Trotz der zunehmenden Bedeutung, die der Biogasprozess in der Reihe der regenerativen Energiequellen seit einigen Jahren einnimmt, sind dessen mikrobiologische Prozesse häufig nur zum Teil verstanden und die Zusammensetzung der mikrobiellen Biozönose oft unbekannt. Um jedoch die Biogasgewinnung möglichst effektiv zu gestalten, ist es essentiell, die physikochemischen Bedingungen im Reaktor an die Mikroorganismen anzupassen. Daher war es ein Ziel dieser Arbeit, die mikrobielle Gemeinschaft in verschiedenen Biogasanlagen abhängig vom eingesetzten Substrat zu charakterisieren. Dabei zeigte sich, dass insbesondere die archaeelle Diversität in NawaRo-Anlagen sehr limitiert ist und die Organismen in den einzelnen Anlagen nah verwandt sind. Von großer Bedeutung waren dabei die Genera Methanoculleus und Methanosarcina (bei hoher Acetatkonzentration) bzw. Methanothrix (bei geringer Acetatkonzentration). Deren genaues Verhältnis in den verschiedenen Anlagen hing wesentlich von den zugesetzten Co-Substraten ab und vor allem in Anlage A konnte eine Abhängigkeit der Abundanz von Methanosarcina je nach Zusatz von Hühnertrockenkot bzw. Rindermist beobachtet werden. Im Gegensatz dazu spielten die untersuchten chemischen Parameter eine geringere Rolle und es konnten kaum Korrelationen zwischen der Abundanz einzelner archaeeller Genera und physikochemischen Parametern beobachtet werden. In der mit Klärschlamm betriebenen Anlage KA waren außerdem verschiedene Methanobacteriales und Organismen der WCHA1-57-Klade von Bedeutung. Neben methanogenen Archaea konnten in den Anlagen C, KA und KL außerdem Crenarchaeota nachgewiesen werden, die wahrscheinlich in das erst kürzlich neu postulierte Phylum der „Bathyarchaeota“ einzuordnen sind. Deren genaue physiologische Funktion im Biogasprozess ist jedoch noch ungeklärt. Zusätzlich zu den Archaea wurden exemplarisch auch Proben aus den einzelnen Anlagen hinsichtlich ihrer bakteriellen Population untersucht. Dabei waren in den NawaRo-Anlagen A, B, C und KL vor allem Firmicutes und Cloacimonetes zu finden. Letztere stellen dabei eine bisher nur wenig charakterisierte Gruppe dar, die wahrscheinlich im hydrolytischen Abbau von Cellulose und/oder Aminosäuren eine entscheidende Rolle spielen. Innerhalb der Firmicutes übten insbesondere die Clostridiales vielseitige physiologische Funktionen innerhalb der anaeroben Fermentation aus. Überraschend gering war jedoch der Anteil der syntrophen Organismen. Es ist möglich, dass einige der nicht näher klassifizierbaren OTUs dieser Gruppe angehören, da der syntrophe Abbau verschiedener Säuren von essentieller Bedeutung für den Biogasprozess ist. In der mit kommunalem Abwasserschlamm betriebenen Anlage KA war der Anteil der Firmicutes und Cloacimonetes deutlich geringer. Abundantestes Phylum waren hier die Proteobacteria, unter denen zusätzlich Syntrophe zu finden sind. Zusätzlich zur Untersuchung der mikrobiellen Gemeinschaft während des Normalbetriebes von Biogasanlagen wurden außerdem häufige Prozessstörungen simuliert. Dabei zeigte sich, dass es trotz rückläufiger Methanbildung häufig nicht zu Veränderungen in der Zusammensetzung der Mikroorganismen kommt und stattdessen deren Aktivität sinkt. Erst bei dramatischer Veränderung der physikochemischen Parameter, wie es im Rahmen des ersten Versuchs zur Ammonium-Intoxiaktion der Fall war, wurden deutliche Veränderungen in der archaeellen Biozönose detektiert. Die bakterielle Gemeinschaft blieb dabei kaum verändert. Bei geringerer Ammoniumkonzentration hingegen konnte eine gute Anpassungsfähigkeit der Archaea gezeigt werden. Dennoch war es nicht möglich, anhand dieser Versuche einen allgemein gültigen Grenzwert der Ammoniumkonzentration, ab der inhibitorische Effekte auftreten, festzulegen, da in Anlage A bei ähnlichen Konzentrationen die archaeelle Abundanz durchaus zurückging. Auch im Rahmen der Versuche zur Versauerung konnte eine gute Anpassungsfähigkeit der Archaea gegenüber erhöhten FOS-Konzentrationen gezeigt werden. Dabei war insbesondere eine erhöhte Abundanz der Syntrophomonadaceae mit Stressresistenz verbunden, während eine erhöhte Abundanz von Methanobacterium mit verminderter Säuretoleranz einher ging. Insgesamt liefern die Ergebnisse dieser Arbeit einen aufschlussreichen Einblick in die mikrobielle Population in NawaRo-Anlagen sowohl während des Normalbetriebes als auch im Verlauf von Prozessstörungen, die zu einem besseren Verständnis der ablaufenden Prozesse beitragen können. Dennoch ist die Rolle vieler beteiligter Organismen noch nicht gänzlich geklärt. Es sind daher weitere Studien nötig, um die mikrobiologischen Prozesse in Biogasanlagen vollständig zu verstehen.

Das LfULG prüft seit dem Jahr 2005 im Rahmen von Mehrländerverbundvorhaben den Anbau von Sorghum zur Nutzung als Kosubstrat für die Biogaserzeugung. Die Broschüre vermittelt Landwirten und Beratern den aktuellen Kenntnisstand zum Sorghumanbau und gibt Anregungen zur Optimierung des betrieblichen Energiepflanzenanbaus auf Trockenstandorten.:Sorghum – Anbaualternative für Trockenstandorte... 04 Herkunft und Charakteristik .......................................04 Anbautechnische Empfehlungen ...............................05 1 Arten-/Sortenwahl ...............................................05 2 Fruchtfolge ..........................................................09 3 Aussaat ...............................................................11 4 Düngung ..............................................................12 5 Pflanzenschutz ....................................................14 6 Ernte ....................................................................16 Substratqualität ...........................................................17 Verfahrensbewertung ..................................................19 Gesamteinschätzung ..................................................22 Quellen ........................................................................23

This thesis investigates the potential of biomethane production in India, the impact of its integration into the energy mix, and the corresponding Greenhouse Gases (GHG) emission and potential reduction. India, with its huge population and being an agriculturally rich country, produces gigantic amounts of biodegradable waste from various sources such as Municipal Solid Waste (MSW),agricultural waste, animal husbandry, sugar industry, etc. Three different end-use scenarios: electricity generation, cooking fuel, and transportation fuel—are assessed in order to determine the decree to which current fossil fuels may be replaced and the net amount of greenhouse gas emissions that are saved by using this biomethane. The total biomethane generation potential according to the study conducted by the Ministry of New and Renewable Energy (MNRE) is 25.6 Billion Metric Standard Cubic Meters (BMSCM) and with the most efficient upgrading technology available (3-stage membrane filtration) the useful potential is 25.4 BMSCM. The electricity that can be produced from the biomethane potential available is 159.1 TWh, which corresponds to the optimistic value of GHG emission reduction of 89million tons. When used as a cooking fuel, biomethane can contribute immensely to satisfying the final thermal needs of India. It can satisfy more than half the combined total thermal energy from Compressed Natural Gas (CNG) and Liquefied Petroleum Gas (LPG) consumed in India and, at the same time, reduce 46.2 million tons of GHG emissions caused by it. The transportation sectoris the most suited and easy to adapt as an end-use application for biomethane. It was observed that biomethane as a replacement for Petrol for road transportation fuel presents the best scenario, since biomethane can reduce more than 71% of its consumption and respectively reduce more than 57 million tons of GHG emission, which is the second highest after electricity production. This thesis puts up a strong case to look at biomethane as a very important fuel towards India’starget to be net zero by 2070 and its plans to be self-reliant. Moreover, biomethane production usingthe path of anaerobic digestion provides not only a renewable source of energy but also food security with digestate being used as fertilizer and an opportunity to address the impact of climate change by preventing the emission of methane in the atmosphere which has a global warming potential of28 and burning of agricultural waste in the open field. Eventually, the production of biomethane prevents soil, air and water pollution. / Denna avhandling undersöker potentialen för biometanproduktion i Indien, effekterna av dess integration i energimixen och motsvarande utsläpp och potential för växthusgaser (GHG). minskning. Indien, med sin enorma befolkning och är ett jordbruksrikt land, producerar gigantiska mängder biologiskt nedbrytbart avfall från olika källor som kommunalt fast avfall (MSW), jordbruksavfall, djurhållning, sockerindustri, etc. Tre olika slutanvändningsscenarier: el produktion,matlagningsbränsle och transportbränsle – utvärderas för att fastställa till vilket dekret nuvarande fossila bränslen får ersättas och nettomängden växthusgasutsläpp som sparas genom att använda denna biometan. Den totala biometangenereringspotentialen enligt studien utförd av ministeriet för ny och förnybarenergi (MNRE) är 25,6 miljarder metriska standardkubikmeter (BMSCM) och med den mest effektiva uppgraderingstekniken som finns tillgänglig (3-stegs membranfiltrering) är den användbara potentialen 25,4 BMSCM. Den el som kan produceras från den tillgängliga biometanpotentialen är 159,1 TWh medan det optimistiska värdet av växthusgasutsläpp som är möjligt med användning av biometan för elproduktion är 89 miljoner ton. När biometan används som matlagningsbränsle kan det bidra oerhört mycket för att tillfredsställa Indiens slutliga termiska behov. Det kan tillfredsställa mer än halva finalen termisk energi som förbrukas i Indien och samtidigt samma miljon ton i utsläpp av växthusgaser som orsakas av den. Transportsektorn är den mest lämpade och lätta att anpassa som slutanvändningsprogram för biometan. Det observerades att biometan som ersättning för bensin som transportbränsle är det bästa scenariot eftersom biometan kan minskamer än 71 % av sin förbrukning och respektive minska mer än 57 miljoner ton växthusgasutsläpp, vilket är det näst högsta efter elproduktion. Den här avhandlingen ger ett starkt argument för att se biometan som ett mycket viktigt bränslemot Indiens mål att vara nettonoll år 2070 och dess planer på att vara självförsörjande. Dessutom ger biometanproduktion genom att använda vägen för anaerob rötning inte bara en förnybar energikälla utan också livsmedelssäkerhet med rötgas som används som gödningsmedel och en möjlighet att ta itu med effekterna av klimatförändringar genom att förhindra utsläpp av metan i atmosfären som har en global uppvärmningspotential på 28 och förbränning av jordbruksavfall på det öppna fältet. Så småningom förhindrar produktionen av biometan mark-, luft- och vattenföroreningar.

Der biologische Aufschluss lignocellulosehaltiger Biomasse mit Hilfe von Mikroorganismen oder ihrer Enzyme ist im Vergleich zu bekannten physikochemischen Verfahren umwelt- und ressourcenschonend. Der Einsatz geeigneter bakterieller oder pilzlicher Hydrolasen und Oxidoreduktasen in isolierten Form bedarf jedoch, aufgrund der noch zu geringen katalytischen Effizienzen und der nach wie vor zu hohen Herstellungskosten der Enzyme, weiterer Optimierung. Vor diesem Hinter-grund besteht, neben dem Ansatz einer gentechnischen Verbesserung der En-zym-Eigenschaften mittels protein oder metabolic engineering, die Möglichkeit einer prozesstechnischen Optimierung der Enzym-Präparate und ihrer Einsatzbe-dingungen. Dem letzteren Ansatz widmete sich die vorliegende Arbeit, in der ein bisher kommerziell nicht erhältliches Glycosidase-Gemisch aus dem ascomycetalen Schimmelpilz Penicillium janthinellum, der für seine hohen β-Glycosidase-Aktivitäten bekannt ist, im Zusammenhang mit dem enzymatischen Aufschluss faserreicher Substrate (Lignocellulosen) untersucht wurde. Ein Schwerpunkt lag dabei auf der kombinierten Anwendung des Glycosidase-Präparats mit zwei pilzlichen Peroxidasen (Mangan-Peroxidase, MnP und Dye-decolorizing-Peroxidase, DyP). Darüber hinaus wurden vergleichende Untersuchungen zu biologischen Aufschlussverfahren unter Einsatz pilzlicher Glycosidasen und/oder mikrobieller Vorkulturen durchgeführt. Die untersuchten Lignocellulose-Substrate (Hölzer, strohähnliche Materialien) stammten aus der gemäßigten und tropischen Klimazone (Europa bzw. Kambodscha), und wurden in den Experimenten in zerkleinerter Form, allerdings ohne weitere Vorbehandlung, eingesetzt. Die Konzentration niedermolekularer Zucker (insbesondere Monosaccharide), die während des enzymatischen Aufschlusses aus den Substraten freigesetzt wurden sowie der Biogasertrag, der mittels anaerober Fermentation aus den enzymatisch und/oder mikrobiell vorbehandelten Substraten erzielt wurde, dienten zur Beurteilung der Effektivität der jeweiligen Vorbehandlung. Außerdem wurde die in den Experimenten verwendete mikrobielle Vorkultur soweit molekularbiologisch untersucht, dass die Bakterienart identifiziert werden konnte, die maßgeblich am Aufschluss der lignocellulosehaltigen Biomasse beteiligt war. Die enzymatische Umsetzung der ausgewählten lignocellulosehaltigen Substrate mit Hilfe des Glycosidase-Gemisches aus P. janthinellum verlief erfolgreich und ist vergleichbar mit Ergebnissen, die laut Literatur unter Zuhilfenahme der effektivsten industriellen Cellulase-Präparate erzielt worden sind. Es wurden vorrangig Glucose und Xylose aus den verschiedenen Zellwand-Polysacchariden freigesetzt, wobei die Umsetzung von Cellulose und Hemicellulosen im Holz tropischer Laubbäume effizienter verlief als im Holz europäischer Laubbäume. Der Gehalt an Lignin und organischen Extraktiven beeinflusste – abgesehen von einigen artenspezifischen Inhibitoren – nur geringfügig den enzymatischen Aufschluss der Polysaccharid-Komponenten. Die Vorbehandlung mit dem Glycosidase-Präparat aus P. janthinellum führte zu einer Verbesserung der Biogasbildung und zum Ausbleiben der für faserreiche Substrate typischen Lag-Phase während der ers-ten Tage der anaeroben Vergärung der Lignocellulose aus Triticum sp. (Weizen-stroh) und Pinus sylvestris (Kiefernspäne). Dabei erhöhte sich der finale Biogasertrag innerhalb des Untersuchungszeitraums signifikant. Die genannten positiven Effekte einer enzymatischen Vorbehandlung könnten sich in kontinuierlich betriebenen großtechnischen Biogasanlagen als nützlich erweisen: Zum einen ließen sich die Gaserträge deutlich erhöhen und zum anderen könnte die erforderliche Verweilzeit des Substrates im Bioreaktor (Fermenter, Faulturm) und somit das benötigte Anlagenvolumen reduziert werden. Eine vorausgehende Oxidation des im Substrat enthaltenen Lignins mit Hilfe der MnP erwies sich in der nachfolgenden Behandlung mit Glycosidasen als förderlich hinsichtlich der Freisetzung von Zuckern aus dem Holz von Fagus sylvatica (Rotbuche). Verglichen mit der häufig verwendeten Malonsäure war die Citronensäure, ein pilzlicher Metabolit des Intermediär-Stoffwechsels (Zitronensäurezyklus), ein wirksamerer Mangan-Chelator für diese Voroxidation mittels MnP. Dies hing möglicherweise mit der höheren chemischen Reaktivität der Citronensäure zu-sammen, was eine verstärkte Bildung chemischer Radikale zur Folge hatte. Eine enzymatische Vorbehandlung mittels DyP und dem Glycosidase-Gemisch in einer Reaktionskaskade wirkte sich ebenfalls positiv auf die Biogasbildung, in diesem Fall aus Bagasse von Saccharum officinarum (Zuckerrohr), aus. Dabei kam es wahrscheinlich auch zu einer partiellen Oxidation und Zerstörung des Lignins und damit zu einer Verbesserung der Zugänglichkeit der Zellwand-Polysaccharide. Im Ergebnis konnten Cellulose und Hemicellulosen in späteren Phasen der anaeroben Vergärung von den entsprechenden Mikroorganismen (Bakterien, Archaeen) besser verwertet werden. Der Voraufschluss mit Glycosidasen führte hingegen in der initialen Phase der anaeroben Vergärung zu positiven Effekten bezüglich der Biogasbildung, indem die bereitgestellten Einfachzucker (z.B. Glucose, Xylose) rasch in Methan umgewandelt wurden. Beim Vergleich verschiedener biologischer Aufschlussverfahren erwies sich eine kombinierte Vorbehandlung des Substrates („Stroh“ von Miscanthus × giganteus), bestehend aus einer Vorhydrolyse durch das Glycosidase-Gemisch und einer Vorfermentation mit einer Mischkultur gärender Mikroorganismen, als der effektivste Weg. Durch die kombinierte biologische Vorbehandlung konnte ein ähnlich hoher Methanertrag wie für Maissilage (das derzeit optimale Substrat in Biogasanlagen) erreicht werden. In der entsprechenden mikrobiellen Vorkultur wurde ein Bacillus-Vertreter aus dem so genannten Bacillus-subtilis-Artkomplex (Bacillus subtilis species-complex) mittels klassischer mikrobiologischer und molekularbiologischer Analysen als möglicher „abbaurelevanter Organismus“ identifiziert. / The biological disintegration of lignocellulosic biomass by microorganisms and their enzymes is – in comparison to established physical and chemical approaches –environmentally friendly and sustainable. The broad use of isolated bacterial or fungal hydrolases and oxidoreductases requires, however, still substantial optimization because of too low catalytic performance and too high production costs for the enzymes. Against this background, there is the possibility, besides genetic improvement of enzyme properties by protein and metabolic engineering, to optimize the process performance of enzymes as well as the reaction conditions. The latter approach has been subject of the present dissertation, in the course of which a non-commercial preparation of glycosidases from the ascomycetous mold Penicillium janthinellum, which is well-known for its high β-glycosidase activities, was used for the enzymatic disintegration of fiber-rich substrates (lignocelluloses). Experimental work focused on the combined action of the glycosidase mixture with two fungal peroxidases (manganese peroxidase, MnP and dye-decolorizing peroxidase, DyP). Furthermore, comparing studies were carried out regarding enzymatic/biological lignocellulose disintegration by isolated fungal glycosidases and/or microbial precultures. Lignocellulose substrates studied (wood, straw-like materials) originated from temperate and tropic climate zones (Europe and Cambodia, respectively) and were used after chopping in all experiments without further pretreatment. The concentration of low-molecular mass sugars (in first place monosaccharides), which were being released from the substrates during enzyme action as well as the biogas yield that was achieved via fermentation of enzymatically or microbiologically pretreated samples, were taken into consideration to evaluate the efficacy of respective treatments. Moreover, the microbial preculture used in the above experiments was analyzed on the molecular level to an extent that it was possible to identify a bacterial key species that was involved in the degradation of lignocellulosic biomass. The enzymatic treatment of selected lignocellulosic substrates with the glycosidase mixture of P. janthinellum was successful and the results are – according to literature data – comparable to results reported for the best industrial cellulase preparations. In first place, glucose und xylose were released from different cell-wall polysaccharides, and the conversion of cellulose und hemicelluloses in the wood of tropical broad-leaved trees was more efficient than in wood of respective European trees. The content of lignin and organic extractives only slightly affected the enzymatic disintegration of polysaccharide components (apart from a few species-specific inhibitors). Substrate pretreatment with the glycosidase preparation of P. janthinellum resulted in an enhancement of biogas formation and in the disappearance of the lag-phase being characteristic for the conversion of fiber-rich substrates during the first days of anaerobic treatment of lignocelluloses from Triticum sp. (wheat straw) und Pinus sylvestris (wood shavings). In this context, the final biogas yields significantly increased in the course of the experiments. The observed positive effects of enzymatic pretreatment may be beneficially ap-plied in continuously working biogas plants. That way, on one hand, the gas yields could be considerably enhanced and on the other hand, the required retention time of the substrates in the bioreactor (fermenter, digestion tower) and hence the required reactor volume could be reduced. The preceding oxidation of substrate-bound lignin with MnP turned out to be beneficial for the subsequent glycosidase treatment with respect to the release of sugars from beech wood (Fagus sylvatica). In comparison to widely used malonic acid, citric acid – a ubiquitous fungal metabolite of the intermediary metabolism (tricarboxylic acid cycle) –proved to be the more effective manganese chelator for the pre-oxidation of lignin by MnP. Probably this corresponds to the higher chemical reactivity of citric acid, which entails a forced formation of chemical radicals. Enzymatic substrate pretreatment with DyP and the glycosidase mixture within a reaction cascade had also a positive effect on the formation of biogas, in this case, from bagasse of Saccharum officinarum (sugar cane). During the respective treatment, the lignin might partially be oxidized as well and thereby, the availability of cell-wall polysaccharides was improved for hydrolase action. As the result, microorganisms (bacteria, archaea) consumed cellulose and hemicelluloses more efficiently during later phases of anaerobic fermentation. On the other hand, glycosidase pretreatments had positive effects in the initial phase of fermentation, regarding biogas formation from the ‘made-available’ monosaccharides (e.g. glucose, xylose) that were immediately converted into methane. When comparing different biological methods to disintegrate lignocellulose, pre-hydrolysis with a glycosidase mixture combined with fermentative pretreatment proved to be the most effective option (demonstrated by the example of ‘straw’ from Miscanthus × giganteus). That way, a similarly high methane yield could be achieved as with maize silage (for the time being, the most suitable substrate used in biogas facilities). In the respective microbial preculture, a Bacillus species from the Bacillus subtilis species-complex was identified as a relevant potential degrader microbe by classic microbiological and molecular analyses.

Biogas production through anaerobic digestion is an important part towards the achievement of a bio-based and circular economy in Sweden. In fact, Swedish government proposed a strategy suggesting that biogas production should be increased from 2 TWh today to 7 TWh by 2030. Sweden has a large potential for biogas production from agricultural residues, not the least the Region Västra Götaland (RVG) where the stakeholders from the present study are located. The study explores the possibilities to use farm manure in co-digestion with deep bedding to produce biogas. The possibilities include two main alternatives for biogas production; mainly combined heat and power (CHP) to produce heat and electricity and biogas upgrading to produce bio-methane. The study took two existing organic farms in the municipality of Götene as a case study as well as an under-construction biogas plant by the company Gasum. The results of the present study also confirm that biogas could be a better option both economically and environmentally than fossil fuels. Additional results show that diesel consumption and energy prices are seen as hotspots that greatly influence both technical performance and economic profitability of biogas production. Another parameter is the geographical location of the studied system which could delimit or enhance the biogas production prospects depending on the proximity to gas grid or biogas unit. The aim of the study is to assess which of the studied alternatives is most profitable and has less environmental impacts; sending liquid manure to a biogas plant and receiving liquid fertilizer in exchange (centralized scenario) or invest in a biogas plant at the farm (on-farm scenario). A life cycle assessment (LCA) was conducted to compare environmental impacts of producing the equivalent of 1 MWh of biogas through on-farm plant and a biogas unit operated by the Finnish company Gasum. While a life cycle costing (LCC) was carried out considering a 10 year period with a 3% interest rate to analyze which of the two aforementioned options is more profitable for both farmers. Further this study aims to spur the interest of other scholars to further explore the potential of biogas/biomethane production within the agriculture sector and provide a better understanding of the different dynamics that impact the balance between energy provisions and the farm production process, and thus assist farmers to take part in the transition to a more renewable energy source.

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HEMAB’s biogasanläggning har bytt rötningsprocess till våtrötning. En utmaning med våtrötning är stora mängder rötrest, som kan begränsas genom minskad vattentillsatts i processen. En minskad vattentillsats kan göra processen instabil och ge lågt gasutbyte. Tillsatser kan behövas för att göra processen stabil. Ett ökat rötrestflöde gör även att mer värme kan återvinnas från rötrest. I detta examensarbete undersöks hur rötrestflödet kan begränsas och samtidigt ge en stabil biogasprocess med en metanhalt om minst 55 % samt ett biogasutbyte om minst 190 Nm3 per ton matavfall exklusive vattentillsats, för HEMAB’s biogasanläggning. Tillsatsämnen som ökar gasutbytet i en våtrötningsanläggning som rötar matavfall har också undersökts. Värmeåtervinning från rötrest genom ett värmeväxlarsystem har undersökts för studerad anläggning för att se ifall biogasanläggningen kan bli mer ekonomisk och ekologisk hållbar. Ett flödesschema över den studerade anläggningen gjordes för att se hur rötrestflödet beror av mängd vatten som tillsätts i processen. Hur mängden tillsatt vatten påverkar metanhalten och biogasutbytet undersöktes genom att ta fram relationer mellan rötsubstrats torrsubstans (TS) och metanhalt samt biogasutbyte, både för studerad anläggning och genom litteraturstudie. Möjliga tillsatsämnen undersöktes genom litteraturstudie. Ett värmeväxlarsystem dimensionerades för värmeåtervinning från rötrest, till vattentanken som tillsätter vatten till rötsubstratet. Flödesschemat visar hur rötresten minskar genom minskad vattentillsats till rötsubstratet. Litteraturstudien visade att metanhalt möjligtvis ökar med ökad TS-halt, för låga TS-halter. För studerad anläggning fanns indikationer om att metanhalt möjligtvis minskar med ökad TS-halt, för höga TS-halter. Litteratur visar att det finns en linjär avtagande trend mellan biogasutbyte och TS-halt, för låga TS-halter. Studerad anläggning gav indikationer om att biogasutbytet eventuellt ökar med ökad TS-halt, för höga TS-halter. För att studerad anläggning ska erhålla ett lågt rötrestflöde och ett tillräckligt högt gasutbyte rekomenderas en TS-halt på 20 %, vilket motsvarar vattentillsatsen 0,65 ton vatten per ton matavfall och rötrestflödet 55,8 ton per dygn. Tillsatser av Ni, Mo, Co, Se och Fe ökar biogasproduktionen, Co och Se högre organisk belastning, och alkalinitetshöjare ökar metanproduktion. Det föreslagna värmeväxlarsystemet är inte ekonomiskt lönsamt om dess intäkter utgörs av det pris deponigas säljs för till fjärrvärmenätet. Det är ekonomiskt lönsamt ifall priset på deponigas är detsamma som dess pris från fjärrvärmenätet till kund. Intäkterna av deponigas som säljs till fjärrvärmenätet tros öka i framtiden, p.g.a. ökat intresse och efterfrågan av alternativ till fossila bränslen. I framtiden kan ett värmeväxlarsystem vara mer ekonomiskt lönsamt i och med eventuella bidrag och högre intäkter från såld deponigas. Det är möjligt att utvinna mer värme från rötresten till andra värmekrävande processer än till att endast värma vattentanken. / HEMAB's biogas plant has changed their digestion process to wet digestion. A challenge with wet digestion is large amounts of digestate, which can be limited by reducing the amount of water added to the process. A reduced water addition can make the process unstable and give a low gas yield. Additives may be necessary to make the process stable. An increased flow of digestate enables for more heat to be recovered from the digestate. This work examines how the digestate flow can be limited and at the same time provide a stable biogas process with a methane content of at least 55% and a biogas yield of at least 190 Nm3 per ton of food waste excluding water addition, for HEMAB's biogas plant. Additives that increase the gas yield in a wet digestion plant, digesting food waste, has also been investigated. Heat recovery from digestate through a heat exchanger system has been investigated for the studied plant to see if the plant can become more economically and ecologically sustainable. A flowchart for the studied facility was made to see how the digestate flow depends on the amount of water added to the process. How the amount of water added affects the methane content and biogas yield was investigated by finding relationships between substrates dry matter (TS) and the methane content and biogas yield, both for the studied plant and by studying literature. Possible additives were investigated through a literature study. A heat exchanger system was dimensioned for heat recovery from the digestate, to the water tank that adds water to the substrate. The flowchart shows how digestate is reduced by reducing the addition of water to the substrate. The literature study indicated that methane content possibly increases with increased TS content, for low TS levels. For the studied plant, there were indications that methane content possibly decreases with increased TS content, for high TS levels. Literature shows there is a linear decreasing trend between biogas yield and TS content, for low TS content. The plant studied gave indications that the biogas yield possibly increases with increased TS content, for high TS levels. To obtain a low digestate flow and a sufficiently high gas yield in the studied plant, a TS content of 20% is recommended, which corresponds to a water addition of 0.65 ton water per ton food waste and a digestate flow of 55.8 tons per day. Additions of Ni, Mo, Co, Se and Fe increases the biogas production, Co and Se enable a higher organic load, and alkalinity increaser enhances the methane production. The suggested heat exchanger system is not economically profitable if its income depends on the price of landfill gas sold to the district heating network. It is economically profitable if the price of landfill gas is equal to its price from the district heating network to customer. The price of landfill gas sold to the district heating network is expected to increase in the future, due to increased interest and demand of alternatives to fossil fuels. In the future, it is possible for a more economically profitable heat exchanger system due to possible subsidies and higher price of landfill gas. It is possible to extract more heat from the digestate than is required to heat the water in the tank, for other heat-demanding processes.

Denna rapport presenterar resultat och analys av prestandan i ett pilotförsök om temperaturstegsrötning (TPAD). Pilotförsöket genomfördes på uppdrag av Käppalaförbundet. Resultaten jämfördes med en nedskalad mesofil process som simulerade den nuvarande fullskaliga rötningsprocessen på Käppala  avloppsreningsverk. Syftet var att utvärdera om TPAD kunde erbjuda fördelar jämfört med det mesofila systemet. TPAD har tidigare visat stor potential i pilotstudier och till viss del i fullskaliga implementeringar på avloppsreningsverk runt om i världen. Då prestanda och beteende vid rötningsprocesser dock är starkt beroende av lokal slamkomposition och processparametrar, behövdes en skräddarsydd pilotstudie för att utvärdera TPADs applicerbarhet vid Käppala avloppsreningsverk specifikt. Sammanfattningsvis visade TPAD något bättre metanutbyte än det mesofila kontollförsöket (MAD), och VSD ökade markant. Dessa fördelar erhölls trots den lägre totala retentionstiden för TPAD. Kvävemineraliseringen ökade dock också märkbart vilket potentiellt kan medföra ökade kostnader associerade med rening av kväve i rejektvattnet för avloppsreningsverket. Avvattningsprov på labbskala visade ett omfattande utsläpp av TSS i rejektvattnet efter det termofila rötningssteget. Detta förbättrades dock avsevärt (om än inte i samma utsträckning som MAD) efter det mesofila skedet. Mycket preliminära resultat indikerade att TPAD hade en utmärkt inneboende hygieniseringsförmåga tack vare det termofila skedet, och resulterade i ett slutgiltigt rötslam som uppfyllde hygieniseringsriktlinjer enligt Revaq. TPAD verkade uppvisa hög robusthet, utan någon uppenbar syrakollaps trots hög belastning i det termofila steget. Framtida stresstester föreslås för att tvinga fram en termofil syrakollaps, vilket skulle kunna ge en syra/gas-fasad TPAD, med potentiellt ytterligare ökad prestanda enligt mycket av den befintliga litteraturen. / This report analyzes the performance of a pilot scale temperature phased anaerobic digestion process (TPAD) undertaken on commission from the Käppalaförbundet wastewater treatment plant. Results from the newly initiated TPAD pilot were compared to those of a scaled down mesophilic process simulating the current full scale digestion used at Käppala, to evaluate whether TPAD could provide benefits over the mesophilic system. TPAD had previously showed great promise at pilot and full scale at other plants around the world, but given that anaerobic digestion performance and behavior are highly dependent on local sludge composition and process parameters, a bespoke pilot was needed to evaluate TPAD at Käppala WWTP specifically. In summary, the TPAD exhibited slightly better methane yields than the mesophilic control, and showed better removal of volatile solids. Such benefits were seen despite the lower overall retention time of the TPAD. Nitrogen mineralisation however also increased, potentially imposing increased costs associated with sludge liquor nitrogen purification. Dewaterability tests showed the thermophilic stage of TPAD releasing large amounts of problematic colloidal material, which however was reduced by the subsequent mesophilic stage. Preliminary results indicated the TPAD had an excellent inherent hygienization ability owing to the thermophilic stage, producing a final digestate which fulfilled Revaq hygienization guidelines. The TPAD also seemed to exhibit great robustness, with no acid collapse in the thermophilic stage apparent despite high loads and short retention times. Future stress tests are proposed to test an acid-gas phased TPAD, with potentially further increased performance as per much of the existing literature.

As for other renewable energy sources in Germany like wind or photovoltaics, biogas has rapidly expanded in the past fifteen years. The installed electricity capacity for German biogas plants increased from 0.2 GWel in 2001 up to about 4.2 GWel by the end of the year 2016. This expansion has been supported in particular by the Renewable Energy Sources Act (EEG) through electricity Feed-In-Tariffs (FITs). However, major uncertainties are linked to the future capacity expansion in particular due to volatile electricity and energy crops prices. Taking into account this situation this paper analyzes possible future developments of the German biogas plant capacity up to 2030. For this purpose, a regional optimization model is employed, with the objective of determining the optimal economic development of the future biogas plants under different legal framework conditions. The base scenario with a constant energy crops cost evolution shows that the EEG 2012 framework -if maintained- would have fostered the development of agricultural plants, especially co-digestion plants valorizing energy crops and manure. The new EEG 2014 stops the expansion of energy crops mono-digestion plants, which will no longer be built due to an unprofitable situation. The German biogas market will thus face a paradigm shift and move towards the increase of biowaste and small-scale manure plants. Further scenarios quantify the impact of a strong variation of three main fundamental drivers, namely the energy crop costs, the EPEX-Peak electricity price and the biowaste valorization revenues, on future capacity developments. Based on the model results recommendations in direction of plant operators and policy-makers are formulated aiming at a more sustainable electricity production from biogas. Further work should consist in integrating the present analysis in national bioenergy models under the EEG 2017 legal framework.

The major contribution of this dissertation is the development of a new integrated measurement and control system for intermixed biogas and photovoltaic systems to achieve safe and optimal energy usage. Literature and field studies show that existing control methods fall short of comprehensive system optimization and fault diagnosis, hence the need to re-look these control methods. The control strategy developed in this dissertation is a considerable enhancement on existing strategies as it incorporates intelligent fuzzy logic algorithms based on C source codes developed on the MPLABX programming environment. Measurements centered on the PIC18F4550 microcontroller were carried out on existing biogas and photovoltaic installations. The designed system was able to accurately predict digester stability, quantify biogas output and carry out biogas fault detection and control. Optimized battery charging and photovoltaic fault detection and control was also successfully implemented. The system optimizes the operation and performance of biogas and photovoltaic energy generation. / Electrical Engineering / M. Tech. (Electrical Engineering)