Höhere Gasausbeuten fangen bei der Konservierung an

Möglichkeiten der Leistungssteigerung von Biogasanlagen

Aus dem Bereich der Windkraftanlagen kennt man den Begriff „Repowering“, um die Wirtschaftlichkeit und die Effizienz zu erhöhen. Dies ist auch bei Biogasanlagen zukünftig ein wichtiges Thema. Bestehende Anlagen müssen sich immer mehr der Wirtschaftlichkeit stellen und ihr Potenzial optimieren. Aber wo gibt es dafür Ansatzpunkte? Um diese Fragen zu klären, führte das Beratungszentrum Nachwachsende Rohstoffe am DLR Eifel ein Seminar „Möglichkeiten der Leistungssteigerung von Biogasanlagen“ durch. Ziel der Veranstaltung war es, Optimierungsansätze in der Biogasproduktion darzustellen und zu diskutieren.

Die Optimierung einer Biogasanlage kann in vielen Teilbereichen vorgenommen werden.

Foto: Fiedler

Jürgen Mohr vom DLR Eifel wies zu Beginn auf die Notwendigkeit der Optimierung hin. Letzt endlich geht es immer um eine Kostenoptimierung. Dadurch werden aber auch Grenzen gesetzt und es können sich mögliche Hürden bei der Umsetzung ergeben. So sind viele Optimierungsansätze oft sehr komplex, langwierig und zum Teil auch schwer realisierbar. Ansatzpunkte ergeben sich bei der Biologie (Vorbehandlung der Substrate und verbesserte Lebensbedingungen der Mikroorganismen), Optimierung der Technik und Nutzung der Abwärme.

Effekte von Zusatzstoffen

Mit der Biologie befasste sich Dr. Stefan Dröge vom Prüf- und Forschungsinstitut (PFI) Pirmasens, indem er die Effekte von Zusatzstoffen wie Enzyme und Spurenelementen darstellte. Enzyme wirken bei der Hydrolyse, das heißt der Spaltung der biochemischen Verbindung. Einfache Verbindungen wie Zucker lassen sich leichter spalten als komplexe Verbindungen wie Zellulose. Hier sollen die zugesetzten Enzyme bei der „Verdauung“ helfen.Dies zeigt schon, dass der Einsatz von Enzymen zur Gasertragssteigerung nur bei schwer aufschließbaren Materialen einen nennenswerten Gasmehrertrag zeigen kann. Weitere Effekte können die Erhöhung der Viskosität des Gärsubstrates sein, wodurch einerseits die Rühr- und Pumpfähigkeit verbessert wird und andererseits der Eigenstromverbrauch gesenkt werden kann. Ebenso könnte durch eine schnellere Ausgasung die Raumbelastung erhöht werden.

In wissenschaftlichen Untersuchungen konnten bislang jedoch noch keine eindeutigen Effekte nachgewiesen werden. Mögliche Gründe könnten nicht optimale Bedingungen im Biogasfermenter (pH, Temperatur) sein. Hier besteht noch Forschungsbedarf, evtuell auch mit anderen Enzymen.

Spurenelemente nur nach Bedarf zu geben

Durch die Zugabe von Spurenelementen konnte oftmals schon mit geringen monetären Aufwendungen ein Mehrertrag erzielt werden. Spurenelemente stellen häufig einen wichtigen Baustein bei benötigten Enzymen und Vitaminen der Methanogenese dar. Man sollte allerdings darauf achten, die Spurenelemente nur nach Bedarf zu geben.

Auch Stefan Wenzler von der Firma Methana stellte dar, dass der Enzymeinsatz bei schwer vergärbaren Substraten effektiver ist. So konnte er stärkere Effekte bei Ganzpflanzensilage als bei Maissilage aufzeigen. Der Enzymeinsatz kann biologisches Repowering darstellen: Es verbessert die Biologie, die Gefahr von Sink- und Schwimmschichten sinkt, die Leistungsfähigkeit der vorhandenen Anlage kann erhöht werden und dadurch Investitionen in Behälter oder Technik hinausgezögert oder vermieden werden.

Druck und Hitze können die Effizienz steigern

Eine weitere Möglichkeit, wie das Substrat behandelt werden kann, stellte Dr. Johannes Kinkel von der Firma Demetrion Deutschland AG vor. Die thermisch induzierte Hydrolyse (TIH) schließt Biomasse durch Druck (8 bis 15 bar) und Temperatur (125 bis 150°C) auf.

Hierdurch wird der Gasertrag der Substrate erhöht, der Verschleiß der Rührwerke und Pumpen reduziert, das Risiko der Sink-, und Schwimmschichtbildung gemindert und somit die Effizienz von Biogasanlagen gesteigert. Auch ist es möglich bisher schwer einsetzbare Stoffe wie Landschaftspflegeabfälle, organische Abfälle, Grasschnitt sowie Mist und Stroh aus der Viehhaltung zukünftig zu nutzen.

Qualitätsoptimierte und verlustarme Silagebereitung

Die Erhöhung der Gasausbeuten fängt aber nicht erst im Fermenter an, sondern schon bei der Futterkonservierung. Hier können durch Fehler schon hohe Energieverluste und damit auch Methanverluste entstehen. Dr. Klaus Hünting vom Landwirtschaftszentrum Haus Riswick stellte daher vor, was man alles für eine verlustarme und qualitätsoptimierte Silagebereitung beachten muss.

Das A und O ist die Vermeidung von Fehlgärung und des damit einhergehenden Energieabbaus. Diese kann auch schon stattfinden, wenn noch keine Erwärmung zu spüren ist. Hauptaugenmerk muss man auf den Sauerstoff legen. Er aktiviert Mikroorganismen wie Hefen und Schimmelpilze, die sich stark vermehren und zu Nacherwärmung mit anschließender Verschimmlung führen.

Schimmelpilze benötigen weniger als 1 Prozent des in der Atmosphäre vorhandenen Sauerstoffs, um Stoffwechsel betreiben zu können. Die Eindringtiefe des Sauerstoffs in die Silomiete kann selbst bei ausreichender Verdichtung 1 m betragen. Dies erklärt, warum bei der Verdichtung, Abdeckung, Mindestlagerdauer, Vorschub und Entnahme so viel schief gehen kann.

Milchsäurebakterien können die Silagequalität zu verbessern

Siliermittel können helfen, die Silagequalität zu verbessern. Hierbei unterscheidet man zwischen zwei Varianten, den homofermentativen und den heterofermentativen Milchsäurebakterien. Die erstgenannten sind nur in der Lage, Pflanzenzucker zu Milchsäure umzuwandeln. Die zweitgenannten können darüber hinaus noch Essigsäure bilden. Unter optimalen Bedingungen sind in Bezug auf TS- und Methanverluste die homofermentativen Milchsäurebakterien an wirtschaftlichsten. Jedoch haben diese Mittel keine Effekte gegenüber einer Nacherwärmung im Silostock.

Ist mit einer Nacherwärmung aufgrund eines suboptimalen Silomanagements zu rechnen, so kann der Einsatz von heterofermentativen Milchsäurebakterien ratsam sein. Anhand einer typischen Modellanlage für Rheinland-Pfalz konnte Hünting darstellen, welche Energieverluste durch die Erwärmung entstehen können und was für einen negativen Einfluss dies auf die Wirtschaftlichkeit haben kann.

Effektivität hängt auch von funktionssicherer Technik ab

Neben der Biologie spielt die Technik eine große Rolle bei der Effizienzsteigerung. Für Winfried Gramatte von der DLG ist die Effektivität einer Anlage in erster Linie von der Funktionssicherheit der einzelnen Anlagenkomponenten abhängig. Dies zeigt sich auch am Prüfangebot der DLG im Bereich Qualitätssicherung im Biogasanlagenbau. Dieser deckt drei Bereiche ab:

  • Allgemeine Anforderungen an Komplettanlagen,
  • Spezifische Anforderungen an Anlagenkomponenten,
  • Anforderungen an die Unternehmensorganisation des Herstellers.

Wärmenutzung mittels ORC-Technik

Durch die Nutzung der Abwärme, die bei der Verstromung in einem Blockheizkraftwerk entsteht, kann die Effizienz einer Biogasanlage noch erhöht werden. Es ist aber häufig aus den unterschiedlichsten Gründen nicht möglich Wärmenetze zu betreiben. Eine weitere Möglichkeit ist eine Verstromung der Abwärme durch ORC-Technik, wie Helmut Ribesell von der Firma Conpower darstellte.

Unterscheiden lassen sich hier Prozesse zum einen mit organischem Arbeitsmedium Organic-Rankine-Cycle (ORC) im Niedrigtemperaturbereich ab 85 °C und der Hochtemperaturbereich über 250 °C. Im ersten Fall kann die Restwärme (>85 °C) der Biogasanlage genutzt werden.

Für den Hochtemperaturbereich wird ein Prozess mit Wasserdampf Steam-Rankine-Cycel (SRC) genutzt. Dieser kann im Abgasstrom eingesetzt werden. Insgesamt sind die Wirkungsgrade dieser Systeme zwar recht niedrig, dennoch kann die Verstromung der Abwärme eine Alternative darstellen. Wie bei fast allem, kommt es auch hier auf die Einzelfallbetrachtung an.

Was in Einzelfällen zu realisieren ist, müssen individuelle Beratungen zeigen. Die Vorträge des Seminars können auf der Internetseite des DLR Eifel und im Fachportal Nachwachsende Rohstoffe unter www.nawaro.rlp.de heruntergeladen werden.

Dr. Herbert  – LW 16/2013