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Enzymvorstufe verbessert Biogasproduktion

Bei Energiepflanzen der zweiten Generation nutzt man zunehmend nicht nur Teile sondern die gesamte Pflanze. Dies bedeutet jedoch auch, dass zunehmend cellulosehaltige Substrate in die Biogasanlagen gelangen. Cellulose ist Hauptbestandteil pflanzlicher Zellwände und besteht aus Kohlenhydraten, welche die Mikroorganismen nur schlecht oder schwer abbauen können. Die Forschung konzentriert sich deshalb darauf, diese Kohlenhydrate durch Hydrolyse – d.h. eine chemische Spaltung mit Wasser - besser zu zersetzen. Dafür kann man das Substrat beispielsweise mechanisch besser zerkleinern oder Druck und Temperatur in den Gärbehältern verändern. Die Hochschule Offenburg verfolgt einen dritten Weg: Sie setzt hydrolytisch wirkende Enzyme ein – ein Ansatz, der andernorts bereits erfolgreich erprobt wurde.

Anstatt ständig neue Enzyme zuzusetzen, zielte man in Offenburg darauf, sie im Gärprozess selbst fortlaufend herzustellen. Dazu trennten die Forscher einen Nebenfermenter ab und füllten ihn mit einem Kultivierungsmedium aus einem Teil Gärrest sowie einem cellulosehaltigem Teilstrom. Der mineralstoffreiche Gärrest versorgt die enzymproduzierenden Pilze und Bakterien mit Nährstoffen, die Cellulose sorgt für die notwendige Stärke. Die Wärme aus dem Hauptfermenter sichert die notwendige Temperatur. Das nun enzymhaltige Gemisch fließt dann später wieder dem Hauptfermenter zu. Ziel des Projektes war es, Pilze und Bakterien zu identifizieren, die thermophil wachsen und besonders gut die gewünschten Enzyme produzieren. Anschließend entwickelten die Forscher Analyseparameter und optimieren die Zusammensetzung von Substrat und Kultivierungsmedium. Nach der Wirtschaftlichkeitsberechnung entwickelten sie dann ein Model um die Fermentationsstufe mit Enzymeinsatz vom Labor auf größere Anlagen zu übertragen.

Das Offenburger Model bietet mehrere Vorteile für viele ähnliche Biogasanlagen in Deutschland: Die Ausbeute an Biogas steigt während gleichzeitig bisher ungenutzte cellulosehaltige Substrate zum Einsatz kommen können. Durch die Enzyme verbleibt das Substrat außerdem kürzer im Hauptfermenter. Weil der Gärrest als Kultivierungsmedium dient, können die Anlagenbesitzer außerdem ihre Lager verkleinern.

Projektdaten

Projektnummer 2011-11
Projektart Forschung und Studien
Projektträger Hochschule Offenburg
Laufzeit Januar 2011 bis März 2014
Zuschuss 116.334

Ihre Ansprechpartner

Richard Tuth

Richard Tuth

Innovationsfonds Klima- & Wasserschutz

T: 0761-279-29 84

E-Mail: richard.tuth@badenova.de

Michael  Artmann

Michael Artmann

Innovationsfonds Klima- & Wasserschutz

T: 0761-279-22 53

E-Mail: michael.artmann@badenova.de

Einblicke in weitere Förderprojekte:

Dialog mit der Landwirtschaft in Kombination mit einem praxisorientierten Bewirtschaftungsversuch zum Thema Flachlandmähwiesen im Wasserschutzgebiet Ebnet
Freiburg - Ebnet

Nachhaltige Bewirtschaftung von geschützten Flachlandmähwiesen

Mähwiesen sind aus verschiedenen Gründen wichtig. Für Landwirte stellen sie Futter für Weidevieh zur Verfügung und sollen möglichst hohe Erträge bieten. Oft liegen die Wiesen jedoch in Wasserschutzgebieten, wo die Landwirte nur begrenzt düngen können. Schließlich sind Mähwiesen ein wichtiger Lebensraum, der die Vielfalt in der Tier- und Pflanzenwelt aufrechterhält. Darauf zielt beispielsweise die EU-Richtlinien Natura 2000, die Flachlandmähwiesen europaweit als geschütztes Flora-Fauna-Habitat ausweist. Um diese verschiedenen Interessen zu vereinen, erstellt das Umweltschutzamt Freiburg zusammen mit Partnern und Landwirten aus der Region ein nachhaltiges Bewirtschaftungskonzept. Versuchsgebiet sind Mähwiesen im Wasserschutzgebiet Ebnet, die durch die EU-Richtlinien als Flora-Fauna-Habitat geschützt sind. Dort haben badenova und Stadt Freiburg schon Versuche zur grundwasserschonenden Düngung durchgeführt. Aufbauend auf diesen Erfahrungen erprobten die Projektpartner nun in einem dreijährigen Versuch zwei verschiedene Düngeverfahren. Ein Versuchsgerät injiziert Flüssigdünger in vorgesetzten Abständen unter die Grasnarbe. Beim zweiten Verfahren bringen die Mitarbeiter einen gekörnten Dünger auf der Grasnarbe aus. Für beide Methoden kartieren sie das Gebiet und bestimmten für fünf Versuchsflächen Artenvielfalt und Ertrag über drei Jahre hinweg. Am Ende steht ein Model, dass mit möglichst wenig und preiswertem Dünger hohe Erträge garantiert, das Grundwasser nicht gefährdet und zum Erhalt der Mähwiesen beiträgt. Die ausführliche Kartierung erlaubt es, die Ergebnisse auf ähnliche Flächen andernorts zu übertragen. Für die Information und Schulung anderer Landwirte fanden mehrere Feldtage und Abendveranstaltungen statt. Wesentliche Erkenntnisse: Es ist wichtig, miteinanderin Kontakt zu kommen, miteinander zu Kommunizieren und sich in die Belange aller Beteiligten hineinzudenken. Mit den Feldtagen und den Abendveranstaltungen boten wir hierfür einen passenden Rahmen. Praktische Demonstrationen sind oft anschaulicher als theoretische Vorträge. Es konnten praktikable und finanziell interessante Düngeverfahren vorgesellt werden, die bereits in anderen Betrieben und auf anderen Flächen eingesetzt werden. Durch die praktizierten Verfahren konnten die FFH-Mähwiesen erhalten werden. Äußere Einflüsse (Wetter) überlagern die einzelnen Varianten stark. Versuchsdauer sollte optimaler Weise länger sein. Durch die Zusammenstellung eines interdisziplinärenTeamskonnte sowohl auf viel Fachwissen, Unterstützung und auch auf historische Daten (Düngung in den letzten 25 Jahren, Wetterdaten, praktisch Erfahrungen vor Ort) zugegriffen werden.

Mobile Wärmespeicher zur Effizienzsteigerung bei Biogasanlagen
Offenburg

Logistikkonzept für mobile Wärmespeicher in Biogasanlagen

Im Versorgungsgebiet der badenova gibt es etwa 160 Biogasanlagen. Weil Fernwärmeleitungen relativ teuer sind, nutzen nur etwa 30 von ihnen die während der Gärung entstehende Wärme vollständig. Jährlich etwa fünf MW Wärme bleiben so bisher ungenutzt. Würde diese Wärme genutzt, würden allein in Südbaden etwa 20.000 t CO2 eingespart. Am Beispiel der Biogasanlage Neuried entwickelte die Hochschule Offenburg deshalb ein Konzept für mobile Wärmespeicher, die die Wärme flexibel und ohne Fernleitungen direkt zum Abnehmer bringen. Mobile Wärmespeicher sind handelsübliche Container, die ein Speichermedium, beispielsweise Natriumacetat – auch bekannt als Pökelsalz - , enthalten. Ein wasserbasierter Wärmetauscher übergibt die Wärme aus der Biogasanlage in wenigen Stunden an den Speicher, den der Kunde oder ein Transportunternehmen anschließend auf einem Anhänger zum Verbrauchsort transportiert und dort anschließt. Wärmeproduktion und Verbrauch sind so zeitlich und räumlich entkoppelt. Der im Projekt untersuchte La-Therm-Latentwärmespeicher beispielsweise speichert 2,5 MWh, was genug ist, um ein Einfamilienhaus für ein Vierteljahr mit Warmwasser und Heizwärme zu versorgen. Pro Tag verliert der Speicher Tag weniger als ein Prozent an Wärme. Für solche Wärmespeicher fehlt bisher ein umfassendes Logistikkonzept, das die gesamte Wertschöpfungskette von der Biogasanlage zur Beladestation über den Transport der Speicher zum Verbraucher berücksichtigt. Die Wissenschaftler analysierten deshalb zuerst bestehende Übergabestationen, Speichersysteme und Technik und berechneten anschließend die Wirtschaftlichkeit. Die Speicher sind an die Neurieder Ladestation angeschlossen und bringen so die Wärme zu den Nutzern. Einem Landwirt, der damit im Herbst seine Tabakblätter trocknet, ein Schwimmbad und Wohnhäuser im Winter und im Frühjahr Gewächshäuser. Zusammenfassend kann aus den Projektergebnissen festgestellt werden, dass die Entnahmetemperatur sowohl beim Warmwasserspeicher als auch beim PCM-Speicher durch die Bauart und das verwendete Speichermaterial festgelegt sind. Nur im Falle des Zeolithspeicher kann die Entnahmetemperatur beliebig eingestellt werden. Ein weiterer Vorteil des Zeolithspeichers liegt in der pro Volumeneinheit speicherbaren Energiemenge. Diese liegt beim Zeolithspeicher ca. 220 kWh/m3. Im Gegensatz dazu kann in einem PCMSpeicher ca. 100 kWh/m3 und im Warmwasserspeicher ca. 60 kWh/m3 gespeichert werden. Die Lade- als auch die Entladezeiten sprechen auch für den Zeolithspeicher, da sie kürzer sind als bei den beiden anderen Speichersystemen. Eine vergleichende Kostenabschätzung ist z.Z. noch nicht möglich, da im Falle des Zeolithwärmespeichers noch offende Felder existieren. Zeigen sich jedoch im Anschluss an das Projekt machbare Potentiale, ist das Konzept nicht nur für Biogasanlagen in attraktiv, sondern auch für andere Wärmeproduzenten wie beispielsweise Müllverbrennungs- oder Industrieanlagen. KWK-Gutschriften oder CO2 Zertifikate können die noch hohen Investitionskosten zumindest teilweise refinanzieren.

Bewertung der Risiken von Bioziden und ähnlich toxischen Einsatzstoffen aus dem Betrieb von offenen Kühltürmen für die Trinkwasserversorgung
Freiburg

Biozide aus offenen Kühltürmen

Kraftwerke und Industrie nutzen Wasser aus Oberflächengewässern, um ihre Anlagen auf Betriebstemperatur zu halten. Dies geschieht in großen, meist offenen Kreislaufkühlsystemen. Um das Ökosystem von Flüssen und Seen zu schützen, darf das Kühlwasser auf maximal 25 °C erwärmt werden, wenn es zurück in die Gewässer gelangt. Um zu verhindern, dass sich im warmen Wasser krankheitserregende Keime und Bakterien ansiedeln, setzen die Anlagen oft Biozide ein. Diese Biozide jedoch gelangen, zusammen mit toxischen Abbaustoffen, zum Beispiel aus dem Korrosionsschutz, in die Gewässer und damit in den Wasserkreislauf. Die Menge und Art an toxischen Stoffen, die so ins Wasser gelangen, ist ebenso wenig bekannt, wie ihre Auswirkung auf Trinkwasserqualität und Ökosysteme. Zusammen mit dem Karlsruher Technologiezentrum Wasser (TZW) evaluiert die Arbeitsgemeinschaft Wasserwerke Bodensee-Rhein (AWBR) Ausmaß und Risiken und schlägt schließlich umweltfreundlichere Alternativen vor. Hierzu erarbeiten die Wissenschaftler zuerst eine Liste der häufigsten Substanzen und ermitteln im Labor, ob herkömmliche Reinigungsverfahren diese Stoffe aus dem Wasser entfernen können. Außerdem untersuchen die Wissenschaftler, wie die Einsatzstoffe auf den menschlichen Organismus wirken und ermitteln Empfehlungen für die Wasserversorgung. Für die Kühlanlagen erstellt das Projekt Richtlinien, die den Betreiber hilft abzuschätzen, wann wie viele Chemikalien nötig sind. Die Betreiber können so ihren Verbrauch reduzieren und wenn möglich auf umweltfreundlichere Substanzen zurückgreifen. Das Pilotprojekt liefert erstmals Daten für ein noch wenig erforschtes Problemfeld der Wasserwirtschaft. Die entstehende Datenbank bietet eine Übersicht über herkömmliche Anlagentypen, die Zusammenstellung und Risiken der Einsatzstoffe sowie Empfehlungen für einen effizienteren Einsatz. Für Wasserversorger, Behörden und Anlagenbetreiber ist das Projekt ein wichtiger erster Schritt, um den Risiken der Kühlwasserbehandlung kompetent zu begegnen.