BioGas Maritim: Kooperationsnetzwerk zur Technologieentwicklung für die energetische Verwertung maritimer Abfälle
© Agrar- und Umweltwissenschaftliche Fakultät Rostock (6/2015)
Umweltschutz und Energieeffizienz sind zentrale Themen im maritimen Wirtschaftssektor. Neben hohen Schiffsemissionen, insbesondere während der Hafenliegezeiten, fallen enorme Abwasser- und Abfallmengen an. Das Ziel des Netzwerkes liegt in der Erschließung maritimer Abfallströme, deren energetischen Verwertung durch angepasste Biogastechnologien sowie deren klimafreundlichen Entsorgung unter Einhaltung rechtlicher Vorschriften. Auf diese Weise soll es gelingen Emissionen zu reduzieren, Entsorgungskosten zu verringern und einen Beitrag zur umweltfreundlichen Energieversorgung zu leisten.

Exergoökonomische Analyse der Biogaserzeugung aus Rest- und Abfallstoffen für den Einsatz in Energieumwandlungsanlagen
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Biogene Rest- und Abfallstoffe unterliegen anderen Rahmenbedingungen als sonstige nachwachsende Rohstoffe. Auch die Ziele für deren Einsatz in Umwandlungsanlagen sind andere. Während beim Einsatz nachwachsender Rohstoffe die Energieumwandlung zur Strom-und Wärmeerzeugung fokussiert wird, geht es bei biogenen Rest- und Abfallstoffen vorrangig um deren Entsorgung. Unter Zuhilfenahme des Nachhaltigkeitsansatzes „cradle to cradle” („von der Wiege bis zur Wiege”) wird die Suche nach weiteren Nutzungsmöglichkeiten dieser Einsatzstoffe interessant.

Anbaueignung von Riesenstaudenknöterich als alternatives Substrat für Biogasanlagen
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Energiepflanzen bieten die Chance die Vielfalt von Agrarlandschaften und somit die Biodiversität zu erhöhen, indem nicht zur Nahrung und Fütterung verwertbare Kulturen neu in das Anbauportfolio aufgenommen werden. Dabei haben Dauerkulturen das Potential die Forderungen nach ökologisch vorteilhaften und ökonomisch lohnenswerten alternativen Substraten miteinander zu kombinieren. Der Riesenstaudenknöterich ist in der Nutzungsphase sowohl arbeitsextensiv als auch frei vom Einsatz von Pflanzenschutzmitteln und passt somit prinzipiell in das Konzept der neuen Energiepflanzen. In zwei Schnitten werden in Abhängigkeit von der Düngung nach übereinstimmenden Berichten bis zu 17 t TM/ha geerntet. Trotz guter Siliereigenschaften rangieren die spezifischen Methanausbeuten zwischen 135-180 l Methan/kg oTS. Der resultierende Methanhektarertrag beeinflusst die Wettbewerbsfähigkeit der Kultur und somit die Akzeptanz im praktischen Anbau negativ. Ohne Optimierung der spezifischen Gasausbeute ist in den kommenden Jahren von keiner nennenswerten Anbauausweitung des Riesenstaudenknöterichs auszugehen.

Erweitertes Auswerteverfahren für Biogas-Batch- Versuche zur quantifizierbaren Darstellung zeitlicher Verläufe
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Derzeit ist eine erhebliche Ausweitung des Spektrums an Einsatzstoffen für Biogasanlagen zu verzeichnen. Für viele dieser Substrate ist der spezifische Biogasertrag als alleiniges Bewertungskriterium ohne quantitative Aussagen zum zeitlichen Verlauf der Biogas- und Methanbildung ungeeignet. Messmethoden, bei denen auch kinetische Parameter der Biogasbildung erfasst werden können, stehen bisher nur in kleinem Versuchsmaßstab zur Verfügung. Der experimentelle Ansatz für Batch-Versuche mit großen Gärgefäßen und Folienbeuteln hat den Vorteil großer Probeneinwaagen bei nur minimaler Probenaufbereitung, erlaubt jedoch durch vergleichsweise lange Messintervalle in der Regel keine Aussagen zum zeitlichen Verlauf. Durch das vorgestellte Versuchsdesign sowie die verbesserte Auswertungsmethode wird die Aussagefähigkeit dieser Versuche wesentlich erweitert. Das Verfahren wird am Beispiel zweier Partien Weizenstroh erläutert. Es konnten erhebliche Unterschiede sowohl im Biogasertrag als auch hinsichtlich der Abbaukinetik zwischen den beiden Strohpartien nachgewiesen werden.

Das TCR®-Verfahren – Chancen und Möglichkeiten der Effizienzsteigerung von Biogasanlagen
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Durch die geplante Novellierung der Düngeverordnung (DüV) soll die Ausbringungsobergrenze für Stickstoff auch auf Gärreste pflanzlicher Herkunft ausgeweitet werden. Dies führt zu einer Verknappung der Flächen für die Ausbringung von Wirtschaftsdüngern und Gärresten vor allem in Gebieten mit einer hohen Dichte an Biogasanlagen und Viehzuchtbetrieben. Dies kann wiederum zu einer Erhöhung der Kosten für die Ausbringung der Gärreste in Nährstoffüberschussgebieten führen.

Betriebsstrategien für Biogasanlagen – Zielkonflikt zwischen netzdienlichem und wirtschaftlich orientiertem Betrieb
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In einem intelligenten Energiesystem müssen „Smart Grid“ und „Smart Market“ Hand in Hand gehen (Aichele et. al, 2014). Änderungen am rechtlichen Rahmen, insbesondere im Erneuerbaren-Energien-Gesetz (EEG) haben zum Ziel, die Anforderungen zur Erhöhung der Erzeugung erneuerbarer Energien (EE) sowie zur Markt- und Systemintegration von EE in Einklang zu bringen (siehe hierzu Schwarz, 2014). Dies entscheidet, ob der Betrieb einer modernen EE-Anlage sowohl die Maximierung eigener Gewinne (Smart Market) als auch die Entlastung der übergeordneten Netze (Smart Grid) zum Ziel haben kann oder auf nur einen Aspekte ausgerichtet ist.

Langzeitstudie zum Wirkungsgrad von Gärstrecken von 5 Biogasanlagen
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In der vorliegenden Studie wurden die Gärstrecken von 5 Biogasanlagen hinsichtlich ihres energetischen Umsatzgrades/Wirkungsgrades wöchentlich über eine Dauer von 52 Wochen untersucht. Dabei wurde die Methode der „Theoretischen 100 %“ verwendet, bei der die Eingangs- und Ausgangsstoffe aufgrund Ihrer Brennwertes bewertet werden. Die Messwerte wurden mittels Zeitreihenanalyse ausgewertet. Die errechneten energetischen Wirkungsgrade der 5 Anlagen liegen durchschnittlich zwischen 67,0 und 77,4 %. Im Jahresverlauf schwankten diese Werte bei einer Anlage bis ±11%. Daraus geht die Notwendigkeit einer regelmäßigen, wenigstens wiederholten Messung der Effizienz hervor, wenn solide ökonomische Entscheidungen getroffen werden sollen. Die Schwankungen im Wirkungsgrad waren vordergründig durch die schwankende Energiezufuhr mit den Substraten zu begründen. Die vor verdauten Reststoffe (tierische Exkremente) schwankten deutlich stärker in ihrem spezifischen Brennwert als die eingesetzten Energiepflanzen. Substratwechsel und erhöhte Futtermengen führten ebenfalls zu sichtbaren Schwankungen im Wirkungsgrad. Die Langzeituntersuchung des Wirkungsgrades von Biogasanlagen mittels Zeitreihenanalyse ermöglicht es, Veränderungen der Anlageneffizienz auf Ursachen in der Vergangenheit zurückzuführen.

Analytische Untersuchung der thermischen Optimierung von Biogasanlagen
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Eine Wirtschaftlichkeit von Biogasanlagen ist mit den neuen gesetzlichen Rahmenbedingungen schwieriger darstellbar als mit den Bonussystemen der vorangegangen Novellierungen des EEG. Um diese zu steigern ergeben sich mehrere Varianten, die oftmals mit weiteren Investitionen verbunden sind. Direkte technische Verbesserungen, aus denen schnelle ökonomische Erfolge resultieren, bedürfen daher einer genaueren Analyse der Randbedingungen. Im Rahmen dieses Beitrages wird der Wärmebereich landwirtschaftlicher Biogasanlagen untersucht, insbesondere die Optimierung des Eigenwärmebedarfs, die in der Vergangenheit kaum berücksichtigt wurde und somit einiges an Potential erwarten lässt. Als Datengrundlage dienen 10-jährige Dokumentationen von Eigenwärmeverbräuchen, Fütterungsprotokolle sowie Temperaturmessungen verschiedener Wärmebilanzparameter wie Substrat, Biogas, Umgebung etc. Nach Auswertung der Messungen und erster Bilanzierungen wurde festgestellt, dass die Aufrechterhaltung der Fermentertemperatur die meiste Wärmeenergie verbraucht und gleichzeitig auch das größte Optimierungspotenzial aufweist. Erste Optimierungsmöglichkeiten im Substratbereich wurden identifiziert, wie passive und aktive Dämmung der Substrat-Einbringsysteme und Wärmerückgewinnung aus dem Nachgärablauf. Dabei wurden Einsparpotenziale von mehreren hundert Megawattstunden im Jahr kalkuliert, je nach Menge und Temperaturanhebung der eingesetzten Substrate.

Prozessbegleitende Simulation zur Betriebsüberwachung von Biogasanlagen
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Biogasanlagen sind verfahrenstechnische Anlagen, die auf komplexen biochemischen Prozessen basieren. Für landwirtschaftliche Biogasanlagen ist festzustellen, dass oft die notwendige Messtechnik fehlt, um den aktuellen Prozesszustand so beurteilen zu können, dass daraus das kurz- und mittelfristige Anlagenverhalten abgeleitet werden kann. Durch die Implementierung von mathematischen Modellen, wie z.B. das ADM1 und dessen Weiterentwicklungen, in Simulationssoftware ist es möglich, Biogasanlagen verfahrens- und regelungstechnisch als Prozessmodelle abzubilden.

Wirtschaftliche Bewertung von Anlagenkonzepten zur Bioabfallvergärung
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Gegenwärtig spielt der Einsatz von Bio- und Grünabfällen aus getrennter Sammlung, gewerblichen organischen Abfällen (Lebensmittel; Speisereste aus Kantinen, Großküchen und Gastronomie) sowie Abfällen aus der Nahrungsmittelindustrie bei der Biogaserzeugung in Deutschland nur eine untergeordnete Rolle. Die Zahl der Abfallvergärungsanlagen steigt jedoch kontinuierlich. Infolge der Novellierungen des Erneuerbaren-Energien-Gesetz (EEG) 2012 und 2014 rückt die Vergärung von Bioabfällen neben der Installation von landwirtschaftlichen Gülle- Kleinanlagen stärker in den Fokus. Zum Stand 31.12.2014 sind in Deutschland knapp 140 Abfallvergärungsanlagen in Betrieb, die ausschließlich oder überwiegend organische Abfälle vergären. Dabei werden in 83 Anlagen Bio- und Grünabfälle aus der getrennten Sammlung (Biotonne) eingesetzt – mit sehr unterschiedlichen Anteilen am Gesamtinput der Anlage. Insgesamt handelt es sich nach Datenlage des DBFZ bei 68 Anlagen um Bioabfallvergärungsanlagen, in denen ausschließlich oder überwiegend Bioabfälle gemäß § 27a EEG 2012 bzw. § 45 EEG 2014 Einsatz finden. Mit der im EEG 2012 eingeführten Direktvermarktung und der Flexibilitätsprämie wurden weitere Anreize geschaffen, die auf eine stärker systemorientierte Stromeinspeisung von Biogasanlagen abzielen. Inwieweit diese Erwartungshaltung umgesetzt wird, entscheidet die Wirtschaftlichkeit über die Gesamtbetriebslaufzeit. Eine Verdopplung der installierten elektrischen Leistung stellt für eine durchschnittliche Modellanlage gegenwärtig die wirtschaftlich sinnvollste Variante dar.

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