Aquakultur trifft Biogas

Bio­gas ist ein Ener­gie­trä­ger, der laut der Bun­des­re­gie­rung einen wich­ti­gen Bei­trag zur Ener­gie­wen­de leis­tet [1]. Die Bio­gas­pro­duk­ti­on benö­tigt kei­ne Son­ne und kei­nen Wind. Aus­gangs­stof­fe für die­se Art der Ener­gie­er­zeu­gung sind nach­wach­sen­de Roh­stof­fe, soge­nann­te Bio­mas­sen. Ande­rer­seits wer­den Abfäl­le, zum Bei­spiel Klär­schlamm und Spei­se­res­te ver­wen­det. Wich­ti­ge Aus­gangs­stof­fe sind aber auch land­wirt­schaft­li­che Abfäl­le, also Pflan­zen­res­te, Gül­le und Mist.

Ähn­li­che Abfäl­le fal­len auch in der Aqua­kul­tur an. Die­se kön­nen, wie Unter­su­chun­gen an der TU Braun­schweig schon vor zwan­zig Jah­ren gezeigt haben, als Aus­gangs­stoff für die Bio­gas­pro­duk­ti­on ein­ge­setzt wer­den. Eine zukunfts­fä­hi­ge Aqua­kul­tur kop­pelt sich an die Bio­gas-Fer­men­ta­ti­on, um die Ener­gie in den Rest­stof­fen zu recy­celn und in nutz­ba­res Bio­gas zu wan­deln. Die Umset­zung die­ser Kopp­lung beleuch­ten wir in die­sem Blog­bei­trag näher.

Aktuelle Herausforderungen der Aquakultur

Bei dem der­zei­ti­gen Zustand unse­rer Welt­mee­re ist es nicht mehr rea­lis­tisch, dass die Märk­te von der Fische­rei ver­sorgt wer­den. Die inter­na­tio­na­le Sta­tis­tik der Food and Agri­cul­tu­re Orga­ni­sa­ti­on (FAO) weist aus, dass heu­te schon mehr als die Hälf­te der aqua­ti­schen Lebens­mit­tel aus der Aqua­kul­tur kommt [3]. Bei den Fisch­ar­ten Wolfs­barsch und Dora­de über­steigt die Pro­duk­ti­on der Aqua­kul­tur die Erträ­ge aus der Fische­rei schon um das Drei­ßig- bis Fünf­zig­fa­che [2].

Die Fisch­zucht ver­sorgt also die Welt mit pro­te­in­rei­chen Lebens­mit­teln. Sie kann natür­li­che Öko­sys­te­me ent­las­ten, die durch den Druck der Fische­rei an die Gren­zen der Belast­bar­keit gebracht wur­den. Der schein­bar posi­ti­ve Bei­trag der Aqua­kul­tur rela­ti­viert sich, wenn man die Umwelt­pro­ble­ma­tik kon­ven­tio­nel­ler Ver­fah­ren betrach­tet. Aqua­kul­tu­ren sind immer noch, wie die meis­ten indus­tri­el­len Pro­duk­tio­nen, offe­ne Sys­te­me. Sie ent­neh­men das Was­ser der Umwelt und geben es belas­tet mit Abfall­stof­fen wie­der ab. Netz­kä­fig­an­la­gen ste­hen für die Mas­sen­pro­duk­ti­on in der Aqua­kul­tur. Sie ver­brau­chen das Was­ser aus Seen und Flüs­sen. Netz­kä­fig­an­la­gen für den atlan­ti­schen Lachs (Sal­mo salar), sind an den Küs­ten Nord­eu­ro­pas ver­an­kert. Im Mit­tel­meer­raum wer­den Wolfs­bar­sche und Dora­den in Netz­kä­fi­gen pro­du­ziert. Unter allen die­sen Anla­gen sam­meln sich Fut­ter­res­te und Faeces, die End­pro­duk­te des Ver­dau­ungs­stoff­wech­sels. Die Stoff­men­gen sind erheb­lich. Bei Dora­den sedi­men­tie­ren je 1000 kg pro­du­zier­ten Fisch rund 450 kg Aus­schei­dun­gen aus den Netz­kä­fi­gen auf den Mee­res­grund.  Eine wert­vol­le Res­sour­ce, die rund 320 kg in der Bio­gas-Fer­men­ta­ti­on ver­wert­ba­re orga­ni­sche Sub­stanz ent­hält [7].

Der orga­ni­sche Abfall aus Netz­kä­fi­gen ver­än­dert die Lebens­be­din­gun­gen für die Ben­thos-Lebens­ge­mein­schaft unter­halb der Netz­kä­fi­ge [8,9]. Das Resul­tat: Ver­lust von Bio­di­ver­si­tät und Abun­danz. Zurück bleibt ein gestör­tes Öko­sys­tem, das sei­ne ursprüng­li­chen Auf­ga­ben als Teil der Bio­sphä­re nicht mehr erfül­len kann. Im Übri­gen, die durch Aqua­kul­tur zer­stör­ten Ben­thos-Öko­sys­te­me ent­las­sen dann auch noch gif­ti­ges Schwe­fel­was­ser­stoff­gas [10], das als Gas­bla­se auf­steigt und die Gesund­heit der Fische und der Mit­ar­bei­ter [11] in der Netz­kä­fig­an­la­ge gefährdet.

Kreislaufsysteme sind die Lösung

Die Aqua­kul­tur muss umge­steu­ert wer­den und durch ver­bes­ser­te Ver­fah­ren wie eine zuver­läs­si­ge Kreis­lauf­tech­no­lo­gie zukunfts­fä­hig wer­den. Die­se Pro­zess­tech­nik basiert auf 25 Jah­ren For­schung und Ent­wick­lung [5,6]. Sie ist kom­plex, mitt­ler­wei­le jedoch in ver­schie­de­nen Kon­zep­ten erfolg­reich rea­li­siert. Durch zuver­läs­si­ge Pro­zess­füh­rung wird es mög­lich, Kreis­lauf­an­la­gen mit einer Bio­gas-Fer­men­ta­ti­on zu koppeln.

Ein gro­ßer Vor­teil von Aqua­kul­tur-Kreis­lauf­an­la­gen ist, dass es kei­nen Fut­ter­ver­lust gibt. Die auto­ma­ti­sier­te Füt­te­rung führt nur die Men­ge Fut­ter den Fischen zu, die sofort auf­ge­nom­men wird. Aus­schei­dun­gen der Tie­re wer­den in kom­ple­xen, mehr­stu­fi­gen Fil­ter­an­la­gen [4] aus dem Kreis­lauf­was­ser gefil­tert. Beson­ders mit Hil­fe von mecha­ni­schen Sieb­fil­tern kön­nen die Rest­stof­fe auf­ge­fan­gen und als Schlamm kon­zen­triert gesam­melt werden.

Im Anschluss besteht die Chan­ce, die­se Rest­stof­fe durch die Kop­pe­lung an eine Bio­gas-Fer­men­ta­ti­on zu recy­celn und Abfall zu vermeiden.

Energieerzeugung dank Biogasanlagen

Die Bio­gas-Fer­men­ta­ti­on ist ein natür­li­cher Ver­fah­ren, das in der indus­tri­el­len Bio­tech­no­lo­gie genutzt wird. Es besteht aus auf­ein­an­der­fol­gen­den bio­che­mi­schen Pro­zes­sen ver­schie­de­ner Mikro­or­ga­nis­men [12]. Die Aus­gangs­stof­fe sind orga­ni­sche Sub­stan­zen (Mole­kü­le), zum Bei­spiel Mais, ein nach­wach­sen­der Roh­stoff, Klär­schlamm, Lebens­mit­tel­ab­fäl­le, Gül­le. Das sind Koh­len­hy­dra­te, Fet­te und Pro­te­ine. Die gro­ßen Mole­kü­le und Poly­me­re wer­den in einem ers­ten Schritt (1) durch Mikro­or­ga­nis­men in klei­ne­re Mole­kü­le zer­teilt. Dar­aus ent­ste­hen in einem wei­te­ren mikro­biel­len Pro­zess Alko­ho­le und orga­ni­sche Säu­ren (2). Alko­ho­le und orga­ni­schen Säu­ren wer­den danach durch Mikro­or­ga­nis­men zu Essig­säu­re umge­setzt (3). Es folgt die mikro­biel­le Syn­the­se von Methan­gas (CH4) aus der Essig­säu­re (4). Dabei fällt Koh­len­stoff­di­oxid an, das von einer ande­ren Grup­pe von Mikro­or­ga­nis­men mit Was­ser­stoff zu Methan­gas syn­the­ti­siert wird (5). Alle betei­lig­ten Mikro­or­ga­nis­men nut­zen die bio­che­mi­schen Stoff­wech­sel­we­ge, die zusam­men in einer bio­lo­gi­schen Pro­zess­ket­te orga­ni­sche Sub­stanz in Methan­gas wan­deln, um Ener­gie für ihren Zell­stoff­wech­sel zu erhal­ten. Sie müs­sen in einem Bio­gas-Fer­men­ter hin­rei­chen­de Lebens­be­din­gun­gen fin­den, damit alle ein­zel­nen Schrit­te der Bio­gas-Syn­the­se zuver­läs­sig ablaufen.

Biogaserzeugung und Meeresfischzucht – was ist mit dem Salz?

Die Kop­pe­lung an eine Kreis­lauf­an­la­ge für Mee­res­fi­sche ist auf­grund der Salz­fracht im Abwas­ser nicht gleich offen­sicht­lich. Die wis­sen­schaft­li­che Lite­ra­tur lie­fert aber gute Infor­ma­tio­nen, die die Mach­bar­keit auf­zei­gen. In einer Kreis­lauf­an­la­ge für Mee­res­fi­sche ist der Salz­ge­halt des Pro­zess­was­sers ein even­tu­ell limi­tie­ren­der Fak­tor für die Bio­gas-Fer­men­ta­ti­on. Der Salz­ge­halt von Meer­was­ser wird haupt­säch­lich von der Kon­zen­tra­ti­on des Natri­um­chlo­rids, Koch­salz, bestimmt. Die gra­fi­sche Abbil­dung unten zeigt die Ergeb­nis­se ver­schie­de­ner Unter­su­chun­gen zur Wir­kung von Natri­um­chlo­rid auf die Bio­gas-Fer­men­ta­ti­on. Die roten Bal­ken in der obe­ren Hälf­te der Gra­fik zei­gen, dass eini­ge Wissenschaftler*innen eine Hem­mung der Bio­gas-Fer­men­ta­ti­on bei Natri­um­chlo­rid-Kon­zen­tra­tio­nen über 10 Gramm pro Liter im Gär­sub­strat fest­ge­stellt haben. Die tür­kis­grü­nen Bal­ken in unten­ste­hen­der Gra­fik zei­gen, dass von ver­schie­de­nen Wissenschaftler*innen kei­ne Hem­mung der Bio­gas-Fer­men­ta­ti­on bis zu Natri­um­chlo­rid-Kon­zen­tra­tio­nen von 30 Gramm pro Liter im Gär­sub­strat fest­ge­stellt wur­de. Das erscheint zunächst wider­sprüch­lich. Bei den wis­sen­schaft­li­chen Unter­su­chun­gen wur­den kei­ne iden­ti­schen Mikro­or­ga­nis­men ver­wen­det, jede Arbeits­grup­pe hat­te eine eige­ne Quel­le. Es ist zu ver­mu­ten, dass also unter­schied­li­che Mikro­or­ga­nis­men mit unter­schied­lich guter Adapt­a­ti­on an Natri­um­chlo­rid in dem Fer­men­ta­ti­ons­pro­zess ein­ge­setzt wurden. 

Abbil­dung: Zusam­men­stel­lung der Ergeb­nis­se aus eini­gen wis­sen­schaft­li­chen Ver­öf­fent­li­chun­gen. Die tür­kis­grü­nen Säu­len zei­gen die von den Autoren*innen beschrie­be­nen Natri­um­chlo­rid­kon­zen­tra­tio­nen (NaCl), bei denen kei­ne Beein­träch­ti­gung der Bio­gas­syn­the­se fest­ge­stellt wur­de. Die roten Säu­len zei­gen die Berei­che, in denen die Autoren*innen eine Beein­träch­ti­gung der Bio­gas­pro­duk­ti­on fest­ge­stellt hatten.

Mikro­or­ga­nis­men kön­nen sich, wie die wis­sen­schaft­li­che Lite­ra­tur zeigt, an unter­schied­li­che Salz­kon­zen­tra­ti­on in einer Bio­gas-Fer­men­ta­ti­on anpas­sen [13,15]. Die sehr frü­he Hem­mung schon bei 10 Gramm Natri­um­chlo­rid pro Liter [14] ist nicht kon­sis­tent mit den Ergeb­nis­sen der ande­ren wis­sen­schaft­li­chen Arbei­ten. Es könn­te also sein, dass eine nicht gut adap­tier­tes Mikro­bi­om in der Fer­men­ta­ti­on ein­ge­setzt wor­den war. Mit Blick auf die ande­ren Ergeb­nis­se sind Kon­zen­tra­tio­nen bis zu 30 Gramm Natri­um­chlo­rid pro Liter Gär­sub­strat unkri­tisch für den Biogas-Fermentationsprozess.

Hier ein kleines Rechenbeispiel:

Die Natri­um­chlo­rid-Kon­zen­tra­ti­on in Rin­der­gül­le beträgt unge­fähr 1.2 Gramm pro Liter, liegt also weit unter­halb der Kon­zen­tra­ti­on, ab der eine Hem­mung der Bio­gas-Fer­men­ta­ti­on erwar­tet wer­den muss. Ange­nom­men, dass eine Kreis­lauf­an­la­ge, die täg­lich 1 Kubik­me­ter Schlamm abgibt mit einer Bio­gas­an­la­ge gekop­pelt wird, die täg­lich 10 Kubik­me­ter Gül­le ver­ar­bei­tet, dann ver­dop­pelt sich, wenn man den Schlamm in die Gül­le ein­mischt, die Natri­um­chlo­rid-Kon­zen­tra­ti­on auf unge­fähr 2.3 Gramm pro Liter. Nach den Ergeb­nis­sen aller Autoren, ist die­ser Anstieg des Salz­ge­halts für den Pro­zess einer Bio­gas-Fer­men­ta­ti­on unkri­tisch. Die Kon­zen­tra­ti­on liegt um den Fak­tor 15 unter­halb der hier ange­nom­me­nen Grenz­kon­zen­tra­ti­on von 30 Gramm Natri­um­chlo­rid pro Liter Gärsubstrat.

Um die Zunah­me des Salz­ge­hal­tes müs­sen wir uns also kei­ne Gedan­ken machen, soll­ten aber erin­nern, dass sich die Mikro­or­ga­nis­men an die­se Ver­än­de­rung im Gär­sub­strat anpas­sen wer­den. Das Fazit: Der Salz­ge­halt in einem Meer­was­ser-Pro­duk­ti­ons­sys­tem stellt kein Pro­blem dar.

Kopplung eines SEAWATER Cubes mit einer Biogas-Fermentation

Die Pro­zess­tech­nik im SEAWATER Cube basiert auf der Kreis­lauf­tech­no­lo­gie und erlaubt so die unkom­pli­zier­te Kopp­lung mit einer Biogas-Fermentation.

Das Ver­fah­ren funk­tio­niert so: Das Abwas­ser aus dem Cube – ein wäss­ri­ger Schlamm – wird in die Gül­le ein­ge­lei­tet und die­se dann in die Bio­gas­an­la­ge ein­ge­speist. Dabei unter­stützt das Abwas­ser die Fließ­ei­gen­schaf­ten der Gül­le, sodass es sel­te­ner zu Ver­stop­fun­gen kommt.

Die orga­ni­schen Sub­stan­zen der Fische wer­den so in einen erneu­er­ba­ren Ener­gie­trä­ger über­führt, der nach­hal­tig im Haus­halt, in der Indus­trie und im Ver­kehr genutzt wer­den kann. Vor­teil dabei ist, dass das Abwas­ser nicht über das kom­mu­na­le Abwas­ser­netz ent­sorgt wer­den muss. Dadurch wer­den der Aus­trag orga­ni­scher Sub­stanz in die Umwelt und Umwelt­schä­den ver­hin­dert. Zudem wer­den Kos­ten gespart.

Zudem ent­steht bei der Strom­pro­duk­ti­on über Bio­gas im Gas­mo­tor, der zur Strom­pro­duk­ti­on den Gene­ra­tor antreibt, Abwär­me. Die­se Abwär­me wird zum einen genutzt, um die Bio­gas­an­la­ge selbst zu hei­zen. Deren Bak­te­ri­en arbei­ten bei höhe­rer Tem­pe­ra­tur schnel­ler. Zum ande­ren kann die Abwär­me im Win­ter über eine Wär­me­tau­scher­plat­te in das Becken den Fischen zuge­führt wer­den, die im All­ge­mei­nen Was­ser­tem­pe­ra­tu­ren über 18°C benö­ti­gen. So wird die Abwär­me sinn­voll genutzt und im lau­fen­den Betrieb des Cubes fal­len weni­ger Kos­ten für Ener­gie an.

Ein wei­te­rer Vor­teil: Der über Bio­gas erzeug­te Strom ist ver­gleichs­wei­se güns­tig und da die Aqua­kul­tur­anla­ge pro Jahr ca. 55.000 kWh Strom benö­tigt, erge­ben sich bei Direkt­nut­zung (Eigen­ver­brauch) des Stro­mes Syn­er­gie­ef­fek­te bzw. Einsparungen.

Im Ergeb­nis kann durch die Kopp­lung von Bio­gas und Aqua­kul­tur einer­seits der Kreis­lauf wei­ter geschlos­sen wer­den und wert­hal­ti­ge Pro­zess­end­pro­duk­te wie Abwas­ser und Abwär­me wer­den einer nach­hal­ti­gen Nut­zung zuge­führt. Ande­rer­seits wird die Wirt­schaft­lich­keit der Fisch­zucht durch den güns­ti­gen Strom­be­zug und die Ver­mei­dung von Abfall­kos­ten verbessert.

Individuelle Beratung für individuelle Bedürfnisse

Der SEAWATER Cube ist in ers­ter Linie ein stan­dar­di­sier­tes Sys­tem. Spe­zi­fi­sche Anfor­de­run­gen und Bedürf­nis­se auf­grund unter­schied­li­cher Stand­ort­ge­ge­ben­hei­ten kön­nen jedoch indi­vi­du­ell berück­sich­tigt wer­den. Gemein­sam mit unse­ren Kun­den erar­bei­ten wir pass­ge­naue Lösun­gen, so bei­spiels­wei­se auch mit Carl und Loui­se aus Müns­ter, die sich eine Kopp­lung mit der bestehen­den 75 kW Bio­gas-Anla­ge gewünscht haben. Durch sei­ne Kom­pakt­heit ließ sich die Anla­ge per­fekt neben der Bio­gas-Anla­ge plat­zie­ren und installieren.

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Refe­ren­zen / Quellen

  • [1] https://www.bmel.de/DE/themen/landwirtschaft/bioeokonomie-nachwachsende-rohstoffe/biogas.html
  • [2] FAO. 2023. Fishery and Aquacul­tu­re Sta­tis­tics. www.fao.org/fishery/en/statistics/software/fishstatj.
  • [3] FAO. 2022. The Sta­te of World Fishe­ries and Aquacul­tu­re 2022. Towards Blue Trans­for­ma­ti­on. Rome, FAO.
  • [4] Envi­ron­men­tal Impacts of Aquacul­tu­re, Shef­field Aca­de­mic Press, 2001
  • [5] Hand­buch Fisch, Krebs- und Weich­tie­re, Behrs Ver­lag, 2000, 2003, 2014
  • [6] Aquacul­tu­ral Engi­nee­ring 58:20–28, 2014
  • [7] Aquat. Living Resour. 11(4):265–268, 1998
  • [8] Aquacult Envi­ron Inter­ac­tions, 2: 157–176, 2012
  • [9] Eco­lo­gi­cal Model­ling 361:122–134, 2017
  • [10] https://repository.library.noaa.gov/view/noaa/2071
  • [11] Jour­nal of Agro­me­di­ci­ne, 15:412–426, 2010
  • [12] Ener­gie aus Bio­mas­se, Sprin­ger Ver­lag, 2009
  • [13] Water Sci Tech­nol 73 (8): 1865–1871, 1984
  • [14] Bio­re­sour­ce Tech­no­lo­gy 93:155–167, 2004
  • [15] Biopro­cess Bio­syst Eng 42, 1915–1922, 2019
  • [16] Water Sci Tech­nol 73 (8): 1865–1871, 2016
  • [17] Che­mi­cal Papers 73:555–563, 2019