Machbarkeitsstudie zur Verwertung von Gärresten aus landwirtschaftlichen Biogasanlagen

Einleitung 

Vor dem Hintergrund der steigenden Anzahl an Biogasanlagen in Deutschland und insbesondere in Nordrhein-Westfalen, führt der Gärrestanfall besonders in den starken Viehveredelungsregionen zu einer Nährstoffproblematik, da durch den Biogasprozess nur geringe Nährstoffmengen (Stickstoff und Phosphor) metabolisiert werden und die meisten landwirtschaftlichen Nutzflächen mit den Nährstoffen aus der Tierhaltung nach den Vorgaben der Düngemittelverordnung belegt sind. Um auch für diese Regionen die CO₂-neutrale Energiegewinnung aus regional nachwachsenden Energieträgern mit Hilfe von Biogasanlagen zu ermöglichen bzw. die Rahmenbedingungen dafür zu schaffen, bedarf es einer sinnvollen wirtschaftlichen Verwertung der entstehenden Gärreste. Betrachtet man die aktuelle Situation, so verlässt mit dem Gärrest aufgrund der angespannten Nährstoffsituation der Intensivlandwirtschaft, ein in vielen Fällen ungewünschter Stoffstrom die Biogasanlage. Auf der anderen Seite existiert bei den meisten Biogasanlagen ein Wärmeüberschuss aufgrund mangelnder Wärmenutzungs­konzepte. Diese Wärme wird in diesen Fällen notgekühlt und die Wärme somit nutzlos vernichtet. Aufgrund dieser Tatsache, kann die Aufbereitung des Gärrestes zu einem energiereichen Brennstoff ein möglicher Lösungsweg sein.

In den Regionen mit intensiver Schweineveredelung sind in der Regel Phosphor und auch Stickstoff im Überfluss vorhanden und werden teilweise über weite Strecken auf nährstoffärmere Böden durch die Güllebörse verteilt, um eine Überdüngung zu verhindern. Durch den lokal begrenzten Anfall von Wirtschaftsdüngern ist die umweltverträgliche und pflanzenbedarfsgerechte Verwertung auf den zur Verfügung stehenden landwirtschaftlichen Nutzflächen nicht mehr gegeben. Gülletransporte über die Güllebörsen verlagern daher nur kurz­fristig das Problem, ohne es langfristig zu lösen. Zu den am häufigsten genannten Problemen bei der Düngung mit Wirtschaftsdünger bzw. Gärresten zählen, neben der damit verbundenen Geruchsbelästigung, vor allem die Umweltbelastung durch nicht pflanzenbe­darfsgerechte Ausbringung. Als umweltbelastend gelten hier im Wesentlichen die Nährstoffe Stickstoff und Phosphor, die durch Bodenauswaschung zur Eutrophierung der Oberflächen­gewässer beitragen.

Die Separation und Überführung des Phosphoranteils in eine transportwürdige Form ermöglicht es, diesen endlichen Nährstoff in Ackerbauregionen zu befördern, in denen Phosphor als Mineraldünger auf die Nutzflächen aufgebracht wird. In diesen Regionen kann dieser Mineralphosphor substituiert werden.

Der Stickstoff befindet sich zum Großteil in der flüssigen Phase und kann bedarfsgerecht auf die landwirtschaftlichen Nutzflächen aufgebracht werden oder mit Hilfe einer biologischen Abwasserreinigung eliminiert werden.

Die vorliegende Machbarkeitsstudie untersucht die Möglichkeiten der Gärrestaufbereitung bzw. Verwertung der Gärreste aus landwirtschaftlichen Biogasanlagen mit dem Ziel der Pelletierung und der thermischen Verwertung.

Enthalten sind die theoretische Betrachtung der Gesamtsituation hinsichtlich des notwendigen Energiebedarfs bzw. Energie- und Nährstoffgehalte der Gärreste sowie Aussagen zur technischen Realisierung, den gesetzlichen Anforderungen und eine Wirtschaftlichkeits­betrachtung. Die Machbarkeitsstudie analysiert ferner die technischen und wirtschaftlichen Möglichkeiten des geplanten Verfahrens des landwirtschaftlichen Lohnunternehmens Schlütter GmbH.

Die Studie kann somit neben dem Informationstransport auch den weiteren Ausbau der Biogastechnologie mit sinnvollem Wärmenutzungskonzept in den landwirtschaftlich geprägten Regionen in NRW ermöglichen und als Grundlage für den sinnvollen Ausbau dieser zukunftsweisenden Technologie dienen.

Projektbeschreibung 

Gesetzliche Anforderungen

Theoretische Betrachtung der thermischen Behandlung und Verwertung von Gärresten

• Verfahrensbeschreibung
  • Der Biogasprozess
  • Mechanische Trennung des  Gärrestes
  • Trocknung der festen Phase
• Energieverbrauch  zur Trocknung  von Schlämmen

Praktische Voruntersuchungen

• Darstellung der durchgeführten Vorversuche
  • Fest-Flüssig-Trennung
  • Trocknung der festen Phase
  • Biologische Behandlung des Kondensats
  • Bestimmung des Brennwertes des Trockenguts
• Ergebnisse und Erstellung einer Massenbilanz
• Bilanzierung der Stoff- und Energiströme
• Wirtschaftlichkeitsbetrachtung

Ergebnisse 

In der Machbarkeitsstudie wurde die mechanische und thermische Behandlung von Gärresten aus landwirtschaftlichen Biogasanlagen untersucht. Insbesondere die Eignung des Trockenguts als Brennstoff, deren Zusammensetzung und Wertschöpfung im Vergleich zum Einsatz als Dünger waren Gegenstand der Betrachtung.

In diesem Zusammenhang wurden zunächst der Biogasprozess und im Anschluss daran die verschiedenen Trennungs- und Trocknungsverfahren dargestellt. Die im Rahmen der Studie durchgeführten Recherchen haben ergeben, dass in der Vergangenheit für die Trennung von Wirtschaftdünger insbesondere Filterschneckenpressen eingesetzt wurden und diese sich in der Praxis durchgesetzt haben. Des Weiteren wurden diverse Trocknungsverfahren der Konvektionstrocknung (direkte Trocknung) und der Kontakttrocknung (indirekte Trocknung) dargestellt. Dabei eignen sich für die Trocknung von Gärresten Konvektionstrockner aufgrund der höheren zu erreichenden Trockensubstanz­gehalte besser als Kontakttrockner. In der kommunalen Klärschlammtrocknung gibt es Beispiele, in denen eine Kombination beider Trocknungsverfahren (z.B. ein vorgeschalteter Dünnschichttrockner mit einem Trommeltrockner) die besten Resultate erzielen.

Zukünftig könnte die solare Schlammtrocknung aufgrund der einfachen, wartungsarmen Konstruktion und vor allem wegen des geringen Energieeinsatzes an Bedeutung gewinnen. Unterstützt durch die Abwärme eines BHKW könnten hier besonders effektive Lösungsmöglichkeiten zur Trocknung von Gärresten entwickelt werden.

Es wurden während der Bearbeitungszeit verschiedene Vorversuche durchgeführt, deren Ziel der Nachweis der grundsätzlichen Machbarkeit der einzelnen Verfahrensschritte war. Zunächst wurden mit Hilfe einer Pressschnecke Gärreste einer Biogasanlage im Münsterland separiert. Die verschiedenen Stoffströme (Ausgangssubstrat, flüssige Phase, feste Phase) wurden hinsichtlich ihrer physikalisch-chemischen Parameter hin untersucht. Die separierte Phase war das Ausgangssubstrat für die weitere thermische Behandlung. Hierzu wurde für die Trocknungsversuche ein temperaturregelbarer Kochtopf zu einem Kontakttrockner umkonstruiert mit dessen Hilfe ebenfalls das während des Trocknungsprozesses anfallende Kondensat aufgefangen. Auch diese Stoffströme wurden untersucht. Letztendlich wurde das Trockengut auf seine grundsätzliche Eignung als Brennstoff hin untersucht. Diese Untersuchung hat ergeben, dass der Brennstoff "getrockneter Gärrest" einen Heizwert aufweist, der mit dem von Stroh oder Braunkohle vergleichbar ist und somit grundsätzlich in einer Verbrennungsanlage eingesetzt werden kann.

Die Vorversuche haben darüber hinaus gezeigt, dass sich nur ein Teil der Feststoffe durch die mechanische Trennung separieren lässt. Ein Großteil verbleibt als sehr feine Partikel in der flüssigen Phase. Die feste Phase aus der mechanischen Trennung enthält als Hauptkomponente Wasser. Darüber hinaus wurden neben Mineralstoffen wie Phosphor, Magnesium und geringe Anteile an Kalium auch geringe Anteile an Stickstoff analysiert. Die Untersuchungen lassen eine Korrelation zwischen der Menge an abgetrennter Trockensubstanz und der Menge an Mineralstoffen Magnesium und Phosphor erkennen. So konnten diese Parameter etwa zu 1/3 aus dem Ausgangsmaterial separiert werden.

Stickstoff wie auch Kalium wurde zum Großteil in der flüssigen Phase nachgewiesen. Betrachtet man die Massenströme der Vorversuche, so konnten bezogen auf das Ausgangssubstrat 11,5 % separiert werden. Nach der Trocknung verblieben an Masse etwa 2,4 %. Durch eine spezifische Einstellung der Pressschnecke können sicherlich noch höhere Abscheidegrade und somit eine höhere Ausschleusung der Nährstoffe und Trockenmasse erreicht werden.

Im Rahmen der Studie konnten ebenfalls grundlegende genehmigungstechnische Fragestellungen geklärt werden. Demnach unterliegt die Genehmigung von Verbrennungsanlagen dem Bundes-Immissionsschutzgesetz, z.T. in Kombination mit der TA Luft. Dabei werden Verbrennungsanlagen mit einer Feuerungswärmeleistung < 100 kW der Verordnung über Kleinfeuerungsanlagen (1. BImSchV) und > 100 kW den Nummern 1.1, 1.2, 1.3 des Anhanges zur 4. BImSchV zugeordnet.

Reine Holzverbrennungsanlagen werden hier im Vergleich deutlich günsti­ger gestellt, als Verbrennungsanlagen, die mit einem Biobrennstoff anderer Art beschickt werden, wie zum Beispiel getrocknetem Gärrest oder auch Stroh. Im Moment scheint es noch schwierig, die niedri­gen Grenzwerte für Anlagen ab 100 kW Feuerungswärmeleistung (FWL) kostengünstig einzuhalten. Wir empfehlen daher, die Grenzwerte für solche Anlagen im Bereich von 100 kW - 1.000 kW einer Kontrolle zu unterziehen und den Werten für Holzheizungen anzupassen.

In der Wirtschaftlichkeitsbetrachtung wurde der Düngewert des getrockneten Gutes mit dem Energiewert verglichen. Diese Betrachtung hat ergeben, dass der errechnete Energiewert von 221,40 €/t mehr als 8-mal so hoch ist wie der ermittelte Düngewert von 25,80 €/t. Darüber hinaus bleibt der Düngewert der Asche in Höhe von rund 130 €/t erhalten. Wie ebenfalls gezeigt wurde, halten sämtliche Schwermetallgehalte die Grenzwerte der Düngemittelverordnung ein, so dass die Asche mit der Kennzeichnung "Mit Spurennährstoff Kupfer" als Düngemittel eingesetzt werden kann. Aus diesem Grund ergibt sich aus der Trocknung und der energetischen Nutzung des Gärrestes eine deutlich höhere Wertschöpfung als die bislang ausschließliche Verwertung als Dünger. Dabei können insbesondere Biogasanlagenbetreiber durch die Nutzung der anfallenden thermischen Energie zusätzliche Einnahmen durch den Kraft-Wärme-Kopplungsbonus aus dem Erneuerbaren Energien Gesetz generiert werden. Es entsteht ein transportwürdiger Brennstoff der ggf. durch einen weiteren Verfahrensschritt, der Pelletierung, weiter standardisiert werden kann.

Als Einsatzbereich werden insbesondere landwirtschaftliche Betriebe gesehen, die eine energieintensive Viehveredelung betreiben und die mit einer solchen Verbrennungsanlage die Möglichkeit hätten, die anfallenden Energiekosten deutlich zu reduzieren.

Als nächster Schritt wird empfohlen, das im Rahmen der Studie untersuchte Konzept als Demonstrationsvorhaben zu realisieren, die technische und wirtschaftliche Machbarkeit zu überprüfen und den Prozess zu optimieren. Dabei sollte die Separationseinheit wie auch die Trocknungseinheit auf dem Betriebsgelände einer Biogasanlage errichtet werden. Um alle Komponenten des Verfahrens untersuchen zu können, wird ferner empfohlen, eine Verbrennungsanlage auf einem landwirtschaftlichen Betrieb mit einem hohen Energiebedarf (z.B. Sauenhaltung und Ferkelaufzucht) zu errichten und mit dem getrocknetem Gärrest als Brennstoff zu betreiben. Für die gesamte Dauer des Testbetriebes (ca. 3 Jahre) sollte eine Sondergenehmigung für die Verbrennungsanlage eingeholt werden. Im Rahmen eines solchen Demonstrationsvorhabens, können wertvolle praktische Erfahrungen hinsichtlich der technischen Umsetzung der Teilprozesse, als auch über das Emissionsverhalten der Verbrennungsanlage gewonnen werden. Bei einem Erfolg eines solchen Demonstrationsvorhabens, können zahlreiche weitere Umsetzungen im Bereich der landwirtschaftlichen Biogasanlagen erwartet werden, da insbesondere die Realisierung eines Wärmenutzungskonzeptes und die Produktion eines kostengünstigen Energieträgers zwei herausragende Ergebnisse des Verfahrens darstellen, die viele Interessenten dazu bewegen wird, ein solches Konzept umzusetzen.