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Bauernhof in Cornwall entwickelt Kit zur Umwandlung von Gülleemissionen in Kraftstoff

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Treibhausgasemissionen aus der Viehzucht sind selten eine erfreuliche Lektüre, aber ein kleines Unternehmen in Cornwall hat eine Reihe von cleveren Techniken entwickelt, um sie aufzufangen und in einen profitablen Wert umzuwandeln.

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Derzeit produziert die Landwirtschaft etwa 10 % der gesamten Treibhausgasemissionen Großbritanniens - der größte Teil davon ist Methan - und ein großer Teil davon stammt von Gülle in Güllelagern und Misthaufen.

Ein Großteil des derzeitigen Fokus liegt auf der Änderung landwirtschaftlicher Praktiken, um die Menge des produzierten Gases zu reduzieren, aber Bennamanns Ansatz erfordert nur wenige Änderungen an der Arbeitsweise eines Bauernhofs.

"In den nächsten 20 Jahren hat Methan ein 86-mal höheres Erderwärmungspotenzial als Kohlendioxid, aber es ist ein großartiger Kraftstoff mit einer viel höheren volumetrischen Energiedichte als Wasserstoff", sagt Mitgründer und Chief Technology Officer Chris Mann.

"Indem wir es einfangen und als Ersatz für fossile Brennstoffe verwenden, können wir den Klimawandel schnell verlangsamen und dabei Geld für uns und die Farm verdienen."

Wenn methanbasierter Kraftstoff in den neuesten effizienten Verbrennungsmotoren verbrannt wird, ist die einzige Emission eine Menge an Kohlendioxid, die der Menge entspricht, die von dem organischen Material aufgenommen wurde, das zur Herstellung verwendet wurde.

Folglich ist Bennamanns regenerativer Kreislauf, bei dem Gras zu Milch und Gülle verarbeitet, das Methan aufgefangen und in einem Verbrennungsmotor verbrannt wird, in seiner reinen Form angeblich besser als Netto-Null-Kohlenstoff.

Über Bennamann

Bennamann wurde 2011 von den Unternehmern und Surffreunden Michael Bennett und Chris Mann gegründet, die auf der Suche nach lokalen Quellen für saubere Energie waren, die nicht auf staatliche Subventionen angewiesen sind.

Sie sahen sich verschiedene Arten von erneuerbarer Energie an, bevor sie feststellten, wie viel Energie einfach durch die Zersetzung organischer Materie verschwendet wurde.

"Ich wurde zum ersten Mal in den USA darauf aufmerksam, wo man vorsichtig sein muss, wenn man Grasschnitt in Garagen lagert, da dieser genug Gas freisetzen kann, um das Haus in die Luft zu jagen, wenn man das Licht einschaltet", sagt Dr. Mann.

"Dadurch wurde mir klar, wie viel Energie in organischem Material steckt, und danach entdeckten wir immer mehr Möglichkeiten."

Ursprünglich war geplant, organisches Material wie Grasschnitt zur Herstellung von Biomethan zu verwenden, aber dann kam man zu dem Schluss, dass es bereits so viel Gas gibt, dass man es nur noch einfangen muss, anstatt es zu produzieren.

Güllelagunen waren ein guter Ausgangspunkt, da sie große Mengen an Gas freisetzen und, sobald sie angepasst sind, Strom erzeugen, ohne dass die Landwirte ihre Arbeitsweise ändern müssen.

Dr. Manns Hintergrund in angewandter Physik und Luft- und Raumfahrt gab ihm den technologischen Hintergrund, um die komplexen Systeme zu entwickeln, die zum Betrieb des Prozesses benötigt werden.

Er wird nun von einem 35-köpfigen Team unterstützt, das auf zwei Standorte verteilt ist - eine Konstruktions- und Produktionsstätte im Aerohub neben dem Flughafen Cornwall, Newquay, und eine Forschungseinrichtung auf der Chenoweth Farm in der Nähe von Truro.

Das Unternehmen wächst so schnell, dass sich die Belegschaft in den nächsten drei Jahren verdoppeln soll.

Kraftstoff aus Gülle

Güllelagunen sind das erste Ziel der Firma, und sie hat eine neue Art von überdachtem Speicher entwickelt, der das Methan auffängt, wenn es von der Oberfläche der Flüssigkeit abperlt.

Sobald ein ausreichendes Gasvolumen über der Lagune vorhanden ist, wird es mit einem Verarbeitungsfahrzeug in sauberes, komprimiertes Gas oder flüssigen Methankraftstoff umgewandelt, der zum Antrieb von Verbrennungsmotoren verwendet werden kann.

Es ist im Wesentlichen dasselbe wie komprimiertes oder verflüssigtes Biomethan (CBG und LBG), aber da die Abgase nutzbar gemacht werden, anstatt absichtlich organisches Material abzubauen, haben sie einen anderen Namen erhalten.

"Wir nennen es flüchtiges Methan und die Produkte, die wir daraus machen, sind komprimiertes und flüssiges flüchtiges Methan [CFM und LFM]", sagt Dr. Mann.

Finanzieller Nutzen

Neben dem Nutzen für die Umwelt sollte der Wert des erzeugten Treibstoffs es kleineren Milchviehbetrieben ermöglichen, die Investition in eine bessere Güllelagerung zu rechtfertigen.

Bennamanns Lagune kostet etwa doppelt so viel wie eine konventionelle Erdwallkonstruktion und 30 % mehr als ein oberirdisches Lager, aber das Unternehmen sagt, dass der Wert des erzeugten Kraftstoffs bedeutet, dass sich die Investition in vier bis sechs Jahren amortisieren sollte, je nach Größe des Betriebs.

"Ein typischer Milchviehbetrieb produziert das Sechsfache der Menge an flüchtigem Methan, die er für den Betrieb benötigt. Der Rest kann also aufgefangen und verkauft werden, und wir können den Gewinn mit dem Landwirt teilen", sagt Dr. Mann.

Es besteht auch die Möglichkeit, einige der Fahrzeuge des Betriebs mit dem Kraftstoff zu betreiben, wie z.B. neue gasbetriebene Traktoren von New Holland oder bereits vorhandene Maschinen, die mit einem Umrüstsatz ausgestattet wurden. Und es kann auch zum Heizen oder zum Betreiben eines Generators zum Aufladen von Elektrofahrzeugen verwendet werden.

Das System wurde so konzipiert, dass die Verteilung der erzeugten Energie nicht erfordert, dass sich der Betrieb in der Nähe einer Gasleitung befindet. Es ist auch für Betriebe mit 50 oder mehr Kühen kosteneffektiv, und es wird verschiedene Finanzierungsmöglichkeiten für Landwirte geben, die sich an dem Projekt beteiligen wollen.

Für diejenigen, die bereits einen qualitativ hochwertigen Speicher haben, gibt es ein nachrüstbares Gasauffangdach, das mit minimalen Modifikationen über dem Speicher angebracht werden kann.

Aufgrund der Komplexität der Einrichtung plant Bennamann, die Kontrolle über die von ihm installierten Güllelager zu übernehmen und den Gasumwandlungsprozess zu verwalten. Das bedeutet, dass sich der Betrieb nur noch um das Befüllen und Entleeren kümmern muss.

Sobald das Gas aus dem Speicher geerntet wurde, kann die Gülle auf herkömmliche Weise ausgebracht werden, oder sie kann einen zusätzlichen Prozess durchlaufen, um ihre bodennährenden Eigenschaften zu verbessern. Dabei werden anaerobe Bakterien mit Luft abgetötet und anschließend aerobe Bakterien aus Kompost oder Gülle zugeführt, deren Wirkung derzeit erprobt wird.

Versuchsbetriebe

Die Entwicklungsarbeit von Bennamann - teilweise finanziert durch den Europäischen Fonds für regionale Entwicklung - wurde auf der Chenoweth Farm in der Nähe von Truro durchgeführt, die von der Familie Foote betrieben wird.

Die nächste Phase ist ein zweijähriges Pilotprojekt mit dem Cornwall Council, um das Gas von sechs seiner gepachteten Milchviehbetriebe mit Herdengrößen von 70 bis 300 Kühen zu sammeln. Jeder Betrieb verfügt über eine Gülle-Lagune, in der das Gas für eine Woche oder mehr gespeichert werden kann, und diese wird von einer mobilen Verarbeitungseinheit umgewandelt.

Das produzierte Gas wird für den Betrieb einer Flotte von Iveco Daily Straßeninstandhaltungs-LKWs verwendet, die von dem Bauunternehmen Cormac betrieben werden.

Diese haben einen 3-Liter-Gasmotor, der 136 PS und 350 Nm Drehmoment entwickelt.

Bennamann plant, das Verfahren im Laufe des Projekts zu verfeinern, bevor es auf alle 58 gepachteten Milchviehbetriebe der Gemeinde ausgeweitet wird.

Das Unternehmen hat außerdem ehrgeizige Pläne, ganz Großbritannien zu versorgen und seine Dienste weltweit anzubieten.

Das Unternehmen hat bereits mehrere Investoren angezogen, und Case IH Industrial hat dieses Jahr eine Minderheitsbeteiligung erworben.

Technik

Die Schlagkraft eines großen Herstellers wird Bennamann helfen, auf globaler Ebene zu expandieren und ein Franchise-Modell für die Gasproduktion einzuführen.

Die Technologie zur Fernüberwachung von Hunderten von Güllelagern ist vorhanden, aber das Unternehmen benötigt zusätzliche Unterstützung, um die Verarbeitungsfahrzeuge zu betreiben und das Gas zu verteilen.

Landwirte, die sich an dem Projekt beteiligen möchten, werden aufgefordert, das Unternehmen zu kontaktieren und ihr Interesse zu bekunden. Das Unternehmen wird dann ein Bild der Nachfrage erstellen und herausfinden, auf welche Bereiche man sich am besten konzentrieren sollte.

Einer der mobilen Methanumwandlungs-LKWs wird etwa sechs durchschnittlich große Bauernhöfe versorgen, so dass Cluster erforderlich sind, um die Wirtschaftlichkeit zu gewährleisten.

Ein weiteres Projekt ist eine mit Methan betriebene Ladestation für Elektrofahrzeuge, die an abgelegenen Orten aufgestellt werden kann, ohne dass sie Strom aus dem Netz beziehen muss.

Dieses wird mit dem neuesten FPT-Methanmotor ausgestattet sein, der einen Generator antreibt und genug Kapazität bietet, um einen Tesla in weniger als einer Stunde vollständig aufzuladen.

Sobald diese installiert sind, kann die vom Motor erzeugte Wärme lokale Häuser, Geschäftsräume oder Lagerhallen erwärmen.

Komprimiertes Gas vs. Flüssigbrennstoff

Zunächst konzentriert sich Bennamann auf die Produktion einer komprimierten Version des Gases, das in stark verstärkten Flaschen und Tanks vertrieben wird. Damit können neue Biomethan-Fahrzeuge angetrieben werden, wie z.B. die Biogas-Lieferwagen und -Lkw von Iveco.

Mit ein paar kleinen Modifikationen funktioniert es auch bei Benzinfahrzeugen, die mit LPG-Umrüstungen ausgestattet sind, und es sind Kits erhältlich, um auch Dieselfahrzeuge umzurüsten.

Ein solcher Anbieter ist Landi Renzo, der Ausrüstung für die Umrüstung von Benzin- und Dieselfahrzeugen auf Gasbetrieb anbietet. Das Unternehmen hat außerdem kürzlich einen Vertrag über den Bau kleiner gasbetriebener Traktoren für Mahindra unterzeichnet.

Bei schwereren Maschinen bedeutet die relativ geringe Energiedichte von komprimiertem Methan, dass eine große Anzahl von Gastanks mitgeführt werden muss, um eine ausreichende Reichweite zu erzielen - dies ist beim aktuellen T6 Methane Power Traktor von New Holland der Fall.

Bennamann verfügt bereits über die Technologie zur Herstellung der verflüssigten Version des Gases, die die sechsfache Energiedichte aufweist.

Damit liegt es in einer ähnlichen Größenordnung wie Diesel, und es bedeutet, dass schwere Fahrzeuge einen Kraftstofftank von ähnlicher Größe wie ein herkömmlicher Traktor verwenden können.

Diese Technologie wird bereits erfolgreich bei einigen Lastwagen eingesetzt, aber der Kraftstoff muss sorgfältig gehandhabt werden, um zu verhindern, dass er kocht und Emissionen in die Atmosphäre entweichen. "Sobald diese Tanks anfangen zu entweichen, könnte man genauso gut fossile Brennstoffe verbrennen", sagt Dr. Mann.

Bennamann hat dieses Problem nach eigenen Angaben durch die Entwicklung eines Tanks mit integrierter Kühlvorrichtung umgangen, die den Kraftstoff auf einer konstanten Temperatur von -164 °C hält. Diese kann von einer externen Quelle gespeist werden oder mit dem Methan im Tank betrieben werden.

Andere landwirtschaftliche Energiequellen

Die Ingenieure des Unternehmens haben auch an einer Technik zur Erfassung von Methan aus Futtermittelabfällen und Festmist gearbeitet.

Dabei wird das Material mit Wasser versetzt und ein paar Tage stehen gelassen, während sich ein Schlamm bildet, der dann in eine abgedeckte Lagune abgezogen werden kann, wo das Gas aufgefangen wird. Das verbleibende faserige Material kann als Bodenverbesserer ausgebracht oder pasteurisiert und als Einstreu verwendet werden.

Es wird auch eine ähnliche Brennstoffquelle aus bewirtschafteten, biodiversen Kräuterwiesen untersucht, die in Viehzucht- oder Ackerbaubetriebe integriert werden können.

Der Betrieb hat eine 1 ha große Versuchsfläche mit neun sorgfältig bewirtschafteten Parzellen, auf denen jährlich 20 t Trockenmasse geerntet werden.

Diese haben keinen künstlichen Input, aber sie maximieren den Ertrag, indem sie das Wachstum jeder Parzelle vom Raum aus überwachen und die Dichte mit einem Plattenmessgerät überprüfen.

"Wir hoffen, den Punkt zu erreichen, an dem wir eine Methanmenge produzieren können, die der Energie von einem Liter Benzin pro Quadratmeter Ley entspricht", sagt Dr. Mann.

Vorteile für die Umwelt

Laut Bennamann werden zwei Drittel der weltweiten Methan-Emissionen vom Menschen produziert. Mit den verschiedenen Formen der Methan-Abfangtechnologie kann ein Viertel davon entfernt und als direkter Ersatz für fossile Brennstoffe verwendet werden.

"Diese Arbeit allein würde die Rate der globalen Erwärmung dramatisch reduzieren und uns ein Fenster geben, um andere Probleme zu lösen", sagt Dr. Mann.

Die Firma kann auch große Mengen Methan über Lagunen speichern - in manchen Fällen bis zu mehreren Monaten -, so dass die Möglichkeit besteht, dieses bei Bedarf zu verbrennen und zusätzlichen Strom ins Netz zu speisen, ohne fossile Brennstoffe zu verwenden.

Ein weiterer Schwerpunktbereich ist die Öl- und Gasindustrie, die für 30 % der weltweiten Methanemissionen verantwortlich ist.

Gemeinsam haben Dr. Mann und der Klimawandel-Berater Tim Fox die International Fugitive Emissions Abatement Association (IFEAA) gegründet, deren Ziel es ist, das Bewusstsein für flüchtiges Methan zu schärfen und Druck auf die Industrie auszuüben, um Veränderungen zu bewirken.

"Wir haben jetzt die Technologie, um Methanemissionen aus dem Weltraum zu überwachen und diejenigen zu lokalisieren, die für die Freisetzung verantwortlich sind", sagt Dr. Mann.

Bau eines Bennamann-Güllespeichers

Der Ausgangspunkt für eine effiziente Methangasabscheidung ist der von Bennamann speziell angefertigte Güllespeicher, der auf einer Standard-Erdwallkonstruktion basiert.

Der Clou ist jedoch das dreischichtige Membransystem, das das Gas auffängt und von der Flüssigkeit trennt.

Die erste Schicht ist eine konventionelle Auskleidung am Boden der Grube und die zweite ist eine flexible Membran, die auf der Flüssigkeit sitzt, um die Bildung einer Kruste zu verhindern.

Die Firma hat auch ein paar Düsen in der Grube hinzugefügt, um die Gülle langsam in Bewegung zu halten.

Wenn die Gülle Methan freisetzt, wird es von einem perforierten Rohr aufgefangen, das um den Umfang der Lagune herum verläuft, direkt unter der zweiten Membran.

Dieses wird dann in ein Paar Aktivkohlefilter geleitet, die schädliche Giftstoffe wie Schwefelwasserstoff entfernen.

Das gereinigte Gas strömt zurück in die Lagune und wird in einer Tasche zwischen der zweiten und dritten Membran gespeichert. Wenn die Gasmenge zunimmt, dehnt sich die dritte Membran mit ihr aus, so dass der Speicher mindestens eine Woche lang reicht.

Die Membranen sind in einer wassergefüllten Wanne um den Umfang herum versiegelt, die das Team auf eventuelle Lecks aufmerksam macht.

Bei bestehenden Lagern von guter Qualität kann eine beschwerte Nachrüstmembran mit minimalen Modifikationen installiert werden. Diese ist nicht ganz so gut abgedichtet wie die maßgeschneiderte Option, aber sie fängt den größten Teil des freigesetzten Gases auf.

Alle Lagunen sind mit einer Reihe von intelligenten Sensoren ausgestattet, die Parameter wie Gasmenge, Qualität und Temperatur überwachen.

Dadurch können die Lagunen ständig überwacht werden, ohne dass ein Bediener auf dem Hof bleiben muss.

Bennamann stellt die Membranen im eigenen Haus her und baut derzeit eine größere, maßgeschneiderte Produktionsanlage auf der Chenoweth Farm.

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