Nach der erfolgreichen Pilotierung des BioEcoSIM-Verfahrens zur Rückgewinnung von Nährstoffen aus Gülle und Gärresten wurde im Projekt PIGM gemeinsam mit der PreZero Service Deutschland GmbH & Co KG. eine Machbarkeitsstudie als Vorbereitung für den Bau einer Demonstrationsanlage erarbeitet.
Das Konzept umfasst die Schaffung dreier Wertstoffkreisläufe:
Gülle aus der Tierhaltung ist ein wertvoller Dünger. Sie versorgt landwirtschaftliche Böden mit organischer Substanz und wichtigen Nährstoffen und trägt dazu bei, den Nährstoffbedarf der Pflanzen zu decken und die Bodenfruchtbarkeit zu erhalten. Auf der anderen Seite ist Gülle, genau wie Gärrest, ein unspezifisches Düngemittel: die von den Pflanzen benötigten Phosphate und Stickstoffverbindungen liegen in unbestimmten Verhältnissen und unterschiedlichen Konzentrationen vor. So wird mit der Gülledüngung bei Stickstoffbedarf auch Phosphat ausgebracht, das nicht von der Pflanze aufgenommen wird, sondern vielmehr Böden, Grund- und Oberflächenwasser belastet – und vice versa.
Zudem fallen durch die Intensivierung der Viehhaltung und die regionale Ballung der Betriebe erhebliche Mengen überschüssiger Gülle an, die in den Erzeugerregionen allein nicht effizient als Ressource genutzt werden kann. In diesen Regionen wird Gülle zu einem Abfallstrom, der behandelt oder entsorgt werden muss, wodurch Energie, z. B. für Transport und Entsorgung, verbraucht wird.
Zugleich werden EU-weit in der Tierhaltung jährlich Stickstoff und Phosphor in Mengen ausgeschieden, die ausreichen würden, den EU-Bedarf an Mineraldünger zu decken. Der übermäßige Einsatz synthetischer Düngemittel und damit verbunden entsprechende Ernteerträge verdecken die Tatsache, dass organische Substanz im Boden abgebaut und nicht ersetzt wird. Dies führt zu einem Verlust der Bodenfruchtbarkeit, der biologischen Vielfalt, einer geringeren Wasserrückhaltekapazität und einer Unterbrechung der natürlichen Nährstoffkreisläufe.
Das Ziel von PIGM ist eine kontinuierliche, nachhaltige und ökonomische Umwandlung von Gülle in spezifische Pflanzenhilfsstoffe, beispielsweise Naturdünger. Dazu sollte das ressourcen- und energieeffiziente BioEcoSIM-Verfahren, das am Fraunhofer IGB erfolgreich im Labormaßstab entwickelt und in Folgeprojekten im Pilotmaßstab getestet wurde, in eine industrielle Demonstrationsanlage überführt werden. Hierzu plante PreZero im Rahmen einer Durchführbarkeitsstudie eine Full-Scale-Single-Purpose-Demonstrationsanlage zur vollständigen energetischen und stofflichen Aufarbeitung von Schweinegülle und weiteren landwirtschaftlichen Reststoffen zu natürlichen Pflanzenhilfsstoffen. Das Fraunhofer IGB begleitete die Studie wissenschaftlich.
Dem BioEcoSIM-Verfahren wurde in PIGM eine Biogas-Anlage vorgeschaltet, um störende Begleitstoffe aus der Rohgülle zu verstoffwechseln, die Energieausbeute zu erhöhen und damit den Energiebedarf der Anlage zu decken und die Wirtschaftlichkeit des Gesamtprojekts durch Veräußerung von überschüssigem Bio-Methangas und Strom (BHKW) zu erhöhen.
Der Gärrest aus der Biogas-Anlage wird nach dem BioEcoSIM-Verfahren in einzelne Pflanzenhilfsmittelfraktionen zerlegt:
Das Fraunhofer IGB stellte die technischen Beschreibungen (Lastenheft) für die Verfahren der Gärrestaufbereitung (Naturdüngeranlage) zur Verfügung. Dabei handelte es sich um folgende Verfahren: Ansäuerung des Gärrests, Fest-Flüssig-Trennung, Ultrafiltration, Phosphorrückgewinnung und Stickstoffrückgewinnung. Die Verfahrenskette ist in folgendem Schema dargestellt:
Zudem wurde, ebenfalls in enger Abstimmung mit PreZero, an der Festlegung der optimalen Substrate für die Demonstrationsanlage gearbeitet. Dies beinhaltete die Analyse der Zusammensetzung der Substrate sowie die Simulation des Umsatzes der Substrate. In einer ersten Phase wurden folgende Substrate untersucht: Schweinegülle, Hühnertrockenkot sowie Spelzen aus einer Getreidemühle.
Simulationen zum Stoffumsatz sowie zur Wirtschaftlichkeit ergaben, dass der Betrieb der Anlage mit diesen Substraten unter den gegebenen Rahmenbedingungen am Standort Aschersleben nicht wirtschaftlich sein würde. Daher wurde der Substratmix angepasst.
Zu den bereits untersuchten Substraten kamen nun noch Pferdemist und Rübenschnitzel aus einer Zuckerfabrik hinzu. Gleichzeitig wurde festgelegt, dass sich die Mischung zu einem Drittel aus Schweinegülle, zu einem weiteren Drittel aus Hühnertrockenkot und Pferdemist sowie zu einem Drittel aus Rübenschnitzeln und Getreidespelzen zusammensetzen sollte. Mit diesen Substraten wurden Zerkleinerungs- und Mischversuche durchgeführt, um einerseits herauszufinden, wie entsprechende Mischungen zur weiteren Verarbeitung hergestellt werden können, und um ein Ausgangsmaterial für die weiteren Untersuchungen zu erhalten. Als ein wichtiger Faktor stellte sich dabei das Anmaischen der Spelzen mit Wasser heraus, um eine Quellung der Spelzen vor dem Einmischen zu erreichen.
Der bereits vorliegende Excel-basierte stationäre Simulator wurde optimiert. Bis zu sechs Feed-Substrate wurden berücksichtigt, um komplexe Mischungen zu betrachten. Die Biogasausbeute wird für jedes Substrat berechnet. Die Zusammensetzung der Gärreste wird abhängig vom definierten Mischsubstrat bilanziert. Der Excel-Simulator wurde in der Simulationsumgebung Matlab/Simulink umgesetzt, um das dynamische Verhalten der PIGM-Anlage präziser mit einem Zeitschritt von einer Stunde zu modellieren.
Auch mit dem neuen Substratmix ergab die Analyse mit dem Simulator, dass auf Basis der aktuellen Gesetze und Verordnungen zur Ausbringung von Wirtschaftsdünger und der noch niedrigen Kosten von Kunstdünger auf Basis fossiler Rohstoffe eine Anlage nach dem PIGM-Konzept in Deutschland derzeit nicht wirtschaftlich betrieben werden kann. Daher wird die Errichtung der geplanten Demonstrationsanlage zunächst zurückgestellt. Allerdings gibt es weiter großes Interesse an einer entsprechenden Technologie, sodass auf Basis der Ergebnisse dieses Projekts weiter nach Möglichkeiten einer Umsetzung gesucht wird.
Durchführbarkeitsstudie für eine Demonstrationsanlage zur nachhaltigen und ökonomischen Umwandlung von Gülle in spezifische Pflanzenhilfsstoffe im Wertstoffkreislauf – Projekt Innovatives Güllemanagement (PIGM)
Dezember 2023 – September 2025
Wir danken dem Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) für die Förderung des Projekts »PIGM«, Förderkennzeichen 13BDB50020, im Rahmen des Programms »Industrielle Bioökonomie – Förderung der Nutzung und des Baus von Demonstrationsanlagen und von Beispielregionen für die industrielle Bioökonomie«.
Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB