TY  - THES
T1  - Vorbehandlung lignocellulosehaltiger Substrate zur Steigerung des Biogasertrages
A1  - Baumkötter,Daniel
Y1  - 2019/03/06
N2  - Bei der Biogastechnologie existieren verschiedenste Ansätze zur Optimierung des Verfahrens. Eine Möglichkeit ist die Vorbehandlung der eingesetzten Substrate, um höhere Biogasausbeuten zu erzielen, neue Substrate zu erschließen und die Gesamtwirtschaftlichkeit von Biogasanlagen zu erhöhen. Für diese Vorbehandlung werden vor allem mechanische Zerkleinerungstechnologien eingesetzt, die konstruktiv sehr unterschiedlich gestaltet sind. Daher wurde im Rahmen dieser Arbeit erstmalig eine systematische Untersuchung der mechanischen Vorbehandlung anhand eines Prallreaktors hinsichtlich Partikelgrößenverteilung, Biogasertrag und Stromverbrauch für verschiedene Substrate durchgeführt. Ziel dieser Arbeit war somit die Optimierung und Bewertung der Technologie „Prallreaktor“ zur Vorbehandlung lignocellulosehaltiger Substrate für eine landwirtschaftliche Biogasanlage.
Für die Versuche wurden Substrate mit modellhaftem Charakter ausgewählt, die eine Übertragbarkeit der Ergebnisse auch auf vergleichbare Substrate zulassen. Dabei handelte es sich um Triticalestroh, Hafer-Ganzpflanzensilage, Maisstroh und Pferdemist. Zudem wurde die Substratmischung einer Biogasanlage, bei der auch ein Prallreaktor für die Vorbehandlung eingesetzt wird, mit hohen Anteilen Grassilage (53 % Grassilage, 40 % Maissilage und 7 % Rinder- und Pferdemist) untersucht.
Bei allen untersuchten Substraten zeigte sich durch die Vorbehandlung eine Verringerung der Partikelgröße. Wie zu erwarten, war für feinere Partikelgrößen auch ein höherer Aufwand und somit Stromverbrauch erforderlich. Allerdings konnte kein direkter Zusammenhang zwischen einer feineren Partikelgröße und einem Mehrertrag an Methan hergestellt werden. Somit führt eine Steigerung der Aufbereitungsintensität nicht unbedingt zu einer Steigerung des mikrobiellen Abbaus.
Wesentliches Ziel der Substratvorbehandlung war neben dem Einsatz alternativer Substrate die Steigerung der Biogaserträge. So war durch die mechanische Vorbehandlung von Triticalestroh eine Steigerung beim Methanertrag von bis zu 16 %, bei Pferdemist bis zu 14 % und bei der Substratmischung bis zu 10 % möglich. Demgegenüber waren bei Hafer-Ganz¬pflanzensilage und Maisstroh keine Mehrerträge an Methan zu verzeichnen. Offenbar sind kurzgehäckselte Silagen bereits durch die Silierung ausreichend aufgeschlossen. Um mögliche Verluste durch aeroben Abbau zu vermeiden, ist der direkte Eintrag der vorbehandelten Substrate in den Fermenter vorzusehen. Daher sollte die Vorbehandlung idealerweise zwischen Bevorratung und dem Eintragssystem in die Verfahrenstechnik der Biogasanlage eingebunden werden.
Zur Einordnung der Ergebnisse mit dem Prallreaktor wurden zusätzlich Zerkleinerungsversuche mit einem Extruder im Labormaßstab durchgeführt. Grundsätzlich war der Extruder ebenfalls für alle untersuchten Substrate geeignet, jedoch musste bei Substraten mit hohem Trockensubstanzgehalt (Stroh), Flüssigkeit zugegeben werden. Die Ergebnisse zur Steigerung der Methanerträge waren vergleichbar.
Neben den Investitionskosten hatte der Stromverbrauch den größten Einfluss auf die Kosten für die Vorbehandlung. Diese variierten in Abhängigkeit der gewählten Einstellungen am Prallreaktor deutlich. Mit Hilfe der ermittelten optimalen Einstellungen ließen sich Stromverbräuche von 12,9 kWhel/tFM für Triticale- und Maisstroh, 2,6 kWhel/tFM für Hafer-GPS, 10,8 kWhel/tFM für Pferdemist und 6,1 kWhel/tFM für die Substratmischung ermitteln. Nach Zusammenführung der Ergebnisse zum Stromverbrauch und Mehrertrag an Methan ergab sich für Triticalestroh, Pferdemist und die Substratmischung nach energetischer Bilanzierung ein Gewinn durch die mechanische Vorbehandlung.
Unter wirtschaftlichen Aspekten zeigten vor allem Pferdemist und Maisstroh im Vergleich zu Silomais ihr Potenzial als Alternativsubstrat. Durch Ihren Reststoffcharakter und dem damit verbundenen fehlenden Marktwert sind diese beiden Substrate wirtschaftlich interessant. Demgegenüber stellt sich die Wirtschaftlichkeit für Triticalestroh gegenüber Silomais aufgrund des Marktwertes für Getreidestroh geringer dar. Die Ergebnisse können jedoch in Abhängigkeit von Substratqualität und Biogasanlage schwanken, weshalb eine individuelle Betrachtung für jedes Projekt erforderlich ist.
Der Prallreaktor als Verfahren der mechanischen Vorbehandlung ist grundsätzlich für verschiedene Substrate geeignet. Durch den Aufschluss können die Gasausbeute gesteigert und bisher ungenutzte Nebenprodukte für den Biogasprozess erschlossen werden, wodurch sich auch die Wirtschaftlichkeit verbessert.
KW  - Biogas
KW  - Biogasanlage
KW  - Effizienz
KW  - Zerkleinern
KW  - Partikelgrößenverteilung
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