Fermentative Herstellung von Wasserstoff und Biogas aus Biomasse und biogenen Reststoffströmen, als Konzept für die Erzeugung von nachhaltigen Energieträgern

Abstract

Das Ziel in der vorliegenden Arbeit ist es zu beantworten, ob es sinnvoll die potenzielle Energie von Reststoffströmen in elektrische und thermische Energie durch Vergärungsprozesse (Dunkelfermentation von Biowasserstoff und Biomethan) ist. Dazu werden die folgenden Forschungsfragen gestellt: Welche Substrate stellen den höchsten Biogaspotential und bei welcher Konzentration? Ob die 2-stufige Wasserstoff- und Methanfermentation energieeffizienter, als 1-stufige Methanfermentation ist? Um die Forschungsfragen zu beantworten wurde aktuelle und themenrelevante Literaturrecherche durchgeführt, welche sich auf Batch und kontinuierliche Dunkelfermentation Studien orientierte. Danach wurden die wichtigsten Schwerpunkte notiert und für Experimente in dieser Studie angewendet. Nach der Batch Versuchsdurchführung wurde herausgefunden, dass den höchsten Biowasserstoff- und Biomethangesamtpotential das Modulsubstrat von Lebensmittelabfällen hat. Und die Werte sind 120 Nml H2/g VS (SIR – 0,5) und 683 Nml CH4/g VS (2. Stufe SIR – 0,5). Zusätzlich kann man auch bei allen anderen Substraten die Tendenz beobachten, dass die 2-stufige H2- und CH4-Fermentation bedeutend mehr Gasproduktion in Vergleich zur 1- stufigen Fermentation hat. Nachdem die Hypothese aus der Literatur bei Batch Versuchen bestätigt wurde, haben die kontinuierlichen Versuche begonnen. Die Versuche waren in 6 Liter CSTR Reaktoren durchgeführt, mit dem Arbeitsvolumen von 5,5 l und 6,0 l für Wasserstoff- und Methanproduktion entsprechend. Ein Reaktor wurde für Wasserstoffproduktion verwendet, zwei weitere wurden für Methanherstellung benutzt. Einer davon wurde als 1-stufiger und anderer als 2-stufiger Methanreaktor genutzt. Temperatur, pH-Wert, Substratvorbehandlungen waren genauso, wie bei Batch Experimenten. OLR und HRT für H2-Reaktor waren 5-10 g VS/l/d und 3 Tagen, für CH4-Reaktor 0,785-1,57 g VS/l/d, für 1. und zweite Phase des Experimentes entsprechend. Die kontinuierlichen Tests haben gezeigt, dass zweistufiges Reaktorsystem bei 5 g VS/l/d (H2) und 0,785 g VS/l/d (CH4) mehr Methan produziert hat, als das ohne Wasserstoff Stufe (bei höherer Raumbelastung von wurde die tägliche und spezifische Methanproduktion bei beiden Reaktoren niedriger). Bei Wasserstoff Reaktor lässt es sich höhere tägliche und spezifische Gasproduktion zu beobachten, wenn man die Raumbelastung erhöht hat. Maximale spezifische Wasserstoff- und Methanproduktion sind bei OLR 10 g VS/l/d und 0,785 g VS/l/d, und nämlich 95,2 Nml H2/g VS und 203,6 Nml CH4/g VS (beim 2-stufigen Reaktor) und 84,1 Nml CH4/g VS (beim 1-stufigen Reaktor) entsprechend. Nach der Wirtschaftlichkeitsberechnung kann man folgendes behaupten, dass der Einsatz von kombinierter Wasserstoff- und Methanproduktion energieeffizienter für Biogasanlagebereich sein kann.