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Fachartikel Forschungsergebnisse

CO₂-Abtrennung aus Biogas mit keramischen Membranen
© Institut für Abfall- und Kreislaufwirtschaft - TU Dresden (9/2015)
Biogas enthält nach der Erzeugung bis zu 55 % CO₂. Um Biogas als Kraftstoff zu nutzen oder in das Erdgasnetz einspeisen zu können, muss es zuvor gereinigt werden. Technisch genutzt werden vor allem Adsorptions- und Waschverfahren.

Materialentwicklung und verfahrenstechnische Erprobung eines neuartigen energie- und rohstoffeffizienten Entschwefelungssystems für Biogas auf Basis metallischer Schäume
© Institut für Abfall- und Kreislaufwirtschaft - TU Dresden (9/2015)
Im Rahmen des Projektes konnte die prinzipielle Machbarkeit der einzelnen Verfahrensschritte (der Entschwefelung, der In-Situ Adsorberreaktivierung sowie der thermischen Ex-Situ Adsorberregeneration inkl. Schwefelgewinnung) nachgewiesen werden.

Nährstoffrückgewinnung aus Gärresten im Rahmen des GoBi-Vorhabens
© Institut für Abfall- und Kreislaufwirtschaft - TU Dresden (9/2015)
Die Anzahl der Biogasanlagen in Deutschland stieg zwischen 2000 und 2013 von 1050 auf 7850 an (Statista 2015). Damit einher geht eine immer größer werdende Menge an entstehenden Gärresten, welche verwertbare Anteile an Phosphor und Stickstoff enthalten. Die bisherige Verwertung dieser nährstoffreichen Gärreste erfolgt durch Ausbringung auf landwirtschaftliche Nutzflächen als Wirtschaftsdünger.

Optimierter Gärresteinsatz in Energiepflanzenfruchtfolgen - Ergebnisse aus dem Verbundvorhaben EVA
© Agrar- und Umweltwissenschaftliche Fakultät Universität Rostock (6/2015)
Im Rahmen des vom BMEL über die FNR geförderten Verbundvorhabens EVA wird der Einsatz von Biogasgärresten in zwei Versuchen untersucht. Diese Versuche werden bundesweit an sechs Standorten in Niedersachsen, Mecklenburg-Vorpommern, Sachsen (nur Kleiner Gärrest), Thüringen, Baden- Württemberg und Bayern durchgeführt. Im Kleinen Gärrest werden drei Varianten (mineralische Düngung, reine Gärrestdüngung und gemischte 50/50-Düngung) verglichen. Die Varianten werden über eine insgesamt vierjährige Energiepflanzen- Fruchtfolge (Mais - Winterroggen - Sorghum - Wintertriticale - einjähriges Weidelgras) ausgewertet. Im Abschlussjahr wird Winterweizen als Marktfrucht angebaut. Im Großen Gärrest ist die Bestimmung des optimalen Düngezeitpunktes einer Hauptfrucht (Mais, Sorghum und Triticale) das Ziel. Neben der Ertragsauswertung wird die angestrebte Risikominimierung von Nitratauswaschung über den Winter anhand einer Winterzwischenfrucht untersucht. Die Versuche zeigten, dass alle angebauten Pflanzen Gärreste gut verwerten können. Auch die gemischte Düngung wurde gut verwertet und wies Einsparpotenziale in der Energiebilanz aus. Das angesetzte Mineraldüngeräquivalent von 70 % des Gesamtstickstoffs ohne Anrechnung von Verlusten erwies sich für die Düngung einer Fruchtfolge als gut geeignet. Allerdings zeigte sich die Gärrestdüngung stärker witterungsabhängig als mineralische Düngung, bei widrigen Witterungsbedingungen besteht eine größere Wahrscheinlichkeit von Emissionen und Auswaschungen.

Klimaschutz und Energiepflanzenanbau - Potenziale zur Treibhausgasemissionsminderung durch Fruchtfolge- und Anbauplanung
© Agrar- und Umweltwissenschaftliche Fakultät Universität Rostock (6/2015)
Das EVA-Projekt vergleicht bundesweit Energiepflanzenfruchtfolgen und Bewirtschaftungsregime auf standortbezogene Produktivität. Neben pflanzenbaulicher Anbaueignung werden ökonomische und ökologische Leistungen und Folgen analysiert und bewertet. Als Teil der Nachhaltigkeitsbewertung der geprüften Anbauoptionen werden Ökobilanzen aufgestellt. Das im Projekt entwickelte Modell MiLA verwendet empirische Versuchsdaten und Standortparameter zur Erstellung der Sachbilanzen. An ausgewählten Standorten werden vergleichend verschiedene Anbauregime, sowie Düngungsregime geprüft.

Das TCR®-Verfahren - Chancen und Möglichkeiten der Effizienzsteigerung von Biogasanlagen
© Agrar- und Umweltwissenschaftliche Fakultät Universität Rostock (6/2015)
Durch die geplante Novellierung der Düngeverordnung (DüV) soll die Ausbringungsobergrenze für Stickstoff auch auf Gärreste pflanzlicher Herkunft ausgeweitet werden. Dies führt zu einer Verknappung der Flächen für die Ausbringung von Wirtschaftsdüngern und Gärresten vor allem in Gebieten mit einer hohen Dichte an Biogasanlagen und Viehzuchtbetrieben. Dies kann wiederum zu einer Erhöhung der Kosten für die Ausbringung der Gärreste in Nährstoffüberschussgebieten führen.

Betriebsstrategien für Biogasanlagen - Zielkonflikt zwischen netzdienlichem und wirtschaftlich orientiertem Betrieb
© Agrar- und Umweltwissenschaftliche Fakultät Universität Rostock (6/2015)
In einem intelligenten Energiesystem müssen 'Smart Grid' und 'Smart Market' Hand in Hand gehen (Aichele et. al, 2014). Änderungen am rechtlichen Rahmen, insbesondere im Erneuerbaren-Energien-Gesetz (EEG) haben zum Ziel, die Anforderungen zur Erhöhung der Erzeugung erneuerbarer Energien (EE) sowie zur Markt- und Systemintegration von EE in Einklang zu bringen (siehe hierzu Schwarz, 2014). Dies entscheidet, ob der Betrieb einer modernen EE-Anlage sowohl die Maximierung eigener Gewinne (Smart Market) als auch die Entlastung der übergeordneten Netze (Smart Grid) zum Ziel haben kann oder auf nur einen Aspekte ausgerichtet ist.

Analytische Untersuchung der thermischen Optimierung von Biogasanlagen
© Agrar- und Umweltwissenschaftliche Fakultät Universität Rostock (6/2015)
Eine Wirtschaftlichkeit von Biogasanlagen ist mit den neuen gesetzlichen Rahmenbedingungen schwieriger darstellbar als mit den Bonussystemen der vorangegangen Novellierungen des EEG. Um diese zu steigern ergeben sich mehrere Varianten, die oftmals mit weiteren Investitionen verbunden sind. Direkte technische Verbesserungen, aus denen schnelle ökonomische Erfolge resultieren, bedürfen daher einer genaueren Analyse der Randbedingungen. Im Rahmen dieses Beitrages wird der Wärmebereich landwirtschaftlicher Biogasanlagen untersucht, insbesondere die Optimierung des Eigenwärmebedarfs, die in der Vergangenheit kaum berücksichtigt wurde und somit einiges an Potential erwarten lässt. Als Datengrundlage dienen 10-jährige Dokumentationen von Eigenwärmeverbräuchen, Fütterungsprotokolle sowie Temperaturmessungen verschiedener Wärmebilanzparameter wie Substrat, Biogas, Umgebung etc. Nach Auswertung der Messungen und erster Bilanzierungen wurde festgestellt, dass die Aufrechterhaltung der Fermentertemperatur die meiste Wärmeenergie verbraucht und gleichzeitig auch das größte Optimierungspotenzial aufweist. Erste Optimierungsmöglichkeiten im Substratbereich wurden identifiziert, wie passive und aktive Dämmung der Substrat-Einbringsysteme und Wärmerückgewinnung aus dem Nachgärablauf. Dabei wurden Einsparpotenziale von mehreren hundert Megawattstunden im Jahr kalkuliert, je nach Menge und Temperaturanhebung der eingesetzten Substrate.

Prozessbegleitende Simulation zur Betriebsüberwachung von Biogasanlagen
© Agrar- und Umweltwissenschaftliche Fakultät Universität Rostock (6/2015)
Biogasanlagen sind verfahrenstechnische Anlagen, die auf komplexen biochemischen Prozessen basieren. Für landwirtschaftliche Biogasanlagen ist festzustellen, dass oft die notwendige Messtechnik fehlt, um den aktuellen Prozesszustand so beurteilen zu können, dass daraus das kurz- und mittelfristige Anlagenverhalten abgeleitet werden kann. Durch die Implementierung von mathematischen Modellen, wie z.B. das ADM1 und dessen Weiterentwicklungen, in Simulationssoftware ist es möglich, Biogasanlagen verfahrens- und regelungstechnisch als Prozessmodelle abzubilden.

Technisch-ökonomisch-ökologische Analyse der hydrothermalen Carbonisierung (HTC) von Grünschnitt und sich anschließender Nutzungsoptionen
© Agrar- und Umweltwissenschaftliche Fakultät Universität Rostock (6/2015)
Die ökonomische Analyse der Konversion von biogenen Restsoffen zu hochwertigen Energieträgern zeigt, dass die daraus erzielte Erweiterung des Nutzungsspektrums auch mit einer deutlichen Steigerung der Brennstoffkosten einhergeht - besonders bei Aufbereitungsverfahren mit hohem Neuigkeitscharakter und entsprechend hohem Investitionsbedarf und geringerer Verfügbarkeit. Zudem erhöht eine Kompaktierung der HTC-Kohle für einen besseren Transport die Brennstoffkosten signifikant, weshalb eine Nutzung vor Ort mit wesentlichem Kostensenkungspotenzial verbunden ist.