This thesis deals with the possibilities of using waste heat for power generation with a focusing on biogas plants (BGS). The produced biogas is mainly used for combustion in cogeneration units with internal combustion piston engines. The first part this paper describes the biogas plants. The division of BGS and the biogas processing is mentioned there. Another part is focused on the combined production of electricity and heat. The principles and description various types of cogeneration technologies are presented here. The following are specific options for waste heat utilization for biogas plants. The last section contains proposals to increase electricity production by the BGS with the steam engine and economic evaluation of these proposals is made.

Much research was performed in order to find alternative energy sources. In the new concept presented in this thesis, methane was produced by a microbial consortium which is fed only by glycolate excreted by photosynthetic algae. It was unknown how the biogas production and the process stability are influenced by certain parameter shifts in glycolate feed, pH of the feed, oxygen input and temperature. Therefore, different parameter changes were applied to the reactor system. Gas formation and composition, pH, FosTac and organic acid content in the media were analyzed. Additionally, the community composition induced by the changes of the process parameters was analyzed. Therefore, the single cell level using flow cytometry and the genetic level using T-RFLP were observed. The R based tool flowCyBar was applied to follow community dynamics and to find key players in the process. Abiotic and biotic parameters were used for correlation analysis (Spearman´s Rho) to determine specific functions of sub-communities and the T-RFs found in the whole community. The cultivation at room temperature indicated that the biogas yield was 30 % lower in comparison to the cultivation at 37°C. The community seemed to be able to sustain pulsating oxygen input in case glycolate as substrate is available. Additionally, the system was able to recover after the oxygen application of one day. A linear correlation between the feed glycolate and the biogas production was observed (R^2 = 0.97). High biogas yields were obtained (up to 90 %) indicating that glycolate is a suitable substrate. The efficiency of the process was high with 41 ± 3 % methane in the biogas under defined conditions. It could be observed that biogas can be produced on glycolate as mono-substrate by a complex microbial community while it remained complex over the complete study (505 days cultivation) although glycolate was used as sole carbon source. Key sub-communities (e.g. cluster 1 and 3) and T-RFs (e.g. T-RF representing Planctomycetaceae or 67 bp) were defined and indicated the status of the bioreactor. The community was able to sustain certain parameter shifts, like changes in the pH of the feed (from 3 to 7), while others led to a complete crash of the system, like high glycolate feeds (3.6 g d^-1 L^-1). All in all, the stability of the process seemed to be susceptible on external influences.

In dem Bericht werden praktikable mikrobiologische Nachweismethoden für ausgewählte Indikatorkeime in zehn repräsentativen sächsischen Biogasanlagen aufgezeigt. Weiterhin sind verschiedene Möglichkeiten der Hygienisierung von Wirtschaftsdünger und Gärresten inklusive der Bewertung der technischen und ökonomischen Realisierbarkeit dargestellt. Aus mikrobiologischer und ökonomischer Sicht ist unter den beschriebenen Gegebenheiten eine zusätzliche Hygienisierung für Biogasanlagen nicht erforderlich. Bereits die mesophile Prozessführung bewirkt eine Reduktion der Keimzahlen. Der mikrobiologische Befund der untersuchten Gärrestproben war nicht schlechter als der Befund des Ausgangsproduktes Gülle. Es kann deshalb davon ausgegangen werden, dass das seuchenhygienische Risiko bei der Düngung mit Gärresten nicht höher ist als bei der Verwendung von Gülle. Die Studie richtet sich an Landwirtschaftsbetriebe, wissenschaftliche Einrichtungen und Behörden.

Das Projekt untersucht, wie die Wärme zweier Biogasanlagen den Bewohnern in Burkersdorf/Erzgebirge über ein Mikrogasnetz zur Verfügung gestellt werden kann. Die elektrische und thermische Leistung der zwei bestehenden Biogasanlagen wurde ermittelt und dem Wärmebedarf der Endabnehmer gegenübergestellt. Für einen Volumenstrom von 130 m³/h Biogas werden zwei Trassenverläufe von 2.300 m bzw. 3.200 m für das Biogasleitungsnetz vorgeschlagen. Für das Projektgebiet mit einem Wärmebedarf von insgesamt etwa 2 Mio. kWh/a und fast 50 Wärmeabnehmern errechnen sich bei ca. 20 Prozent Wärmeverlusten Wärmebelegungen von etwa 1.000 kWh/m (abgenommene Wärme pro Meter Nahwärmenetz). Bei kürzeren Netzlängen ist die Wärmeverteilung mit bis zu 1.500 kWh/m rentabler. Für acht verschiedene Optionen der Wärmeversorgung ab dem Blockheizkraftwerk (Kombination verschiedener Erschließungsgebiete) werden jeweils Kosten und Erlöse gegenübergestellt. Für die Realisierung des Projektes werden verschiedene Betreibermodelle und Fördermöglichkeiten aufgezeigt.

Im Rahmen des BioPara Netzwerkes: „Gesamterfassung von biochemischen und metagenomischen Parametern in Biogasanlagen und deren Korrelation zur Produkteffizienz“ erfolgte die in dieser Arbeit durchgeführte Isolierung und Charakterisierung von prozessrelevanten methanogenen Archaeen aus frischen Schlammproben einer kommerziellen Biogasanlage. Insgesamt wurden sechs verschiedene Arten der Gattungen Methanobacterium, Methanoculleus sowie Methanosarcina isoliert und als Reinkultur kultiviert. Darunter wurden mit Methanobacterium aggregans und Methanosarcina flavescens bis dahin unbekannte Spezies identifiziert und umfassend charakterisiert. Außerdem erfolgte mit Methanoculleus bourgensis und M. flavescens die Anreicherung der beiden abundantesten methanoarchaealen Mikroorganismen des beprobten Biogasreaktors. Weiterführend wurde ein anaerobes Testsystem etabliert, um die Methanproduktivität der analysierten Biogasanlagen im Labormaßstab abzubilden. Mit diesem Testsystem wurden die hydrogenotrophen und methylotrophen Wege der Methanogenese als potentiell raten-limitierende Schritte des Biogasprozesses in NawaRo-Anlagen analysiert. Die hydrogenotrophe Methanogenese verlief in allen beprobten Biogasreaktoren nicht an der maximalen Kapazitätsgrenze und stellte daher keinen raten-limitierenden Schritt dar. Weiterführend wurde die methylotrophe Methanogenese bei hohen Methanosarcina-Abundanzen als nicht-ratenlimitierender Prozess identifiziert und durch die Zugabe von Isolat E03.2 zu inaktivierten Schlammproben der untersuchten Biogasanlagen, ergaben sich Hinweise auf die Anwesenheit von Methoxygruppen. Aufgrund der fundamentalen Bedeutung des Wasserstoff-Stoffwechsels in NawaRo-Biogasanlagen, wurden u.a. Wasserstoff-abhängige Gesamt- sowie methanoarchaeale Enzymreaktionen aus frischen Schlammproben quantifiziert und als mögliche Parameter zur Prozessüberwachung analysiert. Dabei konnte eine positive Korrelation der Gesamt-Hydrogenaseaktivität mit der Methanproduktivität in den untersuchten Biogasanlagen gezeigt werden. Die Gesamt-Hydrogenaseaktivität ist somit einen aussagekräftiger Parameter zur Prozesskontrolle.

Substrate wie Rindermist, Hybrid Sorghum/Sudangras, Mais-, Grünroggen- und Grassilage wurden mit Häcksler, Hammermühle, Querstromzerspaner aufgeschlossen und auf ihren Methanertrag im Labor untersucht. Batch-Gärversuche zeigten, dass die Zerkleinerung des Hybrids Sudangras/Sorghum während der Ernte nicht zu einer wesentlichen Effizienzsteigerung führt. Die mechanische Aufbereitung von sehr inhomogenem Material wie strohhaltigem Rindermist vor der Dosierung in die Biogasanlage ermöglicht eine Steigerung der Biogasausbeute von über 60 Prozent. Mit der mechanischen Aufbereitung der Maissilage in der Hammermühle und der Aufbereitung von Grünroggen- und Grassilage im Querstromzerspaner wurde vor dem Eintrag in die Biogasanlage zwar eine bessere Dosier- und Rieselfähigkeit des Substrates erreicht, allerdings blieb die Erhöhung der Biogasausbeute unter 10 Prozent. Effizienzsteigerungen können sich ergeben, wenn die Einstellungen der Zerkleinerungsaggregate jeweils auf das zu dosierende Substrat abgestimmt werden.

Für den Bau von Biogasanlagen werden die aktuellen Fördermöglichkeiten von Bund und Land aufgezeigt. Zudem enthält das kleine Nachschlagewerk zahlreiche, speziell für Sachsen ausgewählte Links zu Beratungsangeboten, Planungshilfen, Wirtschaftlichkeitsrechner, Schulungen und Fachliteratur. Übersichten zu Vergütungssätzen für die ins Stromnetz eingespeisten Kilowattstunden bei unterschiedlichen Einsatzstoffen und -mengen verdeutlichen die Eckpunkte des Erneuerbare-Energien-Gesetzes 2009 und der Novelle, die ab 2012 in Kraft tritt.

An 15 Biogas-BHKW mit und ohne Abgasreinigung (Katalysator bzw. thermische Nachverbrennung) wurden Emissionsmessungen durchgeführt, davon an drei Anlagen über einen Zeitraum von 21 Tagen. Neben der Ermittlung der Formaldehyd- und Geruchsemissionen sollten dabei auch Erkenntnisse über die Standzeit von Abgasreinigungsanlagen gewonnen werden. Die wesentlichen Ergebnisse waren: 1. Der zulässige Grenzwert für Formaldehyd (Altanlagen: 60 mg/m³, Neuanlagen: 40 mg/m³) wurde von den meisten untersuchten Anlagen eingehalten, bei einem Teil der Anlagen wurde allerdings der NOx-Grenzwert von 500 mg/m³ überschritten. 2. Mittels Katalysatoren lassen sich Formaldehydemissionen deutlich reduzieren, Methanemissionen (Schlupf) dagegen nicht. 3. Aussagen über Standzeiten von Katalysatoren sind derzeit nicht möglich. 4. Mittels thermischer Nachverbrennung sind sowohl bei Formaldehyd als auch Methan sehr niedrige Reingaswerte erreichbar, die dazu auch noch hohe Standzeiten aufweisen. 5. Ein negativer Einfluss der Abgasreinigungsanlagen auf die Geruchsemissionen war nicht festzustellen.

M.Tech. (Department of Chemical Engineering, Faculty of Engineering and Technology), Vaal University of Technology. / An enormous amount of food waste (FW) is generated worldwide. Most of this waste is discarded in landfills, where it undergoes uncontrolled anaerobic digestion (AD) process, which emits excessive amounts of greenhouse gases, (methane and carbon dioxide), thereby contributing to global warming. A controlled AD of FW is key for organic waste management with a positive impact on the environment and economy. In South Africa (SA) there is little uptake of biogas technology for FW management due to little research on biogas potential at small to large scale. Furthermore, there is an over reliance on foreign data, which leads to misfit parameters to local raw materials; consequently, producing biogas of low quality and quantity with low degradation of waste. Biogas with poor quality reduces the efficiency of biogas conversion to energy and the low production rate makes the system less feasible. Considering the challenges faced with FW management and the little uptake of the AD technology in SA, this study aimed to treat FW through AD and convert the biogas produced to electricity. A complete-mix biogas pilot plant (VUT-1000C) was designed, constructed and commissioned. The materials used for constructing the pilot plant were sourced locally to prove the applicability of the AD technology in SA. The biodigester was operated at mesophilic temperature, 37 oC, aided by a solar system. A stand-alone 1 m3 plug-flow ambient biodigester (STH-1000A) was operated semi-continuously as well as a control. Cow dung (CD) was used to inoculate the biodigesters, which were then operated semi-continuously at their optimum organic loading rate (OLR). The STH-1000A digester was operated at 0.446 kgVS/m3/day OLR, according to the manufacturer’s specification, while for VUT-1000C, the OLR was determined. The highest biogas and methane yields obtained were 582 and 332 L/kgVS/m3, respectively, at the determined optimal OLR of 1.5 kgVS/m3/day for the VUT-1000C digester this was supported by the modified Gompertz model with an R2 value of 0.9836. VUT-1000C produced 1200 L/day while STH-1000A produced 150 L/day. VUT-1000C proved to be a more effective biodigester than STH-1000A owing to the digester design and operation at mesophilic conditions. The key design findings are higher reactor working volume and high digester temperature. From the 1000 L of biogas produced from VUT-1000C, 1.8 kW of electricity was generated, which is equivalent to powering 300 6W light bulbs for 1 hour. The energy balance of the pilot plant showed that only 10 percent of the energy output was required to operate the plant. These results show that SA has a 475 GWh energy potential based on the current FW figures. Furthermore, the study has shown that biogas technology is readily available for South Africans and that the designed biogas plant was very efficient in FW-to-energy conversion.

De klimatförändringar som idag orsakar allt större problem för länder i Himalayaregionen har ökat beslutsfattares medvetenhet kring konsekvenserna som de ökande temperaturerna för med sig. När människor konsumerar energi från fossila bränslekällor ökar koncentrationen av bland annat koldioxid i atmosfären vilket bidrar till den växthuseffekt som sakta värmer upp jordens klimat. Detta påverkar ekosystem och ökar risken för naturkatastrofer. Nepal är ett av länderna som ser konsekvenserna av den globala uppvärmningen från nära håll och landet satsar därför på att utveckla energisektorn genom implementeringen av fossilfria energislag. En av de mest framgångsrika satsningarna är användandet av biogasteknologi. Idag har över 350 000 småskaliga biogasanläggningar installerats över hela landet. Alternative Energy Promotion Centre (AEPC), den verkställande myndighetsorganisationen för främjande av ren och hållbar energi satsar nu på att utveckla den storskaliga biogassektorn för att öka landets inhemska och hållbara energiutvinning.   Shree Krishna Gau Sewa Sadan (SKGSS) är en hinduisk stiftelse belägen i byn Jatuwa i sydöstra Nepal vars syfte är att ta hand om och betjäna kor, djur som inom hinduism är betraktade som heliga. Stiftelsen siktar nu på att bli ekonomiskt självförsörjande genom att sälja biogas och rötslam från en nyligen byggd biogasanläggning till närliggande hushåll. Gasen ska produceras från dynga insamlat från stiftelsens kor och distribueras genom ett gasnät som ännu inte är byggt. Syftet med denna studie var att utreda möjligheterna för SKGSS att framgångsrikt driva biogasanläggningen och fokuserade på två områden som var av intresse för AEPC, projektets huvudsponsor. Det första var att primärt beräkna hushållens energibehov för matlagning, deras nuvarande energikostnader för matlagning och deras inställning att byta till biogas som matlagningsbränsle för att assistera planeringen av det framtida gasnätet. Det andra var att lokalisera och identifiera potentiella förbättringsområden inom biogassystemet och baserat på detta ge förslag på huvudsakligen tekniska förbättringar som kan hjälpa SKGSS att framgångsrikt driva biogasanläggningen. Studien genomfördes med hjälp av en litteraturstudie, semi-konstruerade intervjuer, enkätundersökning av hushållen och en inspektion av biogasanläggningen.   Enkätundersökningen visade att hushållens intresse att byta till biogas är stort. De flesta var dessutom villiga att betala för att anslutas till gasnätet. Den positiva inställningen till biogas härrör möjligen delvis från en ökad medvetenhet kring klimatfrågor samt energisäkerhet. Undersökningen visade även att det närliggande området inte är en trolig marknad för försäljning av rötslam. Dock är Nepal en växande marknad för organiskt och högkvalitativ gödsel så möjligheterna för en lyckad försäljning av rötslam är ändå stora. De primära beräkningarna visade att anläggningen med dess idag tillgängliga mängd organiskt material inte kan förse mer än 50 hushåll med biogas. Vid planläggningen av gasnätet måste dock beräkningar baserade på faktiska mätningar av biogassystemet göras. Denna studie rekommenderar även ett antal förbättringar av biogassystemet som skulle kunna hjälpa stiftelsens biogasanläggning att fungera bättre. / As climate change becomes an ever-bigger issue for countries in the south-Himalayan region, policy makers become more aware of the problems associated with increasing temperatures. As countries consume more energy extracted from fossil fuels the climate becomes warmer, affecting ecosystems and increasing the risk of natural disasters. Nepal is one of the countries seeing the effects of global warming from close range and the country is now seriously aiming to develop its energy sector through the implementation of sustainable energies. One of the more successful stories of the Nepali energy sector is the implementation of biogas technology. As of today, more than 350 000 small scale biogas systems for single household use are operating all over Nepal. The Alternative Energy Promotion Centre (AEPC), the focal governmental agency for the promotion of sustainable and clean energy, is now aiming to develop the large-scale biogas sector. This would increase the amount of domestic sustainable energy as well as the country’s energy security.   The Shree Krishna Gau Sewa Sadan (SKGSS) is a Hindu trust located in south-eastern Nepal with the purpose of taking in and serving cows. It now aims to become economically self-sufficient by selling biogas and slurry produced from a newly constructed large-scale biogas plant to the nearby community households. The biogas will be produced from cow dung collected on the property and distributed to the households through a gas grid that is yet to be designed and built. The purpose of study was to investigate the opportunities for the trust to successfully operate the biogas plant and was focused on two areas of interest to the AEPC, which is the key sponsor of the community biogas project. The first was to primarily calculate the energy cooking demand of the nearby households, their current cost of cooking and their attitude towards a switch to biogas usage which would assist the planning of the future gas grid. The second was to localize and identify potential areas of improvements within the biogas system and based on that offer suggestions of improvements focused on technical aspects that would help the SKGSS to successfully operate the biogas plant.The study was conducted using a literature study, semi-constructed interviews, household surveys and on-site inspections of the biogas plant.   The household survey showed that the nearby households’ interest in switching to biogas is high. Most of the households also showed to be willing to pay extra money to be connected to the biogas grid. The positive attitude towards biogas partly stems from a raised awareness about climate issues as well as increased security in energy security. The survey also showed that the nearby urban and semi-urban community is not a viable market for the produced slurry. However, Nepal is a big and growing market for organic high value fertilizer so the potential of a successful sale of slurry is still high. The primary calculations show that with the feedstock available, the community biogas plant cannot suffice more than 50 households’ energy demand for cooking. When designing the gas grid, proper calculations based on actual measurements of the biogas system need to be done. This study also recommends various improvements of the biogas system that will help the SKGSS biogas plant to operate successfully.