Forschungsberichte aus dem Leibniz-Institut für Agrartechnik und Bioökonomie e.V. (ATB)
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Biogasgewinnung aus stickstoffreichen nachwachsenden Rohstoffen und landwirtschaftlichen Reststoffen
(2018)
Projektbeschreibung:
Das Projekt hatte das Ziel, die Nutzung stickstoffreicher Substrate (Gras-, Luzerne-, Kleegrassilage, Hühner-trockenkot) in Biogasanlagen durch Vermeidung von Ammonium/Ammoniak-Hemmungen zu optimieren. Dabei wurden verschiedene verfahrenstechnische und mikrobiologische Ansätze verfolgt.
Es wurden hierzu unterschiedliche Fermentationssysteme etabliert: i) einstufige Rührkesselsysteme ohne Biomasserückhaltung und ii) zweistufige, zweiphasige Systeme wie Leachbed- und Schwimmbettfermenter, bei denen die Hydrolyse und andere Abbauschritte der Biomasse räumlich vom letzten Schritt des anaero-ben Abbaus, der Methanogenese, getrennt sind. Mikrobiologisch wurde die Etablierung angepasster, stick-stofftoleranter Organismengemeinschaften durch geeignete Anreicherungsbedingungen angestrebt.
Zur Stickstoffeliminierung wurden die Strippung von Ammoniak, die MAP (Struvit)-Fällung und das mikrobiologische Verfahren der anaeroben Ammoniumoxidation (Anammox) untersucht.
Projektergebnisse:
Sowohl in kontinuierlicher Langzeit-Vergärung als auch in Kurzzeit-Batch-Versuchen wurde gezeigt, dass eine Vergärung der o.g. Substrate auch bei sehr hohen Stickstoffgehalten effektiv möglich ist, wenn die Ge-meinschaften aus Bakterien und Archaeen sich adaptieren können. Es erfolgte eine molekularbiologische Charakterisierung dieser Gemeinschaften, wobei besonders an die gegebenen Bedingungen angepasste Organismen identifiziert wurden.
Es gelang nicht, die mikrobiologische Stickstoffelimination mithilfe des Anammox-Stoffwechsels in den Biogasprozess zu integrieren. Jedoch wurden verfahrenstechnische Lösungen wie das Austreiben des Ammoniaks mithilfe der Strippung erfolgreich durchgeführt. Erfolgreich waren auch Untersuchungen zur Fällung der Stickstoffverbindungen als Magnesiumammoniumphosphat, welches als Düngemittel nutzbar ist.
Die Verfahren zur Strippung und MAP-Fällung wurden ebenso ökonomisch bewertet wie die Leachbed- und Schwimmbettfermenter.
Schlussbericht zum Vorhaben Methan-und Ammoniakemissionen aus der offenen Lagerung von Gärresten und Ansätze zu deren Reduzierung ;
Förderkennzeichen FKZ 22011213 ; Laufzeit 01.08.2014 bis 31.12.2016 ; Monat der Erstellung 04/2017 ;
Gefördert durch das Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages.
Schlussbericht zum Vorhaben
(2015)
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 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.
Eine Trocknungshalle für Arznei- und Gewürzpflanzen wurde vor Projektbeginn modernisiert. Die Modernisierung umfasste 336 m² befahrbare Rostfläche, 14 neue Ventilatoren, ein Blockheizkraftwerk (BHKW) und zwei Wärmepumpen mit Kreuzstrom-Wärmeübertragern zur internen Wärmerückgewinnung. Die für die Trocknung bei konventioneller Lufterwärmung erforderlichen Anlagenteile wurden nicht erneuert. Basierend auf Simulationsrechnungen mittels Computational Fluid Dynamics (CFD) wurde die Luftverteilung und damit die Trocknung örtlich vergleichmäßigt. Die Installation von Leitblechen hinter den Ventilatoren führte auf Anhieb zu der beabsichtigten strömungstechnischen Optimierung. Korrekturen in der geometrischen Anordnung der Leitbleche waren nicht erforderlich. Zur primärenergetischen Bewertung der wärmepumpenunterstützten Flächentrocknung wurde ein Simulationsmodell des chargenweisen Trocknungsprozesses entwickelt und validiert. Ein breites Spektrum der stark veränderlichen Betriebsbedingungen wurde systematisch analysiert. Die Simulation umfasste nahezu alle für Deutschland relevanten Außenluftzustände. Im Ergebnis wurde ein neues energieoptimiertes Regelungsprinzip für die Wärmepumpenphase der Trocknung entwickelt. Die Umsetzung in der Praxis führte zu einer erhöhten Entfeuchtungsleistung bei gleichzeitiger Reduzierung des spezifischen elektrischen Energiebedarfs. Die interne Wärmerückgewinnung trug wesentlich zur Effizienzsteigerung bei. Im energetischen Monitoring wurde eine Reduzierung des spezifischen Primärenergiebedarfs um durchschnittlich 38 % nachgewiesen. Suboptimaler BHKW-Betrieb, eine geänderte Bewirtschaftung und Leerlaufzeiten verursachten jedoch erhebliche Effizienzverluste. Insbesondere wurde die Abluft vollständig in eine zweite Halle geleitet. Das kombinierte Trocknungsverfahren beinhaltet weiterhin große, auch anlagentechnische Optimierungspotenziale. In der konventionellen Trocknungsphase kann der spezifische Primärenergiebedarf mehr als halbiert werden.