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Abstract (English)
Fluctuating energy sources, namely wind turbines and photovoltaic, will be the mayor contributors to the increase in share of renewable energies. The intermittent energy supply by these sources poses challenges for the power grid and need to be counter balanced. A demand-driven energy supply by weather independent biomass conversion can offer these grid services. Flexible energy production from biogas has been identified as a vital approach to provide the grid with positive and negative balancing power. The two-staged anaerobic digestion may be especially suitable for demand orientated gas production due to the advantages of the anaerobic FIlters to withstand high organic loading rates and shock loading. Two staged anaerobic digestion is characterized by a spatio-temporal separation of acidification and methane production. A liquid rich in soluble products, such as volatile fatty acids, alcohols and sugars is produced in the first stage and and is subsequently converted to biogas in the second stage. The methanation stage as the main gas producing unit in such a system is in the focus of this research.The ability to react to sudden changes in demand might be influenced by substrate composition and controlled hydrolysis towards certain intermediates could improve the reaction times towards increased demand. It is therefore one focus of this research work to examine intrinsic methane production kinetics of common intermediates of anaerobic digestion. Other major questions are how fast the methane production can be adapted to sudden changes in demand and to what extent these adaptions are reproducible. It was therefore of interest to demonstrate the feasibility, reproducibility and the possible extent of demand-driven biogas production in anaerobic filters, with respect to changing substrate composition. Furthermore the evaluation of the process effciency based on carbon fluxes should be examined to unfold effects resulting from changing operational conditions.
With a newly developed methodology, introduced in the publication "Kinetics of Biogas Production in Anaerobic Filters" kinetic parameters of methane production for individual volatile fatty acids (VFA) could be determined. The bandwidth of tested intermediates was broadened in the second research paper "Intrinsic Gas Production Kinetics of Selected Intermediates in Anaerobic Filters for Demand Orientated Energy Supply". It has been found that intermediates could be ordered according to their half-lives of methane production. The apparent order, beginning with the fastest was acetic acid >ethanol >butyric acid >iso-butyric acid> valeric acid> propionic acid> propanediol> lactic acid.
However the mixture of these individual components administered as a naturally produced hydrolysate revealed the fastest methane production kinetics. Differences in the absolute values of determined kinetic parameters between the two experiments can be attributed to variations in organic loading rate (OLR), since degradation rates of a specific substrate are determined by substrate concentration. But also other parameters influence the absolute rate at which methane is produced, such as the concentration of products or unionized substrate itself, pH, nutrient availability, bioenergetics, temperature, inhibition, mass transfer and microbial population. In the third research paper "Demand-Driven Biogas Production in Anaerobic Filters "the previous findings have been put to the test by applying changes in OLR throughout the day and examining different substrate compositions with respect to the methane production rates. As demonstrated, the gas production followed the applied OLR with a distinctive expression of each change in the OLR. That marks the process as highly predictable and defined boundaries within safe operation of AD, in terms of VFA accumulation,can possibly be satisfied by process control. The inclusion of three reactors in the analysis emphasizes the repeatability and therefore the predictability of such an approach
of operation. Feasibility and reproducibility of demand-driven biogas production by anaerobic filters could thus be demonstrated. It has been found that the hydrolysate composition has no significant influence on methane production kinetics for demand orientated gas production, since the maximum rate is limited by acetoclastic methanogenesis.
The control of the hydrolysis should focus on high overall degradation, rather than towards the production of specific intermediates.
A key factor in order to prevent large fluctuation in gas composition is alkalinity, specifically the provision of nitrogenous compounds is vital to maintain stable conditions.
Anaerobic filters or attached biomass reactors in general seem to exhibit superior performance towards shock loading and are therefore especially suited for demand orientated gas production as they recover quickly from overloading.Formation of soluble microbial products (SMP) and extracellular polymeric substances (EPS) may be influenced or exaggerated by constantly changing HRT and OLR. Further research in order to evaluate the limits of safe operation is recommended as more extreme scenarios than the ones examined in this work are imaginable in practice.
Abstract (German)
Fluktuierende Energiequellen, vornehmlich in Form von Windturbinen und Photovoltaik-Anlagen werden den Großteil des Wachstums an Erneuerbaren Energien ausmachen.
Die unstetige Energieversorgung dieser Quellen stellt eine Herausforderung für die Elektrizitätsnetze dar und muss mit entsprechender Regelenergie ausgeglichen werden.Eine bedarfsgerechte Energieversorgung durch wetterunabhängige Biomasse-Konversion kann diese Netzdienstleistungen erbringen. Flexible Energiebereitstellung durch Biogas wurde als wichtiger Ansatz erkannt, um Netze mit positiver und negativer Regelenergie zu stabilisieren. Die zwei-stufige anaerobe Vergärung, die aufgrund der hohen biologischen Stabilität des Anaerobfilters gegenüber Lastwechseln besonders für bedarfsgerechte Biogasproduktion geeignet ist, wird charakterisiert durch die räumlich-, zeitliche Trennung der Versäuerung von der Methanproduktion. Aus der zugeführten Biomasse wird in der ersten Stufe eine Prozessflüssigkeit, reich an organischen Säuren, Zuckern und Alkoholenproduziert, die anschließend in der zweiten Stufe zu Biogas umgewandelt wird.Die Methan-Stufe, als maßgeblich gasproduzierende Einheit steht dabei im Fokus dieser Arbeit.
Im Rahmen dieser Arbeit sollte die Machbarkeit, Reproduzierbarkeit und das Ausmaß der bedarfsgerechten Biogasproduktion im Anaerobfilter begutachtet werden, auch im Hinblick auf den Einfluss der Substratzusammensetzung. Die Beurteilung der Prozesseffzienz soll anhand einer Kohlenstoffbilanz erfolgen um eventuelle Effekte der sich ändernden Betriebsparameter aufzudecken.
Mit einer neuen Methode, eingeführt in der Publikation "Kinetics of Biogas Production in Anaerobic Filters", konnten kinetische Parameter der Methanbildung einzeler Fettsäuren bestimmt werden. Die Bandbreite der getesteten Intermediate wurde mit der zweiten Publikation "Intrinsic Gas Production Kinetics of Selected Intermediates in AnaerobicFilters for Demand Orientated Energy Supply" erweitert. Anhand der "Halbwertszeiten der Methan Produktion" konnte eine Reihenfolge der Gasbildungsgeschwindigkeiten etabliert werden. Die Reihenfolge der getesteten Intermediate, beginnend mit dem schnellsten,wurde wie folgt bestimmt: Essigsäure> Ethanol> Buttersäure> iso-Buttersäure> Valeriansäure> Propioinsäure> Milchsäure. Am schnellsten wurde Methan jedoch nach der Zugabe eines natürlich produzierten Hydrolysates, also eine Mischung aller einzelnen Intermediate, erzielt. Unterschiede in den absoluten Werten der Kinetik-Parameter zwischen den beiden Experimenten können dem Einfluss der angelegten Raumbelastung zugeordnet werden, da Abbauraten spezifischer Substrate im Allgemeinen von der Substratkonzentration abhängig sind. Andere Faktoren, die für die absoluten Raten der Methanproduktion verantwortlich stehen, sind Produktkonzentrationen, unionisierte Substratkonzentration, pH-Wert, Nährstoffverfügbarkeit, Temperatur, Massetransfer und die mikrobielle Population. In der dritten Publikation "Demand-Driven Biogas Production in Anaerobic Filters" wurden die vorherigen Erkenntnisse überprüft, indem im laufe eines Tages wechselnde Raumbelastungen angelegt wurden und Methanproduktionsraten im Hinblick auf Substratzusammensetzung untersucht wurden. Die Gasproduktion folgte jeder Änderung der Raumbelastung mit einer sehr kurzen zeitlichen Verzögerung. Der Prozess zeichnet sich durch eine gute Voraussagbarkeit innerhalb der Grenzen des stabilen Betriebs der anaeroben Vergärung aus. Das Einbeziehen dreier Reaktoren in die Analyse unterstreicht die gute Reproduzierbarkeit und die damit einhergehenden Vorhersagemöglichkeiten eines solchen Ansatzes des Anlagenbetriebs. Die Machbarkeit und Reproduzierarkeit konnten demnach demonstriert werden. Die Substratzusammensetzung scheint in diesem Zusammenhang keinen signifikanten Einfluss auf die Gasbildungskinetik zu haben, da der Geschwindigkeitslimitierende Faktor die acetoklastische Methanogenese ist. Die Prozesskontrolle der Hydrolyse sollte daher in Richtung des Gesamtabbaugrades optimiert werden, anstatt gezielte Intermediate zu produzieren. Die Produktion von gelösten mikrobiellen Produkten (SMP) und extrazellulären polymeren Substanzen (EPS) ist möglicherweise beeinflusst oder sogar verstärkt durch sich ständig ändernde Raumbelastung und Verweilzeit. Weitergehende Untersuchungen sind nötig um die Grenzen der sicheren Betriebsweise festzulegen, da in der Praxis durchaus extremere Szenarios denkbar sind.Ein Schlüsselelement um starke Schwankungen in der Gaszusammensetzung zu vermeiden ist die Pufferkapazität der Flüssigkeiten im Fermenter. Insgesamt eignen sich Anaerobfilter oder Reaktoren mit entsprechendem Biomasserückhalt besser als klassische volldurchmischte Systeme, da sie eine deutlich bessere Wiederstandsfähigkeit gegenüber Stoßbelastungen aufzeigen und sich schnell von Überlastungen erholen. Sie sind daher besonders für die bedarfsgerechte Biogasproduktion geeignet.
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Faculty of Agricultural Sciences
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Institute of Agricultural Engineering
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2017-01-11
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English
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Classification (DDC)
630 Agriculture