Biomasse

Ultraschall – Intensivierter Abbau von Biomasse für Biogasanlagen

10.01.12 | Autor / Redakteur: Gunnar Klingspor* und Jürgen Sörensen* / Marc Platthaus

Abb. 1: Funktion des Ultrawaves-Ultraschallsystems (Bild: Ultrawaves)
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Abb. 1: Funktion des Ultrawaves-Ultraschallsystems (Bild: Ultrawaves)

Die Erzeugung von Biogas aus Biomasse ist technischen Grenzen unterworfen. Durch Ultraschall-Anwendung kann das Substrat wirksam aufgeschlossen und die Effizienz von Biogasprozessen auf Biogasanlagen und kommunalen Kläranlagen deutlich gesteigert werden.

Die konventionelle Energieerzeugung aus fossilen Rohstoffen (Kohle, Erdgas) ist limitiert. Endliche Ressourcen und der massive Ausstoß von Klimagas (Kohlendioxid) bei der Produktion zeigen Grenzen auf. Der Fokus in Industrie und Forschung wird deshalb schon seit geraumer Zeit auf alternative Quellen und Syntheseverfahren gelegt. Neben der Produktion aus Wind, Wasser und Sonne ist die Energiegewinnung durch Vergärung (anaerobe Fermentation) von Biomasse zu Biogas auf Klär- und Biogasanlagen etabliert. Dabei wird das feuchte Substrat unter definierten Bedingungen (Temperatur, Sauerstoffabschluss) durch Mikroorganismen abgebaut und Biogas als Stoffwechselprodukt gebildet. Hauptkomponente und Energieträger ist Methan. Der Abbauprozess wird jedoch durch die geschwindigkeitsbestimmende Hydrolyse begrenzt. Zusätzlich liegt der Methan-Anteil im Biogas wegen der nicht uneingeschränkt zugänglichen Biomasse in der Praxis teilweise unter 50%. Aufgrund steigender Substratpreise sind besonders Biogasanlagen auf Erhöhung der Effizienz angewiesen, um auch langfristig wirtschaftlich betrieben werden zu können.

Desintegration – effiziente Ultraschalltechnik

Dieses Ziel verfolgt seit seiner Gründung 2001 die Firma Ultrawaves. Das Spin-off-Unternehmen der Technischen Universität Hamburg-Harburg (TUHH) hat eine Technologie entwickelt, um den biologischen Abbauprozess von Biomasse zu Biogas zu beschleunigen: der Hochleistungs-Ultraschall. Durch dessen Anwendung wird die partikuläre Biomasse aufgeschlossen (Desintegration) und somit für den anschließenden anaeroben Fermentationsprozess besser verfügbar gemacht (s. Abb. 2). Auf diese Weise wird der Abbau des organischen Materials intensiviert. Folglich kann durch Ultraschall-Desintegration die Hydrolyse unterstützt oder sogar gänzlich substituiert werden.

Eine erhöhte Biogasproduktion und die Steigerung der Methanausbeute sind Ergebnis vom verbesserten und erweiterten Abbau. Im Verhältnis zur eingesetzten Ultraschallenergie wird so in etwa das Zehnfache an elektrischer Energie aus der Verstromung des zusätzlich erzeugten Biogases gewonnen. Zusätzlich nimmt die Viskosität der Biomassesuspension durch die vom Ultraschall induzierte Feststoffgrößenreduktion ab. Damit sinkt der Energiebedarf für die Durchmischung der Substrate im Fermenter. Gleichzeitig führt die Effizienzsteigerung der Biogasanlage zu einer weiteren Verbesserung der Treibhausgasbilanz. Mithilfe der Ultraschalltechnik von Ultrawaves können daher sowohl Effektivität als auch Nachhaltigkeit der Gesamtanlage gesteigert werden.

Kavitation – wenn Blasen hochintensiv platzen

Ultraschall (Frequenzbereich > 20 kHz) ist die Umwandlung von elektrischer Energie in mechanische Schwingungen. Schallwellen bewirken eine periodische Kompression und Dehnung im wässrigen Medium. Wird Ultraschall mit ausreichend hoher akustischer Intensität (Intensität > 5 W/cm2) zur Beschallung einer Biomassesuspension eingesetzt, führt das zur Erzeugung von Kavitation: Während der Phase des Unterdrucks entstehen kleine gas- und wasserdampfgefüllte Blasen (s. Abb. 3), die in der nachfolgenden Druckphase implodieren. Dabei treten im Mikromaßstab lokal Drücke von bis zu 500 bar und Temperaturen von bis zu 5000 °C auf. Durch die Implosion werden schnelle lokale Strömungen erzeugt, so genannte Jet-Streams. Die auf diese Weise ausgelösten extremen mechanischen Scherkräfte führen zum wirkungsvollen Aufschluss der Biomasse.

Probebeschallungen im Labor – Grundlage für jede Praxis

Ultrawaves ist durch langjährige wissenschaftliche und praktische Erfahrung heute in der Lage, eine Prognose für die Effektivität seiner patentierten Ultraschalltechnologie für jeden Einzelfall zu erstellen. Grundlage dazu sind die spezifischen Ergebnisse, die durch Probebeschallungen im eigenen Labor erzielt werden.

So wird in der Praxis zunächst ein bestimmtes Probevolumen aus der jeweiligen Klär- oder Biogasanlage mit einem Labor-Ultraschallsystem (Leistungsaufnahme 1 kW, Frequenz 20 kHz) bei definiert gestaffelten Energieeinträgen beschallt. Die Freisetzung der organischen Zellinhaltsstoffe führt zum Anstieg des gelösten Chemischen Sauerstoffbedarfs (CSB). Nach Zentrifugieren (10 min bei 40 000 x g) der einzelnen Proben und anschließender Membranfiltration (0,45 μm) des Überstandes wird der gelöste CSB mittels Küvettentest in einem Photometer bestimmt. Über das Verhältnis der CSB-Freisetzung durch Ultraschallbehandlung zu der eines Referenzaufschlusses (NaOH-Aufschluss) wird der so genannte Aufschlussgrad ermittelt [1]. In mehr als zehnjährigen Studien an der TUHH wurde systematisch der Einfluss des Aufschlussgrades auf den Biogasmehrertrag bei der nachfolgenden anaeroben Vergärung verschiedener Biomassetypen untersucht. Aus diesen Ergebnissen kann man heute bereits mit einem einfachen Beschallungstest einer Biomasseprobe im Labor den zu erwartenden Biogasmehrertrag in der Großanlage prognostizieren [2].

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