Schlussbericht
(Deutsch)
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Methanverluste belasten nicht nur die Umwelt, sie erhöhen auch das Sicherheitsrisiko der Biogasanlage und bedeuten wirtschaftliche Verluste. Ihre Reduktion ist das Ziel dieser Arbeit im Auftrag des Bundesamts für Energie. Der Bericht dokumentiert aufgrund einer Befragung die technischen und verfahrenstechnischen Merkmale von 38 landwirtschaftlichen Biogasanlagen. Weiterhin werden Methanverlustquellen bei 12 Biogasanlagen evaluiert. Ferner liefert der Bericht quantitative Angaben zu Methanemissionen aus Gärresten bei drei Betrieben sowie punktuell von einer Vorgrube, unter Praxis- und Laborbedingungen. Einflussgrössen wurden analysiert und Massnahmen zur Verlustminderung abgeleitet.
Eine Befragung auf 38 landwirtschaftlichen Biogasanlagen zeigt die bauliche, technische und verfahrenstechnische Heterogenität dieser Anlagen auf. Lediglich in 15 Fällen handelt es sich um mehrstufige Anlagen mit Fermenter und Nachgärer. Die erhobenen Daten aus der Befragung dienten als Grundlage für die Auswahl von zwölf repräsentativen Biogasanlagen, die mit einer Gas-Kamera (GasCam) auf Methanverluste untersucht wurden. Bei allen ausgewählten Biogasanlagen konnten Gasleckagen gefunden werden. Die Anzahl Leckagen pro Anlage war jedoch sehr unterschiedlich. Fast die Hälfte der Anlagen wiesen Methanverluste im Bereich des Übergangs der Gashaube zur Behälterkrone auf. Zwei Drittel der untersuchten Betriebe haben bereits Erfahrungen mit Gasverlusten wegen beschädigter Membrane oder deren Ablösung von der Behälterwand gemacht. Ebenfalls traten oft Methanverluste bei Wanddurchdringungen oder Aussparungen auf. Die meisten festgestellten Verluste sind auf konstruktive Mängel oder unzureichende Wartung zurückzuführen.
Mit der GasCam-Methode können Emissionsquellen auf 12 Betrieben detektiert, jedoch nicht quantifiziert werden. Die relative Bedeutung einzelner Emissionsquellen lässt sich mit Hilfe einer punktuellen Methankonzentrationsbestimmung vor Ort sowie einer Leckvermessung beurteilen. Besonders gross ist das Emissionspotential bei der Gashaube und dem Überdruckventil. Bei einer Membranbeschädigung, oder deren Ablösung von der Behälterkrone, können grosse Biogasmengen freigesetzt werden. Bei Überdruckventilen können neben betriebsbedingten Verlusten infolge einer Biogasüberproduktion auch noch erhebliche Methanverluste durch Funktionsstörungen im Ventil auftreten.
Neben diesen punktuellen Emissionsquellen, sind Flächenquellen wie Gärrestlager und Vorgrube, hinsichtlich Methanemissionen von grosser Bedeutung. Zur Quantifizierung der Gärrestemissionen, nach den Vergärungs- oder Behandlungsstufen Fermenter, Nachgärer und Separator (Auftrennung in flüssige und feste Gärreste), wurde die Methode der dynamischen Durchflusskammer verwendet. Die Messungen fanden unter praxisnahen Bedingungen bei drei Biogasanlagen während je vier Jahreszeiten statt. Parallel zu den Messungen wurde von jeder Gärrestprobe das Methanrestpotential mit Hilfe des Hohenheimer Biogasertragstests (HBT) unter Laborbedingungen bestimmt. Die in der Durchflusskammer gemessenen Emissionen betrugen bei den Fermenter-Gärresten 2 bis 37 %, bei den Gärresten aus dem Nachgärer 2 bis 24 %, bei den separierten flüssigen Gärresten 3 bis 37 % und bei den separierten festen Gärresten 0 bis 20 % des Methanrestpotentials. Die Emissionen aus den Fermenter-Gärresten belaufen sich auf etwa 2 % der gesamten Gasproduktion der Anlage. Bei den Gärresten aus dem Nachgärer waren es etwa 0.5 %, bei den separierten flüssigen Gärresten ebenfalls 0.5 % und bei den separierten festen Gärresten weniger als 0.1 %. Die Methanemissionen wurden erwartungsgemäss von der Gärresttemperatur beeinflusst. Bei den separierten festen Gärresten konnten im Winter keine Emissionen gemessen werden. Die Gärresttemperatur alleine kann die grossen Unterschiede der Emissionsraten innerhalb derselben Anlage und zwischen den Anlagen nicht erklären. Zwischen den Methanemissionen und dem organischen Trockensubstanzgehalt der Gärreste konnte keine eindeutige Beziehung festgestellt werden.
Messungen an einer zwangsentlüfteten Vorgrube während einzelner Sommertage zeigten sehr unterschiedliche Emissionswerte. Die Bandbreite betrug 1 bis 18 Nm3 Methan pro Tag. Der Mittelwert
entsprach 0.4 % der gesamten Methan-Tagesproduktion. Besonders hoch war die Methankonzentration in der Abluft aus der Vorgrube, während dem Rühren. Eine Hochrechnung der Emissionen auf Jahresbasis ist aufgrund der beschränkten Messdauer, dem sehr unterschiedlichen Substrateinsatz und der einen gemessen Anlage derzeit nicht möglich.
Die häufigsten punktuellen Methanverlustquellen bei Biogasanlagen, können durch eine sorgfältige Planung und Ausführung sowie auch durch eine angemessene Wartung der Anlage reduziert werden. Insbesondere ist die Dauerhaftigkeit der Verbindung zwischen Gashaube und Behälterkrone optimiert auszuführen. Da Beton nicht widerstandsfähig gegen Schwefelsäure ist, sind im Gasbereich Bauteilschutzmassnahmen vorzusehen. Die wirksamste Massnahme zur Reduktion der Methanemissionen aus Gärresten ist die Verringerung des Methanrestpotentials. Lange Verweilzeiten und zweistufige Anlagen mit Fermenter und Nachgärer ermöglichen eine grössere Methanausbeute bei der Vergärung. Durch eine gasdichte Abdeckung des flüssigen Gärrestlagers mit Nutzung des anfallenden Biogases, lassen sich Methanemissionen während der Lagerung vermeiden. Eine Verringerung der gesamten Methanemissionen der Gärreste, durch eine Separierung in eine flüssige und feste Phase, konnte nicht festgestellt werden. Emissionen aus festen Gärresten lassen sich nur wirksam verhindern, wenn diese in einer geschlossenen und zwangsentlüfteten Halle gelagert werden. Angesichts des geringen Anteils der festen Gärreste an den gesamten Methanemissionen, ist diese Massnahme jedoch nicht als prioritär zu betrachten.
Methanemissionen aus der Vorgrube lassen sich weitgehend durch eine Zwangsentlüftung und die Rückführung der Abluft an das BHKW verhindern. Da zurzeit die Emissionsrate von Vorgruben auf Jahresbasis nicht bekannt ist und eine solche Abgas-Rückführung mit erheblichem technischem Aufwand und Sicherheitsrisiken verbunden ist, kann der Gesamtnutzen dieser Massnahme momentan nicht beurteilt werden.
Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
Agroscope ART
Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Van Caenegem,Ludo
Sax,Markus
Schick,Matthias
Soltermann-Pasca,Alina
Bolli,Simon
Zugehörige Dokumente
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