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Anaerobe Verfahren

"Biogasanlagen müssen hinsichtlich ihrer Substrate und der Energiebereitstellung flexibler werden. Nur dann werden sie auch in Zukunft einen wesentlichen Beitrag zur Sicherung der Energieversorgung leisten können."
(Dr. Jan Liebetrau, Leiter des Forschungsschwerpunkts "Anaerobe Verfahren")

Zielstellung

Prozesse der Konversion von Biomasse durch Mikroorganismen unter anaeroben Bedingungen sind die Basis einer Vielzahl von biotechnologischen Verfahren für die Bereitstellung von Energieträgern und stofflich genutzten Materialien. Im Forschungsschwerpunkt "Anaerobe Verfahren" werden vorrangig für die Biogaserzeugung effiziente und flexible Verfahren für die Anforderungen des zukünftigen Energiesystems entwickelt. Durch die Kopplung an Prozesse zur stofflichen Verwertung wird eine höhere Wertschöpfung erzielt. Im Forschungsschwerpunkt werden dafür Werkzeuge zur Prozessüberwachung und -kontrolle, Konzepte für flexible, emissionsarme Anlagen und Betriebsregimes, Methoden zur Bewertung und Optimierung der Effizienz sowie Verfahren zur Maximierung des Stoffumsatzes, insbesondere für schwierige Substrate, entwickelt.

Hintergrund

Die Technologie der Erzeugung von Biogas hat in Deutschland mit über 8000 Anlagen eine weite Verbreitung gefunden. Es existiert eine Vielzahl von verschiedenen Konzepten und Komponenten, die für nahezu alle Randbedingungen Lösungen anbieten. Biogasanlagen wurden unter den Anforderungen des EEG in der Vergangenheit für definierte Substrate und einen konstanten Energieoutput konzipiert und gebaut.

Die Anlagen der Zukunft werden sich flexibel auf wechselnde Qualitäten von Substraten einstellen müssen. Zur maximalen Ausnutzung der bereitgestellten Energie wird diese entsprechend des notwendigen externen Bedarfes produziert, das gilt sowohl für den Strom, als auch für die Wärme. Dafür bedarf es vor allem besserer Werkzeuge für die Prozessüberwachung und – regelung, um Verluste und Emissionen bei den höheren Anforderungen bei flexibler Prozessführung zu vermeiden. Hervorzuheben ist sind dabei die Emissionen von klimarelevanten Gasen, für deren Analyse an Bestandsanlagen Methoden entwickelt und repräsentative Untersuchungen realisiert werden müssen.

Weitere wichtige Aufgabe für die Zukunft ist die Verbesserung der Wirtschaftlichkeit von Anlagen zur Erzeugung von Biogas. Grundsätzlich hat die Stromerzeugung aus Biogas einen vergleichsweise hohen Preis. Daher sind Maßnahmen, die Effizienz steigern und dabei Kosten senken, sowie die Integration von Verfahren zur stofflichen Nutzung in die Prozesskette von wesentlicher Bedeutung für die Steigerung der Wertschöpfung.

Aktuelle Forschungsthemen

Prozessüberwachung & -regelung
Methoden zur experimentellen und modellbasierten Prozesssimulation
Entwicklung neuer Sensoren zur Prozessbewertung
Substrat- & Prozessflexibilisierung
Modellprädiktive Regelung zur Kontrolle der Biogasproduktion
Desintegrationsverfahren für die Optimierung von Abbauprozessen
Koppelprozesse
Verfahren zur gezielten Erzeugung und Ausschleusung von Zwischenprodukten
Effizientere & kostengünstigere Prozesse
Methoden zur Effizienzbewertung an großtechnischen Anlagen
Bewertung von Maßnahmen zur Effizienzsteigerung an großtechnischen Anlagen
Emissionsminderung
Entwicklung und Harmonisierung von Methoden zur Quantifizierung von Emissionen
Erhebung repräsentativer Daten zu klimarelevanten Emissionen aus Biogasanlagen und Entwicklung von Vermeidungsstrategien

Ausblick

Im Forschungsschwerpunkt werden in enger Zusammenarbeit mit Partnern aus Wissenschaft und Industrie Methoden zur Prozessbewertung und –regelung entwickelt. Das Ziel ist es, eine präzise Prozessführung auch unter dynamischen Verhältnissen zu ermöglichen. Dadurch sollen die Effizienz gesteigert und Verluste sowie Emissionen minimiert werden. Die Einbindung der stofflichen Nutzung im Rahmen der Ausschleussung von Zwischenprodukten wird in Kooperation mit dem UFZ und dem Forschungsschwerpunkt Verfahren für chemische Bioenergieträger und Kraftstoffe vorangetrieben.

Wichtige Referenzprojekte (Auswahl)

  • Projekt: Bedarfsgenaue Regelung von Energie aus Biomasse (RegEnFlx), Sächsische Aufbaubank (SAB), 01/2013 – 11/2014 (FKZ: 100143221)
  • Projekt: Potenziale zur Steigerung der Leistungsfähigkeit von Biogasanlagen – Energetische Effizienz von Repoweringmaßnahmen, Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft/ Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e. V., 01.01.2014–30.04.2016 (FKZ: 22400912)
  • Projekt: RegioBalance – Bioenergie-Flexibilisierung als regionale Ausgleichsoption im deutschen Stromnetz, Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz, Bau und Reaktorsicherheit/Projektträger Jülich, 01.08.2013–31.12.2015 (FKZ: 03KB087A)
  • Projekt: Klimaeffekte einer Biomethanwirtschaft, Bundesministerium für Ernährung, Landwirtschaft und Verbraucherschutz/Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e. V., 03/2011–08/2014 (FKZ: 22009310)

Wichtige Veröffentlichungen (peer reviewed)

  • Daniel-Gromke, J.; Liebetrau, J.; Denysenko, V.; Krebs, C. (2015): Digestion of bio-waste - GHG emissions and mitigation potential. In: Energy, Sustainability and Society. Bd. 5 (Nr. 1). S. 1–12. doi: 10.1186/s13705-014-0032-6. 2192-0567.
  • Hofmann, J.; Peltri, G.; Sträuber, H.; Müller, L.; Schumacher, B.; Müller, U.; Liebetrau, J. (2016): Statistical Interpretation of Semi-Continuous Anaerobic Digestion Experiments on the Laboratory Scale. In: Chemical Engineering & Technology. Bd. 39 (Nr. 4). S. 643–651. doi: 10.1002/ceat.201500473.
  • Janke, L.; Leite, A.F.; Nikolausz, M.; Radetski, C.M.; Nelles, M.; Stinner, W. (2016): Comparison of start-up strategies and process performance during semi-continuous anaerobic digestion of sugarcane filter cake co-digested with bagasse. In: Waste Management. Bd. 48. S. 199–208. doi: 10.1016/j.wasman.2015.11.007. 0956053X.
  • Koch, C.; Kuchenbuch, A.; Kretzschmar, J.; Wedwitschka, H.; Liebetrau, J.; Müller, S.; Harnisch, F. (2015): Coupling electric energy and biogas production in anaerobic digesters – impacts on the microbiome. In: RSC Advances. Bd. 5 (Nr. 40). S. 31329–31340. doi: 10.1039/C5RA03496E. 2046-2069.
  • Kretzschmar, J.; Rosa, L.F.M.; Zosel, J.; Mertig, M.; Liebetrau, J.; Harnisch, F. (2016): A Microbial Biosensor Platform for Inline Quantification of Acetate in Anaerobic Digestion: Potential and Challenges. In: Chemical Engineering & Technology. Bd. 4 (Nr. 39). S. 637–642. doi: 10.1002/ceat.201500406.
  • Liebetrau, J. (2013): Analysis of greenhouse gas emissions from 10 biogas plants within the agricultural sector. In: Water Science and Technology. Bd. 67 (Nr. 6). S. 1370–1379. doi: 10.2166/wst.2013.005.
  • Mauky, E.; Jacobi, F.H.; Liebetrau, J.; Nelles, M. (2014): Flexible biogas production for demand-driven energy supply – Feeding strategies and types of substrates. In: Bioresource Technology. doi: 10.1016/j.biortech.2014.08.123.
  • Mauky, E.; Weinrich, S.; Nägele, H.-J.; Jacobi, H.F.; Liebetrau, J.; Nelles, M. (2016): Model Predictive Control for Demand-Driven Biogas Production in Full Scale. In: Chemical Engineering & Technology. Bd. 39 (Nr. 4). S. 652–664. doi: 10.1002/ceat.201500412.
  • Nie, H.; Jacobi, H.F.; Strach, K.; Xu, C.; Zhou, H.; Liebetrau, J. (2014): Mono-fermentation of chicken manure: Ammonia inhibition and recirculation of the digestate. In: Bioresource Technology. Bd. 178 (Nr. 0). S. 238–246. doi: dx.doi.org/10.1016/j.biortech.2014.09.029. 0960-8524.
  • Nikolausz, M.; Walter, R.F.H.; Sträuber, H.; Schmidt, T.; Liebetrau, J.; Kleinsteuber, S.; Bratfisch, F.; Günther, U.; Richnow, H.H. (2013): Evaluation of stable isotope fingerprinting techniques for the assessment of the predominant methanogenic pathways in anaerobic digesters. In: Applied Microbiology and Biotechnology. Bd. 97 (Nr. 5). S. 2251–2262. 0175-7598.
  • Reinelt, T.; Liebetrau, J.; Nelles, M. (2016): Analysis of operational methane emissions from pressure relief valves from biogas storages of biogas plants. In: Bioresource Technology. doi: 10.1016/j.biortech.2016.02.073. 09608524.
  • Schmidt, T.; Nelles, M.; Scholwin, F.; Pröter, J. (2014): Trace element supplementation in the biogas production from wheat stillage - Optimization of metal dosing. In: Bioresource Technology. Bd. 168. S. 80–85. doi: 10.1016/j.biortech.2014.02.124. 0960-8524.
  • Schumacher, B.; Wedwitschka, H.; Hofmann, J.; Denysenko, V.; Lorenz, H.; Liebetrau, J. (2014): Disintegration in the biogas sector – Technologies and effects. In: Bioresource Technology. Bd. 168. S. 2–6. doi: 10.1016/j.biortech.2014.02.027. 09608524.
  • Wedwitschka, H.; Jenson, E.; Liebetrau, J. (2016): Feedstock Characterization and Suitability Assessment for Dry Anaerobic Batch Digestion. In: Chemical Engineering & Technology. Bd. 39 (Nr. 4). S. 665–672. doi: 10.1002/ceat.201500413.
  • Weinrich, S.; Nelles, M. (2015): Critical comparison of different model structures for the applied simulation of the anaerobic digestion of agricultural energy crops. In: Bioresource Technology. Bd. 178. S. 306–312. doi: 10.1016/j.biortech.2014.10.138. 0960-8524.

Ansprechpartner

Dr. Jan Liebetrau
Leiter des Forschungsschwerpunkts Anaerobe Verfahren
Tel. +49 (0)341 2434-716
Fax +49 (0)341 2434-133
E-Mail: jan.liebetrau(at)dbfz(dot)de