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Kleine Anaerobanlagen zur Verwertung von Wirtschaftsdünger, Teilvorhaben 3: Bau und Optimierung der KLAWIR-Anlage

Das Projekt zielt darauf ab, eine digitalisierte und standardisierte Biogasanlage zu konfigurieren, die für Betriebe mit einem Tierbestand von etwa 170 Großvieheinheiten zur Vergärung von Flüssigmist geeignet ist. Diese wird eine einstufige Güllevergärung nutzen und auf einem kostengünstigen, voll recyclebaren Rührkesselreaktor in Holz-Sandwich-Bauweise basieren. Der KLAWIR-Reaktor wird auf einer wasserundurchlässigen Betonbodenplatte mit Umfassung installiert und besteht im Wesentlichen aus einer Holzschalung mit Wärmedämmung sowie einer reißfesten Gewebefolie. Zur Kontrolle der Anlagenfunktionalität werden Umweltparameter und Gasqualität durch ein neuartiges, wartungsfreies, miniaturisiertes, energieautarkes Gas-Sensormodul überwacht, das seine Daten direkt an eine internetbasierte Plattform überträgt. In einem einzigen Sensormodul werden Sensoren für Kohlendioxid, Methan, Schwefelwasserstoff, Temperatur und Feuchte integriert und in die Anlage integriert. Die Sensorik, deren Internetanbindung sowie sämtliche sonstigen Komponenten werden standardisiert und vormontiert geliefert, so dass die KLAWIR- Fermenter in einer sehr kurzen Bauzeit von maximal 3 Wochen errichtet werden können, was einen wichtigen Beitrag zur Senkung der Baukosten liefert. Durch ein weiteres Gas-Sensormodul im Außenbereich der Anlage können die Betreiber ihren Treibhausgasausstoß nachvollziehbar überwachen und die entstehenden Einsparungen ermitteln. Insgesamt ist es das Ziel von KLAWIR, Biogasanlagen in der Leistungsklasse von ca. 30-50 kW zu einem Gesamtpreis von weniger als 8.000 Euro je kW zu realisieren, so dass ein wirtschaftlicher Betrieb der Anlagen gegeben ist. Aufbau, experimentelle Erprobung und technisch-wirtschaftliche Bewertung eines solchen Fermenters werden im Rahmen des KLAWIR-Projekts in einer Prototypanlage im technischen Maßstab (1:10) durchgeführt.

Forschergruppe (FOR) 5094: Dynamik des tiefen Untergrundes von Hochenergiestränden, Teilprojekt: Morphodynamik, Grundwasserströmung und -transport

Durch DynaDeep wird ein Verständnis der Funktionsweise und Relevanz des Land-Meer Übergangs im Untergrund von Hochenergiestränden gewonnen werden. Wir nehmen an, dass dieser einen hoch dynamischen Bioreaktor und einzigartiges mikrobiologisches Habitat darstellt und Netto-Stoffflüsse in Richtung Meer stark beeinflusst. Um dieses Ziel zu erreichen werden sechs Teilprojekte gemeinsam Felduntersuchungen und experimentelle Arbeiten durchführen und diese mit mathematischen Modellen integrativ kombinieren. P1 wird Grundwasserströmungs- und -transportprozesse als Funktion hydro- und morphodynamischer Randbedingungen untersuchen. Wir postulieren, dass die gegenwärtigen Konzepte zur Grundwasserströmung und Salzverteilung in subterranen Ästuaren unter Tideeinfluss für Hochenergiebedingungen nicht anwendbar sind. Stattdessen erwarten wir dynamische und variable Änderungen von Salinitäten, Fließrichtungen und Aufenthaltszeiten. P1 wird die Strandmorphologie mit Hilfe von Kameraaufnahmen, Laserscannern und Drohnen untersuchen und diese mit numerischen Modellen kombinieren, um typische Adaptionszeiten und -skalen der Strandmorphologie abzuleiten. Durch nicht-invasive geophysikalische Methoden werden die Salzverteilungsmuster im Untergrund zu verschiedenen Zeiten abgeleitet werden. Umwelttracer werden genutzt, um Aufenthaltszeiten im Untergrund zu bestimmen. Morphologische, hydro(geo)logische und geophysikalische Daten des STE Online Observatory dienen der Erstellung numerischer Modelle, die Grundwasserströmung und Salztransport abbilden. Die Kenntnis der Verteilung von Wasserkörpern und -grenzflächen, Fließgeschwindigkeiten, Aufenthaltszeiten und des Ausmaßes der Mischung im Untergrund bildet die Grundlage für die biogeochemischen Untersuchungen in den Teilprojekten P2-P6.

Forschergruppe (FOR) 5094: Dynamik des tiefen Untergrundes von Hochenergiestränden, Teilprojekt: Reaktiver Stofftransport

Durch DynaDeep wird ein Verständnis der Funktionsweise und Relevanz des Land-Meer Übergangs im Untergrund von Hochenergiestränden gewonnen werden. Wir nehmen an, dass dieser einen hoch dynamischen Bioreaktor und einzigartiges mikrobiologisches Habitat darstellt und Netto-Stoffflüsse in Richtung Meer stark beeinflusst. Um dieses Ziel zu erreichen werden sechs Teilprojekte gemeinsam Felduntersuchungen und experimentelle Arbeiten durchführen und diese mit mathematischen Modellen integrativ kombinieren. Die reaktiven Stofftransportprozesse in subterranen Ästuaren (subterranean estuary, STE) sind bislang nur wenig unter Zuhilfenahme numerischer reaktiver Transportmodellierung untersucht worden. In der Grundwasserforschung ist die reaktive Transportmodellierung ein unverzichtbares Werkzeug geworden, um die gekoppelten, nicht-linearen, und meist nicht intuitiv nachvollziehbaren hydrodynamischen und biogeochemischen Prozesse im Untergrund aufzulösen und zu quantifizieren. In Bezug auf den in DynaDeep postulierten hochdynamischen Bioreaktor ist die reaktive Stofftransportmodellierung eine Herausforderung, aber eben auch ein sehr vielversprechender Weg die verzahnten Prozesse unter Hochenergiestränden aufzulösen. Das hier vorgestellte Teilprojekt P6 soll die Forschungsgruppe in ihrer Aufgabe unterstützten die komplexen Zusammenhänge im STE unter dem Einfluss der extrem instationären Randbedingungen zu verstehen. Dafür werden in enger Zusammenarbeit und im ständigen Feedback mit den Projektpartnern (P1-P5) reaktive Transportmodelle entwickelt, welche die untersuchten Einzelprozesse und Effekte in den Laborversuchen, als auch das Verhalten des Gesamtsystems am Feldstandort so gut wie möglich wiedergeben können. Mit dem resultierenden Feldstandort-Modell werden die Effekte der Einzelprozesse auf das Gesamtsystem, als auch die Stoffflüsse in den Bioreaktor hinein und aus ihm heraus quantifiziert. In Zusammenarbeit mit Teilprojekt P1 soll das Modell dann in Hinblick auf DynaDeep Phase 2 für ein weites Spektrum möglicher und für Hochenergiestrände repräsentativer Standortbedingungen angewendet werden.

Forschergruppe (FOR) 5094: Dynamik des tiefen Untergrundes von Hochenergiestränden, Teilprojekt Mikrobielle Gemeinschaften: Diversität und metabolische Funktion

Durch DynaDeep wird ein Verständnis der Funktionsweise und Relevanz des Land-Meer Übergangs im Untergrund von Hochenergiestränden gewonnen werden. Wir nehmen an, dass dieser einen hoch dynamischen Bioreaktor und einzigartiges mikrobiologisches Habitat darstellt und Netto-Stoffflüsse in Richtung Meer stark beeinflusst. Um dieses Ziel zu erreichen werden sechs Teilprojekte gemeinsam Felduntersuchungen und experimentelle Arbeiten durchführen und diese mit mathematischen Modellen integrativ kombinieren. In Teilprojekt P5 werden Veränderungen in der Zusammensetzung von mikrobiellen Gemeinschaften und deren metabolische Antwort auf die dynamischen Änderungen in der Verfügbarkeit von Elektronenakzeptoren und der Qualität von Elektronendonoren im Untergrund von Hochenergiestränden untersucht. Dabei werden die Hypothesen getestet, dass diese sich dynamisch ändernden Umweltbedingungen zu (a) hochangepassten mikrobiellen Gemeinschaften führen, die sich aus Generalisten zusammensetzen, und (b) eine Stoffwechselreaktion induzieren, die sich in ihrem Metatranskriptom widerspiegelt. Während der gemeinsamen Feldkampagnen wird P5 die Zusammensetzung von mikrobiellen Gemeinschaften anhand von 16S-rRNA-Genen und -Transkripten in Sedimenten und Porenwässern bestimmen. An ausgewählten Sedimenthorizonten werden zudem hochauflösende Metagenom- und Metatranskriptomanalysen durchgeführt. Die metabolische Reaktion auf sich ändernde Umweltbedingungen und die daraus resultierenden biogeochemischen Transformationen wird in kontrollierten Laborexperimenten verfolgt. Alle mikrobiologischen Ergebnisse von P5 werden mit den jeweiligen geochemischen Parametern korreliert, um die Kopplung mikrobieller Transformationen an die DOM-Zusammensetzung (Teilprojekt P3) sowie die Umwandlung und Fraktionierung redox-sensitiver Elemente aufzudecken (Teilprojekte P2 und P4). Informationen zu mikrobiellen Verteilungsmustern und ihrem metabolischen Netzwerk werden dazu beitragen, entsprechende Modelle für den Untergrund von Hochenergiestränden zu kalibrieren (Teilprojekte P1 und P6).

Änderungsgenehmigung gem. § 16 BImSchG: Erweiterung einer Biogasanlage in Neudorf

Vollzug der Immissionsschutzgesetze; Biogasanlage: Reinhard Stradtner, Neudorf 8, 90599 Dietenhofen Standort: Flur-Nr. 156, Gemarkung Neudorf; Antrag auf immissionsschutzrechtliche Änderungsgenehmigung für die Erweiterung der bestehenden Biogasanlage um ein fünftes BHKW (1.562 kWel bzw. 3.608 kWFWL), einen Wärmepufferspeicher und Nachrüstung von Doppelmembran-Tragluftfoliendächer Herr Reinhard Stradtner hat eine immissionsschutzrechtliche Genehmigung nach § 16 i. V. m. §§ 4 und 19 des Bundesimmissionsschutzgesetzes (BImSchG) für die wesentliche Änderung der bestehenden Biogasanlage in der Gemarkung Neudorf, Flur-Nr. 156 beantragt. Antragsgegenstand: Errichtung und Betrieb: - BHKW 5 mit einer Feuerungswärmeleistung von 3.608 kW - Schallschutzcontainer, Gasaufbereitungsanlage und SCR-Katalysator für das BHKW 5 - Doppelmembran-Tragluftfoliendächer auf Fermenter 1 u. 2, Nachfermenter 1 u. 2, Gär-restelager - Warmwasserpufferspeicher mit einem Fassungsvermögen von 1.500 m³ - Bildung eines Betriebsbereichs der unteren Klasse gemäß StörfallVO Erhöhung: - Biogasspeicherkapazität auf 13.931 m³ bzw. 18.110 kg - Feuerungswärmeleistung von 4.247 kWFWL auf 7.855 kWFWL

Bau und Betrieb einer Biogasanlage zur gemeinsamen Vergärung von Wirtschaftsdüngern mit anschließender Aufbereitung zu Biomethan

Das Verbundvorhaben zwischen der Bioenergy Concept GmbH und des CC4E der HAW Hamburg hat zum Ziel, eine innovative Modell- und Demonstrationsanlage im Landkreis Lüneburg zu realisieren, die Wirtschaftsdünger von mehreren Landwirtschaftsbetrieben zentral zu Biogas vergärt und weiter zu Biomethan aufbereitet. Die hierfür nötige Prozesswärme wird durch den Betrieb einer Pyrolyse erzeugt. Der Einsatz ligninhaltiger Reststoffen und die Produktion von Biokohle stellen ein nachhaltiges und ökologisch zukunftsfähiges Verfahren dar. Das produzierte Biomethan soll primär im Verkehrssektor eingesetzt werden. Als potentieller Hauptabnehmer hat der Landkreis Lüneburg bereits sein Interesse bekundet, das Biomethan in der vom Landkreis betriebenen Elbfähre Bleckede - Neu Darchau und zukünftig auch im ÖPNV zu nutzen. Die als Nebenprodukt pyrolytisch erzeugte Biokohle soll zur Tierfütterung und zur Stabilisierung der Prozessbiologie im Fermenter eingesetzt werden. Sie trägt so zur Aufwertung der Gärreste und zum Humusaufbau der landwirtschaftlichen Flächen bei. Das Ziel der wissenschaftlichen Begleitung seitens der HAW ist es, die Akzeptanz zur Vergärung von Wirtschaftsdüngern zu untersuchen und ggfs. zu stärken. Für die Grundlage des dafür angestrebten Wissenstransfers in alle beteiligten Gruppen soll eine umfangreiche Ausarbeitung bestehender Forschungsergebnisse dienen. Zusätzlich wird mittels Nährstoffanalysen von Edukten und Produkten ein praxisspezifischer Kenntnisstand geschaffen, insbesondere der durch Gärung bedingten, veränderten Düngeeigenschaften von Wirtschaftsdünger. Ferner soll ein allgemeiner Leitfaden zur energetisch-stofflichen Nutzung von Wirtschaftsdüngern in Biogasanlagen geschaffen werden. Eine Bilanzierung von Treibhausgasemissionen der Demonstrationsanlage bilden die Grundlage für mögliche Erweiterungen. Das Verbundvorhabens ist auf drei Jahre vom 07/2023 - 6/2026 ausgelegt und hat ein angestrebtes Fördervolumen von 1,38 Mio €.

Multi Skalen Modellierung von Abtragprozessen bei Biofilmen mit einem poroviskoelastischen Modell

Das Biofilmwachstum in Biofilmreaktoren wird hauptsächlich durch den Abtragprozess reguliert. Den Abtragprozess zu kontrollieren ist daher ein wichtiges Anliegen für den stabilen Betrieb eines Bioreaktors. Zur Kontrolle des Reaktors und um die größte Effizienz zu erreichen sind mathematische (bzw. numerische) Modelle, die den Abtragsprozess darstellen, hilfreich. Solche Modelle können möglicherweise sogar für den Entwurf von Biofilmreaktoren nützlich zu sein. In diesem Projekt soll ein multidimensionales, poroviskoleastisches Biofilm Modell entwickelt werden, das den Abtragsprozess abbildet. Dabei soll auch der Abtrag durch das Auslösen von größeren Stücken ('sloughing'), das durch die Schubspannungen an der Biofilm Grenzfläche und durch das Spannungsfeld im Biofilm entsteht, erfasst werden. Das Modell für den Abtrag soll basierend auf den Schubspannungen an der Grenzfläche und dem Spannungsfeld im Biofilm formuliert werden. Das Modell wird mit experimentellen Beobachtungen kalibriert und validiert. Biofilm Modelle, die für Reaktoren verwendet werden, sind in der Regel eindimensional (1D). Aus diesem Grund soll in diesem Projekt mittels Modellrechnungen mit dem validierten multi-dimensionalen Abtragmodell ein vereinfachtes ('upscaled') 1D Modell entwickelt werden.

Mikrobiell katalysierte Elektrosynthese von Bernsteinsäure, Teilvorhaben 1: Technische Auslegung des Reaktorsystems

Ziel ist die stoffliche Nutzung elektrischer Energie zur mikrobiellen Produktion des Kunststoffmonomers Bernsteinsäure. Hierbei wird der innovative Ansatz der mikrobiellen Elektrosynthese verfolgt. Elektrische Energie wird in den Mikroorganismus Actinobacillus succinogenes transferiert, der zugleich nachwachsende Rohstoffe zur Synthese der Katalysatoren und des Produkts nutzt. Die zusätzlichen Redoxäquivalente (NADH) durch die Aufnahme von Elektronen bewirken eine Veränderung der Stoffwechselproduktzusammensetzung in Richtung zur Bernsteinsäure. Das Konzept erlaubt die Umwandlung elektrischer Energie in komplexe Produkte unter Einsatz des selbstreplizierenden Ganzzellkatalysators unter sehr milden Reaktionsbedingungen (T kleiner als 40 Grad C, pH 7, wässriges Lösungsmittel). Zusätzlich sind die Anforderungen an die Elektroden und die Reinheit der flüssigen Phase bei einer mikrobiellen Elektrosynthese gering und somit der Prozess kostengünstig. Die Technologie der mikrobiellen Elektrosynthese konnte durch die Antragssteller bereits für die Produktion von Butanol etabliert und mehrfach publiziert werden. Im angestrebten Projekt soll ein neues, wirtschaftlich relevantes Bioproduktionsverfahren etabliert und der technologische Reifegrad des Verfahrens erhöht werden. Der Transfer der Power2X-Technologie wird zunächst ein kleinen Reaktionsgefäßen durchgeführt und im Anschluss auf einen technischen Bioreaktor überführt. Hierbei werden Betrachtungen zur Skalierbarkeit durchgeführt. Zielsetzung des TV 1 ist die technische Etablierung des neuen Reaktorsystems. Dies insbesondere durch Überarbeitung eines Bioreaktors für den Einsatz mit Elektroden unter besonderer Berücksichtigung von Korrosion im Reaktorraum. Neben den konstruktiven Ansätzen umfasst dies die Erschaffung und Charakterisierung neuer Elektodenoberflächen aus elektrisch leitfähigen, biokompatiblen Hydrogelen. Zugrundeliegende Stoffstrombilanzen werden in ein Modell überführt, um Signifikanzanalysen durchzuführen.

Entwicklung eines modularen Konzeptes zum Aufbau von Biogasreaktoren

Es sind eine Reihe von anaeroben Prozessen bekannt, die alle mehr oder weniger stark den Aspekt der Behandlung bzw. Entsorgung fester, pastoeser oder fluessiger Abfaelle in den Vordergrund stellen. Das Spektrum der Anlagengroesse reicht von Kleinanlagen fuer die Guelleverwertung bis zu grosstechnischen Anlagen. Allen Aufbauprinzipien gemeinsam ist die Tatsache, dass die Anlagengroesse nur schwierig an Rahmenbedingungen wie Groesse der zu entsorgenden Gebietskoerperschaft oder Ergiebigkeit der Substratquelle angepasst werden kann; up-scaling (oder auch down-scaling) erfordert immer Entwicklungstaetigkeit. Dadurch sind Anlagen entweder nicht voll ausnutzbar oder andere Anlagen muessen vorgehalten werden, um Ent- oder Versorgungssicherheit zu gewaehrleisten. Unter Umstaenden muessen lange Transportwege akzeptiert werden. Diese Probleme wirken sich negativ auf die Wirtschaftlichkeit des Einsatzes der Verfahren aus. Daher wird oft auf die Gewinnung von Biogas verzichtet, obwohl die Rahmenbedingungen gut waeren. Dies bedeutet, dass eine wichtige Quelle regenerativer Energie praktisch nicht genutzt wird. Ziel dieses Projektes ist die Entwicklung eines modularen Konzeptes fuer Anaerobreaktoren, das eine Anpassung der Anlagengroesse ohne besondere Entwicklungstaetigkeit erlaubt. Dazu bedarf es der Entwicklung kleiner Reaktoren, die einfach aufzubauen und preiswert herzustellen sind, die dennoch stabil arbeiten und keine aufwendige Regelungstechnik brauchen. Beabsichtigtes Einsatzfeld fuer die Reaktoren ist dabei nicht nur die Behandlung und Entsorgung von Abfaellen, die gleichwohl mit den entwickelten Komponenten moeglich sein sollte, sondern vor allem die Bereitstellung nachhaltiger Energiequellen. Fernziel der Arbeiten des Labors fuer Umwelttechnik der MFH in dieser Richtung ist die Kombination von Anaerobprozessen mit der Biomassegewinnung durch Algen, d.h. direkte Biogasgewinnung aus Solarenergie und CO2-Recycling.

Semimobiles, emissionsarmes Biogassystem für landwirtschaftliche Kleinbetriebe

Im Forschungsprojekt werden semi-mobile Boxenfermenter zur Verwertung von Hühnermist entwickelt. Die Fermenter sollen bei mehreren landwirtschaftlichen Höfen befüllt werden und dann an einem zentralen Standort zur Biogaserzeugung gefahren werden. Dort wird ein zentrales BHKW mit dem erzeugten Biogas betrieben. Entscheidend ist das die Container gleichzeitig als Transport und als Fermentationsbehältnis dienen, sodass die Investitionskosten gesenkt werden können. Aufgrund des geringen Mistanfalls bei Hühnern, ist der alleinige Betrieb mit Wirtschaftsdünger schwierig. Ermöglicht werden soll dies über Befüllung mithilfe einer gasdichten Schleuse. Durch die Schleuse kann der Fermenter über mehrere Tage oder Wochen gefüllt werden ohne die bestehenden Probleme der Emissionen bei Öffnung der Anlage. Somit werden Geruchs-, H2S- und Methanfreisetzungen minimiert. Außerdem sollen dadurch auch kleinere landwirtschaftliche Betriebe in die Biogasproduktion inkludiert werden, da die geringere Wirtschaftsdünger-Produktionsrate über eine längere Befüllzeit ausgeglichen werden kann. Durch die Nutzung des Wirtschaftsdüngers in Biogasanlagen kann eine erhebliche Reduzierung des in der Landwirtschaft freigesetzten klimaschädlichen Methanausstoßes erreicht werden. Um eine möglichst konstante Gaserzeugung zu erreichen, werden die Fermenter an mehreren Höfen befüllt und zeitversetzt abgeholt. Am Standort des BHKW wird der Fermenter an das System angeschlossen. Dort wird das Substrat mit Perkolat beregnet um die Gasproduktion anzutreiben. In der Zwischenzeit wird am jeweiligen Bauernhof ein neuer Fermenter befüllt. Nach Ende der Gasproduktionszeit wird der Fermenter wieder zum Bauernhof gefahren und dort ausgetauscht. Der Gärrest aus dem Fermenter kann dann entnommen und auf die Felder gebracht werden.

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