B3
Effektives und emissionsfreies
Anfahren von Biogasanlagen
Matthias Plöchl
16. Jahrestagung Fachverband Biogas
31. Januar 2007 Leipzig
Eine Ausgründung des ATB
BioenergieBeratungBornim GmbH
Gliederung
B3

Effizienzkriterien

Grundlagen der anaeroben Vergärung

Prozessparameter und Methoden zur
Überwachung

Prozessoptimierung

Emissionen aus Biogasanlagen

Emissionsvermeidung

Ausblick
Eine Ausgründung des ATB
BioenergieBeratungBornim GmbH
Gliederung
B3

Effizienzkriterien

Grundlagen der anaeroben Vergärung

Prozessparameter und Methoden zur
Überwachung

Prozessoptimierung

Emissionen aus Biogasanlagen

Emissionsvermeidung

Ausblick
Eine Ausgründung des ATB
BioenergieBeratungBornim GmbH
Effizienzkriterien
B3

Maximale Ausschöpfung des Methanbildungs-
potenzials der eingesetzten Substrate

in möglichst kurzer Zeit

bei möglichst hoher Raumbelastung

Unter Vermeidung schädlicher Emissionen

Ammoniak

Geruch

Methan
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Gliederung
B3

Effizienzkriterien

Grundlagen der anaeroben Vergärung

Prozessparameter zur Überwachung

Methoden der Überwachung

Prozessoptimierung

Emissionen aus Biogasanlagen

Emissionsvermeidung

Ausblick
Eine Ausgründung des ATB
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vierstufiger Prozess
B3

Die anaerobe
Vergärung
erfolgt in
vier Stufen

Hydrolyse

Acidogenese

Acetogenese

Methanogenese
nach Ohly (2006)
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Milieubedingungen
B3

Jede dieser Stufen hat eigene Anforder-
ungen an die Milieubedingungen
Parameter Hydrolyse/Versäuerung Methanogenese
Temperatur 25  35 °C mesophil: 32  42 °C
thermophil: 50  58 °C
pH-Wert 5.2  6.3 6.7  7.5
C/N-Verhältnis 10  45 20  30
Feststoffgehalt TM <40% FM TM <30% FM
Nährstoffbedarf 500:15:5:3 600:15:5:3
C:N:P:S
Spurenelemente Keine spez. Ansprüche Ni, Co, Mo, Se
Generationszeit 24  36 h 10  15 d
nach Ohly (2006)
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Methanbildungspotenzial
B3
0.4
0.4
0.35
0.35
0.3
0.3
0.25
0.25
0.2
0.2
0.15
0.15
0.1
0.1
Dt. Weidelgras
Knaulgras (einfach)
0.05
0.05
Wiesenfuchsschwanz
0
0
0 7 14 21 28
Zeit (d)
Mähnert et al. 2002
3
-1
Methanproduktion (Nm kg
OTM)
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Gliederung
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Effizienzkriterien

Grundlagen der anaeroben Vergärung

Prozessparameter und Methoden zur
Überwachung

Prozessoptimierung

Emissionen aus Biogasanlagen

Emissionsvermeidung

Ausblick
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Prozessparameter
B3

Zur Überwachung des effektiven Betriebs
können mehrere Parameter herangezogen
werden, die jedoch starke Unterschiede in ihrer
Aussagekraft zeigen

tägliche erzeugte Strommenge

Gaszusammensetzung

pH-Wert der Fermenterinhalte

FOS/TAC-Koeffizieten

Kapazität des Carbonatpuffers

Essigsäureäquivalente

zeitnahe Überwachung von Wasserstoff (H2),
Essigsäure und Propionsäure
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tägliche erzeugte Strommenge
B3

ist abhängig von

der Menge und Art der zugegebenen
Substrate

der Gaszusammensetzung und dessen
Einfluss auf die Effizienz des BHKW

der Effizienz der Umsetzung im Fermenter

welche u.a. wiederum eine Funktion der Menge
und Art der zugegebenen Substrate ist
"'
ist ein unzureichender Parameter
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Gaszusammensetzung
B3

für die meisten Substrate wird ein Methan-
gehalt des Gases von 50% bis 60% erwartet

eine starke Abweichung nach unten ist ein
Hinweis auf einen gestörten Prozess

Gaszusammensetzung, gebildete Gasmenge
und täglich erzeugte Strommenge geben
Rückschluss auf die Effizienz des BHKW

hierdurch können Störquellen in diesem
Bereich ermittelt werden
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pH-Wert der Fermenterinhalte
B3

in erster Linie von dem aktiven Puffer abhängig

meist der Carbonatpuffer, pH 6.5

aber auch der Ammoniakpuffer, pH 9.25
"'
meist keine Aussage über die Effizienz des
Prozesses möglich
"'
pH<5 bedeutet eine erhebliche Störung des
Prozesses
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FOS/TAC-Koeffizient
B3

ermittelt durch Titration mit einer starken Säure
(Salzsäure, HCl oder Schwefelsäure, H2SO4)

zuerst Konzentration an anorganischem Kohlenstoff
(TAC = Total Anorganic Carbon) und somit die
Kapazität des Carbonatpuffers

dann Konzentration der flüchtigen organischen Säuren
(= FOS)

das Verhältnis dieser Werte sollte kleiner 0.3 sein

größere Quotienten weisen auf eine Störung hin
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FOS/TAC-Koeffizient
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Bestimmung des TAC erfasst auch andere
Verbindungen, z.B. Ammonium

Grenzwert von 2 g·l-1 Essigsäureäquivalente für FOS
kann auch in effizient arbeitenden Anlagen
überschritten werden
"'
der von Weiland angegebene Grenzwert kein echter
Absolutwert sondern auch nur ein Hinweis
"'
die regelmäßige Bestimmung des FOS/TAC kann
durchaus dazu führen, dass Störungen möglichst früh
erkannt werden
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Kapazität des Carbonatpuffers
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vor kurzem gemeinsam von der Universität Bonn und
der Gewitra GmbH entwickelter Schnelltest

jedoch m.E. kein Absolutwert für ausreichende
Pufferkapazität
"'
anlagenspezifisch Veränderungen dieses Wertes
beobachten
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Wasserstoff, Essigsäure, Propionsäure
B3

methanbildenden Bakterien haben das langsamste
Wachstum (5  15 Tage) aller beteiligten Organismen
"'
Methanogenese der geschwindigkeitsbestimmende
Schritt der gesamten Umsetzung

Ist also der Prozess an dieser Stelle gestört oder
nicht ausreichend effizient, kommt es zur Anreich-
erung der Produkte der vorangehenden Prozess-
schritte: Wasserstoff, Essigsäure, Propionsäure, ...

zeitnahe Überwachung von Wasserstoff (H2), Essig-
säure und Propionsäure sollte den störungsfreie
Ablauf der Umsetzung gewährleisten können
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Wasserstoff, Essigsäure, Propionsäure
B3

diese Parameter reagieren sehr schnell auf Verän-
derungen des Gesamtprozesses

über deren Kontrolle sollte auch eine Steigerung der
Effizienz möglich sein

Möglichkeiten einer zeitnahen Überwachung sind bis-
her ausgesprochen teuer oder noch nicht verfügbar

diese Parameter können im Allgemeinen nur mit
ausgesprochenen Laborgeräten und nicht in der
Anlage bestimmt werden

künstliche Nase, Multigassensor, in der Entwicklung,
vor Ortbestimmung von Essig- und Propionsäure-
konzentration in der Fermenterlösung
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Gliederung
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Effizienzkriterien

Grundlagen der anaeroben Vergärung

Prozessparameter und Methoden zur
Überwachung

Prozessoptimierung

Emissionen aus Biogasanlagen

Emissionsvermeidung

Ausblick
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optimale Prozessführung
B3

optimale Prozesssteuerung und effizientes Anfahren
einer Biogasanlage

nicht nur die Kenntnis der entscheidenden
Prozessparameter wichtig

sondern auch die Vorbereitung und die Kenntnis der
Rahmenbedingungen
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Kennwerte
B3

Hierzu gehören

die Bestimmung der maximalen Methan- und
Biogasausbeuten der einzusetzenden Substrate,

deren Abbaugeschwindigkeit,

insbesondere unter Einfluss von Raumbelastung und
folglich Verweilzeit,

die Zusammensetzung der Substrate in Bezug auf C/N-
Verhältnis und Verfügbarkeit von weiteren Nähr- und
Mikronährstoffen

Bakteriengesellschaften haben jedoch erhebliches
Anpassungspotenzial
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Steigerung der Produktionssumme
B3
Increasing biogas total production
1 000.00 400.00
800.00 320.00
600.00 240.00
400.00 1 60.00
Production sum (batch) [mł] Production sum (batch) [mł]
Production rate (batch) [mł/d] Production rate (cont.fl.) [mł/d]
200.00 80.00
Production rate (batch) [mł/d] Production rate (cont.fl.) [mł/d]
0.00 0.00
0 1 0 20 30 40
Time [d]
[mł]
[mł/d]
Biogas production rate
Biogas total production
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Steigerung der Produktionsrate
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Increasing biogas production rate
1 000.00 400.00
800.00 320.00
600.00 240.00
400.00 1 60.00
Production sum (batch) [mł] Production sum (batch) [mł]
Production rate (batch) [mł/d] Production rate (cont.fl.) [mł/d]
200.00 80.00
Production rate (batch) [mł/d] Production rate (cont.fl.) [mł/d]
0.00 0.00
0 1 0 20 30 40
Time [d]
[mł]
[mł/d]
Biogas production rate
Biogas total production
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Prozesssteuerung
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auf Grundlage von Planungsdaten zu erwartende
Leistung berechnen

Substratzugabeplan, der auf einer langsamen
Steigerung der Raumbelastung beruht

vor jeder Steigerung sollten die Prozessparameter
stabil sein

genügend Zeit für das Nachwachsen insbesondere der
methanogenen Bakterien
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Schwimmschichten
B3

Vermeidung von Schwimmschichten durch Anpassen
der Rührzeiten

Grundsatz soviel wie nötig und sowenig wie möglich

in Schwimmschichten finden Acido- und Acetogenese
statt

hieraus kann ein Versäuerungsschub resultieren, der
sich negativ auf die anschließende Methanogenese
auswirken kann

außerdem wird hier zunehmend CO2 emittiert, das den
Methangehalt des Biogases reduziert und somit die
Leistungsfähigkeit des BHKW senkt
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Gliederung
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Effizienzkriterien

Grundlagen der anaeroben Vergärung

Prozessparameter und Methoden zur
Überwachung

Prozessoptimierung

Emissionen aus Biogasanlagen

Emissionsvermeidung

Ausblick
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Geruchs- und Ammoniakemissionen
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In der öffentlichen Wahrnehmung und Diskussion in
erster Linie Emissionen die mit Geruch verbunden sind

Ursache hierfür sind Ammoniak und flüchtige
organische Säuren

Vergärung von Wirtschaftsdüngern

reduziert die Emissionen flüchtiger organischer Säuren

Ammoniakemissionen können leicht erhöht werden

Vergärung von Silagen

neuartige Geruchsemissionen, die von vielen jedoch als
nicht unangenehm empfunden werden

durch Sickersäfte aus dem Silo jedoch unangenehme
Gerüche auf Grund flüchtiger organischer Säuren
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klimarelevante Emissionen
B3

Für die Umwelt wichtiger sind Emissionen
klimarelevanter Gase

Methan (CH4)

Lachgas (N2O)

durch Vergärung von Wirtschaftsdüngern werden
Emissionen, die während der Lagerung unvergorenen
Materials entstehen, vermieden
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klimarelevante Emissionen
B3

Einsatz von Energiepflanzen erzeugt jedoch ein
Emissionspotenzial, das bis dahin nicht bestanden hat

Nutzung als Substrat in einer Biogasanlage hat den
Zweck das Methanbildungspotenzial der Pflanzen-
masse anzuregen und auszuschöpfen

Methanbildungspotenzial ist jedoch im Fermenter nicht
erschöpft

und kann somit im Gärrestlager zu einer unbeab-
sichtigten Emission klimarelevanter Gase führen
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Effizienzkriterien

Grundlagen der anaeroben Vergärung

Prozessparameter und Methoden zur
Überwachung

Prozessoptimierung

Emissionen aus Biogasanlagen

Emissionsvermeidung

Ausblick
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Vermeidung Geruchsemissionen
B3

Geruchsemissionen durch sorgsame Bereitung und
Führung des Silos vermeiden

Pflanzenmaterial sollte einen ausreichenden Trocken-
massegehalt für die Silierung haben

das Material muss ausreichend verdichtet werden

anschließend gut mit Folie abgedichten

Sickersaft muss gesammelt und in den Fermenter
geleitet werden
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Vermeidung Geruchsemissionen
B3

Geruchsemissionen durch saubere Entnahme der Silage
aus dem Silo vermeiden

sauberes Herausschneiden der Silage

genügend großer Vorschub im Silo

Sind die Schnittkanten unsauber, oder ist der Vorschub
zu gering, können Nachgärungen und aerober Abbau
der Silage eintreten

Verluste an Silagemasse bei 10  20%

Geruchsemissionen

Verlust an Einkommen
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Vermeidung von Klimagasemissionen
B3

Vermeidung der Emission klimarelevanter Gase durch
gasdichte Abgedeckung des gesamten Prozesses

eingesetzte Substrate und Effizienz des Prozesses
bestimmen Zeitdauer und Volumina die abgedeckt sein
sollten

Bereits geringe Methanemissionen haben wegen des
hohen CO2-Äquivalentwerts von 23 einen erheblichen
Beitrag zur Klimabeeinflussung
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Vermeidung von Klimagasemissionen
B3

Laborversuche legen eine Verweildauer im gasdicht
abgedeckten System von mindestens 210 Tagen nahe

Kann durch abgedeckte Gärrestlager erreicht werden

das Potenzial, das in einer gesteigerten Effizienz des
Prozesses liegt, sollte ausgenutzt werden

das Risiko ungewollter Emissionen klimarelevanter
Gase verringern
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Effizienzkriterien

Grundlagen der anaeroben Vergärung

Prozessparameter und Methoden zur
Überwachung

Prozessoptimierung

Emissionen aus Biogasanlagen

Emissionsvermeidung

Ausblick
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Was bringt die Zukunft?
B3

Gülle, Festmist und organische Reststoffe werden als
Substrate an Bedeutung (wieder) zunehmen

Die Effizienz insbesondere beim Einsatz von Energie-
pflanzen muss deutlich gesteigert werden

Der Bedarf an professioneller Unterstützung in der
Verfahrensbiologie/Prozesssteuerung wir zunehmen

Alle Beteiligten in der Biogasbranche müssen dazu
beitragen, dass das positive Image nicht beschädigt
wird
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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit
B3
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