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2020 | Book

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Handbuch zur Bilanzierung von Biogasanlagen für Ingenieure – Band I

Grundlagen und Methoden für die Bewertung und Bilanzierung in der Praxis

Authors: Dr. Gerhard Langhans, Prof. Dr. Frank Scholwin, Prof. Dr. Michael Nelles

Publisher: Springer Fachmedien Wiesbaden

Part of: Springer Professional "Wirtschaft+Technik" , Springer Professional "Technik"

Table of Contents

About this book

Aus dem breiten Anwendungsfeld für Biogasgewinnung ergeben sich mannigfaltige Anforderungen, die den Praktiker oft vor spezielle Herausforderungen stellen. Hier setzt das Buch an und konzentriert sich auf die in der Praxis relevanten technischen Herausforderungen der Technologie und bereitet die wissenschaftlichen Grundlagen der anaeroben Prozessführung für Herausforderungen in der Praxis auf (Anwendbarkeit, Interpretation der Messgrößen, Zuverlässigkeit von Bewertungsmethoden) und stellt zur schnellen Abschätzung u. a. Nomogramme und Parametersammlungen zur Verfügung.

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Table of Contents

Frontmatter

Kapitel 1. Einführung und Hinweise zur Benutzung

Zusammenfassung

Die gezielte Gewinnung von Biogas basiert auf einem biochemischen Prozess, der von einer Vielzahl von Mikroorganismen in verschiedenen Prozessstufen realisiert wird. Der Betrieb und die Optimierung einer Biogasanlage erfordern ein Grundwissen über die Wechselwirkungen zwischen Verfahrenstechnik, Prozessführung und verfahrenstechnischen Prozessparametern.

In Kapitel 1 des Handbuches werden hilfreiche Hinweise zur Benutzung des Buches, aber auch zum Verständnis der Herkunft der dargestellten Zusammenhänge verschiedenster Prozessparameter vor dem Hintergrund der Anwendung in der Praxis gegeben. Es wird erläutert, unter welchen praxisrelevanten Bedingungen die in diesem Buch dargestellten Daten, Zahlen und Formeln entstanden sind. Besonderer Wert wird auf die Erläuterung der in der Biogastechnologie immer wieder sehr unterschiedlich verwendeten Einheiten und Synonyme gelegt – Anwender aus der Abfallwirtschaft oder Abwasserbehandlung verwenden Begriffe und Einheiten regelmäßig mit anderen Bezügen – dies wird gegenübergestellt.

Gerhard Langhans, Frank Scholwin, Michael Nelles

Kapitel 2. Allgemeine Grundlagen

Zusammenfassung

Eine besondere Herausforderung bei der Analyse, Darstellung und Berechnung von in der Anaerobtechnik ist die Herleitung und Übertragung von chemischen und physikalischen Grundgesetzen für die Anwendung auf den spezifischen Einsatzfall. Daher werden in Kapitel 2 des vorliegenden Buches die allgemeinen Gesetzmäßigkeiten diskutiert, die nachfolgend für die Herleitung spezifischer Zusammenhänge verwendet werden.

Ausgehend von einem konzentrierten Extrakt aus der Grundlagenliteratur werden genau die Zusammenhänge kurz und prägnant dargestellt, die Ingenieure in der Biogastechnologie anwenden müssen.

Ausgehend von den Eigenschaften von Atomen und Molekülen wird auf das Stoffverhalten in wässrigen Medien, Grundgesetze für feuchte Gase, die Rheologie, den Wärmehaushalt und die Grundlagen der Prozessbiologie eingegangen. Es werden die Grundlagen für das Verständnis der nachfolgenden Kapitel gelegt.

Gerhard Langhans, Frank Scholwin, Michael Nelles

Kapitel 3. Der anaerobe Stoffwechsel und Methoden seiner mathematischen Beschreibung

Zusammenfassung

Kapitel 3 fokussiert auf den Kern der Prozesse in einer Biogasanlage: die Beschreibung des anaeroben Stoffwechsels bis hin zu den Möglichkeiten – und Grenzen – seiner Modellierung. Eine Herausforderung für die Prozessbeschreibung sind die heterogenen, meist störstoffverunreinigten Stoffströme, die schwer analytisch und experimentell in ihrer Gärfähigkeit zu bewerten sind. Ohne eine Bilanzierung und Modellierung der Prozesse kann aber keine Effizienzbewertung und gezielte Optimierung durchgeführt werden.

Vor diesem Hintergrund werden für die Praxis relevante Methoden der stöchiometrischen Erfassung des anaeroben Stoffwechsels erläutert und ein Ansatz für eine modellmäßige Abbildung des Stoffwechsels einschließlich der Berücksichtigung der Hydrolyseprozesse anhand von Praxisdaten und Anwendungsbeispielen erläutert. Abschließend werden die alternativen Methoden der Gasertragsbestimmung Weender, Weißbach und sonstige Ansätze betrachtet.

Gerhard Langhans, Frank Scholwin, Michael Nelles

Kapitel 4. Beschreibung des Stoffverhaltens im Fermenter

Zusammenfassung

Der anaerobe Stoffwechsel ist stark abhängig vom Stoffverhalten im Fermenter. Daher wird dieser sehr breiten Thematik das Kapitel 4 gewidmet. Die Bilanzierung von Input- und Output erfordert die Beschreibung und Bilanzierung der Prozessparameter. Daher wird hier detailliert wiederum anhand von Beispielen auf den Nährstoffhaushalt, die besondere Bedeutung von Ammonium und Schwefel, die Biogaszusammensetzung, Wasserverbrauch und Biomassewachstum eingegangen. Selbsterwärmungsvorgänge und Massen- sowie Wärmebilanzierung des Prozesses runden das Kapitel ab.

Gerhard Langhans, Frank Scholwin, Michael Nelles

Kapitel 5. Hydraulische Verweilzeit sowie organische Raum- und Schlammbelastung

Zusammenfassung

Kapitel 5 umfasst die Charakterisierung, Wechselwirkungen und Bedeutung der Prozessparameter hydraulische Verweilzeit und Raumbelastung als meist verwendete Prozessparameter. Diese sind immer kritisch hinsichtlich ihres Bezuges vor dem Hintergrund des biologischen Abbaus in den verschiedenen Stufen einer Biogasanlage sowie der Rückführung von Gärresten mit oder ohne Separation zu bewerten. Anhand von Daten aus Praxisanlagen werden diese Fragen diskutiert und erklärt.

Gerhard Langhans, Frank Scholwin, Michael Nelles

Kapitel 6. Prozesstörungen und Synergien

Zusammenfassung

Nachdem die Anwendung und Bedeutung der Prozessparameter für die Bilanzierung des Biogasproduktionsprozesses umfassend und praxisnah zusammengefasst worden ist wird in Kapitel 6 der Einfluss von Prozessstörungen sowie Synergien erläutert. Beide beeinflussen die beschriebenen Wechselwirkungen, die für die Bilanzierung von Praxisprozessen verwendet werden können erheblich und erfordern eine Berücksichtigung, auch wenn die Quantifizierung der Intensität des Einflusses von Prozessstörungen und Synergien im laufenden Anlagenbetrieb extrem schwierig ist werden Ansätze vorgestellt, die eine Berücksichtigung ermöglichen.

Hinsichtlich der Hemmungen werden die Effekte von sich überlagernden Hemmfaktoren diskutiert. Hemmfaktoren und Prozessstörungen wirken dabei auf das Biomassewachstum, was wiederum sehr direkt auf den Abbauprozess rückwirkt und nicht zuletzt auch zum Aufschaukeln von negativen Effekten auf die Prozessbiologie im Fermentationsprozess führen kann.

Neben den negativen Effekten werden aber auch Synergien durch die Verwendung von Co-Substraten diskutiert, die sich negativ oder positiv auf die Effizienz des biologischen Prozesses auswirken können.

Gerhard Langhans, Frank Scholwin, Michael Nelles

Kapitel 7. Verzeichnisse und Register

Zusammenfassung

Als letztes Kapitel werden in umfangreichen Tabellen die in jahrelanger praktischer Arbeit sorgfältig zusammengetragenen Labor-, Praxis- und Literaturdaten zu einer Vielzahl von Substraten zusammengestellt. Diese Zusammenstellung ist wahrscheinlich mit einem Umfang von allein 100 Seiten die größte Sammlung von Substratparametern in der Fachliteratur.

Gerhard Langhans, Frank Scholwin, Michael Nelles

Backmatter

Title: Handbuch zur Bilanzierung von Biogasanlagen für Ingenieure – Band I
Authors: Dr. Gerhard Langhans
Prof. Dr. Frank Scholwin
Prof. Dr. Michael Nelles
Copyright Year: 2020
Publisher: Springer Fachmedien Wiesbaden
Electronic ISBN: 978-3-658-27339-2
Print ISBN: 978-3-658-27338-5
DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-658-27339-2