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Wie bei modernen Biogasanlagen die Gasausbeute optimiert werden kann

Reduzierte Rühr- und Pumpzeiten, minimale Wärmeverluste: Vorgeschaltete Hydrolyse sorgt für eine restlose Verarbeitung der Substrate

Quelle: Lipp GmbH

Die Biogasanlage in Tannhausen ist so konzipiert, dass die eingesetzten Substrate maximal energetisch genutzt werden. Sie erreicht einen Gesamtwirkungsgrad, zusammengesetzt aus der entstehenden Wärme und elektrischen Energie, von 70 bis 80 Prozent und gehört damit zu den effizientesten Anlagen Deutschlands.

6.000 Biogasanlagen gibt es inzwischen in Deutschland, schätzungsweise 4,3 Millionen Haushalte können heute jährlich mit etwa 15 Milliarden kWh Strom versorgt werden. Allein im vergangenen Jahr kamen 1.000 neue Anlagen hinzu. Ihre Basis bilden nachwachsende Rohstoffe, meist von benachbarten Äckern, sowie Gülle aus der Tierhaltung. Probleme macht den Energiewirten allerdings noch die möglichst effiziente Nutzung der eingespeisten Rohstoffe zur Gasgewinnung. Die so unterschiedlichen Materialien, deren Zusammensetzung stark schwanken kann, lassen sich im Fermenter oft nicht hundertprozentig abbauen, besonders bei faserigen Stoffen wie Gras ist die Verweilzeit sehr hoch. Im baden-württembergischen Tannhausen wurde kürzlich eine Anlage auf dem neuesten Stand der Technik errichtet: Dank eines so genannten KomBio-Reaktors mit vorgeschalteter Hydrolyse werden hier die eingesetzten Substrate so genutzt, dass sie ein Maximum an Energie erzeugen.

800 kg Getreide, 2.000 kg Gras und 14.000 kg Mais werden täglich in den KomBio-Reaktor eingebracht. Hinzu kommen 10 m3 Gülle. 1.800 m3 fasst der Fermenter insgesamt. „Unser Ziel bestand darin, eine besonders wirtschaftliche Anlage zu konstruieren – also ein optimales Verhältnis zwischen eingesetzten Mitteln, Eigenenergieverbrauch und Ertrag zu erreichen“, so Manfred Thalmann, Anlagenplaner bei dem Behälterproduzenten und Generalunternehmer, der Lipp GmbH. 370 kWel kann mit der Anlage produziert werden, was einem Gesamtwirkungsgrad, zusammengesetzt aus der entstehenden Wärme und elektrischen Energie, von 70 bis 80 Prozent entspricht. Zum Vergleich: Der Wirkungsgrad eines Atomreaktors und sogar von Wind- und Solaranlagen beträgt 30 bis 40 Prozent.

Quelle: Birgit Pfeifer

Um trotz des inhomogenen Materials die Vergärung zu beschleunigen und eine möglichst verlustfreie Gasausbeute zu erzielen, wurde zusätzlich zum eigentlichen Fermenter ein im Boden versenkter Hydrolysebehälter installiert.

Während der Hydrolyse werden die Substrate bereits aufgeschlossen

Grundlage für den hohen Wirkungsgrad ist eine weitgehend verlustfreie Gasausbeute. Um diese trotz der inhomogenen Mischung der teilweise schwierig zu verarbeitenden Materialien zu erreichen, wurde zusätzlich zum eigentlichen Fermenter ein im Boden versenkter Hydrolysebehälter installiert. „Der Vergärungsprozess verläuft dadurch in zwei räumlich getrennten Stufen“, erklärt Birgit Pfeifer das Prinzip. Die studierte Bioverfahrenstechnikerin war während ihrer Recherchen zum aktuellen Stand der Hydrolysetechnologie auf die Anlage aufmerksam geworden und stellte sie im Juni dieses Jahres erstmals auf der IBBK-Veranstaltung „Repowering von Biogasanlagen“ in Trier vor.

„Während des Säuerungsprozesses arbeiten die Bakterien bei einem schwach sauren pH-Wert von 5,2 bis 6,3 und hier bei Temperaturen von 35 Grad“, erläutert Pfeifer. Dank dieser für die Hydrolyse optimalen Prozessbedingungen werden die Substrate in viel kürzerer Zeit aufgeschlossen: Langkettige Kohlenhydrate, Fette und Eiweiße werden in Mehrfachzucker, Fettsäuren und Oligopeptiden zersetzt. Im Intervall von 40 Minuten bewegen zwei Rührwerke jeweils etwa acht Minuten lang die Masse. „Das Material verflüssigt sich somit besonders schnell“, so Pfeifer. Mittels der Rezirkulation aus dem Nachgärer stellt sich laut dem Betreiber in der Hydrolysestufe ein Trockensubstanzgehalt zwischen 10 und 15 Prozent ein. Dadurch durchmischt sich das inhomogene Medium besser, die Schwimmschichtneigung reduziert sich. Vor allem werden die Rühr- und Umpumpzeiten im Fermenter selbst um ein Vielfaches minimiert. Anton Abele will in Zukunft den Trockensubstanzgehalt noch weiter erhöhen, um den Stromverbrauch der Anlage zu verringern. Um zu vermeiden, dass Gas entweichen kann, ist der Hydrolysebehälter gasdicht verschlossen.

Quelle: Lipp GmbH

Das durch die Hydrolyse verflüssigte Substrat wird nach der Vorvergärung mittels einer Exzenterschneckenpumpe in den Fermenter transportiert.

Nach der Vorvergärung wird das Substrat mittels einer Exzenterschneckenpumpe in den Fermenter transportiert. Dort herrschen eine Temperatur von etwa 40° C und ein neutraler bis leicht basischer pH-Wert – optimale Bedingungen für Bakterien, die Essigsäure und Methan bilden. Das bereits im Hydrolysebehälter entstandene Gas, eine Mischung aus CO2 und H2, wird zusätzlich mittels Injektordüsen im Umpumpsystem in den Fermenter geleitet. Somit kann auch Hydrolysegas, das normalerweise verloren geht, restlos verwertet werden. „Durch die effiziente Nutzung und die schnelle Verarbeitung befindet sich in der übrigen Gärmasse letztendlich kaum noch Restgaspotential“, erklärt Thalmann. 

Die glatte Oberfläche des Behälters verkürzt die Rührzeit zusätzlich

Neben der Entscheidung zur Hydrolyse war es dem Betreiber auch wichtig, dass die Behälter aus Edelstahl bestehen. Das garantiere eine weit höhere Lebensdauer als Beton. „Aufgrund seiner rauen Oberfläche kann Beton bereits nach einem Jahr stark angegriffen sein“, weiß der gelernte Metallbauer und Landmaschinenmechanikermeister Abele aus Erfahrung. Bei den von Lipp gefertigten Behältern hingegen erwartet er eine Haltbarkeit von mindestens 20 Jahren. Weil der verwendete Verinox-Edelstahl eine besonders glatte Oberfläche hat, arbeiten die Rührwerke zudem viel leichter, da das Material nicht an den Wänden haften bleibt. Das verkürzt die Mischzeit zusätzlich und spart Energie ein. Da Stahl ein guter Wärmeüberträger ist, konnte Abele die Heizung an der Außenseite anbringen. Die Wärmeverteilung im Behälter ist dadurch besonders gleichmäßig. Trotz seiner Größe benötigt der Fermenter nur 0,8 Prozent des Gesamtenergieverbrauchs der Anlage. Das entstandene Gas wird im integrierten Speicher gesammelt, der als druckloser Pufferraum dient und aus flexiblem und beschichtetem Polyester-Gewebe besteht.

Quelle: Lipp GmbH

Überschüssiges Material aus dem Fermenter wird in den nebenstehenden Nachgärer transportiert. Durch den Ausgleichsbehälter sichert der Betreiber die gesetzlich vorgegebene Mindestverweilzeit von 150 Tagen im Jahr.

Der nebenstehende Nachgärer ist mit einem Edelstahl-Membrandach luftdicht verschlossen. „Dadurch entwickeln sich kaum Gerüche – was vor allem wegen der Nähe zum Ort sehr wichtig ist“, sagt Abele. Wenn sich zu viel Material im Fermenter befindet, wird es über Rohre automatisch in den Nachgärer transportiert. Durch den Ausgleichsbehälter sichert der Betreiber die gesetzlich vorgegebene Mindestverweilzeit von 180 Tagen im Jahr. Das im Silo entstandene Gas, das einen Anteil von etwa 6 Prozent an der Gesamtmenge ausmacht, wird über Pendelleitungen zurück in den Fermenter gebracht.

Vorfertigung erlaubt Montage der Behälter in wenigen Tagen

Nach abgeschlossener Methangärung wird das Gas zu einem Blockheizkraftwerk geleitet, das sich auf dem Gelände der Anlage befindet und von dem aus der produzierte Strom in das öffentliche Netz eingespeist wird. Momentan lässt Abele ein zweites Satelliten-BHKW im 1.000 Meter entfernten Tannhausener Industriegebiet bauen, das die dort angesiedelten Unternehmen dann mit Strom versorgt. Auf 560 kW wird mit dem zweiten BHKW die installierte elektrische Leistung der Anlage steigen, 200.000 Liter Heizöl könnten so künftig eingespart werden.

Quelle: Lipp GmbH

Durch die glatte Oberfläche des Verinox-Edelstahls, aus dem die Behälter gefertigt sind, arbeiten die Rührwerke viel leichter. Das verkürzt die Mischzeit zusätzlich und spart Energie ein. Da Stahl ein guter Wärmeüberträger ist, konnte die Heizung an der Außenseite angebracht werden, was für eine gleichmäßige Wärmeverteilung im Behälter sorgt.

Produziert wurden der Fermenter sowie der Nachgärer im Firmenwerk von Lipp. Hier werden die Stahlbänder gefertigt, dann aufgewickelt und zum Bauplatz transportiert. In einem weitgehend automatisierten Verfahren lassen sich aus den Coils in wenigen Tagen die Behälter montieren. Die glatte und kantenlose Oberfläche entsteht mithilfe eines speziellen und patentieren Falzverfahrens, Schweißarbeiten können auf diese Weise umgangen werden. „Durch die spezielle Fertigungsweise konnte ich die Größe des Behälters genau auf die Platzverhältnisse angepasst auswählen“, berichtet Abele.

Quelle: Lipp GmbH

Anton Abele, der Betreiber der Anlage, lässt momentan ein zweites BHKW im 1.000 Meter entfernten Industriegebiet bauen, das die dort angesiedelten Unternehmen dann mit Strom versorgt. Die installierte Leistung der Anlage wird somit auf 560 kW steigen.

Hintergrund

Die 1958 von Xaver Lipp gegründete Lipp GmbH hat sich auf den Behälter- und Anlagenbau und die Blechbearbeitung spezialisiert. Die Systeme sind weltweit in den Bereichen Industrie, Landwirtschaft und kommunale Entsorgung in der Anwendung. Produziert werden sowohl Einzelkomponenten als auch Gesamtanlagen, die jeweils auf die individuellen Anforderungen des Kunden abgestimmt sind. Eingesetzt werden sie zur Lagerung und Behandlung von festen, flüssigen und gasförmigen Stoffen – selbst wenn diese problematisch oder aggressiv sind. Zu der Firma gehören auch einige Subunternehmen, die vor allem im außereuropäischen Ausland ansässig sind. Für seine Entwicklungen wurde Lipp bereits mit einigen Auszeichnungen geehrt, darunter der Dr.-Rudolf-Eberle Preis 2005 und der Stahl- und Innovationspreis von Deutschland 2006. Die Lipp-Biogasanlagen sind mit dem RAL-Gütesiegel ausgezeichnet.

Quelle: Birgit Pfeifer

„Durch die vorgeschaltete Hydrolyse verläuft der Vergärungsprozess in zwei räumlich getrennten Stufen“, erklärt Birgit Pfeifer das Prinzip der Biogasanlage in Tannhausen.

Birgit Pfeifer studiert Bioverfahrenstechnik mit dem Schwerpunkt Technologie Nachwachsender Rohstoffe an der Fachhochschule Hannover. Ihre Abschlussarbeit schrieb sie an der Universität Hohenheim über das Thema „Untersuchungen zum Biogasbildungspotential von Raps“. Nach ihrer mehrjährigen Angestelltentätigkeit für Biogasanlagen-Unternehmen – unter anderem als Abteilungsleiterin – gründete sie vor einem Jahr die Firma bp Prozessbetreuung von Biogasanlagen. Pfeifer überwacht, prüft und begleitet weltweit Anlagen aller namhaften Typen und hält Vorträge und Schulungen im In- und Ausland.

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