Ultraschall auf Biogasanlagen – Anspruch, Ziel und Nutzen Dr.-Ing. Klaus Nickel & Prof. Dr.-Ing. Uwe Neis
ULTRAWAVES GmbH Wasser & Umwelttechnologien
[email protected] www.ultrawaves.de
TU Hamburg-Harburg Institut für Abwasserwirtschaft & Gewässerschutz www.tuhh.de/aww/
Inhalt 1. Anaerober Abbau von Biomasse 2. Ultraschalldesintegration von Biomasse 3. Intensivierung der Biomassebehandlung 4. Praxiserfahrung
1
2
1. Anaerober Abbau von Biomasse
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oTR-Abbau [%]
Abbaugrade bei anaerober Biomassebehandlung
Faulzeit [d] 3
4
Anaerober Abbau von Biomasse org. Biofeststoffbestandteile
Hydrolyse gelöste org. Bestandteile
Acidogenese H2
CO2
org. Säuren
Essigsäure
Alkohole
Acetogenese Essigsäure
Methanogenese CH4
CO2 4
5
2. Ultraschalldesintegration von Biomasse
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Ultraschall Frequenzen 20 kHz - 10 MHz Ultraschall-Frequenz
20 kHz 10 kHz
Hörschall
100 kHz
1 MHz
niedrig
mittel Kavitation
Scherkräfte
Sonochemie
6
hoch
Mikroströmungen
Ultraschall - Kavitation Schalldruck P = PA·sin2π·f·t (PA)2 = 2·I·ρ·c I = Schallintensität (W/cm2) c = λ·f (m/s)
PA
+ –
Radius der Blasen in µm
Kompressionswellen
150
100
Implosion Entstehen
50
Hot Spot
Wachstum
100
200
300
400
Zeit in µs
7
500
600
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Ultraschall Schwinggebilde (Ultrawaves Ultraschallsystem) (Energie-)Wandler mit mehreren piezo-keramischen Elementen
Booster (mit Flansch) Sonotrode überträgt akustische Energie in das Medium
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Ultrawaves Ultraschallsystem Ablauf
Zulauf
Ultraschall Generator
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Ultraschall -Schwinggebilde
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Desintegration von Biomasse Schlammflocke
Schlammwasser
Energie
z.B. Bakterien
Energie
inerte Partikel
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extrazelluläre Polymere
6
Lichtmikroskopische Analyse
Energie
Energie
unbeschallt
30s beschallt
12
90s beschallt
7
3. Intensivierung der Biomassebehandlung
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Pilotanlage (Parallelbetrieb von Fermentern)
14
11
Intensivierung Biomasseabbau 14 12
A) Faulschlammqualität
10 unbehandelter Schlamm
8
desintegrierter Schlamm
6 0
5
10 Zeit [d]
15
B) Biogasproduktion
20
Steigerung Biogasproduktion [%]
oTR [g/kg]
A
100
15
B
80 60 40 20 0 0
5
10 Zeit [d]
15
20
12
Steigerung Biogasproduktion [%] Abbausteigerung
Steigerung Biomasseabbau 60 y = 1,9x + 10,4 R = 0,94
50 40 30 20 10 0 0
5
10 15 20 Aufschlußgrad ACSB [%][%] Aufschlussgrad ACSB 16
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4. Praxiserfahrung
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Einführung von US-Technik auf Biogasanlagen 2. Labortest
1. Fragebogen
Generator
sonotrode biomass water cooling
4. Full-scale Installation
3. Full-scale Demonstration
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Biogasanlage Wesel
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BGA Wesel Kenndaten: – Anlagengrösse: 500 kW, 2 Fermenter je 1.000 m³ – Input: 27 t Maissilage, 8 t Gülle täglich – Verweilzeit: 40 Tage – Biogasproduktion: 220 m³/h – Methangehalt ca. 55% Ziel: – Steigerung der Biogasausbeute • Lösung 1: Einkauf von größerer Menge an Substrat • Lösung 2: Einsatz des Ultrawaves Ultraschallsystems
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BGA Wesel Einsatz der Ultraschalldesintegration 12/2007 – 04/2008: Teilstrombeschallung von ca. 25 m³/d des Fermenterinhalts (@ 4,8 kWh/m³), entspricht ca. 30 bis 50% des Vol.stroms der täglich den Fermentern zugeführten Substratmenge Fermenter 1
US-Behandlung: 25 m³/d Abwechselnd Fer 1 & 2
Ablauf
Fermenter 2
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BGA Wesel Ergebnisse: – Biogasproduktion: 19%-ige Steigerung – BHKW: 19%-ige Leistungserhöhung – Amortisierung der Investitionskosten 2-4 Jahre
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Erzeugte el. Energie [kW]
BGA Wesel
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Eingesetzte Substratmenge [t oTM/d]
Biogasanlage Lindow
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BGA Lindow Kenndaten: – Anlagengrösse: 500 kW, 1 Fermenter à 1.950 m³, 1 Nachgärer à 900 m³ – Input: 12 t Maissilage, 3 t GPS, 3 t Putenmist, 2 t Getreide, 5 t Grassilage, Gülle – Verweilzeit: 40 Tage – Biogasproduktion: 245 m³/h – Methangehalt ca. 55% Ziel: – Einsparung an Substrat • Lösung: Intensivierung des anaeroben Abbaus und Steigerung der spezifischen Biogasproduktion
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BGA Lindow Einsatz der Ultraschalldesintegration seit 03/2008: Teilstrombeschallung von ca. 15 m³/d des Gärrests (aus Gärrestlager; @ 4,8 kWh/m³) und Rückführung in den Fermenter, entspricht ca. 25% des Vol.stroms der täglich dem Fermenter zugeführten Substratmenge
Fermenter
Nachgärer zz
Restlager
US-Behandlung: 15 m³/d
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BGA Lindow Ergebnisse: – Biogasproduktion: 15%-ige Steigerung – BHKW: 15%-ige Leistungserhöhung – Entspricht ca. 13% Substrateinsparung – Amortisierung der Investitionskosten 3-4 Jahre
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BGA Lindow
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Auszeichnungen Technologie-Transfer Innovation 2002
Innovationspreis Dt. Industrie 2006
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Innovationspreis Land BadenWürttemberg 2007
ULTRAWAVES – Partner
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Fazit •
Ultraschallbehandlung zur Biomassedesintegration ist eine marktreife Technologie
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Diverse Labor-, Pilot- und full-scale Studien haben Potenzial und Nutzen der Ultraschalldesintegration zur Steigerung der Biogasproduktion nachgewiesen.
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Weitere Infos unter www.ultrawaves.de www.ch4-booster.de
