Substratspezifische Leistungsfähigkeit der batchbetriebenen Feststoffvergärung

Thomas Haupt

Substratspezifische Leistungsfähigkeit der batchbetriebenen Feststoffvergärung

Band 33 der Schriftenreihe des Bauhaus-Instituts für zukunftsweisende Infrastruktursysteme (b.is).

17. Jahrgang 2016.
204 Seiten. Format B5. Hardcover. Zahlr. Tab. und Abb., viele davon farbig. Preis: 33,00 €.
ISBN 978-3-944101-59-0, RHOMBOS-VERLAG, Berlin 2016

In dieser Arbeit werden erstmalig die Eigenschaften nachwachsender Rohstoffe anhand bodenphysikalischer Methoden erfasst und auf diese Weise Erkenntniszugewinne für den Betrieb batchbetriebener Feststoffvergärungsanlagen generiert. Diese Arbeit schafft eine Grundlage, auf welcher die Charakterisierung als Teil anerkannter Methoden zur Beurteilung von Prozessverläufen etabliert werden kann.

Keywords: Anaerobtechnik, Feststoffvergärung, physikalische Charakterisierung, Festbett, Durchströmbarkeit, Nachwachsende Rohstoffe, Methanisierung, stapelbare Biomasse

Gutachter:

1. Prof. Dr.-Ing. Eckhard Kraft, Weimar
2. Prof. Dr.-Ing. Jörg Londong, Weimar
3. Prof. Dr.-Ing. Martin Kranert, Stuttgart

Herausgeber der Schriftenreihe:

Bauhaus-Institut für zukunftsweisende Infrastruktursysteme (b.is)
http://www.uni-weimar.de/de/bauingenieurwesen/institute/bis/


Das Bauhaus-Institut für zukunftsweisende Infrastruktursysteme (b.is) verfolgt das Ziel, die Kooperation der beteiligten Professuren Siedlungswasserwirtschaft, Biotechnologie in der Ressourcenwirtschaft und Urban Energie Systems zu intensivieren, um Lehr-, Forschungs- und Beratungssaufgaben auszubauen. So sind beispielsweise die Weiterentwicklung von Studiengängen, gemeinsame Doktorandenkolloquien oder gemeinsame Forschungs- und Entwicklungsaufgaben angedacht.

Das neu gegründete "Bauhaus-Institut für zukunftsweisende Infrastruktursysteme" (b.is) will sich deutlich sichtbar im Bereich der Infrastrukturforschung aufstellen. Die Forschung und Lehre in diesem Bereich orientiert sich am medienübergreifenden Modell der nachhaltigen Gestaltung von Stoff- und Energieflüssen, die verbindendes Konzept der Kernprofessuren des Instituts sind.


Dem b.is gehören an:

Professur Biotechnologie in der Ressourcenwirtschaft (Prof. Dr.-Ing. Eckhard Kraft)
http://www.uni-weimar.de/de/bauingenieurwesen/professuren/biotechnologie-in-der-ressourcenwirtschaft/

Professur Siedlungswasserwirtschaft (Prof. Dr.-Ing. Jörg Londong)
http://www.uni-weimar.de/de/bauingenieurwesen/professuren/siedlungswasserwirtschaft/
 
Junior-Professur Urban Energy Systems
http://www.uni-weimar.de/Bauing/energy/index.html
 
Professur Technologien urbaner Stoffstromnutzungen (Kommissarischer Leiter: Prof. Dr.-Ing. Jörg Londong)
http://www.uni-weimar.de/de/bauingenieurwesen/professuren/technologien-urbaner-stoffstromnutzung/

Professur Verkehrssystemplanung (Prof. Dr.-Ing. Uwe Plank-Wiedenbeck)
http://www.uni-weimar.de/de/bauingenieurwesen/professuren/verkehrssystemplanung/

Honorarprofessor Dr.-Ing. U. Arnold
http://www.ahpkg.de/index.php?id=93


Kontakt zum Autor:

Dr.-Ing. Thomas Haupt
Bauhaus-Universität Weimar
Bauhaus-Institut für zukunftsweisende Infrastruktursysteme (b.is)
Professur Biotechnologie in der Ressourcenwirtschaft
Coudraystraße 7, 99423 Weimar
www.uni-weimar.de/Ressourcenwirtschaft
www.uni-weimar.de/bis
Forschergruppe TestReal: www.testreal.org

Zum Geleit

Fast 15 Jahre stimulierte das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) die Nutzung nachwachsender Rohstoffe zur Gewinnung regenerativer Energie. Finanzielle Anreize erzeugten dabei ein beachtlich anwachsendes Interesse an Vergärungstechnologie im landwirtschaftlichen Bereich.
Zur Verbreiterung der technologischen Basis beinhaltete das EEG zunächst auch einen Technologiebonus für Trockenvergärungsverfahren. Und dies  obwohl schon seit Anfang der 1990iger Jahre Patentschriften für Verfahren mit stapelba- rer Biomasse existieren. Leider kam es zu Fehlentwicklungen, die die Verbreitung der Trockenvergärung in der Landwirtschaft bremsten. Dies zeigt sich nun maßgeblich in einem Mangel an belastbaren Parametern zur physikalischen Charakterisierung von nachwachsenden Rohstoffen.
Es ist das Verdienst von Herrn Haupt, sich dieser Herausforderung anzunehmen. Exemplarisch wird eine Systematik für den Zusammenhang von physikalischer Substratbeschreibung und der zugehörigen Biogasbildung bei unterschiedlich ausgeformten Festbetten erarbeitet.
Seine exakte Arbeitsweise öffnet der Wissenschaft erstklassige Anknüpfungspunkte für weiterführende Untersuchungen. Die Praxis wird die vorliegende Arbeit als grundlegenden Baustein für zu erwartende Bemessungsregeln für teil- perkolierte Trockenvergärungsverfahren und stapelbare Biomassen würdigen.
Dies ist umso bemerkenswerter, als im Bereich der Abfallwirtschaft wiederum sehr beachtliche Anteile biologischer Abfallbehandlung durch Trockenvergärungsverfahren geleistet werden. Gleichzeitig wird der nicht subventionierte Betrieb landwirtschaftlicher Vergärungsanlagen nur mit optimierten Bemessungs- und Betriebsstrategien wirtschaftlich zu gestalten sein. Hier leistet die Arbeit Grundlegendes.

Weimar, im Dezember 2015
Prof. Dr.-Ing. Eckhard Kraft


Zum Buch

Das Ziel der Arbeit besteht darin, über qualitative Aussagen zur Festbettbeschreibung sowie zur Abhängigkeit der Gasbildung bei unterschiedlicher Ausformung des Festbettes zu einem stabilen Betrieb mit reproduzierbaren Gaserträgen beizutragen. Der Schwerpunkt liegt demnach auf den physikalischen und nicht den biologischen Einflussfaktoren. Es gilt, diejenigen Bedingungen zu eruieren und einzugrenzen, welche das Festbett charakterisieren, wobei die folgenden Fragestellungen beachtet werden:
•    Anhand welcher Parameter lässt sich die Festbettmatrix zielführend beschreiben?
•    Sind existente Methoden der Parameterbestimmung auf den Bereich der potentiell einsetzbaren Substrate übertragbar?
•    Sind diesbezüglich eventuell Anpassungen vorzunehmen und gewinnbringend?
•    Lassen sich charakteristische Werte so miteinander verknüpfen, dass die Ableitung einer optimalen Festbettgestaltung möglich ist?
Bei der Überführung dieser Aspekte auf den anaeroben Abbau in Feststofffermentern stehen vor dem Hintergrund der räumlichen Belastung differente Festbettcharakteristiken und deren Einfluss auf die Biogasentwicklung im Fokus. Hier besteht die Arbeitshypothese, dass unterschiedliche Einbaudichten, die durch differente physikalische Größen gekennzeichnet sind, Einfluss auf die Biogasentwicklung ausüben.
Zur Bearbeitung der Teilziele wurde folgende Vorgehensweise gewählt:
•    Substratcharakterisierung über die Erhebung physikalischer Eigenschaften unter Zuhilfenahme bodenkundlicher Untersuchungen sowie
•    Evaluierung der Biogasentwicklung bei differenten Festbettdichten.


Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis    VII
Abkürzungsverzeichnis    XI
Tabellenverzeichnis    XIII

1    Einleitung    1

2    Zielsetzung und Vorgehensweise    5

3    Vergärung von Feststoffen    7
3.1    Systemausprägungen    10
3.2    Anforderungen an den technischen Betrieb    17
3.2.1    Verweilzeit und Raumbelastung    18
3.2.2    Mischungsverhältnisse    20
3.3    Einflussfaktoren auf den anaeroben Abbau    23
3.3.1    Milieubedingungen    23
3.3.2    Anaerobe Verfügbarkeit der Substrate    25

4    Physikalische Grundlagen zu Festbetten    29
4.1    Systembeschreibung    29
4.2    Charakterisierung disperser Systeme    34
4.3    Mehrphasige Durchströmung poröser Medien    39

5    Material und Methoden    45
5.1    Substrate    45
5.2    Charakterisierung    48
5.2.1    Wassergehalt und Trockensubstanz    49
5.2.2    Schüttdichte und Verdichtungsfähigkeit    49
5.2.3    Wasserkapazität    51
5.2.4    Korndichte    53
5.2.5    Korngrößenverteilung    54
5.2.6    Durchlässigkeitsbeiwerte    55
5.3    Halbtechnische Untersuchungen zur Feststoffvergärung    57
5.3.1    Versuche mit Impfmaterial ohne Perkolation    57
5.3.2    Versuche mit Monosubstraten und Perkolation    60
5.4    Berechnungsmethoden    61

6    Physikalische Charakterisierung    63
6.1    Wassergehalt, Trockensubstanz und organische Trockensubstanz    64
6.2    Schüttdichte und Verdichtungsverhalten    69
6.3    Wasserkapazität    79
6.4    Korndichte und Porenraum    84
6.5    Korngrößenverteilung    92
6.6    Durchlässigkeitsbeiwerte    101
6.7    Fazit Charakterisierung    109

7    Biogasentwicklung in Abhängigkeit der Einbaudichte    119
7.1    Biogaserträge    122
7.1.1    Grasschnitt    126
7.1.2    Maissilage    128
7.1.3    Rübenschnitzel    130
7.1.4    Stroh    132
7.1.5    Fazit    134
7.2    Dichteabhängigkeit, Setzungen und Dichteänderung    137
7.3    Einfluss der Dichte auf die Perkolation    144
7.4    Schlussfolgerungen    148

8    Zusammenfassung    151
Literaturverzeichnis    155
Anhang    179