Ein zusätzlich installierter Hochlast-Fermenter kann an landwirtschaftlichen Biogasanlagen den herkömmlichen Rührkessel-Fermenter ergänzen und so bislang ungenutzte Biomassepotenziale erschließen. Das betrifft vor allem die Vergärung von flüssigen Reststoffen wie Gülle. Das zeigen die Ergebnisse des Forschungsprojekts Bio-Smart der Fachhochschule Münster (FH Münster) und der Firma PlanET Biogastechnik GmbH. Im Projekt wurden praxistaugliche Verfahrenskonzepte für Biogasanlagenbetreiber sowie Hilfsmittel zur Ermittlung der Wirtschaftlichkeit erarbeitet.
Höhere Durchsätze und kleinere Behälter
Die Vergärung flüssiger Rest- und Abfallstoffe wie insbesondere Gülle stellt Biogasanlagenbetreiber aus verfahrenstechnischer Sicht vor große Herausforderungen. Der hohe Wassergehalt erfordert vergleichsweise große Behältervolumina und einen hohen Heizenergiebedarf, was sich in den Investitions- und Betriebskosten niederschlägt.
Bei der Hochlastvergärung werden die zur Biogaserzeugung notwendigen Mikroorganismen im Fermentersystem zurückgehalten und angereichert. Im Gegensatz zu herkömmlichen Biogasfermentern können so höhere Durchsätze, kürzere Verweilzeiten und damit kleinere Behältervolumen realisiert werden. Investitions- und Betriebskosten lassen sich auf diese Weise deutlich senken.
570 Reststoffe in einer Datenbank
Im Vorhaben „Bio-Smart“ identifizierten die Wissenschaftler der FH Münster landwirtschaftliche und industrielle Reststoffe mit hohen Abbaugeschwindigkeiten. Für die Hochlastfermentation eignen sich v. a. Schweine- und Rindergülle sowie Zuckerrübensaft. Zudem kommen Glycerin aus der Biodieselherstellung und stärkehaltige Abwässer in Frage. Alle geeigneten Reststoffe wurden in eine Datenbank aufgenommen, die Auskunft über Biogaserträge und weitere relevante Substratparameter liefert und bislang mehr als 570 Einträge umfasst.
Technik aus der Abwasserreinigung
In Laborversuchen im halbtechnischen Maßstab ermittelten die Forscher erfolgversprechende Substrat-Reaktor-Kombinationen. Als am besten geeignetes Reaktorsystem erwies sich ein aus der biologischen Abwasserreinigung bewährter EGSB-Reaktor (Expanded Granular Sludge Bed). Der Reaktor hält Mikroorganismen zurück und beschleunigt so den Substratabbau und die Gasbildung. Durch die zeitlich gezielte Fütterung leicht abbaubarer Substrate lässt sich die Gasbildung zudem an den Bedarf anpassen.
Nur noch vier bis zwölf Tage Verweilzeit
Unter den Substratmischungen zeigte der Mix aus Schweine- und Rindergülle und einem hochkalorischen Reststoff das größte Biogaspotenzial. Die Verweilzeit im Hochlast-Reaktor konnte auf bis zu einen Tag reduziert werden, wobei die optimalen Verweilzeiten in Abhängigkeit der gewählten Substratkombination zwischen vier und zwölf Tagen liegen.
Auf Grundlage der Laborergebnisse erarbeiteten die Forscher verschiedene Verfahrenskonzepte. Zur Abschätzung der Kosten und Erlöse erstellten sie ein Berechnungsprogramm, das u. a. die verfügbaren Substratmengen, das Verfahrenskonzept oder Eigenschaften der Bestands-Biogasanlage berücksichtigt. Das Programm quantifiziert den Einfluss verschiedener Anlagen- und Betriebsparameter und ermöglicht so eine ökonomische Optimierung neuer und bestehender Biogasanlagen.
Getrennte Nutzung von Fest- und Flüssigphasen
Aus ökonomischer Sicht ist es sinnvoll, die festen und flüssigen Phasen, die bei der Vorbehandlung anfallen, zu nutzen. Die flüssige Phase mit hohem Wassergehalt und volumetrischem Anteil wird bei kurzen Verweilzeiten im EGSB-Reaktor vergoren, während die Vergärung der festen Phase mit höherem Feststoffanteil und entsprechend längeren Verweilzeiten im Rührkesselfermenter stattfindet. Durch die getrennte Behandlung der festen und flüssigen Substratphase ergibt sich insgesamt eine Reduktion des benötigten Gärvolumens.
Die PlanET Biogastechnik GmbH integrierte abschließend eine Versuchsanlage zur Hochlastvergärung in die Versuchsbiogasanlage im Bioenergiepark Saerbeck im Münsterland. Durch den praxisnahen Betrieb der Anlage wurde die Übertragbarkeit auf Bestandsbiogasanlagen belegt.
Das Verbundvorhaben „Biogasproduktion in Hochlastfermentern zur intelligenten Energiebereitstellung (Bio-Smart)“ wurde vom Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL) über den Projektträger Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e. V. (FNR) gefördert. Berechnungsprogramm und Reststoffe-Datenbank sind auf Anfrage bei der FH Münster erhältlich.
Weitere Infos
Der Abschlussbericht und weitere Informationen zu den Teilvorhaben stehen hier zur Verfügung:
- Teilvorhaben 1 (FH Münster): Grundlagen und Laborversuche - Akronym: Bio-Smart
- Teilvorhaben 2 (PlanET Biogastechnik): Konzeptionierung und Testbetrieb - Akronym: Bio-Smart
