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Doctoral Thesis
2008
Untersuchungen zur Aufbereitung und Umwandlung von Energiepflanzen in Biogas und Bioethanol
Untersuchungen zur Aufbereitung und Umwandlung von Energiepflanzen in Biogas und Bioethanol
Abstract (English)
Due to finite fossil resources, one opportunity for the future is to increase the supply of energy out of renewable energy sources.
One of many opportunities is the use of biomass, which offers plenty combinations of different kinds of biomass, paths of utilization and conversion techniques for a flexible adaptation to natural local and regional frameworks as well as the anthropogenic needs.
For an efficient utilization of the limited arable land for the supply of bioenergy, there is a need of up-to-date and proof data about specific energy yields and yields per hectare.
The aim of this investigation was to determine these data for the biogas and bioethanol sectors. Batch-tests were carried out in laboratory scaled digesters to investigate specific biogas and bioethanol yields. Additionally the testing of different techniques of pre-treatment for energy crops and their effects on the biogas yield and the progression of the formation of methane were focused.
The conversion of maize silage and full ripe triticale into biogas and bioethanol was compared by an energy and environmental balance. The steam explosion technique was included.
Pre-treatment
The steam explosion pre-treatment of biomass increases the speed of formation of methane and partly increases the methane yields. The effects differ depending on the kind of biomass and the stage of ripening. Other techniques of pre-treatment like microwaving and cooking did not show significant or partly negative effects. A variation of parameters in the trial setup might be interesting.
Besides the positive effects of the steam explosion technique there are some arguments like the additional costs of investment, the diminished concentration of nutrients respectively the increase of material flow against it. The additional energy consumption, mostly thermal energy, can be supplied from waste heat out of the combined heat and power plant (CHP).
The screening and the production of technical enzymes for the efficient pre-degradation of raw materials containing high amounts of lignocellulose should be the subject of research and development in the future. The combination of biological (enzymatic), chemical, thermal and mechanical pre-treatment techniques need to be investigated with the focus on energy efficiency.
Methane yields of energy crops and stillage
A broad number of biogas tests had been carried out on various maize cultivars. The specific methane yields of the maize cultivars varied over the harvesting date differently. The cultivars with a low ripening number reached higher specific methane yields. The dominant factor for the energy yield per hectare was the dry matter yield, not the specific methane yield. In general it is recommended to use well adapted cultivars with high dry matter yields and a good ensilaging behaviour. The catch crops increased the methane yields per hectare just partly. But for reasons of soil conservation the cultivation is recommended.
The nitrogen fertilizer had mostly a positive effect on the dry matter yields and the energy yields per hectare, respectively. Maize gained higher energy yields per hectare than switch grass.
The utilization of stillage out of whole maize plants or triticaleĀ“s grain from the ethanol production as well as the utilization of by-products like straw in the biogas production could double the energy output per hectare compared to the simple ethanol production.
Further options for the optimization of the biogas production under conditions of practice are digester systems well-adapted on the substrate, the use of multi step systems and the development of analytic methods in order to gain effective process control.
Correlation between chemical components and measured methane yields
The specific methane yields calculated out of the neutral detergents fibre, starch, sugar, raw proteins and its substrate-specific factors were very close to the experimentally determined yields of the maize cultivars for the four harvesting times. But the measured and calculated values showed no correlation.
Whether the biogas tests can be replaced, by other methods or techniques of analysis of the components and the determination of additional components for the estimation of the potential of new cultivars, should be subject of further investigations.
Bioethanol yields
The energy yields on the conversion pathway bioethanol without using the by-products are lower than the yields via conversion into biogas, because the ethanol fermentation is limited on material that can be converted into sugar first. The advantage of the ethanol production is a fluid fuel as result of the process. Combining the ethanol production with a biogas plant, the by-products also can be used energetically and a gaseous energy carrier can be produced.
There are high potentials for the bioprocess engineering, for instance in breeding of microorganisms for the degradation of lignocellulosic biomass or of C5-sugar. Furthermore a process optimization of water and energy input is recommended.
Energy and environmental balance
Biogas as well as bioethanol (combined with biogas) is able to reduce the consumption of non-renewable energy carrier and its emission under the investigated scenarios and the scoop set.
A future task will be the development of differentiated and well-adapted concepts on the basis of a decision between (liquid) fuels or stationary supply of thermal and electrical energy out of biomass. The aim is an efficient use of the limited areas of arable land and forests for the supply with bioenergy carriers by a useful combination of biomass, paths of utilization and conversion technique depending on natural local and regional conditions as well as the anthropogenic needs.
Abstract (German)
Da die fossilen Ressourcen endlich sind, ist eine Option fĆ¼r die Zukunft den Energiebedarf verstƤrkt aus erneuerbaren Energiequellen zu decken. Eine Mƶglichkeit ist die Biomassenutzung, die durch eine Vielzahl von Kombinationen aus unterschiedlichen Biomassearten, Nutzungspfaden und Konversionstechniken flexibel an die natĆ¼rlichen lokalen bzw. regionalen Gegebenheiten sowie die anthropogenen BedĆ¼rfnisse angepasst werden kann. Um die begrenzten landwirtschaftlichen FlƤchen mƶglichst effizient zur BioenergietrƤgerbereitstellung nutzen zu kƶnnen, werden aktuelle und belastbare Daten zu den spezifischen EnergieertrƤgen und den HektarenergieertrƤgen von Energiepflanzen benƶtigt.
Ziel der vorliegenden Arbeit war es, diese Daten fĆ¼r die Bereiche Biogas und Bioethanol bereitzustellen. Dazu wurden anhand von Untersuchungen in Laborfermentern im Batch-Betrieb spezifische Biogas- bzw. BioethanolertrƤge ermittelt. ZusƤtzlich stand die Erprobung von verschiedenen Aufbereitungsverfahren fĆ¼r Energiepflanzen und deren Einfluss auf die Biogasertragshƶhe und auf den Verlauf der Methanbildung im Fokus dieser Arbeit.
Eine Energie- und Ćkobilanz fĆ¼r Silomais und reife Triticale stellt die Konversionspfade Biogas- und Bioethanolgewinnung vergleichend gegenĆ¼ber. Dabei wurde auch das Steam-Explosion-Verfahren zur Aufbereitung von Biomasse berĆ¼cksichtigt.
Aufbereitung von Energiepflanzen
Die Aufbereitung von Biomasse mit dem Steam-Explosion-Verfahren beschleunigt die Methanbildung und steigert sie zum Teil. Die Effekte sind, abhƤngig von der Art der Biomasse und dem Reifestadium, unterschiedlich stark. Weitere Aufbereitungsverfahren wie Mikrowellenbehandlung und Kochen zeigten meist keine signifikante Ćnderung oder teilweise negative Wirkung. Eine Variation der Versuchsparameter kƶnnte aber ggf. interessant sein.
Den positiven Wirkungen des Steam-Explosion-Verfahrens stehen aber auch Argumente wie die zusƤtzlichen Investitionskosten und der VerdĆ¼nnungseffekt durch die Wasserzugabe bzw. die Erhƶhung des Massenstroms entgegen. Der zusƤtzliche Energiebedarf, der hauptsƤchlich in thermischer Energie besteht, kann aus der AbwƤrme des BHKW gedeckt werden.
Forschungsbedarf besteht weiterhin beim Screening und der Produktion technischer Enzyme zum effizienten Voraufschluss lignozellulosehaltiger Rohstoffe sowie bei der Kombination biologischer (enzymatisch), chemischer, thermischer oder mechanischer Aufschlussverfahren unter BerĆ¼cksichtigung der Energieeffizienz.
MethanertrƤge von Energiepflanzen und Schlempen
Anhand der Biogasuntersuchungen eines breiten Spektrums an Maissorten konnte festgestellt werden, dass die spezifischen MethanertrƤge je nach Sorte unterschiedlich stark Ć¼ber die Erntezeitpunkte variierten, wobei die Sorten mit niedrigerer Reifezahl hƶhere spezifische MethanertrƤge erreichten. Der dominierende Faktor fĆ¼r den Energiehektarertrag war aber der Trockenmasseertrag und nicht der spezifische Methanertrag. Allgemein empfehlenswert sind standortgerechte Sorten mit hohem Trockenmasseertrag bei gleichzeitig guter SilierfƤhigkeit zum optimalen Erntezeitpunkt. Die ZwischenfrĆ¼chte trugen nur zum Teil zur deutlichen Erhƶhung der MethanhektarertrƤge bei. Aus GrĆ¼nden des Bodenschutzes ist der Anbau aber zu empfehlen.
Die StickstoffdĆ¼ngung beeinflusst die TrockenmasseertrƤge und damit die EnergiehektarertrƤge meist positiv. Mit Mais konnten deutlich hƶhere EnergiehektarertrƤge als mit Rutenhirse erzielt werden.
Durch die Nutzung der Schlempen aus der Ethanolproduktion aus Maisganzpflanzen oder aus Triticalekorn sowie durch die Nutzung der Nebenprodukte wie Stroh in der Biogasgewinnung kann der Energieoutput pro Hektar mindestens verdoppelt werden verglichen mit der ?reinen? Ethanolproduktion.
Weitere Optimierungsmƶglichkeiten fĆ¼r die Biogasgewinnung unter Praxisbedingungen liegen im substratangepassten Aufbau der Fermentersysteme sowie im Einsatz mehrphasiger Verfahren sowie der Entwicklung schneller Analyseverfahren zur besseren Prozesssteuerung.
Korrelation Inhaltsstoffe / gemessene MethanertrƤge
Die anhand der Ć¼ber NIRS bestimmten Inhaltsstoffe neutrale Detergentien-Faser (NDF), StƤrke (XS), Zucker (XZ) und Rohprotein (XP) sowie der substrattypischen Faktoren errechneten spezifischen MethanertrƤge fĆ¼r Maisproben zu den vier Erntezeitpunkten lagen sehr nah an den tatsƤchlich gemessenen MethanertrƤgen. Eine Korrelation zwischen den gemessenen und errechneten Werten lag aber nicht vor.
Ob eine andere Inhaltsstoffanalysetechnik und die Bestimmung weiterer Einzelbestandteile die Biogasertragstests zur PotenzialabschƤtzung gerade von neuen Sorten ersetzen kƶnnen, sollte Gegenstand weiterer Untersuchungen sein.
Bioethanolausbeuten
Die Energieausbeuten Ć¼ber den Konversionspfad Bioethanol liegen ohne die Nutzung der Nebenprodukte Schlempe oder Stroh deutlich unter denen des Konversionspfads Biogas, da nur Stoffe, die verzuckert werden kƶnnen, in Ethanol umgesetzt werden kƶnnen. Der Vorteil der Ethanolproduktion liegt in dem flĆ¼ssigen Kraftstoff, der gewonnen wird. Durch die Kombination mit einer Biogasanlage kƶnnen auch die Nebenprodukte energetisch genutzt werden und liefern einen gasfƶrmigen EnergietrƤger.
Im Bioethanolbereich liegen sicher noch hohe bioverfahrenstechnische Optimierungspotenziale z.B. die ZĆ¼chtung geeigneter Mikroorganismen zum Abbau lignozellulosehaltiger Rohstoffe sowie von C5-Zucker-Verwertern. Des Weiteren sind Prozessoptimierungen bei Wasser- und Energieeinsatz anzustreben.
Energie- und Ćkobilanzierung
Sowohl Biogas als auch Bioethanol, letzteres bei optimaler Kombination mit Biogas, sind nach den hier untersuchten Szenarien unter den erlƤuterten Rahmenbedingungen dazu geeignet, den Einsatz nicht regenerativer EnergietrƤger und damit Emissionen zu senken. Eine Aufgabe fĆ¼r die Zukunft wird es sein, differenzierte standortgerechte Nutzungskonzepte zu entwickeln auf der Basis einer Entscheidung, in welchem MaĆ eine (FlĆ¼ssig-)Kraftstofferzeugung oder eine stationƤre Bereitstellung thermischer und elektrischer Energie aus Biomasse zu bevorzugen sind.
Ziel muss es sein, durch eine sinnvolle Kombination aus Biomasse, Nutzungspfad und Konversionstechnik, in AbhƤngigkeit von den lokalen und regionalen natĆ¼rlichen Gegebenheiten sowie den anthropogenen Anforderungen, die land- und forstwirtschaftliche FlƤche (als dem limitierten Faktor) hƶchst effizient zur BioenergietrƤgerbereitstellung zu nutzen.
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Published in
Faculty
State Institutes
Institute
Landesanstalt fĆ¼r Landwirtschaftliches Maschinen- und Bauwesen
Examination date
2008-07-14
Supervisor
Edition / version
Citation
Identification
DOI
ISSN
ISBN
978-3-86664-492-2
Language
German
Publisher
Publisher place
Classification (DDC)
630 Agriculture