Bioprozesstechnische Optimierung 2-stufiger landwirtschaftlicher Biogasanlagen

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Gasdicht geschlossene Hydrolyse- und Versäuerungsstufe (Bildquelle: Cordes+Winterberg)

Verbundprojekt AcEta gibt Informationen zur effizienten Hydrolyse und Acidogenese.

Die zweistufige Prozessführung bei Biogasanlagen kann eine effizientere Biogaserzeugung und einen flexibleren Substrateinsatz ermöglichen. Vor allem für die Nutzung „schwieriger“ Substrate, wie zum Beispiel Landschaftspflegegras oder Festmist, kommen zweistufige Verfahren zur Anwendung. Etwa zehn Prozent der deutschen Biogasanlagen sind mit einer Hydrolyse- und Versäuerungsstufe ausgestattet.

Im Verbundprojekt AcEta erfolgten Felduntersuchungen an großtechnischen Hydrolyse- und Versäuerungsstufen, molekularbiologische Populationsanalysen und kinetische Untersuchungen im Labor. Mit der Zusammenstellung von Faustzahlen für die Hydrolyse/Versäuerung und der Erarbeitung von Auslegungs- und Betriebsempfehlungen wurden in der Praxis dringend benötigte Informationen für die fundierte Auslegung und den effizienten Betrieb von Hydrolyse- und Versäuerungsstufen zusammengestellt.

Für die Rentabilität als auch für den Klima- und Arbeitsschutz relevant

Während der Forschungsschwerpunkt bisher oft auf der Analyse der methanogenen Mikroorganismen, meist in Verbindung mit einstufigen Biogasreaktoren, lag, untersuchten die Wissenschaftler im Projekt AcEta die mikrobiellen Populationen der Hydrolyse- und Versäuerungsstufe. Anhand der Daten erfolgte die Analyse des Zusammenhanges zwischen der mikrobiellen Population und den Betriebs- und Anlagenparametern. Im Projekt wurden dazu herstellerunabhängige Untersuchungen an Hydrolyse- und Versäuerungsstufen landwirtschaftlicher Biogasanlagen vorgenommen.

Die Ergebnisse zeigen, dass an nicht gasdichten Anmaischer- und Hydrolysestufen mit Methanemissionen von bis sechs Prozent des verstromten Methans gerechnet werden muss. Dies ist sowohl für die Rentabilität als auch für den Klima- und Arbeitsschutz relevant und zeigt den Handlungsbedarf zur Reduzierung von Methanemissionen auf. Bei einer durchschnittlichen Vergütung des eingespeisten Stroms von 0,20 Eurocent pro Kilowattstunde können Methanemissionen an offenen Hydrolysestufen Erlösminderungen von bis zu 60.000 Euro pro Jahr entsprechen (Wärmeerlöse nicht berücksichtigt). Damit stehen ausreichende Mittel für die Finanzierung einer gasdichten Ausrüstung der offenen Stufe zur Verfügung.

Signifikante Vorteile im Sinne der Funktion zur Faserstoff-Hydrolyse konnten in den Versuchen nicht nachgewiesen werden. Die Technikumsuntersuchungen und eine mathematische Modellierung bestätigen die Erkenntnisse aus den Versuchen an den Großanlagen. Für einen weitgehenden Rohfaser-Abbau sind Verweilzeiten von circa 30 bis 60 Tagen erforderlich.

Die substratspezifischen Methanerträge der untersuchten ein- und zweiphasigen Biogasanlagen unterschieden sich bei vergleichbarer hydraulischer Verweilzeit nicht signifikant. Dies gilt auch für den Vergleich von Biogasanlagen mit offenen und gasdichten Vorstufen. Ein Leistungsvorteil zweiphasiger Biogasanlagen gegenüber einphasigen Systemen dürfte bei vergleichbarem Faulraumvolumen vor allem auf die intensive Homogenisierung des Substratgemischs im Anmaischer und auf den Kaskadeneffekt seriell betriebener Reaktoren zurückzuführen sein. Die Leistungsfähigkeit von Anmaischern und zweistufigen Reaktorkonfigurationen wird bestätigt. Kleinvolumige Hydrolysestufen mit kurzen Verweilzeiten zeigten jedoch hinsichtlich der Hydrolyse von Faserstoffen keine ausreichende Wirksamkeit.

Jede Vorstufe hat eine weitgehend eigene Populationsstruktur. Die Rezirkulation von Gärprodukten hat einen großen Einfluss auf die mikrobielle Population in den Vorstufen von Biogasanlagen. Auch in Abhängigkeit von der Substratzusammensetzung wurden Unterschiede in den mikrobiellen Populationen gefunden. Bemerkenswert ist eine nur geringe Überschneidung von maximal 20 Prozent zwischen den Biogasanlagen. Auch bei ähnlicher Substratzusammensetzung hat jede Vorstufe eine eigene Populationszusammensetzung. Eine Abhängigkeit von Jahreszeiten war nicht feststellbar, wohl aber, dass eine ungleichmäßige Fahrweise und eine heterogene Zusammensetzung der Gärsubstrate zu Populationsschwankungen führten.

Hinweise für die Praxis wurden in der Broschüre „Informationen und Empfehlungen zum Betrieb landwirtschaftlicher Hydrolyse- und Versäuerungsstufen“ zusammengestellt. Die Broschüre kann beim Technologie-Transfer-Zentrum Bremerhaven und beim Büro Technische Bioprozesse Cordes + Winterberg GbR (www.bioprozesse.de) bezogen werden. Die vollständigen Forschungsberichte und weitere Informationen zum Verbundprojekt „AcEta (effiziente Hydrolyse und Acidogenese): Bioprozesstechnische Optimierung zweistufiger landwirtschaftlicher Biogasanlagen“ sowie den Kontakt zu den Projektleitern erhalten Sie über folgende Links:

Teilvorhaben 1 Bioprozessführung

Teilvorhaben 2 Populationsanalyse

Quelle: Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe

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