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transcript
Untersuchung der Übertragbarkeit und Reproduzierbarkeit von Versuchen zur Biogasbildung in kontinuierlichen Prozessen sowie erste Studien zu
deren Optimierung
Dissertation zur Erlangung des Grades
Doktor-Ingenieur
der
Fakultät für Maschinenbau
der Ruhr-Universität Bochum
von
Alexandra Anna Kowalczyk
aus Chorzów (Polen)
Bochum 2012
Dissertation eingereicht am: 16. Oktober 2012
Tag der mündlichen Prüfung: 06. Dezember 2012
Erster Referent: Prof. Dr.-Ing. R. Span
Zweiter Referent: Prof. Dr.-Ing. M. Wichern
DANKSAGUNG
Die vorliegende Dissertation entstand in meiner Zeit als Wissenschaftliche Mitarbeiterin
am Lehrstuhl für Thermodynamik der Ruhr-Universität Bochum unter Leitung von Herrn
Prof. Dr.-Ing. Roland Span.
Mein besonderer Dank gilt meinem Doktorvater Prof. Dr.-Ing. Roland Span der mir diese
Arbeit ermöglichte, und dessen Tür immer offenstand. Sein fachliches Wissen und die
Bereitschaft dieses zu teilen haben wesentlich zum Gelingen dieser Arbeit beigetragen.
Herrn Prof. Dr.-Ing. Marc Wichern danke ich für die Übernahme des Koreferats.
Ein großes Dankeschön geht an die Kollegen der RWE Innogy GmbH für die überaus
kooperative Zusammenarbeit und finanzielle Unterstützung dieser Arbeit. Ihre Bereitschaft
Fermenterinhalt, Substrate und Anlagendaten sowie Messdaten der Biogasanlage Neurath
bereitzustellen ermöglichten erst die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Versuche.
Insbesondere sei hier Herr Dr.-Ing. Thorsten Blanke erwähnt, der maßgeblich zum Start
dieser Arbeit beigetragen hat. Darüber hinaus Frau Dr.-Ing. Kirsten Theobald, die für
Fragen immer offenes Ohr hatte und mit ihren Anregungen eine wertvolle Begleiterin
dieser Arbeit war. Und nicht zuletzt Herrn Peter-Josef Köpp, der bereitwillig alle Fragen
mit einem Lächeln beantwortet hat und Besuche der Biogasanlage Neurath zu jeder Zeit
ermöglicht hat.
Dem gesamten Biogas-Team des Lehrstuhls für Thermodynamik danke ich für die
Unterstützung, das Engagement - auch an Wochenenden und zu später Stunde - und die
etlichen Diskussionen, die häufig neue Perspektiven aufgezeigt haben. Ohne Euch wäre ich
nie soweit gekommen. Mein besonderer Dank gilt hier Frau Dr.-Ing. Mandy Gerber, mit
der ich von Beginn an zusammenarbeiten durfte, und die mich fachlich und persönlich
unterstützt hat. Darüber hinaus möchte ich vielmals den Mitarbeitern der Institutswerkstatt,
vor allem dem Leiter Herrn Christian Gramann sowie Herrn Raimund Koj und Herrn
Achim Lahn für die tatkräftige Unterstützung beim Labor- und Anlagenaufbau und die
weitere fachliche Hilfe danken.
Meinen Korrektoren gebührt mein Dank für die Stunden und die Geduld, die sie sich für
diese Arbeit genommen haben. Eure Kommentare haben diese Arbeit bereichert.
Fünf gemeinsame Jahre in einem Büro: Da gab es viel zu lachen, zu weinen, Erfolge zu
feiern und Niederlagen wegzustecken. Johannes, ich danke Dir für die gemeinsam
verbrachte Zeit und dass ich mich immer an dich wenden konnte.
Durch die Schaffung einer freundschaftlichen Atmosphäre und der Bereitschaft fachlich
und persönlich zu helfen haben meine Kollegen wesentlich dazu beigetragen, dass ich eine
unvergessliche Zeit am Lehrstuhl hatte und bei allen möglichen Schwierigkeiten oder
freudigen Neuigkeiten immer ein Ansprechpartner da war. An dieser Stelle seinen Herr
Dr.-Ing. Rainer Kleinrahm, Herr Sebastian Schwede, Frau Birgit Esch, Herr Andreas Jäger,
Frau Judith Möller, Frau Christine Nizeyimana, Frau Theresa Wiens, Herr Stefan Schimpf,
Herr Dr.-Ing. Markus Richter und Frau Monika Thol genannt.
Für die enorme moralische Unterstützung möchte ich mich bei meiner Familie und meinen
Freunden bedanken, die insbesondere in der letzten Phase dieser Arbeit häufig
zurückstecken mussten. Es ist mir ein besonderes Anliegen meinen Eltern zu danken. Auch
wenn mein Vater den Werdegang dieser Arbeit nicht erleben durfte, möchte ich ihm für die
stetige Förderung meines technischen Interesses danken. Meiner Mutter gilt mein Dank für
die außergewöhnliche moralische Unterstützung, besonders in Tagen des Zweifels, und
meine Bewunderung für ihre besonnene und herzliche Art, von der ich sehr viel lernen
durfte.
Bochum im Januar 2013
Alexandra Anna Kowalczyk
I
INHALTSVERZEICHNIS
Abkürzungsverzeichnis ............................................................................................... III
Formelzeichen und Symbole ....................................................................................... IV
1 Einleitung ................................................................................................................... 1
2 Theoretische Grundlagen ......................................................................................... 3
2.1 Anaerober Abbau ................................................................................................. 3
2.2 Prozessparameter ................................................................................................. 6
3 Aufbau der betrachteten Anlagen ......................................................................... 11
3.1 Technikumsanlage ............................................................................................. 11
3.1.1 BGA Neurath als Referenz ....................................................................... 11
3.1.2 Aufbau der Technikumsanlage ................................................................. 13
3.2 Parallelanlagen ................................................................................................... 19
3.3 Messtechnik ....................................................................................................... 22
4 Überprüfung von Übertragbarkeit und Reproduzierbarkeit ............................. 38
4.1 Versuchsreihe 1 .................................................................................................. 44
4.1.1 Versuchsdurchführung.............................................................................. 44
4.1.2 Ergebnisse ................................................................................................. 46
4.2 Versuchsreihe 2 .................................................................................................. 53
4.2.1 Versuchsdurchführung.............................................................................. 54
4.2.2 Ergebnisse ................................................................................................. 58
4.3 Diskussion .......................................................................................................... 66
5 Einfluss unterschiedlicher Rührintervalle ............................................................ 75
5.1 Versuchsdurchführung ....................................................................................... 76
5.2 Ergebnisse .......................................................................................................... 79
5.2.1 Versuchsreihe 1 ........................................................................................ 79
5.2.2 Versuchsreihe 2 ........................................................................................ 84
5.3 Diskussion .......................................................................................................... 88
6 Einfluss von Beschickungsausfällen ...................................................................... 91
6.1 Versuchsdurchführung ....................................................................................... 92
6.2 Ergebnisse .......................................................................................................... 94
6.2.1 Parallelanlagen.......................................................................................... 94
6.2.2 Technikumsanlage .................................................................................. 105
6.3 Diskussion ........................................................................................................ 109
7 Anfahrstrategien ................................................................................................... 112
II Inhaltsverzeichnis
7.1 Versuchsdurchführung und Planung ................................................................ 112
7.2 Ergebnisse ........................................................................................................ 116
7.2.1 Versuchsreihe 1 ...................................................................................... 117
7.2.2 Versuchsreihe 2 ...................................................................................... 123
7.3 Diskussion ........................................................................................................ 129
8 Zusammenfassung und Ausblick ......................................................................... 131
Literaturverzeichnis................................................................................................... 138
Anhang ........................................................................................................................ 147
III
Abkürzungsverzeichnis
TBA Tag(e) Beschickungsausfall
AS Anlage mit Anfahrstrategie
BGA Biogasanlage
BHKW Blockheizkraftwerk
CCM Corn Cob Mix
EEG Erneuerbare Energien Gesetz
FI Fermenterinhalt
FM Frischmasse
FSS Fettsäurespektrum
GC Gaschromatograph
GZ Gaszähler
HM Hähnchenmist
MS Massenspektrometer, Maissilage
NawaRo Nachwachsende Rohstoffe
LKS Lieschkolbenschrot
oTS organische Trockensubstanz
PA Parallelanlage
RB Raumbelastung
Ref Referenz
RG Rindergülle
TA Technikumsanlage
TS Trockensubstanz
VR Versuchsreihe
WLD Wärmeleitdetektor
IV
Formelzeichen und Symbole
Formelzeichen
c [n.B.] Sensitivitätskoeffizient
D [m] Durchmesser
ƒ [n.B.] Funktionszeichen
GE [m3kgoTS] Gasertrag
h [m] Höhe
H [MJ/kmol; MJ/m3] Heizwert (molar; volumenbezogen
k [-] Erweiterungsfaktor
m [kg d-1
] Massenstrom
n [min-1
] Drehzahl
p [bar] Druck
r [m] Radius
R [J kg-1
K-1
] spezifische Gaskonstante
Re [-] Reynolds-Zahl
RB [kgoTSm-3
d-1
] Raumbelastung
T [K] Temperatur
u [n.B.] Unsicherheit
U [n.B.] (erweiterte) Messunsicherheit
V [m-3
] Volumen
V [l h-1
] Volumenstrom
w [%] Massenanteil
Z [-] Realgasfaktor
n.B.: nach Bedarf
Formelzeichen und Symbole V
Symbole
Wirkungsgrad
Maßstabsfaktor
Massenanteil
Molanteil
Indizes
AG Antoine-Gleichung
AL Ablesbarkeit
B Betriebszustand
b Bezugspunkt für Verbrennung
BHKW Blockheizkraftwerk
c kombiniert
dyn,t dynamische Zeitkonstante
e erweitert
el elektrisch
F Fermenter
FM Frischmasse
Füll Füll(volumen)
GZ Gaszähler
iv auf das Volumen bezogen
LS Langzeitstabilität
m molar
MB Messbecher
N Neurath, Norm
NI National Instruments
nl nicht Linearität
ÖG örtlicher Gradient
oTS organische Trockensubstanz
VI Formelzeichen und Symbole
p Druck
PA Parallelanlagen
r nicht korreliert
Ref Referenz
Reg Regression
SE Selbsterwärmung
T Temperatur
TA Technikumsanlage
TA,F Fermenter der Technikumsanlage
v im Bezugszustand
V Volumen
w Wasser, Massenanteil
WA Wärmeableitung
WU Wasseruhr
Chemische Formelzeichen
CH4 Methan
CO2 Kohlendioxid
H2 Wasserstoff
H2S Schwefelwasserstoff
N2 Stickstoff
O2 Sauerstoff
1
1 Einleitung
Unter anaeroben Bedingungen kann überall in der Natur organisches Material zu einem
brennbaren Gas umgesetzt werden. Bereits 1776 entdeckte Volta dieses Gas über Sümpfen
und Teichen [Hoppe-Seyler 1886]. Heute ist bekannt, dass dieses Gas überwiegend aus
Methan (CH4) und Kohlendioxid (CO2) besteht. Seit dem frühen 20. Jahrhundert wird es
großtechnisch bei der Behandlung von Klärschlamm gewonnen und energetisch genutzt.
Die erste Biogasanlage (BGA) in Deutschland wurde 1910 erbaut [Eder et al. 2007]. Die
Entwicklung des Biogasanlagenbestandes in Deutschland hat insbesondere im letzten
Jahrzehnt stark zugenommen; wie in Abbildung 1-1 zu sehen ist, hat sich der Bestand in
dieser Zeit fast verfünffacht.
Abbildung 1-1: Entwicklung des Biogasanlagenbestandes und der installierten elektrischen
Leistung in Deutschland [nach Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.V. 2012]
Diese Entwicklung ist eng verknüpft mit den Förderungsmechanismen für Erneuerbare
Energien, wie dem Erneuerbare Energien Gesetz (EEG). Die Förderung und Nutzung
Erneuerbarer Energien bietet mehrere Vorteile. Der Ausstoß des klimaschädlichen Gases
CO2 wird reduziert. Neben fossilen Energieträgern sorgen die Erneuerbaren Energien für
zusätzliche Ressourcen, womit einer Rohstoffverknappung entgegen gewirkt wird und
damit auch einer Kostensteigerung für die fossilen Brennstoffe [Bundesministerium für
Umwelt Naturschutz und Reaktorsicherheit 2011]. Besonders die Nutzung von organischen
2 1 Einleitung
Stoffen, z.B. landwirtschaftlichen Abfällen oder nachwachsenden Rohstoffen (NawaRo)
bietet eine gute Möglichkeit, fossile Energieträger zu substituieren. Laut Cavinato et al.
2010 sieht auch das United Nations Development Program die Erzeugung von Biogas als
eine der vielversprechendsten Technologien.
Seit der Entdeckung von Biogas werden die Mechanismen der Entstehung untersucht; mit
der industriellen Nutzung des Gases wird heute auch versucht die Anlagentechnik zu
optimieren. Die meisten dieser Untersuchungen finden in Laboratorien statt. Häufig
werden hierfür kleine Laboranlagen eingesetzt. Versuche an großtechnischen Anlagen sind
aufgrund möglicher finanzieller Einbußen kaum zu finden. Vielfach beziehen sich die
vorhandenen Studien auf bestimmte Anlagentypen oder bestimmte Substrate. Unklar ist
bisher, inwieweit Versuchsergebnisse bei gleichen oder variablen Prozessparametern
reproduziert werden können, und ob an Laboranlagen gewonnene Ergebnisse auf
großtechnische BGA übertragen werden können. Dies ist entscheidend, da die Anwendung
von im Labor gewonnenen Erkenntnissen bei großtechnischen BGA zu unerwarteten
Reaktionen führen kann. Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Beantwortung der Fragen
nach der Übertragbarkeit und Reproduzierbarkeit von Versuchsergebnissen. Hierfür
werden im ersten Schritt die Ergebnisse von Versuchen mit gleichen Prozessparametern in
gleichen und unterschiedlichen Maßstäben verglichen. Anschließende Studien wurden
durchgeführt, um den Einfluss der Durchmischung und den Einfluss eines
Beschickungsausfalls auf die Versuchsbedingungen zu untersuchen. Im letzten Schritt
wurden geeignete Anfahrstrategien analysiert, um BGA nach einem Beschickungsausfall
möglichst schnell und sicher in den Volllast-Betrieb zu überführen.
3
2 Theoretische Grundlagen
2.1 Anaerober Abbau
Als natürlicher Prozess findet die anaerobe Fermentation beispielsweise im Pansen von
Wiederkäuern oder in Mooren statt. Dabei werden organische Stoffe zu einem Gas
umgebaut, das je nach Herkunft z.B. Sumpfgas, Deponiegas oder Biogas genannt wird. Die
Bezeichnung Biogas wird i.d.R. verwendet, wenn das entstandene Gas aus der Vergärung
von organischem Abfall oder NawaRo stammt. Der Umwandlungsprozess wird in vier
Phasen unterteilt:
1. Hydrolyse
2. Acidogenese (Versäuerungsphase)
3. Acetogenese (Essigsäurebildung)
4. Methanogenese (Methanbildung).
[Fachagentur Nachwachsende Rohrstoffe e.V. 2010]
Abbildung 2-1: Phasen des anaeroben Abbauprozesses [nach Weiland 2010]
Abbildung 2-1 gibt einen Überblick über die Phasen des Prozesses, welche nachfolgend
näher beschrieben werden.
4 2 Theoretische Grundlagen
Hydrolyse
Das Ausgangsmaterial, auch als Substrat bezeichnet, besteht im Wesentlichen aus
polymeren Verbindungen wie Kohlenhydraten, Fetten und Eiweißen. Mikroorganismen
können Makromoleküle i.d.R. nicht aufnehmen, weswegen die Polymere in der Hydrolyse
in Monomere oder lösliche Polymere aufgespalten werden [Kaltschmitt et al. 2009, Gujer
et al. 1983]. Ohly 2006 gibt an, dass dies neben verschiedenen Aminosäuren und Glucose
auch einige Fettsäuren sind. Dieser Schritt erfolgt nicht durch die fermentativen Bakterien
selbst, sondern durch Enzyme, die von fermentativen Bakterien freigesetzt werden. Die
Abbaugeschwindigkeit der polymeren Verbindungen ist dabei für jede Verbindung
verschieden [O'Rourke 1968]. Für die Hydrolyse von ungelösten Bestandteilen, wie z.B.
Cellulose, werden für die Spaltung mehrere Tage benötigt. Gelöste Komponenten,
beispielsweise einige Zucker, können bereits innerhalb weniger Stunden aufgespalten
werden [Weiland 2010].
Acidogenese
In der Acidogenese, auch Versäuerungsphase genannt, werden die Produkte der Hydrolyse
von fermentativen Bakterien, meist Clostridien, weiter vergärt [Kroeber et al. 2009]. Es
entstehen überwiegend niedere Fettsäuren wie Essigsäure, Propionsäure, Buttersäure und
Valeriansäure sowie CO2 und Wasserstoff (H2). Aufgrund des höchsten Energiegewinns
für die Bakterien überwiegt bei den Fettsäuren die Essigsäure. Butter- und Valeriansäure
entstehen überwiegend bei dem Abbau von proteinreichen Substraten, da einige der
Aminosäuren zu diesen zwei Fettsäuren abgebaut werden [Batstone et al. 2003]. Daneben
können noch geringe Mengen an Milchsäure und Alkoholen gebildet werden.
[Fachagentur Nachwachsende Rohrstoffe e.V. 2010, Gerber 2009, Kaltschmitt et al. 2009,
Mosey 1983].
Acetogenese
Die in der Hydrolyse und Acidogenese gebildeten niederen Fettsäuren werden in der
Acetogenese in Essigsäure, CO2 und H2 umgewandelt, bevor sie zu CH4 umgesetzt werden
können. Aufgrund der H2-Produktion steigt der Wasserstoffpartialdruck, und kann sich
hemmend auf den Abbau der Fettsäuren auswirken. Propionsäure kann z.B. nur bei einem
Wassersotffpartioaldruck im Bereich von 0,1 bis 10,1 Pa zu Essigsäure umgewandelt
werden [Kaspar et al. 1978b]. Um eine Anreicherung an H2 zu verhindern, müssen die
acetogenen und methanogenen Bakterien eine enge Lebensgemeinschaft bilden.
[Fachagentur Nachwachsende Rohrstoffe e.V. 2010]
2 Theoretische Grundlagen 5
Methanogenese
Grundsätzlich existieren zwei Bakteriengruppen, die das gewünschte CH4 bilden können.
Hydrogenotrophe Methanbildner setzen dafür die Edukte CO2 und H2 um, während
acetoclastische Methanbildner die Essigsäure verwenden [Fachagentur Nachwachsende
Rohrstoffe e.V. 2010]. Wird Klärschlamm vergoren, entstehen bis zu 73 % des CH4 von
acetoclastischen Bakterien [Smith et al. 1966]. Neuere Studien [Bauer et al. 2008, Klocke
et al. 2009, Nettmann et al. 2008] zeigen, dass dies für die Vergärung von NawaRo nicht
der Fall ist. Hierbei überwiegt die Methanbildung durch die hydrogenotrophen
Bakterienstämme. Bei den methanogenen Bakterien muss bedacht werden, dass sie streng
fakultativ anaerob sind, und somit bei Sauerstoffkonzentrationen ab 0,1% abgetötet werden
[Paynter et al. 1968].
Die Leistungsfähigkeit des Prozesses wird demnach stark von der Biozönose der
beteiligten Mikroorganismen und ihren Lebensbedingungen beeinflusst. Die Produkte der
einzelnen Stufen beeinflussen sich gegenseitig. Insbesondere trifft dies auf H2 zu, das
sowohl in der Acidogenese, als auch in der Acetogenese entsteht [Bryant 1979]. Smith et
al. 1970 fanden heraus, dass eine Zugabe von H2 sofort den Abbau von Propionsäure
hemmt. Kaspar et al. 1978a berichteten ebenfalls, dass eine Erhöhung von H2 zu einer
Steigerung der Propionsäurekonzentration führt und gleichzeitig zu einer verringerten
Essigsäurekonzentration und einer erhöhten Methanproduktion.
Tabelle 2-1: Zusammensetzung von Biogas [Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.V. 2006]
Bestandteile Konzentration im Biogas [Vol.-%]
CH4 50 – 75
CO2 25 – 45
H2 < 1
H2S 0,002 – 2
N2 < 2
O2 < 2
Wasserdampf 2 – 7
Bei der beschriebenen Umwandlung von Substrat zu Biogas entsteht somit ein Gas, das
überwiegend aus CH4, CO2, Wasserdampf sowie Spuren von Schwefelwasserstoff (H2S),
Stickstoff (N2), Sauerstoff (O2) und H2 besteht [Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe
6 2 Theoretische Grundlagen
e.V. 2006]. Typische Werte für die Zusammensetzung von Biogas sind in Tabelle 2-1
aufgeführt. Einige Spurengase, wie z.B. die Siloxane oder Ammoniak können aufgrund
ihrer geringen Konzentration für die Betrachtung des Prozesses vernachlässigt werden
[Klinski 2006].
2.2 Prozessparameter
An dieser Stelle sollen die für die Planung, Durchführung und Auswertung der Versuche
notwendigen Prozessparameter kurz charakterisiert und ihre Bedeutung erläutert werden.
Temperatur
Für chemische Reaktionen gilt grundsätzlich: je höher die Temperatur, desto schneller die
Reaktion. Auf Prozesse, an denen Mikroorganismen beteiligt sind kann dies nur bedingt
übertragen werden. Verschiedene Bakterien haben ihr Temperaturoptimum bei
unterschiedlichen Temperaturen. Prinzipiell wird zwischen psychrophilen (< 25°C),
mesophilen (37 bis 42°C) und thermophilen (50 bis 60°C) Temperaturbereichen
unterschieden. Wird der Temperaturbereich unter- oder überschritten, kann dies zu einer
Hemmung oder irreversiblen Schädigung der Mikroorganismen führen. In der Praxis hat
sich jedoch gezeigt, dass insbesondere mesophile Bakterien auch an andere Temperaturen
gewöhnt werden können, solange der Vorgang langsam verläuft. [Fachagentur
Nachwachsende Rohrstoffe e.V. 2010]
Die Mehrzahl der BGA wird im meso- oder thermophilen Temperaturbereich betrieben.
Welcher Bereich bevorzugt wird, hängt stark von dem eingesetzten Substrat ab. BGA, die
NawaRo einsetzen, arbeiten häufig im mesophilen Bereich. Ein Vorteil ist hierbei zum
einen der geringere Wasserdampf- und CO2-Gehalt im Biogas, woraus ein höherer CH4-
Anteil resultiert. Zum anderen ist der Eigenenergiebedarf an Wärme bei einer mesophilen
Fahrweise geringer als bei einer thermophilen. Außerdem zeichnet sich der Prozess durch
eine größere Stabilität gegenüber Temperaturschwankungen aus. [Kaltschmitt et al. 2009]
Raumbelastung
Einer der wichtigsten Parameter für den Betrieb einer BGA ist die Raumbelastung (RB),
welche die dem Fermenter zugeführte Masse an Organik pro Zeit und
Fermenterfüllvolumen angibt. Berechnet wird die Raumbelastung anhand von
Gleichung (2-1) [Kaltschmitt et al. 2009].
2 Theoretische Grundlagen 7
i iFM oTS
oTS FM oTS 1
Füll Füll Füll
n
i
m wm m w
RBV V V
(2-1)
FM
oTS
Füll
:Massenstroman zugeführter Frischmasse(Substrat)
:Massenanteilan oTSimSubstrat
:aktuelles Füllvolumen im Fermenter
m
w
V
Bei großtechnischen Anlagen wird eine möglichst hohe Raumbelastung angestrebt, da
hohe Raumbelastungen bei einem guten Abbau zu einer höheren Gasausbeute bei
gleichbleibenden Investitionskosten führen. Allerdings kann durch eine zu hohe
Raumbelastung eine Hemmung der Biogasproduktion auftreten. Ist die Raumbelastung zu
hoch, bzw. wird sie plötzlich erhöht, kann es zu einer Anreicherung von H2 kommen.
Dadurch wird der Abbau des Substrates zu Propionsäure begünstigt, anstatt zu Essigsäure,
CO2 und H2. Neben einer Erhöhung der Propionsäurekonzentration kann es auch zu einer
Erhöhung der Konzentration anderer höherer Säuren kommen. [Bryant 1979]
Einen festen Grenzwert für die zulässige Raumbelastung gibt es nicht. Vielmehr ist er von
der Art des Substrats, der Fahrweise und der Fermenterbauart abhängig [Comino et al.
2010]. Typischerweise liegt die Raumbelastung für die Vergärung von NawaRo in einem
Bereich von 2 bis 4 kgoTSm-3
d-1
[Weiland 2010]. In verschiedenen Studien wird
insbesondere die Raumbelastung erhöht, um kontrollierte Prozessinstabilitäten zu
provozieren und diese anschließend zu untersuchen [Bauer et al. 2008, Blume et al. 2010].
pH-Wert
Die am Biogasbildungsprozess beteiligten Mikroorganismen, insbesondere die
Methanbildner, benötigen einen bestimmten pH-Wert-Bereich, welcher jedoch nicht für
alle Bakteriengruppen gleich ist. Säurebildende Bakterien bevorzugen einen Bereich
zwischen 4,5 und 6,3 [Eder et al. 2007], bzw. zwischen 5,0 und 6,5 [Kaltschmitt et al.
2009]. Auch für die Methanbildner werden variierende Bereiche angegeben. Weiland 2010
gibt beispielsweise einen Bereich von 6,5 bis 8,5 an, wobei er einen optimalen Bereich
zwischen 7,0 und 8,0 definiert.
Steigt im Fermenterinhalt (FI) die Konzentration an Ammonium, so steigt der pH-Wert.
Kommt es hingegen zu einer Anreicherung an Fettsäuren, so sinkt er. Diverse Puffer im
System, z.B. Calciumcarbonat oder Ammoniak, verhindern eine sofortige Änderung des
pH-Wertes. Die Puffer sind in der Lage, die entstehenden Säuren/Basen bis zu einem
gewissen Grad „abzufangen“.
8 2 Theoretische Grundlagen
Wirkt der Carbonatpuffer, so wird CO2 frei und der CH4-Gehalt im Biogas sinkt. Ist die
Pufferkapazität erschöpft, sinkt der pH-Wert, was sich insbesondere auf die acetogenen
und methanogenen Mikroorganismen auswirkt [Kaltschmitt et al. 2009]. Georgacakis et al.
1982 geben an, dass für einen stabilen Prozess ein Carbonatpuffer von 6000 mg l-1
Calciumcarbonat bei einem pH-Wert über 7,1 erforderlich ist.
Wird dem Fermenter Stickstoff z.B. in Form von ammoniumhaltigen Substraten wie Gülle
oder Mist zugeführt, erhöht dies die Stabilität und der pH-Wert bleibt zwischen dem des
Cabonat- und Ammoniakpuffers. Ammoniak im System kann aber auch zu einer
Hemmung der Methanproduktion führen. [Georgacakis et al. 1982]
Aufgrund der verzögerten Veränderung des pH-Wertes durch die Puffer im System ist der
pH-Wert allein nicht zur Prozesskontrolle geeignet.
Organischen Fettsäuren
Organische Säuren entstehen, wie in Abschnitt 2.1 beschrieben, während des anaeroben
Abbaus. Über die Konzentration der einzelnen Säuren können die Stabilität des Prozesses
beurteilt und mögliche, auftretende Hemmungen bestimmten Stufen des Abbauprozesses
zugeordnet werden [Chynoweth et al. 1971, Hill et al. 1989, McCarty et al. 1961]. Von
Interesse sind hierbei vor allem Essigsäure, Propionsäure, Buttersäure und Valeriansäure.
Einen festen Grenzwert für die Säuren gibt es nicht, da unterschiedliche BGA je nach
Fahrweise und Pufferkapazität mit ganz unterschiedlichen Konzentrationen betrieben
werden können. Für die Beurteilung der Stabilität einer bestimmten Anlage ist daher
vielmehr der zeitliche Verlauf des Fettsäurespektrums entscheidend. [Angelidaki et al.
1993]
Üblicherweise ist die Essigsäurekonzentration höher als die der anderen Säuren [Weiland
2010]. Laut Ohly 2006 spricht aber eine Anreicherung von Essigsäure für eine Hemmung
in der Methanogenese. Laut Wang et al. 1999 kommt es ab einer Essigsäurekonzentration
von 1400 mg l-1
zu einer Beeinträchtigung des Propionsäureabbaus. Grundsätzlich kann
Essigsäure direkt zu CH4 umgesetzt werden, oder sie wird zuerst in CO2 und H2
umgewandelt, bevor dann aus diesen Produkten CH4 entstehen kann [Bryant 1979]. Die
Umwandlung von Essigsäure zu CO2 und H2 findet bei geringen
Essigsäurekonzentrationen statt [Conrad 1999, Castro et al. 2004, Karakashev et al. 2006].
Ein Anstieg in der Konzentration der Propionsäure ist ein Indikator für eine Prozessstörung
in der acetogenen Phase [Kaltschmitt et al. 2009, Märkl et al. 2006]. Wird die
Prozessstörung erkannt und Gegenmaßnahmen eingeleitet (z.B. Stopp der Substratzufuhr),
kann sich die Propionsäurekonzentration weiter erhöhen, auch wenn die Konzentrationen
anderer Säuren bereits fallen [Boe et al. 2010, Nielsen et al. 2007]. Literaturwerte für eine
2 Theoretische Grundlagen 9
maximale Propionsäurekonzentration liegen bei 1000 mg l-1
. Wang et al. 1999 und Mösche
et al. 1999 nennen Propionsäure als guten Indikator für Prozessinstabilitäten, da sie
hemmend auf die methanogenen Mikroorganismen wirkt.
Das Verhältnis von Essigsäure zu Propionsäure kann ein weiterer Parameter zur
Beurteilung der Prozessstabilität sein, da sich das Verhältnis bei Zugabe von Substrat
direkt verändert [Märkl et al. 2006] Von Weiland 2008 wird ein Verhältnis von Propion-
zu Essigsäure >1 bei Propionsäurekonzentrationen über 1000 mg l-1
als Indikator für eine
Prozessstörung angegeben. Ahring et al. 1995 sind dagegen der Ansicht, dass das
Verhältnis von Propion- zu Essigsäure nicht als Indikator für Prozessinstabilitäten geeignet
ist.
Ahring et al. 1995 und Kaltschmitt et al. 2009 nennen die n- und iso-Buttersäure sowie iso-
Valeriansäure als besonders gute Indikatoren für eine Prozessstörung in der acetogenen
Phase. Wang et al. 1999 und Mösche et al. 1999 geben neben der Propionsäure auch die
Buttersäure als guten Indikatoren an.
Wird eine Änderung im Muster des Fettsäurespektrums (FSS) erkannt, können
Gegenmaßnahmen eingeleitet werden. Dies kann z.B. ein Herabsenken der Raumbelastung
sein, damit die überschüssigen Säuren abgebaut werden können. [Gallert et al. 2008]
Gasproduktion
Die Gasproduktion kann zur Bewertung des Biogasprozesses herangezogen werden. Ein
Abfall in der Gasproduktion bei gleichbleibender Raumbelastung signalisiert
Prozessstörungen. Allerdings treten deutliche Änderungen in der Gasproduktion häufig erst
dann auf, wenn eine signifikante Prozessstörung vorliegt. [Switzenbaum et al. 1990, Boe et
al. 2010]
Gasqualität
Das Biogas besteht hauptsächlich aus CO2 und CH4. Veränderungen in den
Konzentrationen dieser beiden Stoffe (CH4 sinkt) zeigen eine Prozessstörung an.
Allerdings tritt dieser Effekt, ebenso wie die Reduktion der Gasproduktion, erst ein, wenn
eine signifikante Prozessstörung bereits vorliegt [Switzenbaum et al. 1990].
Konzentrationsänderungen von CO2 und CH4 können auch durch Schwankungen des pH-
Wertes verursacht werden, da die Löslichkeit von CO2 im Fermenterinhalt vom pH-Wert
abhängig ist.
10 2 Theoretische Grundlagen
Durchmischung
Eine dem Prozess entsprechende Durchmischung wird in der Literatur als grundlegend für
die ausreichende Verteilung der Enzyme und Mikroorganismen im Fermenter angesehen
[Parkin et al. 1986, Lema et al. 1991, Stenstrom et al. 1983]. Dadurch wird der Kontakt
sowohl zwischen den zahlreichen am Biogasbildungsprozess beteiligten Mikroorganismen
als auch zwischen den Mikroorganismen und dem Substrat aktiv gefördert. Hierdurch
werden Nährstoffgradienten sowie die Bildung von Sink- und Schwimmschichten
vermieden [Kaltschmitt et al. 2009, Stenstrom et al. 1983, James et al. 1980, Weiland
2010]. Darüber hinaus begünstigt die Durchmischung die Ausgasung des entstehenden
Gases und verhindert Gradienten anderer Prozessparameter, wie z.B. der Temperatur [Ong
et al. 2002, Meynell 1978].
Wie Ergebnisse von Lübken et al. 2007a zeigen, dürfen die unterschiedlichen Bakterien
nicht gänzlich über den Fermenterinhalt verteilt werden. Die Bildung von Agglomeraten
sollte nicht verhindert werden, da methanogene Bakterien aktiver sind, wenn sie in der
Nähe von hydrolytischen Bakterien angesiedelt sind.
Wie anhand der vorgestellten Parameter zu sehen ist, hängt der Biogasbildungsprozess von
vielen Parametern ab. Um beim Anfahren von BGA (Labor und großtechnischer Maßstab)
möglichst geeignete Bedingungen für die Mikroorganismen zu schaffen, sollte ein
Inoculum verwendet werden, das an die zu untersuchenden Bedingungen angepasst ist
[Gerardi 2003, Liu et al. 2002, Muxi et al. 1992]. Beispielsweise eignet sich der
Fermenterinhalt aus einer Abwasseraufbereitungsanlage nicht für Versuche mit NawaRo.
11
3 Aufbau der betrachteten Anlagen
Im Rahmen dieser Arbeit wurden kontinuierliche Versuchsanlagen im Biogaslabor des
Lehrstuhls für Thermodynamik der Ruhr-Universität Bochum in Betrieb genommen und
nach ersten Versuchsreihen modifiziert. Die Versuchsanlagen diesen der Schaffung einer
Datenbasis zur Evaluierung von Modellen des Biogasbildungsprozesses, sowie zur
Beantwortung wichtiger Fragestellungen aus dem Bereich der anaeroben Fermentation
Hierzu gehören eine Anlage im Technikumsmaßstab mit einem maximalen Füllvolumen
von 390 l sowie drei baugleiche Anlagen (nachfolgend als Parallelanlagen bzw. PA1, PA2
und PA3 bezeichnet) mit einem maximalen Füllvolumen von 22 l. An dieser Stelle soll der
Aufbau der Anlagen und die verwendete Messtechnik vorgestellt werden. Der dargestellte
Aufbau zeigt einen aktuellen Stand der Anlagen. Auf frühere Versionen, die für die
Betrachtung einiger Versuche erforderlich sind, wird verwiesen.
3.1 Technikumsanlage
Die Technikumsanlage sollte zunächst für Versuche zur Übertragbarkeit von Ergebnissen
aus Laborversuchen auf großtechnische BGA verwendet werden. Daher erfolgte die
Konzeptionierung der Technikumsanlage nach den Vorgaben einer geometrischen
Ähnlichkeit zu der großtechnischen BGA in Neurath, die von der RWE Innogy AG
betrieben wird (vgl. Ruhland 2007).
Da für die Auslegung der Technikumsanlage Kenntnisse über die BGA Neurath
erforderlich sind, soll diese hier zunächst mit den wichtigsten Komponenten und mit den
für die Dimensionierung der Technikumsanlage erforderlichen Abmessungen vorgestellt
werden. Darüber hinaus ist die Kenntnis der entsprechenden Messtechnik und ihrer
Unsicherheiten erforderlich, um Ergebnisse aus dem Labor und der BGA Neurath zu
vergleichen.
3.1.1 BGA Neurath als Referenz
Im Wesentlichen besteht die BGA Neurath aus
der Substratvorlage (Silageplatte für feste Substrate, Sammelgrube für Wirtschaftsdünger),
dem Eintragsystem (Schubboden als Vorlage für feste Substrate mit nachfolgendem
Schneckensystem, Anmaischbehälter mit entsprechender Pumptechnik),
dem Hauptfermenter mit Zentralrührwerk,
dem Kombispeicher mit biologischer Entschwefelung,
dem Gärrestlager,
12 3 Aufbau der betrachteten Anlagen
sowie einem Block-Heiz-Kraftwerk (BHKW) mit vorgeschaltetem Kondensatabscheider
und Aktivkohlefilter
und entsprechender Mess- und Steuerungstechnik.
Eine genauere Beschreibung der BGA Neurath findet sich in Kowalczyk 2007, wobei seit
der damals durchgeführten Studie einige Veränderungen an der Anlage vorgenommen
worden sind. An dieser Stelle soll nur auf den Hauptfermenter eingegangen werden. Die
Betrachtung der relevanten Messtechnik findet in Abschnitt 3.3 statt.
Der Fermenter stellt das Kernstück der BGA Neurath dar. Dort findet der hauptsächliche
Abbau der Organik zu Biogas statt. Er ist somit entscheidend für die Dimensionierung der
Technikumsanlage. Seine Abmaße finden sich in Tabelle 3-1.
Tabelle 3-1: Dimensionen des Fermenters der BGA Neurath (entnommen der techn. Zeichnung der
BGA Neurath, Farmatic Anlagenbau GmbH 2006)
Fermenter
Durchmesser Grundfläche DN 16,22 m
Max. Füllhöhe hN 14,99 m
Füllvolumen VN 3098,80 m3
Gasraum (zylindrischer Teil, bei max. Füllhöhe)
Durchmesser Grundfläche 16,22 m
Höhe 0,50 m
Volumen 103,37 m3
Gasraum (Kegelstumpfdach)
Durchmesser Grundfläche 16,22 m
Höhe 2,43 m
Winkel 20,00 °
Volumen 229,03 m3
3 Aufbau der betrachteten Anlagen 13
Über den Umfang des Fermenters sind vier Strömungsbrecher angebracht, die die
Durchmischung unterstützen sollen. Die Durchmischung des Fermenters erfolgt über ein
zentrales Rührwerk der Fa. PRG, das mit drei Rührorganen mit jeweils zwei Rührblättern
ausgestattet ist.
3.1.2 Aufbau der Technikumsanlage
Bei der Konzeptionierung der Technikumsanlage konnten strömungstechnische
Kennzahlen wie die Reynolds-Zahl (Re) für den Scale down, wie es laut Zlokarnik 2006
erforderlich wäre, nicht verwendet werden. Die Reynolds-Zahl ist eine Funktion der
Drehzahl, der kinematischen Viskosität und des Durchmessers des Rührbehälters. Die
Viskosität des Fermenterinhaltes kann nicht herabgesetzt werden, da sich hierdurch die
Bedingungen für die Mikroorganismen erheblich verändern. Bei gleichbleibender
Reynolds-Zahl ergäbe sich damit für den Laborfermenter eine Drehzahl von 6961 min-1
,
welche nicht realisierbar ist.
Da die Berücksichtigung strömungstechnischer Kennzahlen nicht möglich ist, erfolgte die
Konzeptionierung des Laborfermenters anhand einer geometrischen Ähnlichkeit zum
Hauptfermenter der BGA Neurath. Die Größe der Anlage war dabei dem zur Verfügung
stehenden Platz im explosionsgeschützten Bereich des Biogaslabors anzupassen.
Dementsprechend mussten aus Sicherheitsgründen alle Komponenten so gewählt werden,
dass sie den Anforderungen des Explosionsschutzes genügen.
Für die Dimensionierung der Technikumsanlage wurde ein Füllvolumen von 400 l
festgesetzt. Mit den in Tabelle 3-1 gegebenen Dimensionen ergibt sich nach folgender
Gleichung
22 N N
TA TA TA 3
r hV r h
(3-1)
TA
TA
TA
N
N
Füllvolumen der TA
Radius des Fermenters der TA
Höhe des Fermenters der TA
Radius des Hauptfermenters der BGA Neurath
Höhe des Hauptfermenters der BGA Neurath
Maßstabsfaktor
V
r
h
r
h
somit ein Maßstabsfaktor von19,8. Die daraus resultierenden Dimensionen des
Fermenters der Technikumsanlage nach Ruhland 2007 sind in Tabelle 3-2 aufgeführt.
14 3 Aufbau der betrachteten Anlagen
Tabelle 3-2: Dimensionen des Fermenters der Technikumsanlage [Ruhland 2007]
Fermenter inkl. Gasraum
Durchmesser DTA 0,82 m
Höhe hTA 0,83 m
Volumen VTA 0,43 m3
Fermenter Füllstand
Durchmesser DTA, F 0,82 m
Höhe hTA, F 0,76 m
Volumen VTA, F 0,40 m3
Aufgrund der korrosiven Eigenschaften des Fermenterinhaltes und des entstehenden
Biogases, in denen u.a. Schwefelsäure und Schwefelwasserstoff enthalten sind, musste auf
einen Werkstoff zurückgegriffen werden, der für diese Bedingungen geeignet ist. Die Wahl
fiel auf den Edelstahl mit der Werkstoffnummer 1.4571. Aufgrund der
Materialeigenschaften wurden von Ruhland 2007 die erforderlichen Wandstärken
bestimmt.
Aktuell besteht die Anlage im Wesentlichen aus drei Teilen:
dem Fermenter,
dem Gärrestspeicher und
dem Beschickungssystem.
In Abbildung 3-1 ist der Aufbau der Anlage ersichtlich. Im Anhang A-1 bis A-4 sind
technischen Zeichnungen des Fementers, des Deckels und des Beschickungskastens der
Technikumsanlage mit den wichtigsten Abmaßen angefügt.
3 Aufbau der betrachteten Anlagen 15
Abbildung 3-1: 3D-Ansicht der Technikumsanlage
Der Fermenter der Technikumsanlage weist, ebenso wie der Hauptfermenter der BGA
Neurath, vier Strömungsbrecher im Inneren auf. Die Durchmischung erfolgt über ein
zentrales Rührwerk. Das Rührwerk wurde, bis auf die Rührwelle, anhand der
geometrischen Ähnlichkeit zum Rührwerk der BGA Neurath von der Fa. PRG ausgelegt.
Die Fa. PRG hat auch das Rührwerk für die BGA Neurath konstruiert. An der Rührwelle
waren anfangs drei zweiflügelige Schrägblattrührorgane über Madenschrauben befestigt.
Bei den ersten Versuchsreihen wurde allerdings eine unzureichende Durchmischung des
Fermenters bei maximaler Füllhöhe festgestellt, weshalb die Rührorgane ausgetauscht
16 3 Aufbau der betrachteten Anlagen
wurden. Aktuell sind zwei dreiflügelige pumpleistungsoptimierte Propeller der Fa.
TURBO Misch- und Verfahrenstechnik Industrierührwerke GmbH verbaut. Eine in der
Höhe variable Positionierung der Rührorgane war und ist weiterhin möglich.
Neben dem Rührwerk, das zentral auf dem Deckel angebracht ist, verfügt der Deckel über
weitere Anschlüsse. Eine Übersicht der Anschlüsse ist in Abbildung 3-2 dargestellt.
Abbildung 3-2: Deckel der Technikumsanlage mit verschiedenen Anschlüssen
Die Funktion der Anschlüsse und die ausgeführten Modifikationen sehen wie folgt aus:
1. Zwei Schaugläser zur Beobachtung der Flüssigkeitsoberfläche (Beurteilung der
Durchmischung). Bei diesen mussten Wischer (Lumiglas Scheibenwischer Typ SWI, T-
Griff) nachgerüstet werden, da sonst der kondensierende Wasserdampf eine Beobachtung
der Flüssigkeitsoberfläche verhindert.
2. Ein Messstab zur visuellen Füllstandsmessung wurde nachträglich so positioniert, dass die
den Füllstand angebenden Markierungen über eines der Schaugläser abgelesen werden
können. Diese Nachrüstung war aus zwei Gründen erforderlich. Zum einen wurde nach den
ersten Versuchsreihen ersichtlich, dass kein konstanter Füllstand im Behälter allein über
den Überlauf zum Gärrestspeicher gehalten werden kann. Zum anderen konnten die
ausgewählten Füllstandsschalter der Fa. Baumer (LBFS 125212) bisher nicht in Betrieb
3 Aufbau der betrachteten Anlagen 17
genommen werden. Die Bohrlöcher für den Anschluss der Füllstandsschalter mit
entsprechendem Gewinde sind bereits im Deckel vorhanden und werden über einen
Blindstopfen gegen die Umgebung abgedichtet.
3. Ein Kugelventil dient der Beschickung der Anlage mit flüssigem oder angemaischtem
Substrat. Um die Dichtigkeit der Anlage zu verbessern, wird das Kugelventil zusätzlich mit
einem Gummistopfen verschlossen.
4. Ein Rohranschluss für die Gasleitung zum Gaschromatographen (GC) befindet sich am
Ansatz für ein Schauglas. Ursprünglich wurde dieser Anschluss auch für die Gasleitung
zum Gaszähler verwendet. Da bei Störungen während einer Versuchsreihe Sperrflüssigkeit
aus dem Gaszähler in den GC gelangt ist, wurde die Leitung zum Gaszähler von derjenigen
zum GC entkoppelt
5. Direkt am Deckel des Fermenters ist eine Schlauchtülle angebracht, die zurzeit die
Verbindung zum Gaszähler, zur Überdrucksicherung und zur Gasphase des
Gärrestspeichers darstellt. Laut den Konstruktionsplänen sollte dieser Anschluss nur als
Verbindung zur Überdrucksicherung dienen. Nach der ersten Versuchsreihe musste diese
auch zur Koppelung der Gasphasen von Fermenter und Gärrestspeicher verwendet werden.
Grund hierfür waren sich unterschiedlich einstellende Drücke in Gärrestspeicher und
Fermenter. Der Füllstand im Fermenter sank durch einen höheren Druck im Fermenter
unter das Soll ab. Seit der letzten durchgeführten Versuchsreihe wird dieser Anschluss
auch als Anbindung an die Leitung zum Gaszähler genutzt.
6. Ein Flansch zur Schleuse, die den Fermenter mit dem Beschickungssystem verbindet.
Die am Deckel angeflanschte Schleuse ist erforderlich, damit kein Gasaustausch zwischen
dem Beschickungssystem und dem Fermenter stattfindet. Auf diese Weise wird nicht nur
vermieden, dass für den Prozess schädlicher Sauerstoff in den Fermenter gelangt, sondern
auch die Anreicherung von methanhaltigem Biogas im Beschickungssystem. Die
Abtrennung erfolgt jeweils über einen pneumatischen Schieber (AKO, L20N), der über die
Messsoftware angesteuert wird. Die Schleuse ist mit zwei Gasanschlüssen ausgestattet.
Über einen wird Helium zur Spülung der Schleuse eingeleitet. Der andere verbindet die
Schleuse mit der Abluft, so dass Helium, Biogas, Luft oder ein Gemisch dieser Gase aus
der Schleuse ausgetragen wird. Die Spülung der Schleuse erfolgt im Normalfall vor und
nach jedem Beschickungsvorgang.
Das an den oberen Teil der Schleuse befestigte Beschickungssystem dient der
automatischen Beschickung der Technikumsanlage mit festen Substraten. Im oberen Teil
ist auf einer Schiene eine Schubladenkonstruktion angebracht. In dieser befinden sich 33
Zylinder, die am Boden jeweils mit einem Deckel über einen Hubmagneten verschlossen
werden. Im Weiteren werden diese als Dosen bezeichnet. Diese können mit Substrat befüllt
werden und öffnen dann in den in der Messsoftware eingestellten Intervallen. Hierdurch
können Beschickungsintervalle, z.B. alle zwei Stunden, realisiert werden. 24 der 33 Dosen
18 3 Aufbau der betrachteten Anlagen
sind funktionstüchtig und können über die Messsoftware angesteuert werden. Nach dem
Öffnen fällt das Substrat in den Trichter des Beschickungssystems und über die Schleuse
in den Fermenter.
Der Fermenter selbst ist zur Thermostatisierung mit einem Heizband umwickel. Im unteren
Drittel des Fermenters befindet sich ein Probenahmestutzen. Vom Boden des Fermenters
geht ein Rohr ab, das durch ein Scheibenventil geschlossen wird und zur Leerung des
Fermenters benutzt wird. Drei weitere Anschlüsse am Fermenter (zwei unten, einer oben)
sind momentan mit einem Blindflansch versehen. Über die Höhe des Fermenters verteilt
sind Aufnahmen zur Montage von drei PT-100 installiert. Die PT‘s dienen zur Messung
der Temperatur des Fermenterinhaltes. Etwas unterhalb der Mitte befindet sich ein Siphon,
der die Verbindung zum Gärrestspeicher herstellt. Ursprünglich war dies eine einfache
Rohrverbindung, die den Füllstand im Fermenter konstant halten sollte. Die Gründe für die
notwendigen Änderungen, sowie der aktuelle Stand werden nachfolgend beschrieben.
Modifizierung des Überlaufs
Im Rahmen der ersten an der Technikumsanlage durchgeführten Versuchsreihe wurde ein
Druckunterschied in den Gasphasen von Fermenter und Gärrestspeicher festgestellt. Die
Gasphase des Gärrestspeichers ist direkt mit der Abluftleitung verbunden, weswegen sich
hier nahezu Umgebungsdruck einstellt. Durch das entstehende Biogas im Fermenter steigt
der Druck an. Als Folge läuft der Fermenterinhalt solange in den Gärrestspeicher über, bis
sich ein Gleichgewicht einstellt und der Füllstand konstant bleibt. Dies hatte ein Absinken
des Füllstandes im Fermenter zur Folge, so dass das Füllvolumen nicht mehr genau
bestimmt werden konnte. Um Abhilfe zu schaffen, wurden die Gasphasen beider Behälter
über eine Schlauchleitung verbunden und der Gärrestspeicher von der Abluftleitung
getrennt. Hierdurch sind gleiche Druckbedingungen in beiden Gasphasen gegeben.
Allerdings traten auch bei diesem Aufbau Probleme bei folgenden Versuchsreihen auf.
Wurde der Füllstand auf seinem maximalen Wert gehalten, führte leichte Schaumbildung
zur Verstopfung der Gasleitungen. Hierdurch war erneut eine Anpassung des Füllstandes
erforderlich, der dann in der aktuellen Versuchsreihe nur noch abgeschätzt werden konnte.
Aus diesem Grund wurde eine Lösung entwickelt, bei der der Füllstand innerhalb
festgelegter Grenzen automatisch reguliert werden soll. Die beiden Systeme -
Gärrestspeicher und Fermenter - sollen dazu voneinander getrennt werden. Hierfür wird in
den Siphon ein Quetschventil der Fa. AKO Armaturen & Separations GmbH
(VFX065.03LF.35.30LA) eingebaut, das pneumatisch angesteuert werden kann. Des
Weiteren werden zwei Füllstandsschalter der Fa. Baumer (LBFS 125212) am
Fermenterdeckel angebracht. Über eine entsprechende Konstruktion können beide
innerhalb bestimmter Grenzen in der Höhe variiert werden. Sie definieren einen minimalen
3 Aufbau der betrachteten Anlagen 19
und maximalen Füllstand. Meldet der höher positionierte Füllstandsschalter das Erreichen
des maximalen Füllstandes an die Messsoftware, wird das Quetschventil für ein definiertes
Zeitintervall geöffnet, maximal aber bis der untere Füllstandsschalter meldet, dass der
minimale Füllstand unterschritten wurde. Auf diese Weise soll die Einhaltung eines
Füllstandbereiches gewährleistet werden. Dieser Lösungsvorschlag konnte nicht mehr im
Rahmen dieser Arbeit vollständig umgesetzt werden.
Übergangsweise wurde eine zusätzliche Möglichkeit geschaffen, um den Füllstand zu
bestimmen. In der Nähe eines Sichtfensters (vgl. Abbildung 3-2) wurde ein Edelstahl-Stab
montiert, der in einem Abstand von 8 mm Markierungen zur Bestimmung des Füllstandes
aufweist. Das zu jeder Markierung korrespondierende Volumen wurde experimentell
ermittelt.
Der Gärrestspeicher besteht ebenfalls aus Edelstahl. Er weist bis zum Überlauf ein
Fassungsvermögen von 45 l auf. Der im Gärrestspeicher befindliche Fermenterinhalt kann
über das Scheibenventil am Boden des Gärrestspeichers abgelassen werden. Am Deckel
des Gärrestspeichers ist die bereits beschriebene Verbindung zur Gasphase des Fermenters
montiert. Sobald das im Siphon montierte Quetschventil und die Füllstandsschalter in
Betrieb sind, wird dieser Anschluss verwendet, um den Gärrestspeicher wieder mit der
Abluft zu verbinden. In den Deckel wurde auch eine Anschlußmöglichkeit für einen
Füllstandsschalter nachgerüstet. Dies war erforderlich, da bisher keine Aussage darüber
gemacht werden konnte, wann der Gärrestspeicher geleert werden muss.
3.2 Parallelanlagen
Neben der Technikumsanlage wurden für das Biogaslabor weitere Anlagen errichtet, die
vom Aufbau gleich sind und den Parallellauf von Versuchen ermöglichen. Diese Anlagen
werden im Weiteren als Parallelanlagen (PA) bezeichnet. Im Rahmen der Arbeit von Wiese
2008 wurde die Anlagenkonstruktion durchgeführt. Es wurden drei baugleiche Anlagen
(PA1, PA2, PA3) mit einem Füllvolumen von 20 l konstruiert und aufgebaut. Das
maximale Füllvolumen wurde nach den ersten Versuchsreihen auf 22 l erhöht.
Als Material für die Fermenter wurde Borsilicatglas verwendet. Über einen
Doppelglasmantel wird der Fermenterinhalt temperiert. Ein Umlaufthermostat der Fa.
Huber (Wärme Umwälzthermostat CC2-202C) pumpt hierzu Wasser als
Wärmeträgermedium um. Der Deckel ist aus PVC gefertigt. Damit der Deckel gasdicht mit
dem Fermenter abschließt, hat der Flansch am Fermenter eine Nut für einen O-Ring. Der
Verschluss wird über eine geeignete Schelle realisiert (vgl. Abbildung 3-3.).
20 3 Aufbau der betrachteten Anlagen
Abbildung 3-3: Übersicht über eine der drei baugleichen Parallelanlagen
Zentral auf dem Deckel befindet sich das Rührwerk der Fa. TURBO Misch- und
Verfahrenstechnik Industrierührwerke GmbH. Die Welle und die drei Rührorgane bestehen
aus Edelstahl. Aufgrund unzureichender Durchmischung während der ersten Versuche
wurde die Anzahl der dreiflügeligen Propeller-Rührorgane von zwei auf drei erhöht. Diese
sind über Madenschrauben an der Rührwelle befestigt und können somit in Anzahl und
Position variiert werden. Die Durchführung der Rührwelle durch den Deckel wurde mit
einem Simmerring realisiert. Hier traten im Rahmen der Inbetriebnahme erhebliche
Schwierigkeiten mit der Dichtigkeit auf. Die Rührwelle konnte nicht exakt zentrisch
positioniert werden, wodurch erhebliche Verschleißerscheinungen auftraten. Aus diesem
Grund wurde der Simmerring der Fa. Brammer GmbH (025X052X07 B2PTNIBL) durch
den Simmerring 25x52x7 BAUM VI der Fa. Hengstenberg ersetzt. Zusätzlich wurde ein
Kugellager (Fa. BEARING SERVICE Wälzlager-Vertriebs GmbH, SUCTF205) am
Deckel angebracht, das die Zentrierung der Rührwelle sicher stellen soll.
3 Aufbau der betrachteten Anlagen 21
Abbildung 3-4: Darstellung der verschiedenen Anschlüsse am Deckel der Parallelanlagen
Weiterhin sind auf dem Deckel (vgl. Abbildung 3-4) folgende Einbauten angebracht:
ein PT-100 zur Messung der Temperatur des Fermenterinhaltes,
eine Schlauchtülle für den Anschluss der Überdrucksicherung und des Gasbeutels
von dem eine weitere Schlauchverbindung zum Gaszähler führt,
ein Swagelok-Rohranschluss für die Anbindung an den GC,
der Beschickungsstutzen mit Kugelventil,
sowie eine Gewindebohrung für einen zukünftigen Anschluss eines pH-Meters.
Die Integration eines Gasbeutels in die Gasleitung vom Fermenter zum Gaszähler ist
erforderlich, um Druckunterschiede im Zusammenhang mit Beschickung und Probenahme
auszugleichen.
Ursprünglich wies der Beschickungsstutzen eine Krümmung auf. Bei der Beschickung mit
festen Substraten kam es wiederholt zu schwer zu behebenden Verstopfungen, auch wenn
die Substrate angemaischt waren. Daher wurde ein neuer Beschickungsstutzen ohne
Krümmung konstruiert, welcher aufgrund des Rührwerkes in einem Winkel von 75°
angebracht werden musste.
Am Boden des Fermenters befindet sich der Auslass, der mit einem Ventil verschlossen
wird, das baugleich mit dem am Beschickungsstutzen ist. Über dieses Ventil ist nicht nur
eine Entleerung des Fermenters möglich, sondern auch die Probenahme und die Entnahme
von Fermenterinhalt zum Anmaischen.
22 3 Aufbau der betrachteten Anlagen
Technische Zeichnungen des Fermenters sowie des Deckels mit den wichtigsten Maßen
finden sich in Anhang A-5 und A-6.
3.3 Messtechnik
Um den Biogasbildungsprozess zu beobachten, sowie das Verhalten und die Leistung der
Anlagen zu beurteilen, wurden verschiedene Messgrößen während der Versuche
aufgenommen. Für den Vergleich von Messergebnissen unterschiedlicher Laboratorien
und Messreihen ist die Angabe über die Bestimmung und Größe der Unsicherheit einer
Messung notwendig. 1978 beauftragte das Comité International des Poids et Mesures
(CIPM) das Bureau International des Poids et Mesures (BIPM), eine international geltende
Vorschrift zur Bestimmung und Angabe von Messunsicherheiten zu erarbeiten. 1993
erschien der Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement [International
Organization for Standardization 1995]. [DIN V ENV 13005, Deutscher Kalibrierdienst
1998, DIN 1319-4, Pesch 2003]
In diesem Abschnitt sollen die einzelnen Messtechniken sowie die Vorgehensweise bei der
Ermittlung der Unsicherheiten der betrachteten Messgrößen nach International
Organization for Standardization 1995 und ISO/IEC Guide 98-3 aufgezeigt werden. Die
erweiterte Messunsicherheit Ue ist das Produkt aus der kombinierten Standardunsicherheit
uc und dem Erweiterungsfaktor k (vgl. Gleichung (3-2)).
e c ( )U k u y (3-2)
Der Erweiterungsfaktor k wird entsprechend der Verteilung und der gewählten
Überdeckungswahrscheinlichkeit, i.d.R. 95% oder 95,45%, bestimmt. Die Verteilung der
kombinierten Standardunsicherheit uc muss anhand des Messunsicherheitsbudget
(Aufstellung aller Messunsicherheitsbeiträge inkl. ihrer Verteilungen) ermittelt werden.
Die häufigsten Verteilungsarten sind die Rechteckverteilung ( 0,95 3 1,65k ), die
Student-t-Verteilung (k = tp) und die Normalverteilung (k = 2). In Anhang A-7 ist
beispielhaft eine Berechnung der erweiterten Messunsicherheit für den trockenen
Normvolumenstrom dargestellt.
Temperatur
An der Technikumsanlage wird die Temperatur des Fermenterinhaltes in drei
unterschiedlichen Höhen erfasst. Bei den Parallelanlagen erfolgt die Messung der
Temperatur des Fermenterinhaltes jeweils an einer Stelle, wobei der Messsensor in den
Deckel geschraubt ist. Weitere vier Temperatursensoren messen die Temperatur in der
3 Aufbau der betrachteten Anlagen 23
Gasphase der Gaszähler. Für jeden Messpunkt wird ein Einschraub-
Widerstandthermometer (PT-100) mit Anschlusskopf Form B, 1/3 Klasse B verwendet.
Für die Temperaturmessung setzt sich die kombinierte Standardunsicherheit wie folgt
zusammen:
2 2 2 2 2 2 2 2
c i Re NI Ref SE WA dyn,tÖG( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )gu u y u y u y u y u y u y u y u y (3-3)
2
Re
2
NI
2
Ref
2
SE
( ) Unsicherheitsbeitrag der Regressionsrechnung
( ) Unsicherheitsbeitrag der Messbrücke (National Instruments)
( ) Unsicherheitsbeitrag der Referenzmesskette
( ) Unsicherheitsbeitrag durch
gu y
u y
u y
u y
2
ÖG
2
WA
2
dyn,t
die Selbsterwärmung
( ) Unsicherheitsbeitrag durch den örtlichen Gradienten
( ) Unsicherheitsbeitrag durch die Wärmeableitung
( ) Unsicherheitsbeitrag durch die dynamische Zeitkonstante
u y
u y
u y
Damit ergeben sich für die im Labor verbauten Temperatursensoren die in Tabelle 3-3
angegebenen erweiterten Messunsicherheiten.
Tabelle 3-3: Unsicherheitsbeiträge ui(y) und erweiterte Messunsicherheit Ue für die
Temperatursensoren der Laboranlagen, mit k = 1,65 (TA: Technikumsanlage, PA: Parallelanlage;
GZ: Gaszähler)
Sensor in uReg
[K]
uNI
[K]
uRef
[K]
uSE
[K]
uÖG
[K]
uWA
[K]
udyn, t
[K]
Ue
[K]
TA oben 0,003 0,087 0,001 0,001 0,003 0,000 0,003 ± 0,14
TA mitte 0,001 0,087 0,001 0,001 0,003 0,000 0,003 ± 0,14
TA unten 0,003 0,087 0,001 0,001 0,003 0,000 0,003 ± 0,14
PA 1 0,003 0,087 0,001 0,001 0,003 0,000 0,003 ± 0,14
PA 2 0,002 0,087 0,001 0,001 0,003 0,000 0,003 ± 0,14
PA 3 0,002 0,087 0,001 0,001 0,003 0,000 0,003 ± 0,14
GZ 1 0,019 0,087 0,001 0,142 0,003 0,021 0,003 ± 0,28
GZ 2 0,023 0,087 0,001 0,142 0,003 0,021 0,003 ± 0,28
GZ 3 0,020 0,087 0,001 0,142 0,003 0,021 0,003 ± 0,28
GZ 4 0,001 0,087 0,001 0,142 0,003 0,000 0,003 ± 0,27
24 3 Aufbau der betrachteten Anlagen
Bei den Temperatursensoren, die die Temperatur des Fermenterinhaltes messen wirkt sich
der Unsicherheitsbeitrag der Messbrücke (uNI) am stärksten auf die erweiterte
Messunsicherheit aus. Dagegen hat die Selbsterwärmung bei den Temperatursensoren in
den Gaszählern den größten Einfluss auf die erweiterte Messunsicherheit, da hier in der
Gasphase gemessen wird.
In der BGA Neurath sind zwei Temperatursensoren der Fa. Endress+Hauser (Omnigard M
TR10) in unterschiedlicher Höhe angebracht. Die PT’s haben laut Herrn Berger von
Endress+Hauser (Berger 2012) die Genauigkeitsklasse A. Damit ergibt sich bei einer
maximalen Temperatur von 50°C eine Unsicherheit von ± 0,25 K.
Gasdruck
Für die Messung des absoluten Gasdrucks in der Gasphase der Gaszähler, die an die vier
Laboranlagen angeschlossen sind, werden Industrie-Druckaufnehmer mit einem
keramischen Sensorelement (Althen GmbH Meß- und Sensortechnik, HPSA-KDVAA-
002-A) verwendet. Gleichung (3-4) gibt Auskunft über die unterschiedlichen Beiträge zur
kombinierten Standardunsicherheit.
2 2 2 2 2 2
c i Re NI Ref( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )g nl LSu u y u y u y u y u y u y (3-4)
2
Re
2
NI
2
Ref
2
( ) Unsicherheitsbeitrag der Regressionsrechnung
( ) Unsicherheitsbeitrag der Messbrücke (National Instruments)
( ) Unsicherheitsbeitrag der Referenzmesskette
( ) Unsicherheitsbeitrag durch
g
nl
u y
u y
u y
u y
2
die Nichtlinearität
( ) Unsicherheitsbeitrag durch die LangzeitstabilitätLSu y
Tabelle 3-4: Unsicherheitsbeiträge ui(y) und erweiterte Messunsicherheit Ue für die
Druckmessung, mit k = 1,65 (GZ: Gaszähler)
Sensor in uReg
[mbar]
uNI
[mbar]
uRef
[mbar]
unl
[mbar]
uLS
[mbar]
Ue
[bar]
GZ 1 0,5 24,7 0,1 1,0 1,0 ± 0,041
GZ 2 0,4 24,7 0,1 1,0 1,0 ± 0,041
GZ 3 0,5 24,6 0,1 1,0 1,0 ± 0,041
GZ 4 0,2 24,8 0,1 1,0 1,0 ± 0,041
3 Aufbau der betrachteten Anlagen 25
In Tabelle 3-4 sind die erweiterten Messunsicherheiten und die Unsicherheitsbeiträge für
die Drucksensoren aufgeführten. Klar erkennbar ist, dass die Messbrücke (uNI) den
dominanten Beitrag zur erweiterten Messunsicherheit liefert.
Normvolumenstrom
Angeschlossen an alle Anlagen ist je ein Trommelgaszähler (Dr.-Ing. Ritter Apparatebau
GmbH & Co. KG, Typ TG05/2). Als Sperrflüssigkeit wird das Weißöl Autin B verwendet.
Mit diesen Trommelgaszählen wird der Volumenstrom des feuchten Biogases bei
Betriebsbedingungen gemessen. Um diesen für unterschiedliche Anlagen und
unterschiedliche Versuchsreihen vergleichbar zu machen, wird mit Hilfe des gemessenen
Drucks und der Temperatur auf trockenen Normvolumenstrom umgerechnet, desweiteren
als Normvolumenstrom bezeichnet. Dabei kann davon ausgegangen werden, dass das
Biogas zum Zeitpunkt der Messung wasserdampfgesättigt ist. Die Berechnung des
Wasserdampfdruckes erfolgt anhand der von Gerber 2009 verwendeten erweiterten
Antoine-Gleichung (Gleichung (3-5)) aus ASPEN. Die Koeffizienten sind Gerber 2009
entnommen. Laut dieser Arbeit liegen die Abweichungen der Antoine-Gleichung bei 1 bar
und 20°C bei nur 0,001% im Vergleich zur IAPWS Formulation 1995 von Wagner und
Pruß.
75 2w 1 4 5 6
3
[ ] 10 exp / ln( / ) ( / )/
CCp bar C C T K C T K C T K
T K C
(3-5)
1 5
6
2 6
3 7
4
73,6490 C 7,3037
7258,2000 C 4,1706 10
C 0,0000 2,0000
C 0,0000
C
C
C
Wagner et al. 2002 geben die Unsicherheit ihrer Gleichung im relevanten
Temperaturbereich mit ± 0,02% an. Nach dem Abzug des Wassers aus dem Volumenstrom
wird über die ideale Gasgleichung (Gleichung (3-6)) vom trockenen
Betriebsvolumenstrom auf einen trockenen Normvolumenstrom umgerechnet.
mit
p V m R T
m R const
(3-6)
Insgesamt ergibt sich für die Berechnung des Normvolumenstroms Gleichung (3-7).
NV
26 3 Aufbau der betrachteten Anlagen
B w NN B
B N
( )p p TV V
T p
(3-7)
N N
N N
N
B
B
B
:Normdruck =1,013 bar
:Normtemperatur 273 K
:Normvolumenstrom
:Betriebsdruck
:Betriebstemperatur
:Betriebsvolumenstrom
p p
T T
V
p
T
V
Der Einfluss durch die Verwendung der idealen Gasgleichung wird für die Berechnung der
Unsicherheit vernachlässigt. Die Realgaskoeffizienten der im Biogas enthaltenen Gase
liegen bei den gegebenen Bedingungen nahezu bei z = 1.
Daraus ergibt sich für die Berechnung der kombinierten Standardunsicherheit die folgende
Formel:
2 2 2 2 2 2
c i Re NI Ref( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )g nl LSu u y u y u y u y u y u y (3-8)
2
GZ
2
T
2
p
2
AG
( ) Unsicherheitsbeitrag des Trommelgaszählers
( ) Unsicherheitsbeitrag der Temperaturmessung
( ) Unsicherheitsbeitrag der Druckmessung
( ) Unsicherheitsbeitrag der Antoine-Gleichung (ASPEN)
u y
u y
u y
u y
Die sich ergebende erweiterte Messunsicherheit und die jeweiligen Unsicherheitsbeiträge
für jede Anlage sind in Tabelle 3-5 angegeben. Bei der Bestimmung des
Normvolumenstroms wirkt sich insbesondere der Beitrag des Gasdruckes aus.
Tabelle 3-5: Unsicherheitsbeiträge ui(y) und erweiterte Messunsicherheit Ue für die Bestimmung
des Normvolumenstroms, mit k = 1,65 (TA: Technikumsanlage, PA: Parallelanlage)
Für Anlage uGZ
[lN h-1
]
uT
[lN h-1
]
up
[lN h-1
]
uAG
[lN h-1
]
Ue
[lN h-1
]
PA 1 -0,012 -0,004 0,160 -2,5 10-5
± 0,263
PA 2 -0,008 -0,004 0,159 -2,5 10-5
± 0,262
PA 3 -0,008 -0,004 0,159 -2,5 10-5
± 0,262
TA -0,008 -0,004 0,158 -2,5 10-5
± 0,261
3 Aufbau der betrachteten Anlagen 27
Für die Messung des Volumenstroms ist in Neurath ein DPO 10E-B1H2A2F
Durchflussmesser der Fa. Endress+Hauser verbaut. Eine Angabe der genauen
Messunsicherheit ist hier aus mehreren Gründen nicht möglich. Der Durchflussmesser
wurde mit trockener Luft kalibriert, es wird aber nasses Biogas gemessen. Intern erfolgt
eine Umrechnung auf einen Standardvolumenstrom; hier ist allerdings nicht bekannt
welche Standardtemperatur und welcher Standarddruck dabei angenommen werden.
Zudem werden Betriebsdruck und Betriebstemperatur angenommen, aber nicht gemessen.
Somit können die gemessenen Werte erheblich von der Realität abweichen. Hiermit wäre
es noch möglich eine Unsicherheit der Messung grob abzuschätzen. Allerdings tritt bei der
Messung ein weiteres Problem auf. Ab einem Volumenstrom von 400 m3h
-1 wird dieser als
konstant angezeigt. Höhere Volumenströme werden nicht entsprechend ihrem eigentlichen
Wert aufgezeichnet. Damit wird zwar ein Volumenstrom aufgezeichnet, dieser erlaubt aber
keine Aussage über den tatsächlichen Volumenstrom.
Ein alternativer Ansatz besteht in der Bestimmung des produzierten Biogases über die
Leistung des BHKW und den Methangehalt. Hierbei muss allerdings beachtet werden, dass
in das BHKW nicht nur Biogas aus dem Fermenter gelangt, sondern auch aus dem
Kombispeicher. Daher kann der berechnete Wert nur eine grobe Schätzung darstellen.
Eingesetzt wird an der BGA Neurath ein BHKW der Fa. Pro2 Anlagentechnik GmbH
(Modul-Typ: BIEM 716). Dieses ist mit einem Motor der Fa. Deutz Power Systems GmbH
& Co. KG (TCG 2016 V 16) und einem Generator der Fa. Marelli Motori (M8B 400)
ausgestattet. Nach Angabe von Kreuels 2012 hat der Motor einen elektrischen
Wirkungsgrad von 40,3% im Auslegungspunkt.
Für den Versuchszeitraum hat eine Analyse der vom BHKW an die Messsoftware
gesendeten Daten zur produzierten Leistung große Unstimmigkeiten mit den Daten der
Stromeinspeisung ergeben. An einigen Tagen werden null Betriebsstunden des BHKW
angegeben. Wird dieser Tag mit den Daten der Stromeinspeisung verglichen, so zeigt diese
eine Stromeinspeisung über den ganzen Tag. Das BHKW muss also an diesem Tag
gelaufen sein.
Aufgrund der geschilderten Problematik wird daher der Normvolumenstrom über die
Werte der Einspeisung grob abgeschätzt. Zu beachten ist, dass hierbei zusätzlich Verluste
durch den Transformator etc. auftreten. Zudem kann es zum Abfackeln des produzierten
Biogases kommen, wodurch dieses nicht verstromt wird.
Nach Auskunft von Richter 2012 sind sowohl für die Einspeisung, als auch für den
Eigenstrombedarf der BGA Neurath Stromzähler der Klasse 0,5 eingesetzt. Damit haben
sie eine Genauigkeit von ± 0,5% vom Messwert.
Die Berechnung des Volumenstroms an CH4 erfolgt nach Gleichung (3-9).
28 3 Aufbau der betrachteten Anlagen
4
CH4
elCH
BHKW iv
PV
H
(3-9)
4
CH4
CH 4
el
BHKW
iv 4
Volumenstrom CH
elektrische Leistung des BHKW
elektrischer Wirkungsgrad des BHKW
volumenbezogener Heizwert von CH
V
P
H
Der volumenbezogene Heizwert von CH4 kann nach DIN 51857 mit
CH4
m b vv b
m v v
( )( )
H T pH T
R T z
(3-10)
m 4
v
m
v
v
b
molarer Heizwert von CH
Druck im Bezugszustand (hier 1,01325 bar)
molare Gaskonstante
Temperatur im Bezugszustand (hier 273,15 K)
Realgasfaktor im Bezugszustand
Bezugstemperatur für die Verbr
H
p
R
T
z
T ennung (298,15 K)
berechnet werden. Die für die Berechnung erforderlichen Werte werden der DIN 51857
entnommen. Um vom Methanvolumenstrom auf den Biogasvolumenstrom umzurechnen,
wird der Methangehalt herangezogen. Da hierbei viele Faktoren auf die Unsicherheit
Einfluss haben, die nicht genauer quantifiziert werden können, wird diese mit ± 20%
abgeschätzt.
Füllvolumen
Für das Füllvolumen der Technikumsanlage kann für die ersten Versuchsreihen nur eine
Abschätzung der Unsicherheit vorgenommen werden, da sich der Füllstand während der
Versuche verändert hat und keine Möglichkeit bestand, diesen genau zu bestimmen. Für
die ersten Versuchsreihen wird die Unsicherheit auf ± 15 l abgeschätzt
Um den aktuell eingesetzten Messstab zur Bestimmung des Füllvolumens zu kalibrieren,
wurde die Technikumsanlage zunächst bis zu einem Volumen unterhalb des Messstabes
befüllt. Um die Schrittweiten auf dem Messstab den entsprechenden Volumina
zuzuweisen, wurde anschließend Wasser mit Hilfe eines Messbechers eingefüllt. Die
Schrittweite liegt bei 5 l. Für die aktuelle Bestimmung über den Messstab setzt sich die
kombinierte Unsicherheit demnach zusammen aus:
3 Aufbau der betrachteten Anlagen 29
2 2 2 2
c i WU MB AL( ) ( ) ( ) ( )u u y u y u y u y ( 3-11)
2
WU
2
MB
2
AL
( ) Unsicherheitsbeitrag der Wasseruhr
( ) Unsicherheitsbeitrag des Messbechers
( ) Unsicherheitsbeitrag durch die Ablesbarkeit
u y
u y
u y
Damit ergibt sich mit einem k-Faktor von 1,65 eine erweiterte Unsicherheit Ue von ± 6,2 l,
wobei die Wasseruhr den höchsten Unsicherheitsbeitrag (3,5 l) aufweist.
Die Bestimmung des Füllstandes bei den Parallelanlagen erfolgt anhand einer Skala auf
dem Glasmantel. Das Intervall der Skalenschritte beträgt 1 l. Das Füllvolumen kann auf
± 0,5 l genau abgelesen werden.
An der BGA Neurath erfolgt die Füllstandsmessung über den hydrostatischen Druck.
Eingesetzt wird der Waterpilot FMX 167 der Fa. Endress+Hauser. Hier wurde laut Köpp
2012 im Laufe des Betriebes bemerkt, dass trotz gleicher Anzeige ein sich verändernder
Füllstand zu beobachten ist. Ursache hierfür ist die sich ändernde Dichte des
Fermenterinhaltes. Daraufhin wurde ein sogenannter „Fettkoeffizient“ eingeführt, der
Abhilfe schaffen sollte. Allerdings muss dieser regelmäßig angepasst werden. Köpp 2012
schätzt die Unsicherheit mit ± 40 cm ab. Mit den in Tabelle 3-1 angegebenen Abmaßen
ergibt sich eine erweiterte Unsicherheit von ± 83 m3.
Reduzierter Normvolumenstrom
Bei Versuchen an unterschiedlichen Anlagengrößen ist es sinnvoll, den gemessenen
Normvolumenstrom auf das Füllvolumen der jeweiligen Anlage zu normieren; in weiterem
wird diese Messgröße als reduzierter Normvolumenstrom bezeichnet. Die erweiterte
Unsicherheit setzt sich aus der Unsicherheit des trockenen Normvolumenstroms und der
Unsicherheit des Füllvolumens zusammen. Für die vier Laboranlagen und die BGA
Neurath sind die Werte in Tabelle 3-6 angegeben. Bei den Parallelanlagen und der BGA
Neurath wirkt sich der Unsicherheitsbeitrag des Normvolumenstroms stärker auf die
erweiterte Messunsicherheit aus. Bei der Technikumsanlage dominiert dagegen der
Unsicherheitsbeitrag des Füllvolumens.
30 3 Aufbau der betrachteten Anlagen
Tabelle 3-6: Unsicherheitsbeiträge ui(y) und erweiterte Messunsicherheit Ue für die Bestimmung
des reduzierten Normvolumenstroms, mit k = 1,65 (TA: Technikumsanlage, PA: Parallelanlage)
Anlage uVfüll
[lN lFüll-1
h-1
]
uVN
[lN lFüll-1
h-1
]
Ue
[lN lFüll-1
h-1
]
PA 1 -0,003 0,0073 ± 0,013
PA 2 -0,003 0,0072 ± 0,013
PA 3 -0,003 -0,0072 ± 0,013
TA aktuell -0,0014 0,0004 ± 0,002
TA vorher -0,0032 0,0004 ± 0,005
BGA Neurath -0,0014 0,0107 ± 0,018
Masse
Für die Beschickung der Anlagen werden die Massen der jeweiligen Substrate mit der
Präzisionswage der Fa. Kern (Modell EW6200-2NM) gewogen. Diese hat einen Eichwert
von 0,1 g [KERN & Sohn GmbH 2006] und damit eine Unsicherheit von ±0,1 g.
Für die Bestimmung der in Neurath eingetragenen Substrate werden unterschiedliche
Hilfsmittel verwendet. Die Menge an Hähnchenmist und Lieschkolbenschrot wird mit
Hilfe eines Radladers und einer Straßenfahrzeugwaage bestimmt. Die
Straßenfahrzeugwaage von der Fa. OAS AG (Model: EFS20, Auswertelektronik SWT) hat
die Handelsklasse 3. Bei einer Wägung von bis zu 10 t beträgt die Genauigkeit einen
digitalen Ziffernschritt, was im Falle der verwendeten Waage ± 20 kg entspricht. Bis 40 t
beträgt die Genauigkeit ± 2 Ziffernschritte und ab 40 t ± 3 Ziffernschritte bis zur
maximalen Belastung von 50 t. Pro Schaufel des Radladers können ca. 2000 kg an Substrat
aufgenommen werden. Bei den üblichen Mengen an Lieschkolbenschrot und
Hähnchenmist ergibt sich damit eine Unsicherheit von jeweils ± 38 kg. [Vergühl 2012]
Über den Anmaischbehälter wird die Gesamtmasse aller eingetragenen festen Substrate
bestimmt. Das Wägesystem der Fa. TEWE Electronic besteht aus vier
Scherkraftaufnehmern (je 10.000 kg) und einer Waage (W 100), die allerdings nicht
eichfähig ist.
Die Genauigkeit der Waage wurde im Laufe des Betriebs überprüft. Hierfür wurde der
Schubboden soweit wie möglich leer gefahren und das Gewicht des verbliebenen
Substrates abgeschätzt. In den folgenden acht Tagen wurde jegliches auf den Schubboden
eingebrachte Substrat vorher über die Straßenfahrzeugwaage gewogen. Der Schubboden
3 Aufbau der betrachteten Anlagen 31
wurde erneut soweit wie möglich leer gefahren und das Gewicht des verbliebenen
Substrates abgeschätzt. Die über die Straßenfahrzeugwaage ermittelte Masse wurde mit der
von dem Wägesystem aufgezeichneten verglichen und ein Korrekturfaktor bestimmt. Unter
folgenden Annahmen
Maximale Tagesmenge: 35.000 kg
Substratmenge pro Radladerschaufel: 2.000 kg
Gewicht Radlader inkl. Substrat ≤ 10 t
ergibt sich nach acht Tagen eine erweiterte Unsicherheit von ± 388 kg d-1
.
Die Menge an FerroLiq (der Fa. Bioreact GmbH) wird über Markierungen am
Vorratsbehälter bestimmt. Laut Köpp 2012 weist der Vorratsbehälter ein Volumen von
1000 l und ein Gewicht von 1200 kg auf. Bei einer täglichen Zufuhr von 55 kg an FerroLiq
wird die Unsicherheit mit 5 kg abgeschätzt.
Zudem wurde die Anlage zum Zeitpunkt der Versuche mit einer flüssigen
Spurenelementmischung Bioreact SL 1000 ER (Fa. Bioreact GmbH) beschickt. In der
Regel wurden den Substraten pro Tag ca. 2,3 kg beigemischt. Die Menge wurde einmalig
in einen Plastikmessbecher mit Hilfe einer elektrischen Küchenwaage eingewogen und der
Füllstand markiert [Köpp 2012]. Aufgrund der nicht bekannten Genauigkeit der Waage
und der Handhabung wird hier eine Unsicherheit von ± 10 g angenommen.
Substratvolumen
Neben den festen Substraten, dem FerroLiq und der flüssigen Spurenelementmischung
Bioreact SL 1000 ER wird dem Prozess in der BGA Neurath auch Rindergülle
beigemischt. Das Volumen an Rindergülle wird über den Durchflussmesser Promag 50P
der Fa. Endress+Hauser bestimmt. Hierbei ist eine Genauigkeit von ± 0,5% angegeben
[Endress + Hauser 2006].
TS-/oTS-Bestimmung
Die Bestimmung des Trockensubstanz (TS) - Gehaltes erfolgt nach DIN EN 12880, die der
organischen Trockensubstanz (oTS)-Gehaltes nach DIN EN 12879. Hierbei ist jeweils eine
Dreifachbestimmung vorgesehen.
Da die Unsicherheiten bei der TS/oTS-Bestimmung sehr stark vom Probenmaterial
abhängig sind, können hier keine allgemeinen Angaben gemacht werden. Falls erforderlich
wird diese bei der Auswertung angegeben. Zur Berechnung der kombinierten
Standardunsicherheit soll aber die Gleichung angegeben werden, da sich diese von den
32 3 Aufbau der betrachteten Anlagen
bisherigen unterscheidet. Bei der TS/oTS-Bestimmung korrelieren einige
Unsicherheitsbeiträge. Dies ist der Fall, da das Probengewicht jeweils mit der gleichen
Waage (Shimadzu AUX-120) gemessen wird. Um eine obere Grenze für die Unsicherheit
durch die korrelierten Größen zu erhalten, kann nach Deutscher Kalibrierdienst 1998
folgende Formel verwendet werden:
2 2 2
i r( ) ( ( ) )u y u y u (3-12)
2
i
2
r
( ) Unsicherheitsbeitrag der korrelierten Messgrößen
( ) Unsicherheitsbeitrag der nicht korrelierten Messgrößen
u y
u y
Der Unsicherheitsbeitrag der korrelierten Größen ui2 setzt sich dabei aus den vier
Wägungen der Massen zusammen, der Unsicherheitsbeitrag der nicht korrelierten Größe
ur2 aus der Standardabweichung einer Dreifachbestimmung und dem Erweiterungsfaktor
der Student-t-Verteilung für einen Freiheitsgrad von 2 und ein Vertrauensniveau von
95,45%.
Raumbelastung
Um die Raumbelastung in den Anlagen zu ermitteln, ist die Kenntnis des Füllstandes, der
Masse der eingesetzten Substrate und des oTS-Gehalt der Substrate erforderlich. Dies wird
anhand von Gleichung (2-1) (Abschnitt 2.2) gezeigt. Durch diese Einflüsse kann sich, je
nach Versuchsreihe und Versuchstag, die Unsicherheit der Raumbelastung verändern. Die
Anzahl der Unsicherheitsbeiträge ergibt sich hierbei wie folgt:
oTS Füll
222 2 2 2
i r FM,i w ,i V( ) ( ) ( ) ( ) ( )u y u y u u y u y u y (3-13)
oTS
2
FM,i
2
w ,i
( ) Unsicherheitsbeitrag der korrelierten Messgrößen
Unsicherheit aus der Wägung der einzelnen Massen der Substrate
( ) Unsicherheitsbeitrag aus der Bestimmung des oTS-Gehalts
der Substr
u y
u y
Füll
2
V
ate
( ) Unsicherhheitsbeitrag aus der Bestimmung des Füllvolumensu y
Fettsäurespektrum
Für einige der vorgestellten Versuchsreihen war die Analyse des Fettsäurespektrums
notwendig. Diese Untersuchungen wurden durchgeführt von der Wessling Holding GmbH
& Co. KG. Von der Firma wird ein Konservierungsmittel zur Verfügung gestellt, das
während der Probenlagerung und des Transportes die weitere Gärung verhindert. In
3 Aufbau der betrachteten Anlagen 33
Tabelle 3-7 sind die von der Firma Wessling Holding GmbH & Co. KG angegebenen
Nachweisgrenzen und die Messunsicherheiten aufgeführt. Dabei ist die erweiterte
Messunsicherheit mit einer Sicherheit von 95% bestimmt worden [Averesch 2011].
Tabelle 3-7: Nachweisgrenzen und erweiterte Messunsicherheit (Ue) bei der Bestimmung des
Fettsäurespektrums [nach Averesch 2011]
Essig-
säure
Propion-
säure
n-
Butter-
säure
iso-
Butter-
säure
Valerian
-säure
iso-
Valerian
-säure
Capron-
säure
Nachweis-
grenze
[mg kg-1
]
50 50 50 50 50 50 50
Ue [%] 15,75 11,17 61,94* 45,86* k.A. 18,26 k.A.
* Werte lagen im Ringversuch unterhalb der Nachweisgrenze (Mittelwert n-Buttersäure 20,1 mg kg-1
, iso-
Buttersäure 28,8 mg kg-1
pH-Wert
Für die ersten Versuche wurde das pH-Meter der Fa. OAKTON pHTestr 30 mit einer
Unsicherheit von ±0,01 pH [OAKTON 2010] verwendet. Im Laufe dieser Arbeit wurde
dieses pH-Meter durch das Thermo Scientific Orion Star (tragbar) ersetzt. Verwendet wird
dabei die Elektrode pH-/Pt1000 von Fisher Scientific. Die Unsicherheit verbessert sich
damit auf ±0,002 pH [Thermo Scientific].
An der BGA Neurath wird das pH-Meter Testo 230 eingesetzt. Dieses hat laut Hersteller
eine Genauigkeit von ± 0,01 pH [testo AG 2004].
Gasqualität
Die Zusammensetzung des entstandenen Biogases wird mit einem gekoppelten
Gaschromatographen-Massenspektrometer System (GC/MS) bestimmt, dessen Aufbau in
Abbildung 3-5 dargestellt ist.
34 3 Aufbau der betrachteten Anlagen
Abbildung 3-5: Gaschromatograph mit Wärmeleitdetektor (WLD) und Massenspektrometer (MS)
zur Bestimmung der Gasqualität
Zunächst wird das Biogas mit Hilfe einer Pumpe in den Ventilofen gesaugt. Von dort aus
wird es auf die beiden GC’s (Focus GC, Thermo Electron Corporation, Axel Semrau)
verteilt. Der rechte GC ist mit einem Wärmeleitfächigkeitsdetektor (Thermo Fisher
Scientific, Axel Semrau) ausgestattet, dem eine Molsiebsäule (ShinCarbon ST 100/120,
Restek) vorangeht. Hierrüber werden die Stoffe CH4, CO2, O2 und N2 vermessen. Der linke
GC verfügt über eine Kapillarsäule (GS-GasPro, J&W Scientific Products) und ist mit dem
MS (DSQ II, Thermo Electron Corporation, Axel Semrau) gekoppelt. Mit dem MS wurde
für einen Teil der vorgestellten Versuche der H2S-Anteil bestimmt.
Während dieser Arbeit fanden Umrüstungen an dem GC/MS-System statt. Dadurch
ergeben sich für einige Versuchsreihen veränderte Unsicherheiten. Für beide Fälle sind die
jeweiligen Unsicherheiten in Tabelle 3-8 aufgeführt.
3 Aufbau der betrachteten Anlagen 35
Tabelle 3-8: Erweiterte Messunsicherheiten Ue für die Bestimmung der Gasqualität (laut Kappels
2010 und Habighorst 2011)
Komponente vor Umbau nach Umbau
CH4 ± 4,1484 mol-% (k = 2,18) ± 1,5224 mol-% (k = 2,32)
CO2 ± 3,3830 mol-% (k = 2,21) ± 1,0714 mol-% (k = 2,25)
O2 ± 0,2100 mol-% (k = 2,17) ± 0,0306 mol-% (k = 2,87)
N2 ± 0,2790 mol-% (k = 2,32) ± 0,0498 mol-% (k = 2,87)
H2S ± 616,57 ppm (k = 2,13) -
Die Gasanalyse an der BGA Neurath erfolgt mit dem airTox Gasphotometer der Fa.
Fresenius Umwelttechnik. Diese wurde im Laufe des Betriebs über eine
Vergleichsmessung durch die Fa. bonalytic GmbH überprüft. Sie stimmte im Rahmen der
Messunsicherheit mit den Werten des airTox Gasphotometers überein. Die Fa. bonalytic
GmbH gibt für die CH4- und CO2-Messung eine Genauigkeit von ± 1,5% absolut an
(Auskunft durch Dills 2012a). Die Genauigkeit für H2 und H2S ändert sich mit dem
Messbereich. Laut Dills 2012b beträgt diese bei 150 ppm H2 beispielsweise 1 bis 2 ppm.
Bei 1000 ppm H2 steigt sie auf maximal 30 ppm. Die von der Fa. bonalytic GmbH
angegebenen Werte beziehen sich auf trockenes Gas im Normzustand.
Um die Werte aus dem Labor und der BGA Neurath gegenüberzustellen, ist eine
Überprüfung zwischen den Ergebnissen der Fa. bonalytic GmbH und den im Labor
gewonnenen Werten erforderlich. Hierzu wurde eine Gasprobe aus der Technikumsanlage
in einen Gasbeutel entnommen. Die Zusammensetzung wurde zuerst im Labor (nach
Umbau) gemessen und der Beutel anschließend an die Fa. bonalytic GmbH zur Analyse
verschickt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 3-9 aufgeführt:
Tabelle 3-9: Ergebnisse der Gasanalyse aus einem Probenbeutel durch das Biogaslabor und die Fa.
bonalytic GmbH (Angabe unter der Annahme: CH4 + CO2 = 100%)
CH4 [mol-%] CO2 [mol-%]
Biogaslabor 57,97 42,03
Bonalytic GmbH 57,20 42,78
36 3 Aufbau der betrachteten Anlagen
Damit liegen die Abweichungen der Werte klar im Rahmen der Messunsicherheiten der
beiden Analysen.
Korrektur Gasverluste
Bei der Beschickung mit angemaischtem oder flüssigem Substrat an der Technikumsanlage
oder den Parallelanlagen kommt es überwiegend zu Gasverlusten durch ein Verstopfen der
Beschickungsstutzen oder wenn das Substrat nicht gänzlich in die Anlage gelangt. Im
ersten Fall ist eine Beseitigung der Verstopfung notwendig, was bei geöffnetem
Kugelventil stattfindet. Dabei kann solange Gas entweichen, bis die Verstopfung beseitigt
ist und das Ventil wieder geschlossen werden kann. Im zweiten Fall muss das Kugelventil
ein weiteres Mal geöffnet werden, ohne dass der Stopfen vollständig abdichtet. Eine
weitere Ursache für Gasverluste ist der inkorrekte Einsatz des Stopfens. Dichtet dieser
nicht vollständig ab, so entweicht immer etwas Gas bei der Beschickung. Einflüsse auf den
Gasverlust hängen sehr stark vom Anwender, den eingesetzten Substraten und dem
Versuchsverlauf ab, wodurch für den Gasverlust keine Werte angegeben werden können.
Bei der Beschickung der Technikumsanlage mit festen Substraten über das automatische
Beschickungssystem treten ebenfalls Gasverluste auf. Da die Schleusenöffnungszeit immer
gleich ist, kann hierfür ein Gasverlust abgeschätzt werden, der für jede Schleusenöffnung
auf das entstandene Gasvolumen an einem Tag addiert werden sollte. Um den Gasverlust
zu bestimmen, wurde für einen Tag eine genauere Betrachtung der entstandenen
Gasvolumina durchgeführt. Während der Zeit der Schleusenöffnung wird nahezu kein
Biogas über den Trommelgaszähler erfasst. Für einen Zeitraum von 5 min vor der
Schleusenöffnung wird ein mittlerer Volumenstrom berechnet. Die Dauer der
Schleusenöffnung wird bestimmt und aus beiden Werten ein Gasvolumenverlust berechnet.
Da es während der Schleusenöffnung zur Messung sehr geringer Gasmengen kommt, wird
dieses Gasvolumen von dem berechneten Wert abgezogen. Es ergibt sich ein mittlerer
Volumenverlust von 3,96 l pro Schleusenöffnung mit einer Standardabweichung von 0,25 l
(n=38).
Werden Proben für die Analyse der Gasqualität genommen, so ergibt sich auch hierbei ein
Gasvolumenverlust, da die Proben vor dem Trommelgaszähler genommen werden. Eine
analoge Bestimmung des Gasvolumenverlustes zu der Bestimmung des Gasverlustes
während der Schleusenöffnung konnte nicht erfolgen, da anhand einer Analyse der für die
Technikumsanlage aufgezeichneten Messwerte des Normvolumenstroms kein Bereich
erkannt werden kann, der den Verlust wiedergibt. Ein ähnliches Problem tritt bei den
Parallelanlagen auf. Bei 48 Messungen über einen Tag, konnten in der Betrachtung des
gemessenen Volumenstroms nur 16 Probenahmen definitiv ausgemacht werden. Grund
hierfür ist der zu geringe Volumenstrom der Parallelanlagen. Für die Bestimmung der
3 Aufbau der betrachteten Anlagen 37
Gasverluste wurde daher ein System bestehend aus zwei Eudiometern verwendet. Die
beiden Eudiometer wurden in Reihe geschaltet, an die Gasleitung zum GC angeschlossen
und die Ausgleichsgefäße mit Waser befüllt. Vor und nach jeder Probenahme durch den
GC wurde das Volumen in den Eudiometern bestimmt, welches sich durch die
Probenahme verändert hat. Mit diesem Aufbau ergab sich ein mittlerer Gasvolumenverlust
durch die GC-Probenahme von 429,39 ml mit einer Standardabweichung von ± 3,99 ml
(n=6, ±Up = 4,38 ml mit k = 1,65).
Da die Probemenge auch abhängig vom Druck in den Anlagen ist, wurde der experimentell
ermittelte Wert mit Hilfe der Berechnung analog zu den Gasvolumenverlusten durch die
Schleusenöffnung überprüft. Aufgrund der geringen Normvolumenströme kann besonders
die Endphase des Verlustes nicht genau bestimmt werden, weswegen diese Methode nur
sehr grobe Richtwerte liefert. Die Überprüfung hat aber gezeigt, dass sie in einer ähnlichen
Größenordnung liegen wie die experimentellen Werte.
38
4 Überprüfung von Übertragbarkeit und Reproduzierbarkeit
Laut Charles 1985 ist ein theoretischer Scale up nur dann möglich, wenn zwei
Bedingungen erfüllt werden. Zum einen müssen in allen Maßstäben die exakt gleichen
Bedingungen geschaffen werden. Zum anderen müssen sowohl die örtlichen und zeitlichen
Veränderungen aller Variablen genau vorhergesagt werden, als auch die Reaktion der
Mikroorganismen auf jede dieser Veränderungen. Der überwiegende Teil von Versuchen
zur anaeroben Fermentation wird im Labormaßstab durchgeführt. Hier entsprechen die
Bedingungen in der Regel nicht denen in einer großtechnischen BGA. Kann beispielsweise
die gleiche Temperatur noch verhältnismäßig leicht realisiert werden, so ist dies bei
einigen rheologischen Größen, wie in Abschnitt 3.1 gezeigt, kaum möglich. Daher ist es
fraglich, inwieweit sich die Ergebnisse von Untersuchungen im Labormaßstab auf
großtechnische BGA übertragen lassen.
Raposo et al. 2011 und Gronauer et al. 2006 stellen fest, dass in der Literatur kaum
vergleichbare Ergebnisse zum Methanertrag vorhanden sind. Gründe hierfür liegen laut
Raposo et al. 2011 und Gronauer et al. 2006 in einer unterschiedlichen Betriebsführung.
Hierzu zählen die Art und Größe der Versuchsanlagen und die verwendeten
Messmethoden. Diese können einen erheblichen Einfluss auf die Ergebnisse haben, da es
unzählige Parameter gibt die den Prozess beeinflussen. Davon sind viele bisher kaum
untersucht worden. In vielen Veröffentlichungen fehlen genaue Angaben zu der
Betriebsführung, was die Vergleichbarkeit und Übertragbarkeit erschwert. Zudem beziehen
sich in der Literatur vorgestellte Ergebnisse häufig auf bestimmte Substrate, Temperaturen
oder Anlagentypen. Einige Arbeiten zum Scale up von Fermentationsprozessen beziehen
sich ganz allgemein auf die anaerobe Fermentation oder auf den
medizinisch/pharmazeutischen Bereich (z.B. Zhang et al. 2004 (Medizin/Pharmazie), Aiba
et al. 1977 (allgemein) oder Schmidt 2005 (Escherichia coli)). Diese Arbeiten können als
Ansätze für mögliche Probleme beim Scale up des Biogasbildungsprozesses dienen. Die
Ergebnisse aus Arbeiten, die sich nicht direkt mit dem Biogasbildungsprozess
beschäftigen, können allerdings nicht direkt übernommen werden.
Eine der ersten Publikationen zu Übertragbarkeitsversuchen bei dem
Biogasbildungsprozess stammt von Calzada et al. 1986. Hier wurden Experimente in drei
Maßstäben durchgeführt – 0,15 l, 11 l und 1000 l. Ein direkter Vergleich der Ergebnisse ist
nur schwer möglich, da die Bedingungen in den unterschiedlichen Maßstäben verschieden
waren. So war beispielsweise die Temperatur in den 0,15 l und 11 l Reaktoren gleich, aber
in dem 1000 l Reaktor nicht. Dafür waren die Beschickungsintervalle für den 11 l und
1000 l Reaktor gleich, während der 0,15 l Reaktor mit anderen Intervallen betrieben wurde.
Eine gute Übereinstimmung zwischen Versuchen im Labormaßstab und einer
großtechnischen BGA fanden Gallert et al. 2003. Als Substrat wurde in ihren
4 Überprüfung von Übertragbarkeit und Reproduzierbarkeit 39
Untersuchungen Bioabfall verwendet. Aivasidis et al. 1990 arbeiteten mit Abwasser als
Substrat. Auch ihre Resultate ergaben, dass eine Übertragbarkeit generell gegeben ist.
Aivasidis et al. 1990 geben an, dass die Ergebnisse im größeren Maßstab denen im Labor
entsprechen, oder etwas besser sind. Es fehlen aber genaue Angaben auf welche Parameter
sich diese Aussage bezieht. Aivasidis et al. 1990 erachten es als möglich eine
großtechnische Anlage anhand von Laborversuchen und Versuchen an Technikumsanlagen
auszulegen und das Verhalten vorherzusagen.
In den Untersuchungen von Brunn et al. 2009 ist die Reproduzierbarkeit und
Übertragbarkeit von Experimenten analysiert worden. Als Substrat wurde für die Versuche
Bioabfall aus Haushalten, industrieller Bioabfall und Fett verwendet. Die
Reproduzierbarkeit konnte bei dieser Untersuchung nachgewiesen werden (Abweichungen
von < 10%). Die Übertragbarkeit allerdings nicht. Die großtechnische Anlage hat bis zu
36% mehr an Gas produziert, als die verwendeten Laboranlagen. Brunn et al. 2009
erklären die Abweichungen mit unterschiedlichen Beschickungsintervallen und Substraten.
Substrate für die Versuche im Labormaßstab wurden nur einmal wöchentlich bereitgestellt.
Besonders bei so heterogenen Substraten, wie sie dort Verwendung fanden, kann dies zu
erheblichen Abweichungen führen.
Wulf et al. 2009 stellen in ihrem Bericht einen Ringversuch vor, an dem 30 Laboratorien
teilnehmen. Geklärt werden sollte die Übertragbarkeit von Gasertrags-Versuchen aus dem
Labor auf Praxisanlagen. Hierzu wurden in den teilnehmenden Laboren zuerst
Gasertragstests im Batch-Betrieb durchgeführt. Bereits hier zeigten sich anfangs größere
Abweichungen zwischen den Laboratorien. Für Cellulose lag der Variationskoeffizient bei
16%. In weiteren Durchläufen wurden die Abweichungen geringer und der
Variationskoeffizient fiel auf 8%. Wulf et al. 2009 führen dies hauptsächlich auf die
Auswertung der Messergebnisse zurück. Durch eine Erhebung von Gaserträgen
großtechnischer Biogasanlagen im Vergleich zu den vom Kuratorium für Technik und
Bauwesen in der Landwirtschaft (KTBL) angegebenen Richtwerten für Biogaserträge
sehen Wulf et al. 2009 eine Übertragbarkeit auf Biogasanlagen gegeben. Hier fehlt
allerdings die Betrachtung des gesamten Prozesses.
Cavinato et al. 2010 führten Versuche bei einer Temperatur von 47°C, durch. Der
Fermenter im Technikumsmaßstab hatte dabei ein Volumen von 380 l, der im industriellen
Maßstab 1400 m3. Die Beschickung fand mit Gülle, Mist, Mais, Abfall aus der
Obstverarbeitung und Brot statt. Genaue Spezifikationen zum Betrieb der Anlagen fehlen,
es wird nur darauf verwiesen, dass die Betriebsbedingungen an der Technikumsanlage
denen der großtechnischen BGA angepasst worden sind. In der Studie von Cavinato et al.
2010 war die spezifische Gasproduktion in der Technikumsanlage etwas höher, als in der
großtechnischen BGA. Der Gehalt an Organik war in der Technikumsanlage geringer,
40 4 Überprüfung von Übertragbarkeit und Reproduzierbarkeit
während die Konzentration an flüchtigen Fettsäuren in der großtechnischen BGA höher
war.
Eine Ausführliche Studie zur Übertragbarkeit führten Gronauer et al. 2006 in
Zusammenarbeit mit Wilderer et al. 2005 durch. Die Anlagengrößen lagen bei 2 l, 36 l,
3500 l und 900 m3. Dabei fand zuerst ein Vergleich der Ergebnisse an den 2 l, 36 l und
3500 l Anlagen statt, die im Batch-Verfahren betrieben wurden. Ein Vergleich von fünf
Ansätzen an den 2 l Anlagen hat dabei eine Standardabweichung von 5% in der
Methanausbeute (Volumenstrom Methan bezogen auf die eingesetzte Organik) ergeben. Im
Vergleich der Anlagen im Batch-Verfahren unter Verwendung einer Standardbiozönose
war die Biogas- und Methanausbeute bei der Anlage mit 3500 l Volumen am höchsten,
gefolgt von den 2 l Anlagen. Bei den 36 l Anlagen lag die Gasausbeute ca. 34% unter der
der 3500 l Anlage. Die Abweichungen der 36 l Anlagen zu den 2 l Anlagen waren
innerhalb der Standardabweichung. Darüber hinaus wurde ebenfalls im Batch-Verfahren
die Co-Vergärung von Maissilage, Grassilage und Rapsöl untersucht. In einer weiteren
Versuchsreihe wurden die 36 l Anlagen, die 3500 l Anlagen und eine Praxisanlage mit
900 m3 möglichst parallel gefahren. Hier wurden zwischen der Anlage mit 3500 l Volumen
und der Praxisanlage Abweichungen im Methanertrag von 27% festgestellt. Gronauer et
al. 2006 stellen jedoch fest, dass die Ergebnisse unter Vorbehalt zu betrachten sind, da eine
identische Beschickung der Fermenter nicht sichergestellt werden konnte.
Tabelle 4-1 gibt eine Übersicht über die in der Literatur gefundenen Studien zur
Reproduzierbarkeit und Übertragbarkeit von Versuchsergebnissen im Bereich des
Biogasbildungsprozesses. Die Zusammenstellung zeigt, dass bisher kaum Versuche mit der
Fragestellung der Reproduzierbarkeit durchgeführt worden sind. Untersuchungen zur
Reproduzierbarkeit sind aber entscheidend, um zu beurteilen in welchem Rahmen die
generellen Abweichungen bestimmter Parameter, wie des Normvolumenstroms, liegen.
Nur dann können Versuchsergebnisse unterschiedlicher Parameterstudien eingeordnet
werden; z.B. kann ein Anstieg im Normvolumenstrom durch Änderung der Temperatur
tatsächlich eine Reaktion des Systems auf die Temperaturänderung sein, oder auch nur
innerhalb der Reproduzierbarkeit von Versuchen variieren.
4 Überprüfung von Übertragbarkeit und Reproduzierbarkeit 41
Tabelle 4-1: Übersicht über die in der Literatur gefundenen Studien zur Reproduzierbarkeit und
Übertragbarkeit von Versuchsergebnissen zum Biogasbildungsprozess
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42 4 Überprüfung von Übertragbarkeit und Reproduzierbarkeit
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2006
4 Überprüfung von Übertragbarkeit und Reproduzierbarkeit 43
In den bisherigen Studien zur Übertragbarkeit (vgl. Tabelle 4-1) ist es nicht gelungen
entscheidende Faktoren, wie die Raumbelastung oder Beschickungsintervalle für alle
Anlagengrößen gleich zu halten. Eine Studie von Lübken et al. 2007b mit Rapsöl als Co-
Substrat zeigt beispielsweise eine erhöhte Biogasproduktion und einen höheren
Methanertrag bei häufigeren Beschickungsintervallen. Gronauer et al. 2006 konnten die
genannten Faktoren für Versuche im Batch-Verfahren und die quasi-kontinuierlichen
Versuche bis zu einer Größe von 3500 l erreichen. Für den Vergleich im quasi-
kontinuierlichen Betrieb mit einem Praxisfermenter (900 m3) ist es ihnen aber nicht
gelungen. Aus diesen Gründen konnte bisher nicht endgültig beurteilt werden, wie gut sich
Versuche eines Maßstabes auf einen anderen, insbesondere auf einen industriellen,
übertragen lassen.
Die dargestellte Literaturrecherche zeigt die Relevanz weiterer Untersuchungen zur
Klärung inwieweit Versuche zum Biogasbildungsprozess reproduzierbar und auf
unterschiedliche Maßstäbe übertragbar sind. Diese Arbeit beschäftigt sich mit beiden
Punkten. Dabei sollen bei den Untersuchungen die als entscheidend angesehenen
Parameter Raumbelastung, Beschickungsintervalle, Substratzusammensetzung, das
verwendete Inoculum und die Temperatur bei allen Anlagen gleich belassen werden. Die
Durchmischung kann aufgrund unterschiedlicher Rührwerke und der
Strömungseigenschaften für die Versuche zur Übertragbarkeit nicht in allen Anlagen
gleich gehalten werden. Allerdings wird dafür gesorgt, dass alle Anlagen ausreichend
kontinuierlich durchmischt werden. Um die Werte zukünftig vergleichbar zu machen und
die Kritik von Raposo et al. 2011 und Gronauer et al. 2006 an bisherigen Studien zu
berücksichtigen, soll die Versuchsdurchführung und die Auswertung möglichst genau
beschrieben werden. In Kapitel 3 sind bereits die für die Versuche verwendeten Anlagen,
sowie die eingesetzte Messtechnik inkl. der sich ergebenden Unsicherheiten detailliert
beschrieben. Besonders die Angabe von Messunsicherheiten konnte in den in Tabelle 4-1
zusammengefassten Studien nicht gefunden werden.
Zur Untersuchung der Übertragbarkeit sind zwei Versuchsreihen durchgeführt worden.
Zunächst wurde die Übertragbarkeit von Ergebnissen an den Parallelanlagen auf die
Technikumsanlage getestet. Für beide Anlagengrößen wurde das gleiche Inoculum
verwendet; die Parameter Temperatur, Raumbelastung, Beschickungsintervalle,
Substratzusammensetzung und Dauer der Durchmischung wurden soweit möglich gleich
belassen. Die Versuche in den zwei Maßstäben unterschieden sich durch die verwendeten
Materialien für die Anlagen, und die Anlagengröße. Die Ergebnisse für den reduzierten
Normvolumenstrom (auf das Füllvolumen bezogener Normvolumenstrom des trockenen
Gases), die Gasqualität und den Abbau an Organik wurden miteinander verglichen.
44 4 Überprüfung von Übertragbarkeit und Reproduzierbarkeit
Diese erste Versuchsreihe wurde auch genutzt, um die Reproduzierbarkeit von Versuchen
zu untersuchen. Dazu wurden Versuche unter den gleichen Bedingungen (gleicher
Anlagentyp und Anlagengröße, gleiche Materialien, gleiche Durchmischung, gleiche
Temperatur, gleiches Inoculum, gleiche Substrate, gleiche Raumbelastung und gleiche
Beschickungsintervalle) durchgeführt und die Ergebnisse für den Normvolumenstrom, die
Gasqualität und den Abbau an Organik verglichen. Hierfür eignen sich durch den gleichen
Anlagenaufbau die drei Parallelanlagen.
In einer zweiten Versuchsreihe wurde die Übertragbarkeit von Ergebnissen der
Technikumsanlage auf eine großtechnische BGA, die BGA Neurath, überprüft. Ergänzend
wurde eine der Parallelanlagen betrieben, um die Ergebnisse der ersten Versuchsreihe zu
stützen und den Einfluss unterschiedlicher Beschickungsintervalle zu untersuchen.
Parameter wie die Temperatur, das verwendete Inoculum, die eingesetzten Substrate, die
Raumbelastung sowie die Beschickungsintervalle (Ausnahme Parallelanlage) werden
gleich belassen, um die Prozessbedingungen soweit wie möglich anzugleichen. Eine
identische Durchmischung kann aufgrund der verschiedenen Rührwerke nicht
gewährleistet werden. Eine ausreichende Durchmischung war aber in allen Anlagen
gegeben.
4.1 Versuchsreihe 1
4.1.1 Versuchsdurchführung
Zu Versuchsbeginn wurden die drei Parallelanlagen (PA) und die Technikumsanlage (TA)
mit Fermenterinhalt aus der BGA Neurath befüllt. Zu diesem Zeitpunkt wurde die BGA
Neurath mit Maissilage (MS), Rindergülle und Corn Cob Mix (CCM) beschickt.
Die Versuchsdauer betrug 40 Tage, in denen die Anlagen in einem mesophilen Bereich bei
39°C mit Standardabweichungen von 0,2 K für die Technikumsanlage, 0,35 K für PA1,
0,84 K für PA2 und 0,34 K für PA3 betrieben wurden. Als Substrate für die Versuchsreihe
wurden Rindergülle und CCM gewählt. Beide Substrate sind im Vergleich zu z.B.
Maissilage sehr homogen, wodurch sie sich besonders für Versuche zur Übertragbarkeit
und Reproduzierbarkeit eignen. Rindergülle bietet zudem den Vorteil, dass sie über eine
hohe Pufferkapazität verfügt und damit einer eventuellen Übersäuerung vorbeugt. Die
Beschickung erfolgte bei allen Anlagen einmal täglich, wobei die Substrate mit
Fermenterinhalt aus der jeweiligen Anlage angemaischt wurden.
Die Beschickungsmengen wurden so gewählt, dass die berechnete Raumbelastung für alle
Fermenter gleich war. Über den Versuchszeitraum ist die Raumbelastung von 0,20 auf
2,54 kgoTSm-3
d-1
angehoben worden. Die Schritte sind für die Technikumsanlage in
Abbildung 4-1 veranschaulicht.
4 Überprüfung von Übertragbarkeit und Reproduzierbarkeit 45
Abbildung 4-1: Verlauf der Raumbelastung der Technikumsanlage über der Versuchsdauer
Abweichungen in der Raumbelastung ergaben sich durch geringe Unterschiede beim
Einwiegen der Substrate und durch die Verluste an angemaischten Substraten bei der
Beschickung. Diese konnten nicht gänzlich vermieden werden. In Abbildung 4-2 sind die
relativen Abweichungen der Raumbelastung der drei Parallelanlagen zu der
Technikumsanlage dargestellt. Bis zum 15. Versuchstag lagen die Abweichungen
innerhalb der erweiterten Messunsicherheit der Raumbelastung für die Technikumsanlage
(Bereich in Abbildung 4-2 nicht dargestellt). Zwischen dem 16. und 32. Versuchstag waren
die Abweichungen überwiegend innerhalb der erweiterten Messunsicherheit, allerdings
wurde an einigen Tagen die erweiterte Messunsicherheit, besonders von PA3 überschritten.
Ab dem 33. Versuchstag erhöhten sich die Abweichungen der Parallelanlagen zur
Technikumsanlage, und die Unsicherheit der Raumbelastung für die Technikumsanlage
wurde aufgrund der höheren Raumbelastung geringer. Unter Berücksichtigung der
Messunsicherheit der Raumbelastung bei den Parallelanlagen kann aber davon
ausgegangen werden, dass die Abweichungen auch in den letzten Versuchstagen nicht
signifikant sind. Die Abweichungen in der Raumbelastung zwischen den Parallelanlagen
und der Technikumsanlage zeigen allerdings, dass die Raumbelastung bei den
Parallelanlagen aufgrund der Verluste bei der Beschickung eher etwas niedriger war.
46 4 Überprüfung von Übertragbarkeit und Reproduzierbarkeit
Abbildung 4-2: Relative Abweichungen in der Raumbelastung zwischen der Technikumsanlage
(TA, Nulllinie) und den drei Parallelanlegen (PA) über dem Versuchszeitraum (Ue: erweiterte
Messunsicherheit der Raumbelastung)
Vor und nach der Beschickung der Anlagen wurde jeweils eine Gasprobe zur Bestimmung
der Gasqualität genommen. Der Biogasvolumenstrom wurde über die gesamte
Versuchsdauer kontinuierlich gemessen. Die Durchmischung erfolgte für beide
Anlagengrößen ohne Unterbrechungen und wurde während der Versuchsdauer nicht
verändert. Über den Versuchszeitraum verteilt erfolgte in einem wöchentlichen Rhythmus
die Bestimmung des TS und oTS-Gehaltes.
4.1.2 Ergebnisse
Zur Beurteilung des Biogasbildungsprozesses können verschiedene Parameter
herangezogen werden. Üblicherweise werden das produzierte Gasvolumen, die
Gasqualität, der pH-Wert, der oTS-Gehalt/Abbau und das Fettsäurespektrum herangezogen
[Ahring et al. 1995]. Wie von Angelidaki et al. 1994 beschrieben, konnte auch in den
vorgestellten Versuchsreiheneine eine verzögerte Veränderung vom pH-Wert, dem Abbau
von Organik und der Gaszusammensetzung festgestellt werden. Dies trifft insbesondere
auf den pH-Wert zu, weswegen er nicht in die Auswertung mit einbezogen wird.
Nachfolgend werden die Parameter Normvolumenstrom, Gasqualität und TS/oTS-Gehalt
im Hinblick auf Reproduzierbarkeit und Übertragbarkeit betrachtet. Auch wenn einige
dieser Parameter nur langsam reagieren, so können sie durchaus für einen Vergleich
herangezogen werden.
4 Überprüfung von Übertragbarkeit und Reproduzierbarkeit 47
Reduzierter Normvolumenstrom
Um die gesamte Versuchszeit abzubilden, wird für jeden Tag und jede Anlage ein mittlerer
Normvolumenstrom berechnet. Aufaddierungen der Gasverluste durch die Probenahme zur
Gasqualitätsanalyse auf den Tagesvolumenstrom sind hier nicht sinnvoll. Die Gasverluste
durch die Probenahme und die Beschickung überlagern sich i.d.R. zeitlich, wodurch eine
klare Trennung nicht möglich ist. Daher erfolgt der Ausschluss der Ausreißer durch
Probenahme und Beschickung für jeden Tag anhand einer Analyse des Verlaufs des
Normvolumenstroms für jeden Tag. Eine Korrektur ist zwingend erforderlich, da sich die
Gasverluste relativ gesehen unterschiedlich stark für die beiden Anlagengrößen auswirken.
Abbildung 4-3: Primärachse: Abweichungen von PA2 und PA3 zur PA1 über den
Versuchszeitraum; Sekundärachse: Verlauf des reduzierten Normvolumenstroms der PA1
Eine Gegenüberstellung der drei Parallelanlagen zeigt, dass die Anlagen untereinander um
bis zu 13,4% abweichen. Dies entspricht einem absoluten Wert von 0,0032 lN lFüll-1
h-1
und
liegt somit innerhalb der Messunsicherheit (± 0,013 lN lFüll-1
h-1
) für den reduzierten
Normvolumenstrom. Bis auf vier Werte für die PA2 liegen die Abweichungen unter 10%,
wobei der Mittelwert (Berechnung mit dem Betrag der Abweichungen) bei 5% liegt. Der
Wert innerhalb dessen die Abweichungen liegen (10%) ist damit für die Untersuchung des
Biogasbildungsprozesses in einem akzeptablen Bereich, zumal diese Abweichungen aller
innerhalb der erweiterten Messunsicherheit liegen. Abbildung 4-3 veranschaulicht die
Abweichungen und den Verlauf des reduzierten Normvolumenstroms über die
Versuchsdauer. Auf der Primärachse sind die relativen Abweichungen der PA2 und PA3
zur PA1 dargestellt, die in diesem Fall als Referenz dient. Auf der Sekundärachse ist der
48 4 Überprüfung von Übertragbarkeit und Reproduzierbarkeit
täglich produzierte reduzierte Normvolumenstrom von PA1 aufgetragen. Zu sehen ist ein
Anstieg in der Gasproduktion, der durch die Erhöhung der Raumbelastung bedingt ist.
In Abbildung 4-4 wird der Vergleich um die Technikumsanlage erweitert und lässt somit
eine Aussage zur Übertragbarkeit bei unterschiedlichen Anlagengrößen zu. Anstatt von
PA1 dient hier die Technikumsanlage als Referenz. Der produzierte Gasvolumenstrom
wird von den Parallelanlagen im Vergleich zur Technikumsanlage unterschätzt, was sich in
der negativen Abweichung der dargestellten Messwerte äußert. Am zweiten Versuchstag
tritt die größte Abweichung mit -20% auf. Ab dem elften Versuchstag bleiben die relativen
Abweichungen in einem Bereich von minimal -15%. Der Mittelwert liegt bei -8% Am 38.
Versuchstag steigen die Abweichungen auf bis zu +10%. Diese einmalige Überbewertung
des produzierten Biogases kann keiner Störung zugeordnet werden. Allerdings ist auffällig,
dass an diesem Versuchstag die Tagesmenge an Biogas aus der Technikumsanlage im
Vergleich zu dem Tag davor und danach niedriger ist, dies aber bei den Parallelanlagen
(vgl. Abbildung 4-3) nicht der Fall ist.
Abbildung 4-4: Abweichungen der Parallelanlagen PA1, PA2 und PA3 zur Technikumsanlage
(TA) und reduzierter Normvolumenstrom der Technikumsanlage über den Versuchszeitraum
4 Überprüfung von Übertragbarkeit und Reproduzierbarkeit 49
Abbildung 4-5: Reduzierter Normvolumenstrom für den vierten Versuchstag
Abbildung 4-5 und Abbildung 4-6 zeigen den Verlauf des reduzierten
Normvolumenstroms für jeweils einen Tag. Neben dem Vergleich der Tagesproduktion an
Biogas über den gesamten Versuchszeitraum ist so eine Beurteilung der Tagesgangkurven
möglich. Auch wenn sich der mittlere Tagesgasvolumenstrom der einzelnen Anlagen
übereinstimmend verhält, kann der Verlauf innerhalb eines Tages erheblich abweichen.
Zu Beginn der Versuchsreihe weist der Tagesverlauf (vgl. Abbildung 4-5) aller vier
Anlagen ein analoges Verhalten auf. Die Abweichungen sind, bis auf den Zeitraum der
Probenahme zur Analyse der Gasqualität, innerhalb der Messunsicherheit von
± 0,013 lN lFüll-1
h-1
der Parallelanlagen. Damit ist zu diesem Zeitpunkt sowohl eine gute
Reproduzierbarkeit als auch Übertragbarkeit der Ergebnisse gegeben.
Gegen Ende der Versuchsdauer liegt ein anderes Bild vor. Die Verläufe gehen weiter
auseinander. Exemplarisch wird hier in Abbildung 4-6 der letzte Versuchstag betrachtet.
Dieser wurde ausgewählt, da aufgrund der höheren Abweichungen im reduzierten
Normvolumenstrom die Unterschiede und Übereinstimmungen besser zu erkennen sind.
Aus Abbildung 4-6 geht hervor, dass der produzierte Normvolumenstrom durch die
Parallelanlagen im Vergleich zur Technikumsanlage unterbewertet wird. Die
Abweichungen liegen insbesondere nach der ersten Probenahme zur Analyse der
Gasqualität deutlich auseinander. Die Abweichungen von PA1 und PA2 bleiben
untereinander innerhalb der Messunsicherheit. Die Werte der PA3 weichen nach der
Beschickung stärker von PA1 und PA2 ab als vor der Beschickung. Es ist jedoch
ersichtlich, dass der Trend des reduzierten Normvolumenstroms über den Tag sowohl
zwischen den Parallelanlagen, als auch zwischen den Parallelanlagen und der
50 4 Überprüfung von Übertragbarkeit und Reproduzierbarkeit
Technikumsanlage sehr gut wiedergegeben wird. In Abbildung 4-6 ist auch ersichtlich,
dass sich die Gasprobenahme und die Beschickung bei den zwei unterschiedlichen
Maßstäben anders auf den Verlauf des gemessenen reduzierten Normvolumenstroms
auswirken. Während bei der Technikumsanlage die Probenahme nur zu einer leichten
Stagnation führt, ist bei den Parallelanlagen ein deutlicher Einbruch in der Gasproduktion
zu beobachten. Nach Beschickung und Probenahme ist der Verlauf zwischen der
Technikumsanlage und den Parallelanlagen leicht zeitversetzt, da weder die Beschickung
noch die Probenahme zur Gasqualitätsanalyse an allen Anlagen gleichzeitig erfolgen
können.
Abbildung 4-6: Reduzierter Normvolumenstrom für den 39. Versuchstag
Gasqualität
Neben dem produzierten Gasvolumenstrom ist die Gasqualität ein entscheidendes
Bewertungskriterium. Für die Wirtschaftlichkeit einer BGA ist dabei besonders der CH4-
Anteil im Biogas ausschlaggebend. An dieser Stelle soll daher der CH4-Gehalt
stellvertretend für den Vergleich herangezogen werden. Die Gasqualität wurde, wie in
Abschnitt 4.1.1 erläutert, vor und nach der Beschickung bestimmt. Da kein Einfluss der
Beschickung auf die Gasqualität festgestellt werden konnte, werden nachfolgend die
Messdaten vor der Beschickung verwendet.
Angegeben wird der Anteil von CH4 im trockenen Biogas. Aufgrund der Messung mittels
GC wird vereinfacht angenommen, dass sich nur CH4 und CO2 im Biogas befinden.
Gemessener Sauerstoff und Stickstoff ist in dem Biogas überwiegend durch Lufteintrag
4 Überprüfung von Übertragbarkeit und Reproduzierbarkeit 51
während der Beschickung oder der Probenahme für die Gasanalyse vorhanden. Im Biogas
enthaltener Wasserdampf wird nicht über den GC/MS gemessen. Daher findet eine
Umrechnung der gemessenen Werte auf einen Gesamtanteil von 100% statt. Für Methan
ist beispielhaft die Umrechnungsformel in Gleichung (4-1) angegeben. Dies gilt auch für
alle weiteren vorgestellten Studien.
4
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CH ,gemessen
CH ,korr
CH ,gemessen CO ,gemessen
cc
c c
(4-1)
4
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CH ,korr
CH ,gemesen
CO ,gemesen
korriegierter Wert für den Methankonzentration
gemessene Methankonzentration
gemessene Kohlendioxidkonzentration
c
c
c
Abbildung 4-7: CH4-Anteil im trockenen Biogas über der Versuchsdauer (Messungen vor
der Beschickung)
Abbildung 4-7 zeigt den CH4-Gehalt der Technikumsanlage und der Parallelanlagen über
der Versuchsdauer. In den ersten Tagen liegen die Werte der Technikumsanlage deutlich
über denen der Parallelanlagen. Nach drei Tagen gleichen sich die Werte an und liegen für
alle Anlagen im Rahmen der erweiterten Messunsicherheit (± 4,1484 mol-%, vor Umbau
des GC). Zwischen dem 23. und 25. Versuchstag konnten aufgrund von Problemen mit
dem GC keine Analysen durchgeführt werden. Ab dem 25. Versuchstag erhöhen sich die
Abweichungen, liegen aber bis auf die Werte am 29. Versuchstag bei PA1, am 35.
Versuchstag bei allen drei Parallelanlagen und am 38. Versuchstag bei PA1 und PA3
innerhalb der erweiterten Messunsicherheit.
52 4 Überprüfung von Übertragbarkeit und Reproduzierbarkeit
TS/oTS-Gehalt
Neben der Gasproduktion und der Gasqualität ist der Anteil an TS und oTS im
Fermenterinhalt ein Parameter, der zur Beurteilung des Prozessverlaufes betrachtet werden
sollte. Er gibt Aufschluss über den Abbau der Organik in den Anlagen. Die Entwicklung
des TS-Gehaltes entspricht qualitativ der des oTS-Gehaltes. Aus diesem Grund wird an
dieser Stelle nur der oTS-Gehalt betrachtet. Dieser vermittelt einen besseren Eindruck von
der im Fermenterinhalt vorhandenen Organik und damit von dem Abbau oder der
Anreicherung an Organik im Fermenterinhalt.
Die Entwicklung des oTS-Gehaltes in den vier Anlagen veranschaulicht Abbildung 4-8.
Die Fehlerbalken geben die jeweilige erweiterte Unsicherheit der Dreifachbestimmung an.
Zum Versuchsstart (Versuchstag 0) haben alle Anlagen den gleichen Anteil an Organik, da
sie mit demselben Fermenterinhalt aus der BGA Neurath befüllt worden sind. Deutlich ist
im Verlauf die Abnahme des oTS-Gehaltes in den ersten drei Wochen zu sehen. In der
folgenden Woche (bis zum 29. Versuchstag) bleibt der oTS-Gehalt im Fermenterinhalt
aller Anlagen nahezu konstant. Anschließend erhöht sich der Anteil an Organik leicht. Der
Verlauf deckt sich gut mit dem Verlauf der Raumbelastung. Bis zum 26. Versuchstag ist
die Raumbelastung sehr gering. So kann die Organik besser abgebaut werden. Nach der
Erhöhung der Raumbelastung am 27. Versuchstag kommt es zu einer leichten
Anreicherung an Organik im Fermenterinhalt der Anlagen. Der Verlauf des oTS-Gehaltes
stimmt über den gesamten Versuchszeitraum für alle Anlagen überein.
4 Überprüfung von Übertragbarkeit und Reproduzierbarkeit 53
Abbildung 4-8: oTS-Gehalt im Fermenterinhalt der Anlagen über der Versuchsdauer (FM:
Frischmasse)
4.2 Versuchsreihe 2
Nach der Überprüfung der Übertragbarkeit von Ergebnissen aus dem Labormaßstab auf
einen Technikumsmaßstab in der ersten Versuchsreihe, sollte in der zweiten Versuchsreihe
untersucht werden, ob die an einer Technikumsanlage gewonnenen Ergebnisse auch auf
eine BGA im Industriemaßstab anwendbar sind. Um die Ergebnisse der ersten
Versuchsreihe zu stützen, wird auch eine der drei Parallelanlagen parallel zu der
Technikumsanlage und der industriellen BGA gefahren. Für den Vergleich wurde zunächst
die bereits beschriebene BGA Neurath ausgewählt. Aufgrund der nicht vorhandenen bzw.
nicht funktionierenden Messung des produzierten Gasvolumenstroms (vgl. Abschnitt 3.3)
fand eine Suche nach einer alternativen BGA statt.
Die Kriterien für eine alternative Anlage waren:
1. Die Anlage befindet sich in einem Umkreis von max. 200 km um Bochum (vertretbare
Entfernung zur Beschaffung von Substraten)
2. NawaRo werden als Substrat eingesetzt
3. Es besteht die Möglichkeit der Verwendung gleicher Substrate und
4. der Beprobung des Fermenterinhaltes
5. Fermenterinhalt aus der BGA kann im Labor zum Befüllen der Technikumsanlage und der
PA2 verwendet werden
6. Zugriff auf Messdaten der BGA ist gegeben
54 4 Überprüfung von Übertragbarkeit und Reproduzierbarkeit
7. Folgende Messgrößen müssen erfasst werden: Substratmasse, Füllvolumen des Fermenters,
Gasqualität und Gasvolumen
8. Gute Kommunikation mit den Anlagenbetreibern
Viele kleinere, vor allem landwirtschaftliche BGA, verfügen nicht über die entsprechende
Messtechnik. Daher wurde die Suche auf Anlagen mit einer Biogasaufbereitung und
Einspeisung ins Erdgasnetz eingegrenzt. Neben der direkten Kontaktaufnahme mit den
Biogasanlagenbetreibern wurde auch Kontakt zu Firmen aufgenommen, die Biogasanlagen
bauen und betreiben, sowie der Energieagentur NRW und der Landwirtschaftskammer
NRW.
Nur eine Anlage der Fa. Biogas Altena GmbH & Co. KG entsprach fast allen
Anforderungen. Mit einer Entfernung von 350 km lag diese Anlage zu weit weg, um eine
wöchentliche Abholung der Substrate und Beprobung der Anlage zu realisieren. Alle
anderen BGA sind entweder aufgrund der eingesetzten Substrate, einer mangelnden
Ausstattung mit Messtechnik oder schlechten Kommunikationswegen nicht in Frage
gekommen. Aus diesen Gründen ist die Wahl bei der BGA Neurath geblieben, bei der zwar
die wichtige Gasvolumenstrommessung fehlt, aber alle anderen Kriterien erfüllt werden.
4.2.1 Versuchsdurchführung
Vor der Versuchsreihe war mit den Betreibern der BGA Neurath zu klären, wie die
täglichen Abläufe zum Versuchsstart aussahen, bei welchen Störungen an der BGA
Neurath Benachrichtigungen notwendig waren und wie der Datenaustausch erfolgen sollte.
An der BGA Neurath entsprach ein Betriebstag einem tatsächlichen Tag. Das bedeutet,
dass die Tagesdaten immer ab Mitternacht vorlagen und daher erst am nächsten Tag
übermittelt werden konnten. Für die Technikumsanlage und die Parallelanlage (PA2) hieß
dies, dass sie um zwei Tage zu der BGA Neurath versetzt gefahren werden mussten.
Während der Versuchsreihe wurden an der BGA Neurath die Substrate Maissilage,
Rindergülle, Lieschkolbenschrot und Hähnchenmist verwendet. Zusätzlich wurde zur
Stabilisierung des Prozesses die flüssige Spurenelementmischung Bioreact SL 1000 ER
und das Eisenpräparat FerroLiq der Fa. Bioreact GmbH beigemischt.
Zu Beginn der Versuchsreihe wurden die Technikumsanlage und die PA2 mit
Fermenterinhalt aus der BGA Neurath befüllt. Dafür wurde der Fermenterinhalt aus
Neurath geholt und direkt in die Anlagen eingefüllt, um lange Standzeiten und den
Fütterungsausfall so gering wie möglich zu halten. Die Fütterung an diesem Tag wurde so
angepasst, dass die insgesamt eingetragene Menge der in Neurath entsprach. Nach
Beendigung des Einfüllvorgangs wurden beide Anlagen mit Helium gespült, um den
Sauerstoff aus den Anlagen weitestgehend auszuspülen.
4 Überprüfung von Übertragbarkeit und Reproduzierbarkeit 55
Die Tagesberichte der BGA Neurath mit den eingetragenen Substratmengen, der Anzahl an
Chargen und der Temperatur im Fermenter wurden täglich an das Biogaslabor gefaxt.
Diese Werte waren zwingend erforderlich, um Technikumsanlage und PA2 mit der
gleichen Raumbelastung und Temperatur zu betreiben. Während der Versuche lag die
Temperatur des Fermenterinhaltes mit 40 bis 41°C im mesophilen Bereich. Die tägliche
Angabe des Füllvolumens, bzw. Füllstandes in Neurath war nicht erforderlich, da dieser
konstant auf dem maximalen Füllvolumen gehalten wurde. Die Angabe über die
Chargenanzahl war erforderlich, um an der Technikumsanlage die gleichen
Beschickungsintervalle zu realisieren. Die PA2 wurde aufgrund des Versuchsaufbaus nur
einmal täglich beschickt.
Die Beschickung der Technikumsanlage mit den festen Substraten erfolgte über das
automatische Beschickungssystem. Hierfür wurde die Tagesration der festen Substrate
nacheinander abgewogen und vermischt. Anschließend wurde die Menge auf die Anzahl
der Dosen aufgeteilt, die der Chargenmenge entsprach. Üblicherweise musste die
Befüllung aufgrund der begrenzten Dosenanzahl zweimal täglich erfolgen. Rindergülle,
FerroLiq und Spurenelementlösung wurden der Technikumsanlage einmal täglich über das
für die Beschickung zur Verfügung stehende Kugelventil zugegeben. An der BGA Neurath
erfolgte die Beschickung mit Rindergülle, FerroLiq und der Spurenelementlösung
ebenfalls nur einmal täglich. Für die Beschickung der PA2 mussten die Substrate
angemaischt werden. Hierfür wurden ca. 2 l Fermenterinhalt mit Hilfe des unteren
Kugelventils aus der Anlage abgelassen, die Substrate eingewogen und die Maische über
den Beschickungsstutzen eingetragen.
Die Raumbelastungen sind in Abbildung 4-9 dargestellt. Die große Abweichung zwischen
der BGA Neurath und der Technikumsanlage zu Beginn ergab sich durch das Einsetzen
der Fütterung im Labor nach Versuchsstart. Die Beschickungsmenge wurde für die
Technikumsanlage an die verbliebenen Stunden des Tages angepasst. Durch diese
Anpassung „fehlte“ die Substratmenge, die in der Zeit vom Abholen des Fermenterinhaltes
zum Befüllen der Anlagen bis zum Versuchsstart normalerweise eingetragen worden wäre.
Diese Unterbrechung in der Beschickung gab es an der BGA Neurath nicht. Die PA2
wurde mit der gesamten Tagesration zu Versuchsbegin beschickt.
56 4 Überprüfung von Übertragbarkeit und Reproduzierbarkeit
Abbildung 4-9: Raumbelastung der Anlagen über der Versuchszeit
Abbildung 4-10: Relative Abweichungen in der Raumbelastung der Technikumsanlage und der
PA2 zur BGA Neurath über der Versuchsdauer
In Abbildung 4-10 und Abbildung 4-11 sind die relativen Abweichungen in der
Raumbelastung zu sehen. Dabei zeigt Abbildung 4-10 die Abweichungen der
Technikumsanlage und der PA2 zur BGA Neurath. Es ist ersichtlich, dass die
Raumbelastung der Technikumsanlage bis auf drei Ausnahmen sehr gut mit der an der
BGA Neurath übereinstimmt. Die Werte der PA2 weichen deutlich stärker ab. Dies zeigt
auch Abbildung 4-11, in der die Abweichungen der PA2 zur Technikumsanlage dargestellt
sind. Insbesondere zwischen dem 19. und 30. Versuchstag sind Abweichungen über 5% zu
beobachten. In diesem Zeitraum waren die Verluste bei der Beschickung der PA2 höher als
sonst. Insgesamt bewegen sich die Abweichungen der PA2 in dieser Versuchsreihe im
4 Überprüfung von Übertragbarkeit und Reproduzierbarkeit 57
gleichen Bereich, wie während der Versuchsreihe 1. Dennoch liegen die Abweichungen
überwiegend innerhalb der erweiterten Messunsicherheit. Die maximale Unsicherheit in
der Raumbelastung tritt im Laufe dieser Versuchsreihe bei der PA2 in der zweiten Woche
auf (Up = ± 0,46 kgoTS m-3
d-1
); insgesamt liegt die erweiterte Unsicherheit in dieser
Versuchsreihe höher, als in der ersten Versuchsreihe.
Abbildung 4-11: Relative Abweichungen der Raumbelastung (RB) der PA2 zur
Technikumsanlage über der Versuchsdauer
Täglich wurden der pH-Wert des Fermenterinhaltes und die Gasqualität bestimmt. Für die
Bestimmung des pH-Wertes der PA2 wurde der zum Anmaischen benutzte
Fermenterinhalt verwendet. Um den pH-Wert des Fermenterinhaltes der
Technikumsanlage zu bestimmen, musste eine Probe über den Probenahmestutzen gezogen
werden. Der Probenahmestutzen wurde auch verwendet, um Fermenterinhalt abzulassen,
damit der Füllstand in etwa gleich blieb. Daher wurde der Ablass als Probemenge für die
pH-Wert-Bestimmung verwendet. In Neurath wurde für die pH-Wert-Bestimmung
zunächst Fermenterinhalt umgepumpt und dann eine Probe gezogen. Die Probe für die
Analyse der Gasqualität wurde an der Technikumsanlage und der PA2 meistens vor der
Beschickung genommen. An der BGA Neurath erfolgte eine kontinuierliche Bestimmung
der Gasqualität.
Aufgrund der fehlenden Volumenstrommessung an der BGA Neurath wurde auf das
Fettsäurespektrum als einem weiteren Parameter zurückgegriffen, um die Ergebnisse der
verschiedenen Anlagen miteinander vergleichen zu können. Das Fettsäurespektrum ist
zudem ein guter Indikator für die Prozessstabilität. Einmal wöchentlich wurde das
Fettsäurespektrum im Fermenterinhalt der Anlagen bestimmt. Dabei fand die Bestimmung
im Fermenterinhalt der Technikumsanlage und der PA2 analog zur Beschickung um zwei
58 4 Überprüfung von Übertragbarkeit und Reproduzierbarkeit
Tage versetzt zu der in Neurath statt. Am gleichen Tag wurden auch Proben für die
Bestimmung des TS/oTS-Gehaltes gezogen. Um eine repräsentative Probe zu erhalten,
wurde an der BGA Neurath zuerst Fermenterinhalt zur Spülung der Leitungen umgepumpt,
bevor die Probe gezogen wurde. An der Technikumsanlage wurde die Probe aus dem
Ablass genommen. Dieser hatte meist ein Volumen von mind. 3 l, wodurch eine
repräsentative Probe gegeben war. War der Ablass geringer, so wurde zunächst
Fermenterinhalt über den Probenahmestutzen abgelassen, bis eine ausreichende Menge zur
Verfügung stand. Bei der PA2 wurden über das unter Kugelventil immer zuerst ca. 2 l
Fermenterinhalt abgelassen, wieder eingefüllt, und dann eine Probe genommen. Der
verbliebene Ablass wurde zum Anmaischen der Substrate verwendet.
Die Durchmischung der einzelnen Anlagen unterschied sich nicht nur durch
unterschiedliche Rührwerke, sondern auch durch die Fahrweise. Die Laboranlagen wurden
kontinuierlich in einer Drehrichtung durchmischt. An der BGA Neurath wurde das
Rührwerk über eine Stunde in einer Drehrichtung bewegt. Anschließend folgte eine Pause
von 15 min, gefolgt von einer Richtungsänderung über 30 min. Bevor das Rührwerk
wieder mit der ursprünglichen Drehrichtung gefahren wurde, erfolgte erneut eine Pause
von 15 min. Dieser Zyklus wurde stetig wiederholt.
4.2.2 Ergebnisse
Die Betrachtung der Ergebnisse erfolgt analog zur ersten Versuchsreihe. Es werden die
wichtigsten Parameter, die zur Beurteilung der Übertragbarkeit notwendig sind, betrachtet.
Ergänzend zu den Parametern aus Versuchsreihe 1 wird die Entwicklung des
Fettsäurespektrum zur Beurteilung der Übertragbarkeit herangezogen. Die Dauer der
Versuchsreihe betrug insgesamt 56 Tage. In den letzten 16 Tagen traten bei den
Laboranlagen Betriebsstörungen auf, wie eine starke Verstopfung der Schleuse des
Beschickungssystems. Dadurch konnten die Betriebsbedingungen nicht mehr genau
eingehalten werden, weswegen dieser Zeitraum nicht in den Ergebnissen dargestellt wird
und die Versuche nach 56 Tagen abgebrochen worden sind.
Reduzierter Normvolumenstrom
Bei der Betrachtung des reduzierten Normvolumenstroms müssen die in Abschnitt 3.3
beschriebenen Besonderheiten berücksichtig werden. Der für die BGA Neurath berechnete
Normvolumenstrom ist nur eine grobe qualitative Abschätzung, mit einer abgeschätzten
Unsicherheit von 20%. Der vom Messprogramm aufgenommene Normvolumenstrom der
Technikumsanlage und der PA2 wurde um die Gasverluste korrigiert. Da im Gegensatz zur
4 Überprüfung von Übertragbarkeit und Reproduzierbarkeit 59
Versuchsreihe 1 keine klaren Einbrüche in der Gasproduktion aufgrund der Beschickung
erkannt wurden, wurden hier alle Messwerte für den Normvolumenstrom berücksichtigt.
Der Verlauf der reduzierten Normvolumenströme ist in Abbildung 4-12 dargestellt. Zu
Beginn der Versuchsreihe (bis Versuchstag 10) unterscheidet sich die produzierte
Biogasmenge bezogen auf das Füllvolumen deutlich unter den Anlagen. Dabei ist zu
berücksichtigen, dass die größten Unterschiede zu Beginn durch den Versuchsstart
hervorgerufen wurden. Hier sind im Labor erst Messwerte ab dem Nachmittag
aufgenommen worden. Bei der PA2 trat zusätzlich am ersten Versuchstag ein Problem mit
der Messtechnik auf. Hierdurch konnten bis zur Behebung, was am dritten Versuchstag
nachmittags der Fall war, keine Messwerte aufgezeichnet werden.
Abbildung 4-12: Reduzierter Normvolumenstrom über der Versuchsdauer
Eine Auftragung der relativen Abweichungen zur BGA Neurath zeigt Abbildung 4-13. Die
Abweichungen der Technikumsanlage zur BGA Neurath liegen ab dem sechsten
Versuchstag im Mittel bei -10%. Damit liegen die Werte in einem Bereich, der in
Versuchsreihe 1 für die Abweichung zwischen den Parallelanlagen und der
Technikumsanlage ermittelt werden konnte. Die Abweichungen der PA2 zur BGA Neurath
sind höher. Zwischen dem 10. und 19. Versuchstag liegen sie im Mittel bei 13%, bis zum
38. Versuchstag steigt der Mittelwert auf -20%. An den letzten beiden Tagen fällt der
reduzierte Volumenstrom der PA2 im Vergleich zur BGA Neurath und der
Technikumsanlage deutlich ab. Zusätzlich wird geprüft, wie sich die Abweichungen der
PA2 zur Technikumsanlage verhalten. Die beiden Anlagen wurden mit unterschiedlichen
Beschickungsintervallen betrieben, wodurch größere Unterschiede zu erwarten sind. In
Abbildung 4-14 sind die relativen Abweichungen im reduzierten Normvolumenstrom der
PA2 zur Technikumsanlage zu sehen. Bis zum neunten Versuchstag nehmen die
60 4 Überprüfung von Übertragbarkeit und Reproduzierbarkeit
Abweichungen stetig ab und liegen dann in einem Bereich von 10%. Aufgrund der in
Abbildung 4-10 und Abbildung 4-11 gezeigten Abweichung in der Raumbelastung, der
unterschiedlichen Fütterung und den Ergebnissen für den reduzierten Normvolumenstrom
(Abweichungen bis 10%) aus Versuchsreihe 1 liegen die Abweichungen in einem
zufriedenstellenden Bereich.
Abbildung 4-13: Relative Abweichung des reduzierten Normvolumenstrom der Technikumsanlage
und der PA2 zur BGA Neurath über der Versuchsdauer
Abbildung 4-14: Relative Abweichung des reduzierten Normvolumenstroms der PA2 zur
Technikumsanlage über der Versuchsdauer
4 Überprüfung von Übertragbarkeit und Reproduzierbarkeit 61
Gasqualität
Analog zum reduzierten Normvolumenstrom ergeben sich auch in der Gasqualität die
größten Unterschiede in der ersten Versuchswoche. Ab dem elften Versuchstag ist eine
sehr gute Übereinstimmung unter den drei Anlagen erkennbar. Die absoluten
Abweichungen im CH4-Anteil liegen hier (bis zum 19. Versuchstag) in einem Bereich von
± 2,5% für die Technikumsanlage und PA2 bezogen auf die BGA Neurath. Ab dem 20.
Versuchstag werden insbesondere die Abweichungen zwischen der PA2 und der BGA
Neurath höher. Insgesamt bewegen sich die Abweichungen nur geringfügig über den
Messunsicherheiten (BGA Neurath und Labor ± 1,5%).
Abbildung 4-15: CH4-Anteil im Biogas über der Versuchsdauer
TS/oTS-Gehalt
Durch den Versatz um zwei Tage fangen die Technikumsanlage und PA2 mit einem etwas
geringeren oTS-Gehalt im Fermenterinhalt an, als die BGA Neurath. Abbildung 4-16 stellt
die Entwicklung des oTS-Gehaltes des Fermenterinhaltes der drei Anlagen dar. Dabei
geben die Fehlerbalken die erweiterte Messunsicherheit Up einer jeden Messung an.
62 4 Überprüfung von Übertragbarkeit und Reproduzierbarkeit
Abbildung 4-16: oTS-Gehalt der BGA Neurath, der Technikumsanlage (TA) und der PA2 über der
Versuchsdauer (FM: Frischmasse)
Bei allen Anlagen ist ein Anstieg des oTS-Gehaltes im Fermenterinhalt zu beobachten. Bei
der BGA Neurath ist dieser mit 0,5% FM am geringsten. Bei der Technikumsanlage und
PA2 ist der Anstieg mit 1,4% FM fast dreimal so hoch wie bei der BGA Neurath. Der
Verlauf deutet auf einen schlechteren Abbau der Organik im Labor hin, insbesondere bei
PA2, wo die Raumbelastung etwas niedriger ist als in der Technikumsanlage und der BGA
Neurath (vgl. Abbildung 4-10). Die Anreicherung von Organik in den Laboranlagen
bestätigt allerdings die Ergebnisse im reduzierten Normvolumenstrom, der für die
Laboranlagen geringer ausfällt als für die BGA Neurath.
Fettsäurespektrum
Wie in Kapitel 1 beschrieben, bietet das Fettsäurespektrum eine gute Möglichkeit, um den
Zustand des Biogasbildungsprozesses zu beurteilen. In Abbildung 4-17 ist zunächst die
Entwicklung des Fettsäurespektrums an der BGA Neurath zu sehen. Die Essigsäure
erreicht am 22. und 36. Versuchstag mit 1300 mg kg-1
ihr Maximum. Bei der Propionsäure
ist ein leichter Anstieg gegen Ende der Versuchsreihe zu beobachten. Die höchste
Konzentration wird am 30. Versuchstag mit 770 mg kg-1
erreicht. Höherkettige Fettsäuren
konnten im Fermenterinhalt der BGA Neurath im gesamten Zeitraum nicht nachgewiesen
werden.
4 Überprüfung von Übertragbarkeit und Reproduzierbarkeit 63
Abbildung 4-17: Entwicklung des Fettsäurespektrums der BGA Neurath über der Versuchsdauer
Bei der Technikumsanlage weicht die Entwicklung des Fettsäurespektrums von dem an der
BGA Neurath stark ab. In der ersten Versuchswoche steigt die Konzentration an
Essigsäure um fast das Siebenfache an, die der Propionsäure um über das Vierfache.
Neben diesen beiden Säuren, die in der BGA Neurath als einzige über der Nachweisgrenze
liegen, konnten bei der Technikumsanlage am achten Versuchstag auch alle anderen
untersuchten Säuren nachgewiesen werden. Dies lässt nicht nur auf eine Hemmung der
Methanogenese schließen (erkennbar am hohen Anstieg der Essigsäure), sondern auch auf
eine Hemmung der anderen Phasen des Biogasbildungsprozesses. In den folgenden
Wochen sinkt die Essigsäurekonzentration. Allerdings steigt die Propionsäure-
konzentration bis zum 36. Versuchstag stetig an. Insbesondere ist über den gesamten
Versuchszeitraum auch iso-Valeriansäure nachweisbar. Die Konzentration an iso-
Buttersäure steigt bis zum 22. Versuchstag an, nimmt dann aber wieder ab. Der Verlauf
bestätigt die These, dass das Substrat in der Technikumsanlage schlechter abgebaut wird,
als in der BGA Neurath (Erhöhung des oTS-Gehaltes im Fermenterinhalt). Allerdings ist
dann zu erwarten, dass in Verbindung mit der Organikanreicherung und den hohen
Konzentrationen an allen Säuren ein Einbruch in der Gasproduktion einhergeht und die
Qualität des Biogases abnimmt. Dies ist nicht der Fall, wie Abbildung 4-14 und Abbildung
4-15 zeigen. Eine genaue Analyse der Ergebnisse findet im Abschnitt 4.3 statt.
64 4 Überprüfung von Übertragbarkeit und Reproduzierbarkeit
Abbildung 4-18: Entwicklung des Fettsäurespektrums der Technikumsanlage über der
Versuchsdauer
Der Verlauf des Fettsäurespektrums der PA2 lässt darauf schließen, dass bei dieser Anlage
die größten Hemmungen vorhanden sind. Aufgrund der nur einmal täglich stattfindenden
Beschickung mit der gefahrenen Raumbelastung war bei dieser Anlage mit einem Anstieg
der Fettsäuren zu rechnen. Abbildung 4-19 stellt den Verlauf des Fettsäurespektrums des
Fermenterinhaltes der PA2 über der Versuchsdauer dar. Die Entwicklung in der ersten
Versuchswoche entspricht qualitativ dem Verlauf der Technikumsanlage. Die Werte für
die einzelnen Säuren liegen mit Ausnahme der Valeriansäure alle wesentlich höher, als
dies bei der Technikumsanlage der Fall ist. Tendenziell fällt die Essigsäurekonzentration in
den folgenden Wochen und die Konzentration der Propionsäure steigt weiter an, was auch
bei der Technikumsanlage beobachtet werden kann. Die Propionsäurekonzentration
erreicht mit 9700 mg kg-1
am 36. Versuchstag den höchsten gemessenen Wert. Sie ist an
diesem Tag 14-mal höher als bei der BGA Neurath und fast doppelt so hoch wie bei der
Technikumsanlage. Die Konzentrationen der anderen Säuren bleiben ebenfalls bis zum
36. Versuchstag erhöht. Einzig n-Buttersäure und Capronsäure können in der zweiten
Woche abgebaut werden. Bei diesen sehr hohen Konzentrationen an Fettsäuren ist von
4 Überprüfung von Übertragbarkeit und Reproduzierbarkeit 65
einer starken Hemmung des Prozesses auszugehen. Wie bei der Technikumsanlage tritt bei
der PA2 kein deutlicher Einbruch in der Gasproduktion oder ein Abfall des CH4-Anteils
auf, was bei diesen Konzentrationen an Fettsäuren zu erwarten wäre.
Abbildung 4-19: Entwicklung des FSS der PA2 über der Versuchsdauer
Obwohl die Anreicherung der Fettsäuren in der Technikumsanlage und der PA2 massiv ist,
kann kein Einfluss auf den pH-Wert festgestellt werden. Dieser liegt sowohl bei den
Laboranlagen als auch bei der BGA Neurath bei 7,7 mit einer Standardabweichung von
±0,02 für die BGA Neurath, ±0,05 für die Technikumsanlage und ±0,07 für PA2.
Aufgrund des hohen Anstiegs der Fettsäuren in der Technikumsanlage und der PA2 und
dem sich kaum verändernden pH-Wert wurde zum Ende der Versuchsreihe zusätzlich die
Pufferkapazität bestimmt. Die Proben hierfür wurden am 43. Versuchstag genommen. Die
Ergebnisse der Analyse sind in Tabelle 4-2 aufgeführt. Dabei ist zu beachten, dass die
Pufferkapazität über eine Titration mit anschließender Berechnung über empirische
Parameter erfolgt. Die Werte können daher nur untereinander verglichen werden [Post
2012].
66 4 Überprüfung von Übertragbarkeit und Reproduzierbarkeit
Tabelle 4-2: Analyse der Pufferkapazität am 43. Versuchstag (TA: Technikumsanlage; PA:
Parallelanlage)
Anlage Pufferkapazität [mg kg-1
]
BGA Neurath 22.000
TA 21.000
PA2 19.000
Die BGA Neurath hat zum Versuchsende die höchste Pufferkapazität. Allerdings liegen die
Werte für die Technikumsanlage und die PA2 nur knapp darunter. Aufgrund des
Fettsäurespektrums wurde insbesondere bei der PA2 eine deutlich niedrigere
Pufferkapazität erwartet.
4.3 Diskussion
In der ersten Versuchsreihe konnte gezeigt werden, dass die Parameter reduzierter
Normvolumenstrom, CH4-Gehalt und Organikabbau des Biogasbildungsprozess unter
identischen Bedingungen reproduziert werden können. Um identische Bedingungen zu
gewährleisten, wurden alle Anlagen zunächst mit demselben Inoculum befüllt und dann im
mesophilen Bereich betrieben. Die Beschickung fand (in der ersten Versuchsreihe) einmal
täglich statt, wobei Rindergülle und CCM als Substrat verwendet wurden. Die
Raumbelastung wurde über den Versuchszeitraum erhöht, war aber stets für alle Anlagen
gleich. Auch nach einer sprunghaften Erhöhung der Raumbelastung gegen Ende der
Versuchszeit sind die relativen Abweichungen im reduzierten Normvolumenstrom im
selben Bereich geblieben. Bei dem CH4-Gehalt sind die Abweichungen im Rahmen der
Messunsicherheit geblieben. Gründe für die Abweichung von bis zu 10% im reduzierten
Normvolumenstrom(die im Rahmen der erweiterten Messunsicherheit liegen) können die
Heterogenität der Substrate, unterschiedliche Verluste während der Beschickung, geringe
Abweichungen im Füllvolumen sowie minimale Unterschiede in der Temperatur im
Fermenter sein. Die Reproduzierbarkeit der genannten Parameter bei zeitlich versetzten
Versuchsreihen wurde an dieser Stelle nicht geprüft. Hier sei aber auf die weiteren Studien
(Kapitel 1 und Kapitel 1) in dieser Arbeit verwiesen.
Bezüglich des reduzierten Normvolumenstroms und der Gasqualität konnte eine generelle
Übertragbarkeit von Ergebnissen auf unterschiedliche Maßstäbe festgestellt werden. In der
ersten Versuchsreihe (vergleich zwischen der Technikumsanlage und den Parallelanlagen)
fällt der reduzierte Normvolumenstrom in den ersten fünf Tagen bei allen Anlagen
4 Überprüfung von Übertragbarkeit und Reproduzierbarkeit 67
aufgrund der sehr geringen Raumbelastung von 0,2 bis 0,3 kgoTS m-3
d-1
. Durch die
schrittweise Erhöhung der Raumbelastung (vgl. Abbildung 4-1) steigt der
Normvolumenstrom bei allen Anlagen, da mehr Organik zur Verfügung gestellt wird. Den
Zusammenhang zwischen Raumbelastung und produziertem Normvolumenstrom
veranschaulicht Abbildung 4-20 exemplarisch für die Technikumsanlage.
Abbildung 4-20: Normvolumenstrom der Technikumsanlage über der Raumbelastung
(Versuchsreihe 1)
68 4 Überprüfung von Übertragbarkeit und Reproduzierbarkeit
Abbildung 4-21: Abweichungen im reduzierten Normvolumenstrom der Parallelanlagen (PA) zur
Technikumsanlage (Nulllinie) über der Raumbelastung
Der Mittelwert für die Abweichungen des reduzierten Normvolumenstrom liegt bei -8%
(Parallelanlagen zur Technikumsanlage), wobei kein Einfluss der Raumbelastung auf die
Abweichungen im reduzierten Normvolumenstrom festgestellt werden konnte (vgl.
Abbildung 4-21). Damit liegen die Abweichungen innerhalb der Reproduzierbarkeit.
Für die erste Versuchsreihe können auch die Parameter CH4-Gehalt und oTS-Gehalt in den
Anlagen von einem Maßstab auf den anderen übertragen werden, da die Abweichungen im
CH4- und oTS-Gehalt jeweils innerhalb ihrer erweiterten Messunsicherheiten liegen.
In der zweiten Versuchsreihe ist an der Technikumsanlage und der PA2 zu Beginn ein
Abfall des reduzierten Normvolumenstroms zu beobachten, der für die Technikumsanlage
und PA2 allerdings unterschiedlich stark ausfällt. Die Technikumsanlage produziert in den
ersten sechs Tagen ca. 20 bis 25% weniger Biogas als die BGA Neurath, während die
Abweichung mit 40 bis 50 % bei der PA2 doppelt so hoch ausfällt. Im weiteren
Versuchsverlauf liegen die Abweichungen für den reduzierten Normvolumenstrom der
Technikumsanlage zur BGA Neurath bei -10%, und damit innerhalb der in
Versuchsreihe 1 ermittelten Abweichungen für die Reproduzierbarkeit des reduzieren
Normvolumenstroms. Die Abweichungen der PA2 zur BGA Neurath sind auch nach der
ersten Woche mit -13 bis -20% höher, als die Abweichungen der Technikumsanlage und
somit nicht innerhalb der Reproduzierbarkeit. Zwischen der PA2 und der
Technikumsanlage weichen die Werte für den reduzierten Normvolumenstrom ab dem
zehnten Versuchstag im Mittel um -10% ab, womit zwischen diesen Anlagen trotz
unterschiedlicher Beschickungsintervalle die gleichen Abweichungen wie für die
Reproduzierbarkeit erzielt werden. Dies lässt den Schluss zu, dass die Übertragbarkeit des
4 Überprüfung von Übertragbarkeit und Reproduzierbarkeit 69
reduzierten Normvolumenstroms mit zunehmendem Unterschied im Maßstab der Anlagen
abnimmt.
Um die Unterschiede in der Raumbelastung als alleinigen Einflussfaktor auszuschließen
fand eine Überprüfung mit Hilfe des Gasertrages (Normvolumenstrom pro Masse Organik)
statt. Diese Größe wird normalerweise verwendet, um anzugeben, wie viel Gas aus der
Organik eines Substrates oder Substratgemisches entsteht und wird i.d.R. in Batch-
Versuchen ermittelt. Aufgrund der sehr konstanten Raumbelastung in der zweiten
Versuchsreihe wurde für die BGA Neurath für jeden Versuchstag ein Gasertrag nach
Gleichung (4-2) berechnet.
N N
oTS Füll
V VGE
m RB V
(4-2)
Anschließend wurden die berechneten Gaserträge verwendet um die Normvolumina zu
ermitteln, die sich mit der Raumbelastungen der Technikumsanlage und der PA2 und dem
Füllvolumen der BGA Neurath ergeben. Bis auf wenige Ausnahmen liegen die
Abweichungen für die mit der Raumbelastung der Technikumsanlage berechneten
Normvolumina und der BGA Neurath unter 1% und für die mit der Raumbelastung der
PA2 berechneten Normvolumina unter 5%. Damit können die Abweichungen in der
Raumbelastung nicht allein für die Abweichungen des reduzierten Normvolumenstroms
verantwortlich sein.
Im Versuchsverlauf nimmt der oTS-Gehalt im Fermenterinhalt der Technikumsanlage und
der PA2 zu, während er in der BGA Neurath konstant bleibt (Abweichungen liegen
innerhalb der erweiterten Messunsicherheit). Die Zunahme des oTS-Gehaltes korreliert mit
der geringeren Biogasproduktion in den Laboranlagen. Wird angenommen, dass der
durchschnittliche, wöchentliche Biogasertrag (nach Gleichung (4-2)) der BGA Neurath bei
gleich gutem Umsatz der Substrate auch für die Laboranlagen gilt, kann berechnet werden,
wie viel Gas aus den Substraten in den Laboranlagen entstehen sollte. Die Differenz
zwischen dem tatsächlich produziertem Biogas und dem berechneten ist negativ, und zeigt
somit einen schlechteren Umsatz der Substrate in den Laboranlagen als in der BGA
Neurath (Anreicherung der Organik im Fermenterinhalt der Laboranlagen). Die Differenz
zwischen berechnetem und tatsächlich produzieren Normvolumenstrom entspricht für die
Technikumsanlage einer Abweichung von 17% und für die PA2 einer Abweichung von
18%. Vom 15. zum 22. Versuchstag hätte aufgrund des leichten Abbaus an Organik im
Fermenterinhalt mehr Gas produziert werden müssen, als es allein aus den Substraten
möglich ist. Werden für diesen Zeitraum die Werte des tatsächlich produzieren
Normvolumenstroms mit denen des berechneten verglichen, kann die Aussage bestätigt
werden, dass in diesem Zeitraum mehr Biogas entstanden ist, als es allein aus den
Substraten der Fall gewesen wäre (Abfall des oTS-Gehaltes im Fermenterinhalt).
70 4 Überprüfung von Übertragbarkeit und Reproduzierbarkeit
In der zweiten Versuchsreihe wurde neben der Entwicklung der Organik im Fermenter
auch die Entwicklung des Fettsäurespektrums analysiert. Während für die BGA Neurath
ein sehr stabiler Verlauf mit niedrigen Konzentrationen an Essig- und Propionsäure
vorhanden ist, steigen bei den Laboranlagen in der ersten Versuchswoche die
Konzentrationen aller Säuren an. Neben Essig- und Propionsäure sind auch n-Buttersäure,
iso-Buttersäure, Valeriansäure, iso-Valeriansäure und Capronsäure nachweisbar. Dies
deutet auf eine massive Hemmung des Prozess hin.
Dagegen sprechen der in dieser Zeit steigende reduzierte Normvolumenstrom und ein
leicht ansteigender CH4-Anteil im Biogas. Im weiteren Versuchsverlauf können zwar
Essig-, Valerian- und Capronsäure abgebaut werden, allerdings steigt besonders die
Konzentration an Propionsäure bedenklich an. Dies ist insbesondere im Fermenterinhalt
der PA2 der Fall. Auch die iso-Valeriansäure kann weder in der Technikumsanlage noch in
der PA2 abgebaut werden.
Um mögliche Gründe für das Verhalten der Laboranlagen zu bestimmen, wurde die
Entwicklung der Fettsäurekonzentrationen dem Verlauf des reduzierten
Normvolumenstroms und des CH4-Gehaltes gegenübergestellt (Abbildung 4-22 und
Abbildung 4-23).
Die in Abbildung 4-22 und Abbildung 4-23 dargestellten Werte für die CH4-Konzentration
und den reduzierten Normvolumenstrom entsprechen den tatsächlichen Werten am
entsprechenden Versuchstag. Mittelwerte für die jeweilige Woche wurden nicht gebildet,
da hierdurch eine Verschiebung der Werte möglich ist, die auf den Abbau oder die
Anreicherung der Fettsäuren zurückzuführen wäre. Die Probe für die Analyse des
Fettsäurespektrums zu Beginn der Versuchsreihe wurde genommen, nachdem der
Fermenterinhalt zum Befüllen der Technikumsanlage und der PA2 im Labor angekommen
ist.
4 Überprüfung von Übertragbarkeit und Reproduzierbarkeit 71
Abbildung 4-22: Konzentrationen der Fettsäuren, CH4-Konzentration und reduzierter
Normvolumenstrom der Technikumsanlage für Versuchsreihe 2
Der starke Anstieg der Essigsäurekonzentration und die erhöhten Abweichungen im
reduzierten Normvolumenstrom und der CH4-Konzentration der Laboranlagen im
Vergleich zur BGA Neurath in der ersten Woche deuten auf eine Störung des Prozesses
hin. Durch die Abfüllung, den Transport und das Befüllen der Anlagen war der
Fermenterinhalt einigen Stressfaktoren ausgesetzt. Während des Abfüllens an der BGA
Neurath in Transportbehälter wurde der Fermenterinhalt dem Luftsauerstoff ausgesetzt.
Während des Transportes konnte der Fermenterinhalt nicht temperiert werden, wodurch es
zu Temperaturverschiebungen kam. Da die Temperatur in den Transportbehältern oder im
Labor vor der Befüllung nicht gemessen wurde, können keine Aussagen gemacht werden,
wie hoch diese waren. Insgesamt dauerten der Transport und die Befüllung der
Laboranlagen nicht länger als 5 h. Durch das Wiedereinsetzen der Beschickung nach dem
Befüllvorgang kommt ein weiterer Stressfaktor hinzu. Die Raumbelastung von über
4 kgoTS m-3
d-1
ist für die Laboranlagen hoch. Bei der PA2 wirkt sich zusätzlich das
Beschickungsintervall von einmal täglich aus, was die höheren Konzentrationen an
Fettsäuren und den stärkeren Abfall der Gasproduktion und der CH4-Konzentration im
Vergleich zur Technikumsanlage erklärt (vgl. Abbildung 4-12 und Abbildung 4-15).
72 4 Überprüfung von Übertragbarkeit und Reproduzierbarkeit
Abbildung 4-23: Konzentrationen der Fettsäuren, CH4-Konzentration und reduzierter
Normvolumenstrom der PA2 für Versuchsreihe 2
Der Anstieg der Fettsäuren aktiviert den Carbonatpuffer, was den Abfall der CH4-
Konzentration in den Laboranlagen begünstigt, da CO2 freigesetzt wird. Die Anreicherung
von Essigsäure im Verlauf der ersten Versuchswoche spricht, wie von Ohly 2006
beschrieben, für eine Hemmung der Methanogenese. Es kann angenommen werden, dass
sowohl die hydrogenotrophen als auch die acetolastischen Methanbildner gehemmt
werden.
Die Entwicklung vom achten zum 15. Versuchstag deutet auf eine H2-Anreicherung hin.
Wie von Smith et al. 1970 und Kaspar et al. 1978a beschrieben sinkt die
Essigsäurekonzentration, die Propionsäurekonzentration steigt weiter an und die
Gasproduktion und der CH4-Gehalt im Biogas nehmen wieder zu. Für einen Anstieg der
H2-Konzentration spricht auch die weitere Anreicherung von iso-Butter- und iso-
Valeriansäure wie es von Bryant 1979 berichtet wurde.
Der kontinuierliche Anstieg der Propionsäure, iso-Butter- und iso-Valeriansäure-
konzentration bis zum 36. Versuchstag spricht dafür, dass H2 nicht ausreichend abgebaut
werden kann. Die fallende, bzw. stagnierende Essigsäurekonzentration deutet darauf hin,
dass diese umgesetzt werden kann. Die Bakteriengruppe, die Essigsäure umsetzt, muss sich
demnach wieder erholt haben. Die erhöhte H2-Konzentration kann demnach entweder
4 Überprüfung von Übertragbarkeit und Reproduzierbarkeit 73
durch gehemmte hydrogenotrophe Mikroorganismen verursacht werden, oder die
Essigsäure wird nicht direkt zu CH4 umgesetzt, sondern zunächst zu CO2 und H2.
Aufgrund der Studien von Bauer et al. 2008, Klocke et al. 2009 und Nettmann et al. 2008
wird angenommen, dass die sonst in BGA mit NawaRo als Substrat überwiegenden
hydogenotrophen Bakterien weiterhin gehemmt sind, und das das Biogas durch die
acetolastischen Bakteiren gebildet wird.
Der pH-Wert schwankt während des gesamten Versuchszeitraums um 7,7. Die Analyse der
Pufferkapazität zum Ende der Versuchsreihe zeigt eine um 14% geringere Pufferkapazität
in der PA2 gegenüber der BGA Neurath und eine um 5% verringerte Pufferkapazität der
Technikumsanlage im Vergleich zur BGA Neurath (vgl. Tabelle 4-2). Aufgrund der
Untersuchungen von Georgacakis et al. 1982 ist anzunehmen, dass die Pufferkapazität
sowohl in der Technikumsanlage als auch in der PA2 ausreichend ist, um einen stabilen
Prozess zu gewährleiten. Aufgrund der Beschickung mit Hähnchenmist und Rindergülle
werden dem Prozess täglich neue Mengen des Carbonat- und Ammoniakpuffer zugefügt,
wodurch die Pufferkapazität trotz der erhöhten Bildung von Fettsäuren erhalten bleibt.
Aufgrund technischer Schwierigkeiten mit dem Beschickungssystem der
Technikumsanlage können die Daten des reduzierten Normvolumenstrom und der
Gasqualität, sowie des Fettsäurespektrums aus den letzten zwei Versuchswochen nicht
verwendet werden. So wurde z.B. ein Verstopfen der Schleuse nicht rechtzeitig erkannt,
wodurch die Technikumsanlage über mehr als einen halben Tag nicht beschickt wurde,
dann aber die ganze Ration auf einmal erhalten hat. Auch bei der PA2 traten in diesem
Zeitraum Probleme bei der Beschickung auf. Durch die Probleme mit der Beschickung
kommt es wiederholt zu einer Stresssituation für die Mikroorganismen, weswegen die
Versuche dann nach 56 Versuchstagen endgültig abgebrochen wurden. Aufgrund der nicht
zu verwertenden Daten und dem damit verbundenen Versuchsabbruch kann keine Aussage
darüber gemacht werden, ob es zu einem Abbau der Fettsäuren in den Laboranlagen
kommt, und damit wieder zu einem stabilen Prozess, oder ob die Mikrobiologie im
weiteren Verlauf so stark gehemmt wird, dass der Prozess zum Erliegen kommt.
Neben der Stresssituation zu Beginn der Versuche können weitere Parameter für
Abweichungen in den Ergebnissen für den reduzierten Normvolumenstrom, die
Gasqualität und die auftretenden Fettsäurekonzentration verantwortlich sein. Ein möglicher
Parameter ist eine unterschiedliche Durchmischung. So gibt auch Gujer et al. 1983 als
mögliche Ursache höhere Turbulenzen in Laboranlagen an. Aufgrund der Höhe von
Anlagen ergeben sich je nach Anlage verschiedene Drücke, die Einfluss auf die Löslichkeit
von Gaskomponenten im Fermenterinhalt haben und sich auch auf die Mikroorganismen
auswirken. Eine weitere Einflussgröße ist das Material aus dem die Anlagen bestehen.
74 4 Überprüfung von Übertragbarkeit und Reproduzierbarkeit
Beispielsweise gelangt in die Technikumsanlage oder die BGA Neurath kaum Licht,
während bei den Parallelanlagen der Fermenterinhalt dem Licht im Labor ausgesetzt ist.
Die in dieser Arbeit vorgestellten Studien weichen von der Studie von Cavinato et al. 2010
ab. Die spezifische Gasproduktion war in der Technikumsanlage bei Cavinato et al. 2010
etwas höher, als in der großtechnischen, während dies in den hier vorgestellten Studien
genau umgekehrt der Fall war. Die umgekehrten Ergebnisse für die Gasproduktion werden
auch von der Konzentration an flüchtigen Fettsäuren unterstützt, die bei Cavinato et al.
2010 in der großtechnischen BGA höher waren als in der Laboranlage.
Bei den Versuchen von Gronauer et al. 2006 im Batch-Betrieb war die Methanausbeute in
der größten Anlage (3500 l) höher (34%), als bei den 36 und 2 l Anlagen. Auch in den
beiden hier vorgestellten Versuchsreihen hat die jeweils größere Anlage mehr Gas
produziert. Allerdings lagen die Abweichungen im reduzierten Normvolumenstrom in
Versuchsreihe 1 dieser Arbeit bei 8% (Technikumsanlage zu den Parallelanlagen), was im
Rahmen der erweiterten Messunsicherheit lag, und in Versuchsreihe 2 bei 10%
(Technikumsanlage zur BGA Neurath), bzw. 13% (PA2 zur BGA Neurath).
Weitere Versuche zur Übertragbarkeit von Versuchsergebnissen in unterschiedliche
Maßstäbe sind erforderlich, um signifikante Einflussparameter weiter einzugrenzen.
Grundlage für zukünftige Versuche können die Ergebnisse und Erkenntnisse aus dieser
Arbeit sein. Zukünftig sollten die Versuche, wie in der Kooperation von Gronauer et al.
2006 und Wilderer et al. 2005, von mikrobiologischen Untersuchungen begleitet werden.
Mikrobiologische Untersuchungen im Rahmen dieser Arbeit waren nicht möglich.
75
5 Einfluss unterschiedlicher Rührintervalle
Ein möglicher Parameter mit Einfluss auf die Übertragbarkeit von Versuchsergebnissen
und die Reproduzierbarkeit von Versuchen kann die Durchmischung des Fermenters sein.
So beobachteten beispielsweise Chen et al. 1990 bei einem nichtdurchmischten Fermenter
im Vergleich zu einem kontinuierlich durchmischten Fermenter einen höheren CH4-Ertrag.
Als Substrat verwendeten sie den vergärbaren Anteil kommunaler Abfälle (keine
Lebensmittel oder Gartenabfälle) und Klärschlamm. Dagegen war die Gasproduktion im
kontinuierlich durchmischten Reaktor bei Ho et al. 1985 höher als in dem nicht
durchmischten Reaktor. Sie verwendeten Abwasser aus der Palm-Öl-Herstellung.
In einigen Studien wurde der Effekt der Rührintensität untersucht [Stroot et al. 2001,
Vavilin et al. 2005]. Allerdings konnten im Rahmen einer Literaturstudie keine Berichte
zum Einfluss der Durchmischung bei kontinuierlichen Versuchen unter Einsatz von
NawaRo gefunden werden. Rojas et al. 2010 verwendeten in ihren Untersuchungen zwar
Maissilage, allerdings führten sie ihre Versuche nur in 500 ml Batch-Ansätzen durch.
Ong et al. 2002 untersuchten kontinuierlich, diskontinuierlich (Rührpause 5,5 h, Rührdauer
0,5 h) und nicht gerührte Anlagen, die mit Rindergülle beschickt wurden. Rindergülle
gehört zwar zu den NawaRo, allerdings unterscheidet sich Rindergülle stark von den festen
Substraten, wie Maissilage oder Lieschkolbenschrot. Ein Vergleich zwischen der
kontinuierlichen und diskontinuierlichen Rührweise in den Versuchen von Ong et al. 2002
zeigte keine Auswirkungen auf die Gasproduktion oder Qualität. Eine Gegenüberstellung
zwischen der kontinuierlich und der nicht gerührten Anlage hat gezeigt, dass eine
Erhöhung der Gasproduktion bei der nicht gerührten Anlage beobachtet werden konnte.
Ein Einfluss auf die Gasqualität konnte aber auch hier nicht festgestellt werden.
Messungen der Konzentration an Exopolysacchariden (von Mikroorganismen gebildet, um
unter anderem Agglomerate mit anderen Mikroorganismen zu bilden) haben einen höheren
Wert für die nicht gerührte Anlage ergeben, was auf einen besseren Verbund der Bakterien
untereinander schließen lässt. Dies führt zu einem besseren Abbau der Organik und somit
zu einer höheren Biogasproduktion.
Karim et al. 2005 führten Versuche mit einem effektiven Volumen von 3,73 l durch. Als
Substrat verwendeten sie Rindergülle. Karim et al. 2005 untersuchten dabei
unterschiedliche Möglichkeiten der Durchmischung (ungerührt, kontinuierliche
durchmischt über a) Rezirkulation von Fermenterinhaltes, b) Rezirkulation des Biogases c)
Verwendung eines Rührers, sowie den Einfluss des TS-Gehaltes des Substrates auf die
Durchmischung. Bei dem geringsten TS-Gehalt des Substrates von 5% konnten Karim et
al. 2005 keinen Einfluss der Durchmischung feststellen. Bei einer Verdoppelung des TS-
Gehaltes auf 10% produzierte der kontinuierlich durchmischte Reaktor 22% mehr Gas als
der nicht durchmischte.
76 5 Einfluss unterschiedlicher Rührintervalle
Auch Kaparaju et al. 2008 arbeiteten mit Rindergülle als Substrat, die allerdings verdünnt
wurde. In ihren Untersuchungen führte eine Veränderung der Durchmischung zu einer
erhöhten Biogasproduktion. Bei einer minimalen Durchmischung (10 min vor dem
Ablass/der Fütterung) stieg die Biogasproduktion um 12,5%. Bei der intermittierenden
Rührweise (2 h Pause vor dem Ablass/der Fütterung) konnte nur noch eine Steigerung von
1,3% nachgewiesen werden. Bei der minimalen Rührweise konnte ein leicht erhöhter CH4-
Ertrag festgestellt werden.
Diese Beispiele aus der Literatur zeigen, wie sehr die in der Literatur vorgestellten
Ergebnisse variieren können. Zudem fehlen Studien, in denen NawaRo eingesetzt werden.
Weitere Untersuchungen sind daher erforderlich, um beurteilen zu können, wie sich eine
abweichende Durchmischung auf die Übertragbarkeit und Reproduzierbarkeit des
Biogasbildungsprozesses auswirkt.
Die gewählte Durchmischung und damit der Energieverbrauch des eingesetzten Rührwerks
können einen erheblichen Einfluss auf die Effizienz einer BGA haben. Der
Energieverbrauch hängt (bei gleichem Medium) vom Rührwerkstyp, der Drehzahl und der
Anzahl an Betriebsstunden pro Tag ab. Er kann in einem Bereich von 29-54% des
Eigenstrombedarfs liegen, siehe [Dachs et al. 2006]. Eine Möglichkeit, BGA effizienter zu
betreiben, ist aus diesem Grund die Verringerung des Eigenenergieverbrauches durch eine
Anpassung der Durchmischung. In den vorgestellten Studien wird daher auch betrachtet,
ob der Energieeintrag gesenkt werden kann.
5.1 Versuchsdurchführung
Für diese Parameterstudie wurden zwei Versuchsreihen mit den drei Parallelanlagen
durchgeführt. Analog zu den in Kapitel 1 beschriebenen Versuchen, wurden die Anlagen
zu Versuchsbeginn mit Fermenterinhalt aus der BGA Neurath befüllt und anschließend die
Gasphase mit Helium gespült. In Einklang mit der mesophilen Betriebsweise der BGA
Neurath, wurde auch hier eine Temperatur von rund 38°C gewählt.
Einmal täglich erfolgte die Beschickung mit Substrat. Verwendet wurden hierbei für die
erste Versuchsreihe CCM, Rindergülle sowie Spurenelemente. Diese Substrate wurden
ausgewählt, da sie im Vergleich zu den meisten anderen NawaRo sehr homogen sind. In
der zweiten Versuchsreihe wurde statt CCM Maissilage verwendet, die anderen Substrate
wurden gleich belassen. Die Änderung von CCM auf Maissilage fand statt, da Maissilage
bei unzureichender Durchmischung eher zur Bildung von Schwimmschichten neigt. Auf
diese Weise konnte in der zweiten Versuchsreihe beobachtet werden, ob die gewählten
Rührintervalle zu Schwimmschichten führen. Die maximale Menge der jeweiligen
Substrate und Spurenelemente in der ersten Versuchsreihe wurde in Anlehnung an die in
5 Einfluss unterschiedlicher Rührintervalle 77
der BGA Neurath eingebrachten Mengen bestimmt. Um die Substrate den Anlagen
zuzuführen, wurden diese mit Fermenterinhalt der jeweiligen Anlage angemaischt. Bevor
Fermenterinhalt zum Anmaischen abgelassen wurde, wurde der Füllstand jeder Anlage
notiert. Zur Verhinderung eines Lufteintrages während der Beschickung wurde ein
Trichter/Stopfen-System verwendet, durch das die Maische in die Anlage gedrückt wurde.
Während bei der ersten Versuchsreihe die Gasqualität vor und nach der Beschickung
bestimmt wurde, erfolgte dies bei der zweiten Versuchsreihe nur noch einmal täglich, da
sich kein signifikanter Einfluss der Beschickung auf die Gasqualität gezeigt hat. Das
produzierte Gasvolumen wurde kontinuierlich aufgezeichnet. Die Durchmischung der
Anlagen erfolgte anhand festgelegter Rührintervalle, welche in Tabelle 5-1 aufgeführt sind.
Dabei diente PA3 mit einer kontinuierlichen Durchmischung stets als Referenz.
Tabelle 5-1: Einteilung der Rührintervalle für Versuchsreihe (VR) 1 und 2
PA1 PA2 PA3
VR 1 2h rühren
1h Pause
7h rühren
1h Pause
Referenzanlage,
kontinuierlich
durchmischt
VR 2 10 min rühren
230 min Pause
10 min rühren
50 min Pause
Referenzanlage,
kontinuierlich
durchmischt
In der ersten Versuchsreihe wurden die drei Anlagen zunächst zwei Wochen lang parallel
betrieben, bevor mit der Untersuchung der Rührintervalle begonnen wurde. Dies diente
einer zusätzlichen Überprüfung der Reproduzierbarkeit. Die Raumbelastung wurde über
den Versuchszeitraum schrittweise erhöht. Eine Übersicht zur Raumbelastung ist in
Abbildung 5-1 gegeben. Die Abweichungen zwischen der PA1 und PA2 zur PA3 lagen
überwiegend innerhalb der erweiterten Messunsicherheit der PA3 für die Raumbelastung.
Ausnahmen bildeten vor allem die Versuchstage 20 bis 22, an denen die Raumbelastung in
der Referenzanlage um 0,2 bis 0,3 kgoTS m-3
d-1
höher war als in den zwei anderen Anlagen.
Grund hierfür war ein durch Aufquellen des Fermenterinhaltes erhöhter Füllstand bei den
Anlagen mit Rührintervallen.
78 5 Einfluss unterschiedlicher Rührintervalle
Abbildung 5-1: Erhöhung der Raumbelastung (RB) über die Versuchsdauer von Versuchsreihe 1
Aus den vorangegangen Versuchsreihen ist bekannt, dass die Anlagen bei gleichen
Bedingungen auch ein gleiches Verhalten zeigen. Aufgrund dessen entfiel bei der zweiten
Versuchsreihe der zweiwöchige Parallellauf. Außerdem wurde die Beschickungsmenge
konstant gehalten, da aus vorherigen Versuchen ersichtlich wurde, dass es bei einer
direkten Aufnahme der Soll-Raumbelastung zu keinen Problemen mit dem Betrieb kommt.
Allerdings führen zu hohe Raumbelastungen zu deutlichen Instabilitäten, weswegen eine
vorhergehende Versuchsreihe vorzeitig abgebrochen werden musste. Aus der
abgebrochenen Versuchsreihe wurde ersichtlich, dass eine höhere Raumbelastung für die
Parallelanlagen beim Einsatz von Maissilage nicht möglich ist. Ähnliche Ergebnisse
erzielten auch Blume et al. 2010 bei einem kontinuierlich durchmischten Fermenter, der
mit Maissilage beschickt wurde. Ab einer Raumbelastung von ungefähr 5,0 kgoTSm-3
d-1
war bei den Versuchen von Blume et al. 2010 ein signifikanter Abfall in der Gasproduktion
zu beobachten. Als Konsequenz wurde für die zweite, hier vorgestellte Versuchsreihe eine
insgesamt deutlich niedrigere Raumbelastung gewählt. Der Mittelwert der Raumbelastung
für PA1 und PA2 betrug 2,3 kgoTSd-1
m-3
und für PA3 2,4 kgoTSd-1
m-3
. Damit lagen die
Abweichungen innerhalb der erweiterten Messunsicherheit. Schwankungen in der
Raumbelastung waren nur durch den leicht veränderten Füllstand in den Anlagen und
einen Substratwechsel bedingt.
Die Gasqualität wurde bei Versuchsreihe 1 über die gesamte Versuchsdauer gemessen. Bei
Versuchsreihe 2 war dies aufgrund eines technischen Problems mit dem GC/MS-System
nur bis zum 19. Versuchstag möglich. Zu Beginn und zum Ende einer Versuchsreihe
wurde das Fettsäurespektrum analysiert. Die Analysen wurden hier von der Fa. LUFA –
ITL (Agrolab Laborgruppe) durchgeführt. Hier wurde kein Konservierungsmittel
eingesetzt, um den Gärungsprozess der Probe zu stoppen. Es ist damit zu rechnen, dass
einige Fettsäuren während des Transportes abgebaut wurden.
5 Einfluss unterschiedlicher Rührintervalle 79
5.2 Ergebnisse
Zur Beurteilung der Auswirkungen/Vorteile von einem bestimmten Rührintervall werden
in erster Linie der produzierte Normvolumenstrom und die Gasqualität betrachtet. Wie bei
den in Kapitel 4 vorgestellten Versuchen, wird auch hier in erster Linie der CH4-Anteil zur
Bewertung herangezogen. Darüber hinaus erfolgt ein Vergleich des Abbaus anhand des
TS- und oTS-Gehaltes sowie der Veränderung des Fettsäurespektrums.
5.2.1 Versuchsreihe 1
Normvolumenstrom
Für die Auswertung des Normvolumenstroms wurde pro Versuchstag ein mittlerer
stündlicher Volumenstrom bestimmt. Dieser wurde um den Gasverlust durch die GC-
Proben korrigiert. Eine Korrektur um die Gasverluste bei der Beschickung fand hier nicht
statt, da für diese Gasverluste kein allgemeingültiger Wert bestimmt werden kann.
Aufgrund der gleichen Vorgehensweise bei der Beschickung aller Anlagen kann davon
ausgegangen werden, dass die Auswirkungen dieser Verluste auf den Tagesvolumenstrom
bei allen Anlagen nahezu gleich sind. In Abbildung 5-2 ist der Verlauf des
Normvolumenstroms zu sehen.
Abbildung 5-2: Verlauf des Normvolumenstroms über der Versuchsdauer
Der vierzehntägige Parallellauf zu Beginn der Versuchsreihe zeigt auch bei Erhöhung der
Raumbelastung eine sehr gute Übereinstimmung im Normvolumenstrom. Die relativen
Abweichungen bleiben trotz der Änderung der Raumbelastung unter denen, die während
80 5 Einfluss unterschiedlicher Rührintervalle
der Versuchsreihe zur Reproduzierbarkeit und Übertragbarkeit (vgl. Abschnitt 4.1) erreicht
wurden. In Abbildung 5-3 ist dies grafisch veranschaulicht. Die zwei Ausreißer von PA1
sind durch eine Undichtigkeit in dem verwendeten Gasbeutel hervorgerufen, der daraufhin
ausgetauscht wurde.
Nach dem Beginn der Rührintervalle ist der Verlauf des Normvolumenstroms der Anlagen
bis zum 29. Versuchstag (bis zum 15. Tag nach Beginn der Rührintervalle) weiterhin
ähnlich. Die Abweichungen von PA1 und PA2 zur Referenz (PA3) bleiben innerhalb der
Reproduzierbarkeit und auch innerhalb der erweiterten Unsicherheit für die Bestimmung
des Normvolumenstroms.
Im Verlauf des Normvolumenstroms (Abbildung 5-2) sind ab dem 30. Versuchstag größere
Schwankungen des Normvolumenstroms zu beobachten. Dies deutet auf
Prozessinstabilitäten hin. Bis auf die Abweichungen der PA1 am 35. und 36. Versuchstag
und die von PA2 am 36. Versuchstag bleiben die Abweichungen dennoch im Rahmen der
Reproduzierbarkeit (vgl. Abbildung 5-3).
Abbildung 5-3: Relative Abweichungen im Normvolumenstrom der PA1 und PA2 zur
Referenzanlage (PA3)
Neben der Betrachtung des Verlaufes des Normvolumenstroms über die gesamte
Versuchsdauer, ist die nähere Betrachtung des Tagesverlaufs von Interesse. Abbildung 5-4
zeigt beispielhaft den Verlauf für den 22. Versuchstag,
5 Einfluss unterschiedlicher Rührintervalle 81
Abbildung 5-4: Tagesverlauf des Normvolumenstroms am 22. Versuchstag
In der Zeit zwischen 00:00 und 07:00 Uhr wird das verbliebene, gut abbaubare Substrat
vom vorherigen Tag weiter abgebaut. In dieser Zeit erfahren die Anlagen keine
Einwirkung von außen. Der leichte Abfall im Gasvolumenstrom zwischen 07:00 und 09:00
Uhr ist bedingt durch die Probenahme und den Ablass aus dem Fermenter zum
Anmaischen. Das Einfüllen des angemaischten Substrates führt darauf zu einem kurzzeitig
starken Anstieg des Normvolumenstrom. Die darauffolgende leichte Stagnation ist einer
erneuten Probenahme zur Bestimmung der Gasqualität geschuldet. Nach dieser
Probenahme steigt der Normvolumenstrom kontinuierlich an, bis er um 18:00 Uhr sein
Tagesmaximum erreicht. Danach beginnt der Abfall des Normvolumenstroms, bis am
nächsten Tag die Anlagen erneut beschickt werden. Die Rührintervalle haben auf den
Tagesverlauf des Normvolumenstroms keinen erkennbaren Einfluss.
Gasqualität
Der Verlauf des CH4-Gehaltes während des Parallellaufes in den ersten zwei Wochen
dieser Versuchsreihe bestätigt die gute Reproduzierbarkeit der Daten bei gleichen
Bedingungen. Auch im weiteren Verlauf der Versuche ist der Verlauf für alle Anlagen
übereinstimmend (vgl. Abbildung 5-5). Die unterschiedlichen Rührintervalle haben
demzufolge keinen Einfluss auf den CH4-Gehalt im Biogas.
Wie auch beim Normvolumenstrom kommt es ab dem 30. Versuchstag zu Schwankungen.
Dies ist ein weiterer Hinweis auf mögliche Instabilitäten der Anlagen. Eine weitere
Ursache könnte in dem eingesetzten Substrat liegen.
82 5 Einfluss unterschiedlicher Rührintervalle
Abbildung 5-5: Verlauf des CH4-Anteils (Probenahme nach der Beschickung) über der
Versuchsdauer
Leistungsaufnahme der Rührwerke
Für die in dieser Versuchsreihe festgelegten Rührintervalle kann festgestellt werden, dass
diese keinen wesentlichen Einfluss auf die produzierte Gasmenge oder die Gasqualität
haben. Hieraus kann gefolgert werden, dass es grundsätzlich möglich ist, den
Eigenenergieverbrauch einer BGA zu senken, indem die Rührzeiten verkürzt werden.
Um zu überprüfen, ob es durch das Anfahren der Rührwerke zu Beginn eines
Rührintervalls zu Leistungsspitzen kommt, wurde die Leistungsaufnahme der Rührwerke
von PA1 und PA2 gemessen. Hierfür wurde ein Drehstrommesser der Firma Voltcraft inkl.
der benötigten Messsoftware (Voltcraft Smart Analyzer) verwendet. Das Produkt ist neu,
wodurch es bei der korrekten Aufzeichnung der Blindleistung Schwierigkeiten gab. Die
Werte können daher nur qualitativ, nicht aber quantitativ beurteilt werden. Es wird
angenommen, dass der Fehler der Blindleistungsmessung konstant ist. Hierdurch können
Aussagen zum möglichen (prozentualem) Einsparpotenzial des Stromverbrauchs gemacht
werden.
5 Einfluss unterschiedlicher Rührintervalle 83
Abbildung 5-6: Leistungsaufnahme des Rührwerks der PA1
Abbildung 5-7: Leistungsaufnahme des Rührwerks der PA2
Wie Abbildung 5-6 und Abbildung 5-7 zeigen, war keine wesentlich erhöhte
Leistungsaufnahme nach der Rührpause festzustellen. Bei PA1 dauerte es 7 min (nach
Inbetriebnahme) bis die Leistungsaufnahme sich auf einem konstanten Wert einpendelte.
In dieser Zeit wurden 2,5% mehr Leistung aufgenommen, als im gleichen Zeitraum im
kontinuierlichen Betrieb. Im Fall der PA2 ergab sich ebenfalls (gemittelt) eine um 2,5%
84 5 Einfluss unterschiedlicher Rührintervalle
erhöhte Leistungsaufnahme, wobei es direkt nach dem Wiederanfahren des Rührwerkes zu
einer Leistungsspitze kam. Die Dauer bis zum Erreichen der durchschnittlichen
Leistungsaufnahme während der kontinuierlichen Durchmischung betrug hier 13 min. Im
Fall von PA1 könnten damit 29% des Energieverbrauchs für das Rührwerk eingespart
werden und im Fall der PA2 12%.
TS/oTS-Gehalt und FSS
Die unterschiedlichen Rührintervalle hatten keinen Einfluss auf den oTS-Gehalt im
Fermenterinhalt. Zwar ist dieser leicht angestiegen, die Abweichungen zwischen den
Anlagen sind aber innerhalb der erweiterten Messunsicherheit. Damit ist kein Einfluss der
Rührintervalle auf den Abbau feststellbar.
Sowohl an dem Versuchstag, an dem die Rührintervalle gestartet wurden, als auch zum
Versuchsende konnte in allen Anlagen nur Essigsäure in dem Fermenterinhalt der drei
Anlagen nachgewiesen werden. Die Werte für die Essigsäurekonzentration zu Beginn und
zum Ende liegen in einer ähnlichen Größenordnung.
Sonstige Auswirkungen
Während der Stillstandzeit des Rührwerkes kam es zu einem Quellen und Aufschäumen
des Fermenterinhaltes. Insbesondere war dies am ersten Versuchstag mit Rührintervallen
zu beobachten. In der folgenden Zeit trat der Effekt weiterhin auf, allerdings in geringerem
Maße. Hierdurch erklärt sich das stets etwas höhere Füllvolumen der PA1 und PA2. Die
Ausgasung des Biogases wurde in den Pausen nicht mehr aktiv unterstützt, weswegen der
Fermenterinhalt aufquoll. Zusätzlich entstand an der Flüssigkeitsoberfläche Schaum.
Während der Versuche kam es zu einer Verschmutzung der gasführenden Leitungen. Eine
Verstopfung war allerdings nicht aufgetreten.
5.2.2 Versuchsreihe 2
Normvolumenstrom
In Versuchsreihe 2 entfällt der zweiwöchige Parallellauf zu Beginn. Versuchstag 0 gibt
somit direkt den Beginn der Rührintervalle an. In Abbildung 5-8 ist der Verlauf des
Normvolumenstroms über der Versuchsdauer dargestellt. Durch die konstant gehaltene
Raumbelastung liegen die Werte des Normvolumenstroms während des gesamten
Versuchs in einem ähnlichen Bereich.
5 Einfluss unterschiedlicher Rührintervalle 85
Abbildung 5-8: Normvolumenstrom über der Versuchsdauer
Abbildung 5-9: Relative Abweichungen im täglichen Normvolumenstrom der PA1 und PA2 zur
Referenzanlage (PA3)
Am ersten Tag ist die relative Abweichung der PA1 so hoch, dass sie außerhalb des
dargestellten (negativen) Bereiches liegt. Ab dem zweiten Versuchstag ist der
Normvolumenstrom der Referenzanlage mit einer kontinuierlichen Durchmischung (PA3)
etwas geringer, als der der Anlagen mit intermittierender Rührweise. Dies belegt auch die
Darstellung der relativen Abweichungen (Abbildung 5-9). Hier liegen vor allem für PA2
86 5 Einfluss unterschiedlicher Rührintervalle
die Abweichungen mit bis zu 20% deutlich über der Reproduzierbarkeit. Die für diese
Versuchsreihe ausgewählten Rührintervalle haben damit zunächst einen positiven Effekt
auf die Gasausbeute. Jedoch schwindet dieser Effekt nach einer gewissen Zeit, bis er nicht
mehr erfasst werden kann. Ab dem 15. Versuchstag liegen die Werte innerhalb der
Reproduzierbarkeit.
Wie bei der vorhergehenden Versuchsreihe wird auch bei dieser der Tagesverlauf
(Abbildung 5-10) genauer betrachtet. Ausgewählt wurde hierfür exemplarisch der
24. Versuchstag. Der Normvolumenstrom folgt dem gleichen Schema, wie bereits bei
Versuchsreihe 1 (Abbildung 5-4) erläutert.
Die Rührintervalle bei PA1 (10 min rühren, 230 min Pause) können in der Darstellung
erkannt werden, da der Normvolumenstrom leicht schwankt. Der Verlauf von PA2 ähnelt
mit der deutlich kürzeren Pause von nur 50 min dem der Referenzanlage, die kontinuierlich
gerührt wurde.
Abbildung 5-10: Tagesverlauf des Normvolumenstroms für den 24. Versuchstag
Gasqualität
Abbildung 5-11 gibt den Verlauf der CH4-Konzentration während der ersten 19
Versuchstage wieder.
5 Einfluss unterschiedlicher Rührintervalle 87
Abbildung 5-11: Verlauf des CH4-Gehaltes bis zum 19ten Versuchstag
Obwohl ein Unterschied zwischen der Referenzanlage und den diskontinuierlich gerührten
Anlagen im Normvolumenstrom zu beobachten ist, trifft dies auf den CH4-Anteil kaum zu.
In der Darstellung ist zu sehen, dass der CH4-Anteil der PA3 vom vierten bis zum 14.
Versuchstag leicht unterhalb des der PA1 und PA2 liegt, wobei sich die Abweichungen im
Rahmen der erweiterten Messunsicherheit befinden (vor Umbau des GC).
TS/oTS-Gehalt und FSS
Die Rührintervalle der PA1 und PA2 beginnen direkt nach der Befüllung, weswegen der
oTS-Gehalt im Fermenterinhalt bei allen Anlagen gleich ist. Während bei den Anlagen mit
diskontinuierlicher Durchmischung der oTS-Gehalt nahezu konstant bleibt, steigt dieser
bei der Referenzanlage (PA3) leicht an (vgl. Abbildung 5-12).
Eine Woche vor Versuchsbeginn wurde an der BGA Neurath, von der das Inoculum
stammt, von der Fa. Bioreact GmbH eine Analyse des Fermenterinhaltes auf das
Fettsäurespektrum durchgeführt. Es konnten nur Essigsäure (0,44 g l-1
) und Propionsäure
(0,03 g l-1
) nachgewiesen werden. Am Ende der Versuchsreihe wurde der Fermenterinhalt
der Parallelanlagen bei der Fa. LUFA – ITL auf das Fettsäurespektrum untersucht. Hier
wurde bei allen Parallelanlagen nur Essigsäure nachgewiesen. Dabei war der Wert von
PA1 im Vergleich zur Referenz (PA3) um 83,5%, und der von PA2 um 77,6% geringer.
88 5 Einfluss unterschiedlicher Rührintervalle
Abbildung 5-12: Entwicklung des oTS-Gehaltes über der Versuchsdauer
Sonstige Auswirkungen
Wie auch bei der ersten Versuchsreihe ist ein Quellen und Schäumen des
Fermenterinhaltes zu beobachten gewesen. In den ersten Tagen war dies bei PA1 so stark
ausgeprägt, dass es zu einer Verstopfung der Gasleitung gekommen ist. Daraufhin musste
diese gereinigt werden. Das Ausmaß des Schäumens hat im Laufe der Versuchsreihe
nachgelassen, war aber bis zum Ende zu beobachten.
5.3 Diskussion
Die in dieser Arbeit durchgeführten Versuchsreihen zum Einfluss der Durchmischung auf
den Biogasbildungsprozess, haben gezeigt, dass es abhängig vom gewählten Rührintervall
ist, ob Auswirkungen auf den Normvolumenstrom, die Gasqualität und den Abbau an
Organik signifikant sind. Damit kann die Durchmischung auch einen Einfluss auf die
Reproduzierbarkeit und Übertragbarkeit haben. Die gewählte Durchmischungsart und die
angewandten Rührintervalle sollten stets mit angegeben werden. Sollen
Versuchsergebnisse reproduziert werden, so ist es vergleichsweise einfach die gleiche
Durchmischung zu wählen. Bei der Durchführung von Versuchen in unterschiedlichem
Maßstab ist dies nicht immer möglich (vgl. Abschnitt 4.2.1).
Durch die vier untersuchten Rührintervalle war kein oder ein positiver Effekt auf die
betrachteten Parameter im Vergleich zur Referenzanlage zu verzeichnen. In beiden
Versuchsreihen haben sich die zwei diskontinuierlich gerührten Anlagen ähnlich verhalten.
5 Einfluss unterschiedlicher Rührintervalle 89
In Versuchsreihe 1 war bei beiden Anlagen die Dauer der Pause gleich, während bei der
zweiten Versuchsreihe die Rührdauer gleich gehalten wurde. Weitere Unterschiede in den
beiden Versuchsreihen waren die gewählte Raumbelastung und die eingesetzten Substrate.
Die beiden Versuchsreihen können daher nicht direkt miteinander verglichen werden.
In Versuchsreihe 1 war bei beiden Anlagen die Dauer der Pause gleich. Die Rührdauer lag
dabei jeweils über der Dauer der Pause. Bei dem gewählten Substratmix lagen die
Abweichungen im Normvolumenstrom innerhalb der Grenzen für die Reproduzierbarkeit.
Abweichungen im CH4-Gehalt lagen innerhalb der Messunsicherheit. Damit stimmen die
Ergebnisse mit denen von Ong et al. 2002 überein. Der konstante Wert für den oTS-Gehalt
im Fermenterinhalt zeigt zudem, dass die durch die Substrate eingebrachte Organik von
den Mikroorganismen umgesetzt werden konnte. Die langsame Erhöhung der
Raumbelastung sorgt demnach dafür, dass sich eine gut abgestimmte Biozönose im
Fermenterinhalt entwickeln konnte.
In der zweiten Versuchsreihe, mit kürzeren Rührdauern als Standzeiten des Rührwerks,
war zu Beginn eine Mehrproduktion an Biogas von bis zu 20% im Vergleich zur Referenz
zu beobachten. Nach einer gewissen Zeit nimmt dieser Effekt soweit ab, bis er nicht mehr
erfasst werden kann. In Versuchsreihe 2 wurde die Raumbelastung nicht wie in
Versuchsreihe 1 langsam erhöht, sondern direkt mit der Soll-Raumbelastung für diese
Versuchsreihe begonnen. Durch den Transport des Fermenterinhaltes aus der BGA
Neurath zur Befüllung der Anlagen und die veränderten Beschickungsintervalle (zur BGA
Neurath) waren die Mikroorganismen zu Beginn der Versuche einer Stresssituation
ausgesetzt (vgl. Abschnitt 4.3). Die intermittierende Rührweise kann, wie von Ong et al.
2002 beschrieben, zu einem stärkeren Verbund der Mikroorganismen führen, wodurch sich
die Biozönose schneller von den Stressbedingungen der Inbetriebnahme der Anlagen
erholen kann. Hierfür spricht der erhöhte Normvolumenstrom der diskontinuierlich
durchmischten Anlagen zu Beginn der Versuchsreihe. Ab dem 15. Versuchstag stimmen
damit die Ergebnisse für den Normvolumenstrom und die Gasqualität aus Versuchsreihe 2
mit denen aus Versuchsreihe 1 und denen von Ong et al. 2002 überein.
Die Ergebnisse für den Normvolumenstrom in Versuchsreihe 2 decken sich prinzipiell mit
denen von Kaparaju et al. 2008, in denen eine Veränderung der Durchmischung zunächst
zu einem Anstieg der Biogasproduktion führte. Dieser Effekt hätte demnach auch in
Versuchsreihe 1 beobachtet werden müssen. Allerdings fanden Kaparaju et al. 2008 auch
heraus, dass dieser Effekt mit zunehmender Rührdauer abnimmt. In Anbetracht der
geringen Raumbelastung und der längeren Rührzeiten in Versuchsreihe 1 kann der Effekt
so gering gewesen sein, dass er in den Rahmen der Reproduzierbarkeit gefallen ist.
Während der Versuche hat sich insbesondere eine Problemstellung bei diskontinuierlicher
Fahrweise herauskristallisiert. Während der Rührpausen kam es besonders zu Beginn einer
90 5 Einfluss unterschiedlicher Rührintervalle
Versuchsreihe zu nicht zu vernachlässigender Schaumbildung an der
Flüssigkeitsoberfläche, sowie zu einem leichten Quellen des gesamten Fermenterinhaltes.
Aufgrund der Pause im Rühren wird das entstehende Biogas nicht so stark ausgetrieben,
wie es während der Rührzeiten der Fall ist, und führt zu den genannten Effekten. In
Verbindung mit bestimmten Stoffen kann der langsame Austrieb des Biogases zu einer
stärkeren Schaumbildung führen. Es wird angenommen, dass diese Stoffe zu Beginn einer
Versuchsreihe in einer höheren Konzentration vorlagen, weswegen es insbesondere da zur
verstärkten Schaumbildung kam. Welche Stoffe hierfür verantwortlich sein können, konnte
im Rahmen dieser Arbeit nicht untersucht werden. Bei der Anwendung von
Rührintervallen ist demzufolge auf eine entsprechende Anpassung der Anlagentechnik
bzw. der Prozessbedingungen zu achten. Der Füllstand sollte reduziert werden,
Gasleitungen und Messtechnik so ausgelegt werden, dass der Schaum keinen Schaden
verursacht. Ein reduzierter Füllstand führt allerdings zu einer reduzierten Gasausbeute.
Neben dem eigentlichen Ziel dieser Untersuchungen hat der Parallellauf in der ersten
Versuchsreihe die Ergebnisse der Versuche zur Reproduzierbarkeit bestätigt. Wie in der in
Abschnitt 4.1 vorgestellten Studie lagen die Abweichungen während des Parallellaufes im
Bereich von bis zu ± 10%.
Aus beiden Versuchsreihen geht hervor, dass es möglich ist den Eigenenergiebedarf von
BGA zu senken, indem statt einer kontinuierlichen Rührweise eine intermittierende
gewählt wird. Die Rührintervalle hatten keine oder positive Auswirkungen auf den
Normvolumenstrom und den CH4-Gehalt. Die Analyse des Energiebedarfs des Rührwerkes
in Versuchsreihe 1 hat ergeben, dass für den Fall 2 h rühren, 1 h Pause eine Einsparrung
von 29% möglich ist. Bei dem Rührintervall 7 h rühren, 1 h Pause könnten 12% des
Energiebedarfs des Rührwerks eingespart werden.
Eine weitere in der Literatur genannte Möglichkeit der Beeinflussung der Durchmischung
wurde im Rahmen der Studie nicht untersucht. Neben der diskontinuierlichen
Durchmischung ist auch eine geringere Intensität der Durchmischung möglich. Dies wurde
beispielsweise von Gomez et al. 2006 untersucht. Sie konnten für den Einsatz von
Klärschlamm mit einer geringeren Rührintensität ähnliche Ergebnisse erzielen, wie mit
einer stärkeren Durchmischung. Entsprechende Ergebnisse erzielten auch Stroot et al.
2001. Hier besteht weiterer Forschungsbedarf bei der Vergärung von NawaRo.
91
6 Einfluss von Beschickungsausfällen
Bei der Durchführung von Versuchen zum Biogasbildungsprozess kommt es in der Regel
zumindest zum Versuchsstart zu einem Ausfall der Beschickung. Hier muss
Fermenterinhalt zum Animpfen häufig von einer großtechnischen Anlage geholt werden.
Zudem ist in der Literatur wiederholt zu finden, dass quasi-kontinuierliche Versuche am
Wochenende nicht beschickt werden (z.B. bei Gallert et al. 2003). Ausfälle können aber
auch durch Probleme mit der Eintragstechnik oder bei einem Substratmangel auftreten. An
großtechnischen BGA kann es aufgrund unterschiedlichster Betriebsstörungen zu einem
gewollten oder ungewollten Ausfall der Beschickung kommen. Mögliche Ursachen hierfür
sind z.B. Wartungsarbeiten am BHKW oder Defekte an der Einbringvorrichtung für die
Substrate. Übliche Ausfälle liegen dabei in einem Zeitraum von einem Tag bis zu einer
Woche. Aus diesen Gründen soll untersucht werden, wie viele Tage Beschickungsausfall
Anlagen tolerieren, ohne dass es zu signifikanten Prozessstörungen kommt, wenn danach
direkt wieder mit der vollen Fütterung begonnen wird. Hierfür wurden mehrere
Versuchsreihen durchgeführt.
Einen ähnlichen Effekt, wie beim Wiedereinsetzen der Fütterung nach einem
Beschickungsausfall, ruft eine plötzliche Änderung der Substratzufuhr hervor. Bisherige
Untersuchungen, z.B. von Ahring et al. 1995, Angelidaki et al. 2006 oder Griffin et al.
1998, zeigen einen Anstieg der Fettsäuren und dadurch einen Abfall des pH-Wertes bei
einer sprunghaften Änderung der Fütterung. In diesen Studien wurde die Raumbelastung
schnell erhöht oder die Anlagen wurden neu angefahren. Hierbei kommt es zu einem
Anstieg der Essig-, Propion- und Buttersäurekonzentration.
In einer von Comino et al. 2010 vorgestellten Studie wurde überprüft, wie sich eine
Erhöhung der Raumbelastung auf die Gas- und CH4-Ausbeute auswirkt. Verwendet wurde
für die Versuche ein Fermenter mit einem Füllvolumen von 102,8 l. Nach der Startphase
wurde die Raumbelastung in drei Schritten erhöht. Dabei fand die Beschickung dreimal
pro Woche statt, wodurch sich Beschickungsausfälle von zwei bis drei Tagen ergeben. Am
Ende jeder Phase fand ein siebentägiger Beschickungsstopp statt. Während des
Beschickungsausfalls beobachteten Comino et al. 2010 eine Abnahme der Gasproduktion.
Bei der niedrigsten Raumbelastung von 4,45 kgoTSm-3
d-1
konnte bei Comino et al. 2010 ein
leichter Anstieg des CH4-Anteils festgestellt werden. Grund hierfür ist aber der veränderte
Substratmix und nicht die Beschickungsausfälle. In der zweiten Phase (5,15 kgoTSm-3
d-1
)
ist bis zur Hälfte ein ähnlicher Trend zu beobachten, danach nimmt der CH4-Anteil im Gas
ab. In der dritten Phase (7,78 kgoTSm-3
d-1
) fällt der CH4-Anteil deutlich ab. Analysen des
Fettsäurespektrums wurden von Comino et al. 2010 durchgeführt, aber nicht veröffentlicht.
92 6 Einfluss von Beschickungsausfällen
6.1 Versuchsdurchführung
Um die Beschickungsausfälle unter verschiedenen Betriebsbedingungen zu untersuchen,
wurden zum einen Versuche an den Parallelanlagen und zum anderen an der
Technikumsanlage durchgeführt. Nachfolgend soll das Vorgehen für die jeweilige
Anlagenart näher beschrieben werden.
Parallelanlagen
Zu Beginn einer Versuchsreihe wurden die drei Anlagen mit Fermenterinhalt aus der BGA
Neurath befüllt und mit Helium gespült, um die restliche Luft auszuspülen. Nach fünf
Tagen Parallelbetrieb wurde an allen Anlagen ein Beschickungsausfall unterschiedlicher
Dauer (vgl. Tabelle 6-1) simuliert.
Tabelle 6-1: Übersicht über die Dauer des Beschickungsausfalls während der ersten Versuchsreihe
PA1 PA2 PA3
Dauer des Beschickungs-
ausfalls 1 Tag 3 Tage 7 Tage
Aufgrund einer in den ersten Versuchstagen nicht zu beseitigenden Undichtigkeit bei PA1
musste der Versuch an dieser Anlage abgebrochen werden. Aus diesem Grund wurde eine
zweite Versuchsreihe durchgeführt. Da das Material für die Erstbefüllung entscheidend für
die Versuche ist, wurde während der zweiten Versuchsreihe auch der dreitägige
Beschickungsausfall wiederholt, damit die beiden Versuchsreihen verglichen werden
können. Die Temperatur in den Anlagen betrug 39 bis 40°C. Schwankungen traten nur auf,
wenn der Füllstand unter der Eintauchtiefe des PT-100 lag. Hierdurch wurde die
Temperatur anstatt im Fermenterinhalt in der Gasphase gemessen.
Die Vorgehensweise bei der Beschickung und Beprobung der Anlagen erfolgte analog zu
den vorhergehenden Versuchsreihen. Als Substrate wurden Maissilage und Rindergülle
verwendet. Die eingebrachte Menge an Frischmasse (FM) wurde über den
Versuchszeitraum konstant gehalten. Einzige Ausnahme waren sechs Tage innerhalb der
ersten Versuchsreihe, an denen die Masse an Maissilage reduziert wurde, da sie einen sehr
hohen TS-Gehalt aufwies. Wie in Abbildung 6-1 zu sehen ist, stieg die Raumbelastung
kurzzeitig auf 4,5 kgoTSm-3
d-1
an, bis die Ergebnisse der oTS-Bestimmung der Maissilage
vorlagen und die Beschickung korrigiert wurde. In der zweiten Versuchsreihe lag die
Raumbelastung für beide Anlagen im Bereich von 2,2 bis 2,6 kgoTSm-3
d-1
.
6 Einfluss von Beschickungsausfällen 93
Abbildung 6-1: Versuchsreihe 1: Raumbelastung (RB) über der Versuchsdauer (Versuchstag 5 bis
7: Beschickungsausfall für PA2, Versuchstag 5 bis 11 Beschickungsausfall für PA3)
In regelmäßigen Abständen wurden die Anlagen beprobt, um das Fettsäurespektrum und
den TS- und oTS-Gehalt zu bestimmen. Eine Zusammenstellung des Versuchsplans findet
sich in Anhang A-8 und A-9. Die Studie von Ahring et al. 1995 lässt den Schluss zu, dass
besonders innerhalb des ersten Tages ein deutlicher Anstieg der Essigsäurekonzentration
zu erwarten ist. Um dies zu prüfen, wurden am ersten Tag der Beschickungsaufnahme
nach dem Ausfall (nachfolgend als Beschickungstag bezeichnet) vier Proben genommen.
Im weiteren Verlauf wurde die Zeitspanne zwischen den Proben verlängert.
Die Messung des Gasvolumenstroms erfolgte kontinuierlich. Die Gaszusammensetzung
konnte aufgrund technischer Schwierigkeiten mit dem GC/MS-System nicht analysiert
werden.
Technikumsanlage
Im Gegensatz zu den Parallelanlagen wird die Technikumsanlage nicht für jede
Versuchsreihe neu befüllt, da der Aufwand für Leerung, Reinigung und Befüllung
wesentlich höher ist als bei den Parallelanlagen. Eine neue Versuchsreihe wird gestartet,
sobald sich die Anlage von der vorherigen erholt hat, was anhand des Fettsäurespektrums
beurteilt wird. Die Zuordnung der jeweiligen Dauer des Beschickungsausfalls zur
Versuchsreihe ist in Tabelle 6-2 zusammengefasst.
94 6 Einfluss von Beschickungsausfällen
Tabelle 6-2: Zuordnung der Versuchsreihe (VR) zur Dauer des Beschickungsausfalls
VR 1 VR 2 VR 3
Dauer des Beschickungs-
ausfalls 1 Tag 7 Tage 3 Tage
Die Beschickung der Anlage erfolgte quasi-kontinuierlich. Als Substrate wurden
Maissilage und Rindergülle verwendet, wobei die Menge an Frischmasse der jeweiligen
Substrate in allen drei Versuchsreihen konstant gehalten wurde. Maissilage wurde dem
Fermenter stündlich über das automatische Beschickungssystem zugeführt und Rindergülle
einmal täglich über den Kugelhahn am Fermenterdeckel eingefüllt. Im Mittel liegt die
Raumbelastung bei 3,7 kgoTS m-3
d-1
für einen Tag Beschickungsausfall, bei 4,2 kgoTS m-3
d-1
für sieben Tage Beschickungsausfall und bei 3,6 kgoTS m-3
d-1
für drei Tage
Beschickungsausfall.
Entsprechend den Versuchen an den Parallelanlagen erfolgte auch hier eine regelmäßige
Beprobung, um das Fettsäurespektrum und den Gehalt an TS und oTS zu bestimmen. Dem
Versuchsplan in Anhang A-10 sind die Intervalle zu entnehmen. Analog zu den
Parallelanlagen lag die Temperatur im Fermenterinhalt im mesophilen Bereich bei 39°C.
Der Gasvolumenstrom wurde kontinuierlich gemessen und für die ersten beiden
Versuchsreihen die Gasqualität bestimmt. Aufgrund der kontinuierlichen Beschickung
wird hierbei nicht unterschieden zwischen „vor“ und „nach“ der Beschickung. Bei der
dritten Versuchsreihe war es aufgrund eines technischen Defektes am GC/MS-System
nicht möglich, die Gasqualität zu analysieren.
6.2 Ergebnisse
6.2.1 Parallelanlagen
Die Beurteilung der Auswirkung der Beschickungsausfälle erfolgt anhand des produzierten
Gasvolumens, des oTS-Gehaltes im Fermenterinhalt und des Fettsäurespektrums.
Normvolumenstrom
Für die Betrachtung des Normvolumenstroms bei den Parallelanlagen wurde für jeden
Versuchstag ein stündlicher Volumenstrom ermittelt. Es fanden keine Korrekturen des pro
Tag gemessenen Volumens statt, da zum einen die Beschickung bei beiden Anlagen gleich
6 Einfluss von Beschickungsausfällen 95
verlief und zum anderen aufgrund des Defektes des GC/MS-Systems keine Gasproben
gezogen werden konnten.
In der ersten Versuchsreihe sind die Anlagen zunächst über fünf Tage parallel betrieben
worden. In Abbildung 6-2 ist für diesen Zeitraum zu sehen, dass sich die Anlagen gleich
verhalten. Die absoluten Abweichungen liegen hier innerhalb der Messunsicherheit von
± 0,262 lN h-1
. Diese sehr gute Übereinstimmung ist auch in den ersten drei Tagen des
simulierten Beschickungsausfalls zu beobachten. In diesen Tagen fällt die Gasproduktion
stark ab.
Abbildung 6-2: Versuchsreihe 1: Normvolumenstrom über der Versuchsdauer (PA2: 3 Tage,
PA3:7 Tage Ausfall), wobei Versuchstag 8 dem ersten Beschickungstag der PA2 und Versuchstag
12 dem ersten Beschickungstag der PA3 entspricht.
Bei beiden Anlagen ist durch das Wiedereinsetzten der Beschickung am ersten
Beschickungstag (Versuchstag 8 für PA2, Versuchstag 12 für PA1) eine Zunahme des
Normvolumenstroms zu beobachten, bis ein vorläufiges Maximum erreicht wird. Sowohl
bei PA2, als auch bei PA3 wird dieses am dritten Beschickungstag erreicht. Allerdings ist
der Sprung vom ersten auf den zweiten Beschickungstag bei PA2 höher als bei PA3. Durch
eine Verschiebung der Kurven, sodass die Beschickungstage übereinander liegen
(Abbildung 6-3), ist im Zeitraum zwischen Beschickungstag 3 und 10 zu sehen, dass beide
Anlagen nahezu den gleichen, konstanten Verlauf haben. Auch hier liegen die
Abweichungen innerhalb der Messunsicherheit.
96 6 Einfluss von Beschickungsausfällen
Abbildung 6-3: Versuchsreihe 1: Entwicklung des Normvolumenstroms mit dem Beginn der
Beschickung (Beschickungstag 1 entspricht dem Wiedereinsetzten der Beschickung)
Der darauffolgende Anstieg und erneute Abfall ist in einer Änderung des Substrats bzw.
der Beschickung begründet. Durch sehr trockene Maissilage kam es zunächst zu einer
Erhöhung der Raumbelastung (vgl. Abbildung 6-1), was zu einem Anstieg in der
Gasproduktion geführt hat. Anhand der Ergebnisse der TS- und oTS-Bestimmung der
Substrate wurde die Fütterung angepasst (die Raumbelastung wieder gesenkt), wodurch die
Gasproduktion gesunken ist. Ab dem 19. Versuchstag erreichen beide Anlagen wieder
nahezu dieselben Werte für den Normvolumenstrom.
In der zweiten Versuchsreihe (vgl. Abbildung 6-4) zeigt sich für den dreitägigen
Beschickungsausfall zunächst ein dem in Versuchsreihe 1 entsprechender Verlauf. Zu
Versuchsbeginn ist die Biogasproduktion in Versuchsreihe 2 um 0,8 lN h-1
geringer, als die
in Versuchsreihe 1. Ab dem neunten Versuchstag fällt die Biogasproduktion für PA3,
steigt wieder an und beginnt erneut zu fallen.
6 Einfluss von Beschickungsausfällen 97
Abbildung 6-4: Versuchsreihe 2: Normvolumenstrom über der Versuchsdauer (PA2: 1 Tag, PA3:
3 Tage Ausfall), wobei Versuchstag 1 dem ersten Beschickungstag der PA2 und Versuchstag 3
dem ersten Beschickungstag der PA3 entspricht
Bei dem eintägigen Beschickungsausfall ist ein anderer Trend in der Gasproduktion zu
beobachten. Nach dem Ausfall pendelt sich die Gasproduktion ein und zeigt nur einen
kurzen Anstieg am 13. Versuchstag. Dies spricht gegen das verwendete Substrat als
Ursache für den Abfall bei PA3. Ein direkter Vergleich des dreitägigen
Beschickungsausfalls (Abbildung 6-5) zeigt, dass am Ende des Beschickungsausfalls
jeweils nahezu der gleiche Normvolumenstrom produziert wird. Für den ersten
Beschickungstag verhalten sich die Anlagen der unterschiedlichen Versuchsreihen
ebenfalls analog. Ab dem fünften Tag liegen die Werte in Versuchsreihe 2 unter denen von
Versuchsreihe 1. Der Trend bleibt gleich. Während in Versuchsreihe 1 ab dem achten Tag
ein ganz leichter Anstieg des Normvolumenstroms zu beobachten ist, verhält sich die PA3
in der zweiten Versuchsreihe entgegengesetzt. Im weiteren Verlauf zeigen die beiden
Anlagen einen unterschiedlichen Trend.
98 6 Einfluss von Beschickungsausfällen
Abbildung 6-5: Gegenüberstellung der Gasproduktion nach dreitägigem Beschickungsausfalls
(von Versuchsreihe (VR) 1 und 2) ab dem Tag des Beschickungsausfalls, Versuchstag 3 entspricht
dem ersten Beschickungstag
oTS-Gehalt
Zu Beginn der Versuchsreihe 1 ist der oTS-Gehalt in beiden Anlagen gleich, da beide mit
Fermenterinhalt aus der BGA Neurath befüllt worden sind. Nach fünf Tagen im
Laborbetrieb ist der oTS-Gehalt leicht gesunken. Vom fünften zum achten Versuchstag
erfolgte an der PA2 der dreitägige Beschickungsausfall. In dieser Zeit steigt der oTS-
Gehalt der Anlage um 0,2% FM (absolut) an. Der Wert für den oTS-Gehalt hat allerdings
am achten Versuchstag eine erweiterte Messunsicherheit von ±0,32% FM. Aufgrund der
erweiterten Messunsicherheit und der Tatsache, dass der oTS-Gehalt ohne Zufuhr von
Organik nicht steigen kann, ist davon auszugehen, dass der oTS-Gehalt sich ehr im unteren
Bereich befindet und damit gleich oder kleiner dem zu Beginn des Beschickungsausfalls
ist. Bei PA3 fällt der oTS-Gehalt bis zum Wiederbeginn der Beschickung. Beide Anlagen
erreichen am 28. Versuchstag nahezu den gleichen oTS-Gehalt. Dies spiegelt auch den
Normvolumenstrom wieder, der zu diesem Zeitpunkt bei beiden Anlagen nahezu gleich ist.
6 Einfluss von Beschickungsausfällen 99
Abbildung 6-6: Versuchsreihe 1: Entwicklung des oTS-Gehaltes im Fermenterinhalt ab Beginn
der Versuchsreihe (Fehlerbalken: erweiterte Messunsicherheit; PA:2: Beschickungsausfall vom 5.
bis 8. Versuchstag, PA3: Beschickungsausfall vom 5. Bis 12. Versuchstag)
In der zweiten Versuchsreihe ist während der beiden Beschickungsausfälle ein deutlicher
Anstieg des oTS-Gehaltes gegeben (vgl. Abbildung 6-7). Wie bereits erläutert ist eine
Anreicherung während des Beschickungsausfalls nicht möglich. Einzige Ursache könnte
eine Anreicherung der Organik durch Wasserverlust sein, dafür würde auch der Abfall des
Füllvolumens von 19 auf 18,5 l bei der PA2 sprechen. Bei der PA3 ist das Füllvolumen
allerdings gleich geblieben. Bei dem eintägigen Beschickungsausfall kann in guter
Näherung angenommen werden, dass der oTS-Gehalt während des Beschickungsausfalls
nahezu konstant bleiben sollte. Um eine Erhöhung des oTS-Gehaltes von 5,6 auf 6,4% FM
bei einer Anlage mit 19 l Füllvolumen hervorzurufen, müsste ein Wasserverlust von knapp
2,5 l auftreten. Dies ist innerhalb eines Tages bei gleichbleibender Temperatur
unrealistisch, da der Wasserverlust nur durch die Verdunstung von Wasser auftreten kann.
Daher muss angenommen werden, dass vielmehr die Probe zu Versuchsbeginn nicht
richtig gehandhabt worden ist. Wird der ca. 35°C warme Fermenterinhalt über einen
längeren Zeitraum bei Umgebunsbedingungen (22°C, klimatisiert) stehen gelassen, kann es
hier zu einer entsprechenden Verdunstung von Wasser kommen. Für diese These spricht
der bei beiden Anlagen erhöhte oTS-Gehalt. Liegt der oTS-Gehalt zu Beginn der Versuche
über dem am ersten Versuchstag, passt der Abbau an Organik während des
Beschickungsausfalls. Der oTS-Gehalt bei dem dreitägigen Beschickungsausfall nimmt
stärker ab, als der bei dem eintägigen Beschickungsausfall.
Im weiteren Verlauf ist ein erneuter Anstieg des oTS-Gehaltes zu beobachten. Dies trifft
besonders auf den Fermenterinhalt der PA3 zu, bei dem der dreitägige Beschickungsausfall
100 6 Einfluss von Beschickungsausfällen
simuliert wurde. Die Anreicherung von Organik im Fermenterinhalt der PA3 (drei Tage
Beschickungsausfall) spricht für eine Hemmung des Abbaus der Substrate.
Abbildung 6-7: Versuchsreihe 2: Entwicklung des oTS-Gehaltes im Fermenterinhalt ab Beginn
der Versuchsreihe (Fehlerbalken: erweiterte Messunsicherheit; PA2: Beschickungsausfall vom 0.
bis 1. Versuchstag, PA3: Beschickungsausfall vom 0. Bis 3. Versuchstag)
Fettsäurespektrum
In Abbildung 6-8 ist die Entwicklung des Fettsäurespektrums am ersten und zweiten
Beschickungstag für den dreitägigen Beschickungsausfall (Versuchsreihe 1) dargestellt. In
diesem Zeitraum waren nur Essig- und Propionsäure nachweisbar. Die Proben zeigen einen
aufgrund der Fütterung bedingten Verlauf. Durch die Zugabe des Substrates steigen die
Fettsäuren zunächst an. Bis zum nächsten Tag sinken diese wieder, da die Anlage nicht mit
neuem Substrat versorgt wird. Nach der Beschickung am vierten Versuchstag (zweiter
Beschickungstag) steigen die Säuren im Tagesverlauf an. Bei dem siebentägigen
Beschickungsausfall ist der Trend gleich. Die Werte liegen allerdings leicht unter denen
des dreitägigen Beschickungsausfalls. Auch um 18:00 Uhr des zweiten Beschickungstages
ist keine Propionsäure nachweisbar. Es konnte kein signifikanter Anstieg der
Konzentration in den ersten Stunden festgestellt werden. Aus diesem Grund werden diese
Analysen in den nachfolgenden Betrachtungen nicht mit dargestellt. Für Tage, an denen
mehrere Proben genommen wurden, wurde die Analyse verwendet, die von der Uhrzeit
6 Einfluss von Beschickungsausfällen 101
dem Probenahmeschema der restlichen Versuchszeit entspricht. Für den Tag, an dem die
Beschickung wieder einsetzt, ist dies die Probe vor der Beschickung an diesem Tag.
Abbildung 6-8: Entwicklung des Fettsäurespektrums nach Wiedereinsetzen der Beschickung für
den dreitägigen Beschickungsausfall (Werte aus Versuchsreihe 1)
In Abbildung 6-9 bis Abbildung 6-12 sind die Fettsäurespektren aus beiden
Versuchsreihen dargestellt. Innerhalb dieser Versuchsreihen konnten nur Essig- und
Propionsäure nachgewiesen werden. Die höherkettigen Fettsäuren lagen unter der
Nachweisgrenze.
Während des dreitägigen Beschickungsausfalls in Versuchsreihe 1 sinkt die
Essigsäurekonzentration. Propionsäure wird in dieser Zeit soweit abgebaut, dass sie vor
dem Wiederbeginn der Beschickung nicht mehr nachweisbar ist. Während des ersten
Beschickungstages steigt die Konzentration an Essigsäure nur leicht. Am dritten
Beschickungstag erreicht die Essigsäurekonzentration mit 1000 mg kg-1
das Maximum. An
diesem Tag ist auch erstmals wieder Propionsäure im nachweisbaren Bereich enthalten.
Während in den nächsten Tagen die Konzentration der Essigsäure kontinuierlich sinkt,
steigt die Propionsäure noch einmal auf ein Maximum von 210 mg kg-1
an. Ab dem 15.
Versuchstag kann davon ausgegangen werden, dass sich der Prozess vollständig erholt hat.
102 6 Einfluss von Beschickungsausfällen
Die Konzentration der Essigsäure ist deutlich auf einem Niveau unterhalb der
Startkonzentration.
Abbildung 6-9: Fettsäurespektrum für den dreitägigen Beschickungsausfall in Versuchsreihe 1
Aufgrund des Nährstoffmangels sinkt im Verlauf des siebentägigen Beschickungsausfalls
(Abbildung 6-10) ebenfalls die Essigsäurekonzentration. Obwohl der Ausfall vier Tage
länger dauert, sinkt der Wert um nur 40 mg kg-1
unter den Wert (170 mg kg-1
) des
dreitägigen Ausfalls. Hier ist festzustellen, dass die maximale Konzentration der Essig-
und Propionsäure bei dem siebentägigen Beschickungsausfall am fünften Beschickungstag
erreicht wird. Damit wird das Maximum in der Essigsäurekonzentration bei dem
siebentägigen Beschickungsausfall einen Tag später erreicht, als bei dem dreitägigen in der
gleichen Versuchsreihe (Versuchsreihe 1). Das Maximum der Propionsäurekonzentration
wird in beiden Fällen am gleichen Tag nach Wiederbeginn der Beschickung gemessen. Bei
dem siebentägigen Beschickungsausfall ist diese ca. um das 1,5fache höher als bei dem
dreitägigen. Dies widerspricht der Erwartung. Bei dem siebentägigen Ausfall wäre
aufgrund der längeren Zeit zum Abbau der vorhandenen Organik im Fermenter mit einem
schnelleren Anstieg zu rechnen gewesen. Im weiteren Verlauf ist, bis auf den 15.
Beschickungstag, bei dem siebentägigen Ausfall keine Propionsäure mehr nachweisbar.
Die Essigsäurekonzentration sinkt bei dem siebentägigen Ausfall innerhalb von vier Tagen
auf ein Niveau, das einem stabilen Prozess entspricht. Damit wird dies bei dem
6 Einfluss von Beschickungsausfällen 103
siebentägigen Ausfall fünf Tage eher als bei dem dreitägigen Ausfall in der gleichen
Versuchsreihe erreicht.
Abbildung 6-10: Fettsäurespektrum für den siebentägigen Beschickungsausfall in Versuchsreihe 1
Um den eintägigen Beschickungsausfall in der zweiten Versuchsreihe einordnen zu
können, wurde an dieser Stelle der dreitägige Ausfall wiederholt. Ein Vergleich von
Abbildung 6-9 und Abbildung 6-11 zeigt einen prinzipiell ähnlichen Verlauf. Die
Anfangskonzentrationen an Essig- und Propionsäure bei Versuchsreihe 2 sind etwas höher
als bei Versuchsreihe 1. Allerdings findet in der beschickungsfreien Zeit ein leicht höherer
Abbau statt (Konzentration am dritten Tag geringer). In der zweiten Versuchsreihe war ein
Anstieg der Propionsäurekonzentration im Vergleich zu Versuchsreihe 1 erst zwei Tage
später festzustellen. Die maximale Konzentration an Propionsäure in Versuchsriehe 2 ist
um über 50% geringer als in Versuchsreihe 1. Insgesamt ist die Entwicklung des
Fettsäurespektrums für die beiden Versuchsreihen leicht verschoben. Obwohl in der
zweiten Versuchsreihe die Säurekonzentration im Fermenterinhalt fällt, ist auch ein Abfall
im Normvolumenstrom zu sehen. Gründe hierfür können eine deutliche Verzögerung in
der Reaktion der Anlage, oder unentdeckte Probleme mit der Messung des
Normvolumenstroms sein.
104 6 Einfluss von Beschickungsausfällen
Abbildung 6-11: Fettsäurespektrum für den dreitägigen Beschickungsausfall in Versuchsreihe 2
Abbildung 6-12: Fettsäurespektrum für den eintägigen Beschickungsausfall in Versuchsreihe 2
6 Einfluss von Beschickungsausfällen 105
In der Analyse des Fettsäurespektrums zeigt der eintägige Beschickungsausfall im
Vergleich zum dreitägigen ein zeitversetztes Verhalten. Nach dem Einsetzen der
Beschickung steigt die Essigsäurekonzentration langsam an, bis sie am sechsten Tag nach
Beginn der Beschickung einen Maximalwert von 820 mg kg-1
erreicht. Dieser liegt nur
knapp unter dem des dreitägigen Beschickungsausfalls (940 mg kg-1
). Danach erholt sich
die Anlage in einem vergleichbaren Zeitraum zum dreitägigen Beschickungsausfall.
6.2.2 Technikumsanlage
Für die Auswertung werden nachfolgende Abkürzungen verwendet:
1TBA: Versuchsreihe mit einem Tag Beschickungsausfall
3TBA: Versuchsreihe mit drei Tagen Beschickungsausfall
7TBA: Versuchsreihe mit sieben Tagen Beschickungsausfall
Normvolumenstrom
Der Vergleich des Gasvolumenstroms zeigt, dass sich die Technikumsanlage nach allen
untersuchten Beschickungsausfällen schnell erholt. Bei 1TBA wird ein stabiler
Normvolumenstrom innerhalb von nur zwei Tagen erreicht. Der Abfall am 15.
Versuchstag kommt durch Probleme mit der automatischen Beschickung zustande. Bei
3TBA steigt der Gasvolumenstrom innerhalb der ersten vier Tage auf den Wert vor dem
Ausfall an, steigt aber in den nächsten Tagen weiter an. Bei 7TBA dauert es drei Tage, bis
ein stabiler Normvolumenstrom erreicht wird.
106 6 Einfluss von Beschickungsausfällen
Abbildung 6-13: Entwicklung des Normvolumenstroms bei den drei untersuchten
Beschickungsausfällen (erster Beschickungstag entspricht bei 1TBA dem 1. Versuchstag, bei
3TBA Versuchstag 3 und bei 7TBA Versuchstag 7)
Gasqualität
Aus den bereits erwähnten Gründen war eine Messung der Gasqualität für 3TBA nicht
möglich. Für 1TBA und 7TBA ist der CH4-Anteil in Abbildung 6-14 dargestellt. Bei
1TBA ist in den ersten zwei Tagen nach Beginn der Beschickung zunächst ein leicht
sinkender CH4-Anteil zu beobachten. Dieser steigt in den darauffolgenden zwei Tagen
wieder an. Bei dem siebentägigen Beschickungsausfall ist bis zum elften Versuchstag
keine Änderung in der CH4-Konzentration feststellbar. In den darauffolgenden drei Tagen
kommt es bei beiden Versuchsreihen zu leichten Schwankungen des CH4-Anteils im
Biogas. Diese liegen allerdings überwiegend im Rahmen der erweiterten Messunsicherheit
(nach Umbau des GC). Der Wiederbeginn der Beschickung hat demnach im Fall der
Technikumsanlage keinen nennenswerten Einfluss auf die CH4-Konzentration im Biogas.
6 Einfluss von Beschickungsausfällen 107
Abbildung 6-14: Verlauf des CH4-Anteils (Tag 0: Start des Beschickungsausfalls)
oTS-Gehalt
Zu Beginn jeder Versuchsreihe unterscheidet sich der oTS-Gehalt des Fermenterinhaltes
um bis zu 1% (absolut). Während der oTS-Gehalt bei 1TBA leicht ansteigt, sinkt er bei
3TBA und 7TBA erwartungsgemäß leicht ab. In der ersten Woche nach dem
Wiedereinsetzen der Beschickung sinkt der oTS-Gehalt bei 1TBA leicht (von 7,39 auf
7,11% FM), allerdings ist die erweiterte Messunsicherheit hier mit ± 2,92% FM hoch. Bei
3TBA und 7TBA verändert sich der Wert dagegen kaum.
Fettsäurespektrum
In Abbildung 6-15 ist das Fettsäurespektrum für 1TBA wiedergegeben. Deutlich ist zu
Beginn der Abbau der Säuren aufgrund des Beschickungsausfalls zu sehen. Direkt darauf
steigen in den darauffolgenden zwei Tagen die Werte für Essig- und Propionsäure. Am
darauffolgenden Versuchstag steigt die Konzentration an Essigsäure auf ihr Maximum,
während Propionsäure sich unterhalb der Nachweisgrenze befindet. Während die
Konzentration an Essigsäure im weiteren Verlauf langsam abnimmt, kommt es bei der
Propionsäure immer wieder zu einem Anstieg. Ab dem 14. Versuchstag pendeln sich die
Konzentrationen auf einem akzeptablen Niveau ein.
108 6 Einfluss von Beschickungsausfällen
Abbildung 6-15: Fettsäurespektrum für 1TBA
Abbildung 6-16: Fettsäurespektrum für 3TBA
Bei dem dreitägigen Ausfall, der in Abbildung 6-16 zu sehen ist, bleibt die
Essigsäurekonzentration insgesamt auf einem sehr niedrigen Niveau von unter
6 Einfluss von Beschickungsausfällen 109
400 mg kg-1
. Wie bei 1TBA ist auch hier der Abbau der Säuren in der beschickungsfreien
Zeit zu erkennen. Der darauffolgende Anstieg der Essigsäurekonzentration erfolgt in einem
für die Stabilität der Anlage unbedenklichen Rahmen. Eine Anreicherung von
Propionsäure kann nicht nachgewiesen werden.
Abbildung 6-17: Fettsäurespektrum für 7TBA
Der längste untersuchte Zeitraum eines Beschickungsausfalls betrug sieben Tage. Die
Analysenergebnisse der Untersuchung des Fettsäurespektrums sind in Abbildung 6-17
dargestellt. Erwartungsgemäß ist der Abbau der Fettsäuren in der beschickungsfreien Zeit
hierbei am höchsten. Analog zum ein- und dreitägigen Ausfall ist daraufhin ein Anstieg der
Essigsäurekonzentration zu beobachten. Während bei 3TBA Propionsäure nur zum
Startpunkt nachzuweisen war, ist bei dem 7TBA nach der Wiederaufnahme der
Beschickung auch ein Anstieg der Propionsäurekonzentration zu beobachten. Das
Maximum in der Propionsäurekonzentration wird, wie bei 1TBA, am sechsten Tag nach
dem Wiedereinsetzen der Beschickung erreicht. Insgesamt sind die Konzentrationen an
Essig- und Propionsäure auf einem sehr niedrigen und unbedenklichen Level.
6.3 Diskussion
Die Ergebnisse der durchgeführten Parameterstudie weisen darauf hin, dass das Anfahren
von BGA unter Volllast nach einem Beschickungsausfall ohne das Auftreten erheblicher
110 6 Einfluss von Beschickungsausfällen
Instabilitäten möglich ist. Im Fettsäurespektrum zeigt sich bei allen Versuchen ein
ähnlicher, leicht zeitlich versetzter Verlauf (vgl. Tabelle 6-3). In der Zeit des
Beschickungsausfalls sinken die noch im Fermenterinhalt vorhandenen Fettsäuren,
aufgrund des Mangels an frischen Substraten. Mit dem Einsetzen der Beschickung kommt
es zu einer Erhöhung der Säurekonzentrationen, bis der jeweilige Maximalwert erreicht ist.
Tabelle 6-3 gibt eine Übersicht, wie lange es jeweils gedauert hat, bis die maximale
Essigsäurekonzentration erreicht worden ist. Bei der Technikumsanlage muss bemerkt
werden, dass für 1TBA zwei Tage nach Erreichen der maximalen Essigsäurekonzentration
die maximale Propionsäurekonzentration zu verzeichnen ist. Zudem liegen bei der
Technikumsanlage, im Gegensatz zu den Parallelanlagen, die maximalen Werte der
Essigsäurekonzentration kaum über dem Wert zu Versuchsbeginn. Bei den Parallelanlagen
sind die Konzentrationen an Essig- und Propionsäure beim drei- und siebentägigen
Beschickungsausfall fast doppelt so hoch. Grund für den Unterschied zwischen den
Parallelanlagen und der Technikumsanlage sind die gewählten Beschickungsintervalle.
Während die Parallelanlagen nur einmal täglich beschickt werden können, erfolgt an der
Technikumsanlage eine kontinuierliche Beschickung in stündlichen Intervallen.
Tabelle 6-3: Dauer bis zum Erreichen der maximalen Essigsäurekonzentration nach
Wiedereinsetzen der Beschickung
Parallelanlagen Technikumsanlage
1TBA 7 Tage 5 Tage
3TBA 3/5 Tage (von VR abhängig) 9 Tage
7TBA 5 Tage 5 Tage
In den Versuchsreihen wurden nur Essig- und Propionsäure nachgewiesen. Alle höheren
Fettsäuren lagen stets unter der Nachweisgrenze von 50 mg kg-1
. Diesen Trend zeigt auch
der eintägige Beschickungsausfall an der Technikumsanlage. Hierbei ist der Maximalwert
höher, als bei dem drei- und siebentägigen Beschickungsausfall an der gleichen Anlage.
Allerdings ist hier auch der Startwert zu Beginn des Beschickungsausfalls höher als bei
3TBA und 7TBA. Aufgrund des deutlich kürzeren Ausfalls und der Ergebnisse, die an den
Parallelanlagen gewonnen wurden, wäre ein niedrigerer Wert zu erwarten gewesen.
Im normalen Betrieb ist bei den Parallelanlagen direkt nach der Fütterung ein deutlicher
Anstieg in der Gasproduktion zu beobachten (vgl. Abbildung 5-4). In dem Maße ist dies
bei den Fettsäuren (Abbildung 6-8) nicht zu identifizieren. Wie beispielhaft in Abbildung
6-9 zu erkennen ist, erfolgt die Reaktion auf das Wiedereinsetzen der Beschickung erst
6 Einfluss von Beschickungsausfällen 111
einige Tage später. Mit einer Reaktion (auf die Stabilität des Abbauprozesses) auf das
Wiedereinsetzen der Beschickung muss demnach nicht nur am ersten Tag gerechnet
werden, sondern diese kann auch bis zu einer Woche versetzt auftreten.
Wie der direkte Vergleich der Säurekonzentrationen und der Gasproduktion zwischen dem
dreitägigen Beschickungsausfall an den Parallelanlagen zeigt, hängt das Verhalten neben
der Beschickungsart auch vom Impfmaterial ab. Obwohl bei beiden Versuchsreihen
gleiche Versuchsbedingungen gegeben waren, weicht das Verhalten deutlich voneinander
ab.
112
7 Anfahrstrategien
Um BGA nach einem Beschickungsausfall möglichst schnell und sicher wieder mit
Volllast zu betreiben, können unterschiedliche Anfahrstrategien verfolgt werden. Ebenso
wie bei großtechnischen BGA kann eine geeignete Anfahrstrategie im Labor dazu dienen,
schneller einen stabilen Zustand zu erreichen. So könnte mit einer entsprechenden
Anfahrstrategie ein Anstieg der Fettsäuren, wie er in der zweiten Versuchsreihe zur
Übertragbarkeit festgestellt worden ist, verhindert werden.
In der Literatur sind Untersuchungen zu Anfahrstrategien nach einem Beschickungsausfall
kaum veröffentlicht. Es gibt einige Studien zum erstmaligen Anfahren einer Biogasanlage
(z.B. von Zeeman et al. 1988, Schoen et al. 2008, Fang et al. 1994, Holubar et al. 2003,
Alrawi et al. 2010). Diese können als Anregung für mögliche Anfahrstrategien dienen,
allerdings sind die Ausgangsvoraussetzungen deutlich andere. In vielen der Versuche muss
sich zuerst eine Biozönose entwickeln. In der Studie von Cecchi et al. 1993 musste eine
thermophil betriebene BGA aus technischen Gründen geleert werden. Der Fermenterinhalt
wurde bei Umgebungsbedingungen gelagert. Für das Wiederanfahren wurde ein Teil des
Fermenterinhaltes mit Wasser verdünnt und zunächst auf die Betriebstemperatur von 55°C
gebracht. Damit sich die Mikroorganismen an die neuen Bedingungen anpassen konnten,
erfolgte über sieben Tage keine Beschickung. In der darauffolgenden Phase wurde die
Raumbelastung schrittweise erhöht Mit dem Beginn der Beschickung stieg die
Gasproduktion an. Cecchi et al. 1993 nehmen anhand der von ihnen verwendeten
Parameter einen Anstieg des H2-Gehaltes an, womit eine Hemmung einhergeht. Nach 28
Tagen konnte von einem stationären Prozess ausgegangen werden.
Aufgrund fehlender (veröffentlichter) Studien und dem Bedarf an Anfahrstrategien sowohl
für Labor- als auch großtechnische Anlagen wurden vier verschiedene Strategien zum
Anfahren von BGA entwickelt und in zwei Versuchsreihen an den Parallelanlagen getestet.
Diese wurden aus zwei Gründen ausgewählt:
1. Ein direkter Vergleich zu einer Referenz ist möglich.
2. Untersuchungen von Beschickungsausfällen haben gezeigt, dass die Parallelanlagen
stärker auf den Wiedereinsatz einer direkten Volllast-Beschickung reagieren als die
Technikumsanlage. Sind die Anfahrstrategien an den Parallelanlagen erfolgreich,
kann davon ausgegangen werden, dass sie auch an der Technikumsanlage
erfolgreich sind. Eine Überprüfung sollte aber in weiteren Studien erfolgen.
7.1 Versuchsdurchführung und Planung
In beiden Versuchsreihen werden nach einem siebentägigen Beschickungsausfall jeweils
zwei Anfahrstrategien auf ihre Wirksamkeit untersucht. Die dritte Anlage wird als
Referenz verwendet und wird ohne Anfahrstrategie direkt wieder in den Volllastbetrieb
7 Anfahrstrategien 113
überführt. Ziel ist dabei die Erreichung des Volllastbetriebes in einer möglichst kurzen
Zeit. Hierbei sollten keine Prozessinstabilitäten wie die Anreicherung von Fettsäuren
auftreten. Unter Volllast wird dabei eine Gasproduktion in Höhe derjenigen vor dem
Beschickungsausfall und eine Raumbelastung von ca. 2,3 kgoTSm-3
d-1
verstanden. Die
Raumbelastung wurde bewusst niedriger gewählt, als sie in großtechnischen Anlagen
üblich ist. Bei den Untersuchungen von Rührintervallen hat sich diese Raumbelastung für
nur einmal täglich beschickte Anlagen als geeignet erwiesen. Aufgrund des
Beschickungsintervalls von einmal täglich wirkt sich eine erhöhte Raumbelastung deutlich
stärker aus. Die Dauer bis zum Erreichen der Volllastraumbelastung wird auf neun Tage
festgelegt. In der Literatur finden sich Angaben zwischen drei [García-Diéguez et al.
2010] und 28 [Cecchi et al. 1993] Tagen für ein kontrolliertes Wiederanfahren.
Durchschnittlich dauern Anfahrperioden sieben bis 15 Tage [García-Diéguez et al. 2010].
García-Diéguez et al. 2010 arbeiteten mit einem sogenannten USBF (Upflow Sludge Bed
Filter), einem USAB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket) und einem anaeroben Filter. Als
Substrat wurde ein synthetisch hergestelltes, Ethanol enthaltendes Abwasser verwendet. Es
ist zu erwarten, dass diese Ergebnisse nicht direkt auf BGA mit NawaRo als Substrat
übertragen werden können.
Die grundlegende Versuchsdurchführung entsprach der in Kapitel 1 für die
Beschickungsausfälle beschriebenen. Die Temperatur lag bei 37,5°C bis 40°C, wobei keine
sprunghaften Änderungen auftraten. Wie bei den Beschickungsausfällen erfolgte hier eine
tägliche Beschickung, regelmäßige Probennahmen für TS- und oTS-Gehalt, sowie für die
Analyse des Fettsäurespektrums. Die Versuchspläne können Anhang A-11 entnommen
werden. Neben der Erfassung des Normvolumenstroms konnte bei den beiden
Versuchsreihen auch die Gasqualität bestimmt werden. Bei Versuchsreihe 1 war dies
aufgrund eines technischen Defektes erst ab dem 13ten Versuchstag möglich. Die Dauer
der Versuche richtete sich nach dem Betriebsverhalten der Anlagen; entweder bis alle
Anlagen in einen stabilen Prozesszustand überführt wurden oder bis sie deutliche
Instabilitäten aufwiesen.
Versuchsreihe 1
Anfahrstrategie 1: Schrittweises Erhöhen der Raumbelastung
Bakterien der anaeroben Fermentation sind in der Lage, sich neuen Lebensbedingungen
anzupassen, solange diese langsam herbeigeführt werden. Dies führt zu dem Schluss, dass
eine schrittweise Erhöhung der Raumbelastung für die Bakterien einer Anlage besser
verträglich ist [Schoen et al. 2008, Yacob et al. 2006]. Zu Beginn sollte die Steigerung der
Raumbelastung langsam erfolgen. Gegen Ende sind größere Schritte möglich [Angelidaki
et al. 2006, Fang et al. 1994]. Das Massenverhältnis der eingesetzten Substrate (Maissilage
114 7 Anfahrstrategien
zu Rindergülle) soll dabei konstant belassen werden. Aus diesen Überlegungen ergibt sich
mit durchschnittlichen Werten für den oTS-Gehalt von Maissilage und Rindergülle, sowie
der Annahme eines gleichbleibenden Füllstandes, der in Tabelle 7-1 aufgeführte
Versuchsplan.
Tabelle 7-1: Überblick über die Steigerung der Raumbelastung (RB) und der sich daraus
ergebenden Frischmassen (FM) an Maissilage (MS) und Rindergülle (RG)
Tag nach
Wiedereinsatz
der
Beschickung
Relative RB zur
Volllast
RB
mFM,MS mFM,RG
[-] [kgoTSm-3
d-1
] [g d-1
] [g d-1
]
1 0,38 0,87 49 15
2 0,40 0,91 52 16
3 0,44 1,00 57 18
4 0,50 1,14 65 20
5 0,56 1,28 73 22
6 0,64 1,46 83 26
7 0,74 1,69 96 30
8 0,86 1,96 112 34
9 1,00 2,28 130 40
Anfahrstrategie 2: Veränderung des Substratmix
Rindergülle wirkt sich aufgrund ihrer Puffereigenschaft positiv auf die Stabilität des
Biogasbildungsprozesses aus [Fachagentur Nachwachsende Rohrstoffe e.V. 2010]. Zudem
enthält Rindergülle Bakterien aus dem Verdauungssystem der Tiere, die zusätzlich eine
Hemmung verhindern können [Schoen et al. 2008]. Desweiteren weist Rindergülle einen
im Vergleich zu Maissilage geringen TS/oTS-Gehalt auf, wodurch sie schneller und
einfacher abgebaut werden kann.
Bei Anfahrstrategie 2 wird daher die Raumbelastung konstant gehalten, während sich das
Verhältnis von Maissilage zu Rindergülle verändert. Entsprechend der ersten
7 Anfahrstrategien 115
Anfahrstrategie erfolgt die Änderung exponentiell. Die genauen Angaben finden sich in
Tabelle 7-2.
Tabelle 7-2: Überblick über die Veränderung des Verhältnisses der Frischmasse (FM) an
Maissilage (MS) zu Rindergülle (RG) und die sich ergebende Beschickung
wMS: Massenanteil MS an der Beschickungsmenge
Versuchsreihe 2
Anfahrstrategie 3: Anfahren mit Rührintervallen
Wie bereits in der Parameterstudie zu Rührintervallen (vgl. Kapitel 1) gezeigt werden
konnte, können unterschiedliche Rührintervalle einen positiven Einfluss auf den
Biogasbildungsprozess haben. Dies haben auch Vavilin et al. 2005 herausgefunden.
Studien von Stroot et al. 2001 zeigen einen großen Einfluss von Rührintervallen auf die
Prozessstabilität. Anlagen, die Instabilitäten aufweisen, erholen sich unter Rührintervallen
schneller. Auch konnte ein positiver Effekt beim Anfahren von Anlagen nachgewiesen
werden. Diese wurden stabil angefahren, während kontinuierlich gerührte Anlagen eine
hohe Konzentration an kurz- und langkettigen Fettsäuren aufwiesen. Karim et al. 2005
fanden bei ihren Untersuchungen zur Durchmischung zudem heraus, dass bei einem hohen
Tag nach
Wiedereinsatz
der
Beschickung
wMS
Relative
mFM,MS zur
Volllast
mFM,MS mFM,RG
[-] [-] [gd-1
] [gd-1
]
1 0,29 0,77 100 246
2 0,30 0,78 102 233
3 0,33 0,81 105 210
4 0,38 0,85 110 179
5 0,43 0,87 113 153
6 0,49 0,91 118 124
7 0,56 0,94 122 95
8 0,65 0,97 126 67
9 0,76 1,00 130 40
116 7 Anfahrstrategien
TS-Gehalt im Substrat die Anfahrphase bei nicht gerührten Anlagen deutlich schneller
beendet werden kann, als bei kontinuierlich gerührten Anlagen.
Aus diesen Gründen wird für die dritte Anfahrstrategie eine diskontinuierliche
Durchmischung gewählt. Das Intervall wird wie folgt festgelegt: 10 min rühren, 50 min
Stillstand des Rührwerkes.
Anfahrstrategie 4: Drosseln der Rührwerkdrehzahl
Neben der Anwendung von Rührintervallen zur Senkung der Rührintensität stellt die
Regelung der Drehzahl eine weitere Möglichkeit zur Reduktion der Rührintensität dar.
Hohe Drehzahlen und damit eine intensive Durchmischung können einen negativen
Einfluss auf den Prozess haben. Hierdurch können sich die Lebensgemeinschaften der
Bakterien nicht ausreichend bilden. Eine Reduzierung der Drehzahl um die Hälfte kann
eine Erhöhung der Biogasproduktion zur Folge haben [Ong et al. 2002]. Gomez et al. 2006
konnten zudem eine Begünstigung der Prozessstabilität bei gedrosselter Drehzahl
feststellen. Kaparaju et al. 2008 haben darüber hinaus einen besseren Abbau an Fettsäuren
bei niedriger Drehzahl feststellen können.
Für die letzte Anfahrstrategie ist daher eine um die Hälfte reduzierte Drehzahl (von
160 min-1
auf 80 min-1
) vorgesehen. Eine noch niedrigere Drehzahl wurde nicht gewählt,
da ein Absetzen von Partikeln vermieden werden soll.
7.2 Ergebnisse
Wie bei den vorangegangenen Versuchsreihen wird der gemessene Normvolumenstrom
um die Gasverluste bei den GC-Probenahmen korrigiert. Bei der Auswertung werden die
Versuchsreihen in drei Phasen eingeteilt:
1. Zeitraum des Beschickungsausfalls
2. Dauer der Anfahrstrategie
3. Entwicklung nach Beendigung der Anfahrstrategie
Für die Vorstellung der Ergebnisse werden folgende Abkürzungen verwendet:
AS1, AS2, AS3, AS4: Anlage mit der Anfahrstrategie 1-4
Ref1: Referenzanlage in Versuchsreihe 1
Ref2: Referenzanlage in Versuchsreihe 2
7 Anfahrstrategien 117
7.2.1 Versuchsreihe 1
Normvolumenstrom
Um den Erfolg der Anfahrstrategien zu beurteilen, ist eine Betrachtung des produzierten
Normvolumenstroms zur Referenz erforderlich. Der Verlauf des Normvolumenstroms über
der Versuchsdauer ist in Abbildung 7-1 dargestellt. Wie anhand vorheriger Versuche zu
erwarten war, verhalten sich alle Anlagen während der Zeit des Beschickungsausfalls
annähernd kongruent. In diesem Zeitraum bleiben die relativen Abweichungen (vgl.
Abbildung 7-2) im Rahmen der Reproduzierbarkeit.
Abbildung 7-1: Normvolumenstrom über der Versuchsdauer
Mit Beginn der Beschickung steigt bei allen Anlagen der Normvolumenstrom an. Dabei
steigt der Normvolumenstrom von Ref1 innerhalb von zwei Tagen auf einen Wert, auf
dessen Niveau er bis zum Ende der zweiten Phase bleibt. Damit steigt er deutlich schneller,
als der von AS1 und AS2 (erkennbar an der negativen Abweichung, Abbildung 7-2). Für
AS1 war dies zu erwarten, da hier die Raumbelastung exponentiell gesteigert wurde.
Obwohl die Raumbelastung bei AS2 der der Ref1 entspricht, fällt der produzierte
Normvolumenstrom deutlich geringer aus. In Bezug auf den Normvolumenstrom verhalten
sich AS1 und AS2 während der zweiten Phase analog. Zum Ende der zweiten Phase
weisen beide Anlagen unter Anfahrstrategie die gleiche, negative Abweichung zu Ref1
auf.
118 7 Anfahrstrategien
Abbildung 7-2: Relative Abweichung des Normvolumenstroms zu Ref1
In der dritten Versuchsphase nähert sich AS2 immer weiter Ref1 an. Auch die
Gasproduktion von AS1 steigt, bis sie am 24. Versuchstag der von AS2 entspricht. Hierauf
fällt der Normvolumenstrom bei allen Anlagen ab. Bei AS1 ist dieser Abfall, relativ
gesehen, deutlich stärker ausgeprägt als bei den anderen Anlagen. Gegen Ende der
Versuchszeit erholt sich aber auch diese Anlage.
Gasqualität
Da es nicht möglich war die Gasqualität in den ersten zwölf Versuchstagen zu bestimmen,
kann keine Aussage darüber getroffen werden, ob sich die Zusammensetzung des Biogases
verschoben hat. Die Befüllung der Anlagen fand zu Versuchsbeginn wie bei den anderen
Versuchsreihen mit Fermenterinhalt der BGA Neurath statt. Diese Anlage läuft über einen
langen Zeitraum sehr stabil. Durch die aus früheren Versuchen bekannten Werte ist
anzunehmen, dass der CH4-Anteil vom Startpunkt bis zum 13. Versuchstag um 15-20%
gefallen ist. Der Verlauf in Abbildung 7-3 zeigt, dass mit dem Beginn von Phase 3 Ref1
und AS2 einen ähnlichen Verlauf haben und ihr CH4-Anteil im gleichen Bereich liegt. Die
Werte von AS1 liegen darunter. Erst am 23. Versuchstag erreichen alle drei Anlagen
erstmals wieder den gleichen CH4-Anteil. Die Abweichungen im CH4-Anteil von AS1 und
AS2 zu Ref1 liegen dabei überwiegend außerhalb der erweiterten Messunsicherheit (nach
Umbau).
7 Anfahrstrategien 119
Abbildung 7-3: CH4-Anteil ab dem 13ten Versuchstag
oTS-Gehalt
Aufgrund der unterschiedlichen Beschickung nach Versuchsbeginn ist mit einer
abweichenden Entwicklung des oTS-Gehaltes im Fermenterinhalt zu rechnen. In
Abbildung 7-4 ist der Verlauf graphisch dargestellt. Auffällig ist die hohe
Messunsicherheit bei AS1 am siebten Versuchstag. Bei der Dreifachbestimmung des
Wertes wichen alle Proben stark voneinander ab, so dass kein Ausreißer bestimmt und
ausgeschlossen werden konnte.
Der einwöchige Beschickungsausfall führt bei allen Anlagen zu einer Reduktion der
Organik im Fermenterinhalt. Bei Ref1 (mit direkter Volllast Beschickung) steigt direkt in
der darauffolgenden Woche der oTS-Gehalt im Fermenterinhalt über den Startwert. Die
Werte von AS1 und AS2 verändern sich in diesem Zeitraum kaum. Bei AS1 ist dies durch
die niedrige Raumbelastung zu Beginn der Fall; bei AS2 aufgrund des hohen Gülleanteils
im Substrat, der mit einem oTS-Gehalt von 4,69% FM ± 0,18% FM unterhalb des Wertes
des Fermenterinhaltes liegt.
120 7 Anfahrstrategien
Abbildung 7-4: oTS-Gehalt über der Versuchsdauer (Fehlerbalken entsprechen der erweiterten
Messunsicherheit)
In der dritten Versuchswoche fällt der oTS-Gehalt in Ref1 leicht, während der in AS1 und
AS2 ansteigt. In dieser Woche wird die Volllast-Raumbelastung in den Anlagen mit
Anfahrstrategie erreicht. Am Ende der Versuchsreihe liegt der oTS-Gehalt in allen
Anlagen im Bereich des Startwertes.
Fettsäurespektrum
In der ersten Versuchsreihe zeigt sich (vgl. Abbildung 7-5 bis Abbildung 7-7) für alle drei
Anlagen vom Trend her eine übereinstimmende Entwicklung für Essig- und Propionsäure.
Der Wert für den Essigsäuregehalt am siebten Versuchstag variiert nur gering für die drei
Anlagen. Dabei weist Ref1 mit 200 mg kg-1
im Vergleich zu 210 mg kg-1
(AS2) und
240 mg kg-1
(AS1) den geringsten Wert auf. Bei Ref1 steigt der Wert für die
Essigsäurekonzentration ab dem zweiten Tag nach Beginn der Beschickung deutlich an. Er
erreicht am 17. Versuchstag das Maximum mit 4400 mg kg-1
. Mit dem Anstieg der
Essigsäurekonzentration geht auch ein Anstieg der Propionsäurekonzentration einher. Das
Maximum in der Propionsäurekonzentration wird am 20. Versuchstag (vgl. Abbildung 7-5)
erreicht. Ab dem 26. Versuchstag befinden sich beide Säuren in einem üblichen Bereich,
wie er auch zu Versuchsbeginn vorlag.
7 Anfahrstrategien 121
Abbildung 7-5: Entwicklung des Fettsäurespektrums der Ref1 über der Versuchsdauer
Bei AS1 beginnt im Vergleich zu Ref1 der Anstieg der Essig- und
Propionsäurekonzentration um drei Tage verschoben. Dadurch wird auch der maximale
Wert später (am 20. Versuchstag, vgl. Abbildung 7-6) erreicht. Wie bei Ref1 wird am 26.
Versuchstag bereits ein niedriger Wert erreicht, ab dem 29. Versuchstag sind die
Konzentrationen unterhalb derer zu Versuchsbeginn.
Bis zum 20. Versuchstag verhalten sich Essig- und Propionsäure bei AS2 wie bei Ref1.
Am 23. Versuchstag ist die Essigsäurekonzentration bei beiden Anlagen erhöht (vgl.
Abbildung 7-5 und Abbildung 7-7). Der maximale Wert der Essigsäurekonzentration ist
bei AS2 mit 3700 mg kg-1
geringer als bei Ref1 (4400 mg kg-1
) und AS1 (4300 mg kg-1
).
Ab dem 26. Versuchstag sind auch bei AS2 die Werte wieder in einem stabilen Bereich.
Damit zeigt AS2 insgesamt ein besseres Verhalten, als Ref1 und AS1.
122 7 Anfahrstrategien
Abbildung 7-6: Entwicklung des Fettsäurespektrums der AS1 über der Versuchsdauer
Abbildung 7-7: Entwicklung des Fettsäurespektrums der AS2 über der Versuchsdauer
Besonders hervorzuheben ist bei dieser Versuchsreihe die Anreicherung von höherkettigen
Fettsäuren. Neben Essig- und Propionsäure werden im Verlauf der Versuchsreihe auch n-
7 Anfahrstrategien 123
Buttersäure, iso-Buttersäure und iso-Valeriansäure nachgewiesen. Valerian- und
Capronsäure konnte bei keiner Anlage nachgewiesen werden. Vor allem bei der Ref1
kommen beide Formen der Buttersäure sowie iso-Valeriansäure vor, was auf eine
Prozessstörung hindeutet. Iso-Buttersäure ist ab dem 13. Versuchstag nachzuweisen, n-
Buttersäure ab dem 15. Versuchstag. Während die n-Buttersäure innerhalb von maximal
sechs Tagen abgebaut wird, benötigt der Abbau der iso-Buttersäure 14 Tage. Die iso-
Valeriansäure zeigt bei dieser Anlage ein zu iso-Buttersäure analoges Verhalten. Dabei
liegen die Werte für die iso-Valeriansäure stets höher als für die jeweilige Form der
Buttersäure.
n- und iso-Buttersäure treten bei AS 1 später auf als bei Ref1. n-Buttersäure ist nur am
20. Versuchstag im nachweisbaren Bereich; iso-Buttersäure nur vom 20. bis zum 23.
Versuchstag. Bei dieser Anlage reichert sich Buttersäure in einem deutlich kürzeren
Zeitraum an, was auf eine etwas bessere Stabilität hindeutet. Auch iso-Valeriansäure tritt
bei AS1 später auf als bei Ref1; allerdings drei Tage vor n- und iso-Buttersäure. Die iso-
Valeriansäure fällt bei dieser Anlage erst am 29. Versuchstag unter die Nachweisgrenze.
Bei AS2 tritt n-Buttersäure überhaupt nicht auf. iso-Buttersäure ist vom 15. bis zum 20.
Versuchstag zu erfassen. Ebenso wie bei AS1 reichert sich hier iso-Valeriansäure vor den
anderen höherkettigen Fettsäuren an und benötigt länger um vollständig abgebaut zu
werden. Insgesamt sind die Konzentrationen der einzelnen Fettsäuren bei AS2 geringer als
bei Ref1. Dies deutet auf eine höhere Stabilität der Anlage gegenüber Ref1 hin.
7.2.2 Versuchsreihe 2
Normvolumenstrom
In der ersten Versuchswoche kam es zu einer zunächst unentdeckten Leckage am
Gasbeutel der Ref1. Aus diesem Grund werden die Werte des Normvolumenstroms für
Ref1 vom zweiten bis zum siebten Versuchstag nicht betrachtet. In Abbildung 7-1 ist der
Abfall des Normvolumenstroms aufgrund des Beschickungsausfalls zu sehen. AS3 und
AS4 stimmen gut überein, weswegen davon ausgegangen werden kann, dass sich Ref2 in
diesem Zeitraum analog verhält. In Abbildung 7-9 ist zu sehen, dass die relative
Abweichung im Normvolumenstrom zwischen der AS3/AS4 und der Ref2 bei über 25%
liegt. Hier ist auch davon auszugehen, dass bereits eine Leckagestelle am Gasbeutel vorlag.
Nach dem Wiedereinsetzen der Beschickung steigt der Normvolumenstrom bei allen
Anlagen schnell an und erreicht am 15. Versuchstag das Niveau des Versuchsstarts. Dabei
produzieren beide Anlagen mit Anfahrstrategie mehr Gas als Ref2. Die Abweichungen
liegen hier in einem Bereich von bis zu + 25%. Bis zum zwölften Versuchstag liegen die
Abweichungen außerhalb der Reproduzierbarkeit.
124 7 Anfahrstrategien
In den darauffolgenden Tagen sinkt die Gasproduktion bei allen Anlagen leicht und die
Abweichungen bleiben im Rahmen der Reproduzierbarkeit. Ab dem 20. Versuchstag sind
deutliche Schwankungen in der Gasproduktion von Ref2 und AS4 zu beobachten. Dies
äußert sich auch in steigenden Abweichungen der AS3/AS4 zu Ref2.
Abbildung 7-8: Normvolumenstrom über der Versuchsdauer
Abbildung 7-9: Relative Abweichung im Normvolumenstrom von AS3 und AS4 zu Ref2
7 Anfahrstrategien 125
Gasqualität
Zu Beginn der ersten Phase liegt der Methangehalt im Biogas bei ca. 50%. Innerhalb eines
Tages steigt er bei allen Anlagen auf einen Wert knapp unter 60%. Wie in Abbildung 7-10
zu sehen ist, fällt der CH4-Anteil im Biogas nach dem Wiedereinsetzen der Beschickung
bei allen Anlagen innerhalb von drei Tagen stark ab. Dies ist ein Hinweis auf Hemmungen
im Biogasbildungsprozesses.
Abbildung 7-10: CH4-Gehalt über den Versuchszeitraum
Ab dem neunten Versuchstag steigt die CH4-Konzentration im Biogas langsam wieder an.
Auffällig hierbei ist der leicht höhere Wert von Ref2. Ab dem 20. Versuchstag pendelt sich
der CH4-Gehalt zwischen 52% und 56% ein. Die CH4-Konzentration von Ref2 liegt auch
wieder im Bereich der Werte von AS3 und AS4. Die Abweichungen befinden sich im
Rahmen der erweiterten Messunsicherheit (nach Umbau des GC).
oTS-Gehalt
Wie zu erwarten war, sinkt der oTS-Gehalt im Fermenterinhalt aller Anlagen während des
Beschickungsausfalls. Bei Ref2 und AS4 steigt innerhalb der ersten Woche nach
Wiederaufnahme der Beschickung der oTS-Gehalt nahezu auf den Wert zu Versuchsbegin.
Dieser Anstieg deutet darauf hin, dass das zugeführte Substrat nicht vollständig umgesetzt
werden kann. Der Anstieg bei AS3 erfolgt langsamer. In der darauffolgenden Woche
verbleibt der Gehalt an Organik im Fermenterinhalt bei Ref2 und AS3 nahezu gleich,
während er bei AS4 leicht abnimmt. Am Ende der Versuchsreihe erreichen alle Anlagen
126 7 Anfahrstrategien
wieder das gleiche Niveau. Der Verlauf deutet darauf hin, dass das Substrat in AS3 bei
Wiederaufnahme der Beschickung am besten umgesetzt werden kann.
Abbildung 7-11: oTS-Gehalt über der Versuchsdauer (Fehlerbalken entsprechen der erweiterten
Messunsicherheit)
Fettsäurespektrum
Eine grafische Veranschaulichung der Entwicklung des Fettsäurespektrums findet sich in
den Abbildungen 7-12 bis 7-14. Die Ausgangskonzentration an Essigsäure beträgt
390 mg kg-1
. Höhere Fettsäuren sind zum Versuchsbeginn nicht nachgewiesen worden. Die
Betrachtung des Fettsäurespektrums aller Anlagen über den gesamten Zeitraum zeigt, dass
in den beiden Anlagen mit Anfahrstrategie nur Essig- und Propionsäure nachweisbar
waren, während bei der Referenzanlage auch iso-Valeriansäure nachgewiesen werden
konnte. Ebenso ist zu bemerken, dass die maximale Konzentration an Essig- und
Propionsäure bei Ref2 deutlich über den Werten von AS3 und AS4 liegt.
Ref2 erreicht am elften Versuchstag die maximale Konzentration an Essigsäure
(2100 mg kg-1
) und hält diese über die folgenden zwei Tage. Daraufhin beginnt der Abbau
der Essigsäure. Die Propionsäure steigt aber in diesem Zeitraum noch an zwei weiteren
Tagen (bis zum fünfzehnten Versuchstag) an und beginnt erst dann wieder zu sinken. Vom
13. bis zum 15. Versuchstag ist neben Essigsäure und Propionsäure auch iso-Valeriansäure
7 Anfahrstrategien 127
nachzuweisen, was deutlich auf eine Instabilität im Prozess hindeutet. Ein stabiler Zustand
der Anlage ist erst am 20. Versuchstag erreicht.
Abbildung 7-12: Entwicklung des Fettsäurespektrums der Ref2 über der Versuchsdauer
Wie bei Ref2 erreichen AS3 und AS4 am elften Versuchstag den maximalen Wert für die
Essigsäurekonzentration, wo auch die maximale Propionsäurekonzentration erreicht wird.
Hierbei ist hervorzuheben, dass bei AS3 der Maximalwert von Propionsäure (360 mg kg-1
)
um die Hälfte geringer ist, als bei Ref2. Dies deutet auf eine sehr geringe Hemmung
während der Acetogenese hin. Die geringe Konzentration an Essigsäure bei beiden
Anlagen ist zudem ein Hinweis auf eine besser funktionierende Methanogenese im
Vergleich zu Ref2. Beide Anlagen unter Anfahrstrategie erreichen einen stabilen Zustand
am 17. Versuchstag und damit drei Tage vor der Referenz (Essigsäurekonzentrationen
< 600 mg kg-1
).
128 7 Anfahrstrategien
Abbildung 7-13 Entwicklung des Fettsäurespektrums der AS3 über der Versuchsdauer
Abbildung 7-14: Entwicklung des Fettsäurespektrums der AS4 über der Versuchsdauer
7 Anfahrstrategien 129
7.3 Diskussion
Die in der ersten Versuchsreihe getesteten Anfahrstrategien haben zu keiner deutlichen
Verbesserung des Anfahrverhaltens geführt. Sowohl bei AS1 als auch bei AS2 war vor
allem am Anfang der produzierte Biogasvolumenstrom erheblich geringer als bei Ref1. Bei
AS1 war dies aufgrund der zunächst niedrigeren Raumbelastung zu erwarten gewesen.
AS2 hatte von Beginn an die gleiche Raumbelastung wie Ref1, produzierte aber dennoch
weniger Gas, was auf eine schlechte Umsetzung des zugeführten Substrates hindeutet. In
der Gasqualität waren keine Auswirkungen zu beobachten. Das Fettsäurespektrum
entwickelt sich in allen Anlagen ähnlich. Dabei zeigt AS2 leichte Vorteile gegenüber Ref1
und AS1. Trotz des Anstiegs der Essig- und Propionsäurekonzentration steigt bei allen drei
Anlagen nach dem Wiedereinsetzten der Beschickung die Gasproduktion an, allerdings ist
anzunehmen, dass der CH4-Gehalt um 15 bis 20% abgenommen hat. Der Abfall der CH4-
Konzentration in Verbindung mit der Anreicherung von Essigsäure spricht für eine
Hemmung der Methanogenese. Der Anstieg in der Propionsäurekonzentration fällt mit der
Essigsäurekonzentration zusammen, die von Wang et al. 1999 als hemmend für den
Propionsäureabbau genannt wird. Gegen Ende der Versuchsreihe liegen bei allen drei
Anlagen nur noch Essig- und Propionsäure in niedrigen Konzentrationen (unter
500 mg kg-1
) vor.
AS3 und AS4, die in Versuchsreihe 2 untersucht worden sind, zeigen ein anderes Bild. Bei
diesen Anfahrstrategien ist der Anstieg von Essigsäure geringer ausgefallen. Der
Maximalwert der Propionsäurekonzentration war im Vergleich zu Ref2 ca. 50% niedriger.
Von den höherkettigen Fettsäuren konnte nur bei Ref2 iso-Valeriansäure nachgewiesen
werden, bei den beiden anderen Anlagen trat diese nicht auf. Die Anfahrstrategien hatten
zunächst auch einen positiven Einfluss auf die produzierte Gasmenge, wobei Ref2 sich
innerhalb weniger Tage dem gleichen Niveau angenähert hat. Die Analyse der
Biogasqualität gibt dagegen keinen Hinweis auf einen Erfolg der Anfahrstrategien.
Insgesamt kann festgehalten werden, dass sich aufgrund der geringeren
Mischungsintensität bei AS3 und AS4 Agglomerate besser bilden können bzw. nicht
zerstört werden. Die Mikroorganismen können dadurch besser wechselwirken. Es kommt
zu einer besseren und schnelleren Verwertung der einzelnen Zwischenprodukte des
Biogasbildungsprozesses. Dafür sprechen auch die Ergebnisse von Lübken et al. 2007a wo
eine räumliche Nähe zwischen methanogenen und hydrolytischen Bakterien zu einer
erhöhten Aktivität der methanogenen Bakterien führt. Bei dieser Versuchsreihe haben die
Anlagen mit Anfahrstrategie eher einen stabilen Betriebspunkt erreichen können.
Beide Versuchsreihen wurden unter nahezu denselben Voraussetzungen durchgeführt;
dennoch ist ein deutlicher Unterschied zu beobachten. Die Raumbelastung in Ref1 und
Ref2 war fast gleich. In der ersten Versuchsreihe betrug diese zwischen dem achten und
29. Versuchstag 2,60 kgoTSm-3
d-1
und in der zweiten Versuchsreihe 2,54 kgoTSm-3
d-1
. Trotz
gleicher Dauer des Beschickungsausfalls und der sehr ähnlichen Raumbelastung für Ref1
und Ref2 weichen die Konzentrationen der Fettsäuren erheblich voneinander ab. In der
ersten Versuchsreihe betrug der Maximalwert an Essigsäure 4400 mg kg-1
, während er in
130 7 Anfahrstrategien
der zweiten bei nur 2100 mg kg-1
lag. Eine ähnliche Diskrepanz zeigt sich auch bei den
höherkettigen Fettsäuren. Während in Versuchsreihe 1 neben Propionsäure auch n-
Buttersäure, iso-Buttersäure und iso-Valeriansäure nachgewiesen wurden, war in
Versuchsreihe 2 nur iso-Valeriansäure nachweisbar. Insgesamt zeigt Ref2 ein deutlich
stabileres Verhalten als Ref1. Ursachen hierfür sind insbesondere im verwendeten
Impfschlamm und der Güte der eingesetzten Substrate zu suchen. Insbesondere bei der
Verwendung von Substraten wie Gülle können leicht hemmende Stoffe wie z.B.
Ammoniak in den Fermenter eingebracht werden.
Anders als bei der Studie zu Rührintervallen war bei dieser Studie in Versuchsreihe 2 bei
AS3 kein vergleichbar starkes Aufquellen oder Schäumen des Fermenterinhaltes zu
beobachten. Zwar kam es zu Beginn zu leichter Schaumbildung, diese hat aber zu keiner
Gefährdung der Gasperipherie geführt. Ein leicht höherer Füllstand war aufgrund der
Rührintervalle bei AS3 zu bemerken.
Die Studie von Cecchi et al. 1993 unterscheidet sich insgesamt durch den
Temperaturbereich, die verwendeten Substrate, die Anlagengröße etc. von der hier
vorgestellten Studie, sie entspricht aber dennoch am ehesten der in dieser Arbeit
durchgeführten Versuchsreihen 1. In beiden Studien konnte nach 28 Tagen von einem
stationären Zustand ausgegangen werden. Mit dem Beginn der Beschickung stieg sowohl
in der hier vorgestellten Studie, als auch in der von Cecchi et al. 1993 die Gasproduktion
an. Aufgrund des wiedereingesetzten Abbaus kam es in beiden Studien zunächst zu einer
leichten Hemmung der Gasproduktion. Dies ist in der hier vorgestellten Studie am Anstieg
der Säurekonzentrationen zu erkennen. Cecchi et al. 1993 nehmen einen Anstieg des H2-
Gehaltes an. Ein Maximum der Säurekonzentration wird in dieser Studie sechs bis neun
Tage später erreicht. Damit ist in Anbetracht der Unterschiede in den beiden Studien von
einer guten Übereinstimmung der Ergebnisse auszugehen.
131
8 Zusammenfassung und Ausblick
Der überwiegende Anteil von Versuchen zum Biogasbildungsprozess findet in
Laboranlagen statt, deren Größe stark variieren kann. Zudem ist der Biogasbildungsprozess
ein sehr dynamischer Prozess, der in hohem Maß von den Prozessbedingungen abhängt.
Ziel dieser Arbeit war die Überprüfung der Reproduzierbarkeit von Versuchsergebnissen
und der Übertragbarkeit auf unterschiedliche Maßstäbe. Darüber hinaus wurden Parameter
untersucht, die sowohl die Versuchsergebnisse beeinflussen können als auch von Interesse
für den Betrieb großtechnischer BGA sind.
Bei einem Biogasbildungsprozess kann davon ausgegangen werden, dass eine
Reproduzierbarkeit nur dann gegeben ist, wenn alle Prozessbedingungen gleich sind. Diese
sind neben der Temperatur im Fermenter das verwendete Inocolum, die eingesetzten
Substrate, die gewählte Raumbelastung, die hydraulische Verweilzeit, die Durchmischung,
sowie weitere Einflussfaktoren wie Material und Geometrie der Anlagen.
Zur Untersuchung der Reproduzierbarkeit wurden drei baugleiche Anlagen
(Parallelanlagen) mit einem Füllvolumen von 22 l mit gleichem Inoculum befüllt und
parallel, also unter Einhaltung aller genannten Einflussfaktoren, betrieben. Die
Untersuchungen zeigen, dass bei gleichen Anlagen, einer identischen Betriebsführung und
gleichem Inoculum die Abweichungen im reduzierten Normvolumenstrom (auf das
Füllvolumen bezogener Normvolumenstrom) unter ± 10% bleiben, wobei der Mittelwert
der Abweichungen bei 5% liegt. Diese Abweichungen liegen innerhalb der erweiterten
Unsicherheit für den reduzierten Normvolumenstrom. Der Methan (CH4)-Anteil und der
oTS-Gehalt weichen ebenfalls nur innerhalb der erweiterten Messunsicherheit ab.
Zur Kontrolle der Reproduzierbarkeit fand in weiteren in dieser Arbeit vorgestellten
Studien ein Vergleich des Normvolumenstroms, der Gasqualität und des
Fettsäurespektrums der Parallelanlagen aus unterschiedlichen Versuchsreihen statt. Die
Parallelanlagen wiesen die gleichen Betriebsbedingungen (Temperatur, Raumbelastung,
Durchmischung, hydraulische Verweilzeit) auf; die Versuche fanden allerdings zeitversetzt
statt. Dadurch wurden die Parallelanlagen jeweils mit neuem Fermenterinhalt aus der BGA
Neurath angefahren und mit einer anderen Substratcharge beschickt. Dabei hat sich beim
Normvolumenstrom ein unterschiedliches Verhalten zwischen den Versuchsreihen
herauskristallisiert. Dies war auch bei der Entwicklung des Fettsäurespektrums zu
beobachten. Damit konnte im Rahmen dieser Arbeit gezeigt werden, dass der
Normvolumenstrom und der CH4-Anteil nur unter identischen Bedingungen reproduziert
werden können. Eine Reproduzierbarkeit ist für unterschiedliche Versuchsreihen nicht
mehr gegeben, da sich das Inoculum und die Substrate verändern. Wie sehr sich das
Inoculum und die Substrate verändern hängt von der Betriebsführung der BGA, aus der das
132 8 Zusammenfassung und Ausblick
Inoculum stammt, und der Lagerung/Bereitstellung der Substrate ab. Das einfachste
Beispiel ist ein Substratwechsel an der BGA, die das Inoculum bereitstellt. Durch die
Änderung kann z.B. besonders viel Ammoniak eingetragen werden, an den sich die
Mikroorganismen im besten Fall adaptieren.
Die Übertragbarkeit von Versuchen muss gegeben sein, damit es zu keinen unerwarteten
Reaktionen des Fermenterinhaltes bei der Anwendung von Laborerkenntnissen auf
großtechnische BGA kommt. Ist eine Übertragbarkeit nicht gegeben, so müssen die
Einflussfaktoren identifiziert und bei der Übertragung berücksichtigt werden. Um die
Übertragbarkeit auf unterschiedliche Maßstäbe zu untersuchen, wurden zunächst Versuche
an der Technikumsanlage mit einem Füllvolumen von 390 l und den drei Parallelanlagen
mit 22 l Füllvolumen durchgeführt. Beide Anlagen wurden gleichzeitig mit
Fermenterinhalt der BGA Neurath befüllt und mit gleichen Substraten, gleicher
Raumbelastung, gleichen Beschickungsintervallen und bei gleicher Temperatur betrieben.
Hier wurde gezeigt, dass zwischen der Technikumsanlage und den Parallelanlagen der
Normvolumenstrom im Mittel um 8% abweicht, wobei er bei den Parallelanlagen stets
niedriger ist. Nach einer Startphase von vier Tagen liegen die Abweichungen in der
Gasqualität im Rahmen der Messunsicherheit. Der oTS-Gehalt bei den Parallelanlagen
verhält sich analog zu dem der Technikumsanlage.
In einem zweiten Schritt wurde für den Vergleich die BGA Neurath mit einem
Füllvolumen von 3099 m3 hinzugezogen. In der Versuchsreihe wurde Fermenterinhalt der
BGA Neurath zur Befüllung der Technikumsanlage und der Parallelanlage entnommen.
Anhand der Beschickungsdaten der BGA Neurath wurden die Beschickungsmengen für die
Laboranlagen so berechnet, dass sich die gleiche Raumbelastung und ein gleicher
Substratmix ergaben. An der Technikumsanlage konnten die gleichen
Beschickungsintervalle (i.d.R. 39 Chargen pro Tag) wie an der BGA Neurath realisiert
werden. An der Parallelanlage war dies nicht möglich, weswegen diese Anlage nur einmal
täglich beschickt wurde.
Im reduzierten Normvolumenstrom liegt der Mittelwert für die Abweichungen zwischen
der Technikumsanlage und der Parallelanlage ab dem neunten Versuchstag bei 10%, wobei
auch hier der reduzierte Normvolumenstrom von der Parallelanlage unterschätzt wird.
Wird der reduzierte Normvolumenstrom der Parallelanlage dem der BGA Neurath
gegenübergestellt, so zeigen sich Abweichungen von -13 bis -20%. Dagegen liegen die
Abweichungen des reduzierten Normvolumenstroms zwischen der BGA Neurath und der
Technikumsanlage bei 10%. Damit liegen die Abweichungen zwischen der BGA Neurath
und der Technikumsanlage und der Technikumsanlage und der Parallelanlage im Bereich
der Reproduzierbarkeit. Im Abbau der Organik zeigen sich für die Gegenüberstellung der
BGA Neurath, der Technikumsanlage und der Parallelanlage deutlich differierende
8 Zusammenfassung und Ausblick 133
Ergebnisse. In den beiden Laboranlagen reichert sich im Gegensatz zu der BGA Neurath
Organik im Fermenterinhalt an. Dies spiegelt auch die Entwicklung des
Fettsäurespektrums wieder. Bei der BGA Neurath konnten nur Essig- und Propionsäure in
einem unbedenklichen Bereich nachgewiesen werden. Bei der Technikumsanlage und der
Parallelanlage stiegen Essig- und Propionsäure stark (Essigsäure; Propionsäure bis zu
5600 mg kg-1
bei der Technikumsanlage und bis 9700 mg kg-1
bei der Parallelanlage) an.
Daneben konnten bei der Technikumsanlage und der Parallelanlage im Verlauf der
Versuchsreihe auch alle anderen, höherkettigeren Fettsäuren nachgewiesen werden. Wie in
Abschnitt 4.3 dargelegt worden ist, liegt die Ursache für den Anstieg der Fettsäuren in den
Laboranlagen an dem Abfüllen des Fermenterinhaltes aus der BGA Neurath, dem
Transport und der Befüllung der Laboranlagen und dem Beginn der Beschickung mit der
an der BGA Neurath vorhandenen Raumbelastung. Aufgrund der entstandenen
Stresssituation für die Mikroorganismen werden diese gehemmt. Hauptursache ist dabei
eine Anreicherung von H2.
Die Übertragbarkeit von Ergebnissen in unterschiedlichem Maßstab hängt, ebenso wie die
Reproduzierbarkeit, von den Prozessbedingungen ab. Die Versuche zeigen zudem eine
Abhängigkeit vom Skalierungsfaktor. Insbesondere traten hier große Abweichungen in der
Entwicklung des Fettsäurespektrums auf. Dies kann an einer für die Laboranlagen zu
hohen Raumbelastung gelegen haben. Der Verlauf des reduzierten Normvolumenstroms
und der Gasqualität konnte dagegen gut wiedergegeben werden.
Um zu prüfen, wie stark der Einfluss der Durchmischung auf die Leistungsfähigkeit einer
Anlage ist, wurde eine Studie zu möglichen Rührintervallen durchgeführt. Gleichzeitig ist
eine Analyse des Einsparpotenzials am Eigenenergiebedarf einer BGA möglich gewesen.
Die Studie fand in einem Umfang von zwei Versuchsreihen statt und wurde an den
Parallelanlagen durchgeführt. Eine der Anlagen diente dabei als Referenz und wurde
jeweils kontinuierlich gerührt. Die Befüllung der Anlagen erfolgte mit Fermenterinhalt aus
der BGA Neurath. Die Temperatur, die Raumbelastung und die Substrate wurden bei allen
Anlagen innerhalb einer Versuchsreihe gleich belassen.
In der ersten Versuchsreihe wurde das Rührintervall jeweils länger gewählt als die Dauer
der Rührpause (7h Rühren und 1h Pause bzw. 2h Rühren und 1h Pause). Hierbei konnten
keine wesentlichen Auswirkungen auf die Parameter Normvolumenstrom und
Methananteil im Biogas beobachtet werden. Die in Versuchsreihe 1 gewählten Intervalle
haben demzufolge zu keiner Verbesserung der Leistung der Anlagen geführt. Allerdings ist
die für das Rühren eingebrachte Energie geringer, da das Rührwerk zwischendurch steht.
Mit einem Drehstromzähler wurde geprüft, ob beim Wiedereinschalten des Rührwerks eine
deutlich erhöhte Leistungsaufnahme zu verzeichnen ist. Die Ergebnisse zeigen eine leicht
höhere Leistungsaufnahme in den ersten Minuten der Rührzeit. Sie ist aber deutlich
134 8 Zusammenfassung und Ausblick
geringer als die durch die Standzeit verursachte Einsparung. Bei dem Intervall 2 h Rühren
und 1 h Pause können beispielsweise 29% des Energiebedarfs des Rührwerks eingespart
werden.
In der zweiten Versuchsreihe wurden nur kurze Rührzeiten von jeweils 10 min gewählt.
Die Standzeit betrug bei der PA1 230 min und bei PA2 50 min. Da hierbei die Rührzeiten
wesentlich kürzer sind als die Pausen, ist eine deutlich höhere Einsparung am
Eigenenergiebedarf der BGA möglich. In den ersten zwei Wochen kann bei den Anlagen
mit diskontinuierlicher Durchmischung eine höhere Gasproduktion bei vergleichbarem
Methananteil festgestellt werden. In der folgenden Versuchszeit lagen die Abweichungen
im Normvolumenstrom innerhalb der Reproduzierbarkeit.
Rührintervalle können demnach ein gutes Mittel darstellen, um den Eigenstrombedarf von
BGA zu senken. Werden Laborversuche durchgeführt, so sollte die Durchmischung im
Rahmen der Möglichkeiten an den späteren Anwendungsfall angepasst werden bzw. die
Abweichungen vorher bestimmt werden. Zudem ist bei einer diskontinuierlichen
Durchmischung zu bedenken, dass es zu einem Aufquellen des Fermenterinhaltes und zur
Schaumbildung an der Flüssigkeitsoberfläche kommen kann. Dies konnte insbesondere bei
der ersten Versuchsreihe beobachtet werden.
Ausfälle in der Beschickung einer Biogasanlage führen nicht nur zu merkbaren Einbußen
in der Gasproduktion, sondern können beim Wiederbeginn der Beschickung in den
Volllastbetrieb auch zu einer Gefährdung der Stabilität des Abbauprozesses führen. Zur
Untersuchung der Auswirkungen des Anfahrens auf die Prozessstabilität der Anlagen
wurden in einer weiteren Studie drei Beschickungsausfälle simuliert. Diese reichten von
einem Tag bis zu einer Woche. Die Beschickungsausfälle fanden zum einen an den
Parallelanlagen statt, die einmal täglich beschickt wurden. Zum Anderen wurde hierfür die
Technikumsanlage verwendet. Bei dieser Anlage wurde mit Hilfe des automatischen
Beschickungssystems eine quasi-kontinuierliche Fütterung mit 24 Beschickungsintervallen
pro Tag realisiert. Zur Beurteilung der Stabilität der Anlagen wurden der
Normvolumenstrom und das Fettsäurespektrum in allen Versuchsreihen herangezogen. Die
Beurteilung anhand der Gasqualität war nur bei der Technikumsanlage mit ein- und
siebentägigem Beschickungsausfall möglich.
Die Ergebnisse für die Parallelanlagen zeigen, dass bereits ein eintägiger Ausfall einen
Einfluss auf die Entwicklung der Fettsäuren im Fermenterinhalt hat. Der Anstieg der
Fettsäuren ist aber nur gering und nicht als kritisch für die Stabilität des Abbauprozesses zu
beurteilen. Allerdings wurde bei dem eintägigen Beschickungsausfall die höchste
Essigsäurekonzentration gemessen. Den Einfluss des Beschickungsausfalls bestätigt auch
das produzierte Gasvolumen, das nach Wiedereinsetzen der Beschickung sofort wieder
8 Zusammenfassung und Ausblick 135
ansteigt. Auch bei einem dreitägigen Ausfall erreicht der Normvolumenstrom innerhalb
kürzester Zeit einen stabilen Wert.
Die Entwicklung des Normvolumenstroms nach einem dreitägigen Ausfall wurde doppelt
untersucht. In der ersten Versuchsreihe stabilisiert sich der Normvolumenstrom innerhalb
von drei Tagen, bei der zweiten Versuchsreihe nach zwei Tagen. Dabei zeigt das
Fettsäurespektrum für die erste Versuchsreihe sowohl höhere Maximalwerte für Essigsäure
als auch für Propionsäure, die aber noch nicht als kritisch einzustufen sind.
Der siebentägige Beschickungsausfall führt zu ähnlichen Maximalwerten der
Essigsäurekonzentration wie der dreitägige Beschickungsausfall in derselben
Versuchsreihe. Allerdings ist die Maximalkonzentration an Propionsäure hierbei um ca.
das 1,5-fache höher. Der Gasvolumenstrom steigt, ähnlich wie bei dem dreitägigen
Beschickungsausfall, innerhalb der ersten drei Tage stark an, bleibt aber erst nach sechs
Tagen auf einem konstanten Level.
An der Technikumsanlage fallen die Ergebnisse anders aus. Der eintägige
Beschickungsausfall führt, ähnlich wie bei den Parallelanlagen, zu den höchsten
Konzentrationen an Essig- und Propionsäure. Der Normvolumenstrom steigt innerhalb von
zwei Tagen und bleibt daraufhin bis auf einen Ausreißer auf einem erwarteten Level. Auch
die Normvolumenströme des drei- und siebentägigen Beschickungsausfalls steigen zügig
an. Das Fettsäurespektrum des drei- und siebentägigen Beschickungsausfalls lies keine
Instabilitäten erkennen. Übliche Ausfallzeiten der Beschickung haben auf die quasi-
kontinuierlich beschickte Anlage unter den gegebenen Bedingungen keinen Einfluss. Die
Verwendung eines anderen Substrats oder eines weniger stabilen Fermenterinhaltes zu
Beginn des Ausfalls kann aber zu deutlich anderen Ergebnissen führen.
In Bezug auf alle untersuchten Ausfälle betrachtet, bleiben bei der Technikumsanlage die
Auswirkungen deutlich geringer als bei den Parallelanlagen, die nur einmal täglich
beschickt werden können. Dies zeigt den starken Einfluss der Beschickungsintervalle auf
den Prozess. Auch bei der Untersuchung der Anfahrstrategien wurden bei den
Parallelanlagen zweimal Beschickungsausfälle von jeweils sieben Tagen hervorgerufen mit
anschließendem Wiedereinsetzen der vollen Beschickungsmenge. Hier zeigen sich deutlich
stärkere negative Auswirkungen auf den Prozess, als dies bei der eigentlichen
Untersuchung der Beschickungsausfälle der Fall war. Die Konzentration an Essigsäure
steigt um mehr als das Vierfache. Neben erhöhten Propionsäurekonzentrationen sind auch
weitere höherkettige Fettsäuren nachweisbar. Bei Laborversuchen sollte darauf geachtet
werden, Beschickungsausfälle möglichst zu vermeiden. Sollten sie notwendig sein, so
muss dies in der Auswertung berücksichtigt werden.
In der letzten Studie wurden vier Anfahrstrategien entwickelt, die das sichere und schnelle
Anfahren von Anlagen in den Volllastbetrieb gewährleisten sollen. Um den Erfolg einer
136 8 Zusammenfassung und Ausblick
Anfahrstrategie zu beurteilen, wurde jeweils eine Parallelanlage als Referenz direkt nach
dem Beschickungsausfall in den Volllastbetrieb überführt. In der ersten Versuchsreihe
wurde der Ansatz verfolgt, die Stabilität über eine langsame Änderung der Raumbelastung
zu erhalten (AS1) bzw. die Raumbelastung direkt wieder auf Volllast zu setzen, aber den
Substratmix zu ändern (AS2). Zu Beginn wurde hier erheblich mehr Gülle als Maissilage
zugeführt, um die guten Puffereigenschaften der Gülle auszunutzen. Die beiden
Anfahrstrategien konnten nicht überzeugen. Die Fettsäurekonzentrationen in AS1
erreichten ähnliche Werte wie in der Referenzanlage und konnten nicht schneller abgebaut
werden. In AS2 war die maximale Essigsäurekonzentration um 16% geringer, als in der
Referenzanlage Bei AS1 war aufgrund der zunächst geringeren Raumbelastung ein
reduzierter Normvolumenstrom zu beobachten. Dieser trat bei AS2 ebenso auf, was
aufgrund der gleichen Raumbelastung wie bei der Referenzanlage nicht zu erwarten war.
AS1 führte neben einem reduzierten Normvolumenstrom auch zu einem leicht geringeren
Methananteil im Biogas.
In der zweiten Versuchsreihe wurde basierend auf einer Literaturrecherche und
Ergebnissen aus früheren Versuchsreihen eine Änderung der Rührintensität als
Anfahrstrategie untersucht. In Anfahrstrategie 3 (AS3) wurde eine diskontinuierliche
Rührweise mit 10 min Rührdauer und 50 min Stillstand gewählt. In der zweiten Anlage
wurde die Rührintensität reduziert, indem die Drehzahl des Rührwerks um die Hälfte
reduziert wurde (AS4). Beide Anfahrstrategien führten zu einem Erfolg. Während bei der
Referenzanlage neben Essig- und Propionsäure auch iso-Valeriansäure im messbaren
Bereich lag, traten bei AS3 und AS4 nur die beiden erstgenannten auf. Auch die
Konzentration an Essig- und Propionsäure blieb deutlich geringer. Ein stabiler Bereich
wurde bei diesen Anlagen einige Tage vor der Referenz erreicht. Im Normvolumenstrom
ist ebenfalls ein positiver Effekt feststellbar. Dieser wird aber, ähnlich wie bei der
Untersuchung der Rührintervalle, nach einer Eingewöhnungszeit der Bakterien relativiert.
Für die Qualität des Biogases kann kein Einfluss der Anfahrstrategien festgestellt werden.
Die Änderung der Rührintensität erweist sich bei der Wiederinbetriebnahme nach einem
Beschickungsausfall insgesamt als äußerst zielführend.
Die hier vorgestellte Arbeit hat zur Klärung der Frage der Reproduzierbarkeit und
Übertragbarkeit von Versuchsergebnissen im Bereich der anaeroben Fermentation
beigetragen. Es konnte gezeigt werden, dass beide Punkte stark von den
Prozessbedingungen abhängen, wie z.B. der Durchmischung. Eine gute Reproduzierbarkeit
konnte immer innerhalb einer Versuchsreihe erzielt werden, wenn das Inoculum gleich
war. Damit ist der Einfluss des für Versuche verwendeten Impfmaterials entscheidend für
die gewonnen Versuchsergebnisse. Eine Übertragbarkeit ist nur für den CH4-Anteil und
den reduzierten Normvolumenstrom gegeben. Die Entwicklung im Fettsäurespektrum
konnte dagegen nicht übertragen werden. Bei Anlagen unterschiedlicher Größe ist es kaum
8 Zusammenfassung und Ausblick 137
möglich, alle Parameter gleich zu belassen. Weitere Studien sind notwendig, um die
entscheidenden Parameter zu identifizieren und somit Vorgehensweisen zu erarbeiten, die
eine vollständige Übertragbarkeit in unterschiedliche Maßstäbe erlauben.
138
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147
Anhang
A-1. Technische Zeichnung des Fermenters der Technikumsanlage mit den
wichtigsten Abmaßen
148 Anhang
A-2. Technische Zeichnung des Fermenterdeckels der Technikumsanlage
mit den wichtigsten Abmaßen
Anhang 149
A-3. Technische Zeichnung des Beschickungskastens der Technikumsanlage
mit den wichtigsten Abmaßen
150 Anhang
A-4. Technische Zeichnung des Gärrestspeichers der Technikumsanlage mit
den wichtigsten Abmaßen
Anhang 151
A-5. Technische Zeichnung des Fermenters der Parallelanlagen mit den
wichtigsten Abmaßen
152 Anhang
A-6. Technische Zeichnung des Deckels der Parallelanlagen mit den
wichtigsten Abmaßen
Anhang 153
A-7. Beispielhafte Berechnung der Messunsicherheit nach GUM für den
trockenen Normvolumenstrom
Aufstellung der Modellgleichung:
B w Ntr,N B
B N
( )p p TV V
T p
Anhand der Modellgleichung und bekannter Einflüsse auf die Messung wird bestimmt,
welche Größen zur Messunsicherheit beitragen. In diesem Fall sind dies
der Unsicherheitsbeitrag der Druckmessung,
der Unsicherheitsbeitrag der Temperaturmessung,
der Unsicherheitsbeitrag der Volumenmessung
und der Unsicherheitsbeitrag der Berechnung des Wasserpartialdruckes.
Alle nachfolgenden mathematischen Grundlagen sind International Organization for
Standardization 1995 entnommen. Die Berechnung der erweiterten Messunsicherheit
erfolgt nach:
e c ( )U k u y
c
2
2 2 2
i i i
i
mit ( ) ( ) ( )f
u y u y u xx
.
Die Ableitung wird auch als Sensitivitätskoeffizient ci bezeichnet. Für das vorgestellte
Beispiel lauten die Berechnungsgleichungen für die Sensitivitätskoeffizienten:
B
w
B
B
tr, N B w NV
B B N
tr, N Np
w B N
tr, N B w NT B 2
B B N
tr, N Np B
B B N
( )
( )
B
V p p Tc
V T p
V Tc V
p T p
V p p Tc V
T T p
V Tc V
p T p
Für die tatsächliche Berechnung der Sensitivitäskoeffizienten müssen reale Werte
eingesetzt werden. Hierfür werden typische oder maximale Werte für die Messaufgabe
gewählt. Für das konkrete Beispiel des trockenen Normvolumenstroms aus PA1 wurden
folgende Werte verwendet:
154 Anhang
NT 273,15 K
Np 1,01325 bar
BT 293,15 K
Bp 1,01 bar
wp 0,032 bar
BV 7 l/h
Damit ergeben sich folgende Sensitivitätskoeffizienten:
B
w
B
B
V
p
T
p
0,8975
l6, 4371
h bar
l0,0214
h K
l6,4371
h bar
c
c
c
c
Die Unsicherheiten der einzelnen Beiträge sind i.d.R. als erweiterte Messunsicherheit Up
angegeben. Daher müssen sie zunächst über den Divisor auf die kombinierte
Standardunsicherheit umgerechnet werden. Der Divisor sollte zusammen mit der
erweiterten Messunsicherheit Up in Form des Erweiterungsfaktors k angegeben sein. Ist er
nicht angegeben, so kann im Zweifelsfall eine Rechteckverteilung mit 3k
angenommen werden. Die Rechteckverteilung wird zudem bei Herstellerangaben und
Abschätzungen angenommen. In dem Beispiel sind Divisoren für den Unsicherheitsbeitrag
der Druck- und Temperaturmessung bekannt. Der Beitrag durch die Berechnung des
Wasserdampfpartialdruckes wird abgeschätzt und hat somit eine Rechteckverteilung. Die
Unsicherheit der Volumenstrommessung mit dem Trommelgaszähler wird dem
Kalibrierschein des Trommelgaszählers entnommen und daher als rechteckverteilt
angenommen.
Anhang 155
Um die Berechnung übersichtlicher zu gestalten, empfiehlt es sich, ein
Messunsicherheitsbudget aufzustellen. Dieses sieht für das Beispiel folgendermaßen aus: B
eitr
ag
durc
h
(x
i)
Ver
teil
ung
Div
isor
u(x
i)
c i
u(y
i)
[lNh
-1]
100 u
i2/u
c2
pw 6,7x10-6
Rechteck 1,732 3,9x10-6
6,4371 -2,5x10-6
0,00
TB 0,2781 Rechteck 1,645 0,1690 -0,0214 -0,0036 0,05
pB 0,0408 Rechteck 1,645 0,0248 6,4371 0,1596 99,38
BV -0,021 Rechteck 1,732 -0,0121 0,8975 -0,0121 0,57
uc 0,1601 [lNh-1
]
k 0,95 3
Up 0,263 [lNh-1
]
Der Unsicherheitsbeitrag der Volumenmessung ist laut Kalibrierschein mit -0,3% vom
Messwert angegeben. Um den Beitrag im Messunsicherheitsbudget zu erhalten, wurde
diese Angabe auf den angenommenen maximalen Volumenstrom angewandt. Der Beitrag
durch die Berechnung des Dampfdruckes wurde folgendermaßen berechnet:
( ) 0,02% 0,001% 0,021%mittel mittel mittelw w w wp p p p
Dabei werden die 0,02% Abweichung von Wagner et al. 2002 für die IAPWS Formulation
1995 im relevanten Temperaturbereich angegeben. Gerber 2009 gibt an, dass die
Berechnung des Wasserpartialdruckes nach ASPEN (hier verwendet) bei 1 bar und 20°C
0,001% von der IAPWS Formulation 1995 abweicht.
Der k-Faktor für Up ergibt sich dadurch, dass die Unsicherheit der Druckmessung
dominant ist. Diese ist rechteckverteilt, womit auch eine Rechteckverteilung für die
erweiterte Messunsicherheit Up angenommen wird. Der Faktor 0,95 kommt durch die
Annahme eines Vertrauensniveaus von 95% zustande.
156 Anhang
A-8. Versuchsplan Parallelanlagen zu Beschickungsausfällen
Versuchsreihe 1
Versuchstag Uhrzeit 3 Tage Ausfall 7 Tage Ausfall
0 Start des Beschickungsausfalles, PN für FSS, TS und oTS
1
2
3 09:00 1) PN für FSS, TS, oTS
2) B
11:00 PN für FSS
13:00 PN für FSS
15:00 PN für FSS
4 09:00 1) PN für FSS
2) B
18:00 PN für FSS
5 09:00 1) PN für FSS
2) B
6 B
7 09:00 1) PN für FSS, TS, oTS
2) B
1) PN für FSS, TS, oTS
2) B
11:00 PN für FSS
13:00 PN für FSS
15:00 PN für FSS
8 09:00 B 1) PN für FSS
2) B
18:00 PN für FSS
9 1) PN für FSS
2) B
1) PN für FSS
2) B
10 09:00 B B
11 ~09:00 1) PN für FSS
2) B
1) PN für FSS
2) B
12 ~09:00 B B
13 ~09:00 B 1) PN für FSS
2) B
14 ~09:00 B B
15 ~09:00 1) PN für FSS, TS, oTS
2) B
1) PN für FSS, TS, oTS
2) B
16 ~09:00 B B
17 ~09:00 B 1) PN für FSS
Anhang 157
2) B
18 ~09:00 1) PN für FSS
2) B B
19 ~09:00 B 1) PN für FSS
2) B
20 ~09:00 B B
21 ~09:00 1) PN für FSS
2) B
1) PN für FSS
2) B
22 - 27 ~09:00 B B
28 ~09:00 1) PN für FSS
2) B
1) PN für FSS
2) B
PN: Probennhame
FSS: Fettsäurespektrum
B: Beschickung
TS: Trockensubstanz
oTS: organische Trockensubstanz
158 Anhang
A-9. Versuchsplan: Parallelanlagen zu Beschickungsausfällen
Versuchsreihe 2
Versuchstag Uhrzeit 1 Tag Ausfall 3 Tage Ausfall
0 Start des Beschickungsausfalles, PN für FSS, TS und oTS
1 ~11:00 1) PN für FSS, TS, oTS
2) B
2 ~11:00 1) PN für FSS
2) B
3 ~11:00 1) PN für FSS
2) B
1) PN für FSS
2) B
4 B 1) PN für FSS
2) B
5 ~11:00 1) PN für FSS
2) B
1) PN für FSS
2) B
6 09:00 B B
7 1) PN für FSS, TS, oTS
2) B
1) PN für FSS
2) B
8 09:00 B B
9 ~09:00 1) PN für FSS
2) B
1) PN für FSS
2) B
10 ~09:00 B 1) PN für TS, oTS
2) B
11 ~09:00 1) PN für FSS
2) B
1) PN für FSS
2) B
12-16 ~09:00 B B
17 ~09:00 1) PN für FSS, TS, oTS
2) B
1) PN für FSS, TS, oTS
2) B
16 ~09:00 B B
17 ~09:00 B 1) PN für FSS
2) B
18 ~09:00 1) PN für FSS
2) B B
19 ~09:00 B 1) PN für FSS
2) B
20 ~09:00 B B
21 ~09:00 1) PN für FSS
2) B
1) PN für FSS
2) B
22 - 27 ~09:00 B B
28 ~09:00 1) PN für FSS, TS, oTS 1) PN für FSS, TS, oTS
Anhang 159
A-10. Versuchsplan: Technikumsanlage zu Beschickungsausfällen
Versuchstag 1 Tag Ausfall 3 Tage Ausfall 7 Tage Ausfall
0 Start des Beschickungsausfalls, PN für FSS, TS, oTS
1 1) PN für FSS, TS, oTS
2) B
2 1) PN für FSS
2) B
3 1) PN für FSS
2) B
1) PN für FSS, TS, oTS
2) B
4 B 1) PN für FSS
2) B
5 1) PN für FSS
2) B
1) PN für FSS
2) B
6 B B
7 1) PN für FSS, TS, oTS
2) B
1) PN für FSS
2) B
1) PN für FSS
2) B
8 B B 1) PN für FSS
2) B
9 1) PN für FSS
2) B
1) PN für FSS
2) B
1) PN für FSS
2) B
10 B 1) PN für TS, oTS
2) B B
11 1) PN für FSS
2) B
1) PN für FSS
2) B
1) PN für FSS
2) B
12 B B
13 B 1) PN für FSS, TS, oTS
2) B
14 1) PN für FSS
2) B B
15 B 1) PN für FSS
2) B
16 1) PN für FSS
2) B B
17 1) PN für FSS, TS, oTS
2) B
1) PN für FSS
2) B
18 B B
19 1) PN für FSS
2) B B
160 Anhang
20 B 1) PN für FSS, TS, oTS
2) B
21-22 B
23 1) PN für FSS, TS, oTS
2) B
PN: Probennhame
FSS: Fettsäurespektrum
B: Beschickung
TS: Trockensubstanz
oTS: organische Trockensubstanz
Anhang 161
A-11. Versuchspläne zu Anfahrstrategien
Versuchstag Uhrzeit
für VR1 VR1 VR2
0 Start des Beschickungsausfalles, PN für FSS, TS und oTS
1-7 Keine Beschickung
7 09:00 1) PN für FSS, TS, oTS
2) B
1) PN für FSS, TS, oTS
2) B
11:00 PN für FSS
13:00 PN für FSS
15:00 PN für FSS
8 09:00 1) PN für FSS
2) B
1) PN für FSS
2) B
18:00 PN für FSS
9 09:00 1) PN für FSS
2) B
1) PN für FSS
2) B
10 B B
11 09:00 1) PN für FSS
2) B
1) PN für FSS
2) B
12 09:00 B B
13 1) PN für FSS
2) B
1) PN für FSS
2) B
14 09:00 1) PN für TS, oTS
2) B
1) PN für TS, oTS
2) B
15 ~09:00 1) PN für FSS
2) B
1) PN für FSS
2) B
16 ~09:00 B B
17 ~09:00 1) PN für FSS
2) B
1) PN für FSS
2) B
18 ~09:00 B B
19 ~09:00 B B
20 ~09:00 1) PN für FSS
2) B
1) PN für FSS
2) B
21 ~09:00 1) PN für TS, oTS
2) B
1) PN für TS, oTS
2) B
22 ~09:00 B B
23 ~09:00 1) PN für TS, oTS
2) B
1) PN für FSS
2) B
24 ~09:00 B B
25 ~09:00 B B
162 Anhang
26 ~09:00 1) PN für FSS
2) B
1) PN für FSS
2) B
27 B B
28 1) PN für TS, oTS
2) B
1) PN für TS, oTS
2) B
29 1) PN für FSS
2) B Beendigung von VR 2
30 B
31 B
32 1) PN für FSS
2) B
33 B
34 B
35 ~09:00 Beendigung von VR1
PN: Probennhame
FSS: Fettsäurespektrum
B: Beschickung
TS: Trockensubstanz
oTS: organische Trockensubstanz
Lebenslauf
Alexandra Anna Kowalczyk
geboren am 11.02.1982 in Chorzów (Polen)
ledig
Berufliche Tätigkeit
seit 10.2007 Ruhr-Universität Bochum
Wissenschaftliche Mitarbeiterin am Lehrstuhl für Thermodynamik
Prof. Dr.-Ing. Roland Span
06.2004 – 07.2006 Universität Paderborn
Studentische Hilfskraft am Lehrstuhl für Thermodynamik und
Energietechnik
Prof. Dr.-Ing. Roland Span
Ausbildung
10.2002 – 06.2007 Universität Paderborn
Studium des Allgemeinen Maschinenbaus
(Vertiefungsrichtung: Verfahrenstechnik und Kunststofftechnik
Abschluss: Diplom-Ingenieur
08.1993 – 06.2002 privates Mädchengymnasium St. Michael, Paderborn
Abschluss: Abitur
01.1990 – 07.1993 Concordia Grundschule, Bad Lippspringe
09.1989 – 12.1990 Grundschule, Chorzów
Praktika
09.2006 – 12.2006 RWE Power AG, Essen
02.2003 – 03.2003 Miele und Cie GmbH & Co. KG, Güthersloh
10.2001 Universität Paderborn