Entwicklung einer teilautomatisierten und miniaturisierten Kompostierungsanlage (Biomeiler) für die Gewinnung von Niedertemperaturwärme zur Beheizung von Gebäuden und der Erzeugung von Warmwasser bei gleichzeitiger Produktion eines hochwertigen Komposts

Kurzbeschreibung

Im Rahmen dieses Kooperationsprojekts wird die Entwicklung eines Biomeilers zur Gewinnung von Niedertemperaturwärme bei gleichzeitiger, qualitativer Kompostproduktion angestrebt. Dazu soll ein Anlagen-Prototyp entwickelt werden, welcher sowohl einen schadstoffarmen als auch umwelt- und benutzerfreundlichen Betrieb ermöglicht. Zusätzlich werden Mischungen aus verschiedenen Biomassen hinsichtlich ihrer Eignung für die Gewinnung von Wärmeenergie und Kompost zur Optimierung der Anlageneffizienz untersucht. Die Entwicklung soll einen Beitrag zur klimafreundlichen, kontinuierlichen Gewinnung von Niedertemperaturwärme, der Schließung von kleinräumigen Nährstoff- und Wirtschaftskreisläufen und der Gestaltung einer sicheren und umweltverträglichen Energiewende leisten.


Ausgangssituation und Marktbedarf

Ressourcenschonende Energiegewinnung ist aktuell ein politisches und gesellschaftliches Thema. Die effektive Verwertung von organischen Reststoffen kann einen wichtigen Beitrag zur Schonung endlicher Ressourcen leisten und gilt in Deutschland als eine attraktive Alternative der Wärmegewinnung. Als Hauptverfahren haben zur Gewinnung von Energie aus biogenen Reststoffen haben sich die Verbrennung und die Vergärung etabliert. Im Jahre 1970 wurde von dem Franzosen Jean Pain erstmals das Prinzip der Wärmerückgewinnung aus der Kompostierung in der Provence angewendet. Mittlerweile gibt es auch in Deutschland einige technische Kleinanlagen, die dem Kompostierungsprozess Wärme entnehmen. Im deutschen Sprachraum hat sich hierfür der Begriff des Biomeilers etabliert. Das Konzept eines Biomeilers basiert auf der Gewinnung von Wärmenergie aus der Verrottung von Biomasse, welche vor allem in landwirtschaftlichen Betrieben, forstlichen Dienstleistungsunternehmen, sowie in der Garten-, Landschafts- und Parkpflege gehäuft anfallen. Konkret handelt es sich dabei hauptsächlich um halmgutartige Materialien sowie sperrige Holz- und Ernteabfälle. Das Potenzial des holzartigen Anteils, das sogenannte Landschaftspflegeholz, beläuft sich in Deutschland auf schätzungsweise 1,4 Mio. Tonnen Frischmasse pro Jahr. Das größte Potential hinsichtlich der Energie- und Ressourceneffizienz liegt in der Wärmegewinnung im Zuge der Verrottung. Die größte Herausforderung marktüblicher Biomeiler liegt in der Entwicklung effizienter Wärmetauscher, die für den Wärmetransfer eingesetzt werden. Die Wärme- und Kompostentstehung wird derzeit vor allem durch den Aufbau der Anlage und die verwendeten Reststoffe bestimmt und ist zudem nicht steuerbar (Abb. 1).

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Abb. 1: Fertige Biomeiler auf dem Gärtnereigelände der Annalinde gGmbH, November 2018 (Foto: Torsten Schmidt-Baum)
Abb. 2: Abnehmer von Komposten (Stand 2017, Daten: Bundesgütegemeinschaft Kompost e.V.: H&K aktuell Q1 2018)

Die auf dem Markt angebotenen Systeme für den Wärmetransfer weisen den Nachteil auf, dass sie mit hohen Investitionskosten verbunden sind und so nur in zentralen, großtechnischen Anlagen Anwendung finden. Eine entsprechende technische Lösung zur dezentralen Wärmeversorgung von Gebäuden durch Kompostabwärme steht nur bedingt zur Verfügung. In Deutschland findet eine Wärmerückgewinnung in Kompostierungsanlagen nur selten Anwendung, was dazu führt, dass die bei der Kompostierung entstehende Abwärme weitestgehend ungenutzt an die Umgebung abgegeben wird. Damit geht der Nachteil einher, dass energetisches Potenzial aus biogenen Reststoffen verloren geht. Deshalb ist im Sinne der nachhaltigen Energieerzeugung und Dezentralisierung der Energiewende die Entwicklung einer dezentralen Biomeiler-Anlage zur Wärmegewinnung und stofflichen Nutzung der aufgezeigten Abfälle notwendig und zeigt sich als effiziente, umweltfreundliche und schadstoffarme Alternative.

Zielsetzung des Projekts

Die ENERPIPE GmbH hat in Kooperation mit dem Biomasse-Institut der Hochschule Weihenstephan-Triesdorf (HSWT) das Ziel, einen teilautomatisierten und weites gehend substratunabhängigen Biomeiler zur Gewinnung von Niedertemperaturwärme zu entwickeln. Dieser soll zur Gebäudebeheizung und zur Warmwassererzeugung dienen und gleichzeitig einen hochwertigen Kompost erzeugen. Durch die Integration einer innovativen Steuer- und Regelungstechnik soll die individuelle Steuerung auschlaggebender Prozessparameter wie z. B. Feuchtigkeit, Sauerstoffgehalt und Temperatur ermöglicht werden. Eine robuste Verfahrenstechnik der Anlage soll einen wartungsarmen und benutzerfreundlichen Betrieb mit hohen Standzeiten ermöglichen. Dies soll in Summe einen Beitrag zur ressourceneffizienten Gewinnung von Heizwärme, der Schließung von kleinräumigen Nährstoff- und Wirtschaftskreisläufen und der Gestaltung einer sicheren und umweltverträglichen Energiewende leisten.

Damit können zusammengefasst folgende wissenschaftlich-technischen Ziele formuliert werden:

- Entwicklung einer Steuer- und Regeltechnik sowie entsprechender Messmethoden zur Identifikation, Quantifikation und Überwachung der Einflussparameter
- kontinuierliche, aber auch steuerbare Wärmegewinnung
- einfache Bedienbarkeit ohne dauerhafte Überwachung durch geschultes Personal; Robustheit und Verlässlichkeit der Wärmeauskopplung; kein zeit- und personalintensiver Auf- und Abbau notwendig
- hohe und gesicherte Kompostqualität durch Überwachung der Kompostierung
- Entwicklung einer innovativen Ein- und Ausbringtechnik für die Ausgangssubstrate und den entstehenden Kompost
- Gesteuerte Belüftungs- und Frischluftzufuhr
- Untersuchung der Ausgangssubstrate und Findung einer für die Wärme- und Kompostgewinnung optimierten Ausgangssubstratmischung sowie -aufbereitung
- Einsatz einer Nährstoff- oder Starterlösung zur gezielten Beeinflussung des Prozesses im Hinblick auf die Wärmeentstehung und den Wärmetransfer
- Entwicklung einer angepassten Anlagentechnik in Form von Behältern, Wärmetauschern, Belüftungssystemen, Feuchteregelung etc.
- Erhöhung der erzielbaren Energieausbeute gegenüber dem Stand der Technik
- Flexible Wärmebereitstellung unter Berücksichtigung einer hohen Prozessstabilität

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Tab. 1: Angestrebte technische Parameter des Biomeilers

Arbeitspakete des Projekts

Arbeitspaket 1 (alle Partner)
Koordination und Ausarbeitung der technischen Anforderungen auf Grundlage von Literaturrecherchen und Erstellung eines Pflichtenhefts

Arbeitspaket 2 (HSWT, ENERPIPE GmbH)
Design und Definition der Rahmenbedingungen für die Konstruktion des ersten Prototypen

Arbeitspaket 3 (HSWT, ENERPIPE GmbH)
Entwicklung einer leistungsfähigen Wärmerückgewinnungsanlage im Biomeiler

Arbeitspaket 4 (HSWT)
Definition biochemischer Einflussfaktoren auf den Prozess und die Entwicklung angepasster Verfahren des Monitorings

Arbeitspaket 5 (ENERPIPE GmbH)
Entwicklung und Integration einer innovativen und leistungsstarken Regelungstechnik für den Biomeiler-Prototyp

Arbeitspaket 6 (HSWT)
Analyse unterschiedlicher Kompostmischungen und Definition des optimalen Substrats (inkl. Aufbereitung)

Arbeitspaket 7 (alle Partner)
Abschluss der Entwicklung eines neuartigen Biomeilers


Projektleitung


Verbundprojektleitung

Ludwig Heinloth (Koordination)
ENERPIPE GmbH

Teilprojektleitung

Projektbearbeitung


Projektdauer

01.10.2019 - 31.03.2022

Projektpartner

Projektträger

Projektförderung

Förderprogramm

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