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Biogaserzeugung effizienter machen

Simulationstechnologie steigert den Wirkungsgrad
Biogaserzeugung effizienter machen

Ein weiterer Ausbau der Biogastechnologie scheiterte bisher vor allem am vergleichsweise niedrigen Wirkungsgrad bei der Erzeugung dieses umweltfreundlichen Energieträgers. Ein neues Verfahren zur verbesserten Erschließung des energetischen Potenzials von pflanzlichen Reststoffen, kombiniert mit dem Einsatz von Simulationstechnologie in Anlagenplanung und Produktion, verspricht mehr Effizienz und Nachhaltigkeit in der Biogaserzeugung.

Autoren Dr. Friedrich Streffer Geschäftsführer und Leiter der Entwicklung, Maxbiogas Katrin Sulzbacher Projektmanagement, Inosim Consulting

Biogas wird aus organischen Abfällen und Reststoffen gewonnen und ist damit eine vielversprechende Alternative zu fossilen Energieträgern. Denn Biogas ist im Prinzip klimaneutral und kann als Energiequelle auch nicht versiegen. Die Technologie, um Biogas in den Bereichen Verkehr, Strom und Wärme zu nutzen, ist bereits heute ausgereift. Dennoch kommt das Gas in Relation zu fossilen Energieträgern bisher kaum zur Anwendung. Denn der Wirkungsgrad heutiger Anlagen zur Erzeugung von Biogas ist vergleichsweise gering. Bisher lässt sich das Gas kaum wirtschaftlich genug erzeugen, um mit Energieträgern wie Erdöl, Erdgas, Kohle oder auch Kernkraft im globalen Rahmen konkurrieren zu können.
Eine Ursache für den geringen Wirkungsgrad der Biogasanlagen, in denen pflanzliche Reststoffe verwertet werden, ist das in den Pflanzen enthaltene Lignin. Es wird in die pflanzliche Zellwand eingelagert und bewirkt dadurch die Verholzung der Zelle. Ohne Lignin könnte kein Baum und keine Maispflanze aufrecht stehen. Was jedoch in der Natur ein Vorteil ist, verursacht beim Aufschluss der Pflanzen für die Biogaserzeugung ein Problem: Das Lignin behindert die Verwertung des pflanzlichen Substrats durch die Mikroorganismen, die letztlich das Gas erzeugen. Es ist für diese ab einem gewissen Lignin-Anteil schlicht nicht mehr verdaulich. Dies führt dazu, dass bei der Biogaserzeugung nur ein geringer Teil des Rohstoffs genutzt wird und eine große Menge an organischen Gärresten als Abfall zurückbleibt.
Verfahren erhöht den Wirkungsgrad
Die Maxbiogas GmbH in Marienwerder hat ein Verfahren entwickelt, das diese Gärreste (und verholzte Biomasse wie Agrarreste, Landschaftspflegematerial etc.) als Rohstoff für die weitere Biogasgewinnung erschließt: Nach „Anverdauung“ des organischen Materials in der Biogasanlage erfolgt in einem zweiten Prozessschritt ein chemischer Aufschluss, der auch noch die Gärreste für Mikroorganismen verwertbar werden lässt. Werden die so aufgeschlossenen Gärreste in die Anlage zurückgeführt, lässt sich der bisherige Wirkungsgrad des Fermenters von derzeit bestenfalls ca. 50 % auf bis zu 100 % je nach Lignin-Anteil heben. Ein zusätzlicher, erwünschter Nebeneffekt: Nunmehr werden auch holzartige Substrate wie Laub, Grünschnitt, Ernterückstände und sogar Holz für die pflanzenbasierte Biogaserzeugung nutzbar.
Überprüfung per Simulation
Die Maxbiogas-Idee wurde bisher experimentell im Labormaßstab getestet und validiert. Als Nächstes musste geprüft werden, ob eine Anwendung auch im industriellen Maßstab erfolgversprechend ist. Um diese Frage zu untersuchen, bietet sich der Einsatz der Simulationstechnologie an. Mithilfe der Prozesssimulations-Software Inosim Professional wurde daher ein virtuelles Modell der Maxbiogas-Technologie erstellt.
Durch Anwendung des Simulationsmodells erzeugten Ingenieure der Inosim Consulting Massen- und Energiebilanzen der Lignin-Extraktionsanlage (LX-Anlage) sowie Kostenschätzungen und Wirtschaftlichkeitsberechnungen. Dazu erfolgte zunächst eine Datenübergabe aus dem experimentellen Prozess in die Software und die anschließende Simulation für einen Maßstab von 1000 t Substrat pro Jahr. Entsprechend wurden die LX-Anlage und ihre einzelnen Apparate am Bildschirm dimensioniert. Die virtuelle Kostenrechnung umfasste die Betriebs- und Investitionskosten. Dann erfolgte eine Anzahl von Simulationsläufen für einen definierten Zeitraum, um zu überprüfen, ob sich die gewünschte Tonnage mit der eingesetzten Technologie erreichen ließ.
An dieser Stelle erwies sich, wie sinnvoll der Einsatz von Simulationstechnologie als Zwischenschritt zwischen Labor und Pilotanlage gewesen war. Denn die Simulation zeigte, dass ein Scale-up des Laborprozesses allein noch nicht zu wirtschaftlichen Ergebnissen führen würde. Die Inosim-Ingenieure erarbeiteten gemeinsam mit Maxbiogas daraufhin Vorschläge zur Prozessverbesserung. Nach einer Reduktion der im Laborexperiment veranschlagten Lösemittelmenge und einer Optimierung des Recyclings des Lösemittels lief der Prozess dann in der Simulation wirtschaftlich.
Effizienzsteigerung ist machbar
Maxbiogas lagen nun dank Simulationstechnologie aussagekräftige Daten für das Design der Pilotanlage vor, die anschließend den vom Investorenverbund für das Projekt beauftragten Experten zur Prüfung vorgelegt werden konnten. Somit konnten die weitere Finanzierung und die Anlagenplanung für den nächsten Projektschritt auf den Weg gebracht werden. Zugleich konnte eine erste Öko-Effizienzbilanz erstellt werden. Die Simulation zeigte dabei:
  • Der Wirkungsgrad der Biogasanlage lässt sich deutlich erhöhen.
  • Pflanzliche Reststoffe können wirtschaftlich zur Biogasproduktion genutzt werden.
  • Es werden weniger Rohstoffe zur Produk- tion der gleichen Strommenge gebraucht.
  • Es wird weniger landwirtschaftliche Nutzfläche für eine definierte Strommenge benötigt.
prozesstechnik-online.de/cav0215414

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