Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGBOrganische Reststoffe, die keiner weiteren stofflichen Verwertung zugeführt werden können, eignen sich für die Umsetzung mittels Vergärung. Hierbei bauen anaerobe Mikroorganismen organische Kohlenstoffverbindungen über verschiedene Zwischenstufen zu Biogas ab, einem Gemisch aus Methan und Kohlenstoffdioxid. Für die Vergärung von Klärschlamm hat das Fraunhofer IGB ein besonders effizientes Hochlastverfahren entwickelt, mit dem auch andere organische Abfälle wie Biomüll und Küchenabfälle oder landwirtschaftlicher Reststoffe effizient zu Biogas umgesetzt werden können.
Die zweistufige Hochlastfaulung in Edenkoben erlaubt es, die Kläranlage flexibel an die hohe Abwasserfracht während der Weinlese anzupassen.
© Foto Verbandsgemeindewerke Edenkoben
Bioenergie.
Zweistufige Pilotanlage zur Vergärung von Obst- und Gemüseabfällen.
© Fraunhofer IGB
Gewinnung von Biogas durch Hochlastfaulung von Klärschlamm, Gülle und organischen Reststoffen
Herausforderung: Effiziente Nutzung organischer Fracht und Rückgewinnung nutzbarer Inhaltsstoffe
Angesichts der Endlichkeit fossiler und biologischer Rohstoffe wird es für Unternehmen, Kommunen und Staaten immer wichtiger, vorhandene Ressourcen effizienter und intelligenter zu nutzen und Inhaltsstoffe nach dem Ansatz der Kreislaufwirtschaft für eine stoffliche oder energetische Nutzung zurückzugewinnen.
Schlammfaulung auf Kläranlagen – Alternative zur Schlammstabilisierung
Kläranlagen entfernen organische Inhaltsstoffe aus dem Abwasser. Verfault der dabei anfallende Schlamm, entsteht als Produkt Biogas. Allerdings verfügen nur gut ein Zehntel der über 10 000 Kläranlagen in Deutschland über einen Faulturm.
Ein weitere Herausforderung ist die Verwertung des anfallenden Schlamms, dessen Nutzung bereits weit eingeschränkt wurde.
Unser Lösungsansatz: Hochlastfaulung für maximale Biogasausbeute und erhöhte Energieeffizienz
Anaerobe Vergärung zu Biogas
Die Biogas-Anaerobtechnik wird, auch in technischen Dimensionen, schon lange angewandt, beispielsweise bei der Stabilisierung von Klärschlamm oder Gülle. Diese Technik zur Umwandlung organischer Reststoffe aus kommunaler oder industrieller Produktion bietet aber noch mehr Potenzial, wenn die bisher erreichte Teilentsorgung mit dem Ziel nur kleinster Reststoffmengen verbessert wird.
Hochlastvergärung für verbesserten Abbaugrad und mehr Biogas
Für die Vergärung von Klärschlamm zu Biogas hat das Fraunhofer IGB ein besonders effizientes Hochlastverfahren entwickelt. Bereits 1994 wurde es erstmals auf der Kläranlage Leonberg realisiert und wird inzwischen von verschiedenen kommunalen Kläranlagen erfolgreich betrieben.
Die Bilanz zeigt: Die Hochlastfaulung setzt den Schlamm sehr viel schneller und kostengünstiger zu Biogas um als herkömmliche Faultürme. Auch größere Kläranlagen, deren Faultürme mittlerweile veraltet sind, könnten mit dieser modernen Technologie mehr Biogas produzieren und so ihre Kosten- und Energieeffizienz verbessern.
Auch für organische Reststoffe und landwirtschaftliche Biogasanlagen
Auch für die anaerobe Behandlung von industriellen Biomassereststoffen oder Küchenabfällen sowie in landwirtschaftlichen Biogasanlagen wurde die Hochlastfaulung bereits erfolgreich eingesetzt. So lassen sich organische Reststoffe, die keiner weiteren stofflichen Verwertung zugeführt werden können, mittels Vergärung wertschöpfend zu Biogas umsetzen.
Wesentliche Vorteile der Hochlastfaulung
- Kürzere Verweilzeiten (5 – 10 Tage) bei kleinerem Faulraum
- Höherer Abbaugrad, somit höhere Biogasausbeute und verbesserte Energieeffizienz
- Keine Schaumprobleme auf Kläranlagen
- Bessere Entwässerbarkeit des ausgefaulten Schlamms/Gärrests, auch für eine Weiternutzung (z. B. Nährstoffrückgewinnung und Trocknung als Torfersatz)
- Geringere Betriebs- und Entsorgungskosten
Anlagentechnik
Anlagentechnisch kristallisieren sich derzeit moderne Bioreaktoren, in Verbindung mit membrangestützter oder mechanischer Trenntechnik, als zukunftsweisende Strategien heraus. Für manche Abfälle kann auch die Kombination von Aerob- und Anaerobtechniken sinnvoll sein, um einen möglichst vollständigen Abbau zu erreichen.
Hochlastfaulung
Das Verfahren
Schema der Hochlastfaulung
Das Verfahren wurde für die Effizienzsteigerung bei der Klärschlammfaulung entwickelt und war diesbezüglich Gegenstand intensiver Forschungsarbeiten am Fraunhofer IGB. Das Hochlastverfahren zeichnet sich durch einen wesentlich verbesserten Wirkungsgrad, kurze Verweilzeiten und hohen Abbaugrad aus.
Es wird zur anaeroben Umsetzung organisch abbaubarer Substrate wie Klärschlamm, aber auch von Gülle, Bioabfall oder anderen organischen Reststoffen eingesetzt. Aufgrund der im Vergleich zu anderen Verfahren wesentlich erhöhten Biogasausbeute gewinnt es zunehmend an Attraktivität.
Betriebsdaten
Einstufige Anlage in Ilsfeld
Pilotanlage zur vergleichenden Untersuchung der Vergärung von nachwachsenden Rohstoffen mit Hochlast- und herkömmlichen Betrieb.
Betriebsdaten des Verfahrens im Vergleich zur herkömmlichen Faulung
Kürzere Verweilzeit
Auch bei hohem Feststoffgehalt kann der Klärschlamm mit einer Verweilzeit von nur 5 bis 10 Tagen umgesetzt werden. Herkömmliche Faultürme werden mit durchschnittlich 20 bis 30 Tagen Verweilzeit betrieben. So werden organische Raumbelastungen von 8 – 10 kg oTR / m3· d statt 1 – 2 kg oTR / m3· d erreicht.
Höhere Biogasausbeute
Mit der Hochlastfaulung kann je nach Qualität der Rohschlämme die Biogasproduktion auf bis zu 23 Liter Biogas pro Einwohnerwert (EW) und Tag gesteigert werden. Mit einer herkömmlichen Faulung werden dagegen durchschnittlich nur 19,7 Liter Biogas pro Einwohnerwert und Tag erreicht [Haberkern et al; Steigerung der Energieeffizienz auf kommunalen Kläranlagen Umweltbundesamt Texte Nr. 11 / 08, Dessau-Roßlau, März 2008] . Das Gas kann zur Energieversorgung der Anlage oder zur Trocknung des Klärschlamms genutzt oder als technisch und kommerziell verwertbarer Energieträger abgegeben werden.
Weniger Gärrückstände
Im Zuge der erhöhten Biogasproduktion reduziert die Hochlastfaulung auch den Gehalt an organischen Inhaltsstoffen – je nach spezifischer Verfahrenskombination um 50 – 70 Prozent. Der organische Anteil des Trockenrückstands beträgt nur noch weniger als 50 Prozent. Der Schlamm kann dadurch besser entwässert werden. So fallen weit geringere Schlammmengen an, die günstig entsorgt werden können.
Nutzen für Betreiber
Nutzen für die Betreiber
Beitrag zur Energieeffizienz
Die am Fraunhofer IGB entwickelte Hochlastfaulung macht die Klärschlammfaulung zu einem Verfahren, das durch die effiziente Umsetzung der Klärschlamminhaltsstoffe zu Biogas wesentlich zur Wirtschaftlichkeit und Energieeffizienz von Kläranlagen beitragen kann.
In der AmmoRe-Pilotanlage wird auf der Kläranlage Erbach im Projekt RoKKa Ammonium aus dem Schlammwasser als Ammoniumsulfatlösung zurückgewonnen.
Entwässerung des Faulschlamms liefert nährstoffreiches Schlammwasser für Nährstoff-Recycling
Für eine weitergehende Nutzung bzw. Rückgewinnung von Inhaltsstoffen wird der Faulschlamm in einer Fest-Flüssig-Trennungsanlage, wie zum Beispiel in einer Kammerfilterpresse oder Zentrifuge, entwässert. Damit erhält man ein partikelfreies Schlammwasser, das den größten Teil der gelösten Nährstoffe (Stickstoff und Phosphor) enthält und somit direkt zur düngenden Bewässerung genutzt werden kann.
Alternativ können Stickstoff und Phosphor als Dünger zurückgewonnen werden. Das Fraunhofer IGB hat verschiedene Technologien für eine Nährstoff-Rückgewinnung entwickelt. Das entfrachtete organische Substrat lässt sich anschließend trocknen und ggf. (im Falle nicht belasteter Ausgangssubstrate) als humusreicher Bodenverbesserer nutzen.
Vorteile der Vergärung organischer Reststoffe: Biogas als vielseitig einsetzbares Produkt und Beitrag zur Energiewende
Vergärungsprozesse finden unter anaeroben Bedingungen, das heißt unter Ausschluss von Luftsauerstoff statt, wie z. B. im Pansen eines Wiederkäuers oder in Reisfeldern. Die Vergärung läuft in verschiedenen Stufen ab, bei denen jeweils unterschiedliche Bakterien beteiligt sind. Am Ende der anaeroben mikrobiellen Nahrungskette entsteht aus dem Kohlenstoffanteil der organischen Substanz immer ein Gemisch aus Kohlenstoffdioxid (CO2) und Methan (CH4) – Biogas. Aufgrund seiner hohen Nettoenergieausbeute ist es der wichtigste Bioenergieträger und vielseitig nutzbar.
Biogas: erneuerbare Energie mit vielseitigem Nutzungspotenzial
Im Blockheizkraftwerk liefert Biogas Strom und Wärme. Die Biogasgewinnung gilt in Verbindung mit der Kraft-Wärme-Kopplung als Technik mit sehr hohem CO2-Vermeidungspotenzial. Auf Kläranlagen hilft die Hochlastfaulung, den externen Strombedarf durch die Erzeugung von Biogas zu reduzieren. Die Stromerzeugung aus Biogas, das in Biogasanlagen vor allem aus silierten nachwachsenden Rohstoffen gewonnen wird, ist eine wichtige Säule der erneuerbaren Energien.
Grundlastfähig: kontinuierliche Erzeugung
Unter den erneuerbaren Energien nimmt Biogas als »Bioenergie« oder »Grüngas« für die Energiewende keine Sonderstellung ein: Während die Stromerzeugung aus Sonne und Wind stark vom Wetter abhängig ist, kann Biogas kontinuierlich erzeugt, über eine gewisse Zeit gespeichert und bei Bedarf im Blockheizkraftwerk mittels Kraft-Wärme-Kopplung zu Strom und Wärme umgesetzt werden. Damit ist die Stromerzeugung aus Biogas grundlastfähig und stabilisiert die Stromnetze.
Aufreinigung zu Biomethan als Kraftstoff und Chemiegrundstoff
Wird Biogas zu Biomethan aufbereitet, kann dieses ins Erdgasnetz eingespeist werden, als Kraftstoff für entsprechend ausgerüstete Fahrzeuge dienen oder als Chemiegrundstoff Verwendung finden. Damit koppelt es die Sektoren Energie und Chemie.
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Leistungsangebot
Leistungsangebot und Zusammenarbeit
Das Fraunhofer IGB entwickelt seit über 40 Jahren biotechnologische Verfahren für die Aufbereitung von Abfall und Wasser – von den mikrobiologischen Grundlagen über den Technikumsmaßstab bis hin zur großtechnischen Anlage. Wir sind Ansprechpartner für Kommunen und Industrieunternehmen, die Interesse haben, biologische Reststoffe zu nutzen und gleichzeitig Abfälle zu beseitigen.
In unseren Technikumsanlagen untersuchen wir die Vergärbarkeit verschiedener biogener Reststoffe und entwickeln Konzepte für die großtechnische Umsetzung. Basic- und Detail-Engineering auf Basis von Fraunhofer-Patenten werden durch unsere industriellen Partner aus dem Anlagenbau bewerkstelligt.
- Machbarkeitsstudien: Untersuchungen zur Vergärbarkeit , Quantifizierung der Biogasausbeute von Substraten/Cosubstraten
- Charakterisierung von Feststoffen und Substraten: Qualitative und quantitative Biogas-Analytik, Analytik von Inhaltsstoffen von Substraten
- Spezifische Analyse von Prozessen mit dem Ziel der Verfahrensverbesserungen: Beheben von Störungen, Steigerung der Effizienz, Prozess-Optimierungen
- Anaerobe Verfahren als Alternative zu aeroben Prozessen
- Potenzialermittlung zur Leistungssteigerung von Prozessen, z. B. Abwasserreinigung, Biogasanlagen, Klärschlammfaulung
- Entwicklung von anaeroben Verfahren zur Abwasserreinigung mit dem Ziel maximaler Umsetzung und Effizienz
- Verfahrensentwicklung zur anaeroben Behandlung von organischen Reststoffen, z. B. aus der Landwirtschaft, der Lebensmittelverarbeitung, Produktion
- Untersuchungen zur Klärschlammvergärung für die Ermittlung von Auslegungsparametern
- Technische Umsetzung bis in den Pilotmaßstab
- Wissenschaftliche Begleitung bei der Inbetriebnahme von Prozessen im technischen Maßstab
Ausstattung
Infrastruktur und Geräteausstattung
- Bioreaktoren unterschiedlicher Art und Größe (Labor-, Pilot- und technischer Maßstab)
- Mobile Membranbioreaktoren für die Abwasserreinigung
- Technikum für Umwelt- und Bioverfahrenstechnik
- Mobile Pilotanlagen im m3-Maßstab zur Generierung von Auslegungsdaten vor Ort für die Planung und den Bau innovativer Demonstrationsanlagen
Publikationen
Wissenschaftliche Publikationen
| Jahr Year | Titel/Autor:in Title/Author | Publikationstyp Publication Type |
|---|---|---|
| 2015 | Anaerobe Batch-Fermentation mit Mais- und Amaranthsilagen: Biogasproduktion und molekulare Charakterisierung mikrobieller Gemeinschaften Kempter-Regel, Brigitte; Grumaz, Christian; Wiese, Franziska; Scherge, Katharina; Birk, Carolin; Schließmann, Ursula; Stevens, Philip; Sohn, Kai; Bryniok, Dieter |
Konferenzbeitrag Conference Paper |
| 2014 | Power generation based on biomass by combined fermentation and gasification - A new concept derived from experiments and modelling Methling, T.; Armbrust, N.; Haitz, T.; Speidel, M.; Poboss, N.; Braun-Unkhoff, M.; Dieter, H.; Kempter-Regel, B.; Kraaij, G.; Schliessmann, U.; Sterr, Y.; Wörner, A.; Hirth, Thomas; Riedel, U.; Scheffknecht, G. |
Zeitschriftenaufsatz Journal Article |
| 2011 | Potencial de otimização da produção de biogás gerado por uma digestão anaeróbia em etes Waelkens, B.E.; Sternad, W. |
Zeitschriftenaufsatz Journal Article |
| 2009 | Mehr Energieeffizienz für kleinere Kläranlagen - Hochlastfaulung mit Mikrofiltration Kempter-Regel, B.; Trösch, Walter |
Zeitschriftenaufsatz Journal Article |
| 2008 | Anaerobe Abwasserreinigung in Membranbioreaktoren unter -Verwendung des Rotationsscheibenfilters Krischke, W.; Mohr, M.; Kempter-Regel, B.; Trösch, Walter |
Zeitschriftenaufsatz Journal Article |
| 2003 | Integration einer Hochlastfaulung in die herkömmliche Technik Kempter-Regel, B.; Oehlke, M.; Weber, J.; Trösch, Walter |
Zeitschriftenaufsatz Journal Article |
| 2002 | Erfahrungen zur Ammoniakentfernung mit Membrankontaktoren Chaumette, C.; Walitza, E.; Kempter, B.; Sternad, W. |
Zeitschriftenaufsatz Journal Article |
| 2001 | Verfahren zur Reinigung von Abwasser Kempter, B.; Sternad, W.; Trösch, W. |
Patent |
| 2000 | Verbesserter Abbau von kommunalen Klärschlämmen in einer zweistufigen Hochlast-Vergärungsanlage Kempter, B.; Schmid-Staiger, U.; Trösch, Walter |
Zeitschriftenaufsatz Journal Article |
| 2000 | Optimiertes Vergärungsverfahren steigert Umsatz von organischen Abfällen Kempter, B.; Trösch, Walter |
Zeitschriftenaufsatz Journal Article |
| 1996 | Aerober und anaerober Abbau von Abwässern aus der Wasserlackverarbeitung Kempter, B. |
Dissertation Doctoral Thesis |
Diese Liste ist ein Auszug aus der Publikationsplattform Fraunhofer-Publica
This list has been generated from the publication platform Fraunhofer-Publica
Ganzheitliche Nutzung von Reststoffen durch Rückgewinnung von Nährstoffen
Mit dem BioEcoSim-Verfahren entstehen aus Gülle wertvolle Phosphordünger (hinten), Stickstoffdünger (rechts) und Bodenverbesserer (vorne).
Kommunale Abwässer, Gülle, Gärreste und Reststoffe der Lebensmittelindustrie sind zudem reich an Nährstoffen wie Stickstoff, Phosphor, Kalium oder Calcium. Neben der Nutzung der organischen Fracht (Kohlenstoff) entwickeln wir auch Technologien und Verfahren, um die wertvollen Nährstoffe zurückzugewinnen.