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 Fachtagung „Energiepflanzen im Aufwind“ wird mit finanzieller Unterstützung des Interreg IIIB-Projektes „Baltic Biomass Network (BBN)“ durchgeführt. Im Rahmen dieses Projektes sollen der Energiepflanzenanbau gefördert, die Kompetenzen bei der Planung einer nachhaltigen Nutzung der Ressourcen gestärkt, die Bioenergieentwicklung unterstützt sowie weitere Investitionen im Bereich Bioenergie gefördert werden.
In vorliegendem Forschungsbericht wird sowohl der internationale Stand der Forschung und Entwicklung zum Einsatz von Biogas in Brennstoffzellen dargestellt als auch die jüngsten im ATB gewonnen experimentellen Ergebnisse. Bislang wurden in Japan, USA, Deutschland und der Schweiz mehr als 10 Brennstoffzellensysteme im Leistungsbereich von 25 Wel bis 250 kWel mit Bio- oder Klärgas in Labor- und Pilotanlagen getestet. Dabei handelt es sich um Phosphorsäure-, Schmelzkarbonat-, Festoxid- und Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzellen (PAFC, MCFC, SOFC, PEMFC). Die Auswahl der Typen wurde insbesondere von den Kosten, aber auch von Wirkungsgrad, Lebensdauer und Toleranz gegenüber Brennstoffzellen schädigenden Gasen bestimmt. Die Arbeiten im ATB Potsdam-Bornim sind auf die Ermittlung von Schadgasen im Spurenbereich fokussiert sowie auf die Analyse und Optimierung von PEMFC-Systemen, einschließlich des Dampfreformers. In Biogas aus verschiedenen Praxisanlagen und Laborfermentern werden Schwefelwasserstoff (H2S), Carbonylsulfid (COS), Schwefelkohlenstoff (CS2), Dimethylsulfid (DMS), Ethylmerkaptan (EtSH) und Methylmerkaptan (MeSH) analysiert und teilweise in ihrem zeitlichen Verlauf dargestellt sowie erste Zusammenhänge zu Technologie, Prozessführung und Substrat hergestellt. In den Untersuchungen zur Reformierung wird der Einfluss des Methangehaltes (CH4), der Reformierungstemperatur, des Dampf-Methan-Verhältnisses (S/C) und der Reformerlast auf den Wasserstoff- und Kohlenmonoxidgehalt sowie auf die Wirkungsgrade ermittelt. Der Wasserstoffwirkungsgrad liegt im Bereich von 45 bis 55 % und die Methanumsatzrate zwischen 83 und 98 %, wobei ein enger Zusammenhang zur Kohlenmonoxidkonzentration im Reformat besteht. Mit einer 500 Wel-Laboranlage wird die Eignung des Biogasreformats für die Verstromung in PEM-Brennstoffzellen experimentell nachgewiesen.
Im Rahmen des BiogasCropNetwork (BCN) haben zehn Forschungseinrichtungen aus Deutschland den Prozess der Biogasbildung aus Pflanzen systematisch untersucht. Dieses Netzwerk wurde vom Bundesministerium für Bildung und Forschung unterstützt. Ziel des BCN lag in der systematischen Analyse der Biogasbildung aus pflanzlicher Biomasse entlang der gesamten Weitschöpfungskette. Beispielhaft wurden unterschiedliche Biogaspflanzen ausgewählt, die sich hinsichtlich Struktur und stofflicher Zusammensetzung unterschieden. Schwerpunkte der Arbeiten bildeten die mechanisch- enzymatische Vorbehandlung, die verfahrenstechnische Optimierung der Biogasbildung, die Analyse und Dynamik der am biochemischen Abbau beteiligten Mikroorganismen sowie die Entwicklung von Modellen zur optimalen Einlagerung und zur Beschreibung des anaeroben Abbauprozesses.