presentation in German about anaerobic fermentation of waste material

1. Energy
Biogas –
anaerobe Fermentation von Klär-
schlamm und kommunalen Abfällen
Dipl.-Bw. Dirk Volkmann
Minsk, 16. September 2009
www.german-renewable-energy.com

2. Inhalt
1. Biogas
2. Biogas aus Klärschlamm
• dena-Referenzprojekt
• Projekt des IKTS
3. Biogas aus Industrieschlamm
• EU-Life Projekt
4. Biogas aus organischen Abfällen
5. Fazit

3. 1. Funktionsweise einer Biogasanlage
Quelle: http://www.energy-technology.it/de/biogas.htm

4. 2. Biogas aus Klärschlamm
• in Deutschland fallen jährlich ca. 2 Millionen to Klär-
schlamm (TS) aus ca. 10.000 Kläranlagen an
• nur ca. 1/3 des Klärschlamms wird auf landwirtschaft-
lichen Flächen ausgebracht
• Industrieklärschlämme enthalten Reststoffe wie
Schwermetalle und werden normalerweise verbrannt;
Verbrennung in Monoverbrennungsanlagen ist teuer
• Industrieabwässer sind mit teilweise hohen Konzen-
trationen von Chemikalien belastet und müssen vorbe-
handelt werden, damit die Abwässer biologisch
abgebaut werden können

5. dena-Referenzprojekt (Leiber GmbH, Bramsche)
- 2. Preis Energy Efficiency Award 2008 -
• früher: Abwasserreinigung durch Abbau der
Schmutzstoffe durch aerobe Bakterien; große Schlamm-
mengen, die chemisch entwässert und entsorgt wurden
• heute: anaerobe Abwasserreinigungsanlage mit
verdoppelter Kapazität und mit verringertem
Chemikalien- und Stromeinsatz und Abfallaufkommen
• das erzeugte Biogas wird in einem BHKW zu Strom
und Wärme umgewandelt; der Strom wird ins Netz
eingespeist, die Wärme wird im Betrieb genutzt

6. dena-Referenzprojekt
Energieerzeugung BHKW mit Biogasbetrieb (Nennleistung: 190 kWel und
240 kWth)
Strom 1.115.000 kWh/Jahr
Wärme 641.000 kWh/Jahr
Einnahmen: Stromeinspeisung (nach EEG) 147.000 €/Jahr
Wärmelieferung an Dritte und innerbetriebliche Nutzung 22.000 €/Jahr
Stromkosteneinsparung durch Energieeffizienzmaßnahmen 26.000 €/Jahr
weitere Betriebskosteneinsparungen (geringerer Chemikalieneinsatz und
reduzierte Abfallmenge) 81.000 €/Jahr
CO2-Reduzierung 1.109 to/Jahr
Investitionen 850.000 €
Kapitalrendite > 30 %

7. Projekt des IKTS
(Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Sinterwerkstoffe, Dresden
• noch vor der Faulung wird ein Teil des Schlamms mit
Ultraschall behandelt (Erzeugung von implodierenden Bläschen)
und mechanisch zerkleinert
• durch Kavitation aus Mikroorganismen freigesetzte und
aktivierte Enzyme beschleunigen und verbessern den
Abbau organischer Stoffe
• dadurch wird die Gasausbeute um bis zu 45% erhöht
• weniger Verbrauch von Energie und Zusatzstoffen zur
Entwässerung, die Faulzeiten verkürzen sich

8. 3. kombinierte Behandlungsverfahren für
Industrieklärschlamm (EU-Life Projekt)
1. Entfernung der wasserlöslichen Stoffe mit Wasser, Auswaschen des
Sulfats (zur Vermeidung der Bildung von Schwefelwasserstoff)
2. Zerstörung der Schlammflocken mit Natronlauge (T = > 90° C)
3. Spaltung der organischen Bestandteile (Proteine, Fette, Kohlen-
hydrate) und größtenteils Umwandlung in wasserlösliche Stoffe
> Aufschluss des Schlamms
4. Neutralisation der eingesetzten Lauge für die anaerobe Behandlung
5. Versäuerung der Schlämme bei 35° C durch spezielle
Mikroorganismen, es entstehen erst längerkettige, dann kurzkettige
Carbinsäuren
6. Überführung der Carbonsäuren in Biogas (60% Methan, 40% CO2)

9. Biogas aus Klärschlamm: Verfahrenskonzept
Wasser Lauge Biogas
Überschuß Alkalische Anaerobe Rest-
schlamm Waschstufe schlamm
Hydrolyse Behandlung
Wasserlösliche Bestandteile

10. Biogas aus Klärschlamm: Mikroskopie
Klärschlamm
unbehandelt
Klärschlamm
nach Hydrolyse
Quelle: Currenta, Leverkusen
Schlamm aus
Anaerob-Reaktor

11. Biogas aus Klärschlamm
• die Schlammflocken haben sich nach der Hydrolyse
weitestgehend aufgelöst
• der verbleibende Rest wird in der anschließenden
Vergärung teilweise in Gas überführt
• der Restschlamm wird entwässert und verbrannt
• die sulfathaltigen Waschlösungen und die Abwässer aus
der anaeroben Behandlung werden in der Kläranlage
gereinigt

12. Verbleib der Schlamminhaltsstoffe bezogen
auf die Trockensubstanz
eingesetzter gewaschener Stoffbilanz nach Hydrolyse
Schlamm Schlamm und anaerober Behandlung
13%
Biogas
30% Feststoff zur
Verbrennung
100% 2% 98%
55%
gelöste Stoffe
zur Kläranlage gelöste Stoffe
zur Kläranlage

13. 4. Biogas aus organischen Abfällen
• seit ca. 25 Jahren werden in Deutschland biogene
Abfälle getrennt gesammelt
• heute: ca. 13 Mio. to Bio- und Grünabfälle
• deutsche Haushalte werfen 4 Mio. to Organisches in
separate Tonnen
• 1 Mio. to Bio- und Grünabfälle in Siedlungs-
und Gewerbeabfall (die nicht vergoren sondern in MBA aufbereitet oder
dem Klärschlamm zugefügt werden)
• 3 – 4 Mio. to energiereiche Speisereste, Schlachtab-
fälle und Reste aus der Lebensmittelerzeugung
source: DW-1.com

14. organische Abfälle
oTS / % TS Biogasaus- CH4-Gehalt
beute l/kg oTS %
Biomüll 50 - 70 150 - 600 58 - 65
Küchenabfälle 80 - 98 200 - 500 45 - 61
Kommunale Reststoffe
Parkrasen-Schnitt 82 - 92 550 - 680 55 - 62
Marktabfälle 50 - 80 450 62
Reststoffe aus Schlachtung Panseninhalt 80 - 90 200 - 400 58 - 62
Quelle: Eder, Schulz: Biogaspraxis
Reststoffe aus Agroindustrie Fettabscheiderückst. 75 - 93 700 60 - 72
Bierherstellung Biertreber 80 580 - 750 60
Obstverarbeitung Apfeltrester 85 - 90 660 - 680 65 - 70
Kartoffelverarbeitung Kartoffelpülpe 90 650 - 750 52 - 65
Alkoholgewinnung Getreideschlempe 83 - 88 430 - 700 58 - 65
Zuckergewinnung Melasse 85 - 90 360 - 490 70 - 75

15. organische Reststoffe
• eignen sich grundsätzlich zur Vergärung und
Kofermentation in Verbindung mit tierischen
Exkrementen
• bei fermentierbaren Monosubstraten (z.B. Glykol aus
der Industrie ist Gülle als ‚Basissubstrat‘ für eine stabile
Fermentation empfehlenswert
• wesentliche Voraussetzung bei der Vergärung von
Monosubstraten ist eine ausreichende Versorgung der
Mikroorganismen mit Nährstoffen und Spurenelementen

16. phys.-chem. Mindestanforderungen für die
Methanogenese
Milieufaktoren
pH-Wert 6,5 – 8,0
Salzgehalt (Leitfähigkeit) 2,5 bis 25 mS/cm
Temperatur 8 bis 55°C
Elemente Konzentration
Sauerstoff < 1 ppm
Wasserstoff 6 Pa
Gesamtkohlenstoff 0,2 bis 50 g/l CSB
Quelle: Eder, Schulz: Biogaspraxis
Natrium / Kalium / Magnesium 45 - 200 ppm / 75 - 250 ppm / 10 - 40 ppm
Schwefel / Eisen / Nickel 50 – 100 ppm / 10 – 200 ppm / 0,5 – 30 ppm
Kobalt / Molybdän, Wolfram, Selen / Zink 0,5 – 20 ppm / 0,1 – 0,35 ppm / 0 – 3 ppm
Chemische Verbindungen: Phosphat 50 – 150 ppm
Mengenverhältnis C:N:P:S 2.000 : 15 : 5 : 3 (Gesamtprozess)

17. Eignung von biogenen Abfällen
• nicht alle sind geeignet: organische Masse aus Hausab-
fällen, die nicht getrennt gesammelt wird, eignet sich nicht,
da durch hohe Schadstoffeinträge keine Rückkehr in den
Stoffkreislauf möglich (Gärrest !)
• geeignet sind: Abfälle aus Schlachthöfen, Molkereien,
Brauereien, Speisereste aus Großkantinen, Hotels,
Krankenhäuser und abgelaufene Artikel aus dem
Lebensmittelhandel
• größte Chancen: Grünschnitt und Gartenabfälle – gehen
heute energetisch ungenutzt zu 85 % in die Kompostierung
(Kapazität in D: 12 Mio. to)

18. Vorbehandlung von organische Reststoffen
Verfahrenstechniken zur Vorbehandlung
Störstoffabtrennung Siebe, Windsichter, Zyklon,
Magnetabscheider, Pressen, Manuelle
Auslese
Substrataufbereitung mechanisch (Mixer, Macerator),
Quelle: Eder, Schulz: Biogaspraxis
chemisch (Zugabe von Säuren,
Laugen), biologisch (Zugabe von
Enzymen, thermisch (Hygenisierung)
Kombinationsverfahren gemeinsame Sink- und
Schwimmstoffabtrennung und
mechanische Aufbereitung

19. 5. Fazit
• die Biogasausbeute – somit die Produktion von Strom und
Wärme - bestimmt maßgeblich das wirtschaftliche Ergebnis
einer Anlage
• Die maximale Biogasausbeute ist nicht garantiert und wird
durch eine Vielzahl von Größen (mit-)bestimmt, die vom
Anlagenbetreiber z. T. beeinflusst werden (können)
• Ziel muss es sein, die Biogasausbeute durch eine optimierte
Biologie und eine daran angepasste Anlagentechnik zu
maximieren

20. 5. Fazit
• Biogas hat im Vergleich zu anderen Erneuerbaren Energien
auch ein großes Potenzial: Die Gasspeicherung ist relativ
günstig und erlaubt eine flexible Stromproduktion, wann
immer diese benötigt wird – daher auch für die Spitzenlast-
produktion geeignet, unabhängig von externen Faktoren
wie Sonneneinstrahlung oder Wind

21. Systemvergleich mit anderen EE
Elektroenergie aus Wind
Elektroenergie aus Photovoltaik
Elektroenergie aus
Wasserkraft
Elektroenergie aus Biogas
Zeitverlauf in Tagen über 1 Jahr Zeitverlauf in Std. über 1 Tag

22. Energy
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