Kurzbeschreibung
(Deutsch)
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Im Rahmen einer zweijährigen Studie, welche eine einjährige Messkampagne beinhaltet, werden Betriebsdaten für eine Kleinstbiogasanlage erhoben. Dieser simple Anlagentyp wird schon in zahlreichenklimatisch wärmeren Regionen auf der Welt eingesetzt, deren Betriebsdaten aber bisher hauptsächlich aufgrund fehlender Messtechnik kaum wissenschaftlich beschrieben wurde. Insbesondere für den Betrieb im mitteleuropäischen Raum fehlen eine solide Datenbasis, daran angepasste Anlagentechnik sowie praktische Erfahrungen im Betrieb. Mit dem Aufbau und dem Testbetrieb einer solchen Anlage auf dem Gelände des Vereins Synergy Village in Feldbach ZH wird diese Lücke geschlossen. Hierfür wird eine Anlage des deutschen Industriepartners B-Energy verwendet, welcher sich auf den Bau von ebensolchen Kleinstbiogasanlagen in klimatisch günstigeren Regionen spezialisiert hat. Die bestehende Anlage wird dafür durch die ZHAW mit adäquater Messtechnik sowie mit einem Heiz- und Dämmsystem ausgestattet und über 365 Tage unter den schweizerischen Klimabedingungen des Mittellandes in Zusammenarbeit mit dem Verein Synergy Village betrieben. Die gewonnen Erkenntnisse werden innerhalb des Projektes in einem zweiten Schritt zur Potenzialabschätzung für Kleinwohnformen an dezentralen Standorten sowie für Anwendungen im alpinen Raum verwendet. Im Rahmen dieses Projekts werden neben der Erhebung von Betriebsdaten, dem Gewinn von Praxiserfahrungen unter schweizerischen Klimabedingungen auch die Klärung von genehmigungsrechtlichen Fragestellungen sowie wirtschaftliche Aspekte solcher Anlagen untersucht. Die Implementierung von Mikro-Biogassystemen bietet die Möglichkeit, die aktuellen Energie- und Umweltprobleme zu adressieren und stellt für die Gesellschaft eine vielversprechende Lösung dar.
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Kurzbeschreibung
(Englisch)
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Within the framework of a two-year study, which includes a one-year measurement campaign, operatingdata for a micro biogas plant will be collected. This simple type of plant is already used in numerousclimatically warmer regions of the world, but its operating data has hardly been described scientificallyso far, mainly due to a lack of measurement technology. Particularly for operation in Central Europe,there is a lack of a solid database, plant technology adapted to it and practical experience in operation.The construction and test operation of such a plant on the grounds of the Verein Synergy Village inFeldbach ZH will close this gap. A plant from the German industrial partner B Energy, which specialisesin the construction of such small-scale biogas plants in climatically more favourable regions, will beused for this purpose. For this reason, the existing plant will be equipped with adequate measurementtechnology and a heating and insulation system by the ZHAW and operated over 365 days under theSwiss climatic conditions of the Mittelland in collaboration with the Verein Synergy Village. Theknowledge gained will subsequently be used to assess the potential for small forms of housing in decentralisedlocations as well as for applications in the Alpine region. In addition to collecting operatingdata and gaining practical experience under Swiss climatic conditions, this project will also investigatethe clarification of legal licensing issues and economic aspects of such systems. The implementationof micro-biogas systems offers the possibility of addressing current energy and environmental problemsand represents a promising solution for society.
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Kurzbeschreibung
(Französisch)
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Dans le cadre d'une étude de deux ans, comprenant une campagne de mesures d'un an, des données d'exploitation d'une micro-installation de biogaz seront collectées. Ce type d'installation simple est déjà utilisé dans de nombreuses régions du monde au climat plus chaud, mais ses données d'exploitation n'ont jusqu'à présent guère fait l'objet de descriptions scientifiques, principalement en raison d'un manque de technologies de mesure. En particulier pour une exploitation en Europe centrale, il manque une base de données solide, une technologie d’installation adaptée et une expérience pratique en matière d’exploitation. La construction et la mise en service à titre d’essai d’une telle installation sur le site de l’association Synergy Village à Feldbach (ZH) permettront de combler cette lacune. Une installation fournie par le partenaire industriel allemand B Energy, spécialisé dans la construction de telles installations de biogaz à petite échelle dans des régions au climat plus favorable, sera utilisée à cette fin. C’est pourquoi l’installation existante sera équipée par la ZHAW d’une technologie de mesure adéquate ainsi que d’un système de chauffage et d’isolation, puis exploitée pendant 365 jours dans les conditions climatiques suisses du Mittelland, en collaboration avec l’association Synergy Village. Les connaissances acquises serviront ensuite à évaluer le potentiel des petites formes d’habitat dans des zones décentralisées ainsi que pour des applications dans la région alpine. Outre la collecte de données d’exploitation et l’acquisition d’une expérience pratique dans les conditions climatiques suisses, ce projet visera également à clarifier les questions juridiques relatives aux autorisations et les aspects économiques de ces systèmes. La mise en œuvre de micro-installations de biogaz offre la possibilité de répondre aux problèmes énergétiques et environnementaux actuels et représente une solution prometteuse pour la société.
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Schlussbericht
(Deutsch)
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Mit dem Projekt MiBAS – Mikro-Biogasanlagen Schweiz wurde erstmals eine wissenschaftlich fundierte Datengrundlage zum Betrieb von Mikro-Biogasanlagen unter Schweizer Klimabedingungen geschaffen. Ziel war die Untersuchung des Potenzials dieser Systeme zur dezentralen Verwertung organischer Reststoffe und zur Bereitstellung erneuerbarer Energie in Haushalten, Kleinstwohnformen, Alpwirtschaften und Berggasthäusern. Im Zentrum des Projekts stand der Aufbau und der einjährige Betrieb einer Forschungs- und Demonstrationsanlage des Typs «(B)calm» mit einem Fermentervolumen von rund 2 m³. Die Anlage wurde mit Heiz- und Dämmsystemen, umfangreicher Messtechnik sowie einer automatisierten Datenerfassung ausgestattet. Während der zwölfmonatigen Messkampagne wurden kontinuierlich Daten zur Prozessstabilität, Biogasproduktion, Gasqualität und Energieausbeute erhoben. Ergänzend wurden rechtliche, wirtschaftliche und anwendungsspezifische Fragestellungen untersucht. Insgesamt wurden rund 1.4 t organische Einsatzstoffe verarbeitet. Im Zeitraum vom 50. bis zum 365. Betriebstag entstanden dabei etwa 34 m³ Biogas mit einem durchschnittlichen Methangehalt von 63 %, was einem Energieertrag von rund 215 kWh entspricht. Die mittlere Leistungsabgabe lag bei etwa 28 W. Während der beheizten Betriebsphase wurden durchschnittlich 128 L Biogas pro Tag produziert. Nach dem Abschalten der Heizung sank die Produktion auf rund 89 L pro Tag, womit die hohe Bedeutung der Temperaturführung für die Gasbildung deutlich wurde. Die Untersuchungen zeigen, dass ein mikrobiologisch stabiler Betrieb von Mikro-Biogasanlagen unter Schweizer Bedingungen grundsätzlich möglich ist. Die gemessenen Prozessparameter, insbesondere pH-Wert und FOS/TAC-Verhältnis, lagen über weite Strecken im optimalen Bereich. Gleichzeitig wurde deutlich, dass Temperaturmanagement, Wärmedämmung und Wärmeübertragung entscheidende Einflussgrössen für den Betrieb und die Energieeffizienz darstellen. Obwohl durch den Einsatz einer aktiven Beheizung stabile Gaserträge erzielt werden konnten, besteht hinsichtlich der thermischen Auslegung und Energieeffizienz weiterer Optimierungsbedarf. Dieser bezieht sich jedoch primär auf die im Projekt untersuchten Betriebsbedingungen mit geringer Anlagenauslastung und lässt keine generellen Rückschlüsse auf das Leistungsvermögen von Mikro-Biogasanlagen bei optimierter Auslegung und Betriebsweise zu. Die Wirtschaftlichkeitsanalysen zeigen, dass die Energiegestehungskosten stark von Anlagengrösse und Anlagenauslastung abhängen. Die berechneten Werte lagen zwischen 0.09 und 0.65 CHF kWh-1. Grössere Systeme profitieren dabei von Skaleneffekten und weisen unter den getroffenen Annahmen potenziell konkurrenzfähige Energiegestehungskosten auf. Gleichzeitig deuten erste rechtliche Abklärungen darauf hin, dass Mikro-Biogasanlagen unter bestimmten Voraussetzungen bewilligungsfrei erstellt und betrieben werden können. Insgesamt bestätigt das Projekt die technische Machbarkeit von Mikro-Biogasanlagen und ihr Potenzial zur Förderung der Kreislaufwirtschaft sowie der dezentralen Nutzung organischer Reststoffe. Die gewonnenen Messdaten und Praxiserfahrungen bilden nach Kenntnis der Autorenschaft die bislang umfassendste Datengrundlage für diesen Anwendungsbereich in der Schweiz. Für eine breitere Anwendung, insbesondere im alpinen Raum und bei netzfernen oder kleinräumigen Versorgungskonzepten, sind jedoch weitere Forschungs- und Demonstrationsprojekte erforderlich. Der Fokus sollte dabei auf der Verbesserung der Energieeffizienz, der Untersuchung alpiner Betriebsbedingungen sowie der Einordnung der Technologie im Vergleich zu bestehenden zentralen Verwertungssystemen liegen.
Zugehörige Dokumente
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Schlussbericht
(Englisch)
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The MiBAS – Micro Biogas Plants Switzerland project established, for the first time, a scientifically data basis for the operation of micro biogas plants under Swiss climatic conditions. The objective was to investigate the potential of these systems for the decentralized treatment of organic residues and the provision of renewable energy in households, small residential communities, alpine farms, and mountain inns. At the core of the project was the installation and one-year operation of a research and demonstration plant of the “(B)calm” type, featuring a digester volume of approximately 2 m³. The system was equipped with heating and insulation components, extensive monitoring technology, and automated data acquisition. Over the twelve-month measurement campaign, continuous data on process stability, biogas production, gas quality, and energy yield were collected. In addition, legal, economic, and application-specific aspects were investigated. In total, approximately 1.4 t of organic feedstock was processed. Between day 50 and day 365 of operation, around 34 m³ of biogas was produced with an average methane content of 63%, corresponding to an energy yield of approximately 215 kWh. The average power output was about 28 W. During the heated operating phase, biogas production averaged 128 L per day. After the heating system was switched off, production declined to around 89 L per day, clearly demonstrating the importance of temperature control for gas generation. The results show that microbiologically stable operation of micro biogas plants is fundamentally feasible under Swiss conditions. Key process indicators, particularly pH and the VFA/TIC ratio, remained within the optimal range for most of the monitoring period. At the same time, it became clear that temperature management, thermal insulation, and heat transfer are key factors influencing both plant operation and energy efficiency. Although stable gas yields were achieved through the use of active heating, further optimisation is required with regard to thermal design and energy efficiency. However, this optimisation need primarily relates to the operating conditions investigated in the project, which were characterized by low plant throughput, and does not allow general conclusions to be drawn about the performance potential of micro biogas plants under optimized design and operating conditions. Economic assessments revealed that energy production costs depend strongly on plant size and utilization rate, with calculated values ranging from CHF 0.09 to CHF 0.65 per kWh. Larger systems benefit from economies of scale and, under the assumptions made, may achieve competitive levelized costs of energy. At the same time, preliminary legal assessments indicate that micro-biogas plants may, under certain conditions, be constructed and operated without requiring a permit. Overall, the project confirms the technical feasibility of micro biogas plants and their potential to support a circular economy through the decentralized utilization of organic residues. To the authors’ knowledge, the measurement data and practical experience obtained constitute the most comprehensive data basis available to date for this field of application in Switzerland. Nevertheless, further research and demonstration projects are required before wider deployment can be achieved, particularly in alpine regions and off-grid or small-scale energy supply concepts. Future work should focus on improving energy efficiency, evaluating performance under alpine conditions, and positioning the technology relative to existing centralized waste treatment systems.
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Schlussbericht
(Französisch)
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Le projet MiBAS – Micro-installations de biogaz en Suisse a permis d’établir, pour la première fois, une base de données scientifiquement fondée sur l’exploitation des micro-installations de biogaz dans les conditions climatiques suisses. L’objectif était d’évaluer le potentiel de ces systèmes pour la valorisation décentralisée des résidus organiques et la fourniture d’énergie renouvelable dans les ménages, les petites formes d’habitat collectif, les exploitations alpines et les auberges de montagne. Au coeur du projet figurait la mise en place et l’exploitation pendant un an d’une installation de recherche et de démonstration de type « (B)calm », dotée d’un digesteur d’un volume utile d’environ 2 m³. L’installation a été équipée de systèmes de chauffage et d’isolation, d’une instrumentation de mesure complète ainsi que d’un système automatisé d’acquisition de données. Au cours de la campagne de mesures de douze mois, des données sur la stabilité du procédé, la production de biogaz, la qualité du gaz et le rendement énergétique ont été collectées en continu. Des questions d’ordre juridique, économique et liées aux applications potentielles ont également été étudiées. Au total, environ 1.4 t de substrats organiques ont été traitées. Entre le 50e et le 365e jour d'exploitation, environ 34 m³ de biogaz ont été produits, avec une teneur moyenne en méthane de 63 %, ce qui correspond à un rendement énergétique d'environ 215 kWh. La puissance moyenne produite s'élevait à environ 28 W. Durant la phase d’exploitation chauffée, la production moyenne de biogaz a atteint 128 L par jour. Après l’arrêt du chauffage, elle a diminué à environ 89 L par jour, mettant clairement en évidence l’importance du contrôle de la température pour la formation du biogaz. Les résultats montrent qu’une exploitation microbiologiquement stable des micro-installations de biogaz est fondamentalement possible dans les conditions suisses. Les principaux indicateurs du procédé, notamment le pH et le rapport FOS/TAC, sont restés dans la plage optimale pendant la majeure partie de la période d’observation. Dans le même temps, la gestion de la température, l’isolation thermique et le transfert de chaleur se sont révélés être des facteurs déterminants pour les performances de l’installation et son efficacité énergétique. Toutefois, ce besoin d’optimisation concerne principalement les conditions d’exploitation étudiées dans le cadre du projet, qui se caractérisaient par un faible débit de traitement de l’installation, et ne permet pas de tirer de conclusions générales quant au potentiel de performance des micro-installations de biogaz dans des conditions de conception et d’exploitation optimisées. Les analyses économiques montrent que les coûts de production de l’énergie dépendent fortement de la taille de l’installation et de son taux d’utilisation. Les valeurs calculées se situaient entre 0.09 et 0.65 CHF par kWh. Les systèmes de plus grande taille bénéficient d’économies d’échelle et peuvent, selon les hypothèses retenues, atteindre des coûts actualisés de l’énergie potentiellement compétitifs. Parallèlement, de premières analyses juridiques indiquent que les micro-installations de biogaz peuvent, sous certaines conditions, être construites et exploitées sans autorisation. Dans l’ensemble, le projet confirme la faisabilité technique des micro-installations de biogaz ainsi que leur potentiel pour promouvoir l’économie circulaire et la valorisation décentralisée des résidus organiques. À la connaissance des auteurs, les données de mesure recueillies et l’expérience pratique acquise constituent à ce jour la base de données la plus complète pour ce domaine d’application en Suisse. Toutefois, des projets complémentaires de recherche et de démonstration restent nécessaires pour permettre une diffusion plus large de cette technologie, en particulier dans les régions alpines et dans les concepts d’approvisionnement énergétique hors réseau ou à petite échelle. Les travaux futurs devraient se concentrer sur l’amélioration de l’efficacité énergétique, l’étude des conditions d’exploitation en milieu alpin ainsi que le positionnement de cette technologie par rapport aux systèmes centralisés de valorisation existants.
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