Infobrief der FNR 01 / 2019: Systemische Integration

Zweiphasige Vergärung von Zuckerrüben zur Biomethanerzeugung

Für die Produktion eines hoch kalorischen Biogases haben die Landesanstalt für Agrartechnik und Bioenergie an der Universität Hohenheim und die NOVATECH Gesellschaft für umweltschonende Technologie mbH, Wolpertshausen, in einem Verbundforschungsvorhaben ein innovatives Verfahren zur zweiphasigen Vergärung von Zuckerrüben weiterentwickelt und optimiert. Das neue Konversionsverfahren ermöglicht eine Fraktionierung des Biogases bereits während der Erzeugung, so dass es einen stark erhöhten Methangehalt aufweist. Damit lassen sich die Kosten der weiteren Aufbereitung des Biogases auf Erdgasqualität deutlich senken.

Die im Projekt weiterentwickelte kostengünstige Silotechnik zur Konservierung der Rüben und die aktuellen Informationen zur Eignung und Handhabung silierter Rüben für die Vergärung in Biogasanlagen zeigen technische und wirtschaftliche Perspektiven insbesondere für Biogasanlagen auf, die in den kommenden Jahren von der Strom- auf Biomethaneinspeisung umgerüstet werden können. In den durchgeführten Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen erwies sich die Biomethanaufbereitung und Einspeisung als lukrative Variante. Einen Zukunftsmarkt bietet zudem die Bereitstellung von Biomethan als Biokraftstoff bzw. Biotreibstoff.

Mit der Verwendung von Zuckerrüben lässt sich zudem auch die ökologische Bilanz des Energiepflanzenanbaus und der Biogas-Prozessketten wesentlich verbessern.

Hohenheimer Grubensilos, Quelle: Universität Hohenheim/Simon Zielonka
Hohenheimer Grubensilos, Quelle: Universität Hohenheim/Simon Zielonka

Gezielte Fütterungspläne für die flexible Biogasproduktion

Das Fraunhofer-Institut für Energiewirtschaft und Energiesystemtechnik (IEE) und der Landesbetrieb Hessisches Landeslabor haben im Forschungsvorhaben „Upgrading von Bestandsbiogasanlagen hin zu flexiblen Energieerzeugern durch eine bedarfsorientierte Dynamisierung der Biogasproduktion (UBEDB)“ untersucht, wie sich die Biogasproduktion durch ein gezieltes Fütterungsmanagement mit verschiedenen, typisch landwirtschaftlichen Substraten flexibilisieren lässt. Die bedarfsgerechte Stromerzeugung sollte dabei ohne die sonst üblichen teuren technischen Änderungen erfolgen. Als Flexibilitätskriterium wurde eine Verstromungspause (Zeit ohne Gasbedarf trotz fortlaufender Biogasproduktion) von bis zu 60 Stunden angestrebt.

Auf Grundlage von theoretischen Verstromungsprofilen wurden - erst im Labor, dann in Praxisversuchen - die für eine entsprechende bedarfsorientierte Gasproduktion passende Substratauswahl und Substratzufuhr erforscht. Die Substratvarianten mit den vielversprechendsten Ergebnissen wurden anschließend an der Versuchsbiogasanlage auf dem Landwirtschaftszentrum Eichhof in Bad Hersfeld in die Praxis überführt. Dort konnte die flexible Biogasproduktion mit drei unterschiedlichen Substratvarianten über einen Zeitraum von 8 Monaten praktisch erprobt werden. In den Versuchen wurden Substratvarianten mit Rinderfestmist, Schweine- und Rindergülle, Maissilage, Getreideschrot, Zuckerrüben und Durchwachsender Silphie (siliert) berücksichtigt.

Sowohl im Laborversuch als auch in der praktischen Erprobung in der Versuchsbiogasanlage auf dem Eichhof zeigen sich, dass sich entsprechend des unterstellten Stromeinspeisefahrplans eine deutliche Einsparung der für die Überbrückungszeit erforderlichen Gasspeicherkapazität erzielen lässt. In den großtechnischen Versuchen konnte durch die Verschiebung der Gasproduktion in die BHKW-Betriebszeiten bis zu 50 % des Gasspeicherbedarfs gegenüber einem Betrieb mit kontinuierlicher Gasproduktion eingespart werden. Ein derart angepasstes Fütterungsmanagement könnte damit eine maßgebliche Investitionskosteneinsparung bei der Gasspeichererweiterung ermöglichen.

Die auf den Versuchsergebnissen aufbauende ökonomische Analyse zeigt, dass die Einsparung bei Gasspeicherkapazitäten (vermiedenen bzw. reduzierte Investitionskosten gegenüber einem Anlagenbetrieb mit gleicher Verstromungsflexibilität bei kontinuierlicher Gasproduktion) zu einer verbesserten Wirtschaftlichkeit führt. Zudem erlaubt die flexible Gasproduktion bei entsprechender Erhöhung der BHKW-Leistung auch eine flexible Stromerzeugung ohne Erweiterung des Gasspeichers. Am Beispiel einer 500kWel-Biogasanlage erzielte diese Flexibilisierungsvariante die höchste Annuität und wäre für Biogasanlagenbetreiber die attraktivste Option.

Fütterung für flexible Biogasproduktion, Quelle:  Fraunhofer IEE/Beushausen
Fütterung für flexible Biogasproduktion, Quelle: Fraunhofer IEE/Beushausen

AcEta: Bioprozesstechnische Optimierung zweistufiger landwirtschaftlicher Biogasanlagen

Die zweistufige Prozessführung bei Biogasanlagen kann eine effizientere Biogaserzeugung und einen flexibleren Substrateinsatz ermöglichen. Vor allem für die Nutzung "schwieriger" Substrate, wie z. B. Landschaftspflegegras oder Festmist, kommen zweistufige Verfahren zur Anwendung. Etwa 10 % der deutschen Biogasanlagen sind mit einer Hydrolyse- und Versäuerungsstufe ausgestattet. Im Verbundprojekt AcEta erfolgten Felduntersuchungen an großtechnischen Hydrolyse- und Versäuerungsstufen, molekularbiologische Populationsanalysen und kinetische Untersuchungen im Labor. Mit der Zusammenstellung von Faustzahlen für die Hydrolyse/Versäuerung und der Erarbeitung von Auslegungs- und Betriebsempfehlungen wurden in der Praxis dringend benötigte Informationen für die fundierte Auslegung und den effizienten Betrieb von Hydrolyse- und Versäuerungsstufen zusammengestellt.

Während der Forschungsschwerpunkt bisher oft auf der Analyse der methanogenen Mikroorganismen, meist in Verbindung mit einstufigen Biogasreaktoren, lag, untersuchten die Wissenschaftler im Projekt AcEta die mikrobiellen Populationen der Hydrolyse- und Versäuerungsstufe. Anhand der Daten erfolgte die Analyse des Zusammenhanges zwischen der mikrobiellen Population und den Betriebs- und Anlagenparametern. Im Projekt wurden dazu herstellerunabhängige Untersuchungen an Hydrolyse- und Versäuerungsstufen landwirtschaftlicher Biogasanlagen vorgenommen. Die Ergebnisse zeigen, dass an nicht gasdichten Anmaischer- und Hydrolysestufen mit Methanemissionen von bis 6 % des verstromten Methans gerechnet werden muss. Dies ist sowohl für die Rentabilität als auch für den Klima- und Arbeitsschutz relevant und zeigt den Handlungsbedarf zur Reduzierung von Methanemissionen auf. Bei einer durchschnittlichen Vergütung des eingespeisten Stroms von 0,20 €/kWh können Methanemissionen an offenen Hydrolysestufen Erlösminderungen von bis zu 60.000 €/Jahr entsprechen (Wärmeerlöse nicht berücksichtigt). Damit stehen ausreichende Mittel für die Finanzierung einer gasdichten Ausrüstung der offenen Stufe zur Verfügung.

Signifikante Vorteile im Sinne der Funktion zur Faserstoff-Hydrolyse konnten in den Versuchen nicht nachgewiesen werden. Die Technikumsuntersuchungen und eine mathematische Modellierung bestätigen die Erkenntnisse aus den Versuchen an den Großanlagen. Für einen weitgehenden Rohfaser-Abbau sind Verweilzeiten von ca. 30 bis 60 Tagen erforderlich.

Die substratspezifischen Methanerträge der untersuchten ein- und zweiphasigen Biogasanlagen unterschieden sich bei vergleichbarer hydraulischer Verweilzeit nicht signifikant. Dies gilt auch für den Vergleich von Biogasanlagen mit offenen und gasdichten Vorstufen. Ein Leistungsvorteil zweiphasiger Biogasanlagen gegenüber einphasigen Systemen dürfte bei vergleichbarem Faulraumvolumen vor allem auf die intensive Homogenisierung des Substratgemischs im Anmaischer und auf den Kaskadeneffekt seriell betriebener Reaktoren zurückzuführen sein. Die Leistungsfähigkeit von Anmaischern und zweistufigen Reaktorkonfigurationen wird bestätigt. Kleinvolumige Hydrolysestufen mit kurzen Verweilzeiten zeigten jedoch hinsichtlich der Hydrolyse von Faserstoffen keine ausreichende Wirksamkeit.

Jede Vorstufe hat eine weitgehend eigene Populationsstruktur. Die Rezirkulation von Gärprodukten hat einen großen Einfluss auf die mikrobielle Population in den Vorstufen von Biogasanlagen. Auch in Abhängigkeit von der Substratzusammensetzung wurden Unterschiede in den mikrobiellen Populationen gefunden. Bemerkenswert ist eine nur geringe Überschneidung von maximal 20% zwischen den Biogasanlagen. Auch bei ähnlicher Substratzusammensetzung hat jede Vorstufe eine eigene Populationszusammensetzung. Eine Abhängigkeit von Jahreszeiten war nicht feststellbar, wohl aber, dass eine ungleichmäßige Fahrweise und eine heterogene Zusammensetzung der Gärsubstrate zu Populationsschwankungen führten.

Hinweise für die Praxis wurden in der Broschüre „Informationen und Empfehlungen zum Betrieb landwirtschaftlicher Hydrolyse- und Versäuerungsstufen“ zusammengestellt. Die Broschüre kann beim Technologie-Transfer-Zentrum Bremerhaven und beim Büro Technische Bioprozesse Cordes + Winterberg GbR (www.bioprozesse.de) bezogen werden.

Gasdicht geschlossene Hydrolyse- und Versäuerungsstufe, Quelle: Cordes+Winterberg
Gasdicht geschlossene Hydrolyse- und Versäuerungsstufe, Quelle: Cordes+Winterberg

Verbundvorhaben Powerland 4.2

Die zunehmend erneuerbare Stromerzeugung erfordert erhöhte Anstrengungen, um die verbleibende Residuallast aus fluktuierender Erzeugung und dem regionalen Bedarf jederzeit sicher und effizient abzudecken. Dezentrale KWK-Anlagen können hier einen wesentlichen Beitrag leisten, da sie sowohl flexibel einsetzbar sind als auch die eingesetzte Primärenergie in hohem Maß in Nutzenergie umsetzen. Biogas-BHKW kommt in dieser Hinsicht eine besondere Bedeutung zu, da sie bislang die einzige Möglichkeit bieten, die KWK mit erneuerbaren Energien zu betreiben. Zielsetzung des Projektes ist die Entwicklung einer modularen, auf heuristischen Algorithmen basierenden BHKW- und Biogasanlagensteuerung für einen stromoptimierten und Residuallast-angepassten Betrieb eines Biogas-BHKW bzw. einer Biogasanlage mit dem Ziel der weitgehend vollständigen Strom- und Wärmeenergieversorgung eines Dorfes auf der Basis erneuerbarer Energien. Diese BHKW-Steuerung wird um Prognosemodelle für die Stromproduktion einer Photovoltaikanlage bzw. Windkraftanlage, der Prognose des Wärme- und Strombedarfs des Dorfes bzw. der Verbrauchseinheit sowie der Berechnung der Residuallast ergänzt. Diese Steuerung berücksichtigt dabei sowohl saisonale als auch Wochenend-Effekte des Bedarfs und der Erzeugung und kombiniert Prognosen mit einer Echtzeitsteuerung. Ebenso berücksichtigt werden der gleichzeitige Wärme- und Strombedarf. Somit kann ohne teuren Ausbau der Energienetze eine weitgehende Energieautarkie ländlicher Regionen mit einer hohen Versorgungssicherheit und einer größtmöglichen Effizienz der Bioenergieanlagen erreicht werden. Im Rahmen des Projektes werden die in Vorarbeiten entwickelten Steuerungen in einem Reallabor zu einer systemintegrierenden, übertragbaren Gesamtsteuerung verschiedener erneuerbarer Energien zusammen gefasst und ganzheitlich optimiert.

Das Verbundvorhaben wird von der Landesanstalt für Agrartechnik und Bioenergie an der Universität Hohenheim in Partnerschaft mit der Hochschule Reutlingen und der NOVATECH Gesellschaft für umweltschonende Technologie mbH umgesetzt.

Statusseminar „Post-EEG“

Ein Weiterbetrieb von Bioenergieanlagen nach Auslaufen des EEG-Förderzeitraumes sowohl für Anlagenbetreiber als auch für die gesamte Bioenergiewirtschaft von hoher Bedeutung. Deshalb sind für Politik, Verwaltung und Verbände umfassende Informationen zu Post-EEG-Perspektiven und zur möglichen Ausgestaltung der zukünftigen Rahmenbedingungen für Biogas-BHKW-Anlagen, Holzgas-Anlagen, Biomasseheizkraftwerke und andere Bioenergieanlagen sehr wichtig.

In diesem Sinne veröffentlichte die FNR im Auftrag des BMEL im Jahr 2016 den Förderaufruf „Strom aus Biomasse in künftigen Energiesystemen“ (kurz: Post-EEG). Im Ergebnis dieses Förderaufrufes starteten im 2. Halbjahr 2017 sechs Verbundvorhaben mit insgesamt 19 Teilvorhaben. Zwei weitere Verbünde mit 5 Teilvorhaben haben ihre Projektskizzen weiterentwickelt und beginnen ebenfalls mit den wissenschaftlichen Untersuchungen. Die Vorhaben adressieren verschiedenste Fragestellungen von technischen Lösungen bis hin zu neuen Geschäftsmodellen für Bioenergieanlagen.

Um den aktuellen Sachstand in den Forschungsvorhaben vorzustellen, richtet die FNR am 5. März 2019 ein Statusseminar in Berlin aus. Inhalte des Statusseminars sind u. a. die Darstellung der Ziele und Arbeitsaufgaben in den jeweiligen Projekten und die Abstimmung einer zielgerichteten Übermittlung von Projektergebnissen in die Praxis.

Bioenergie ist Klimaschutz – aktuelle Kurzfilme auf YOUTUBE

Unter dem Motto „Bioenergie ist Klimaschutz“ hat die FNR vier ca. 30 Sekunden lange Kurzfilme produziert und auf YOUTUBE veröffentlicht. 

Die Filme sollen Bürger in unterhaltsamer Weise über Potenziale und Vielfalt, Eigenschaften und Nutzungsoptionen der Bioenergie aufmerksam machen. Die Bedeutung der Bioenergie für die Energieversorgung in Deutschland – im Zusammenspiel mit anderen erneuerbaren Energien – als auch für Arbeit, Wertschöpfung und Klimaschutz werden in den vier Videobotschaften eindrucksvoll herausgestellt. Schauen Sie selbst!

Förderaufruf: „Pilotprojekte zur Erprobung bioenergie-basierter Lösungen als Baustein der ländlichen Energieversorgung“

Mit dem Förderaufruf wirbt das BMEL Pilotprojekte mit smarten, flexiblen Ansätzen in Kombination mit anderen Erneuerbaren für eine zukunftsfähige Bioenergieerzeugung im ländlichen Raum ein. Das BMEL unterstützt nicht nur deren theoretische Ausarbeitung, sondern auch den Forschungs- und Entwicklungsanteil bei der praktischen Umsetzung in Pilotprojekten. Eine Investitionsförderung ist im Rahmen dieses Aufrufes nicht möglich.

Übergeordnetes Ziel ist es, den ländlichen Raum zu stärken und die Bedeutung der Bioenergie für die Energiewende herauszustellen. Das BMEL will deshalb die innovative Nutzung regionaler Biomasse durch land- und forstwirtschaftliche Betriebe, Energieversorger und Verbraucher unterstützen. Es fördert Forschungs- und Entwicklungsarbeiten, die sich auf Einzelanlagen oder größere Zusammenhänge wie Kommunen bis hin zu ländlichen Regionen beziehen. Thematisch kommen Wärmenetze und -speicher, virtuelle Kraftwerke, Gasaufbereitung, Strom- oder Gastankstellen, die Kopplung mit Sonne, Wind & Co. und vieles weitere in Frage. Eine Investitionsförderung ist nicht möglich, wohl aber die Unterstützung von Prototypen, betrieblichem Mehraufwand oder auch begleitender Öffentlichkeitsarbeit.

In einer ersten Phase fördert das BMEL die Ausarbeitung der Konzepte in Form von Durchführbarkeitsstudien, die auch betriebswirtschaftliche Aspekte und Klimaschutzbeiträge umfassen. Ein Gutachtergremium wählt daraus die besten Ansätze aus, die dann im Rahmen von Pilotprojekten in die Praxis umgesetzt und wissenschaftlich begleitet werden.

Einreichungsfrist für Skizzen: 15.3.19

Gefördert aus: Förderprogramm Nachwachsende Rohstoffe

Methanaufbereitung; Bild: MT-Energie GmbH
Methanaufbereitung; Bild: MT-Energie GmbH
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