Einfahrphase

Förderer: BMELV über FNR e.V. als Projekträger

Lautzeit: 10/2008 - 07/2011 

Projektleitung: Prof. Dr.-Ing. Eckhard Kraft

Verbundpartner:
S.I.G. – Dr.Ing. Steffen GmbH

Kurzbeschreibung:
Ziel der Untersuchungen war es die Entwicklung allgemeingültiger Handlungsanweisungen für die Inbetriebnahme batch-betriebener Trockenfermenationsanlagen mit wechselnden Substraten voranzutreiben. Zu diesem Zweck wurde eine Charakterisierung möglicher Impfmaterialien durchgeführt, gefolgt von der Auswahl des Inoculums, welches hohe Leistungsfähigkeit mit größtmöglicher Robustheit verbindet. Aufbauend auf diesen Daten wurde das in einer Trockenfermentation verwendete Verhältnis von Substrat und Impfmaterial optimiert. Zusätzlich wurde die Perkolation als Methode zur Reduzierung des Impfmaterialbedarfs untersucht. Hierbei galt es, verschiedene Perkolationsstrategien zu untersuchen, anhand derer Aussagen über die Optimierung der Parameter Quantität und Rhythmik der Perkolation abgeleitet werden können. In einem abschließenden Arbeitsschritt erfolgte die Zusammenführung der Ergebnisse hinsichtlich der Verwendung einer substratadäquaten Methode der Perkolation und eines optimierten Verhältnisses von Substrat und Impfmaterial.

Problemstellung:
Um dem stetig steigenden Energiebedarf einer wachsenden Bevölkerung nachzukommen, wird in erhöhtem Maße auf den Einsatz von erneuerbaren Energiequellen zurückgegriffen. Dabei gilt neben der Nassvergärung insbesondere der Trockenfermentation ein zunehmendes Interesse, da diese in der Lage ist, stapelbare, nicht pumpfähige Substrate mit einem Trockensubstanzgehalt von über 15 % zu verarbeiten. Hierin liegt ihre Einsatzfähigkeit bei der Energiegewinnung aus nachwachsenden Rohstoffen (NawaRo) begründet. Trotz der hohen Energieausbeute der Trockenfermentation weist diese bezüglich des Anfahrbetriebes deutliche Defizite im Vergleich zur Nassvergärung auf, sodass hierin Forschungsbedarf besteht. Ursache für diese Situation ist unter anderem das Fehlen von Handlungsanweisungen für die initiale Phase des Vergärungsprozesses, die ein effizientes und ökonomisch vertretbares Einfahren ermöglichen könnten. Die heutigen in der Landwirtschaft genutzten Ansätze zum Anfahren der Fermenter basieren größtenteils auf ungenügenden Informationen sowie auf heuristischen und demzufolge nur bedingt validierten Methoden. Daraus folgt, dass ausschließlich die Erfahrungen über das Gelingen oder Scheitern des Gesamtprozesses entscheidet. Ein derartiger Zustand bedingt verständlicherweise einen nur suboptimalen Biogasertrag und eine schleppende Etablierung der Trockenfermentationstechnologie.

Zielstellung:
Ziel des Projektes war die Entwicklung von Handlungsanweisungen zur Optimierung der Einfahrphase batch-betriebener Trockenvergärungsverfahren. Zur Erfüllung der genannten Aufgabe galt es verschiedene Impfmaterialien und Substrat-Impfmaterial-Mischungen zu untersuchen, um so auf deren Qualität und Leistungsfähigkeit zu schließen. Gleichzeitig wurde die Einsatzfähigkeit unterschiedlicher Perkolationsregime untersucht, um mittels der Ergebnisse, Strategien für eine substratspezifische Substitution des Impfmaterials ableiten zu können. Die Ergebnisse zeigen, dass die Ableitung einer allgemeingültigen Methodik zur Verkürzung der Einfahrphase eines Trockenfermentationssystems in Batch-Betrieb mit Schwierigkeiten behaftet ist. Diese können insbesondere auf die Tatsache zurückgeführt werden, dass die Substituierbarkeit des „festen“ Inoculums durch Nutzung der Perkolation asymmetrisch und substratspezifisch verläuft. Zudem zeigte sich im Verlauf der Untersuchungen, dass für viele Substrate eine lineare Abhängigkeit von Impfmaterialmenge und Biogasertrag besteht, was folglich der Optimierung des Impfmaterial-Substrat-Verhältnisses unter dem Blickpunkt eines ökonomischen Substrateinsatzes Grenzen setzt.

Ergebnisse:
Die Untersuchungsergebnisse bestätigen, dass unter anderem die Wahl des Inoculums über den Erfolg der Vergärung und folglich über die produzierte Biogasmenge entscheidet. Hinsichtlich der Selektion eines möglichen Impfmaterials gilt es neben dem Parameter der Leistungsfähigkeit, auch weitere Größen wie die Robustheit gegenüber Störungen und Belastungsgrenzen zu beachten. Gleichzeitig wurde festgestellt, dass die substratübergreifende lineare Beziehung von Biogasertrag zu Impfmaterialanteil durch Verwendung einer geeigneten Perkolationsstrategie simuliert werden kann. Dieses äußerst substratspezifische Regime kann für die Vergärung von heterogenen Substratgemischen nicht vorbehaltlos übernommen werden. Wie deutlich wurde, ist es notwendig eine Charakterisierung der Einzelkomponenten wie auch der Materialgemische durchzuführen, um eine solche Übertragbarkeit zu gewährleisten. Diesbezüglich konnte die Bestimmung der substrateigenen Hydrolyserate als geeignetes Vergleichskriterium herausgearbeitet werden. Dabei ist jedoch zu bemerken, dass erst nach Ergänzung der hydrolytischen Substrateigenschaften durch Standardparameter wie Trockensubstanz-, organischer Trockensubstanzgehalt und Gesamtstickstoff eine verlässliche Aussage über das Abbau- und Prozessverhalten der Substrate getroffen werden kann. Es konnten spezifische Verhältnisse für Substrat-Impfmaterial-Mischungen entwickelt werden, die neben einem höheren Biogasertrag zu einer zeitlich früheren Freisetzung hoher Methankonzentrationen führen. Dabei erwies sich die Relation zwischen spezifischem Biogasertrag und Impfmaterialanteil als auf alle Substrate übertragbar. Im Weiteren wurden diese Mischungsverhältnisse in Verbindung mit einer Perkolation untersucht. Wie sich zeigte, kann durch Einsatz einer Perkolation der Anteil an Impfmaterial reduziert werden. Bei Reduzierung des Impfmaterialanteils bis zu einem Substrat-Impfmaterial-Verhältnis von 1:½ und zum Teil 1:¼ (bezogen auf die Frischmasse) zeigte sich, dass dabei ein spezifischer Biogasertrag von mindestens 50% bis hin zu 60% erreicht werden kann. Folglich kann von einem Minimalanteil an Impfmaterial ausgegangen werden, welches notwendig ist, um eine stabile und hohe Biogasbildung zu gewährleisten. Hinsichtlich der Zielsetzung eine möglichst frühzeitig hohe Methanbildung zu generieren, konnte mit Bezug auf das Vorgehen einer Reduktion des Impfmaterialanteils gezeigt werden, dass dies nur durch Erweiterung des Systems zu einer zweistufigen Struktur und bei den variablen Hydrolyseraten der Substrate in unterschiedlicher Ausprägung möglich ist. Die Verwendung eines nachgeschalteten Methanisierungsreaktors zeigte, dass zu annähernd konstanten Zeitpunkten und in relativer Unabhängigkeit zum Impfmaterialanteil, eine frühzeitig hohe Methankonzentration erzielt wird. Dies jedoch unter der Voraussetzung, dass die Menge an Impfmaterial einen unbekannten Schwellenwert überschreitet, um eine ausreichende Aktivität der Mikroorganismen zu gewährleisten.