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Doctoral Thesis
2019
Vorbehandlung lignocellulosehaltiger Substrate zur Steigerung des Biogasertrages
Vorbehandlung lignocellulosehaltiger Substrate zur Steigerung des Biogasertrages
Abstract (English)
There are various approaches for the optimization in biogas technology. One possibility is the pretreatment of the used substrates in order to achieve higher biogas yields, open up new substrates and increase the overall economic viability of biogas plants. For this pretreatment, mechanical treatment technologies are used, which are very different in construction. Therefore, a systematic investigation of the mechanical pretreatment by means of impact with regard to particle size distribution, biogas yield and power consumption for different substrates was carried out for the first time. The aim of this thesis was thus to optimize and eva¬luate the technology “impact reactor” for pretreatment of lignocellulosic substrates for use in an agricultural biogas plant.
Substrates with a model character were selected for the experiments, which allow the results to be transferred to comparable substrates. These were triticale straw, oat whole crop silage, maize straw and horse manure. In addition, the substrate mixture of a biogas plant, in which an impact reactor is also used for pretreatment, with a high proportion of grass silage (53 % grass silage, 40 % maize silage and 7 % cattle and horse manure) was examined.
Pretreatment of all substrates showed a reduction in particle size. As expected, finer particle sizes also required more effort and therefore higher power consumption. However, no direct correlation could be established between a finer particle size and an increased methane yield. Therefore, an increase in the processing intensity does not necessarily lead to an increase in microbial degradation.
In addition to the use of alternative substrates, the main objective of substrate pretreatment was to increase biogas yields. Mechanical pretreatment of triticale straw made it possible to increase methane yield by up to 16 %, horse manure by up to 14 % and substrate mixture by up to 10 %. In contrast, no additional methane yields were recorded for oat whole crop silage and maize straw. Apparently short chopped silages are already sufficiently broken down by the silage. To avoid possible losses due to aerobic degradation, the pretreated substrates must be fed directly into the fermenter. Therefore, the pretreatment should ideally be integrated into the process engineering of the biogas plant between storage and the feed system.
In order to classify the results with the impact reactor, additional treatment experiments were carried out with an extruder on a laboratory scale. In principle, the extruder was also suitable for all substrates examined, but liquid had to be added to substrates with a high dry substance content (straw). The results for increasing methane yields were comparable.
Besides the investment costs, power consumption had the greatest influence on the costs of pretreatment. These varied significantly depending on the selected settings at the impact reactor. With the help of the determined optimal settings, power consumption of 12.9 kWhel/tFM for triticale and maize straw, 2.6 kWhel/tFM for oat whole crop silage, 10.8 kWhel/tFM for horse manure and 6.1 kWhel/tFM for the substrate mixture could be determined. After combining the results on power consumption and additional methane yield, the mechanical pretreatment of triticale straw, horse manure and the substrate mixture resulted in a gain after energetic balancing.
From an economic point of view, horse manure and maize straw showed their potential as an alternative substrate compared to silage maize. Due to their residual material character and the associated lack of market value, these two substrates are economically interesting. By contrast, the market value of cereal straw makes triticale straw more economical than silage maize. However, the results may vary depending on substrate quality and biogas plant, which is why an individual consideration is required for each project.
The impact reactor as a method of mechanical pretreatment is basically suitable for various substrates. The pretreatment process increases the biogas yield and opens up previously unused residues for the biogas process, which also improves economic efficiency.
Abstract (German)
Bei der Biogastechnologie existieren verschiedenste Ansätze zur Optimierung des Verfahrens. Eine Möglichkeit ist die Vorbehandlung der eingesetzten Substrate, um höhere Biogasausbeuten zu erzielen, neue Substrate zu erschließen und die Gesamtwirtschaftlichkeit von Biogasanlagen zu erhöhen. Für diese Vorbehandlung werden vor allem mechanische Zerkleinerungstechnologien eingesetzt, die konstruktiv sehr unterschiedlich gestaltet sind. Daher wurde im Rahmen dieser Arbeit erstmalig eine systematische Untersuchung der mechanischen Vorbehandlung anhand eines Prallreaktors hinsichtlich Partikelgrößenverteilung, Biogasertrag und Stromverbrauch für verschiedene Substrate durchgeführt. Ziel dieser Arbeit war somit die Optimierung und Bewertung der Technologie „Prallreaktor“ zur Vorbehandlung lignocellulosehaltiger Substrate für eine landwirtschaftliche Biogasanlage.
Für die Versuche wurden Substrate mit modellhaftem Charakter ausgewählt, die eine Übertragbarkeit der Ergebnisse auch auf vergleichbare Substrate zulassen. Dabei handelte es sich um Triticalestroh, Hafer-Ganzpflanzensilage, Maisstroh und Pferdemist. Zudem wurde die Substratmischung einer Biogasanlage, bei der auch ein Prallreaktor für die Vorbehandlung eingesetzt wird, mit hohen Anteilen Grassilage (53 % Grassilage, 40 % Maissilage und 7 % Rinder- und Pferdemist) untersucht.
Bei allen untersuchten Substraten zeigte sich durch die Vorbehandlung eine Verringerung der Partikelgröße. Wie zu erwarten, war für feinere Partikelgrößen auch ein höherer Aufwand und somit Stromverbrauch erforderlich. Allerdings konnte kein direkter Zusammenhang zwischen einer feineren Partikelgröße und einem Mehrertrag an Methan hergestellt werden. Somit führt eine Steigerung der Aufbereitungsintensität nicht unbedingt zu einer Steigerung des mikrobiellen Abbaus.
Wesentliches Ziel der Substratvorbehandlung war neben dem Einsatz alternativer Substrate die Steigerung der Biogaserträge. So war durch die mechanische Vorbehandlung von Triticalestroh eine Steigerung beim Methanertrag von bis zu 16 %, bei Pferdemist bis zu 14 % und bei der Substratmischung bis zu 10 % möglich. Demgegenüber waren bei Hafer-Ganz¬pflanzensilage und Maisstroh keine Mehrerträge an Methan zu verzeichnen. Offenbar sind kurzgehäckselte Silagen bereits durch die Silierung ausreichend aufgeschlossen. Um mögliche Verluste durch aeroben Abbau zu vermeiden, ist der direkte Eintrag der vorbehandelten Substrate in den Fermenter vorzusehen. Daher sollte die Vorbehandlung idealerweise zwischen Bevorratung und dem Eintragssystem in die Verfahrenstechnik der Biogasanlage eingebunden werden.
Zur Einordnung der Ergebnisse mit dem Prallreaktor wurden zusätzlich Zerkleinerungsversuche mit einem Extruder im Labormaßstab durchgeführt. Grundsätzlich war der Extruder ebenfalls für alle untersuchten Substrate geeignet, jedoch musste bei Substraten mit hohem Trockensubstanzgehalt (Stroh), Flüssigkeit zugegeben werden. Die Ergebnisse zur Steigerung der Methanerträge waren vergleichbar.
Neben den Investitionskosten hatte der Stromverbrauch den größten Einfluss auf die Kosten für die Vorbehandlung. Diese variierten in Abhängigkeit der gewählten Einstellungen am Prallreaktor deutlich. Mit Hilfe der ermittelten optimalen Einstellungen ließen sich Stromverbräuche von 12,9 kWhel/tFM für Triticale- und Maisstroh, 2,6 kWhel/tFM für Hafer-GPS, 10,8 kWhel/tFM für Pferdemist und 6,1 kWhel/tFM für die Substratmischung ermitteln. Nach Zusammenführung der Ergebnisse zum Stromverbrauch und Mehrertrag an Methan ergab sich für Triticalestroh, Pferdemist und die Substratmischung nach energetischer Bilanzierung ein Gewinn durch die mechanische Vorbehandlung.
Unter wirtschaftlichen Aspekten zeigten vor allem Pferdemist und Maisstroh im Vergleich zu Silomais ihr Potenzial als Alternativsubstrat. Durch Ihren Reststoffcharakter und dem damit verbundenen fehlenden Marktwert sind diese beiden Substrate wirtschaftlich interessant. Demgegenüber stellt sich die Wirtschaftlichkeit für Triticalestroh gegenüber Silomais aufgrund des Marktwertes für Getreidestroh geringer dar. Die Ergebnisse können jedoch in Abhängigkeit von Substratqualität und Biogasanlage schwanken, weshalb eine individuelle Betrachtung für jedes Projekt erforderlich ist.
Der Prallreaktor als Verfahren der mechanischen Vorbehandlung ist grundsätzlich für verschiedene Substrate geeignet. Durch den Aufschluss können die Gasausbeute gesteigert und bisher ungenutzte Nebenprodukte für den Biogasprozess erschlossen werden, wodurch sich auch die Wirtschaftlichkeit verbessert.
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Notes
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Publication series
Published in
Faculty
Faculty of Agricultural Sciences
Institute
Institute of Agricultural Engineering
Examination date
2018-12-11
Supervisor
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DOI
ISSN
ISBN
0931-6264
Language
German
Publisher
Publisher place
Classification (DDC)
630 Agriculture
Collections
Original object
Standardized keywords (GND)
BibTeX
@phdthesis{Baumkötter2019,
url = {https://hohpublica.uni-hohenheim.de/handle/123456789/6363},
author = {Baumkötter, Daniel},
title = {Vorbehandlung lignocellulosehaltiger Substrate zur Steigerung des Biogasertrages},
year = {2019},
school = {Universität Hohenheim},
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