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Eidgenössisches Departement für Umwelt, Verkehr, Energie und Kommunikation UVEK

Bundesamt für Energie BFE

Schlussbericht:

Technische und ökonomische Evaluation von Boxen‐Vergärungsanlagen in der Schweiz

Systemvergleich, Wirtschaftlichkeit, Emissionen und Mobilisierung des Biogaspotenzials von Kompostieranlagen

März 2017


Schlussbericht 2017 BFE 2/42

Auftraggeber: Bundesamt für Energie BFE Forschungsprogramm Biomasse CH‐3003 Bern www.bfe.admin.ch Kofinanzierung: EREP SA, 1123 Aclens engeli engineering, 8173 Neerach arbi GmbH, CH‐6314 Unterägeri Auftragnehmer: engeli engineering, (Projektleitung) Hans Engeli, dipl. sc. nat. ETH; Steinmaurstr. 13, CH‐ 8173 Neerach [email protected] arbi, Arbeitsgemeinschaft Bioenergie GmbH Werner Edelmann, Dr. sc. nat. ETH Heimelistr. 25, CH‐6314 Unterägeri [email protected] EREP SA Yves Membrez, ing.civil HES/UTS Juliana Leon, dipl.ing.env. EPFL, Dr. Nuria Montpart Chemin du Coteau 28 CH‐1123 Aclens [email protected] BFE‐Bereichsleiter: Dr. Sandra Hermle BFE‐Programmleiter: Dr. Sandra Hermle BFE‐Vertrags‐ und Projektnummer: SI/501330‐01; TP Nr. 8100071

Für den Inhalt und die Schlussfolgerungen sind ausschliesslich die Autoren dieses Be-richts verantwortlich.

Verantwortliche Endredaktion des Berichts: W. Edelmann



Zitat: Engeli H., Edelmann W., Membrez Y. (2017): Technische und ökonomische Evaluation von Boxen‐Vergärungsanlagen in der Schweiz, Schlussbericht, Bundesamt für Energie, BFE, Bern Keywords:

Biogas, Boxenvergärung, Vergleich, Verfahrenstechnik, Kosten, Platzkompostierung, Biogas‐potenzial, Emissionen, Schweiz, Batchvergärung, biogene Abfälle, Grünabfall, Ökonomie

Dank

Wir danken dem Bundesamt für Energie für die Unterstützung dieser Arbeit.

Ein herzlicher Dank geht ebenfalls an alle Beteiligten dieser Studie, wie

Anbieter und Betreiber von Boxenvergärungsanlagen, die sich für unsere Anliegen Zeit nahmen und das Projekt

jederzeit hilfsbereit bestens unterstützten.



Evaluation von Boxenvergärungsanlagen in der Schweiz

Inhaltsübersicht 1 Abstract ........................................................................................................................ 5

2 Zusammenfassung ........................................................................................................ 6

3 Résumé ........................................................................................................................ 7

4 Einleitung ..................................................................................................................... 8

5 Ziel der Arbeit und Vorgehen ....................................................................................... 9

6 Boxengärsysteme auf dem europäischen Markt ......................................................... 11 6.1 Ausgangslage ............................................................................................................ 11 6.2 Beschaffung von Informationen zur Boxenvergärung ............................................. 12 6.3 Allgemeine Merkmale von Boxenvergärung ............................................................ 13 6.4 Das Verfahren von Agri Environnement ................................................................... 15 6.5 Das Verfahren von Bekon/Eggersmann ................................................................... 16 6.6 Das Verfahren von Denaba ....................................................................................... 17 6.7 Das Verfahren von Naskeo ....................................................................................... 18 6.8 Das Verfahren von Pöttinger .................................................................................... 19 6.9 Das Verfahren von Renergon ................................................................................... 21 6.10 Das Verfahren von Schmack ..................................................................................... 22 6.11 Das Verfahren von Sud‐Oest Biogaz ......................................................................... 23

7 Ökonomie der Boxenvergärung .................................................................................. 25 7.1 Zielsetzung und Vorgehen ........................................................................................ 25 7.2 Annahmen für die Berechnung der Wirtschaftlichkeit ............................................ 26

7.2.1 Investitionskosten ........................................................................................ 26 7.2.2 Betriebskosten ............................................................................................. 27

7.3 Schlussfolgerungen zur Wirtschaftlichkeit ............................................................... 29

8 Grössere Kompostwerke in der Schweiz ..................................................................... 30 8.1 Erfassung von ggf. geeigneten Kompostplätzen ...................................................... 30 8.2 Erfasste grössere Platzkompostierungen ................................................................. 31 8.3 Eignung der evaluierten Anlagen ............................................................................. 34 8.4 Möglicher Zuwachs an erneuerbarer Energie aus Biogas ........................................ 35

9 Gasige Emissionen der Boxenvergärung ..................................................................... 36 9.1 Ausgangslage und Emissionen allgemein ................................................................. 36 9.2 Mögliche Methanemissionen ................................................................................... 37

10 Schlussfolgerungen und Ausblick ................................................................................ 39

11 Quellenverzeichnis ..................................................................................................... 41

12 Anhang ....................................................................................................................... 42 12.1 Liste der Anbieter von Boxenvergärungen ............................................................... 42 12.2 Beschreibungen der 56 evaluierten Platzkompostierungen (vertraulich) ........... 42‐99



1 Abstract

A quite high share of the biogenic waste – such as garden waste and organic waste from house‐hold and industry – is actually still composted on larger composting plants without making avail‐able the energy enclosed in the biogenic matter. Recently, different providers of smaller batch digestion systems using containers appeared on the market. This makes digesting for even less than 5’000 tons of biogenic waste per year economically feasible. This project evaluates the pos‐sibilities of supplementing anaerobic container solutions on small composting sites.

An overview is given about the different container digestion techniques actually available on the market. Eight vendors provided detailed documentations including budget prices. These tech‐nologies were characterized and compared.

Using the actual budget prices as well as own empirical values, the investment and operating costs for treating capacities of 5’000 and 2’500 tons of biogenic waste per year were calculated including all supplementary costs, such as taxes, planning costs, embedding the plant into the electricity and heat grids etc. It was just looked at the supplementary costs and benefits of the anaerobic system; possible savings while post‐composting in comparison to pure composting were not taken into account, because these savings depend much on the local conditions. Sensi‐tivities were calculated for factors such as interest rates, depreciation times or biogas yield.

An additional win may be realized with various technologies by treating at least about 3’500 t/yr. At smaller sizes, favourable preconditions – such as short distance to a costumer of heat, advan‐tageous construction conditions etc. – have to be present, if a profit or at least no deficit has to be realized without increasing the fees for the treatment.

In order to determine the biogas potential by implementing a container digestion on a compost‐ing site, the number of suited composting sites treating more than 2’000 t/yr. have been sur‐veyed. It was possible to identify 40 plants treating 2’000 – 5’000 t/yr., 17 plants between 5’000 and 10’000 t/yr. and 7 composting sites treating more than 10’000 t/yr. These 64 composting sites treated in 2014 about 375’000 tons of biogenic waste.

For each plant a data sheet was composed including the relevant data, such as the composition and amount of waste, distance to settlement area and to possible buyers of heat, zone descrip‐tion as well as aerial photos etc. These data allowed a rough estimation of the suitability of the sites for a container solution. Only 12 plants treating ~30’000 t/yr. were considered not to be suited for construction of an AD‐plant at this moment. For 30 plants with a total capacity of 245’000 t/yr. the construction will be presumably profitable. 22 plants treating about 100’000 t/yr. were categorized in second priority, because additional clarifications are necessary. At eight sites there exist already today detailed container digestion projects for digesting around 67’000 t/yr.

There is still a quite large potential to increase the amount of collected green waste as well as for centralizing wastes treated actually on very small composting sites. This will allow constructing plants at sites, which were ranked actually with second or third priority. It may be assumed that about 30 million additional cubic meters of biogas may be produced in Switzerland per year, allowing the generation of about 65 GWh of renewable electricity.

While operating a batch container process, the container has to be opened after the digestion cycle, causing the emission of methane. However, detailed estimations showed that – applying additional measures such as burning the low calorific gas by mixing it with biogas of good quality – less than 0.5 kg of methane will be freed per ton of digested matter (including methane slip‐ping during operation). Emissions of ammonia will not be larger than those caused by simple composting.



2 Zusammenfassung

Ein grosser Anteil der biogenen Abfälle (Grüngut, Haushalt‐ und Industrieabfälle) wird in der Schweiz immer noch auf vielen grösseren Kompostplätzen kompostiert ohne dass der Energiein‐halt nutzbar gemacht wird. In jüngster Vergangenheit sind verschiedene Anbieter von Systemen zur Boxenvergärung im Markt aufgetreten, die auch kleinere Lösungen anbieten, die erlauben, Mengen von weniger als 5‘000 t/a zu vergären. Das vorliegende Projekt evaluiert die Möglichkei‐ten für eine Ergänzung von Platzkompostierungen mit einer anaeroben Vorbehandlung in Boxen.

Es wird eine Übersicht gegeben über die verschiedenen Verfahren der im Markt aktiven Akteure. Acht der angeschriebenen Anbieter stellten umfangreiche Dokumentationen und Richtpreisof‐ferten zur Verfügung, die im Bericht vorgestellt werden.

Mit den Richtpreisofferten und eigenen Erfahrungswerten wurden mit einem hohen Detaillie‐rungsgrad und unter Berücksichtigung sämtlicher möglicher Nebenkosten die Investitions‐ und Betriebskosten von Anlagen zur Behandlung von 5‘000 t/a sowie in zwei Fällen von 2‘500 t/a ermittelt. Es wurden nur die zusätzlich zur Kompostierung anfallenden Kosten und Erträge be‐rücksichtigt; wahrscheinliche – aber schwer exakt quantifizierbare ‐ Einsparungen bei der Kom‐postierung wurden nicht berücksichtigt. Um den Einfluss von Faktoren wie Zinssatz, Abschreibe‐dauern oder Gasertrag zu ermitteln, wurden Sensitivitäten gerechnet.

Es zeigte sich, dass bei verschiedenen Verfahren bei Verarbeitungskapazitäten von über rund 3‘500 t/a ein zusätzlicher Gewinn erwirtschaftet werden kann. Bei kleineren Anlagen müssen günstige Voraussetzungen vorhanden sein – wie ein Wärmeabnehmer in unmittelbarer Nähe, günstige Bedingungen für den Bau etc. – wenn ein Gewinn oder zumindest Kostenneutralität ohne Erhöhung der Annahmepreise erreicht werden soll.

Um das Biogaspotenzial der Boxenvergärung auf Kompostplätzen zu bestimmen wurde die An‐zahl der geeigneten Kompostplätze mit einer Verarbeitungskapazität von mehr als 2‘000 t/a in der Schweiz erhoben. Es wurden 40 Anlagen mit Kapazitäten zwischen 2‘000 und 5‘000 t/a sowie 17 Anlagen zwischen 5‘000 und 10‘000 t/a und 7 mit mehr als 10‘000 t/a identifiziert. Diese 64 Anlagen verarbeiteten 2014 rund 375‘000 Tonnen feste biogene Abfälle.

Für jeden Kompostierplatz wurde ein Datenblatt erstellt mit den relevanten Daten wie Mengen und Zusammensetzung der Ausgangsmaterialien, Distanz zum Siedlungsgebiet, Landreserven, Distanz zu möglichen Wärmeabnehmern, Zonenplan sowie auch Luftaufnahmen. Diese Daten erlaubten eine grobe Abschätzung, welche Standorte sich in erster, zweiter oder dritter Priorität für eine Boxenvergärung eignen. Es kann abgeschätzt werden, dass nach aktuellem Kenntnis‐stand nur bei 30‘000 Tonnen der Zubau einer Boxenvergärung nicht sinnvoll zu sein scheint (12 Anlagen mit 3. Priorität). Für 30 Anlagen mit einer totalen Kapazität von rund 245‘000 t wird sich der Bau voraussichtlich klar lohnen (1. Priorität). 22 Kompostplätze mit einer Kapazität von rund 100‘000 t/a wurden der 2. Priorität zugeordnet, weil noch vertiefte Abklärungen nötig sind. Für gut 67‘000 Tonnen bestehen an 8 Standorten bereits weit fortgeschrittene Projekte für den Bau einer Boxenvergärungsanlage.

Hinsichtlich einer verbesserten Erfassung des Grünguts sowie der Zusammenlegung von sehr kleinen Kompostplätzen besteht noch ein relativ grosses Potenzial, das erlauben wird, auch an vielen Standorten 2ter oder sogar 3ter Priorität Anlagen zu bauen. Es kann daher davon ausgegan‐gen werden, dass so jährlich rund 30 Millionen Kubikmeter Biogas zusätzlich erzeugt werden können, aus welchen rund 65 GWh erneuerbare Elektrizität gewonnen werden können.

Beim Batchbetrieb der Boxenvergärung müssen jeweils nach Ablauf des Gärzyklus die Boxen geöffnet werden, was zu Emissionen von Methan führt. Abschätzungen zeigten jedoch, dass bei den getroffenen Massnahmen (Verbrennen des Schwachgases etc.) die gesamten Emissionen (inklusive Methanschlupf beim Betrieb) sich auf weniger als 0,5 kg Methan pro Tonne Gärgut belaufen. Die Ammoniakemissionen sind nicht grösser als bei reiner Kompostierung.



3 Résumé

Une part importante des biodéchets (déchets verts, déchets organiques ménagers et industriels) produits en Suisse est toujours encore traitée sur de nombreuses grandes places de compostage sans mise en valeur de leur contenu énergétique. Depuis un passé récent différents fournisseurs de sys‐tèmes de digestion à alimentation discontinue (fermenteurs garages), présents sur le marché, propo‐sent également des solutions permettant de méthaniser des quantités inférieures à 5'000 t/a. Le présent projet évalue les possibilités d’intégrer une unité de prétraitement anaérobie, constituée de fermenteurs‐garages, sur des places de compostage.

Un aperçu des différents procédés par des acteurs actifs sur le marché est proposé. Huit des cons‐tructeurs consultés ont présenté une documentation technique complète et une offre indicative ; ces éléments sont présentés dans ce rapport.

A l’aide des offres indicatives, de données de références et au moyen d’une évaluation fine considé‐rant tous les frais annexes les coûts d’investissement et d’exploitation ont pu être définis pour des installations traitant 5'000 t/a ainsi que pour deux cas 2'500 t/a. Les charges et les recettes supplé‐mentaires par rapport au compostage ont été considérées alors que des économies réelles mais diffi‐cilement exactement quantifiables pour le compostage n’ont pas été prises en compte. Afin de tenir compte de l’influence de facteurs tels que le taux d’intérêt, les durées d’amortissement et les ren‐dements en biogaz une analyse de sensibilité a été réalisée.

On a ainsi pu montrer que, pour certains procédés et pour des capacités de traitement supérieures à environ 3'500 t/a un gain supplémentaire pouvait être réalisé. Pour des capacités inférieures des conditions favorables telles que par exemple un consommateur de chaleur proche du site, des prix de construction réduits, etc. devraient être réunis pour assurer un résultat positif ou au moins une neutralité économique, sans augmenter les redevances de traitement des biodéchets.

Afin de déterminer le potentiel biogaz de la méthanisation à alimentation discontinue sur des places de compostage, en Suisse, un inventaire des sites adaptés et d’une capacité supérieure à 2'000 t/a a été réalisé. On a ainsi pu identifier 40 installations avec des capacités entre 2’000 et 5'000 t/a ainsi que 17 unités entre 5'000 et 10'000 t/a et 7 de plus de 10'000 t/a. Ces installations ont traité environ 375'000 tonnes de biodéchets en 2014.

Pour chacun des sites une fiche a été établie avec ses données principales telles que : quantités trai‐tées, composition des matières, distance par rapport aux habitations, réserve de terrain, distance par rapport à de possibles repreneurs de chaleur, plan des zones et vue aérienne. Ces éléments ont per‐mis, en première évaluation, de classer les sites selon trois niveaux de priorité pour y intégrer des fermenteurs‐garages. On peut ainsi estimer que, selon les connaissances actuelles, seules 30'000 tonnes conviendraient mal pour l’ajout d’une méthanisation (12 sites en priorité 3). Pour 30 sites totalisant une capacité d’environ 245'000 tonnes une telle construction pourrait s’avérer pertinente (priorité 1). 22 places de compostage totalisant environ 100'000 tonnes nécessiteraient des investi‐gations plus précises et ont été classées en priorité 2. Pour 8 sites totalisant 67'000 tonnes des pro‐jets avancés de construction de fermenteurs‐garages existent.

En considérant une collecte améliorée des déchets verts ainsi qu’un rassemblement de très petites places de compostage un potentiel relativement important pourrait se présenter également pour les sites de priorité 2 ou même 3. On peut ainsi en conclure qu’annuellement près de 30 millions de m3 supplémentaires de biogaz pourraient être produits ce qui permettrait de produire environ 65 GWh d’électricité renouvelable.

Lors d’un fonctionnement par charges des fermenteurs‐garages les fermenteurs doivent être ouverts à la fin de chaque cycle de digestion ce qui provoque des émissions de méthane. Des estimations montrent pourtant que par des mesures adaptées (combustion du gaz pauvre,etc.) la totalité des émissions (y compris les rejets de méthane lors de l’exploitation) peuvent être limités à moins de 0,5 kg de méthane par tonne de digestat. Les émissions d’ammoniac ne sont quant à elles pas plus im‐portantes que dans le cas du compostage.



4 Einleitung

In der Schweiz stehen heute verschiedene gewerbliche Grossanlagen zur Vergärung von fes‐ten biogenen Abfällen in Betrieb. Ihre Verarbeitungskapazitäten reichen von 8‘000 t/a bis über 20‘000 t/a. Vergoren werden Grünabfälle, biogene Küchenabfälle wie auch Abfälle aus Industrie und Gewerbe. Diese festen biogenen Abfälle haben zwei grosse Vorteile: Einerseits steckt in ihnen ein gros‐ses Biogaspotenzial, da sie nicht bereits einen Verdauungstrakt durchlaufen haben, und an‐dererseits darf die Verwertung etwas kosten, da sie sonst auf anderen, ebenfalls Kosten ver‐ursachenden Wegen entsorgt werden müssten. Dies führte anfangs der 90‐er Jahre unter anderem in der Schweiz zur Entwicklung der „Kom‐pogas“‐Technologie, wo der liegende Reaktor im thermophilen Pfropfstromverfahren konti‐nuierlich beschickt wird. Etwas später wurde durch die deutsche Firma Bekon das durch die Franzosen Ducellier und Isman bereits im zweiten Weltkrieg entwickelte Batchverfahren zur Behandlung fester Abfälle wiederentdeckt. Bei dieser Boxenvergärung werden die festen Ab‐fälle alternierend in mehrere Garagen‐ähnliche Fermenter gefüllt, wo sie für eine definierte Zeit verbleiben und dabei ausgasen. Gewerbliche Biogasanlagen verarbeiteten 2015 etwas mehr als 500‘000 Tonnen Grünabfälle (Abb. 1, grüne Kurve); dazu kamen noch gegen 150‘000 Tonnen Grüngut sowie Garten‐ und Industrieabfälle, die in landwirtschaftlichen Covergä‐rungs‐Anlagen verwertet wurden (Abb. 1, violette Kurve).

Abb. 1: Entwicklung der verarbeiteten Mengen an biogenen Abfällen nach Verwertungswegen 2015 (Inspektorat der Kompostier‐ und Vergärbranche, 2016)

Gleichzeitig bestehen in der Schweiz viele Kompostieranlagen (Platz‐ und Feldrandkompostie‐rungen), die biogene Abfälle in einer nur wenig kleineren Gesamtmenge als die Gäranlagen verarbeiten (Abb. 1; rote und blaue Kurven). Davon werden in grösseren Platzkompostierun‐gen mit Kapazitäten von mehr als 1‘000 Jahrestonnen weit über 300‘000 Tonnen biogene Abfälle kompostiert. Hier könnte sich in verschiedenen Fällen eine Vergärung mit anschlies‐sender Nachrotte lohnen, da in der Zwischenzeit kleinere und kostengünstigere Batchanlagen zur Feststoffvergärung entwickelt wurden, welche die Feststoffvergärung auch in kleinerem Massstab ökonomisch vertretbar erscheinen lassen. Sofern rund die Hälfte dieser grösseren Kompostieranlagen mit einer solchen Anlage nachgerüstet werden könnten, würde sich die heutige Biogasproduktion aus festen biogenen Abfällen um mehr als einen Drittel erhöhen. Die Verifizierung dieser Hypothese ist Inhalt der vorliegenden Studie.



5 Ziel der Arbeit und Vorgehen

Ziel dieser Studie ist, einerseits eine Übersicht über die Technologie und Kosten neuartiger Kleinanlagen zu geben und andererseits abzuschätzen, welche Standorte sich ggf. für die Er‐gänzung eines Kompostplatzes mit einer vorgeschalteten Vergärung eignen würden. Folgen‐de Teilziele können bei der Evaluation von Boxen‐Vergärungsanlagen zur Ergänzung von Platzkompostierungen mit einer Verarbeitungskapazität von über 2’000 Tonnen pro Jahr festgehalten werden:

die Verifikation der Annahmen, die Identifikation der Kompostierplätze und die Evaluati‐on und Bewertung von geeigneten Boxen‐Vergärungsanlagen

die Besichtigung und technische Beschreibung von geeigneten Boxenvergärungen und Anlagekonzepten in der Schweiz, in Deutschland, Österreich und in Frankreich

die Erhebung und Beurteilung der Wirtschaftlichkeit von kleinen, einfachen Boxenvergä‐rungsanlagen

eine erste Abschätzung und Beurteilung von Emissionen (Methan und Geruch) beim Be‐trieb von nicht eingehausten Boxenvergärungsanlagen Die Studie umfasst folgende Arbeitsschritte:

Verifikation der getroffenen Annahmen Mit Hilfe der verfügbaren statistischen Daten (Kantone, Inspektorat, Biomasse Suisse) werden die Anzahl und die Kapazitäten der in Frage kommenden Kompostierplätze in den verschiedenen Regionen der Schweiz geprüft und kantonsweise dargestellt.

Erstellen eines Anforderungskataloges an die Boxen‐Vergärung sowie an mögliche Standorte auf bestehenden Kompostplätzen Als Werkzeug zur Ermittlung von geeigneten Standorten werden die Standortfaktoren (Erschliessung, Distanz zum Siedlungsgebiet, Stromanschluss, Wärmenutzung) mit Hilfe eines Anforderungskataloges definiert.

Identifikation und Charakterisierung der geeigneten Kompostplätze Erheben von Lage, Infrastruktur, und Kapazitäten der Kompostplätze (West‐ und Deutschschweiz sowie Tessin) mit Hilfe einer Umfrage. Mit Hilfe des Anforderungskata‐loges werden geeignete Standorte (Kompostplätze) für die Verwertung von Grüngut aus dem kommunalen Sammeldienst ausgeschieden.

Kontaktaufnahmemit Anbietern und Betreibern von kleinen Boxen‐Anlagen Parallel zur Evaluierung von Standorten werden die Anbieter von geeigneten, kleineren Anlagen in Deutschland, Frankreich, Österreich und der Schweiz kontaktiert.

Beschaffen von technischen und kommerziellen Informationen Mit Hilfe des Pflichtenheftes werden von den Anbietern Angebote mit technischen In‐formationen beschafft, welche eine vergleichende Beurteilung ermöglichen.

Erstellen von Modellrechnungen zur Beurteilung der Wirtschaftlichkeit Die Wirtschaftlichkeit der verschiedenen Angebotsvarianten wird auf der Basis einer praxisbezogenen Modellrechnung ermittelt (Investitionskosten: Anlage‐ und Bautechnik; Kapitalkosten: Zinskosten, Abschreibung; Betriebskosten: Personalkosten, Reparaturen, Wartung, Unterhalt, Ausbringkosten, Entsorgung Störstoffe Versicherung, Administrati‐on, Qualitätssicherung; Einnahmen: Strom und Wärme, Annahmegebühren Grüngut, Verkauf Endprodukte; etc.)



Abschätzen des theoretischen Energiepotenzials und des realisierbaren Potenzials Basierend auf den in Frage kommenden Standorten und Kapazitäten in sämtlichen Kan‐tonen werden die theoretischen und realisierbaren Biogaspotenziale ermittelt.

Grobe Abschätzung der Emissionen und von Massnahmen zu deren Reduktion Mit den von Anbietern erhaltenen technischen Informationen werden die mit dem Be‐trieb (Füllen und Leeren) einhergehenden Emissionen abgeschätzt, und es werden nach Möglichkeit Minderungsmassnahmen vorgeschlagen. Ein Vergleich mit der offenen Kompostierung wird dargestellt.

Die vorliegende Studie soll daher Informationslücken über den möglichen Einsatz von klei‐nen Boxenvergäranlagen schliessen und gleichzeitig über das mit solchen Anlagen realisier‐bare Biogaspotenzial Auskunft geben. In einem ersten Teil werden auf dem Markt erhältliche Verfahren zu Boxenvergärung vorge‐stellt und charakterisiert. Anschliessend folgen ein ökonomischer Vergleich und eine Bewer‐tung der Verfahren. In einem dritten Teil wird abgeschätzt, auf welchen schweizerischen Kompostierungsanlagen es sich lohnen würde, vor der Kompostierung eine einfache Bo‐xenvergärung vorzuschalten. Anschliessend werden noch Angaben zu den möglichen Emissi‐onen der Boxenvergärung gemacht.



6 Boxengärsysteme auf dem europäischen Markt

6.1 Ausgangslage

Bereits 1937, d.h. noch vor dem zweiten Weltkrieg, begannen die beiden Biogaspioniere Ducellier und Isman (1955) mit Forschung und Entwicklung im Bereich Biogas. Sie entwickel‐ten u.a. Batchfermenter zur Vergärung von Mist und festen Haushaltsabfällen, die schon während des Weltkriegs in Algerien und dann auch in Frankreich zum Einsatz kamen. Es handelte sich um mehrere quadrische Behälter, bei welchen ein Tor und/oder der Deckel zur Befüllung und Entleerung mit festen biogenen Abfällen geöffnet werden konnte (Abb. 2). In den Boxen durchliefen die Abfälle alternierend eine Batchvergärung. Schon 1949 betrieben sie mit Biogas aus der Boxenvergärung ein Auto, bei welchem Flaschen mit komprimiertem Biogas auf dem Dach befestigt waren (Abb. 3). In der Schweiz wurden die ersten Pilotanlagen zur Batchvergärung von Feststoffen in Lully und Vandoeuvres erstellt (Membrez et al., 1990).

Abb. 2:

Biogasanlage nach Ducellier und Isman am Lycée Agricole in Boigneville (F)

Abb. 3:

Biogasauto mit Gasflaschen in Algerien 1949

Infolge der stark wachsenden Erdölförderung gingen die Entwicklungen der beiden Pioniere in der Nachkriegszeit allmählich in Vergessenheit. Kurz vor der Jahrtausendwende wurde die Batchvergärung wiederentdeckt und vielerorts als grossartige „neue Erfindung“ gefeiert. Heute sind verschiedene Anbieter auf dem Markt, die Anlagen nach dem von Ducellier und Isman entwickelten Prinzip anbieten. Je nach Anbieter sind gewisse Alleinstellungsmerkmale vorhanden: Bei einfacheren – und damit auch kostengünstigeren – Verfahren werden bei‐spielsweise die Tore händisch bedient, während teurere Modelle vollautomatisch bedienba‐re Tore mit hydraulischem Antrieb besitzen. Weitere Unterschiede betreffen beispielsweise Baumaterial, Form und Anzahl Fermenter, Management des Perkolats und Beimpfung, Art der Gasspeicherung, Vorgehen bei der Entleerung oder Art der Beheizung. Neben der Evaluation von geeigneten Standorten wurde eine Übersicht über Verfahren von Herstellen von Boxenvergärungsanlagen in der Schweiz, Deutschland, Österreich und Frank‐reich erstellt.



6.2 Beschaffung von Informationen zur Boxenvergärung

Als Vorbereitung zur Beschaffung von Informationen wurde eine Liste mit Anbietern von Boxenvergärungsanlagen erstellt. Die Firmenangaben stammen von bestehenden Kontakten mit Anlagebauern, aus Publikation und Fachberichten sowie von Besuchen von Fachveran‐staltungen und Messen. Insgesamt sind oder waren rund 20 Firmen in diesem Bereich tätig.

Nr. Anbieter Adresse

1 Renergon International AG CH ‐ 8280 Kreuzlingen 2 Eggersmann Anlagenbau Kompoferm GmbH D ‐ 45966 Gladbeck 3 BEKON GmbH D ‐ 85774 Unterföhring / München 4 BioFerm Schmack Biogas GmbH D ‐ 92421 Schwandorf 5 DeNaBa D ‐ 31719 Wiedensahl 6 Pöttinger Entsorgungstechnik GmbH A ‐ Grieskirchen 7 Naskeo‐Methajade F ‐ 44340 Bouguenais 8 Sud‐Ouest Biogaz F ‐ 31100 Toulouse 9 Agri Environnement F ‐ 81600 Montans 10 enbion GmbH D ‐ 21335 Lüneburg 11 BASD biogasgruppe Int D ‐ 71229 Leonberg 12 Arkolia F ‐ 34130 Mudaison 13 AES Dana F‐ 62223 Saint Laurent Blangy 14 Biocité F ‐ 69007 Lyon 15 Bioplex UK‐ SO20 6DJ, Stockbridge, Hampshire 16 SEaB Energy UK ‐ SO16 7NP, Southhampton, Hampshire17 Chiemgauer Biogasanlagen c/o Fritz Seeger OHG D ‐ 81476 München 18 Erigène F‐ 60000 Beauvais 19 S2‐Watt F‐78059 Saint Quentin en Yvelines 20 Aria Energies F‐ 31300 Toulouse

Tab. 1. Liste der Anbieter von Boxenvergärungsanlagen Zur Beschaffung von technischen und kommerziellen Informationen von den Anbietern wur‐de ein Pflichtenheft in deutscher und französischer Sprache erstellt (Anhänge 1 und 2). Diese Pflichtenhefte wurden an die Anbieter Nr. 1 ‐ 14 gesendet. Bei näherer Betrachtung der Anbieter Nr. 15 – 20 hat sich gezeigt, dass diese die Aktivitäten in diesem Bereich einge‐stellt haben oder nicht mehr erreichbar sind. Die Anbieter Nr. 10 – 14 haben nicht auf die Anfrage geantwortet. Auswertbare Angebote wurden von den Anbietern Nr. 1 – 9 erhalten. Dabei ist anzumerken, dass der Bau von Boxenvergärungsanlagen der Firma Eggersmann inzwischen unter dem Firmennamen BEKON weitergeführt wird, weil die BEKON durch Eggersmann Anlagenbau übernommen worden ist. In der Folge werden die in den Angeboten von acht Anbietern erhaltenen Informationen zu heute in der Schweiz verfügbaren Verfahren der Boxenvergärung in alphabetischer Reihen‐folge vorgestellt und charakterisiert. Die Angaben basieren auf eingeholten Offerten zu An‐lagen für 5‘000 t/a, die allerdings leider unterschiedlich detailliert eingereicht wurden. Die Firma Bioferm Schmack Biogas GmbH hat eine Offerte für eine Anlage mit 12'000 t/a eingereicht, weil kleinere Anlagen mit 5'000 t/a nicht angeboten werden. Der Vollständigkeit halber wurde diese Offerte ebenfalls dargestellt.



6.3 Allgemeine Merkmale von Boxenvergärung

Abbildung 4 zeigt schematisch die Komponenten einer Boxenvergärung.

Die Vergärung der biogenen Feststoffe findet in mehreren quadrischen Behältern („Boxe“) statt, die aus Beton oder Metall gefertigt sein können. In der Regel weisen diese eine feste Decke auf. Es kann aber auch auf eine feste Decke verzichtet werden; die Abdeckung nach oben wird dann direkt durch eine Folienkonstruktion zur Gasspeicherung gewährleistet („abgedecktes Fahrsilo“). Eine Stirnseite lässt sich jeweils für die Befüllung und Entleerung mit den gärbaren Abfallstoffen öffnen (Tor), wobei das Tor bei kleineren Anlagen normaler‐weise händisch bedient wird und seitlich öffnet. Es sind i.d.R. jeweils mindestens vier Boxen vorhanden, die alternierend befüllt werden, um eine möglichst gleichmässige Gasproduktion zu gewährleisten.

Abb. 4: Schema der Boxenvergärung (Erläuterung im Text) Das in den Boxen generierte Gas wird i.d.R. in einem Gasspeicher zwischengespeichert und dann im Blockheizkraftwerk (BHKW) verbrannt und in Strom und Wärme umgewandelt. Der Gasspeicher kann je nach Anbieter separat, oben auf den Boxen oder auf dem Perkolattank platziert werden.

Für die Vergärung ist eine gewisse Feuchtigkeit notwendig. Daher wird Prozesswasser rezir‐kuliert, welches durch die festen Abfälle sickert („perkoliert“). Dieses Perkolat wird über Düsen über dem Gärgut möglichst gleichmässig verteilt und sickert durch das Gärgut zum Boden, wo es abgezogen wird. Dieses mit gelösten organischen Säuren angereicherte Perko‐lat wird in einem Perkolattank zusammengeführt und zwischengespeichert, wo je nach Tankgrösse ebenfalls etwas Biogas entsteht. Es bestehen je nach Anbieter Unterschiede bzgl. Form, Grösse und Lage (überflur oder unterflur) des Perkolattanks und Art des Perkolatab‐zugs im unteren Bereich der Boxe.

Das organische Material in der Boxe wird mit Abwärme des BHKW auf Gärtemperatur ge‐wärmt. Allenfalls kann das Material auch vorbelüftet werden, um so das Material etwas auf‐zuschliessen und die Kompostwärme für die Beheizung zu nutzen. In der Regel wird aber die Boxe selbst beheizt (Boden und/oder Wände) und/oder nur das Perkolat erwärmt, um so Wärme in die Boxe einzutragen. Die Boxen können mesophil oder thermophil betrieben werden.

Beim Aufstarten des Gärprozesses ist es wichtig, dass der Übergang zwischen aerobem und anaerobem Abbau möglichst schnell erfolgt, damit rasch Gas einer Qualität entsteht, das zusammen mit dem Gas der anderen Boxen im BHKW verbrannt werden kann. Daher wird

Boxe mit Perkolatabzug

Biogas

BHKW Perkolattank

Speicher



das Frischmaterial angeimpft mit Perkolat, in welchem anaerobe Bakterien angereichert sind. Um den Prozess zusätzlich zu beschleunigen, kann auch vor dem Befüllen ein Anteil von vergorenem Material unter das Frischgut gemischt werden.

Beim Entleeren der Boxen muss grosse Vorsicht walten: Wenn das Tor einfach geöffnet wird, durchläuft während des Eindringens von Frischlust das in der Boxe noch vorhandene Biogas die Explosionsgrenzen. Diese Explosionsgefahr muss durch anbieterspezifische Massnahmen verhindert werden. Es kann beispielsweise Frischluft – ev. unter dem Gärgut – eingeblasen werden, bis das ausströmende Gas weniger als ~3% Methan enthält und/oder die Boxen können mit dem Abgas vom BHKW oder mit Stickstoff geflutet werden. Dabei entsteht je‐weils sogenanntes Schwachgas, das für die direkte Verbrennung einen zu tiefen Methangeh‐alt aufweist. Je nach Verfahren wird dieses zunächst mit dem „Gutgas“ gemischt und/oder mit Stützgas in der Fackel verbrannt. Schwachgas mit sehr tiefer Methankonzentration wird ggf. an die Umwelt abgeblasen. Dann kann ein Biofilter zu Einsatz kommen, um mögliche Geruchsemissionen zu reduzieren.

Die Boxenvergärung ist eine Trockenvergärung (Trockensubstanzgehalt zwischen 25% und 35%): Im Idealfall entsteht kein oder nur wenig Prozesswasser, das entsorgt werden müsste. Das Material wird mit einem Radlader ein‐ und ausgebracht (Abb. 5). Das Perkolat wird im Idealfall im Kreislauf gefahren; es muss höchstens bei zu starkem Aufsalzen und/oder bei zu hohem Wassergehalt im Ausgangsmaterial zum Teil entsorgt werden. Das Gärgut wird ggf. mit holzigem Strukturmaterial ergänzt und nachkompostiert.

Abb. 5:

Befüllen und Entleeren der Boxen mit dem Radlader (links: Anlage Allmig, Baar)



6.4 Das Verfahren von Agri Environnement

Die französische Firma Agri Environnement, Sarl, vertreibt unter dem Namen Agrithane eine Boxenvergärung, deren Eigenschaften in Tabelle 2 zusammengefasst sind.

Tab. 2:. Merkmale der Technologie Agrithane Die Abbildung 6 zeigt einen Blick in eine geöffnete Boxe sowie ein Bild der Anlage in Mon‐tans (F). Dort sind allerdings vier Boxen in Betrieb; für die angefragten 5‘000 t/a wurden nur zwei Boxen angeboten, was im Hinblick auf eine einigermassen gleichmässige Gasproduktion problematisch erscheint.

Abb. 6:

Links: Blick in eine geöffnete Boxe mit den Leitungen zur Verteilung des Perkolats an der Decke (Bild Frédéric Douard), sowie unten: Ansicht der Agritha‐ne‐Anlage in Montans (F) (hier mit 4 Boxen)

Für die Gasverwertung wird eine Mikrogasturbine vorgeschlagen. Diese zeichnet sich durch einen kleinen Wartungsaufwand aus und ist bei schwankendem Methangehalt weniger stö‐rungsanfällig als ein Ottomotor, hat aber einen tiefen elektrischen Wirkungsgrad (µel = 29%). Dies mag sinnvoll sein, wenn z.B. mit der Biomasse sehr viel grobes Holz angeliefert wird, das mit der Abwärme getrocknet werden kann. Bei den schweizerischen Standorten zeigte sich jedoch, dass in sehr vielen Fällen eine sinnvolle Wärmenutzung kaum gegeben ist.

Merkmale Technologie Agrithane 5'000 t/a Bauweise Boxen in Stahlbeton Dimensionierung 2 Behälter : LxBxH = 6 x 32 x 5 (?)m = je knapp 1'000 m3 Volumen Beheizung Durch das beheizte Perkolat Perkolattank Beton überflur; gemäss Fotos und Zeichnungen sehr gross (V=?) Gasspeicherung auf dem Perkolattank (Grösse unbekannt) Anfahren kurzes Vorkompostieren (T↑), Einmischen von vergorenem Material

Betriebsparameter T: 35‐40°C, SRT (Solid Retention Time = Verweilzeit): 28 d; Perkolation: 5 bar und 40 m3/h Tor 4,5 x 4.5 m; Öffnung manuell seitlich

Abbruch Prozess Einblasen von Frischluft und Verbrennen in Fackel solange möglich; dann via Kamin an die Aussenluft.

Spezielles Es werden für 5'000 t/a nur 2 Boxen angeboten. Gasverwertung mit Mikrogasturbine: µel = 29%



6.5 Das Verfahren von Bekon/Eggersmann

Die deutsche Firma Bekon ist wahrscheinlich die erste Firma, die zur Jahrtausendwende das von Ducellier und Isman entwickelte Batchverfahren wiederentdeckt und vor allem für grös‐sere Mengen weiterentwickelt hat. Bekon wurde im Sommer 2016 von der Eggersmann‐Gruppe übernommen. Eggersmann hat mit den Produkten SmartFerm und KompoFerm auch kleinere Anlagen gebaut. Tabelle 3 fasst wichtige, anlagenspezifische Daten einer Anlage zur Behandlung von 5‘000 Jahrestonnen zusammen.

Merkmale Technologie der Bekon/Eggersmann, 5'000 t/a Bauweise Boden und Wände in beheiztem Stahlbeton Abdeckung Boxen Betondecke Dimensionierung 4 Behälter: LxBxH = 11 x 5.5 x 3.5 m = je 212 m3 Volumen (inkl. Gas) Beheizung Boden und Wände: mehrere Heizwasserkreisläufe Perkolattank 24 m3, überflur (rechteckig hinter Fermenter und Wartungsschacht)

Gasspeicherung 2 Doppelmembranspeicher auf je 2 Boxen: Schwachgas bzw. Gutgas à je 300 m3 Anfahren Neu: Beimpfen des Frischmaterials mit bis zu 40% vergorenem Material Nutzvolumen pro Füllung: 100 t FS (Füllstand 85%, 40% Impfmaterial) Betriebsparameter T: 52°C, Verweilzeit: ~21 d Tor Öffnung manuell seitlich (ggf. hydraulisch nach oben)

Abbruch Prozess Einleiten Abgas BHKW; Abgas zuerst zum BHKW, dann Fackel bis CH4



Der Boden der Boxen zeigt ein Gefälle von 1,5% nach hinten, wo das Perkolat abgezogen wird und via einen Technikgang zum überirdischen Perkolatspeicher geführt wird (Abb. 8). Abbildung 9 zeigt eine SmartFerm‐Anlage der Firma Eggersmann.

Abb. 8:

Layout einer Anlage zur Vergärung von 5‘000 t/a der Firma Bekon /Eggersmann

Abb. 9:

SmartFerm® ‐ Anlage der Firma Eggers‐mann

6.6 Das Verfahren von Denaba

Abbildung 10 zeigt 3 Boxen von Denaba (Deterding Naturenergieanlagenbau GmbH)

Abb. 10:

Denaba Boxen auf einem Land‐wirtschaftsbetrieb (Kleinanlage mit 37 kW Leistung)

www.denaba.de



Das deutsche Denaba‐Verfahren wurde als kostengünstiges Einfachverfahren v.a. für Land‐wirtschaftsbetriebe entwickelt. Wie Tabelle 4 zeigt, wird im Fall Denaba das Schwachgas so lange wie möglich im BHKW verbrannt; es besteht kein spezieller Lagerraum für Schwachgas. Die Verweilzeit (SRT = solid retention time) ist mit rund 5 Wochen bei mesophiler Gärtempe‐ratur und Beimpfung nur mit Perkolat eher knapp (u.a. mögliche Methanemissionen bei der Kompostierung). Leider fehlen in der vom Anbieter gelieferten Beschreibung einige Punkte, wie Details zum Entleeren, Gärtemperatur etc., so dass in Tabelle 3 teilweise von plausiblen Annahmen ausgegangen werden musste.

Tab. 4: Merkmale der Technologie Denaba

6.7 Das Verfahren von Naskeo

Beim französischen Naskeo‐Verfahren wird das Grüngut mesophil mit sehr langer Aufent‐haltszeit (SRT rund 3 Monate!) vergoren. Auf jeder Boxe ist ein Gasspeicher platziert (Tab. 5). Trotz sehr umfangreichem Beschrieb sind auch hier in der Offerte zu einigen wichtigen Punk‐ten des Betriebs keine detaillierten Angaben enthalten. Abbildung 11 zeigt, wie eine Naskeo‐Anlage etwa aussehen könnte.

Tab. 5: Merkmale der Technologie Naskea‐Methajade

Merkmale der Technologie Denaba, 5'000 t/a

Bauweise Isolierte Boxen aus Beton (Dach: Trapezblechabdeckung)

Dimensionierung 6 Behälter: LxBxH = 15 x 3.5 x 3.5 m = je 184 m3 Bruttovolumen (inkl. Gas‐

raum) Beheizung Perkolat im Perkolattank Perkolattank 300 m3, unterflur (unter Fermenterboden) Gasspeicherung ein Foliengasspeicher à ~200 m3 Anfahren Rezirkulation von warmem Perkolat Betriebsparameter T: k.A. (wahrscheinlich mesophil); SRT: rund 5 Wochen Tor Öffnung manuell seitlich Abbruch Prozess Belüften und Einleiten der Abluft ins BHKW (solange möglich)

Merkmale der Technologie Naskeo, 5'000 t/a Bauweise Isolierte Boxen aus Beton Dimensionierung 4 Behälter: LxBxH =23 x 5.6 x 5.5 m = je 708 m3 Volumen Beheizung Beheizung des Perkolattanks Perkolattank 160 m3, überflur (hinter Fermenter) Gasspeicherung auf jeder Boxe Doppelmembrangasometer; V: k.A. Anfahren Beimpfen des Frischmaterials mit Permeat Nutzvolumen 4 x 450 m3 = 1'800 m3 (Füllung zu nur 64%) Betriebsparameter T: 38°C, SRT: 2 ‐ 3 Monate (gerechnet) Tor Öffnung manuell seitlich Abbruch Prozess Keine detaillierte Angaben; eine automatische Fackel wird mitgeliefert. Spezielles zusätzlich zu 5'000 t Reststoffen wird noch 1'500 t Flüssigkeit zugegeben



Abb. 11:

Ansicht einer Methajade‐ An‐lage von Naskeo.

Auch hier wird der Schwer‐punkt eher auf landwirtschaft‐liche Substrate gerichtet.

(Internet: http://naskeo.com)

6.8 Das Verfahren von Pöttinger Die österreichische Firma Pöttinger hat sich unter dem Produktenamen „Mobigas“ auf kleine Boxen in Stahl‐Containerbauweise zur Behandlung von 1‘000 – 5‘000 t/a spezialisiert. Der Prozess ist auch unter dem Namen „3A‐biogas‐Verfahren“ für aerob‐anaerob‐aerob bekannt (Abb. 12).

Bei diesem innovativen Verfahren werden die organischen Reststof‐fe zunächst während wenigen Tagen in der Boxe kontrolliert belüftet, was zu einer biologi‐schen Erwärmung und verbesser‐tem Aufschluss des Materials führt. Während der anschliessen‐den Gärphase wird das Material dann je nach Substratzusammen‐setzung und Gärtemperatur 2‐6 Wochen perkoliert. In der dritten Phase wird das Gärgut wiederum intensiv belüftet: Das austretende Gas wird zusammen mit Gutgas aus den anderen Boxen im BHKW solange verbrannt, bis der Me‐thangehalt unter 5% fällt. An‐schliessend wird die Abluft über einen Biofilter geführt. Das belüf‐tete Material wird dank Tempera‐turen um 60°C entfeuchtet und kann dann ausgetragen oder im Freien weiter nachkompostiert werden.

Abb. 12: Ablauf des 3A‐biogas‐Verfahrens von Pöttinger

Tabelle 6 fasst die Eigenschaften der Mobigas‐Anlage zusammen. Das Verfahren eignet sich speziell auch für kleinere Mengen zwischen 2‘000 und 5‘000 Jahrestonnen. Die Abbildungen 13 und 14 visualisieren die Anlage und zeigen das Layout bei 10 Boxen.



Merkmale Technologie Pöttinger, 5'000 t/a

Bauweise mit PU‐Hartschaum isolierter, pulverbeschichtete Stahlcontainer Dimensionierung 10 Behälter: LxBxH = 8 x 3 x 3 m; je 72 m3 Aussenvolumen Beheizung aerobe Vorbehandlung, Boden der Boxe sowie Perkolat Perkolattank 30 m3 Stahlbehälter beheizt, überflur

Gasspeicherung Separat: ɸ = 4,7 m, Htot = 6,7 m, V=100 m3 Anfahren Beimpfen des Frischmaterials mit Permeat Nutzvolumen pro Füllung: ~ 58 t FS Betriebsparameter T: wahrscheinlich thermophil, SRT: ca. 4 Wochen Tor Öffnung manuell seitlich

Abbruch Prozess Abbruch Gärung durch Belüftung. Mischung Schwachgas mit Gutgas bis CH4



Abb. 14: Möglicher Lageplan einer Anlage für 5‘000 t/a. Flächenbedarf hier ~ 36 x 27 m.

6.9 Das Verfahren von Renergon Das schweizerische Renergon‐Verfahren setzt auf Boxen in Betonbauweise. Charakteristi‐sche Merkmale der Technologie sind in Tabelle 7 aufgelistet.

Merkmale Technologie Renergon, 5'000 t/a Bauweise Boxen aus armiertem Stahlbeton; Isolation Mineralwolle Dimensionierung 4 Behälter: LxBxH = 15 x 3.5 x 3.5 m = je 212 m3 Volumen brutto Beheizung Beheizung des Perkolattanks Perkolattank 273 m3, überflur neben Technikgebäude; ɸ = 8 m Gasspeicherung auf Perkolattank ~150 m3 Anfahren ggf. Verdrängen der Luft mit Stickstoffinertgas, dann Perkolation Nutzvolumen pro Füllung: ~115 m3 FS (Füllstand 2,6 m) Betriebsparameter T: 52°C, SRT: 3‐4 Wochen Tor Öffnung manuell seitlich (ggf. hydraulisch nach oben)

Abbruch Prozess Einleiten von Stickstoffinertgas, verbrennen im BHKW; dann Fackel mit Stützgasverbrennung Tab. 7: Merkmale der Technologie Renergon



Abbildung 15 zeigt einen möglichen Anlageplan. Auf dem Titelblatt dieses Berichts ist die Anlage in Eiselfing (D) abgebildet. Im Fall Eiselfing wurde auf dem Dach der Boxen noch eine Halle errichtet, die nach Bedarf genutzt werden kann, und der Vorplatz ist überdeckt. In der Schweiz sind verschieden Anlagen im Planungsstadium. Abb. 15:

Möglicher Lageplan einer Rener‐gon‐Anlage für 5‘000 t/a

6.10 Das Verfahren von Schmack Die vorliegende Richtpreisofferte der Firma Schmack Biogas GmbH (D) bezieht sich in Abwei‐chung zu den Vorgaben dieser Untersuchung auf einen Durchsatz von 12‘000 t/a. Tabelle 8 fasst die Charakteristika zusammen.

Merkmale Technologie Schmack, 12'000 t/a Bauweise aussenisolierte Boxen in Ortbeton Dimensionierung 4 Behälter 30 x 7 x 4,5 m mit je ca. 945 m3 Volumen Beheizung Fussbodenheizung Fermenter + Beheizung Permeat Perkolattank Ortbetonbehälter überflur, ɸ = 13 m, 500 m3 Gasspeicherung auf dem Perkolattank Anfahren Einmischen von Gärgut, Rückführung Perkolat Betriebsparameter T: ~40°C, SRT: ca. 4 Wochen (Volumen spricht jedoch für längere SRT!) Tor 4 x 4 m; manuell

Abbruch Prozess Spülen mit Hallenluft; Schwachgasverwertung bzw. Abblasen über Wä‐scher (NH4+) und Biofilter an die Umgebung

Spezielles Entwässerung an den Seitenwänden; Torablaufrinne. Biologische Gas‐entschwefelung. Anlage eingehaust ("Anmischhalle")

Tab. 8: Merkmale der Technologie Schmack „Bioferm“

Wie der Abbildung 16 entnommen werden kann, wird für grössere Anlagen auch eine Ein‐hausung angeboten, bei welcher die Abluft über Biofilter und Wäscher gereinigt wird.



Abb. 16: Mögliche Einhausung einer Bioferm‐Anlage der Firma Schmack.

6.11 Das Verfahren von Sud‐Oest Biogaz Bei diesem französischen Verfahren handelt es sich um ein anaerob betriebenes Fahrsilo ohne feste Decke, sondern nur abgedeckt mit einer gasdichten, gewebeverstärkten PVC‐Folie. Die Gasspeicherung erfolgt auf dem Perkolattank, hier Flüssiggärer genannt. Das Be‐cken ist zu etwa der Hälfte in den Boden eingelassen und weist gegen hinten ein Gefälle von 17% auf. Auf der Stirnseite befindet sich eine nur 1,5 m hohe, mobile Wand, während das Becken am tiefsten Punkt 3,5 m tief ist. Tabelle 9 fasst die Charakteristika zusammen und die Pläne und Fotos in den Abbildungen 17 und 18 veranschaulichen das Prinzip.

Merkmale Technologie Sud‐Oest Biogaz, 5'000 t/a Bauweise halb‐versenktes rechteckiges Fahrsilo mit 17% Gefälle Abdeckung Boxen Gasfolie Dimensionierung 4 Behälter: L x B x H = 20 x 8 x 1.5 →3,5 m Beheizung Vorkompostierung bis 50°C, Perkolattank beheizt Perkolattank ɸ = 7 m, H = 5 m, 154 m3, Flüssigvergärung überflur Gasspeicherung auf dem Perkolatbehälter/Flüssiggärer

Anfahren Beimpfen des Frischmaterials mit Flüssigkeit von der vorausgehenden Gärung im abgesenkten Bereich, anschliessend Rezirkulation und Perko‐lation

Nutzvolumen pro Füllung: 360 m3 Betriebsparameter T: 52°C, SRT: 8 Wochen (Leerung im Turnus von 14 Tagen) Tor 1,5m hohe demontierbare Wand (nicht in Kontakt mit Flüssigkeit)

Abbruch Prozess Nach Ausgasen Abzug des Perkolats und möglichst vollständiger Abzug des Gases vor Entfernung der Folie

Tab. 9: Merkmale der Technologie Sud‐Oest Biogaz

Im abgesenkten Bereich wird beim Anfahren flüssiges Gärgut aus dem Flüssigfermenter vor‐gelegt, das frische Gärgut darin eingebracht und mit der losen Folie abgedeckt, so dass nur



sehr wenig Luft über dem Gärgut vorhanden ist und der Prozess rasch startet. Am tiefsten Punkt wird Flüssigkeit abgezogen und – je nach Bedarf – wieder oben auf das Gärgut ge‐spritzt, in andere Fermenter oder in den Flüssigfermenter/Perkolattank geleitet. Beim Entleeren wird zunächst die Folie über dem Gärgut vollständig geleert, so dass der Gas‐raum über dem Gärgut sehr klein wird. Es wird abgeschätzt, dass beim Entfernen der Folie nur etwa 0.14 kg Methan/Tonne Ausgangsmaterial entweichen könne.

Abb. 17:

Schnitt und Aufsicht einer Anlage Sud‐Oest Biogas

Abb. 18 (unten):

Fotos vom Befüllen und von verschiedenen Anlage‐Varianten



7 Ökonomie der Boxenvergärung

7.1 Zielsetzung und Vorgehen Mit Hilfe einer Wirtschaftlichkeitsrechnung soll untersucht werden, mit welchem Verfahren ein wirtschaftlicher Betrieb möglich ist. Zusätzlich zur ursprünglich angefragten Anlagengrös‐se mit einer Behandlungskapazität von rund 5‘000 t/a wurden auch noch basierend auf nachträglich eingeholten, bzw. auf bereits vorhandenen Offerten Berechnungen erstellt, wie sich die Ökonomie präsentiert für Kleinanlagen mit Kapazitäten um 2‘500 t/a sowie für Grossanlagen mit rund 12‘000 t/a. Dies soll erlauben die „economy of scale“ abzuschätzen. Die im Herbst 2016 geltenden Annahmepreise für Grüngut liegen je nach Region und Anla‐gengrösse zwischen CHF 80.‐ und 120.‐ pro Tonne. Es kann davon ausgegangen werden, dass die Annahmepreise durch den Bau und Betrieb einer kleinen Boxenvergärungsanlage nicht wesentlich erhöht werden dürften. Dies hat zur Folge, dass die durch den Bau und Betrieb einer kleinen Boxenvergärungsanlage verursachten Kosten (Kapital‐ und Betriebskosten) grösstenteils durch den Verkauf von Strom und Wärme gedeckt werden müssen. Die Wirtschaftlichkeit bzw. die Verarbeitungskosten der verschiedenen Angebotsvarianten wurden auf der Basis einer praxisbezogenen, umfassenden Modellrechnung ermittelt (Inves‐titionskosten: Anlage‐ und Bautechnik; Kapitalkosten: Zinskosten, Abschreibung; Betriebs‐kosten: Personalkosten, Reparaturen, Wartung, Unterhalt, Ausbringkosten, Entsorgung Stör‐stoffe, Versicherung, Administration, Qualitätssicherung; Einnahmen: Strom und Wärme, Annahmegebühren Grüngut, Verkauf Endprodukte etc.). Für die Einnahmen aus dem Strom‐verkauf wurde der aktuelle KEV Tarif (Energieverordnung, EnV 730.1, Eidgenossenschaft 2017) verwendet. Vor dem Hintergrund, dass es sich beim Bau einer Boxenvergärungsanlage um eine Ergän‐zung einer bestehenden Kompostieranlage handelt, werden nur die von der Boxenvergä‐rungsanlage selbst verursachten Kapital‐ und Betriebskosten ermittelt und den Einnahmen für Strom und Wärme gegenüber gestellt. Sowohl die bereits vorhandene Infrastruktur, wie Radlader oder Shredder als auch die Personalkosten werden nicht in die Berechnung einbe‐zogen. Die Erfahrungen haben gezeigt, dass im Falle einer Ergänzung eines Kompostierplatzes mit einer Boxenvergärungsanlage bis 5'000 t/a keine zusätzliche Personalaufwand entsteht. Das Füllen und Leeren der Boxen wird durch eine Reduktion beim An‐ und Umsetzen der Mieten kompensiert. Daraus folgt, dass kein zusätzlicher Arbeitsaufwand entsteht.

Wie oben bereits verschiedentlich erwähnt wurde, basieren die Berechnungen der Wirt‐schaftlichkeit auf Offerten von verschiedenen Anbietern. Es muss hier jedoch mit Nachdruck darauf hingewiesen werden, dass diese den Preisstand „Sommer 2016“ reflektieren. Gerade im Bereich der Boxenvergärung werden laufend technische Fortschritte und Vereinfachun‐gen erzielt, welche sich dann auch günstig auf den Preis der betroffenen Verfahren auswir‐ken können, was ggf. die Reihenfolge der Verfahren auf Grund der Kosten beeinflussen kann. Zudem mussten Annahmen getroffen werden – wie beispielsweise Kapitalzinsen – die einen grossen Einfluss auf das Resultat haben können. Ebenfalls können auch lokale Voraussetzun‐gen (Baugrund, Distanz zu Trafostation und Wärmeabnehmer)das Resultat der Wirtschaft‐lichkeit beeinflussen, bzw. für die Technologie eines Anbieters sprechen. Die nachstehend vorgestellten Resultate geben daher nur einen ersten Eindruck über die Bandbreiten der Kosten und Erträge. In einem konkreten Fall sind jedoch für den jeweiligen Standort aktuelle Offerten einzuholen. Die Wirtschaftlichkeit muss dann mit den eigenen Vorgaben und Annahmen (Zinsniveau und ‐entwicklung, Bezuschussung, möglicher Gaser‐trag bei den verfügbaren Substraten, Baugrund etc.) neu gerechnet werden.



7.2 Annahmen für die Berechnung der Wirtschaftlichkeit Die Abgaben zu den Investitionskosten stammen aus folgenden Quellen:

Anlagetechnik: Richtpreisangebote der Anbieter Bauteil: Richtpreisangebote der Anbieter, Schätzungen mit eigenen Erfahrungswerten

Der Betriebskostenrechnung wurden folgende Annahmen zugrunde gelegt:

Abschreibedauern: Bauteil 20 a; BHKW: 8 a; div. Komponenten wie Maschinen, Pum‐pen etc.: nach praxisüblichen Ansätzen

Wartung / Unterhalt: 1‐1.5 % individuell je nach Komponente (Bauteil, Maschinen etc.) Zinssatz: 2,5 % (was bei heutigem Zinsniveau als hoch betrachtet werden muss) Verarbeitungsmengen: „um 5‘000 t/a“: 4‘250 t/a bis 5‘000 t/a (je nach Anbieter 1), „um 2‘000 t/a“: zusätzlich eingeholte Offerten sowie „um 12‘000 t/a“.

Biogasertrag: 90 m3/t FS mit 5.8 kWh/m3 Mittlerer Wirkungsgrad BHKW: 37% Strompreis gemäss kostendeckender Einspeisevergütung, KEV: 26,6 Rp./kWh; WKK‐Bonus KEV (falls > 20% Nutzung der Bruttoproduktion von Wärme): 2,5 Rp/kWh Wärmenutzung extern: 40% vom Wärmeüberschuss (konservativ), 4 Rp./kWh

7.2.1 Investitionskosten

Für die Erstellung der Wirtschaftlichkeitsrechnung wurden die Investitionskosten auf der Basis der erhaltenen, bzw. bereits vorhandenen Offerten entsprechend den Anlagengrössen skaliert. Tabelle 10 zeigt die Bereiche der Investitionskosten ohne und mit geschätzten bau‐seitigen Zusatzkosten für die drei bereits erwähnten Grössenklassen:

Grössenklasse (Jahresdurchsatz) um 2'500 t/a um 5'000 t/a um 12'000 t/a

Anlagenanbieter Pöttinger Renergon

Bekon/Eggersmann Methajade Pöttinger Renergon Sud‐Oest Agrithane 2 DeNaBa 3

BEKON 4 Eggersmann 4 Schmack 5

Preisspanne (ohne bauseitige Zusatzkosten) 6

0.9 – 1.5 Mio 1.5 – 2.5 Mio 3.6 – 6.0 Mio

Preisspanne (mit bauseitigen Zusatzkosten) 6 1.2 – 2.0 Mio 1.8 – 3.1 Mio 4.2 – 8.0 Mio

Tab. 10: Bereiche der Investitionskosten mit/ohne bauseitige Leistungen 1 Einzelne Anbieter haben eine vorhandene Standardofferte eingereicht und sind nicht präzise auf die An‐

gaben im Pflichtenheft eingegangen. 2 Nur zwei Fermenter; entspricht nicht den gestellten Ansprüchen in Bezug auf den Betrieb 3 Angebot unvollständig; müsste abgeklärt werden, ob die CH‐Anforderungen erreicht werden können 4 Vorhandene Offerten aus der Zeit unmittelbar vor der Fusion 5 Schmack reichte nur eine Offerte für 12‘000 t/a ein 6 Kosten, wie Anbindung der Anlage ans Strom und Wassernetz, Gebühren, Bewilligungsverfahren etc.,

bauseitige Kosten können standortabhängig sehr stark variieren (Engeli und Edelmann, 2016)



In der Tabelle 10 werden die im Rahmen der Studie ermittelten Investitionskosten ohne und mit den bauseitigen Kosten approximativ dargestellt. Speziell bei den bauseitigen Zusatzkos‐ten besteht ein grosse Spanne je nach Anlagenstandort: Auflagen können je nach Standort und/oder Kanton unterschiedlich sein (Einhausung, Abluftbehandlung), die Erschliessung der Anlage kann mehr oder weniger einfach bewerkstelligt werden etc. Zudem bestehen hier (und bei manchen Anbietern auch beim Anlagenbau) gewisse Arbeiten als Eigenleistung zu erbringen, was sich positiv auf die Kosten auswirken kann; in den ausführlichen Berechnun‐gen wurde davon ausgegangen, dass sämtliche Leistungen durch Dritte erbracht werden. Die Investitionskosten werden je nach Anbieter von verschiedensten Faktoren beeinflusst, wie beispielsweise Beton‐ oder Stahlbauweise, Automatisierungsgrad, Aufstellung des Per‐kolatbehälters (über‐ oder unterflur), Art und Menge der Gasspeicherung, Materialwahl (z.B. Verkleidung, Dicke und Material der Isolation etc.), architektonische Lösungen etc. Die Analyse im Rahmen dieser Studie hat gezeigt, dass jedes der betrachteten Verfahrens‐konzepte seine Vor‐ und Nachteile aufweist. Welches schliesslich gewählt wird, hängt von den Rahmenbedingungen am Standort und einer Reihe von weiteren, weichen Faktoren ab.

7.2.2 Betriebskosten

Mit Hilfe der weiter oben erwähnten Annahmen wurden mit Hilfe einer Modellrechnung die durch den Bau und Betrieb der Biogasanlage zusätzlich verursachten Betriebskosten ermit‐telt und den Einnahmen für Strom und Wärme gegenüber gestellt. Wie bereits oben er‐wähnt worden ist, sind dabei jene Einnahmen und Ausgaben in der Berechnung nicht be‐rücksichtigt worden, die bereits bei der Kompostierung anfallen (wie Aufwand für die Nach‐kompostierung oder Einnahmen für die Annahme für Grüngut von aktuell CHF 80.‐ bis 120.‐ pro Tonne gemäss mündlichen Angaben von Anlagebetreibern). In Tabelle 11 sind die Erträge der in Tabelle 10 mit schwarzer Schrift eingetragenen Verfah‐ren den Betriebskosten gegenübergestellt. Ein positives Betriebsergebnis bedeutet, dass unter den getroffenen Annahmen zusätzliche Erträge gegenüber dem Ist‐Zustand erwirt‐schaftet werden können.

Tab. 11: Betriebsergebnisse unter den getroffenen Annahmen für ausgewählte Verfahren und Betriebsgrössen (Basis: Zins 2.5 %, Bau 20a, Technik 15a, Nebenkosten 15a, BHKW 8a)

In Tabelle 11 wird nicht bei allen Anbietern, bzw. bei allen Grössenklassen Wirtschaftlichkeit erreicht. Es ist bei den Resultaten der Tabelle 11 jedoch darauf hinzuweisen, dass wirklich sämtliche möglichen Kosten grosszügig berücksichtigt wurden und für Unvorhergesehenes zusätzlich CHF 100‘000 budgetiert wurden. Für den Bauteil kann zudem auch die Amortisati‐onsdauer von 20 auf 25 Jahren erhöht werden. Für das Kapital wurde mit einem Zinssatz von 2,5 % gerechnet. Heute ist Geld am Markt zu günstigeren Bedingungen zu erhalten; z.T. wer‐den für Vorhaben der öffentlichen Hand sogar Negativzinsen auf dem Kapital verrechnet und 10‐Jahres‐Hypotheken liegen aktuell im Bereich von 1% ‐ 1.5%, was die in Tabelle 11 darge‐stellten Betriebsergebnisse zusätzlich positiv beeinflusst. Nachfolgend wurden daher Sensiti‐



vitäten mit unterschiedlichen Vorgaben gemäss Tabelle 12 gerechnet und anschliessend in Abbildung 19 verglichen. Varianten A Basis B C D EZins % 2.5 1.0 1.0 2.5 2.5Investition % 100 100 100 100 90 Abschreibedauer Bau Jahre 20 25 20 25 20Abschreibedauer Technik Jahre 15 20 15 15 15Abschreibedauer Nebenkosten Jahre 15 20 15 15 15Abschreibedauer BHKW Jahre 8 8 8 8 8Biogasproduktion % 100 100 100 110 100

Tab. 12: In Abbildung 19 verglichene Berechnungsvarianten (Sensitivitäten). Rote Zahlen = Abwei‐chungen von der rot hinterlegten Standardvariante

Abb. 19: Erträge bzw. Kosten der vertieft betrachteten Verfahren und Verarbeitungsmengen unter unterschiedlichen Rahmenbedingungen.

Aus Abbildung 19 wird ersichtlich, dass für grössere Kompostplätze mit Verarbeitungskapazi‐täten ab rund 3‘500 t/a verschiedenen Verfahren vorhanden sind, die unter sämtlichen An‐nahmen einen Gewinn abwerfen. Um 2‘000 ‐ 3‘000 t/a wird die Auswahl sehr stark einge‐grenzt; es scheint die Metallcontainerlösung von Pöttinger am vorteilhaftesten zu sein. Dies unter dem Vorbehalt, dass die Lebensdauer der Metallcontainer noch nicht abschliessend belegt ist. Je nach lokalen Voraussetzungen kann es aber bei sehr kleinen Anlagen möglich sein, dass der Annahmepreis um einige Franken angehoben werden muss, um Wirtschaft‐lichkeit zu erreichen. Beim Vergleich der roten Säulen (Grundvariante dargestellt in Tab. 11) mit den orangen fällt auf, dass 10 % tiefere Investitionskosten – die bei günstigen lokalen Voraussetzungen ohne weiteres möglich sein sollten ‐ das Resultat leicht verbessern. Relativ stark ins Gewicht fallen die Annahme eines Zinssatzes von 1 % (rot vs. gelb), sowie die Annahme von etwas höheren Abschreibedauern. Mit tiefem Zinssatz und erhöhten Abschreibedauern kann mit dem Ver‐fahren Pöttinger für 2‘500 t/a eine „schwarze Null“ erzielt werden (dunkelgrün).



Ebenfalls einen grossen Einfluss auf die Betriebsergebnisse hat ein um 10 % erhöhter Bio‐gasertrag (hellgrün). Diese Annahme ist nicht abwegig, da das Vorschalten einer Biogasanla‐ge nach dem Batchprinzip die hygienischen Bedingungen zusätzlich so verbessert, dass ver‐mehrt auch Küchenabfälle und Speisereste vergärt werden können, die sich durch einen ho‐hen Biogasertrag auszeichnen. Nicht berücksichtigt wurde in der Wirtschaftlichkeitsberechnung ein Faktor, der sicher einen Einfluss hat, aber finanziell nicht exakt quantifizierbar ist, da er von Fall zu Fall unterschied‐lich gross ist: Es wurde davon ausgegangen, dass die Ökonomie der Kompostierung durch den Bau der Anlage nicht tangiert werde, d.h. es wurde nur Aufwand und Ertrag einer zu‐sätzlichen Vergärung berechnet. Es muss aber davon ausgegangen werden, dass bei der Kompostierung mehr oder weniger grosse Einsparungen möglich sind, da das Material in der Vergärung schon zu einem grossen Teil abgebaut wird und daher bei der nachfolgenden Kompostierung ein reduzierter Auf‐wand zum Umsetzen der Mieten zu erwarten ist. Das heisst, dass die Betriebskosten der Kompostierung (Lohn‐ und Maschinenkosten) voraussichtlich mehr oder weniger stark sin‐ken, was die Wirtschaftlichkeit in Abbildung 19 zusätzlich verbessert.

7.3 Schlussfolgerungen zur Wirtschaftlichkeit Die Analyse der Modelrechnungen und die anschliessenden Überlegungen zeigen, dass unter günstigen lokalen Voraussetzungen ein kostenneutraler oder sogar leicht profitabler Zubau einer Boxenvergärungsanlage schon ab rund 2‘000 t/a möglich ist. Unter günstigen lokalen Voraussetzungen wird verstanden, dass beispielsweise die Wärme nahe vor Ort genutzt werden kann (und nicht – wie in der Modellrechnung angenommen – eine Leitung über 500 m gelegt werden muss), die Trafostation deutlich näher als 250 m liegt, keine aufwändigen Baugrunduntersuchungen gemacht werden müssen, wenig Erdarbeiten und Entwässerungs‐leitungen nötig sind, keine Baustellenzufahrt gebaut werden muss und/oder günstige Vo‐raussetzungen für das Fundament vorhanden sind – alles Punkte, wo (bei allen Anbietern) in den Berechnungen konservative Annahmen getroffen wurden (Engeli, Edelmann, 2016). Allerdings ist die Auswahl an Verfahren für Mengen um 2‘000 t/a sehr klein. Diese Mengen stellen dann auch – zumindest momentan ‐ die untere Grenze für einen wirtschaftlichen An‐lagenbetrieb dar, ohne dass die Annahmegebühren wesentlich erhöht werden müssten. Bei Anlagengrössen von 3 – 4‘000 t Jahreskapazität ist ein wirtschaftlicher Betrieb auch schon bei weniger günstigen Voraussetzungen möglich. Wie das folgende Kapitel aufzeigt, sind in dieser Grössenklasse sehr viele geeignete Anlagen vorhanden. Mit zunehmender Grösse steigt auch die Anzahl möglicher Verfahren. Zu beachten ist natürlich, dass die heuti‐gen KEV Einspeisetarife auch weiterhin gelten. Welchem Verfahren schliesslich der Vorzug gegeben wird, hängt von den standortspezifi‐schen Rahmenbedingungen, verfahrensspezifischen Vorteilen und der Preissensitivität ge‐genüber den regionalen Annahmegebühren ab. Gemäss Tabelle 14 (siehe unten) werden heute immer noch rund 115‘000 t/a auf 7 Plätzen mit Kapazitäten von 10‘000 Jahrestonnen und mehr kompostiert. Für diese Kompostierplät‐ze sind natürlich neben Schmack auch andere Anbieter von Boxenvergärungsanlagen wie Bekon/Eggersmann etc. mit konkurrenzfähigen Angeboten auf dem Markt. Hier können mit Sicherheit profitable Lösungen realisiert werden. In jedem einzelnen Fall lohnt es sich, Angebote einzuholen und diese auf einen vergleichba‐ren Stand zu bringen, um die jeweils optimale Lösung zu finden.



8 Grössere Kompostwerke in der Schweiz

8.1 Erfassung von ggf. geeigneten Kompostplätzen

Mit Hilfe der verfügbaren statistischen Daten (Kantone, Inspektorat, Biomasse Suisse) wurde die Anzahl der in Frage kommenden Kompostierplätze in den verschiedenen Regionen der Schweiz erhoben. Dabei kamen verschiedene Bewertungskriterien zum Einsatz. Wenn ein Kompostwerk mit einer vorgeschalteten Boxenvergärung ergänzt werden soll, muss eine Reihe von Bedingungen erfüllt sein: Der Platz muss erschlossen sein mit Infra‐struktur für Wasser, Abwasser und Strom, und es müssen die nötigen Maschinen vorhanden sein, wie Radlader, Shredder, Sieb und Umsetzer. Hier kann bei bestehenden grösseren Kompostplätzen davon ausgegangen werden, dass dies der Fall ist. Für das Projekt relevant ist hingegen die Verarbeitungskapazität, die ermittelt werden musste: Ein Substratfall von mindestens 2‘000 t/a wurde als kleinste Grösse festgelegt, da sich be‐reits bei Formulierung des Projekts abzeichnete, dass beim Bau einer zusätzlichen Anaerob‐anlage voraussichtlich nur bei grösseren Anlagen Wirtschaftlichkeit erreicht werden könne. Ein grosser Anteil der erfassten Verarbeitungsmengen stammt von Erhebungen des Inspek‐torats der Kompostier‐ und Vergärbranche der Schweiz aus dem Jahr 2014. Neuere Daten sind noch nicht vollumfänglich verfügbar, dürften sic

Technische und ökonomische Evaluation von in der …...Eidgenössisches Departement für Umwelt,...

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