STEAMEX – Development of a heat integrated steam explosion pretreatment process to enhance biogas yields in anaerobic digestion of manure

• Forschungsstelle: BFE
• Projektnummer: SI/501741

Schlüsselwörter (Englisch)

Anaerobic digestion, biogas, steam explosion, heat integration, manure

Kurzbeschreibung (Deutsch)

Biogas aus Gülle wird durch die Möglichkeit der nachfrageorientierten Stromproduktion in der zukünftigen erneuerbaren Energieversorgung eine wichtige Rolle spielen. Die hohe Rekalzitranz von Gülle gegenüber des anaeroben Abbaus lassen derzeit keine ökonomische Umwandlung zu Biogas in Kleinanlagen zu. Um dies zu ermöglichen, wird in diesem Projekt eine optimierte, wärmeintegrierte Dampf-Vorbehandlungsmethode entwickelt, welche die Biogas-Ausbeute signifikant steigert.

Schlussbericht (Deutsch)

Biogas aus Gülle wird durch die Möglichkeit der nachfrageorientierten Stromproduktion in der zukünftigen erneuerbaren Energieversorgung eine wichtige Rolle spielen. Die hohe Rekalzitranz von Gülle gegenüber dem anaeroben Abbau lassen derzeit keine ökonomische Umwandlung zu Biogas in Kleinanlagen zu. Um dies zu ermöglichen, wurde in diesem Projekt eine optimierte, wärmeintegrierte Dampf-Vorbehandlungsmethode entwickelt, welche die Biogas-Ausbeute signifikant steigert. Eine aufwändige Optimierung der Dampfvorbehandlung zeigte, dass eine thermische Vorbehandlung der Flüssigphase der Rindergülle nicht notwendig ist, da die Methan-Ausbeuten dadurch nicht erhöht werden können. Die gewaschenen Feststoffe hingegen profitierten stark von einer Dampfvorbehandlung und die Ausbeuten konnten um bis zu 50% erhöht werden. In einem eigens gebauten Teststand wurde die Pumpbarkeit, die Wärmeübergangskoeffizienten und die Separation in der richtigen Grössenordnung für eine geplante kontinuierlich betriebene Pilotanlage für Vollgülle von 50 Kühen gemessen. Für so kleine Volumenströme ist das Pumpen ohne Verstopfen eine grosse Herausforderung und verlangte nach geometrischen Anpassungen. Ebenfalls ist der Wärmeübergang für die resultierenden tiefen Fliessgeschwindigkeiten sehr niedrig. Die techno-ökonomische Analyse zeigte, dass unter Schweizer Bedingungen, mit einem angenommenen Eigenstromverbrauch und ohne KEV-Beiträge, eine Biogasanlage welche ausschliesslich Rindergülle als Substrat verwendet, erst ab Gülle von mehr als 500 GVE ökonomisch betrieben werde kann. Bei einer durch Vorbehandlung gesteigerten Biogasausbeute verringert sich die Anzahl der notwendigen GVE auf 300, um den break-even zu erreichen. Basierend auf den in diesem Projekt erzielten Ergebnissen, soll in einem nächsten Schritt eine Pilotanlage entwickelt und am Standort der IAG in Grangeneuve gebaut werden.

Schlussbericht (Englisch)

Biogas produced in anaerobic digestion plants of manure has the potential to play an important role in future smart and flexible energy system by enabling demand driven electricity production. The high recalcitrance of manure towards anaerobic deconstruction does currently not allow the economic feasible conversion to biogas. To change this, we developed an optimized, heat-integrated steam pretreatment method that significantly enhances the biogas yield. An elaborate pretreatment optimization study showed that a thermal pretreatment of the liquid phase of the manure is not necessary, as the biogas yield cannot be improved. In contrast the washed solids benefitted strongly from steam pretreatment and the yields could be increased up to 50%. In a specifically constructed test rig the pumpability and the heat transfer coefficients were measured in the appropriate dimension of a later continuously operated pretreatment plant operated with manure form 50 dairy LSU (Life Stock Units). The pumping without clogging of such small flow rates appeared to be challenging and required geometrical adjustments. Also, the heat transfer coefficients for the resulting low flow velocities is small. The techno-economic assessment showed, that for a biogas plant using entirely cow manure as substrate, operated under Swiss conditions (i.e. no compensatory feed-in remuneration, own consumption of power), can only be economically operated with manure of more than 500 LSU. For pretreatment with an increased biogas yield this number is reduced to 300 LSU to reach break-even. Based on the results obtained during this project, the next step will be the development of a pilot facility at the IAG site in Grangeneuve.

Zugehörige Dokumente

• ManuMax - Development of a heat integrated steam explosion pretreatment process to enhance biogas yields in anaerobic digestion of manure (Phase 1) - Final Report [PDF] 1'345 kB

Schlussbericht (Französisch)

Le biogaz, issu du lisier, jouera un rôle important dans l'approvisionnement futur en énergie renouvelable grâce à la possibilité de produire de l'électricité en fonction de la demande. La conversion faible du lisier en biogaz lors de la digestion anaérobie, dû à une récalcitrante de la biomasse ne permet pas actuellement une conversion économiquement viable du biogaz dans les petites installations. Pour améliorer la conversion, une méthode de prétraitement à la vapeur optimisée et thermique a été mise au point dans le cadre de ce projet, ce qui augmente considérablement le rendement en biogaz. Une optimisation complexe du prétraitement à la vapeur a montré qu'un prétraitement thermique de la phase liquide du lisier de bovins n'est pas nécessaire, car les rendements en méthane ne peuvent être augmentés. Les solides lavés, au contraire, ont grandement bénéficié du prétraitement à la vapeur et les rendements ont pu être augmentés jusqu'à 50 %. La pompabilité, les coefficients de transfert de chaleur et la séparation ont été mesurés dans le bon ordre de grandeur pour une installation pilote à fonctionnement continu prévue pour le lisier complet de 50 UGB (Unités de Gros Bétails) dans un banc d'essai spécialement construit. Pour des débits volumiques aussi faibles, le pompage sans colmatage est un défi majeur et nécessite des ajustements géométriques. Le transfert de chaleur pour les faibles vitesses d'écoulement qui en résultent est également très faible. L'analyse technico-économique a montré que, dans les conditions suisses, avec une consommation d'électricité supposée propre et sans contribution du KEV, une installation de biogaz qui utilise exclusivement du lisier de bovins comme substrat ne peut être exploitée économiquement qu'avec 500 UGB. Si le rendement en biogaz est augmenté par prétraitement, le nombre d'UGB nécessaires pour atteindre le seuil de rentabilité est réduit à 300. Sur la base des résultats obtenus dans le cadre de ce projet, la prochaine étape consistera à développer une usine pilote et à la construire sur le site de l'IAG à Grangeneuve.