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Bau- und Betriebsbeschreibung
1. Verfahrensbeschreibung
Die Biogasanlage der BiRo GmbH & Co. KG besteht im Wesentlichen aus einem Fermenter mit Feststoffeintrag, einem Nachgärer, einem Gärproduktlager und der Silagelagerfläche.
Der Biogasanlage unmittelbar angeschlossen ist eine Anlage zur Aufbereitung des Biogases zur Einspeisung in das Netz der Enercity.
In der Biogasanlage werden zur Produktion von energetisch nutzbarem Biogas durch Anaerobbehandlung von Biomasse ausschließlich Substrate, die in § 8 Absatz 2 des EEG festgelegt sind, eingesetzt. Konkret werden nachwachsende Rohstoffe (z. B. Maissilage) als Gärsubstrat eingesetzt.
Die NawaRo werden überwiegend in den Betrieben der Gesellschafter in der näheren Umgebung der Biogasanlage erzeugt. Nachwachsende Rohstoffe wie Maissilage, Getreide etc. werden mitdem Feststoffeintrag direkt in den Fermenter gefördert.
Die Behälter sind als Stahlbeton-Rundbehälter ausgeführt und werden mit einer kegelförmigen, gasdichten Spezialfolie abgedeckt. Dadurch kann das erzeugte Biogas direkt über dem Flüssigkeitsspiegel der Behälter aufgefangen und zwischengespeichert werden. Eine zweite kegelförmige Tragluftfolie wird durch Radialgebläse mit einem Überdruck von ca. 1,5 mbar als Wetterschutz-Folienhaube in Form gehalten.
Über- und Unterdrucksicherungen sorgen für einen konstanten Druck unterhalb undzwischen den Folien.
Der Fermenter wird im mesophilen Bereich der Vergärung bei einer Temperatur von ca. 40 Grad Celsius betrieben. Die Temperierung des Gärsubstrates erfolgt durch Wärmezufuhr aus einer externen Heizungsanlage. Nach entsprechender Verweildauer im Fermenter und erfolgter Ausgasung des Gärsubstrates wird dieses dem gasdichten Lagerbehälter (Nachgärer) mittels Überlaufrohrleitung zugeführt. Aus dem Nachgärer wird das Gärprodukt nach demselben Prinzip dem Gärproduktlager zugeführt. Hier erfolgt die Lagerung bis zur Ausbringung auf die landwirtschaftlichen Flächen.
Durch die Vergärung von nachwachsenden Rohstoffen im Sinne des Erneuerbare- Energien-Gesetzes, EEG (z.B. Mais, Getreide, usw.) wird energiereiches Biogas gewonnen. Das erzeugte Biogas wird über eine Gasleitung der Gasaufbereitungsanlage zugeführt und nach entsprechender Aufbereitung direkt in das Leitungsnetz des regionalen Gasversorgungsträgers eingespeist.
Das nach der Anaerobbehandlung verbleibende Gärprodukt aus der Biogasanlage wird im Rahmen der landwirtschaftlichen Verwertung als Düngemittel genutzt und damit in den biologischen Wirtschaftskreislauf des landwirtschaftlichen Betriebes zurückgeführt.
Betriebszweck der Biogasanlage ist die Gewinnung von energetisch nutzbarem Biogas.
Nützliche und gewollte Nebeneffekte der Anaerobbehandlung der Biomasse sind:
- die Verbesserung der Düngequalität des Substrates durch die Umsetzung organischer Verbindungen in eine mineralische Form und damit die unmittelbare Verfügbarkeit der Pflanzennährstoffe bei der landbaulichen Verwertung des vergorenen Substrates (Gärprodukt),
- die Reduzierung des Treibhauseffektes durch Substitution fossiler Treib- und Brennstoffe
- die Inaktivierung von Keimen und Unkrautsamen,
- die Nutzung des ausgegorenen Gärsubstrates als hochwertiges Düngermittelsubstitut für den Nährstoffausgleich landwirtschaftlicher Nutzflächen unter Rückführung organischer Stoffe in den Naturkreislauf.
Die Anaerobbehandlung der Biomasse dient damit der Produktion von energiereichem Biogas, der Verbesserung der Düngequalität, sowie der Gewinnung von hochwertigem Pflanzendünger zur Nährstoffversorgung landwirtschaftlicher Nutzflächen.
2. Ablauf des anaeroben Vergärungsprozesses
Biogas ist ein Stoffwechselprodukt der Methanbakterien (Archaebakterien), das im anaeroben Milieu unter Licht- und Sauerstoffabschluss durch die Vergärung organischer Masse entsteht. Methanbakterien können nur dann optimal existieren, wenn das im Milieu vorhandene Biomaterial einen ausreichenden Feuchtegehalt (> 50 % H2O) aufweist.
Der anaerobe Abbau organischer Substanzen gliedert sich in die vier Abbauschritte Hydrolyse, Säurebildung, Acetatbildung und Methanbildung (siehe Abbildung). In den ersten beiden Teilschritten erfolgen eine Verflüssigung und ein Aufschluss der eingesetzten Biomasse, die eigentliche Umsetzung zu Methan erfolgt in den letzten beiden Stufen. Die einzelnen Teilschritte unterscheiden sich nicht nur hinsichtlich der beteiligten Mikroorganismen und der entstehenden Produkte, sondern auch wesentlich durch die notwendigen Milieubedingungen.
Hydrolyse
In dieser ersten Phase des Abbaus werden hochmolekulare Substanzen wie Kohlehydrate,Eiweiße und Fette durch Exoenzyme in niedermolekulare, wasserlösliche Bruchstücke zerlegt.
Säurebildung (Acidogenese)
Die in der Hydrolysephase gebildeten Monomere und Oligomere werden von den gleichen Bakterien aufgenommen, die in der Hydrolysephase wirken, und weiter abgebaut. Den Hauptteil der entstehenden Produkte bilden kurzkettige Carbonsäuren, Alkohole, Wasserstoff und Kohlendioxid bzw. Hydrogencarbonat. Die Zusammensetzung der entstehenden Abbauprodukte ist stark abhängig von der Raumbelastung und vom pHWert. Der optimale pH-Wert für die Mikroorganismen in Hydrolyse und Säurebildung liegt zwischen pH 5,3 und pH 6,7.
Acetatbildung (Acetogenese)
Die acetogenen Mikroorganismen (Acetatbildner) bilden gleichermaßen das Bindeglied zwischen Versäuerung und Methanbildung. Die Stoffwechselprodukte der versäuernden Mikroorganismen werden von den acetogenen Mikroorganismen zu methanogen nutzbaren Substanzen umgesetzt, wie Essigsäure, Hydrogencarbonat, Wasserstoff und Kohlendioxid. Aus reaktionskinetischen Gründen und um nicht durch ihr Ausscheidungsprodukt Wasserstoff gehemmt zu werden, müssen die Mikroorganismen dieser Stufe in Symbiose mit den methanogenen Mikroorganismen leben. Bei diesen Reaktionen,werden die Ausgangssubstrate für die letzte Stufe des anaeroben Abbaus, die methanogene Phase, gebildet.
Methanbildung (Methanogenese)
Als Substratspezialisten können die Methanbakterien nur wenige Substrate umsetzen, wie z.B. Essigsäure, Ameisensäure, Methanol und Kohlendioxid. Wasserstoff dient dabei als universelles Substrat und Kohlendioxid dient als Kohlenstoffquelle und Elektronenakzeptor. Außerdem ist die räumliche Nähe der symbiotischen Mikroorganismen der acetogenen und methanogenen Phase sicherzustellen. Der optimale pH-Wert für die Mikroorganismen in Acetogenese und Methanogenese liegt zwischen pH 6,8 und pH 7,5. Der Arbeitsbereich der Methanbakterien liegt bei 5 °C bis 70 °C. Mesophile Stämme existieren bei Temperaturen von 25 °C bis 40 °C, thermophile Stämme bei Temperaturen von45 °C bis 60 °C.
Für die Methanisierung wesentliche Prozessbedingungen sind u.a. der pH-Wert im Substrat, die Qualität und Kontinuität der Nährstoffversorgung, die Stoffoberfläche, Hemmstoffe im Substrat, die Fermenterraumbelastung, die Entgasung des Substrates und die Verweildauer
3. Prozessführung
Die anaerobe Produktion von Biogas erfolgt durch den biologischen Abbau organischer Substanz unter Sauerstoff- und Lichtausschluss innerhalb eines bestimmten Temperaturfensters durch Methanbakterien. Die Vergärungstemperatur und die Verweildauer sind wesentliche Parameter für den Anaerobprozess. Die antraglich dargestellte Biogasanlage wird im mesophilen Bereich der Vergärung bei ca. 40 °C betrieben. Durch den gezielten Eintrag von Biomasse (z.B. Maissilage, Grassilage, Roggen) in den laufenden Biogasprozess und die dadurch bedingte Nährstoffzufuhr für die Methanbakterien wird energiereiches Biogas gewonnen. Der anaerobe Vergärungsprozess und damit die Gasproduktion wird über die Nährstoffzufuhr kontrolliert und geführt. Das entstehende Biogasgemisch beinhaltet bis zu 75 Vol.-% Methan. Weitere Bestandteile in nennenswerter Grössenordnung sind Kohlendioxid, Wasser und Schwefelwasserstoff. Vor der weiteren Aufbereitung für die Einspeisung in das Leitungsnetz des Gasversorgers wird das Rohgas physikalisch entwässert und biologisch entschwefelt. Die Entwässerung des Biogases vor seiner energetischen Nutzung dient der Vermeidung von Druckverlusten im Gasleitungssystem und der Verhinderung von Korrosion. Zur Kondensation des Wasseranteils im Rohgas wird die Gasstrecke gekühlt und der Wasseranteil bei Taupunktunterschreitung physikalisch auskondensiert. Das Kondensat wird dem Fermenter als Prozesswasser zurückgeführt. Zur Ausfällung von Schwefelwasserstoff wird Luft in das Rohgas eingeblasen. Der auf der Substratoberfläche verbleibende elementare Schwefel verbessert die Düngequalität, das entschwefelte Rohgas wird aus den Niederdruckgasspeichern über den Behältern der weiteren Aufbereitung zugeführt und schließlich in das Leitungsnetz des Gasversorgers eingespeist.
Das als Stoffwechselprodukt der Methanbakterien anfallende Biogas kann hinsichtlichseiner physikalischen Eigenschaften wie folgt beschrieben werden: Das produzierte Biogas wird im Zuge der Aufbereitung bezüglich seiner einzelnen Bestandteile entsprechend der Anforderungen des Gas-Versogungsträgers angeglichen, verdichtet und in das vorhandene Leitungsnetz eingespeist. Die energetische Nutzung des Gases erfolgt dezentral durch die dem Leitungsnetz angeschlossenen Endverbraucher.
1. Verfahrensbeschreibung
Die Biogasanlage der BiRo GmbH & Co. KG besteht im Wesentlichen aus einem Fermenter mit Feststoffeintrag, einem Nachgärer, einem Gärproduktlager und der Silagelagerfläche.
Der Biogasanlage unmittelbar angeschlossen ist eine Anlage zur Aufbereitung des Biogases zur Einspeisung in das Netz der Enercity.
In der Biogasanlage werden zur Produktion von energetisch nutzbarem Biogas durch Anaerobbehandlung von Biomasse ausschließlich Substrate, die in § 8 Absatz 2 des EEG festgelegt sind, eingesetzt. Konkret werden nachwachsende Rohstoffe (z. B. Maissilage) als Gärsubstrat eingesetzt.
Die NawaRo werden überwiegend in den Betrieben der Gesellschafter in der näheren Umgebung der Biogasanlage erzeugt. Nachwachsende Rohstoffe wie Maissilage, Getreide etc. werden mitdem Feststoffeintrag direkt in den Fermenter gefördert.
Die Behälter sind als Stahlbeton-Rundbehälter ausgeführt und werden mit einer kegelförmigen, gasdichten Spezialfolie abgedeckt. Dadurch kann das erzeugte Biogas direkt über dem Flüssigkeitsspiegel der Behälter aufgefangen und zwischengespeichert werden. Eine zweite kegelförmige Tragluftfolie wird durch Radialgebläse mit einem Überdruck von ca. 1,5 mbar als Wetterschutz-Folienhaube in Form gehalten.
Über- und Unterdrucksicherungen sorgen für einen konstanten Druck unterhalb undzwischen den Folien.
Der Fermenter wird im mesophilen Bereich der Vergärung bei einer Temperatur von ca. 40 Grad Celsius betrieben. Die Temperierung des Gärsubstrates erfolgt durch Wärmezufuhr aus einer externen Heizungsanlage. Nach entsprechender Verweildauer im Fermenter und erfolgter Ausgasung des Gärsubstrates wird dieses dem gasdichten Lagerbehälter (Nachgärer) mittels Überlaufrohrleitung zugeführt. Aus dem Nachgärer wird das Gärprodukt nach demselben Prinzip dem Gärproduktlager zugeführt. Hier erfolgt die Lagerung bis zur Ausbringung auf die landwirtschaftlichen Flächen.
Durch die Vergärung von nachwachsenden Rohstoffen im Sinne des Erneuerbare- Energien-Gesetzes, EEG (z.B. Mais, Getreide, usw.) wird energiereiches Biogas gewonnen. Das erzeugte Biogas wird über eine Gasleitung der Gasaufbereitungsanlage zugeführt und nach entsprechender Aufbereitung direkt in das Leitungsnetz des regionalen Gasversorgungsträgers eingespeist.
Das nach der Anaerobbehandlung verbleibende Gärprodukt aus der Biogasanlage wird im Rahmen der landwirtschaftlichen Verwertung als Düngemittel genutzt und damit in den biologischen Wirtschaftskreislauf des landwirtschaftlichen Betriebes zurückgeführt.
Betriebszweck der Biogasanlage ist die Gewinnung von energetisch nutzbarem Biogas.
Nützliche und gewollte Nebeneffekte der Anaerobbehandlung der Biomasse sind:
- die Verbesserung der Düngequalität des Substrates durch die Umsetzung organischer Verbindungen in eine mineralische Form und damit die unmittelbare Verfügbarkeit der Pflanzennährstoffe bei der landbaulichen Verwertung des vergorenen Substrates (Gärprodukt),
- die Reduzierung des Treibhauseffektes durch Substitution fossiler Treib- und Brennstoffe
- die Inaktivierung von Keimen und Unkrautsamen,
- die Nutzung des ausgegorenen Gärsubstrates als hochwertiges Düngermittelsubstitut für den Nährstoffausgleich landwirtschaftlicher Nutzflächen unter Rückführung organischer Stoffe in den Naturkreislauf.
Die Anaerobbehandlung der Biomasse dient damit der Produktion von energiereichem Biogas, der Verbesserung der Düngequalität, sowie der Gewinnung von hochwertigem Pflanzendünger zur Nährstoffversorgung landwirtschaftlicher Nutzflächen.
2. Ablauf des anaeroben Vergärungsprozesses
Biogas ist ein Stoffwechselprodukt der Methanbakterien (Archaebakterien), das im anaeroben Milieu unter Licht- und Sauerstoffabschluss durch die Vergärung organischer Masse entsteht. Methanbakterien können nur dann optimal existieren, wenn das im Milieu vorhandene Biomaterial einen ausreichenden Feuchtegehalt (> 50 % H2O) aufweist.
Der anaerobe Abbau organischer Substanzen gliedert sich in die vier Abbauschritte Hydrolyse, Säurebildung, Acetatbildung und Methanbildung (siehe Abbildung). In den ersten beiden Teilschritten erfolgen eine Verflüssigung und ein Aufschluss der eingesetzten Biomasse, die eigentliche Umsetzung zu Methan erfolgt in den letzten beiden Stufen. Die einzelnen Teilschritte unterscheiden sich nicht nur hinsichtlich der beteiligten Mikroorganismen und der entstehenden Produkte, sondern auch wesentlich durch die notwendigen Milieubedingungen.
Hydrolyse
In dieser ersten Phase des Abbaus werden hochmolekulare Substanzen wie Kohlehydrate,Eiweiße und Fette durch Exoenzyme in niedermolekulare, wasserlösliche Bruchstücke zerlegt.
Säurebildung (Acidogenese)
Die in der Hydrolysephase gebildeten Monomere und Oligomere werden von den gleichen Bakterien aufgenommen, die in der Hydrolysephase wirken, und weiter abgebaut. Den Hauptteil der entstehenden Produkte bilden kurzkettige Carbonsäuren, Alkohole, Wasserstoff und Kohlendioxid bzw. Hydrogencarbonat. Die Zusammensetzung der entstehenden Abbauprodukte ist stark abhängig von der Raumbelastung und vom pHWert. Der optimale pH-Wert für die Mikroorganismen in Hydrolyse und Säurebildung liegt zwischen pH 5,3 und pH 6,7.
Acetatbildung (Acetogenese)
Die acetogenen Mikroorganismen (Acetatbildner) bilden gleichermaßen das Bindeglied zwischen Versäuerung und Methanbildung. Die Stoffwechselprodukte der versäuernden Mikroorganismen werden von den acetogenen Mikroorganismen zu methanogen nutzbaren Substanzen umgesetzt, wie Essigsäure, Hydrogencarbonat, Wasserstoff und Kohlendioxid. Aus reaktionskinetischen Gründen und um nicht durch ihr Ausscheidungsprodukt Wasserstoff gehemmt zu werden, müssen die Mikroorganismen dieser Stufe in Symbiose mit den methanogenen Mikroorganismen leben. Bei diesen Reaktionen,werden die Ausgangssubstrate für die letzte Stufe des anaeroben Abbaus, die methanogene Phase, gebildet.
Methanbildung (Methanogenese)
Als Substratspezialisten können die Methanbakterien nur wenige Substrate umsetzen, wie z.B. Essigsäure, Ameisensäure, Methanol und Kohlendioxid. Wasserstoff dient dabei als universelles Substrat und Kohlendioxid dient als Kohlenstoffquelle und Elektronenakzeptor. Außerdem ist die räumliche Nähe der symbiotischen Mikroorganismen der acetogenen und methanogenen Phase sicherzustellen. Der optimale pH-Wert für die Mikroorganismen in Acetogenese und Methanogenese liegt zwischen pH 6,8 und pH 7,5. Der Arbeitsbereich der Methanbakterien liegt bei 5 °C bis 70 °C. Mesophile Stämme existieren bei Temperaturen von 25 °C bis 40 °C, thermophile Stämme bei Temperaturen von45 °C bis 60 °C.
Für die Methanisierung wesentliche Prozessbedingungen sind u.a. der pH-Wert im Substrat, die Qualität und Kontinuität der Nährstoffversorgung, die Stoffoberfläche, Hemmstoffe im Substrat, die Fermenterraumbelastung, die Entgasung des Substrates und die Verweildauer
3. Prozessführung
Die anaerobe Produktion von Biogas erfolgt durch den biologischen Abbau organischer Substanz unter Sauerstoff- und Lichtausschluss innerhalb eines bestimmten Temperaturfensters durch Methanbakterien. Die Vergärungstemperatur und die Verweildauer sind wesentliche Parameter für den Anaerobprozess. Die antraglich dargestellte Biogasanlage wird im mesophilen Bereich der Vergärung bei ca. 40 °C betrieben. Durch den gezielten Eintrag von Biomasse (z.B. Maissilage, Grassilage, Roggen) in den laufenden Biogasprozess und die dadurch bedingte Nährstoffzufuhr für die Methanbakterien wird energiereiches Biogas gewonnen. Der anaerobe Vergärungsprozess und damit die Gasproduktion wird über die Nährstoffzufuhr kontrolliert und geführt. Das entstehende Biogasgemisch beinhaltet bis zu 75 Vol.-% Methan. Weitere Bestandteile in nennenswerter Grössenordnung sind Kohlendioxid, Wasser und Schwefelwasserstoff. Vor der weiteren Aufbereitung für die Einspeisung in das Leitungsnetz des Gasversorgers wird das Rohgas physikalisch entwässert und biologisch entschwefelt. Die Entwässerung des Biogases vor seiner energetischen Nutzung dient der Vermeidung von Druckverlusten im Gasleitungssystem und der Verhinderung von Korrosion. Zur Kondensation des Wasseranteils im Rohgas wird die Gasstrecke gekühlt und der Wasseranteil bei Taupunktunterschreitung physikalisch auskondensiert. Das Kondensat wird dem Fermenter als Prozesswasser zurückgeführt. Zur Ausfällung von Schwefelwasserstoff wird Luft in das Rohgas eingeblasen. Der auf der Substratoberfläche verbleibende elementare Schwefel verbessert die Düngequalität, das entschwefelte Rohgas wird aus den Niederdruckgasspeichern über den Behältern der weiteren Aufbereitung zugeführt und schließlich in das Leitungsnetz des Gasversorgers eingespeist.
Das als Stoffwechselprodukt der Methanbakterien anfallende Biogas kann hinsichtlichseiner physikalischen Eigenschaften wie folgt beschrieben werden: Das produzierte Biogas wird im Zuge der Aufbereitung bezüglich seiner einzelnen Bestandteile entsprechend der Anforderungen des Gas-Versogungsträgers angeglichen, verdichtet und in das vorhandene Leitungsnetz eingespeist. Die energetische Nutzung des Gases erfolgt dezentral durch die dem Leitungsnetz angeschlossenen Endverbraucher.
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