biogasanlagen in der landwirtschaft - fachhochschule köln · agenda 1 aufbau & funktionsweise...
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Agenda
1 Aufbau & Funktionsweise einer Biogasanlage
2 Aktuelle Situation in Deutschland
3 Optimierungspotenzial bei
Biogasanlagen
4 Aktuelles Projekt PROBIG
5 Kooperation BAV
6 Ausblick
Aufbau & Funktionsweise einer Biogasanlage
Anaerobe Vergärung
• Faulung in anaerobem Milieu
(unter Ausschluß von Sauerstoff)
• Umsetzung des Materials durch
verschiedene Bakterienverschiedene Bakterien
• Produktion von Methangas (CH4)
Aufbau & Funktionsweise einer Biogasanlage
Anlagenkomponenten
• Lagertanks für unterschiedliche Substrate
• Fermenter mit flüssiger & gasförmiger Phase
• Endlager für anfallenden Gärrest• Endlager für anfallenden Gärrest
• Blockheizkraftwerke zur Verbrennung
des Biogases
Aufbau & Funktionsweise einer Biogasanlage
Biogasreaktor (Fermenter)
• zwei Phasen – 1000 m³ flüssige Phase und
300 m³ Gasphase
(bei einer Leistung von 300 KW)
• konstante Temperatur
• drei Temperaturbereiche sind möglich• drei Temperaturbereiche sind möglich
• psychrophil ≤ 25 °C
• mesophil 30 – 45 °C
• thermophil > 50 °C
• regelmäßige Durchmischung ist wichtig
Aufbau & Funktionsweise einer Biogasanlage
UnterschiedNass- und Trockenfermentation
• Unterscheidung nach Trockensubstanzgehalt
• Nassfermentation ab einem TS < 15%
• Trockenfermentation ab einem TS > 25%
• Nassfermentation ist weiter verbreitet• Nassfermentation ist weiter verbreitet
• Wo liegen die Vorteile der Nassfermentation?
Aktuelle Situation in Deutschland
Anzahl an Biogasanlagen in den Bundesländern
Hessen
Nordrhein-Westf.
Niedersachsen
Baden-Württemb.
Bayern
1,6
8
19,8
9,3
27
2
1,9
8
14,9
17,2
45,6
Anteil am Biogasanlagenbestand Anteil an der Installierten elektrischen Gesamtleistung
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
B / HB / HH
Saarland
Rheinland-Pfalz
Thüringen
Sachsen-Anhalt
Brandenburg
Sachsen
Meckl.-Vorp.
Schleswig-…
0,3
1
1,5
5,2
5,5
5,6
5,4
5,9
4
0,2
0,7
1,3
1,7
1,9
1,4
1,7
1,6
2
Biogasanlagen in %
Aktuelle Situation in Deutschland
Anstieg der Preise für NawaRos
• Verteuerung der Getreidepreise um 20%
gegenüber dem Vorjahr
• weiterer Preisanstieg ist zu erwarten
Aktuelle Situation in Deutschland
Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG)
Gesetzesnovellierung 1.August 2004
Mindestvergütung
Mindestvergütungssätze in
Cent pro Kilowattstunde ab
Inkrafttreten des Gesetzes
Anlagenleistung bis einschließlich
150 kWel11,50
Anlagenleistung bis einschließlich
500 kWel9,90
Anlagenleistung bis einschließlich 5 8,90
Anlagenleistung bis einschließlich 5
MWel8,90
Anlagenleistung bis einschließlich 20
MWel8,40
Nawaro-Bonus
Stromgewinnung ausschließlich aus
Pflanzen- und
Pflanzenbestandteilen, die keiner
weiteren als zu ihrer Ernte,
Konservierung oder Nutzung in der
Biogasanlage erfolgten Aufbereitung
oder Veränderung unterzogen wurde
und/oder Gülle im Sinne der EG-
Verordnung Nr. 1774/2002a
6 Cent pro Kilowattstunde
zusätzlich für Anlagen mit einer
Leistung bis einschließlich 500
kWel
4 Cent pro Kilowattstunde für
Anlagen mit einer Leistung bis
einschließlich 5 MWel
Aktuelle Situation in Deutschland
Technologie-Bonus
Bei Einsatz neuer Technologien
(thermochemische Vergasung,
Brennstoffzelle, Gasturbine,
Dampfmotor)b
2 Cent pro Kilowattstunde
zusätzlich für Anlagen mit einer
Leistung bis einschließlich 20 Mwel,
ausschließlich für Strom im Sinne
des KWK-Gesetzes
Absenkung der
Mindestvergütung für Anlagen,
die ab diesem Zeitpunkt neu in
Betrieb genommen werden
ab dem 1. Januer 2005
jährlich jeweils um 1,5% des
VorjahreswertesBetrieb genommen werden
Vorjahreswertes
Die im Jahr der Inbetriebnahme
gültigen Vergütungen sind für
die Dauer von 20 Jahren zu
zahlen
Zahlungsverpflichtung für
Vergütung und Zuschläge über 20
Jahre
Beschränkung des
Zündöleinsatzes
Zündstrahlmotoren, die ab dem 1.
Januar 2007 in Betrieb genommen
werden, müssen zur Zünd- und
Stützfeuerung ausschließlich
Biomasse oder
Pflanzenölmethylester verwenden,
ansonsten entfällt
Vergütungspflicht.
Aktuelle Situation in Deutschland
Landwirtschaftliche Biogasanlagen• zwei Betriebsstrategien für landwirtschaftliche
Biogasanlagen
• geringe Faulraumbelastung
• stabiler Fermentationsprozess
• schlechte Ausnutzung des • schlechte Ausnutzung des
Anlagenpotenzials
• hohe Faulraumbelastung
• maximale Ausnutzung der
Anlagenkapazität
• sehr komplexe Anlagenregelung und
–steuerung
Aktuelle Situation in Deutschland
• maximale Anlagenausnutzung +
stabiler Fermentationsprozess
• Simulation diverser Substratkombinationen,
um deren Auswirkungen abzuschätzen
Langfristige Ziele in der Biogastechnologie
um deren Auswirkungen abzuschätzen
• Fütterungsregelung in Abhängigkeit des
Fermentationsprozesses
• Früherkennung von gefährlichen Zuständen
• Verbesserung der Anlageneffektivität
Optimierungspotenzial
• biologische Optimierung des
Fermentationsprozesses
• Erhöhung der Biogasproduktion durch
zusätzliche Bakterienstämme
• Fällung von Hemmstoffen
Zwei Bereiche der Optimierung
• Fällung von Hemmstoffen
• Regelungstechnische Optimierung des
Fermentationsprozesses
• Erprobung neuer Messtechnik zur
Prozessanalyse und –beobachtung
• Entwicklung intelligenter
Regelungsstrategien
Optimierungspotenzial
• pH-Messung
• Redoxpotenzial
• TS-Gehalt der Substrate und im Fermenter
• Ammoniumstickstoff
Messtechnik auf Biogasanlagen
• organische Säuren
Optimierungspotenzial
• Optimierung der Substratzufuhr mit
Genetischen Algorithmen
• Simulation des Fermentationsprozess und
Erstellung von Prognosen
Intelligente Regelungsstrategien
Erstellung von Prognosen
• Früherkennung von Gefahrenzuständen
• Reduzierung der Substrat- und Energiekosten
Aktuelles Projekt PROBIG
• Simulation der Biogasanlage Reenergie in
Reinheim
Optimale Prozessführung von Biogasanlagen
mit einem intelligenten adaptiven Reglersystem
Reinheim
• Optimierung der Substratzufuhr mit
genetischen Algorithmen
• Warum ist Optimierung notwendig?
Kurzinformationen
• entwickelt von der IWA Task Group for
Mathematical Modelling of
Anaerobic Digestion Processes
• erschienen in 2001
Aktuelles Projekt PROBIG
• erschienen in 2001
• dient der Beschreibung anaerober
Abbauprozesse
Beschickung der
Analyse des Biogases
pH-Messung
Aktuelles Projekt PROBIG
Beschickung der
Biogasanlage
CCM
Roggenmaische
Schweinegülle
Fermenter
Biogasgewinnung
Endlagerung
des
Gärrestes
Energiebilanz
Energiegewinn aus Biogas - Beschickungskosten - Heizkosten des Fermenters
Vorteile einer Simulation des Biogasprozesses
• Ertragraten verschiedener Substrate
können simuliert werden.
• Produktion von Hemmstoffen kann von
vornherein abgeschätzt werden.
Aktuelles Projekt PROBIG
vornherein abgeschätzt werden.
• Berücksichtigung unterschiedlichster
Umgebungsfaktoren und interner
Prozessparameter.
• Beurteilung von Hand ist nicht möglich!
Folgende hemmende Prozesse können simuliert werden
Aktuelles Projekt PROBIG
• zu hoher Ammoniumstickstoffgehalt
• erhöhte Bildung von Ammoniak durch
steigenden pH-Wert
• zu hoher TS-Gehalt
• zu hoher Substratdurchsatz in zu kurzer
Zeit
• erhöhte Bildung von organischen Säuren
Parameter für die Bewertung der Lösungen
Aktuelles Projekt PROBIG
• Abbau des Substrates
• Biogasmenge
• Biogasqualität• Biogasqualität
• pH-Wert
• Energieverbrauch
Optimierungsergebnis
Aktuelles Projekt PROBIG
• Reduzierung der Substratmenge
insgesamt um mehr als 20%
• Reduzierung der Energiekosten
• Gleiche Biogasausbeute• Gleiche Biogasausbeute
• Gleiche Biogasqualität
• Weiterhin stabiler Anlagenbetrieb
• Optimierungspotenzial hängt von
der Anlage ab und ist stark
unterschiedlich
Kooperation BAV
• große Biogasanlage auf der ehemaligen
Leppe Deponie
• elektrische Leistung 1,3 MW
Kooperation mit dem Bergischen Abfallwirtschaftsverband
(in Vorbereitung)
• elektrische Leistung 1,3 MW
• Substrate:
• Abfall aus der braunen Tonne
• Grünschnitt
• Simulation und Optimierung der Anlage
und Test neuartiger Messtechnik zur
Online-Prozessüberwachung
Ausblick
• Konsolidierung auf dem Biogasmarkt durch
• steigende Rohstoffpreise
• häufig inaktive Anlagenführung
• Flut von Biogasanlagenbauern auf dem Markt
Entwicklung der Biogasbranche
• Flut von Biogasanlagenbauern auf dem Markt
• Online-Messungen gewinnen stark an Bedeutung.
• Entwicklung und Forschung nach neuen
Regelungs- und Optimierungsstrategien
• weitere Verschärfung der Marktsituation durch
neue Form des EEG.