Char-doping for biogas plants - with biochar to higher gas yields

Scientist at the Leibniz Institute for Agricultural Engineering in Potsdam were able to show that the use of biochar offers an effective approach to increase the biogas yield and stabilize the biogas process. Ammonium inhibition which is frequently occurring in biogas plants can be reduced with biochar. Biochar results from thermochemical treatment of biomass. It can be produced from the fermentation residues of biogas plants in a way that the energy yield can be increased. The results have just been published in the prestigious journal "Bioresource Technology".      

Biogas ist ein wichtiges Element für den Energie-Mix der Zukunft: Es kann je nach Bedarf und Nachfrage in Strom und Wärme umgewandelt werden und nach entsprechender Aufbereitung als Biomethan ins Erdgasnetz eingespeist werden. Um die Erzeugung von Biogas weiter ausbauen und kostengünstig halten zu können, sind Lösungen gefragt, die es ermöglichen, den Wirkungsgrad der Biogasanlagen zu steigern und bisher kaum genutzte Abfälle einzusetzen. Hierzu zählen stickstoffreiche Abfälle wie Geflügelmist. Aus organischem Stickstoff entsteht bei der Vergärung Ammonium, das die Mikroflora im Fermenter empfindlich stören kann. Je höher der Ammonium-Gehalt, desto langsamer verläuft die Biogasbildung und desto geringer ist die Ausbeute. Die sogenannte Ammonium-Hemmung gehört zu den verbreitetsten Problemen bei der Biogaserzeugung. 

Wissenschaftler am Leibniz-Institut für Agrartechnik in Potsdam setzen bei ihrem Lösungsansatz auf Biokohle, ein kohlenstoff- und oberflächenreiches Material, das ähnlich der Holzkohle bei der Verschwelung von Biomasse entsteht und aus Gärresten der Biogasanlage selbst hergestellt werden kann. Aufgrund ihrer hohen biologischen Stabilität und großen Aufnahmefähigkeit für Wasser und Nährstoffe wird Biokohle insbesondere als Hilfsstoff zur Verbesserung von wenig fruchtbaren Böden und zur dauerhaften Bindung von Kohlenstoff (C-Sequestrierung) betrachtet. Aufgrund ihrer besonderen Eigenschaften ist Biokohle aber auch für eine Reihe weiterer Anwendungen interessant, wie die Reinigung von Abwässern oder die Katalyse biologischer oder chemischer Prozesse.     

In ihrem in der renommierten Fachzeitschrift „Bioresource Technology“ erschienenen Artikel berichten die Potsdamer Wissenschaftler über den Einsatz von Biokohle im Biogasprozess. Demnach kann der Einsatz von Biokohle eine beginnende Ammonium-Hemmung unterbinden und darüber hinaus die Struktur der Mikroflora positiv beeinflussen. Die Ergebnisse zeigen einen erhöhten Anteil methanbildender Mikroorganismen nach der Zugabe von Biokohle. Biokohle kann zudem als direkte Nahrungsquelle für die Mikroorganismen dienen, wodurch der Ertrag an Biogas steigt. 

Ausgangsmaterial für die Herstellung der Biokohlen im Versuch war zum einen Gärrest, zum anderen eine Abfallmischung aus Papiermühlenschlamm und Weizenspreu. Der feuchte Gärrest wurde durch hydrothermale Karbonisierung behandelt, die Abfallmischung mittels Pyrolyse zu Biokohle gewandelt. In Laborversuchen wurden die so erzeugten Biokohletypen bei unterschiedlichen Ammonium-Konzentrationen auf ihre Wirkung getestet. Dabei zeigte sich jedoch auch, dass mit steigender Ammoniumkonzentration die positive Wirkung der Biokohle abnimmt und ihre Wirkung bisher nicht an die von Zeolith, einem mineralischen Material mit hohem Bindungsvermögen für Ammonium, heranreicht. Bei Ammoniumkonzentration von 3,1 - 6,6 g N je kg Reaktorinhalt zeigten die Biokohlen keine Wirkung mehr, während Zeolithe bei 6,6 g N je kg noch bis zu 20 % der Hemmung aufheben konnten. Da die getesteten Biokohlen aber nicht gezielt für den Einsatz in Biogasanlagen entwickelt wurden, ist hier noch ein erhebliches Optimierungspotenzial zu erwarten.

Insbesondere Biokohlen, die mittels hydrothermaler Karbonisierung, einer milden und dadurch energieeffizienten Form der Biokohleerzeugung, hergestellt wurden, sind für den Einsatz in Biogasanlagen geeignet. Der HTC-Prozess findet im Wasser statt und bietet daher passende Bedingungen für die Verkohlung des feuchten Gärrests. Im kombinierten Verfahren Biogas-Biokohle kann das während der hydrothermalen Karbonisierung anfallende Prozesswasser als gut vergärbare Biomasse in den Biogasfermenter eingespeist und die Biokohle als Aufwuchsträger und zusätzliche Nahrung für die Mikroorgansimen genutzt werden. Im Gesamteffekt lässt sich dadurch der Biogasertrag vor allem aus schwer abbaubaren Biomassen wie Stroh deutlich - bis auf das Doppelte - steigern. 

„Biokohle kann genau dort wirken, wo die Biogaserzeugung an ihre Grenzen stößt: Beim Einsatz stickstoffreicher Biomassen, zur Erhöhung der Ausbeute aus schwer aufschließbaren Biomassen, zur Minderung von Stickstoffemissionen aus Gärresten und für die Versorgung des Bodens mit stabilem Kohlenstoff“, fasst Dr. Jan Mumme, Leiter des Projekts APECS am ATB, die in Aussicht stehenden positiven Effekte zusammen. „Aktuell arbeiten wir daran, die Biokohle noch wirkungsvoller in den Biogasprozess zu integrieren. Beispielsweise haben wir einen neuen Typ Biogasreaktor entwickelt und zum Patent angemeldet, der getrennte Bereiche für Biomasse und Biokohle aufweist. Unser Ziel ist es, das Gesamtverfahren zusammen mit Partnern aus Industrie und Landwirtschaft in die Pilot- und Demonstrationsphase zu bringen.“ 

Maja Werner, Doktorandin bei APECS, und Franziska Srocke, die derzeit an der kanadischen McGill University im Rahmen ihrer Promotion darüber forscht, wie Biokohle dazu beitragen kann, organische Schadstoffe in Böden schneller abzubauen, ergänzen die Positivliste: „Unsere Ergebnisse lassen vermuten, dass Biokohlen auch als Träger für nützliche Mikroorganismen Anwendung finden können, um diese gezielt zum Beispiel in Biogasanlagen oder auch zur Sanierung schadstoffbelasteter Böden einzusetzen.“ 

Die Projektgruppe „APECS - Anaerobic Pathways to Renewable Energies and Carbon Sinks“ wird seit 2009 vom BMBF im Rahmen von „Bioenergie 2021“ für die Dauer von fünf Jahren gefördert.

Literatur:             
Mumme, J., Srocke, F., Heeg, K., Werner, M. (2014, im Druck): Use of biochars in anaerobic digestion. Bioresource Technology. (http://dx.doi.org/10.1016/j.biortech.2014.05.008)    

Wirth, B., Mumme, J. (2013): Anaerobic digestion of waste water from hydrothermal carbonization of corn silage. Applied Bioenergy. Band 1, Heft 1, ISSN (Online) 2300-3553, DOI: 10.2478/apbi-2013-0001, November 2013. 

Kontakt:      
Dr. Jan Mumme –  Leiter der Nachwuchsgruppe APECS
Helene Foltan  –  Presse- und Öffentlichkeitsarbeit 

Die Forschung des Leibniz-Instituts für Agrartechnik Potsdam-Bornim e.V. (ATB) zielt auf die ressourceneffiziente Nutzung biologischer Systeme zur Erzeugung von Lebensmitteln, Rohstoffen und Energie in Anpassung an Anforderungen von Klimaschutz und Klimawandel. Zu diesem Zweck entwickelt das ATB verfahrenstechnische Grundlagen für eine nachhaltige Landbewirtschaftung und stellt innovative technische Lösungen für Landwirtschaft und Industrie bereit. Eine Querschnittsaufgabe ist die Analyse und Bewertung des Technikeinsatzes entlang der Wertschöpfungskette. Die im Rahmen von Bioraffinerie- und Kaskadennutzungskonzepten entwickelten Technologien sind ein Beitrag zur Schaffung einer biobasierten Stoff- und Energiewirtschaft.