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             Biogas –
   anaerobe Fermentation von Klär-
 schlamm und kommunalen Abfällen

             Dipl.-Bw....
Inhalt


1.   Biogas
2.   Biogas aus Klärschlamm
      •  dena-Referenzprojekt
      •  Projekt des IKTS
3.   Biogas aus I...
1. Funktionsweise einer Biogasanlage




Quelle: http://www.energy-technology.it/de/biogas.htm
2. Biogas aus Klärschlamm

•  in Deutschland fallen jährlich ca. 2 Millionen to Klär-
  schlamm (TS) aus ca. 10.000 Kläran...
dena-Referenzprojekt              (Leiber GmbH, Bramsche)
- 2. Preis Energy Efficiency Award 2008 -



•  früher: Abwasser...
dena-Referenzprojekt

Energieerzeugung BHKW mit Biogasbetrieb (Nennleistung: 190 kWel und
240 kWth)
  Strom               ...
Projekt des IKTS
 (Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Sinterwerkstoffe, Dresden




•  noch vor der Faulu...
3. kombinierte Behandlungsverfahren für
Industrieklärschlamm (EU-Life Projekt)

  1.   Entfernung der wasserlöslichen Stof...
Biogas aus Klärschlamm: Verfahrenskonzept


             Wasser               Lauge      Biogas




Überschuß             ...
Biogas aus Klärschlamm: Mikroskopie


Klärschlamm
unbehandelt


Klärschlamm
nach Hydrolyse




                           ...
Biogas aus Klärschlamm


•  die Schlammflocken haben sich nach der Hydrolyse
  weitestgehend aufgelöst
•  der verbleibende...
Verbleib der Schlamminhaltsstoffe bezogen
auf die Trockensubstanz

eingesetzter   gewaschener       Stoffbilanz nach Hydro...
4. Biogas aus organischen Abfällen

•  seit ca. 25 Jahren werden in Deutschland biogene
  Abfälle getrennt gesammelt
•  he...
organische Abfälle

                                                      oTS / % TS    Biogasaus-      CH4-Gehalt
       ...
organische Reststoffe


•  eignen sich grundsätzlich zur Vergärung und
  Kofermentation in Verbindung mit tierischen
  Exk...
phys.-chem. Mindestanforderungen für die
 Methanogenese
Milieufaktoren
pH-Wert                                            ...
Eignung von biogenen Abfällen

•  nicht alle sind geeignet: organische Masse aus Hausab-
 fällen, die nicht getrennt gesam...
Vorbehandlung von organische Reststoffen


Verfahrenstechniken zur Vorbehandlung
Störstoffabtrennung                Siebe,...
5. Fazit


•  die Biogasausbeute – somit die Produktion von Strom und
  Wärme - bestimmt maßgeblich das wirtschaftliche Er...
5. Fazit


•  Biogas hat im Vergleich zu anderen Erneuerbaren Energien
   auch ein großes Potenzial: Die Gasspeicherung is...
Systemvergleich mit anderen EE
              Elektroenergie aus Wind




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Biogas Aus Abfallstoffen

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Biogas Aus Abfallstoffen

  1. 1. Energy Biogas – anaerobe Fermentation von Klär- schlamm und kommunalen Abfällen Dipl.-Bw. Dirk Volkmann Minsk, 16. September 2009 www.german-renewable-energy.com
  2. 2. Inhalt 1. Biogas 2. Biogas aus Klärschlamm •  dena-Referenzprojekt •  Projekt des IKTS 3. Biogas aus Industrieschlamm •  EU-Life Projekt 4. Biogas aus organischen Abfällen 5. Fazit
  3. 3. 1. Funktionsweise einer Biogasanlage Quelle: http://www.energy-technology.it/de/biogas.htm
  4. 4. 2. Biogas aus Klärschlamm •  in Deutschland fallen jährlich ca. 2 Millionen to Klär- schlamm (TS) aus ca. 10.000 Kläranlagen an •  nur ca. 1/3 des Klärschlamms wird auf landwirtschaft- lichen Flächen ausgebracht •  Industrieklärschlämme enthalten Reststoffe wie Schwermetalle und werden normalerweise verbrannt; Verbrennung in Monoverbrennungsanlagen ist teuer •  Industrieabwässer sind mit teilweise hohen Konzen- trationen von Chemikalien belastet und müssen vorbe- handelt werden, damit die Abwässer biologisch abgebaut werden können
  5. 5. dena-Referenzprojekt (Leiber GmbH, Bramsche) - 2. Preis Energy Efficiency Award 2008 - •  früher: Abwasserreinigung durch Abbau der Schmutzstoffe durch aerobe Bakterien; große Schlamm- mengen, die chemisch entwässert und entsorgt wurden •  heute: anaerobe Abwasserreinigungsanlage mit verdoppelter Kapazität und mit verringertem Chemikalien- und Stromeinsatz und Abfallaufkommen •  das erzeugte Biogas wird in einem BHKW zu Strom und Wärme umgewandelt; der Strom wird ins Netz eingespeist, die Wärme wird im Betrieb genutzt
  6. 6. dena-Referenzprojekt Energieerzeugung BHKW mit Biogasbetrieb (Nennleistung: 190 kWel und 240 kWth) Strom 1.115.000 kWh/Jahr Wärme 641.000 kWh/Jahr Einnahmen: Stromeinspeisung (nach EEG) 147.000 €/Jahr Wärmelieferung an Dritte und innerbetriebliche Nutzung 22.000 €/Jahr Stromkosteneinsparung durch Energieeffizienzmaßnahmen 26.000 €/Jahr weitere Betriebskosteneinsparungen (geringerer Chemikalieneinsatz und reduzierte Abfallmenge) 81.000 €/Jahr CO2-Reduzierung 1.109 to/Jahr Investitionen 850.000 € Kapitalrendite > 30 %
  7. 7. Projekt des IKTS (Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Sinterwerkstoffe, Dresden •  noch vor der Faulung wird ein Teil des Schlamms mit Ultraschall behandelt (Erzeugung von implodierenden Bläschen) und mechanisch zerkleinert •  durch Kavitation aus Mikroorganismen freigesetzte und aktivierte Enzyme beschleunigen und verbessern den Abbau organischer Stoffe •  dadurch wird die Gasausbeute um bis zu 45% erhöht •  weniger Verbrauch von Energie und Zusatzstoffen zur Entwässerung, die Faulzeiten verkürzen sich
  8. 8. 3. kombinierte Behandlungsverfahren für Industrieklärschlamm (EU-Life Projekt) 1. Entfernung der wasserlöslichen Stoffe mit Wasser, Auswaschen des Sulfats (zur Vermeidung der Bildung von Schwefelwasserstoff) 2. Zerstörung der Schlammflocken mit Natronlauge (T = > 90° C) 3. Spaltung der organischen Bestandteile (Proteine, Fette, Kohlen- hydrate) und größtenteils Umwandlung in wasserlösliche Stoffe > Aufschluss des Schlamms 4. Neutralisation der eingesetzten Lauge für die anaerobe Behandlung 5. Versäuerung der Schlämme bei 35° C durch spezielle Mikroorganismen, es entstehen erst längerkettige, dann kurzkettige Carbinsäuren 6. Überführung der Carbonsäuren in Biogas (60% Methan, 40% CO2)
  9. 9. Biogas aus Klärschlamm: Verfahrenskonzept Wasser Lauge Biogas Überschuß Alkalische Anaerobe Rest- schlamm Waschstufe schlamm Hydrolyse Behandlung Wasserlösliche Bestandteile
  10. 10. Biogas aus Klärschlamm: Mikroskopie Klärschlamm unbehandelt Klärschlamm nach Hydrolyse Quelle: Currenta, Leverkusen Schlamm aus Anaerob-Reaktor
  11. 11. Biogas aus Klärschlamm •  die Schlammflocken haben sich nach der Hydrolyse weitestgehend aufgelöst •  der verbleibende Rest wird in der anschließenden Vergärung teilweise in Gas überführt •  der Restschlamm wird entwässert und verbrannt •  die sulfathaltigen Waschlösungen und die Abwässer aus der anaeroben Behandlung werden in der Kläranlage gereinigt
  12. 12. Verbleib der Schlamminhaltsstoffe bezogen auf die Trockensubstanz eingesetzter gewaschener Stoffbilanz nach Hydrolyse Schlamm Schlamm und anaerober Behandlung 13% Biogas 30% Feststoff zur Verbrennung 100% 2% 98% 55% gelöste Stoffe zur Kläranlage gelöste Stoffe zur Kläranlage
  13. 13. 4. Biogas aus organischen Abfällen •  seit ca. 25 Jahren werden in Deutschland biogene Abfälle getrennt gesammelt •  heute: ca. 13 Mio. to Bio- und Grünabfälle •  deutsche Haushalte werfen 4 Mio. to Organisches in separate Tonnen •  1 Mio. to Bio- und Grünabfälle in Siedlungs- und Gewerbeabfall (die nicht vergoren sondern in MBA aufbereitet oder dem Klärschlamm zugefügt werden) •  3 – 4 Mio. to energiereiche Speisereste, Schlachtab- fälle und Reste aus der Lebensmittelerzeugung source: DW-1.com
  14. 14. organische Abfälle oTS / % TS Biogasaus- CH4-Gehalt beute l/kg oTS % Biomüll 50 - 70 150 - 600 58 - 65 Küchenabfälle 80 - 98 200 - 500 45 - 61 Kommunale Reststoffe Parkrasen-Schnitt 82 - 92 550 - 680 55 - 62 Marktabfälle 50 - 80 450 62 Reststoffe aus Schlachtung Panseninhalt 80 - 90 200 - 400 58 - 62 Quelle: Eder, Schulz: Biogaspraxis Reststoffe aus Agroindustrie Fettabscheiderückst. 75 - 93 700 60 - 72 Bierherstellung Biertreber 80 580 - 750 60 Obstverarbeitung Apfeltrester 85 - 90 660 - 680 65 - 70 Kartoffelverarbeitung Kartoffelpülpe 90 650 - 750 52 - 65 Alkoholgewinnung Getreideschlempe 83 - 88 430 - 700 58 - 65 Zuckergewinnung Melasse 85 - 90 360 - 490 70 - 75
  15. 15. organische Reststoffe •  eignen sich grundsätzlich zur Vergärung und Kofermentation in Verbindung mit tierischen Exkrementen •  bei fermentierbaren Monosubstraten (z.B. Glykol aus der Industrie ist Gülle als ‚Basissubstrat‘ für eine stabile Fermentation empfehlenswert •  wesentliche Voraussetzung bei der Vergärung von Monosubstraten ist eine ausreichende Versorgung der Mikroorganismen mit Nährstoffen und Spurenelementen
  16. 16. phys.-chem. Mindestanforderungen für die Methanogenese Milieufaktoren pH-Wert 6,5 – 8,0 Salzgehalt (Leitfähigkeit) 2,5 bis 25 mS/cm Temperatur 8 bis 55°C Elemente Konzentration Sauerstoff < 1 ppm Wasserstoff 6 Pa Gesamtkohlenstoff 0,2 bis 50 g/l CSB Quelle: Eder, Schulz: Biogaspraxis Natrium / Kalium / Magnesium 45 - 200 ppm / 75 - 250 ppm / 10 - 40 ppm Schwefel / Eisen / Nickel 50 – 100 ppm / 10 – 200 ppm / 0,5 – 30 ppm Kobalt / Molybdän, Wolfram, Selen / Zink 0,5 – 20 ppm / 0,1 – 0,35 ppm / 0 – 3 ppm Chemische Verbindungen: Phosphat 50 – 150 ppm Mengenverhältnis C:N:P:S 2.000 : 15 : 5 : 3 (Gesamtprozess)
  17. 17. Eignung von biogenen Abfällen •  nicht alle sind geeignet: organische Masse aus Hausab- fällen, die nicht getrennt gesammelt wird, eignet sich nicht, da durch hohe Schadstoffeinträge keine Rückkehr in den Stoffkreislauf möglich (Gärrest !) •  geeignet sind: Abfälle aus Schlachthöfen, Molkereien, Brauereien, Speisereste aus Großkantinen, Hotels, Krankenhäuser und abgelaufene Artikel aus dem Lebensmittelhandel •  größte Chancen: Grünschnitt und Gartenabfälle – gehen heute energetisch ungenutzt zu 85 % in die Kompostierung (Kapazität in D: 12 Mio. to)
  18. 18. Vorbehandlung von organische Reststoffen Verfahrenstechniken zur Vorbehandlung Störstoffabtrennung Siebe, Windsichter, Zyklon, Magnetabscheider, Pressen, Manuelle Auslese Substrataufbereitung mechanisch (Mixer, Macerator), Quelle: Eder, Schulz: Biogaspraxis chemisch (Zugabe von Säuren, Laugen), biologisch (Zugabe von Enzymen, thermisch (Hygenisierung) Kombinationsverfahren gemeinsame Sink- und Schwimmstoffabtrennung und mechanische Aufbereitung
  19. 19. 5. Fazit •  die Biogasausbeute – somit die Produktion von Strom und Wärme - bestimmt maßgeblich das wirtschaftliche Ergebnis einer Anlage •  Die maximale Biogasausbeute ist nicht garantiert und wird durch eine Vielzahl von Größen (mit-)bestimmt, die vom Anlagenbetreiber z. T. beeinflusst werden (können) •  Ziel muss es sein, die Biogasausbeute durch eine optimierte Biologie und eine daran angepasste Anlagentechnik zu maximieren
  20. 20. 5. Fazit •  Biogas hat im Vergleich zu anderen Erneuerbaren Energien auch ein großes Potenzial: Die Gasspeicherung ist relativ günstig und erlaubt eine flexible Stromproduktion, wann immer diese benötigt wird – daher auch für die Spitzenlast- produktion geeignet, unabhängig von externen Faktoren wie Sonneneinstrahlung oder Wind
  21. 21. Systemvergleich mit anderen EE Elektroenergie aus Wind Elektroenergie aus Photovoltaik Elektroenergie aus Wasserkraft Elektroenergie aus Biogas Zeitverlauf in Tagen über 1 Jahr Zeitverlauf in Std. über 1 Tag
  22. 22. Energy Volkmann Consult - Corporate Advisors - Joachimstrasse 24 D – 40545 Düsseldorf dirk at volkmann-consult dot de www.volkmann-consult.de

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