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Biogasanlagen: Sicherheitstechnische Aspekte und Umweltauswirkungen

In Biogasanlagen wird aus pflanzlichem oder tierischem Material mit Hilfe von Bakterien der erneuerbare Energieträger Biogas gewonnen. Im Jahr 2016 haben die in Deutschland betriebenen Biogasanlagen fast 32 Gigawattstunden Strom erzeugt und damit 5,3 % des Stromverbrauchs in Deutschland gedeckt. So begrüßenswert die Energiegewinnung aus erneuerbaren Energien ist, Biogasanlagen sind komplexe Industrieanlagen mit erheblichem Risikopotential, weil in Biogasanlagen erhebliche Mengen extrem entzündbare und klimaschädliche Gase erzeugt, gespeichert und umgesetzt werden. Außerdem sind in Biogasanlagen erhebliche Volumina allgemein wassergefährdender Stoffe in Form von Gülle, Substraten oder Gärresten vorhanden. Trotz dieses Risikopotentials wurden bisher keine ausreichenden, rechtsverbindlichen Anforderungen zum Schutz von Mensch und Umwelt für die Errichtung und den sicheren Betrieb von Biogasanlagen festgelegt. Im Hintergrundpapier „Biogasanlagen – Sicherheitstechnische Aspekte und Umweltauswirkungen“ des Umweltbundesamtes werden die Gefahren für Umwelt und Gesundheit, die von Biogasanlagen ausgehen, dargestellt. Das ⁠ UBA ⁠ schlägt vor, diese Probleme durch eine „Biogasanlagenverordnung“ zu vermeiden. Sollten Sie beim Download der PDF-Datei Probleme haben, versuchen Sie es bitte mit einem anderen Internetbrowser. Veröffentlicht in Hintergrundpapier.

Teil 1

Das Projekt "Teil 1" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Hohenheim, Landesanstalt für Agrartechnik und Bioenergie (740) durchgeführt. Ziel des Forschungsvorhabens ist die Entwicklung eines vollkommen neuen Verfahrens zur Erzeugung von gasförmigen Kraftstoffen aus organischen Abfallstoffen. Dazu werden erstmals fermentative Verfahren und bio-elektrische Systeme zu einem neuen Prozess kombiniert. In diesem Prozess werden die Abfallstoffe zunächst in einem 'dark fermentation reactor' fermentativ in organische Säuren umgewandelt und anschließend einer bio-elektrochemischen Konversion, bestehend aus einer Anoden- und einer Kathodenkammer zugeführt werden. An der Anode werden die gelösten organischen Säuren durch exoelektrogene Bakterien zu CO2, H+ und e- oxidiert. Während die Protonen durch eine PEM (proton exchange membrane) der Kathode zugeführt werden, geben die Bakterien die freiwerdenden Elektronen an die Anode ab, so dass diese über eine elektrische Verbindung an die Kathode weiter geleitet werden. Das gebildete CO2 wird ergänzend bedarfsgerecht der Kathode zugeführt. Die Einzelziele des Projektes sind wie folgt definiert: - Entwicklung und Erprobung eines geeigneten Anoden- und Kathodenmaterials und Optimierung der Elektrodenstruktur - Untersuchung der biologischen Diversität der Mikroorganismen an den Elektroden - Optimierung des fermentativ bioelektrochemischen Gesamtverfahrens unter technischen Aspekten im Labormaßstab. Im Berichtszeitraum wurden im Wesentlichen folgende Arbeiten durchgeführt: Ausgehend von Vorarbeiten zur Wasserstoffproduktion mit Edelstahlkathoden in dem für die Methanogenen geeigneten Kulturmedium, wurde iterativ ein auf die Anforderungen der Kathodenentwicklung hin optimiertes Reaktorkonzept entwickelt. Eine Hauptanforderung an den Reaktor ist dabei die integrierte CO2-Versorgung. Hinsichtlich der Entwicklung eines geeigneten Biofilm-Trägermaterials wurden vergleichende Untersuchungen mit Glasfasern und Nanofasern aus Polyacrylnitril (PAN) in einer Kultur von M. barkeri durchgeführt. Die PAN-Nanofasern wurden teilweise zusätzlich mit (3-Aminopropyl)triethoxysilan (ATPES) behandelt, um deren Oberfläche mit positiven Ladungen auszurüsten und so die Biofilmansiedlung zu verbessern. In verschiedenen Langzeitexperimenten mit bioelektrochemischen Systemen, die mit Perkolat als Substrat betrieben wurden, konnte gezeigt werden, dass die bereits im Perkolat bestehende Community an Organismen in der Lage ist, die enthaltenen organischen Säuren komplett zu oxidieren. Dabei konnten Stromstärken von bis zu 0,5 mA/cm2 Anodenfläche gemessen werden. Die durchgeführten Untersuchungen zum fermentativen Aufschluss der Abfallstoffe belegen, dass die gewählten Substrate sehr gut in organische Säuren überführt werden können. Es traten keinerlei Prozessstörungen auf. In HPLC-Untersuchungen konnten keine Alkohole und Zucker im Perkolat nachgewiesen werden. Die Untersuchung des Perkolats zeigte für pH-6,0 die höchsten Konzentrationen an organischen Säuren, besonders die Gehalte an Essigsäure und Buttersäure lagen im Vergleich deutlich über den Werten bei pH-5,5.

Teil 3

Das Projekt "Teil 3" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Albert-Ludwigs-Universität Freiburg, Institut für Mikrosystemtechnik durchgeführt. Ziel des Forschungsvorhabens ist die Entwicklung eines vollkommen neuen Verfahrens zur Erzeugung von gasförmigen Kraftstoffen aus organischen Abfallstoffen. Dazu werden erstmals fermentative Verfahren und bio-elektrische Systeme zu einem neuen Prozess kombiniert. In diesem Prozess werden die Abfallstoffe zunächst in einem 'dark fermentation reactor' fermentativ in organische Säuren umgewandelt und anschließend einer bio-elektrochemischen Konversion, bestehend aus einer Anoden- und einer Kathodenkammer zugeführt werden. An der Anode werden die gelösten organischen Säuren durch exoelektrogene Bakterien zu CO2, H+ und e- oxidiert. Während die Protonen durch eine PEM (proton exchange membrane) der Kathode zugeführt werden, geben die Bakterien die freiwerdenden Elektronen an die Anode ab, so dass diese über eine elektrische Verbindung an die Kathode weiter geleitet werden. Das gebildete CO2 wird ergänzend bedarfsgerecht der Kathode zugeführt. Die Einzelziele des Projektes sind wie folgt definiert: - Entwicklung und Erprobung eines geeigneten Anoden- und Kathodenmaterials und Optimierung der Elektrodenstruktur - Untersuchung der biologischen Diversität der Mikroorganismen an den Elektroden - Optimierung des fermentativ bioelektrochemischen Gesamtverfahrens unter technischen Aspekten im Labormaßstab. Im Berichtszeitraum wurden im Wesentlichen folgende Arbeiten durchgeführt: Ausgehend von Vorarbeiten zur Wasserstoffproduktion mit Edelstahlkathoden in dem für die Methanogenen geeigneten Kulturmedium, wurde iterativ ein auf die Anforderungen der Kathodenentwicklung hin optimiertes Reaktorkonzept entwickelt. Eine Hauptanforderung an den Reaktor ist dabei die integrierte CO2-Versorgung. Hinsichtlich der Entwicklung eines geeigneten Biofilm-Trägermaterials wurden vergleichende Untersuchungen mit Glasfasern und Nanofasern aus Polyacrylnitril (PAN) in einer Kultur von M. barkeri durchgeführt. Die PAN-Nanofasern wurden teilweise zusätzlich mit (3-Aminopropyl)triethoxysilan (ATPES) behandelt, um deren Oberfläche mit positiven Ladungen auszurüsten und so die Biofilmansiedlung zu verbessern. In verschiedenen Langzeitexperimenten mit bioelektrochemischen Systemen, die mit Perkolat als Substrat betrieben wurden, konnte gezeigt werden, dass die bereits im Perkolat bestehende Community an Organismen in der Lage ist, die enthaltenen organischen Säuren komplett zu oxidieren. Dabei konnten Stromstärken von bis zu 0,5 mA/cm2 Anodenfläche gemessen werden. Die durchgeführten Untersuchungen zum fermentativen Aufschluss der Abfallstoffe belegen, dass die gewählten Substrate sehr gut in organische Säuren überführt werden können. Es traten keinerlei Prozessstörungen auf. In HPLC-Untersuchungen konnten keine Alkohole und Zucker im Perkolat nachgewiesen werden. Die Untersuchung des Perkolats zeigte für pH-6,0 die höchsten Konzentrationen an organischen Säuren, besonders die Gehalte an Essigsäure und Buttersäure lagen im Vergleich deutlich über den Werten bei pH-5,5.

Teil 2

Das Projekt "Teil 2" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Institut für Angewandte Biowissenschaften, Abteilung Angewandte Mikrobiologie durchgeführt. Ziel des Forschungsvorhabens ist die Entwicklung eines vollkommen neuen Verfahrens zur Erzeugung von gasförmigen Kraftstoffen aus organischen Abfallstoffen. Dazu werden erstmals fermentative Verfahren und bio-elektrische Systeme zu einem neuen Prozess kombiniert. In diesem Prozess werden die Abfallstoffe zunächst in einem 'dark fermentation reactor' fermentativ in organische Säuren umgewandelt und anschließend einer bio-elektrochemischen Konversion, bestehend aus einer Anoden- und einer Kathodenkammer zugeführt werden. An der Anode werden die gelösten organischen Säuren durch exoelektrogene Bakterien zu CO2, H+ und e- oxidiert. Während die Protonen durch eine PEM (proton exchange membrane) der Kathode zugeführt werden, geben die Bakterien die freiwerdenden Elektronen an die Anode ab, so dass diese über eine elektrische Verbindung an die Kathode weiter geleitet werden. Das gebildete CO2 wird ergänzend bedarfsgerecht der Kathode zugeführt. Die Einzelziele des Projektes sind wie folgt definiert: - Entwicklung und Erprobung eines geeigneten Anoden- und Kathodenmaterials und Optimierung der Elektrodenstruktur - Untersuchung der biologischen Diversität der Mikroorganismen an den Elektroden - Optimierung des fermentativ bioelektrochemischen Gesamtverfahrens unter technischen Aspekten im Labormaßstab. Im Berichtszeitraum wurden im Wesentlichen folgende Arbeiten durchgeführt: Ausgehend von Vorarbeiten zur Wasserstoffproduktion mit Edelstahlkathoden in dem für die Methanogenen geeigneten Kulturmedium, wurde iterativ ein auf die Anforderungen der Kathodenentwicklung hin optimiertes Reaktorkonzept entwickelt. Eine Hauptanforderung an den Reaktor ist dabei die integrierte CO2-Versorgung. Hinsichtlich der Entwicklung eines geeigneten Biofilm-Trägermaterials wurden vergleichende Untersuchungen mit Glasfasern und Nanofasern aus Polyacrylnitril (PAN) in einer Kultur von M. barkeri durchgeführt. Die PAN-Nanofasern wurden teilweise zusätzlich mit (3-Aminopropyl)triethoxysilan (ATPES) behandelt, um deren Oberfläche mit positiven Ladungen auszurüsten und so die Biofilmansiedlung zu verbessern. In verschiedenen Langzeitexperimenten mit bioelektrochemischen Systemen, die mit Perkolat als Substrat betrieben wurden, konnte gezeigt werden, dass die bereits im Perkolat bestehende Community an Organismen in der Lage ist, die enthaltenen organischen Säuren komplett zu oxidieren. Dabei konnten Stromstärken von bis zu 0,5 mA/cm2 Anodenfläche gemessen werden. Die durchgeführten Untersuchungen zum fermentativen Aufschluss der Abfallstoffe belegen, dass die gewählten Substrate sehr gut in organische Säuren überführt werden können. Es traten keinerlei Prozessstörungen auf. In HPLC-Untersuchungen konnten keine Alkohole und Zucker im Perkolat nachgewiesen werden. Die Untersuchung des Perkolats zeigte für pH-6,0 die höchsten Konzentrationen an organischen Säuren, besonders die Gehalte an Essigsäure und Buttersäure lagen im Vergleich deutlich über den Werten bei pH-5,5.

Breeding of maize and sunflower with improved quality for biogas production

Das Projekt "Breeding of maize and sunflower with improved quality for biogas production" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Hohenheim, Landessaatzuchtanstalt (720) durchgeführt. In future biomass will play a major role in the overall energy mix. Because of this fact particularly the production of biomethane will be of main interest in Germany. The basis for utilization of biomass is the energy yield that can be achieved per unit area. In addition to a high dry matter yield the composition of the fermentation substrate is of fundamental importance for the digestion process and for obtaining a high economic efficiency of the biogas plant and accordingly a competitive price level on the market. The main objective of this project is to develop a basis for achieving more, in biogas plants convertible energy, per unit area. Therefore it is necessary to gain knowledge about the kinetic and genetic of fat accumulation in the oil plant sunflower and the starch plant maize. A second objective is to assess the option of breeding sunflowers with reduced whole plant ash and crude fiber contents and in this way to advance the plant quality. Due to the fact that actual formulas based on the substrate composition are not satisfying yet for estimating the methane yield of complex substrates, it is still necessary to use time consuming laboratory methods. For this reason correction factors for these formulas should be determined in this project.

Teilprojekt: 'Lehmann - UMT'

Das Projekt "Teilprojekt: 'Lehmann - UMT'" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Lehmann - UMT GmbH durchgeführt. In Rahmen des RESERVES-Projektes sollen zwei derzeit ungenutzte Stoffströme, Abfälle des größten Gemüse und Blumenmarktes in Indien und eines Schlachthofes, für die Produktion von Biogas genutzt werden. Dabei soll eine neue, nachhaltige Wertschöpfungskette geschaffen und die Umwelt entlastet werden. Durch Einsatz innovativer Aggregate zum Substrataufschluß und der Gärrestbehandlung kann die stoffliche Nutzung hygienisch und mit hoher Ausbeute erreicht werden. Es werden Untersuchungen zum biologischen Methanbildungspotential (BMP) der Substrate im Labormaßstab in Indien durchgeführt (CLRI). Das dazu notwendige, standardisierte Versuchsprotokoll wird mit Hilfe des ISAH am CLRI etabliert. CLRI wird Daten über die Stoffströme vor Ort erheben und gemeinsam mit ISAH aus- und bewertet. Ausgehend von den Laboruntersuchungen wird die Pilotanlage dimensioniert und von der Firma Lehmann UMT GmbH übernommen. Mit Hilfe des indischen Industriepartners Ramky inf. Ltd wird die Pilotanlage aufgebaut und betrieben. Lehmann UMT wird dabei eine technische Neuentwicklung zur Bioextrusion, die Gegenstand der Untersuchung ist, einsetzen. Als Ergebnis des Projektes werden Energie-, Stoffstrom- und CO2-Bilanzen erstellt, die als Entscheidungsgrundlage für potentielle Investoren dienen sollen. Das Projekt wird Modellcharakter für Entwicklungsländer aufweisen, da erstmals divergente Stoffströme kombiniert und sowohl unter hygienischen als auch energetischen Gesichtspunkten untersucht werden.

WOMBAT-ESP

Das Projekt "WOMBAT-ESP" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Fraunhofer-Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik (IWES) - Institutsteil Kassel durchgeführt. Ergänzende Optimierungen einer projektierten Demonstrationsanlage im 6 MWel-Maßstab zur Speicherung von erneuerbarem Strom im Erdgasnetz über die Umwandlung in synthetisches Methan ( EE-Gas ) und begleitende Forschung und Entwicklung sowie Übertragung der Forschungsergebnisse auf die optimierte Betriebsweise des Verbunds PtG-Anlage/Biogasanlage und auf systemanalytische Untersuchungen, Optimierung CO2 Produktion für die Power-to-Gas -Anlage, Monitoring Biogasproduktionsanlage (BGA) und Biogasaufbereitungsanlage (BGAA) zur CO2 Bereitstellung, Effizienzsteigerung durch intelligente Verfahrenstechnik durch Energiemanagement (Wärme, Strom und Substrat), Potentialermittlung der zukünftigen CO2 Quellen mittels Biogasanlagen für die Power-to-Gas Technologie.

Teilvorhaben 3: Anwendung des Hemmquick-Tests in der Praxis

Das Projekt "Teilvorhaben 3: Anwendung des Hemmquick-Tests in der Praxis" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von WELTEC BIOPOWER GmbH durchgeführt. In diesem Vorhaben sollen die frühzeitige Erkennung von Prozessstörungen sowie die Vermeidung von Störungen durch das Einbringen von Hemmstoffen in landwirtschaftlichen Biogasanlagen bearbeitet werden. Hiermit soll ein Beitrag zur nachhaltigen und ökologischen Biogasproduktion sowie zur Steigerung der Effizienz geleistet werden. Dazu werden der Schnelltest Hemm-quick zur Bestimmung von Hemmungen in Biogasanlagen sowie der Schnelltest Myko-quick zur Bestimmung von Mykotoxinen in Biogasanlagen entwickelt. Ein Ziel dieses Forschungsvorhabens ist es, die Dosis-Wirk-Beziehungen von Mykotoxinen mit Hilfe der Abbaukinetik bei unterschiedlich dotierten Standardsubstraten zu quantifizieren. Der Schnelltest (Hemm-quick) soll zur Erfassung der potentiellen Hemmwirkung von realen Biogassubstrat- und Fermenterproben eingesetzt werden. Dies ermöglicht eine schnelle Identifizierung von Prozessstörungen. Die Hemmwirkung wird zudem über das Säurespektrum validiert. -Entwicklung des Hemm-quick auf Basis des ANKOM-Systems und Etablierung eines speziellen Aufbereitungsverfahrens. Die Aufbereitung der Proben ermöglicht eine Prüfung der Hemmwirkung von realen Proben auch bei niedrigen Hemmstoffkonzentrationen ohne das Testsystem mit organischer Substanz zu überladen. Dabei sollen Güllen, Miste, Silagen und andere NaWaRo's sowie Fermenterinhalte getestet werden können. -Anpassung eines kommerziell verfügbaren Mykotoxin-Schnelltests an die Matrix Biogas-Fermenterbrühe zur raschen und quantitativen Erfassung von Mykotoxinen in Biogasanlagen. -Validierung der ermittelten Hemmstoffkonzentrationen in einer quasikontinuierlichen Versuchsanlage im Technikumsmaßstab. Übertragung der gewonnenen Erkenntnisse zu Hemmstoffschwellen auf den kontinuierlichen Biogasprozess. - Anwendung des Hemmstofftestsystems und des Mykotoxin-Schnelltests in der Praxis. -Anpassung und Optimierung des Testsystems für die Praxis.

Nutzbarmachung der Restströme Stroh und Gärrest als Substrat für die Biogaserzeugung durch Co-Silierung

Das Projekt "Nutzbarmachung der Restströme Stroh und Gärrest als Substrat für die Biogaserzeugung durch Co-Silierung" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Biopract GmbH durchgeführt. Ziel des Vorhabens ist es, die landwirtschaftlichen Restströme Stroh und Gärrest durch geeignete Vorbehandlung als Substrat für die Bioenergiegewinnung nutzbar zu machen. Dazu soll ein Silierverfahren entwickelt werden, welches die enzymgestützte Konservierung von Stroh mit feuchtem Gärrest ermöglicht, sodass aus ungenutzten Reststoffströmen durch Kaskadennutzung ein energiereiches Substrat für die Biogaserzeugung gewonnen wird. Dazu werden auch mechanische Vorbehandlungen untersucht, wobei der Fokus auf der Verwendung einer Kollermühle zur Verbesserung der Benetzungseigenschaften von Stroh liegt. Die Innovation des Vorhabens besteht darin, ein enzymbasiertes Produkt zu entwickeln, welches die Siliereigenschaften verbessert und die Gärfähigkeit der Silage im Biogasprozess signifikant verbessert. Hierfür soll ein Silierverfahren weiterentwickelt werden, in dem extrem trockene Substrate (Stroh mit TM größer als 85%) und sehr feuchte Substrate (z.B. Gärrest mit TM kleiner als 20%) zur einer stabilen, silierfähigen Masse vereint werden. Die enzymbasierten Hilfsmittel werden mit drei wesentlichen Zielstellungen entwickelt: (1) Schnelle Freisetzung leicht vergärbarer Zucker aus komplexen Kohlenhydraten, zur Säurebildung für einen sicheren Siliererfolg; (2) gute Hydratisierung der Strohfasern und (3) Verbesserte Gäreigenschaften während der Biomethanisierung durch Aufschluss von lignozellulosehaltiger und mikrobieller Biomasse.

Teilprojekt 1 (Biorist)

Das Projekt "Teilprojekt 1 (Biorist)" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Technische Universität Berlin, Institut für Technischen Umweltschutz, Fachgebiet Abfallwirtschaft durchgeführt. Ziel des Projektes mit dreijähriger Laufzeit ist, es ein innovatives Verfahren zur Herstellung von Biogas aus Reisstroh zu entwickeln und in einer Demonstrationsanlage im ländlichen Raum in Vietnam zu implementieren. Das Projekt wird vom Fachgebiet Kreislaufwirtschaft und Recyclingtechnologie am Institut für Technischen Umweltschutz - Frau Prof. Dr. Rotter - koordiniert. Der Verbundpartner ist die Herbst Umwelttechnik GmbH und der Kooperationspartner in Vietnam ist die Industrial University in Ho Chi Minh Stadt, sowie der Anlagenbauer Lotus Environmental Technologies. Zur Entwicklung von alternativen Finanzierungsmodellen und Klimaschutzprojekten sind die Firmen UPM GmbH und Perspectives GmbH als Unterauftragnehmer eingebunden. Im Zentrum des Projektes steht eine Pilotanlage, welche in der Provinz Ti?n Giang im Mekong-Delta aufgebaut wird, um das Verfahren zu erproben und zu optimieren sowie zur Ausbildung der lokalen Techniker und Ingenieure. Ergänzend werden umfangreiche Mess- und Versuchsreihen zur Charakteristik und Reduktion der Emissionen von Treibhausgasen durch den Reisanbau im Nassfeldverfahren durchgeführt und regionale Stoffströme aus der Landwirtschaft bilanziert, um ein ganzheitliches Nutzungskonzept für biogene Reststoffe als Energie- und Nährstoffträger zu entwickeln. Die Definition von internationalen Klimaschutzprojekten unter CDM und NAMA wird die Finanzierung der weiter Biogasanlagen nach Projektende unterstützen, die Umsetzbarkeit dieser Finanzierungsinstrumente für den globalen Klimaschutz wird im Rahmen von BioRist geprüft.

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