Dechema-Bioenergie Popp/Schumann 08.03.2006 Verfahrenstechnische Anpassungen zur Optimierung von Nährstoffkreisläufen in Biogasanlagen Prof. Dr. Ludwig.

Dechema-Bioenergie Popp/Schumann

08.03.2006

Verfahrenstechnische Anpassungen zur Optimierung

von Nährstoffkreisläufen in Biogasanlagen

Prof. Dr. Ludwig Popp

Dr. Wolfgang Schumann (LFA Gülzow)

Fachbereich Agrarwirtschaft und Landschaftsarchitektur

2/20Dechema-Bioenergie Popp/Schumann

08.03.2006

Gliederung• Einleitung

• Grundlagen der Stickstoffdynamik bei der Biogaserzeugung und Gärrestverwertung

• Ökonomische Bewertung verfahrens-technischer Optimierung

• Zusammenfassung

Einleitung - Grundlagen - Ökonomische Bewertung - Zusammenfassung


08.03.2006

Einfluss der Vergärung auf:

• Phosphor (P): keine Veränderung

• Kalium (K): keine Veränderung

• Schwefel (S): geringfügige Ausgasung als H2S, nach Entschwefelung des Gases Rückführung in Gärrest

• Stickstoff: teilweise Umwandlung des organischen gebundenen N in NH4-N, während der Fermenterphase kaum Verluste



08.03.2006

Auswirkung der Vergärung auf den Gärrest (Döhler 2004)

• Abbau der organischen Trockensubstanz

• Verminderung der Viskosität

• Abbau geruchsaktiver Substanzen

• Erhöhung des Ammoniumanteiles in der Stickstofffraktion

• Erhöhung des pH-Wertes

• Erhöhung der Temperatur



08.03.2006

Konsequenzen des TS-Abbaues

+ Geringere CH4-Emissionen während der Lagerung

+ Dünnflüssiger, dadurch bessere Pumpfähig-keit, besseres Eindringen in den Boden

+ Keine Schwimmschicht, dadurch weniger Homogenisierungsaufwand

- Keine Schwimmschicht, dadurch höhere NH3-Emissionen während der Lagerung



08.03.2006

Ursachen und Effekte der Erhöhung des Ammoniumgehaltes

Beim Abbau der oTS werden auch organische N-Verbindungen (Aminosäuren, Eiweiß,..) abgebaut. Dabei entstehen unter Sauerstoffabschluss Ammoniumverbindungen.

+ Erhöhung des primär pflanzenverfügbaren Stickstoffanteils (bessere Nährstoffwirkung)

- Erhöhung des Stickstoff-Emissionspotentials, da Ammoniumverbindungen zu Ammoniak dissoziieren

und dann leicht flüchtig sind.



08.03.2006

NH3N- Emissionen in Abhängigkeit vom NH4-N-Gehalt (Gronauer 1993)



08.03.2006

Effekte der pH-Wert-Erhöhung

• Die Vergärung führt zu einem deutlichen Anstieg des pH-Wertes im Gärsubstrat

+ Wirkt der Bodenversauerung entgegen- Deutlich erhöhtes Ammoniak-

Emissionspotential (pH-Anstieg von 7,3 auf 8,0 erhöht um den Faktor 4,5)



08.03.2006

NH3N- Emissionen in Abhängigkeit vom pH-Wert (Gronauer 1993)



08.03.2006

pH-Werte in den Fermentern von Biogasanlagen in M-V

7,5

7,6

7,7

7,8

7,9

8,0

8,1

8,2

8,3

8,4

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Anlagen-Nr.

pH

-Werr

tEinleitung - Grundlagen - Ökonomische Bewertung - Zusammenfassung


08.03.2006

NH3N- Emissionen in Abhängigkeit von der Temperatur (Gronauer 1993)



08.03.2006

N-Gehalt in den Fermentern und im Endlager einer Biogasanlage in M-V

6,15,1

0,0

1,0

2,0

3,0

4,0

5,0

6,0

7,0

8,0

9,0

10,0

Fermenter Endlager

N-G

ehal

t [kg

/t F

M]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

rel

ativ

er N

-Geh

alt

(Bez

ug

Asc

he)



08.03.2006

NH3-Emissionen nach der Ausbringung von Biogasgülle bei unterschiedlichen Ausbringverfahren (Amon 2004)



08.03.2006

Einfluss von Verweilzeit und Temperatur auf Gasmenge und Methangehalt (nach Baader)

Verweilzeit in Tagen

15

erze

ugte

Ga

smen

ge in

l pr

o l S

ubst

rat

0

5

10

0 50 100 150

50 °C (thermophil)

30 °C (mesophil)

20 °C (psychrophil)

Gesamte GasmengeMethananteil


08.03.2006

Annahmen zur Auslegung eines gasdichten Gärrestlagers

• Anlagenleistung 500 kW

• Substrat: Gülle + Nawaros

• Jährlicher Substratbedarf: 43.000 t

• Jährlicher Reststoffanfall: 40.000 t

• Gärrestlager: 20.000 m³/180 d

• Invest-Kosten gasdichtes Lager 15 €/m³



08.03.2006

• N-Verlust: 1 kg N/m³ Gärrest ≈ 20%

• Gasausbeute im Lager: Ø 7 m³/m³ (Keymer 2005)

• Energiegehalt Biogas: 6 kWh/m³

• Elektrischer Nutzungsgrad: 33%

• Stromerlös 14 Ct/kWh (Ertrag-Kosten)


Annahmen zur Auslegung eines gasdichten Gärrestlagers


08.03.2006

Ökonomische Bewertung gasdichter Abdeckung des Lagers

Investition(ohne Rührtechnik)

15,00 €/m³ Lagerraum

Kosten 17,5 %/a 2,63 €/m³ Lagerraum

Ertrag Strom 1,96 €/m³ Gärrest

Stickstoff 0,55 €/m³ Gärrest

jährlich 5,02 €/m³ Lagerraum/a1

1 zweimaliger Umschlag/a



08.03.2006

Ökonomische Bewertung gasdichter Abdeckung eines Lagers mit 20.000 m³

1 zweimaliger Umschlag/a

Investition 300.000,00 €

Kosten 17,5 %/a 52.500,00 €

Ertrag Strom (14 Ct/kWh) 78.400,00 €1

Stickstoff 22.000,00 €1

Ertrag jährlich 100.400,00 €1



08.03.2006

Zusammenfassung

• Ammoniakemissionen bei der Biogaserzeugung sind nicht nur ein ökologisches sondern ein erhebliches ökonomisches Problem

• Zur Verminderung von Ammoniakemissionen bei der Biogaserzeugung ist eine durchgehende „Behandlung unter Druck“ sinnvoll

• Im Gärrestlager entstehen zum Teil erhebliche Mengen an Biogas (bis 10 % des Gesamt-ertrages)



08.03.2006

Zusammenfassung

• Die Verstromung von Biogas aus dem Gärrestlager in Verbindung mit dem Gewinn aus nicht verlorenem Stickstoff rechtfertigt ein gasdichtes Gärrestlager

• Zur Vermeidung von Ammoniakverlusten bei der Ausbringung muss diese unbedingt bodennah erfolgen.


Dechema-Bioenergie Popp/Schumann 08.03.2006 Verfahrenstechnische Anpassungen zur Optimierung von Nährstoffkreisläufen in Biogasanlagen Prof. Dr. Ludwig.

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