Wissenschaftliche Begleitung von Pilotbetrieben zur Biogasproduktion in Bayern

Die landwirtschaftliche Biogaserzeugung zur Bereitstellung von Strom und Wärme, welche vor 15 Jahren noch im Wesentlichen ein Betätigungsfeld für Idealisten war, ist mittlerweile zu einem wichtigen Produktionszweig der Landwirtschaft geworden. Angesichts der erheblichen Investitions- und Betriebskosten einer Biogasanlage sind hohe Anforderungen an deren Zuverlässigkeit und Wirtschaftlichkeit zu stellen. Hier hat es in den letzten Jahren durch konstruktive Weiterentwicklung und teilweise Standardisierung der Komponenten deutliche Verbesserungen gegeben. Gleichzeitig hat die Komplexität der Anlagen zugenommen.

Um den technischen Fortschritt und den Betriebserfolg landwirtschaftlicher Biogasanlagen abzubilden, sind Messungen und Beobachtungen in der Praxis erforderlich. Die LfL wurde daher vom Bayerischen Staatsministerium für Landwirtschaft und Forsten innerhalb des Aktionsprogramms Biogas beauftragt, zehn landwirtschaftliche Biogasanlagen, die so genannten „Bayerischen Pilotbetriebe zur Biogasproduktion“, wissenschaftlich zu begleiten und hinsichtlich verfahrenstechnischer, ökonomischer und ökologischer Aspekte zu bewerten.

Ziele

Die wissenschaftliche Begleitung der Bayerischen Pilotbetriebe zur Biogasproduktion ('Pilotanlagen') hat die folgenden Ziele:

den Kenntnisstand über den Betriebserfolg landwirtschaftlicher Biogasanlagen unterschiedlicher Konzeption und an verschiedenen Standorten zu erweitern und zu vertiefen,
den technologischen Fortschritt und strukturelle Veränderungen abzubilden,
technische und konzeptionelle Schwachstellen aufzudecken und Erkenntnisse für eine Problemanalyse und –lösung zu gewinnen,
Biogasanlagen mit Vorbildfunktion zu dokumentieren und somit
eine unabhängige Informationsquelle für potentielle Investoren bzw. Betreiber von Biogasanlagen zu schaffen.

Methode

Es wurden zehn Biogasanlagen an unterschiedlichen Standorten in Bayern über einen Zeitraum von zweieinhalb Jahren wissenschaftlich begleitet und bewertet. Von den Pilotanlagen wurde eine umfangreiche Dokumentation mit Planunterlagen, 3D-Modell, Poster, Rendering und Dokumentationsmappen erstellt.

Begleitet wurden sowohl Anlagen, in denen überhaupt keine bzw. lediglich sehr geringe Mengen an tierischen Exkrementen eingesetzt wurden, als auch Anlagen, in denen tierische Exkremente aus dem eigenen oder einem fremden landwirtschaftlichen Betrieb verwertet wurden.
Das Spektrum der elektrischen BHKW-Leistung lag bei 250 bis 630 kW. Die durchschnittlichen Gesamtraumbelastungen der Pilotanlagen lagen bei 1,9 bis 3,1 kg_oTM pro m^-3 * d^-1 und damit auf niedrigem bis leicht überdurchschnittlichem Niveau. Die rechnerische hydraulische Verweilzeit im gesamten Fermentersystem betrug 62 bis 141 Tage.

Ergebnisse

Gärparameter

Anlagen, in denen es während der wissenschaftlichen Begleitung zu einer längerfristigen Destabilisierung des Gärprozesses kam, waren anhand der vergleichsweise großen Streuung der Konzentrationen an flüchtigen Fettsäuren (FFS) und des FOS/TAC-Wertes zu identifizieren.
Zuvor veröffentlichte Richtwerte der Prozessindikatoren FFS und FOS/TAC für die einphasige Verfahrensführung im Rührkesselreaktor waren eingeschränkt anwendbar, um Anlagen mit Stabilitätsproblemen zu identifizieren.

Biogas-, Methanausbeute und Restgaspotential

Die für die Pilotanlagen ermittelten Biogas- bzw. Methanausbeuten bezogen auf die organischen Trockenmasse (oTM) übertrafen die nach Futterwertmodell prognostizierten Ausbeuten in neun von zehn Fällen deutlich.
Das Restgaspotential des Gärrückstandes sank tendenziell mit zunehmender Gesamt-Verweilzeit im Fermentersystem, wobei unterhalb einer Verweilzeit von 100 Tagen eine erhebliche Streuung auftrat. Bei einer Gesamtverweilzeit von 100 Tagen oder mehr lag das Restgaspotential in allen Fällen deutlich unter 1,0 %. Das Niveau des Restgaspotentials konnte grob anhand des FFS-Gehaltes in der Gärrestprobe beurteilt werden. Oberhalb einer installierten elektrischen Leistung von 0,25 kW pro Kubikmeter fiel die BHKW-Auslastung so deutlich ab, dass eine technologische Begrenzung erkennbar war.

Strombedarf und Wärmebedarf

Der ermittelte Anteil des Strombedarfs der Pilotanlagen an der Brutto-Stromproduktion zeigte eine breite Streuung von 3,7 bis 17,4 % bei einem Mittelwert von 8,8 %. Eine Abhängigkeit des Stromeigenbedarfs von der Bemessungsleistung war für die Pilotanlagen nicht erkennbar. Der durchschnittliche prozentuale Wärmebedarf von acht Pilotanlagen lag bei 14,5 %. Der Anteil der externen Wärmenutzung an der verfügbaren BHKW-Wärme betrug für die Pilotanlagen zwischen 2,1 und 60 %. Nutzungsgrade größer 40 % wurden nur mit einem mehrgliedrigen Verwertungskonzept erzielt.

Treibhausgasemissionen (THG) und kumulierter Energieaufwand (KEA)

Für die THG-Emissionen der Stromproduktion aus Biogas wurden für die Pilotanlagen zwar erhebliche Unterschiede, aber in allen Fällen deutliche Reduktionen im Vergleich zur Stromproduktion aus einem fossilen Referenzsystem errechnet. Gleiches galt für den (KEA).

Gärreste

Die sehr variable Zusammensetzung der Gärrestproben erlaubte es nicht, allgemein gültige „Faustzahlen“ wie für die Nährstoffgehalte tierischer Ausscheidungen abzuleiten. Für eine sinnvolle und effiziente Düngeplanung ist daher zu jedem der Hauptausbringtermine eine Gärrestuntersuchung erforderlich.

Die wissenschaftliche Begleitung von Biogasanlagen in der Praxis wurde auf einem Teil der bisherigen sowie neu hinzugenommenen Pilotanlagen fortgesetzt.

Wissenschaftliche Begleitung der Pilotbetriebe zur Biogaserzeugung in Bayern (LfL-Schriftenreihe)

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Übersicht: Technikfolgenabschätzung