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Technik und Management

Technik und Management Energie/Erneuerbare Energien Bild 3: Laborsystem zur Bewertung der Vergärbarkeit der Zerkleinerungssuspension mittelsMessung von pH-Wert und Biogasbildung Grafik 2: Partikelgrößenverteilung einer Zerkleinerungssuspension von Bioabfällen (Siebanalyse) [Probe 1 = nach Zerkleinerung des Bioabfalls: nach Stopp des DW-Zerkleinerers, das heißt mindestens zwei Durchläufe durch den Mazerator; Probe 2 = Probe 1 + 15 Minuten Kreislaufführung durch Mazerator (+ cirka drei Durchläufe); Probe 3 = Probe 2 + weitere 15 Minuten Kreislaufführung durch Mazerator (+ rund drei Durchläufe)] sammensetzung abhängigen Variationsbreite von 0,3 bis 2,0 t/h. Die großen Durchsatzunterschiede sind vor allem im Spannungsfeld des relativ kleinen Pilotmaßstabs der Demonstrationsanlage gegenüber der „Nicht-Pilotierbarkeit“ der Rohstoffe begründet. Das führte zum Teil dazu, dass große Bioabfälle (zum Beispiel Melonen, großvolumige Salatköpfe) im Einfüllschacht des Zerkleinerungsdemonstrators verblockten und dadurch von den Zähnen des DW-Zerkleinerers nicht erfasst wurden. Geringere Durchsatzleistungen waren demnach durch eine längere Zeit zum Erfassen der Rohstoffe durch die Zahnwellen des DW-Zerkleinerers verursacht und nicht durch unzureichende Zerkleinerungsleistung. Es ist zu erwarten, dass dieses im Zusammenhang mit dem Pilotmaßstab stehende Problem bei Großanlagen mit entsprechend größeren Zerkleinerungsaggregaten, vor allem einer größeren Schneidwerksfläche des DW-Zerkleinerers, nicht mehr auftritt. Bei der energetischen Bewertung wird von folgenden Rahmenbedingungen ausgegangen: > Aus 1 t Bioabfall (zerkleinert) werden in der Demonstrationsanlage rund 45 m³ Biogas mit etwa 60 Prozent Methangehalt bei 10 kWh/m³ Methan gebildet. > Die gewinnbare „Methanenergie“ liegt demnach bei 270 kWh/t Bioabfall. > 1 m³ Bioabfall entspricht cirka 0,7 t Feuchtmasse. > Der durchschnittliche, spezifische Energieverbrauch der Zerkleinerungseinheit wurde anhand der Messdaten von 23 Zerkleinerungsläufen mit jeweils rund 0,5 m³ Bioabfall unterschiedlicher Zusammensetzung ermittelt. Der Energieverbrauch der einzelnen Geräte (DW-Zerkleinerer + Mazerator + Zirkulationspumpe + Förderpumpe) wurde bei jedem Zerkleinerungslauf mittels der Frequenzumformer erfasst. > Der Energieverbrauch der Zerkleinerungseinheit (gesamt) betrug durchschnittlich 3,1 kWh/t Bioabfall mit einer Variationsbreite von 1,2 - 7,4 kWh/t Bioabfall. Wie zuvor dargestellt, sind verschieden lange Zerkleinerungszeiten ursächlich für die Unterschiede und nicht verschieden hohe Leistungsaufnahmen der Geräte in Abhängigkeit von der Bioabfallcharge. Aus dem Energieverbrauch von 3,1 kWh/t Bioabfall und dem energetischen Methanertag von 270 kWh/t Bioabfall ergibt sich, dass die Zerkleinerung nur etwa 1,1 Prozent (mindestens 0,4 Prozent bis maximal 2,7 Prozent) der in Form von Methan aus den Bioabfällen freigesetzten Energie verbraucht. Damit erweist sich das Grundprinzip der zweistufigen EtaMax-Zerkleinerung als sehr energieeffizient und effektiv. Scaleup für Großanlagen Im Rahmen des EtaMax-Projektes [1] waren die Planungsdaten für eine 8 000 jato-EtaMax-Vergärungsanlage zu ermitteln. Aus den Erfahrungen mit der Demonstrationsanlage kann abgeleitet werden, dass das Konzept der hier vorgestellten zweistufigen EtaMax-Zerkleinerung erfolgreich war und bei einer Maßstabsvergrößerung zur Industrieanlage beibehalten werden sollte. Für die Rohstoffzerkleinerung einer Industrieanlage waren folgende Rahmenbedingungen festgelegt worden: > Die Rohstoffanlieferung und -zerkleinerung erfolgt einschichtig an Werktagen und die entstandene Bioabfallsuspension wird in Puffertanks zwischengelagert. Bei 8 000 jato ergibt sich eine Bioabfallmenge von 32 t je Arbeitstag. > Die reine Zerkleinerungszeit in der Tagschicht beträgt cirka 6 Stunden, damit durchschnittlich eine Zeitreserve für Reinigung und Wartung der Anlage von etwa 2 Stunden erhalten wird. > Daraus ergibt sich eine erforderliche Zerkleinerungsleistung von rund 5 t/h Bioabfälle. Diese Rahmenbedingungen erfordern einen mindestens fünffach höheren Durchsatz gegenüber der durchschnittlichen Zerkleinerungsleistung der Demonstrationsanlage. Unter Beachtung der Leistungsdaten des Zerkleinerers der Demonstrationsanlage ergibt sich, dass: > Sowohl der eingesetzte Mazerator 44 UmweltMagazin Januar - Februar 2015

Bilder und Grafiken: Netzsch Grafik 3: Das EtaMax-Prinzip M-Ovas als auch die beiden Exzenterschneckenpumpen diese Leistungsanforderungen noch problemlos erfüllen und beibehalten werden können > Der zur Grobzerkleinerung der Rohstoffe eingesetzt DW-Zerkleinerer unterdimensioniert ist. Vor allem die Schneidwerksfläche muss deutlich größer gewählt werden. In Anbetracht der zum Teil sehr großvolumigen Abfallstücke, wie Melonen, Kürbisse, muss die Schneidwerksfläche mindestens verdoppelt werden, das heißt auf cirka 600 x 500 mm oder größer > Sowohl der Einfülltrichter über dem DW-Zerkleinerer als auch der Pufferbehälter zwischen DW-Zerkleinerer und Mazerator an die Größe des DW-Zerkleinerers und die zu verarbeitende Tonnage anzupassen ist > Bei der hohen Tonnage die Befüllung des EtaMax-Zerkleinerers nicht mehr per Gabelstapler mit einzelnen Abfallsammelgefäßen oder Kippmulde erfolgen kann. Notwendig ist stattdessen eine große, Lkw-befüllbare Mulde mit einem Trogschneckenförderer zum Einfülltrichter beziehungsweise DW- Zerkleinerer. Eine leistungsfähige, sichere Zerkleinerung der Bioabfälle für eine industrielle Vergärungsanlage kann auf Basis des zuvor genannten konzipiert und errichtet werden. Die noch bei der Demonstrationsanlage in Abhängigkeit von der Größe der Bioabfälle zeitweilig auftretenden Probleme durch Verblockung im Einfülltrichter werden bei der Großanlage nicht mehr auftreten. Die größere Grundfläche von Trichter und DW-Zerkleinerer führt in Verbindung mit der geschlossenen Zuführung der Bioabfälle durch den stetig arbeitenden Trogschneckenförderer dazu, dass der DW-Zerkleinerer kontinuierlich mit den Abfällen beaufschlagt wird. Wegen der Beibehaltung des Grundkonzepts wird davon ausgegangen, dass auch beim Scaling-Up ein ähnlich geringer spezifischer Energieverbrauch für die Zerkleinerung erreicht wird. Der zusätzlichen Trogschneckenförderer sollte sich nur minimal auf die Energiebilanz auswirken, da solche Anlagen mit geringem Energiebedarf arbeiten. Zusätzlich ist beim Industriemaßstab eine höhere spezifische Zerkleinerungsleistung zu erwarten, da maßstabsbedingte Probleme durch Verblocken großer Bioabfälle wie zum Beispiel Melonen, Kürbisse oder voluminöser, leichter wie Salate, langstielige Schnittblumen nicht mehr auftreten, die im Pilotmaßstab die Zerkleinerungszeit verlängerten und so den spezifischen Durchsatz senkten. Literatur [1] Verbundvorhaben „Mehr Biogas aus lignozellulosearmen Abfall- und Mikroalgenreststoffen durch kombinierte Bio-, Hydrothermalvergasung – EtaMax“, gefördert durch das BMBF, FKZ: 03SF0350, Laufzeit 2009 – 2014 [2] Teilprojekt 2 des Verbundvorhabens „EtaMax“: „Rohstoffe und Rohstoffaufbereitung“, gefördert durch das BMBF, FKZ: 03SF0350C, Laufzeit 2009 – 2014 Fazit Für die Demonstrationsanlage zur Hochlastvergärung von pflanzlichen, lignozellulosearmen Großmarktabfällen mit einer Verarbeitungskapazität von 160 jato war eine Zerkleinerungseinheit zu entwickeln (BMBF-Verbundvorhaben EtaMax [1]). Mit der zweistufigen EtaMax-Zerkleinerung wurde ein anforderungsgerechtes, effizientes System zum vergärungsgerechten Aufschluss eines breiten Spektrums von Bioabfällen aufgebaut und während des Betriebs der Demonstrationsanlage optimiert. Die EtaMax-Zerkleinerungsanlage erreichte eine durchschnittliche Leistung von 1 t/h Bioabfall bei einem Energieverbrauch von 3,1 kWh/t Bioabfall. Bezogen auf den Energiegehalt des durch die Vergärung gewinnbaren Biogases verbraucht die Zerkleinerung nur rund 1,1 Prozent der aus dem Rohstoff gewinnbaren „Methanenergie“. Das Zerkleinerungssystem kann danach als sehr energieeffizient eingeschätzt werden. Ein Scaling-Up der Zerkleinerung für Industrieanlagen ist problemlos möglich. Es ist zu erwarten, dass die sehr hohe Energieeffizienz und Effektivität der Zerkleinerungsanlage bei Großanlagen in mindestens gleicher Weise erreicht wird. Dipl.-Ing. (FH) Michael Frankl und Dr. Michael Menner, beide Fraunhofer-Institut für Verfahrenstechnik und Verpackung, Freising; Dipl.-Ing. (FH) Mikael Tekneyan, Netzsch Pumpen + Systeme GmbH, Waldkraibung, info@netzsch.com UmweltMagazin Januar - Februar 2015 45

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