Evaluation of methods for estimating energy performance of biogas production

This study focused on identifying various system boundaries and evaluating methods of estimating energy performance of biogas production. First, the output-input ratio method used for evaluating energy performance from the system boundaries was reviewed. Secondly, ways to assess the efficiency of biogas use and parasitic energy demand were investigated. Thirdly, an approach for comparing biogas production to other energy production methods was evaluated. Data from an existing biogas plant, located in Finland, was used for the evaluation of the methods. The results indicate that calculating and comparing the output-input ratios (Rpr1, Rpr2, Rut, Rpl and Rsy) can be used in evaluating the performance of biogas production system. In addition, the parasitic energy demand calculations (w) and the efficiency of utilizing produced biogas (η) provide detailed information on energy performance of the biogas plant. Furthermore, Rf and energy output in relation to total solid mass of feedstock (FO/TS) are useful in comparing biogas production with other energy recovery technologies. As a conclusion it is essential for the comparability of biogas plants that their energy performance would be calculated in a more consistent manner in the future.

Biogas production in regional integrated biodegradable waste treatment – Possibilities for improving energy performance and reducing GHG emissions

The greatest threat that the biodegradable waste causes on the environment is the methane produced in landfills by the decomposition of this waste. The Landfill Directive (1999/31/EC) aims to reduce the landfilling of biodegradable waste. In Finland, 31% of biodegradable municipal waste ended up into landfills in 2012. The pressure of reducing disposing into landfills is greatly increased by the forthcoming landfill ban on biodegradable waste in Finland. There is a need to discuss the need for increasing the utilization of biodegradable waste in regional renewable energy production to utilize the waste in a way that allows the best possibilities to reduce GHG emissions. The objectives of the thesis are: (1) to find important factors affecting renewable energy recovery possibilities from biodegradable waste, (2) to determine the main factors affecting the GHG balance of biogas production system and how to improve it and (3) to find ways to define energy performance of biogas production systems and what affects it. According to the thesis, the most important factors affecting the regional renewable energy possibilities from biodegradable waste are: the amount of available feedstock, properties of feedstock, selected utilization technologies, demand of energy and material products and the economic situation of utilizing the feedstocks. The biogas production by anaerobic digestion was seen as the main technology for utilizing biodegradable waste in agriculturally dense areas. The main reason for this is that manure was seen as the main feedstock, and it can be best utilized with anaerobic digestion, which can produce renewable energy while maintaining the spreading of nutrients on arable land. Biogas plants should be located close to the heat demand that would be enough to receive the produced heat also in the summer months and located close to the agricultural area where the digestate could be utilized. Another option for biogas use is to upgrade it to biomethane, which would require a location close to the natural gas grid. The most attractive masses for biogas production are municipal and industrial biodegradable waste because of gate fees the plant receives from them can provide over 80% of the income. On the other hand, directing gate fee masses for small-scale biogas plants could make dispersed biogas production more economical. In addition, the combustion of dry agricultural waste such as straw would provide a greater energy amount than utilizing them by anaerobic digestion. The complete energy performance assessment of biogas production system requires the use of more than one system boundary. These can then be used in calculating output–input ratios of biogas production, biogas plant, biogas utilization and biogas production system, which can be used to analyze different parts of the biogas production chain. At the moment, it is difficult to compare different biogas plants since there is a wide variation of definitions for energy performance of biogas production. A more consistent way of analyzing energy performance would allow comparing biogas plants with each other and other recovery systems and finding possible locations for further improvement. Both from the GHG emission balance and energy performance point of view, the energy consumption at the biogas plant was the most significant factor. Renewable energy use to fulfil the parasitic energy demand at the plant would be the most efficient way to reduce the GHG emissions at the plant. The GHG emission reductions could be increased by upgrading biogas to biomethane and displacing natural gas or petrol use in cars when compared to biogas CHP production. The emission reductions from displacing mineral fertilizers with digestate were seen less significant, and the greater N2O emissions from spreading digestate might surpass the emission reductions from displacing mineral fertilizers.

Biokaasulaitoksen rejektivesien vaikutus jätevedenpuhdistamon toimintaan ja rejektivesien esikäsittelyn tarpeellisuus

Diplomityön tavoitteena oli tutkia biokaasulaitoksen rejektivesien ominaisuuksiin vaikuttavia tekijöitä ja rejektiveden esikäsittelyn tarpeellisuutta. Lisäksi tavoitteena oli tarkastella Kouvolaan suunnitteilla olevan Kymen Bioenergia Oy:n biokaasulaitoksen rejektivesien vaikutusta Kouvolan Veden Mäkikylän jätevedenpuhdistamolla. Biokaasulaitoksen rejektivedet ovat yhdyskuntajätevesiin verrattuna selvästi konsentroituneempia. Jätevedenpuhdistamoilla erityisesti rejektiveden korkea typpipitoisuus aiheuttaa lisäkuormitusta. Suomessa toiminnassa oleville biokaasulaitoksille tehdyn kyselytutkimuksen tulosten perusteella rejektiveden typpipitoisuuteen vaikuttaa syötteen typpipitoisuus sekä mädätysjäännöksen kuivauksen tehokkuus. Rejektiveden kiintoainepitoisuudella on puolestaan vaikutusta biologiseen hapenkulutukseen ja välillisesti myös rejektiveden kemialliseen hapenkulutukseen. Rejektivesien jätevedenpuhdistamoilla aiheuttamaa kuormitusta on mahdollista vähentää esikäsittelemällä rejektivedet joko biologisella tai fysikaalis-kemiallisella puhdistusmenetelmällä. Kyselytutkimus kuitenkin osoitti, että rejektivesien esikäsittelyssä ei aina päästä puhdistustavoitteeseen. Jätevedenkäsittelyn sijaan rejektivesiä on mahdollista käyttää lannoitteena, mikäli biokaasulaitoksen syöte ei sisällä jätevedenpuhdistamon lietteitä. Myös Kouvolan Veden Mäkikylän puhdistamolla biokaasulaitoksen rejektivedet tulevat lisäämään merkittävästi tulovirtaaman typpikuormaa. Typpikuorman lisäys edellyttää ilmastusaltaassa ilmastuksen tehostamista sekä kalkin syöttömäärän lisäämistä, jotta jäteveden happipitoisuus ja pH pysyvät typenpoistoreaktioille suotuisina. Lisäksi tulovirtaamasta puolet tullaan ohjaamaan esiselkeyttimen ohi, jotta ilmastusaltaassa on orgaanista ainetta typenpoistoon riittävästi. Mäkikylän puhdistamon typenpoistokapasiteettia on mahdollista kasvattaa lisähiilen syötöllä. Mikäli biokaasulaitoksen kapasiteettilisäyksen jälkeen rejektivesien typpikuoma ylittää lisähiilellä saavutetun lisäkapasiteetin, on rejektivedet esikäsiteltävä.

Biokaasun tuottaminen ja hyödyntäminen Lappeenrannassa

Lappeenrannassa kerätään ja hyödynnetään tällä hetkellä kaatopaikkakaasua 0,3 milj.m3 vuodessa. Biokaasua voitaisiin tuottaa Lappeenrannassa mädättämällä bioperäisiä jätteitä ja biokaasuntuotantoa varten kasvatettuja energiakasveja. Biokaasuntuotantoon soveltuvia jätteitä ovat erilliskerätty biojäte, jätevedenpuhdistamon jätevesiliete, puutarhajäte, lietelannat ja oljet. Kesannolla olevilla peltoaloilla voitaisiin kasvattaa ruokohelpeä. Biokaasun tuotantoon soveltuvia materiaaleja voitaisiin kerätä 143 000 t/a ja kasvattaa 68 000 t/a. Työssä tarkastellaan vaihtoehtoa, jossa mädätetään vain puhdistamoliete, sekä useita materiaaleja mädättävää yhteismädättämöä, johon liittyen tutkitaan kolmea eri vaihtoehtoa: kunnallisen jätteen mädätystä, kaiken jätteen mädätystä ja jätteen sekä energiakasvien mädätystä. Paras sijoituspaikka mädättämölle olisi jätevedenpuhdistamon läheisyydessä. Jätemateriaalista saataisiin kaasua enintään 12 milj. m3 ja energiakasveista enintään 16 milj. m3. Kaasusta voitaisiin tuottaa energiaa CHP-laitoksessa enintään 184 GWh. Mikäli biokaasun tuotannolla halutaan ensisijaisesti vähentää kasvi-huonekaasupäästöjä, kannattaa kaasu jalostaa ajoneuvopolttoaineeksi. Jalostettu kaasu on mahdollista myös syöttää maakaasuverkostoon. Suurimmat tulot on mahdollista saavuttaa yhdistetyssä sähkön- ja lämmöntuotannossa, mikäli biokaasulle suunniteltu syöttötariffi toteutuu. Muussa tapauksessa suurimmat tulot saadaan jalostamalla biokaasua ajoneuvojen polttoaineeksi.

Biokaasulaitoksen energiatalouden tarkastelu

Biokaasulaitosala ja tuotosten hyötykäyttömarkkinat kasvavat ja kehittyvät tiukentuneiden ilmastotavoitteiden, liikenteen biopolttoaineiden lisäämisvelvoitteiden sekä jätehuoltoratkaisujen uusiutumisen myötä. Tässä työssä tarkasteltiin biokaasulaitoksen toimintaa, energiataloudellisuutta sekä biokaasulaitoksen talouteen vaikuttavia tekijöitä, kuten porttimaksuja ja toiminnan mahdollistavaa logistiikkaa. Lisäksi työssä on laskettu biokaasun hyötykäytöstä aiheutuvat päästövähenemät, kun biokaasulla korvataan fossiilisia polttoaineita sähkön- ja lämmöntuotannossa tai perinteisiä liikennepolttoaineita. Työn keskeisemmät tulokset osoittivat, että biokaasulaitoksen energiatase on positiivinen, biokaasulaitosprosessin kuluttaessa noin 40 %:a biokaasulaitoksen kokonaisenergiantuotosta, kun kuljetuksia ei huomioida. Kuljetuksien kuluttama energiaosuus vastaa noin 20 %:a biokaasulaitoksen tuottamasta energiasta. Biokaasun hyötykäytöstä aiheutuvat vuosittaiset päästövähenemät vaihtelivat tarkastelluissa tapauksissa 6 600-7 800 tCO2-ekv välillä hyötykäyttömuodosta riippuen. Työn tulokset auttavat Biovakka Suomi Oy:tä tulevissa päätöksentekovaiheissa sekä investointikysymyksissä.

Mädätys- ja kompostointilaitoshankkeen teknis-taloudellinen vertailu Lakeuden Ympäristöhuollossa

Työssä selvitettiin teknis-taloudellisen vaihtoehto Lakeuden Ympäristöhuollon keräämän biojätteen ja Seinäjoen lähialueella syntyvän hevosenlannan käsittelyyn. Nykyisin Lakeuden Ympäristöhuolto Oy:n keräämä biojäte kuljetetaan paikallisen jätehuoltoyhti-ön biokaasulaitokseen ja hevosenlantaa ei alueelta vielä kerätä olleenkaan. Työn lähtö-kohtana oli vertailla mahdollisesti rakennettavan oman biokaasulaitoksen ja rumpu-kompostointilaitoksen kannattavuutta toisiinsa. Kannattavuuden laskennassa käytettiin annuiteettimenetelmää. Työn kirjallisuusosiossa kerrotaan eloperäisten jätteiden ominaisuuksista mädätyksen ja kompostoinnin kannalta, mädätys- ja kompostointiprosessista, mädätys- ja kompostoin-titekniikoista sekä menetelmien eduista sekä haitoista. Työssä perehdyttiin myös mädä-tyksen ja kompostoinnin lopputuotteiden hyödyntämiseen. Vaihtoehtojen vaertailussa kumpikaan hankkeista ei ollut taloudellisesti kannattava. Vaikka prosesseihin saataisiin nykyään kerättävän biojätteen määrän lisäksi 2000 tonnia hevosenlantaa, se ei tee hankkeista kannattavia. Edes herkkyystarkastelussa laskettu korkeampi hevosenlannan porttimaksun määrä ei vaikuttanut kannattavuuteen. Lakeuden Ympäristöhuollon näin ollen on viisainta olla investoimatta kumpaakaan hankkeeseen.

Mädätysjäännöksen rakeistus, terminen kuivaus ja energiahyötykäyttö

Tutkimuksen tavoitteena oli kartoittaa alueellisen jäteyhtiön Kymenlaakson Jäte Oy:n mahdollisuuksia rakeistaa ja termisesti kuivata mekaanisesti kuivattua mädätysjäännöstä sekä mahdollisuuksia toimittaa termisesti kuivattua materiaalia energiahyötykäyttöön. Tutkimuksessa selvitettiin myös kokemuksia lattialämmityksen käyttämisestä mädätysjäännöksen kuivaukseen. Tutkimuksessa perehdyttiin erilaisiin rakeistus- ja kuivausmenetelmiin sekä termisen kuivurin valintaan vaikuttaviin asioihin. Kuvaukset perustuvat kirjallisuudesta ja internetistä saatuihin tietoihin. Tekniikkakuvausten pohjalta lähdettiin kyselemään tarjouksia termisiä kuivauslaitteistoja myyviltä yrityksiltä. Tarjoukset pyydettiin kuiva-ainepitoisuuden muutokselle 30 %:sta 90 %:iin ja oletettiin, että kuivaukseen on käytettävissä lämpöä viideltä kaatopaikkakaasua käyttävältä mikroturbiinilta. Tutkimuksen aikana saatiin tarjous kuudelta yritykseltä. Saadut tarjoukset esiteltiin tiivistetysti raportissa ja kokonaisuudessaan ne sisällytettiin Kymenlaakson Jäte Oy:n laajempaan raporttiin, joka ei ole julkinen. Yritykset antoivat hyvin erilaisia tietoja siitä, mitä tarjoukseen sisältyy, joten tarjoukset eivät olleet suoraan vertailukelpoisia. Tarjouksista myös havaittiin, että jos Mäkikylän biokaasulaitokselta vastaanotettaisiin enimmäismäärä (19 500 t/a) mädätysjäännöstä, mikroturbiineilta saatava lämpömäärä ei riittäisi kuivaamaan kaikkea mädätysjäännöstä 90 % kuiva-ainepitoisuuteen. Tutkimuksen aikana huomattiin myös, että sitovan tarjouksen saamiseksi mädätysjäännös tulee toimittaa testattavaksi, jolloin saadaan vahvistus kuivausmenetelmän soveltuvuudesta kyseiselle materiaalille. Tutkimuksessa selvitettiin myös, minkälaisia kokemuksia löytyy lattialämmityksen käyttämisestä kuivaukseen niin Suomesta kuin maailmalta ja voiko menetelmää käyttää mädätysjäännöksen kuivaukseen. Kyseistä menetelmää on käytetty tehostamaan aurinkokuivausta, joten tutkimuksen aikana perehdyttiin erityisesti aurinkokuivaukseen liittyviin tieteellisiin artikkeleihin. Lattialämmityksen käytöstä löytyi niin heikkouksia kuin vahvuuksia. Suomessa aurinkokuivauksen ja lattialämmityksen yhdistelmä ei ole kuitenkaan päätynyt laajaan käyttöön ja syynä voidaan nähdä muun muassa kylmät ja pimeät vuodenajat sekä suuri pinta-alan tarve. Tutkimusraportissa selvitettiin lisäksi polttolaitosten edustajien kiinnostusta ja rajoituksia ottaa vastaan termisesti kuivattua mädätysjäännöstä. Tutkimuksen aikana otettiin yhteyttä alle 100 km etäisyydellä Kymenlaakson Jäte Oy:stä sijaitsevien jätteenpolttoluvan omaavien yritysten edustajiin. Saatuja vastauksia käsiteltiin tiivistetysti raportissa ja vastaukset sisällytettiin kokonaisuudessaan Kymenlaakson Jäte Oy:n laajempaan raporttiin, joka ei ole julkinen. Puhelinhaastattelujen pohjalta nähtiin, että yrityksillä on kiinnostusta materiaalia kohtaan, mutta samalla vastauksiin vaikuttavat mädätysjäännöksen analyysitulokset. Poltto-ominaisuuksiin liittyvät analyysit tullaan toteuttamaan vuoden 2012 aikana. Laitoksilla oli myös vaihtelevia rajoituksia materiaalia kohtaan, mutta analyysituloksista riippuen materiaalia voidaan hyödyntää energiana tuhansia tai jopa kymmeniä tuhansia tonneja vuodessa alle 100 km etäisyydellä Kymenlaakson Jäte Oy:stä.

Current status of the waste-to-energy chain in the County of North Savo, Finland

The aim of this report is to describe the current status of the waste-to-energy chain in the province of Northern Savonia in Finland. This work is part of the Baltic Sea Region Programme project Remowe-Regional Mobilizing of Sustainable Waste-to-Energy Production (2009-2012). Partnering regions across Baltic Sea countries have parallelly investigated the current status, bottle-necks and needs for development in their regions. Information about the current status is crucial for the further work within the Remowe project, e.g. in investigating the possible future status in target regions. Ultimate result from the Northern Savonia point of view will be a regional model which utilizes all available information and facilitates decision-making concerning energy utilization of waste. The report contains information on among others: - waste management system (sources, amounts, infrastructure) - energy system (use, supply, infrastructure) - administrative structure and legislation - actors and stakeholders in the waste-to-energy field, including interest and development ideas The current status of the regions will be compared in a separate Remowe report, with the focus on finding best practices that could be transferred among the regions. In this report, the current status has been defined as 2006-2009. In 2009, the municipal waste amount per capita was 479 kg/inhabitant in Finland. Industrial waste amounted 3550 kg/inhabitant, respectively. The potential bioenergy from biodegradable waste amounts 1 MWh/inhabitant in Northern Savonia. This figure includes animal manure, crops that would be suitable for energy use, sludge from municipal sewage treatment plants and separately collected biowaste. A key strategy influencing also to Remowe work is the waste plan for Eastern Finland. Currently there operate two digestion plants in Northern Savonia: Lehtoniemi municipal sewage treatment sludge digestion plant of Kuopion Vesi and the farm-scale research biogas plant of Agrifood Research Finland in Maaninka. Moreover, landfill gas is collected to energy use from Heinälamminrinne waste management centre and Silmäsuo closed landfill site, both belonging to Jätekukko Oy. Currently there is no thermal utilization of waste in Northern Savonia region. However, Jätekukko Oy is pretreating mixed waste and delivering refuse derived fuel (RDF) to Southern Finland to combustion. There is a strong willingness among seven regional waste management companies in Eastern Finland to build a waste incineration plant to Riikinneva waste management centre near city of Varkaus. The plant would use circulating fluidized bed (CFB) boiler. This would been a clear boost in waste-to-energy utilization in Northern Savonia and in many surrounding regions.

Naudanlanta biokaasulaitosraaka-aineena, käsittely ja logistiikka

Maatalouden lietelannasta saatavien ravinteiden talteenotto ja kierrätys ovat viime aikoina nousseet yhä tärkeämmäksi tavoitteeksi. Ravinteiden tehokas kierrätystapa saadaan ai-kaiseksi käsittelemällä lietelantaa. Lannan käsittelyketjuja on monenlaisia; tässä työssä naudan lannan käsittelyketju muodostuu separoinnista ja mädätyksestä. Tämän diplomityön tarkoituksena oli selvittää naudan lannan mekaanisen separoinnin ja logistiikan kannattavuus märkämädätys- ja kuivamädätyskäsittelyketjussa. Käsittelyketju-jen kannattavuus tai kannattamattomuus on esitetty eri skenaarioissa muodostettujen kus-tannuslaskentojen perusteella. Skenaarioiden kustannuslaskelmat ovat toisiinsa verratta-vissa, jolloin ne voidaan asettaa niin ikään paremmuusjärjestykseen. Viides skenaario ei ole suoraan verrattavissa muihin skenaarioihin, koska siinä lannankäsittelyketjua on tar-kasteltu eri näkökulmasta, keskittämällä suurimmalle maatilalle. Mekaanisista separaattoreista tarkasteltiin työssä ruuvipuristinta, dekantterilinkoa ja ul-koistettua separointipalvelua. Lannan logistiikkakustannuksissa huomioitiin lannan kulje-tusta traktori- ja säiliöautolla tai traktorilla. Separoinnin kustannus liitettiin osaksi logis-tiikkakustannusta. Työn tuloksien perusteella voidaan todeta dekantterilingon separointi-kustannuksen olevan taloudellisesti kannattamattomin johtuen pienestä lantakapasiteetista ja separaattorin korkeasta investointihinnasta. Ravinteiden osalta linko osoittautui tehok-kaimmaksi menetelmäksi erottamaan ravinteet eri jakeisiin. Lannan käsittely separointipalvelulla oli edullisin skenaario, jonka vuosittaiseksi kustan-nukseksi saatiin säiliö- ja kuorma-autolla lantaa kuljetettaessa 58 700 € ja traktorilla kul-jetettaessa 60 400 €. Kallein lannan käsittely oli dekantterilingolla, jonka vuosittaiseksi kustannukseksi saatiin lantaa säiliö- ja kuorma-autolla kuljetettaessa 121 000 € ja trakto-rilla kuljetettaessa 123 300 €. Lannan separointi maatilalla osoittautui kannattavammaksi kuin käsittelemättömän lietteen kuljetus biokaasulaitokselle.

Modeling the interplay between land use, bioenergy production and climate change

Land use has become a force of global importance, considering that 34% of the Earth’s ice-free surface was covered by croplands or pastures in 2000. The expected increase in global human population together with eminent climate change and associated search for energy sources other than fossil fuels can, through land-use and land-cover changes (LUCC), increase the pressure on nature’s resources, further degrade ecosystem services, and disrupt other planetary systems of key importance to humanity. This thesis presents four modeling studies on the interplay between LUCC, increased production of biofuels and climate change in four selected world regions. In the first study case two new crop types (sugarcane and jatropha) are parameterized in the LPJ for managed Lands dynamic global vegetation model for calculation of their potential productivity. Country-wide spatial variation in the yields of sugarcane and jatropha incurs into substantially different land requirements to meet the biofuel production targets for 2015 in Brazil and India, depending on the location of plantations. Particularly the average land requirements for jatropha in India are considerably higher than previously estimated. These findings indicate that crop zoning is important to avoid excessive LUCC. In the second study case the LandSHIFT model of land-use and land-cover changes is combined with life cycle assessments to investigate the occurrence and extent of biofuel-driven indirect land-use changes (ILUC) in Brazil by 2020. The results show that Brazilian biofuels can indeed cause considerable ILUC, especially by pushing the rangeland frontier into the Amazonian forests. The carbon debt caused by such ILUC would result in no carbon savings (from using plant-based ethanol and biodiesel instead of fossil fuels) before 44 years for sugarcane ethanol and 246 years for soybean biodiesel. The intensification of livestock grazing could avoid such ILUC. We argue that such an intensification of livestock should be supported by the Brazilian biofuel sector, based on the sector’s own interest in minimizing carbon emissions. In the third study there is the development of a new method for crop allocation in LandSHIFT, as influenced by the occurrence and capacity of specific infrastructure units. The method is exemplarily applied in a first assessment of the potential availability of land for biogas production in Germany. The results indicate that Germany has enough land to fulfill virtually all (90 to 98%) its current biogas plant capacity with only cultivated feedstocks. Biogas plants located in South and Southwestern (North and Northeastern) Germany might face more (less) difficulties to fulfill their capacities with cultivated feedstocks, considering that feedstock transport distance to plants is a crucial issue for biogas production. In the fourth study an adapted version of LandSHIFT is used to assess the impacts of contrasting scenarios of climate change and conservation targets on land use in the Brazilian Amazon. Model results show that severe climate change in some regions by 2050 can shift the deforestation frontier to areas that would experience low levels of human intervention under mild climate change (such as the western Amazon forests or parts of the Cerrado savannas). Halting deforestation of the Amazon and of the Brazilian Cerrado would require either a reduction in the production of meat or an intensification of livestock grazing in the region. Such findings point out the need for an integrated/multicisciplinary plan for adaptation to climate change in the Amazon. The overall conclusions of this thesis are that (i) biofuels must be analyzed and planned carefully in order to effectively reduce carbon emissions; (ii) climate change can have considerable impacts on the location and extent of LUCC; and (iii) intensification of grazing livestock represents a promising venue for minimizing the impacts of future land-use and land-cover changes in Brazil.

Studio di modelli matematici per la verifica e la progettazione di impianti di digestione anaerobica su scala di laboratorio e industriale

Il lavoro di Dottorato si è incentrato con successo sullo studio della possibilità di applicare il modello ADM1 per la descrizione e verifica di impianti industriali di digestione anaerobica. Dai dati sperimentali il modello e l'implementazione in software di analisi numerica si sono rivelati strumenti efficaci. Il software sviluppato è stato utilizzato come strumento di progettazione di impianti alimentati con biomasse innovative, analizzate con metodiche biochimiche (BMP) in scala di laboratorio. Lo studio è stato corredato con lo studio di fattibilità di un impianto reale con verifica di ottimo economico.

Entwicklung eines biologischen Verfahrens zur Reduktion des Methanschlupfes von Gasaufbereitungsanlagen mittels Einsatz methanotropher Mikroorganismen

Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein biologisches Verfahren zur Reduzierung des Methanschlupfes in Gasaufbereitungsanlagen entwickelt. Der Methanschlupf entsteht, wenn das in Biogasanlagen produzierte Biogas auf normierte Erdgasqualität aufgereinigt wird, welches notwendig ist, um es in das bestehende Erdgasnetz einleiten zu können. Bei dieser Aufreinigung wird aus dem Biogas auch ein Teil des Methans mit ausgewaschen und gelangt mit dem Abgas der Gasaufbereitungsanlage in die Umwelt. Bisher wird dieses methanhaltige Abgas verbrannt, da eine Freisetzung des starken Treibhausgases Methan durch das Erneuerbare-Energien-Gesetz untersagt ist. Dies reduziert die ökologische Bilanz und setzt die Wirtschaftlichkeit der gesamten Biogasanlage herab. rnUm das Methan mit Hilfe eines biologischen Verfahrens zu entfernen, wurden zunächst methanoxidierende Bakterien (MOB) aus verschiedenen Habitaten isoliert, darunter auch erstmalig aus Termiten. Der Nachweis erfolgte durch (quantitative) Polymerase-Kettenreaktion und Fluoreszenz-in-situ-Hybridisierung anhand spezifischer Primer bzw. Sonden für das Gen der partikulären Methanmonoxygenase, ein MOB kennzeichnendes Enzym. Ihr Titer wurde durch qPCR auf 10^2 - 10^3 MOB pro Termitendarm durch qPCR bestimmt. Mit Hilfe einer 16S rDNA Sequenzierung, der (n)SAPD-PCR, der Bestimmung der zellulären Fettsäurezusammensetzung sowie MALDI-TOF-MS-Analysen konnten die Termitenisolate der Gattung Methylocystis zugeordnet werden. Die fehlende Artzuweisung spricht jedoch für die Isolierung einer neuen Art. rnFür den Einsatz der Isolate in Gasaufbereitungsanlagen wurde in Zusammenarbeit mit dem Prüf- und Forschungsinstitut in Pirmasens ein Reaktor im Technikumsmaßstab entwickelt und konstruiert. Der Reaktor wurde mit synthetischen Aufwuchskörper befüllt, diese mit einem neu gewonnenen potenten Termitenisolat besiedelt und der methanhaltige Abgasstrom der Gasaufbereitungsanlage darüber geleitet. Es wurde eine Reduktion des Methans um 68 % innerhalb von 30 Stunden erzielt. Medienoptimierungen wiesen das Potential auf, diesen Verbrauch um das bis zu 4-fache weiter zu steigern. Da durch die Oxidation des Methans im Abgasstrom der Gasaufbereitungsanlage Zellmasse und Polyhydroxybuttersäure (PHB) aufgebaut wurde, können diese als Substrat zurück in die Biogasanlagen geleitet werden und die Wirtschaftlichkeit weiter verbessern. Die Wirksamkeit des in diesem Projekt entwickelten Verfahrens wurde somit eindeutig demonstriert.

Mikrobielle Prozesskontrolle in Biogasanlagen durch Monitoring der Kohlenstoff-Isotopenverhältnisse im Gasbereich

Der zunehmende Anteil von Strom aus erneuerbaren Energiequellen erfordert ein dynamisches Konzept, um Spitzenlastzeiten und Versorgungslücken aus der Wind- und Solarenergie ausgleichen zu können. Biogasanlagen können aufgrund ihrer hohen energetischen Verfügbarkeit und der Speicherbarkeit von Biogas eine flexible Energiebereitstellung ermöglichen und darüber hinaus über ein „Power-to-Gas“-Verfahren bei einem kurzzeitigen Überschuss von Strom eine Überlastung des Stromnetzes verhindern. Ein nachfrageorientierter Betrieb von Biogasanlagen stellt jedoch hohe Anforderungen an die Mikrobiologie im Reaktor, die sich an die häufig wechselnden Prozessbedingungen wie der Raumbelastung im Reaktor anpassen muss. Eine Überwachung des Fermentationsprozesses in Echtzeit ist daher unabdingbar, um Störungen in den mikrobiellen Gärungswegen frühzeitig erkennen und adäquat entgegenwirken zu können. rnBisherige mikrobielle Populationsanalysen beschränken sich auf aufwendige, molekularbiologische Untersuchungen des Gärsubstrates, deren Ergebnisse dem Betreiber daher nur zeitversetzt zur Verfügung stehen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde erstmalig ein Laser-Absorptionsspektrometer zur kontinuierlichen Messung der Kohlenstoff-Isotopenverhältnisse des Methans an einer Forschungsbiogasanlage erprobt. Dabei konnten, in Abhängigkeit der Raumbelastung und Prozessbedingungen variierende Isotopenverhältnisse gemessen werden. Anhand von Isolaten aus dem untersuchten Reaktor konnte zunächst gezeigt werden, dass für jeden Methanogenesepfad (hydrogeno-troph, aceto¬klastisch sowie methylotroph) eine charakteristische, natürliche Isotopensignatur im Biogas nachgewiesen werden kann, sodass eine Identifizierung der aktuell dominierenden methanogenen Reaktionen anhand der Isotopen-verhältnisse im Biogas möglich ist. rnDurch den Einsatz von 13C- und 2H-isotopen¬markierten Substraten in Rein- und Mischkulturen und Batchreaktoren, sowie HPLC- und GC-Unter¬suchungen der Stoffwechselprodukte konnten einige bislang unbekannte C-Flüsse in Bioreaktoren festgestellt werden, die sich wiederum auf die gemessenen Isotopenverhältnisse im Biogas auswirken können. So konnte die Entstehung von Methanol sowie dessen mikrobieller Abbauprodukte bis zur finalen CH4-Bildung anhand von fünf Isolaten erstmalig in einer landwirtschaftlichen Biogasanlage rekonstruiert und das Vorkommen methylotropher Methanogenesewege nachgewiesen werden. Mithilfe molekularbiologischer Methoden wurden darüber hinaus methanoxidierende Bakterien zahlreicher, unbekannter Arten im Reaktor detektiert, deren Vorkommen aufgrund des geringen O2-Gehaltes in Biogasanlagen bislang nicht erwartet wurde. rnDurch die Konstruktion eines synthetischen DNA-Stranges mit den Bindesequenzen für elf spezifische Primerpaare konnte eine neue Methode etabliert werden, anhand derer eine Vielzahl mikrobieller Zielorganismen durch die Verwendung eines einheitlichen Kopienstandards in einer real-time PCR quantifiziert werden können. Eine über 70 Tage durchgeführte, wöchentliche qPCR-Analyse von Fermenterproben zeigte, dass die Isotopenverhältnisse im Biogas signifikant von der Zusammensetzung der Reaktormikrobiota beeinflusst sind. Neben den aktuell dominierenden Methanogenesewegen war es auch möglich, einige bakterielle Reaktionen wie eine syntrophe Acetatoxidation, Acetogenese oder Sulfatreduktion anhand der δ13C (CH4)-Werte zu identifizieren, sodass das hohe Potential einer kontinuierlichen Isotopenmessung zur Prozessanalytik in Biogasanlagen aufgezeigt werden konnte.rn

Isolierung von Essigsäure-, Propionsäure- und Buttersäure-bildenden Bakterien aus Biogasanlagen

In der vorliegenden Arbeit wurden Essigsäure-, Propionsäure und Buttersäure-bildende Bakterien aus einer thermophilen und drei mesophilen Biogasanlagen sowie aus zwei Hochdruck-Biogas-Laborfermentern isoliert. Die Fermenter waren mit dem nachwachsenden Rohstoff Maissilage, teilweise mit Rinder- oder Schweinegülle und weiteren festen Inputstoffen gefüttert. Für die Isolierung von Säure-bildenden Bakterien wurde ein Mineralsalzmedium verwendet, welchem als Kohlenstoffquelle Na-DL-Laktat, Succinat, Ethanol, Glycerin, Glucose oder eine Aminosäuremischung (Alanin, Serin, Threonin, Glutaminsäure, Methionin und Cystein) hinzugefügt wurde. Hierbei handelt es sich um Substrate, welche beim anaeroben Abbau während der Hydrolyse oder der primären Gärung entstehen können. Die erhaltenen Isolate waren in der Lage, aus diesen Substraten Essigsäure, Propionsäure oder Buttersäure zu bilden. Insgesamt wurden aus den beprobten Anlagen 49 Isolate gewonnen, welche zu den Phyla Firmicutes, Tenericutes oder Thermotogae gehörten. Mit Hilfe von 16S rDNA-Sequenzen konnten die meisten Isolate als Clostridium sporosphaeroides, Defluviitoga tunisiensis und Dendrosporobacter sp. identifiziert werden. Die Bildung von Essigsäure, Propionsäure oder Buttersäure wurde in Kulturen von Isolaten festgestellt, welche als folgende Arten identifiziert wurden: Bacillus thermoamylovorans, Clostridium aminovalericum, Clostridium cochlearium/Clostridium tetani, Clostridium sporosphaeroides, Dendrosporobacter sp., Proteiniborus sp., Selenomonas bovis und Tepidanaerobacter sp. Zwei Isolate, verwandt mit Thermoanaerobacterium thermosaccharolyticum, konnten Buttersäure und Milchsäure bilden. In Kulturen von Defluviitoga tunisiensis wurde Essigsäurebildung festgestellt. Ein Vergleich der 16S rDNA-Sequenzen mit Datenbanken und die Ergebnisse der PCR-Amplifikationen mit Isolat-spezifischen Primerpaaren ergaben zusätzlich Hinweise, dass es sich bei einigen Isolaten um neue Arten handeln könnte (z. B. Stamm Tepidanaerobacter sp. AS34, Stamm Proteiniborus sp. ASG1.4, Stamm Dendrosporobacter sp. LG2.4, Stamm Desulfotomaculum sp. EG2.4, Stamm Gallicola sp. SG1.4B und Stamm Acholeplasma sp. ASSH51). Durch die Entwicklung Isolat-spezifischer Primerpaare, abgeleitet von 16S rDNA-Sequenzen der Isolate oder Referenzstämmen, konnten die Isolate in Biogasanlagen detektiert und mittels qPCR quantifiziert werden (hauptsächlich im Bereich zwischen 1000 bis 100000000 Kopien der 16S rDNA/g BGA-Probe). Weiterhin konnten die Isolate mit Hilfe physiologischer Versuche charakterisiert und deren Rolle in der anaeroben Abbaukette diskutiert werden. Die Art Defluviitoga tunisiensis scheint eine große Bedeutung in Biogasanlagen zu spielen. Defluviitoga tunisiensis wurde am häufigsten in Untersuchungen im Rahmen der vorliegenden Arbeit isoliert und konnte auch mit Hilfe des entwickelten Primerpaares in hohen Abundanzen in den beprobten Biogasanlagen detektiert werden (10000 - 100000000 Kopien der 16S rDNA/g BGA-Probe). Die manuelle Annotation des Gesamtgenoms sowie die Substratverwertungsversuche haben gezeigt, dass Defluviitoga tunisiensis ein sehr breites Substratspektrum in der Verwertung von Kohlenhydraten besitzt und dadurch möglicherweise eine wichtige Rolle bei der Verwertung von Biomasse in Biogasanlagen einnimmt. Mit Hilfe der Ergebnisse der vorliegenden Arbeit konnten somit neue Einblicke in die zweite Stufe des anaeroben Abbaus, die Acidogenese, in Biogasanlagen gegeben werden. rn

Advances in integration of photovoltaic power and energy production in practical systems

This thesis presents advances in integration of photovoltaic (PV) power and energy in practical systems, such as existing power plants in buildings or directly integrated in the public electrical grid. It starts by providing an analyze of the current state of PV power and some of its limitations. The work done in this thesis begins by providing a model to compute mutual shading in large PV plants, and after provides a study of the integration of a PV plant in a biogas power plant. The remainder sections focus on the work done for project PVCROPS, which consisted on the construction and operation of two prototypes composed of a PV system and a novel battery connected to a building and to the public electrical grid. These prototypes were then used to test energy management strategies and validate the suitability of the two advanced batteries (a lithium-ion battery and a vanadium redox ow battery) for households (BIPV) and PV plants. This thesis is divided in 7 chapters: Chapter 1 provides an introduction to explain and develop the main research questions studied for this thesis; Chapter 2 presents the development of a ray-tracing model to compute shading in large PV elds (with or without trackers); Chapter 3 shows the simulation of hybridizing a biogas plant with a PV plant, using biogas as energy storage; Chapters 4 and 5 present the construction, programming, and initial operation of both prototypes (Chapter 4), EMS testing oriented to BIPV systems (Chapter 5). Finally, Chapters 6 provides some future lines of investigation that can follow this thesis, and Chapter 7 shows a synopsis of the main conclusions of this work; Resumo: Avanços na integracão de potência fotovoltaica e producão de energia em sistemas práticos Esta tese apresenta avanços na integração de potência e energia fotovoltaica (PV) em sistemas práticos, tais como centrais existentes ou a rede eléctrica pública. Come ça por analisar o estado corrente do fotovoltaico no mundo e aborda algumas das suas limitações. O trabalho feito para esta tese de doutoramento começou pelo desenvolvimento de um modelo para calcular os sombreamentos que ocorrem em grandes campos fotovoltaicos, e depois apresenta um estudo sobre a integração um sistema fotovoltaico em uma central eléctrica a bióg as. As ultimas secções da tese focam-se no trabalho feito para o projecto PVCROPS, que consistiu na construção e operação de dois demonstratores, cada um formado por um sistema fotovoltaico e bateria conectados a um edíficio e a rede eléctrica pública. Estes protótipos foram posteriormente utilizados para testar estratégias de gestão de energia (EMS) e para validar a operação de duas baterias avançadas (bateria de Iões de Li tio e bateria de Fluxo Redox de Van adio) e a sua utiliza ção para habitações e centrais PV. A tese está dividida em 7 capitulos: O capitulo 1 apresenta uma introdução para explicar e desenvolver as principais questões que foram investigadas nesta tese; O capitulo 2 mostra o desenvolvimento de um modelo baseado em traçados de raios para calcular sombreamentos mútuos em grandes centrais PV (com e sem seguidores); O capitulo 3 mostra a simulação da hibridização de uma central electrica a biogas com uma central PV, e utilizando o biógas como armazenamento de energia. Os capitulos 4 e 5 apresentam a construção, programação e operação inicial dos dois demonstradores (Capitúlo 4), o teste de EMS orientadas para sistemas PV em habitações (Capítulo 5). Finalmente, o capítulo 6 sugere algumas futuras linhas de investigação que poderão seguir esta tese, e o Capítulo 7 faz uma sinopse das principais conclusões deste trabalho.