Optimierung der Konservierung und der anaeroben Konversion von Zuckerrüben zur Nutzung in flexiblen Biogassystemen

Abstract

Biogas production is well suited to balance the fluctuating electricity production from the renewable energy sources sun and wind. Due to the currently unfavorable conditions in the renewable energy supply policy in Germany, time is spent looking for alternatives for electricity production from biogas. The preparation for natural gas quality for fuel production or for natural gas grid injection would be such an alternative but requires process improvements to reduce costs. One approach would be to use two-stage biogas production, as there is a high methane content in the produced biogas, thus reducing the cost of processing to natural gas quality. A suitable substrate for both applications would be sugar beet, due to its fast biodegradability and good methane yields. The preservation of sugar beets for year-round provision has so far been problematic because it can cause high losses. In addition, it can cause process biological problems, if it is used in high proportions. In the context of this work, the use of sugar beets for biogas production was tested using these promising methods. For this purpose, storage experiments were carried out and new storage methods for the practice were developed and tested, all of which are primarily aimed at the use of sugar beet silage effluent. Practice-based point-feeding experiments were used to test its suitability for demand-oriented biogas production. Furthermore, the optimization of the two-stage biogas production from sugar beet was carried out. For this purpose, an experiment was conducted in the biogas laboratory to determine the optimum hydrolysis pH during the fermentation of sugar beet silage. In order to develop a new, optimal method for the storage of sugar beets, further knowledge regarding the process of ensiling sugar beets, the silage effluent formation and the influencing parameters was required. Therefore, mass balances were carried out in the column experiments in the laboratory of the State Institute of Agricultural Engineering and Bioenergy to determine the influence of the parameters stack height and sugar beet chips size on the silage effluent formation during the ensiling process of the chopped sugar beets. Silage effluent was produced in amount about 50% of the stored mass. About half of the silage effluent production took place during the first three weeks of storage. The produced silage effluent was characterized over the entire storage time by extremely high COD-values of 250 g l-1. The parameters stack height and particle size had no significant influence on the mass balance. On the basis of the results of the column experiments, a mobile and a stationary method on a technical scale for the storage of sugar beets were investigated. In the mobile variant, the flexible tanks, washed, chopped sugar beet was ensiled. Considering the goal to maximize silage effluent yield, the ensiling of chopped sugar beet was superior to the ensiling of whole beet. Also, soil removal is advantageous for silage effluent production as well as for silage quality. Storage in the stationary pit silos proved to be technically advantageous, and it promises to be well suited for the intended applications when in combination with washed and chopped beets. The application of produced silage effluent for demand-oriented biogas production was carried out at the research biogas plant of the University of Hohenheim. The system’s response observed as an increase in biogas production took place a few minutes after the point feeding with sugar beet silage effluent. As a result of the point feeding, the produced volumetric biogas flow rate was doubled without endangering the stable biogas plant operation. The maximum gas production was reached after about 1:45 h. In this work, a concept for the use of sugar beet for the production of high calorific biogas was tested, based on the two-stage anaerobic digestion. The experimental plants consisted of a horizontal stirred tank reactor for hydrolysis and two combined fixed bed reactors used as a methane reactor. The influence of the pH value in the hydrolysis stage on the anaerobic digestion of sugar beet silage was tested. High degradation rates and methane yields demonstrated the overall suitability of this system for sugar beet silage digestion. The best compromise of the process parameters degradation rate in complete system and methane yield was achieved at a pH value of 6. The investigation carried out for this work shows, that the concept of a new sugar beet storage method, with a focus on sugar beet silage effluent production, is well suited for demandoriented biogas production as well as for the production of a high calorific biogas by means of the two-stage biogas process.

Die Biogasproduktion ist gut geeignet, um die fluktuierende Stromproduktion aus den erneuerbaren Energieträgern Sonne und Wind auszugleichen. Zeitgleich werden, aufgrund der zurzeit ungünstigen Förderbedingungen des EEG, Alternativen für die Stromproduktion aus Biogas gesucht. Die Aufbereitung auf Erdgasqualität zur Treibstoffproduktion oder zur Einspeisung ins Erdgasnetz wäre eine solche Alternative, benötigt aber verfahrenstechnische Verbesserungen zur Kostenreduktion. Ein Ansatz wäre die Nutzung der zweistufigen Biogasproduktion, da diese es ermöglicht, ein Biogas mit einem hohen Methangehalt zu produzieren und damit der Aufwand zur Aufbereitung auf Erdgasqualität sinkt. Ein geeignetes Substrat für beide Anwendungen wäre die Zuckerrübe aufgrund ihrer schnellen Abbaubarkeit und guten Methanerträge. Die Konservierung der Zuckerrübe zur ganzjährigen Bereitstellung ist bisher aber problematisch, da dabei hohe Verluste auftreten können. Zudem kann sie, in hohen Anteilen eingesetzt, prozessbiologische Probleme verursachen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde der Einsatz von Zuckerrüben zur Biogasproduktion in diesen zukunftsträchtigen Verfahren getestet. Dazu wurden Lagerungsversuche durchgeführt und neue Lagerungsmethoden für die Praxis erprobt, die primär auf die Verwendung des Zuckerrübensickersaftes abzielen. Dieser wurde in Stoßfütterungsversuchen im Praxismaßstab auf seine Eignung zur bedarfsorientierten Biogasproduktion untersucht. Außerdem erfolgte die Optimierung der zweistufigen Biogasproduktion aus Zuckerrüben. Hierzu wurde ein Versuch im Biogastechnikum zum optimalen Hydrolyse-pH-Wert bei der Vergärung von Zuckerrübensilage durchgeführt. Um ein für die Lagerung von Zuckerrüben optimiertes Verfahren zu entwickeln, waren vertiefte Kenntnisse über den Verlauf der Silierung von Zuckerrüben, die gebildeten Sickersaftmengen und deren beeinflussende Parameter erforderlich. Deswegen wurden in dem Säulenversuch im Labor der Landesanstalt für Agrartechnik und Bioenergie Massenbilanzen erstellt, um den Einfluss der Parameter Stapelhöhe und Schnitzelgröße auf die Sickersaft-bildung während des Silierungsprozesses von den gehäckselten Zuckerrüben zu bestimmen. Als Sickersaft fielen etwa 50% der eingelagerten Masse an. Etwa die Hälfte der Sickersaftproduktion fand in den ersten drei Lagerungswochen statt. Der produzierte Sickersaft zeichnete sich während der gesamten Lagerungszeit durch sehr hohe CSB-Werte von etwa 250 g l-1 aus. Die untersuchten Parameter Stapelhöhe und Partikelgröße hatten keinen signifikanten Einfluss auf die Massenbilanz. Auf der Grundlage der Ergebnisse der Säulenversuche wurden zwei Varianten der Lagerung im technischen Maßstab entwickelt und untersucht: eine ortsgebundene und eine mobile Variante. In der ortsgebundenen Variante, den Hohenheimer Grubensilos, wurden ungewaschene, ganze Zuckerrüben eingesetzt. In der mobilen Variante, den flexiblen Tanks, wurden gewaschene und gehäckselte Zuckerrüben einsiliert. In Anbetracht des Zieles, den Sickersaftertrag zu maximieren, war die Silierung gehäckselter Zuckerrüben der Silierung ganzer Rüben überlegen. Auch das Entfernen des Erdanhangs war für die Sickersaftproduktion wie auch für die Qualität der Silage von Vorteil. Die Lagerung in den ortsgebundenen Grubensilos erwies sich als verfahrenstechnisch vorteilhaft und verspricht in Kombination mit gewaschenen und gehäckselten Rüben eine gute Eignung für die beabsichtigten Anwendungen. Die Verwendung des produzierten Sickersaftes für die bedarfsorientierte Biogas-produktion wurde an der Forschungsbiogasanlage der Universität Hohenheim durchgeführt. Die Reaktion des Systems in Form erhöhter Biogasproduktion erfolgte wenige Minuten nach der Stoßfütterung mit dem Sickersaft. Infolge der Stoßfütterung wurde die produzierte Biogasmenge, ohne Anzeichen prozessbiologischer Probleme, verdoppelt. Das Maximum der Gasproduktion wurde nach etwa 1:45 h erreicht. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Konzept für den Einsatz von Zuckerrüben zur Herstellung von hochkalorischem Biogas – basierend auf der zweistufigen Biogasproduktion – getestet. Die Versuchsanlagen bestanden aus einem horizontalen Rührkesselreaktor als Hydrolyse und zwei kombinierten Festbettreaktoren als Methanreaktor. Es wurde der Einfluss des pH-Werts in der Hydrolyse auf die zweistufige Vergärung von Zuckerrübensilage geprüft. Gute Abbaugrade und Methanerträge zeigten die generelle Eignung dieses Systems für die Vergärung von Zuckerrübensilage. Der beste Kompromiss der Prozessparameter Gesamtabbaugrad und Methanertrag wurde beim pH-Wert 6 erreicht. Die für diese Arbeit durchgeführten Untersuchungen zeigen, dass das Konzept der neuen Zuckerrübenkonservierungsmethode, mit Fokus auf die Sickersaftproduktion, sowohl für die bedarfsorientierte Biogasproduktion als auch zur Produktion eines hochkalorischen Biogases mittels des zweistufigen Biogasverfahrens gut geeignet ist.