Gärreste aufbereiten

Mineraldünger aus der Biogasanlage

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Christian Dany
am Donnerstag, 11.11.2021 - 11:11

Michael Pellmeyer hat für seine Abfall-Biogasanlage in eine hoch effiziente Vakuumverdampfungsanlage investiert. Damit lassen sich die Gärreste drastisch reduzieren und stattdessen handelbarer Mineraldünger erzeugen.

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Lagervolumen einzusparen war für mich die Hauptmotivation, die Gärrestverdampfungsanlage zu bauen“, sagt Michael Pellmeyer. Das sollte gelingen durch eine Aufkonzentration und Vermarktung der Nährstoffe, vor allem des ASL-Düngers (Ammoniumsulfatlösung). Der 34-Jährige prognostiziert mittelfristig einen Verkaufspreis von 40 Euro netto pro Tonne ASL. „Das Geschäft läuft erst langsam an“, räumt er allerdings ein. Vor Kurzem habe er einen ganzen Lastzug an einen Großhändler verkaufen können. „Die ASL aus dem Gärrest-Verdampfungsprozess besteht zu sieben Prozent aus Ammonium-Stickstoff und zu sieben Prozent aus Schwefel. Sie ist ein klassisches Substitut für Mineraldünger. Wichtig ist für mich, dass Schwefel dabei ist. Das spielt eine immer größere Rolle“, beschreibt er die wichtigsten Vermarktungsparameter.

Mit der Verdampfungsanlage behandelt Pellmeyer den Gärrest seiner Abfall-Biogasanlage, die nicht nur mit Gülle, Mist und Futterabraum aus der Milchviehhaltung am Hof, sondern auch mit Speiseresten aus der Gastronomie, Fettabscheiderinhalten und Milchschlämmen gefüttert wird. Pellmeyers Vater Josef, Biogaspionier und lange Jahre Präsident des Fachverbands, hat die Abfallanlage im Jahr 1996 gebaut.

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Mittlerweile sind vier BHKW angeschlossen mit einer installierten Leistung von insgesamt 1140 kWel. Die Pellmeyers sind auf dem Eggertshof daheim; einem 600 Jahre alten Anwesen, das 3 km von der Dom- und Universitätsstadt Freising in Oberbayern entfernt liegt. 2018 hat Michael den Landwirtschafts- und Biogasbetrieb übernommen und im gleichen Jahr ist die Gärrestveredelungsanlage gebaut worden.

Michael Köhnlechner vom Anlagenhersteller MKR Metzger aus Bayerisch-Schwaben erläutert die Technologie der dreistufigen Vakuumverdampfungsanlage auf Pellmeyers Hof. Sie arbeite mit einem Wärme-Input von 500 bis 600 kW. „Für die Verdampfung wird die separierte Flüssigphase des Gärrests eingesetzt“, erklärt der Biotechnologe den Verfahrensablauf. „Die Partikelgröße muss unter 0,25 mm sein. Deshalb verwenden wir eine Pressschnecke mit nachgeschaltetem Mikroseparator.“ Die Wärme vom BHKW werde der ersten Stufe zugeführt, der Flüssig-Gärrest und die Schwefelsäure jeder der drei Stufen direkt. Jede Stufe bestehe aus Verdampfer, Brüdenwäscher und Kondensator.

Niedrige Temperatur dank Unterdruck

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„Im Verdampfer wird ein Unterdruck von 150 bis 250 Millibar erzeugt. Dadurch kocht das Wasser bei 50 bis 60 Grad Celsius“, erklärt Köhnlechner die Funktionsweise, „Gase werden aus der Flüssigphase ausgetrieben und es entsteht ein Dampf-Gasgemisch. Weil wir auf diesem Temperaturniveau arbeiten, kann die BHKW-Abwärme genutzt werden. Der Verdampfer passt sich automatisch der verfügbaren Wärme an und arbeitet von 65 °C bis zur Volllast bei 85 °C hoch flexibel.“

Dann zeigt er auf die etwas schmäleren Kunststoffzylinder: „Das sind die Brüdenwäscher. Hier wird der Stickstoff vom Wasserdampf abgeschieden.“ Durch die Reaktion mit Schwefelsäure werde das Ammoniakgas in gelöstes Ammoniumsulfat umgewandelt. Über den Kondensator beheizt der Wasserdampf dann die nächste Verdampferstufe. Im Kondensator wird jeweils das aus dem Dampf entstehende Destillat abgeschieden.

pH-Wert-Anhebung ohne Chemie

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„Von Stufe zu Stufe ergibt sich ein leichter Temperaturverlust, was zu weniger Vakuum und weniger Verdampfungsleistung führt“, erklärt der Vertriebsmitarbeiter. Je Stufe befände sich nur circa 1 m³ Gärrest im System, das dadurch beweglicher sei. „Durch einen verfahrenstechnischen Kniff und ohne Chemie schafft die Anlage eine pH-Wert-Anhebung“, lächelt Köhnlechner. Näheres lässt er sich nicht entlocken. Mit einem pH-Wert zwischen 5,5 und 6,5 sei die ASL somit pflanzenverträglich und könne direkt, ohne beigemischt werden zu müssen, ausgebracht werden.

Die Jahre der Entwicklung hätten auch für das Unternehmen aus der Industrie-Verfahrenstechnik eine Lernkurve bedeutet: „Deshalb verwenden wir heute für alle Komponenten, die mit ASL und Schwefelsäure in Berührung kommen, spezielle Kunststoffe. Die sind beständiger als Edelstahl und 100 Prozent korrosionsfrei. Außerdem legen wir Wert auf eine übersichtliche Verrohrung und gute Zugänglichkeit. Deswegen bieten wir keine Containerlösungen an“, schildert Köhnlechner die wichtigsten Vorteile der MKR-Technik.

Die Anlagen seien so aufgebaut, dass Schwefelsäure und Gärrest nicht vermischt werden: „So vermeiden wir Schäden am Beton von Lagerbehältern durch angesäuerten Gärrest. Außerdem setzen wir zur Reinigung keine Bürstensysteme im Gärrest ein, wodurch wir deutlich weniger Wartungsaufwand haben.“ Köhnlechner: „Alles, was sich bewegt, kann kaputt gehen. Stattdessen werden regelmäßig automatische Spülungen durchgeführt: Nacheinander saure und alkalische Spülungen entfernen selbst feinste organische und mineralische Ablagerungen, die mit Bürsten nicht erfasst werden würden.“

Effizienz und Stoffstrombilanz

Die Effizienz der Anlage werde als Destillatleistung gemessen: „Dank mehrstufigem System und gutem Wärmeübergang durch die zweite Fest/Flüssig-Separationsstufe erreichen wir Spitzenwerte bei der Energieeffizienz“, versichert Köhnlechner.

Mit 1 kWh Wärme erzeuge die dreistufige Anlage 3,5 l Wasser. Die vierstufige Anlage schaffe bis zu 4,3 l. Schließlich bilanziert er die Stoffströme: „Die Anlage auf Pellmeyers Betrieb ist auf eine Jahresmenge von 20 000 bis 30 000 m³ Flüssig-Gärrest ausgelegt. Aus dem Verdampfungsprozess entstehen 3 % ASL, circa 57 % als Destillat abgeschiedenes Wasser und etwa 40 % Konzentrat. Die genauen Anteile sind vom Stickstoff- und Trockensubstanz-Gehalt im Gärrest abhängig.“
„Das Wasser wird zum Teil durch einen Verdunstungskühler verdampft. Bei dem dreistufigen Aufbau schafft es der Verdunstungskühler, mit der Restwärme aus dem Verdampfungsprozess rund ein Drittel des Wassers zu verdampfen“, erläutert Köhnlechner.
Einstufige Anlagen könnten zwar theoretisch das gesamte Wasser verdampfen, seien aber mit einer Destillatleistung von nur rund 1,5 l/kWhth weit weniger effizient. Der Rest des Wassers stehe anderweitig zur Verfügung, wie Beregnung oder Reinigung und könne unter günstigen Bedingungen auch für die Einleitung in Vorfluter oder kommunale Abwasserkanalisationen geeignet sein.
„Bei der Einleitung in Oberflächengewässer verlangen die Behörden in der Regel eine Sicherheitsstufe durch eine biologische Nachklärung“, so Köhnlechner. „Soll in die Kanalisation eingeleitet werden, geht es hauptsächlich um die Abstimmung des Volumenstroms mit der Kapazität der angeschlossenen Kläranlage.“
Für eine dreistufige Verdampfungsanlage in der Größe von der auf Pellmeyers Betrieb müsse Köhnlechner zufolge eine Investition von rund 800 000 Euro veranschlagt werden. Hinzu kommt die Peripherie: Fest/Flüssig-Separation, ein 15 m³ großer Lagertank für die Schwefelsäure, fünf ASL-Tanks á 55 m³, der Verdunstungskühler und das Betriebsgebäude. Da in manchen Fällen der Gärrest zum Schäumen neige, wird Rapsöl eingesetzt, was bei den Betriebskosten einzukalkulieren sei.

Rund 60 Prozent Mengenreduktion

Das Konzentrat, also der „eingedickte“ Gärrest mit Trockensubstanz-Gehalten von meist zwischen 4 und 8 %, wird ins Gärrestlager gepumpt. Für die Lagerung und Ausbringung des Gärrestes ist also eine Mengenreduktion von rund 60 % zu erreichen. Die Anlage laufe kontinuierlich und verbrauche dabei 25 bis 30 kW Strom.
„Die Wirtschaftlichkeit einer Gärrest-Verdampfungsanlage hängt von der Nährstoffproblematik und den Ausbringkosten ab. Beim Verdampfungsprozess ist mit Aufbereitungskosten von 10 bis 15 Euro pro Kubikmeter reduzierter Menge zu rechnen“, umreißt er die entscheidenden Parameter, „deshalb ist bei Abfallanlagen ohne eigene Ausbringflächen, die ein Gärrest-Verbringungskonzept brauchen, sehr oft die Rentabilität gegeben.“