Tauchmotorrührwerke sind nach wie vor Standard in vielen Biogasanlagen. Das zeigte die jüngste Analyse zum Stand der Biogastechnik in Deutschland, dem Biogasmessprogramm III. Dieses hat das Deutsche Biomasseforschungszentrum (DBFZ) zusammen mit anderen Instituten in Deutschland durchgeführt und 2020 veröffentlicht.

Danach kommen Tauchmotorrührwerke in 59 % der Anlagen zum Einsatz, gefolgt von Langachsrührwerken, und Langachs-Propellerrührwerken. „Der Vorteil der Tauchmotorfabrikate liegt in den geringen Kosten und der guten Verstellmöglichkeit in der Höhe und der Ausrichtung, um flexibel rühren zu können“, erklärte Benjamin Ohnmacht, Doktorand an der Universität Hohenheim auf der FNR/KTBL-­Tagung „Biogas in der Landwirtschaft 2021“.

Hoher Stromverbrauch

Aber es gibt auch Nachteile. So haben die Rührwerke einen relativ hohen Stromverbrauch. „Viele Studien kommen zu dem Schluss, dass etwa 4 bis 6 % des produzierten Stroms in einer Biogasanlage für das Rühren verwendet wird. Daher sind die Rührkosten ein Faktor, der die Wirtschaftlichkeit beeinflusst“, sagt Ohnmacht.

Zudem können die Propeller – bei falschem Management – wegen ihrer hohen Drehzahl den Mikroorganismen schaden. Langachsrührwerke dagegen durchmischen das Substrat zwar schonender, sind aber erheblich teurer und lassen sich in der Regel nicht verstellen.

Darum kommt es beim Rühren darauf an, die Vorteile der verschiedenen Modelle optimal zu nutzen. Die Uni Hohenheim hat dazu in der Versuchsbiogasanlage am Unteren Lindenhof untersucht, wie sich bei reduzierten Rührzeiten der Stromverbrauch senken lässt, ohne die Umwälzung des Fermenterinhalts zu vermindern.

Aufgabe der Rührwerke

Denn diese ist wichtig für den gesamten Prozess und darf durch kürzere Rührzeiten nicht beeinträchtigt werden:

• Rührwerke müssen dafür sorgen, dass eingebrachtes Material zum Abbau im Fermenter verteilt wird.
• Sie sollen gleichzeitig verhindern, dass sich Schwimmschichten ergeben.
• Sie müssen die über Wand- oder Fußbodenheizung eingebrachte Wärme gleichmäßig im Behälter verteilen, um die Gasproduktion aufrechtzuerhalten.
• Das Rühren sorgt auch dafür, dass entstandenes Biogas an die Oberfläche gelangen kann.

In dem Versuch haben die Wissenschaftler Propionsäure als „Tracer“ eingesetzt. Gemeint ist ein Stoff, mit dessen Hilfe sich Strömungen und Substratverteilung im Fermenter nachvollziehen lassen. „Wir haben bewusst einen Stoff gewählt, der nach einiger Zeit biologisch abgebaut wird. Auf diese Weise kann er sich im Laufe des Versuchs nicht anreichern“, sagt Benjamin Ohnmacht.

Versuch mit einem Rührwerk

Bei dem Rührversuch haben die Forscher zunächst nur ein Tauchmotorrührwerk (Flygt 4670 mit 13 kW Nennleistung und 11,5 kW tatsächlicher Leistung bei 365 U/min) eingesetzt. Das Rührintervall lag bei 15 Minuten. Anschließend haben sie die Durchmischung anhand der Propionsäureverteilung vor und nach der Zugabe an verschiedenen Stellen im Fermenter über mehrere Stunden untersucht.

Ergebnis: Erst nach vier Stun­den war eine vollständige Verteilung der Propionsäure festzustellen, im oberen Behälterbereich sogar erst nach acht Stunden. Zudem zeigten sich an der Oberfläche eine langsame Strömung und die Ausbildung mehrerer Zonen.

Kombination von 2 Modellen

Im zweiten Versuch schalteten die Wissenschaftler ein Rührwerk dazu, das in dem Versuchsfermenter installiert ist: Ein Stabrührwerk der Marke Rema Biogator HPR1 mit 75 U/min und 8,5 kW tatsächlicher Leistung. Einzige Vorgabe war, dass der Stromverbrauch nicht höher sein sollte als beim Einsatz des einzelnen Rührwerks.

„Trotzdem konnten wir schon nach wenigen Minuten eine gute Durchmischung im Behälter feststellen“, berichtet Ohnmacht. Die Strömung an der Oberfläche war deutlich größer, es kam zu keiner Zonenbildung mehr. Auch die Wärmeverteilung war sehr gut, wie sich anhand von Sensoren am Rand und in der Behältermitte feststellen ließ.

Als Resümee aus dem Versuch rät Ohnmacht Praktikern, bei zwei Rührwerken im Behälter beide immer gleichzeitig arbeiten zu lassen. Die Korrespondenz beider Rührwerke würde zu einem besseren Ergebnis führen bei gleichzeitig weniger Stromverbrauch und Verschleiß.

Ideal sei eine Kombination aus Tauchmotorrührwerk und Langsamläufer. „Ein Tauchmotorrührwerk ist flexibel einsetzbar und kann auch Schwimmschichten beseitigen. Der Langsamläufer dagegen durchmischt das Substrat schonend bei geringem Stromverbrauch“, fasst er die Ergebnisse zusammen.

Weitere Maßnahmen

Zudem gibt es weitere Möglichkeiten, die Effizienz von Rührwerken zu erhöhen und damit den Stromverbrauch zu reduzieren:

• Eine Substrataufbereitung vor der Vergärung kann für einen Voraufschluss bzw. eine bessere Angriffsfläche für Bakterien sorgen und den Rühraufwand im Behälter reduzieren.
• Der Einsatz von Enzymen oder an­deren Gärhilfsstoffen kann dazu bei­tragen, die Viskosität im Fermenter zu senken und damit die Rührleistung zu erhöhen.
• Eine Verlängerung der Verweilzeit erhöht den Abbaugrad und reduziert unter Umständen auch die Viskosität.

„Wichtig ist, dass Betreiber mithilfe eines Eigenverbrauchszählers oder zumindest über einen Laufzeitzähler den Betrieb des Rührwerks erfassen kann. Nur damit lässt sich feststellen, welchen Effekt Repoweringmaßnahmen haben“, sagt Ohnmacht abschließend.

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Geld für den Rührwerkstausch

Biogasanlagenbetreiber, die ein Rührwerk, die Einbringtechnik oder ein Speicherdach tauschen wollen, können eine finanzielle Förderung bekommen. Möglich ist das nach dem „Modul 4“ des Förderprogramms „Energieeffizienz in der Wirtschaft“.

Das zuständige Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle (BAFA) hat das Programm am 1. November 2021 novelliert und den Zusatz „Ressourceneffizienz“ ergänzt. „Noch ist unklar, was das für Biogasanlagen bedeutet, aber die Förderbedingungen bleiben erhalten“, erklärte Biogasberater Christian Böhm vom renergie Allgäu.

CO₂-Einsparung wichtig

Den Zuschuss können Anlagenbetreiber allerdings nicht selbst beantragen, sondern sie benötigen einen zugelassenen Energieberater. Dieser muss bescheinigen, welche CO₂-Einsparung die Maßnahme bringt. „Wir haben gute Erfahrung mit dem Tausch von Rührwerken, der Einbringtechnik und auch der Wärmedämmung mit neuen Doppelmembrandächern gemacht, die den Wärmebedarf reduzieren“, erklärte Böhm. Möglich sind auch Kombinationen wie der Tausch von Rührwerken und Einbringtechnik. Der Zuschuss ist möglich, weil z. B. ein effizienteres Rührwerk weniger Strom verbraucht.

Pro Tonne CO₂, die sich damit einsparen lässt, erhält der Anlagenbetreiber jetzt 900 € als Zuschuss. Darin eingeschlossen sind auch Nebenkosten für den Bau wie z. B. ein Kran zum Rührwerkstausch oder eine Kernbohrung für ein neues Aggregat.

Die Fördermaßnahme ist gedeckelt auf 40 % der Investitionssumme. „Das bedeutet aber nicht, wie fälschlicherweise angenommen, dass man pauschal 40 % bekommt“, schränkte er ein. Wenn die Maßnahme weniger CO₂ einspart, kann der Zuschuss durchaus unter 40 % liegen.

Eine weitere Einschränkung: Die Amortisationszeit der Maßnahme muss mindestens bei drei Jahren liegen. Rechnet sich die Effizienzsteigerung schneller, gibt es keinen Zuschuss.

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Neue Rührwerke auf dem Markt

Mit stromsparenden Modellen und neuen Einstellmöglichkeiten bieten Hersteller neue Rührlösungen für Biogasanlagenbetreiber an.

Stromsparendes Tauchmotorrührwerk

Eisele hat mit dem GTWSB 206-E ein Tauchmotorrührwerk mit einem 15-kW-Antrieb gemäß Energie­effizienzklasse IE5 auf den Markt ­gebracht. Der Motor erreicht laut Hersteller einen Wirkungsgrad von über 96 %. Betreiber können dafür ­einen Zuschuss beim Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle (BAFA) ­erhalten.

Der Hersteller hat den Breitblattpropeller ­strömungstechnisch optimiert. Die Laufruhe konnte verbessert werden. Die Flügelgeometrie und ein neues Fertigungsverfahren zur ­Herstellung der Nabe sollen zudem für eine ­Steigerung der Schubkraft bei einem deutlich ­geringeren Leistungsbedarf sowie für bessere Rührergebnisse und hohe Standzeiten ­sorgen.   

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Rührwerk mit 1,20-m-Flügel

Das PSM 1200 von ­Anaergia (früher UTS ­Products), ist mit 1,20 m langen Rührflügeln ausgestattet. Es dreht bei 80 bis 120 Umdrehungen pro ­Minute bei einer Stromaufnahme von 5 bis 12,5 kW. Es ist konzipiert für Flüssigkeiten mit mehr als 8 % TS-Gehalt. Zur Ausstattung ­gehört auch der Dynamic Mixing Controller (DMC) für eine vollautomatische ­Rührwerksregelung.   

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Flexible Einstellung des Rührwerks

Tauchmotorührwerke im Fermenter sind üblicherweise an Schienen befestigt und lassen sich per Seilzug hoch- und herunterbewegen. Die Führungsschienen können die Strömung des Substrats bremsen. Zudem sind Elektrokabel und Seilverstellung bekannte Störquellen im Behälter.

Mit der Rührwerksbefestigung „Side Entry“ will Streisal diese Nachteile umgehen. Hierbei wird in der ­Behälterwand eine Verstelleinrichtung montiert, die sich von außen per ­Aufsteckgetriebe verstellen lässt. Auf dieser wird das Rührwerk befestigt und kann auf einer Kreisbahn verstellt ­werden.  

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Rührwerke für Nachgärer und Vorgruben

Saveco bietet die Chior SE-Rührwerke jetzt auch in einer „ATEX-Version“ für Vorgruben und Nachgärern von Biogasanlagen. Auch bei ihnen kommt das besondere Propellerdesign zum Einsatz, das im Zusammenspiel mit energieeffizienten Motoren und ­Getrieben für eine geringere Strom­aufnahme sorgen soll.

Aufgrund der Energieeffizienz sind die Chior SE-Rührwerke für die Förderung durch das BAFA zertifiziert. Die Rührwerke leisten einen Schub von 6 000 N und wälzen bis zu 16 000 m³/h um. Die Modulbauweise macht unterschiedliche Kombinationen von Motorleistung, Getriebe und Propellerdurchmesser möglich, mit denen Anwender ein für den ­jeweiligen Einsatzfall ­abgestimmtes Rührwerk erhält.