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Schlussbericht zum Vorhaben

  • Kurzfassung Das Vorhaben wurde in Kooperation von Leibniz-Institut für Agrartechnik Potsdam-Bornim e.V. (ATB) und der Technischen Universität Berlin (TUB) durchgeführt. Gesamtziel war es, die wissenschaftlichen und technischen Grundlagen für eine effiziente und nachhaltige Bereitstellung von Biomethan als hochwertigen Energieträger und von Biokohle als Bodenverbesserungsmittel und Kohlenstoffsenke zu schaffen. Basis ist die intelligente Verknüpfung von Biokonversion und thermochemischer Karbonisierung zu einem innovativen und leistungsfähigen Hybridverfahren (APECS-Biomassemodell). Um die Ziele zu erreichen, wurde eine Reihe von Experimenten durchgeführt. Hierzu gehörte die Erzeugung von Biogas aus Weizenstroh im neuentwickelten Aufstromverfahren. Die Karbonisierung wurde sowohl mittels HTC als auch Pyrolyse erprobt. Bodenversuche mit Biokohle wurde von der TUB in Topfversuchen und durch das ATB in Laborinkubationen und Parzellenversuchen durchgeführt. Die Planung, Durchführung und Auswertung der Versuche erfolgte interdisziplinärKurzfassung Das Vorhaben wurde in Kooperation von Leibniz-Institut für Agrartechnik Potsdam-Bornim e.V. (ATB) und der Technischen Universität Berlin (TUB) durchgeführt. Gesamtziel war es, die wissenschaftlichen und technischen Grundlagen für eine effiziente und nachhaltige Bereitstellung von Biomethan als hochwertigen Energieträger und von Biokohle als Bodenverbesserungsmittel und Kohlenstoffsenke zu schaffen. Basis ist die intelligente Verknüpfung von Biokonversion und thermochemischer Karbonisierung zu einem innovativen und leistungsfähigen Hybridverfahren (APECS-Biomassemodell). Um die Ziele zu erreichen, wurde eine Reihe von Experimenten durchgeführt. Hierzu gehörte die Erzeugung von Biogas aus Weizenstroh im neuentwickelten Aufstromverfahren. Die Karbonisierung wurde sowohl mittels HTC als auch Pyrolyse erprobt. Bodenversuche mit Biokohle wurde von der TUB in Topfversuchen und durch das ATB in Laborinkubationen und Parzellenversuchen durchgeführt. Die Planung, Durchführung und Auswertung der Versuche erfolgte interdisziplinär (u. a. Biologie, Chemie, Boden, Agrartechnik). Als Ergebnis kann festgehalten werden, dass sich das Aufstromverfahren als sehr geeignet für die Vergärung von Stroh und strohreichen Materialmischungen gezeigt hat. Vorteilhaft sind: thermophile (55 °C) statt mesophile Temperaturen (37 °C), eine 2-stufige Betriebsweise mit separatem Methanreaktor und die Zugabe von Makro- und Mikronährstoffen. Die Gärreste können sowohl mittels HTC als auch Pyrolyse zu Biokohle gewandelt werden. Die HTC ermöglicht durch die nicht erforderliche Trocknung eine hohe Energieeffizienz und vermeidet Nährstoffverluste. Die Eigenschaften der Biokohlen unterscheiden sich grundlegend: Pyrolysekohle ist stärker karbonisiert, reicher an Oberfläche und biologisch stabiler. Die geringe Stabilität von HTC-Kohle führt im Boden zu höheren CO2-Emissionen. Unbehandelte HTC-Kohle führt durch organische Hemmstoffe und ggf. der Festlegung von Nährstoffen im ersten Anbaujahr zu Mindererträgen. Durch eine vorgelagerte Fermentation der HTC-Kohle können Hemmeffekte jedoch reduziert und sogar positive Ertragseffekte erzielt werden. Fazit: Das APECS-Biomassemodell bietet einen wirksamen Ansatz für eine effizientere Bewirtschaftung der Ressourcen Boden und Biomasse einschließlich Kohlenstoffsequestrierung und Bodenverbesserung. Die Kopplung von Vergärung und Karbonisierung eröffnet zahlreiche Synergien, wie die Verwertung der Prozessabwässer zu Biogas oder die Veredelung von Biokohle zu einem Düngemittelträger. Die Anwendungsmöglichkeiten der entwickelten und z. T. zum Patent angemeldeten Prozesse und Produkte (u. a. magnetische Biokohle) erstrecken sich von der Landwirtschaft und Abfallwirtschaft über die Umwelttechnik bis zur Chemie. Nach der erfolgten Grundanalyse sind die Voraussetzungen erfüllt, um das APECS-Biomassemodell erfolgreich in den Pilotmaßstab zu überführen.zeige mehrzeige weniger
  • Abstract The joint project was conducted in cooperation of Leibniz Institute for Agricultural Engineering Potsdam-Bornim (ATB) and Technische Universität Berlin (TUB). Overall aim was to provide the scientific and technical basics for an efficient and sustainable supply of biomethane and biochar as soil amender and carbon sink. The approach is a smart integration of biochemical conversion and thermochemical carbonization into an innovative high-performance hybrid process (APECS biomass model). To reach the goals, a series of experiments was conducted including biogas production from wheat straw by the novel upflow anaerobic solid-state (UASS) process. For carbonization, both HTC as well as pyrolysis were investigated. Soil experiments with biochar were performed by TUB in pot trials and by ATB in lab incubations and plot trials. Planning, execution and assessment of the experiments was conducted in an interdisciplinary way (e.g. biology, chemistry, soil, agricultural engineering). As a result, it was shown that the UASS process isAbstract The joint project was conducted in cooperation of Leibniz Institute for Agricultural Engineering Potsdam-Bornim (ATB) and Technische Universität Berlin (TUB). Overall aim was to provide the scientific and technical basics for an efficient and sustainable supply of biomethane and biochar as soil amender and carbon sink. The approach is a smart integration of biochemical conversion and thermochemical carbonization into an innovative high-performance hybrid process (APECS biomass model). To reach the goals, a series of experiments was conducted including biogas production from wheat straw by the novel upflow anaerobic solid-state (UASS) process. For carbonization, both HTC as well as pyrolysis were investigated. Soil experiments with biochar were performed by TUB in pot trials and by ATB in lab incubations and plot trials. Planning, execution and assessment of the experiments was conducted in an interdisciplinary way (e.g. biology, chemistry, soil, agricultural engineering). As a result, it was shown that the UASS process is highly suitable for anaerobic digestion of straw and straw-rich mixtures. Best performance is achieved by thermophilic (55°C) instead of mesophilic temperatures (37°C), a 2-stage operation with separate methane reactor, and addition of macro and micro nutrients. Both pyrolysis and HTC allow the conversion of digestates into biochars. Because HTC does not require drying it has a higher energy efficiency and avoids nutrient losses. Die material properties of both chars are largely different: Pyrochar has a stronger degree of carbonization, a higher surface area and is more recalcitrant. HTC char is less stable and therefor leads to higher CO2 emissions in soils. Untreated HTC char because of attached inhibitory organic substances and eventually nutrient fixation causes a yield decline in the first growing period. However, this can be avoided by prior fermentation of hydrochar, which can even increase biomass yields. Conclusions: The APECS biomass model offers an effective approach for more efficient use of the natural resources soil and biomass including carbon sequestration and soil amendment. Integration of anaerobic digestion and carbonization offers several synergies like conversion of process waste water into biogas and refining of biochar into fertilizer carrier. The range of potential applications of the developed and partially patent pending processes and production (e.g. magnetic biochar) spans from agriculture and waste treatment to environmental engineering and chemical production. After the now completed basic analysis, the conditions are fulfilled to bring the APECS biomass model successful into pilot scale operation.zeige mehrzeige weniger

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Metadaten
Verfasserangaben:Jan Mumme
URN:urn:nbn:de:kobv:186-opus4-80241
Titelzusatz (Deutsch):Verbundvorhaben Anaerkon: Anaerobe Konversion von Biomasse zu hochwertigen Energieträgern und Kohlenstoffsenken
Schriftenreihe (Bandnummer):Forschungsberichte des ATB (1)
Verlag:Leibniz-Institut für Agrartechnik Potsdam-Bornim e.V. (ATB)
Verlagsort:Potsdam
Dokumentart:Einzelveröffentlichung / Monografie
Sprache:Deutsch
Erscheinungsjahr:2015
Veröffentlichende Institution:Stadt - und Landesbibliothek Potsdam
Urhebende Körperschaft:Leibniz-Institut für Agrartechnik Potsdam-Bornim e.V. (ATB)
Sonstige Beteiligte Körperschaft:Bundesministerium für Bildung und Forschung
Datum der Freischaltung:31.05.2016
Freies Schlagwort / Tag:Biogas; Biokohle; Bodenverbesserung; Gärreste; Kohlenstoffsequestrierung
Biochar; Biogas; Carbon sequestration; Digestate; Soil amendment
Seitenzahl:126
Landkreise / Gemeinden:Potsdam
DDC-Klassifikation:6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 63 Landwirtschaft / 630 Landwirtschaft und verwandte Bereiche
Kollektionen :Institutionen / Leibniz-Institut für Agrartechnik und Bioökonomie e.V. (ATB) / Forschungsberichte aus dem Leibniz-Institut für Agrartechnik und Bioökonomie e.V. (ATB)
Lizenz (Deutsch):Es gilt das deutsche Urheberrecht.
Zugriff auf den Volltext:Uneingeschränkter Zugriff auf das Dokument