SI/502118

Schlussbericht

Hofdünger wie z.B. Rindergülle ist das grösste noch zusätzlich nutzbare Biomassepotential der Schweiz und kann als Substrat für die Herstellung von Biogas verwendet werden. Allerdings können landwirtschaftliche Biogasanlagen, die nur Rindergülle vergären, unter den heutigen Rahmenbedingungen nicht ökonomisch betrieben werden, da die Biogasausbeute von Rindergülle zu tief ist und die Anlagen wegen dem hohen Wasseranteil des Substrats einen hohen Eigenenergieverbrauch aufweisen. In einem Vorgängerprojekt konnte demonstriert werden, dass eine Dampfexplosion-Vorbehandlung auf Labormassstab die Biogasausbeute aus Gülle um bis zu 50% erhöht. Bei dieser Methode wird Biomasse durch die Injektion von Dampf auf Temperaturen von 130 bis 215°C aufgeheizt, und nach einer definierten Zeitspanne explosionsartig in einen Auffangbehälter überführt, wobei die Faserstruktur aufgebrochen wird. In dem hier vorliegenden Projekt wurde basierend auf den im Vorgängerprojekt erworbenen Erkenntnissen eine wärmeintegrierte Dampfexplosion-Vorbehandlungsanlage auf Pilotmassstab entworfen, am IAG Grangeneuve gebaut und unter realen Bedingungen getestet, um den Effekt der Vorbehandlung auf die Biogasausbeute zu ermitteln und die Umsetzbarkeit abzuschätzen. In der Pilotvorbehandlungsanlage wurde Gülle in Güllefeststoffe und Dünngülle separiert und nur der Feststoff vorbehandelt, da das Vorgängerprojekt gezeigt hatte, dass nur die Biogasausbeute aus den Feststoffen durch die Vorbehandlung erhöht werden konnte. In der Pilotanlage werden die vorbehandelten Gülle-Feststoffe mit der Dünngülle rückvermischt, wodurch nahezu die gesamte für die Vorbehandlung aufgewendete Wärmeenergie zurückgewonnen wird und das Substrat damit auf die für die Biogasproduktion notwendige Temperatur von 40°C aufgeheizt wird. Im Vergleich zu einer konventionellen Biogasanlage ohne Vorbehandlung, in der das Substrat ebenfalls auf Fermentertemperatur aufgeheizt werden muss, wird für die Vorbehandlung also keine zusätzliche Wärmeenergie benötigt. Ein Verlust von verdaubaren organischen Substanzen kann während der Vorbehandlung durch den thermischen Zerfall von in Lösung gehenden Molekülen wie Xylose oder Aminosäuren geschehen, insbesondere wenn die Vorbehandlungsbedingungen sehr harsch sind. Um diesen ungewollten Effekt zu minimieren, wurde die Pilotanlage so gebaut, dass während der Vorbehandlung die durch die Dampfinjektion und -kondensation entstehende Flüssigphase, welche die gelösten Substanzen enthält, kontinuierlich aus dem heissen Reaktor abgezogen werden kann. Dieses Vorgehen wurde vorgängig mit der Dampfexplosion-Vorbehandlungsanlage auf Labormassstab getestet, wobei hier die gleichen Güllefeststoffe wie in der Pilotanlage verwendet wurden. Hierbei zeigte sich, dass nach der Vorbehandlung mit Flüssigkeitsabzug circa 5 Prozentpunkte mehr organische Substanz wiedergefunden werden konnte als bei der herkömmlichen Vorbehandlung. Dadurch konnte auch der Effekt der Vorbehandlung gesteigert werden, die Verbesserung der Methanausbeute des Feststoffes stieg von 44 auf 59%. Um genügend vorbehandelte Gülle als Substrat für den kontinuierlich betriebenen 3 m3 Pilotbiogasreaktor bereitzustellen, wurde über einen Zeitraum von 11 Wochen insgesamt 10’500 kg Gülle vorbehandelt. Bedauerlicherweise war die mittlere Methanproduktion mit der vorbehandelten Gülle um 13% geringer als mit der nicht vorbehandelten Gülle. Der auf Labormassstab erzielte positive Effekt auf die Methanproduktion konnte demnach auf Pilotmassstab bisher nicht erreicht werden. Die Gründe dafür konnten noch nicht abschliessend evaluiert werden. Ein ungenügender Effekt auf die Partikelgrösse, welche sich durch die Vorbehandlung verkleinern soll, konnte ausgeschlossen werden. Auch nach der Vorbehandlung auf Pilotmassstab sind 85% der Partikel in der vorbehandelten Gülle kleiner als 0.05 mm. Es ist möglich, dass während der Vorbehandlung des Feststoffes trotz Kondensatabzug Inhibitoren gebildet wurden und die Biogasproduktion aus der Dünngülle durch die eingemischten vorbehandelten Güllefeststoffe verringert wurde. Da die verwendete Rindergülle einen sehr tiefen Trockensubstanzanteil aufwies, trug der separierte Güllefeststoff nur einen geringen Teil (ca. 15 %) zur gesamten Biogasproduktion bei, so dass eine mögliche positive Auswirkung der Vorbehandlung auf die Verdaubarkeit der Feststoffe insgesamt nur einen kleinen Einfluss auf die Gesamtbiogasausbeute haben kann, während sich ein negativer Einfluss auf die Biogasproduktion aus der Dünngülle stark auswirkt. Nachfolgende Arbeiten werden darauf fokussieren, die Gründe für den negativen Einfluss der Dampfexplosion-Vorbehandlung auf Pilotmassstab zu verstehen sowie eine Nachoptimierung der Vorbehandlungsbedingungen und Versuche mit Substraten mit einem höheren Trockensubstanzanteil durchzuführen.