Salem 2008 Zukunft der Energien „Energie aus Biogas“

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Salem 2008

Zukunft der Energien

„Energie aus Biogas“

Thomas Vössing

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Überblick

• Einleitung

• Mikrobiologische Grundlagen

• Anlagentechnik

• Wirtschaftlichkeit & Potential

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Einleitung

• Biogas, nur eine Option der Energiegewinnung aus Biomasse

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Einleitung

• Einsatzmöglichkeiten für Biogasanlagen:

– Zur Vergärung von:

• Faulschlamm (Kläranlagen)

• Organischen Abfällen („Biomüll“)

• Landwirtschaftlichen Reststoffen

• Energiepflanzen (NawaRo`s)

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Mikrobiologische Grundlagen

• Woraus besteht Biogas?

Tabelle: Inhaltsstoffe von Rohbiogas

Komponente Anteil im Biogas Vol.%

Methan CH

4 40-75

Kohlendioxid CO

2 25-55

Schwefelwasserstoff H

2S 0,005-0,5 Ammoniak NH

3 0-1

Wasserdampf H

2O 0-10

Stickstoff N

2 0-5

Sauerstoff O 0-2

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Mikrobiologische Grundlagen

Was passiert bei der Gärung?

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Mikrobiologische Grundlagen

• 1. Phase: Hydrolyse

– Ausscheidung von Exoenzymen (zB. Cellulase, Amylase) – Spaltung der Polymere in Monomere

• Aminosäuren, Zucker, Fettsäuren

Beispielbakterienstamm Habitat Eigenschaften Ruminococcus albus Pansenflora Cellulose-Abbau,

37°C, anaerob

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Mikrobiologische Grundlagen

• 2. Phase: Versäuerung

– Aufnahme und metabolische Verarbeitung der Momonere durch fermentative Bakterien

– Gärungsprodukte: Propionsäure, Buttersäure, Alkohole, CO

²

, H

²

ect.

Beispielbakterienstamm Habitat Eigenschaften Schwartzia succicnivorans Rinderpansen Succinat-Abbau,

35°C, anaerob

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Mikrobiologische Grundlagen

• 3. Phase: Essigsäurebildung

– Aufnahme von acetogenen Bakterien – Gärprodukte: Essigsäure, CO

²

, H

²

– Syntrophobacter spec.:

CH

³

CH

²

CH

²

COOH + 2 H

²

O 2 CH

³

COOH + 4 H

²

Beispielbakterienstamm Habitat Eigenschaften Syntrophobacter spec. Rinderpansen 37°C, anaerob

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Mikrobiologische Grundlagen

• 4. Phase: Methanbildung

– Reaktionen methanogener Archaea

• 4 H

²

+ CO

²

CH

⁴

+ 2 H

²

O

• CH

³

COOH CH

⁴

+ CO

²

Methanogene Archaea Habitat Eigenschaften Methanobacterium Sumpfgebiet, Reisfelder,

Seesediment 37°C, strikt anaerob

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Mikrobiologische Grundlagen

• Wichtige Einflussgrößen der Gärung

– Substratzusammensetzung

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Mikrobiologische Grundlagen

• Wichtige Einflussgrößen der Gärung

– Temperatur

• Optimum für Hydrolyse/Versäuerung: 25-35°C

•

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Mikrobiologische Grundlagen

• Wichtige Einflussgrößen der Gärung

– pH- Wertoptimum: 6,7 - 7,5 – Sonstige Hemmstoffe

• Ammonium-/Ammoniakkonzentration

• Spurenelemente (O

²

, H

²

S, Antibiotika, Nährstoffe ect.)

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Anlagentechnik

• Nassfermentation

– Niedriger TS-Anteil des Substrates

– Hoher Gülle-/Wasseranteil

• Trockenfermentation

– Hoher TS-Anteil des Substrates

– Hoher Anteil an Kosubstraten

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Anlagentechnik

• Schema einer typischen Nassfermentationsanlage

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Anlagentechnik

• Verfahrensgestaltung der Gärung (Nassfermentation)

– Einstufenprozeß

– Zweistufenprozeß

Hydrolyse/Versäuerung Biogasreaktor

Biogas

Biogasreaktor

Biogas

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Anlagentechnik

• Was geschieht mit dem Biogas?

• Blockheizkraftwerk (BHKW)

– Verbrennungsmotor, der Generator antreibt

• Mit Kraft-Wärme-Kopplung erreichbarer Wirkungsgrad bis zu 85%

CH

⁴

+ 2 O

²

CO

²

+ 2 H

²

O

• Alternativ:

– Brennstoffzelle

• Ermöglicht direkte Umwandlung von Biomethan zu Strom

–

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Anlagentechnik

• Trockenfermentation

– kontinuierlich: Propfenströmer

– diskontinuierlich: Garagenverfahren

(Perkulationsverfahren)

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Anlagentechnik

• Strikte Unterteilung aus

biologischer Sicht nicht möglich

• Weiter verbreitertes Verfahren

• Breites Substratspektrum (Verwertung von Gülle)

Trockenfermentation

• Verwertung von biologischen Abfällen und NawaRo`s

• Technologiebonus von 2 ct./kWh

• Garagenverfahren

– Geringe Investitionskosten – Geringe Gasausbeute

• Propfenströmer

– Hohe Effizienz und Prozessstabilität – Hohe Investitionskostenosten

Nassfermentation

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Anlagentechnik

• Gasaufbereitung und Einspeisung in das Erdgasnetz zur dezentralen Nutzung

• Verfahren zur Rohgasaufbereitung:

– Gaswäsche

– H

²

O-Verflüssigung

– Oxidation an Aktivkohle

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Wirtschaftlichkeit & Potential

• Kosten einer Biogasanlage

– Investitionskosten

• Bsp 1: 70 kW-Anlage: ca. 200.000 €

• Bsp 2: 550 kW-Anlage: ca. 1,2 Mio. €

• Bsp 3: 2 MW-Anlage: ca. 4,3 Mio. € (zB. für Bauernverbunde)

– Laufende Ausgaben

– Verbrauchsgebundene Kosten

• Substrat

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Wirtschaftlichkeit & Potential

• Einnahmen: Standort Deutschland

– Erneuerbare Energien Gesetz (EEG) und die Novellierung vom August 2004

– Vergütungspreise für Biogansanlagen in Ct./kWh:

Bis 150 kW Bis 500 kW Bis 5 MW Über 5 MW

Grundvergütung 11,5 9,9 8,9 8,4

NawaRo-Bonus 6,0 6,0 4,0 -

Innovations-Bonus 2,0 2,0 2,0 2,0

KWK 2,0 2,0 2,0 -

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Wirtschaftlichkeit & Potential

• Entwicklung der Biogasanlagenzahlen

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Wirtschaftlichkeit & Potential

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Wirtschaftlichkeit & Potential

• Probleme bei der Nutzung von NawaRo`s

– „Fuel against Food“

– Energiepflanzen verändern das Landschaftsbild – Sehr intensive Bodennutzung

– Hoch subventioniert: Jeder Hektar Energiemais wird

derzeit mit 2.000 Euro subventioniert (nach EEG)

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Wirtschaftlichkeit & Potential

• Deutschland ist „Biogas-Weltmeister“

– Niederlande etwa 30 Anlagen – USA etwa 130 Anlagen

• Beispiel chinesischer Bauern

(http://de.youtube.com/watch?

v=SLvBovektGw)

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Wirtschaftlichkeit & Potential

• Fazit

– Kann einen signifikanten Anteil im regenerativen Energiemix ausmachen

– Vielfältig anwendbar, Chancen gerade in abgelegenen Regionen und für Bauernverbünde

– In Deutschland: stark subventionierte Technologie

– Problematik der Nutzung von Energiepflanzen

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Salem 2008

Zukunft der Energien

„Energie aus Biogas“

Vielen Dank für Ihre/Eure

Aufmerksamkeit!

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