BMWi-03KB106A, 31.01.2019 I
Entwicklung eines Leitfadens zur
Auswahl von standortspezifisch
angepassten Rühr- und
Substrataufschlussverfahren für
Biogasanlagen – ELIRAS
Schlussbericht FKZ 03KB106A
Hofmann, Josephine;Pröter, Jürgen;Weinrich, Sören;Kornatz,
Peter;Daniel-Gromke, Jaqueline;Schumacher Britt;Rostalski,
Kay;Merkel, Wolfgang
DBFZ Deutsches Biomasseforschungszentrum
gemeinnützige GmbH
Torgauer Straße 116
04347 Leipzig
Tel.: +49 (0)341 2434-112
Fax: +49 (0)341 2434-133
www.dbfz.de
Datum: 31.01.2019
BMWi-03KB106A, 31.01.2019 II
Projektträger: Projektträger Jülich
Forschungszentrum Jülich GmbH
Lena Panning
Zimmerstraße 26-27
10923 Berlin
Projektkoordinator: DBFZ Deutsches Biomasseforschungszentrum gemeinnützige GmbH
Torgauer Straße 116
04347 Leipzig
Dr.-Ing. Jürgen Pröter Dr.-Ing. Jan Liebetrau
Tel.: +49 (0)341 2434-517 +49 (0)341 2434-716
Fax: +49 (0)341 2434-133
E-Mail: [email protected] [email protected]
Verbundpartner Lifetec –Systems GmbH
Schulenbrooksweg 37
21029 Hamburg
Wolfgang Merkel
Tel.: +49 (0)345/5801770 Mobil: +49 (0)172/6337903
Fax: +49 (0)345/5801771
E-Mail: [email protected]
Maier Energie und Umwelt GmbH
Bergerhausen 5
87719 Mindelheim
Alois Maier
Tel.: +49(0)8261738 945 Fax: +49 (0)8261738 947
E-Mail: [email protected]
Erstelldatum: 31.01.2019
Projektnummer DBFZ: 3230038
Projektnummer PTJ: 03KB106A
Gesamtseitenzahl 141
Die Verantwortung für den Inhalt dieser Veröffentlichung liegt bei den Autoren.
Für alle Abbildungen, die nicht anderweitig gekennzeichnet sind, liegt das Copyright bei der
DBFZ gGmbH.
An dieser Stelle sei den wissenschaftlichen Hilfskräften Josephine Hörner, Christof Zeeb und Mia
Samantha ein großer Dank für die geleistete Arbeit ausgesprochen.
Inhaltsverzeichnis
BMWi-03KB106A, 31.01.2019 III
Inhaltsverzeichnis
Abkürzungs- und Symbolverzeichnis ................................................................................................................................ V
1 Kurzdarstellung .................................................................................................................................................... 8
1.1 Aufgabenstellung ....................................................................................................................................................... 8
1.2 Voraussetzungen, unter denen das Vorhaben durchgeführt wurde ................................................................... 8
1.3 Planung und Ablauf des Vorhabens ...................................................................................................................... 10
1.4 Anknüpfung an den wissenschaftlichen und technischen Stand .................................................................... 11
1.5 Zusammenarbeit mit anderen Stellen ................................................................................................................. 14
2 Ausführliche Darstellung .................................................................................................................................. 14
2.1 Verwendung der Zuwendung.................................................................................................................................. 14
2.2 Zusammenfassung .................................................................................................................................................. 14
2.3 Ergebnisse und Gegenüberstellung der vorgegebenen Ziele ........................................................................... 15
2.3.1 Bestandsaufnahme (AP1)..................................................................................................................... 15
2.3.1.1 Stand der Rührtechnik in Biogasanlagen ....................................................................................... 15
2.3.1.2 Substrataufschluss im Biogasanlagenbestand (2014) ................................................................. 16
2.3.1.3 Literatur- und Herstellerangaben zu Substrataufschlussverfahren .............................................. 17
2.3.1.4 Weiterentwicklung experimenteller Untersuchungen zum Substrataufschluss (DBFZ) .............. 21
2.3.1.5 Literaturrecherche ........................................................................................................................... 25
2.3.2 Fragekatalog (AP2) ................................................................................................................................ 27
2.3.3 Effekte des Substrataufschlusses (AP3) ............................................................................................ 27
2.3.3.1 Einteilung der Effekte von Substrataufschluss .............................................................................. 27
2.3.3.2 Einfluss durchmischtes Fermentervolumen auf Biogasbildung .................................................... 30
2.3.3.3 Statistische Signifikanz .................................................................................................................... 33
2.3.3.4 Charakterisierung von Substrat und Fermenterinhalt (AP3) ......................................................... 38
2.3.4 Gärversuche (AP3 und AP7) ................................................................................................................. 51
2.3.4.1 Gärversuche im Labormaßstab (AP3) ............................................................................................. 53
2.3.4.2 Gärversuche im großtechnischen Maßstab (AP7) ......................................................................... 71
2.3.5 Energetische und ökonomische Bewertung (AP5) ........................................................................... 78
2.3.5.1 Methodik der betriebswirtschaftlichen Bewertung ........................................................................ 79
2.3.5.2 Ergebnisse ........................................................................................................................................ 85
2.3.6 Ökologische Bewertung (AP5).............................................................................................................. 90
2.3.6.1 Methodik der THG-Bilanzierung ...................................................................................................... 90
2.3.6.2 Ergebnisse ........................................................................................................................................ 93
2.3.7 ELIRAS Leitfaden (AP6) ......................................................................................................................... 95
2.3.7.1 Aufbau des ELIRAS-Leitfadens ........................................................................................................ 95
2.3.7.2 ELIRAS Modell .................................................................................................................................. 98
2.4 Wichtigste Positionen des zahlenmäßigen Nachweises .................................................................................113
2.5 Notwendigkeit und Angemessenheit der geleisteten Arbeit ..........................................................................113
2.6 Darstellung des voraussichtlichen Nutzens .......................................................................................................114
Inhaltsverzeichnis
BMWi-03KB106A, 31.01.2019 IV
3 Kurzfassung – Berichtsblatt .......................................................................................................................... 115
4 Document Control Sheet ................................................................................................................................ 117
Abbildungsverzeichnis .................................................................................................................................................. 118
Tabellenverzeichnis ...................................................................................................................................................... 122
Literatur- und Referenzverzeichnis ............................................................................................................................. 124
5 Anhang ............................................................................................................................................................ 129
A 1 Fragekatalog ................................................................................................................................................... 129
A 2 Veränderung der einzelnen Siebfraktionen im diskontinuierlichen Gärversuch ....................................... 133
A 3 Diskontinuierlicher Gärversuch zum Vergleich der mechanischen und mechanisch-chemischen
Desintegration ................................................................................................................................................ 134
A 4 Prozessstabilität im kontinuierlichen Gärversuch im Labormaßstab L3 ................................................... 135
A 4.1 pH-Wert ....................................................................................................................................................................135
A 4.2 Flüchtige organische Säuren FOS .......................................................................................................................135
A 4.3 Pufferkapazität FOS/TAC .....................................................................................................................................136
A 4.4 Ammoniumstickstoff NH4-N ................................................................................................................................136
A 5 Abklingversuch L3 .......................................................................................................................................... 137
A 6 Futtermittelanalyse Winterweizenstroh (Gärversuch L3) ............................................................................ 138
A 7 Partikelgrößenverteilung (Gärversuch L3) .................................................................................................... 139
A 7.1 Winterweizenstroh, unbehandelt ........................................................................................................................139
A 7.2 Winterweizenstroh, mechanisch-chemisch desintegriert ................................................................................139
A 7.3 Fermenterinhalt F1, unbehandeltes Substrat ...................................................................................................139
A 7.4 Fermenterinhalt F2, mechanisch-chemisch desintegriertes Substrat ..........................................................140
A 7.5 Fermenterinhalt F3, unbehandeltes Substrat ...................................................................................................140
A 7.6 Fermenterinhalt F4, mechanisch-chemisch behandeltes Substrat ...............................................................140
A 8 Gärversuch L4 mit thermisch desintegriertem Gerstenstroh ..................................................................... 141
A 8.1 Methanertrag kontinuierlicher Gärversuch ........................................................................................................141
A 8.1 Futtermittelanalyse Gerstenstroh .......................................................................................................................141
A 9 Eingangsdaten für die Massenbilanzierung der kontinuierlichen Gärversuche ........................................ 142
A 9.1 Gärversuch L3 mit mechanisch-chemisch desintegriertem Weizenstroh ....................................................142
A 9.2 Gärversuch L4 mit thermisch desintegriertem Gerstenstroh .........................................................................142
Abkürzungs- und Symbolverzeichnis
BMWi-03KB106A, 31.01.2019 V
Abkürzungs- und Symbolverzeichnis
Abkürzung Erklärung
ANOVA Varianzanalyse (Analysis of Variance)
AP Arbeitspaket
AHD Algorithmus Hydrodynamik
AMPTS Automatic Methane Potential Test System
ASA Algorithmus Substrataufschluss
BGA Biogasanlage
BHKW Blockheizkraftwerk
BMP Restgaspotenzial
CFD computational fluid dynamics
D Durchmischung
DBFZ Deutsches Biomasseforschungszentrum gemeinnützige GmbH
F Fermenter
FoTS Fermentierbare organische Trockensubstanz
FKZ Förderkennzeichen
FM Frischmasse
GC Gaschromatographie
GPL Gärproduktlager
HPLC High-Performance-Liquid Chromatographie
HRT Hydraulic Retention Time (Verweilzeit)
HTK Hühnertrockenkot
IKTS Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme
LTS Lifetec –Systems GmbH
Maier Maier Energie und Umwelt GmbH
NFC Nicht-Faser-Kohlenhydrate (Zucker, Stärke, Pektine)
p p-Wert (Signifikanzwert eines statistischen Tests)
Abkürzungs- und Symbolverzeichnis
BMWi-03KB106A, 31.01.2019 VI
Abkürzung Erklärung
oTS Organische Trockensubstanz
PTJ Projektträger Jülich
R² Bestimmtheitsmaß
rpm revolutions per minute (Umdrehungen pro Minute)
THG Treibhausgas
TS Trockensubstanz
UFZ Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung
VT Versuchstag
Formelzeichen Erklärung Einheit
CH4 Methangehalt %
D Durchmischung %
fk Faktor zur Übertragung vom diskontinuierlichen in den kontinuierlichen Prozess –
fW Faktor für den stöchiometrischen Wasserbedarf –
fB Faktor für mikrobielles Biomassewachstum –
FoTS Fermentierbare organische Trockensubstanz %TS
FOS Flüchtige organische Säuren (Summenparameter) mg L-1
FOS/TAC Pufferkapazität –
FM Frischmasse g
HRT Hydraulic Retention Time (hydraulische Verweilzeit) d
K Konsistenzfaktor Pa sn
k-Wert Bruttoreaktionsgeschwindigkeitskonstante/Reaktionskinetik d-1
kB0 Reaktionskinetik der Gasbildung von unbehandeltem Substrat im diskontinuierlichen
Gärversuch (Batch-Test)
d-1
kB1 Reaktionskinetik der Gasbildung von desintegriertem Substrat im diskontinuierlichen
Gärversuch (Batch-Test)
d-1
KK0 Reaktionskinetik der Gasbildung von unbehandeltem Substrat im kontinuierlichen
Gärversuch (Labor- oder Praxismaßstab)
d-1
Abkürzungs- und Symbolverzeichnis
BMWi-03KB106A, 31.01.2019 VII
Formelzeichen Erklärung Einheit
kK1 Reaktionskinetik der Gasbildung von desintegriertem Substrat im kontinuierlichen
Gärversuch (Labor- oder Praxismaßstab)
d-1
m Fließindex –
mStroh Masse an Stroh g
NH4-N Ammoniumstickstoffgehalt g kgFM-1
oTS Organische Trockensubstanz %TS
OLR Organic Loading Rate (Raumbelastung) goTS L-1 d-1
TS Trockensubstanz %FM
VCH4,spez Gemessener Methanertrag L kgoTS-1
VRestgas Restgaspotenzial L kgFM-1
x50 Median (Partikeldurchmesser) mm
xK Mittlerer Partikeldurchmesser einer Partikelklasse mm
xm Mittlerer Partikeldurchmesser der gesamten Verteilung mm
xm0 Mittlerer Partikeldurchmesser von unbehandeltem Substrat oder Fermenterinhalt mm
xm1 Mittlerer Partikeldurchmesser von desintegriertem Substrat oder Fermenterinhalt mm
xS Siebgröße, Maschenweite mm
Griechisches
Symbol
Erläuterung Einheit
α Irrtumswahrscheinlichkeit –
γ Schergeschwindigkeit s-1
η Dynamische Viskosität Pa s
Temperatur °C
ψ Sphärizität –
Kurzdarstellung
BMWi-03KB106A, 31.01.2019 8
1 Kurzdarstellung
1.1 Aufgabenstellung
Substrataufschlussverfahren (auch Desintegrationsverfahren) nehmen in der aktuell im Fokus stehende
Effizienzsteigerung von Biogasanlagen eine wichtige Rolle ein, da sie ein enormes Potenzial zur Erhöhung
der Substratausnutzung sowie zur Senkung des Energieaufwandes besitzen. Die Angaben von Herstellern
zu den Effekten einer Substrataufschlusseinheit sind dabei allerdings so vielfältig und unübersichtlich
wie der Markt an Substrataufschlussverfahren selbst. Betreibern von Biogasanlagen fehlen einheitliche
Kriterien zur objektiven Bewertung genannter Verfahren. Ziel des Vorhabens ELIRAS ist es, den Betreibern
mit dem im Projekt entwickelten Leitfaden ein solches Werkzeug zur Entscheidungshilfe an die Hand zu
geben. Der Leitfaden umfasst dabei eine wissenschaftliche Methodik, die auf Basis verfahrens-
technischer Berechnungsgrundlagen und hydrodynamischer Parameter eine einheitliche Herangehens-
weise zur objektiven Bewertung von Substrataufschlussverfahren ermöglicht. Unter Berücksichtigung der
Anlagenspezifik wird sowohl der Einfluss von Desintegrationsverfahren auf die Gasbildung als auch auf
die Hydrodynamik im Fermenter betrachtet.
1.2 Voraussetzungen, unter denen das Vorhaben durchgeführt wurde
Der Zuwendungsempfänger DBFZ Deutsches Biomasseforschungszentrum gemeinnützige GmbH (DBFZ)
verfügt über langjährige Erfahrung in der wissenschaftlichen Bewertung von Biogasprozessen im Labor-
und Praxismaßstab. Im Labormaßstab steht eine große Anzahl an Modellfermentern zur Verfügung. Es
kann auf umfangreiche Erfahrungen in der Durchführung diskontinuierlicher sowie (quasi-)
kontinuierlicher Gärversuche zurückgegriffen werden. Die stetige Weiterentwicklung der Methodik hat
eine Erhöhung der Aussagefähigkeit und Genauigkeit von Gärversuchen nach sich gezogen.
Der umfangreiche Erfahrungsschatz des DBFZ beruht auf der erfolgreichen Durchführung zahlreicher
Vorhaben zur Desintegration in der Vergangenheit. Die wichtigsten Forschungsprojekte sind in Tabelle 1
gelistet. Es wird deutlich, dass das DBFZ Erfahrungen zum Substrataufschluss einer Vielzahl an
Substraten und Substrataufschlussverfahren vorweisen kann.
Wesentliche Erkenntnisse aus abgeschlossenen Forschungsvorhaben wurden in der Fachliteratur
veröffentlicht (nachfolgend eine Auswahl):
Schumacher, B., Hofmann, J. und Pröter, J.: Verfahrensüberblick zur Desintegration von
Biomasse. Biogas Journal 1_2012, S.88-94
Schumacher, B., Liebetrau, J., Wedwitschka, H.: A Concept of a Comparative Energetic and
Economic Assessment of Pre-Treatment Technologies for Substrates. BioGasWorld –
International Anaerobic Digestion Symposium, 23.-25.4.2013, Berlin, Germany, organised by
IBBK, p. 160-167, ISBN: 978-3-940706-06-5
Schumacher, B.; Wedwitschka, H.; Glover, K.; Liebetrau, J.: Disintegration in The Biogas Sector -
Technologies and Effects, in: Wong, J.; Tyagi, R.; Nelles, M.; Selvam, A. (Eds.) International
Conference on Solid Waste 2013 - Innovation in Technology and Management, 5-9 May 2013
Hong Kong Special Administrative Region, P.R. China, Conference Proceedings, pp. 325-333, CD
pp. 321-324, ISBN 978-988-19988-5-9
Kurzdarstellung
BMWi-03KB106A, 31.01.2019 9
Tabelle 1: abgeschlossene Forschungsvorhaben des DBFZ zum Thema Substrataufschluss
Titel
Forschungsvorhaben
Fördermittelgeber, Projekt-
träger, Förderkennzeichen;
Projektpartner
Laufzeit betrachteter
Substrat-
aufschluss
betrachtete
Substrate
Forcierte Co-Vergärung
von Klärschlamm und
organischen Abfällen*
Bundesministerium für
Wirtschaft und Technologie
2001 Ultraschall Klär-
schlamm,
Gülle
Verfahren zur
Aufbereitung von
Klärschlamm und
anderer Substrate mit
UV-Licht zur
Biogaserzeugung*
Bundesministerium für
Wirtschaft und Technologie
2004 UV Klär-
schlamm
Untersuchungen und
Bewertungen zum
Einsatz von Enzymen in
Biogasanlagen auf
deren Wirksamkeit und
deren Wirkungsweise
sowie zur Veränderung
des Verfahrensablaufs
im Labor-, Technikum-
und Praxisanlagen-
Maßstab
Bundesministerium für
Ernährung, Landwirtschaft und
Verbraucherschutz (BMELV);
Fachagentur Nachwachsende
Rohstoffe e. V. (FNR); Partner:
ATB Potsdam, PFI Pirmasens,
ASA Spezialenzyme, ARCHEA,
Biogas Nord
10/2010
bis
09/2013
Enzymatisch Maissilage,
Roggen-
Ganz-
pflanzen-
silage,
Grassilage,
Rindergülle,
HTK
Wachstumskern –
Chemnitz FutureGas:
Entwicklung von
Steuerungswerkzeugen
für modulare
Biogasanlagen
hinsichtlich ihres
Stoffstrommanagements
Bundesministerium für Bildung
und Forschung (BMBF);
Projektträger Jülich (PtJ); FKZ:
03WKBS01A, u.a. Ventury
GmbH Energieanlagen,
(insgesamt 10 Partner)
09/2010
bis
08/2013
Thermo-
Druck-
Hydrolyse
Gersten-
stroh,
Grassilage,
Papier-
schlamm
ERANET „Klein aber
effizient – Kosten- und
energieeffiziente
Biomethanproduktion„
Bundesministerium für
Ernährung und Landwirtschaft
(BMEL), Fachagentur
Nachwachsende Rohstoffe e.
V. (FNR); FKZ: 22028412, u.a.
Ventury GmbH Energieanlagen,
weitere Projektpartner aus
Polen und Schweden
02/2013
bis
04/2016
Auto-
hydrolyse,
Thermo-
Druck-
Hydrolyse
Rindermist
* Vorhaben zur Untersuchung von Substrataufschluss, welche am Vorgängerinstitut des DBFZ liefen
Kurzdarstellung
BMWi-03KB106A, 31.01.2019 10
Über die jährliche Betreiberbefragung des DBFZ besteht Zugang zu einem Großteil der Biogasanlagen
Deutschlands. Auch im Vorhaben „Biogas-Messprogramm III“ (1.12.2015 - 30.11.2019, FKZ: 22403515,
FNR), welches vom DBFZ federführend bearbeitet wird, wird intensiv mit Praxis-Biogasanlagen
zusammengearbeitet. Diese Kontakte wurden im Vorhaben ELIRAS genutzt, um geeignete Biogasanlagen
zu finden und den ELIRAS Leitfaden auch im großtechnischen Maßstab anzuwenden.
Auch über den Verbundpartner Maier Energie- und Umwelt (nachfolgend Maier) bestehen zahlreiche
Kontakte zu Biogasanlagen. Es kann auf ein Netzwerk von bisher mehr als 130 ertüchtigten Anlagen
zurückgegriffen werden. Dieses Netzwerk des Verbundpartners Maier ist für das Vorhaben ELIRAS von
besonderem Interesse, da es sich um ertüchtigte, im Umbau befindliche Biogasanlagen bzw. um
Biogasanlagen mit Interesse an Effizienzsteigerung handelt. Aufgrund der Begleitung der Biogasanlagen
durch das Unternehmen Maier während einer Bestandsaufnahme oder Umstellung, besteht intensiver
Kontakt und somit größere Kooperationsbereitschaft der Anlagenbetreiber.
Als Bindeglied zwischen Wissenschaft und Praxis setzt der dritte Verbundpartner Lifetec –Systems GmbH
(nachfolgend LTS) sein Know-How auf dem Gebiet der Rührtechnik in den wissenschaftlichen
Modelluntersuchungen zur Hydrodynamik ein.
Als positive Voraussetzung wird auch die bestehende Vernetzung zum Service- und Begleitvorhaben SuB
(03KB001 DBFZ) der Energetischen Biomassenutzung gesehen, welches als Plattform zur öffentlichen
Darstellung des Vorhabens genutzt werden kann.
1.3 Planung und Ablauf des Vorhabens
Gemäß Vorhabenbeschreibung wurde das Vorhabens in acht Arbeitspaketen (AP) geplant und umgesetzt.
Die Untergliederung des Vorhabens in Arbeitspaketen und die dazugehörigen Meilensteine sind
nachfolgend zusammengefasst.
AP1: Bedarfs- und Potenzialanalyse
M 1.1: Auswahl der Reststoffe abgeschlossen
M 1.2: Analyse des Bedarfs an Substrataufschlussverfahren abgeschlossen
AP2: Entwicklung eines Fragekatalogs für eine Ist-Stands-Analyse als Bestandteil des Leitfadens
M 2.1: Fragekatalog für eine Ist-Stands-Analyse erstellt
AP3: Bewertung von Substrataufschlussverfahren
M 3.1: Labor- und Technikumsuntersuchungen abgeschlossen
AP4: Bewertung und Auswahl der Rührtechnik
M 4.1: Methodik Rührtechnik erstellt
AP5: Energetische, ökonomische und ökologische Bewertung
M 5.1: Vorgehensweise für Energiebilanz festgelegt
M 5.2: Ökonomische Berechnungstools erstellt und getestet, Ökologische Bewertung
abgeschlossen
Kurzdarstellung
BMWi-03KB106A, 31.01.2019 11
AP6: Erarbeitung eines Leitfadens zur Effizienzsteigerung von Biogasanlagen durch
Substrataufschluss
M 6.1: Leitfaden Substrataufschlussverfahren erstellt
AP7: Anwendung des Leitfadens an einer großtechnischen Biogasanlage
M 7.1: Demonstration des Vorhabens im großtechnischen Maßstab abgeschlossen
AP 8: Fachliche und organisatorische Koordination des Verbundvorhabens
M 8.1: 1. Zwischenbericht nach Maßgabe des PtJ (01/2016)
M 8.2: 2. Zwischenbericht nach Maßgabe des PtJ (01/2017)
M 8.3: Projektabschluss (12/2017)
Wie bereits in der Vorhabenbeschreibung hingewiesen wurde, waren die ursprünglich veranschlagten
Bearbeitungszeiträume insbesondere für die praktischen Untersuchungen zunächst vorläufig. Aufgrund
anfänglich nicht nachzuweisender Effekte von Substrataufschluss in Gärversuchen kam es im realen
Projektverlauf zu Verzögerungen. Das DBFZ stellte am 19.04.2017 einen Antrag auf kostenneutrale
Verlängerung um 6 Monate, woraus sich eine Verschiebung des Projektendes vom 31.12.2017 auf
30.6.2018 ergab. Dem Antrag auf Verlängerung wurde zum 03.05.2017 vom PtJ entsprochen. Von Seiten
der Projektpartner LTS und Maier wurde keine Verlängerung beantragt. Planung und Erreichungsstand
des Vorhabens können dem Balkenplan in Abbildung 1 entnommen werden.
Abbildung 1: Arbeits- und Meilensteinplanung (Projektende 12/2017) sowie realer Erreichungsstand nach Verlängerung des
Vorhabens (Projektende 06/2018)
1.4 Anknüpfung an den wissenschaftlichen und technischen Stand
Auf welchem Stand Wissenschaft und Praxis zu den Themen „Substrataufschluss“ und „Durchmischung“
ist, wurde im ersten Arbeitspaket des Vorhabens ELIRAS herausgearbeitet. Die Darstellung zum Ist-Stand
der Rührtechnik in Biogasanlagen, zum Substrataufschluss im Biogasanlagenbestand, in der Literatur
und nach Angaben der Hersteller sowie der Stand bisheriger experimenteller Untersuchungen zum
Substrataufschluss ist in Kapitel 2.3.1 „Bestandsaufnahme (AP1)“ (ab S. 15) nachzulesen.
AP 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 2 3 4 5 6
1.1 1.2
2.1
3.1 3.1
4.1 4.1
5.1 5.2 5.2
6.1 6.1
7.1 7.1
8.1 8.1 8.1 8.1 8.2 8.1 8.2
Planung lt. Vorhabenbeschreibung 1.1 Meilenstein lt. Vorhabenbeschreibung Planung nach Verlängerung 1.1 Meilenstein nach Verlängerung
8 Koordination des
Verbundvorhabens
5 Energet., ökon. &
ökol. Bewertung
6 Leitfaden Substrat-
aufschlussverf.
7 Demonstration des
Vorhabens
2 Entwickung eines
Fragekatalog
3 Bewertung Substrat-
aufschlussverf.
4 Bewertung
Rührtechnik
2015 2016 2017 2018
1 Bedarfs- und
Potenzialanalyse
Kurzdarstellung
BMWi-03KB106A, 31.01.2019 12
Der Biogasanlagenbestand wurde mit Hilfe der DBFZ-eigenen Datenbank zur jährlichen
Betreiberbefragung hinsichtlich Desintegrationsverfahren ausgewertet. Zur Literaturrecherche wurden
bestehende Zugänge zu Fachzeitschriften genutzt. Die Angaben der Hersteller wurden im persönlichen
Kontakt auf der Biogas-Jahrestagung 2015 in Bremen zusammengetragen.
Aus den Vorhaben
„Untersuchungen von Mischungssystemen in Biogasfermentern unter Einsatz der Prozess-
Tomographie“ (FKZ: 22016111), Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.V. (FNR), 11/2011-
01/2014; [1]
„Entwicklung eines Steuerungs- und Regelkonzeptes für Mischprozesse in Biogasfermentern auf der
Basis zu validierender Prozessmodelle“ (FKZ: 22023012), Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe
e.V. (FNR), 09/2013-02/2016; [2]
EFFIGEST („Entwicklung einer hocheffizienten Prozesskette zur Effizienzsteigerung bei der Vergärung
von Geflügelmist unter Nutzung modifizierter Strohfraktionen und mit prozessintegrierter Gewinnung
marktfähigem Düngers“; Fraunhofer IKTS (Dresden); 09/2013-08/2016; Förderkennzeichen FKZ:
03KB081; PTJ); [3]
wurden bereits erarbeitete Erkenntnisse zum Zusammenhang von Stoffeigenschaften und Mischprozess
bei hoch konzentrierten faserigen Stoffsystemen sowie zum Substrataufschluss von Stroh genutzt und
im Vorhaben ELIRAS verwertet.
Im Nachfolgenden wird die zum Beginn des Vorhabens herrschende Definition von Substrataufschluss in
kurzer Form beschrieben.
Im „Leitfaden Biogas“ wird der Substrataufschluss (auch Desintegration genannt) über das Ziel „die
Zerstörung der Zellwandstruktur zur Freisetzung des gesamten Zellinhaltes“ [4] definiert. Dabei kann der
Substrataufschluss sowohl zur Vorbehandlung von Substraten für Biogasanlagen als auch zur
Behandlung des Fermenterablaufs der anaeroben Vergärung mit dem Zweck einer erneuten Vergärung
erfolgen. Durch die Freisetzung von Zellmaterial wird eine gesteigerte Verfügbarkeit abbaubarer
Substanzen erwartet. Im Zusammenhang mit einer vergrößerten Partikeloberfläche zieht dies einen
schnelleren Substratabbau nach sich. [5–8] Um die Wirkung eines Substrataufschlusses zu bewerten,
wird häufig lediglich die Auswirkung auf die Biogasbildung beurteilt. Sekundäre Effekte auf die
Hydrodynamik im Biogasfermenter werden dabei selten berücksichtigt. Während sich der verstärkte
Substratabbau direkt auf die Biogasbildung auswirkt, ziehen sekundäre Effekte eine indirekte Effizienz-
steigerung des Biogasprozesses nach sich, wie z. B. eine effizientere Nutzung der Fermenterkapazität
oder eine verminderter Rühr- und Pumpleistung infolge der verbesserten Durchmischung.
Substrataufschlussverfahren können nach der Art des Energieeintrages in physikalische, chemische und
biologische Verfahren untergliedert werden. [6] Während thermische, mechanische und elektrische
Prozesse den physikalischen Methoden zugeordnet werden, erfolgt die chemische und biologische
Desintegration durch Zugabe von Stoffen (z.B. Säuren, Mikroorganismen und Enzymen) zur Anregung von
Reaktionen (z. B. Hydrolyse, Oxidation). Die Bandbreite an existierenden Desintegrationsverfahren wird
in Abbildung 2 verdeutlicht, wobei über die genannten Verfahren hinaus durchaus weitere Ansätze
existieren.
Kurzdarstellung
BMWi-03KB106A, 31.01.2019 13
Abbildung 2: Unterscheidung von Verfahren zum Substrataufschluss [6]
Die in Abbildung 2 dargestellten Substrataufschlussverfahren finden in unterschiedlichem Umfang
bereits praktische Anwendung, wobei die Praxis von mechanischen Verfahren dominiert wird. [9]
Desintegrationsverfahren können vor der Vergärung, nach dem anaeroben Abbauprozess zum Aufschluss
von rezirkuliertem Gärrest, oder bei mehrstufigen Anlagen nach bzw. während der ersten Prozessstufe in
den Verfahrensablauf integriert werden. Trotz des zum Teil breiten praktischen Einsatzes ist die
Einschätzung der Sinnhaftigkeit von Substrataufschlussverfahren für Anlagenbetreiber angesichts der
Palette an existierenden Technologien und mangelnder objektiver Kriterien schwierig. Es fehlen
Ansatzpunkte zur Abschätzung der Kosten- und Energieeffizienz und zur Beurteilung verschiedener
Desintegrationsverfahren passend zur Anlagenspezifikation. Es ist kaum tieferes Wissen über
Zusammenhänge zwischen Substrataufschluss und Prozessparametern, wie der Viskosität und der
Rührwerksleistung, vorhanden. In der Praxis findet die hydrodynamische Bewertung kaum eine
Anwendung, insbesondere hinsichtlich der Berücksichtigung des Einflusses des Zerkleinerungsgrades
durch Aufschlussverfahren.
Ausführliche Darstellung
BMWi-03KB106A, 31.01.2019 14
1.5 Zusammenarbeit mit anderen Stellen
Zur Durchführung der Vergleichsmessungen im Rahmen der Methodenentwicklung zur Partikelgrößen-
analyse (Kapitel 2.3.3.4 „Charakterisierung von Substrat und Fermenterinhalt (AP3)“, S. 44), wurde
Kontakt zur TU Bergakademie Freiberg aufgenommen. Im EVT-Labor (Energieverfahrenstechnik und
thermischen Rückstandsbehandlung) des Instituts für Energieverfahrenstechnik und Chemieingenieur-
wesen (IEC) der TU Freiberg wurde vergleichend zur Gefriersiebung am DBFZ eine Partikelgrößen-
verteilung auf optischen Wege (Camsizer) aufgenommen.
Auch der bestehende nachbar- und partnerschaftliche Kontakt des DBFZ zum Helmholtz-Zentrum für
Umweltforschung (UFZ) wurde in der Bearbeitung von AP3 genutzt. Für den thermischen Aufschluss der
Sorghumsilage (vergleiche Erfolgskontrollbericht Kapitel 4.1.2 „Gärversuche im Labormaßstab mit
Sorghumsilage“) wurde ein Autoklav des Departments Technische Umweltchemie (Themenbereich
Umwelt- und Biotechnologie) am UFZ genutzt.
2 Ausführliche Darstellung
2.1 Verwendung der Zuwendung
Die Zuwendungen wurden entsprechend der Zielsetzung im Projektantrag eingesetzt. Im Folgenden
sollen am Beispiel einzelner AP die Verwendung der Zuwendungen dargelegt werden.
2.2 Zusammenfassung
Die Auswirkungen eines Substrataufschlusses auf den Biogasprozess können nach dem ELIRAS Ansatz
auf drei Effekte zurückgeführt werden:
a) Erhöhung des vergärbaren organischen Anteils
b) Steigerung der Reaktionsgeschwindigkeit
c) Veränderung der Hydrodynamik
Mit Hilfe einer Massenbilanzierung und Modellierung des Biogasprozesses sowie hydrodynamischer und
granulometrischer Betrachtungen werden die Effekte im ELIRAS Modell theoretisch beschrieben. Die
analytisch-experimentelle Grundlage dafür bildet eine umfassende Charakterisierung von Substrat und
Fermenterinhalt über TS, oTS, flüchtige Bestandteile, Partikelgrößenverteilung sowie diskontinuierliche
und kontinuierliche Gärversuche. Bei Kenntnis der Anlagen- und Propellerkonfiguration sowie der
Mengen und Zusammensetzung der zugegebenen Substrate und produzierten Gasmengen auf einer
Praxis-Biogasanlage kann vom Ausgangszustand auf den unbekannten Zustand nach Einsatz eines
Substrataufschlusses geschlossen werden. Die Veränderung der Abbaukinetik und des Gasbildungs-
potenzials infolge des Substrataufschlusses wird über diskontinuierliche Gärversuche bestimmt.
Ausführliche Darstellung
BMWi-03KB106A, 31.01.2019 15
Im Ergebnis des Vorhabens wurde das ELIRAS Modell mit Messdaten von Labor- und Praxis-Gärversuchen
validiert. Über das Gasbildungspotenzial und die Veränderung der Gasbildungskinetik im dis-
kontinuierlichen Labor-Gärversuch konnte die real gemessene Gasertragssteigerung im kontinuierlichen
Prozess vorhergesagt werden. Der bislang unterschätzte hydrodynamische Effekt eines Substrat-
aufschlusses wurde theoretisch anhand zweier Praxis-Biogasanlagen nachvollzogen.
2.3 Ergebnisse und Gegenüberstellung der vorgegebenen Ziele
2.3.1 Bestandsaufnahme (AP1)
Arbeitspaket (AP) 1 umfasst die Aufnahme des Ist-Standes der Rührtechnik in Biogasanlagen als auch
von Substrataufschlussverfahren. Um den Ist-Stand des Substrataufschlusses darzustellen, wurde
der Biogasanlagenbestand (Kapitel 2.3.1.2; S. 16),
Literatur- und Herstellerangaben (Kapitel 2.3.1.3; S. 17)
sowie bisherige experimentelle Untersuchungen zum Substrataufschluss (Kapitel 2.3.1.4; S. 21)
gesichtet.
2.3.1.1 Stand der Rührtechnik in Biogasanlagen
Mit der Ausarbeitung der Grundlagen zur Rührtechnik und dem Stand der Technik an Biogasanlagen
wurde der Ist-Stand der Rührtechnik erfasst und im Schlussbericht der Projektpartner Maier Energie und
Umwelt GmbH/Lifetec-Systems GmbH (nachfolgend „Schlussbericht Maier/LTS“) in Kapitel 2.1.1.2.1
beschrieben.
Die hinter den verschiedenen Rühraufgaben auf Biogasanlagen stehenden komplexen Rührprozesse
können vereinfacht unter Strömungsbeschleunigung und Turbulenzerzeugung zusammengefasst
werden. Durch die Verschiedenheit der Rühraufgaben lassen sich diese nicht mit einer Art Hydraulik
erreichen. Dennoch kann festgehalten werden, dass es für alle Rühraufgaben notwendig ist, eine
bestimmte örtliche Geschwindigkeit bzw. Geschwindigkeitsänderung zu induzieren, deren Erfassung
noch nicht Stand der Technik ist. Eine weitere technische Herausforderung liegt darin, die
Geschwindigkeitsänderung mit minimaler Turbulenzerzeugung auf alle Bereiche eines Gärbehälters
auszudehnen. Die Ausdehnung der Durchmischung des Fermenterinhaltes auf Biogasanlagen wird dabei
von folgenden Kenngrößen beeinflusst:
Beckengeometrie
Rheologie
Kavernenbildung
Korrespondenz von Rührorganen
Die integrale rheologische Kenngröße für die Auslegung einer Hydraulik ist das Fließverhalten. Bei der
Auslegung wird dabei immer ein Kompromiss zwischen Energieaufwand und durchmischtem
Behältervolumen geschlossen werden. Neben den Möglichkeiten, die Durchmischung auf Biogasanlagen
hydraulisch und pneumatisch zu realisieren, ist die in Deutschland am weitesten verbreitete Art das
Ausführliche Darstellung
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Rühren mit mechanischen Rührwerken. Der Fokus des Vorhabens lag demnach darauf, die
Durchmischung mit mechanischen Rührwerken zu charakterisieren und in die Effekte, die ein
Substrataufschluss nach sich zieht, einzuordnen.
2.3.1.2 Substrataufschluss im Biogasanlagenbestand (2014)
Die im Rahmen der jährlichen Betreiberbefragung erhobenen Daten für das Bezugsjahr 2014 wurden mit
dem Fokus auf den Istzustand, Potenziale und Rahmenbedingungen zur Desintegration ausgewertet.
Unter den insgesamt 829 antwortenden Anlagen, haben 13 % (108 Anlagen) angegeben, ihr Substrat
aufzuschließen. Dieser Anteil erhöht sich auf 22 % unter älteren Biogasanlagen, welche vor dem Jahr
2000 in Betrieb gingen. Mit steigender Anlagenleistung nimmt auch der Anteil an Anlagen zu, welche
Desintegrationseinheiten installiert haben. Wie in Abbildung 3 dargestellt ist, wird der Substrataufschluss
zu 66 % auf mechanischem Wege umgesetzt. Ein Zehntel der Anlagen schließt das Substrat mit
biologischen Verfahren auf, 8 % der Anlagen mit chemischen Verfahren und nur vereinzelte Anlagen
thermisch, elektrisch oder mit Ultraschall.
Abbildung 3: Im Biogasanlagenbestand eingesetzte Substrataufschlussverfahren (DBFZ-Betreiberbefragung 2015, Bezugsjahr
2014)
Um Potenziale für Substrataufschluss zu identifizieren, wurden aus dem Fermentationsvolumen und der
zugeführten Substratmenge die hydraulischen Verweilzeiten der befragten Biogasanlagen berechnet.
Zum Fermentationsvolumen wurde das Volumen der Hauptfermenter und der beheizten Gärrestlager
gezählt. Mit sinkender Verweilzeit steigt das Potenzial, mit Desintegration einen Effekt zu erzielen, da das
Substrat bei kurzen Verweilzeiten möglicherweise noch nicht komplett aufgeschlossen wurde. Der mit
38 % größte Anteil der Biogasanlagen (213 Stück) weist lange Verweilzeiten von 60 bis 120 d auf. Unter
den für Desintegration interessanten Biogasanlagen mit kleiner 30 Tagen Verweilzeit (9 % der Anlagen;
51 Stück) haben 39 % (20 Anlagen) noch keinen Substrataufschluss installiert. 78 % der Biogasanlagen,
welche bereits einen Substrataufschluss integriert haben, vergären das Substrat mit 200-300 Tagen
Verweilzeit, wodurch bereits im unbehandelten Zustand ein hoher Umsatz ermöglicht wird.
66%
10%
8%
2%
1%
2%
11%
13%
ohne Desintegration
mechanisch
biologisch
chemisch
thermisch
Ultraschall
elektrisch
keine Angaben=829
Ausführliche Darstellung
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An 40 % der Biogasanlagen (152 Stück) steht nach Abzug des Eigenwärmebedarfs und der externen
Wärmenutzung noch Restwärme von über 1.000 MWhth a-1 zur Verfügung. Bei 18 % (68 Anlagen) ist eine
Restwärme von über 2.000 MWhth a-1 geschätzt worden. Für diese Anlagen ist eine Restwärmenutzung
in Form einer thermischen Desintegration denkbar.
Betrachtet man den Substratinput der antwortenden Biogasanlagen, besitzt ca. ein Drittel der
Substratmengen Potenzial zur Desintegration. Zu Substraten mit Aufschlusspotenzial wurden
langfaserige, strohhaltige Substrate sowie Abfall- und Reststoffe gezählt, wie z.B.:
Grassilage, GPS-Getreide, Getreidekorn, Zwischenfrüchte, Landschaftspflegematerial,
Stroh, Geflügelfestmist/Hühnertrockenkot (HTK), Rinderfestmist, Schweinefestmist,
Bioabfall, Speisereste sowie industrielle/gewerbliche/landwirtschaftliche Reststoffe.
Der Großteil (32 %) der behandlungswürdigen Substrate entfällt auf strohhaltige Substrate.
2.3.1.3 Literatur- und Herstellerangaben zu Substrataufschlussverfahren
Mit der Teilnahme an der Biogas-Jahrestagung 2015 in Bremen wurden Hersteller von Desintegrations-
verfahren kontaktiert und der aktuelle Stand im Biogasmarkt aufgenommen. Der Kontakt zu den
Herstellern wurde genutzt, um technische und wirtschaftliche Kenndaten der Desintegrationsaggregate
abzufragen. Grundlage für die Befragung bildete eine umfassende Literaturrecherche zu den Kenngrößen
des Substrataufschlusses sowie bereits zusammengetragene hauseigene Daten im Rahmen
vorangegangener Projekte. Im Ergebnis aus Herstellerangaben und Literaturwerten konnte eine grafische
Übersicht über die Schwankungsbreiten ausgewählter Parameter entwickelt werden. Diese fasst
zusammen, in welchen Größenordnungen Desintegrationsaggregate Leistung aufnehmen, Substrat
durchsetzen können, aber auch in welchem Rahmen Investitionen notwendig sind und welche Effekte
auf die Gasausbeute von den Herstellern versprochen werden.
Um eine herstellerneutrale Darstellung zu gewährleisten, wurde von einer Nennung der Marktnamen der
Aggregate abgesehen. Es erfolgte eine Unterteilung in die allgemeinen Kategorien nach
Energieeintragsart in Anlehnung an SCHUMACHER ET AL. (2012). [6] Für die chemische Desintegration
konnten aufgrund fehlender Marktpräsenz keine Kenndaten erhoben werden.
Im nachfolgenden Diagramm (Abbildung 4) verdeutlichen Balken die Schwankungsbreiten des jeweiligen
Parameters. Einzelwertangaben wurden durch Punkte dargestellt. Da sich die Größenordnungen
zwischen den einzelnen Kategorien oft erheblich unterscheiden, wurden große Schwankungsbreiten mit
Angabe der Endwerte abgeschnitten (Symbol: Pfeil). Die Diagramme dienen einer ersten Orientierung zu
Desintegrationseinheiten auf dem Markt. Es liegt eine umfassende Recherche zu Grunde. Da aufgrund
der Vielfalt und ständigen Weiterentwicklung nicht alle verfügbaren Desintegrationsverfahren abgefragt
werden konnten, stellen die Angaben keinen Anspruch auf Vollständigkeit.
Ausführliche Darstellung
BMWi-03KB106A, 31.01.2019 18
Abbildung 4: Herstellerangaben zu a) Anschlussleistung; b) Investitionskosten; c) Durchsatz und d) spezifischem
Energieverbrauch von Substrataufschlussverfahren
Betrachtet man die Anschlussleistung und den spezifischen Energieverbrauch der auf dem Markt
verfügbaren Desintegrationsapparate, zeichnet sich bereits ein erstes Bild vom Leistungsbedarf von
Substrataufschlussverfahren (Abbildung 4.a). Meist wird elektrische Leistung benötigt. Lediglich
thermische Verfahren verbrauchen zusätzlich thermische Energie, was die erhöhten Werte der
Anschlussleistung von bis zu 275 kW erklärt. Bei thermischen Desintegrationsverfahren wird ca. 90 %
der gesamten Leistung in Form von thermischer Energie für die Dampfbereitstellung benötigt. Mit den
verbleibenden 10 % elektrische Energie wird die Peripherie versorgt. [10] Mit 1,5 kWel bis hin zu 200 kWel
Anschlussleistung weisen mechanische Desintegrationseinheiten einen sehr großen Schwankungs-
bereich auf. Mehr als die Hälfte an Apparaten (6 von 11) bewegen sich jedoch im Leistungsbereich
zwischen 30 kWel und 90 kWel. Im Gegensatz zu den sehr energieaufwendigen mechanischen und
thermischen Vorbehandlungsverfahren, fallen Apparate zur Erzeugung von Ultraschall, Kavitation und
Elektrokinese durch niedrige Anschlussleistungen auf.
Zur besseren Vergleichbarkeit der Aggregate wurde in Ergänzung zur Anschlussleistung die Leistung pro
durchgesetzte Substratmenge betrachtet. Abbildung 4 d) zeigt den spezifischen Energieverbrauch der
recherchierten Substrataufschlussverfahren als Energieeintrag pro Tonne Frischmasse (FM). Auch hier
handelt es sich in allen Kategorien, außer bei der thermischen Desintegration, um den elektrischen
0 50 100 150 200 250 300
mechanisch
biologisch+
mechanisch
Ultraschall
Kavitation
thermisch
elektrisch
Anschlussleistung [kW]
0 250 500 750 1.000 1.250
Investitionskosten [T€]
0 20 40
mechanisch
biologisch+
mechanisch
Ultraschall
thermisch
elektrisch
Durchsatz [m³/h]
1.020
m³/h
0 20 40 60 80 100
1.500
kWhel/tFM
Spezif. Energieverbrauch [kWh/tFM] c)
a) b)
d)
Ausführliche Darstellung
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Energieverbrauch. Der spezifische Elektroenergieverbrauch kann bei der mechanischen Aufbereitung bis
zu 95 kWhel/tFM betragen, wobei hier Schneidmühlen und die Extrusion von Stroh den oberen
Leistungsbereich ausmachen. Die Mehrzahl an mechanischen Verfahren (14 von 16) benötigen hingegen
weniger als 25 kWhel pro Tonne Frischmasse. Mit 35 Wel pro Modul [11] und 5 veranschlagten Modulen
für eine 500 kW Biogasanlage [12] ist die elektrische Desintegration die Technologie mit der geringsten
Anschlussleistung. Bei den geringen elektrischen Energieverbräuchen von 2,5 bis 17 kWh/tFM der
Ultraschall-Apparate ist zu beachten, dass einer Ultraschalldesintegration meist eine mechanische
Desintegrationseinheit vorgeschaltet ist, um einen Vorzerkleinerung und vor allem Störstoffabscheidung
zu gewährleisten, welche zusätzlichen Energiebedarf mit sich bringt. [13]
Mechanische Desintegrationsverfahren weisen zwar einen hohen spezifischen Elektroenergieeintrag auf,
können aber auch die größten Mengen an Substrat durchsetzen, wie in Abbildung 4.c zu erkennen ist.
Während die Kombination aus biologischer und mechanischer Desintegration [14] zwischen 10 und 40
m³ Substrat pro Stunde aufbereiten kann, sind mit rein mechanischen Desintegrationsvorrichtungen
Durchsätze von 0,5 m³/h bis hin zu 1020 m³/h möglich. Auch hier wurden bei nur einem Viertel der
mechanischen Desintegrationsapparate mögliche Durchsätze von größer 50 m³/h genannt. Die Angaben
beziehen sich auf unterschiedliche Substrate, meist aber auf Maissilage, zerkleinerbare Feststoffe oder
Suspensionen mit 10-12 % TS. Da die hohen Durchsätze von bis zu 1020 m³/h für das Medium Wasser
ermittelt wurden [15], reduziert sich dieser mögliche Durchsatz für Biomassesuspensionen. In
Ultraschallaggregaten können Substrate von bis zu 10 % TS mit 0,6 bis 2 m³/h durchgesetzt werden. [13,
16] Der elektrische Substrataufschluss für 15 % TS haltige Suspensionen kann mit bis zu 40 m³/h
erfolgen. [12]
Um eine ökonomische Bewertung der verschiedenen Formen des Substrataufschlusses vornehmen zu
können, müssen die anfallenden Kosten berücksichtigt werden. Da die Kosten stark vom gewählten
Aggregat abhängen, werden Informationen zu Kosten über die Investitionskosten hinaus meist nur in
Form konkreter Angebote von den Herstellern herausgegeben. Abbildung 4.b gibt einen Überblick zu den
von Herstellern angegebenen Investitionskosten verschiedener Desintegrationsverfahren. Für 92 % der
mechanischen Desintegrationseinheiten bewegen sich die Investitionskosten zwischen 3.000 € und
108.000 €. Die Investitionskosten für die Kombination aus biologischer und mechanischer
Desintegration liegen mit 80.000 € bis 180.000 € oberhalb der rein mechanischen Desintegration. Für
den Substrataufschluss mit Ultraschall und Kavitation sind mit Investitionen zwischen 60.000 € und
170.000 € zu rechnen. Deutlich höhere Investitionen sind bei der Installation einer elektrischen
Desintegrationseinheit mit 500.000 € zu leisten. Die Spitze bildet die Anschaffung einer thermischen
Desintegrationseinheit mit 1.100.000 €. Es bleibt aber zu beachten, dass sich diese Angabe auf ein
thermisches Aggregat für Biogasanlagen mit großen Leistungsklassen von 1 MW bezieht.
Betriebskosten fallen in Form von Strom- und Wärmebereitstellung für mechanische und thermische
Desintegrationseinheiten an. Zusätzliche Betriebsmittel werden lediglich bei biologischen Verfahren
benötigt und belaufen sich auf 2-3 € L-1. Kosten für Wartung und Instandhaltung sind stark hersteller-
und aggregatabhängig. Dennoch kann davon ausgegangen werden, dass insbesondere an mechanischen
Desintegrationsaggregaten hoher Verschleiß auftritt. Der größte Verschleiß ist an den
Zerkleinerungsteilen (Messer, Siebe, Schlägel, Hämmer, Ketten, etc.) der mechanischen Desintegrations-
apparate zu verzeichnen, sodass diese regelmäßig gewechselt werden müssen. Die Betriebskosten für
den reinen Austausch von Verschleißteilen wurde auf Grundlage der Herstellerangaben und Schätzungen
auf 500 bis 5.000 € a-1, vereinzelt sogar auf bis zu 100.000 € a-1 angesetzt. Die aufgrund hoher
Ausführliche Darstellung
BMWi-03KB106A, 31.01.2019 20
spezifischer Energieverbräuche erwartungsgemäß hohen Stromkosten sind darin noch nicht erhalten.
Bei der Desintegration mit Ultraschall und Elektrokinese fallen keine Wartungs- und Instandhaltungs-
kosten im engeren Sinne an. Jedoch sind aller 2 bis 5 Jahre Ersatzinvestitionen notwendig, welche sich
bei Ultraschall in relativ kostengünstigen 2.000 bis 4.000 € pro Jahr niederschlagen. Elektrische
Desintegrationsaggregate sind sehr kostenintensiv in der Neuanschaffung und bedeuten so einen
jährlichen Kostenanfall von ca. 100.000 €. Da die Energieverbräuche bei Desintegration mit Ultraschall
niedrig und bei Elektrokinese äußerst gering sind (siehe Abbildung 4 b), ist bei beiden Verfahren mit
deutlich geringeren Betriebskosten als bei der mechanischen Desintegration zu rechnen.
Ein Ausgleich der anfallenden Kosten von Desintegrationseinheiten wird mit der Mehrproduktion an Gas
argumentiert. Abbildung 5 zeigt auch hier stark streuende Herstellerangaben und Literaturangaben. Die
höchsten Steigerungen der Gasausbeute (9 % bis 40 %) wurden bei der mechanischen Desintegration
versprochen. Bei den weiteren Arten der Desintegration wurden Angaben von mehr als 30 % gesteigerte
Biogasausbeute nicht überschritten. Es bleibt zu berücksichtigen, dass es sich um Gasertrags-
steigerungen handelt, die sich Hersteller von Ihrem Verfahren versprechen bzw. die sie mit Studien
nachgewiesen haben. Eine Prüfung der Angaben zeigte jedoch oft fehlende Quellenangaben,
unzureichende Hintergrundinformationen und wenige wissenschaftlich korrekte, statistisch fundierte und
langzeiterprobte Vorgehensweisen.
Abbildung 5: Herstellerangaben und Literaturwerte zu erwarteten Effekte auf die Gasausbeute infolge der Desintegration
In den Gesprächen mit den Herstellern auf der Biogas-Jahrestagung im Bremen im Januar 2015 zeigte
sich ein Umdenken in der Branche. Ein Großteil der Hersteller gesteht ein, dass eine Aufbereitung von
bereits gut vergärbarem Substrat (wie z.B. Maissilage) bei hohen Verweilzeiten nicht sinnvoll ist. Viele
Hersteller zielen daher auf schwieriger vergärbare Substrate und Reststoffe ab, bei denen noch
Aufschlusspotenzial besteht. Mit der Zeit am Markt sind die Erfahrungen auch hinsichtlich der
beobachteten Effekte der Desintegration gewachsen. Die Mehrzahl an Herstellern fokussiert sich heute
nicht mehr nur auf höhere Gaserträge, sondern auch auf sekundäre Effekte, wie Einsparungen in Pump-
und Rührleistung sowie Substrateinsparungen und –austausch. Das Umdenken zur Bedeutung von
Desintegration in Biogasanlagen bestätigte nochmals die Aktualität des Inhaltes des Verbundvorhabens
ELIRAS. Das Projekt betrachtet Desintegrationseffekte sowohl von der primären Seite einer
Gasertragssteigerung als auch von der sekundären Seite des Substrathandlings.
Die enormen Schwankungsbreiten und verschiedenen Informationen, die Herstellerangaben und Studien
zu Grunde liegen, zeigen erneut, dass ein umfassender Vergleich aller Desintegrationsverfahren
0 10 20 30 40 50
mechanisch
biologisch+
mechanisch
Ultraschall
thermisch
elektrisch
Erhöhung Gasausbeute [%]
Ausführliche Darstellung
BMWi-03KB106A, 31.01.2019 21
schwierig ist. Mit der Vielzahl an Desintegrationsverfahren und Möglichkeiten diese zu kombinieren
wurde außerdem deutlich, dass eine wissenschaftliche Bewertung aller Verfahren im Rahmen eines
Projektes nicht möglich sein wird. Von daher muss eine Methode entwickelt werden, welche unabhängig
vom Desintegrationsverfahren Aussagen zur Veränderung der Gasbildung und sekundärer Effekte infolge
eines Substrataufschlusses zulässt. Die Entwicklung einer solchen Bewertungsmethode ist der Kern des
Verbundprojektes ELIRAS.
2.3.1.4 Weiterentwicklung experimenteller Untersuchungen zum Substrataufschluss (DBFZ)
Ist-Stand experimenteller Untersuchungen zum Substrataufschluss
Zur Aufnahme des Ist-Standes experimenteller Untersuchungen zum Substrataufschluss, wurde neben
der Literatur auch vorhandene Daten aus Laborversuchen des DBFZ zum Substrataufschluss gesichtet.
In abgeschlossenen Laborversuchen am Hause des DBFZ konnte im Labormaßstab infolge
Desintegration bislang keine bzw. nur geringfügige Steigerungen in der Gasbildung nachgewiesen
werden. Zu den Substraten, bei denen der Substrataufschluss eine erhöhte Biogasbildung nach sich zog,
zählten Rindergülle, Rindermist und Stroh. Weiterhin wurde deutlich, dass sich bisherige Untersuchungen
zur Desintegration nur auf ein oder mehrere ausgewählte Verfahren und Substrate beziehen und somit
keine allgemeine Aussage zum Substrataufschluss zulassen. Es fehlen objektive, verfahrens- und
substratübergreifende Bewertungskriterien von Substrataufschlussverfahren.
Darüber hinaus wurde festgestellt, dass die Bewertung der Effekte von Substrataufschlussverfahren mit
Hilfe von Gärversuchen im Labormaßstab eine komplexere Herangehensweise erfordert als bislang
üblich. Mit der Sichtung des Bestands an experimentellen Untersuchungen zum Substrataufschluss
wurden folgende Kernthemen herausgearbeitet, deren Umsetzung ein Umdenken erfordert, damit
Substrataufschlussverfahren mit Hilfe von Gärversuchen fundiert bewertet werden können. Tabelle 2
stellt die bislang übliche Herangehensweise mit der für eine fundierte Bewertung notwendigen
Herangehensweise gegenüber.
Tabelle 2: Bislang übliche und notwendige Herangehensweise zur fundierten Bewertung von Substrataufschlussverfahren
mit Hilfe von Gärversuchen
Kriterium Gärversuche zur Bewertung von Substrataufschluss
Bislang übliche Herangehensweise notwendige Herangehensweise
Betriebsweise diskontinuierlich kontinuierlich
Maßstab Labormaßstab Praxismaßstab
Prozesszustand dynamisch stationär
Versuchsplanung Einfachansätze Mehrfachansätze
Diskontinuierliche Gärversuche
Die weit verbreitete Bewertung von Substrataufschluss über diskontinuierliche Gärversuche ist gut für
eine erste Abschätzung geeignet. Jedoch können die Ergebnisse diskontinuierlicher Gärversuche nicht
ohne Weiteres auf den kontinuierlichen Prozess übertragen werden, v.a. nicht auf den großtechnischen
Maßstab einer Praxisanlage. Gründe hierfür liegen zum einen in der stark verschiedenen Prozessbiologie,
aber auch an hydrodynamischen Unterschieden, da die Durchmischung im Labormaßstab nicht dieselbe
Ausführliche Darstellung
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ist wie in der Praxis. Auch hydrodynamische Effekte, welche als Folge eines Substrataufschlusses
auftreten können, wurden in der Vergangenheit nicht berücksichtigt.
Bei der Planung diskontinuierlicher Gärversuche sollte ein ausreichend großer Versuchszeitraum von
mindestens 30-50 Tagen vorgesehen werden, damit ein verfrühter Abbruch eines Gärversuchs nicht zu
einer Fehlinterpretation der Effekte infolge einer Desintegration führt. Wie in Kapitel 2.3.3.1 „Einteilung
der Effekte von Substrataufschluss“ beschrieben, sollte ein diskontinuierlicher Gärversuch erst
abgebrochen werden, wenn bei allen Ansätzen keine Gasbildung mehr verzeichnet wird. Das Ende
diskontinuierlicher Gärversuche ist an dem in der VDI 4630 [17] festgesetzten Abbruchkriterium und am
horizontalen Verlauf der kumulierten Gasbildungskurven zu erkennen.
Zum Ende des Projektzeitraums zeigte die Auswertung von laborübergreifenden Ringversuchen zu
diskontinuierlichen Gärversuchen eine starke Variabilität der Ergebnisse. [18] Insbesondere die
Abhängigkeit des im diskontinuierlichen Gärversuch ermittelten Gasertrags vom eingesetzten Inokulum
stellt die Bewertung von Substrataufschlussverfahren mit Hilfe von Batch Versuchen in Frage. Wenn der
Gasertrag von der Angepasstheit des Inokulums an das jeweilige Substrat abhängt, wird die Aussagekraft
des Ergebnisses eines diskontinuierlichen Gärversuchs stark herabgesetzt. Eine Abschätzung des
Einflusses ist jedoch nach bisherigem Stand der Forschung noch nicht möglich. [18]
Kontinuierliche Gärversuche
Neben diskontinuierlichen Gärversuchen werden für die Untersuchung eines Substrataufschlusses oft
zwei kontinuierlich beschickte Laborfermenter verglichen, wobei ein Fermenter mit unbehandeltem
Substrat und ein Fermenter mit desintegriertem Substrat betrieben wird. Auch hier ist die
Aussagefähigkeit zu Effekten auf einer großtechnischen Biogasanlage begrenzt. Das liegt zum einen an
den bereits genannten prozessbiologischen und hydrodynamischen Unterschieden von Labor- und
Praxismaßstab. Zum anderen wird bei einem kurzen Betrieb von kontinuierlichen Gärversuchen selten
ein stationärer Zustand erreicht. Das betrifft sowohl den Zeitraum vor einer Umstellung auf Beschickung
mit desintegriertem Substrat als auch den Zeitraum nach der Umstellung. Beim Anfahren von
Fermentern, aber auch bei jeglicher Substratumstellung muss dem komplexen System der
Biogaserzeugung genügend Zeit gewährt werden, um stationäre Bedingungen herzustellen. Aus
Effizienzgründen können die in der VDI 4630 genannten drei bis fünf hydraulischen Verweilzeiten bis
Wiederherstellung von „konstanten Verteilungen“ [17] im Regelfall nicht eingehalten werden. Da eine
Verweilzeit üblicherweise ein bis mehrere Monate umfasst, werden kontinuierliche Gärversuche aus
Effizienzgründen selten über einen Zeitraum länger als eine Verweilzeit durchgeführt. Allerdings sollte
erst nach Erreichen eines stationären Betriebs mit unbehandeltem Substrat auf Beschickung mit
desintegriertem Substrat umgestellt werden, um einen aussagekräftigen Messwert für den
unbehandelten Zustand zu erhalten. Auch nach einer Umstellung kann eine ordnungsgemäße
Auswertung erst nach Ablauf mehrerer Verweilzeiten mit konstanten Prozessbedingungen (Verweilzeit,
Raumbelastung etc.) garantiert werden. Gerade durch Substrataufschluss verfügbar gemachte schnell
vergärbare Bestandteile sorgen für starke dynamische Effekte, die sich beispielsweise in einem starken
Überschwingen der Gasproduktion nach einer Umstellung auf desintegriertes Substrat äußern können.
Gleichzeitig sind im System noch langsam abbaubare Substratbestandteile aus dem Zustand vor der
Substratumstellung vorhanden, was die eindeutige Zuordnung von Effekten erschwert. Die Sichtung des
Bestands an experimentellen Untersuchungen am DBFZ zeigte, dass ein stationärer Betrieb sowohl vor
Ausführliche Darstellung
BMWi-03KB106A, 31.01.2019 23
als auch nach der Umstellung auf Beschickung mit desintegriertem Substrat in der Vergangenheit nicht
gewährleistet werden konnte.
Statistische Aspekte
Abgesehen von einer stationären Betriebsweise berücksichtigt eine fundierte Auswertung auch
statistische Aspekte, die bislang selten Beachtung fanden. Eine Literaturrecherche von 55
wissenschaftlichen Artikeln ergab, dass in mehr als ein Drittel der Studien der Begriff „signifikant“
verwendet wird, ohne darauf einzugehen, ob und wie auf Signifikanz geprüft wurde. In 20 % der
gesichteten Artikel fand die Statistik gar keine Erwähnung. [19]
Weit verbreitet ist ein Versuchsaufbau mit zwei im Einzelansatz betriebenen Fermentern, wobei einer mit
unbehandeltem und der andere mit desintegriertem Substrat beschickt wird. Die Bewertung des
Substrataufschlusses erfolgt durch den Vergleich des Biogasertrags beider Fermenter. Aus statistischer
Sicht lässt jedoch der Vergleich von lediglich zwei Fermentern keine Aussage darüber zu, ob der
beobachtete Effekt, der sich durch Desintegration einstellt, auf diesen Substrataufschluss zurück-
zuführen ist oder im Rahmen üblicher Schwankungen zwischen parallelen Fermentern liegt. Gerade bei
Versuchen zur Desintegration liegen die Effekte auf die Gasbildung oft in kleinen Größenordnungen. Die
Charakteristik von Substraten und die hinter der Biogasbildung stehende Aktivität der Mikrobiologie
hingegen unterliegen Schwankungen, die oft die Größenordnung der Effekte eines Substrataufschlusses
übersteigt. Vor diesem Hintergrund ist es zwingend notwendig, für jeden Versuch die Höhe der üblichen
Schwankungen zwischen identisch betriebenen Parallelfermentern abzuschätzen. [19] Genauere
Ausführungen zur statistischen Versuchsplanung finden sich in Abschnitt 2.3.3.3 (Statistische
Signifikanz, S. 33).
Flüchtige organische Bestandteile
Weitere Ungenauigkeiten, die bei der Sichtung abgeschlossener Gärversuche zum Substrataufschluss
deutlich wurden, betrafen die Durchführung des eigentlichen Desintegrationsverfahrens sowie die
analytische Erfassung und Ergebnisdarstellung des Gärversuchs.
Bei der Durchführung eines Substrataufschlusses, ist darauf zu achten, dass keine Substratbestandteile,
insbesondere Organik, verloren gehen, um den desintegrierten Zustand eines Substrates mit dem
unbehandelten Zustand vergleichen zu können. Dafür muss eine Bilanzierung der organischen
Massenströme vorliegen. Besonderes Augenmerk wird hier auf flüchtige organische Komponenten
gelegt, welche erfasst und bilanziert werden müssen. Gerade bei einem thermischen Substrataufschluss
besteht die Möglichkeit, dass sich bei den hohen Temperaturen neue flüchtige organische Bestandteile
bilden oder diese in der Prozessführung verloren gehen können (z.B. beim Ablassen von Druck während
der Abkühlung). Wird diese mögliche Zu- oder Abnahme flüchtiger Komponenten nicht erfasst, ist die
Vergleichbarkeit der beiden Zustände „unbehandelt“ und „desintegriert“ nicht mehr gegeben.
Die Veränderung der Gasbildung wird richtigerweise über einen Vergleich des Gasertrags (auch:
„spezifische Gasbildung“) beschrieben. Diese spezifische Kenngröße mit den Einheiten [mL goTS-1] oder
[m³ toTS-1] ermöglicht einen Vergleich der Gasbildung bezogen auf die oTS und berücksichtigt somit die
Inputmenge an Organik. Eine spezifische Darstellung aller Kenngrößen ist zwingend notwendig, um eine
Vergleichbarkeit zu gewährleisten. Da bei der Bestimmung der Trockensubstanz mit Hilfe der Trocknung
im Trockenschrank (nach DIN 12880, [20]) neben Wasser auch andere flüchtige organische Bestandteile
Ausführliche Darstellung
BMWi-03KB106A, 31.01.2019 24
entweichen, wird der wahre TS-Gehalt von Substraten unterschätzt. Die damit einhergehende
Überschätzung spezifischer Kenngrößen mit Bezug zur TS, wie dem Biogasertrag oder dem
Biogasbildungspotenzial, führt zu einem fehlerhaften Vergleich von Substraten untereinander. [21] In
diesem Zusammenhang sei auch die insbesondere bei Silagen notwendige Korrektur der
Trockensubstanz erwähnt, die erstmalig durch WEIßBACH & STRUBELT [22–24] beschrieben wurde.
Die Basis zur Beschreibung des Anteils an flüchtigen Komponenten ist eine umfassende
Substratcharakterisierung, die neben der klassischen TS/oTS-Analyse auch eine Erfassung flüchtiger
Säuren und Alkohole beinhaltet. In der Laboranalytik haben sich dabei die Verwendung einer Head-Space-
Gaschromatographie (GC) mit Derivatisierung oder eine High-Performance-Liquid Chromatographie
(HPLC) bewährt.
Schlussfolgerungen
Werden die genannten Punkte zur Verbesserung der experimentellen Untersuchungen berücksichtigt,
lassen diskontinuierliche Gärversuche, aber auch kontinuierliche Gärversuche erste Abschätzungen zu
möglichen Effekten eines Substrataufschlusses zu. Gerade die Kombination aus beiden Gärversuchen
ermöglicht eine Steigerung der Aussagekräftigkeit, da sowohl Gasbildungpotenziale als auch
prozessbiologische und kinetische Abschätzungen abgeleitet werden können. Eben diese kombinierte
Auswertung von analytischen und experimentellen Methoden zur Bewertung der Biogasbildung ist das
Kernstück des Vorhabens zur Entwicklung des Modells, auf dem der ELIRAS-Leitfaden fußt.
Aus den Recherchen in AP1 lassen sich folgende Kenngrößen zur Bewertung von Substrataufschluss mit
Hilfe von Gärversuchen und Labormethoden im Labormaßstab ableiten:
Tabelle 3: Aus experimentellen und analytischen Laboruntersuchungen abgeleitete Kenngrößen zur Bewertung von
Substrataufschluss sowie Voraussetzungen, unter denen eine fundierte Auswertung möglich ist.
Laborversuch/Methode Abgeleitete Kenngröße Voraussetzungen
Diskontinuierlicher
Gärversuch (Bach-Test)
Änderung des Biogas-/Methanertrags unter
diskontinuierlichen Versuchsbedingungen
Änderung Gasbildungskinetik
Änderung Biogaspotenzial
Stationärer Betrieb
vor der Umstellung
auf desintegriertes
Substrat
Stationärer Betrieb
nach der Umstellung
auf desintegriertes
Substrat
Identischer
Parallelbetrieb von
mindestens zwei
Fermentern je
Ansatz (Doppel-
ansätze)
Kontinuierlicher
Gärversuch
Änderung des Biogas-/Methanertrag unter
kontinuierlichen Versuchsbedingungen
Änderung Gasbildungskinetik
Änderung Biogaspotenzial
Charakterisierung von
Substrat und
Fermenterinhalt
TS, oTS mit Korrektur um flüchtige
Bestandteile
FoTS
Granulometrie
Hydrodynamische
Betrachtung
Durchmischung
Verfügbares Reaktionsvolumen
Ausführliche Darstellung
BMWi-03KB106A, 31.01.2019 25
2.3.1.5 Literaturrecherche
Um den Stand der Wissenschaft aufzunehmen, wurde eine Literaturrecherche zum Thema Substrat-
aufschluss vorgenommen. Dabei lag der Fokus auf Arbeiten, welche die Effekte einer Desintegration auf
die Gasbildung im Zusammenhang mit der Partikelgröße betrachten, da dies als Kernthema für das
Projekt ELIRAS angesehen wird (vergleiche Kapitel 2.3.3.4 „Charakterisierung von Substrat und
Fermenterinhalt (AP3)“; S. 38). Die in der Fachliteratur berichteten Effekte einer Partikelgrößen-
verkleinerung auf die Gasbildung sind widersprüchlich. Es werden überwiegend positive, aber auch
negative Effekte der Partikelgröße auf die anaerobe Vergärung dargestellt.
Die kontinuierliche Gärversuche mit Primärschlamm bei verschiedenen Verweilzeiten zeigten einen
klaren Übergang großer Flocken hin zu kleineren infolge der Vergärung. Bei suboptimalen Vergärungs-
bedingungen (HRT=10 d, 𝜗=25°C) wurden hauptsächlich große Klärschlammflocken ≥ 0,1 mm
zerkleinert. Wurden die Bedingungen der Vergärung durch eine Temperaturerhöhung auf 𝜗=35°C
verbessert, fand überwiegend eine Reduktion kleinerer Flocken (< 0,1 mm) statt. [25]
PALMOWSKI UND MÜLLER berichten von einer Erhöhung des Methanertrags aus Bioabfällen um 57 % bzw.
86 % bei einer Zerkleinerung der Partikel auf 5 cm und 0,2 cm. [26]
Bei der Vergärung verschiedener forst- und landwirtschaftlicher Reststoffe, wie Weizenstroh, Reisstroh,
Blätter verschiedener Pflanzen und Bermudagras, erzielte eine Partikelgrößenzerkleinerung von 30 mm
auf 1 mm einen signifikanten Anstieg der Methanproduktion. Eine weitere Zerkleinerung auf 0,1 mm
hingegen brachte nur einen geringen Effekt. Unter den fünf Partikelgrößen 0,088 mm; 0,40 mm; 1,0 mm;
6,0 mm und 30,0 mm wurde die größte Menge an Biogas bei der Vergärung der feinsten Partikeln mit
0,088 mm und 0,40 mm Größe gemessen. Bei strohhaltigen Substraten zeigte sich eine Zunahme des
Methanertrags aus den Batch Tests mit abnehmender Partikelgröße, während der Zusammenhang bei
sukkulenten Substraten, wie Blättern, geringer ausgeprägt war. [27]
Unter den vier untersuchten landwirtschaftlichen Reststoffen Weizen-, Gersten-, Reisstroh und
Maisstängel konnten MENARDO ET AL. nur beim Gersten- und Weizenstroh Effekte auf den Methanertrag
nachweisen. Beim Gerstenstroh konnte der Methanertrag durch Partikelgrößenreduktion auf 0,5 cm um
54 % erhöht werden. Bei Weizenstroh brachte eine Zerkleinerung der Partikel auf 0,2 cm sogar eine
Erhöhung des Methanertrags um 84 % mit sich. [28]
Im Vorhaben EFFIGEST („Entwicklung einer hocheffizienten Prozesskette zur Effizienzsteigerung bei der
Vergärung von Geflügelmist unter Nutzung modifizierter Strohfraktionen und mit prozessintegrierter
Gewinnung marktfähigem Düngers“; Fraunhofer IKTS (Dresden); 09/2013-08/2016; Förderkennzeichen
FKZ: 03KB081; PTJ), führte die mechanisch-chemische Behandlung von Stroh zu einer Reduzierung
schwer abbaubarer Faserbestandteile im Substrat und zu einer 12–22 %igen Steigerung des Gasertrags
im diskontinuierlichen Gärversuchs. Auch bei kontinuierlicher Beschickung konnte infolge des
Strohaufschlusses ein Mehrertrag an Gas nachgewiesen werden. [3]
SURENDRA UND KHANAL [29] konnten einen signifikant höheren Methanertrag aus Napiergras von einem
6 mm Sieb im Vergleich zum Methanertrag des Grases mit 10 mm und 20 mm Größe nachweisen. Am
deutlichsten war der Effekt bei jüngerem Reifegrad zu sehen.
Ausführliche Darstellung
BMWi-03KB106A, 31.01.2019 26
Auch MSHANDETE ET AL. konnten einen umgekehrt proportionalen Zusammenhang zwischen Partikelgröße
und Gasbildung nachweisen. In diskontinuierlichen Gärversuchen brachte die auf 2 mm zerkleinerte
Sisalfaser einen 23 % höheren Methanertrag im Vergleich zur unbehandelten Probe. [30]
In den anaeroben Gärversuchen von SHARMA ET AL. bewirkte eine Partikelgrößenzerkleinerung von 30 mm
auf 1 mm einen signifikanten Anstieg der Methanproduktivität aus faserigen Substraten, wie Stroh. Eine
weitere Zerkleinerung auf 0,1 mm erzielte nur noch einen kleinen Effekt. Die maximale Biogasmenge
wurde bei der Vergärung von Partikeln der Größe 0,088 bis 0,400 mm erreicht. Eine Zerkleinerung wurde
jedoch nicht für alle der sieben untersuchten land- und forstwirtschaftlichen Reststoffe empfohlen. Bei
sukkulentem Material, wie Blätter, war die Vergärung von größeren Partikeln vorteilhaft. [27]
Auch Angelidaki und Ahring berichten, dass eine Zerkleinerung der in Gülle enthaltenen Fasern kleiner
6 mm, im Vergleich zur Reduktion der Partikelgröße im Bereich zwischen 6 und 30 mm nicht zu einer
Verbesserung des Methanbildungspotenzials führte. [31]
Dass eine Verschiebung hin zu kleineren Partikeln auch negative Effekte auf die Gasbildung haben kann,
zeigten u.a. FERREIRA ET AL. [32], IZUMI ET AL. [33] und DE LA RUBIA ET AL. [34].
Bei der diskontinuierlichen Vergärung von Weizenstroh wurden 5-13 % höhere Methanerträge und auch
eine schnellere Kinetik für das auf 3-5 cm geschnittene Stroh als für das < 1 mm gemahlene Stroh erzielt.
Das Befeuchten von Weizenstroh erhöhte den Methanertrag in diskontinuierliche Gärversuchen um
4-10 %, was die Autoren auf eine verbesserte Durchmischung zurückführen, da der Feststoffgehalt um
das 10-fache reduziert werden konnte. [32]
IZUMI ET AL. berichten davon, dass eine Verkleinerung des mittleren Partikeldurchmessers von
Lebensmittelresten von 0,888 auf 0,718 mm durch Mahlen im Vergleich zur üblichen Zerkleinerung von
Lebensmittelresten in Japan zunächst eine Erhöhung des Methanertrags um 28 % zur Folge hatte. Eine
übermäßige Partikelgrößenzerkleinerung auf bis zu 0,393 mm führte jedoch zu einer Anhäufung an
organischen Säuren, weshalb sich die Methanproduktion verringerte. [33]
Auch RUBIA ET AL. konnten in Batch-Tests mit Ölkuchen aus Sonnenblumen den höchsten Methanertrag
für die größte Partikelgröße (1,4 – 2,0 mm) nachweisen. Die niedrigste Biogasproduktion und auch die
kleinste Geschwindigkeitskonstante k zeigte sich bei der kleinsten Partikelfraktion (0,355–0,55 mm),
was auf die Entstehung von Propionsäure zurückgeführt wurde. [34] Die Autoren berufen sich auf das
Argument von GOLLAKOTA UND MEHER [35], nach denen die Nährstoffverteilung Einfluss auf das
Methanbildungspotenzial nimmt und diese nicht mit den Partikelgrößenfraktionen gleichzusetzen sind.
In einem Projekt von IKTS und KSB [2] zeigte sich, dass auch die sehr kleine Partikelgrößenfraktionen
einen Einfluss auf das Fließverhalten haben und bei gleicher Volumenkonzentration zu einer erhöhten
dynamischen Viskosität führen können. Daraus wurde die Empfehlung für Substrataufschlussverfahren
abgeleitet, dass eine Desintegration „den Anteil langfaseriger Partikel weitestgehend reduzieren sollte,
ohne dabei eine zu hohe Anreicherung feinster Partikel zu erzeugen.“ [2]
Mit Abschluss des Verbundprojekts ELIRAS veröffentlichten GARUTI ET AL. vom Centro Ricerche Produzioni
Animali, C.R.P.A. S.p.A in Italien einen Artikel zum Monitoring einer Biogaspraxisanlage, welche im
Betrachtungszeitraum eine Desintegrationseinheit in Betrieb nahm. Betrachtet wurde die Erhöhung des
Methanbildungspotenzials bei der Vorbehandlung landwirtschaftlicher Biomasse infolge
Ausführliche Darstellung
BMWi-03KB106A, 31.01.2019 27
hydrodynamischer Kavitation. Es wurden umfassende, auch für den ELIRAS Modellansatz interessante,
Laboranalysen vorgenommen. Dazu zählen Batch-Gärversuche mit Modellanpassung zur Bestimmung
des Methanertrags und des Restgaspotenzials, Partikelgrößenanalysen und die Aufnahme der
Viskositäten. Außerdem fanden statistische Signifikanz und ein ausreichend langer
Betrachtungszeitraum zur Gewährleistung eines stationären Betriebs Berücksichtigung. Die
Betrachtungen zeigten, dass der Methanertrag mit Hilfe der hydrodynamischen Kavitation sowohl im
diskontinuierlichen Gärversuch (+ 14 %) als auch auf der Praxisanlage (+ 10 %) erhöht werden konnte.
Zudem führte die Vorbehandlung dazu, dass die Partikelgrößen und auch die Viskosität des
Fermenterinhaltes verringert wurden. Mit Installation der hydrodynamischen Kavitationseinheit konnten
Rühr-, Pump- und Heizleistung der Biogasanlage abgesenkt werden. [36]
2.3.2 Fragekatalog (AP2)
Der im AP2 entwickelte Fragekatalog dient der Datenaufnahme zur Ist-Stands-Analyse einer
Biogasanlage. Er erfasst u.a. bauliche und technische Gegebenheiten sowie den Prozesszustand und
eingesetzte Substrate auf einer Biogasanlage und dient als Basis für den Entscheidungsalgorithmus im
ELIRAS-Modell. Der vollständige Fragekatalog ist dem Schlussbericht unter Anhang 6 angehängt. Eine
ausführliche Beschreibung des Fragekatalogs ist im Schlussbericht Maier/LTS unter Kapitel 2.1.2
nachzulesen.
2.3.3 Effekte des Substrataufschlusses (AP3)
2.3.3.1 Einteilung der Effekte von Substrataufschluss
Das Grundgerüst des ELIRAS Modells besteht darin, dass die Effekte einer Desintegration auf drei
Hauptursachen zurückgeführt werden können:
a) Erhöhung des vergärbaren organischen Anteils
b) Steigerung der Reaktionsgeschwindigkeit
c) Veränderung der Hydrodynamik
Im Idealfall wirkt ein Substrataufschluss auf allen drei Wegen. In der Realität ist ein Effekt jedoch nur auf
ein bis zwei Ursachen begründet. Insbesondere der letztgenannte Einfluss einer Desintegration auf die
Durchmischung wird in wissenschaftlichen Betrachtungen zum Substrataufschluss selten berücksichtigt.
Zudem erfolgt oft eine Vermischung der beiden ersten Punkte, die jedoch für eine modellbasierte
Nachbildung von Desintegrationseffekten sauber getrennt werden müssen. Die Kombination aus den drei
Effekten führt dazu, dass sich infolge eines Substrataufschlusses die Gasbildung aus der gleichen Menge
an eingesetzter Organik erhöht.
a) Erhöhung des vergärbaren organischen Anteils
Die im Zusammenhang mit Substrataufschluss oft aufgeführte Freisetzung von eingeschlossenem
Zellmaterial [37] sowie die Annahme, dass eine Desintegration Substratbestandteile chemisch
umwandeln kann, kann dazu führen, dass abbaubare Substanzen besser verfügbar sind. Das hat zum
Ergebnis, dass sich das Biogasbildungspotenzial bzw. der vergärbare organische Anteil, beschrieben
durch den Parameter fermentierbare organische Trockensubstanz (FoTS), erhöht wird.
Der klassische experimentelle Nachweis dieses Parameters erfolgt durch diskontinuierliche Gärversuche.
Eine Erhöhung des vergärbaren organischen Anteils äußert sich darin, dass die kumulierte Biogasbildung
Ausführliche Darstellung
BMWi-03KB106A, 31.01.2019 28
aus dem Substrat im unbehandelten als auch im desintegrierten Zustand einen Kurvenverlauf mit
gleichem Anstieg, aber verschiedenen Endwerten aufweist. Bei im Punkt a) wirkungsvoller Desintegration
weist die Kurve der Biogasbildung aus desintegriertem Substrat einen höheren Endwert auf als die Kurve
aus unbehandeltem Substrat. Der höhere Endwert ist gleichzusetzen mit einem erhöhten
Biogasbildungspotenzial bzw. einem größeren Anteil an FoTS. Abbildung 6 zeigt einen bespielhaften
Kurvenverlauf aus einem diskontinuierlichen Gärversuch, der sich als Folge des beschriebenen Effekts
einer Desintegration „Erhöhung des vergärbaren organischen Anteils“ ergibt.
Abbildung 6: Beispielhafter Kurvenverlauf der kumulierten Biogasbildung von unbehandeltem und desintegriertem Substrat
(ermittelt in diskontinuierlichen Gärversuchen), ausschließlich zurückzuführen auf eine Erhöhung des
vergärbaren organischen Anteils infolge eines Substrataufschlusses
b) Steigerung der Reaktionsgeschwindigkeit
Der zweite Haupteffekt einer Substratdesintegration ist die Steigerung der Reaktionsgeschwindigkeit. Da
die Ursachen für diesen Effekt in der Vergrößerung der Partikeloberfläche, der Erhöhung des Anteils
schnell abbaubarer Fraktionen sowie die Freisetzung von Enzymen gesehen wird, kann davon
ausgegangen werden, dass dieser Effekt häufiger vorkommt wird als eine Erhöhung des vergärbaren
Anteils (Punkt a). Die Erhöhung der Reaktionsgeschwindigkeit ermöglicht bei gleichem Umsatz ein
Herabsetzen der hydraulischen Verweilzeit, gleichzusetzen mit einem kleineren Fermentervolumen, aber
auch eine Steigerung der Raumbelastung.
Auch der zweitgenannte Effekt eines Substrataufschlusses auf die Biogasbildung lässt sich im Ergebnis
eines diskontinuierlichen Gärversuchs erkennen. Wie in Abbildung 7 schematisch verdeutlicht, wird die
Steigerung der Reaktionsgeschwindigkeit infolge einer Desintegration in einem höheren Anstieg und
somit einer steileren Kurve der kumulierten Biogasbildung aus dem desintegriertem Substrat gegenüber
der Kurve aus unbehandeltem Substrat ersichtlich. Es wird also zu Beginn des Batch-Gärversuchs in
kürzerer Zeit eine größere Menge an Biogas gebildet. Zum Ende der Gärversuche hin, flacht die Kurve
der Biogasbildung aus desintegriertem Substrat allmählich ab und nähert sich der Kurve der
Biogasbildung aus unbehandeltem Substrat an. Bei unendlich langer Verweilzeit würden beide Kurven
letztendlich auf denselben Endwert hinauslaufen, wenn sich die Desintegration ausschließlich auf die
Reaktionsgeschwindigkeit (Punkt b) ausgewirkt hat.
0
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100
150
200
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ku
mu
lie
rte
Bio
ga
sb
ild
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g
Zeit
unbehandelt
desintegriert
Ausführliche Darstellung
BMWi-03KB106A, 31.01.2019 29
Abbildung 7.a zeigt einen solchen diskontinuierlichen Gärversuch mit langem Versuchszeitraum, zu
dessen Ende hin eine Annäherung der beiden Gasbildungskurven erfolgt. Da in diesem Beispiel nach
Versuchstag 50 kaum noch Gasbildung zu verzeichnen ist, wie an den nahezu horizontal verlaufenden
Kurven zu erkennen ist, kann davon ausgegangen werden, dass der Gärversuch abgeschlossen ist. Im
Gegensatz dazu veranschaulicht Abbildung 7.b den selben beispielhaften Gärversuch bei Abbruch nach
25 Tagen Versuchslaufzeit. Insbesondere aus der unbehandelten Substratprobe wird am Tag 25 noch
Gas gebildet, wie am merklichen Anstieg der grauen Kurve erkannt werden kann. Würde die Auswertung
des Gärversuchs zu diesem verfrühten Zeitpunkt stattfinden, wie es in der Praxis leider oft erfolgt, würde
sich ein verfälschtes Bild ergeben. Die Kurve der kumulierten Gasbildung aus desintegriertem Substrat
endet deutlich oberhalb der Gasbildungskurve aus unbehandeltem Substrat, und legt die
Fehlinterpretation nahe, dass die Desintegration zu einer gesteigerten Biogasbildung geführt hat. Wie
jedoch an dem noch steilen Anstieg der Gasbildungskurve aus unbehandeltem Substrat zu erkennen ist,
ist der Gärversuch am Tag 25 noch nicht abgeschlossen. Bei längerer Versuchsdauer nähern sich die
Kurven an und die am Versuchstag 25 bemerkten Unterschiede sind am Tag 50 nicht mehr nachweisbar
(vergleiche Abbildung 7.a).
Abbildung 7: Beispielhafter Kurvenverlauf der kumulierten Biogasbildung von unbehandeltem und desintegriertem Substrat
(ermittelt in diskontinuierlichen Gärversuchen), ausschließlich zurückzuführen auf eine Steigerung der
Reaktionsgeschwindigkeit infolge des Substrataufschlusses;
a) korrekte Interpretation bei ausreichend langer Versuchslaufzeit,
b) Fehlinterpretation bei zu kurzer Versuchslaufzeit
c) Veränderung der Hydrodynamik
Als letzter, oft unberücksichtigter Effekt eines Substrataufschlusses sei der Einfluss auf die
Hydrodynamik zu nennen (Punkt c). Desintegration kann die Rheologie des Fermenterinhaltes verändern,
Sink- und Schwimmschichtbildung minimieren und im Ergebnis das durchmischte Fermentervolumen
erhöhen. Das führt zum einen dazu, dass die Verweilzeit im System erhöht werden kann. Zum anderen
verbessert sich die Handhabbarkeit des Fermentersubstrates, was sich in weniger Störfällen äußern und
zu einer Absenkung der Rühr- und Pumpleistung führen kann. Die Summe aus den möglichen Effekten
hat neben dem vereinfachten Substrathandling ebenfalls eine Erhöhung der Biogasbildung zur Folge.
0
50
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0 10 20 30 40 50
ku
mu
lie
rte
Bio
ga
sb
ild
un
g
Zeit [d]
unbehandelt
desintegriert
a)
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
0 5 10 15 20 25
ku
mu
lie
rte
Bio
ga
sb
ild
un
g
Zeit [d]
unbehandelt
desintegriert
b)
Ausführliche Darstellung
BMWi-03KB106A, 31.01.2019 30
Schlussendlich wird der Einfluss der Durchmischung auch als Grund vermutet, weshalb im
Praxismaßstab von Effekten infolge des Substrataufschlusses berichtet wird, ein Nachweis im
Labormaßstab aber nicht erbracht werden kann. Aufgrund der geringen Fermentergröße in
Laborversuchen ist der Fermenterinhalt bei der Vergärung von unbehandeltem Substrat häufig bereits
vollständig durchmischt. Wirkt sich die Desintegration lediglich auf den 3. Effekt „Veränderung der
Hydrodynamik“, nicht aber auf den vergärbaren organischen Anteil (Punkt a) und die Reaktions-
geschwindigkeit (Punkt b) aus, so kann bei bereits idealer Durchmischung im Labormaßstab kein Effekt
auf die Gasbildung erzielt werden. Im Praxismaßstab hingegen, wenn der Fermenterinhalt aus
unbehandeltem Substrat nicht vollständig durchmischt wird und eine Desintegration eine Erhöhung des
durchmischten Fermentervolumens nach sich zieht, bewirkt der Substrataufschluss unter ansonsten
identischen Bedingungen eine Steigerung der Biogasbildung auf der Praxisanlage, die im Labormaßstab
nicht nachweisbar ist.
Wie die Rheologie und dessen Veränderung infolge eines Substrataufschlusses in einem Biogas-
fermenter beschrieben werden kann, wurde in AP4 „Bewertung und Auswahl der Rührtechnik“
untersucht. Da dieses Arbeitspakets fast ausschließlich vom Verbundpartner LTS bearbeitet wurde,
erfolgt die ausführliche Darstellung der Ergebnisse im Schlussbericht Maier/LTS unter Kapitel 2.1.4. Von
Seiten des DBFZ wurde eine theoretische Abschätzung vorgenommen, welchen Einfluss das
durchmischte Reaktionsvolumen auf die Gasbildung einer Biogasanlage haben kann (siehe
nachfolgendes Kapitel 2.3.3.2). Außerdem wurde mit der mittleren Partikelgröße xm ein Parameter
identifiziert, welcher die Durchmischung eines Fermenterinhaltes beschreiben soll und somit eine
Kopplung der Arbeitspakete 3 und 4 ermöglicht. Die Methodenentwicklung und Interpretation des
Parameters xm erfolgte durch das DBFZ und wird ausführlich in Kapitel 2.3.3.4 „Charakterisierung von
Substrat und Fermenterinhalt (AP3)“, S. 38 dargestellt.
2.3.3.2 Einfluss durchmischtes Fermentervolumen auf Biogasbildung
Der Erfahrung des Verbundpartners Maier nach sind nur wenige Biogasanlagen in der Praxis vollständig
durchmischt, da nur selten die für das komplexe Medium Fermenterinhalt passenden Rührtechnik
installiert ist. Mit unzureichender Durchmischung wird das Fermentervolumen nicht vollständig
ausgenutzt. Das führt wiederum dazu, dass das aktive Reaktionsvolumen abnimmt und der Biogasertrag
gemindert wird. Somit beschränken sich die hydrodynamischen Effekte einer Substratdesintegration
nicht nur auf eine verbesserte Durchmischung im Sinne einer Viskositätsabsenkung, sondern bewirken
zusätzlich eine verbesserte Durchmischung im Sinne eines erhöhten Reaktionsvolumens.
Theoretische Berechnungen mit Hilfe einer Szenarienbetrachtung
Zu dieser Hypothese wurden am DBFZ zunächst theoretische Berechnungen durchgeführt. Betrachtet
wurde die Minderung der Gasbildung durch die Abnahme des Reaktionsvolumens infolge unzureichender
Durchmischung.
Abbildung 8 zeigt die Veränderung der relativen Gasbildung infolge einer Absenkung des Reaktions-
volumens, in Abhängigkeit von der Verfügbarkeit des Substrates. Die Substratverfügbarkeit wird durch
die Bruttoreaktionsgeschwindigkeit k charakterisiert. Diese Kenngröße charakterisiert über die
verfahrenstechnischen Kenngröße der Reaktionsgeschwindigkeit hinaus, alle Prozesse, die den
Ausführliche Darstellung
BMWi-03KB106A, 31.01.2019 31
zeitlichen Verlauf der Biogasreaktion beeinflussen (z.B. Stofftransportprozesse). Die Bruttoreaktions-
geschwindigkeitskonstante wird nachfolgend kurz als „k-Wert“ bezeichnet. Hinter einem niedrigen k-Wert
von k=0,1 d-1 verbirgt sich ein schlecht verfügbares Substrat, wie z.B. ein Substratmix mit hohem
Strohanteil. Ein k-Wert von k=0,3 d-1 hingegen kann sich bei einer Substratmischung mit gut verfügbaren
Rübenanteilen einstellen. Unter „relativer Gasbildung“ ist der Anteil der Gasmenge zu verstehen, der sich
bei einer Durchmischung kleiner 100 % im Verhältnis zur bei 100 % Reaktionsvolumen gebildeten
Gasmenge ergibt. Die Darstellung erfolgte für eine fiktive Biogasanlage mit 30, 60 und 90 Tagen
Verweilzeit (Hydraulic Retention Time, HRT).
Abbildung 8: Relative Gasproduktion, anteilig an der Gasproduktion bei 100 % Durchmischung, verursacht durch ein
abnehmendes Reaktionsvolumen infolge unzureichender Durchmischung; dargestellt in Abhängigkeit von
Verweilzeit HRT und Bruttoreaktionsgeschwindigkeit k. Rot markiert: Betriebspunkte A und B der
Szenarienbetrachtung
Die relative Gasproduktion sinkt exponentiell mit abnehmender Durchmischung. Der mit zunehmender
Verweilzeit steiler werdende Anstieg in Abbildung 8 zeigt, dass der Einfluss des durchmischten
Reaktionsvolumens auf die Biogasbildung mit zunehmender Verweilzeit abnimmt (Vergleich der
Diagramme von links nach rechts). Betrachtet man den Einfluss bei gleichbleibender Verweilzeit
(Kurvenschar innerhalb eines Diagramms) zeigt sich ein flacherer Kurvenverlauf und somit eine stärkere
Abhängigkeit der relativen Gasproduktion von der Durchmischung mit abnehmendem k-Wert.
Die Relevanz dieser Betrachtungen für das Projekt ELIRAS zeigt sich, wenn man folgendes Szenario
betrachtet: Eine fiktive Biogasanlage mit 30 d Verweilzeit vergärt schwer verfügbares Substrat
(k=0,1 d- 1). Aufgrund der Substrateigenschaften und unangepasster Rührtechnik werden nur 60 % des
verfügbaren Fermentervolumens durchmischt. An diesem Betriebspunkt A (in Abbildung 8 markiert) wird
nur 86 % der theoretisch möglichen Gasmenge produziert. Durch Installation einer Substrat-
desintegration wird die Verfügbarkeit des Substrates erhöht. Der k-Wert steigt von k=0,1 d-1 auf
k=0,2 d - 1. Außerdem bewirkt die Konditionierung des Substrates eine Erhöhung des Reaktionsvolumens
von 60 % auf 80 %. Mit dieser Änderung verschiebt sich der Betriebspunkt A zwei Kurven höher und nach
rechts auf Betriebspunkt B, vergleiche Abbildung 8. An Betriebspunkt B werden 97 % der möglichen
0%
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Durchmischung
HRT (100 %)=30 d
A
B
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0% 20% 40% 60% 80% 100%
Durchmischung
HRT (100 %)=90 d
k=0,30
k=0,25
k=0,20
k=0,15
k=0,13
k=0,100%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
0% 20% 40% 60% 80% 100%
Durchmischung
HRT (100 %)=60 d
relative Gasproduktion
Anteil an Gasproduktion bei 100 % Durchmischung
Ausführliche Darstellung
BMWi-03KB106A, 31.01.2019 32
Gasbildung produziert, was einer Steigerung der relativen Gasproduktion infolge Desintegration
gegenüber Betriebspunkt A um 11 % gleichkommt.
Validierung an einer Praxisanlage
Um die vorgestellte Theorie mit realen Messdaten zu validieren, wurde eine Praxisanlage aus den
Kontakten des Verbundpartners Maier ausgewählt, welche eine Umstellung der Rührwerke im
Projektzeitraum vorgenommen hatte. Mit der Rührwerksumstellung berichtete der Anlagenbetreiber von
einer wesentlichen Verbesserung im Handling des Fermenterinhaltes. Darüber hinaus wurde auch
weniger Substrat eingesetzt, was auf eine Erhöhung des Biogasertrags infolge der Umrüstung schließen
lässt. Die Kenndaten der Praxisanlage sind in Tabelle 4 zusammengefasst.
Tabelle 4: Kenndaten Praxisanlage mit Rührwerksumstellung
Allgemeine Daten Prozesskenngrößen Hauptfermenter Substrate
Baujahr 2005 Raumbelastung 6 goTS L-1 d-1 67% Maissilage
Bemessungsleistung 570 kW Verweilzeit (100% durchmischt) ca. 40 d 16% Rindergülle
Anlagenschema
11% Schweinegülle
6% Hühnermist
Da die Umstellung der Rührwerke im Hauptfermenter erfolgte, wurde dieser in den Fokus der
Betrachtungen genommen. Verglichen wurde die Gasbildung und Substratzufuhr über einen Zeitraum
von vier Monaten, wobei in beiden Zeiträumen die gleichen Monate im Jahr betrachtet wurden, damit die
Substratzusammensetzung und Gärrestentnahme vergleichbar sind. Der Vergleich des Biogasertrags vor
und nach der Umstellung ergab eine 7 %ige Steigerung infolge der Rührwerksumstellung. Wie aus
Berechnungen des Verbundpartners Maier hervorging, wurde der Hauptfermenter im Ursprungszustand
nur zu 61 % durchmischt. Der Wechsel der Rührwerke führte zu einer Erhöhung des durchmischten
Volumens auf 83 %.
Mit Hilfe einer Massenbilanzierung der Praxisanlage wurde betrachtet, ob die gemessene Steigerung der
Biogasbildung auf der Anlage auch theoretisch abgebildet werden kann. Dazu wurde, aus Erfahrungs-
werten für k-Werte unterschiedlicher Substrate, der Vergärung der Substratmischung auf der Praxis-
anlage (vergleiche Tabelle 4) eine Geschwindigkeit von k=0,19 d-1 zugeordnet. Aus der gemessenen
Biogasmenge bei den unterstellten 61 % Durchmischung im Zustand vor der Umstellung wurde
berechnet, welche tägliche Biogasmenge gebildet würde, wenn sich die Durchmischung des
Hauptfermenters auf 83 % erhöht. Es ergab sich eine theoretische relative Steigerung des Biogasertrags
um 4 %. Praktisch gemessen wurde eine relative Steigerung des Biogasertrags von 7 %, welche zwar
oberhalb, aber in der gleichen Größenordnung wie die theoretisch berechnete Steigerung, liegt. Die
verbleibende Differenz von ca. 3 % muss auf andere Phänomene zurückgeführt werden, die sich infolge
einer Rührwerksumstellung ergeben und mit einer Änderung des durchmischten Volumens allein nicht
abgebildet werden können.
Ein Phänomen wäre hier die Einflussnahme der Durchmischung auf das Gas-Hold-Up im Fermenterinhalt.
Unter dem Gas-Hold-Up wird das im Fermenterinhalt zurückgehaltene Gas verstanden, welches z.B. in
1400 m³
Hauptfermenter
1400 m³
Nachgärer 1900 m³
Gärrestlager
Ausführliche Darstellung
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Form von Gasblasen, nicht aber in gelöster Form vorliegt. Mit der Einflussnahme eines Substrat-
aufschlusses auf die Rheologie des Fermenterinhaltes, kann davon ausgegangen werden, dass sich das
Gas-Hold-Up im Fermenter verringert. Erhöht man im strukturviskosen Medium Fermenterinhalt die
Rührerdrehzahl, wird die Viskosität des Mediums herabgesetzt. Damit wird der Aufstieg von Gasblasen
gefördert. Das hat wiederum Auswirkung auf das Reaktionsvolumen und den Biogasertrag.
Eine weitere Erklärung für den oben aufgeführten 3 %igen Unterschied zwischen gemessener und
theoretisch berechneter Steigerung des Biogasertrags, ist ein zu hoch angesetzter k-Wert des Prozesses.
Erniedrigt man den angenommenen k-Wert von k=0,19 d-1 und unterstellt somit eine schlechtere
Verfügbarkeit der Substratmischung als im ersten theoretischen Ansatz (siehe oben), wird die Differenz
zwischen theoretisch berechneter und praktisch gemessener Steigerung des Biogasertrags kleiner.
Schlussfolgerung
Als allgemeine Aussage aus den theoretischen Betrachtungen lässt sich zusammenfassen, dass der
größte Einfluss auf die Gasbildung bei geringen Verweilzeiten und schwer verfügbaren Substraten mit
kleinen k-Werten erzielt werden kann. Auf einer realen Praxisanlage führte die Umstellung der
Rührtechnik zu einer Veränderung der Biogasproduktion, die in einer ähnlichen Größenordnung lag wie
theoretisch berechnet. Somit kann davon ausgegangen werden, dass die verwendeten Modelle den
Praxisbetrieb hinreichend nachbilden können.
2.3.3.3 Statistische Signifikanz
Wie bereits in Abschnitt 2.3.1.4 („Weiterentwicklung experimenteller Untersuchungen zum
Substrataufschluss“) erwähnt, berücksichtigen vergangene Gärversuchen zum Substrataufschluss selten
statistische Aspekte. Wie kontinuierliche Gärversuche statistisch geplant, durchgeführt und ausgewertet
werden können, wurde im Projektzeitraum ELIRAS in der Veröffentlichung „Statistical Interpretation of
Semi-Continuous Anaerobic Digestion Experiments on the Laboratory Scale“ [19] dargelegt und soll
nachfolgend grob zusammengefasst werden.
Terminologie
Die Grundidee hinter einer statistischen Betrachtung von kontinuierlichen Gärversuchen ist, die täglich
aufgenommene Gasbildung unter stationären Bedingungen als zufällige Stichprobe anzusehen. Die
Aufnahme dieser Stichprobe dient der Schätzung der unbekannten Grundgesamtheit der realen täglichen
Gasproduktion. Der übliche Versuchsaufbau in kontinuierlichen Gärversuchen mit der täglichen Zugabe
von Substrat und anschließender Messung der Gasproduktion kann somit als die tägliche Wiederholung
desselben Experiments gesehen werden. Lange Versuchszeiträume sind mit einem großen
Stichprobenumfang gleichzusetzen.
Um statistische Aspekte versuchsübergreifend zu berücksichtigen, sollte eine einheitliche Terminologie
verwendet werden. Abbildung 9 verdeutlicht schematisch statistische Begriffe eines exemplarischen
kontinuierlichen Gärversuchs. Besonderes Augenmerk sollte auf den Unterschied zwischen den Begriffen
„Desintegration“, „Ansatz“ und „Fermenter“ gelegt werden.
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Mit „Desintegration“ ist der bereits definierte Substrataufschluss gemeint, welcher einen Einfluss auf die
Messgröße Biogasbildung nimmt. Im Gegensatz dazu beschreibt der Begriff „Ansatz“ die Veränderung
der Bedingungen bzw. die Bedingungen in einem Biogasprozess generell. CASLER definiert den „Ansatz“
als „Verfahren oder System, dessen Effekt auf das experimentelle Material gemessen oder beobachtet
wird.“ [38] Mit dieser Definition werden ein Substrataufschluss, andere Eingriffe in den Prozess, aber
auch der Prozesszustand ohne Veränderungen als „Ansätze“ gesehen. Der letztgenannte Ansatz A0 wird
als „Kontrollansatz“ bezeichnet. Ein Ansatz wirkt auf eine „Versuchseinheit“, im Fall von Gärversuchen
auf den Fermenter F. Mehrere parallel betriebene Fermenter werden in der „Wiederholeinheit“
zusammengefasst, welche wiederum als ein „Ansatz“ bezeichnet werden kann. Der beispielhafte Aufbau
eines Gärversuchs in Abbildung 9 besteht aus drei Wiederholeinheiten bzw. Ansätzen, welche jeweils zwei
Versuchseinheiten (Doppelansätze), beinhalten. Beim ersten Ansatz werden keine Veränderungen
vorgenommen, sodass der Ansatz A0 als Kontrollansatz dient. Hinter den Ansätzen A1 und A2 könnten
beispielsweise zwei unterschiedliche Substrataufschlussverfahren stehen.
Abbildung 9: Schematische Darstellung statistischer Begrifflichkeiten in Gärversuchen [34]
Voraussetzungen zur Anwendung statistischer Tests
Werden bei der Auswertung von Versuchen statistische Test verwendet, müssen die gemessenen Daten
drei Grundvoraussetzungen erfüllen:
Unabhängigkeit
Normalverteilung
Varianzhomogenität
Diese Voraussetzungen müssen bei der Anwendung von parametrischen Tests, wie dem t-Test oder der
Varianzanalyse, eingehalten werden, um robuste Testergebnisse zu erhalten. In Gärversuchen mit semi-
kontinuierlicher Zugabe der gleichen Menge an Substrat jeden Tag, stationären Bedingungen und einem
langen Versuchszeitraum, um Fluktuationen auszugleichen, kann davon ausgegangen werden, dass
„unabhängige“ Messwerte vorliegen. Neben der Unabhängigkeit der Messwerte durch die Versuchs-
umsetzung sollte auch auf zeitliche Unabhängigkeit geprüft werden, welche sich durch den Ausschluss
von Trends im Versuchszeitraum nachweisen lässt. Die verbleibenden beiden Voraussetzungen
„Normalverteilung“ und „Varianzhomogenität“ können grafisch, numerisch anhand der
Verteilungsparameter oder mit vorgeschalteten Signifikanztests überprüft werden. Da statistische Tests
robuster auf eine Verletzung der Voraussetzungen reagieren, wenn gleiche Stichprobengrößen vorliegen,
sollte in der Praxis darauf geachtet werden, dass die Versuchseinheiten die gleiche Menge an
Messwerten vorliegen haben, d.h. dass alle Ansätze mit gleicher Versuchsdauer umgesetzt werden.
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Schrittfolge zur statistischen Auswertung von Gärversuchen
Um die in Gärversuchen beobachteten Effekte auf die Gasbildung auf statistische Signifikanz hin zu
überprüfen, empfiehlt sich folgende Vorgehensweise:
I. Versuchsergebnisse auf Fehler überprüfen, fehlerhafte Daten entfernen
II. Grafische Veranschaulichung der Hauptaussage des Gärversuchs mit Hilfe eines Boxplots;
Beispiel, siehe Abbildung 10
III. Überprüfung der Voraussetzungen für die Anwendung von statistischen Tests
a. Unabhängigkeit: Versuchsumsetzung (stationärer Betrieb, langer Versuchszeitraum), kein
signifikanter Anstieg der Regressionsgeraden
b. Normalverteilung: z.B. Symmetrie in Histogramm und Boxplot, Kolmogorov-Smirnov-
Lilliefors Test
c. Varianzhomogenität: z.B. vergleichbar breite Antennen im Boxplot, Levene‘s Test
IV. Entscheidung für einen statistischen Test, z. B. mit Hilfe eines Entscheidungsbaums (siehe [34],
S. 646)
V. Formulieren der Null-Hypothese
VI. Statistischer Test
VII. Ggf. Post-Hoc-Test zur Lokalisierung signifikanter Unterschiede nach einer Varianzanalyse
Statistische Auswertung von Gärversuchen mit Boxplots
Mit Hilfe dieser Vorgehensweise wurden vier exemplarische Gärversuche mit unterschiedlichen
Versuchsaufbauten ausgewertet (siehe [34]). Die Auswertung eines beispielhaften Gärversuchs in Form
eines Boxplots ist in Abbildung 10 dargestellt (Versuchsaufbau analog Abbildung 9).
Der Boxplot lässt bereits eine erste Aussage zu, die durch einen nachfolgenden statistischen Test
bestätigt wird: Die Gasbildung der parallel betriebenen Fermenter F1 und F2 innerhalb eines Ansatzes
unterscheidet sich nur minimal. Die Unterschiede der Gasbildung zwischen den Ansätzen sind signifikant.
Mit dem Substrataufschluss unter Ansatz A1 konnte eine signifikante Steigerung gegenüber der
Gasbildung aus dem Kontrollansatz A0 erzielt werden. Die Gasbildung aus dem Ansatz A2 hingegen
unterscheidet sich nicht signifikant vom Kontrollansatz A0.
Da die Daten die Voraussetzungen für die Anwendung eines statistischen parametrischen Tests erfüllen,
wurde mit Hilfe einer hierarchischen Varianzanalyse auf Signifikanz getestet. Dazu wurden die
Unterschiede auf der ersten Stufe A (zwischen den Ansätzen) mit den Unterschieden der darunter-
liegenden Stufe F (zwischen den Fermentern, innerhalb der Ansätze) ins Verhältnis gesetzt. Signifikanz
liegt erst vor, wenn die Unterschiede in der Gasbildung zwischen Ansätzen höher sind als die
Unterschiede zwischen den Fermentern. Unterschiede zwischen parallelen Fermentern, welche unter
gleichen Versuchsbedingungen betrieben werden, sind in der Biogastechnik nicht unüblich und können
z.B. auf die Prozessbiologie zurückgeführt werden. Solche Schwankungen zwischen Versuchs-
wiederholungen sollten durch identischen Versuchsaufbau und Betriebsweise minimal gehalten werden
und in einer fundierten Auswertung Berücksichtigung finden.
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Abbildung 10: Boxplot des Biogasertrags eines beispielhaften Gärversuchs mit drei Ansätzen
Statistische Versuchsplanung durch Teststärkenanalyse
Aus statistischer Sicht ist das Ziel eines jeden Gärversuchs den wahren Wert des Biogasertrags unter den
gegebenen Bedingungen zu ermitteln. Dieser Wert wird durch wiederholte Messungen geschätzt. Der
Schätzfehler wird kleiner, je größer die Anzahl der Messungen ist. Außerdem wird mit steigender Anzahl
an Messwerten das Rauschen reduziert und Effekte treten deutlicher hervor. Der Zahl der Wiederholungs-
messungen, welche in Gärversuchen der Anzahl an parallel betriebenen Fermentern entspricht, sind
jedoch aus finanzieller und organisatorischer Sicht Grenzen gesetzt. An diesem Punkt erweist sich eine
Teststärkenanalyse als Bestandteil der statistischen Versuchsplanung als nützlich.
Mit Hilfe der Teststärkenanalyse lässt sich die minimale Anzahl an Versuchswiederholungen schätzen,
welche notwendig sind, um einen gegebenen Effekt statistisch signifikant nachzuweisen. Umgekehrt
kann auch der minimal nachweisbare Effekt bei einem gegebenen Versuchsaufbau berechnet werden.
Beide Schätzungen hängen von der postulierten Teststärke ab, welche üblicherweise mit einem Wert von
80 % angesetzt wird. Eine Teststärke von 80 % ist gleichzusetzen mit einer 80 %igen Wahrscheinlichkeit
die Nullhypothese „Es gibt keine signifikanten Unterschiede“ zu verwerfen, wenn sie nicht korrekt ist.
Eine Teststärkenanalyse wird vor der eigentlichen Versuchsplanung durchgeführt und basiert
idealerweise auf einem Versuch mit möglichst vielen parallel betriebenen Versuchsfermentern. Aus
diesen Versuchswiederholungen lässt sich die übliche Schwankung zwischen identisch betriebenen
Fermentern schätzen.
In einem beispielhaften Vorversuch wurde zwischen acht parallel betrieben Fermentern eine Schwankung
im Biogasertrag von 7,8 mL goTS-1 ermittelt. Der mittlere Biogasertrag betrug 706 mL goTS-1, sodass es sich
um eine Schwankung von ± 1,1 % handelt. Basierend auf diesem Vorversuch wurde die eine Teststärken-
analyse durchgeführt, deren Ergebnis in Abbildung 11 dargestellt ist. Das Diagramm zeigt den
funktionellen Zusammenhang zwischen der Anzahl an Versuchswiederholungen und dem nachweisbaren
Unterschied im Biogasertrag für diesen Vorversuch.
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Abbildung 11: Anzahl an notwendigen Versuchswiederholungen, um Veränderungen im Biogasertrag in Abhängigkeit von der
Teststärke nachzuweisen (berechnet mit G*Power auf Basis eines Vorversuchs mit acht parallel betriebenen
Fermentern mit einer Schwankung im Biogasertrag von 7,8 mL goTS-1)
Aus dem Diagramm in Abbildung 11 lässt sich ablesen, dass bei einer Teststärke von 80 % und einem
Versuchsaufbau mit Doppelansätzen (zwei Versuchswiederholungen) Veränderungen im Biogasertrag ab
6 % signifikant nachweisbar sind. Da die Kurve exponentiell verläuft, wären sechs Fermentern pro Ansatz
notwendig, um bei gleicher Schwankung und Teststärke einen Effekt im Biogasertrag von 2 % mit
Signifikanz nachzuweisen. Gelingt es die Schwankungen zwischen parallel betriebenen Fermentern noch
weiter als die ermittelten 7,8 mL goTS-1 zu senken, kann die Anzahl an notwendigen Versuchs-
wiederholungen reduziert werden.
Schlussfolgerung zu statistisch fundierten Gärversuchen
Für zukünftige Gärversuche zum Nachweis von Effekten auf den Biogasertrag infolge eines
Substrataufschlusses, empfiehlt sich ein Vorversuch mit einer möglichst großen Anzahl an parallel
betriebenen Fermentern zur Abschätzung der Schwankungen zwischen Parallelfermentern. Über die
Teststärkenanalyse wird die Anzahl an notwendigen Versuchswiederholungen für den eigentlichen
Gärversuch geschätzt und die Anzahl an Fermentern entsprechend reduziert. Um sowohl eine räumliche
als auch zeitliche Parallelität zu erzielen, sollte der Kontrollansatz auch im eigentlichen Gärversuch weiter
betrieben werden.
Je nach Schwankung zwischen den parallel betriebenen Fermentern im Vorversuch, sollten Versuchs-
fermenter je Ansatz mindestens doppelt betrieben werden. Nur mit einem Versuchsaufbau von
mindestens zwei Fermentern je Ansatz kann beurteilt werden, ob gemessene Effekte infolge
Desintegration auf übliche Schwankungen zwischen Fermentern oder wirklich auf den
Substrataufschluss zurückzuführen sind. [19]
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2.3.3.4 Charakterisierung von Substrat und Fermenterinhalt (AP3)
TS-Korrektur
Die Vergleichbarkeit zwischen verschiedenen Gärversuchen ist nur gewährleistet, wenn die gebildete
Gasmenge spezifisch als Gasertrag, d.h. bezogen auf die Menge an zugeführter Organik (oTS), angegeben
wird. Da allerdings bei der klassischen Substratcharakterisierung der oTS und TS nach DIN 12880 [20]
flüchtige organischen Komponenten verloren gehen, muss eine nachträgliche Korrektur des TS-Gehalts
vorgenommen werden. Diese TS-Korrektur wurde bereits in Kapitel 2.3.1.4 („Weiterentwicklung
experimenteller Untersuchungen zum Substrataufschluss (DBFZ)“, S. 21) oder ausführlicher in der
Messmethodensammlung Biogas [16] und durch WEIßBACH & STRUBELT [22–24] beschrieben.
Fermentierbare organische Trockensubstanz (FoTS)
Ein weiterer Ansatz, der aus den Arbeiten von WEIßBACH (vergleiche z.B. [39]) hervorgegangen ist, ist die
Angabe des Gasbildungspotenzials eines Substrates über die fermentierbare organische Trocken-
substanz, kurz FoTS. Die FoTS ist die Teilmenge der oTS, welche von den Mikroorganismen im
Biogasprozess tatsächlich zu Gas umgesetzt werden kann. Insbesondere bei lignocellulosehaltigen
Substraten, wie Stroh, unterscheidet sich die FoTS von der oTS, da z.B. Lignin ein organischer Bestandteil
in Biogassubstraten ist, welcher von der Prozessbiologie nicht verwertet werden kann. Da die FoTS somit
den gesamten vergärbaren organischen Anteil eines Substrates umfasst, ist die Kenngröße
gleichzusetzen mit dem Biogasbildungspotenzial. Experimentell bestimmt werden kann das Gasbildungs-
potenzial bzw. der FoTS über diskontinuierliche Gärversuche. Die FoTS ist dabei der Wert der kumulierten
Biogasbildung, der bei theoretisch unendlich langer Versuchslaufzeit erreicht wird. [17] Der in der Praxis
angegebene Endwert der kumulierten Gasbildung eines diskontinuierlichen Gärversuchs bei Erreichen
des Abbruchkriteriums liegt dabei immer unterhalb der wahren FoTS. Da die wahre FoTS bei unendlich
langer Versuchslaufzeit vorliegt, kann diese Kenngröße durch Extrapolation und Modellierung nur
theoretisch, aber nicht experimentell bestimmt werden. Eine detaillierte Beschreibung zur Abschätzung
der FoTS kann in den Veröffentlichung von WEINRICH [40] [41] nachgelesen werden. Wie bereits in Absatz
2.3.3.1 („Einteilung der Effekte von Substrataufschluss“) erläutert wurde, lässt sich mit Hilfe der FoTS
ein Teileffekt einer Substratdesintegration, die Erhöhung des vergärbaren organischen Anteils,
beschreiben.
Hydrodynamik
Die beiden oben genannten Parameter spielen vor allem bei der Charakterisierung von Inputsubstraten
eine wichtige Rolle. Soll der Inhalt des Fermenters charakterisiert werden, kommen neben den
Kenngrößen zur Beschreibung des Prozesszustands (z.B. pH-Wert, Ammoniumstickstoff) auch
physikalische Kennwerte zum Einsatz. Neben der TS-, oTS-Analyse zählen dazu hydrodynamische
Kenngrößen. In den experimentellen Untersuchungen der Projektpartner Maier und LTS in AP4 wurde der
Einfluss verschiedener Rührergeometrien und Modellfluide auf die hydrodynamischen Kenngrößen
Leistungseintrag, Mischzeit, Oberflächenverhalten, Kavernengröße und Axialschub untersucht, wie im
Schlussbericht Maier/LTS (vergleiche z.B. Kapitel 2.1.4.2 „Material und Methoden“) ausführlich
dargelegt.
Ausführliche Darstellung
BMWi-03KB106A, 31.01.2019 39
Das Fließverhalten von Fermenterinhalten wurde über Fließkurven charakterisiert und darüber der Anteil
des durchmischten Fermentervolumens bestimmt. Diese Kenngröße der Durchmischung des Fermenters
ist von wesentlicher Bedeutung, da sie die Anknüpfung der Arbeiten der Projektpartner Maier und LTS an
die Arbeiten des DBFZ ermöglicht. Die Durchmischung D kann beschrieben werden als der Anteil des
Fermenterinhaltes, der eine Strömungsgeschwindigkeit von mindestens 1 cm/s aufweist und somit als
durchmischt gekennzeichnet werden kann. Über die Durchmischung kann der dritte Teileffekt eines
Substrataufschlusses „Veränderung der Hydrodynamik“ beschrieben werden, indem vom durchmischten
Fermentervolumen auf die Gasbildung rückgeschlossen wird. Wie bereits in Abbildung 8 verdeutlicht
(siehe Abschnitt 2.3.3.2), sinkt relative Gasproduktion, berechnet aus der Gasbildung bei ungenügender
Durchmischung (D < 100 %) im Verhältnis zur Gasbildung bei 100 % Durchmischung, exponentiell mit
abnehmender Durchmischung.
Da die Bestimmung der Durchmischung über die Aufnahme von Fließkurven und modellbasierte
Nachbildung des Fermenters sehr aufwendig ist, wurde nach einem Kennwert gesucht, der einfach zu
bestimmen ist und ebenfalls einen Rückschluss auf die Durchmischung zulässt. Im Projekt
„Untersuchungen von Mischungssystemen in Biogasfermentern unter Einsatz der Prozess-Tomographie“
der Verbundpartner Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme (IKTS) und KSB AG
wurde festgestellt, dass der Einfluss der im Fermenterinhalt enthaltenen Fasern und Partikel auf das
Fließverhalten gegenüber dem TS-Gehalt deutlich überwiegt. [1] Basierend auf diesen Erkenntnissen,
wurde im Projekt ELIRAS die mittlere Partikelgröße als die potenzielle Kenngröße identifiziert, um den
Fermenterinhalt hydrodynamisch zu charakterisieren und auf die Durchmischung rückzuschließen. In der
Fachliteratur gibt es bereits einige Hinweise auf einen Zusammenhang zwischen Partikelgröße und
Biogasbildung, jedoch hängen die Ergebnisse stark von untersuchten Substraten und Versuchs-
bedingungen ab. Der Stand der Wissenschaft zum Zusammenspiel von Partikelgröße und Vergärung ist
im Kapitel 2.3.1.5 „Literaturrecherche“ (S.25) dargestellt.
Im Vorhaben ELIRAS wurden Kontakte des Verbundpartners Maier zu Biogasanlagenbetreibern genutzt,
um sowohl Fließkurven als auch Partikelgrößenanalysen realer Fermenterinhalte von Praxisanlagen
aufzunehmen. Über das Vorhaben „Biogas-Messprogramm III“ (vergleiche Kapitel 1.2; „Voraussetzungen,
unter denen das Vorhaben durchgeführt wurde“, S. 8) des DBFZ konnten weitere Praxisanlagen beprobt
werden, welche mit den Buchstaben A bis E anonymisiert bezeichnet wurden. Abbildung 12 stellt die
Fließkurven der Fermenterinhalte der beprobten Praxisanlagen in einem Diagramm zusammen.
Ausführliche Darstellung
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Abbildung 12: Fließkurven von Fermenterinhalten realer Praxis-Biogasanlagen BGA A bis BGA E
Es können deutliche Unterschiede im Fließverhalten der verschiedenen Fermenterinhalte ausgemacht
werden, welche auch auf die Zusammensetzung des Substratinputs auf den Praxisanlagen zurückgeführt
werden können (siehe Tabelle 5). Wie bereits der hohe Anteil an grobfaseriger Ganzpflanzensilage (40 %)
auf BGA B vermuten lässt, liegt die Fließkurve des Fermenterinhaltes von BGA B mit einem
Fließkoeffizienten K von ca. 12 Pasm über denen der anderen beprobten Praxisanlagen. Tabelle 5
ermöglicht außerdem eine Gegenüberstellung der Fließkurven mit den mittleren Partikeldurchmessern
xm der Fermenterinhalte. Mit Ausnahme von BGA A können die Biogasanlagen nach mittlerem
Partikeldurchmesser in der gleichen Reihenfolge wie die Lage der Fließkurven in Abbildung 12 sortiert
werden.
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Tabelle 5: Hydrodynamische Kennwerte und Substratzusammensetzung der beprobten Praxisanlagen BGA A bis BGA E;
kursiv dargestellt: Substratbestandteile, welche die Fließfähigkeit des Fermenterinhaltes vermutlich herabsetzen
BGA Substratzusammensetzung Fließkoeffizient K
[Pa sm]
Fließindex m
[–]
mittlere Partikel-
größe xm [mm]
A 19 % Maissilage 3 % Anwelksilage Abdecke 71 % Rindergülle 5 % Futterreste 3 % Getreideschrot
8,7482
0,298
1,50
B 15 % Rindergülle 45 % Maissilage 40 % Ganzpflanzensilage
11,832
0,322
2,28
C 79 % Rindergülle 4 % Getreideschrot+Kleie 17 % Mais 0,2 % Grassilage
7,4494 0,344 1,77
D 40 % Schweinegülle mit Jauche 40 % Maissilage 10 % Grassilage
10 % HTK
4,9363 0,433 1,68
E 15 % Maissilage 5 % Kartoffeln 4 % Anwelksilage 7 % Mist 69 % Gülle
2,6766 0,437 1,23
F 80 % Maissilage
20 % Zuckerrübensilage
2,5958 0,503 1,07
Da die Lage der Fließkurven durch den Fließkoeffizienten K beschrieben wird, lässt sich ein funktionaler
Zusammenhang zwischen Fließverhalten und mittlerem Partikeldurchmesser xm ableiten. In Abbildung
13 wurde der Fließkoeffizient K über dem mittlerem Partikeldurchmesser xm aufgetragen. Auch hier zeigt
sich, dass die BGA A am stärksten von der Regressionsgerade abweicht. Mit einem Bestimmtheitsmaß
R² von 78 % kann ein linearer Zusammenhang gemäß Formel 1 beschrieben werden.
𝐾 = 7,4753 ∙ 𝑥𝑚 − 5,5001 Formel 1
Diese lineare Abhängigkeit ermöglich die Bestimmung des Fließverhaltens eines Fermenterinhaltes
lediglich über die Kenngröße mittlere Partikelgröße und ohne die weitaus aufwendigere Aufnahme der
Fließkurven. Da der lineare Zusammenhang mit einem Bestimmtheitsmaß von 78 % und einem geringen
Stichprobenumfang von nur 6 Messpunkten noch nicht sehr genau beschrieben wird, sollte die
empirische Abschätzung zukünftig durch weitere Messpunkte ergänzt werden.
Ausführliche Darstellung
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Abbildung 13: Empirisch ermittelte Abhängigkeit des Fließkoeffizienten K von der mittleren Partikelgröße xm
Partikelgrößenanalyse
Methodenentwicklung Siebanalyse
Nachdem die mittlere Partikelgröße als Kopplungsparameter der Arbeitspakete 3 und 4 identifiziert
wurde, galt es eine Methode zu entwickeln, um diesen für die Charakterisierung von Medien des
Biogasprozesses neuen Parameter zu bestimmen.
Die mittlere Partikelgröße xm einer Probe lässt sich berechnen, wenn die Partikelgrößenverteilung der
Probe bekannt ist. Partikelgrößenverteilungen dienen der Beschreibung disperser Systeme. Dazu wird
das disperse System, gleichzusetzen mit einem Gemenge an Partikeln, über Mengenanteile in
unterschiedliche Klassen eingeteilt. Je nachdem, welche Mengenart zur Unterscheidung der Klassen
herangezogen wird, können verschiedene Methoden zur Partikelgrößenanalyse unterschieden werden.
Breite Anwendung in der Partikelgrößenanalyse findet die Unterteilung der Partikelklassen nach Masse,
die mit Hilfe einer Siebanalyse umgesetzt wird. [42]
Die Herausforderung bei der Partikelgrößenanalyse von Medien des Biogasprozesses ist die sehr
inhomogene Stoffcharakteristik der Proben, welche sich in den verschiedenen physikalischen
Stoffeigenschaften der Partikel, in einer hohen Verteilungsbreite und auch einer nicht kugelartigen
Partikelform äußert. Proben aus dem Biogasprozess weisen eine sehr unregelmäßige, oft auch faserige
Partikelform mit stark verschiedenen Stoffeigenschaften auf. Bei der Siebanalyse von Proben mit nicht
kugelartigen Partikeln passieren die Partikel das Sieb nur in einer bestimmten Orientierung. Eine Faser
kann das Sieb demnach auch mit seiner kleinsten Projektionsfläche, unabhängig von der Länge
passieren. Deshalb handelt es sich bei dem mit Hilfe einer Siebanalyse bestimmten mittleren
Partikeldurchmesser xm um einen Äquivalentdurchmesser, der beschreibt, welchen Durchmesser eine
wirkungsgleiche Kugel hat. Aussagen über die Partikelform können mit Hilfe der Siebanalyse nicht
Ausführliche Darstellung
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getroffen werden. Optische Methoden zur Partikelgrößenanalyse ermöglichen durch die Angabe von
Formfaktoren, wie der Sphärizität ψ, eine Beschreibung der Partikelform. Die Sphärizität gibt einen
Hinweis darauf, wie sich die Partikelform von dem Ideal der Kugel unterscheidet und ermöglicht eine
Korrektur des Partikelvolumens. Für die Auswertung von Siebversuchen ist diese Korrektur jedoch nicht
notwendig, da nicht das Volumen, sondern die statistische Faserlänge den Durchgang durch ein Sieb
entscheidet. [43]
Die Partikelgrößenverteilung von Proben aus dem Biogasprozess reicht von feinsten Partikeln im
µm-Bereich bis hin zu groben Fasern im cm-Bereich, welche im Gegensatz zu Schüttgütern mit Wasser
vermengt aggregieren und schwierig zu trennen sind. Aufgrund der hohen Verteilungsbreite kann die
Partikelgrößenverteilung nicht in einem Schritt bestimmt werden und erfordert einen ersten Trennschritt.
Da am DBFZ keine optischen oder quantitativen Messmethoden zur Verfügung standen, wie in der
Messvorschrift des Fraunhofer IKTS beschrieben [21], wurde die Partikelgrößenverteilung mit Hilfe einer
klassischen Siebanalyse aufgenommen. Zum Einsatz kam ein Siebturm aus Metallsieben mit 20 mm
Durchmesser und eine Siebmaschine (AS 300) der Firma Retsch GmbH (Haan).
In einem ersten Ansatz wurde die Probe ohne Einsatz der Siebmaschine lediglich im Siebturm mit Wasser
gespült und anschließend getrocknet. Da diese Nasssiebung jedoch sehr zeitaufwendig war und nur eine
geringe Reproduzierbarkeit erzielt werden konnte, wurde die Methode weiterentwickelt. Die Zeitdauer
einer Analyse konnte wesentlich reduziert werden, indem die Probe vor der Partikelgrößenanalyse
gefriergetrocknet und die Siebung im trockenen Zustand mit Hilfe einer Siebmaschine durchgeführt
wurde. Auch schlug sich das Ersetzen des bei der Nasssiebung spülenden Laboranten durch die
Siebmaschine in einer Erhöhung der Reproduzierbarkeit nieder.
Im Wesentlichen wurden bei der Methodenentwicklung zwei Arten von Proben unterschieden, welche als
Medien im Biogasprozess untersucht werden könnten:
a) Prozessmedien mit hohem Feinanteil und hohem Flüssigkeitsanteil, wie Fermenterinhalte
b) Substrate, meist grobfaserig und mit geringer Feuchte, wie Silagen
Wie in Abbildung 14 schematisch verdeutlicht, müssen beide Probenarten auf unterschiedliche Weise für
eine Partikelgrößenanalyse vorbereitet werden. Da bei Prozessmedien mit hohem Flüssigkeits- und
Feinanteil, wie Fermenterinhalten, grobe Partikel während einer Gefriertrocknung mit den Feinanteilen
aggregieren, ist bei dieser Art von Probe eine Vorabtrennung der Feinfraktion notwendig. In diesem ersten
Trennschritt (1.) wird die Probe in Anlehnung an die Methode nach IKTS [21] auf ein 0,5 mm Sieb gegeben
und mit Wasser gespült bis nur noch der Grobanteil auf dem Sieb verbleibt. Die in diesem ersten
Trennschritt abgetrennte Feinfraktion mit Partikeln ≤ 0,5 mm wird am Ende der Partikelgrößenanalyse
durch Kenntnis der Anfangseinwaage über Differenzenbildung rückgerechnet.
Da ein Überführen der trockenen Siebrückstände von den Sieben auf Papierfilter aufgrund von statischer
Aufladung und dem Festsetzen in den Maschen nur schwer ohne Verluste umsetzbar war, wurden die
beladenen Siebe direkt auf einer Oberschalenwaage ausgewogen.
Ausführliche Darstellung
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Abbildung 14: Schrittweise Vorgehensweise zur Aufnahme einer Partikelgrößenverteilung von a) Fermenterinhalten
(Prozessmedien) und b) Substraten (z.B. Silagen)
Die grafische Auswertung einer Partikelgrößenanalyse über die Dichte- und Summenverteilung
ermöglicht die Ableitung wichtiger Kenngrößen zur Beschreibung des dispersen Systems. Eine häufig
angegebene Kenngröße ist der Median x50. Der Median wird als Verteilungskenngröße grafisch aus der
Summenverteilung bestimmt und gibt an, dass 50 % der Probenmasse kleiner bzw. gleich dem
angegebenen Wert ist. Da durch die geringe Anzahl an Messpunkten eine grafische Auswertung der
Siebanalyse ungenau ist, wurde sich für die Ausgabe der mittleren Partikelgröße xm entschieden. Die
mittlere Partikelgröße xm ist das gewichtete Mittel der mittleren Partikelgrößen xK aller Partikelklassen.
Bei der Siebanalyse wird die mittlere Partikelgröße xK einer Partikelklasse als Mittelwert zwischen der
Maschenweite xS des Siebes und der des nächst größeren Siebes im Siebturm bestimmt. Die mittlere
Partikelgröße xm wiederum mittelt die xK der einzelnen Klassen gewichtet nach dem Massenanteil des
Siebrückstands an der Gesamtmasse der Probe auf dem jeweiligen Sieb.
Vergleich Siebanalyse – optische Partikelgrößenanalyse (Camsizer)
Um die Ergebnisse der Partikelgrößenanalyse nach der vorgestellten Methodik mit anderen etablierten
Methoden abzugleichen, wurde Kontakt zur TU Bergakademie Freiberg aufgenommen. Im EVT-Labor
(Energieverfahrenstechnik und thermischen Rückstandsbehandlung) des Instituts für Energieverfahrens-
technik und Chemieingenieurwesen (IEC) der TU Freiberg erfolgt die Partikelgrößenanalyse auf optischem
Wege mit Hilfe von zwei Camsizern (P4 und XT, Retsch GmbH, Haan). Bei diesem Messprinzip wird die
Probe zunächst mit definiert großen Partikeln suspendiert, auf eine Rüttelrinne gegeben und gleichmäßig
verteilt. Durch optische Messung werden die Partikel der Probe mit den zugegebenen Proben bekannter
Partikelgröße verglichen. Mit Hilfe des Camsizers können Fraktionen im kleinsten µm-Bereich bis hin zu
größeren Fraktionen bis 30 mm analysiert werden.
Um verschiedenartige Proben zu analysieren, wurde eine Partikelgrößenanalyse einer festen Probe und
flüssigen Probe beauftragt. Dabei handelte es sich um Maissilage und Fermenterinhalt einer Maismono-
vergärung an der Forschungsbiogasanlage. Beide Proben wurden bereits in der Methodenentwicklung
der Siebanalyse am DBFZ eingesetzt, weshalb Vergleichsmessungen zu deren Partikelgrößenverteilung
vorlagen. Neben dem institutsübergreifenden Vergleich der verschiedenen Messprinzipien konnte die
optische Partikelgrößenanalyse an der TU Freiberg zusätzliche Informationen über die Probe, wie die
Sphärizität ψ der Partikel, liefern. Da mit dem Camsizer jedoch nur feste, trockene Proben analysiert
werden können, wurden die Proben an beiden Instituten im gefriergetrockneten Zustand analysiert.
Abbildung 15 zeigt, dass die optische Partikelgrößenanalyse mit dem Camsizer eine hohe Auflösung der
einzelnen Klassen und somit eine hohe Genauigkeit der Messung ermöglicht. Wird der Volumenanteil der
Partikel der Maissilage über die mittleren Klassengrößen aufgetragen, ergibt sich der für
Normalverteilungen typische Glockenkurvenverlauf mit einem Maximum bei der Partikelgröße 7,55 mm.
1. Trennen a) Fermenterinhalt
Feinfraktion
Grobfraktion
2. Einfrieren 4. Sieben
Auswertung
5. Auswiegen b) Substrat 3. Trocknen
Ausführliche Darstellung
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Abbildung 15: Partikelgrößenverteilung von Maissilage, aufgenommen mit Camsizer P4 und XT (Retsch) an der TU
Bergakademie Freiberg
Ein Vergleich zum analysierten Fermenterinhalt in Abbildung 16 macht deutlich, dass die Partikelgrößen
im Fermenterinhalt viel breiter verteilt sind als bei der Maissilage. Es sind nahezu alle Klassengrößen
stärker vertreten, dafür gleichmäßiger und mit geringeren Volumenanteilen verteilt. Die höchsten
Volumenanteile sind in den sehr kleinen Größenklassen um 5 µm und um 27 µm, aber auch in den
größeren Klassen um 6,7 mm auszumachen. Damit wurde die Erfahrung, dass es sich bei
Fermenterinhalt um eine sehr inhomogene Probe handelt, welche zu einem Teil aus sehr feinen und zum
anderen Teil aus verhältnismäßig großen Partikeln besteht, analytisch bestätigt. Diese besondere
Partikelgrößenverteilung kann auf die Entstehung von Fermenterinhalten zurückgeführt werden. Da
Fermenterinhalt das Produkt der Vergärung der Substratpartikel ist, besitzt die Probe einen hohen Anteil
an feinen Partikeln im µm-Bereich, die bereits im Biogasprozess umgesetzt wurden. Bei den Anteilen im
mm-Bereich handelt es sich um frisch zugegebenes bzw. noch nicht weit vergorenes Substratmaterial,
welches aufgrund der quasikontinuierlichen Betriebsführung einer Biogasanlage ebenfalls ein
Bestandteil von Fermenterinhalten ist.
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1
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,00
19
,00
Vo
lum
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an
teil [
%]
mittlere Klassengröße [mm]
Ausführliche Darstellung
BMWi-03KB106A, 31.01.2019 46
Abbildung 16: Partikelgrößenverteilung von Fermenterinhalt der Forschungsbiogasanlage des DBFZ, mit Camsizer P4 und XT
(Retsch) an der TU Bergakademie Freiberg analysiert
Um die beiden Messprinzipien Camsizer und Siebanalyse zu vergleichen, wurden die Klassenbreiten der
optisch aufgenommenen Partikelverteilungen vergrößert und an die Klassenbreiten der Siebanalyse
angepasst, wie in Abbildung 17 dargestellt. Unterschiede in den ermittelten Fraktionsanteilen der beiden
Messprinzipien zeigen sich vor allem in den mittleren Klassengrößen von 2,58 mm bis 6,50 mm (bzw.
dem Rückstand der Siebe 2,00 mm; 3,15 mm und 5,00 mm). Es wird davon ausgegangen, dass die
optisch aufgenommene Partikelverteilung mit dem Camsizer ein genaueres Bild der Probe wiedergibt, da
die Verteilung der charakteristischen Glockenkurve näherkommt als die Partikelverteilung, welche mit
der Siebanalyse ermittelt wurde. Außerdem konnte mit der optischen Methode des Camsizers eine
höhere Reproduzierbarkeit erzielt werden, worauf die kleineren Fehlerindikatoren im Vergleich zur
Siebanalyse in Abbildung 17 hindeuten. Vergleicht man allerdings die mittleren Partikelgrößen xm, zeigen
sich nur geringfügige Unterschiede zwischen den Messprinzipien. Mit dem Camsizer wurde für die
Maissilage eine mittlere Partikelgröße xm von 6,10 mm ermittelt. Die Siebanalyse ergab ein xm=6,14 mm.
0
1
2
3
4
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,60
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,00
Vo
lum
en
an
teil [
%]
mittlere Klassengröße [mm]
Ausführliche Darstellung
BMWi-03KB106A, 31.01.2019 47
Abbildung 17: Vergleich der Partikelgrößenverteilung und des mittleren Partikeldurchmesser xm von Maissilage, mit Camsizer
P4 und XT (Retsch) an der TU Bergakademie Freiberg und per Siebanalyse (Retsch) am DBFZ analysiert
Ein ähnliches Bild zeigt der Vergleich der beiden Messprinzipien an der Probe Fermenterinhalt. Auch hier
werden Unterschiede in den ermittelten Partikelgrößenverteilungen ersichtlich, siehe Abbildung 18.
Vergleicht man wiederum die mittleren Partikeldurchmesser xm, liegen diese mit 1,97 mm (ermittelt mit
dem Camsizer) und 1,73 mm (ermittelt per Siebanalyse) nicht weit auseinander. Tabelle 6 fasst die
gemessenen mittleren Partikeldurchmesser beider Proben zusammen.
0
5
10
15
20
25
30
35
40
28,0012,006,504,082,581,700,950,25
16,008,005,003,152,001,400,500,00
Vo
lum
en
an
teil a
n T
S [
%]
mittlere Klassengröße xK [mm]
Siebgröße xS [mm]
Siebanalyse Camsizer
xK
xS
6,10
6,14
0 1 2 3 4 5 6 7
xm [mm]
Ausführliche Darstellung
BMWi-03KB106A, 31.01.2019 48
Abbildung 18: Vergleich der Partikelgrößenverteilung und des mittleren Partikeldurchmesser xm von Fermenterinhalt der
Forschungsbiogasanlage des DBFZ, mit Camsizer P4 und XT (Retsch) an der TU Bergakademie Freiberg und per
Siebanalyse (Retsch) am DBFZ analysiert
Mit Hilfe der optischen Partikelgrößenanalyse (Camsizer) konnte zusätzlich zur Partikelverteilung auch
die Form der Partikel beschrieben werden. Die Sphärizität ψ beschreibt, wie nah die Partikelform an eine
Kugel herankommt, wobei ein Wert von 1,0 einer Kugel entspricht. Wie aus Tabelle 6 abzulesen ist,
beträgt die Sphärizität der Maissilagepartikel im Mittel 0,45, was für eine faserige Partikelform spricht.
Interessant ist der Vergleich der Proben „Fermenterinhalt, grob“, gleichzusetzen mit Partikeln größer
1 mm, und „Fermenterinhalt, fein“, mit Partikeln ≤ 0,5mm. Es zeigt sich, dass die Partikel des feineren
Anteils mit ψ=0,77 kugelähnlicher sind als der grobe Anteil des Fermenterinhaltes, der eine Sphärizität
von ψ=0,24 aufweist. Damit konnte mit auch ein messtechnischer Hinweis darauf gegeben werden, dass
die Partikel im Fermenterinhalt mit abnehmender Größe kugelähnlicher bzw. weniger faserähnlicher
werden.
Tabelle 6: Vergleich der mittleren Partikelgröße und Sphärizität von Maissilage und Fermenterinhalt der
Forschungsbiogasanlage des DBFZ, mit Camsizer P4 und XT (Retsch) an der TU Bergakademie Freiberg und per
Siebanalyse (Retsch) am DBFZ ermittelt
Mittlere Partikelgröße xm Sphärizität ψ
Maissilage Fermenterinhalt Maissilage Fermenterinhalt
grob (x>1mm) fein (x≤ 0,5mm)
Camsizer 6,14 mm 1,97 mm 0,45 0,24 0,77
Siebanalyse 6,10 mm 1,73 mm −
Da für die Charakterisierung von Medien des Biogasprozesses im Vorhaben ELIRAS nicht die Partikel-
größenverteilung, sondern die Kenngröße mittlerer Partikeldurchmesser xm Eingang in weitere
0
10
20
30
40
50
60
70
28,0012,006,504,082,581,700,950,25
16,008,005,003,152,001,400,500,00
Vo
lum
en
an
teil a
n T
S
[%]
mittlere Klassengröße xK [mm]
Siebgröße xS [mm]
Siebanalyse Camsizer
xK
xS
1,97
1,73
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5
xm [mm]
Ausführliche Darstellung
BMWi-03KB106A, 31.01.2019 49
Betrachtungen findet, wird der Vergleich der Siebanalyse mit etablierten Messmethoden, wie dem
Camsizer, positiv bewertet und die Methode der Gefriersiebung als hinreichend genau angesehen.
Abnahme der Partikelgröße im diskontinuierlichen Gärversuch
Um den Zusammenhang zwischen Partikelgröße und anaerober Vergärung experimentell zu untersuchen,
wurde ein diskontinuierlicher Gärversuch regelmäßig beprobt und die Veränderung der Partikelgrößen-
verteilung über die Zeit aufgenommen.
Ein erster Vorversuch mit einem Fermenter zeigte bereits eine Veränderung der Partikelgröße im
zeitlichen Verlauf der anaeroben Vergärung. Außerdem wurde deutlich, dass die Herausforderung einer
solchen Versuchsanordnung darin liegt, dass in einem diskontinuierlichen Gärversuch nur wenig
Trockensubstanz bzw. Partikel auf ein hohes Fermentervolumen kommen, was bei häufiger Probenahme
eine repräsentative Probenahme erschwert. Deshalb wurden im Hauptversuch drei Fermenter parallel
betrieben und der Anteil an zugegebenem Substrat erhöht, damit mehr Fasern im Fermenterinhalt
enthalten sind. Um die Menge an Substrat pro Fermenter zu bestimmen, wurde ein weiterer Vorversuch
vorgesehen, in welchem die maximale organische Beladung eines diskontinuierlichen Gärversuchs
identifiziert wurde. Bei der maximalen organischen Beladung handelt es sich um die Menge an Substrat,
bis zu der die Gefahr einer zu starken Säurebildung und somit einer Übersäuerung der Fermenterbiologie
auszuschließen ist. In diesem Vorversuch zur organischen Beladung wurden vier 5-L-Fermenter mit
unterschiedlichen Mengen an Maissilage beschickt und die Prozessstabilität über pH-Wert und
Säurebildung beobachtet. Im Ergebnis dieser Vorversuche wurden 22 goTS kgImpfschlamm-1 als maximal
mögliche organische Beladung unter den gegebenen Versuchsbedingungen ermittelt. Zudem zeigte sich
ein starkes Schäumen der Vorversuchsfermenter, welches im Hauptversuch durch verstärktes Rühren
und Zugabe von Antischaummittel unterbunden werden sollte.
Im Hauptversuch kamen vier parallel betriebene 15-Liter-Rührkessel zum Einsatz, wovon drei Fermenter
identisch mit Substrat und Impfschlamm beschickt wurden. Im verbleibenden Versuchsfermenter wurde
kein Substrat zugegeben, um die Eigengasbildung des Impfschlammes zu ermitteln. Als Substrat kam
Maissilage mit 34 % TS und einer oTS von 97 %TS zum Einsatz. 733,3 g Substrat wurden mit 11 kg
Fermenterinhalt der DBFZ-Forschungsbiogasanlage aus einer Mais-Monovergärung angeimpft, um die im
Vorversuch ermittelte organische Beladung von 22 goTS kgImpfschlamm-1 einzustellen. Anaerobe Bedingungen
wurden zum Versuchsbeginn durch Spülen des Kopfraums des Fermenters mit Stickstoff gewährleistet.
Das entstehende Biogasvolumen wurde über Trommelgaszähler (TG 05, Dr.-Ing. RITTER Apparatebau
GmbH & Co. KG, Bochum) erfasst. Zur Analyse der Gaszusammensetzung wurde das entstandene Gas in
Gassäcken gesammelt und mit Hilfe eines AWITE-Gasanalysators (AWIFLEX, Awite Bioenergie GmbH,
Langenbach) über Infrarotabsorption bzw. elektrochemisch bestimmt. Die anaerobe Vergärung erfolgte
unter mesophilen Bedingungen bei einer Fermentertemperatur von ca. 39°C.
Der Fermenterinhalt wurde mit einem zentral angeordneten Ankerrührer vollständig durchmischt. Um ein
Überschäumen zu verhindern, wurde die Rührerdrehzahl anfangs auf 180 rpm eingestellt, am
darauffolgenden Tag auf 140 rpm und im weiteren Versuchsverlauf auf 70 rpm abgesenkt. Da die Proben
über einen Kugelhahn am Fermenterboden entnommen wurden und somit Sedimentation
ausgeschlossen werden musste, wurde die Rührerdrehzahl vor jeder Probenahme erhöht. Der
Entnahmestutzen wurde vor der Probenahme mit ca. 500 mL Vorlauf gespült. Im gesamten Gärversuch
wurden 10 Proben entnommen und der mittlere Partikeldurchmesser xm mit Hilfe einer Siebanalyse
(vergleiche Methodenbeschreibung S. 44) bestimmt.
Ausführliche Darstellung
BMWi-03KB106A, 31.01.2019 50
Um die zeitliche Veränderung der Partikelgrößenverteilung im Fermenterinhalt zu betrachten, wurden die
einzelnen Siebanteile in drei Fraktionen unterteilt. Die Grobfraktion umfasst dabei Partikel größer
3,15 mm, die Feinstfraktion Partikel ≤ 0,5 mm und die Feinfraktion alle dazwischenliegenden Partikel-
größen (0,5 < xm ≤ 3,15 mm). Betrachtet man die Veränderung der Fraktionsanteile des Fermenter-
inhaltes im diskontinuierlichen Gärversuch (Abbildung 19), verschiebt sich mit zunehmender Zeit ein
Anteil der Grobfraktion in die Feinstfraktion. Außerdem zeigt sich, dass die Grobfraktion über den
Zeitverlauf stärker abnimmt als die Feinfraktion. Die höher aufgelöste Veränderung der einzelnen
Siebfraktionen der Partikelgrößenverteilung ist in Anhang A 3 zu finden.
Abbildung 19: Veränderung der Grob-, Fein- und Feinstfraktion des Fermenterinhaltes im diskontinuierlichen Gärversuch
In Ergänzung zu Abbildung 21 ist in Abbildung 20 die Veränderung der Fraktionsanteile der Grob-, Fein-
und Feinstfraktion als Funktion im zeitlichen Verlauf dargestellt. Hier zeigt sich in allen Fraktionsanteilen
ein exponentieller Kurvenverlauf, welcher auch für die kumulierte Biogasbildung in einem
diskontinuierlichen Gärversuch kennzeichnend ist.
Abbildung 20: Zeitliche Veränderung der Fraktionsanteile Grob-, Fein- und Feinstfraktion im diskontinuierlichen Gärversuch
0%
5%
10%
15%
20%
25%
30%
35%
Fra
kti
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il a
n T
S [
%T
S]
Grobfraktion xm> 3,15 mm
0%
5%
10%
15%
20%
25%
30%
35%
Feinfraktion 0,5<xm≤ 3,15 mm
60%
65%
70%
75%
80%
85%
90%
95%
Feinstfraktion xm≤0,5 mm
t=0d
t=1d
t=2d
t=4d
t=6d
t=8d
t=10d
t=18d
t=28d
t=38d
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
0 5 10 15 20 25 30 35 40
An
teil [
%T
S]
Zeit t [d]
>3,15 mm
0,5…3,15 mm
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
0 5 10 15 20 25 30 35 40Zeit t [d]
≤ 0,5 mm
Ausführliche Darstellung
BMWi-03KB106A, 31.01.2019 51
Wird in der weiteren Auswertung des diskontinuierlichen Gärversuchs der bei jeder Probenahme
bestimmte mittlere Partikeldurchmesser xm im Verlauf der Zeit und mit umgekehrter Achse dargestellt,
kann die Abnahme der mittleren Partikelgröße im Fermenterinhalt in Zusammenhang mit der
Gasbildungskurve des diskontinuierlichen Gärversuchs gebracht werden. Im Diagramm in Abbildung 21
ist der kumulierte Biogasertrag gemeinsam mit der Abnahme der mittleren Partikelgröße des
Fermenterinhaltes im zeitlichen Verlauf des diskontinuierlichen Gärversuchs aufgetragen. Es zeigt sich,
dass die Abnahme des mittleren Partikeldurchmessers dem Kurvenverlauf des kumulierten
Biogasertrags folgt. Es kann demnach geschlussfolgert werden, dass die Zerkleinerung der Partikel im
Fermenterinhalt mit derselben Kinetik erfolgt wie die Biogasbildung. Diese Erkenntnis wird auch im
ELIRAS Modell (vergleiche Kapitel 2.3.7.2 „ELIRAS Modell“, S. 98) genutzt, um den mittleren
Partikeldurchmesser des Fermenterinhaltes im unbekannten Zustand nach erfolgtem Substrat-
aufschluss zu prognostizieren.
Abbildung 21: Kumulierter Biogasertrag und Abnahme der mittleren Partikelgröße des Fermenterinhaltes im
diskontinuierlichen Gärversuch (Dreifachbestimmung mit Angabe der Fehlerindikatoren)
2.3.4 Gärversuche (AP3 und AP7)
Der Fokus des ELIRAS Projektteils, welcher von Seiten des DBFZ durchgeführt wurde, lag auf
Gärversuchen zu den Effekten des Substrataufschlusses. Auf Basis dieser Gärversuche wurde das Modell
des ELIRAS Leitfadens experimentell validiert. Um auch Scale-up Effekte zu berücksichtigen und einen
Praxisbezug herzustellen, wurden die Gärversuche sowohl im Labormaßstab (AP3) als auch im
großtechnischen Maßstab (AP7) durchgeführt.
Tabelle 7 gibt eine Übersicht über alle betrachteten Gärversuche des Vorhabens ELIRAS. Zu den in
Tabelle 7 zusammengestellten Laborversuchen wurden sowohl diskontinuierliche als auch
kontinuierliche Gärversuche sowie daran anschließend Abklingversuche durchgeführt.
0,20
0,50
0,80
1,10
1,40
1,70
2,00
2,300
100
200
300
400
500
600
700
0 10 20 30 40
mit
tle
re P
art
ike
lgrö
ße
xm
[mm
]
Bio
ga
se
rtra
g [
mL
N/g
oTS]
Zeit [d]
Ausführliche Darstellung
BMWi-03KB106A, 31.01.2019 52
Tabelle 7: Übersicht über im ELIRAS Vorhaben durchgeführte Gärversuche im Labor- und Praxismaßstab
Nr. Substrate Desintegration Betriebsdaten Bemerkung
Labormaßstab
L1 Schlempe Thermisch
(Autoklav: 140°C; 3 bar);
Ultraschall
HRT = 8 d
OLR = 8 𝑔𝑜𝑇𝑆
𝐿 𝑑
Abnahme Gasertrag
infolge Desintegration;
siehe Kapitel 4.1.1
Erfolgskontrollbericht
L2 Sorghumsilage Mechanisch (Mahlen)
Thermisch (160°C; 190°C)
Enzymatisch (Zellulase)
Chemisch (Harnstoff)
Keine
kontinuierlichen
Gärversuche
durchgeführt
Abnahme Gasertrag
infolge Desintegration;
siehe Kapitel 4.1.2
Erfolgskontrollbericht
L3 Winterweizenstroh
Hühnertrockenkot
Wasser
Mechanisch-chemisch
(trockene Extrusion +
Natronlauge)
HRT = 60 d
OLR = 2,5 𝑔𝑜𝑇𝑆
𝐿 𝑑
Laufzeit* = 55 d
L4 Gerstenstroh
Rindergülle
Thermisch (Druckwechsel-
konditionierung: 190°C;
13,7 bar; 30 min)
HRT = 30 d
OLR = 3 𝑔𝑜𝑇𝑆
𝐿 𝑑
Laufzeit* = 55 d
L5 Hühnermist Thermisch
(Druckwechselkondi-
tionierung: 150°C; 5min)
HRT = 30 d
OLR = 2 𝑔𝑜𝑇𝑆
𝐿 𝑑
Laufzeit* = 33 d
Fehlende Bestimmung
flüchtiger
Komponenten;
siehe Kapitel 4.1.3
Erfolgskontrollbericht
Praxismaßstab
P1 Maissilage
Zuckerrübe
Mechanisch (Umstellung
der Beschickung) HRT = 230 d
OLR = 5,64 𝑔𝑜𝑇𝑆
𝐿 𝑑
Laufzeit*= 105 d
Als Demonstrator-
Biogasanlage für das
Vorhaben ELIRAS
ausgewählt
P2 Maissilage
Ganzpflanzensilage
Grassilage
Reststoffe
Rinder/Schweinegülle
Ultraschall im Bypass
(Rezirkulat) HRT = 55 d
OLR = 2 𝑔𝑜𝑇𝑆
𝐿 𝑑
Keine Veränderung
infolge Desintegration
nachweisbar;
siehe Kapitel 4.2
Erfolgskontrollbericht
* Laufzeit des kontinuierlichen Gärversuchs im Gleichgewichtszustand, im Mittel über alle Fermenter, ohne Abklingversuch
Aufgrund positiver Erfahrungen in der Vergangenheit, der homogenen Zusammensetzung und der
Möglichkeit kurzer Verweilzeiten wurden die ersten Gärversuche L1 mit dem Substrat Schlempe
umgesetzt. Da jedoch infolge thermischer und Ultraschall-Desintegration keine Steigerung des
Gasertrags nachgewiesen werden konnte, wurde für die nachfolgenden Gärversuche L2 ein anderes
Substrat in Betracht gezogen. In den Fokus rückte als ebenfalls homogenes Substrat Sorghumsilage,
welches in der Handhabbarkeit sehr Maissilage ähnelt. Zudem enthält Sorghumsilage einen höheren
Anteil an langsam abbaubarer Substratfraktion, welche mit Hilfe eines Substrataufschlusses verfügbar
gemacht werden könnte. In den diskontinuierlichen Gärversuchen L2 konnte unter einem breiten
Spektrum an verschiedenen Substrataufschlussverfahren jedoch keines identifiziert werden, welches
eine Erhöhung der Gasbildungsgeschwindigkeit oder des Biogasertrags der aufgeschlossen
Ausführliche Darstellung
BMWi-03KB106A, 31.01.2019 53
Sorghumsilage nach sich zog. Deshalb wurde auch von dem Einsatz von Sorghumsilage zur Durchführung
der Gärversuche in AP3 des Vorhabens ELIRAS abgesehen. Auf Basis einer Literaturrecherche rückte
Stroh als neues Modellsubstrat für das Vorhaben ELIRAS in den Vordergrund. Außerdem wurde der
Gärversuch L5 mit Hühnermist aus einem anderen Vorhaben unter den Gesichtspunkten des Vorhabens
ELIRAS ausgewertet.
Die erfolgreich durchgeführten und ausgewerteten Labor-Gärversuche L3 zur mechanisch-chemischen
Desintegration von Winterweizenstroh und L4 zur thermischen Desintegration von Gerstenstroh sind im
nachfolgenden Kapitel 0 des Schlussberichts dargestellt. Da die Gärversuche L1 und L2 und die
Auswertung des Gärversuchs L5 nicht erfolgreich waren, werden die Zwischenergebnisse dieser im
Erfolgskontrollbericht (Kapitel 4.1.1 bis 4.1.3) zusammengefasst.
Im Praxismaßstab (AP7) wurde die Umstellung der Beschickung an der Demonstrator-Biogasanlage (P1)
des Vorhaben ELIRAS betrachtet, siehe Kapitel 2.3.4.2 „Gärversuche im großtechnischen Maßstab
(AP7)“, S. 71. Die Installation einer Ultraschall-Desintegration an einer weiteren großtechnischen Anlage
(P2) wurde ebenfalls im Rahmen des ELIRAS Projekts wissenschaftlich begleitet. In den Gärversuchen
P2 konnte jedoch kein Effekt infolge der Desintegration nachgewiesen werden. Die Ausführliche
Auswertung des Praxis-Gärversuchs P2 ist im Erfolgskontrollbericht unter Kapitel 4.2 dargestellt.
2.3.4.1 Gärversuche im Labormaßstab (AP3)
Methoden
Diskontinuierliche Gärversuche
Mit Hilfe diskontinuierlicher Gärversuche sollte eine erste Aussage zum Effekt eines Substrat-
aufschlusses getroffen werden. Außerdem wurden aus dem Verlauf der diskontinuierlichen Gasbildung
Parameter zur Verfügbarkeit und Vergärungsgeschwindigkeit von Substraten abgeleitet, welche Eingang
in das Modell finden, auf welchem der ELIRAS Leitfaden fußt.
Die Grundlage zur Umsetzung der diskontinuierlichen Gärversuche bildete die VDI 4630 [17]. Dazu
wurden 2,5 goTS Probeneinwaage mit je 500 g Impfschlamm in je drei Parallelansätzen ohne weitere
Substratzugabe bei mesophiler Betriebsweise (Temperatur =39°C) vergoren. Als Impfschlamm kam
ausgefaulter, aber noch aktiver Gärrest einer Mais-Rindergülle-Vergärung der Forschungsbiogasanlage
des DBFZ zum Einsatz. Neben einer Nullprobe mit Impfschlamm ohne Substrat wurde in einem
Referenzansatz mikrokristalline Zellulose als Substrat eingesetzt. Damit wurde die Eigengasbildung und
Aktivität des Impfschlammes kontrolliert und erfasst. Das gebildete Biogasvolumen wurde täglich mit
Hilfe von Eudiometersystemen aufgenommen und auf Normbedingungen (0°C; 1013,25 mbar) korrigiert.
Die Analyse der Gaszusammensetzung erfolgte mit dem mobilen Deponiegasmesssystem Ansyco GA
2000 (ANSYCO analytische Systeme und Componenten GmbH, Karlsruhe). Der Abbruch der
diskontinuierlichen Gärversuche fand frühestens mit dem Erreichen des Abbruchkriteriums (tägliche
Zunahme der Biogasrate < 1 %) statt. Zur Vergleichbarkeit der Gaserträge zwischen verschiedenen
Substraten, wurde die gebildete Gasmenge auf die eingesetzte Menge an organischer Trockensubstanz
bezogen.
Ausführliche Darstellung
BMWi-03KB106A, 31.01.2019 54
Kontinuierliche Gärversuche
Kontinuierliche Gärversuche wurden in doppelt angesetzten Fermentern mit 10 Liter Reaktionsvolumen
umgesetzt. Der Fermenterinhalt wurde mit einem zentral angeordneten Ankerrührer vollständig
durchmischt. Die quasikontinuierliche Beschickung mit Substrat erfolgte täglich über einen Fütterungs-
stutzen nach vorheriger Ablaufentnahme. Abbildung 22 zeigt den grundlegenden Versuchsaufbau
kontinuierlicher Gärversuche. Auf Beschickung mit desintegriertem Substrat wurde nach ausreichend
langer Laufzeit der Gärversuche zur Gewährleistung eines stationären Betriebs umgestellt. Ein Abbruch
der Gärversuche erfolgte ebenfalls erst nach ausreichend langer Betriebsweise, sodass zur Auswertung
der stationäre Betrieb herangezogen werden konnte. Das entstehende Biogasvolumen wurde über
Trommelgaszähler (TG 05, Dr.-Ing. RITTER Apparatebau GmbH & Co. KG, Bochum) erfasst. Mit der
täglichen Aufnahme von Umgebungsdruck und –temperatur wurde die erfasste trockene Gasmenge auf
Normbedingungen (0°C; 1013,25 mbar) korrigiert. Zur Analyse der Gaszusammensetzung wurde das
entstandene Gas in Gassäcken gesammelt und mit Hilfe eines AWITE-Gasanalysators (AWIFLEX, Awite
Bioenergie GmbH, Langenbach) über Infrarotabsorption bzw. elektrochemisch bestimmt. Die anaerobe
Vergärung erfolgte unter mesophilen Bedingungen bei einer Fermentertemperatur von ca. 39°C.
Zur Auswertung der kontinuierlichen Gärversuche wurden die gemittelten Gaserträge der
Mehrfachansätze „unbehandelt“ und „desintegriert“ verglichen. Dabei wurde sowohl der Zeitraum vor als
auch nach Umstellung auf Beschickung mit desintegriertem Substrat betrachtet. Um zu beurteilen, ob
die Unterschiede im Gasertrag als signifikant angesehen werden können, wurden die Ergebnisse mit Hilfe
des Softwarepakets „IBM® SPSS Statistics 20“ mit einer Irrtumswahrscheinlichkeit α von 5 % auf
Signifikanz überprüft. Die genaue Vorgehensweise zur statistischen Auswertung ist in Kapitel 2.3.3.3
„Statistische Signifikanz“ ab S. 33 nachzulesen.
Abbildung 22: Versuchsaufbau quasikontinuierlich betriebener Laborfermenter, schematisch nach [44]
© J
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Gu
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it (
DB
FZ
)
Ausführliche Darstellung
BMWi-03KB106A, 31.01.2019 55
Im wöchentlichen Abstand wurde eine umfassende Analytik vorgenommen, welche neben der Aufnahme
der klassischen Parameter
pH-Wert
Flüchtige organische Säuren FOS (nach Kapp), Pufferkapazität FOS/TAC (nach FAL)
Ammonium-Stickstoff NH4-N (nach Neßler)
Säurespektrum organischer Säuren
TS/oTS
auch umfassendere Analysen gemäß Kapitel 2.3.3.4 („Charakterisierung von Substrat und
Fermenterinhalt (AP3)“, S. 38) beinhaltet:
Bestimmung flüchtiger organischer Säuren und Alkohole zur Korrektur der TS/oTS
Fermentierbare organische Trockensubstanz FoTS
Granulometrie (Partikelgrößenanalyse, mittlerer Partikeldurchmesser)
Gärversuche im Labormaßstab
L3 Mechanisch-chemische Desintegration von Weizenstroh und Hühnertrockenkot
Da in den Labor-Gärversuchen L1 und L2 zur Desintegration von Schlempe und Sorghum (Auswertung im
Erfolgskontrollbericht, Kapitel 4.1.1 und 4.1.2) keine Steigerung der Gasbildung infolge des
Substrataufschlusses nachgewiesen werden konnte, wurde ein weiteres Gärsubstrat in Betracht
gezogen. Auf Basis einer Literaturrecherche wurde Stroh als Substrat identifiziert, bei welchem ein
Substrataufschluss größere Effekte auf die Gasbildung erzielen kann. Hervorzuheben ist das Vorhaben
EFFIGEST („Entwicklung einer hocheffizienten Prozesskette zur Effizienzsteigerung bei der Vergärung von
Geflügelmist unter Nutzung modifizierter Strohfraktionen und mit prozessintegrierter Gewinnung
marktfähigem Düngers“; Fraunhofer IKTS (Dresden); 09/2013-08/2016; Förderkennzeichen FKZ:
03KB081; PTJ), in welchem die mechanisch-chemische Behandlung von Stroh zu einer Reduzierung
schwer abbaubarer Faserbestandteile im Substrat und zu einer 12–22 %igen Steigerung des Gasertrags
im diskontinuierlichen Gärversuchs führte. Auch bei kontinuierlicher Beschickung konnte infolge des
Strohaufschlusses ein Mehrertrag an Gas nachgewiesen werden. Der mechanisch-chemische
Substrataufschluss wurde durch Zugabe von Natronlauge mit anschließender Pelletierung des Strohs
umgesetzt. Die größten Effekte stellten sich bei der Behandlung des Strohs mit Natronlauge im Verhältnis
von 5 % ein. [3] Auch Fachartikel zum Aufschluss von Stroh als Futtermittel [45, 46] bestätigen einen
Aufschluss von Stroh im Verhältnis von ca. 5 g Natronlauge auf 100 g Stroh, damit dieses optimal von
Wiederkäuern aufgeschlossen werden kann. In der Literatur wird ebenfalls häufig von einem Aufschluss
von Stroh zur anschließenden Vergärung berichtet, vergleiche Kapitel 2.3.1.5 „Literaturrecherche“, S. 25.
Diskontinuierliche Gärversuche
In den Gärversuchen L3 des ELIRAS-Vorhabens wurde Winterweizenstroh (nachfolgend Stroh)
mechanisch-chemisch nach Vorbild der Literatur aufgeschlossen. Es kam Stroh mit einer TS von 92 %
Ausführliche Darstellung
BMWi-03KB106A, 31.01.2019 56
und einer oTS von 92 %TS zum Einsatz. Die Angaben zur TS und oTS beinhalten bereits die Korrektur um
flüchtige Bestandteile. Im unbehandelten Zustand lag das Stroh bereits gehäckselt, aber noch mit langen
Faserlängen von bis zu 10 cm vor (vergleiche Abbildung 23 a). Für den mechanisch-chemischen
Aufschluss wurde das Stroh zunächst trocken extrudiert und anschließend mit Natronlauge eingeweicht.
Da das Stroh trocken in einen Extruder gegeben wurde, kommt der mechanische Aufschluss einer
Zerkleinerung in einer Mühle gleich, ohne die für die Extrusion typischen Dampfdruckeffekte. Für die sich
anschließende chemische Behandlung mit Natronlauge wurde 0,18 g 32%ige Natronlauge je Gramm
Substrat-TS zugegeben, was einem Verhältnis von 100 %iger Natronlauge zu TS Substrat von 5,8 %
entspricht. Da sich in den ersten Versuchen zeigte, dass das sehr trockene Stroh nicht ausreichend
benetzt werden konnte, wurde die Natronlauge zusätzlich mit 4,53 g Wasser je Gramm TS Substrat
verdünnt und 4,71 g des Wasser-Natronlaugen (32 %)-Gemisch je Gramm TS Substrat mit einer
Sprühflasche zugegeben. Der Stroh-Natronlaugen Ansatz wurde über mindestens 24 h eingeweicht. Wie
in Abbildung 23 zu sehen ist, konnte bereits optisch eine Verkürzung der Faserlänge infolge der
mechanischen und mechanisch-chemischen Desintegration ausgemacht werden.
Abbildung 23: a) unbehandeltes Winterweizenstroh (gehäckselt);
b) mechanisch desintegriertes Winterweizenstroh (trocken extrudiert/gemahlen)
c) mechanisch-chemisch desintegriertes Winterweizenstroh (trocken extrudiert + Einweichen in Natronlauge)
In diskontinuierlichen Gärversuchen wurde der Effekt dieses mechanisch-chemischen Substrat-
aufschlusses auf die Vergärung von Stroh in Abhängigkeit der Einwirkzeit untersucht. Dazu wurde das
Stroh über 24 h (1 d) und 120 h (5 d) im Wasser-Natronlaugen-Gemisch eingeweicht. Das Ergebnis des
diskontinuierlichen Gärversuchs ist in Abbildung 24 grafisch verdeutlicht. Da durch den mechanisch-
chemischen Aufschluss des Substrates mit Natronlauge ein Teil des gebildeten Kohlenstoffdioxids in der
Flüssigphase gebunden wurde, wurde zur Auswertung die kumulierte Methanbildung herangezogen. Mit
Abbruch des diskontinuierlichen Gärversuchs am Tag 35 zeigt sich ein signifikanter (t-Test:
p<0,000<0,05) Anstieg des Methanertrags infolge Desintegration um +29 %. Der steilere Kurvenverlauf
des kumulierten Methanertrags deutet auf eine Beschleunigung der Gasbildung aus desintegriertem
Stroh hin. Außerdem bewirkte die mechanisch-chemische Desintegration eine Verkürzung der lag-Phase
zu Beginn des Gärversuchs.
Ausführliche Darstellung
BMWi-03KB106A, 31.01.2019 57
Abbildung 24: Kumulierter Methanertrag aus unbehandeltem und mechanisch-chemisch desintegriertem Winterweizenstroh
(Einweichzeit: 1d und 5d), ermittelt im diskontinuierlichen Gärversuch (Dreifachbestimmung mit Angabe der
Fehlerindikatoren)
Kontinuierliche Gärversuche
Um in kontinuierlichen Gärversuchen eine ausreichende Stickstoffversorgung zu gewährleisten, wurde
das Stroh gemeinsam mit Hühnertrockenkot (HTK) vergoren. Es wurde HTK mit durchschnittlich 51 % TS
und einer oTS von 92 %TS eingesetzt. Der mechanisch-chemische Substrataufschluss fand ausschließlich
beim Substratbestandteil Stroh statt. Analog zu den diskontinuierlichen Gärversuchen wurden je Gramm
TS Substrat 0,18 g 32%ige Natronlauge und 4,53 g Wasser mit einer Sprühflasche zugegeben und über
mindestens 24 h eingeweicht. Unter der Vorgabe, 75 % des oTS Inputs aus Stroh bereitzustellen, wurden
die Fermenter täglich mit 22 g Stroh und 20 g HTK beschickt. Das Substrat wurde unter Zuhilfenahme
von ca. 30 g Spülwasser vollständig in den Fermenter überführt, sodass eine hydraulische Verweilzeit von
60 d eingestellt wurde. Die Raumbelastung betrug 2,5 goTS L-1 d-1. Um eine vollständige Nährstoff-
versorgung zu gewährleisten, wurde wöchentlich eine Spurenelementmischung zugegeben. Die Ansätze
„unbehandelt“ und „desintegriert“ wurden jeweils in zwei parallel betriebenen Fermentern F umgesetzt.
Die kontinuierlichen Gärversuche liefen über einen Zeitraum von 200 Tagen, wobei davon über 52 Tage
Gleichgewichtszustand herrschte, bevor auf Beschickung mit aufgeschlossenem Substrat umgestellt
wurde. Nach einem anfänglichen Überschwingen der Gasproduktion infolge des Substrataufschlusses,
wurde ein 57 tägiger Versuchszeitraum im Gleichgewicht zur Auswertung der Gasproduktion aus
desintegriertem Substrat herangezogen. Abbildung 25 zeigt den für die Auswertung relevanten Ausschnitt
des Versuchszeitraums ab Versuchstag 90 und ohne das Überschwingen der Gasbildung bei den
Fermentern F2 und F3 zwischen Versuchstag 112 und 146. Zur Mitte der Versuchslaufzeit wurde eine
Verknappung des Substrates festgestellt. Daher wurde entschieden, die Beschickung der Fermenter F1
und F3 mit unbehandeltem Substrat ab Versuchstag 145 zu beenden, da diese lediglich parallel zu den
Versuchsfermentern F2 und F4 (mit desintegriertem Substrat) auch nach Umstellung auf Beschickung
Ausführliche Darstellung
BMWi-03KB106A, 31.01.2019 58
mit desintegriertem Stroh betrieben wurden. Trotz dieser Maßnahme stand noch ein ausreichend großer
Versuchszeitraum zur Mittelwertbildung des Methanertrags aus unbehandeltem Substrat zur Verfügung.
Da durch den Eintrag von Natronlauge in die Flüssigphase des Fermenters Kohlenstoffdioxid vermehrt
gebunden wurde, ging die Biogasbildung mit zunehmender Versuchszeit zurück. Deshalb wurde die
Bildung von Methan zur Auswertung herangezogen. Durch den Einsatz der mechanisch-chemischen
Desintegration konnte der mittlere Methanertrag im kontinuierlichen Gärversuch von 258 mLN/goTS auf
290 mLN/goTS erhöht werden, was einer Steigerung von 12 % entspricht.
Abbildung 25: Methanertrag aus unbehandeltem und mechanisch-chemisch desintegriertem Winterweizenstroh (Co-Vergärung
mit HTK), ermittelt im kontinuierlichen Gärversuch im Doppelansatz, rechts: Angabe der mittleren Methanerträge
unbehandelt und desintegriert sowie die prozentuale Veränderung infolge Desintegration; F…Fermenter
Es sei darauf hingewiesen, dass es bei Einsatz von Natronlauge in höheren Konzentrationsbereichen zu
massiven Prozesshemmungen kommt. Dies haben noch nicht veröffentlichte Versuche am DBFZ
ergeben. [47] Die Ergebnisse der wöchentlichen Laboranalysen des Fermenterinhaltes zur Beurteilung
der Prozessstabilität sind in den Anhängen A 5.1 bis A 5.4 zu finden. Die Diagramme zeigen, dass die
tägliche Zugabe einer Base die Pufferkapazität der Fermenter F2 und F4 ab Versuchstag 145 übersteigt.
pH-Wert (A 5.1) und FOS (A 5.2) bzw. FOS/TAC (A 5.3) steigen leicht an. Da jedoch ein langsamer Anstieg
erfolgt und die Werte im Rahmen empfohlener Optima [44] liegen, kann von einer stabilen
Prozessführung ausgegangen werden. Auch der Verlauf der Ammoniumstickstoffkonzentration über den
Versuchszeitraum (A 5.4) liegt unterhalb der Hemmkonzentration [4] und zeigt keine starken
Schwankungen, weshalb eine Hemmung ausgeschlossen werden kann. Bei der kontinuierlichen
Vergärung des Strohs traten keine Schwimmschichten und kein Schäumen auf. Auch vor dem
Hintergrund einer konstanten Gasbildung deutete demnach nichts auf eine Prozessinstabilität hin.
Ausführliche Darstellung
BMWi-03KB106A, 31.01.2019 59
Vor der Umstellung auf Beschickung mit desintegriertem Substrat (Tag 90–110) wurde mit Hilfe einer
einfaktoriellen Varianzanalyse (ANOVA) auf Unterschiede im Methanertrag geprüft und kein signifikanter
Unterschied (p=0,234 > α=0,05) festgestellt. Nachdem die Fermenter F2 und F4 mit desintegriertem
Substrat beschickt wurden (Tag 111–204), zeigte die hierarchische Varianzanalyse mit
p=0,004 < α=0,05 einen signifikanten Unterschied zwischen dem mittleren Methanertrag des Ansatzes
„unbehandelt“ (F1 und F3) und dem Methanertrag des Ansatzes „desintegriert“ (F2 und F4). Die im
kontinuierlichen Gärversuch ermittelte Erhöhung des Methanertrags um 12 % infolge der mechanisch-
chemischen Desintegration kann demnach als signifikant angesehen werden. Die statistische
Auswertung sollte jedoch vor dem Hintergrund betrachtet werden, dass nicht alle Voraussetzung für die
Anwendung des parametrischen statistischen Tests der hierarchischen Varianzanalyse gegeben waren.
Zwar lag für den Datensatz Normalverteilung vor, jedoch keine Varianzhomogenität. Der Boxplot in
Abbildung 26 veranschaulicht die Ergebnisse des Gärversuchs im Zeitraum nach der Umstellung auf
desintegriertes Substrat aus der statistischen Perspektive. Die Boxen von F2 und F4 (Ansatz
„desintegriert“) liegen deutlich oberhalb des Ansatzes „unbehandelt“ (F1 und F3).
Abbildung 26: Boxplot der Methanerträge aus unbehandeltem und mechanisch-chemisch desintegriertem Winterweizenstroh,
ermittelt im kontinuierlichen Gärversuch im Doppelansatz, Versuchszeitraum Tag 111–204, F…Fermenter
Abklingversuch
Zum Abschluss des kontinuierlichen Gärversuchs wurden die Fermenter als Abklingversuche
weitergeführt. Dazu wurde die Substratzufuhr gestoppt, die Aufzeichnung der Gasmenge allerdings weiter
betrieben. Die Gasmengenerfassung mittels AWITE-Gasanalysators erfolgte stündlich, sodass auch eine
stundengenaue Auflösung der Gasbildung darstellbar ist. Abbildung 27 zeigt einen 40 tägigen Ausschnitt
des Abklingversuchs L3 zwei Tage vor und nach Beendigung der Substratzufuhr. Um die Kurven auf ein
Ausgangsniveau zu bringen, wurde die Abweichung von der über die Tage -4 bis 0 gemittelten
Methanbildungsrate der Fermenter F1 bis F4 aufgetragen. Horizontal wurden die Abklingkurven auf einen
Me
tha
ne
rtra
g,
no
rmie
rt [
mL
N/g
oTS]
Ausführliche Darstellung
BMWi-03KB106A, 31.01.2019 60
zeitgleichen letzten Beschickungszeitpunkt verschoben. Die Gasbildung des gesamten, über knapp 3
Monate andauernden Abklingversuchs ist in Anhang A 6 dargestellt.
Die schlagartigen Anstiege der Methanbildungsrate vor dem Beginn des Abklingversuchs (Tag -2 bis
Tag 0) sind den Beschickungsereignissen zuzuordnen. Der Anstieg der Gasbildung nach Beschickung mit
thermisch desintegriertem Substrat (rot und orange) ist höher als der Anstieg nach Beschickung mit
unbehandeltem Substrat (grün), was auf eine schnellere und höhere Gasbildung aus desintegriertem
Substrat schließen lässt. Im sich anschließenden Abklingversuch fällt die Restgasbildung aus den
Fermentern, welche mit thermisch desintegriertem Substrat beschickt wurden, schneller ab als die
Gasbildung aus den Fermentern mit unbehandeltem Substrat.
Abbildung 27: Methanrate der Fermenter des Gärversuchs L4 nach Beendigung der Substratzufuhr (Abklingversuch L4); die
Kurven wurden auf einen gemeinsamen Startzeitpunkt und ein Höhenniveau zu Beginn des Abklingversuchs
verschoben
Abklingversuche sind damit eine weitere Möglichkeit, um Informationen für ein Bewertungsmodell ELIRAS
zu erlangen. Im Gegensatz zu diskontinuierlichen Gärversuchen liegen zu Beginn der Abklingversuche
kontinuierliche stationäre Prozessbedingungen vor, welche die Vergleichbarkeit zur realen Anlage
erhöhen. Dennoch ist ein Abklingversuch deutlich aufwendiger als ein diskontinuierlicher Batch-Test, da
dem Abklingen immer ein kontinuierlicher stationärer Betrieb vorausgehen muss und sich sehr lange
Versuchszeiträume ergeben. Außerdem genügt die Genauigkeit der Messungen durch Sauerstoffeintrag
und die sehr geringe Gasbildung zum Ende der Abklingversuche noch nicht für die hohen Ansprüche einer
Modellierung.
Substratcharakterisierung
Ausführliche Darstellung
BMWi-03KB106A, 31.01.2019 61
Das in den Gärversuchen eingesetzte Winterweizenstroh wies im Mittel eine TS von 92,3 % und eine oTS
von 92,4 %TS auf, während HTK mit TS=51,0 % und oTS=68,9 %TS zum Einsatz kam. Alle Angaben sind
bereits um flüchtige Bestandteile korrigiert.
Die Weender- und van Soest-Futtermittelanalyse des unbehandelten und mechanisch-chemisch
desintegrierten Strohs zeigt eine deutliche Veränderung der Substratbestandteile. Die Desintegration
bewirkte eine Zunahme des Gehalts an Nicht-Faser-Kohlenhydraten NFC bei gleichzeitiger Abnahme der
Gerüstbau-Kohlenhydrate. So konnten die Zellwandbestandteile Zellulose und Hemizellulose mit Hilfe
der Desintegration um 24 % und 43 % verringert werden, während sich der Anteil an schnell verfügbaren
Kohlenhydraten (NFC), wie Zucker, Stärke oder Pektine, um den Faktor 23 erhöhte. Der Gehalt der sehr
robusten Gerüstbaustruktur Lignin hingegen wurde durch den Substrataufschluss nicht beeinflusst.
Diese Verschiebung innerhalb der Kohlenhydratfraktionen von den schwerer vergärbaren Zellwand-
bestandteilen hin zu den leicht vergärbaren Nicht-Faser-Kohlenhydraten NFC lässt auf eine Erhöhung der
Vergärbarkeit des Strohs infolge der Desintegration schließen. Die Zahlenwerte zur Abbildung 28 finden
sich in Anhang A 7.
Abbildung 28: Gehalt an Nährstoffen und Gerüstbau-Kohlenhydraten sowie Nicht-Faser-Kohlenhydraten NFC (Zucker, Stärke,
Pektine) der Trockensubstanz des unbehandelten und mechanisch-chemisch desintegrierten Winterweizenstrohs
als Ergebnis der Weender- und van Soest-Futtermittelanalyse
Um den Einfluss der mechanisch-chemischen Desintegration auf die Granulometrie des Strohs zu
beschreiben, wurde eine Partikelgrößenanalyse mit dem unbehandelten und desintegrierten Stroh
durchgeführt. Die Partikelgrößenverteilung wurde dabei mit Hilfe der im Vorhaben ELIRAS entwickelten
Methode der Gefriersiebung in einer Dreifachbestimmung aufgenommen (Methodenentwicklung: siehe
Kapitel 2.3.3.4 „Charakterisierung von Substrat und Fermenterinhalt (AP3)“, S. 38). Wie bereits optisch
an einer deutlich verkürzten Faserlänge des desintegrierten Strohs zu erkennen ist (vergleiche Abbildung
23, S. 56), zeigen sich auch stark verschiedene die Partikelgrößenverteilungen zwischen unbehandeltem
und desintegrierten Substrat, siehe Abbildung 29.
0
100
200
300
400
500
600
700
800
Rohasche Rohprotein Rohfett NFC Zellulose Lignin Hemizellulose
An
teil a
n T
rock
en
su
bsta
nz
[g/k
gTS]
unbehandelt
desintegriert
Ausführliche Darstellung
BMWi-03KB106A, 31.01.2019 62
Abbildung 29: Anteil der Siebfraktionen an der Trockensubstanz TS des unbehandelten und mechanisch-chemisch
desintegrierten Winterweizenstrohs, ermittelt über Gefriersiebung (Dreifachbestimmung)
Während sich der Großteil (98 %) der Partikel des unbehandelten Strohs gleichmäßig auf den Sieben mit
Maschenweiten ≤ 3,15 mm verteilen, fällt der überwiegende Anteil (94 %) des desintegrierten Strohs
bereits durch das kleinste Sieb und weist somit Partikelgrößen ≤ 0,5 mm auf. Im Vergleich dazu besteht
das unbehandelte Stroh nur zu 14 % aus Partikeln ≤ 0,5 mm. 2 % der Fasern des unbehandelten Strohs
verbleiben auf den drei groben Sieben mit den Maschenweiten 5 mm, 8 mm und 16 mm. Im
aufgeschlossenen Stroh können keine Partikel > 16 mm mehr nachgewiesen werden und nur 0,8 % der
Partikel verbleiben auf den Sieben mit 5 mm und 8 mm Maschenweite. Zusammenfassend bewirkte
demnach der Substrataufschluss, dass ca. 80 % der Partikel, welche im unbehandelten Stroh im
Feinanteil zwischen 0,5 mm und 5 mm vorliegen, in den Feinstanteil ≤ 0,5 mm verschoben wurden.
Der mittlere Partikeldurchmesser des unbehandelten Strohs von 2,16 mm wurde mit Hilfe der
mechanisch-chemischen Desintegration um mehr als 80 % auf 0,40 mm verringert. Beim desintegrierten
Stroh konnte eine höhere Reproduzierbarkeit der Dreifachbestimmung erzielt werden, was auf die
Homogenität der Probe zurückzuführen ist. Die Zahlenwerte zu Abbildung 29 finden sich in Anhang A 8.1
und A 8.2.
Charakterisierung Fermenterinhalt
Die Granulometrie wurde auch zur Charakterisierung der Fermenterinhalte der kontinuierlichen
Gärversuche (L3) herangezogen. Dazu wurde einen Monat nach Umstellung auf Beschickung der
Fermenter F2 und F4 auf desintegriertes Substrat, Fermenterinhalt aus den vier Parallelfermentern
entnommen und einer Partikelgrößenanalyse (Gefriersiebung, Dreifachbestimmung) unterzogen. Die
Ausführliche Darstellung
BMWi-03KB106A, 31.01.2019 63
ermittelten Partikelgrößenverteilungen der Fermenter F1 bis F4 sind in Abbildung 30 grafisch
veranschaulicht.
Abbildung 30: Anteil der Siebfraktionen an der Trockensubstanz TS sowie mittlerer Partikeldurchmesser xm der Fermenterinhalte
des Gärversuchs L3 mit unbehandeltem und mechanisch-chemisch desintegriertem Winterweizenstroh (Co-
Vergärung mit HTK), ermittelt über Gefriersiebung (Dreifachbestimmung)
Dabei fällt zunächst auf, dass zwischen den identisch betriebenen Fermentern F1 und F3 des Ansatzes
„unbehandelt“ deutliche Unterschiede in der Partikelgrößenverteilung festgestellt wurden, während die
Partikelgrößenverteilungen der Fermenter F2 und F4 des Ansatzes „desintegriert“ gut miteinander
übereinstimmen. Da jedoch die Abweichungen innerhalb der Dreifachbestimmungen für beide Fermenter
in der gleichen Größenordnung liegen (ähnlich lange Fehlerindikatoren), ist der Unterschied nicht auf die
Analyse, sondern auf die Probenahme bzw. Beschickung der Fermenter zurückzuführen. Bei
unbehandeltem Stroh handelt es sich um ein sehr inhomogenes Substrat, welches vereinzelt Fasern von
bis zu 10 cm enthielt (vergleiche Abbildung 23 a). Wurde nun Fermenter F1 zufällig vermehrt mit langen
Fasern beschickt, ist im Fermenterinhalt dieses Fermenters ein größerer Fraktionsanteil bei längeren
Faserlängen (z.B. beim 3,15 mm Sieb, siehe Abbildung 30) als beim Fermenterinhalt F2 wiederzufinden.
Nachfolgend wird für den Ansatz „unbehandelt“ das Mittel zwischen F1 und F3 herangezogen.
Wie bereits beim Substrat (Stroh, unbehandelt) bestehen auch die Fermenterinhalte des Ansatzes
„unbehandelt“ fast ausschließlich (98 %) aus Partikeln ≤ 3,15 mm. Auf den größten Sieben mit
Maschenweiten von 5 mm, 8 mm und 16 mm verbleiben 2 % der Partikel. In den Fermenterinhalten des
Ansatzes „desintegriert“ hingegen können keine Partikel größer 8 mm und ein vernachlässigbarer Anteil
(0,07 %) an Partikeln größer 5 mm nachgewiesen werden. Der Großteil der Partikel (96 %) im
Fermenterinhalt des Ansatzes „desintegriert“ weist Partikelgrößen ≤ 1,4 mm auf. Bereits 78 % der
Partikel fallen durch das kleinste Sieb mit der Maschenweite 0,5 mm. Bei den Fermenterinhalten
Ausführliche Darstellung
BMWi-03KB106A, 31.01.2019 64
hingegen, welche mit unbehandeltem Substrat beschickt wurden, beträgt der Feinstanteil
(Partikelgrößen ≤ 0,5 mm) im Mittel 52 %.
Ähnlich zur granulometrischen Veränderung des Strohs infolge des Substrataufschlusses, bewirkt die
mechanisch-chemische Desintegration des Substrates auch im Fermenterinhalt eine Verschiebung der
Partikel aus dem Feinanteil (0,5 mm bis 5 mm) in den Feinstanteil (≤ 0,5 mm). Da jedoch Fermenterinhalt
aus unbehandeltem Substrat im Vergleich zum unbehandelten Stroh bereits zu einem höheren Anteil aus
feineren Partikeln besteht, werden infolge des Substrataufschlusses nur 25 % der Partikel vom Feinanteil
in den Feinstanteil verschoben.
Im Fermenterinhalt bewirkte der mechanisch-chemische Substrataufschluss eine Verringerung des
mittleren Partikeldurchmessers xm der Fermenterinhalte von 1,6 mm auf 0,6 mm um 65 %. Aus der
Verkleinerung des mittleren Partikeldurchmessers folgert auch ein hydrodynamischer Effekt des
mechanisch-chemischen Substrataufschlusses. In den Anhängen A 8.3 bis A 8.6 sind die Zahlenwerte
zur Partikelgrößenanalyse der Fermenterinhalte des Gärversuchs L3 zusammengefasst.
Schlussfolgerung Gärversuch L3
Im Labor-Gärversuch L3 wurde der mechanisch-chemische Aufschluss mit trockener Extrusion und
Natronlauge von Winterweizenstroh untersucht. In diskontinuierlichen Gärversuchen zeigte sich eine
Beschleunigung der Gasbildung sowie eine Steigerung des Methanertrags um +29 %. Die kontinuierliche
Co-Vergärung des Strohs mit HTK bestätigte einen Anstieg des Methanertrags infolge mechanisch-
chemischer Desintegration um 12 %. In der Futtermittelanalyse des unbehandelten und desintegrierten
Strohs konnte nachgewiesen werden, dass der Substrataufschluss des Strohs eine Verschiebung eines
Anteils an schwer vergärbaren Gerüstbaukohlenhydraten hin zu leicht vergärbaren Nicht-Faser-
Kohlenhydraten nach sich zog. Sowohl im Substrat als auch im Fermenterinhalt der kontinuierlichen
Gärversuche führte der mechanisch-chemische Substrataufschluss zu einer Abnahme der mittleren
Partikelgröße, was auf einen hydrodynamischen Effekt der Desintegration schließen lässt. Da im
Gärversuch L3 erfolgreich signifikante Effekte infolge des Substrataufschlusses nachgewiesen wurden
und zudem eine umfassende Datenbasis vorlag, wurden die Ergebnisse zur Validierung des ELIRAS
Modells herangezogen (siehe 2.3.7.2 „ELIRAS Modell“, S. 103).
L4 Thermische Desintegration von Gerstenstroh und Rindergülle
Um die Datenbasis zur Entwicklung des ELIRAS-Modells zu erweitern, wurde neben dem Labor-
Gärversuch L3 zur mechanisch-chemischen Desintegration von Weizenstroh ein Gärversuch zum
thermischen Aufschluss von Gerstenstroh nach den Vorgaben von ELIRAS ausgewertet und um
zusätzliche Analysen ergänzt. Der Gärversuch L4 wurde ebenfalls im Labormaßstab umgesetzt und war
Teil des Vorhabens „Wachstumskern – Chemnitz FutureGas: Entwicklung von Steuerungswerkzeugen für
modulare Biogasanlagen hinsichtlich ihres Stoffstrommanagements“ (Laufzeit: 09/2010-08/2013;
Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF); Projektträger Jülich (PtJ); FKZ: 03WKBS01A). Der
Endbericht des Vorhabens ist im Informationszentrum der TIB (Technische Informationsbibliothek und
Universitätsbibliothek) verfügbar [48]. Ausgewählte Ergebnisse wurden auch in einem Fachartikel
veröffentlicht. [49]
Ausführliche Darstellung
BMWi-03KB106A, 31.01.2019 65
Der thermische Substrataufschluss wurde über eine Druckwechselkonditionierung umgesetzt. Dazu
wurde das Stroh im Verhältnis von ca. 1:3 mit Wasser versetzt und mit Dampf erhitzt. Nach Ablauf einer
bestimmten Verweilzeit wurde das feuchte Stroh gemeinsam mit dem Dampf explosionsartig aus dem
Druckbehälter über ein Ventil in einen Entspannungsbehälter entlassen. Durch die schlagartige
Entspannung sind neben dem thermischen Einfluss durch die hohe Temperatur auch physikalische
Effekte zu vermuten. Da in diskontinuierlichen Gärversuchen eine Druckwechselkonditionierung bei
190°C über 30 min die höchste Steigerung des Gasertrags gegenüber dem unbehandelten Substrat
ermittelt wurde, wurde diese Parameter als optimaler Betriebspunkt gewählt. Welche optische
Veränderung der thermische Substrataufschluss nach sich zog, ist in Abbildung 31 zu erkennen. Im
„unbehandelten“ Zustand (Abbildung 31.a) wurde das Gerstenstroh mit einer Strohmühle (STZ, Fa. Himel,
Melchingen) auf eine Länge von ca. 10 mm vorzerkleinert. Die Druckwechselkonditionierung bei 190°C
über 30 min zog eine deutliche Struktur- und Farbänderung nach sich, wie an der pastösen Konsistenz
und der Dunkelfärbung des aufgeschlossenen Strohs in Abbildung 31.b zu erkennen ist. [48]
Abbildung 31: a) unbehandeltes Gerstenstroh (10 mm Länge);
b) Gerstenstroh nach Druckwechselkonditionierung (190°C, 30 min) [48]
Diskontinuierliche Gärversuche
Zur Findung des optimalen Betriebspunktes des thermischen Substrataufschlusses wurden Temperatur
und Verweilzeit der Druckwechselkonditionierung variiert und die Veränderung der Biogasbildung in
diskontinuierlichen Gärversuchen untersucht. Die diskontinuierlichen Gärversuche wurden im
Dreifachansatz entsprechend der VDI-Richtlinie 4630 unter mesophilen Prozessbedingungen
durchgeführt. Es kamen AMPT-Systeme (Automatic Methane Potential Test System) der Firma
Bioprocesscontrol (Lund, Schweden) zum Einsatz. Abbildung 32 zeigt den kumulierten Methanertrag der
für das Vorhaben ELIRAS relevanten Ansätze zur Vergärung von unbehandeltem und bei 190°C über
30 min thermisch desintegriertem Gerstenstroh. Wie an dem deutlich steileren Kurvenverlauf der
Methanbildung aus desintegriertem Substrat zu erkennen ist, stieg die Geschwindigkeit der anaeroben
Vergärung infolge der Druckwechselkonditionierung. Der Methanertrag konnte durch den thermischen
Substrataufschluss signifikant (t-Test: p<0,000<0,05) um 11 % erhöht werden.
a) b)
Ausführliche Darstellung
BMWi-03KB106A, 31.01.2019 66
Abbildung 32: Kumulierter Methanertrag aus unbehandeltem und thermisch desintegriertem Gerstenstroh (190°C; 30 min),
ermittelt im diskontinuierlichen Gärversuch (Dreifachbestimmung mit Angabe der Fehlerindikatoren)
Kontinuierliche Gärversuche
Da in diskontinuierlichen Gärversuchen ein deutlicher Effekt des thermischen Substrataufschlusses
aufgezeigt werden konnte, wurde ein kontinuierlicher Gärversuch angeschlossen, in dem Gerstenstroh
im unbehandelten und thermisch desintegrierten Zustand im Doppelansatz vergoren wurde. Es kamen
vier baugleiche 10-Liter-Fermenter zum Einsatz. Zur Bewahrung der Prozessstabilität und Vermeidung
von Schwimmschichten betrug die Raumbelastung 3 goTS L-1 d-1 und die mittlere hydraulische Verweilzeit
30 Tage. Der kontinuierliche Gärversuch wurde über einen Zeitraum von 180 Tagen betrieben, wobei die
erste Phase dem Einfahren und Herstellen stabiler Prozessbedingungen diente. Ab dem 92. Versuchstag
wurden zwei der vier Versuchsfermenter mit thermisch desintegriertem Gerstenstroh beschickt, während
die verbleibenden beiden Fermenter weiter mit unbehandeltem Stroh betrieben wurden. Die Druck-
wechselkonditionierung zur Desintegration des Gerstenstrohs erfolgte am optimalen Betriebspunkt von
190°C über 30 min. Um die Lagerungsdauer des aufgeschlossenen Substrates so kurz wie möglich zu
halten, wurden einzelne Chargen Stroh in einem etwa zweiwöchentlichen Abstand der Druckwechsel-
konditionierung unterzogen.
Nach einem anfänglichen Überschwingen der Gasproduktion mit Umstellung der Beschickung der
Fermenter F3 und F4 auf thermisch desintegriertes Substrat, beginnt mit Zugabe der Strohcharge 4 eine
Phase konstanter Gasbildung, welche zur Auswertung im Vorhaben ELIRAS herangezogen wurde. Wie in
Abbildung 33 zu erkennen ist, konnte der mittlere Methanertrag während dieses stationären
Betrachtungszeitraums durch den Einsatz des thermischen Substrataufschlusses von 214 mLN goTS-1 auf
273 mLN goTS-1 um 28 % erhöht werden.
Ausführliche Darstellung
BMWi-03KB106A, 31.01.2019 67
Abbildung 33: Methanertrag im kontinuierlichen Gärversuch aus unbehandeltem und thermisch desintegriertem (190°C; 30
min) Gerstenstroh, Co-Vergärung mit Rindergülle, F…Fermenter
Ob der 28 %ige Unterschieds im Methanertrag statistisch gesichert werden kann, wurde mit Hilfe eines
statistischen Signifikanztest geprüft. Da mit der hierarchischen Varianzanalyse ein parametrischer Test
zum Einsatz kommen sollte, mussten zunächst die Voraussetzungen zur Anwendung eines para-
metrischen Signifikanztests überprüft werden. Unabhängigkeit und Normalverteilung war für den Großteil
der Versuchseinheiten (Fermenter) gegeben. Allerdings verwarf der Levene‘s Test die Varianz-
homogenität, wie auch im Boxplot (Abbildung 34) an der längeren Antenne von „F3 desintegriert“
gegenüber den anderen Versuchseinheiten zu erkennen ist. Die hierarchische Varianzanalyse bestätigte
die Signifikanz des im kontinuierlichen Gärversuch nachgewiesenen Unterschieds im Methanertrag mit
einem p<0,000 < α=0,05.
Ausführliche Darstellung
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Abbildung 34: Boxplot der Methanerträge aus unbehandeltem und thermisch desintegriertem Gerstenstroh
(Thermodruckhydrolyse bei 190°C über 305 min), ermittelt im kontinuierlichen Gärversuch im Doppelansatz,
F…Fermenter
Im Anhang A 9.1 wird der Betrachtungszeitraum ELIRAS in den gesamten Versuchszeitraum des
kontinuierlichen Gärversuchs L3 eingeordnet. Der Abfall des Gasertrags mit Zugabe der 3. Strohcharge
konnte auf eine suboptimale Entspannung und Probenahme während der Druckwechselkonditionierung
dieser Charge zurückgeführt werden.
Im Betrachtungszeitraum ELIRAS des Gärversuchs L3 lagen stabile Prozessbedingungen vor, wie z.B. am
konstanten Verlauf des pH-Wertes des Fermenterinhaltes abgeleitet werden kann, siehe hierzu
Endbericht „Wachstumskern – Chemnitz FutureGas“ [48], S. 49. Die Unterschiede im Niveau des pH-
Wertes des Fermenterinhaltes nach Umstellung auf desintegriertes Substrat bestätigen unterschiedliche
Prozessbedingungen in den Fermenteransätzen „unbehandelt“ und „thermisch desintegriert“. [48]
Abklingversuch
Mit Abschluss der kontinuierlichen Gärversuche wurde die Substratzufuhr gestoppt und die Fermenter
als Abklingversuche weitergeführt. Abbildung 35 zeigt die Methanbildungsrate der Fermenter F1 bis F4
zwei Tage vor und nach Beendigung der Substratzufuhr. Die Kurven der Methanbildungsrate wurden
horizontal auf eine gleichzeitig stattfindende letzte Beschickung verschoben. Vertikal erfolgte eine
Anpassung auf ein Höhenniveau durch Bezug der täglichen Methanbildungsrate auf den Mittelwert des
letzten Tages vor Einstellen der Beschickung.
Die schlagartigen Anstiege der Methanbildungsrate vor dem Beginn des Abklingversuchs (Tag -2 bis
Tag 0) sind als sprunghafte Gasbildung aus dem zu diesen Zeitpunkten beschicktem Substrat zu
interpretieren. Wie an dem stark ausgeprägten Anstieg der Gasbildungsrate nach Beschickung mit
Me
tha
ne
rtra
g,
no
rmie
rt [
mL
N/g
oTS]
Ausführliche Darstellung
BMWi-03KB106A, 31.01.2019 69
thermisch desintegriertem Substrat (rot und orange) gegenüber dem kleinen Anstieg nach Beschickung
mit unbehandeltem Substrat (grün) auszumachen ist, wird aus desintegriertem Substrat deutlich mehr
und schneller Biogas gebildet. Im sich anschließenden Abklingversuch fällt die Restgasbildung aus den
Fermentern, welche mit thermisch desintegriertem Substrat beschickt wurden, deutlich schneller ab als
die Gasbildung aus den Fermentern mit unbehandeltem Substrat.
Abbildung 35: Methanbildungsrate der Fermenter des Gärversuchs L4 nach Beendigung der Substratzufuhr (Abklingversuch
L4); die Kurven wurden auf einen gemeinsamen Startzeitpunkt und ein Höhenniveau zu Beginn des
Abklingversuchs verschoben
Substratcharakterisierung
Durch die thermische Desintegration des Gerstenstrohs im feuchten Zustand sank die mittlere TS des
Strohs von 92,8 % auf 16,5 %, während sich die oTS von im Mittel 97 %TS nicht veränderte. Als Co-Substrat
kam 6,0 %ige Rindergülle mit einer oTS von 80 % zum Einsatz.
Die Weender- und van Soest-Futtermittelanalyse des unbehandelten und thermisch desintegrierten
Strohs zeigt eine Veränderung der Substratbestandteile. Der thermische Substrataufschluss bewirkte
eine deutliche Zunahme des Gehalts an Nicht-Faser-Kohlenhydraten NFC. Gleichzeitig nahmen die
Gerüstbau-Kohlenhydrate, insbesondere die Gehalte an Zellulose und Hemizellulose ab. Der Anteil an
Zellulose konnte im Mittel um 21 % verringert werden, der Anteil an Hemizellulose sogar um 70 %. Schnell
verfügbare Kohlenhydrate (NFC), wie Zucker, Stärke oder Pektine, stiegen auf mehr als das 6-fache an.
Auch der Gehalt der sehr robusten Gerüstbaustruktur Lignin wurde durch den Substrataufschluss erhöht,
allerdings in stark unterschiedlichem Maße, sodass von einer Auswertung abgesehen wird. Die
Verschiebung innerhalb der Kohlenhydratfraktionen von den schwerer vergärbaren Zellwand-
bestandteilen hin zu den leicht vergärbaren Nicht-Faser-Kohlenhydraten NFC lässt auf eine verbesserte
Vergärbarkeit des Strohs infolge der thermischen Desintegration schließen. Die Zahlenwerte zur
Abbildung 36 finden sich in Anhang A 9.1.
Ausführliche Darstellung
BMWi-03KB106A, 31.01.2019 70
Da die Gärversuche in einem zurückliegenden Projekt durchgeführt wurden, wurde der Gehalt an
flüchtigen Komponenten im Substrat noch nicht standardmäßig analysiert. Für die nachträgliche
Auswertung der Versuche im Vorhaben ELIRAS, lagen keine frischen Substrate mehr vor, sodass zu
berücksichtigen bleibt, dass die Werte der Substratcharakterisierung ohne Korrektur um flüchtige
Bestandteile angegeben sind.
Abbildung 36: Gehalt an Nährstoffen und Gerüstbau-Kohlenhydraten sowie Nicht-Faser-Kohlenhydraten NFC (Zucker, Stärke,
Pektine) der Trockensubstanz des unbehandelten und thermisch desintegrierten Gerstenstrohs als Ergebnis der
Weender- und van Soest-Futtermittelanalyse
Schlussfolgerung Gärversuch L4
Im Labor-Gärversuch L4 wurde der Aufschluss von Gerstenstroh mit Hilfe einer Druckwechsel-
konditionierung (190°C, 30 min) untersucht. In diskontinuierlichen Gärversuchen zeigte sich eine
Beschleunigung der Gasbildung sowie eine Steigerung des Methanertrags um +11 %. Die kontinuierliche
Vergärung des Strohs bestätigte einen Anstieg des Methanertrags infolge mechanisch-chemischer
Desintegration um 28 %. In der Futtermittelanalyse des unbehandelten und desintegrierten Strohs
konnte nachgewiesen werden, dass der Substrataufschluss des Strohs eine Verschiebung eines Anteils
an schwer vergärbaren Gerüstbaukohlenhydraten hin zu leicht vergärbaren Nicht-Faser-Kohlenhydraten
nach sich zog. Da im Gärversuch L4 erfolgreich signifikante Effekte infolge des Substrataufschlusses
nachgewiesen wurden und zudem eine umfassende Datenbasis vorlag, wurden die Ergebnisse zur
Validierung des ELIRAS Modells herangezogen (siehe 2.3.7.2 „ELIRAS Modell“, S. 108).
Ausführliche Darstellung
BMWi-03KB106A, 31.01.2019 71
2.3.4.2 Gärversuche im großtechnischen Maßstab (AP7)
Demonstratoranlage
Die Demonstration des Vorhabens im großtechnischen Maßstab erfolgte an einer Demonstrator-
Biogasanlage, nachfolgend Demonstrator genannt, welche ihr Beschickungssystem im Projektzeitraum
ELIRAS von Fest- auf Flüssigdosierung umgestellt hat. Es wird davon ausgegangen, dass die Art der
Substratbeschickung einer Biogasanlage analog eines Substrataufschlusses einen Einfluss auf die
Vergärung hat. Durch z.B. Verdichten und Auflösen des Substrates in der Pressschnecke oder das
Anmaischen mit Rezirkulat werden im Vergleich zur Feststoffbeschickung Effekte, wenn auch nur von
hydrodynamischer Natur, erwartet. Deshalb wird die Umstellung der Beschickung auf dem Demonstrator
mit einer mechanischen Desintegration gleichgesetzt. Die wissenschaftliche Begleitung der Umstellung
wird im Vorhaben ELIRAS als Praxis-Gärversuch P1 eingeordnet, vergleiche auch Tabelle 7.
Ausgangspunkt für die Betrachtungen im AP7 war die Beschreibung des Ist-Zustandes der
Demonstratoranlage anhand des in AP2 entwickelten Fragekatalogs. Die Bemessungsleistung der im
Dezember 2006 erbauten Anlage beträgt 1605 kW. Wie in Abbildung 37 schematisch festgehalten
wurde, besteht der Demonstrator aus zwei parallel betriebenen Hauptfermentern (a, a‘) mit einem
Durchmesser von 23 m und einer Füllhöhe von 5,5 m, woraus sich ein Gärvolumen von je 2300 m³ ergibt.
Ein Teilstrom das Fermenterinhaltes der Hauptfermenter wird über eine mechanische Zerkleinerung
(Hammermühle Impra 5M; TIETJEN Verfahrenstechnik GmbH, Hemdingen) rezirkuliert, um die Viskosität
des Gärmediums herabzusetzen. An die Hauptfermenter schließt sich ein Nachgärer (b) mit 2300 m³
Volumen und ein zweiter Nachgärer (b‘) mit 5000 m³ (Durchmesser: 30 m, Höhe: 7 m) an. Nach der Fest-
Flüssig-Trennung nach dem letzten Nachgärer wird die Flüssigphase in das geschlossene, nicht beheizte
Gärproduktlager (c) (Volumen: 5000 m³) befördert. Wie im Schlussbericht Maier/LTS (S. 79) detailliert
beschrieben, wird Hauptfermenter I (a) von drei schnelllaufenden Rührwerken durchmischt. Die
Durchmischung im Hauptfermenter II (a‘) hingegen wird mit einer Kombination aus zwei Langsamläufern
und zwei Schnellläufern realisiert.
Die Betriebstemperatur der Trockenfermentation liegt mit 46-48°C im meso-thermophilen Bereich.
Täglich werden in beide Hauptfermenter ca. 40 t Substrat zugeführt, welches sich aus Maissilage
(ca. 80 %) und Zuckerrübensilage zusammensetzt. Im Betrachtungszeitraum betrug die Raumbelastung
ca. 6 goTS L-1 d-1. Das Substrat verweilte über ca. 50 d in den Hauptfermentern, in der gesamten Anlage
ca. 270 d.
Ausführliche Darstellung
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Abbildung 37: Fließschema und Frontaufnahme (© Maier Energie- und Umwelt GmbH) der Demonstratoranlage mit
Hauptfermenter- (a, a‘), Nachgärer- (b, b‘) und Gärrestlagerbehälter (c); Substratstrom nach Umstellung der
Fütterung grün dargestellt
Aus dem entstandenen Biogas wird in zwei vor Ort befindlichen und einem Satelliten-BHKW Strom und
Wärme produziert. Bei einem Wirkungsgrad von 40 % beträgt die jährliche Elektroenergieproduktion bei
13.850.000 kWh, wovon ca. 3,5 % zum Betrieb der Biogasanlage verwendet werden. Da auf der Anlage
die Menge an produziertem Gas zunächst nur als Gesamtmenge an den BHKWs erfasst wurde, wurde im
Rahmen des Vorhabens ELIRAS ein Gasmengenmessgerät (GD300, Esters Elektronik GmbH,
Aschaffenburg) am Hauptfermenter 2 nachgerüstet. Damit konnten die gebildeten Gasmengen am
Hauptfermenter 2, an dem die Umrüstung stattfand, aufzeichnen werden. Das Funktionsprinzip der
Gasmengenerfassung über einen Schwingstrahl-Durchflussmesser (in Abbildung 37 durch „F“ gekenn-
zeichnet) ist im Schlussbericht Maier/LTS ab S. 82 nachzulesen.
Die Beschickung des Fermenters mit Substrat wurde im Projektzeitraum von einer Feststoffbeschickung
über einen Schneckenbaum auf eine Flüssigdosierung umgestellt. Bei der Flüssigdosierung wird das
Substrat mit einer Kombination aus einem Bandförderdosierer und einer Förderpumpe des Fabrikats BIO-
MIX (Pumpenfabrik Wangen GmbH, Wangen im Allgäu) mit Rezirkulat angemischt in den Fermenter
befördert, siehe Abbildung 38. In Abbildung 37 sind die Substratströme nach Fütterungsumstellung grün
dargestellt. Durch am Förderband integrierte Reißelemente und das Anmaischen des zuvor trocken
dosierten Substrates mit Rezirkulat wird von Substrataufschlusseffekten ausgegangen.
Ausführliche Darstellung
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Abbildung 38: Dosiersystem aus a) Bandförderer und b) Förderpumpe BIO-MIX (Pumpenfabrik Wangen GmbH, Wangen im Allg.)
© Maier Energie- und Umwelt GmbH
Praxis-Gärversuch P1
Versuchszeitraum
Im Vorhaben ELIRAS wurde das Betriebstagebuch der Demonstratoranlage von Januar 2017 bis Februar
2018 über eine Versuchszeit von 423 Tagen ausgewertet. Der Betrachtungszeitraum für den Vergleich
vor/nach Umstellung der Beschickung wurde so gewählt, dass von Versuchstag (VT) 264–304 ein
Zeitfenster vor Umbau der Beschickung und das Zeitfenster VT 318–423 nach dem Umbau
herangezogen wurde. Damit ergibt sich ein Betrachtungszeitraum von 160 Versuchstagen von
September 2017 bis Februar 2018, währenddessen die Demonstratoranlage unter konstanten
Bedingungen, wie Raumbelastung und Verweilzeit, betrieben wurde und die Umstellung der Beschickung
erfolgte. Der Umbau der Dosierung an Hauptfermenter 2 erfolgte im Versuchszeitraum VT 305–317. Die
Messdaten in diesem Zeitraum des Umbaus wurden nicht zur Auswertung herangezogen. Ab VT 282
wurde die Gasmenge zusätzlich zur Gesamtbiogasanlage auch am Hauptfermenter 2 erfasst.
Gasbildung
Abbildung 39 zeigt die Messpunkte des täglich erfassten Biogasertrags, zum Einen ermittelt über die
Gasbildung der gesamten Anlage (orange) und zum Anderen über den nachträglich installierte
Gasmengenerfassung an Hauptfermenter 2 (blau). Die übereinanderliegenden Messpunkte verdeut-
lichen, dass beide Systeme zur Erfassung des Biogasertrags gut übereinstimmende Messwerte liefern.
Außerdem zeigen die Messwerte des Biogasertrags vor dem Betrachtungszeitraum (VT 0–304), dass der
Umstellung der Beschickung ein stationärer Betrieb vorausging.
Um die Gasbildung vor und nach Umstellung der Beschickung zu vergleichen, wurden die Mittelwerte der
täglich erfassten Biogaserträge im stationären Zustand vor und nach dem Umbau gegenübergestellt.
Dazu wurde die VT 264–304 für den Zustand „vor Umstellung“ herangezogen, in Abbildung 39 durch
eine grüne Pfeillinie markiert. Die rote Pfeillinie kennzeichnet den Betrachtungszeitraum zur
Ausführliche Darstellung
BMWi-03KB106A, 31.01.2019 74
Mittelwertbildung der täglichen Biogaserträge nach Umstellung von VT 318–423. Der nicht betrachtete
Zeitraum des Umbaus der Dosierung wurde ausgegraut.
Vor der Umstellung der Substratbeschickung betrug der tägliche Biogasertrag 459 mLN goTS-1. Die Um-
stellung der Beschickung, welche einem Substrataufschluss gleichkommt, führte zu einer signifikanten
Erhöhung des Biogasertrags um 13 % auf 517 mLN goTS-1. Die Signifikanz des Unterschiedes wurde
aufgrund von gegebener Normalverteilung, aber Varianzheterogenität der Daten mit Hilfe des Welch’s t-
Test auf einem Irrtumswahrscheinlichkeit α von 5 % getestet. Mit einem p<0,000 < α=0,05 wurde die
Nullhypothese „Es gibt keinen Unterschied zwischen den Biogaserträgen vor und nach Umstellung der
Beschickung“ signifikant verworfen.
Abbildung 39: Täglich gemessener Biogasertrag von Hauptfermenter 2 der Demonstratoranlage im Versuchszeitraum,
gemessen am BHKW für die Gesamtanlage, rückgerechnet auf Hauptfermenter 2 (orange) und gemessen am
Hauptfermenter 2 (blau); rote und grüne Linie: mittlerer Biogasertrag im Betrachtungszeitraum VT 264-304 (vor
Umstellung) und 318-423 (nach Umstellung)
Vergleicht man den Anteil der direkt am Hauptfermenter 2 gemessenen Gasmenge an der Gasmenge der
Gesamtanlage (gemessen am BHKW), wird deutlich, dass dieser Anteil infolge der Umstellung der
Beschickung von 36 % auf 41 % steigt. Vor der Umstellung der Beschickung wurden demnach 36 % der
Gesamtgasmenge in Hauptfermenter 2 produziert. Mit Umbau der Beschickung konnte das Substrat im
Hauptfermenter 2 besser umgesetzt werden, wodurch dann 41 % der Gesamtgasmenge bereits in der
ersten Stufe in Hauptfermenter 2 produziert wurden.
Granulometrie
Eine Partikelgrößenanalyse des Fermenterinhaltes von Hauptfermenter 2 der Demonstratoranlage ergab
die in Abbildung 40 dargestellte Partikelgrößenverteilung. Wie bereits bei der Partikelgrößenanalyse
Ausführliche Darstellung
BMWi-03KB106A, 31.01.2019 75
anderer Fermenterinhalte (vergleiche Abbildung 18, S. 48 und Abbildung 30, S. 63) festgestellt wurde,
besteht auch der Inhalt des Hauptfermenters 2 des Demonstrators fast ausschließlich (96 %) aus
Partikeln ≤ 3,15 mm und zu einem Großteil von knapp 70 % aus Partikeln ≤ 0,5 mm. Es können keine
Partikel größer 8 mm nachgewiesen werden. Der mittlere Partikeldurchmesser deutet mit 1,07 mm auf
vergleichsweise kleinfaserigen Fermenterinhalt hin, welches sich auch durch den Substrateinsatz
Maissilage und Zuckerrübensilage erklären lässt.
Abbildung 40: Anteil der Siebfraktionen an der Trockensubstanz TS sowie mittlerer Partikeldurchmesser xm des
Fermenterinhaltes von Hauptfermenter 2 der Demonstrator-Biogasanlage
Hydrodynamische Effekte
Die rheologische Charakterisierung des Fermenterinhaltes erfolgte durch die Verbundpartner Maier und
LTS. Dazu wurde die Viskosität des Fermenterinhaltes von Hauptfermenter, Nachgärer und Gärrestlager
mit Hilfe eines Rotationsviskosimeters („Rheotest 2“, VEB MLW Prüfgeräte Werk Medingen) bestimmt,
wie im Schlussbericht Maier/LTS ab S. 85 beschrieben. Da bei der Vermessung von Fermenterinhalt
vereinzelt enthaltene große Störstoffe im Ringspalt des Rotationsviskosimeters verkanten, wurde für die
Vermessung von Realsubstraten die größtmögliche Spaltbreite von 9,45 mm eingestellt. Die ermittelte
Abnahme der dynamischen Viskosität η der Fermenterinhalte mit steigender Schergeschwindigkeit γ
deutet auf nicht-newtonsches Verhalten der Medien hin. Dieses strukturviskose Fließverhalten lässt sich
durch den Potenzansatz nach Ostwald-de-Waele (Formel 2) mit Hilfe der Parameter Konsistenz K und
Fließindex m näherungsweise beschreiben:
𝜂 = 𝐾 ∙ 𝛾𝑚−1 Formel 2
Ein Vergleich der Prozessstufen zeigt über den gesamten Schergeschwindigkeitsbereich eine höhere
dynamische Viskosität des Fermenterinhaltes der Hauptfermenter im Gegensatz zum Nachgärer und
Ausführliche Darstellung
BMWi-03KB106A, 31.01.2019 76
Gärrestlager. Die Umstellung der Beschickung von Hauptfermenter 2 führte zu einer Abnahme der
dynamischen Viskosität des Fermenterinhaltes. Der Konsistenzfaktor K sank von 49 Pasm auf 34 Pasm,
wie aus dem Anstieg der Fließkurven bestimmt wurde, siehe Abbildung 41.
Abbildung 41: Doppelt-logarithmische Darstellung der dynamischen Viskosität in Abhängigkeit der Schergeschwindigkeit des
Fermenterinhaltes von Hauptfermenter 2 vor und nach Umstellung der Beschickung; ermittelt mit einem
Rotationsviskosimeter der Spaltbreite 9.45 mm; mathematische Anpassung nach Ostwald-de-Waele; nach:
Schlussbericht Maier/LTS, S. 97
Die Durchmischung eines Fermenters vor der Beschickungsumstellung lässt sich grafisch mit Hilfe einer
CFD (computational fluid dynamics) Simulation verdeutlichen. Abbildung 42 zeigt die simulierte
Strömungsgeschwindigkeit des Fermenterinhaltes in Hauptfermenter 2 der Demonstrator-Biogasanlage.
Die Besonderheit bei der Modellierung des Hauptfermenters 2 liegt darin, dass der Fermenter von zwei
Schnell- (Nr. 2, 4) und zwei Langsamläufern (Nr. 1, 3) durchmischt wird. Ausgehend von einem
Schubgleichgewicht, werden die unterschiedlichen Schübe der Rührer addiert und der Mittelwert auf vier
theoretische Rührer aufgeteilt. Die Simulation erfolgt nach Berechnung einer neuen Drehzahl für die vier
identischen theoretischen Rührer. Durch die Einbauhöhe des Rührwerks lassen sich im unteren Bereich
des Hauptfermenters 2 lediglich in der Nähe des Rührers 1 Strömungen feststellen (siehe Abbildung
42 a). In mittlerer Höhe (Abbildung 42 b) ist hingegen eine deutliche Korrespondenz der Rührer 3–4–1–
2 festzustellen, die jedoch zwischen Rührer 2 und 3 schwächer ausgeprägt ist. Mit zunehmender Höhe
(Abbildung 42 c) sind um die Rührer 2 und 3 starke Strömungsgeschwindigkeiten von 30-50 cm s-1 zu
verzeichnen, weshalb eine Korrespondenz beider Rührer angenommen werden kann. Betrachtet man
den gesamten Fermenter (Abbildung 42 d), kann von einer Korrespondenz ohne Strömungsabriss
zwischen den einzelnen Rührwerken ausgegangen werden. Trotz dass demnach eine globale
Beckenströmung vorliegt, zeigt der Konturplot in Abbildung 42 d) nicht durchmischte Totzonen im
Zentrum und an den Außenwänden des Fermenters.
Ausführliche Darstellung
BMWi-03KB106A, 31.01.2019 77
Abbildung 42: Simulation der Strömungsgeschwindigkeiten der zwei Schnell- (2, 4) und Langsamläufer (1, 3) in
a) unterer,
b) mittlerer und
c) oberer Höhe sowie
d) des gesamten Fermenterinhaltes des Hauptfermenters 2 der Demonstrator-Biogasanlage
e) Konturplot der globalen, durchschnittlichen Strömungsgeschwindigkeit des Hauptfermenters 2;
vor der Umstellung der Beschickung; simuliert mit ANSYS FLUENT 14.0 (ANSYS, Inc., Canonsburg, USA); nach:
Schlussbericht Maier/LTS, S. 94-95
Welchen Einfluss die Veränderung der Rheologie auf den Betrieb einer Biogasanlage hat, zeigt die
Modellierung mit dem Algorithmus Hydrodynamik (AHD). Bei Kenntnis der Abmessungen des Fermenters
und der Rührer ermöglicht der AHD eine Berechnung der Strömungsgeschwindigkeit und die Ableitung
des durchmischten Fermentervolumens aus der Rheologie eines Prozessmediums. Der AHD ist
Bestandteil des Modells, auf welchem der ELIRAS Leitfaden fußt und wird in Kapitel 2.3.7.2 „ELIRAS
Modell“ ab S. 98 näher erläutert. Im konkreten Fall des Demonstrators führte die die
Viskositätserniedrigung infolge der Beschickungsumstellung am Hauptfermenter 2 zu einer Erhöhung der
Anteil des durchmischten Fermentervolumens von 81 % auf 100 %. Der Substrataufschluss durch
Umstellung der Beschickung von Fest- auf Flüssigfütterung führte demnach dazu, dass der
Hauptfermenter 2 im Vergleich zur unzureichenden Durchmischung von 81 % im Ausgangszustand nun
vollständig durchmischt wurde. Diese theoretische Betrachtung wird durch den Bericht des
Anlagenbetreibers über ein verbessertes Handling des Fermenterinhaltes infolge der Umstellung der
Beschickung bestätigt.
Ausführliche Darstellung
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Anwendung des ELIRAS Ansatzes
Mit Kenntnis der Anlagenparameter sowie der Veränderung von Gasbildung, Granulometrie und
Durchmischung lässt sich anhand des Demonstrators der theoretische ELIRAS Ansatz im Praxismaßstab
prüfen. Wie in Kapitel 2.3.3.1 „Einteilung der Effekte von Substrataufschluss“ (S. 27) im Detail dargestellt
wurde, besteht der ELIRAS Ansatz darin, die Wirkung eines Substrataufschlusses auf die drei
Haupteffekte
a) Erhöhung des vergärbaren organischen Anteils
b) Steigerung der Reaktionsgeschwindigkeit, und
c) Veränderung der Hydrodynamik
zurückzuführen.
Da auf der Demonstrator-Biogasanlage die Umstellung der Beschickung als Desintegration betrachtet
wurde, liegt die Vermutung nahe, dass nachgewiesene Effekte im Wesentlichen auf den letzten Punkt c)
die „Veränderung der Hydrodynamik“ zurückzuführen sind. Eine theoretische Nachrechnung analog
Kapitel 2.3.3.2 („Einfluss durchmischtes Fermentervolumen auf Biogasbildung“, S. 30) ergab, dass die
mit dem AHD berechnete Erhöhung des durchmischten Fermentervolumens von 81 % auf 100 %, eine
Steigerung der Gasbildung von 6 % nach sich ziehen würde. In der Berechnung wurde bereits der im
Hauptfermenter 2 rezirkulierte Fermenterinhalt berücksichtigt.
Da diese theoretisch berechnete Steigerung der Gasbildung von 6 % noch deutlich unter der real
gemessenen Steigerung der Gasbildung von 13 % lag, wurden noch weitere Ursachen für die
Veränderung der Gasbildung in Betracht gezogen. Einen Ansatzpunkt liefert der bereits in Kapitel 2.3.3.2
erwähnte Gas-Hold-up. In unveröffentlichten Voruntersuchungen des DBFZ zeigten Dichtemessungen von
Fermenterinhalten Gasanteile im Fermenterinhalt in der Spanne von 10-20 %. Setzt man mit dieser
Kenntnis 20 % Gas-Hold-up im Fermenter im Ausgangszustand an und unterstellt, dass die Veränderung
der Viskosität des Fermenterinhaltes infolge der Beschickungsumstellung 10 % des Gas-Hold-ups
freisetzt, erhöht sich das verfügbare Reaktionsvolumen und die Gasbildung steigt. In Kombination mit
der aus dem AHD berechneten Erhöhung des Fermentervolumens (von 81 % auf 100 %) ergibt die
Abnahme des Gas-Hold-ups von 20 % auf 10 % in der theoretischen Berechnung eine Erhöhung der
Gasbildung von 13 %. Im Vergleich zu den im ersten Ansatz weiter oben bestimmten 6 % theoretische
Steigerung, konnte nun die real gemessene Steigerung der Gasbildung von 13 % auch theoretisch
nachberechnet werden.
Die erfolgreiche Nachrechnung auf Basis hydrodynamischer Effekte bestätigt den ELIRAS Ansatz, dass
ein Großteil der Wirkung eines Substrataufschlusses auch auf die Veränderung der Hydrodynamik
zurückgeführt werden kann. Wählt man einen geringeren Wert des theoretisch angenommenen Gas-Hold-
ups von 20 % im Ausgangszustand, sinkt auch die theoretisch nachgerechnete Steigerung unter die real
gemessene von 13 %. Die wenigen fehlenden Prozentpunkte zwischen Berechnung und Messung
könnten dann nach dem ELIRAS-Ansatz auf kinetische Effekte (Punkt b) zurückgeführt werden. Es wäre
denkbar, dass die Umstellung der Beschickung neben der „Veränderung der Hydrodynamik“ (Punkt c)
auch eine geringfügige „Steigerung der Reaktionsgeschwindigkeit“ (Punkt b) nach sich zog.
2.3.5 Energetische und ökonomische Bewertung (AP5)
Für die energetische und ökonomische Bewertung wurden die Effekte eines Substrataufschlusses bei
Biogasanlagen als eine erhöhte Gasausbeute je eingesetzter Einheit Substrat aufgefasst. Hieraus lässt
Ausführliche Darstellung
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sich aus betriebswirtschaftlicher Sicht ableiten, dass sich bei konstanten Substrateinsatzkosten eine
höhere Leistung durch die Möglichkeit einer gesteigerten Gasproduktion und folgend eine höhere
Produktion der verkaufsfähigen Strom- und Wärmemengen, ergibt. Umgekehrt ermöglicht die
Beibehaltung der ursprünglichen Gasproduktion, Einsparungen in Substratmengen und somit in den
Substrateinsatzkosten. Darüber hinaus wurde durch die veränderte Rheologie des Fermenterinhaltes
infolge des Substrataufschlusses eine geringere Rührleistung zur Durchmischung des Fermenters
erwartet als im Vergleich zu nicht aufgeschlossenem Substrat. Betriebswirtschaftlich werden sich
hierdurch Änderungen in der Kostenstruktur, in Form von verminderten Eigenstromkosten der Anlage
ergeben.
Den betriebswirtschaftlichen Vorteilen eines Substrataufschlusses stehen die für den Aufschluss nötigen
Investitionen, Verbrauchs- und Betriebskosten gegenüber. Ein betrachtetes Aufschlussverfahren wird
dann betriebswirtschaftlich vorzüglich, wenn die durch das Verfahren zusätzlich generierten Erlöse oder
Kosteneinsparungen die Summe der Kosten für die Etablierung und den Betrieb übersteigen.
Für die betriebswirtschaftliche Betrachtung von Aufschlussverfahren ergaben sich folgende Fragen als
Untersuchungsgegenstand:
1. In wie weit kann ein Aufschlussverfahren zur Verminderung der spezifischen Substrateinsatz-
kosten führen?
2. Wie wirkt sich ein Aufschlussverfahren auf die Eigenstromkosten einer Anlage aus?
3. Welche Kosten verursacht die Etablierung und der Betrieb eines Substrataufschlusses?
4. Kann in der betriebswirtschaftlichen Gesamtbetrachtung einer Anlage die Nutzung eines
Substrataufschlusses monetäre Vorteile gegenüber einem Anlagenbetrieb ohne Substrat-
aufschluss generieren?
Im Folgenden wurden diese Fragestellungen an einem definierten Beispiel beantwortet und die
relevanten Faktoren auf die betriebswirtschaftlichen Aspekte des Anlagenbetriebs bestimmt. Hierzu
wurde eine standardisierte Berechnungsmethodik unter Anwendung von Referenz- und Aufschluss-
szenarien verwendet.
2.3.5.1 Methodik der betriebswirtschaftlichen Bewertung
Im folgenden Abschnitt werden die Methodik der betriebswirtschaftlichen Bewertung von Aufschluss-
verfahren, die Beispielanlage sowie die definierten Aufschlussszenarien mit ihren gesonderten
Annahmen erläutert.
DesiTool - Berechnungswerkzeug zur ökonomischen Bewertung von Aufschlussverfahren
DesiTool ist ein, aus bestehenden Berechnungswerkzeugen des DBFZ, abgeleitetes Tool auf Excel-Basis
zur betriebswirtschaftlichen Analyse des Einflusses von Desintegrationsverfahren auf die Produkt-
gestehungskosten. DesiTool zielt hierbei auf die Produktgestehungskosten als betriebswirtschaftliche
Vergleichsgröße ab und orientiert sich bei der Berechnung an der Annuitätenmethode nach VDI 2067
und VDI 6025. DesiTool berechnet für einen eingegebenen Anlagentyp die produzierte Gasmenge. Diese
wurde zwischen den Vergleichsszenarien konstant gehalten, was gleichbedeutend mit der Beibehaltung
aller vorhanden baulichen Strukturen außer der Aufschlusseinheit ist. Somit verändert sich die Kosten-
Ausführliche Darstellung
BMWi-03KB106A, 31.01.2019 80
struktur zwischen den Szenarien lediglich in Bezug auf den Substrataufschluss als Untersuchungs-
gegenstand. Ursächlich sind hier im Einzelnen die Substratkosten, Investitionen, Betriebs- und
Verbrauchskosten bei unterschiedlichen Aufschlussverfahrensszenarien. Der Vorteil bei dieser
Vorgehensweise ist, dass Erlöse, die je nach EEG Fassung sowie Möglichkeiten des Wärmeverkaufs
anlagenspezifisch sehr differieren können, für den betriebswirtschaftlichen Vergleich nicht
entscheidungsrelevant sind. In der ökonomischen Betrachtung in AP5 reichen allein die Produkt-
gestehungskosten aus, um die betriebswirtschaftliche Vorzüglichkeit der Aufschlussverfahrensszenarien
untereinander abzubilden. Eine Vollkostenrechnung wurde hier ausdrücklich nicht durchgeführt und wäre
auch nicht zielführend gewesen.
Abbildung 43 schematisiert den Ablauf der Berechnung im DesiTool. Einer definierten Referenzanlage
mit festgelegten technischen Parametern und Substratmix (vergleiche Abbildung 43: Ref), wurden
Parallelberechnungsstränge mit beliebig vielen Aufschlussverfahrensszenarien gegenüber gestellt
(vergleiche Abbildung 43: S1, S2…Sn). Die Produktgestehungskosten errechnen sich auf zwei Ebenen.
Die erste Ebene sind die Produktgestehungskosten nach Gärstrecke in Form von Rohgasgestehungs-
kosen und Methangestehungskosten, während die zweite Ebene durch die Stromgestehungskosten am
Einspeisepunkt nach BHKW gebildet wurde. Für den Verfahrensvergleich reicht die erste Ebene aus,
jedoch sind in der Praxis die Stromgestehungskosten als Vergleichsgröße geläufiger, weshalb diese hier
unter der Annahme einer BHKW-Mechanisierung nach Stand der Technik berechnet wurden (siehe
Tabelle 8).
Substrat
Gärstrecke
Aufschluss-verfahren
BHKW
Stromgestehungskosten €/kWh
Rohgas-/ Methangestehungskosten
€/m3
Substrat: Bereitstellungskosten frei
Eintrag
Aufschluss: Investition, Betriebs- und
Verbrauchskosten
Gärstrecke: Investition, Betriebs- und
Verbrauchskosten
BHKW:Investition, Betriebs- und
Verbrauchskosten
Referenzstrang
Szenarienstrang
RefS1, S2...Sn
Pump- und Rührleistung
Strombedarf
Substratbedarf
Aufschlussmittelbedarf
Aufgeschlossenes Substrat+
-
-
Eigenstromkosten
+ +
-
Substratkosten
-
Betriebsmittelkosten
+
+
Anlagentechnik
Investition
+
+
Gasleistung+
-
+++
Gasverbrauch
Stromerzeugung
=
=
Kausalkettendiagramm zur Auswirkung des Substrataufschluss
Versuchsplan / Ablauf der Berechnung
Relevante Faktoren
Gasgestehungskosten
-
+-
++
Stromgestehungskosten
Investitionen=
=+-
+-=
Steigend
Abnehmend
Gleichbleibend
Quelle: Eigene Darstellung Abbildung 43: Berechnungsschema des DesiTools mit den relevanten betriebswirtschaftlichen Faktoren sowie den qualitativen
kausalen Verknüpfungen der Anlagen- und Kostenstruktur bei Einsatz eines Substrataufschlussverfahrens. Der
Kausalkette liegt die Annahme zu Grunde, dass die Stromproduktion bei den Szenarien im Vergleich zur
Referenzvariante konstant gehalten wird.
Ausführliche Darstellung
BMWi-03KB106A, 31.01.2019 81
Darüber hinaus wurden als Zwischenergebnis die Investitionen, kapital-, verbrauchs- und
betriebsbezogene Kosten sowie sonstige Kostenpositionen ausgegeben. Unter Differenzbildung zur
Referenz konnten die monetären Auswirkungen der Szenarien qualitativ und quantitativ abgebildet
werden.
Zusätzlich zur Szenarienvergleichsrechnung, wurden Sensitivitätsanalysen mit Zielgröße Produkt-
gestehungskosten in Abhängigkeit zur Biogasertragssteigerung, Stromersparnis und dem Einfluss des
Substratpreises ebenfalls für alle Szenarien und im Vergleich zur Referenz unter ceteris paribus
Bedingungen durchgeführt. Multifaktorielle Sensitivitäten wurden nicht betrachtet.
Über den Berechnungsablauf hinaus bildet Abbildung 43 korrespondierend die Zusammenhänge und
Einflüsse des Substrataufschlusses auf den Prozess und die betriebswirtschaftlichen Parameter einer
Biogasanlage ab. Hier wurde deutlich, dass Kostenvorteile des Substrataufschlusses ausschließlich aus
Substrat- und Stromkosteneinsparungen resultieren können.
Definition der Beispielanlage
Für die betriebswirtschaftliche Bewertung der Aufschlussverfahren war es notwendig, eine Biogasanlage
als Referenz zu definieren, auf die im Folgenden die zu untersuchenden Aufschlussszenarien aufgesetzt
wurden. Für die Definition wurde sich an der gängigen und in der Praxis etablierten, landwirtschaftlichen
Biogasanlage mit 500 kW installierter Leistung und praxisüblichen 8.000 Stunden Jahreslaufleistung im
Volllastbetrieb orientiert. Außerdem wurden die Erfahrungen der ELIRAS-Demonstrator-Biogasanlage
(vergleiche Kapitel 2.3.4.2 „Gärversuche im großtechnischen Maßstab (AP7)“, S. 71) berücksichtigt.
Nach dem Vorbild des ELIRAS-Laborversuchs L3 sollte auf der Beispielanlage ein mechanisch-
chemischer Substrataufschluss, bestehend aus trockener Extrusion mit anschließendem Einweichen in
Natronlauge, installiert werden. Darüber hinaus wurde ein weiteres Szenario mit rein mechanischem
Substrataufschluss, ohne den Einsatz von Natronlauge, betrachtet.
Der Substratmix wurde so gewählt, dass der Laborversuch L3 in den Praxismaßstab übertragen werden
kann und die technischen Voraussetzungen für einen volldurchmischten Rührkesselfermenter im
kontinuierlichem Betrieb erfüllt werden. Dabei wurde von einem großen Anteil von ca. 18 % Stroh
ausgegangen, welches der für eine Desintegration interessierende Bestandteil des Substratmixes ist.
Dieses trockene Substrat wurde mit ca. 68 % Rindergülle auf einen durchmischbaren TS-Gehalt gebracht.
Zudem dient der Wirtschaftsdünger Rindergülle gemeinsam mit ca. 3 % HTK (analog Laborversuch L3)
als Stickstoff- und Spurenelementlieferant. Um sich an der Demonstratoranlage des Vorhabens ELIRAS
zu orientieren, bestand der Substratmix außerdem zu jeweils ca. 5 % aus Mais- und Zuckerrübensilage.
Die vollständige technische Definition der Beispielanlage findet sich in Tabelle 8. Die dort berechneten
Methanausbeuten basieren auf den KTBL-Faustzahlen Biogas ([50], S. 133). Dadurch, dass die
Anlagendefinition am Substratmix orientiert wurde, ergab sich rechnerisch eine installierte elektrische
Leistung von 517 kW sowie eine Bemessungsleistung von 472 kW.
Ausführliche Darstellung
BMWi-03KB106A, 31.01.2019 82
Tabelle 8: Technische Parameter der Beispielanlage zur Durchführung der betriebswirtschaftlichen Bewertung. Die Werte
wurden so gewählt, dass sie den im Projekt genutzten Demonstrator und die durchschnittliche Biogasanlage in
Deutschland widerspiegeln. Der Methanertragsberechnung liegen die Gaserträge des KTBL ([50], S. 133) zu
Grunde.
Allgemeine betriebswirtschaftliche Annahmen
Die in Tabelle 9 dargestellten allgemeinen betriebswirtschaftlichen Annahmen beziehen sich global auf
die Referenz und die Szenarien gleichermaßen. Der Betrachtungszeitraum wurde mit 20 Jahren auf die
für Biogasanlagen typische Laufzeit ausgelegt und resultiert aus der zwanzigjährigen EEG-Vergütung. Mit
der Novellierung des EEG und der Umstellung auf ein kompetitives Ausschreibungssystem, oder durch
Umrüstung, ist die Laufzeit in der Regel mit einem anderen, einzelanlagenspezifischen Wert zu
bemessen. Für den hier durchgeführten Vergleich zwischen den Szenarien war dieser Wert jedoch nicht
primär entscheidungsrelevant. Für die konkrete einzelbetriebliche Betrachtung musste der Betrachtungs-
zeitraum jedoch individuell angepasst werden.
Die Preissteigerungsrate in der Kategorie Verbrauchsbezogene Kosten wurde nicht auf die Substratpreise
angewendet. Hier besteht eine zu hohe zeitliche und lokale Schwankungsbreite durch kurzfristig
dynamische Markteinflüsse, sodass die jährliche Preissteigerung von diesen Effekten überlagert wird und
diesbezüglich keine allgemeine Annahme möglich ist.
Beim Preis für das Verbrauchsmittel Natronlauge handelt es sich um den Bezugspreis für die Industrie
im palettiertem Großgebinde frei Hof. Bei den gegebenen Verbrauchsmengen kann zur Diskussion
gestellt werden, ob durch Mengenrabatte der Bezugspreis noch reduziert werden kann. Es wird jedoch
vorweggenommen, dass hierdurch die Wirtschaftlichkeit von Verfahren, die Natronlauge einsetzen, nicht
wesentlich beeinflusst wird.
Die in Tabelle 10 notierten Substratpreise beziehen sich jeweils auf frei Substrateintrag des Fermenters,
d. h. Lager- und Lagerentnahmekosten sind bereits im Preis enthalten und wurden nicht gesondert
ausgewiesen. Soweit möglich, stammen die Substratpreise aus dem KTBL Wirtschaftlichkeitsrechner
Technische Anlagenparameter
Basisparameter Einheit Wert Basisparameter Einheit Wert
Installierte elektrische Leistung kW 517Vollnutzungs-
stundenh/a 8.000
Bemessungsleistung kW 472Relativer
Eigenstrombedarf% 8,00
Elektrischer Wirkungsgrad % 41,00Absoluter
EigenstrombedarfkWh/a 330.868
Thermischer Wirkungsgrad % 40,00Relativer
Eigenwärmebedarf% 24,00
Elektrische Energie kWh/a 4.135.851Absoluter
EigenwärmebedarfkWh/a 968.394
Thermische Energie kWh/a 4.034.976
Substrate Einheit 1 2 3 4 5
Art Maissilage Zuckerrübensilage Stroh HTK Rindergülle
Einsatzmenge t FM/a 1.000 1.000 3.400 600 13.000
Einsatzanteil Masse % 5,26 5,26 17,89 3,16 68,42
Art des Lagers Fahrsilo Fahrsilo Rundballen Miete (nicht siliert) Güllelager
Eintragtechnik Radlader RadladerBallenbrecher/
EinstreuhäkslerRadlader Pumpe
Methanertrag m3 CH4 / t FM 112,39 68,87 176,05 96,77 13,38
Jahresmethanertrag m3 CH4/a 112.385 68.869 598.574 58.064 173.888
Jahresprimärfeuerungsleistung kWh/a 1.120.478 686.622 5.967.784 578.893 1.733.663
Summe Jahresprimärfeuerungsleistung kWh/a 10.087.440
Quelle: Eigene Darstellung; Der Methanertragsberechnung liegen die Gaserträge des KTBL (2013) zu Grunde.
Ausführliche Darstellung
BMWi-03KB106A, 31.01.2019 83
Biogas (2018). Für Hühnertrockenkot (HTK) wurde abweichend ein Erfahrungswert des Anlagen-
betreibers der ELIRAS Demonstratoranlage verwendet. Hier sei darauf hingewiesen, dass 20 €/t HTK als
Richtwert dienten. In der Praxis unterliegt der Preis für HTK je nach Marktlage starken Schwankungen.
Für Gülle wurde eine kostenneutrale Abgabe unterstellt. Dieses Vorgehen erklärt sich damit, dass Gülle
in der Regel als Koppelprodukt des Betriebszweigs Tierproduktion anfällt und somit lediglich in den
Betriebszweig Biogas verschoben wurde. Es ist zu beachten, dass hier im individuellen Einzelfall aus
Gründen der Geschäftsform und Bilanz Verrechnungspreise angesetzt werden müssen. Wenn die
Biogasanlage nicht in einen landwirtschaftlichen Betrieb eingebunden ist, müsste tatsächlich Gülle
zugekauft werden. Diese Fälle wurden hier jedoch nicht betrachtet.
Tabelle 9: Allgemeine betriebswirtschaftliche Annahmen der Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen. Die Annahmen gelten
jeweils für Referenz- und Szenarienrechnung gleichermaßen.
Tabelle 10: Für die Wirtschaftlichkeitsberechnungen unterstellte Substratkosten. Die Substratkosten werden frei
Fermentereintrag unterstellt. Lager- und Entnahmekosten sind eingepreist.
Quelle: (1 Betreiber Demonstrator-Biogasanlage ELIRAS; (2 KTBL ([50], S. 133); (3 Rindergülle wird als hofinterne
Lieferung kostenneutral betrachtet; (1 TS=92 %, kurzgehäckselt
Spezielle technische und betriebswirtschaftliche Annahmen der Aufschlussszenarien
Die Aufschlussszenarien zeichnen sich jeweils durch Ihre speziellen technischen und betriebs-
wirtschaftlichen Annahmen aus. Bei der Extrusion wurde sich auf das Substrat Stroh beschränkt, da
dieses die höchsten Substratkosten aufwies und eine Substrateinsparung hier die höchste Wirkung
vermuten ließ. Die in den zwei Szenarien jeweilig unterstellte Aufschlusstechnik war identisch. Hierbei
Allgemeine betriebswirtschaftliche Annahmen
Einheit Wert
Kapitalkostenparameter
Betrachtungszeitraum a 20
Eigenkapitalanteil % 20%
Fremdkapitalanteil % 80%
Eigenkapitalverzinsung % 10%
Fremdkapitalverzinsung % 5%
Kalkulationszinssatz % 5%
Preissteigerungsrate
Kapitalbezogene Kosten % 1%
Verbrauchsbezogene Kosten (Ausgenommen Substrat) % 1%
Betriebsbezogene Kosten % 2%
sonstige Kosten % 2%
Instandhaltungskosten % 2%
Einlagen % 2%
Kostengerüst
Lohn €/Akh 30
Strom €/kWh 0,19
Diesel €/l 1
Wassergebühren €/m3
1
Natronlauge (32%) €/t 600
Versicherung % der Investition 1,00%
Substratkosten Einheit 1 2 3 4 5
Art Maissilage Zuckerrübensilage Stroh HTK Rindergülle
Substratpreis frei Eintrag €/t FM 40 37 102(4
20 (1
0 (3
Jahressubstratkosten frei Eintrag €/a 40.000 37.000 346.800 12.000 0
Methangestehungskosten Substrat (2 €/m
3 CH4 0,36 0,54 0,58 0,21 0
Quelle: KTBL (2013); (1
Betreiber Biogasanlage Hermanshof (2018); (2
Berechnet nach KTBL-Biogasausbeuten(2013); (3
Rindergülle wird als hofinterne Lieferung
kostenneutral betrachtet; (4
92 % TM Kurzgehäckselt
Ausführliche Darstellung
BMWi-03KB106A, 31.01.2019 84
handelte es sich um einen Extruder mit einer möglichen Stundenleistung von 3,25 tFM. Die Tages-
laufleitung wurde in Abhängigkeit zum durchgeführten Massefluss bestimmt (hier ca. 9 tFM d-1 bei ca. 3 h
Tageslaufleistung). Für die Erstinvestition waren in Summe ca. 150.000 € zu berücksichtigen (siehe
Tabelle 11). Die Gesamtlebensdauer der Anlage wurde vom Hersteller mit 16 Jahren veranschlagt, wobei
für die Bauteile mit Produktberührung eine Lebensdauer von 8 Jahren angegeben wurde. Dem
entsprechend ist nach 8 Jahren eine Revision fällig, die hier mit 50 % der Erstinvestition angenommen
wurde, sowie nach 16 Jahren der vollständige Ersatz der Anlage. Die genannten konkreten
Zahlenangaben zum Extruder, welche in die Wirtschaftlichkeitsbetrachtung eingehen, wurden beim
Hersteller abgefragt. [51]
Tabelle 11: Investitionsdaten für die Aufschlusseinheit. Für die Berechnung der Stromgestehungskosten unter
Berücksichtigung einer Aufschlusseinheit ist die Erstinvestition, die Lebensdauer sowie der Anteil der
Ersatzinvestition zu berücksichtigen. Quelle: Herstellerangaben [51]
Tabelle 12: Technisch betriebswirtschaftliche Kennwerte der Aufschlussszenarien. Hier wird unterschieden zwischen
extrudiertem Stroh und extrudiertem Stroh, welches vorher in Natronlauge geweicht wurde.
Hauptunterscheidungsmerkmal zwischen den Szenarien sind die Biogasertragssteigerung, die Rührleistung
sowie der Einsatz von Aufschlussmitteln.
Investitionsdaten Aufschlusseinheit
Investition Lebensdauer Ersatzinvestition
[€] [a]
Extruder (frei Werk) 98.500,00 8 50%
Montage inkl. Transport innerhalb Deutschlands 32.500,00 8 50%
Planungskosten 16.000,00 16 100%
Quelle: Abgeleitet von Lehmann (2018)
Einheit
Parameter der Aufschlusseinheit
Art der Konditionierung Stroh extrudiert
Stroh extrudiert mit
NaOH
Einweichung
Biogasertragssteigerung % 6,40 12,40
Einsparung Rührleistung % 52,10 52,10
Methanertrag konditioniert m3 CH4 / t FM 187,32 197,88
Methanmehrertrag m3 CH4 / t FM 11,27 21,83
Jahresmethanmehrertrag m3 CH4/a 38.309 74.223
Technische Kapazität Aufschlusseinheit t/h 3,25 3,25
Tatsächlicher Tagesdurchsatz t FM/d 9,32 9,32
Tagesbetriebsstunden h/d 2,87 2,87
Jahresbetriebsstunden h/a 1.046 1.046
Spezifischer Stromverbrauch kWh / t FM 80 80
Absoluter Jahresstromverbrauch kWh / a 272.000 272.000
Einsatzmengen für Aufschlusschemikalien
Art des Hilfsstoffs Natronlauge
Konzentration des Hilfsstoffes % 32
Absolute Tageseinsatzmenge des Hilfsstoffes t / d 1,43
Quelle: Eigene Darstellung
Szenarien
Ausführliche Darstellung
BMWi-03KB106A, 31.01.2019 85
In der ökonomischen Bewertung des Substrataufschlusses an der Beispielanlage werden die beiden
Aufschlussszenarien „Extrusion ohne Natronlauge“ und „Extrusion mit Natronlauge“ betrachtet. Dabei
wurde angenommen, dass nur der Substratbestandteil Stroh einer Desintegration unterzogen wird. Wie
in Tabelle 12 dargestellt, unterscheiden sich die beiden Szenarien lediglich in der Gasertrags-
ersteigerung. Für die mechanisch-chemische Desintegration im zweiten Szenario, wurde eine relative
Gasertragssteigerung von 12 % zu Grunde gelegt, welche im kontinuierlichen Gärversuch des ELIRAS
Laborversuchs L3 ermittelt wurde (vergleiche Kapitel 2.3.4.1 „In den Gärversuchen P2 konnte jedoch
kein Effekt infolge der Desintegration nachgewiesen werden. Die Ausführliche Auswertung des Praxis-
Gärversuchs P2 ist im Erfolgskontrollbericht unter Kapitel 4.2 dargestellt.
Gärversuche im Labormaßstab (AP3)“, S. 53 ). Aus zusätzlichen diskontinuierlichen Gärversuchen im
Labormaßstab war bekannt, dass eine rein mechanische Desintegration in Etwa die Hälfte an möglicher
Gasertragssteigerung nach sich zieht (vergleiche Anhang A 4). Deshalb wurde für das erste Szenario eine
relative Steigerung des Biogasertrags von 6 % angesetzt.
Abgesehen von der Gasertragssteigerung bewirkt der Substrataufschluss eine Absenkung der
Rührleistung, welche sich aus betriebswirtschaftlicher Sicht auf die Stromkosten auswirken. Am Beispiel
der Demonstrator-Biogasanlage wurde vom Projektpartner Maier abgeschätzt, welche Einsparungen in
der Rührleistung durch Einsatz eines Substrataufschlusses möglich ist. Mit Hilfe des Algorithmus
Hydrodynamik wurde das Fließverhalten des Fermenterinhaltes des Demonstrators vor und nach dem
Einsatz der Desintegrationseinheit simuliert. Die genaue Vorgehensweise der Partner kann im
Schlussbericht Maier/LTS ab S. 91, zusammengefasst in Tabelle 7 (S. 98), nachgelesen werden. Im
Ergebnis der theoretischen Betrachtungen führte der Einsatz der Desintegration zu einer Absenkung der
Viskosität des Fermenterinhaltes von 47 Pasm auf 34 Pasm. Dadurch wird es theoretisch möglich, anstelle
eines schnelllaufenden Tauchmotorrührwerks des Typs P184-1000/234 ZRG ein langsamlaufendes
Tauchmotorrührwerks des Typs P42-2500/164 ZRG zu verwenden. Der Langsamläufer nimmt am
Betriebspunkt einen größeren Axialschub und deutlich weniger Leistung auf als der ursprünglich
installierte Schnellläufer. Bei einer Laufzeit der Rührwerke von 50 % nimmt der verbrauchte Strom im
Jahr von 49.625 kWh auf 23.783 kWh um 52,1 % ab.
Der spezifische Stromverbrauch und somit die Stromkosten für die Extrusion ist mit 80 kWh/tFM Stroh als
hoch zu bewerten.
Bei der Dosierung von ca. 1,4 t Natronlauge am Tag mit einer Konzentration von 32 % im
Aufschlussszenario mit Natronlauge wurde sich ebenfalls am Laborversuch L3 orientiert. Diese Dosierung
entspricht der üblichen Praxis, wie sie für die Behandlung von Stroh als Futtermittel eingesetzt wird. In
Bezug zur Einsatzmenge finden sich in der jüngeren Literatur Werte von ca. 6 % Massenprozent relativ
zur Strohmenge bei einer Konzentration der Natronlauge von 50 % [52]. Aus der historischen Entwicklung
heraus ist festzustellen, dass der Strohaufschluss mit Natronlauge in Zeiten mit Futterknappheit attraktiv
war. Die Strohmassenflüsse waren jedoch im Unterschied zur Biogaserzeugung wesentlich geringer und
dementsprechend auch der tägliche Bedarf von Natronlauge.
2.3.5.2 Ergebnisse
Im Folgenden werden die Ergebnisse der Wirtschaftlichkeitsberechnungen dargestellt. Hierbei wurde in
die eigentliche Annuitätenrechnung mit Produktgestehungskosten als Verfahrensvergleich der
Ausführliche Darstellung
BMWi-03KB106A, 31.01.2019 86
Aufschlussverfahren und die Sensitivitätsbetrachtungen unterschieden. Für die Berechnungen galten die
in Abschnitt 2.3.5.1 getroffenen Annahmen, in Verbindung mit der beschriebenen Methodik.
Annuitätenrechnung der Produktionskosten und Produktgestehungskosten in Abhängigkeit der
Aufschlussszenarien
Die Annuitätenberechnungen in Tabelle 13 zeigen generell, dass die Annuitäten der Kosten für die
Aufschlussszenarien im Vergleich zur Referenz deutlich höher sind. Bei der Variante ohne Natron-
laugeneinsatz (Szenario 1) sind die jährlichen Kosten rund 6 % höher während der Kostenanstieg mit
Natronlaugeneinsatz (Szenario 2) gegenüber der Referenz ca. 42 % beträgt. Tabelle 13 macht die Gründe
für diese Differenzen ersichtlich. Bei beiden Aufschlussszenarien ist durch Substrateinsparungen eine
deutliche Reduktion der Substratkosten (Verbrauchsbezogene Kosten Gaserzeugung) eingetreten. Diese
Substratkosteneinsparungen wurden jedoch von den Stromkosten des Extruders (Szenario 1) und in
Szenario 2 in noch größerem Umfang von den hohen verbrauchsbezogenen Kosten durch die großen
Mengen an Natronlauge überkompensiert.
Ausführliche Darstellung
BMWi-03KB106A, 31.01.2019 87
Tabelle 13: Variantenvergleich an Hand der absoluten Investitionen und Annuitäten der einzelnen Kostenpositionen und
Differenz der Varianten zur Referenz. Die Gasverwertung durch das BHKW ist hier eingepreist.
Entsprechend der Annuitäten und der gesteigerten Gasproduktion zeigen sich Auswirkungen auf die
Produktgestehungskosten. Tabelle 14 zeigt, dass die Auswirkungen auf die abschließende
Bewertungsgröße, die Stromgestehungskosten, zwischen Referenz und Extrusion ohne Natronlauge als
gering zu bewerten sind. Auf Ebene der Methangestehungskosten sind die Differenzen jedoch mit
0,03 €/m3 deutlicher ausgeprägt und besser erkennbar. In Bezug auf die Stromgestehungskosten ist die
Extrusion mit Natronlauge im Vergleich zur Referenz um 0,08 €/kWh teurer. Die Methan-
gestehungskosten liegen über 1 €/m3. Hierbei ist zu beachten, dass die Lagerhaltung für Aufschluss-
chemikalien und auch eine ggf. notwendige Entsorgung nicht mit eingerechnet wurde.
Variantenvergleich
Absolute Kosten bezogen frei BHKW-Ausspeisung (Mit BHKW eingepreist)
0 1 2 1 2
Referenz Stroh extrudiert
Stroh extrudiert
mit NaOH
Einweichung
Stroh
extrudiert
Stroh
extrudiert
mit NaOH
Einweichung
Investition
Gaserzeugung € 2.313.032,00 2.313.032,00 2.313.032,00 x x
Gasverwertung € 470.087,00 470.087,00 470.087,00 x x
Substratkonditionierung € 0,00 147.000,00 147.000,00 x x
Summe € 2.783.119,00 2.930.119,00 2.930.119,00 x x
Kapitalbezogene Kosten und Reperaturkosten
Gaserzeugung €/a -246.260,88 -246.260,88 -246.260,88 0,00 0,00
Gasverwertung €/a -70.280,16 -70.280,16 -70.280,16 0,00 0,00
Substratkonditionierung €/a 0 -17.975,20 -17.975,20 -17.975,20 -17.975,20
Summe €/a -316.541,03 -334.516,23 -334.516,23 -17.975,20 -17.975,20
Verbrauchsbezogene Kosten
Gaserzeugung €/a -498.664,93 -458.808,25 -441.409,33 39.856,67 57.255,60
Gasverwertung €/a 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00
Substratkonditionierung €/a 0,00 -51.714,00 -365.139,60 -51.714,00 -365.139,60
Summe €/a -498.664,93 -510.522,25 -806.548,93 -11.857,33 -307.884,00
Betriebsbezogene Kosten
Gaserzeugung €/a 0,00 0,00
Gasverwertung €/a 0,00 0,00
Substratkonditionierung €/a -5.100,00 -5.100,00 -5.100,00 -5.100,00
Summe €/a 0,00 -5.100,00 -5.100,00 -5.100,00 -5.100,00
Sonstige Kosten
Gaserzeugung €/a -1.231,30 -1.231,30 -1.231,30 0,00 0,00
Gasverwertung €/a -351,40 -351,40 -351,40 0,00 0,00
Substratkonditionierung €/a 0 -89,88 -89,88 -89,88 -89,88
Summe €/a -1.582,71 -1.672,58 -1.672,58 -89,88 -89,88
Summe der Kosten €/a -816.788,67 -851.811,07 -1.147.837,74 -35.022,40 -331.049,07
Quelle: Eigene Darstellung
AbsolutDifferenz
(Referenz - Variante)
Ausführliche Darstellung
BMWi-03KB106A, 31.01.2019 88
Tabelle 14: Verfahrensvergleich an Hand der spezifischen Produktgestehungskosten differenziert nach den Ebenen Gas frei
Flansch Gärstrecke und Strom frei Einspeisepunkt BHKW.
Es wird deutlich, dass einerseits die Stromkosten des Extruders und anderseits der Preis für Natronlauge
der betriebswirtschaftliche Hebel ist. Der Faktor Natronlauge ist hier jedoch durch den Preis so schwer
gewichtet, dass selbst eine Halbierung der Einsatzmenge die Verhältnisse nicht günstiger gestalten kann.
Sensitivitätsanalyse
Die Sensitivitätsanalyse zeigt die Reaktion einer bestimmten Zielgröße auf die Variation definierter
Faktoren, in Abhängigkeit der zu untersuchenden Szenarien. Die Zielgröße wurde hier mit den Strom-
gestehungskosten festgelegt. Die Faktoren Substratpreis, Biogasertragssteigerung und Verminderung
der Rührleistung durch den Substrataufschluss wurden variiert. Es wurden die Szenarien Extrusion mit
und ohne Natronlauge für Rührleistung und Biogasertragssteigerung betrachtet, während für den
Substratpreis noch zusätzlich die Referenz mit einbezogen wurde.
Abbildung 44 zeigt die Ergebnisse der durchgeführte Sensitivitätsanalyse. Hieraus lassen sich folgende
Aussagen ableiten:
1. Bei Reduktion der Rührleistung sinken die Stromgestehungskosten linear. Das Verhältnis hierbei
beträgt für das Szenario 1 „Extrusion ohne Natronlauge“ 1:0,07 während die Reduktion der
Stromgestehungskosten für das Szenario 2 „Extrusion mit Natronlauge“ mit einem Verhältnis von
1:0,05 geringer ausfällt. Dies ist insofern nachvollziehbar, als dass der hohe Anteil des
Betriebsmittels Natronlauge dominiert und somit die Rührleistungseinsparung durch den
besseren Aufschluss des Substrats überlagert wird. Das Szenario ohne Natronlaugeneinsatz wirkt
sich somit aus betriebswirtschaftlicher Sicht günstiger auf eine verminderte Rührleistung aus als
das Szenario mit Natronlaugeneinsatz.
2. Mit Erhöhung des Biogasertrags sinken die Stromgestehungskosten annähernd exponentiell.
Somit wirkt sich eine hohe Steigerung des Biogasertrags weniger aus als eine geringe. Wird
jedoch unterstellt, dass eine Gassteigerungsrate bis 50 % realistisch sein kann ist bei der
Extrusion ohne Natronlauge (Szenario 1) eine Verminderung der Stromgestehungskosten um ca.
13 % möglich. Bei zusätzlichem Einsatz von Natronlage (Szenario 2) beträgt die Verminderung
der Stromgestehungskosten bei einer Steigerung des Biogasertrags von 50 % nur ca. 10 %.
Variantenvergleich (Produktgestehungskosten)Spezifische Produktgestehungskosten
0 1 2
Referenz Stroh extrudiert
Stroh extrudiert
mit NaOH
Einweichung
Rohgasgestehungskosten frei BHKW-
Flansch (exkl. BHKW)€/m
3 0,39 0,41 0,56
Methangestehungskosten frei BHKW-
Flansch (exkl. BHKW)€/m
3 0,74 0,77 1,06
Stromgestehungskosten frei BHKW-
Ausspeisung (inkl. BHKW)€/kWh 0,20 0,21 0,28
Quelle: Eigene Darstellung
Ausführliche Darstellung
BMWi-03KB106A, 31.01.2019 89
3. Bei steigenden Substratkosten dämpft ein höherer Aufschlussgrad die Auswirkungen auf die
Stromgestehungskosten ab. Umgekehrt wird der Effekt auf die Stromgestehungskosten bei
sinkenden Substratpreisen verstärkt. Grund hierfür ist, dass durch den Substrataufschluss
maßgeblich Substratkosten eingespart werden. Aus betriebswirtschaftlicher Sich wirkt sich somit
ein hoher Aufschlussgrad positiv auf die Stromgestehungskosten aus. Hier wird jedoch vernach-
lässigt, dass die absoluten Kosten für den Aufschluss das Verfahren trotzdem in Hinsicht auf die
Stromgestehungskosten betriebswirtschaftlich unattraktiv machen.
Abbildung 44: Sensitivitätsdiagramm der Szenarien im Vergleich. Die Prozentualen Änderungen der stromgestehungskosten
werden in Abhängigkeit zu den prozentualen Änderungen der variierten Faktoren dargestellt. Je
Sensitivitätsanalyse wird jeweils nur der zu variierende Faktor ceteris paribus verändert. Eine Multifaktoranalyse
erfolgt nicht.
Die Sensitivitätsanalyse zeigt, dass sich die Substratpreise am stärksten auf die Stromgestehungskosten
auswirken. Der Substrataufschluss brachte hier sogar einen relativen betriebswirtschaftlichen Vorteil, der
jedoch durch die absoluten Stromgestehungskosten überlagert wurde. Darüber hinaus wurde deutlich,
dass die Volatilität der landwirtschaftlichen Erzeugerpreise und somit auch der daran gekoppelten
Substratpreise, die Vorteile einer Gasertragssteigerung oder Verminderung der Rührleistung, überlagern.
Ausführliche Darstellung
BMWi-03KB106A, 31.01.2019 90
Die Bearbeitung von AP5 zeigte, dass eine energetische und ökonomische Bewertung des
Substrataufschlusses, unabhängig vom gewählten technischen Verfahren, eine besondere Wichtigkeit
hat. Dem folgend sollte für wissenschaftliche Untersuchungen zum Substrataufschluss in jedem Falle
eine ökonomische Voreinschätzung zur betriebswirtschaftlichen Tragfähigkeit eines Verfahrens
vorgenommen werden, wenn ein Übertrag in den Praxismaßstab erfolgen soll. Hierbei genügt eine
Überschlagsrechnung, die den erwarteten Gasmehrertrag die zu erwartenden Investitionen und
Betriebskosten auf Basis von Schätzungen gegenüberstellt. Es bleibt zu beachten, dass die zu erwarteten
Ertrags- und Kostengerüste maßgeblich vom Anwendungskontext eines Verfahrens abhängen. So kann
ein Verfahren für eine Praxisanwendung unter bestimmten Bedingungen betriebswirtschaftlich tragfähig
sein, für eine andere jedoch nicht. Gleichzeitig können sich durch eine Vorabschätzung Ansatzpunkte
erschließen, um ein Verfahren an sich technisch zu ändern, dass es die betriebswirtschaftliche
Tragfähigkeit erreicht. Für eine gesamtheitliche ökonomische Vorabschätzung sind hier möglicherweise
auch Sekundäreffekte außerhalb des zu betrachtenden Systems zu berücksichtigen. Die Vorein-
schätzung ist somit auch unter der interdisziplinären Sichtweise durchzuführen.
Am Beispiel von ELIRAS hätte eine ökonomische Vorababschätzung zu Beginn der wissenschaftlichen
Bewertung gezeigt, dass der mechanische-chemische Substartaufschluss mit Natronlauge zwar für Stroh
in der Viehfutteraufbereitung in Jahren mit Futterknappheit Sinn machen kann, jedoch durch die hohen
Durchsatzmengen, wie sie bei Biogasanlagen üblich sind, betriebswirtschaftlich nicht tragfähig ist. Unter
anderen Randbedingungen, vor allem ohne den Einsatz der hohen Mengen an Betriebsmittel, ist ein
mechanischer Substrataufschluss durchaus eine Betrachtung wert.
Auf Grundlage der Erkenntnisse aus AP5 wird eine ökomische Grobabschätzung in den ELIRAS-Leitfaden
aufgenommen und gleich zu Beginn der Betrachtung gestellt, Näheres dazu in Kapitel 2.3.7 „ELIRAS
Leitfaden (AP6)“, ab S. 95.
2.3.6 Ökologische Bewertung (AP5)
Im Rahmen der ökologischen Bewertung wurde der Einsatz des Substrataufschlusses an Biogasanlagen
hinsichtlich des Einflusses auf die Treibhausgas (THG)-Emissionen bewertet. Ziel war zu prüfen, inwieweit
der Einsatz von Desintegrationsverfahren die THG-Bilanz der Biogasproduktion verbessert und damit zu
einem zusätzlichen Klimaschutzbeitrag führen kann. Analog zu den Szenarien und Annahmen der
ökonomischen Bewertung (vergleiche vorheriges Kapitel 2.3.5 „Energetische und ökonomische
Bewertung (AP5)“) und den im Vorhaben ermittelten Daten und Erkenntnissen zu den Effekten der
Desintegration wurde eine Abschätzung der THG-Emissionen im Vergleich verschiedener Szenarien
vorgenommen. Dem Referenzszenario (ohne Substrataufschluss) wurden 2 Szenarien mit
Substrataufschluss (Szenario 2: Extrusion von Stroh; Szenario 3: Extrusion von Stroh mit Natronlauge)
gegenübergestellt.
2.3.6.1 Methodik der THG-Bilanzierung
Der Fokus der Abschätzung der THG-Emissionen wurde auf den Vergleich verschiedener Szenarien gelegt,
da die Erkenntnisse zeigen, dass die wesentlichen Unterschiede der betrachteten Szenarien beim
Biogasertrag, beim Strombedarf für die Desintegration und bei den verwendeten Betriebsmitteln
(Natronlauge) liegen. Die folgenden Darstellungen zeigen demnach keine Gesamt-THG-Bilanz, welche die
gesamte Bereitstellungskette (Transport / Logistik der Einsatzstoffe) der Biogaserzeugung und dessen
Ausführliche Darstellung
BMWi-03KB106A, 31.01.2019 91
Nutzung (Strombereitstellung über BHKW) beinhaltet, sondern die spezifischen THG-Emissionen der
Szenarien im Vergleich.
Als Referenz dient das Biogaskonzept ohne Substrataufschluss (Szenario 1). Im Szenario 2 wurde
angenommen, dass der Anteil Stroh extrudiert wurde, wodurch ein höherer Biogasertrag erzielt werden
konnte. Im Szenario 3 wurde zusätzlich zur mechanischen Desintegration von Stroh analog des ELIRAS-
Laborversuchs (L3) Natronlauge eingesetzt. Aufgrund des zusätzlichen chemischen Aufschlusses ergab
sich ein höherer Biogasmehrertrag (vergleiche Tabelle 15). Für die Darstellung der spezifischen THG-
Emissionen der 3 Szenarien wurde angenommen, dass der Substrateinsatz konstant bleibt und nur der
Gasmehrertrag für den Anteil der aufgeschlossenen Strohmengen betrachtet wird. Tabelle 15 zeigt die
ermittelten Substratmengen mit Gaserträgen und den resultierenden Gasmengen für die Szenarien 1 bis
3 im Überblick. Die veränderten Gaserträge für Stroh infolge des Substrataufschlusses (Szenario 2 und
3) sind dabei rot markiert.
Tabelle 15: Annahmen: Substrateinsatz und Gaserträge der Szenarien mit und ohne Substrataufschluss. Szenario 1
(Referenz) ohne Substrataufschluss im Vergleich zu den Szenarien 2 mit mechanischem und Szenario 3
mechanisch-chemischem Substrataufschluss unter Zugabe von Natronlauge.
Substrat ohne Substrataufschluss (Referenz - Szenario 1)
Menge Biogasertrag Jahresbiogasertrag Methangehalt Methanertrag Heizwert
t FM/a m³/t FM m³/a % m3/a kWh/a
Maissilage 1.000 216,13 216.125 52,00 112.385 1.120.478
Zuckerrübensilage 1.000 132,44 132.440 52,00 68.869 686.622
Stroh 3.400 338,56 1.151.104 52,00 598.574 5.967.784
HTK 600 175,95 105.570 55,00 58.064 578.893
Rindergülle 13.000 24,32 316.160 55,00 173.888 1.733.663
NA 0 0,00 0 0,00 0 0
Total 1.921.399 52,66 1.011.779 10.087.440
Substrat mit Substrataufschluss (Szenario 2 - Stroh extrudiert)
Menge Biogasertrag Jahresbiogasertrag Methangehalt Methanertrag Heizwert
t FM/a m³/t FM m³/a % m3/a kWh/a
Maissilage 1.000 216,13 216.125 52,00 112.385 1.120.478
Zuckerrübensilage 1.000 132,44 132.440 52,00 68.869 686.622
Stroh 3.400 360,23 1.224.775 52,00 636.883 6.349.722
HTK 600 175,95 105.570 55,00 58.064 578.893
Rindergülle 13.000 24,32 316.160 55,00 173.888 1.733.663
NA 0 0,00 0 0,00 0 0
Total 1.995.070 52,63 1.050.088 10.469.379
Substrat mit Substrataufschluss (Szenario 3 - Stroh extrudiert mit NaOH)
Menge Biogasertrag Jahresbiogasertrag Methangehalt Methanertrag Heizwert
t FM/a m³/t FM m³/a % m3/a kWh/a
Maissilage 1.000 216,13 216.125 52,00 112.385 1.120.478
Zuckerrübensilage 1.000 132,44 132.440 52,00 68.869 686.622
Stroh 3.400 380,54 1.293.841 52,00 672.797 6.707.789
HTK 600 175,95 105.570 55,00 58.064 578.893
Rindergülle 13.000 24,32 316.160 55,00 173.888 1.733.663
NA 0 0,00 0 0,00 0 0
Total 2.064.136 52,61 1.086.003 10.827.446
Ausführliche Darstellung
BMWi-03KB106A, 31.01.2019 92
Für die Darstellung der THG-Emissionen ist die Kenntnis der relevanten In- und Outputströme der Energie
sowie Hilfs- bzw. Einsatzstoffe erforderlich. Die für die THG-Bilanz notwendige Datenbasis umfasst für die
betrachteten Anlagenkonzepte Substrateinsatz und technische Parametern analog der Annahmen der
ökonomischen Betrachtung (vergleiche Kapitel 2.3.5; Tabelle 8; S. 82). Darüber hinaus werden
Annahmen aus den ELIRAS-Laborversuchen zur Desintegration sowie externe Daten und Einschätzungen
auf der Basis von Datenbanken und Projektberichten herangezogen.
Im Wesentlichen wurden in der ökologischen Bewertung folgende Parameter berücksichtigt:
Gas-/Stromproduktion
Strombedarf für die Biogaserzeugung (Biogasanlage)
Strombedarf für den Substrataufschluss (nur Szenario 2 und 3)
Stromeinsparung der Desintegration aufgrund der reduzierten Pump- und Rührwerksleistung (nur
Szenario 2 und 3)
Bedarf an Natronlauge (nur Szenario 3)
Für den Einsatz der Natronlauge wurden die THG-Emissionen für die Produktion der Natronlauge gemäß
der Datenbank ProBas ([53]; Datensatz ifeu 2004 für 50%-ige Natronlauge mit 986 kg CO2-Äq/tNaOH) zu
Grunde gelegt und auf 32%-ige Natronlauge als Abschätzung rückgerechnet (ca. 631 kg CO2-Äq/tNaOH).
Für den Strombedarf der Biogaserzeugung und der Desintegration wurde der nationale Strommix für
2017 (nach [54] mit 489 g CO2-Äq/kWhel) berücksichtigt.
Im Rahmen des Vorhabens wurden keine Emissionsmessungen zur Desintegration von Stroh
durchgeführt. Nach DANIEL-GROMKE ET AL. [55] und LIEBETRAU ET AL. [56] können Pauschal-Werte für die
Methanemissionen zur Biogaserzeugung (1 %) und für das BHWK (1,5 %) in Bezug zur gesamten
Gasproduktion angenommen werden. Im Rahmen der Treibhausgasbilanzierung werden klimarelevante
Gase mit Hilfe der Charakterisierungsfaktoren in CO2-Äquivalente umgerechnet. Nach IPCC [57] wurde
für den Umrechnungsfaktor von Methan zu THG-Äquivalente der Faktor 28 verwendet.
Die Annahmen der betrachteten Szenarien, die der THG-Bilanz zu Grunde gelegt wurden, sind im
Überblick in Tabelle 16 dargestellt.
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BMWi-03KB106A, 31.01.2019 93
Tabelle 16: Annahmen für die THG-Bilanz der Szenarien im Überblick: Szenario 1 (Referenz) ohne Substrataufschluss im
Vergleich zu den Szenarien 2 mit mechanischem und Szenario 3 mechanisch-chemischem Substrataufschluss
unter Zugabe von Natronlauge.
Szenarien
Einheit
Szenario 0
(Referenz,
unbehandelt)
Szenario 1
(Stroh
extrudiert)
Szenario 2
(Stroh extru-
diert + NaOH)
Biogasertrag gesamt m3/ a 1.921.399 1.995.070 2.064.136
Methanertrag gesamt m3/ a 1.011.779 1.050.088 1.086.003
Gasertrag kWh/a 10.087.440 10.469.379 10.827.446
Stromertrag kWhel/a 4.135.851 4.292.445 4.439.253
Strombedarf Gaserzeugung* kWhel/a 330.868 230.886 230.886
THG-Emissionen Strom Gaserzeugung g CO2-äq /a 161.794.474 112.903.420 112.903.420
Spezif. THG-Emissionen Strom Gaserzeugung g CO2-äq /kWhel 39 26 25
Strombedarf Substrataufschluss kWhel/a 272.000 272.000
THG-Emissionen Substrataufschluss g CO2-äq /a 0 133.008.000 133.008.000
Spezif. THG-Emissionen Substrataufschluss g CO2-äq /kWhel 0 31 30
Strombedarf Gasnutzung (BHKW) kWhel/a 82.717 85.849 88.785
THG-Emissionen Strombedarf BHKW g CO2-äq /a 40.448.619 41.980.114 43.415.891
Spezif. THG-Emissionen Strombedarf BHKW g CO2-äq /kWhel 9,8 9,8 9,8
Betriebsmittel (Natronlauge 32%-ig) t/a 522
THG-Emissionen Natronlauge Produktion (32%-ig) g CO2-äq /a 329.371.328
Spezif. THG-Emissionen Natronlauge Produktion (32%-ig) g CO2-äq /kWhel 74
Methanemissionen Biogasanlage (pauschal 1%) m3/a 10.118 10.501 10.860
Methanemissionen Biogasanlage (pauschal 1%) g CH4/kWhel 1,8 1,8 1,8
Spezif. THG-Emissionen Biogasanlage g CO2-äq/kWhel 49,3 49,3 49,3
Methanemissionen BHKW (1,5%) m3/a 15.177 15.751 16.290
Methanemissionen BHWK (1,5%) g CH4/kWhel 2,6 2,6 2,6
Spezif. THG-Emissionen BHKW g CO2-äq/kWhel 74,0 74,0 74,0
*Stromreduktion S2 und S3 infolge der geringeren Rühr- und Pumpleistung analog ökonomischer Bewertung vgl. Kapitel 2.3.5
2.3.6.2 Ergebnisse
Tabelle 17 zeigt die ermittelten THG-Emissionen der Szenarien 1 bis 3 in g CO2-Äquivalente je kWhel und
je kWh (Gas). Da für die Parameter „Strombedarf BHWK“, „Emissionen der Biogasanlage“ und
„Biogasnutzung im BHWK“ jeweils Pauschal-Werte zu Grunde gelegt wurden, ergeben sich hinsichtlich
der Darstellung der spezifischen THG-Emissionen keine Unterschiede, weshalb für den Szenarien-
vergleich in der grafischen Gegenüberstellung auf diese Parameter verzichtet wurde (vergleiche Tabelle
17 und Abbildung 45).
Ausführliche Darstellung
BMWi-03KB106A, 31.01.2019 94
Tabelle 17: Spezifische THG-Emissionen der Szenarien 1 - 3 im Vergleich jeweils in g CO2-Äquivalente je kWhel (Strom) und je
kWh (Gas). Szenario 1 (Referenz) ohne Substrataufschluss im Vergleich zu den Szenarien 2 mit mechanischem
und Szenario 3 mechanisch-chemischem Substrataufschluss unter Zugabe von Natronlauge.
Szenario Szenario 1
(Referenz, unbehandelt)
Szenario 2
(Stroh extrudiert)
Szenario 3
(Stroh extrudiert mit NaOH)
Einheit g CO2-Äq/
kWhel
g CO2-Äq/
kWh
g CO2-Äq/
kWhel
g CO2-Äq/
kWh
g CO2-Äq/
kWhel
g CO2-Äq/
kWh
Strombedarf für
Gaserzeugung
39,1 16,0 26,3 10,8 25,4 10,4
Substrataufschluss 31,0 12,7 30,0 12,3
Produktion Natronlauge
(32%-ig)
74,2 30,4
Gesamt THG-Emissionen 39,1 16,0 57,3 23,5 129,6 53,1
Abbildung 45 veranschaulicht die spezifischen THG-Emissionen in g CO2-Äquivalente je kWhel für die
betrachteten Szenarien der Desintegration (Szenario 2 und 3) im Vergleich zum Referenzszenario (ohne
Desintegration von Stroh).
Abbildung 45: Spezifische THG-Emissionen in g CO2-Äquivalente je kWhel für die Szenarien 2 und 3 (mit Substrataufschluss) im
Vergleich zur Referenz (Szenario 1).
Die wesentlichen Unterschiede im Szenarienvergleich ergeben sich für den Strombedarf der
Gaserzeugung und Substrataufschluss (Szenario 2 und 3) sowie für den Einsatz der Natronlauge
(Szenario 3), weshalb die spezifischen THG-Emissionen deutlich variieren.
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BMWi-03KB106A, 31.01.2019 95
Die Szenarien zum Substrataufschluss (Szenario 2 und 3) weisen im Vergleich zum Referenzszenario
höhere spezifische THG-Emissionen auf, die durch die Stromeinsparung infolge der reduzierten Pump-
und Rührleistung der Desintegration nicht kompensiert werden können.
So liegen die spezifischen THG-Emissionen für Szenario 2 (Stroh Extrusion) etwa 50% höher als das
Referenzszenario (ohne Substrataufschluss), während Szenario 3 (Stroh Extrusion mit Natronlauge) im
Vergleich zum Referenzszenario sogar mehr als das 3-fache an THG-Emissionen aufweist. Dies ist auf
den großen „CO2-Fußabdruck“ der Produktion von Natronlauge und den hohen Einsatz von Natronlauge
für den Substrataufschluss zurückzuführen.
Im Ergebnis zeigen die betrachteten Szenarien der Desintegration unten den dargestellten Annahmen im
Vergleich zum Biogaskonzept ohne Substrataufschluss demnach keine verbesserte THG-Bilanz.
2.3.7 ELIRAS Leitfaden (AP6)
2.3.7.1 Aufbau des ELIRAS-Leitfadens
Der im Vorhaben ELIRAS zu erarbeitende Leitfaden besteht aus einer Reihe an Abschätzungen, welche
nacheinander Teilaspekte der Effekte einer Desintegration beleuchten. Die Anwendung des Leitfadens
umfasst die Beantwortung folgender Fragestellungen:
1. Abschätzung Handlungsbedarf
2. Ökonomische Grobabschätzung
3. Ermittlung der Veränderung des Gasertrags infolge Desintegration mit dem ELIRAS Modell
4. Finale ökonomische Berechnung
Das Kernstück des Leitfadens ist dabei das ELIRAS Modell, welches den Effekt eines
Substrataufschlusses auf den Gasertrag ausgibt. Dem ELIRAS Modell ist eine Abschätzung zum
Handlungsbedarf sowie eine ökonomische Grobabschätzung vorgeschaltet, welche darüber entscheiden,
ob ein Substrataufschluss überhaupt sinnvoll ist und somit die Anwendung des ELIRAS Modells in Frage
kommt.
Die erste technische Abschätzung (1.) umfasst eine einfache Ja-/Nein-Abfrage in Form eines Fragebogens
und eine Ist-Stands-Analyse der Biogasanlage. Die erste Abfrage wurde in Form eines Fragekatalogs
erarbeitet, siehe Anhang A 1. Er ist für Nassfermentationsanlagen anwendbar und analysiert den
Handlungsbedarf bezüglich Substratvorbehandlung und Fermenterdurchmischung. Mit Hilfe dieser
Abfrage kann abgeschätzt werden, ob eine Desintegration unter den gegebenen Bedingungen auf einer
Biogasanlage grundsätzlich denkbar ist. Zur Aufnahme des technischen Ist-Zustandes der Biogasanlage
kann der in AP2 entwickelte Fragebogen (siehe (Kapitel 2.3.2 „Fragekatalog (AP2)“, S. 27 bzw. Anhang A
2) zur Hilfe genommen werden.
Zusätzlich zu der technischen Vorabschätzung zum Handlungsbedarf steht zu Beginn einer
wissenschaftlichen Bewertung von Substrataufschlussverfahren eine ökonomische Grobbetrachtung
(2.), welche die Erlöse der erwarteten Gasertragssteigerung den Mehraufwendungen durch die
Installation einer Desintegrationseinheit gegenüberstellt. Erst wenn ein Substrataufschluss auch aus
ökonomischer Sicht sinnvoll ist, sollte eine tiefergehende wissenschaftliche Bewertung mit Hilfe des
ELIRAS Modells (3.) erfolgen. Wichtigste Ausgabegröße des ELIRAS Modells ist die Veränderung des
Ausführliche Darstellung
BMWi-03KB106A, 31.01.2019 96
Gasertrags infolge des Substrataufschlusses. In einer finalen ökonomischen Berechnung (4.) wird der im
ELIRAS Modell ermittelte Gasmehrertrag den ökonomischen Aufwendungen im Detail gegenübergestellt,
sodass mit diesem letzten Punkt des ELIRAS Leitfadens eine Handlungsempfehlung zur Installation einer
Desintegrationseinheit auf einer Biogasanlage gegeben werden kann. Abbildung 47 verdeutlicht den
Aufbau des ELIRAS Leitfadens schematisch. Das Konzept des dunkelgrün dargestellten Kern des ELIRAS
Leitfadens, dem ELIRAS Modell, sowie dessen Validierung sind im nachfolgenden Kapitel 2.3.7.2
(„ELIRAS Modell“, S. 98) beschrieben.
Im konkreten praktischen Anwendungsfall auf einer großtechnischen Biogasanlage würde der ELIRAS
Leitfaden wie folgt angewendet werden: Gemeinsam mit dem Anlagenbetreiber erfolgt auf Basis des Ist-
Zustandes der Biogasanlage eine grobe technische und ökonomische Abschätzung, ob ein
Substrataufschluss überhaupt in Frage kommt. Bei positivem Ausgang wird der Fermenterinhalt der
Biogasanlage im Ausgangszustand sowie das Substrat beprobt. Um mit Hilfe des ELIRAS Modells die
Veränderung des Gasertrags prognostizieren zu können, muss auch eine Probe des desintegrierten
Substrates bereitgestellt werden. Hier ist denkbar, eine kleine Menge an Substrat in Kooperation mit dem
Hersteller der Desintegrationseinheit probehalber aufzuschließen. Diese drei Proben „Fermenterinhalt“,
„Substrat unbehandelt“ und „Substrat desintegriert“ werden mit Hilfe von Laboranalysen und
Gärversuchen charakterisiert und finden Eingang in das ELIRAS Modell. Die Werkzeuge des ELIRAS
Modells Massenbilanzierung, Modellierung sowie Betrachtungen zur Veränderung der Partikelgröße und
Hydrodynamik ermöglichen eine Vorhersage zur Veränderung des Gasertrags infolge des Substrat-
aufschlusses. Auf Basis dieser Kenngröße wird, erneut in Zusammenarbeit mit dem Anlagenbetreiber,
final abgeschätzt, ob bei dem im ELIRAS-Modell ermitteltem Gasmehrertrag die Installation einer
Substratdesintegration auch ökonomisch sinnhaft ist.
Ausführliche Darstellung
BMWi-03KB106A, 31.01.2019 97
Abbildung 46: Schematische Darstellung des ELIRAS-Leitfadens
Algorithmus Substrataufschluss
• Substrat unbehandelt
• Substratcharakterisierung → TS, oTS, Flüchtige
• diskontinuierlicher Gärversuch → Gasbildungspotenzial, Kinetik Batch kB0
• Partikelgrößenanalyse → mittlerer Partikeldurchmesser xm0
• Substrat desintegriert
• diskontinuierlicher Gärversuch → Gasbildungspotenzial, Kinetik Batch kB1
• Partikelgrößenanalyse → mittlerer Partikeldurchmesser xm1
• Fermenterinhalt
• Gasmengenmessung → Kinetik Konti kK0 Praxisanlage im Ausgangszustand
• Partikelgrößenanalyse → mittlerer Partikeldurchmesser xm0
Algorithmus Hydrodynamik
•Fermenterinhalt
• Fließkurven → durchmischtes Fermentervolumen D
xm
D
3. Veränderung Gasertrag infolge Desintegration
+
4. finale ökonomische Berechnung
ELIRAS Modell
1. Abschätzung Handlungsbedarf + 2. ökonomische Grobbetrachtung
ja
ELIRAS Leitfaden
Werkzeuge
Betrachtung zur
Veränderung der
Partikelgröße
Betrachtung zur
Hydrodynamik
Modellierung und
Parameteridentifikation
Massenbilanzierung
Ausführliche Darstellung
BMWi-03KB106A, 31.01.2019 98
2.3.7.2 ELIRAS Modell
Wird in den ersten beiden Schritten des ELIRAS Leitfadens ein Handlungsbedarf und ökonomische
Sinnhaftigkeit herausgearbeitet, kann das ELIRAS Modell als Bestandteil des ELIRAS Leitfadens
angewendet werden.
Modellkonzept
Das ELIRAS Modell wurde als Ergebnis von AP3 und AP4 entwickelt und umfasst die zwei Algorithmen
Algorithmus Hydrodynamik (AHD) und Algorithmus Substrataufschluss (ASA).
Der „Algorithmus Hydrodynamik“ wurde von den Verbundpartnern Maier und LTS entwickelt. Das iterative
Verfahren des AHD ermöglicht eine Beschreibung des hydraulischen Zustands in einem Fermenter. Mit
Kenntnis der Fermenterabmaße und der Rührwerke sowie aus den Fließeigenschaften des Mediums
(Dichte, Fließindex m, Konsistenzfaktor K) wird das durchmischte Fermentervolumen D, die mittlere
Fließgeschwindigkeit des Mediums und der Leistungseintrag der Rührwerke berechnet. Eine konkrete
Beschreibung des AHD ist im Schlussbericht Maier/LTS unter dem Kapitel „Beschreibung des
Algorithmus Hydrodynamik (AHD)“ ab S. 69 und S. 91 zu finden. Auf Basis der Veränderung der
Durchmischung D des Fermenterinhaltes wird der hydrodynamische Effekt eines Substrataufschlusses
(siehe Kapitel 2.3.3.1 „Einteilung der Effekte von Substrataufschluss“, S. 27, Effekt c) beschrieben. In
der Weiterentwicklung des ELIRAS Modells durch das DBFZ zeigte sich, dass ein Substrataufschluss auch
eine Veränderung des Anteils an Gasblasen im Fermenter, kurz Gas-Hold-up, nach sich ziehen und somit
ebenfalls Einfluss auf die Durchmischung D nehmen kann. Die Veränderung der Durchmischung D, als
Ausgabegröße des AHD, wirkt sich auf die Gasbildung aus, was mit dem „Algorithmus
Substrataufschluss“ ASA bestimmt wird. Eine Zunahme der Gasbildung bewirkt eine Abnahme des
mittleren Partikeldurchmessers xm, welcher wiederum Eingang in den AHD findet. Die Kenngrößen
mittlerer Partikeldurchmesser xm und Durchmischung D ermöglichen somit eine Kopplung der beiden
Algorithmen AHD und ASA, siehe Abbildung 46. Die Vorhersage des Zustands der Biogasanlage mit
Substrataufschluss erfolgt iterativ.
Der Fokus des vom DBFZ bearbeiteten Parts des ELIRAS Modells lag auf der Entwicklung des
„Algorithmus Substrataufschluss“, kurz ASA. In den ASA gehen Kenngrößen zur Charakterisierung von
Substrat und Fermenterinhalt sowie die Ergebnisse von Gärversuchen im Labormaßstab ein. Die
Modellierung erfolgt mit Hilfe der Anlagenkenndaten, welche im 1. Schritt des ELIRAS Leitfadens
aufgenommen wurden, sowie auf Basis der drei Proben:
Substrat im unbehandelten Zustand
Substrat im desintegrierten Zustand
Fermenterinhalt des Hauptfermenters der Praxis-Biogasanlage während der Beschickung mit
unbehandeltem Substrat (Ausgangszustand).
Sollte die Desintegrationseinheit noch nicht auf der Biogasanlage verfügbar sein, ist denkbar, eine kleine
Menge an Substrat in Kooperation mit dem Hersteller der Desintegrationseinheit probehalber auf-
zuschließen und so die Probe „Substrat im desintegrierten Zustand“ zu erhalten.
Ausführliche Darstellung
BMWi-03KB106A, 31.01.2019 99
Welche Analysen von den genannten Proben vorgenommen werden, welche Parameter daraus Eingang
in das ELIRAS Modell finden und welche Ergebnisse zur Prognose des Effekts eines Substrataufschlusses
daraus abgeleitet werden, ist in Tabelle 18 zusammengestellt. Diese Tabelle kann als Checkliste für die
Anwendung des ELIRAS Modells im Praxisfall verwendet werden.
2 Ausführliche Darstellung
BMWi-03KB106A, 31.01.2019 100
Tabelle 18: Checkliste zur Probenahme und Analyse bei der Datenerhebung für die Anwendung des ELIRAS Modells
Probe Analyse Parameter Modellwerkzeug Ergebnis
Substrat
unbe-
handelt
alle ein-
gesetzten
Substrate
oder
Substrat-
mischung,
ohne
Rezirkulat
Substrat-
charakterisierung
TS, oTS
ggf. organische Flüchtige (zur TS Korrektur, insb. bei Silagen)
Bezugsgrößen für alle Modellwerkzeuge
Partikelgrößen-
analyse
Partikelgrößenverteilung
Substrat unbehandelt
mittlerer Partikeldurchmesser
xm Substrat unbehandelt
Betrachtung zur
Veränderung der
Partikelgröße infolge
Desintegration
Mittlerer Partikel-
durchmesser xm
Fermenterinhalt
desintegriert
Diskontinuierlicher
Labor-Gärversuch
(Batch)
Gasbildungskurve
Biogasbildungspotenzial
Modellierung,
Parameter-
identifikation
Kinetik (kB0) und
Gaspotenzial des
desintegrierten
Substrates
(Batch)
Substrat
des-
integriert
alle ein-
gesetzten
Substrate
oder
Substrat-
mischung,
ohne
Rezirkulat
Substrat-
charakterisierung
TS, oTS
ggf. organische Flüchtige (zur TS Korrektur, insb. bei Silagen)
Bezugsgrößen für alle Modellwerkzeuge
Partikelgrößen-
analyse
Partikelgrößenverteilung
Substrat desintegriert
mittlerer Partikeldurchmesser
xm Substrat desintegriert
Betrachtung zur
Veränderung der
Partikelgröße infolge
Desintegration
Veränderung xm
Fermenterinhalt
infolge
Desintegration
Diskontinuierlicher
Labor-Gärversuch
(Batch)
Gasbildungskurve
Biogasbildungspotenzial
Modellierung,
Parameter-
identifikation
Kinetik (kB1) und
Gaspotenzial des
desintegrierten
Substrates
(Batch)
Fermen-
terinhalt
Praxis-
Biogas-
anlage
Konti-
nuierlicher
Prozess
Charakterisierung TS, oTS
Organische Flüchtige
Bezugsgrößen für alle Modellwerkzeuge
Diskontinuierlicher
Labor-Gärversuch
Restgaspotenzial Abschätzung des verfügbaren Potenzials
für Substrataufschluss
Partikel-
größenanalyse
xm Fermenterinhalt unbehandelt Betrachtung zur
Veränderung der
Partikelgröße infolge
Desintegration
Veränderung xm
Fermenterinhalt
infolge
Desintegration
Fließkurve Durchmischtes
Reaktionsvolumen D des
Fermenters
Betrachtung hydro-
dynamischer Effekt
der Desintegration
Veränderung der
Durchmischung
D infolge
Desintegration Dichte Gas-Hold-up (Gasanteil im
Fermenterinhalt)
Praxis-
Biogas-
anlage
Anlagen- und Pro-
pellerkonfiguration
Umsetzung und Zustand der
Durchmischung im
Ausgangszustand
Gasmengen-
messung
Normierter Gasertrag der
Praxisanlage im
Ausgangszustand
Massenbilanz
kontinuierlicher
Prozess
Kinetik (kK0) und
Gaspotenzial der
kontinuierliche
Vergärung des
unbehandelten
Substrates
Gaszusammen-
setzung
Anteil an Methan
Substrat-
zusammensetzung
und Beschickung
Eingesetzte Substratmengen
Anlagen-
konfiguration,
Rezirkulation
Anteil/Menge an rezirkuliertem
Fermenterinhalt
2 Ausführliche Darstellung
BMWi-03KB106A, 31.01.2019 101
Wie in Tabelle 18 bereits farblich gekennzeichnet wurde, bedient sich das ELIRAS Modell der Werkzeuge
● Betrachtung zur Veränderung der Partikelgröße infolge Substrataufschluss
● Betrachtung hydrodynamischer Effekt der Desintegration
● Modellierung und Parameteridentifikation
● Massenbilanzierung
Die Grundlage aller Betrachtungen bildet die Charakterisierung von Substrat und Fermenterinhalt im
diskontinuierlichen Gärversuch und auf der kontinuierlichen Praxis-Biogasanlage. Das unbehandelte und
auch das aufgeschlossene Substrat wird über die Parameter TS und oTS beschrieben, wobei darauf zu
achten ist, dass die Substratcharakterisierung auch flüchtige organische Säuren und Alkohole
berücksichtigt und die TS gegebenenfalls korrigiert wird (vergleiche Kapitel 2.3.1.4 „Weiterentwicklung
experimenteller Untersuchungen zum Substrataufschluss (DBFZ)“, S. 21 ).
Zusätzlich zur klassischen Charakterisierung über TS und oTS beinhaltet der ELIRAS Ansatz auch die
Beschreibung granulometrischen Zustands von Substrat und Fermenterinhalt. Dazu wird eine
Partikelgrößenanalyse des Substrats im unbehandelten und desintegrierten Zustand sowie des
Fermenterinhaltes im Ausgangszustand vorgenommen. Über die Veränderung der Partikelgröße des
Substrats infolge des Substrataufschlusses wird die Partikelgrößenverteilung des Fermenterinhaltes bei
Beschickung mit desintegriertem Substrat abgeschätzt. Die Partikelgröße xm des desintegrierten
Fermenterinhaltes zur gegebenen Verweilzeit wird über eine Kinetik erster Ordnung ermittelt. Diese
Annahme basiert auf der Erkenntnis des diskontinuierlichen Gärversuchs zur Methodenentwicklung der
Partikelgrößenanalyse, der zum Ergebnis hatte, dass die Abnahme der Partikelgröße in der anaeroben
Vergärung der Kinetik der Biogasbildung folgt (vergleiche Abbildung 21, S. 51).
Zur Abschätzung der hydrodynamischen Effekte eines Substrataufschlusses, werden die Fließkurve des
Fermenterinhaltes sowie Kenndaten zur Anlagen- und Propellerkonfiguration aufgenommen. Hierbei
muss auch der Zustand der Propeller nach meist langjährigem Anlagenbetrieb berücksichtigt werden. Auf
Basis dieser Kenngrößen liefert der AHD die Durchmischung D des Fermentervolumens. Über die Dichte
des Fermenterinhaltes wird zusätzlich der Anteil an im Fermenterinhalt gebundenen Gasblasen (Gas-
Hold-up) bestimmt, welcher sich ebenfalls auf das Reaktionsvolumen auswirkt.
Zur Beschreibung des kontinuierlichen Prozesses wird nach der, am DBFZ entwickelten und in der
Messmethodensammlung Biogas ([16], Kapitel 7.4) festgehaltenen, Methode zur Massenbilanzierung
kontinuierlicher Biogasprozesse vorgegangen. Neben den Kenngrößen zur Berücksichtigung des
mikrobiellen Biomassewachstums, des stöchiometrischen Wasserbedarfs bzw. Methangehalts (fB, fW und
CH4) sowie der zugeführten organischen Trockensubtanz (mStroh, TS und oTS) werden lediglich der
gemessene Methanertrag, der Methangehalt sowie das Restgaspotenzial (VCH4,spez, CH4 und VRestgas) im
stationären Betrieb benötigt. Alle weiteren Kenngrößen zur Charakterisierung der Substrate und des
Gärrests berechnen sich eindeutig über den resultierenden Umsatz im Fermenter. [58] [16] Auf Basis der
Massenbilanz wird das charakteristische Methanbildungspotenzial und die entsprechenden
Reaktionskinetik erster Ordnung (VCH4,spez und k) bestimmt.
Um die Veränderung des Gasbildungspotenzials, des Gasertrags und der Gasbildungskinetik infolge der
Desintegration abschätzen zu können, wird die kumulierte Gasbildung des unbehandelten und
desintegrierten Substrates mit Hilfe von diskontinuierlichen Gärversuchen im Labormaßstab (Batchtests)
2 Ausführliche Darstellung
BMWi-03KB106A, 31.01.2019 102
aufgenommen. Der Verlauf der kumulierten Gasbildung wird als einfache Reaktion erster Ordnung
modelliert und daraus die Kinetik der Vergärung des unbehandelten Substrates (kB0) sowie das
Gasbildungspotenzial im diskontinuierlichen Prozess bestimmt. Parallel zu den Gärversuchen des
unbehandelten Substrates wird das Substrat auch im desintegrierten Zustand einem diskontinuierlichen
Gärversuch unterworfen und die Kinetik kB1 sowie das Gasbildungspotenzial ermittelt. Für die
Modellierung und Parameteridentifikation der kontinuierlich betriebenen Praxisanlage wird die Messung
der Gasmengen und Gaszusammensetzung benötigt. Über die im Betriebstagebuch protokollierte
Substratzusammensetzung und Beschickung werden die auf der Praxisanlage eingesetzten
Substratmengen ermittelt. Mit Hilfe einer Massenbilanz, der Modellierung und Parameteridentifikation
erhält man Gasbildungskinetik (kK0) und -potenzial des kontinuierlichen Prozesses im Ausgangszustand.
Die Reaktionskinetik des desintegrierten Substrates im kontinuierlichen Betrieb (kK1) ist nicht bekannt
und wird aus den bekannten Parametern kB0, kB1 und kK0 geschätzt, wie in Abbildung 47 schematisch
dargestellt.
Abbildung 47: Bestimmung der Abbaukinetik der Praxisanlage im desintegrierten Zustand (Fragezeichen rechts unten) aus der
Abbaukinetik in diskontinuierlichen Batch-Gärversuchen (oben) und dem kontinuierlichen Betrieb der Anlage im
unbehandelten Zustand (links unten)
Durch die unterschiedlichen Betriebsbedingungen im diskontinuierlichen und kontinuierlichen Betrieb ist
grundsätzlich mit verschiedenen Prozesszuständen, mikrobiellen Wachstumsbedingungen und daraus
resultierenden Abbaubedingungen und Gaserträgen zu rechnen [59]. Eine direkte Übertragung der
Reaktionskinetik vom diskontinuierlichen zum kontinuierlichen Betrieb ist in der Regel nicht möglich [60,
61]. In der Validierung des ELIRAS-Modells mit realen Messdaten aus Laborversuchen (vergleiche
nachfolgender Abschnitt „Modellvalidierung“) wurde ein fester Faktor fK zur Übertragung der
Reaktionskonstante vom diskontinuierlichen auf den kontinuierlichen Betrieb identifiziert, welcher
unabhängig von den beiden betrachteten Substrataufschlüssen angewendet werden konnte. Dieser
Übertragungsfaktor fK kann gemäß Formel 3 beschrieben werden.
fK =kK
kB Formel 3
2 Ausführliche Darstellung
BMWi-03KB106A, 31.01.2019 103
Durch Multiplikation der ermittelten Reaktionskinetik des aufgeschlossenen Substrates im
diskontinuierlichen Betrieb (kB1) mit dem konstanten Übertragungsfaktor fK lässt sich auf die unbekannte
Reaktionskinetik kK1 im kontinuierlichen Prozess schließen. Gemeinsam mit der im diskontinuierlichen
Gärversuch ermittelten Veränderung des Gasbildungspotenzials lässt sich anhand der Kinetik kK1 der
Gasertrag auf der Praxisanlage nach erfolgtem Substrataufschluss prognostizieren.
Zusätzlich zum Eingang der genannten Parameter in die Elemente des ELIRAS Modells, kann mit Hilfe
eines diskontinuierlichen Gärversuchs mit Fermenterinhalt auch das Restgaspotenzial der Praxis-
Biogasanlage bestimmt werden. Unter Berücksichtigung der Massenbilanz und Kinetik der Vergärung
kann darüber das für einen Substrataufschluss verfügbare Potenzial auf einer Praxisanlage abgeschätzt
werden. Beispielsweise ließe ein hohes Restgaspotenzial bei gleichzeitiger niedriger Verweilzweit große
Effekte auf die Gasbildung infolge eines Substrataufschlusses erwarten.
Modellvalidierung
Die Validierung des Algorithmus Hydrodynamik (AHD) erfolgte anhand der theoretischen Nachrechnung
einer Praxisanlage in Kapitel 2.3.3.2 („Einfluss durchmischtes Fermentervolumen auf Biogasbildung“, S.
30) sowie mit Hilfe der Messdaten des ELIRAS Demonstrator-Biogasanlage in Praxis-Gärversuch P1
(siehe Kapitel 2.3.4.2 „Gärversuche im großtechnischen Maßstab (AP7)“, S. 71).
Der Algorithmus Substrataufschluss (ASA) des ELIRAS Modells wurde mit Messdaten aus Gärversuchen
im Labormaßstab validiert. Für die Modellvalidierung wurden die Gärversuche L3 und L4 ausgewählt, da
der Substrataufschluss in diesen Versuchen einen Gasmehrertrag nach sich zog und alle benötigten
Versuchsdaten vorlagen.
Labor-Gärversuch L3: mechanisch-chemische Desintegration von Stroh
Wie in Abbildung 48 zu erkennen ist, konnte die Gasbildung im diskontinuierlichen Gärversuch L3 zur
mechanisch-chemischen Desintegration von Stroh gut mit einer einfachen Reaktion erster Ordnung
abgebildet werden. Die Reaktionskinetik des unbehandelten Substrates konnte durch mechanisch-
chemische Desintegration mehr als verdoppelt werden. Das Methanbildungspotenzial als Ergebnis des
diskontinuierlichen Gärversuchs stieg infolge des Substrataufschlusses von 260 mLN goTS-1 auf
328 mLN goTS-1. Diese enorme Steigerung des Gasbildungspotenzials konnte nicht im kontinuierlichen
Gärversuch bestätigt werden, siehe Ergebnisdarstellung auf S. 106.
2 Ausführliche Darstellung
BMWi-03KB106A, 31.01.2019 104
Abbildung 48: Simulation des kumulierten Methanertrags im diskontinuierlichen Gärversuch L3 (mechanisch-chemische
Desintegration) mit Hilfe einer Reaktion erster Ordnung
Der stationäre Zustand des kontinuierlichen Gärversuchs L3 wurde, wie in Abbildung 49 dargestellt,
bilanziert. In die Massenbilanz eingehenden Eingangsgrößen, welche sich aus den Messdaten des
Gärversuchs ergaben, sind in Anhang A 10.1 zusammengestellt. Neben den Kenngrößen zur
Berücksichtigung des mikrobiellen Biomassewachstums und des stöchiometrischen Wasserbedarfs bzw.
Methangehalts (fB, fW und CH4, in Abbildung 49 ■ dargestellt) sowie der zugeführten organischen
Trockensubstanz (mStroh, TS und oTS, in ■) werden lediglich der gemessene Methanertrag, der
Methangehalt sowie das Restgaspotenzial (VCH4,spez, CH4 und VRestgas, in ■) im stationären Betrieb benötigt.
Alle weiteren Kenngrößen zur Charakterisierung der Substrate und des Gärrest berechnen sich eindeutig
über den resultierenden Umsatz im Fermenter. Auf Basis der Massenbilanz wird das charakteristische
Methanbildungspotenzial und die entsprechenden Reaktionskinetik erster Ordnung (VCH4,spez und k in ■)
bestimmt. Das Methanbildungspotenzial der kontinuierlichen Vergärung von unbehandelten Stroh
beträgt 265 mLN goTS-1. Bei 60 Tagen Verweilzeit wurde ein Methanertrag von 189 mLN goTS-1 erzielt.
2 Ausführliche Darstellung
BMWi-03KB106A, 31.01.2019 105
Abbildung 49: Bilanzierung des kontinuierlichen Gärversuchs L3 im Labormaßstab, Beschickung mit unbehandeltem Substrat
Bei kurzer Versuchsdauer wird das Restgaspotenzials auf Basis einer exponentiellen Regression als
finaler Endwert bei unendlicher Verweilzeit extrapoliert. Für die Vergärung von unbehandeltem Stroh im
kontinuierlichen Gärversuch L3 wurde ein Restgaspotenzial von 10,4 L Biogas je kg Gärrest ermittelt. In
der grafischen Darstellung der Gasbildungsverläufe aus unbehandeltem Stroh in Abbildung 50, wird
ersichtlich, dass nach den für den Gärversuch L3 gewählten 60 Tagen Verweilzeit das Restgaspotenzial
der zugrundeliegenden Vergärungsprozesse noch nicht vollständig ausgeschöpft ist. Diese Reserven
können über eine Desintegration erschlossen werden.
ṁStroh 22,22 g/d ṁWasser: 144,45 g/d
TS 92,2 % FM ṁSubstrat: g/d
oTS 91,93 % TS TS: % FM
FoTS 63,1 % oTS oTS % TS
V̇Biogas,spez 510 L/kg oTS FoTS % oTS
V̇CH4,spez 265 L/kg oTS ṁWasser: g/d ṁBiogas,FoTS 8,05 g/d
ṁTS: g/d ṁBiogas,Wasser 0,95 g/d
ṁoTS: g/d ṁBiogas 9,00 g/d
ṁFoTS: g/d V̇Biogas 6,85 L/d
ṁAsche: g/d V̇CH4 3,55 L/d
Stöchiometrie V̇CO2 3,29 L/d
fw 11,25 % FoTS V̇Biogas,spez 364 L/kg oTS
fB 5 % FoTS Vliq 10 L
CH4 51,9 % k 0,04 1/d
CO2 48,1 % HRT 60 d
ρBiogas 1,315 g/L
Ybiogas 808 L/kg FoTS V̇Biogas 6,71 L/d
ṁGärrest: g/d CH4 53,0 %
TS: % FM CO2 47,0 %
oTS: % TS V̇CH4 3,55 L/d
FoTS % oTS V̇CO2 3,15 L/d
ṁWasser: g/d V̇Biogas,spez 356 L/kg oTS
ṁTS: g/d V̇CH4,spez 189 L/kg oTS
ṁoTS: g/d
VRestgas 17,4 L/kg FM ṁBakterien: g/d
V̇Restgas 2,75 L/d ṁFoTS: g/d
V̇CH4 1,43 L/d ṁAsche: g/d
V̇CO2 1,32 L/d
Messwert
166,67
12,3
91,93
63,0882
146,19
20,48
18,82
Stöchiometrie (Berechnung)
10,77
11,88
1,65
Fermenter
Umsatz 71,4 %
0,42
3,40
1,65
157,66
7,88
86,70
31,57
145,24
12,43
ProzesswasserStroh Maische
Biogas
GärrestRestgas
2 Ausführliche Darstellung
BMWi-03KB106A, 31.01.2019 106
Abbildung 50: Extrapolation des Restgaspotenzials aus unbehandeltem Stroh, ermittelt über eine Massenbilanzierung des
kontinuierlichen Gärversuchs L3
Für den im Anwendungsfall des ELIRAS Leitfadens unbekannten Zustand des kontinuierlichen Prozesses
nach Substrataufschluss liegen im Gärversuch L3 Messdaten vor, welche der Validierung des ELIRAS
Modells dienen. Abbildung 51 zeigt die Massenbilanz für den Einsatz von desintegriertem Stroh. Infolge
des mechanisch-chemischen Substrataufschlusses stieg der Methanertrag auf 211 mLN goTS-1, das
Methanbildungspotenzial von Stroh hingegen sank leicht auf 247 mLN goTS-1 ab.
0
4
8
12
0 50 100 150 200
Re
stga
spo
ten
tial
[L
je L
Gär
rest
]
Zeit [d]
Simulation Data
10,4 L je kg Gärrest
2 Ausführliche Darstellung
BMWi-03KB106A, 31.01.2019 107
Abbildung 51: Bilanzierung des kontinuierlichen Gärversuchs L3 im Labormaßstab, Beschickung mit desintegriertem Substrat
Für die Validierung des ELIRAS Modells anhand des Gärversuchs L3 wird die tabellarische
Zusammenfassung der Ergebnisse der eben beschriebenen Parameter (Tabelle 19) betrachtet. Für den
Übertrag der Reaktionskinetik k vom diskontinuierlichen in den kontinuierlichen Prozess lässt sich ein
Faktor fK von 0,36 bestimmen. Auf Basis des im diskontinuierlichen Gärversuch ermittelten
Methanbildungspotenzials von desintegriertem Stroh (328 mLN goTS-1) und der mit dem Übertragungs-
faktor fK angepassten Kinetik des kontinuierlichen Prozesses wurde ein Methanertrag von 276 mLN goTS-1
im desintegrierten Zustand prognostiziert.
Der im Labor-Gärversuch L3 real gemessene Methanertrag lag mit 211 mLN goTS-1 deutlich darunter. Die
Ursache hierfür wird in einer Prozesshemmung des kontinuierlichen Systems vermutet, welche sich durch
den kontinuierlichen Eintrag von Natrium und Ligninabbaustoffen in den Fermentationsprozess erklären
ließe (vergleiche auch Kapitel 2.3.4.1, S. 55). [47] Auch in anderen noch nicht veröffentlichten
Gärversuchen am DBFZ [47] ergab sich eine im Verhältnis zum kontinuierlichen Prozess
überproportionale Steigerung des Gasbildungspotenzials im diskontinuierlichen Gärversuch infolge des
Substrataufschlusses mit Natronlauge. Die Ursachen dafür sind nicht bekannt.
ṁStroh 21,95 g/d ṁWasser: 144,58 g/d
TS 92,2 % FM ṁSubstrat: g/d
oTS 92,9 % TS TS: % FM
FoTS 58,9 % oTS oTS % TS
V̇Biogas,spez 476 L/kg oTS FoTS % oTS
V̇CH4,spez 247 L/kg oTS ṁWasser: g/d ṁBiogas,FoTS 9,01 g/d
ṁTS: g/d ṁBiogas,Wasser 1,07 g/d
ṁoTS: g/d ṁBiogas 10,07 g/d
ṁFoTS: g/d V̇Biogas 7,66 L/d
ṁAsche: g/d V̇CH4 3,98 L/d
Stöchiometrie V̇CO2 3,68 L/d
fw 11,25 % FoTS V̇Biogas,spez 407 L/kg oTS
fB 5 % FoTS Vliq 10 L
CH4 51,9 % k 0,10 1/d
CO2 48,1 % HRT 60 d
ρBiogas 1,315 g/L
Ybiogas 808 L/kg FoTS V̇Biogas 7,50 L/d
ṁGärrest: g/d CH4 53,0 %
TS: % FM CO2 47,0 %
oTS: % TS V̇CH4 3,98 L/d
FoTS % oTS V̇CO2 3,53 L/d
ṁWasser: g/d V̇Biogas,spez 399 L/kg oTS
ṁTS: g/d V̇CH4,spez 211 L/kg oTS
ṁoTS: g/d
VRestgas 8,3 L/kg FM ṁBakterien: g/d
V̇Restgas 1,29 L/d ṁFoTS: g/d
V̇CH4 0,67 L/d ṁAsche: g/d
V̇CO2 0,62 L/d
1,44
16,31
145,23
11,23
9,79
0,47
1,60
Messwert
156,46
7,18
87,19
Fermenter
Umsatz 85,6 %
146,29
20,24
18,80
11,08
1,44
166,53
12,2
92,89
58,9186 Stöchiometrie (Berechnung)
ProzesswasserStroh Maische
Biogas
GärrestRestgas
2 Ausführliche Darstellung
BMWi-03KB106A, 31.01.2019 108
Wird die Vorhersage auf Grundlage des Gasbildungspotenzials aus dem kontinuierlichen Gärversuch im
unbehandelten Zustand (265 mLN goTS-1) getroffen, liegt die Schätzung des Methanertrags mit
223 mLN goTS-1 näher an den gemessenen 211 mLN goTS-1.
Tabelle 19: Aus den Messdaten des Labor-Gärversuchs L3 (mechanisch-chemische Desintegration von Stroh) ermittelte
Modellparameter Restgaspotenzial (extrapoliert) und Gasertrag im diskontinuierlichen und kontinuierlichen
Prozesszustand. Bei der Modellanpassung wird eine Reaktion erster Ordnung unterstellt.
Labor-Gärversuch L4: thermische Desintegration von Stroh
Auch die Gasbildung der diskontinuierlichen Gärversuche L4 zur thermischen Desintegration von Stroh
wurde mit Hilfe einer Reaktion erster Ordnung modelliert, jedoch war die Anpassung weniger genau als
beim Gärversuch L3, was insbesondere an der Gasbildungskurve des desintegrierten Substrates (rote
Kurve in Abbildung 52) zu erkennen ist. Wie bereits der deutlich steilere Kurvenverlauf des kumulierten
Methanertrags aus thermisch-desintegriertem Substrat gegenüber dem flachen Kurvenverlauf der
Gasbildung aus unbehandelten Substrat vermuten lässt, führte die thermische Desintegration des Strohs
zu einem starken Anstieg der Vergärungsgeschwindigkeit. Die Reaktionskinetik im unbehandelten
Zustand konnte auf mehr als das Vierfache erhöht werden. Im Gegensatz zum Gärversuch L3 führte die
thermische Desintegration des Strohs nur zu einer minimalen Steigerung des im Batch-Versuch
ermittelten Methanbildungspotenzials von 239 mLN goTS-1 auf 244 mLN goTS-1.
L3 mechanisch-chemische Desintegration von Stroh Zustand Potential Ertrag HRT
Messwerte L/kg oTS L/kg oTS d
diskontinuierlicher Gärversuch unbehandelt 260 ∞
diskontinuierlicher Gärversuch desintegriert 328 ∞
kontinuierlicher Gärversuch unbehandelt 265 189 60
Übetragungsfaktor Kinetik f K (Batch → Konti) 0,36
Vorhersage
kontinuierlicher Gärversuch
Potential aus diskontinuierlichem Gärversuch (desintegriert) desintegriert 328 276 60
Potential aus kontinuierlichem Gärversuch (unbehandelt) desintegriert 265 223 60
Messwert
kontinuierlicher Gärversuch desintegriert 247 211 60
2 Ausführliche Darstellung
BMWi-03KB106A, 31.01.2019 109
Abbildung 52: Simulation des kumulierten Methanertrags im diskontinuierlichen Gärversuch L4 (thermische Desintegration von
Stroh) mit Hilfe einer Reaktion erster Ordnung
Abbildung 53 schematisiert die Massenbilanzierung des kontinuierlichen Gärversuchs L4 bei
Beschickung mit unbehandeltem Substrat, in die die unter Anhang A 10.2 zusammengefassten
Messdaten des Gärversuchs eingehen. Da es sich im Gärversuch L4 um eine Co-Vergärung von Stroh und
Rindergülle handelt, aber nur das Stroh aufgeschlossen wurde, wurde der 30 %ige Anteil des Co-
Substrats Rindergülle vom Methanertrag und Restgaspotenzial abgezogen. Bei der kontinuierlichen
Vergärung von unbehandeltem Substrat ergibt sich ein Methanbildungspotenzial von 328 mLN goTS-1. Der
Methanertrag bei 30 Tagen Verweilzeit beträgt 148 mLN goTS-1.
2 Ausführliche Darstellung
BMWi-03KB106A, 31.01.2019 110
Abbildung 53: Bilanzierung des kontinuierlichen Gärversuchs L4 im Labormaßstab, Beschickung mit unbehandeltem Substrat
Aus dem Restgaspotenzial (Abbildung 54) des unbehandelten Strohs wird deutlich, dass nach den 38
Tagen Verweilzeit des Gärversuchs L4 nur ein geringer Teil des Potenzials von 62,6 L Biogas je kg Gärrest
genutzt wird und demnach noch große Reserve für einen Substrataufschluss zur Verfügung stehen.
ṁStroh 23,00 g/d ṁWasser: 310,00 g/d
TS 92,8 % FM ṁSubstrat: g/d
oTS 97,06 % TS TS: % FM
FoTS 78,3 % oTS oTS % TS
V̇Biogas,spez 633 L/kg oTS FoTS % oTS
V̇CH4,spez 328 L/kg oTS ṁWasser: g/d ṁBiogas,FoTS 6,94 g/d
ṁTS: g/d ṁBiogas,Wasser 0,82 g/d
ṁoTS: g/d ṁBiogas 7,77 g/d
ṁFoTS: g/d V̇Biogas 5,91 L/d
ṁAsche: g/d V̇CH4 3,07 L/d
Stöchiometrie V̇CO2 2,84 L/d
fw 11,25 % FoTS V̇Biogas,spez 285 L/kg oTS
fB 5 % FoTS Vliq 10 L
CH4 51,9 % k 0,03 1/d
CO2 48,1 % HRT 30 d
ρBiogas 1,315 g/L
Ybiogas 808 L/kg FoTS V̇Biogas 5,79 L/d
ṁGärrest: g/d CH4 53,0 %
TS: % FM CO2 47,0 %
oTS: % TS V̇CH4 3,07 L/d
FoTS % oTS V̇CO2 2,72 L/d
ṁWasser: g/d V̇Biogas,spez 279 L/kg oTS
ṁTS: g/d V̇CH4,spez 148 L/kg oTS
ṁoTS: g/d
VRestgas 22,1 L/kg FM ṁBakterien: g/d
V̇Restgas 7,20 L/d ṁFoTS: g/d
V̇CH4 3,74 L/d ṁAsche: g/d
V̇CO2 3,46 L/d
0,37
8,91
0,63
325,23
4,43
95,64
64,70
310,84
14,39
13,76
16,22
0,63
Fermenter
Umsatz 45,1 %
Messwert
333,00
6,4
97,06
78,3024
311,66
21,34
20,71
Stöchiometrie (Berechnung)
ProzesswasserStroh Maische
Biogas
GärrestRestgas
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Abbildung 54: Extrapolation des Restgaspotenzials aus unbehandeltem Stroh, ermittelt über eine Massenbilanzierung des
kontinuierlichen Gärversuchs L4
Der im Anwendungsfall ELIRAS unbekannte Zustand des kontinuierlichen Prozesses nach
Substrataufschluss, für welchen im Gärversuch L4 Messdaten vorliegen, ist in Abbildung 55 bilanziert.
Der Methanertrag stieg in Folge der thermischen Desintegration auf 189 mLN goTS-1.
0
10
20
30
40
0 50 100 150 200 250 300
Re
stga
spo
ten
tial
[L
je L
Gär
rest
]
Zeit [d]
Simulation Data
32,6 L je kg Gärrest
2 Ausführliche Darstellung
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Abbildung 55: Bilanzierung des kontinuierlichen Gärversuchs L4 im Labormaßstab, Beschickung mit thermisch desintegriertem
Substrat
Die Ergebnisse der Modellierung und Massenbilanzierung des Gärversuchs L4 sind in Tabelle 20
zusammengefasst. Auch in diesem Gärversuch konnte für das unbehandelte Substrat ein Übertragungs-
faktor fK von 0,36 für den Übertrag vom diskontinuierlichen in den kontinuierlichen Prozess ermittelt
werden. Auf Basis des im diskontinuierlichen Gärversuch ermittelten Methanbildungspotenzials von
desintegriertem Stroh (244 mLN goTS-1) und der mit dem Übertragungsfaktor fK angepassten Kinetik des
kontinuierlichen Prozesses wurde der im Labor-Gärversuch L3 real gemessene Methanertrag von
189 mLN goTS-1 im desintegrierten Zustand mit Hilfe des ELIRAS Modells erfolgreich prognostiziert.
ṁStroh 131,00 g/d ṁWasser: 210,00 g/d
TS 16,2 % FM ṁSubstrat: g/d
oTS 96,5 % TS TS: % FM
FoTS 70,7 % oTS oTS % TS
V̇Biogas,spez 572 L/kg oTS FoTS % oTS
V̇CH4,spez 297 L/kg oTS ṁWasser: g/d ṁBiogas,FoTS 8,78 g/d
ṁTS: g/d ṁBiogas,Wasser 1,04 g/d
ṁoTS: g/d ṁBiogas 9,82 g/d
ṁFoTS: g/d V̇Biogas 7,47 L/d
ṁAsche: g/d V̇CH4 3,87 L/d
Stöchiometrie V̇CO2 3,59 L/d
fw 11,25 % FoTS V̇Biogas,spez 364 L/kg oTS
fB 5 % FoTS Vliq 10 L
CH4 51,9 % k 0,06 1/d
CO2 48,1 % HRT 29 d
ρBiogas 1,315 g/L
Ybiogas 808 L/kg FoTS V̇Biogas 7,31 L/d
ṁGärrest: g/d CH4 53,0 %
TS: % FM CO2 47,0 %
oTS: % TS V̇CH4 3,87 L/d
FoTS % oTS V̇CO2 3,44 L/d
ṁWasser: g/d V̇Biogas,spez 357 L/kg oTS
ṁTS: g/d V̇CH4,spez 189 L/kg oTS
ṁoTS: g/d
VRestgas 12,8 L/kg FM ṁBakterien: g/d
V̇Restgas 4,25 L/d ṁFoTS: g/d
V̇CH4 2,21 L/d ṁAsche: g/d
V̇CO2 2,04 L/d
341,00
6,2
96,5493
70,743 Stöchiometrie (Berechnung)
319,78
21,22
20,49
14,50
0,73
Fermenter
Umsatz 63,7 %
Messwert
331,18
3,76
94,12
0,73
44,88
318,74
12,45
11,72
0,46
5,26
ProzesswasserStroh Maische
Biogas
GärrestRestgas
2 Ausführliche Darstellung
BMWi-03KB106A, 31.01.2019 113
Tabelle 20: Aus den Messdaten des Labor-Gärversuchs L4 (thermische Desintegration von Stroh) ermittelte Modellparameter
Restgaspotenzial (extrapoliert) und Gasertrag im diskontinuierlichen und kontinuierlichen Prozesszustand. Bei
der Modellanpassung wird eine Reaktion erster Ordnung unterstellt.
Schlussfolgerung
Anhand der Labor-Gärversuche L3 und L4 sowie dem Praxis-Gärversuch P1 (Demonstrator Biogasanlage)
konnte der ELIRAS Leitfaden konzipiert und validiert werden. Die Validierung des ELIRAS Modells mit den
Messdaten des Gärversuchs L4 war sehr gut, die Abweichungen der Messwerte des Gärversuchs L3 zur
Prognose können erklärt werden. Mit Hilfe weiterer Versuche wird das ELIRAS Modell weiter validiert und
gegebenenfalls angepasst. Nach bisherigem Stand erfolgt die Prognose des unbekannten Gasertrags im
kontinuierlichen Prozess bei Einsatz von desintegriertem Substrat über das Gasbildungspotenzial,
welches im diskontinuierlichen Gärversuch ermittelt wurde bei neu bestimmter Kinetik kK1 im
kontinuierlichen desintegrierten Zustand. Für die zur Validierung herangezogenen Gärversuche konnte
ein einheitlicher Übertragungsfaktor fK ermittelt werden. Über diesen Faktor konnte die Reaktionskinetik
kK1 des kontinuierlichen Prozesses aus der Veränderung der Kinetik infolge der Desintegration, welche
im diskontinuierlichen Gärversuch ermittelt wurde, bestimmt werden. Das aus dem kontinuierlichen
Prozess im Ausgangszustand ermittelte Gasbildungspotenzials konnte nicht zur Prognose des konti-
nuierlichen Proezsses im desintegrierten Zustand herangezogen werden, wie im Erfolgskontrollbericht
unter Kapitel 4.3 „Problematik Gasbildungspotenzial bei der Validierung des ELIRAS Modells“ näher
beleuchtet wird.
2.4 Wichtigste Positionen des zahlenmäßigen Nachweises
Der Kosten- und Zeitplan wurde eingehalten. Die Kostendetails sind den zahlenmäßigen Nachweisen des
deutschen Projektkonsortiums zu entnehmen.
2.5 Notwendigkeit und Angemessenheit der geleisteten Arbeit
Zu Beginn des Vorhabens ELIRAS war kaum tieferes Wissen über Zusammenhänge zwischen
Substrataufschluss und Prozessparametern, wie der Viskosität und der Rührwerksleistung, vorhanden.
In der Praxis findet die hydrodynamische Bewertung kaum eine Anwendung insbesondere hinsichtlich der
L4 thermische Desintegration von Stroh Zustand Potential Ertrag HRT
Messwerte L/kg oTS L/kg oTS d
diskontinuierlicher Gärversuch unbehandelt 239 ∞
diskontinuierlicher Gärversuch desintegriert 244 ∞
kontinuierlicher Gärversuch unbehandelt 328 148 30
Übetragungsfaktor Kinetik f K (Batch → Konti) 0,36
Vorhersage
kontinuierlicher Gärversuch desintegriert 244 189 30
Potential aus diskontinuierlichem Gärversuch (desintegriert)
Messwert
kontinuierlicher Gärversuch desintegriert 297 189 30
2 Ausführliche Darstellung
BMWi-03KB106A, 31.01.2019 114
Berücksichtigung des Einflusses des Zerkleinerungsgrades durch Aufschlussverfahren. Dies hat jedoch
enormen Einfluss auf die Funktionalität und die Energieeffizienz der Gesamtanlage. Insbesondere, weil
derzeit Rührtechnik und Substrataufschluss getrennt und unabhängig voneinander betrachtet werden.
Zur Erzielung eines Optimums ist die Inbeziehungssetzung beider Aspekte unerlässlich.
Des Weiteren fehlt auf wissenschaftlicher Ebene der Nachweis der effektiveren Substratnutzung durch
bestehende Aufschlussverfahren. Daher besteht für Anlagenbetreiber, Hersteller, Planer und Designer
eine Schwierigkeit, den wirtschaftlich relevanten Effekt von Aufschlussverfahren zu bewerten. Es fehlen
einheitliche Bewertungskriterien. Eine Beratung erfolgt meist herstellerabhängig und ist daher nicht
zwingend objektiv. Der Markt an Desintegrationsverfahren ist umfangreich und undurchsichtig. Dies
erschwert zum einen die unabhängige Beurteilung der Sinnhaftigkeit eines Substrataufschlusses. Zum
anderen fehlen Bewertungskriterien, welche die Entwicklung innovativer Ansätze zur Substrat-
aufbereitung beurteilen und Qualitätsansprüche setzen.
An diesen Punkten setzt das Vorhaben ELIRAS an und setzt sich zum Ziel, einheitliche Auswahl- und
Bewertungskriterien für Rührwerke und Substrataufschlussverfahren zur Effizienzsteigerung der
Biogasproduktion aus Reststoffen zu entwickeln. Die damit geschaffene Vergleichbarkeit ist neuartig und
ermöglicht erstmalig die Vielzahl an verschiedenen Desintegrationsverfahren objektiv zu bewerten.
Kernstück zur Entwicklung des ELIRAS Leitfadens ist die Konzipierung und Validierung des ELIRAS
Modells, welches auf Grundlage von Gärversuchen und Parametern zur Charakterisierung von Substrat
und Fermenterinhalt, eine Prognose der Auswirkungen eines Substrataufschlusses auf den Gasertrag
ermöglicht. Der Aufwand für die dafür notwendigen praktischen Untersuchungen und die Entwicklung
eines entsprechenden Kriterienkatalogs ist bezüglich Messtechnik und Personal allerdings erheblich und
kann nicht durch die Grundfinanzierung oder parallellaufende Projekte abgedeckt werden.
2.6 Darstellung des voraussichtlichen Nutzens
Der fortgeschriebene Verwertungsplan ist im 3. Kapitel des Erfolgskontrollberichts zu finden.
2 Ausführliche Darstellung
BMWi-03KB106A, 31.01.2019 115
3 Kurzfassung – Berichtsblatt
1. ISBN oder ISSN
Nicht geplant
2. Berichtsart
Schlussbericht
3a/b. Titel des Berichts/der Publikation
Entwicklung eines Leitfadens zur Auswahl von standortspezifisch angepassten Rühr- und
Substrataufschlussverfahren für Biogasanlagen – ELIRAS
4.a/b Autoren des Berichts/der Publikation
DBFZ: Hofmann, Josephine; Pröter, Jürgen;
Weinrich, Sören; Kornatz, Peter; Daniel-Gromke,
Jaqueline; Schumacher Britt;
Maier/LTS: Rostalski, Kay; Zimmermann, Philipp;
Kronberg, Andreas; Merkel, Wolfgang
5. Abschlussdatum des Vorhabens
30.06.2018
6. Veröffentlichungsdatum
31.01.2019
7. Form der Publikation
Schlussbericht
8. Durchführende Institutionen (Name, Adresse)
DBFZ Deutsches Biomasseforschungszentrum
gemeinnützige GmbH
Torgauer Straße 116
04347 Leipzig
Lifetec –Systems GmbH
Schulenbrooksweg 37
21029 Hamburg
Maier Energie und Umwelt GmbH
Bergerhausen 5
87719 Mindelheim
9. Ber.-Nr. Durchführende Institutionen
3230038 (DBFZ)
10. Förderkennzeichen
03KB106A (DBFZ)
11a/b. Seitenanzahl Bericht/Publikation
141
12. Literaturangaben
61
13. Fördernde Institution (Name, Adresse)
Bundeswirtschaftsministerium Berlin (BMWi)
Scharnhorststr. 34-37
10115 Berlin
14. Tabellen
21
15. Abbildungen
55
16. Zusätzliche Angaben
17. Vorgelegt bei (Titel, Ort, Datum)
18. Kurzfassung
Ziel des Vorhabens ELIRAS war es, Biogasanlagenbetreibern einen Leitfaden an die Hand zu geben,
welcher eine wissenschaftliche Methodik umfasst, die auf Basis verfahrenstechnischer
Berechnungsgrundlagen und hydrodynamischer Parameter eine einheitliche Herangehensweise zur
objektiven Bewertung von Substrataufschlussverfahren ermöglicht.
Nach dem ELIRAS Ansatz können die Auswirkungen eines Substrataufschlusses auf den
Biogasprozess auf a) eine Erhöhung des vergärbaren organischen Anteils, b) eine Steigerung der
Reaktionsgeschwindigkeit und c) die Veränderung der Hydrodynamik zurückgeführt werden. Diese
Effekte werden auf Basis einer Massenbilanzierung und Modellierung sowie mit Hilfe
hydrodynamischer und granulometrischer Betrachtungen theoretisch beschrieben. Auf Grundlage von
Labor- und Praxisversuchen wurde das ELIRAS Modell als Teil des ELIRAS Leitfadens entwickelt und
validiert. Im Ergebnis des Vorhabens ELIRAS liegt ein Leitfaden vor, welcher die Vorhersage der
Effekte eines Substrataufschlusses sowohl auf die Gasbildung als auch auf die Hydrodynamik im
Fermenter ermöglicht.
2 Ausführliche Darstellung
BMWi-03KB106A, 31.01.2019 116
19. Schlagwörter
Rührung
Desintegration
20. Verlag 21. Preis
2 Ausführliche Darstellung
BMWi-03KB106A, 31.01.2019 117
4 Document Control Sheet
1. ISBN or ISSN
Not planned
2. Type of document
Final report
3a/b. Title of the report/publication
ELIRAS – Developing a guideline for the selection of site specific stirring and disintegration processes
for biogas plants
4.a/b Authors of the report/publication
DBFZ: Hofmann, Josephine; Pröter, Jürgen;
Weinrich, Sören; Kornatz, Peter; Daniel-Gromke,
Jaqueline; Schumacher Britt;
Maier/LTS: Rostalski, Kay; Zimmermann, Philipp;
Kronberg, Andreas; Merkel, Wolfgang
5. Abschlussdatum des Vorhabens
30.06.2018
6. Veröffentlichungsdatum
31.01.2019
7. Form der Publikation
Monographie
8. Durchführende Institutionen (Name, Adresse)
DBFZ Deutsches Biomasseforschungszentrum
gemeinnützige GmbH
Torgauer Straße 116
04347 Leipzig
Lifetec –Systems GmbH
Schulenbrooksweg 37
21029 Hamburg
Maier Energie und Umwelt GmbH
Bergerhausen 5
87719 Mindelheim
9. Ber.-Nr. Durchführende Institutionen
3230038 (DBFZ)
10. Förderkennzeichen
03KB106A (DBFZ)
11a/b. Seitenanzahl Bericht/Publikation
141
12. Literaturangaben
61
13. Fördernde Institution (Name, Adresse)
Bundeswirtschaftsministerium Berlin (BMWi)
Scharnhorststr. 34-37
10115 Berlin
14. Tabellen
21
15. Abbildungen
55
16. Zusätzliche Angaben
17. Vorgelegt bei (Titel, Ort, Datum)
18. Kurzfassung
Target of the project ELIRAS was to develop a guideline for operators of biogas plants which
describes a scientific method evaluating disintegration processes in an objective and consistent way.
According to the ELIRAS approach, effects of substrate disintegration on the biogas process can be
attributed to a) increasing the organic fraction, b) enhancing the reaction rate and c) changing of
hydrodynamics. Those effects are described theoretically on the basis of mass balance and modelling
as well as by means of hydrodynamic and granulometric studies. The ELIRAS model as a part of the
ELIRAS guideline was developed with the help of experiments in lab- and large-scale. As result of the
project ELIRAS, a guideline can be presented which predicts the effects of disintegration on
gasproduction and hydrodynamics in the fermenter.
19. Schlagwörter
mixing
disintegration
20. Verlag 21. Preis
Abbildungsverzeichnis
BMWi-03KB106A, 31.01.2019 118
Abbildungsverzeichnis
Abbildung 1: Arbeits- und Meilensteinplanung (Projektende 12/2017) sowie realer
Erreichungsstand nach Verlängerung des Vorhabens (Projektende 06/2018) ............... 11
Abbildung 2: Unterscheidung von Verfahren zum Substrataufschluss [5] ............................................. 13
Abbildung 3: Im Biogasanlagenbestand eingesetzte Substrataufschlussverfahren (DBFZ-
Betreiberbefragung 2015, Bezugsjahr 2014) .................................................................... 16
Abbildung 4: Herstellerangaben zu a) Anschlussleistung; b) Investitionskosten; c) Durchsatz
und d) spezifischem Energieverbrauch von Substrataufschlussverfahren ...................... 18
Abbildung 5: Herstellerangaben und Literaturwerte zu erwarteten Effekte auf die Gasausbeute
infolge der Desintegration .................................................................................................... 20
Abbildung 6: Beispielhafter Kurvenverlauf der kumulierten Biogasbildung von unbehandeltem
und desintegriertem Substrat (ermittelt in diskontinuierlichen Gärversuchen),
ausschließlich zurückzuführen auf eine Erhöhung des vergärbaren organischen
Anteils infolge eines Substrataufschlusses ........................................................................ 28
Abbildung 7: Beispielhafter Kurvenverlauf der kumulierten Biogasbildung von unbehandeltem
und desintegriertem Substrat (ermittelt in diskontinuierlichen Gärversuchen),
ausschließlich zurückzuführen auf eine Steigerung der Reaktionsgeschwindigkeit
infolge des Substrataufschlusses; a) korrekte Interpretation bei ausreichend
langer Versuchslaufzeit, b) Fehlinterpretation bei zu kurzer Versuchslaufzeit ............... 29
Abbildung 8: Relative Gasproduktion, anteilig an der Gasproduktion bei 100 % Durchmischung,
verursacht durch ein abnehmendes Reaktionsvolumen infolge unzureichender
Durchmischung; dargestellt in Abhängigkeit von Verweilzeit HRT und
Bruttoreaktionsgeschwindigkeit k. Rot markiert: Betriebspunkte A und B der
Szenarienbetrachtung .......................................................................................................... 31
Abbildung 9: Schematische Darstellung statistischer Begrifflichkeiten in Gärversuchen [34] ............. 34
Abbildung 10: Boxplot des Biogasertrags eines beispielhaften Gärversuchs mit drei Ansätzen ............ 36
Abbildung 11: Anzahl an notwendigen Versuchswiederholungen, um Veränderungen im
Biogasertrag in Abhängigkeit von der Teststärke nachzuweisen (berechnet mit
G*Power auf Basis eines Vorversuchs mit acht parallel betriebenen Fermentern
mit einer Schwankung im Biogasertrag von 7,8 mL goTS-1) ................................................ 37
Abbildung 12: Fließkurven von Fermenterinhalten realer Praxis-Biogasanlagen BGA A bis BGA E ........ 40
Abbildung 13: Empirisch ermittelte Abhängigkeit des Fließkoeffizienten K von der mittleren
Partikelgröße xm .................................................................................................................... 42
Abbildung 14: Schrittweise Vorgehensweise zur Aufnahme einer Partikelgrößenverteilung von a)
Fermenterinhalten (Prozessmedien) und b) Substraten (z.B. Silagen) ............................. 44
Abbildung 15: Partikelgrößenverteilung von Maissilage, aufgenommen mit Camsizer P4 und XT
(Retsch) an der TU Bergakademie Freiberg ........................................................................ 45
Abbildung 16: Partikelgrößenverteilung von Fermenterinhalt der Forschungsbiogasanlage des
DBFZ, mit Camsizer P4 und XT (Retsch) an der TU Bergakademie Freiberg
analysiert ............................................................................................................................... 46
Abbildungsverzeichnis
BMWi-03KB106A, 31.01.2019 119
Abbildung 17: Vergleich der Partikelgrößenverteilung und des mittleren Partikeldurchmesser xm
von Maissilage, mit Camsizer P4 und XT (Retsch) an der TU Bergakademie
Freiberg und per Siebanalyse (Retsch) am DBFZ analysiert ............................................. 47
Abbildung 18: Vergleich der Partikelgrößenverteilung und des mittleren Partikeldurchmesser xm
von Fermenterinhalt der Forschungsbiogasanlage des DBFZ, mit Camsizer P4 und
XT (Retsch) an der TU Bergakademie Freiberg und per Siebanalyse (Retsch) am
DBFZ analysiert ..................................................................................................................... 48
Abbildung 19: Veränderung der Grob-, Fein- und Feinstfraktion des Fermenterinhaltes im
diskontinuierlichen Gärversuch ........................................................................................... 50
Abbildung 20: Zeitliche Veränderung der Fraktionsanteile Grob-, Fein- und Feinstfraktion im
diskontinuierlichen Gärversuch ........................................................................................... 50
Abbildung 21: Kumulierter Biogasertrag und Abnahme der mittleren Partikelgröße des
Fermenterinhaltes im diskontinuierlichen Gärversuch (Dreifachbestimmung mit
Angabe der Fehlerindikatoren) ............................................................................................ 51
Abbildung 22: Versuchsaufbau quasikontinuierlich betriebener Laborfermenter, schematisch
nach [42] ............................................................................................................................... 54
Abbildung 23: a) unbehandeltes Winterweizenstroh (gehäckselt); b) mechanisch desintegriertes
Winterweizenstroh (trocken extrudiert/gemahlen) c) mechanisch-chemisch
desintegriertes Winterweizenstroh (trocken extrudiert + Einweichen in
Natronlauge) ......................................................................................................................... 56
Abbildung 24: Kumulierter Methanertrag aus unbehandeltem und mechanisch-chemisch
desintegriertem Winterweizenstroh (Einweichzeit: 1d und 5d), ermittelt im
diskontinuierlichen Gärversuch (Dreifachbestimmung mit Angabe der
Fehlerindikatoren) ................................................................................................................ 57
Abbildung 25: Methanertrag aus unbehandeltem und mechanisch-chemisch desintegriertem
Winterweizenstroh (Co-Vergärung mit HTK), ermittelt im kontinuierlichen
Gärversuch im Doppelansatz, F…Fermenter ...................................................................... 58
Abbildung 26: Boxplot der Methanerträge aus unbehandeltem und mechanisch-chemisch
desintegriertem Winterweizenstroh, ermittelt im kontinuierlichen Gärversuch im
Doppelansatz, Versuchszeitraum Tag 111–204, F…Fermenter ....................................... 59
Abbildung 27: Methanrate der Fermenter des Gärversuchs L4 nach Beendigung der
Substratzufuhr (Abklingversuch L4); die Kurven wurden auf einen gemeinsamen
Startzeitpunkt und ein Höhenniveau zu Beginn des Abklingversuchs verschoben ......... 60
Abbildung 28: Gehalt an Nährstoffen und Gerüstbau-Kohlenhydraten sowie Nicht-Faser-
Kohlenhydraten NFC (Zucker, Stärke, Pektine) der Trockensubstanz des
unbehandelten und mechanisch-chemisch desintegrierten Winterweizenstrohs als
Ergebnis der Weender- und van Soest-Futtermittelanalyse .............................................. 61
Abbildung 29: Anteil der Siebfraktionen an der Trockensubstanz TS des unbehandelten und
mechanisch-chemisch desintegrierten Winterweizenstrohs, ermittelt über
Gefriersiebung (Dreifachbestimmung) ................................................................................ 62
Abbildung 30: Anteil der Siebfraktionen an der Trockensubstanz TS sowie mittlerer
Partikeldurchmesser xm der Fermenterinhalte des Gärversuchs L3 mit
unbehandeltem und mechanisch-chemisch desintegriertem Winterweizenstroh
(Co-Vergärung mit HTK), ermittelt über Gefriersiebung (Dreifachbestimmung) ............... 63
Abbildungsverzeichnis
BMWi-03KB106A, 31.01.2019 120
Abbildung 31: a) unbehandeltes Gerstenstroh (10 mm Länge); b) Gerstenstroh nach
Druckwechselkonditionierung (190°C, 30 min) [46] ........................................................ 65
Abbildung 32: Kumulierter Methanertrag aus unbehandeltem und thermisch desintegriertem
Gerstenstroh (190°C; 30 min), ermittelt im diskontinuierlichen Gärversuch
(Dreifachbestimmung mit Angabe der Fehlerindikatoren) ................................................ 66
Abbildung 33: Methanertrag im kontinuierlichen Gärversuch aus unbehandeltem und thermisch
desintegriertem (190°C; 30 min) Gerstenstroh, Co-Vergärung mit Rindergülle,
F…Fermenter ......................................................................................................................... 67
Abbildung 34: Boxplot der Methanerträge aus unbehandeltem und thermisch desintegriertem
Gerstenstroh (Thermodruckhydrolyse bei 190°C über 305 min), ermittelt im
kontinuierlichen Gärversuch im Doppelansatz, F…Fermenter .......................................... 68
Abbildung 35: Methanbildungsrate der Fermenter des Gärversuchs L4 nach Beendigung der
Substratzufuhr (Abklingversuch L4); die Kurven wurden auf einen gemeinsamen
Startzeitpunkt und ein Höhenniveau zu Beginn des Abklingversuchs verschoben ......... 69
Abbildung 36: Gehalt an Nährstoffen und Gerüstbau-Kohlenhydraten sowie Nicht-Faser-
Kohlenhydraten NFC (Zucker, Stärke, Pektine) der Trockensubstanz des
unbehandelten und thermisch desintegrierten Gerstenstrohs als Ergebnis der
Weender- und van Soest-Futtermittelanalyse .................................................................... 70
Abbildung 37: Fließschema und Frontaufnahme (© Maier Energie- und Umwelt GmbH) der
Demonstratoranlage mit Hauptfermenter- (a, a‘), Nachgärer- (b, b‘) und
Gärrestlagerbehälter (c); Substratstrom nach Umstellung der Fütterung grün
dargestellt ............................................................................................................................. 72
Abbildung 38: Dosiersystem aus a) Bandförderer und b) Förderpumpe BIO-MIX (Pumpenfabrik
Wangen GmbH, Wangen im Allg.) © Maier Energie- und Umwelt GmbH .......................... 73
Abbildung 39: Täglich gemessener Biogasertrag von Hauptfermenter 2 der Demonstratoranlage
im Versuchszeitraum, gemessen am BHKW für die Gesamtanlage, rückgerechnet
auf Hauptfermenter 2 (orange) und gemessen am Hauptfermenter 2 (blau); rote
und grüne Linie: mittlerer Biogasertrag im Betrachtungszeitraum VT 264-304 (vor
Umstellung) und 318-423 (nach Umstellung) .................................................................... 74
Abbildung 40: Anteil der Siebfraktionen an der Trockensubstanz TS sowie mittlerer
Partikeldurchmesser xm des Fermenterinhaltes von Hauptfermenter 2 der
Demonstrator-Biogasanlage ................................................................................................ 75
Abbildung 41: Doppelt-logarithmische Darstellung der dynamischen Viskosität in Abhängigkeit
der Schergeschwindigkeit des Fermenterinhaltes von Hauptfermenter 2 vor und
nach Umstellung der Beschickung; ermittelt mit einem Rotationsviskosimeter der
Spaltbreite 9.45 mm; mathematische Anpassung nach Ostwald-de-Waele; nach:
Schlussbericht Maier/LTS, S. 97 ......................................................................................... 76
Abbildung 42: Simulation der Strömungsgeschwindigkeiten der zwei Schnell- (2, 4) und
Langsamläufer (1, 3) in a) unterer, b) mittlerer und c) oberer Höhe sowie d) des
gesamten Fermenterinhaltes des Hauptfermenters 2 der Demonstrator-
Biogasanlage e) Konturplot der globalen, durchschnittlichen
Strömungsgeschwindigkeit des Hauptfermenters 2; vor der Umstellung der
Beschickung; simuliert mit ANSYS FLUENT 14.0 (ANSYS, Inc., Canonsburg, USA);
nach: Schlussbericht Maier/LTS, S. 94-95 ......................................................................... 77
Abbildungsverzeichnis
BMWi-03KB106A, 31.01.2019 121
Abbildung 43: Berechnungsschema des DesiTools mit den relevanten betriebswirtschaftlichen
Faktoren sowie den qualitativen kausalen Verknüpfungen der Anlagen- und
Kostenstruktur bei Einsatz eines Substrataufschlussverfahrens. Der Kausalkette
liegt die Annahme zu Grunde, dass die Stromproduktion bei den Szenarien im
Vergleich zur Referenzvariante konstant gehalten wird. ................................................... 80
Abbildung 44: Sensitivitätsdiagramm der Szenarien im Vergleich. Die Prozentualen Änderungen
der stromgestehungskosten werden in Abhängigkeit zu den prozentualen
Änderungen der variierten Faktoren dargestellt. Je Sensitivitätsanalyse wird
jeweils nur der zu variierende Faktor ceteris paribus verändert. Eine
Multifaktoranalyse erfolgt nicht. .......................................................................................... 89
Abbildung 45: Spezifische THG-Emissionen in g CO2-Äquivalente je kWhel für die Szenarien 2 und
3 (mit Substrataufschluss) im Vergleich zur Referenz (Szenario 1). ................................. 94
Abbildung 46: Schematische Darstellung des ELIRAS-Leitfadens ............................................................ 97
Abbildung 47: Bestimmung der Abbaukinetik der Praxisanlage im desintegrierten Zustand
(Fragezeichen rechts unten) aus der Abbaukinetik in diskontinuierlichen Batch-
Gärversuchen (oben) und dem kontinuierlichen Betrieb der Anlage im
unbehandelten Zustand (links unten) ............................................................................... 102
Abbildung 48: Simulation des kumulierten Methanertrags im diskontinuierlichen Gärversuch L3
(mechanisch-chemische Desintegration) mit Hilfe einer Reaktion erster Ordnung ...... 104
Abbildung 49: Bilanzierung des kontinuierlichen Gärversuchs L3 im Labormaßstab, Beschickung
mit unbehandeltem Substrat ............................................................................................. 105
Abbildung 50: Extrapolation des Restgaspotenzials aus unbehandeltem Stroh, ermittelt über
eine Massenbilanzierung des kontinuierlichen Gärversuchs L3 ..................................... 106
Abbildung 51: Bilanzierung des kontinuierlichen Gärversuchs L3 im Labormaßstab, Beschickung
mit desintegriertem Substrat ............................................................................................. 107
Abbildung 52: Simulation des kumulierten Methanertrags im diskontinuierlichen Gärversuch L4
(thermische Desintegration von Stroh) mit Hilfe einer Reaktion erster Ordnung .......... 109
Abbildung 53: Bilanzierung des kontinuierlichen Gärversuchs L4 im Labormaßstab, Beschickung
mit unbehandeltem Substrat ............................................................................................. 110
Abbildung 54: Extrapolation des Restgaspotenzials aus unbehandeltem Stroh, ermittelt über
eine Massenbilanzierung des kontinuierlichen Gärversuchs L4 ..................................... 111
Abbildung 55: Bilanzierung des kontinuierlichen Gärversuchs L4 im Labormaßstab, Beschickung
mit thermisch desintegriertem Substrat ........................................................................... 112
Tabellenverzeichnis
BMWi-03KB106A, 31.01.2019 122
Tabellenverzeichnis
Tabelle 1: abgeschlossene Forschungsvorhaben des DBFZ zum Thema Substrataufschluss ................ 9
Tabelle 2: Bislang übliche und notwendige Herangehensweise zur fundierten Bewertung von
Substrataufschlussverfahren mit Hilfe von Gärversuchen ..................................................... 21
Tabelle 3: Aus experimentellen und analytischen Laboruntersuchungen abgeleitete Kenngrößen
zur Bewertung von Substrataufschluss sowie Voraussetzungen, unter denen eine
fundierte Auswertung möglich ist. ............................................................................................ 24
Tabelle 4: Kenndaten Praxisanlage mit Rührwerksumstellung ............................................................... 32
Tabelle 5: Hydrodynamische Kennwerte und Substratzusammensetzung der beprobten
Praxisanlagen BGA A bis BGA E; kursiv dargestellt: Substratbestandteile, welche die
Fließfähigkeit des Fermenterinhaltes vermutlich herabsetzen .............................................. 41
Tabelle 6: Vergleich der mittleren Partikelgröße und Sphärizität von Maissilage und
Fermenterinhalt der Forschungsbiogasanlage des DBFZ, mit Camsizer P4 und XT
(Retsch) an der TU Bergakademie Freiberg und per Siebanalyse (Retsch) am DBFZ
ermittelt ...................................................................................................................................... 48
Tabelle 7: Übersicht über im ELIRAS Vorhaben durchgeführte Gärversuche im Labor- und
Praxismaßstab ........................................................................................................................... 52
Tabelle 9: Technische Parameter der Beispielanlage zur Durchführung der
betriebswirtschaftlichen Bewertung. Die Werte wurden so gewählt, dass sie den im
Projekt genutzten Demonstrator und die durchschnittliche Biogasanlage in
Deutschland widerspiegeln. Der Methanertragsberechnung liegen die Gaserträge des
KTBL ([48], S. 133) zu Grunde. ................................................................................................. 82
Tabelle 10: Allgemeine betriebswirtschaftliche Annahmen der Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen.
Die Annahmen gelten jeweils für Referenz- und Szenarienrechnung gleichermaßen. ......... 83
Tabelle 11: Für die Wirtschaftlichkeitsberechnungen unterstellte Substratkosten. Die
Substratkosten werden frei Fermentereintrag unterstellt. Lager- und Entnahmekosten
sind hiermit eingepreist. Quelle: (1 Betreiber Demonstrator-Biogasanlage ELIRAS; (2
KTBL ([48], S. 133); (3 Rindergülle wird als hofinterne Lieferung kostenneutral
betrachtet; (1 TS=92 %, kurzgehäckselt ................................................................................... 83
Tabelle 12: Investitionsdaten für die Aufschlusseinheit. Für die Berechnung der
Stromgestehungskosten unter Berücksichtigung einer Aufschlusseinheit ist die
Erstinvestition, die Lebensdauer sowie der Anteil der Ersatzinvestition zu
berücksichtigen. Quelle: Herstellerangaben [49] .................................................................... 84
Tabelle 13: Technisch betriebswirtschaftliche Kennwerte der Aufschlussszenarien. Hier wird
unterschieden zwischen extrudiertem Stroh und extrudiertem Stroh, welches vorher
in Natronlauge geweicht wurde. Hauptunterscheidungsmerkmal zwischen den
Szenarien sind die Biogasertragssteigerung, die Rührleistung sowie der Einsatz von
Aufschlussmitteln. ..................................................................................................................... 84
Tabelle 14: Variantenvergleich an Hand der absoluten Investitionen und Annuitäten der
einzelnen Kostenpositionen und Differenz der Varianten zur Referenz. Die
Gasverwertung durch das BHKW ist hier eingepreist. ............................................................ 87
Tabelle 15: Verfahrensvergleich an Hand der spezifischen Produktgestehungskosten differenziert
nach den Ebenen Gas frei Flansch Gärstrecke und Strom frei Einspeisepunkt BHKW. ....... 88
Tabellenverzeichnis
BMWi-03KB106A, 31.01.2019 123
Tabelle 16: Annahmen: Substrateinsatz und Gaserträge der Szenarien mit und ohne
Substrataufschluss. Szenario 1 (Referenz) ohne Substrataufschluss im Vergleich zu
den Szenarien 2 mit mechanischem und Szenario 3 mechanisch-chemischem
Substrataufschluss unter Zugabe von Natronlauge. ............................................................... 91
Tabelle 17: Annahmen für die THG-Bilanz der Szenarien im Überblick: Szenario 1 (Referenz) ohne
Substrataufschluss im Vergleich zu den Szenarien 2 mit mechanischem und Szenario
3 mechanisch-chemischem Substrataufschluss unter Zugabe von Natronlauge. ................ 93
Tabelle 18: Spezifische THG-Emissionen der Szenarien 1 - 3 im Vergleich jeweils in g CO2-
Äquivalente je kWhel (Strom) und je kWh (Gas). Szenario 1 (Referenz) ohne
Substrataufschluss im Vergleich zu den Szenarien 2 mit mechanischem und Szenario
3 mechanisch-chemischem Substrataufschluss unter Zugabe von Natronlauge. ................ 94
Tabelle 19: Checkliste zur Probenahme und Analyse bei der Datenerhebung für die Anwendung
des ELIRAS Modells ................................................................................................................. 100
Tabelle 20: Aus den Messdaten des Labor-Gärversuchs L3 (mechanisch-chemische
Desintegration von Stroh) ermittelte Modellparameter Restgaspotenzial (extrapoliert)
und Gasertrag im diskontinuierlichen und kontinuierlichen Prozesszustand. Bei der
Modellanpassung wird eine Reaktion erster Ordnung unterstellt. ....................................... 108
Tabelle 21: Aus den Messdaten des Labor-Gärversuchs L4 (thermische Desintegration von Stroh)
ermittelte Modellparameter Restgaspotenzial (extrapoliert) und Gasertrag im
diskontinuierlichen und kontinuierlichen Prozesszustand. Bei der Modellanpassung
wird eine Reaktion erster Ordnung unterstellt. ...................................................................... 113
Literatur- und Referenzverzeichnis
BMWi-03KB106A, 31.01.2019 124
Literatur- und Referenzverzeichnis
5 Literaturverzeichnis
[1] FRAUNHOFER-INSTITUT FÜR KERAMISCHE TECHNOLOGIEN UND SYSTEME ; KSB AG: Untersuchungen von
Mischungssystemen in Biogasfermentern unter Einsatz der Prozess-Tomographie - Projektphase 1:
Grundlagenermittlung : Schlussbericht. 2014
[2] FRAUNHOFER-INSTITUT FÜR KERAMISCHE TECHNOLOGIEN UND SYSTEME ; KSB AG: Entwicklung eines
Steuerungs- und Regelkonzeptes für Mischprozesse in Biogasfermentern auf der Basis zu
validierender Prozessmodelle : Schlussbericht. 2016
[3] FRAUNHOFER-INSTITUT FÜR KERAMISCHE TECHNOLOGIEN UND SYSTEME ; KSB AG: Entwicklung einer
hocheffizienten Prozesskette zur Effizienzsteigerung bei der Vergärung von Geflügelmist unter
Nutzung modifizierter Strohfraktionen und mit prozessintegrierter Gewinnung marktfähigem
Düngers (EFFIGEST) : Schlussbericht. 2016
[4] FACHAGENTUR NACHWACHSENDE ROHSTOFFE: Leitfaden Biogas : Von der Gewinnung zur Nutzung ;
[Bioenergie]. 7., überarb. Aufl. Gülzow, 2016 (biogas.fnr.de)
[5] SCHUMACHER, Britt ; MAUKY, Eric ; PRÖTER, Jürgen: Einsatz von Desintegrationsverfahren in der
Biogastechnologie : Ein Verfahrensüberblick. In: BECKMANN, Dieter; MEISTER, Manfred (Hrsg.):
Technische Systeme für die Lebenswissenschaften : 16. Heiligenstädter Kolloquium, Heilbad
Heiligenstadt, 24.9.-26.9.2012. Heiligenstadt : Institut für Bioprozess- und Analysenmesstechnik
e.V, 2012, S. 101–107
[6] SCHUMACHER, Britt ; HOFMANN, Josephine ; PRÖTER, Jürgen: Verfahrensüberblick zur Desintegration
von Biomasse. In: Biogas Journal (2012), Nr. 1, S. 88–94
[7] FRAUNHOFER-INSTITUT FÜR KERAMISCHE TECHNOLOGIEN UND SYSTEME: Intensivierung der Vergärung
nachwachsender Rohstoffe durch mehrstufige Desintegration des anaeroben Fermenterinhaltes -
Laboruntersuchungen : Abschlussbericht. 2006
[8] FRIEDRICH, E. ; FRIEDRICH, H. ; LINCKE, M. ; FASSAUER, B.: Verbesserte Konvertierbarkeit
lignocellulosehaltiger Substrate in der Nassfermentation: Extrusion von Stroh. In: Chemie
Ingenieur Technik 82 (2010), Nr. 8
[9] WITT, Janet ; THRÄN, Daniela ; RENSBERG, Nadja ; HENNIG, Christiane ; NAUMANN, Karin ; BILLIG, Eric ;
SAUTER, Philipp ; DANIEL-GROMKE, Jaqueline ; KRAUTZ, Alexander ; WEISER, Christian ; REINHOLD, Gerd ;
GRAF, Torsten: Monitoring zur Wirkung des Erneuerbare-Energie-Gesetz (EEG) auf die Entwicklung
der Stromerzeugung aus Biomasse. Leipzig : DBFZ, 2012 (DBFZ-Report 12)
[10] NIK WERAN: Economizer SE. persönliches Gespräch. 2015-01-28. (Adressat)
Literatur- und Referenzverzeichnis
BMWi-03KB106A, 31.01.2019 125
[11] HUGO VOGELSANG MASCHINENBAU GMBH: BioCrack : elektrokinetische Desintegration zur
Kostenreduzierung in Kläranlagen. 2014
[12] CARSTEN WENNER: Vogelsang Desintgrationsapparate. persönliches Gespräch. 2018-01-28.
Josephine Hofmann (Adressat)
[13] ANTING GRAMS: BioPush Ultraschall Desintegration. persönliches Gespräch. 2015-01-28. (Adressat)
[14] LARS WEIß: Impasyn. persönliches Gespräch. 2015-01-28. (Adressat)
[15] HUGO VOGELSANG MASCHINENBAU GMBH: Zukunftsweisende Biogas-Produktion : Maschinen und
Systeme für die Pump-, Zerkleinerungs- und Einbringtechnik. 2015
[16] GEORG SCHÄTZL: Ultawaves. persönliches Gespräch. 2015-01-28. (Adressat)
[17] Vergärung organischer Stoffe : Substratcharakterisierung, Probenahme, Stoffdatenerhebung,
Gärversuch. In: VDI-Handbuch Energietechnik 4630 (2006)
[18] MURPHY, Jerry (Hrsg.): Value of batch tests for biogas potential analysis : Method comparison and
challenges of substrate and efficiency evaluation of biogas plants. [s.l.] : IEA Bioenergy, 2018 (IEA
Bioenergy Task 37)
[19] HOFMANN, Josephine ; PELTRI, Gregor ; STRÄUBER, Heike ; MÜLLER, Liane ; SCHUMACHER, Britt ; MÜLLER,
Ulf ; LIEBETRAU, Jan: Statistical Interpretation of Semi-Continuous Anaerobic Digestion Experiments
on the Laboratory Scale. In: Chemical Engineering & Technology 39 (2016), Nr. 4, S. 643–651.
URL dx.doi.org/10.1002/ceat.201500473
[20] DIN 12880:2001-02. 2001-02. Charakterisierung von Schlämmen - Bestimmung des
Trockenrückstandes und des Wassergehalts
[21] LIEBETRAU, Jan (Hrsg.); PFEIFFER, Diana (Hrsg.); THRÄN, Daniela (Hrsg.): Messmethodensammlung
Biogas : Methoden zur Bestimmung von analytischen und prozessbeschreibenden Parametern im
Biogasbereich. 2. Aufl. Leipzig : DBFZ, 2015 (Schriftenreihe des BMU-Förderprogramms
"Energetische Biomassenutzung“ 7)
[22] WEIßBACH, Friedrich ; STRUBELT, Cornelia: Die Korrektur des Trockensubstanzgehaltes von
Maissilagen als Substrat für Biogasanlagen. In: Energie 63 (2008), Nr. 2, S. 2–4
[23] WEIßBACH, Friedrich ; STRUBELT, Cornelia: Die Korrektur des Trockensubstanzgehaltes von
Zuckerrübensilagen als Substrat für Biogasanlagen. In: Energie 63 (2008), Nr. 6, 354-355a
[24] WEIßBACH, Friedrich ; STRUBELT, Cornelia: Die Korrektur des Trockensubstanzgehaltes von
Grassilagen als Substrat für Biogasanlagen. In: Energie 63 (2008), Nr. 4, 210-211a
[25] MAHMOUD, Nidal ; ZEEMAN, Grietje ; GIJZEN, Huub ; LETTINGA, Gatze: Interaction between digestion
conditions and sludge physical characteristics and behaviour for anaerobically digested primary
sludge. In: Biochemical Engineering Journal (2006), Nr. 28, S. 196–200
Literatur- und Referenzverzeichnis
BMWi-03KB106A, 31.01.2019 126
[26] PALMOWSKI, Laurence M. (Hrsg.); MÜLLER, J. A. (Hrsg.): Influence of the size reduction of organic
waste on their anaerobic digestion, 1999
[27] SHARMA, Sudhir K. ; MISHRA, I.M. ; SHARMA, M.P. ; SAINI, J.S.: Effect of Particle Size on Biogas
Generation from Biomass Residues. In: Biomass (1988), Nr. 17, S. 251–263
[28] MENARDO, S. ; AIROLDI, G. ; BALSARI, P.: The effect of particle size and thermal pre-treatment on the
methane yield of four agricultural by-products. In: Bioresource Technology 104 (2012), S. 708–
714
[29] SURENDRA, K.C. ; KHANAL, Samir Kumar: Effects of crop maturity and size reduction on digestibility
and methane yield of dedicated energy crop. In: Bioresource Technology (2015), Nr. 178, S. 178–
193
[30] MSHANDETE, Anthony ; BJÖRNSSON, Lovisa ; KIVAISI, Amelia K. ; RUBINDAMAYUGI, M S. T. ; MATTIASSON,
Bo: Effect of particle size on biogas yield from sisal fibre waste. In: Renewable Energy (2006), Nr.
31, S. 2385–2392
[31] ANGELIDAKI, I. ; AHRING, B. K.: Methods for increasing the biogas potential from the recalcitrant
organic matter contained in manure. In: Water Science Technology 41, Nr. 3, S. 189–194
[32] FERREIRA, L.C. ; NILSEN, P.J. ; FDZ-POLANCO, F. ; PÉREZ-ELVIRA, S.I.: Biomethane potential of wheat
straw: Influence of particle size, water impregnation and thermal hydrolysis. In: Chemical
Engineering Journal (2014), Nr. 242, S. 254–259
[33] IZUMI, Kouichi ; OKISHIO, Yu-ki ; NAGAO, Norio ; NIWA, Chiaki ; YAMAMOTO, Shuichi ; TATSUKI, Toda:
Effects of particle size on anaerobic digestion of food waste. In: International Biodeterioration &
Biodegradation 64 (2010), 601-608
[34] DE LA RUBIA, M.A. ; FERNÁNDEZ-CEGRÍ, V. ; RAPOSO, F. ; BORJA, R.: Influence of particle size and
chemical composition on the performance and kinetics of anaerobic digestion process of
sunflower oil cake in batch mode. In: Biochemical Engineering Journal (2011), 58-59, S. 162–167
[35] GOLLAKOTA, K.G. ; MEHER, K.K.: Effect of Particle Size, Temperature, Loading Rate and Stirring on
Biogas Production from Castor Effect of Particle Size, Temperature, Loading Rate and Stirring on
Biogas Production from Castor Cake (Oil Expelled). In: Biological Wastes (1988), Nr. 24, S. 243–
249
[36] GARUTI, Mirco ; LANGONE, Michela ; FABBRI, Claudio ; PICCININI, Sergio: Monitoring of full-scale
hydrodynamic cavitation pretreatment in agricultural biogas plant. In: Bioresource Technology
(2018), Nr. 247, S. 599–609
[37] Leitfaden Biogas : von der Gewinnung zur Nutzung. 6. übearb. Gülzow-Prüzen : FNR, 2013
(Bioenergie)
[38] CASLER, Michael D: Fundamentals of Experimental Design: Guidelines for Designing Successful
Experiments. In: Agronomy Journal 107, Nr. 2, S. 692–705
Literatur- und Referenzverzeichnis
BMWi-03KB106A, 31.01.2019 127
[39] FRIEDRICH WEIßBACH: Die Bewertung von nachwachsenden Rohstoffen für die Biogasgewinnung :
Teil 1: Das Gasbildungspotenzial der fermentierbaren Nährstoffe. In: Pflanzenbauwissenschaften
13 (2009), Nr. 2, S. 72–85
[40] WEINRICH, Sören ; WEIßBACH, F. ; PRÖTER, Jürgen ; LIEBETRAU, Jan ; NELLES, Michael:
Massenbilanzierung von Biogasanlagen : Möglichkeiten und Herausforderungen zur
Effizienzbewertung von Biogasanlagen. In: NELLES, Michael (Hrsg.): 8. Rostocker Bioenergieforum :
19. und 20. Juni 2014 an der Universität Rostock. Tagungsband. Rostock : Univ., Professur Abfall-
und Stoffstromwirtschaft, 2014 (Schriftenreihe Umweltingenieurwesen, 45), S. 369–379
[41] WEINRICH, Sören: Aussagekraft von diskontinuierlichen Laborversuchen zur Substrat- und
Prozessbewertung von Biogasanlagen (Biogas in der Landwirtschaft - Stand und Perspektiven).
Bayreuth, 27.09.2017
[42] SCHUBERT, Heinrich (Hrsg.): Handbuch der mechanischen Verfahrenstechnik :
Partikeleigenschaften, Mikroprozesse, Makroprozesse, Zerteilen, Agglomerieren, Trennen,
Mischen, Schüttgut. Weinheim : Wiley-VCH, 2003
[43] RETSCH GMBH: Siebanalytik : Qualität aufs Korn genommen. Haan, 2015
[44] SÖREN WEINRICH: Praxisnahe Modellierung von Biogasanlagen : Systematische Vereinfachung des
Anaerobic Digestion Model No. 1 (ADM1). Rostock, 2017
[45] DACCORD, R.: Aufgeschlossenes Stroh: Behandlungsverfahren und Einsatz in der Rindviehfütterung.
Gangeneuve, Frankreich (Merkblatt der Eidgenössischen Forschungsanstalt für viehwirtschaftliche
Produktion)
[46] JACKSON, M. G.: Review Article: The Alkali Treatment of Straws. In: Animal Feed Science and
Technology (1977), Nr. 2, S. 105–130
[47] GEORG HEß: Untersuchungen zur Hemmung des anaeroben Abbaus von alkalisch desintegrierter
Sorghumsilage : Masterarbeit. Universität Leipzig, Fakultät für Chemie und Mineralogie, Institut
Technische Chemie, 2018
[48] SCHUMACHER, Britt: Wachstumskern - Chemnitz FutureGas: Entwicklung von Steuerungswerkzeugen
für modulare Biogasanlagen hinsichtlich ihres Stoffstrommanagement (Verbundprojekt 1) :
Endbericht. Leipzig, 2014
[49] SCHUMACHER, Britt ; WEDWITSCHKA, Harald ; HOFMANN, Josephine ; DENYSENKO, Velina ; LORENZ, Helge ;
LIEBETRAU, Jan: Disintegration in the biogas sector : Technologies and effects. In: Bioresource
Technology (2014), Nr. 168, S. 2–6. URL dx.doi.org/10.1016/j.biortech.2014.02.027 –
Überprüfungsdatum 2014-08-12
[50] KTBL: Faustzahlen Biogas. 3. Aufl. Darmstadt, 2013
[51] HERSTELLERANGABE: Wirtschaftlichkeitsbetrachtung Extrusion. E-Mail. 2018-07-27. Peter Kornatz
(Adressat)
Literatur- und Referenzverzeichnis
BMWi-03KB106A, 31.01.2019 128
[52] PICHLER, W. A.: Untersuchungen über den Einsatz von mit Natronlauge aufgeschlossenem
Getreidestroh in der Jungtiermast. In: Die Bodenkultur 47 (1996), Nr. 3
[53] DATENSATZ IFEU: 50%ige Natronlauge. 2004
[54] UMWELTBUNDESAMT: Entwicklung der spezifischen Kohlendioxid‐Emissionen des deutschen
Strommix in den Jahren 1990 – 2017 : CLIMATE CHANGE. URL
https://www.umweltbundesamt.de/sites/default/files/medien/1410/publikationen/2018‐05‐
04_climate‐change_11‐2018_strommix‐2018_0.pdf – Überprüfungsdatum 2018-12-20
[55] DANIEL-GROMKE, Jaqueline ; LIEBETRAU, Jan ; DENYSENKO, Velina ; KREBS, Christian: Digestion of bio-
waste – GHG emissions and mitigation potential. In: Energy, Sustainability and Society 5 (2015),
Nr. 3
[56] LIEBETRAU, Jan (Hrsg.): Emissionen landwirtschaftliche Anlagen : Fachagentur für Nachwachsende
Rohstoffe e. V. (FNR), 2013
[57] INTERGOVERNMENTAL PANEL ON CLIMATE CHANGE: Climate change 2013 : Fifth Assessment Report
(AR5) of WG 1. 2013
[58] MOELLER, Lucy ; ZEHNSDORF, Andreas ; MÜLLER, R. A.: Effect of Triticale Milling Coarseness on Biogas
Production. In: Chemie Ingenieur Technik (2018), 90 (1-2), S. 249–255
[59] WEINRICH, Sören ; SCHÄFER, Franziska ; BOCHMANN, G. ; LIEBETRAU, Jan: Value of batch tests for
biogas potential analysis; method comparison and challenges of substrate and efficiency
evaluation of biogas plants : IEA Bioenergy Task 37
[60] BATSTONE, D. J. ; TAIT, S. ; STARRENBURG, D.: Estimation of hydrolysis parameters in full-scale
anerobic digesters. In: Biotechnology Bioenergy (2009), Nr. 102, S. 1513–1520
[61] JENSEN, P. D. ; GE, H. ; BATSTONE, D. J.: Assessing the role of biochemical methane potential tests in
determining anaerobic degradability rate and extent. In: Water Science Technology (2011), Nr. 64,
S. 800–886
Anhang
BMWi-03KB106A, 31.01.2019 129
6 Anhang
A 1 Abschätzung Handlungsbedarf
Ja/Nein Abfrage für Nassfermentationsanlagen (Rührkessel, Pfropfenstromreaktoren), nicht geeignet für
Garagenanlagen. Je häufiger ein Nein zur Antwort gegeben wird, desto größer ist der Handlungsbedarf
zur Installation eines Substrataufschlusses.
Substrat/-vorbehandlung ja nein
Einsatz von 100 % flüssigem Substrat
Einsatz von leicht/schnell abbaubarem Substrat
Substratvorbehandlung vorhanden
Substratvorbehandlung funktioniert gut
Substratart/-menge bleibt in Zukunft unverändert
kein Bedarf an Automatisierung
Fermenter
Dosierung in den Fermenter funktioniert gut
Durchmischung im Fermenter ist gut (keine Totzonen)
Verweilzeit im Fermenter > 60 Tage
Raumbelastung < 5 kg oTS/m³/d
Biogasmenge dem Substrat entsprechend erwartungsgemäß
Biologie (z.B. pH-Wert, FOS/TAC) stabil
Temperatur im Fermenter stabil (< 2°C Schwankung)
Abbaugeschwindigkeit der Substrate ist ausreichend
Gesamtanlage
Technik verlässlich
Arbeitsaufwand Betrieb Anlage O.K.
Wartung unkompliziert
Ausfallzeiten gering
Gasproduktion/-verbrauch passen zueinander
Gasspeicher ausreichend groß (Überdrucksicherung springt nie/selten
an)
Restgas im Gärrest gering
Gärrestlager gasdicht abgedeckt mit Gasfassung
Energieverbrauch zufriedenstellend
Gasgestehungskosten zufriedenstellend
Anhang
BMWi-03KB106A, 31.01.2019 130
A 2 Fragekatalog
Biogasanlage Bezeichnung: Datum:
Kontaktdaten
Betreiber: Ansprechpartner vor Ort:
Adresse:
Tel. / Handy: Fax: Email:
Kenndaten
Bemessungsleistung [kWel]: Hersteller:
Baujahr: Investitionskosten [€]:
X Substratart ca. Menge [tFM/d] Kosten [€/tFM] frei BGA
Maissilage
Ganzpflanzensilage (GPS)
Landschaftspflegematerial
Grassilage
Bioabfälle
Gülle: [ ] Rind [ ] Schwein
Festmist: [ ] Rind [ ] Schwein
Hühnermist / Hühnertrockenkot (HTK)
Sonstiges: ………………………………………………………..
Komponente Anzahl Gesamtvolumen [m³] Aufenthaltszeit [Tage]
Vorgrube
Fermenter
Nachgärer
Gärrestlager [ ] offen [ ] abgedeckt
…………………………………………………..
Verfahrensskizze (Schaltung, Gärrestrückführung…)
Anhang
BMWi-03KB106A, 31.01.2019 131
X Raumbelastung im Fermenter
geringer als 2 kg oTS/m³/d
2 bis 5 kg oTS/m³/d
größer als 5 kg oTS/m³/d
genaue Angabe: ……………………………………
X Temperaturbereich im Fermenter
32˚C - 42˚C (mesophil)
43˚C - 49˚C (meso-thermophil)
50˚C - 58°C (thermophil)
schwankend
X Hilfsmittel Menge
Spurenelemente
Tonmineralien
Branntkalk
Mikroorganismen
….……………………..
X Prozessstörung Häufigkeit, Details
Sinkschichten
Schwimmschichten
Schaumbildung
Sonstige: ……………………………
X Steht Überschusswärme zur Verfügung?
ja [kWhth/Jahr]; [%]
nein
X Enzymzugabe Details
ja, Zugabe in die Vorgrube (Hydrolyse)
ja, Zugabe in den Fermenter
nein
X Messdatenaufnahme Häufigkeit, Details
Biogasvolumenstrom
Gaszusammensetzung
[ ] CH4 [ ] CO2 [ ] H2S [ ] O2 [ ] H2
erzeugte Strommenge
erzeugte Wärmemenge
Eigenstrombedarf
Eigenwärmebedarf
Substrat (Menge, Zusammensetzung)
Leistungsaufnahme Rührwerke
Gasspeicherauslastung
Sonstige: ……………………………………….
X Prozesskontrolle, Analysen
nein
ja, im Rahmen eigener Messungen
ja, über ein externes Labor
wenn ja, welche Parameter:
[ ] pH-Wert
[ ] Säurespektrum (Gaschromatograph)
[ ] Ammoniumstickstoff NH4-N
[ ] flüchtige org. Säuren FOS, FOS/TAC
[ ] TS, oTS Substrat oder Zulauf
[ ] TS, oTS Gärrest oder Ablauf
[ ] Futtermittelanalyse Substrat/Zulauf
[ ] Futtermittelanalyse Gärrest/Ablauf
[ ] Sonstige: ……………………………………..
X Aufschlussverfahren Wenn ja, welche?
nein
ja, mechanische (Mühle, Prallbrecher, Schredder, Extruder, Ultraschall…)
ja, thermische (Thermo-Druck-Hydrolyse, Mikrowellen …)
ja, elektrische (Schockwellen, BioCrack©…)
ja, chemische (Hydrolyse, Säuren…)
Anhang
BMWi-03KB106A, 31.01.2019 132
Effekte infolge des Substrataufschlusses Stärke Detailangaben
-2…stark vermindert; -1…vermindert; 0…unverändert;
+1…erhöht; +2…stark erhöht -2 -1 0 +1 +2
Handhabbarkeit, Pumpfähigkeit
Sinkschichtbildung
Schwimmschichtbildung
Biogasbildung
Substratverbrauch
Verweilzeit
Raumbelastung
Eigenenergieverbrauch
Ausfallzeiten; Schadensfälle
Wartung
Sonstiges: ………………………………………
Wie beschicken Sie Ihre Biogasanlage?
X Beschickungsart Hersteller Typenbezeichnung Größe (m³, ...)
Vorgrube
Schubbodencontainer
Schneidcontainer mit Speicher
Sonstiges
………………………………………………….
Wie dosieren Sie die Substratzufuhr in den Fermenter?
X Dosierungsaggregat
Förderschnecke
Exzenterschneckenpumpe
Drehkolbenpumpe
Dickstoffpumpe
Welchen Rührwerkstyp verwenden Sie?
X Rührwerkstyp
Schnellläufer
Langsamläufer
Sonstiges (Gaseinpressung) ………………………
Anhang
BMWi-03KB106A, 31.01.2019 133
A 3 Veränderung der einzelnen Siebfraktionen im diskontinuierlichen
Gärversuch
0%
1%
2%
3%
4%
5%
6%
7%
8%
9%
10%
8…16 mm 5…8 mm 3,15…5 mm 2…3,15 mm 1,4…2 mm 0,5…1,4 mm
Fra
kti
on
sa
nte
il [
%T
S]
Partikelgröße
60%
65%
70%
75%
80%
85%
90%
95%
100%
≤0,5 mm
t=0d
t=1d
t=2d
t=4d
t=6d
t=8d
t=10d
t=18d
t=28d
t=38d
Anhang
BMWi-03KB106A, 31.01.2019 134
A 4 Diskontinuierlicher Gärversuch zum Vergleich der mechanischen und
mechanisch-chemischen Desintegration
0
50
100
150
200
250
300
350
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
Me
tha
ne
rtra
g , k
um
ulie
rt [
mL
N/g
oTS]
Zeit t [d]
Stroh extr. + NaOH (1d)
Stroh extr. + NaOH (frisch)
Stroh extrudiert
Stroh unbehandelt
Anhang
BMWi-03KB106A, 31.01.2019 135
A 5 Prozessstabilität im kontinuierlichen Gärversuch im Labormaßstab L3
A 5.1 pH-Wert
A 5.2 Flüchtige organische Säuren FOS
7,00
7,20
7,40
7,60
7,80
8,00
90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220
pH
-W
ert
Versuchszeit [d]
F1 unbehandelt F2 desintegriert
F3 unbehandelt F4 desintegriert
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220
Flü
ch
tige
org
an
isch
e S
äu
ren
FO
S [
g/l]
Versuchszeit [d]
F1 unbehandelt F2 desintegriert
F3 unbehandelt F4 desintegriert
Anhang
BMWi-03KB106A, 31.01.2019 136
A 5.3 Pufferkapazität FOS/TAC
A 5.4 Ammoniumstickstoff NH4-N
0,00
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
0,30
90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220
Pu
ffe
rka
pa
zitä
t F
OS
/TA
C
Versuchszeit [d]
F1 unbehandelt F2 desintegriert
F3 unbehandelt F4 desintegriert
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220
Am
mo
niu
msti
ck
sto
ff [
g/l]
Versuchszeit [d]
F1 unbehandelt F2 desintegriert
F3 unbehandelt F4 desintegriert
Anhang
BMWi-03KB106A, 31.01.2019 137
A 6 Abklingversuch L3
Anhang
BMWi-03KB106A, 31.01.2019 138
A 7 Futtermittelanalyse Winterweizenstroh (Gärversuch L3)
Anteil an Trockensubstanz [g/kgTS] Stroh, unbehandelt Stroh, desintegriert
Rohasche 81 143
Rohprotein 38 9
Rohfett 18 3
NFC 7 169
Zellulose 694 530
Lignin 114 119
Hemizellulose 48 27
Anhang
BMWi-03KB106A, 31.01.2019 139
A 8 Partikelgrößenverteilung (Gärversuch L3)
A 8.1 Winterweizenstroh, unbehandelt
Maschen-
weite [mm]
Mittlerer Partikeldurchmesser
der Partikelklasse xK [mm]
Fraktionsanteil [%] Verteilungssumme [%]
16,00
8,00
5,00
3,15
2,00
1,40
0,50
0,00
28,00
12,00
6,50
4,08
2,58
1,70
0,95
0,25
0,13% ± 0,22%
1,15% ± 1,14%
0,92% ± 0,72%
24,84% ± 2,70%
9,85% ± 2,13%
21,63% ± 2,15%
27,87% ± 0,86%
13,63% ± 5,71%
100,00% ± 0,00%
99,87% ± 0,22%
98,73% ± 1,33%
97,81% ± 1,35%
72,98% ± 3,62%
63,13% ± 4,61%
41,50% ± 6,32%
13,63% ± 5,71%
A 8.2 Winterweizenstroh, mechanisch-chemisch desintegriert
Maschen-
weite [mm]
Mittlerer Partikeldurchmesser
der Partikelklasse xK [mm]
Fraktionsanteil [%] Verteilungssumme [%]
16,00
8,00
5,00
3,15
2,00
1,40
0,50
0,00
28,00
12,00
6,50
4,08
2,58
1,70
0,95
0,25
0,00% ± 0,00%
0,02% ± 0,03%
0,74% ± 0,10%
1,33% ± 0,34%
0,68% ± 0,06%
1,69% ± 0,07%
1,73% ± 0,09%
93,81% ± 0,37%
100,00% ± 0,00%
100,00% ± 0,00%
99,98% ± 0,03%
99,24% ± 0,10%
97,92% ± 0,43%
97,23% ± 0,49%
95,54% ± 0,46%
93,81% ± 0,37%
A 8.3 Fermenterinhalt F1, unbehandeltes Substrat
Maschen-
weite [mm]
Mittlerer Partikeldurchmesser
der Partikelklasse xK [mm]
Fraktionsanteil [%] Verteilungssumme [%]
16,00
8,00
5,00
3,15
2,00
1,40
0,50
0,00
28,00
12,00
6,50
4,08
2,58
1,70
0,95
0,25
0,00% ± 0,00%
1,69% ± 2,31%
0,85% ± 0,31%
32,49% ± 1,47%
3,73% ± 0,70%
10,05% ± 0,87%
9,21% ± 1,14%
41,98% ± 0,90%
100,00% ± 0,00%
100,00% ± 0,00%
98,31% ± 2,31%
97,46% ± 2,15%
64,97% ± 3,61%
61,24% ± 4,29%
51,19% ± 4,55%
41,98% ± 3,75%
Anhang
BMWi-03KB106A, 31.01.2019 140
A 8.4 Fermenterinhalt F2, mechanisch-chemisch desintegriertes Substrat
Maschen-
weite [mm]
Mittlerer Partikeldurchmesser
der Partikelklasse xK [mm]
Fraktionsanteil [%] Verteilungssumme [%]
16,00
8,00
5,00
3,15
2,00
1,40
0,50
0,00
28,00
12,00
6,50
4,08
2,58
1,70
0,95
0,25
0,00% ± 0,00%
0,00% ± 0,00%
0,00% ± 0,00%
1,22% ± 0,35%
1,83% ± 0,62%
7,98% ± 0,91%
9,33% ± 0,42%
79,63% ± 0,36%
100,00% ± 0,00%
100,00% ± 0,00%
100,00% ± 0,00%
100,00% ± 0,00%
98,78% ± 0,35%
96,95% ± 0,96%
88,97% ± 1,83%
79,63% ± 2,08%
A 8.5 Fermenterinhalt F3, unbehandeltes Substrat
Maschen-
weite [mm]
Mittlerer Partikeldurchmesser
der Partikelklasse xK [mm]
Fraktionsanteil [%] Verteilungssumme [%]
16,00
8,00
5,00
3,15
2,00
1,40
0,50
0,00
28,00
12,00
6,50
4,08
2,58
1,70
0,95
0,25
0,65% ± 1,13%
1,02% ± 0,40%
0,56% ± 0,19%
5,43% ± 2,10%
3,13% ± 0,91%
13,49% ± 3,13%
13,75% ± 3,92%
61,96% ± 1,08%
100,00% ± 0,00%
99,35% ± 1,13%
98,33% ± 1,26%
97,76% ± 1,24%
92,33% ± 2,20%
89,20% ± 1,56%
75,71% ± 2,93%
61,96% ± 6,59%
A 8.6 Fermenterinhalt F4, mechanisch-chemisch behandeltes Substrat
Maschen-
weite [mm]
Mittlerer Partikeldurchmesser
der Partikelklasse xK [mm]
Fraktionsanteil [%] Verteilungssumme [%]
16,00
8,00
5,00
3,15
2,00
1,40
0,50
0,00
28,00
12,00
6,50
4,08
2,58
1,70
0,95
0,25
0,00% ± 0,00%
0,00% ± 0,00%
0,13% ± 0,23%
1,88% ± 0,29%
2,30% ± 0,13%
9,37% ± 2,74%
10,29% ± 0,40%
76,02% ± 0,52%
100,00% ± 0,00%
100,00% ± 0,00%
100,00% ± 0,00%
99,87% ± 0,23%
97,99% ± 0,08%
95,69% ± 0,20%
86,31% ± 2,60%
76,02% ± 2,20%
Anhang
BMWi-03KB106A, 31.01.2019 141
A 9 Gärversuch L4 mit thermisch desintegriertem Gerstenstroh
A 9.1 Methanertrag kontinuierlicher Gärversuch
Verändert nach [48]
A 9.1 Futtermittelanalyse Gerstenstroh
Anteil an
Trockensubstanz
[g/kgTS]
Stroh,
unbehandelt
(Versuchsbeginn)
Stroh, thermisch
desintegriert
(Versuchsbeginn)
Stroh, thermisch
desintegriert
(Tag 159)
Stroh, thermisch
desintegriert
(Tag 164)
Rohasche 29 27 26 25
Rohprotein 42 42 41 43
Rohfett 14 6 7 7
NFC 37 253 241 233
Zellulose 471 412 326 383
Lignin 123 167 264 243
Hemizellulose 284 92 96 65
Anhang
BMWi-03KB106A, 31.01.2019 142
A 10 Eingangsdaten für die Massenbilanzierung der kontinuierlichen
Gärversuche
A 10.1 Gärversuch L3 mit mechanisch-chemisch desintegriertem Weizenstroh
V ̇CH4,spez L/kg oTS
Total Stroh HTK Unbehandelt 258 189 69
Behandelt 290 211 79
FM g/d
Stroh HTK H2O HTK + H2O ṁSubstrat HRT
Unbehandelt 22,2 19,6 124,8 144,4 166,7 60,0
Behandelt 21,9 20,2 124,3 144,6 166,5 60,0
TS %FM oTS %TS ṁoTS g/d
Stroh HTK Stroh HTK Stroh HTK
Anteil
HTK
Unbehandelt 92,2 51,1 91,9 68,9 18,8 6,9 0,3
Behandelt 92,2 49,9 92,9 69,4 18,8 7,0 0,3
Dichte Gärrest 0,9 g/L
A 10.2 Gärversuch L4 mit thermisch desintegriertem Gerstenstroh
V ̇CH4,spez L/kg oTS
Total Stroh Gülle
Unbehandelt 214 148 66 Behandelt 273 189 84
FM g/d
Stroh Gülle H2O Gülle + H2O ṁSubstrat HRT
Unbehandelt 23,0 310,0 0,0 310,0 333,0 30,0
Behandelt 131,0 210,0 0,0 210,0 341,0 29,3
TS %FM oTS %TS ṁoTS g/d
Stroh Gülle Stroh Gülle Stroh Gülle Anteil Gülle
Unbehandelt 92,8 3,6 97,1 83,1 20,7 9,2 0,3
Behandelt 16,2 5,2 96,5 83,1 20,5 9,1 0,3
Dichte Gärrest 0,9 g/L