische Biomassenutzung

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