Optimierung der Prozesskette zur Methangewinnung aus Grünlandaufwuchs mittels Biogastechnologie

Dem Einsatz von Gras in der landwirtschaftlichen Biogaserzeugung, kommt in Praxis besonders in einigen Regionen in Bayern, eine hohe Bedeutung zu.
Die Forschungsarbeiten, die am Institut für Landtechnik und Tierhaltung der Bayerischen Landesanstalt für Landwirtschaft im Rahmen des Biogas-Crops-Network durchgeführt wurden, sollten dazu dienen den Einfluss der Silierung nachwachsender Rohstoffe auf die Methanausbeute pflanzlicher Substrate aufzuklären, um Maßnahmen zur Optimierung der Methanausbeute sowie zur Verbesserung der Prozesskontrolle zu definieren. Die Untersuchungen erfolgten mit unterschiedlich aufbereiteten Grasschnitten, die als Monosubstrat zur Methanisierung eingesetzt wurden.

Zielsetzung

Aufgabenbereich 1: Optimierung der Substrataufbereitung von Gras

Hierzu wurde die Bedeutung der Einstellung der theoretischen Schnittlänge am Häcksler (4, 9, und 15 mm) und des Einsatzes von Silierhilfsmitteln (hetero- und homofermentative Milchsäurebakterien) auf die Qualität und den Methanertrag von Grassilagen untersucht. Das Gras wurde dazu unter praxisnahen Bedingungen gewonnen, in Laborfermentern einsiliert, später laboranalytisch beschrieben und in einem Batchversuch zur Ermittlung des potentiellen Gasertrages anaerob vergoren.

Aufgabenbereich 2: Aspekte der Monovergärung von Grassilagen

Aufbauend auf den Erkenntnissen des ersten Aufgabenbereiches wurde die Monovergärung zur Methanbildung im semikontinuierlich, einstufigen Durchflussversuch in Abhängigkeit von Temperatur und Raumbelastung geprüft. Hierzu kam Grassilage aus Laborsilos zum Einsatz.
Dabei galt es neben der Bedeutung der Substratvorbehandlung, die mögliche Vorzüglichkeit höherer Gärtemperaturen für die Vergärung proteinreicher nachwachsender Rohstoffe und die spezifischen Probleme der Mono-Grasvergärung aufzuklären.

Methode

Durchführung von Batch-Gärtests zur Ermittlung der potentiellen Biogas- und Methanausbeuten des Grünlandaufwuchses
Durchführung von semikontinuierlichen Gärversuchen mit Grünlandaufwuchs zur Ermittlung der langfristigen Prozessstabilität und der prozessbiologischen Grenzen (Raumbelastungssteigerung)
Die Durchflussversuche zur Biogaserzeugung erfolgten unter mesophilen (38°C) und thermophilen (55°C) Betriebsbedingungen. Dabei wurde das Gasbildungs- und Abbauverhalten der Grassilagen bei unterschiedlichen Raumbelastungen und Verweilzeiten untersucht.

Ergebnisse

Für die Vergärung von Grassilage genügt es eine ‚normale’ Silagequalität zur Verfügung zu stellen. Die getesteten Silierhilfsmittel hatten keinen Einfluss auf den spezifischen Biogasertrag.
Die Schnittlänge zu dem geprüften Schnittzeitpunkt differenzierte im Batchversuch nicht den spezifischen Biogasertrag. Nichtsdestotrotz ist für die Grassilage eine möglichst geringe Schnittlänge anzustreben, um physikalisch-technische Probleme im Bereich des Rührens oder Pumpens zu vermeiden.
Der Stickstoffeintrag durch die Grassilage stellt die größte Schwierigkeit in der langfristigen Prozessstabilität dar. Für diesen sind evtl. anlagenspezifische Lösungsmöglichkeiten zu prüfen.
Die Gärtemperatur beeinflusste maßgeblich die Stabilität des Abbauprozesses im Durchflussversuch. Unter mesophilen Bedingungen konnte eine langfristige Prozessstabilität bis zu einer Raumbelastung von
2 kg_oTM*m^-3*d^-1 aufgezeigt werden. Thermophil war der Prozess frühzeitiger instabil, was primär an der Anreicherung von Propionsäure erkennbar war.
Die üblicherweise empfohlenen Parameter (Essigsäureanreicherung, pH-Wert, Propionsäureanreicherung, FOS/TAC) zur Begleitung und präindikativen Bewertung des Abbauprozesses erwiesen sich in diesen Versuchen, mit Ausnahme von Propionsäure, als ungeeignet. Es ist zu prüfen, ob dies als typisch für die Mono-Grasfermentation anzusehen ist.

Diverse Säulendiagramme: Mittelwert und Standardabweichung des spezifischen Methanertrages

Mittelwert und Standardabweichung des spezifischen Methanertrages in jedem Durchflussfermenter unter meso- und thermophilen Bedingungen in der steady-state-Phase vor jeder Raumbelastungssteigerung (oben die Daten des ersten, unten des zweiten Durchflussversuches).

Projektinformation
Projektleitung: Dr. Andreas Gronauer
Projektbearbeitung: Diana Andrade, Tim Metzer, Dr. Hauke Heuwinkel
Laufzeit: 2005-2008
Finanzierung: Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)
Projektpartner:
Leibniz-Institut für Agrartechnik Bornim e.V., Potsdam (ATB), Brandenburgische Technische Universität Cottbus (BTU), Bundesforschungsanstalt für Landwirtschaft Braunschweig-Völkenrode (FAL), Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg ((HAWH), Humboldt-Universität zu Berlin (HUB), Institut für Agrar- und Stadtökologische Projekte an der Humboldt-Universität zu Berlin (ISAP), Technische Universität München (TUM-WSS), Universität Hohenheim (UH), Universität Heidelberg Simulation Technology (UH-SIT)