Verfahrenstechnische Anpassungen zur Optimierung von Nährstoffkreisläufen in Biogasanlagen

1. Fachbereich Agrarwirtschaft und Landschaftsarchitektur Verfahrenstechnische Anpassungen zur Optimierung von Nährstoffkreisläufen in Biogasanlagen Prof. Dr. Ludwig Popp Dr. Wolfgang Schumann (LFA Gülzow)

2. Einleitung - Grundlagen -Ökonomische Bewertung- Zusammenfassung Gliederung • Einleitung • Grundlagen der Stickstoffdynamik bei der Biogaserzeugung und Gärrestverwertung • Ökonomische Bewertung verfahrens-technischer Optimierung • Zusammenfassung

3. Einleitung - Grundlagen -Ökonomische Bewertung- Zusammenfassung Einfluss der Vergärung auf: • Phosphor (P): keine Veränderung • Kalium (K): keine Veränderung • Schwefel (S): geringfügige Ausgasung als H2S, nach Entschwefelung des Gases Rückführung in Gärrest • Stickstoff: teilweise Umwandlung des organischen gebundenen N in NH4-N, während der Fermenterphase kaum Verluste

4. Einleitung - Grundlagen -Ökonomische Bewertung- Zusammenfassung Auswirkung der Vergärung auf den Gärrest (Döhler 2004) • Abbau der organischen Trockensubstanz • Verminderung der Viskosität • Abbau geruchsaktiver Substanzen • Erhöhung des Ammoniumanteiles in der Stickstofffraktion • Erhöhung des pH-Wertes • Erhöhung der Temperatur

5. Einleitung - Grundlagen -Ökonomische Bewertung- Zusammenfassung Konsequenzen des TS-Abbaues • Geringere CH4-Emissionen während der Lagerung • Dünnflüssiger, dadurch bessere Pumpfähig-keit, besseres Eindringen in den Boden • Keine Schwimmschicht, dadurch weniger Homogenisierungsaufwand - Keine Schwimmschicht, dadurch höhere NH3-Emissionen während der Lagerung

6. Einleitung - Grundlagen -Ökonomische Bewertung- Zusammenfassung Ursachen und Effekte der Erhöhung des Ammoniumgehaltes Beim Abbau der oTS werden auch organische N-Verbindungen (Aminosäuren, Eiweiß,..) abgebaut. Dabei entstehen unter Sauerstoffabschluss Ammoniumverbindungen. • Erhöhung des primär pflanzenverfügbaren Stickstoffanteils (bessere Nährstoffwirkung) • Erhöhung des Stickstoff-Emissionspotentials, da Ammoniumverbindungen zu Ammoniak dissoziieren und dann leicht flüchtig sind.

7. Einleitung - Grundlagen -Ökonomische Bewertung- Zusammenfassung NH3N- Emissionen in Abhängigkeit vom NH4-N-Gehalt (Gronauer 1993)

8. Einleitung - Grundlagen -Ökonomische Bewertung- Zusammenfassung Effekte der pH-Wert-Erhöhung • Die Vergärung führt zu einem deutlichen Anstieg des pH-Wertes im Gärsubstrat • Wirkt der Bodenversauerung entgegen • Deutlich erhöhtes Ammoniak-Emissionspotential (pH-Anstieg von 7,3 auf 8,0 erhöht um den Faktor 4,5)

9. Einleitung - Grundlagen -Ökonomische Bewertung- Zusammenfassung NH3N- Emissionen in Abhängigkeit vom pH-Wert (Gronauer 1993)

10. Einleitung - Grundlagen -Ökonomische Bewertung- Zusammenfassung

11. Einleitung - Grundlagen -Ökonomische Bewertung- Zusammenfassung NH3N- Emissionen in Abhängigkeit von der Temperatur (Gronauer 1993)

12. Einleitung - Grundlagen -Ökonomische Bewertung- Zusammenfassung

13. Einleitung - Grundlagen -Ökonomische Bewertung- Zusammenfassung NH3-Emissionen nach der Ausbringung von Biogasgülle bei unterschiedlichen Ausbringverfahren (Amon 2004)

14. 50 °C (thermophil) 30 °C (mesophil) 20 °C (psychrophil) Gesamte Gasmenge Methananteil 15 10 erzeugte Gasmenge in l pro l Substrat 5 0 100 50 150 0 Verweilzeit in Tagen Einfluss von Verweilzeit und Temperatur auf Gasmenge und Methangehalt (nach Baader)

15. Einleitung - Grundlagen - Ökonomische Bewertung - Zusammenfassung Annahmen zur Auslegung eines gasdichten Gärrestlagers • Anlagenleistung 500 kW • Substrat: Gülle + Nawaros • Jährlicher Substratbedarf: 43.000 t • Jährlicher Reststoffanfall: 40.000 t • Gärrestlager: 20.000 m³/180 d • Invest-Kosten gasdichtes Lager 15 €/m³

16. Einleitung - Grundlagen - Ökonomische Bewertung - Zusammenfassung Annahmen zur Auslegung eines gasdichten Gärrestlagers • N-Verlust: 1 kg N/m³ Gärrest ≈ 20% • Gasausbeute im Lager: Ø 7 m³/m³ (Keymer 2005) • Energiegehalt Biogas: 6 kWh/m³ • Elektrischer Nutzungsgrad: 33% • Stromerlös 14 Ct/kWh (Ertrag-Kosten)

17. Einleitung - Grundlagen - Ökonomische Bewertung - Zusammenfassung Ökonomische Bewertung gasdichter Abdeckung des Lagers 1 zweimaliger Umschlag/a

18. Einleitung - Grundlagen - Ökonomische Bewertung - Zusammenfassung Ökonomische Bewertung gasdichter Abdeckung eines Lagers mit 20.000 m³ 1 zweimaliger Umschlag/a

19. Einleitung - Grundlagen - Ökonomische Bewertung - Zusammenfassung Zusammenfassung • Ammoniakemissionen bei der Biogaserzeugung sind nicht nur ein ökologisches sondern ein erhebliches ökonomisches Problem • Zur Verminderung von Ammoniakemissionen bei der Biogaserzeugung ist eine durchgehende „Behandlung unter Druck“ sinnvoll • Im Gärrestlager entstehen zum Teil erhebliche Mengen an Biogas (bis 10 % des Gesamt-ertrages)

20. Einleitung - Grundlagen - Ökonomische Bewertung - Zusammenfassung Zusammenfassung • Die Verstromung von Biogas aus dem Gärrestlager in Verbindung mit dem Gewinn aus nicht verlorenem Stickstoff rechtfertigt ein gasdichtes Gärrestlager • Zur Vermeidung von Ammoniakverlusten bei der Ausbringung muss diese unbedingt bodennah erfolgen.