Vorlesung 5 Flashcards
Bemessung und Betrieb von Anlagen zur Vergärung sowie Aufbereitung von Biogasen
Wie hoch ist der Trockenmassegehalt bei der Nassvergärung, bei der Semi-Trockenvergärung und der Trockenvergärung?
- Nassvergärung: < 15 % TS
- Semi-Trockenvergärung 15 - 20 % TS
- Trockenvergärung: > 20 % TS
Wie hoch ist die Gärtemperatur bei psychrophilen, mesophilen, thermophilen Verfahren?
- psychrophil: =< 25 °C
- mesophil: 33 - 37 °C
- thermophil: 55 - 60 °C
Was benötigen MO für die Nahrungsaufnahme?
MO benötigen für die Nährstoffaufnahme wässriges Milieu (Mindestfeuchten)
In welche Formen der Fermentation unterscheidet man?
Nass- und Trockenfermentation
Was spiegelt der Feststoffgehalt wider und was beeinflusst dieser?
Feststoffgehalt spiegelt die Substratkontzentration wider und beeinflusst die Leistungsfähigkeit der MO und die Prozessführung
Was begünstigen hohe Feststoffgehalte?
Hohe Feststoffgehalte begünstigen säurebildende MO
Was begünstigt ein geringer Feststoffgehalt?
Geringe Feststoffgehalte begünstigen Methanbildner
Warum werden zweistufige Prozessführungen gewählt?
Wegen gegensätzlicher Optimalbedinungen werden zweistufige Prozessführungen gewählt
Was sind die Vorteile der Trockenfermentation?
- geringer Energiebedarf für Erwärmung, da weniger H2O
- höhere spezifische Raumbelastungen möglich
- geringerer Aufwand zur Produktentwässerung
Was sind die Nachteile der Trockenfermentation?
- unvollständige Durchmischung
- lokal erhöhte Toxin- und Salzgehalte sowie Stoffwechselzwischenprodukte
- erschwerte Diffusion
- verminderter Abbaugrad
Was sind die Vorteile der Nassfermentation?
- einfachere Betriebsführung
- begünstigter Stoffaustausch im flüssigen Medium
- Vermeidung lokaler Unterversorgung und lokaler Anreicherung mit Zwischenprodukten und Toxinen
- Störstoffe können abgeschieden werden
- homogener Schlamm
Was sind die Nachteile der Nassfermentation?
- höhere Energie notwendig
- im Vergleich zur Trockenfermentation größere Reaktorvolumina
Was sind die Vorteile eines thermophilen Betriebs?
- schneller Abbau
- kürzere Verweilzeiten
- vollständiger Umsatz
- höhere Gasproduktion
- Hygienisierung
Was sind die Nachteile eines thermophilen Betriebs?
- höherer CO2-Anteil
- niedriger CH4-Anteil
- höherer N2-Anteil
- erhöhter Energiebedarf
Was sind die Vorteile eines mesophilene Betriebs?
- einfachere Prozessführung
- geringerer Energiebedarf zur Aufheizung
Was sind die Nachteile eines mesophielen Betriebs?
- größeres Reaktionsvolumen als thermophil
- keine gesicherte Hygeniesierung
Mit welchen Anlagen werden pumpfähige Substrate transportiert?
- Kreiselpumpen
- Verdrängerpumpen
- Exzenterschneckenpumpe
- Drehkolbenpumpen
- Balgpumpen
Mit welchen Anlagen werden stapelbare Substrate transportiert?
- Kratzböden
- Schubböden
- Overhead-Schubstange
- Förderschnecken
Wie wird aktive Biomasse bei der Nassfermentation zurückgehalten?
Externe Anreicherung: ausgetragene Bakterien sedimentieren und werden als Bakterienschlamm wieder in den Inputstrom zurückgehalten
- Kontaktreaktoren
Interne Anreicherung:
Bakterien werden schon innerhalb des Reaktors zurückgehalten
- UASB-Reaktoren (upflow anaerobic sludge blanket)
- Festbettreaktoren
Wie wird aktive Biomasse bei der Trockenfermentation zurückgehalten?
- bakterienreiche Fraktionen des ausgegorenen Materials werden als Impfmaterial zurückgeführt
In welche Phasen kann der anaerobe Abbau eingeteilt werden?
- Einstufenprozess: Abbau in einem Reaktor; Kompromiss zwischen den verschiedenen Milieubedingungen
- Zweistufenprozess: Hydrolyse und Säurebildung sowie die Schritte der Essigsäure- und Methanbildung in räumlich voneinander getrennt Reaktoren
Was sind die Vorteile der einstufigen Prozessführung?
- einfacher Betrieb
- keine zwischengeschaltete Phasenseperation
Welche Nachteile hat die einstufige Prozessführung?
- größeres spezifisches Reaktorvolumen
- geringfügig höherer Energiebedarf
Welche Vorteile hat die zweistufige Prozessführung?
- weitgehende Trennung der Mikroorganismengesellschaften
- Entkopplung der Hydrolyse als geschwindigkeitsbestimmenden Schritt der Methanbildung
- kurze Verweilzeiten im Methanreaktor
Welche Nachteile hat die zweistufige Prozessführung?
- größerer apparatetechnischer Aufwand
- bei kleineren Anlagen nicht geeignet
Wie erfolgt die Berechnung des Reaktorvolumens?
Die Bemessung des Reaktorvolumens von Vergärungsanlagen erfolgt analog zur Bemessung des Faulbehältervolumens kommunaler Kläranlagen nach der Raumbelastung und Durchflusszeit
Wie hoch sind Durchflusszeit und Raumbelastung bei einem Anschlusswert von:
- < 4000
- 4000 - 8000
- > 8000
< 4000:
- Durchflusszeit: >= 20
- Raumbelastung: =< 2,0
4000 - 8000:
- Durchflusszeit: 15 - 20
- Raumbelastung: 2,0 - 3,5 (2,5)
> 8000:
- Durchflusszeit: >= 15
- Raumbelastung: 3,5 - 5,0 (4,0)
Wie unterscheiden sich Vergärung und Kompostierung hinsichtlich des Kohlenstoffabbaus?
- nur aerobe Kompostierung: 40 % Kohlenstoffabbau
- anaerobe Vergärung mit anschließender aeroben Kompsotierung: 76 % Kohlenstoffabbau
Wie unterscheiden sich Kompostierung und Vergärung in der Prozessbeschreibung?
Kompsotierung:
- aerob
- Zugabe von Strukturmaterial
- exotherm (Selbsterhitzung)
Vergärung:
- anaerob
- leicht exotherm
Wie unterscheiden sich Kompostierung und Vergärung hinsichtlich des geeigneten Ausgangsmaterials?
Kompostierung:
- strukturreich, ligninhaltig, Wassergehalt < 70 %
Vergärung:
- strukturarm, ligninarm, hoher Wassergehalt
Wie unterscheiden sich Kompostierung und Vergärung hinsichtlich der optimalen Substratfeuchte?
Kompostierung:
- 40 - 60 %
Vergärung:
- 60 - 95 %
Wie unterscheiden sich Kompostierung und Vergärung in der Behandlungsdauer (abhängig vom Rottegrad)?
Kompostierung:
- ca. 8 - 12 Wochen
Vergärung:
- ca. 20 Tage (anaerob), zzgl. 4 - 6 Wochen Nachrotte
Wie unterscheiden sich Kompostierung und Vergärung im Energiebedarf?
Kompsotierung:
- energieintensiv (Belüftung)
Vergärung:
- energieunabhängig
Wie unterscheiden sich Kompostierung und Vergärung beim Platzbedarf?
Kompostierung:
- 0,4 - 1,9 Kubikmeter pro Tonne
Vergärung:
- 0,1 - 1,2 Quadratmeter (?) pro Tonne (geringer Platzbedarf für Vergärung, mit Nachrotte nur geringe Vorteile)
Wie unterscheiden sich Kompostierung und Vergärung in ihren Emissionen (Abwasser und Geruch)?
Kompostierung:
- Abwasser: gering
- Geruch: hoch
Vergärung:
- Abwasser: hauptsächlich bei Nassfermentation
- Geruch: geringer
Wie unterscheiden sich Kompostierung und Vergärung in ihren spezifischen Kosten?
Kompostierung:
- in Abhänigkeit vom Durchsatz ca. 65 - 100 € pro Tonne bei Kompost, ca. 65 € pro Tonne bei Frischkompost
Vergärung:
- in Abhängigkeit vom Durchsatz ca. 70 - 200 € pro Tonne (bei mittleren Anlagen vergleichbar mit Kompostierung)
Worauf wird der tägliche Biogasvolumenstrom bezogen?
- das Reaktorvolumen
- die zugeführte organische Trockensubstanz (m_oTS,zugeführt)
- die abgebaute organische Trockensubstanz (m_oTS,abgeführt)
Was ist die durchschnittliche Biogasdichte?
1,22 kg pro Kubikmeter
Ist Biogas vollständig wasserdampfgesättigt?
Ja.
Welche Nutzungsmöglichkeiten des Biogases beeinflussen die Anforderungen an die Aufbereitung bzw. die Qualität?
- Dezentrale Verstromung und Wärmegewinnung im BHKW
- Einspeisung ins öffentliche Gasnetz
- Kraftstofferzeugung
Wodurch werden die Anforderungen an das Biogas im Wesentlichen bestimmt?
- Emissionsgrenzwerte für die Verbrennungsgase (TA-Luft)
- Korrosionsverhalten der eingesetzten Werkstoffe für den Gastransport, die Gaslagerung und Gasnutzung
- Standfestigkeit von Betriebsmitteln (Motoröl)
- Empfindlichkeit von Katalysatoren gegenüber Katalysatorengiften
- Querschnitte von Düsen und Spalten in Motoren und Turbinen (Gefahr der Verstopfung durch Partikel)
Wann ist eine Aufbereitung des Biogases für die Nutzung in einem BHKW erforderlich (Gasbrenner und Kraft-Wärme-Kopplung)?
Gasbrenner:
- H2S: > 0,1 Vol.-%
- H20: von Vorteil
- CO2: nein
Kraft-Wärme-Kopplung:
- H2S: > 0,05 Vol.-%
- H20: von Vorteil
- CO2: nein
Wie lautet die Reaktionsgleichung für die Gewinnung von Wasserstoff aus Biogas?
- Erzeugung von Kohlenmonoxid und Wasserstoff aus Methan und Wasser
CH4 + H2O <-> CO + 3H2 deltaH = 9206,2 kJ/mol
- Erzeugung von Kohlendioxid und Wasserstoff aus dem in Schritt 1 erzeugten Kohlenmonoxid und zugeführtem Wasser
CO + H2O <-> CO2 + H2
deltaH = -41,2 kJ/mol
Wie kann Wasserstoff gewonnen werden?
Der Wasserstoff wird in einem Reformer durch die katalytische Umsetzung methanreichen Gases mit Wasserdampf gewonnen
In welche Gruppen gliedert sich die Einteilung der Gase nach DVGW G 260?
- Wasserstoffreiches Gas (Gruppe A: Stadtgas und Gruppe B: Ferngas)
- Methanreiches Gas (Gruppe L-Gas und Gruppe H-Gas),
- Flüssiggase (Propan/Butan)
- Kohlenwasserstoff-Luft-Gemische (Flüssiggas-Luft oder Erdgas-Luft)
Nenne die Aufbereitungsschritte der Biogasaufbereitung.
- Biogas
- Trocknung
- Entschwefelung (Heizkessel, BHKW, Gasturbine)
- Methananreicherung
- Partikelabscheidung / (Feinreinigung) (Netzeinspeisung, Kraftstoff)
- Feinreinigung (H2S, NH3, CO, O2) (Brennstoffzelle)
Warum ist die Biogastrocknung erforderlich und wann?
- Biogas enthält Wasserdampf (35 bis 100 g pro Kubikmeter) -> führt zu Kondensation, Korrosion und Abnahme des Wirkungsgrads
- Biogastrocknung ist immer erforderlich
Wie läuft die Kondensationstrocknung ab?
- Abkühlung des Gasstromes auf eine Temperatur unterhalb des Taupunktes
- Abkühlung des Gasstroms auf ca. 2 °C wobei vorrangig Anteile des vorhandenen Wasserdampfes, aber auch höhere Kohlenwasserstoffe, kondensieren
- Im Anschluss daran wird der Gasstrom wieder auf 10 bis 15 °C erhitzt
Was ist die Adsorptionstrocknung?
- Molekullarsiebe oder Kieselgele (Silikatgel)
- Die dann mittels Temperaturwechseladsorption (TSA) regenertiert werden
- Anwendung: bei kleinen bis mittleren Volumenströmen im Bereich von 100 bis 100.000 Kubikmeter pro Stunde
Was ist die Absorptionstrocknung?
- Herauswaschen sowohl von Wasserdampf als auch von höheren Kohlenwasserstoffen mittels Lösngsmittel (Glykol)
- Das beladene Glykol bzw. Triethylenglykol wird in der Desorptionskolonne durch Erhitzung auf 200 °C regeneriert
- Anwendung bei Volumenströmen von > 500 Kubikmeter pro Stunde
Welche Verfahren gehören zur chemisch-physikalischen Entschwefelung von Biogas?
- Fällung
- Absorption
- Adsorption
- Oxidation
- Druckwäsche
- Membrantrennung
Welche Verfahren gehören zur biologischen Entschwefelung von Biogas?
- direkt im Fermenter
- Biowäscher
- Biofilter
Welche Verfahren gehören zur kombinierten Entschwefelung von Biogas?
Laugenwäsche + biologische Oxidation
Stelle die Reaktionsgleichung für die Biologische Entschwefelung auf.
H2S + O2 -> 2S + 2H2O
2S + 2H2O + 3o2 -> 2H2SO4
Wodurch wird die Entschwefelung im Reaktor umgesetzt? Was sind die optimalen Bedingungen dafür?
Innerhalb des Reaktors durch aerobe Mikroorganismen:
- Zuluftbedarf von 3 bis zu 5 % der Gasproduktionsrate
- Ausreichend große Besiedlungsoberflächen für die Bakterien
- Optimaler Temperaturbereich liegt bei 35 °C
- Schwankende Biogasmengen und Gaskonzentrationen wirken sich negativ auf die Abbauleistung aus
Wann wird die Adsorption eingesetzt?
- i.d.R. nur eingesetzt in Kombination mit der Methananreicherung im Zuge der Biogaseinspeisung
Was ist das Membranverfahren in der Biogasaufbereitung?
- Im Bereich der Biogasaufbereitung relativ neues Verfahren, Technik noch in der Entwicklung/Erprobung
- Prinzip: Trennung von CH4 und anderen Gaskomponenten durch die verschiedenen Diffusionsgeschwindigkeiten der unterschiedlich großen Gasmoleküle
Wie viel CO2 enthält das Biogas? Was beeinflussen Methananreicherung/CO2-Abscheidung und wann sind diese erforderlich?
- Biogas enthält bis zu 45 % CO2
- Beeinflusst u.a. die brenntechnischen Kenndaten Brennwert, Heizwert, Dichte und Wobbe-Index
- Erforderlich im Zuge der Einspeisung ins Erdgasnetz
Wie wird das nach der CO2-Abtrennung erhaltene Reingas genannt?
Biomethan
Wie funktioniert die Druckwechseladsorption?
- Kohlenstoffdioxid wird durch starke und schnelle Druckwechsel an regenerierbare Aktivkohle adsorbiert
In welche Teilschritte kann die Druckwechseladsorption (PSA) unterteilt werden?
Erfolgt in vier Teilschritten:
- Adsorption von Kohlenstoffdioxid (CO2) aus dem Biogas bei höherem Druck an der Aktivkohle oder dem Molekularsieb in einer Kolonne (ca. 10 bar)
- Entspannung des Druckes nach Umleitung des Biogases auf eine zweite Kolonne (in der Schritt 1 dann erneut stattfindet) bei Spülung mit Umgebungsluft
- Desorption des Kohlenstoffdioxids von der Aktivkohle im Gleichstrom bzw. Gegenstrom in Umgebungsluft
- Druckaufbau in der Kolonne und Zufuhr von Biogas, um wieder mit Schritt 1 zu beginnen
Was sind die Vorteile der PSA?
- Trockenes Verfahren, daher kein Anfall von Abwasser
- Gut geeignet für kleine Anlagenkapazitäten
Was sind die Nachteile der PSA?
- Relativ hoher Stromverbrauch sowie die notwendige Entsorgung der Aktivkohle
- die H2S-Konzentration darf max. 400 mg pro Kubikmeter betragen, wodurch eine Grobentschwefelung notwendig ist
- hohe Methanverluste
Was sind die Qualitätsparameter bei der PSA?
- CH4-Gehalt im Rohgas 65 % im Produktgas > 97 %
- H2S-Gehalt im Rohgas 300 mg pro Kubikmeter im Produktgas < 5 mg pro Kubikmeter
Was ist die Druckwasserwäsche?
- Druckwasserwäscheverfahren nutzen die bei veränderlichen Drücken unterschiedlichen Löslichkeiten von CH4 und CO2 in Wasser
- Biogas ohne vorherige Entschwefelung wird auf ca. 10 bar verdichtet und einer Absorptionskolonne zugeführt, die es von unten nach oben durchströmt
- Stäube und Mikroorganismen werden größtentels ebenfalls vom Waschwasser aufgenommen
- Das gereinigte Gas verlässt die Kolonne mit einem Methangehalt von bis zu 98%
- der prozessbedingt im Gas enthaltende Wasserdampf muss anschließend auskondensiert werden
- das Waschwasser wird durch mehrstufige Entspannung wieder vom enthaltenen CO2 befreit
- H2S wird aufgrund der guten Wasserlöslichkeit bei diesem Verfahren weitesgehend gleichzeitig mit dem CO2 aus dem Gas entfernt
Was sind die Vorteile der DWW?
- große Flexibilität (der Biogasdurchsatz über eine Drehzahlregelung der Kompressoren berücksichtigt werden)
- Druck und Temperatur können je nach CO2-Gehalt im Rohgas geändert werden
- es kann gesättigtes Biogas aufbereitet werden und es wird neben CO2 auch H2S und NH3 absoriert
- geringe Investiotionskosten und Betriebskosten
Was sind die Nachteile der DWW?
- Hoher Energiebedarf für die Umwälzing des Waschwassers
- problem des verfahrens: Löslichkeit von H2S in Wasser sehr hoch -> in der Desorptionskolonne gelingt es nicht, das gesamte H2S wieder auszutreiben
- ein Teil des h2S wird zu elementaren Schwefel oxidiert, der sich im System anreichert und zu Verstopfungen führen kann -> Waschwasseraustausch oder Entschwefelung des Biogases bereits vor dem Waschverfahren erforderlich
Was ist die Feinstaufbereitung/Konditionierung?
Zur Einspeisung in Erdgasnetze bzw- zur Nutzung aös Fajrzeigtreibstoff müssen eine Reihe unterschiedlicher Kriterien erfüllt werden
- Abscheidung von Spurengasen (Feinreinigung)
- Einstellung des Brennwerts bzw. Wobbe-Indexes
- mit aufbereitetem Biogas lassen sich - je nach Herkunft des Erdgases im Erdgasnetz - die geforderten Brennwerte und der Wobbe-Index nicht mehr erreichen -> Zumischung von Propan/Butan zur Brennwertanpassung erforderlich
Aus Sicherheitsgründen kann eine Odorierung des aufbereiteten Gases nötig sein -> Möglichkeit der Detektion des ausströmenden Gases i Havariefall
