VDI 4631-2011 Quality criteria for biogas plants.pdf

1、VEREIN DEUTSCHERINGENIEURE Gtekriterien fr BiogasanlagenQuality criteria for biogas plantsVDI 4631Ausg. deutsch/englischIssue German/EnglishVDI-Handbuch EnergietechnikVDI-Handbuch Nutztierhaltung: Emissionen/ImmissionenVDI-Handbuch Ressourcenmanagement in der UmwelttechnikVDI-RICHTLINIENZubeziehen d

2、urch /Available at BeuthVerlag GmbH,10772 Berlin AlleRechtevorbehalten /All rights reserved Verein Deutscher Ingenieuree.V.,Dsseldorf 2011Vervielfltigung auchfr innerbetrieblicheZwecke nichtgestattet / Reproduction evenfor internal use not permittedDie deutsche Version dieser Richtlinie ist verbindl

3、ich.ICS 27.190 Februar 2011February 2011The German version of this guideline shall be taken as authorita-tive. No guarantee can be given with respect to the English trans-lation.Frhere Ausgabe: 12.08 Entwurf, deutschFormeredition: 12/08Draft, in German onlyVDI-Gesellschaft Energie und Umwelt (GEU)Fa

4、chbereich Energiewandlung und -anwendungInhalt SeiteVorbemerkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 Anwendungsbereich . . . . . . . . . . . . . . 32 Begriffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 System Biogasanlage“ . . . . . . .

5、. . . . . 233.1 Lager und Entnahme . . . . . . . . . . . . 233.2 Fermentation . . . . . . . . . . . . . . . . 243.3 Gassystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293.4 Grrestsystem . . . . . . . . . . . . . . . . 323.5 Komponenten Gesamtsystem . . . . . . . . 334 Vorgehen zur Anlagenerrichtung . . .

6、 . . . . 344.1 Vertragswerk . . . . . . . . . . . . . . . . 344.2 Planung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 344.3 Inbetriebnahme und Abnahme . . . . . . . 384.4 Leistungsnachweise . . . . . . . . . . . . . 394.5 Zustzliche Hinweise . . . . . . . . . . . . 405 Definition von Bewertungskenngren .

7、. . . 445.1 Verfahrenstechnische Kenngren . . . . . 445.2 konomische Kenngren . . . . . . . . . 445.3 kologische Kenngren . . . . . . . . . . 536 Bilanzierung des Systems Biogasanlage“. . 537 Charakterisierung der Kenngrenfr die Planung . . . . . . . . . . . . . . . . . 547.1 Verfahrenstechnische Ke

8、nngren . . . . . 547.2 konomische Kenngren . . . . . . . . . 647.3 kologische Kenngren . . . . . . . . . . 70Contents PagePreliminary note . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 Scope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 Terms and defin

9、itions . . . . . . . . . . . . . 33 The “biogas plant” system . . . . . . . . . . 233.1 Storage and removal . . . . . . . . . . . . 233.2 Fermentation . . . . . . . . . . . . . . . . 243.3 Gas system . . . . . . . . . . . . . . . . . 293.4 Fermentation residue system . . . . . . . . 323.5 Components

10、 of the overall system . . . . . 334 Plant construction and commissioning procedure. . . . . . . . . . . 344.1 Contract. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 344.2 Planning. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 344.3 Commissioning and acceptance . . . . . . 384.4 Proofs of performance . . . . . . . .

11、. . . 394.5 Additional information . . . . . . . . . . . 405 Definition of evaluation parameters. . . . . . 445.1 Process parameters . . . . . . . . . . . . . 445.2 Economic parameters. . . . . . . . . . . . 445.3 Ecological parameters . . . . . . . . . . . 536 Balancing the “biogas plant” system. .

12、 . . . 537 Characterization of parametersfor planning. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 547.1 Process parameters . . . . . . . . . . . . . 547.2 Economic parameters. . . . . . . . . . . . 647.3 Ecological parameters . . . . . . . . . . . 70B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EF8AD9NormCD - St

13、and 2012-04Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2011 2 VDI 4631Seite8 Charakterisierung der Kenngrenfr den Betrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . 718.1 Verfahrenstechnische Kenngren . . . . . 758.2 konomische Kenngren . . . . . . . . . 758.3 kologische Kenngren. . .

14、 . . . . . . . 759 Soll-Ist-Vergleich . . . . . . . . . . . . . . . 122Anhang A bertragbarkeit analytischer Bewertungsparameter fr Substrate und Grreste zwischen agrochemischen und biotechnologischen Standards . 129Anhang B berwachung derFermentationsleistung . . . . . . . . 134Anhang C Checklisten

15、. . . . . . . . . . . . . 139C1 Checkliste Vollstndigkeit derAnschaffungskosten . . . . . . . . . . . 139C2 Checkliste Vollstndigkeit derjhrlichen Kosten . . . . . . . . . . . . . 141C3 Checkliste Kalkulationsschema frNettoerlse bei der Verstromung . . . . . 142Anhang D Checkliste Kenngren fr den Ve

16、rgleich des Soll-Ist-Zustands . . . 147Schrifttum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151VorbemerkungDer Inhalt dieser Richtlinie ist entstanden unter Be-achtung der Vorgaben und Empfehlungen der Richt-linie VDI 1000.Alle Rechte, insbesondere die des Nachdrucks, derFotokopie, der elektronischen

17、Verwendung und derbersetzung, jeweils auszugsweise oder vollstndig,sind vorbehalten.Die Nutzung dieser VDI-Richtlinie ist unter Wahrungdes Urheberrechts und unter Beachtung der Lizenz-bedingungen (www.vdi-richtlinien.de), die in denVDI-Merkblttern geregelt sind, mglich.Allen, die ehrenamtlich an der

18、 Erarbeitung dieserVDI-Richtlinie mitgewirkt haben, sei gedankt.EinleitungDie Biogaserzeugung und -nutzung insbesondere imlandwirtschaftlichen Bereich hat in den letzten Jah-ren nicht zuletzt infolge der Setzung des energie-wirtschaftlichen Rahmens (das heit EEG) erheb-lich an Bedeutung gewonnen. Du

19、rch diese Marktaus-weitung wurde aber auch eine Vielzahl an ProblemenSeite8 Characterization of parametersfor operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 718.1 Process parameters . . . . . . . . . . . . . 758.2 Economic parameters . . . . . . . . . . . 758.3 Ecological parameters . . . . . . . . .

20、 . . 759 Target/actual comparison . . . . . . . . . . 122Annex A Transferability of analytic evaluation parameters for substrates andfermentation residues between agrochemical and biotechnological standards . . . . . . . . . . . . . . . 129Annex B Monitoring fermentation efficiency . 134Annex C Chec

21、klists. . . . . . . . . . . . . . . 143C1 Checklist for completeness ofinvestment costs . . . . . . . . . . . . . 143C2 Checklist for completeness of annual costs . . . . . . . . . . . . . . . 145C3 Checklist for a calculation sheet for netearnings from conversion into electricity 146Annex D Checkli

22、st for parameters for comparison of target/actual states . . 149Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151Preliminary noteThe content of this guideline has been developed instrict accordance with the requirements and recom-mendations of the guideline VDI 1000.All rights are reserved, inc

23、luding those of reprinting,reproduction (photocopying, micro copying), storagein data processing systems and translation, either ofthe full text or of extracts.The use of this guideline without infringement of copy-right is permitted subject to the licensing conditionsspecified in the VDI Notices (w

24、ww.vdi-richtlinien.de).We wish to express our gratitude to all honorary con-tributors to this guideline.IntroductionIn recent years there has been a considerable rise inthe importance of biogas production and utilization,especially in the agricultural sector not least as a re-sult of the establishme

25、nt of an energy-efficiencyframework (in other words, the EEG (Renewable En-ergy Act). However, this expansion of the market hasB55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EF8AD9NormCD - Stand 2012-04All rights reserved Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2011 VDI 4631 3 deutlich, die insbesonder

26、e daraus resultieren, dassbisher nur wenige akzeptierte und anerkannte Bewer-tungsinstrumente vorhanden sind, mit denen sowohlgeplante als auch gebaute Anlagen umfassend analy-siert und bewertet werden knnen.Vor diesem Hintergrund ist es das Ziel dieser VDI-Richtlinie, einen Beitrag zur Bewertung vo

27、n Biogas-anlagen zu leisten und berlegungen, Anstze, Me-thoden und Verfahren bereitzustellen, mit denen dieGte bzw. Qualitt von Biogasanlagen sowohl in derPlanung als auch im Betrieb beschrieben und bewer-tet werden kann.Dazu wird zunchst das System Biogasanlage“ um-fassend definiert. Anschlieend wi

28、rd auf die Aspekteeingegangen, die bei der Anlagenerrichtung zu be-achten sind. Ausgehend davon werden verfahrens-technische, konomische und kologische Kenngr-en definiert, die dann nach der Beschreibung derVorgehensweise zur Bilanzierung einer Biogasanlage fr die Planungs- und die Betriebsphase sow

29、ieden daraus resultierenden Soll-Ist-Vergleich cha-rakterisiert werden.1 AnwendungsbereichDie Richtlinie VDI 4631 zeigt Wege auf, ber dieBiogasanlagen hinsichtlich technischer, kologischerund konomischer Kriterien sowohl in der Planungals auch im Betrieb vergleichend bewertet werdenknnen. Dadurch wi

30、rd u.a. fr Investoren, Betreiberund andere Entscheidungstrger eine Entscheidungs-hilfe geschaffen.Die Richtlinie gilt fr Biogasanlagen, die mit land-wirtschaftlichen und/oder industriellen Substratenbetrieben werden. Sie ist unabhngig vom eingesetz-ten Substrat, der Anlagengre und Technik sowieder p

31、otenziellen Gasnutzung.2 BegriffeFr die Anwendung dieser Richtlinie gelten die fol-genden Begriffe:Anmerkung 1: Aus Rcksichtnahme auf die Praxis wird der Be-griff Strom“ im Rahmen dieser Richtlinie wissentlich in verschie-denen Begriffsdefinitionen abweichend von der physikalisch exak-ten Beschreibu

32、ng verwendet.Anmerkung 2: Die Verweise auf die Kenngren beziehen sich aufdie Tabellen in Abschnitt 5.1 bis Abschnitt 5.3.Ammonium-Stickstoffgehalt(Kenngre 2.3) Summe der in Form von NH4+-Ionenund undissoziiertem NH3 vorliegenden Stickstoffver-bindungen jeder Prozessstufe, ausgedrckt als Massean N je

33、 Volumen- oder Masseneinheit.also made evident a large number of problems whichin particular result from the fact that until now therehave only been a few accepted and recognized evalu-ation tools available which could be used for a com-prehensive analysis and evaluation not only ofplanned installat

34、ions but also of those actually built.Against this background the aim of this VDI Guide-line is to make a contribution to the evaluation of bio-gas plants and to provide observations, basic ap-proaches, methods and procedures with which thequality of biogas plants in either planning or in oper-ation

35、 can be described and evaluated.First of all the “biogas plant” system is comprehen-sively defined, after which the aspects to be noted insetting up a plant are dealt with. On this basis process,economic and ecological parameters are defined. Fol-lowing a description of the procedure for balancing a

36、biogas plant these are then characterized for the plan-ning and operational phases as well as for the result-ing target/performance comparison.1 ScopeGuideline VDI 4631 presents methods by which bio-gas plants can be comparatively evaluated with re-gard to technical, ecological and economic criteria

37、not only in planning but also in operation. In this waya decision-making aid, among other things, is createdfor investors, owner/operators and other decision-makers.The guideline applies to biogas plants working withagricultural and/or industrial substrates. It is inde-pendent of the substrate used,

38、 the size of the plant, thetechnology as well as the potential utilization of thegas.2 Terms and definitionsFor the purposes of this guideline, the followingterms and definitions apply:Note 1: Taking practical usage into consideration, the term “power”is knowingly used within the context of this gui

39、deline in differentterminological definitions in a manner which differs from its exactdescription in physics.Note 2: References to parameters refer to the tables in Section 5.1to Section 5.3.Ammonium-nitrogen content(Parameter 2.3) Total of nitrogen compounds presentin each process stage in the form

40、 of NH4+ ions andnon-dissociated NH3 and expressed as mass of N perunit of volume or mass.B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EF8AD9NormCD - Stand 2012-04Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2011 4 VDI 4631Anlagenverfgbarkeit(Kenngre 5.9) Kennzahl zur Beschreibung

41、derNutzungsfhigkeit der Anlage, die das Verhltnis derBetriebsdauer der Anlage zur Basiszeit darstellt.Anmerkung 1: Als Basiszeit dienen die maximal mglichen Jah-resstunden vermindert um die Stunden fr regulre Wartungs- bzw.Instandhaltungsarbeiten.Anmerkung 2: Eine Anlage ist dann verfgbar, wenn sie

42、in Betriebist oder sich in voll funktionsfhiger Bereitschaft befindet. Sie giltals nicht verfgbar, wenn sie aufgrund von Strungen, eines De-fekts oder einer unvorhergesehenen Reparatur nicht betrieben wer-den kann (nicht geplante Stillstandszeiten). Jhrlich geplante Still-standszeiten oder Revisions

43、zeiten sind bei der Ermittlung der Ver-fgbarkeit zu bercksichtigen.Arbeitsbezogene StromkennzahlVerhltnis der in einer Zeitspanne erzeugten Wirkar-beit (elektrische Energiemenge) und der in derselbenZeitspanne erzeugten Nutzwrme (thermische Ener-giemenge), beide beschrnkt auf den Kraft-Wrme-Kopplung

44、sprozess.BetriebshilfsstoffAlle Stoffe und Arbeitsmittel, die fr den Betrieb ei-ner Biogasanlage unerlsslich sind und der Auf-rechterhaltung der Einsatzbereitschaft der fr dieBiogasproduktion erforderlichen Aggregate und An-lagen dienen. Anmerkung 1: Betriebshilfsstoffe tragen nicht zur Frderung des

45、Biogasprozesses oder der Biogasproduktion bei.Anmerkung 2: Betriebshilfsstoffe knnen organischer oder anor-ganischer Zusammensetzung sein (u.a. Schmierstoffe, Khlmittel,Zndle oder Zndgas, Reinigungsmittel, Sperrflssigkeit fr dieberdrucksicherungen, Aktivkohle zur Entschwefelung).BetriebsleistungMech

46、anische, thermische oder elektrische Leistung,die eine Maschine unter Bercksichtigung der Umge-bungs- und Betriebsbedingungen am Aufstellungsortabgeben kann.Anmerkung 1: Sie kann auf einzelne Aggregate (z.B. BHKW-Anlage) oder auf die gesamte Biogasanlage bezogen angegebenwerden.Anmerkung 2: Sie kann

47、 brutto oder netto angegeben werden.Anmerkung 3: Die Umgebungs- und Betriebsbedingungen sowieder verwendete Brennstoff unter Bercksichtigung von Druckund Temperatur am Aufstellungsort sind anzugeben.Anmerkung 4: Bei der thermischen Bruttobetriebsleistung vonAnlagen zur Gasaufbereitung ist die Leistu

48、ng aus der Wrmeaus-kopplung des Aufbereitungsprozesses (z.B. Verdichter) und derSchwachgasverbrennung zu bercksichtigen.BHKW-Anlage (BHKW, Blockheizkraftwerk)Autarke, in der Regel wrme- oder stromgefhrteKraft-Wrme-Kopplungsanlage (KWK-Anlage).Eingesetzt werden blicherweise Verbrennungskraft-maschine

49、n und, in Sonderfllen, auch Gas- bzw.Mikrogasturbinen oder Dampfturbinen und -motorensowie in Zukunft eventuell Brennstoffzellen.Plant availability(Parameter 5.9) Characteristic value for describingthe functional capability of the plant which representsthe ratio of the service life of the plant and the refer-ence period. Note 1: By reference period is meant the maximum possiblenumber of hours per year less the hou