Mehr Leistung durch Hochleistungsultraschalltechnik

In der Praxis erschweren die Substrate durch ihre Fasern und Zellwände den An-griff durch die Methanbakterien, sodass ein erheblicher Teil der Biomasse ungenutzt bleibt und als Rückstand zu Entsorgungsproblemen führen kann. Ungenutzte Organik, die wieder auf den Acker kommt. Bares Geld, das verschenkt wird. Es heißt also, nach Möglichkeiten zu suchen, durch die die Biomasse so aufgeschlossen wird, dass sie von Methanbakterien leichter und damit vollständiger zersetzt werden kann.

Eine Möglichkeit dafür besteht im thermischen Aufschluss. Wenn das Substrat weichgekocht wird, ist es vollständiger zersetzbar. Der Haken bei dieser Methode liegt im hohen Energieaufwand, der dieses Verfahren unrentabel macht.

Substrataufschluss mit Hochleistungsultraschall

Eine Möglichkeit, die seit 2008 in einer Reihe von Pionieranlagen ihren Weg in die Praxis gefunden hat, ist der Aufschluss durch Hochleistungsultraschall, der von stabförmigen Sonotroden ausgesendet wird und Druckwellen mit einer Frequenz von etwa 20 Kiloherz erzeugt. Dabei entstehen in raschem Wechsel Stellen von Unterdruck, in denen sich mikroskopisch kleine Dampfblasen bilden und Stellen von Überdruck von bis zu 500 bar.

Die Dampfblasen fallen mit sehr hoher Geschwindigkeit zusammen, wodurch sich große Scherkräfte aufbauen, die das vorhandene feste Material sehr feinteilig zerlegen. Das trifft nicht nur Fasern des Substrats, sondern auch Bakterien, die dadurch ihren Zellinhalt ausschütten. Auf diese Weise geraten Enzyme in die Lösung, die den Aufschluss des Materials beschleunigen. Durch das Zerlegen der Fasern mittels Hochleistungsultraschall wird den lebenden Bakterien wegen der bedeutend vergrößerten Oberfläche des Substrats ein vielfach verbesserter Zugang ermöglicht.

Energieeffizienzsteigerung bzw. 10 bis 15 % Substrateinsparung

In der Praxis hat sich gezeigt, dass sich nach Aufschluss mit Hochleistungsultraschall 10 bis 15 Prozent mehr Substrat in Biogas umwandeln lässt und dass dabei der Methangehalt um 1 bis 3 % Prozent steigt. Da viele Biogasanlagen in ihrer Leistung gedeckelt sind, kann dadurch auch Substrat eingespart werden.

Weiter vermindert der bessere Aufschluss auch den Anteil des Rückstandes. Das verbessert wiederum die Ökobilanz, da dadurch weniger Gärrest weckgefahren werden muss. Dieser Effekt wird bereits erreicht, wenn etwa ein Drittel bis zur Hälfte des gefütterten Substrats mit Hochleistungsultraschall behandelt wird.

Einfache Kompaktanlage mit interessanter Amortisationsdauer

Nachdem sich die Methode in der Praxis als effizient gezeigt hatte, suchten die Entwickler nach einem Weg, die Behandlungstechnik ohne großen Aufwand in Biogasanla-gen einzubinden. Das Ergebnis entstand im Rahmen eines Forschungsprojekts an der Technischen Universität Hamburg-Harburg (TUHH): der „Biosonator“, eine plug and play Lösung für Biogasanlagen.

2017 wurde die Anlagentechnik optimiert. Ziel war es, durch eine Neuentwicklung die Investitionskosten um 25 bis 30 % zu reduzieren, um auch für Anlagen ab 300 KW eine interessante Amortisationsdauer zu errei-chen. Dies ist gelungen. Gleichzeitig konnte bei gleichem Aufschluss der Energieaufwand gemindert und der Wartungsumfang gesenkt werden. Der Biosonator ist in einem Container untergebracht oder kann als Rahmenkonstruktion für ein Pumpenhaus gelie-fert werden.

Weniger Anbaufläche und optimierte Energieeinsparung

Meist wird der Biosonator zwischen Nachgärer und Fermenter angeschlossen. D.h. ein Teilstrom wird aus dem Nachgärer entnommen, durch das Hochleistungsultraschall-System aufgeschlossen und als Rezirkulat dem Fermenter wieder zugeimpft. Der Biosonator besteht aus einer Exzenterschneckenpumpe, einem Zerkleinerer (zum Zerteilen langer Fasern und zum Schutz der Sonotroden), den Schallreaktoren und einer Spülleitung zur regelmäßigen Reinigung.

Die Anlage wird vollautomatisch betrieben und durch Fernwartung überwacht. Der Energieaufwand für diesen verbesserten Substrataufschluss beläuft sich auf ca. 6 bis 10 % des zusätzlichen Energiegewinns.

Beispielsweise braucht der Biosonator für eine 500 kW Biogasanlage eine Anschluss-leistung von 5 kW bei einem Durchsatz von 0,6 bis 2 m³ pro Stunde Biomassesuspen-sion mit einem Feststoffgehalt bis zu 12 Prozent. Durch die Energieeffizienzsteigerung werden bei einer 500 kW Nawaroanlage ca.15 bis 18 ha Anbaufläche eingespart. Der Einsatz des Biosonators führt auch zu einem verminderten Energieverbrauch der Rührsysteme, da der Ultraschallaufschluss die Viskosität des Materials vermindert.

Durch mehrjährigen Einsatz bewährt - Messeneuheit

Seit 2001 wurden weltweit über 200 Biogas- und Kläranlagen, die unterschiedlichste Substrate nutzen, mit einem Biosonator ausgestattet. Durch die Erhöhung der Produktivität, auch grober und schwer aufschließbarer Substrate, amortisiert sich der Biosonator durch Substrateinsparung oder Steigerung der Gasproduktion in drei bis vier Jahren. Die verbesserte Neuentwicklung, der „Biosonator compact“ wurde von der Firma Ultrawaves, Vertrieb durch Liquest GmbH, erstmals auf der Messe „Biogas Convention & Trade Fair“ in Nürnberg vom 12. bis 14. Dezember 2017 vorgestellt.

Know-how aus Forschung und Praxis

Das Know-how für die Ultraschall-Technologie stammt aus langjähriger Forschungsarbeiten an der Technischen Universität Hamburg-Harburg (TUHH). Im Jahr 2001 wurde die Fa. Ultrawaves GmbH von Prof. Dr.-Ing.Uwe Neis und Dr.-Ing. Klaus Nickel als Ausgründung der TUHH gegründet. Seither werden die patentierten Hochleistungs-Ultraschallsysteme auf Basis langjährig erarbeitetem Wissensschatzes entwickelt.

Heute ist Ultrawaves weltweit Marktführer für Ultraschallanwendungen bei Umwelttechnik. Um die Forschung in die Praxis umzusetzen, ist Ultrawaves eine Partnerschaft mit der südwestdeutschen Sonotronic Nagel GmbH aus Karlsbad eingegangen, einem der international führenden Hersteller von industriellen Ultraschallanlagen.

Als Technischer Leiter eines Ingenieurbüros hatte Herr Georg Schätzl in den Jahren 2010 bis 2014 mit seinem Team über 40 Biogasanlagen vom ersten Finanzierungsgespräch bis zur Bau-Abnahme und Mängelbeseitigung begleitet.
Auf der Suche nach Optimierungsmöglichkeiten für die Anlagen hat er die Fa. Ultrawaves kennengelernt und das enorme Potential des Biosonators für Biogasanlagen gesehen. Seit Anfang 2015 ist er mit seiner Firma EnCon21 selbständiger Vertriebspartner und koordiniert den deutschlandweiten Vertrieb.