630 Landwirtschaft und verwandte Bereiche
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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.
Die gesicherte Bereitstellung und Aufbereitung von Holzhackschnitzeln ist Grundlage für den wirtschaftlichen Betrieb von Bioenergieanlagen. In den folgenden Beiträgen werden mögliche Potentiale zur Optimierung der Biomassebereitstellung für eine energetische Nutzung gezeigt. Vorgestellt werden unterschiedliche Varianten zur Lagerung, Belüftung und Trocknung. Für die fremdenergiefreie Trocknung wird ein Verfahren vorgestellt, bei dem spezielle Belüftungskanäle in einen Hackschnitzelhaufen eingebaut werden. Das Verfahren weist unter allen bekannten Möglichkeiten einer gezielten Trocknung von Hackgut die geringsten Kosten auf. Ein bisher nicht wenig betrachtetes Problem stellt die Selbstentzündung von Lagerhaufen dar. Ergebnisse der Simulation von Selbstentzündungsvorgängen bei Kieferhackschnitzeln werden mit Testdaten verglichen und diskutiert, um optimale Lagerbedingungen abzuleiten, die eine Selbstentzündung ausschließen. Ein weiterer Bericht zeigt Ergebnisse der seit 1998 durchgeführten Lagerversuche im halb- und großtechnischen Maßstab zur Analyse von Schimmelpilzentwicklung und Trockenmasseverlusten in Holzhackschnitzelhaufen. Hier konnte ein dominierender Einfluss der Hacklänge auf die untersuchten Parameter Temperatur in der Schüttung, Schimmelpilzentwicklung, Trocknungsverlauf sowie Trockenmasse- und Energieverlust festgestellt werden. Mit der Entwicklung von pilzlichen und bakteriellen Lebensgemeinschaften in einer Kiefernholzhalde befasst sich ein weiterer Bericht. Dafür wurde eine Halde 15 m x 20 m x 6 m errichtet um ein Verständnis der Abläufe mikrobiologischer Prozesse erhalten zu können. Die Ergebnisse zeigen, dass sich die Funktion und die Zusammensetzung der Lebensgemeinschaften über die Lagerzeit ändern und die Prozesse nur zum Teil mit denen in Kompostieranlagen vergleichbar sind. Die strömungsmechanische und thermodynamische Modellierung von Hackschnitzelschüttungen und der Vergleich mit experimentellen Untersuchungen ermöglichen die Optimierung der Hackschnitzeltrocknung. Hierfür wurden Pappelhackschnitzel mit den Korngrößen grob (24 mm), mittel (14 mm) und fein (8,5 mm) unter Zwangsbelüftung getrocknet und analysiert. Das beste Ergebnis konnte bei groben Holzhackschnitzeln mit homogener Korngrößenverteilung erreicht werden. Ein thermodynamisches Modell der Trocknungsvorgänge zeigt die Temperatur- und Feuchteverläufe im Lagerhaufen für unterschiedliche Korngrößen.
Maulwurfdränmaschine B 750
(1963)