Dipl.-Ing. (FH) Matthias Geiping
Diplomprüfung: 11/2008
Diplomprüfung: 11/2008
Aufgrund der Novellierung des Erneuerbaren-Energien-Gesetzes (EEG) erlebt die Biogasbranche zurzeit einen rasanten Aufschwung. Dieser intensive Ausbau führt auch zu einem sehr großen Bedarf an Optimierungsmaßnahmen des Biogasprozesses. Bei vielen Biogasanlagen, die nach dem Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) arbeiten, kann die anfallende Energie in Form von Wärme, aufgrund der fehlenden Nachfrage am Ort der Biogasanlage kaum genutzt werden. Eine Beimischung von aufbereitetem Biogas in vorhandene Erdgasnetze oder sogar der Betrieb von kleinen Biogasnetzen würde die Wirtschaftlichkeit von Biogasanlagen erheblich verbessern.
Das aus der Vergärung von organischen Stoffen enstandene Biogas besteht zu rund 50 bis 60 % aus Methan (CH4), 40 bis 50 % aus Kohlendioxid (CO2) und geringen Anteilen an Schwefelwasserstoff (H2S), Ammoniak (NH3) und weiteren Spurengasen.
Damit das Biogas in Block-Heizkraft-Werken (BHKW) genutzt oder in Erdgasnetze eingespeist werden kann, muss dieses aufbereitet werden. Im Allgemeinen wird das Biogas in den Verfahrensschritten Filterung/Trocknung und Entschwefelung aufbereitet. Die Entschwefelung ist insofern wichtig, da schon geringe Konzentrationen von H2S zu Korrosionsschäden an der technischen und baulichen Ausführung sowie zur "Versauerung" des Motorenöls bei den BHKW führen können. Des Weiteren wird bei der Verbrennung von Schwefelwasserstoff Schwefeldioxid (SO2) emittiert. Schwefeldioxid ist in hohen Konzentrationen schädigend für Menschen, Tiere und Pflanzen. Zusätzlich führen die Immissionen der Oxidationsprodukte (schweflige Säure und Schwefelsäure) zu Schäden in den verschiedenen Ökosystemen und an Gebäuden.
In der Biogaspraxis werden verschiedene Verfahren zur Entschwefelung eingesetzt. Die hauptsächlich eingesetzten Verfahren sind die biologische Entschwefelung durch Luftzufuhr, interne Entschwefelung durch Eisensalzzugabe, externe Entschweflung durch Adsorption an Aktivkohle und die externe Entschwefelung durch einen Biowäscher. Die Auslegung der Entschwefelungsverfahren erfolgt in der Praxis anhand von Erfahrungen und Abschätzungen, denn zurzeit kann kaum vorhergesagt werden, wieviel H2S bei der Vergärung von organischen Stoffen genau entsteht.
Eine Voraussetzung für die Vorhersage der zu erwartenden H2S-Konzentration im Biogas ist, dass die Schwefelfrachten in und aus einer Biogasanlage hinreichend genau ermittelt werden können.
Ziel der Diplomabreit war es, die Schwefelfrachten im Input und Output von Biogasanlagen im praktischen Betrieb zu ermitteln und daraus ein eventuelles Prognosemodell zu erstellen.
Da sich die Schwefelfrachten in und aus einer Biogasanlage durch die Art und Zusammensetzung der eingesetzten Inputstoffe stark unterscheiden können, musste zunächst eine Typunterscheidung stattfinden. Diese Typunterscheidung bezog sich auf die eingesetzten Inputmaterialien. Es wurden daher für die Schwefelbilazierung drei Biogasanlagen, die nur mit Gülle und nachwachsenden Rohstoffen (NaWaRo) betrieben werden, ausgewählt.
Es wurden die Inputstoffe (Gülle und NaWaRo) und Outpustoffe (Biogas und Gärrest) beprobt und auf Gesamt-Schwefel bzw. H2S hin analysiert. Aus der Datenerfassung der Biogasanlage in Verbindung mit den analysierten Werten der Proben wurde daraufhin eine Frachtenbilanz des Gesamt-Schwefels erstellt. Es wurde festgestellt, dass eine Bilanzierung des Gesamt-Schwefels im praktischen Betrieb einer Biogasanlage unter bestimmten Bedingungen möglich ist. Die Erstellung eines Prognosemodells für die Vorhersage der zu erwartenden H2S-Konzentration bei Biogasanlagen, die mit NaWaRo und Gülle beschickt werden, war aus den gewonnenen Daten jedoch nicht möglich. Schon die unterschiedlichen Mischungsverhältnisse zwischen Gülle und NaWaRo beeinflussen die H2S-Konzentration im Biogas erheblich. Zusätzlich beeinflussen anlagenspezifische Größen, wie Temperatur und pH-Wert im Fermenter, die H2S-Konzentration.
Abschließend wurden Verbesserungsvorschläge für die allgemeine Schwefel-bilanzierung von Biogasanlagen gemacht und darüber hinaus ein Ausblick gegeben, wie eine Vorhersage über die zu erwartenden Schwefelwasserstoffmengen im Biogas unter Praxisbedingungen möglich wäre.