Wertschöpfung in den Kreisläufen optimieren
05.06.2020
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Wertstoffsteigerung durch Gärrestverarbeitung

von Roland Bauböck und Marianne Karpenstein-Machan

Warum sollte man auf diese Technik/Entwicklung umsteigen?

Auch auf der Outputseite der Biogasanlage können durch nachgeschaltete Verfahren das Volumen des Gärprodukts reduziert und damit Transportkosten eingespart werden, aber darüber hinaus auch zusätzliche Produkte hergestellt werden. Zurzeit mögliche technisch Verfahren werden im Folgenden dargestellt.

Stand der Entwicklung 

Separation

Die Weiterverarbeitung des Gärprodukts beinhaltet zunächst immer eine Separation, um überschüssige Wasseranteile abzuscheiden. Diese Trennung in flüssige und feste Phase spart Lagervolumen und erleichtert den Abtransport von der Anlage. Für die Separation von Gärprodukt/Gülle existieren erprobte Verfahren auf dem Markt (Schneckenpressen, Zentrifugen, Siebtrommeln) und die Kosten für diese Technik (Investition, Betrieb) sind vergleichsweise niedrig. Durch Separation können, je nach Technik, Abscheidegrade von ca. 30% Trockenmasse erreicht werden (1) (2). Da die flüssige Phase auch nach der Separation noch Schweb- und Nährstoffe enthält, muss sie wieder ins Gärproduktlager geleitet werden. Der feste Teil ist nun stapelbar und lässt sich im Gegensatz zum Ausgangssubstrat aufgrund des reduzierten Volumens über eine größere Entfernung transportieren.

Trocknung

Um eine weitere Volumenreduzierung zu erreichen ist es notwendig, die feste Phase durch Zufuhr von Wärme zu trocknen. Im Gegensatz zur Separation (mechanisch), wird hierbei überschüssige Prozesswärme aus dem Betrieb der Blockheizkraftwerke (BHKW) benötigt. Nur wenn Überschusswärme zur Verfügung steht und die Biogasanlage vor dem EEG 2012 ans Netz gegangen ist (2012 war Ende des KWK-Bonus), kann eine Trocknung auch ökonomisch Sinn machen. Zur Gärprodukttrocknung stehen erprobte technische Verfahren zur Verfügung (Bandtrockner, Trommeltrockner, Schubwendetrockner und Wirbelschichttrockner), die nach dem Konvektionsprinzip (Heißluft oder Abgas) bzw. Kontakttrocknung (beheizte Flächen) arbeiten. Der Wärmebedarf hierfür wird mit 0,8 – 1,1 kWh pro kg verdampftes Wasser angegeben (3). Das im Trocknungsvorgang Verdunstete Wasser ist Ammoniakhaltig und wird in einer nachgeschalteten Stufe durch Zugabe von Schwefelsäure gereinigt. Als Nebenprodukt fällt wässriges Ammoniumsulfat an, welches als Düngemittel verwertet werden kann.

Vakuumverdampfung

Beim Verfahren der Gärprodukteindampfung wird das Gärprodukt zunächst durch Pressverfahren und/oder  Siebe in flüssige und feste Phase separiert. Die feste Phase kann zwischengelagert werden und nach Bedarf als Dünger ausgebracht werden. Die flüssige Phase wird durch mehrfaches Erhitzen und unter Vakuum setzen aufkonzentriert. Die entweichenden Dämpfe (Brüden) werden hierbei unter Zugabe von Schwefelsäure im Brüdenwäscher von Ammoniak befreit und können in den Fermenter zurückgeleitet oder nachgefiltert und über einen Verdampfer an die Umgebungsluft abgegeben werden (3). Das Fällungsprodukt ist eine Ammoniumsulfatlösung, welche sich als Mineraldünger für eine bedarfsgerechte Düngung verwenden lässt. Die eingedickte flüssige Phase wird am Ende des Vorgangs vakuumverdichtet und aus dem Prozess ausgeschleust und kann, als von Ammonium-Stickstoff befreiter Dünger, ausgebracht werden. Vorteil des Verfahrens ist die deutliche Reduzierung des für die Lagerung benötigten Lageraumes auf etwa 30% gegenüber dem unbehandelten Gärprodukt. Im mehrstufigen Verfahren kann der benötigte Energieaufwand für eine Vakuumverdampfungsanlage noch einmal um 50% niedriger sein, als bei einer konventionellen Trocknungsanlage. Auch dieses Verfahren eignet sich insbesondere für Anlagen, bei denen Wärmeüberschüsse vorliegen.

 

Separation und Filtrierung

Bei diesem Verfahren wird das Gärprodukt durch mechanische Separation in flüssige und feste Phase getrennt und die flüssige Phase in einem Filtrierungsverfahren in eine Nährstoffkonzentrat-Lösung und in einleitbares Wasser separiert.  Zur Filtration werden Membranen mit verschiedenen Porengrößen (Mikrofiltration, Ultrafiltration) verwendet. Die Entsalzung, also die Gewinnung der Nährelemente N, P, K wird durch eine Umkehrosmose erreicht (1) (2). Hohe Anteile des Gesamtgärprodukts können so in einleitbares Wasser umgewandelt werden, der Rest besteht aus der festen Phase und den extrahierten Elementen N, P, K, aus denen rein mineralische Düngemittel oder auch Grundchemikalien wie Phosphorsäure gewonnen werden können. Im Gegensatz zu der Vakuumverdampfung wird bei diesem Verfahren nur für die Trocknung der festen Fraktion BHKW-Abwärme benötigt. Die getrocknete feste Phase kann, je nach technischem Verfahren und Restgehalt an Stickstoff anschließend pelletiert und entweder als Dünger- oder zu Heizzwecken verwendet werden. Probleme, die bei der Membranfilterung  auftreten können sind z.B. das Zusetzen der Membranen und biologische Faulungsprozesse während der Aufbereitung (2) (4). Investitionskosten im bis zu 2-stelligen Millionenbereich, häufige Reinigungszyklen der Filter und ein hoher Strombedarf für die Filterpumpen treiben die Aufbereitungskosten bei dieser Technik in die Höhe, sodass sich die Investition in diese Technik für einzelne Biogasanlagen nicht wirtschaftlich darstellen lässt. Allerdings befindet sich die Membranfiltration von Gülle/Gärprodukt derzeit unter intensiver Beforschung und  Weiterentwicklung durch Hochschulen und Technikanbieter, sodass es möglicherweise in den nächsten Jahren zu einer Kostensenkung von Technik und Betrieb kommen wird und diese Art von Anlage dann auch für durchschnittliche Biogasanlagen attraktiv wird.

Gärproduktverarbeitung zu Dünger und Holzfaserwerkstoff

Ziel von zwei weiteren Verfahren ANAStrip® und FaserPlus der GNS-mbH ist es, die im Gärprodukt enthalten Pflanzennährstoffe und Faserbestandteile zu trennen und daraus zwei verschiedene Produkte zu gewinnen. In einem ersten Schritt werden durch Stripping (Austreiben der gasförmigen Bestandteile) Ammoniak und CO2 zu ca. 80 bis 85% aus dem grob separierten Gärprodukt entfernt und unter Reaktion mit REA-Gips in eine Ammoniumsulfat-Lösung und Kalziumcarbonat überführt. Beides sind handelsübliche  Düngemittel, welche bedarfsgerecht für die Pflanzendüngung ausgebracht werden können. Der Wärmebedarf liegt laut Anlagenbetreiber (GNS-mbH) bei 70 -120 kWh/m³. Bei einem Gärproduktdurchsatz von 20.000 t/a sind hierfür zwischen 175-300 kW der Wärmeleistung eines BHKW erforderlich. Im zweiten Verfahrensschritt kann aus dem abgepressten und getrockneten Faserbestandteil des Gärprodukts ein Substitutionsprodukt für die Herstellung von Holzfaserplatten (MDF, HDF, Spanplatte) gewonnen werden (FaserPlus-Verfahren). Auch für die Herstellung von Holzfaserdämmplatten zur Wärmedämmung an Gebäuden ist der Einsatz solcher Materialien sicherlich denkbar. Derzeit (Stand 3/2020) existieren zwei Biogasanlagen in Deutschland, an denen diese Verfahren angewendet werden (siehe Praxisbeispiele). Bei beiden Anlagen handelt es sich um große Biogasanlagen (3 und 5 MW elektrisch). Da diese Aufbereitungstechniken bisher lediglich an Demonstrations- und Versuchsanlagen zum Einsatz kommt, kann bisher keine Aussage zur Wirtschaftlichkeit solcher Verfahren getroffen werden.

Gärproduktverarbeitung in der Pyrolyse

Vorbehandeltes Gärprodukt (abgepresst, getrocknet) kann, mit Trockensubstanzgehalten >65% in einer Pyrolyseanlage zur Produktion von Biokohle eingesetzt werden. Bei der Verkohlung unter hohen Temperaturen und unter Sauerstoffabschluss entsteht neben der Biokohle ein brennbares Gas. Dieses Gas wird in einem Brennraum emissionsarm verbrannt. Etwa 2/3 der Abwärme wird für die Aufrechterhaltung des Pyrolyseprozesses benötigt, die restlichen 30% können für die Warmwasserbereitstellung eines Nahwärmenetzes ausgekoppelt werden. Die in Dörth, NRW ansässige Firma Pyreg gilt als Pionier auf diesem Markt und ihre Anlagen haben den bisher größten Marktanteil in Deutschland (Stand 03/2020).

Rechtliche Situation

Gärprodukte aus Biogasanlagen unterliegen dem Düngegesetz (DüngG) und somit allen Melde- Dokumentations- und Kontrollverpflichtungen, die beim Inverkehrbringen (Handel, Abgabe, Ausbringung) im Rahmen des Gesetzes anwendbar sind. Hierzu zählen auch der Lagerraum und die Art der Lagerung sowie die Nähstoffausbringungsgrenzen (N, P) pro Flächeneinheit. Gärprodukte aus der Vergärung von Wirtschaftsdünger und NawaRos gelten als Wirtschaftsdünger. Werden in der Anlage auch Bioabfälle vergoren, so gilt das Gärprodukt als Bioabfall und muss somit auch abfallrechtliche (Bioabfallverordnung) Auflagen erfüllen. Dies kann z.B. eine Hygienisierung, also eine 1-stündige Erhitzung des Substrates auf 70° C oder eine thermophile Vergärung bei 50° während der Mindestverweildauer sein.

Wirtschaftlichkeit

Investitionen in zusätzliche Lagerkapazitäten und hohe Transportkosten für das in der Anlage anfallenden Gärprodukt belasten die Erlössituation einer Anlage und sollten auf jeden Fall mit einer zweiten Option, der Weiterverarbeitung des Gärprodukts verglichen werden. Einfache Verfahren, wie die Separation oder Trocknung können helfen, Lagervolumen und Transportkosten einzusparen. Technisch anspruchsvollere Verfahren wie die Vakuumverdampfung oder die Filtrierung des separierten Gärprodukts erzeugen neue, veredelte Produkte, die über größere Distanzen transportiert und gehandelt werden können. Ob und in welcher Höhe sich Investitionen in Gärproduktbehandlungsanlagen rentieren, ist anlagenspezifisch und muss für die jeweilige Anlage durchgerechnet werden. Durch die Weiterverarbeitung des Gärprodukts entstehen, je nach Art der Aufbereitung, zusätzliche Kosten durch Prozess-Hilfsstoffe (z.B. Säuren), Energie und Wartung. Je nach Anlagentechnik fallen auch die Investitionskosten sehr unterschiedlich aus. Mechanische Separationsverfahren zeichnen sich durch insgesamt überschaubare Investitions- und Betriebskosten aus. Die Betriebskosten liegen hier bei deutlich unter 10 € pro m³ Gärprodukt/Gülle (4). Trocknungsverfahren (z.B. Bandtrockner) und Vakuumverdampfung können kosteneffektiv eingesetzt werden, wenn Überschusswärme an der Anlage zur Verfügung steht und der KWK-Bonus aus dem EEG genutzt werden kann (5). Anlagen zur Filtration von Gülle/Gärprodukt haben hohe Anschaffungskosten und auch die Betriebskosten liegen mit deutlich mehr als 10 € pro m³ Gülle/Gärprodukt eher im oberen Bereich. Der Einsatz dieser Technik ist nur dann wirtschaftlich darstellbar, wenn keine Überschusswärme an der Anlage verfügbar ist und große Transportentfernungen zusätzliche Kosten verursachen (2) (5). Durch eine fortlaufende Verbesserung der Technik kann es durchaus sein, dass im Bereich der Gärprodukt/Gülle-Filtrierung zukünftig mit sinkenden Betriebskosten gerechnet werden kann.

Ökologie

Der Gärrest oder das Gärprodukt einer Biogasanlage stellt im Kontext der Kreislaufwirtschaft ein wichtiges Bindeglied zwischen der Nutzung von Pflanzen und Wirtschaftsdünger zur Energiegewinnung und der Rückführung von darin enthaltenen Nährstoffen in die Böden dar. Probleme treten dann auf, wenn Flächen für die Rückführung dieser Nährstoffe nicht in ausreichendem Maße vorhanden sind oder sich die jeweilige Biogasanlage in einem Nährstoffüberhanggebiet (rote Gebiete laut Umweltbundesamt: https://www.umweltbundesamt.de/themen/wasser/grundwasser/nutzung-belastungen/faqs-zu-nitrat-im-grund-trinkwasser#was-ist-der-unterschied-zwischen-trinkwasser-rohwasser-und-grundwasser) befindet und das Gärprodukt aufgrund der Düngeverordnung nur mit Einschränkungen ausgebracht werden kann. Ist dies der Fall, sind größere Lagerkapazitäten erforderlich oder das Gärprodukt muss teilweise in weiter entfernt liegende Gebiete verbracht werden. Durch das bei diesen Transporten ausgestoßene CO2 verschlechtert sich dann wiederum die Treibhausgasbilanz von Biogasanlagen. Die im Gärprodukt enthaltenen organischen Pflanzennährstoffe in Mineraldünger zu überführen ist ökologisch sicherlich sinnvoll und kann einerseits teuren und energieintensiv hergestellten Stickstoffdünger und knapper werdenden Phosphordünger ersetzen und andererseits durch bedarfsgerechte Düngung helfen, Nährstoffüberschüsse im Boden und im Grundwasser zu vermeiden. Holzfaserprodukte aus Gärprodukt könnten dazu beitragen, eine steigende Nachfrage nach Sägewerksnebenprodukten mit abzudecken. Denn insbesondere durch die vermehrte Nachfrage nach Holzpellets, sind hier in den letzten Jahren neue Nutzungskonkurrenzen entstanden.

Betriebliche Umsetzung

Für die Weiterverarbeitung des an Biogasanlagen anfallenden Gärproduktes existieren sehr unterschiedliche Verfahren (siehe oben) und mit Neuerungen und Verbesserungen kann sicherlich auch in diesem Bereich zukünftig gerechnet werden. Die beschriebenen Verfahren bringen sehr unterschiedliche Investitions- und Betriebskosten mit sich und müssen, wenn eine Gärproduktaufbereitung erwünscht ist, immer betriebs- und anlagenspezifisch im Einzelfall betrachtet werden. Je nach Lage, Größe und Ausstattung der Biogasanlage können ganz verschiedene Verfahren Sinn machen und wirtschaftlich darstellbar sein, oder eben nicht. Somit steht vor jeder Entscheidung für oder gegen eine bestimmte Technik immer die Beratung durch fachlich kompetente Experten in diesem Bereich.

Praxisbeispiele und Kontaktdaten

Zum Weiterlesen

1.  LWK NRW (Landwirtschaftskammer Nordrhein-Westfalen). Verfahren zur Aufbereitung von Gülle und Gärprodukten [online], 2013 [Zugriff am: 4. März 2020]. Verfügbar unter: https://www.landwirtschaftskammer.de/duesse/znr/pdfs/2013/2013-04-25-biogastagung-04.pdf

2.  Drosg, B.; Fuchs, W.; Al Seadi, T.; Madsen, M.; Linke, B. Nutrient recovery by biogas digestate processing [online], 2015. Verfügbar unter: http://task37.ieabioenergy.com/files/daten-redaktion/download/Technical%20Brochures/NUTRIENT_RECOVERY_RZ_web1.pdf

3.  Effenberger, M.; Möhrle, H.; Winkler, G.; Krodel, T. Technische Empfehlungen für die Gärprodukttrocknung [online], 2015 [Zugriff am: 4. März 2020]. Verfügbar unter: https://www.biogas-forum-bayern.de/De/Fachinformationen/Garreste/nachhaltig-erneuerbar-energie_Garresttrocknung.html

4.  Lebuf, V.; Accoe, F.; Vaneeckhaute, C.; Meers, E. Nutrient recovery from digestates: techniques and end-products [online], 2012 [Zugriff am: 4. März 2020]. Verfügbar unter: http://hdl.handle.net/1854/LU-3063579

5.  Roth, U.; Wulf, S.; Fechter, M.; Dahlin, J. Bedeutung der Rahmenbedingungen für die Wirtschaftlichkeit der Gärproduktaufbereitung. Hannover, 14. November 2018. Biogas Convention. Verfügbar unter: https://www.ktbl.de/fileadmin/user_upload/Artikel/Energie/Biogas/Roth_WirtschaflichkeitAufbereitung_BiCon2018.pdf