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Biogasanlagen versprechen umweltfreundliche Energie aus biologischen Abfällen. Die Förderung allerdings wurde 2014 hauptsächlich auf Kleinanlagen reduziert, was zu einem Einbruch des Zubaus neuer Bioreaktoren geführt hat. Gehe zu Fotos
Biogasanlagen versprechen umweltfreundliche Energie aus biologischen Abfällen. Die Förderung allerdings wurde 2014 hauptsächlich auf Kleinanlagen reduziert, was zu einem Einbruch des Zubaus neuer Bioreaktoren geführt hat.

Kleine Biogasanlagen effizient betreiben: Spezielle Beschickungs- und Homogenisierungstechnik spart Strom und Substrat

Nach dem großen Biogas-Boom in Deutschland bis 2011 scheint die Energieerzeugung aus nachwachsenden Rohstoffen heute kaum noch jemanden zu interessieren. Die Anlagenzahl stagniert bei rund 9.000, während zur Hochzeit der umweltfreundlichen Technologie allein in einem Jahr etwa 1.500 Bioreaktoren neu in Betrieb genommen wurden. Grund für die Trendwende sind die Vergütungskürzungen und vor allem die Änderungen an der Förderung durch die EEG-Novelle von 2014, die nur noch Anlagen bis 75 kW die maximale Unterstützung gewährt. Adressiert ist dieses Angebot – im Gegensatz zu den rein kommerziellen Biogasanlagen-Betrieben – an Landwirte, die nur eigene Abfälle verwerten. Allerdings ist die Wirtschaftlichkeit bei dieser geringen Energiemenge fraglich, benötigen die Bioreaktoren doch selbst einiges an Strom und Wärme. Um hier die Effizienz zu steigern und die Kleinanlagen rentabel zu machen, empfiehlt sich eine besondere Technik: die Breibeschickung mittels spezieller Zerkleinerungs- und Fördersysteme. Damit lassen sich der Substrateinsatz um bis zu 15 Prozent und der Stromverbrauch um über 50 Prozent reduzieren.

Kern der Biogaserzeugung ist die Fermentation von Biomasse durch spezialisierte Gärungsbakterien. Je besser diese arbeiten können, umso höher ist der Gasertrag – weshalb die Anlagenkonzeption darauf ausgelegt sein sollte, den idealen Lebensraum für die mikrobiellen Helfer zu schaffen. Dazu gehören nach Möglichkeit eine gute Vorzerkleinerung der Substrate, um mehr Angriffsfläche für die Fermentation zu schaffen, eine gründliche Durchmischung des Substrats, damit die Bakterien überall verteilt werden, und eine gleichmäßige Temperierung des Fermenters. Der übliche Biomassemix aus Silage, Pflanzenschnitt, trockenen Bestandteilen wie Hühnerkot und Gülle bietet hierfür jedoch eine eher schlechte Grundlage: Die inhomogene Zusammensetzung schränkt nicht nur die Gärung ein, sie erschwert auch die Beschickung des Fermenters. Häufig werden daher Schraubenförderer eingesetzt, die zwar jegliches Material transportieren können, aber auch störanfällig, sperrig und schmutzig sind.

Schonende Förderung von Gärsubstrat

Eine Alternative dazu stellt die Breibeschickung dar, bei der das Substrat schon vor dem Fermenter homogenisiert, durchmischt und mit Gärbakterien geimpft wird. Dabei entsteht ein fließfähiges Gemisch, das sich unkompliziert per Leitung fördern lässt und einen höheren Ertrag bei weniger Kosten ermöglicht. Die NETZSCH Pumpen & Systeme GmbH hat speziell für diesen Einsatzzweck die NEMO® B.Max®-Mischpumpe entwickelt. Diese basiert auf der bewährten Exzenterschneckentechnologie, bei der sich ein gewendelter Rotor in einem geometrisch darauf abgestimmten Stator dreht. Dabei eröffnen sich gleichförmige Förderkammern, in denen das Medium – unabhängig von seiner Konsistenz – schonend von der Saug- zur Druckseite befördert wird. Für den Biogas-Bereich hat das den Vorteil, dass auch wechselnde Substratzusammensetzungen gut bewältigt werden können. Darüber hinaus treten dabei kaum Pulsation oder Schwerkräfte auf, so dass sich die Phasen des Mediums nicht trennen und auch die enthaltenen Bakterien nicht zu Schaden kommen.

Um auch solche kleinen Anlagen wirtschaftlich betreiben zu können, bietet sich das Verfahren der Breibeschickung an. Der Pumpenexperte NETZSCH hat eigens hierfür die spezialisierte NEMO® B.Max®-Mischpumpe entwickelt, die für eine optimale Homogenisierung des Substrats sorgt.

Die Mikroorganismen werden dem Substrat über Rezirkulat aus dem Fermenter zugesetzt. Auf diese Weise wird die Fließfähigkeit des Materials erhöht und zugleich der Gärprozess schon in der Pumpe in Gang gebracht. Die dazu benötigte Biomasse wird über einen weiten, rechteckigen Einlauftrichter eingebracht, der dank seiner konischen Form Verstopfungen verhindert. Bei besonders stückigem, faserigem Substrat mit hohem Trockensubstanzgehalt kann zudem noch ein aBP®-Brückenbrecher integriert werden, der Brückenbildungen mittels sich drehender Räder an den Seitenwänden verhindert.

Homogenisierung schon in der Pumpe spart Strom und Substrat

Das Material fällt aus dem Trichter in die Mischkammer, das Herzstück der B.Max®-Pumpe. Hier sorgt eine Förderschnecke auf der Kuppelstange für eine gründliche Vermengung der verschiedenen Bestandteile des Substrats, während es zum eigentlichen Pumpbereich bewegt wird. Unterstützt wird dieser Prozess durch einen lageoptimierten Zuführstutzen, über den Gülle oder Rezirkulat gegenläufig zugeführt und so die Durchmischung erhöht wird, sowie durch die spezielle Steigung und Segmentierung der Mischschnecke. Deren besondere Konstruktion fördert mehr Medium zur Exzenterschnecke als diese abtransportieren kann, wodurch sich ein kontrollierter Rückstrom ergibt, der für zusätzliche Verwirbelungen sorgt. Aufgrund dieser drei Eigenheiten – Mischschnecke, gegenläufige Flüssigkeitszuführung und Rückstrom – entsteht in der Pumpe bereits ein homogener, gärfähiger Substratbrei, der den Fermentationsbakterien ein geeignetes Arbeitsumfeld bietet. Zugleich macht die Technik einen separaten Anmaischbottich überflüssig und ermöglicht die Förderung der Biomasse auch über weitere Strecken und Steigungen, so dass man in der Anlagenkonzeption mehr Flexibilität hat.

Das kommt insbesondere bei der Beschickung des Fermenters zum Tragen, da der Transport per Leitung eine Zuführung im unteren Bereich des Faulbehälters erlaubt. Daraus folgt eine nicht unerhebliche Bewegung im gärenden Substrat, was wiederum die Eigenkonvektion verbessert und die Bildung von Schwimmdecken minimiert. In Kombination mit dem ohnehin breiigen Substrat muss so das Rührwerk seltener in Anspruch genommen werden und die Wärme zirkuliert besser im gesamten Fermenter. Ein bayrischer Bioenergie-Erzeuger konnte auf diese Weise seine Rührwerkslaufzeiten um 40 Prozent und seinen Substrateinsatz bei gleicher Ausbeute um acht Prozent reduzieren. Generell rechnen die Experten bei NETZSCH gegenüber einem Trockenbeschickungssystem mit einem weniger als halb so hohen Rührbedarf, was sich in deutlich niedrigeren Stromkosten niederschlägt, sowie mit einer Biomasseeinsparung von rund 15 Prozent – für die Wirtschaftlichkeit der Biogasanlage zwei wesentliche Faktoren.

Um auch die Instandhaltungskosten gering zu halten, ist die B.Max®-Pumpe sehr robust gebaut und wird eigens an das Einsatzgebiet angepasst, etwa mittels beschichtetem oder gehärtetem Einfülltrichter. Auch die Werkstoffe für Rotor und Stator werden entsprechend gewählt, um möglichst hohe Standzeiten zu erzielen. Zudem verfügt die Pumpe über großzügig dimensionierte Inspektionsöffnungen, wodurch sie für etwaige Reinigungs- oder Inspektionsarbeiten nicht ausgebaut werden muss, und kann bei Bedarf mit Trockenlaufschutz- und Überdrucksicherungssystemen ausgestattet werden. Bis zu 70 m³/h Substrat lassen sich damit bei bis zu 48 bar und frei über die Drehzahl regulierbar transportieren. Die Auslegung auf solch hohe Drücke, während üblicherweise die Medien nur mit rund 1 bis 3 bar bewegt werden, erhöht die Lebensdauer zusätzlich.

Vorzerkleinerung schwieriger Materialien

Für eine noch höhere Betriebssicherheit – besonders dort, wo sehr grobe Grundstoffe verwertet werden sollen – empfiehlt es sich, vor die Pumpe einen Zerkleinerer zu schalten. Damit lassen sich Störstoffe wie Steine ausschleusen und langfaserige Pflanzenreste zerschneiden, bevor sie zu Schäden und Verzopfungen führen können. Dadurch werden Stillstände, die nicht nur die Leistungsbilanz verschlechtern, sondern im Extremfall zum Umkippen des Fermenter-Substrats führen können, zuverlässig vermieden. NETZSCH hat hierzu den M-Ovas®-Lochscheibenzerkleinerer entwickelt, der aus einem Messerkopf mit Hartmetall-Schneidmessern und einer doppelseitig verwendbaren Schneidplatte aus gehärtetem Stahl besteht.

Das starre Schneidwerk mit selbst nachstellendem Schneidmechanismus erreicht eine hohe Schnitteffizienz, bis zu 300 m³ mit einem Trockenmassegehalt bis zwölf Prozent lassen sich damit pro Stunde verarbeiten. Eine integrierte Schwungscheibe reduziert dabei die nötige Antriebsleistung und spart so Energie. Zugleich ermöglicht die starre Konstruktion eine geringe Distanz von Schneidplatte zu Lochscheibe, was die Abnutzung verringert. Für eventuell dennoch anfallende Reinigungs- oder Wartungsarbeiten lässt sich der weite Gehäusedeckel mit dem integrierten Schneidwerk dank unterstützenden Gasdruckdämpfern ganz einfach abnehmen. Ist mit sehr inhomogenen Medien und in Größe oder Konsistenz stark schwankenden Bestandteilen zu rechnen, kann stattdessen auch ein Doppelwellenzerkleinerer verbaut werden. Dieser bewältigt mit seinen gegenläufigen Messerwellen selbst Holz oder Kunststoff.

Robuste Drehkolbenpumpe für hohe Fördermengen

Neben der eigentlichen Substrat-Vorbereitung und -Beschickung bietet NETZSCH darüber hinaus auch Lösungen für andere Anwendungen rund um die Biogas-Gewinnung an. Für Aufgaben mit hohen Fördervolumen, wie die Entleerung von Güllefässern oder die Substratumwälzung, wurde beispielsweise die TORNADO® T.Agri-Drehkolbenpumpe geschaffen. Mit ihrem großen Förderraum und ihrem weiten freien Kugeldurchgang ist sie gegen Verstopfungen weitgehend immun und kann je nach Ausführung bis zu 1.000 m³/h transportieren. Die T2-Bauform bietet dabei das beste Platz-Leistungs-Verhältnis, da hier der Motor über dem Pumpraum angeflanscht wird und ein synchronisierender Riementrieb das Drehmoment auf die Wellen überträgt. So passt die kompakte Pumpe auch in engste Räume. Zusätzlich zeichnet sich diese Antriebsvariante durch eine sehr hohe Robustheit und Wartungsfreundlichkeit aus: Der Riemen muss nicht geschmiert werden, ist unempfindlich gegen Störungen und kann im Bedarfsfall ganz einfach ersetzt werden.

Dank des Riementriebs sind diese Pumpen der TORNADO® T2-Baureihe besonders kompakt, leicht zu warten und unempfindlich gegen Störungen.

Insgesamt ermöglichen diese verschiedenen, auf die Biogas-Erzeugung abgestimmten Systeme eine sehr hohe Anlageneffizienz bei gleichzeitig niedrigen Kosten und wenig Aufwand. Für die Landwirte, die mit der aktuellen Förderung von Kleinanlagen besonders angesprochen werden, ergibt sich damit eine reelle Möglichkeit, ihre Betriebsabfälle sinnvoll zu nutzen und daraus umweltfreundliche Energie zu gewinnen. Insbesondere die Breibeschickung verspricht eine rasche Amortisation, so dass sich Bioreaktoren im kleineren Maßstab durchaus wieder zu einer rentablen Zugewinnoption für die deutsche Landwirtschaft entwickeln können – und dadurch langfristig die Umstellung auf Erneuerbare Energien unterstützen.

Quelle: NETZSCH Pumpen & Systeme GmbH

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