Untersuchungen zur Aufbereitung und Umwandlung von Energiepflanzen in Biogas und Bioethanol

Abstract

Due to finite fossil resources, one opportunity for the future is to increase the supply of energy out of renewable energy sources. One of many opportunities is the use of biomass, which offers plenty combinations of different kinds of biomass, paths of utilization and conversion techniques for a flexible adaptation to natural local and regional frameworks as well as the anthropogenic needs. For an efficient utilization of the limited arable land for the supply of bioenergy, there is a need of up-to-date and proof data about specific energy yields and yields per hectare. The aim of this investigation was to determine these data for the biogas and bioethanol sectors. Batch-tests were carried out in laboratory scaled digesters to investigate specific biogas and bioethanol yields. Additionally the testing of different techniques of pre-treatment for energy crops and their effects on the biogas yield and the progression of the formation of methane were focused. The conversion of maize silage and full ripe triticale into biogas and bioethanol was compared by an energy and environmental balance. The steam explosion technique was included. Pre-treatment The steam explosion pre-treatment of biomass increases the speed of formation of methane and partly increases the methane yields. The effects differ depending on the kind of biomass and the stage of ripening. Other techniques of pre-treatment like microwaving and cooking did not show significant or partly negative effects. A variation of parameters in the trial setup might be interesting. Besides the positive effects of the steam explosion technique there are some arguments like the additional costs of investment, the diminished concentration of nutrients respectively the increase of material flow against it. The additional energy consumption, mostly thermal energy, can be supplied from waste heat out of the combined heat and power plant (CHP). The screening and the production of technical enzymes for the efficient pre-degradation of raw materials containing high amounts of lignocellulose should be the subject of research and development in the future. The combination of biological (enzymatic), chemical, thermal and mechanical pre-treatment techniques need to be investigated with the focus on energy efficiency. Methane yields of energy crops and stillage A broad number of biogas tests had been carried out on various maize cultivars. The specific methane yields of the maize cultivars varied over the harvesting date differently. The cultivars with a low ripening number reached higher specific methane yields. The dominant factor for the energy yield per hectare was the dry matter yield, not the specific methane yield. In general it is recommended to use well adapted cultivars with high dry matter yields and a good ensilaging behaviour. The catch crops increased the methane yields per hectare just partly. But for reasons of soil conservation the cultivation is recommended. The nitrogen fertilizer had mostly a positive effect on the dry matter yields and the energy yields per hectare, respectively. Maize gained higher energy yields per hectare than switch grass. The utilization of stillage out of whole maize plants or triticale´s grain from the ethanol production as well as the utilization of by-products like straw in the biogas production could double the energy output per hectare compared to the simple ethanol production. Further options for the optimization of the biogas production under conditions of practice are digester systems well-adapted on the substrate, the use of multi step systems and the development of analytic methods in order to gain effective process control. Correlation between chemical components and measured methane yields The specific methane yields calculated out of the neutral detergents fibre, starch, sugar, raw proteins and its substrate-specific factors were very close to the experimentally determined yields of the maize cultivars for the four harvesting times. But the measured and calculated values showed no correlation. Whether the biogas tests can be replaced, by other methods or techniques of analysis of the components and the determination of additional components for the estimation of the potential of new cultivars, should be subject of further investigations. Bioethanol yields The energy yields on the conversion pathway bioethanol without using the by-products are lower than the yields via conversion into biogas, because the ethanol fermentation is limited on material that can be converted into sugar first. The advantage of the ethanol production is a fluid fuel as result of the process. Combining the ethanol production with a biogas plant, the by-products also can be used energetically and a gaseous energy carrier can be produced. There are high potentials for the bioprocess engineering, for instance in breeding of microorganisms for the degradation of lignocellulosic biomass or of C5-sugar. Furthermore a process optimization of water and energy input is recommended. Energy and environmental balance Biogas as well as bioethanol (combined with biogas) is able to reduce the consumption of non-renewable energy carrier and its emission under the investigated scenarios and the scoop set. A future task will be the development of differentiated and well-adapted concepts on the basis of a decision between (liquid) fuels or stationary supply of thermal and electrical energy out of biomass. The aim is an efficient use of the limited areas of arable land and forests for the supply with bioenergy carriers by a useful combination of biomass, paths of utilization and conversion technique depending on natural local and regional conditions as well as the anthropogenic needs.

Da die fossilen Ressourcen endlich sind, ist eine Option für die Zukunft den Energiebedarf verstärkt aus erneuerbaren Energiequellen zu decken. Eine Möglichkeit ist die Biomassenutzung, die durch eine Vielzahl von Kombinationen aus unterschiedlichen Biomassearten, Nutzungspfaden und Konversionstechniken flexibel an die natürlichen lokalen bzw. regionalen Gegebenheiten sowie die anthropogenen Bedürfnisse angepasst werden kann. Um die begrenzten landwirtschaftlichen Flächen möglichst effizient zur Bioenergieträgerbereitstellung nutzen zu können, werden aktuelle und belastbare Daten zu den spezifischen Energieerträgen und den Hektarenergieerträgen von Energiepflanzen benötigt. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, diese Daten für die Bereiche Biogas und Bioethanol bereitzustellen. Dazu wurden anhand von Untersuchungen in Laborfermentern im Batch-Betrieb spezifische Biogas- bzw. Bioethanolerträge ermittelt. Zusätzlich stand die Erprobung von verschiedenen Aufbereitungsverfahren für Energiepflanzen und deren Einfluss auf die Biogasertragshöhe und auf den Verlauf der Methanbildung im Fokus dieser Arbeit. Eine Energie- und Ökobilanz für Silomais und reife Triticale stellt die Konversionspfade Biogas- und Bioethanolgewinnung vergleichend gegenüber. Dabei wurde auch das Steam-Explosion-Verfahren zur Aufbereitung von Biomasse berücksichtigt. Aufbereitung von Energiepflanzen Die Aufbereitung von Biomasse mit dem Steam-Explosion-Verfahren beschleunigt die Methanbildung und steigert sie zum Teil. Die Effekte sind, abhängig von der Art der Biomasse und dem Reifestadium, unterschiedlich stark. Weitere Aufbereitungsverfahren wie Mikrowellenbehandlung und Kochen zeigten meist keine signifikante Änderung oder teilweise negative Wirkung. Eine Variation der Versuchsparameter könnte aber ggf. interessant sein. Den positiven Wirkungen des Steam-Explosion-Verfahrens stehen aber auch Argumente wie die zusätzlichen Investitionskosten und der Verdünnungseffekt durch die Wasserzugabe bzw. die Erhöhung des Massenstroms entgegen. Der zusätzliche Energiebedarf, der hauptsächlich in thermischer Energie besteht, kann aus der Abwärme des BHKW gedeckt werden. Forschungsbedarf besteht weiterhin beim Screening und der Produktion technischer Enzyme zum effizienten Voraufschluss lignozellulosehaltiger Rohstoffe sowie bei der Kombination biologischer (enzymatisch), chemischer, thermischer oder mechanischer Aufschlussverfahren unter Berücksichtigung der Energieeffizienz. Methanerträge von Energiepflanzen und Schlempen Anhand der Biogasuntersuchungen eines breiten Spektrums an Maissorten konnte festgestellt werden, dass die spezifischen Methanerträge je nach Sorte unterschiedlich stark über die Erntezeitpunkte variierten, wobei die Sorten mit niedrigerer Reifezahl höhere spezifische Methanerträge erreichten. Der dominierende Faktor für den Energiehektarertrag war aber der Trockenmasseertrag und nicht der spezifische Methanertrag. Allgemein empfehlenswert sind standortgerechte Sorten mit hohem Trockenmasseertrag bei gleichzeitig guter Silierfähigkeit zum optimalen Erntezeitpunkt. Die Zwischenfrüchte trugen nur zum Teil zur deutlichen Erhöhung der Methanhektarerträge bei. Aus Gründen des Bodenschutzes ist der Anbau aber zu empfehlen. Die Stickstoffdüngung beeinflusst die Trockenmasseerträge und damit die Energiehektarerträge meist positiv. Mit Mais konnten deutlich höhere Energiehektarerträge als mit Rutenhirse erzielt werden. Durch die Nutzung der Schlempen aus der Ethanolproduktion aus Maisganzpflanzen oder aus Triticalekorn sowie durch die Nutzung der Nebenprodukte wie Stroh in der Biogasgewinnung kann der Energieoutput pro Hektar mindestens verdoppelt werden verglichen mit der ?reinen? Ethanolproduktion. Weitere Optimierungsmöglichkeiten für die Biogasgewinnung unter Praxisbedingungen liegen im substratangepassten Aufbau der Fermentersysteme sowie im Einsatz mehrphasiger Verfahren sowie der Entwicklung schneller Analyseverfahren zur besseren Prozesssteuerung. Korrelation Inhaltsstoffe / gemessene Methanerträge Die anhand der über NIRS bestimmten Inhaltsstoffe neutrale Detergentien-Faser (NDF), Stärke (XS), Zucker (XZ) und Rohprotein (XP) sowie der substrattypischen Faktoren errechneten spezifischen Methanerträge für Maisproben zu den vier Erntezeitpunkten lagen sehr nah an den tatsächlich gemessenen Methanerträgen. Eine Korrelation zwischen den gemessenen und errechneten Werten lag aber nicht vor. Ob eine andere Inhaltsstoffanalysetechnik und die Bestimmung weiterer Einzelbestandteile die Biogasertragstests zur Potenzialabschätzung gerade von neuen Sorten ersetzen können, sollte Gegenstand weiterer Untersuchungen sein.

Bioethanolausbeuten Die Energieausbeuten über den Konversionspfad Bioethanol liegen ohne die Nutzung der Nebenprodukte Schlempe oder Stroh deutlich unter denen des Konversionspfads Biogas, da nur Stoffe, die verzuckert werden können, in Ethanol umgesetzt werden können. Der Vorteil der Ethanolproduktion liegt in dem flüssigen Kraftstoff, der gewonnen wird. Durch die Kombination mit einer Biogasanlage können auch die Nebenprodukte energetisch genutzt werden und liefern einen gasförmigen Energieträger. Im Bioethanolbereich liegen sicher noch hohe bioverfahrenstechnische Optimierungspotenziale z.B. die Züchtung geeigneter Mikroorganismen zum Abbau lignozellulosehaltiger Rohstoffe sowie von C5-Zucker-Verwertern. Des Weiteren sind Prozessoptimierungen bei Wasser- und Energieeinsatz anzustreben. Energie- und Ökobilanzierung Sowohl Biogas als auch Bioethanol, letzteres bei optimaler Kombination mit Biogas, sind nach den hier untersuchten Szenarien unter den erläuterten Rahmenbedingungen dazu geeignet, den Einsatz nicht regenerativer Energieträger und damit Emissionen zu senken. Eine Aufgabe für die Zukunft wird es sein, differenzierte standortgerechte Nutzungskonzepte zu entwickeln auf der Basis einer Entscheidung, in welchem Maß eine (Flüssig-)Kraftstofferzeugung oder eine stationäre Bereitstellung thermischer und elektrischer Energie aus Biomasse zu bevorzugen sind. Ziel muss es sein, durch eine sinnvolle Kombination aus Biomasse, Nutzungspfad und Konversionstechnik, in Abhängigkeit von den lokalen und regionalen natürlichen Gegebenheiten sowie den anthropogenen Anforderungen, die land- und forstwirtschaftliche Fläche (als dem limitierten Faktor) höchst effizient zur Bioenergieträgerbereitstellung zu nutzen.