Möglichkeiten zur Nutzung der Abwärme von landwirtschaftlichen Biogasanlagen

Diplomarbeit von Thomas Lube

Einleitung:

Aufgrund der zu Neige gehenden fossilen Energieträger und dem durch den Treibhauseffekt entstehenden Klimawandel werden in den letzten Jahren verstärkt die erneuerbaren Energien gefördert. Hierzu zählt auch Biogas, das in der Landwirtschaft durch Gülle und nachwachsende Rohstoffe gewonnen werden kann. Bei der Verbrennung von Biogas in BHKWs wird elektrische Energie erzeugt, die nach dem EEG vergütet wird.

Zusätzlich zur elektrischen Energie entsteht bei der Verbrennung im BHKW thermische Energie, die teilweise für den Biogasprozess benötigt wird, jedoch zum größten Teil verfügbar ist. Um das Energiepotential der Abwärme aus einer Biogasanlage zu ermitteln, wird zunächst eine Wärmeenergiebilanz für eine Beispielanlage erstellt. Bisher wird diese thermische Energie meistens nur in Form von Nahwärme genutzt, sofern sich ein Wärmeverbraucher in der Nähe der Biogasanlage befindet und die Wärmeenergie somit verkauft werden kann.

Da sich in der Nähe einer Biogasanlage oftmals kein Wärmeverbraucher findet, kann die thermische Energie allerdings in den meisten Fällen nicht genutzt werden, deshalb sollen neue Möglichkeiten zur Abwärmenutzung von Biogasanlagen gefunden werden.

Zunächst werden theoretisch denkbare Möglichkeiten zur Abwärmenutzung ausgewählt. Die thermische Energie soll durch Umwandlung in Form von Mobiler-Heizwärme, Kaltwassererzeugung, Dampferzeugung oder Stromerzeugung eine Alternative zur bisherigen Abwärmenutzung bieten. Daraufhin wurden folgende Systeme dargestellt:

Mobiler Latentwärmespeicher.

Absorptionskälteanlage.

Adsorptionskälteanlage.

Dampferzeugung.

Stirling-Motor.

Dampfschraubenmotor.

Organischer Rankine Kreisprozess (ORC).

Die Funktionsweise der verschiedenen Systeme wird kurz erklärt und daraufhin auf die Möglichkeiten und Grenzen dieser Systeme hingewiesen.

Die Machbarkeit der theoretischen Möglichkeiten zur Abwärmenutzung wird anhand der Beispielbiogasanlage mit verschiedenen Anwendungsbeispielen berechnet und überprüft. Hierbei stellt sich heraus, dass nicht alle der theoretischen Möglichkeiten mit dem vorhandenen Abwärmepotential zu realisieren sind. Der Stirling-Motor kann mit dem vorhandenen Temperaturniveau der Abwärme nicht betrieben werden. Für den Dampfschraubenmotor und den ORC-Prozess steht keine ausreichende Wärmemenge zur Verfügung. Deshalb ist dort nur ein Betrieb in einem Biogaspark, in dem mehrere Biogasanlagen parallel betrieben werden, denkbar. Die anderen Systeme sind an der Beispielanlage technisch anwendbar.

Einige der realisierbaren Anlagen werden anhand der erdachten Anwendungsbeispiele auf die Wirtschaftlichkeit überprüft. Hierbei wird der Effizienzbonus, der bei der Kraft-Wärme-Kopplung anzurechnen ist, und die Energieeinsparung der Notkühlanlage mit berücksichtigt. Die Wirtschaftlichkeitsberechnungen der Anwendungsbeispiele zeigen, dass die Investitionen einiger Anlagen sinnvoll sein können.

Durch die Diskussion der Ergebnisse zur Machbarkeit und der Wirtschaftlichkeitsberechnungen stellt sich heraus, dass es einige gute und realisierbare Möglichkeiten zur Abwärmenutzung gibt. Die meisten Systeme stehen allerdings an der Schwelle zur Wirtschaftlichkeit und werden deshalb in der Praxis noch nicht sehr oft angewendet. Die steigenden Energiepreise und die technische Weiterentwicklung im Bereich Abwärme tragen jedoch zu einer weiteren Verbreitung bei.

Die gemachten Erfahrungen und der Ausblick zeigen eine positive Gesamtentwicklung auf. Es kommen zunehmend neue Systeme zur Abwärmenutzung auf den Markt und die Forschungs- und Entwicklungsarbeit geht weiter voran. Die bereits entwickelten Systeme werden weiter ausgereift und können so besser eingesetzt werden. Außerdem wird nach neuen und alternativen Möglichkeiten zur Biogasnutzung gesucht. Insgesamt wird Energie in Zukunft effektiver genutzt.

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