Projekt 35227/01

Entwicklung eines innovativen Verfahrens zur Steigerung der betrieblichen Energieeffizienz in Molkereibetrieben mittels Anaerobtechnik

Projektdurchführung

Fachhochschule Münster Präsidium
Hüfferstr. 27
48149 Münster

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Deutschland zählt mit der Produktion von jährlich etwa 28 Millionen Tonnen Rohmilch zu den größten Milcherzeugern weltweit. Rationalisierung und Unternehmenszusammenschlüsse führten dazu, dass weniger, dafür größere, produktionsstärkere Molkereien entstanden, wodurch auch die produzierten Abwassermengen anstiegen. Aufgrund hoher organischer Frachten und leichtabbaubarer Substanzen wie Zucker, Proteine oder organischer Säuren eignen sich Molkereiabwässer besonders für die anaerobe Vergärung zu Biomethan und damit zur energetischen Nutzung. Diese Abwässer werden allerdings nur selten verwertet und in über 90 % der Molkereien kostenintensiv entsorgt. Verfahren zur anaeroben Vorbehandlung der Abwässer ermöglichen den Molkereien Energie in Form von Methan zu gewinnen und dem Unternehmen zurückzuführen. Dadurch lassen sich betriebsintern CO2-Emissionen reduzieren und Energiekosten einsparen.
Ziel des Projekts ist es, am Beispiel der Privatmolkerei Naarmann, ein Abwasserbehandlungskonzept zu entwickeln und zu optimieren, in dem sowohl die Abwasserreinigungsleistung sowie die energetischen Nutzungsmöglichkeiten dargestellt werden. Mit diesem Konzept werden schließlich Scale-Up und Implementierungsdaten ermittelt, die ebenfalls auf andere Molkereien übertragen werden können.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenIm Projekt wurde zur Behandlung und zur energetischen Nutzung von Molkereiabwässern ein Verfahrenskonzept entwickelt und dieses am Beispiel des Standorts der Privatmolkerei Naarmann ökonomisch und ökologisch bewertet. Dazu wurden zunächst die Energie- und Stoffströme der Molkerei erfasst sowie die Abwasserströme vor Ort betrachtet und beprobt. Anhand der Bilanzen und Analysenergebnisse wurden die Abwasserströme bewertet und die geeignete Reaktortechnik für das Verfahrenskonzept ausgewählt. Anschließend wurde auf Basis dieser Erkenntnisse eine halbtechnische Versuchsanlage geplant, gebaut und mit dem Molkereiabwasser betrieben. Mit der Technikumsanlage wurde ein Versuchsprogramm durchgeführt, dass schließlich Aussagen über die Abbaubarkeit des Abwassers und die energetischen Potentiale liefert sowie Scale-Up Daten für die Implementierung in der Großtechnik bereitstellt. Dazu wurde der Einfluss der hydraulischen Verweilzeit auf den Methanertrag und die Methanbildungsrate sowie die Abbaugrade des Chemischen Sauerstoffbedarfs (CSB) ermittelt. Diese Verfahrensdaten dienten abschließend dazu die Integration des Verfahrenskonzepts am Standort der Privatmolkerei Naarmann ökologisch und ökonomisch zu bewerten. Dazu wurden CO2-Bilanzen erstellt, Betriebs- und Investitionskosten ermittelt sowie Einsparungsmöglichkeiten beim Einkauf von Erdgas und der Reduzierung der CO2-Steuern dargestellt.


Ergebnisse und Diskussion

Die im Projekt erzielten Ergebnisse lassen sich wie folgt zusammenfassen:
1. Die Energie- und Abwasserströme der Privatmolkerei Naarmann wurden erfasst und bewertet
2. Analyse und Bewertung der Energieströme
• 0,34 kWhErdgas/kgRohmilch & 0,01 kWhStrom/kgRohmilch
• CO2-Fußabdruck der Molkerei: 13.720 t CO2/a bzw. 0,09 kg CO2/kgRohmilch
• 88 % des Strombedarfes & 26 % des Wärmebedarfs durch KWKK-Prozess abgedeckt
3. Analyse und Bewertung der anaeroben Abbaubarkeit der Abwasserströme:
• Das Molkereiabwasser lässt sich effizient, anaerob abbauen
• Der anaerobe Abbau weist keine Hemmungen durch Störstoffe u. Inhaltsstoffe im Abwasser auf
• Zugabe von Nährstoffen für den Betrieb der anaeroben Reaktoren nicht notwendig
4. Es wurde eine halbtechnische Versuchsanlage zur Erfassung von Scale-Up Daten betrieben
5. Ergebnisse aus den praktischen Untersuchungen an der halbtechnischen Versuchsanlage und des Molkereiabwassers:
• Reaktorspezifische Methanbildungsrate von bis zu 1,5 Nm3CH4/(m3R·d)
• Es wurden CSB-Abbaugrade von über 70 % (anaerob) und mit zusätzlicher aerober Behandlung sind CSB-Abbaugrade von über 90 % erreicht
• CO2-Einsparungspotential von bis zu 5 kg CO2e/m3 Abwasser
6. Ergebnisse der technischen und ökonomischen Bewertung des anaeroben Reaktorkonzeptes:
• Jährliche Erdgaseinsparungen von 5 – 6 % durch Biomethanrückführung
• Jährliche Kosteneinsparungen von über 90.000 €/a
• Treibhausgaseinsparungen von bis zu 1.000 t CO2e/a
7. Empfehlung des entwickelten Konzeptes aus Misch- und Ausgleichsbecken, Druckentspannungsflotationsanlage und EGSB-Reaktor für die anaerobe Abwasserbehandlung bei der Privatmolkerei Naarmann


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Das Projekt „EnerMolk“ wurde bei folgenden Veranstaltungen und Medien präsentiert:
• Präsentation des Projekts bei der PIUS-Länderkonferenz vom 03. bis 04.03.2021 (Online)
• „Die Energie aus dem Abwasser gewinnen“, FH Münster Pressemitteilung vom 11.05.2020 (Zugriff: https://www.fh-muenster.de/egu/news/pressearchiv.php?pmid=8245)
• „Naarmann: Energie aus Abwasser gewinnen“, Münsterländische Volkszeitung vom 15.05.2020
• „Das Beste aus Resten“, Westfälische Zeitung vom 25.05.2020
• „Die Energie aus dem Abwasser gewinnen“, Wirtschaft Münsterland Magazin 03/2020, S. 43
• „Molkereiabwasser-Behandlung für ein nachhaltiges Energiekonzept“, Wasserwirtschaft Wassertechnik (wwt) Fachmagazin 09/2020, S. 14
• Veranstaltung, 11.# energie.frühstück – Energieerzeugung durch Abwasserbehandlung, Erneuerbare Energie Accelerator by storch.energy, 04.04.2022
• Veranstaltung, Technologie Hessen: Bio. Innovationen. Stärken „Wasser und Boden – Stoffströme nutzen, Ressourcen schonen“, 07.04.2022


Fazit

Im Rahmen des Projekts konnten die energetischen Nutzungsmöglichkeiten von Molkereiabwässern am Beispiel der Fa. Naarmann dargestellt und erfasst werden. Die durch die anaerobe Abwasserbehandlung gewonnene Energie kann in Form von Biomethan der Molkerei zurückgeführt werden. Hierdurch werden Treibhausgasemissionen in Form von CO2 verringert und das Abwasser- und Energiekonzept der Molkerei verbessert. Gleichzeitig werden die organischen Frachten im Abwasser reduziert und dadurch kommunale Kläranlagen lokal entlastet. Darüber hinaus lässt sich das am Beispiel der Fa. Naarmann entwickelte Abwasserkonzept auf andere Molkereien übertragen und anwenden.