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BIOMASSE NUTZUNG Bioreaktoren zur Erzeugung von Bio-Gas, Bio-Alkohol und Bio-Diesel

-> "Bioreaktor"

Technologie Biogas-Produktion

Zuletzt bearbeitet 12.09.2022 
Es handelt sich hier um eine im Detail sehr komplexe Technologie, die aber auf Grund der weiten Verbreitung als etabliert bezeichnet werden kann. Gleichzeitig ist davon auszugehen, dass es auch in absehbarer Zukunft ein signifikanten Optimierungspotential geben wird. Dies auch wegen der Verschiedenheit der Verfahrensvarianten - bedingt durch die breite Varianz der eingesetzen Biomassen.
Zum weitergehenden Studium empfohlen:
* Biogaspartner/Dena: Biomethan bzw. Broschüre dazu

  • SCHRITT 1: Fermentierung der Biomasse
    Hier wird die eingesetzte Biomasse durch eine Reihe verschiedener Mikroben umgesetzt und als Stoffwechselprodukt Methan (der Hauptkomponente aucch im Erdgas) produziert. Dieser Gärprozess verläuft anaerob, d. h. unter Ausschluss von Sauerstoff. Daher haben die Fermenter - auch Bioreaktoren genannt - die charakteristische, kuppelförmige Form mit dem geschlossenen Dach, wo dann oben das Bio-Rohgas abgeleitet wird.
    Die Masse, die beim Gärprozess von den Mikroben nicht umgesetzt wurde bezeichnet man als Gärrückstand. Dabei handelt es sich um eher schwer verdauliche Pflanzenreste, die aber trotzdem als Bodendünger in der Landwirtschaft einen wertvollen Einsatz finden. Die Fermentierung erzeugt also fast keine Rückstände, die auf eigenen Deponien entsorgt werden müssen.  
  • SCHRITT 2: Aufarbeitung des Bio-Rohgases Für die Nutzung in Brennkesseln muss das Bio-Rohgas noch aufgearbeitet werden. Einerseits entsteht im Bioreaktor je nach eingesetzem Typ der Biomasse nicht nur das gewünschte Methan zu ca. 50-60%, die restliche Gasmenge ist hauptsächlich unbrennbares Kohlendioxid (CO2). Für den Einsatz in Verbrenneröfen muss der größte Teil des CO2 entfernt werden, so dass der Methangehalt auf 90% (entspricht der Erdgas-Qualität L) oder 97% (entspricht Erdgas H) angehoben werden. Desweiteren muss der Gehalt an Schwefelwasserstoff (H2S) einerseits wegen des üblen Gestanks und andererseits wegen der stark korrosiven Eigenschaften (es beschädigt alle Armaturen, auch "rostfreie") nahezu vollständig entfernt werden.
    Technologisch gibt es eine Vielzahl von Methoden, wie die Gas-Aufarbeitung durchgeführt werden kann.  

AufarbeitungsverfahrenHilfsmaterialienEinsatz (ca.%)
Druckwasserwäsche (DWW)Wasser30%
Amin-Wäschespezielle Amin-Verbindungen25%
Druckwechseladsorption (PSA=pressure swing adsorption)Adsoptions-Feststoff, z.B. Molekularsieb20%
andere Verfahren zusammenu.a. Polyglykol bzw. spezielle Membranen 20%

Druckwasserwäsche
Hier nutzt man den Effekt, dass sich Kohlendioxid und auch Schwefelwasserstoff bei Druck (bis 10 bar) in größerem Umfang in Wasser lösen als Methan. Das mit den Nebenkomponenten belastete Wasser wird regeneriert, indem ausserhalb des Gaskreislaufs Luft durch das Wasser geblasen wird. Die Nebenkomponenten werden dann mitgerissen und in die Atmosphäre geblasen.
Amin-Wäsche
Da sich Kohlendioxid wie auch Schwefelwasserstoff bereitwillig in Aminen lösen, braucht es hier - im Gegensatz zur DWW - nur eines geringen Überdrucks. Für die Regeneration wird die Amin-Lösung bei erhöhter Temperatur durchblasen.
Druckwechseladsorption
Hier wird der chemisch-physikalische Effekt genutzt, dass die meisten Chemikalien unter Druck (5-7 bar) eine stärker Bindung mit Feststoffen eingehen als Methan. Nach Druckentlastung verlässt daher das Methan die Druckkammer schneller als die Nebenkomponenten. Für eine kontinuierliche Prozessführung müssen zwei Druckkammern nebeneinander betrieben werden, wobei immmer eine Kammer mit Überduck befüllt wird, während die andere Kammer das Methan und dann - abgetrennt - die Nebenkomponenten entlässt. Diese Einschränkung ist aber apparativ relativ einfach zu Umgehen. Das andere Problem bestaht darin, dass die verwendeten Adsoptionsmaterialien (zB. Zeolithe) durch Wasser deaktiviert werden. Das eingesetzte Rohgas muss also trocken sein, was evtl. bedeutet, dass der Trocknungsschritt (siehe nächster Abschnitt) vorgezogen werden muss.

  • SCHRITT 3: Trocknung des Gases
    Das Rohgas enthält in fast allen Fällen bereits einige Prozent Wasser. Durch die Aufarbeitungen mittels wasserhaltiger Systeme wie die Druckwasserwäsche oder die Amin-Wäsche ist der Wassergehlt im gereinigten Gas weiterhin zu hoch für die Nutzung des Biogases in einer Verbrennungsapparatur. Daher muss jetzt noch eine Gas-Trocknung erfolgen. Auch hierfür gibt es verschiedene Verfahren, wobei das rein physikalische Kondensationsverfahren die häufigst genutze Variante darstellt. Das feuchte Gas wird starkt abgekühlt, wobei dann der im Gas vorhandene Wasserdampf zu flüssigem Wasser kondensiert und als Wasserstrom entfernt werden kann. Die Trocknungsleistung dieses Verfahrens ist für die Nutzung des Gases in BHKWs (Hauptnutzung) ausreichend. Für höherwertige Anwendungen muss eine weitere Trocknungsstufe nachgeschaltet werden, wobei es sich in der Regel um eine physikalisch-chemische Trocknung mittels Zeolithe (Molekularsieb) oder einem anderen Adsorptionsmittel handelt.  

Klimatechnisch bzw. ökologisch als grenzwertig bis problematisch bzw. kritisch zu bewertende Aspekte der Biogas-Technologie

Zuletzt bearbeitet 12.09.2022 
Auswahl der eingesetzten Biomasse
Theoretisch eignen sich alle Materialien, die tierischen oder pflanzlichen Ursprungs sind als Rohstoff für die Biogas-Produktion. Praktisch gibt es allerdings deutliche Grenzen, denn es sind nicht alle Biomassettypen gleich effizient fermentierbar. Ausgerechnet Maispflanzen, die bekanntlich beim Wachstum nicht nur hohe Wassermengen benötigen, sondern den Boden auch regelrecht auslaugen (Nährstoffe schnell entziehen) eignen sich besonders für die Biogas-Produktion. Relativ ineffizient ist dagegen der Einsatz von Gülle, also dem Gemisch aus Kot und Urin von Vieh (z.B. Schweine, Rinder). Andererseits ist Bodendüngung mit den Gärresten des Bioreaktors weitgehend problemlos möglich, während die Ausbringung der Gülle wegen der damit verbundenen Überdüngung der Oberflächengewässer deutlich beschränkt ist, um das Umkippen von Flüssen und Seen samt Tod aller dort lebenden Fische zu verhindern. Für einen Viehzüchter dient somit die relativ ineffiziente Bio-Gasproduktion in erster Linie zur Reduktion seiner Güllemengen.
Nutzung des Biogases
Ein Teil des gewonnenen Gases wird ...

Herstellung von Bio-Alkohol

Zuletzt bearbeitet 12.09.2022 
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Herstellung von Bio-Diesel

Zuletzt bearbeitet 12.09.2022 
Zur Herstellung von Bio-Diesel werden Fette pflanzlichen als auch tierischen Ursprungs in einer chemischen Anlage verarbeitet. Als Reaktionsprodukte entsteht neben dem Roh-Bio-Diesel auch Glycerin. Die für diese Umsetzung notwendigen Anlagen rechnen sich nur bei größeren Einheiten und ähneln im Aussehen den petrochemischen Anlagen der Erdölindustrie.

Klimatechnisch bzw. ökologisch als grenzwertig bis problematisch bzw. kritisch zu bewertende Aspekte der Bio-Diesel-Technologie

Zuletzt bearbeitet 12.09.2022 
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