Kurzbeschreibung
(Deutsch)
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Dieses Projekt hat den folgenden Inhalt: Mit NOSES 5 bis 6 soll mit einer Pilotanlage demonstriert werden, dass es möglich ist, technische Probleme zu lösen, die bei inhomogenen Biomassen wie landwirtschaftlichen und tierischen Abfällen vorhersehbar sind, und die Effizienz der Biogaserzeugung mit der Biomassetechnologie zu erhöhen. Das Projekt wird von TRL 5 bis zum Abschluss von TRL 6 fortschreiten. Mit den Ergebnissen von NOSES 5 bis 6 wird es dann möglich sein, zur Industrialisierung einer kleinen Anlage überzugehen, die durch Werkstattbau kostengünstig und einfach zu handhaben sein wird. Mit der Realisierung eines kleinen "Plug-and-Play"-Fermenters wird es möglich sein, den Transport von Biomasse, die hohen Anschaffungskosten und die Komplexität der Verwaltung einer Biogasanlage zu vermeiden, die kleine Landwirtschaftsbetriebe und Viehzuchtbetriebe davon abhalten, dieses Energiepotenzial zu nutzen, und auch zu vermeiden, dass die Biomasse im Freien vergärt und CH4 in die Atmosphäre freisetzt.
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Kurzbeschreibung
(Englisch)
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This project has the following content: With NOSES 5to6, it is intended to demonstrate with a pilot plant, that: it is possible to solve technical problems that can be foreseen with non-homogeneous biomasses such as agricultural and livestock waste and to increase the efficiency ofbiogas production with attached biomass technology. The project will progress from TRL 5 to completion of TRL 6. With the results produced by NOSES 5to6, it will then be possible to proceed to the industrialisation ofa small plant that will reduce its cost and be easy to manage by means of workshop construction. With the realisation of a small-scale "plug and play" digester, it will be possible to avoid the transport of biomas the high purchase cost and the management complexity of a biogas plant, which discourage small farms and livestock holdings from exploiting this energy potential, and also avoid thatthe biomasses ferment in the open air, releasing CH4 into the atmosphere.
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Kurzbeschreibung
(Französisch)
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Ce projet a le contenu suivant : Avec NOSES 5 à 6, il est prévu de démontrer avec une installation pilote qu'il est possible de résoudre des problèmes techniques prévisibles avec des biomasses non homogènes telles que les déchets agricoles et d'élevage et d'augmenter l'efficacité de la production de biogaz avec la technologie de la biomasse attachée. Le projet passera du TRL 5 à l'achèvement du TRL 6. Avec les résultats produits par NOSES 5 à 6, il sera alors possible de procéder à l'industrialisation d'une petite usine dont le coût sera réduit et qui sera facile à gérer grâce à la construction d'un atelier. Avec la réalisation d'un digesteur "plug and play" de petite taille, il sera possible d'éviter le transport des biomasses, le coût d'achat élevé et la complexité de gestion d'une usine de biogaz, qui découragent les petites exploitations agricoles et d'élevage d'exploiter ce potentiel énergétique, et d'éviter que les biomasses fermentent à l'air libre, libérant du CH4 dans l'atmosphère.
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Publikationen / Ergebnisse
(Deutsch)
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Die geringe Biogasproduktivität von Mist und Gülle sowie die beträchtlichen Kosten für den Transport dieser wasserreichen Biomasse von den Ställen zur Biogasanlage haben uns davon überzeugt, dass die logischste Lösung darin besteht, Anlagen in den Ställen, in denen die Biomasse produziert wird,oder allenfalls in unmittelbarer Nähe zu errichten. Hinzu kommt, dass die meisten Betriebe in der Schweiz und auch in Europa sehr klein sind im Vergleich zu den Mindestgrössen vergleichbarer Anlagen, die von den grossen Marktteilnehmern angeboten werden. Mit abnehmender Anlagengröße nimmt das Technologieangebot überproportional ab und ist unterhalb einer Anlagengröße von 100-70 kW (250-500 Stück Vieh) praktisch nicht mehr vorhanden. Unterhalb dieser Größe gibt es jedoch Biogasanlagen, die handwerklich und nicht standardisiert gebaut werden und deren Beweggründe oft nicht in wirtschaftlichen Erwägungen liegen, sondern eher in der Notwendigkeit, die Biomasse einzuschließen, um Geruchsemissionen zu vermeiden. Auf der Grundlage dieser Überlegungen hielten wir es für notwendig, eine neue anaerobe Vergärungsanlage in kleinem Maßstab zu konzipieren und zu bauen, um das große ungenutzte Energiepotenzial der Biomasse aus der Viehhaltung zu nutzen, die von kleinen, verstreut liegenden Betrieben in Hügelund Berggebieten erzeugt wird. Das Projekt NOSES 5to6 zielt auf die Erprobung eines neuen anaeroben Fermenterkonzepts ab: Es ist für mittelgroße landwirtschaftliche Betriebe geeignet, standardisiert, um die Implementierungskosten zu senken, und einfach zu verwalten, um die Landwirte nicht zu belasten. Der NOSES 5to6-Fermenter basiert auf der gemeinsamen Nutzung der Biomasse-Bewässerungstechnologie für die Handhabung und Befüllung von Behältern, um die Effizienz der Umwandlung von flüchtigen Feststoffen in Biogas durch Bakterienkolonien zu erhöhen. Die Realisierung des NOSES-Prototyps dient dem Nachweis, dass die Implementierung einer Anlage mit ungerührten Reaktoren und FFR-Reaktoren (Fixed Film Reactor) mit Füllkörpern zu einer Steigerung der Gasproduktion führt, wie in der Literatur in experimentellen Studien hervorgehoben wird (z. B. Krishania, Meena, Vijay, Virendra K. und Chandra, Ram. „Performance evaluation of various bio-reactors for methane fermentation of pretreated wheat straw with cattle manure“ Green Processing and Synthesis, vol. 5, no. 2, 2016, pp. 113-121. https://doi.org/10.1515/gps-2015-0067). Die in verschiedenen Studien nachgewiesene Steigerung der Biogasproduktion, die mit diesem Reaktortyp erzielt werden kann, ist etwa 20-30 % höher als bei einem herkömmlichen Reaktor, mit einer 5-10 % höheren Methankonzentration und mit einer höheren Gasproduktionsrate in den ersten Phasen des anaeroben Vergärungsprozesses. Dieser Prototyp wurde mit dem Ziel untersucht, zu überprüfen, ob die Produktionssteigerung existiert und ob eine Vorbehandlung die Effizienz noch weiter verbessern kann. Die Kosteneffizienz des Prototyps ist neben der Standardisierung des Verfahrens auch mit der Reduzierung des Verbrauchs verbunden. In einem normalen CSTR ist die aktive 24-stündige Rührphase durch einen durchschnittlichen Energieverbrauch von etwa 4 kWh/MWh erzeugtem Biomethan gekennzeichnet (bewertet an Rührwerksmodellen mit niedriger Drehzahl und geringem Verbrauch). Im Rahmen des NOSES-Projekts ist der erwartete Energieverbrauch für die Produktion von 1 MW niedriger, da trotz des Pumpensystems Im Rahmen der Vorarbeiten wurde die beste Vorbehandlung der Rohbiomasse getestet, um sie so homogen zu machen, dass Verstopfungsprobleme vermieden und die Verdaulichkeit erhöht werden. Anschließend wurde der neue NOSES 5to6-Fermenter entworfen und ein verkleinerter Prototyp gebaut. Der 5to6-Prototyp wurde im Mai 2025 in der kantonalen Landwirtschaftsschule in Mezzana aufgestellt und ist nun bereit für die letzte Phase des Projekts, die darin besteht, die Biogasproduktion im Vergleich zu einer Basislinie zu überwachen. Im Einzelnen sieht das Konzept von NOSES 5TO6 vor, dass der Vergärungsprozess über eine Vorbehandlung und vier vertikal angeordnete Fermenter (Vessels) erfolgt, die nacheinander arbeiten:
1. Die Biomasse wird vor dem Einfüllen in den ersten Vessel durch ein Kavitationsverfahren vorbehandelt, um sie homogen und mikroskopisch klein zu machen, um Sedimentationseffekte oder eine Trennung der Biomasse zu vermeiden, da der gesamte Vergärungsprozess nicht gerührt
wird;
2. Die vorbehandelte Biomasse wird in Vessel 1 und nacheinander von Vessel 1 in Vessel 2, von Vessel 2 in Vessel 3 und von Vessel 3 in Vessel 4 gefüllt. In jedem Vessel findet der Aufschluss durch Schichtung von oben nach unten statt; der Abfluss des flüssigeren Gärrestes erfolgt von unten und wird in das nächste Gefäß gepumpt;
3. Die Vessel 3 und 4, in denen die Gärreste flüssiger sind und Verstopfungseffekte weniger wahrscheinlich sind, werden mit Füllkörpern (FFR) gefüllt, um die Effizienz der Umwandlung flüchtiger Feststoffe in Biogas durch Bakterienkolonien zu erhöhen.
Daran schließt sich die Versuchsphase an, in der die Biogasproduktion überwacht wird, die gleichzeitig in einer Referenzanlage (Standard-CSTR-Reaktor) und in der mit derselben Biomasse (Futtermittel) beladenen NOSES-Anlage stattfindet. Die Überwachung wird Folgendes umfassen:
- Die Charakterisierung der Input-Biomasse und des Output-Gärrestes alle 15 Tage;
- die stündliche Produktion von Biogas und die Analyse seiner Bestandteile (CH4, CO2 und O2) alle zwei Stunden
Das erwartete Ergebnis ist, dass die Biogasproduktion der NOSES-Anlage höher ist als die der Referenzanlage, die einen Standard-CSTR-Fermenter nachbildet; außerdem wird ein geringerer Energieverbrauch der NOSES-Anlage erwartet.
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Publikationen / Ergebnisse
(Englisch)
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The low biogas producibility of manure and slurry, plus the considerable cost of transporting this waterrich biomass from the stables to the biogas plant convinced us that the most logical solution was to set up plants at the biomass production site or at most in close proximity. Added to this it has to observed that the majority of farms in Switzerland and also in Europe are very small compared to the minimum size of comparable plants proposed by the main market players. As the plant size decreases, the supply of technology decreases more than proportionally, and practically becomes non-existent below a plant size of 100-70 kW (250-500 head of cattle). Below this size, however, there are biogas plants, which are constructed in an artisanal and non standardised way and whose motivations often disregard economic considerations, but are more related to the need to confine the biomass in order to avoid odour emissions. On the basis of these considerations, we felt that it is necessary to design and engineer a new smallscale anaerobic digestion plant to recover the great untapped energy potential of livestock biomass produced by small, dispersed farms in hilly and mountainous areas. With the NOSES 5to6 project, a new anaerobic digester concept is to be tested: suitable for mediumsmall farms, standardised to reduce implementation costs and easy to manage so as not to burden farmers. The NOSES 5to6 digester is based on the joint use of bio-mass irrigation technology for handling the biomass and Fixed Film Reactor (FFR) to increase the efficiency of the transformation of volatile solids into biogas by bacterial colonies. The realization of the NOSES prototype serves to demonstrate that the implementation of a plant with non-stirred reactors and FFR reactors (Fixed Film Reactor) with filling bodies induces an increase in gas production as highlighted in the literature in experimental studies (e.g. Krishania, Meena, Vijay, Virendra K. and Chandra, Ram. "Performance evaluation of various bioreactors for methane fermentation of pretreated wheat straw with cattle manure" Green Processing and Synthesis, vol. 5, no. 2, 2016, pp. 113-121. https://doi.org/10.1515/gps-2015-0067). The increase in biogas production demonstrated in various studies that can be obtained with this type of reactor is approximately 20-30% higher than in a conventional reactor, with a 5-10% higher methane concentration, and with a higher rate of gas production in the initial stages of the anaerobic digestion process. This prototype was studied with the aim of verifying whether the increase in production exists and whether a pre-treatment can improve its efficiency even more. The cost-effectiveness of the prototype, in addition to the standardization of the system is linked to the reduction in consumption. In a normal CSTR, the active 24-hour agitation phase is characterized by an average energy consumption of about 4 kWh/MWh biomethane produced (evaluated on low-speed and low-consumption agitator models). In the NOSES project, the expected energy consumption for the production of 1 MWh is lower, as despite having the pumping system installed a higher power, to keep the biomass surface humidified is activated for a short period of the day (4-5 hours) with a consumption close to that of the agitators, but given that the expected production is increased by at least 20%, consumption is approximately 2,84 kWh/MWh biomethane produced, therefore considerable energy savings are expected. In its preliminary activities, the best pre-treatment of the raw biomass was tested to make it homogenous enough to avoid clogging problems and increase its digestibility. Subsequently, the new NOSES 5to6 digester was designed and a small-scale prototype built. The 5to6 prototype was placed at the cantonal agricultural school in Mezzana in May 2025 and is now ready for the final project phase, which consists of monitoring biogas production in comparison with a reference line. In particular, the NOSES 5TO6 concept envisages that the digestion process takes place by means of a pretreatment and four vertically placed digesters (Vessels) working in sequence:
1. The biomass before being loaded into the first Vessel will be pre-treated through a cavitation process to make it homogeneous and micro-sized in order to avoid sedimentation effects or separation of the biomass because the whole digestion process is non-shaking;
2. The pre-treated biomass is loaded into Vessel 1 and in sequence from Vessel 1 to Vessel 2, from Vessel 2 to Vessel 3 and from Vessel 3 to Vessel 4. In each Vessel digestion takes place by stratification from top to bottom; the discharge of the more liquid digestate takes place from the bottom and is pumped into the next Vessel;
3. Vessels 3 and 4, where the digestate is more liquid and clogging effects are less likely to occur, will be filled with filler bodies (FFR) to increase the efficiency of the transformation of volatile solids into biogas by bacterial colonies
This will be followed by the experimental phase, which involves monitoring biogas production that will take place cantemporaneously in a reference line (standard CSTR reactor) and the NOSES line loaded with the same biomass (feed). The monitoring will cover:
- The characterisation of the input biomass and the output digestate every 15 days;
- The production of biogas every hour and the analysis of its components (CH4, CO2 and O2) every two hours
The expected result is that the production of biogas produced by the NOSES line is higher than that produced by the reference line replicating a standard CSTR digester; furthermore, a lower energy consumption of the NOSES line is expected.
Zugehörige Dokumente
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Publikationen / Ergebnisse
(Französisch)
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La faible productibilité de biogaz du fumier et du lisier, ainsi que le coût considérable du transport de cette biomasse riche en eau depuis les étables jusqu'à l'usine de biogaz nous ont convaincus que la solution la plus logique était d'installer les usines dans les étables de production de biomasse ou tout au plus dans les environs immédiats. De plus, il faut noter que la majorité des exploitations agricoles en Suisse et en Europe sont très petites par rapport à la taille minimale des installations comparables proposées par les principaux acteurs du marché. Lorsque la taille de l'installation diminue, l'offre de technologie diminue plus que proportionnellement et devient pratiquement inexistante en dessous d'une taille d'installation de 100-70 kW (250-500 têtes de bétail). En dessous de cette taille, cependant, il existe des installations de biogaz qui sont construites de manière artisanale et non standardisée et dont les motivations ne tiennent souvent pas compte des considérations économiques, mais sont plutôt liées à la nécessité de confiner la biomasse afin d'éviter les émissions d'odeurs. Sur la base de ces considérations, nous avons estimé qu'il était nécessaire de concevoir et de réaliser une nouvelle installation de digestion anaérobie à petite échelle pour récupérer le grand potentiel énergétique inexploité de la biomasse animale produite par de petites exploitations dispersées dans des zones de collines et de montagnes. Le projet NOSES 5to6 vise à tester un nouveau concept de digesteur anaérobie : adapté aux exploitations de taille moyenne à petite, standardisé pour réduire les coûts de mise en oeuvre et facile à gérer pour ne pas peser sur les agriculteurs. Le digesteur NOSES 5to6 est basé sur l'utilisation conjointe d'une technologie d'irrigation de la biomasse pour la manipulation et le remplissage des corps afin d'augmenter l'efficacité de la transformation des solides volatils en biogaz par les colonies bactériennes. La réalisation du prototype NOSES sert à démontrer que la mise en oeuvre d'une installation avec des réacteurs non agités et des réacteurs FFR (Fixed Film Reactor) avec des corps de remplissage induit une augmentation de la production de gaz comme le souligne la littérature dans les études expérimentales (par exemple Krishania, Meena, Vijay, Virendra K. et Chandra, Ram. « Performance evaluation of various bio-reactors for methane fermentation of pre-treated wheat straw with cattle manure » Green Processing and Synthesis, vol. 5, no. 2, 2016, pp. 113-121. https://doi.org/10.1515/gps-2015-0067). L'augmentation de la production de biogaz démontrée dans diverses études qui peut être obtenue avec ce type de réacteur est d'environ 20 à 30 % supérieure à celle d'un réacteur conventionnel, avec une concentration de méthane de 5 à 10 % plus élevée, et avec un taux de production de gaz plus élevé dans les phases initiales du processus de digestion anaérobie. Ce prototype a été étudié dans le but de vérifier si l'augmentation de la production existe et si un prétraitement peut améliorer encore son efficacité. La rentabilité du prototype, outre la normalisation du procédé, est liée à la réduction de la consommation. Dans un CSTR normal, la phase d'agitation active de 24 heures se caractérise par une consommation d'énergie moyenne d'environ 4 kWh/MWh de biométhane produit (évaluée sur des modèles d'agitateurs à faible vitesse et à faible consommation). Dans le projet NOSES, la consommation d'énergie attendue pour la production de 1 MW est plus faible, car malgré le système de pompage. Dans le cadre de ses activités préliminaires, le meilleur prétraitement de la biomasse brute a été testé afin de la rendre suffisamment homogène pour éviter les problèmes de colmatage et augmenter sa digestibilité. Par la suite, le nouveau digesteur NOSES 5to6 a été conçu et un prototype à petite échelle a été construit. Le prototype 5to6 a été placé à l'école cantonale d'agriculture de Mezzana en mai 2025 et est maintenant prêt pour la phase finale du projet, qui consiste à contrôler la production de biogaz par rapport à une ligne de référence. En particulier, le concept NOSES 5TO6 prévoit que le processus de digestion se déroule au moyen d'un prétraitement et de quatre digesteurs verticaux (Vessels) fonctionnant en séquence:
1. Avant d'être chargée dans la première cuve, la biomasse sera prétraitée par un processus de cavitation afin de la rendre homogène et de lui donner une taille microscopique, de manière à éviter les effets de sédimentation ou de séparation de la biomasse, l'ensemble du processus de digestion se déroulant sans secousses;
2. La biomasse prétraitée est chargée dans Vessel 1 et, dans l'ordre, de Vessel 1 à Vessel 2, de Vessel 2 à Vessel 3 et de Vessel 3 à Vessel 4. Dans chaque Vessel, la digestion s'effectue par stratification du haut vers le bas ; l'évacuation du digestat le plus liquide s'effectue par le bas et est pompée dans la cuve suivante;
3. Vessels 3 et 4, où le digestat est plus liquide et où les effets de colmatage sont moins susceptibles de se produire, seront remplies de corps de remplissage (FFR) afin d'augmenter l'efficacité de la transformation des solides volatils en biogaz par les colonies bactériennes Cette phase sera suivie par la phase expérimentale, qui implique le contrôle de la production de biogaqui aura lieu simultanément dans une ligne de référence (réacteur CSTR standard) et dans la ligne NOSES chargée de la même biomasse (alimentation). Le suivi portera sur les points suivants:
- La caractérisation de la biomasse d'entrée et du digestat de sortie tous les 15 jours ;
- La production de biogaz toutes les heures et l'analyse de ses composants (CH4, CO2 et O2) toutes les deux heures
Le résultat attendu est que la production de biogaz produite par la ligne NOSES est supérieure à celle produite par la ligne de référence reproduisant un digesteur CSTR standard ; en outre, on s'attend à une consommation d'énergie plus faible de la ligne NOSES.
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