Stroh für Biogasanlagen nutzen (Teil 2)

Bevor Stroh als Substrat im Fermenter einer Biogasanlage landet, muss es noch aufgeschlossen werden. Stroh gilt als eines der am schwersten abbaubaren Substrate. Denn die Natur hat sich Mechanismen einfallen lassen, um die Halme vor mikrobakteriellen Angriffen zu schützen:

• So sind die Bestandteile Zellulose und Hemizellulose grundsätzlich gut abbaubar.
• Sie werden jedoch durch eine äußere Wachsschicht, eine dichtgelagerte Fibrillenstruktur der Zellwände und eine Inkrustierung mit Lignin geschützt.
• Der Abbau von Stroh lässt sich durch Silieren verbessern, weil das Material durch Wassereinlagerung und Quellvorgänge zwischen den Mikrofibrillen die Zugänglichkeit für abbauende Enzyme verbessert.
• Auch bewirken die mikrobiellen Bedingungen bei der Silierung (Enzyme, niedrige pH-Werte) einen gewissen Voraufschluss.

Stroh ist beim Silieren ein guter Mischungspartner. So lassen sich sehr nasse Substrate wie Gräser, Zuckerrübenblatt oder sogar Wasserpflanzen vergären, was sonst nicht oder nur eingeschränkt möglich wäre.

Für eine gute Vergärung des Strohs muss das sehr weite C/N-Verhältnis von 150:1 auf das in einer Biogasanlage ideale Verhältnis 30:1 verengt werden. Dies kann durch stickstoffhaltige Einsatzstoffe, z.B. Geflügelmist oder Grassilage von jungem eiweißreichem Gras, geschehen.

Der erste „Behandlungsschritt“ für Stroh als Substrat im Fermenter einer Biogasanlage sollte bereits auf dem Acker erfolgen, indem das Stroh beim Pressen fein geschnitten wird. Dafür stehen seit mehreren Jahren Vorbauhäcksler zur Verfügung.

Stationär schließen sich dann folgende Aufbereitungsverfahren an:

• Extrusion
• BMTVerfahren
• Maisstroh
• DisRuptor
• Plugflow Fermenter
• Hydrolysecontainer

Die Extrusion von Stroh führt zu einer Verringerung der Partikelgröße (Faserlänge):

• Im Extruder wird das Stroh zwischen zwei gegenläufigen Schnecken einer schnell wechselnden Beanspruchung durch Druck und Temperatur ausgesetzt, wobei der Lignozelluloseverbund aufgefasert und die Zellstruktur aufgeschlossen wird.
• Bakterien erhalten so eine größere „Angriffsfläche“ und können die Zellulose und Hemizellulosestrukturen verstoffwechseln.
• Es gibt eine weitere Möglichkeit, den stabilen Lignozellulose-Komplex aufzulösen, in dem das für die „Verklebung“ verantwortliche Lignin thermisch gelöst wird.
• Das kann in einem „Steam Explosion“ genannten Verfahren geschehen, das dem Kochen mit einem Dampfdrucktopf im Haushalt ähnelt.
• Das Material wird unter hohen Druck gesetzt; in der anschließenden Entspannungsphase werden die Zellen gesprengt.

BMT-Verfahren:

• Dabei handelt es sich um eine Kombination von Biologischen, Mechanischen und Thermochemischen Prozessen.
• Das BMTSystem steigert durch einen zusätzlichen Voraufschluss von Stroh die Abbaurate von organischer Trockensubstanz im anschließenden Biogasprozess auf bis zu 95 Prozent, verspricht der Hersteller. „Mit dem BMT-System werden zusätzlich im Ligninmantel gebundene Kohlenstoffe und andere schwer abzubauende Stoffe verfügbar gemacht, die die Menge des produzierten Methans deutlich erhöhen“, sagt Matthias Wackerbauer, Geschäftsführer des Herstellers MWK Bionik Systeme.
• Jede BMT-Anlage besteht aus drei Funktionsgruppen, die je nach Anlagengröße in 20’ und 40’ Standard-ISO Containern verbaut sind und über eine flexible Modulbauweise einsetzbar und transportierbar sind.  
• Die Einsatzfähigkeit der BMTMischung erfolgt durch die Vorbehandlung: dem Erhitzen flüssiger Gärreste, der Zugabe der Bakterienmischung „LignoX®“ und einem spezielles Verfahren zur Abmischung der aufbereiteten flüssigen Gärreste mit Stroh. „Der eigentliche Aufschluss des Lignins in der zu verarbeitenden Biomasse erfolgt durch die Zugabe des Betriebsmittels „LignoX®““, sagt Matthias Wackerbauer, Geschäftsführer der Firma BMT.
• Der flüssige Gärrest wird mit dem Stroh vermengt.

Eine besondere Herausforderung stellt Maisstroh dar. Bislang wird es kaum genutzt, doch „es ist ein konkurrenzloses Produkt“, wie Monika Fleschhut von der LfL feststellt. Das Maisstroh muss bereits bei der Ernte des Körnermaises mit einem Unterflurhäcksler (Fa. Geringhoff) auf Schwad gelegt und anschließend mit einem Feldhäcksler geborgen werden.

Ein alternatives Verfahren kommt aus Österreich: Der Biochipper der Firma BioG ist ein Mulcher, der die Feldreste in einem Arbeitsgang aufsaugt, häckselt und auf ein Schwad legt. Der Biofeeder ist ein Einbringsystem für die Biogasanlage, das auf die unterschiedlichen Strukturen der Substanzen reagiert. Die Fördertechnik transportiert ungleichmäßige Stoffe wie Stroh, Grünschnitt oder Stallmist ohne Verstopfung oder Brückenbildung in den Förderkreislauf. 

Auf der Energy Decentral 2016 in Hannover hat die Firma Vogelsang ihren neuen Feinzerkleinerer „DisRuptor“ für die mechanische/physikalische Desintegration von Substraten vorgestellt.

• Ein mit Flügeln besetzter Rotor dreht sich in der DisRuptorFunktionseinheit mit hoher Drehzahl.
• In einem schmalen Spalt zwischen der Rotoreinheit und dem äußeren Ring zerkleinert und zerfasert der DisRuptor die Feststoffe.
• Der DisRuptor lässt sich mit Hilfe eines Einstellmechanismus individuell an die jeweilige Applikation und das Substrat anpassen.
• Die flexible Funktionseinheit erreicht bei reduzierter Leistungsaufnahme eine deutlich höhere Durchsatzleistung von bis zu 80 m3/h Biosuspension bei einer installierten Motorleistung von 15 kW und sorgt so für eine effizientere Substrataufbereitung.
• Der DisRuptor vergrößert bei den eingesetzten Rohstoffen die Angriffsflächen für die Bakterien und verringert die Viskosität der Biosuspension. Durch die erweiterte Materialoberfläche gelingt die schnellere Umsetzung der Substrate in Biogas.

Seit einiger Zeit ist in Niedersachsen ein neuer Fermentertyp im Praxisbetrieb: Der „HighGester“ des niedersächsischen BiogasanlagenHerstellers EnviTec Biogas arbeitet auf der Biogasanlage in Bakum, Landkreis Vechta.

• Der senkrecht stehende Plugflow-Fermenter spart aktuell über zehn Prozent der Inputkosten. Auch die Betriebskosten sind gegenüber einem herkömmlichen, volldurchmischten Fermenter geringer, da die Faulsuspension hierbei nicht volldurchmischt wird und das Volumen kleiner ist.
• Von Vorteil seien zudem die kürzeren Verweilzeiten des Gärsubstrats von nur etwa 20 Tagen. Dies bedeutet im Gegenzug, dass auch die Raumbelastung auf das mehr als Dreifache gesteigert werden konnte, ohne dass es dadurch zu Problemen in der Biologie kam. Das erklärt sich dadurch, dass in dem „Propfenstromfermenter“ alle Prozessphasen nacheinander - räumlich und zeitlich getrennt - in ihrem jeweils optimalen Milieu ablaufen können, was bei einem volldurchmischten Fermenter nicht der Fall ist, da dort alle Phasen des Prozesses simultan ablaufen. Neben der hohen Leistungsfähigkeit des Systems werden zudem auch höhere Methangehalte erzielt.
• Durch die neuartige Fermenter-Bauweise können auch höhere Trockensubstanzgehalte gefahren werden, was auch einen größeren Einsatz von schwierigeren aber kostengünstigere Einsatzstoffen wir beispielsweise Geflügel- oder Tretmist erlaubt. Sowohl in den Technikumsversuchen, die schon vor einigen Jahren durchgeführt wurden, als auch in der jetzigen großtechnischen Anlage mit 900 m³ Volumen, hat sich die Biologie als äußerst robust erwiesen.

Die STEROS GmbH, die Universität Rostock und das IBZ Hohen Luckow haben mit dem Hydrolysecontainer eine Anlagenkomponente entwickelt, die an jeder beliebigen Bestandsbiogasanlage nachgerüstet werden kann.

• Mit der Integration des Hydrolysecontainers in ein bestehendes Anlagenkonzept gelingt die räumliche Trennung der Biogasprozessphasen.
• Dabei können entweder die gesamten Substratströme oder einzelne Teilströme, wie z. B. nur faserreiche Fraktionen, behandelt werden. Der Mehrertrag ist substratabhängig und beträgt zwischen 6 bis 18 Prozent mehr Methan. Übertragen auf eine 500 kW Biogasanlage, könnten so jährlich zwischen 650 und 2.000 t Maissilage eingespart und die Substratkosten entsprechend reduziert werden.

Während der Projektarbeit wurden verschiedene labortechnische und praxisnahe Gärversuche zur zweiphasigen Prozessführung im Batch- und kontinuierlichen Betrieb mit Blick auf die Substratausnutzung durchgeführt. Dabei wurde die Phasentrennung nicht nur für den Substratstrom, sondern auch für den Gasstrom vorgenommen. Über alle Versuche konnte in Abhängigkeit von der Substratqualität ein Methanmehrertrag von 6 bis 18 Prozent erzielt werden. Ferner ließ sich die Gasproduktion durch die zeitlich gezielte Fütterung von Hydrolysat in den Fermenter innerhalb von wenigen Minuten um etwa 70 Prozent steigern.

Lesen Sie dazu auch Teil 1: Wie aus Stroh ein Biogassubstrat wird