Auswirkungen der flexiblen Biogasproduktion auf die Effizienz von landwirtschaftlichen Biogasanlagen

Abstract

In future energy systems based on renewable energies, biogas plants can make a significant contribution to stabilizing the electricity grids. However, this requires demand-flexible and load-driven electricity production, which is only made possible by flexible biogas production with extremely versatile feed management. From the process engineering and process biology point of view, this demand-flexible operation represents a major challenge for the operation of biogas plants. Technically, this demand-flexible biogas production requires a complete utilization of the existing fermenter volume, which in turn requires an optimal mixing of the substrates in the fermenter. Similarly, a continuous high-resolution monitoring of the produced biogas composition is also necessary to detect process disturbances or overloads that begin at an early stage. The objective of this work was to test and optimize new measuring methods for the flow velocity measurement and the mixing quality in the biogas reactor. Furthermore, to achieve a high-resolution gas quality measurement, practical scale tests were conducted. From these results, conclusions about possibilities and limitations of a flexibilisation of the biogas production shall be derived. Stirring is one of the most important processes in biogas production. The power input was intended to generate turbulent flows and thus ensure uniform distribution of nutrients and homogeneous temperatures throughout the reactor and avoid sinking and floating layers. In order to be able to assess and optimize these mixing processes, investigations of flow velocities in the fermenter were carried out using a magnetic-inductive measuring system. Additionally, flow profiles were created as a function of the DM content and the viscosity of the fermentation substrate. At a DM content of 9.45% in the fermenter, the average flow velocity measured was 87.5 cm/s. The DM content and the viscosity of the fermenting substrate were also taken into account. This dropped to 0.96 cm/s with a DM content of 9.95%. For the further description of the mixing quality, spatially dissolved nutrient samples were taken from the entire fermenter to determine the biological parameters. It was proven that the punctual input of the solid biomass via the solid input leads to a locally increased DM content and increased concentrations of organic acids in the vicinity of the input. In contrast to the laboratory tests using the process tomography method, no zone was found in the fermenter at which process disturbances were present. Furthermore, in contrast to laboratory tests, no biologically inactive zones could be detected in the fermenter of the research biogas plant. In further investigations, a photoacoustic sensor with a newly developed measuring system for determining the methane and carbon dioxide concentrations of the biogas was installed, tested and optimized for the first time in a biogas plant in the field. The basic applicability of such a system in biogas plants could be demonstrated. The achieved data density was significantly higher than that of conventional devices with a very high precision of the measured values. Using this innovative measuring technique, a flexible substrate supply and its influence on the product gas quality was subsequently evaluated. Substrates with different degradation behavior and different specific methane yields were fed to the fermenter. The influence of the specific substrate used in biogas production was reflected in the biogas quality. In particular, the relation between the relative change in gas quantity and quality makes it possible to detect process changes at an early stage. The presented studies have created a basis that enables a demand-oriented biogas production: Even with high substrate quantities that are fed to the fermenter, a high mixing quality can be achieved in the fermenter with an appropriate design of the agitators, which also prevents local process overloads. The investigations prove that, despite very low flow rates, there is sufficient nutrient supply for the microorganisms. The newly developed sensors for determining the biogas composition provide measured values with high precision and high temporal resolution, so that possible process disturbances can be detected very early. The investigations contribute to optimizing future demand-oriented electricity production on the basis of demand-flexible feeding in biogas plants. As a result, biogas plants can fulfil an important system service in a renewable energy based grid by decentrally stabilizing the electricity supply.

Biogasanlagen können in zukünftigen, auf erneuerbaren Energien basierenden Energiesystemen, einen wesentlichen Beitrag zur Stabilisierung der Stromnetze leisten. Dazu ist jedoch eine lastflexible und bedarfsorientierte Stromproduktion notwendig, die erst durch eine flexible Biogasproduktion mit sehr variablem Fütterungsmanagement ermöglicht wird. Dieser lastflexible Betrieb stellt aus Sicht der Verfahrenstechnik und der Prozessbiologie eine große Herausforderung für den Betrieb von Biogasanlagen dar. Technisch setzt diese lastflexible Biogasproduktion eine vollständige Nutzung des vorhandenen Fermentervolumens voraus, was wiederum eine optimale Durchmischung der Substrate im Fermenter erfordert. Ebenso ist eine kontinuierliche, hochaufgelöste Überwachung der Zusammensetzung des produzierten Biogases notwendig, um frühzeitig beginnende Prozessstörungen oder -überlastungen erkennen zu können. Als einer der wichtigsten Prozesse in der Biogasproduktion ist das Rühren einzuordnen. Die eingetragene Leistung soll turbulente Strömungen erzeugen und damit eine gleichmäßige Verteilung der Nährstoffe und homogene Temperaturen im gesamten Reaktor gewährleisten sowie Sink- und Schwimmschichten vermeiden. Um diese Mischprozesse beurteilen und optimieren zu können, wurden im ersten Schritt mittels magnetisch-induktivem Messsystem Untersuchungen zu Strömungsgeschwindigkeiten im Fermenter durchgeführt und damit in Abhängigkeit des TS-Gehaltes und der Viskosität des Gärsubstrates Strömungsprofile erstellt. Bei einem TS-Gehalt im Fermenter von 9,45% betrug die mittlere gemessene Geschwindigkeit 87,5 cm/s. Diese fiel auf 0,96 cm/s bei einem TS-Gehalt von 9,95% ab. Für die weitere Beschreibung der Mischgüte wurden räumlich aufgelöste Nährstoffproben aus dem gesamten Fermenter gezogen. Es konnte nachgewiesen werden, dass der punktuelle Eintrag der festen Biomasse über den Feststoffeintrag zu einem lokal erhöhten TS-Gehalt und erhöhten Konzentrationen von organischen Säuren in der Nähe des Eintrages führten. Im Gegensatz zu den Laboruntersuchungen mit dem Verfahren der Prozesstomographie war jedoch keine Zone im Fermenter zu finden, an welcher Prozessstörungen vorlagen. Des Weiteren konnten, im Gegensatz zu Laboruntersuchungen, keine biologisch inaktiven Zonen im Fermenter der Forschungsbiogasanlage detektiert werden. In weiteren Untersuchungen wurde erstmals ein photoakustischer Sensor mit einem neuentwickelten Messsystem zur Bestimmung des Methan- und Kohlenstoffdioxidanteils des Biogases an einer Praxisbiogasanlage installiert, erprobt und optimiert. Die grundsätzliche Anwendbarkeit eines solchen Systems in Biogasanlagen konnte gezeigt werden. Die erzielte Datendichte lag deutlich über deren konventioneller Geräte bei einer sehr hohen Präzision der Messwerte. Mittels dieser innovativen Messtechnik wurde anschließend eine flexible Substratzufuhr und deren Einfluss auf die Produktgasqualität evaluiert. Dazu wurden Substrate mit unterschiedlichem Abbauverhalten und unterschiedlichen spezifischen Methanerträgen dem Fermenter zugeführt (Pferdemist, Grassilage, Maissilage). Die Beeinflussung der Biogasproduktion durch das verwendete Substrat konnte sehr gut in der Biogasqualität aufgezeigt werden. Insbesondere die Relation zwischen der relativen Veränderung der Gasmenge und -qualität ermöglichte es, frühzeitig Prozessveränderungen zu erkennen. In den vorliegenden Studien wurde eine Grundlage geschaffen, die eine bedarfsgerechte Biogasproduktion ermöglicht: Selbst bei hohen Substratmengen, die dem Fermenter zugeführt werden, kann bei einer entsprechenden Auslegung der Rührwerke eine hohe Mischgüte im Fermenter erreicht werden, die auch lokale Prozessüberlastungen verhindert. Die Untersuchungen belegen, dass trotz sehr geringen Strömungsgeschwindigkeiten eine ausreichende Nährstoffversorgung der Mikroorganismen vorliegt. Die neu entwickelten Sensoren zur Bestimmung der Biogaszusammensetzung liefern Messwerte mit einer hohen Präzision und hoher zeitlicher Auflösung, so dass mögliche Prozessstörungen sehr frühzeitig erkannt werden können. Insgesamt tragen die Untersuchungen dazu bei, dass Biogasanlagen zukünftig mittels bedarfsgerechter Stromproduktion auf Basis einer lastflexiblen Fütterung dezentral die Stromnetze stabilisieren können und somit eine wichtige Systemdienstleistung in einem Energienetz erfüllen, das auf erneuerbaren Energien beruht.