Dechema-Bioenergie Popp/Schumann
08.03.2006
Verfahrenstechnische Anpassungen zur Optimierung
von Nährstoffkreisläufen in Biogasanlagen
Prof. Dr. Ludwig Popp
Dr. Wolfgang Schumann (LFA Gülzow)
Fachbereich Agrarwirtschaft und Landschaftsarchitektur
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08.03.2006
Gliederung• Einleitung
• Grundlagen der Stickstoffdynamik bei der Biogaserzeugung und Gärrestverwertung
• Ökonomische Bewertung verfahrens-technischer Optimierung
• Zusammenfassung
Einleitung - Grundlagen - Ökonomische Bewertung - Zusammenfassung
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Einfluss der Vergärung auf:
• Phosphor (P): keine Veränderung
• Kalium (K): keine Veränderung
• Schwefel (S): geringfügige Ausgasung als H2S, nach Entschwefelung des Gases Rückführung in Gärrest
• Stickstoff: teilweise Umwandlung des organischen gebundenen N in NH4-N, während der Fermenterphase kaum Verluste
Einleitung - Grundlagen - Ökonomische Bewertung - Zusammenfassung
4/20Dechema-Bioenergie Popp/Schumann
08.03.2006
Auswirkung der Vergärung auf den Gärrest (Döhler 2004)
• Abbau der organischen Trockensubstanz
• Verminderung der Viskosität
• Abbau geruchsaktiver Substanzen
• Erhöhung des Ammoniumanteiles in der Stickstofffraktion
• Erhöhung des pH-Wertes
• Erhöhung der Temperatur
Einleitung - Grundlagen - Ökonomische Bewertung - Zusammenfassung
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08.03.2006
Konsequenzen des TS-Abbaues
+ Geringere CH4-Emissionen während der Lagerung
+ Dünnflüssiger, dadurch bessere Pumpfähig-keit, besseres Eindringen in den Boden
+ Keine Schwimmschicht, dadurch weniger Homogenisierungsaufwand
- Keine Schwimmschicht, dadurch höhere NH3-Emissionen während der Lagerung
Einleitung - Grundlagen - Ökonomische Bewertung - Zusammenfassung
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08.03.2006
Ursachen und Effekte der Erhöhung des Ammoniumgehaltes
Beim Abbau der oTS werden auch organische N-Verbindungen (Aminosäuren, Eiweiß,..) abgebaut. Dabei entstehen unter Sauerstoffabschluss Ammoniumverbindungen.
+ Erhöhung des primär pflanzenverfügbaren Stickstoffanteils (bessere Nährstoffwirkung)
- Erhöhung des Stickstoff-Emissionspotentials, da Ammoniumverbindungen zu Ammoniak dissoziieren
und dann leicht flüchtig sind.
Einleitung - Grundlagen - Ökonomische Bewertung - Zusammenfassung
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NH3N- Emissionen in Abhängigkeit vom NH4-N-Gehalt (Gronauer 1993)
Einleitung - Grundlagen - Ökonomische Bewertung - Zusammenfassung
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Effekte der pH-Wert-Erhöhung
• Die Vergärung führt zu einem deutlichen Anstieg des pH-Wertes im Gärsubstrat
+ Wirkt der Bodenversauerung entgegen- Deutlich erhöhtes Ammoniak-
Emissionspotential (pH-Anstieg von 7,3 auf 8,0 erhöht um den Faktor 4,5)
Einleitung - Grundlagen - Ökonomische Bewertung - Zusammenfassung
9/20Dechema-Bioenergie Popp/Schumann
08.03.2006
NH3N- Emissionen in Abhängigkeit vom pH-Wert (Gronauer 1993)
Einleitung - Grundlagen - Ökonomische Bewertung - Zusammenfassung
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pH-Werte in den Fermentern von Biogasanlagen in M-V
7,5
7,6
7,7
7,8
7,9
8,0
8,1
8,2
8,3
8,4
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Anlagen-Nr.
pH
-Werr
tEinleitung - Grundlagen - Ökonomische Bewertung - Zusammenfassung
11/20Dechema-Bioenergie Popp/Schumann
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NH3N- Emissionen in Abhängigkeit von der Temperatur (Gronauer 1993)
Einleitung - Grundlagen - Ökonomische Bewertung - Zusammenfassung
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N-Gehalt in den Fermentern und im Endlager einer Biogasanlage in M-V
6,15,1
0,0
1,0
2,0
3,0
4,0
5,0
6,0
7,0
8,0
9,0
10,0
Fermenter Endlager
N-G
ehal
t [kg
/t F
M]
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
rel
ativ
er N
-Geh
alt
(Bez
ug
Asc
he)
Einleitung - Grundlagen - Ökonomische Bewertung - Zusammenfassung
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NH3-Emissionen nach der Ausbringung von Biogasgülle bei unterschiedlichen Ausbringverfahren (Amon 2004)
Einleitung - Grundlagen - Ökonomische Bewertung - Zusammenfassung
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Einfluss von Verweilzeit und Temperatur auf Gasmenge und Methangehalt (nach Baader)
Verweilzeit in Tagen
15
erze
ugte
Ga
smen
ge in
l pr
o l S
ubst
rat
0
5
10
0 50 100 150
50 °C (thermophil)
30 °C (mesophil)
20 °C (psychrophil)
Gesamte GasmengeMethananteil
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Annahmen zur Auslegung eines gasdichten Gärrestlagers
• Anlagenleistung 500 kW
• Substrat: Gülle + Nawaros
• Jährlicher Substratbedarf: 43.000 t
• Jährlicher Reststoffanfall: 40.000 t
• Gärrestlager: 20.000 m³/180 d
• Invest-Kosten gasdichtes Lager 15 €/m³
Einleitung - Grundlagen - Ökonomische Bewertung - Zusammenfassung
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• N-Verlust: 1 kg N/m³ Gärrest ≈ 20%
• Gasausbeute im Lager: Ø 7 m³/m³ (Keymer 2005)
• Energiegehalt Biogas: 6 kWh/m³
• Elektrischer Nutzungsgrad: 33%
• Stromerlös 14 Ct/kWh (Ertrag-Kosten)
Einleitung - Grundlagen - Ökonomische Bewertung - Zusammenfassung
Annahmen zur Auslegung eines gasdichten Gärrestlagers
17/20Dechema-Bioenergie Popp/Schumann
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Ökonomische Bewertung gasdichter Abdeckung des Lagers
Investition(ohne Rührtechnik)
15,00 €/m³ Lagerraum
Kosten 17,5 %/a 2,63 €/m³ Lagerraum
Ertrag Strom 1,96 €/m³ Gärrest
Stickstoff 0,55 €/m³ Gärrest
jährlich 5,02 €/m³ Lagerraum/a1
1 zweimaliger Umschlag/a
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18/20Dechema-Bioenergie Popp/Schumann
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Ökonomische Bewertung gasdichter Abdeckung eines Lagers mit 20.000 m³
1 zweimaliger Umschlag/a
Investition 300.000,00 €
Kosten 17,5 %/a 52.500,00 €
Ertrag Strom (14 Ct/kWh) 78.400,00 €1
Stickstoff 22.000,00 €1
Ertrag jährlich 100.400,00 €1
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19/20Dechema-Bioenergie Popp/Schumann
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Zusammenfassung
• Ammoniakemissionen bei der Biogaserzeugung sind nicht nur ein ökologisches sondern ein erhebliches ökonomisches Problem
• Zur Verminderung von Ammoniakemissionen bei der Biogaserzeugung ist eine durchgehende „Behandlung unter Druck“ sinnvoll
• Im Gärrestlager entstehen zum Teil erhebliche Mengen an Biogas (bis 10 % des Gesamt-ertrages)
Einleitung - Grundlagen - Ökonomische Bewertung - Zusammenfassung
20/20Dechema-Bioenergie Popp/Schumann
08.03.2006
Zusammenfassung
• Die Verstromung von Biogas aus dem Gärrestlager in Verbindung mit dem Gewinn aus nicht verlorenem Stickstoff rechtfertigt ein gasdichtes Gärrestlager
• Zur Vermeidung von Ammoniakverlusten bei der Ausbringung muss diese unbedingt bodennah erfolgen.
Einleitung - Grundlagen - Ökonomische Bewertung - Zusammenfassung