DE102007063091A1

DE102007063091A1 - Hybridfermenter zur Erzeugung von methanreichem Biogas

Info

Publication number: DE102007063091A1
Application number: DE102007063091A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Axmann; Dirk Schadach; Mervée Dr. Hoffmann
Original assignee: Right Way Technologies & GmbH; Right-Way-Technologies & Co KG GmbH
Current assignee: HERRLING, RICHARD, DE
Priority date: 2007-12-28
Filing date: 2007-12-28
Publication date: 2009-07-02

Abstract

Die Erfindung betrifft ein zweistufiges mesophiles Verfahren zur fermentativen Erzeugung von methanreichem Biogas. Die Leistungs- und Effizienzsteigerung der Methanproduktion wird durch eine Kombination mehrerer verfahrenstechnischer Maßnahmen erreicht, die über eine intelligente Regelung aufeinander abgestimmt werden. Durch die ausgewogene Kombination von Substratzufuhr, Wasserstoffzuführung und Additivzugabe wird die Gasproduktion einer Biogasanlage heutiger Bauart deutlich gesteigert. Für die Wasserstoffproduktion wird ein im mesophilen Temperaturbereich arbeitender Spezialfermenter (3) verwendet, dessen flüssige und gasförmige Ausgangsstoffe (6b, 6c, 6d, 6e) vollständig in den Methanfermenter (4) eingebracht werden können, wie in der nebenstehenden Zeichnung zu sehen ist. Optional kann ein Teil des produzierten Wasserstoffs in einer Brennstoffzelle (13c) zur Stromerzeugung verwendet werden. Bei diesem als Hybridfermentation bezeichneten erfindungsgemäßen Verfahren ist eine adaptive Regelung (9a, 10a) vorgesehen, die einen stabilen Betrieb der Fermenter (3, 4, 8) bei hohen Beladungsraten ermöglicht und hohe Biogasausbeuten erzielt. Mit dem Hybridfermenter kann die Wirtschaftlichkeit von Biogasanlagen heutiger Bauart erheblich verbessert werden. Die Erfindung stellt auch eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens bereit.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur fermentativen Herstellung von methanreichem Biogas.
Anlagen zur Erzeugung und Verwertung von Biogas (Methan) sind seit langem bekannt. Der Hauptgrund für Bau und Betrieb derartiger Anlagen ist die energetische Nutzung des Biogases. Biogasanlagen beruhen in den meisten Fällen auf der Vergärung von festen organischen Reststoffen, beispielsweise aus der Landwirtschaft und der Lebensmittelindustrie (s. z. B. DE 19615551 C2 , DE 3737870 C2 , DE 3529461 C2 , EP 0167696 ). Bei der Nassvergärung werden die o. g. festen organischen Reststoffe mit Hilfe einer geeigneten Vorrichtung in ein dickflüssiges, pumpfähiges Medium umgewandelt, unter Zumischung von Frisch- oder Prozesswasser. Die in der Biomasse enthaltenen polymeren, organischen Moleküle werden mit Hilfe von Mikroorganismen unter Sauerstoffabschluss (d. h. anaerob) abgebaut, wobei u. a. Methan gebildet werden kann, so dass auch von einer Biomethanisierung gesprochen wird.
Biogasanlagen ermöglichen die nachhaltige Erzeugung von Strom und Wärme durch eine Vergärung organischer Reststoffe (Biotonne, industrielle Reststoffe) oder nachwachsender Rohstoffe. Ein erwünschter Nebeneffekt ist die Düngewertverbesserung durch die Einsparung mineralischer Düngestoffe bei der Ausbringung des Gärrestes als organischer Stickstoffdünger, wie z. B. in DE 3341027 C2 beschrieben.
Aus dem Stand der Technik bekannte Biogasanlagen umfassen als Hauptkomponenten eine Substratversorgung, Fermenter, optionale Nachgärer, Gas- und Substratleitungen, Pumpen, Ventile sowie eine Einrichtung zur Umwandlung der in dem Biogas enthaltenen Energie, wobei üblicherweise ein Blockheizkraftwerk (BHKW) mit einem Zündstrahlmotor bzw. einem Gasmotor eingesetzt wird. Das BHKW und die Anlagentechnik (Pumpen, Ventile, Wärmetauscher) werden bei Anlagen heutiger Bauart häufig in Standardcontainern vormontiert, wie beispielsweise in DE 102004 062993 A1 und DE 199 58142 A1 beschrieben. Sämtliche in Biogasanlagen ablaufenden Vorgänge werden üblicherweise durch eine zentrale Einheit überwacht und gesteuert. Bestandteil dieser zentralen Einheit ist eine digitale Prozesssteuerung, die im Allgemeinen eine SPS (speicherprogrammierbare Steuerung) beinhaltet.
Unter Fachleuten gibt es Einigkeit, dass die Entwicklung und Umsetzung von modernen Regelungssystemen für die Prozessoptimierung ebenso wichtig sind wie Verbesserungen im Bereich der Mikrobiologie. Beide Themengebiete sollten miteinander verknüpft werden, um nachhaltige Verbesserungen zu erzielen (z. B. FNR-Fachgespräch 28.129.09.2004, Prozessoptimierung bei der Biogaserzeugung, FNR e. V., 18276 Gülzow). Das Ziel der Prozessoptimierung sollen neben einer erhöhten Betriebsstabilität eine höhere spezifische Biogasbildungsrate sein. Letztere ist normalerweise verbunden mit einer reduzierten Verweildauer im Fermenter.
Unter dem Begriff „Verweildauer" (HRT) wird die Zeit verstanden, die sich das Substrat durchschnittlich in dem Fermenter (Bioreaktor), in dem der Vergärungsprozess stattfindet, aufhält. Unter „Biogasbildungsrate" (GPR) wird die pro Zeiteinheit gebildete Menge Biogas verstanden. Die „volumetrische Biogasbildungsrate" ist die pro Zeiteinheit und Volumen vergorenen Substrats gebildete Menge Biogas. Bei der "spezifischen Biogasbildungsrate" wird die Biogasbildungsrate nicht auf das Volumen des durchgesetzten Substrats bezogen, sondern auf den Gehalt an organischem Material in dem Substrat, der beispielsweise als Masse organischer Trockensubstanz (oTS) angegeben wird. Die spezifische Biogasbildungsrate (spez. GPR) ist eine verrechnete Größe zur Gasbildung. Sie wird errechnet aus der Gasbildung je Volumeneinheit Substrat und Zeiteinheit, wobei der organische Trockensubstanzgehalt pro Volumeneinheit Substrat anstelle der Volumeneinheit eingesetzt wird. Die spezifische Biogasbildungsrate sagt direkt etwas über die Abbaurate aus und wird beispielsweise in m³ gebildetem Biogas pro kg_oTS des vergorenen Substrats angegeben.
Der Methangehalt von NaWaRo-Biogasanlagen gemäß dem heutigen Stand der Technik liegt zwischen 52% und 57%. Die Verweildauer beträgt bei Mais-GPS (Ganzpflanzensilage) typisch 25 bis 45 Tage. Die spezifische Gasbildungsrate liegt beim Substrat Mais-GPS zwischen 0,4 und 0,8 m³/kg_TS (Werte It. FNR, ATB, BayLFU). Die genauen Werte sind im Einzelfall abhängig von Beladungsrate (OLR), Verweilzeit (HRT), pH-Wert und mikrobiologischer Situation.
Typische Eingangsgrößen für die Regelung des Bioprozesses in einem Fermenter sind pH-Wert, der Methangehalt im Biogas und die spezifische Biogasbildungsrate. Die wichtigste Ausgangsvariable für einen klassischen Biogasprozess ist die Organikzufuhr in den Fermenter hinein. Diese auch als Beladungsrate (OLR = organic loading rate) bezeichnete Prozessgröße beschreibt die Zufuhr von organischem Material; häufig verwendete Einheiten sind kg_oTS m^–3 d^–1 oder t_TS m^–3 d^–1. Typische Werte für die Beladungsrate liegen bei NaWaRo-Biogasanlagen zwischen 1,2 und 2,5 kg_oTS m^–3 d^–1 OLR-Werte > 2,5 kg_oTS m^–3 d^–1 führen häufig zu einer Überlastungssituation und einem mikrobiologischen Absturz des Fermenters. Durch leistungsfähige Regelungsverfahren versucht man heute, derartige Überlastungen zu vermeiden.
In DE 10 2004 037 798 A1 wird beispielsweise eine Fuzzy-Regelung beschrieben, bei der die drei Parameter pH-Wert im Reaktor, Methangehalt im Biogas und spezifische Biogasbildungsrate (als oTS·l^–1·d^–1) als Eingangsgrößen für die Regelung verwendet werden. Ausgangsvariable und Stellgröße ist die Organikzufuhr in den Bioreaktor, d. h. die OLR. Durch diese Fuzzy-Regelung soll bei geeignetem, schnell abbaubaren Substrat (Rübenmuß) die Gasrate um bis zu 300% gesteigert werden.
Weitere Verfahren, insbesondere biophysikalische Verfahren, zur Steigerung der Umsatzrate (Organik bzw. Biomasse) und Gasrate sind aus DE 100 11728 B4 und DE 100 34750 A1 bekannt. In DE 100 11728 64 wird ein Verfahren zur Leistungssteigerung mikrobiologischer Systeme beschrieben, das im Kläranlagenbereich erfolgreich erprobt wurde. Das dabei auftretende Phänomen der „biologischen Resonanz" beruht auf einer periodischen Stimulation des Überschwingverhaltens der Enzymkonzentration während der Induktionsphase der Proteinsynthese mit der Eigenfrequenz des mikrobiellen Systems. Dieses Phänomen charakterisiert sich durch eine deutliche Zunahme der spezifischen Enzymsyntheserate in Abhängigkeit von äußeren Prozessparametem (z. B. Intervalldauer iterativer Substratbeschickung). Das in DE 100 34750 vorgestellte BMSR-Verfahren verwendet elektromagnetische Schwebungsresonanzfelder zur biophysikalischen Stimulation. Das BMSR-Verfahren bewirkt eine Wachstums- bzw. Stoffwechselsteigerung bei den Mikroorganismen und eine entsprechend erhöhte Gasproduktion.
Heutige Biogasanlagen beschränken sich in vielen Fallen auf eine einfache Temperaturregelung der Fermenterheizung, wie z. B. in DE 19937876 C2 beschrieben. Leistungsfähigere Verfahren beziehen den pH-Wert als zentrale Regelgröße ein, wie z. B. in DE 10 2004 037 798 A1 und in DE 10316680 A1 beschrieben. Die Gärtemperatur und der pH-Wert haben wesentlichen Einfluss auf den Gärprozess. In Bezug auf die Gärtemperatur wird zwischen mesophiler und thermophiler Betriebsweise unterschieden. Im Temperaturbereich von etwa 25–40°C spricht man von mesophiler Betriebsweise, bei Temperaturen im Bereich von etwa 41–60°C von thermophiler Betriebsweise. Die Organikzufuhr erfolgt in den meisten heutigen Biogasanlagen nur gesteuert (d. h. ohne Regelrückkopplung).
Moderne regelungstechnische Verfahren wie Zustandsregler mit Beobachter, Kalmanfilter, Neuronale Netze oder Fuzzy-Control benötigen erheblich mehr Rechenleistung (instructions per second), als auf einer typischen SPS zur Verfügung stehen. Daher können solche Verfahren gegenwärtig nur auf einem DSP oder einer PC-Plattform als Kontrollmodul (z. B. einer Soft-SPS) implementiert werden. Klassische regelungstechnische Verfahren wie PID-Controller stoßen im Biogasbereich schnell an ihre Grenzen, da sich ein Fermenter nicht wie ein lineares und zeitinvariantes System verhält. Bei biotechnischen Prozessen, insbesondere bei solchen mit hohen Beladungsraten und Zelldichten, ist immer wieder zu beobachten, dass sich das dynamische Verhalten der Reglerstrecke auf unbekannte Weise zeitlich ändert. In diesem Fall existiert keine definierte Übertragungsfunktion. Somit können linear-zeitinvariante Standardregler (PI, PID) nicht verwendet werden. Ähnliche Schwierigkeiten sind aus der chemischen Verfahrenstechnik bekannt, wo z. B. für die Regelung elektrochemischer Prozesse Neuronale Netze vorgeschlagen werden, wie in USP 6609119 beschrieben (feedforward neural network).
Sowohl die Verwendung neuronaler Netze und als auch von Fuzzy-Regelungsverfahren haben ihre Leistungsgrenzen, insbesondere bei der Regelung mehrerer Zustandsgrößen und nichtlinearen Regelsystemen. Ein bekanntes Verfahren, um solche komplexeren Regelungen zur realisieren, ist die modellgestützte Zustandsschätzung mit Beobachtern (indirekte Messung nicht direkt messbarer Zustandsgrößen). Dieses Verfahren der Zustandsschätzung mit Beobachtern wird in DE 10106505 A1 und in EP 1052558 angewendet. Eine Alternative zu der mathematisch sehr abstrakten Methodik der Zustandsraummodellierung ist die automatische Anpassung der Reglerparameter durch das Regelungsverfahren selbst.
Die Dimensionierung von Regelungssystemen basiert ganz allgemein auf mathematischen Zusammenhängen, die zur Erfassung und Simulation der Leistungsanforderungen eines Systems dienen. In diesem Zusammenhang wurden bislang linear-quadratische Regelungen (LQ-Regelungen) und linear-quadratische Gaußsche Regelungen (LQG-Regelungen) entwickelt und verbreitet eingesetzt. Sie basieren auf einem System von Differenz- oder Differentialgleichungen, deren geeignete Formulierung zur Optimierung der gewünschten Eigenschaften führt. In der Praxis repräsentiert eine mathematische Funktion die Differenz zwischen den tatsächlichen (d. h. gemessenen) Werten und den gewünschten Werten des geregelten Systems, und diese Differenz gilt es zu minimieren. Gegenwärtig werden in fortschrittlichen Regelungssystemen verschiedene andere Techniken wie z. B. das Prinzip der adaptiven Regelung zum Optimieren des Regelungsverhaltens angewandt.
Bei einer adaptiven Regelung passen sich die Reglereigenschaften (Struktur und Parameter) dem zeitvarianten oder unbekannten Regelstreckenverhalten an. Eine adaptive Regelung wird vorzugsweise dort eingesetzt, wo eine normale Regelung nur unzureichend die Änderungen in der Prozess-Dynamik ausgleichen kann. Dabei wird dem Grundregelkreis ein adaptives System (Anpassungssystem) überlagert. Typisch für den Ablauf der Adaption sind dabei die Identifikation, die indirekt oder direkt erfolgen kann, und der Entscheidungsprozess, der über eine Modifikationsstufe die einstellbaren Parameter (und ggf. die Struktur des Reglers) während des Prozessablaufs verändert.
Der Unterschied der adaptiven Regelungen besteht dabei in den unterschiedlichen Realisierungen dieser 3 Stufen. Die adaptiven Regelsysteme lassen sich hinsichtlich ihrer Wirkungsweise und ihrem Ausführungsprinzip dabei in drei Grundstrukturen einteilen:

1) Beim Modellreferenzverfahren (engl. model reference adaptive control = MRAC bzw. model reference adaptive systems = MRAS) wird für das gewünschte Verhalten des geschlossenen Regelkreises ein Referenzmodell vorgegeben. Eine Darstellung des Verfahrens als Blockschaltbild ist in 4 zu sehen. Die Regelung besteht aus einem inneren Kreis (eigentlicher Regelkreis aus Strecke und Regler) und einem äußeren Kreis zur Adaption der Reglerparameter.
2) Der selbsteinstellende Regler (engl. self tuning regulator/controller = STR/STC) hat einen zweischleifigen Aufbau ähnlich wie beim Modellreferenzverfahren. Die Parameter der Regelstrecke werden durch Beobachtung der Eingangs- und Ausgangsgrößen identifiziert. Die Identifikation der Streckenparameter und Anpassung des Reglers erfolgen im Unterschied zur MRAC unabhängig voneinander. Der STR wird vor allem für die Regelung nichtlinearer Prozessdynamiken eingesetzt. Eine Darstellung des Verfahrens als Blockschaltbild ist in 5 zu sehen.
3) Bei der geregelten Adaption ohne Vergleichsmodell werden Änderungen im Regelkreis durch eine Identifikationsstufe erkannt und die Regelparameter auf Grundlage eines Gütekriteriums angepasst. Eine vor allem in früheren Jahren häufig angewendete Ausführungsform ist das Gain Scheduling (GS). Beim Gain Scheduling werden zusätzliche Prozessgrößen verwendet, um Änderungen in der Dynamik des Prozesses zu detektieren. Das Gain Scheduling hat wegen des Open-Loop Adaptionsschemas mehr den Charakter einer Steuerung.

Bei einer adaptiven Regelung wird das aktuelle Verhalten einer Prozessgröße ausgewertet und mit dem gewünschten Verhalten verglichen. In Abhängigkeit vom Ergebnis dieses Vergleichs wird eine Entscheidung hinsichtlich der Änderungen oder Modifikationen getroffen, die zur Optimierung des Regelungssystems notwendig sind. Ein Beispiel hierfür sind die Lastwechselsituationen bei Automatikgetrieben, wie in DE 19822482 A1 dargelegt. Weitere Anwendungen von adaptiven Regelungsverfahren im Bereich der Antriebstechnik (Drehmonentwandler, Drosselungsregelung) sind in DE 19640160 A1 und DE 19743042 A1 beschrieben. Ebenso kann es bei Prozessen durch Delay und Störungen hilfreich sein, wenn sich der Regler anpasst. Letztere Situation ist im Biotechnologiebereich gegeben. Die Anwendung von adaptiven Regelungen ist gegenwärtig für Fermentationsprozesse und Biogastechnologien noch nicht bekannt.
Darstellung der Erfindung
Es soll eine modulartige Zusatzausrüstung für Biogasanlagen zur Verfügung gestellt werden, die auch an bestehenden Anlagen nachgerüstet werden kann und zu folgenden Vorteilen führt:

• Steigerung der Methanrate,
• Verbesserung der Substratausnutzung,
• Erhöhung der Betriebsstabilität der Fermenter und damit Erhöhung der Volllastbetriebsstunden pro Jahr.

Die Leistungs- und Effizienzsteigerung der Methanproduktion wird durch eine Kombination mehrerer verfahrenstechnischer Maßnahmen erreicht, die über eine intelligente Regelung aufeinander abgestimmt werden. Bei diesem als Hybridfermenter bezeichneten erfindungsgemäßen Verfahren ist eine adaptive Regelung vorgesehen, die einen stabilen Betrieb der Fermenter bei hohen Beladungsraten ermöglicht und hohe Biogasausbeuten erzielt. Ein wesentlicher Bestandteil des Hybridfermenter-Systems ist ein mesophiler Wasserstoff-Fermenter, dessen Volumen an die Baugröße des Methanfermenters angepasst wird. Das Volumen des Wasserstofffermenters beträgt etwa 0,5% (bzw. 1/200) von dem des Methanfermenters.
Für die Effizienz- und Leistungssteigerung von Biogasanlagen nach heutigem Stand der Technik wird das erfindungsgemäße Verfahren der Wasserstoff hybridfermentation eingesetzt. Dazu wird zusätzlich an den normalen Methan-Fermenter (typ. 1000 m³ Volumen) eine kleine wasserstoffproduzierende Anlage (typ. 5 m³ Fermentervolumen) angeschlossen, wie in 1 und 2 schematisch dargestellt ist. Der oder die Wasserstofffermenter (3) werden mit Substrat (5a) aus dem Methanfermenter (4) gespeist oder über ein eigenständiges Aufbereitungs- und Zuführungssystem (2a, 2c) mit speziellem Substrat versorgt.
Eine bautechnische Ausführung des Hybridfermenters ist in 6–8 zu sehen.
Der Hybridfermenter zur Vergärung von Biomasse besteht insgesamt aus folgenden Baugruppen, die mit einer konventionellen Biogasanlage gekoppelt werden (siehe 1 und 2):

• Wasserstofffermenter (3) incl. Pumpen, Ventilen und Verrohrung
• Substratzuführungseinrichtung (2c) für den Wasserstofffermenter (3)
• Wasserstoffgaseinleitung (6b) aus dem Wasserstofffermenter (3) in den Methanfermenter (4)
• Zuführung wasserstoffproduzierender Mikroorganismen (6c) vom Wasserstofffermenter (3) zum Methanfermenter (4)
• Einleitung flüssigphasengebundenen Wasserstoffs (6d) und Organikzuführung (6e) vom Wasserstofffermenter (3) zum Methanfermenter (4)
• Additivzuführung (7a) in den Methanfermenter (4)
• Additivzuführung (7b) in den Wasserstofffermenter (3)
• Kontrollmodul (10a) mit Software (10b) zur adaptiven Regelung (10b); die Berechnung von Sollwerten für die optimierte Substratzufuhr (2b) und Additivzuführung (7b) in den Methanfermenter erfolgt im Kontrollmodul (10a, 10b). Diese berechneten Werte werden als Sollwertvorgabe über eine geeignete digitale Schnittstelle (z. B. Profibus) an die SPS der vorhandenen Biogasanlage übergeben.
• Hilfssysteme wie Druckluftkompressor und Heizung
• Optional: Brennstoffzelle oder Verbrennungsmotor zur energetischen Nutzung (13) von überschüssigem Wasserstoffgas (6a)

Durch die ausgewogene Kombination von Substratzufuhr (2b, 2c), Wasserstoffzuführung (6b, 6c. 6d) und Additivzugabe (7a, 7b) wird die Gasproduktion einer Biogasanlage heutiger Bauart deutlich gesteigert. Für die Wasserstoffproduktion (6a, 6b, 6c, 6d) und die Bereitstellung der Organikzufuhr (68) kann ein im mesophilen Temperaturbereich arbeitender Fermenter (3) verwendet werden, wie in 9 dargestellt
Der Wasserstofffermenter (3) – siehe 9 – erzeugt bei einem Fermentervolumen von 4 m³ pro Tag etwa:

• 100...300 Nm³ Wasserstoff (sowohl mikrofein in der Flüssigkeit verteilt als auch gasförmig), und
• 2...10 m³ Gärrest in Form einer Mischung aus organischen Säuren, Cellulosen und anderen organischen Bestandteilen (flüssig).

Beide Bestandteile (Gärrest und Wasserstoff werden in regelungstechnisch dosierten Mischungsverhältnissen in den Methan-Fermenter eingespeist, wie in dem Fließschema (2) zu sehen ist. Die Dosierung erfolgt über die adaptive Regelung (10a, 10b), die vorzugsweise als sog. selbsteinstellender Regler (STR, s. 5) ausgeführt ist.
Das Ziel des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin durch verbesserte Substratausnutzung (Konversionsrate) die Methanrate zu erhöhen. Diese erhöhte Konversionsrate ist u. a. deswegen möglich, weil die biologische Verfügbarkeit von Wasserstoff beim Methangärprozess eine entscheidende limitierende Größe darstellt.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Biogasanlage entsprechend dem unabhängigem Patentanspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Aspekte, Details und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung.
Das erfindungsgemäße wasserstoffproduzierende Anlagenmodul kann als transportable Container-Einheit so gestaltet werden, dass sie direkt im Anschluss an einen Fermenter aufgestellt und angeschlossen werden kann. Dazu ist die zum Fermenter gewandte Seite der Container-Einheit mit standardisierten Anschlüssen in einer bestimmten, standardisierten Anordnung versehen. Bei der Neuausrüstung von Biogasanlagen findet sich die genannte, standardisierte Anordnung von Anschlüssen an einer Anschlussplatte am Fermenter wieder, so dass der Anschluss einer Container-Einheit an einem entsprechend vorbereiteten Fermenter mit geringem Aufwand vorgenommen werden kann.
Die transportablen Container-Module bieten bekannte Vorteile wie kostengünstige Serienfertigung im Werk, die Möglichkeit von Weiterverkauf, Leasing, Rückkauf, die Instandsetzung im Werk und vereinfachte baurechtliche Genehmigungsverfahren durch Standardpläne.
Durch die Ausbildung der Container-Einheit in Form von Standardcontainern ist die Beförderung der Container-Einheit kein Problem. Ein flächendeckendes Netz an Transport- und Umschlagsmöglichkeiten für diese Container eröffnet einen weltweiten Vertriebsweg.
Zum Betrieb werden zumindest ein Methan-Fermenter und ein Wasserstoff-Fermenter miteinander gekoppelt, wobei im Wesentlichen die Rohrverbindung zur Substratleitung hergestellt werden muss. Das im Wasserstofffermenter produzierte Bio-Wasserstoffgas kann auch anderen Verwendungen zugeführt werden, z. B. der energetischen Nutzung in einer Brennstoffzelle (10), wie in 1 und 2 zu sehen ist. Das im Wasserstofffermenter produzierte Bio-Wasserstoffgas besteht lediglich aus Wasserstoff (60...70%), aus Kohlendioxid (25...35%) und Wasserdampf (5...10%). Aufgrund dieser relativen Reinheit kann das Bio-Wasserstoffgas direkt in einer CO₂-toleranten Brennstoffzelle genutzt werden, z. B. einer MFC. Die Gasaufbereitung zu reinem Wasserstoff (> 98% H₂-Gehalt) ist mit Membrantrennverfahren (z. B. Druckwechselabsorption) technisch leicht möglich, weil die Molekülgrößen und Molekülgeschwindigkeiten von H₂ und CO₂ deutlich von einander abweichen.
Bei diesem als Hybridfermenter bezeichneten erfindungsgemäßen Verfahren ist eine adaptive Regelung (10a, 10b) vorgesehen, die einen stabilen Betrieb der Fermenter (3, 4, 8) bei hohen Beladungsraten ermöglicht und hohe Biogasausbeuten erzielt. Mit dem Hybridfermenter kann die Wirtschaftlichkeit von Biogasanlagen heutiger Bauart erheblich verbessert werden.
Bei der adaptiven Regelung des Hybridfermenters findet in diesem Sinne eine Anpassung der Reglerparameter wie Substrat- und Additivzugabe an die sich ändernde Dynamik der mikrobiologischen Zustände im Fermenter statt. Die gekoppelten Fermenter (3) und (4) werden dabei als biologisches Gesamtsystem behandelt, das durch mehrere Prozess- und Hilfsgrößen mathematisch modelliert werden kann. Die Ausführungsform der adaptiven Regelung als sog. „Model Reference Adaptive System" (MRAS) ist als Blockschaltbild in 4 dargestellt. Die Ausführungsform der adaptiven Regelung als sog. „Self Tuning Regulator" (STR) ist als Blockschaltbild in 5 zu sehen.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren des Hybridfermenters kann entweder die Durchsatzgeschwindigkeit des Substrates im Methanfermenter (4) erhöht werden oder alternativ kann bei gleicher Substratzufuhr (2a, 2b) bzw. gleicher Beladungsrate die Methanrate gesteigert werden. Diese Vorteile werden erreicht durch ausgewogene Kombination mehrerer bioverfahrenstechnischer Maßnahmen. Die adaptive Regelung (10a, 10b) steuert dementsprechend folgende Prozessabläufe:

• dosierte Substratzufuhr (5a) in den Wasserstofffermenter (3)
• dosierte Substratzufuhr (2a, 2b) in den Methanfermenter (4)
• dosierte Direkteinleitung von gasförmigem Wasserstoff (6b) aus dem Wasserstofffermenter (3) in den Methanfermenter (4)
• dosierte Zugabe von Additiven (7a, 7b) in den Wasserstofffermenter (3) und in den Methanfermenter (4)
• dosierte Zugabe von speziell aufbereiteten, pumpfähigen organischen Stoffen (2c, 6e) in die Fermenter (3) und (4), wie z. B. die Gärrestzuführung von (3) nach (4)
• Reststoffkonditionierung (15)

Damit ist auch bei hohen Beladungsraten (OLR > 2,5 kg_TS m^–3 d^–1) ein langfristig stabiler Betrieb der Biogasanlage möglich. In dem Kontrollmodul (10a) werden unabhängig von der Prozesssteuerung einer klassischen Biogasanlage komplexe Berechnungen mit einer speziellen Software (10b) durchgeführt. Hauptbestandteile der Prozesssteuerung sind Algorithmen (10b) zur adaptiven Regelung, wie in 4 und 5 dargestellt (MRAS/MRAC, STR/STC). Von dem Kontrollmodul (10a) werden als Ausgangsgrößen neue Sollwerte an die Anlagensteuerung (SPS) der Biogasanlage übergeben.
Die Adaptive Regelung wird beim Hybridfermenter in zwei Ausprägungen eingesetzt, zum einen als Modellreferenzverfahren (MRAS, MRAC) und zum anderen als selbsteinstellende Regler (STC, STR). Bei dem in 4 dargestellten Modellreferenzverfahren werden aus den Abweichungen der Prozessausgangsgröße y_P zur Modellausgangsgröße y_M die Reglerparameter r_P so berechnet, das der Fehler e (t) = y_P(t) – y_M(t) minimal wird.
Bei dem in 5 dargestellten selbsteinstellenden Regler erfolgt der Reglerentwurf anhand der geschätzten Streckenparameter als seien diese die tatsächlichen Parameter. Die Schätzung der Streckenparameter ist schwieriger (rechenzeitaufwändiger) als die Fehlerminimierung beim Modellreferenzverfahren. Ursache dafür sind im Wesentlichen die nichtlinearen Zusammenhänge zwischen identifizierten Streckenparametern und Reglerparametern.
Wege zur Ausführung der Erfindung
Bei kleineren Biogasanlagen (bis etwa 350 kW elektrischer Leistung), die im Wesentlichen aus einem Grubenfermenter und der notwendigen Technik bestehen, ist eine teilmobile und modulare Bauweise von besonderem Vorteil. Die Gesamtkosten der Anlage werden nämlich durch die Einsparungen bei Planung, Genehmigung und Montage prozentual besonders stark vermindert.
Die großvolumigen Fermenter werden üblicherweise durch fachlich qualifizierte Bauunternehmen vor Ort aufgebaut. Gängige Fermenterbauweisen, die bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung darstellen, sind liegende Durchflussfermenter mit rundem oder rechteckigem Querschnitt, stehende Durchflussfermenter mit rundem Querschnitt und Grubenfermenter mit rundem Querschnitt.
Die nachfolgende detaillierte Beschreibung der Erfindung soll daher am Beispiel einer solchen 500 kW-Biogasanlage mit liegendem Durchflussfermenter erfolgen, wodurch der Umfang der vorliegenden Erfindung selbstverständlich nicht beschränkt werden soll.
Als Fermenter kann beispielsweise ein liegender Durchflussfermenter mit 14 m bis 18 m Länge verwendet werden, wie in 6 zu sehen ist. Der Fermenter umfasst ein integriertes Rührwerk, bevorzugt ein Paddelrührwerk und ist durch eine Trapezblechwand thermisch isoliert. Der Nachgärer weist einen Foliengasspeicher mit integrierten Bewuchsflächen zur biologischen Entschwefelung auf. Erfindungsgemäß ist eine Anschlusseinheit am Fermenter bzw. am sog. Technikcontainer mit einer Mehrzahl von Anschlusselementen zum einfachen Anschluss der transportablen Container-Einheit vorgesehen.
Die der Wassserstofffermenter-Container-Einheit zugewandten Anschlüsse umfassen Heizungsleitungen, Zu- und Ableitung zur zentralen Substratverteilung, eine beispielsweise im Dach der Container-Einheit untergebrachte Gasleitung, eine Luftleitung für die biologische Entschwefelung und eine Druckluftleitung für pneumatische Anlagen.
Die vorliegende Erfindung des Hybridfermenters wird anhand der beiliegenden Figuren näher erläutert:
1 zeigt ein vereinfachtes Flussdiagramm des Hybridfermenters
2 zeigt ein vollständiges Flussdiagramm des Hybridfermenters
3 zeigt das reduzierte Blockschaltbild des Hybridfermenters mit der Darstellung der Eingangs- und Ausgangsgrößen für die Regelung des Hybridfermenters
4 zeigt das Blockschaltbild der adaptiven Regelung in der Ausführungsform als sog. „Model Reference Adaptive System" (MRAS)
5 zeigt das Blockschaltbild der adaptiven Regelung in der Ausführungsform als sog. „Self Tuning Regulator" (STR)
6 zeigt einen Hybridfermenter am Ausführungsbeispiel einer 500 kW-Biogasanlage mit einem 600 m³ -Durchflussfermenter
7 zeigt die beiden zu 6 zugehörigen kleinen Wasserstofffermenter
8 zeigt die Anbindung der Substratleitungen der Wasserstofffermenter aus
7 an den Durchflussfermenter aus 6
9 zeigt einen Wasserstofffermenter aus 7 im Querschnitt
Baugruppenbeschreibung zur 1 (vereinfachtes Flussdiagramm Hybridfermenter)

2a: Vorbehandlung des Rohsubstrates, z. B. der Silage
2b: bearbeitetes Rohsubstrat für den Methanfermenter
2c: konditionierter Rohsubstratbestandteil für den Wasserstofffermenter
3: Fermenter H₂
4: Fermenter CH₄
5a: Gärsubstratüberleitung vom Methan- zum Wasserstofffermenter mit Flüssigphasenanreicherung
5b: Gärsubstratleitung vom Methanfermenter zum Nachgärer
6a: gasförmige H₂-Zuführung für energetische Verwertung (13)
6b: gasförmige H₂-Einleitung in den Methanfermenter (4)
6c: flüssiggebundene H₂-Einleitung in den Methanfermenter (4)
6d: Einleitung H₂-produzierender Mikroorganismen in den Methanfermenter (4)
6e: Organikzufuhr in den Methanfermenter (4), z. B. Gärrestzuführung vom Wasserstofffermenter (3)
8: Nachgärer
7a: Additivzuführung für Wasserstofffermenter (3)
7b: Additivzuführung für Methanstofffermenter (4)
12a: produziertes Biogas (CH₄)
12c: Nutzung des erzeugten Methans (BHKW, Gasnetz-Einspeisung)
13: optionale energetische Verwertung des erzeugten Wasserstoffs, z. B. in Brennstoffzelle

Baugruppenbeschreibung zur 2 (vollständiges Flussdiagramm Hybridfermenter)
Zusätzlich zu den in 1 enthaltenen Baugruppen beschreibt das vollständige Flussdiagramm des Hybridfermenters das Zusammenwirken mit folgenden Komponenten:

1: Bereitstellung biogener Roh- und Reststoffe (z. B. NaWaRo/Landwirtschaft)
5c: Rezyklierung d. h. Gärsubstratleitung vom Nachgärer (8) zum Methanfermenter (4)
9a: Prozessrechner (IPC) oder Kontrollmodul (DSP) für adaptive Regelung
10a: Programmcode (Algorithmen) für adaptive Regelung, enthält Berechnung der notwendigen Sollwertvorgaben für die Anlagensteuerung (SPS) der Biogasanlage
10c, 10d, 10e, 10f: Aktoren der adaptiven Regelung für Steuerung der Substratzufuhr (2a, 2b, 2c, 5a), Additivzufuhr (7a, 7b), Gärsubstratverteilung (5b, 5c), Reststoffkonditionierung (15) sowie Wasserstoff- und Organikzufuhr (6b, 6c, 6d, 6e) vom Wasserstofffermenter (3) in den Methanfermenter (4)
11: Bereitstellung von organischem Material aus sekundären Quellen (z. B. Co-Substrate)
12b: Gasaufbereitung Biogas (optional)
14: produzierte Energie (Strom & Wärme)
15: Nachbehandlung des Gärrestes (Konditionierung)
16: Gärrestlager

Baugruppenbeschreibung zur 3 (reduziertes Blockschaltbild Hybridfermenter mit Sensoren und Aktoren)

51a: online-Sensor zur Erfassung der Substratzufuhr (OLR, 2c) in den Fermenter (3) hinein, z. B. Massen-Durchflussmesser mit Widerstands-Temperatur-Detektoren
51b: online-Sensor zur Erfassung der Substratzufuhr (OLR, 2b) in den Methanfermenter (4)
51c: online-Sensor zur Erfassung der Substratzufuhr (OLR, 5a) vom Methanfermenter (4) in den Wasserstofffermenter (3)
52a: online-Sensor zur Erfassung der Additivzufuhr (7a) in den Wasserstofffermenter (3)
52b: online-Sensor zur Erfassung der Additivzufuhr (7b) in den Methanfermenter (4)
52c: online-Sensor zur Erfassung der Zufuhr des flüssigphasengebundenen Wasserstoffs (6c) vom Wasserstofffermenter (3) in den Methanfermenter (4)
52d: online-Sensor zur Erfassung der Mikroorganismenzufuhr (6d) vom Wasserstofffermenter (3) in den Methanfermenter (4)
52e: online-Sensor zur Erfassung der Organikzufuhr (6e) vom Wasserstofffermenter (3) in den Methanfermenter (4)
53a: online-Sensor zur Messung der Temperatur in der Flüssigphase des Wasserstofffermenters (3), z. B. Pt-100
53b: online-Sensor zur Messung des pH-Wertes in der Flüssigphase des Wasserstofffermenters (3), z. B. pH-E instabmesselektrode mit Ag/AgCl als Ableitsystem
53c: online-Sensor zur Druckmessung in der Gasphase des Wasserstofffermenters (3)
53d: online-Sensor zur Messung der H₂-Gaskonzentration in der Gasphase des Wasserstofffermenters (3), z. B. Wärmetönungssensor
53e: online-Sensor zur Gasmengenmessung (Durchfluss) in der Verbindungsleitung (6b) vom Wasserstofffermenter (3) zum Methanfermenter (4), z. B. Trommel-Nassgaszähler
53f: optionaler online-Sensor zur Gasmengenmessung (Durchfluss) in der optionalen Verbindungsleitung (6a) vom Wasserstofffermenter (3) zur optionalen energetischen Verwertung (13) des erzeugten Wasserstoffs
54a: online-Sensor zur Temperaturmessung in der Flüssigphase des Methanfermenters (4)
54b: online-Sensor zur Messung des pH-Wertes in der Flüssigphase des Methanfermenters (4)
54c: optionaler online-Sensor zur Druckmessung in der Gasphase des Methanfermenters (4)
54d: online-Sensor zur Messung der CH₄-Gaskonzentration in der Gasphase des Methanfermenters (4), z. B. Infrarotsensor
54e: online-Sensor zur Gasmengenmessung (Durchfluss) in der Verbindungsleitung (12a) vom Methanfermenter (4) zur Gasaufbereitung (12b), z. B. Trommel-Nassgaszähler
55a: online-Sensor zur Messung der Temperatur in der Flüssigphase des Nachgärers (8)
55b: online-Sensor zur Messung des pH-Wertes in der Flüssigphase des Nachgärers (8)
55c: optionaler online-Sensor zur Druckmessung in der Gasphase des Nachgärers (8)
56a: Stellglied (Aktor) für Rührwerksmotor im Wasserstofffermenter (3), z. B. Schütz (E/A) oder Wechselrichter (Min. Drehzahl...Max. Drehzahl)
56b: Stellglied (Aktor) für Temperatursteuerung im Wasserstofffermenter (3), z. B. Schütz (E/A) für Heizungspumpe
57a: Stellglied (Aktor) für Substratpumpe zur Befüllung des Wasserstofffermenters (3), z. B. Schütz (E/A) oder Wechselrichter (Min.Drehzahl...Max.Drehzahl)
57b: Stellglied (Aktor) für Substratpumpe zur Entleerung des Wasserstofffermenters (3), z. B. Schütz (E/A) oder Wechselrichter (Min. Drehzahl...Max. Drehzahl)
57c: Stellglied (Aktor) für Ventil oder Sperrschieber in der Zulaufleitung des Wasserstofffermenters (3), z. B. Schütz (E/A) oder Druckluftschalter
57d: Stellglied (Aktor) für Ventil oder Sperrschieber in der Ablaufleitung des Wasserstofffermenters (3), z. B. Schütz (E/A) oder Druckluftschalter
57e: Stellglied (Aktor) für Steuerung des Separators in der Ablaufleitung des Wasserstofffermenters (3), z. B. Schütze (EIA) oder Druckluftschalter
58a: Stellglied (Aktor) für Steuerung der Gasdurchflutung des Wasserstofffermenters (3), z. B. Schütz (E/A)
58b: Stellglied (Aktor) für Steuerung der H2-Gaseinleitung (6b) in den Methanfermenter (4), z. B. Schütz (E/A)
59a: Stellglied (Aktor) für Steuerung der Organik-Zuführung (6c, 6e) in den Methanfermenter (4), z. B. Schütz (EIA)
59b: Stellglied (Aktor) für Steuerung der Mikroorganismen-Zuführung (6d) in den Methanfermenter (4), z. B. Schütz (E/A)

Baugruppenbeschreibung zur 4 (Blockschaltbild der adaptiven Regelung als MRAS)

61: Führungsgröße, als Eingangsvektor r für das Referenzmodell 65a und für den Regler 62a. Der Eingangsvektor r enthält Sensordaten des realen Hybrid-Fermenter-Systems.
62a: Regler
62b: Übergabevektor u vom Regler 62a an die Strecke 63
63: Strecke, d. h. die Aktoren des realen Hybrid-Fermenter-Systems
64: innerer Regelkreis, d. h. Rückkopplung vom Ausgang der Strecke 63 auf den Eingang des Reglers 62a zur Feineinstellung des Reglers
65a: Referenzmodell M liefert die Modellausgangsgröße y_m
65b: Modellausgangsgröße y_m
67a: Anpassungsalgorithmus (äußerer Regelkreis, sog. „Adaption") zur Veränderung des Reglers 62a
67b: Regelparameter θ
68: Ausgangsfehler e(t) = y_p(t) – y_m(t)
69: Vektor y(p) mit den Prozessausgangsgrößen

Baugruppenbeschreibung zur 5 (Blockschaltbild der adaptiven Regelung als STR)

71: Führungsgröße, als Eingangsvektor r für das Referenzmodell 75a und für den Regler 72a. Der Eingangsvektor r enthält die Sensordaten des realen Hybrid-Fermenter-Systems.
72a: Regler
72b: Übergabevektor u vom Regler 72a an die Strecke 73
73: Strecke, d. h. die Aktoren des realen Hybrid-Fermenter-Systems
74: innerer Regelkreis, d. h. Rückkopplung vom Ausgang der Strecke 73 auf den Eingang des Reglers 72a zur Feineinstellung des Reglers
75a: Referenzmodell M liefert die Modellausgangsgröße y_m ???
75b: Modellausgangsgröße y_m
77a: Anpassungsalgorithmus (äußerer Regelkreis, sog. „Adaption") zur Veränderung des Reglers 72a
77b: Regelparameter θ
78: Ausgangsfehler e(t) = y_p(t) – y_m(t)
79: Vektor y(p) mit den Prozessausgangsgrößen

Baugruppenbeschreibung zur 6 (Ausführungsbeispiel für 500 kW-Biogasanlage)

21: Gärsubstratleitung (Zufuhr) vom Methanfermenter (4 bzw. 24) zu dem oder den Wasserstofffermentern (3 bzw. 23), wie (5a) in 1 + 2
22: Gärrestleitung (Rückleitung) vom Wasserstofffermenter (3 bzw. 23) zum Methanfermenter (4 bzw. 24), umfasst (6c, 6d, 6e) aus 1 + 2
23: Wasserstofffermenter mit Rührwerk und Sensoren, wie (3) in 1 + 2
24: liegender Durchflussfermenter (Inhalt ca. 600 m³), wie (4) in 1 + 2
25: Zwischenbehälter und Abscheider in der Gärsubstratleitung (Zufuhr) vom Methanfermenter (24)
26a, 26b: Substratpumpen
28: Schaltschrank mit Steuerungs- und Regelungstechnik wie (9a, 9b) und (10a, 10b)
31a: Zulaufleitung Gärsubstrat vom Methanfermenter (4 bzw. 24) zum Nachgärer (8), entspricht (5b) in 2
32a: Rücklaufleitung Gärsubstrat vom Nachgärer (8) zum Methanfermenter (4 bzw. 24), ), entspricht (5c) in 2
40: H2-Gaspufferspeicher
41: H2-Gasförderpumpe
42: H2-Gasleitung
43: H2-Gasbodenbelüfter

Baugruppenbeschreibung zur 7 (Wasserstofffermenter im Ausführungsbeispiel)
Zusätzlich zu den in 6 beschriebenen Baugruppen sind an die Wasserstofffermenter folgende Komponenten angeschlossen:

21: Gärsubstratleitung vom Methanfermenter
22: Gärrestleitung vom Wasserstofffermenter
37, 38: Sperrschieber oder Kugelhähne (pneumat. o. elektr.) in den Gärsubstratleitungen (21, 22)

Baugruppenbeschreibung zur 8 (Anbindung an Rezyklierungsleitung im Ausführungsbeispiel)
Zusätzlich zu den in 6 beschriebenen Baugruppen enthält die Anbindung an die Rezyklierungsleitung folgende Komponenten:

31b, 31c: Abzweigstücke in der Gärsubstrat-Zulaufleitung
32b: Abzweigstücke in der Gärsubstrat-Rücklaufleitung
33: Einspeiseleitung in Wasserstofffermenter (3 bzw. 23) für Organikzufuhr (5a) in 1 + 2
34: Einspeiseleitung in Methanfermenter (4 bzw. 24) für Organikzufuhr (6c, 6d, 6e) in 1 + 2
35a, 35b, 36: Sperrschieber oder Kugelhähne (pneumat. o. elektr.) in den Gärsubstratleitungen (21) und (22)

Baugruppenbeschreibung zur 9 (Wasserstofffermenter aus 7 im Querschnitt)

81: Behälter i. d. R. aus Edelstahl, mit Heizmantel (86) und Mannloch
82a: Rührwerksmotor
82b: gelagerte Rührwerksachse
83a: oberes Paddelrührwerk
83b: weitere Paddelrührwerke
84: Gärmedium
85a: Substratzulauf
85b: Substratablauf
86: doppelwandiger Heizmantel mit Wasserfüllung
87: durchströmtes Fließbett bzw. Festbett
88: Vorrichtung zum Einblasen von Gas

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 19615551 C2 [0002]
- DE 3737870 C2 [0002]
- DE 3529461 C2 [0002]
- EP 0167696 [0002]
- DE 3341027 C2 [0003]
- DE 102004062993 A1 [0004]
- DE 19958142 A1 [0004]
- DE 102004037798 A1 [0009, 0011]
- DE 10011728 B4 [0010]
- DE 10034750 A1 [0010]
- DE 1001172864 [0010]
- DE 10034750 [0010]
- DE 19937876 C2 [0011]
- DE 10316680 A1 [0011]
- US 6609119 [0012]
- DE 10106505 A1 [0013]
- EP 1052558 [0013]
- DE 19822482 A1 [0017]
- DE 19640160 A1 [0017]
- DE 19743042 A1 [0017]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- FNR-Fachgespräch 28.129.09.2004, Prozessoptimierung bei der Biogaserzeugung, FNR e. V., 18276 Gülzow [0005]

Claims

Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung von Biogas mit erhöhter Methanrate (Hybridfermentation), durch: a) Dosierte Zugabe von Wasserstoff-produzierenden Bakterien (6d) in den Methanfermenter (4), die im Wasserstofffermenter (3) gezüchtet werden, siehe 1 + 2, b) Dosierte Einleitung von gasförmigem Wasserstoff (6b) in den Methanfermenter (4), siehe 1 + 2, c) Dosierte Zugabe von speziell aufbereitetem organischem Material (6e) in den Methanfermenter (4), das Wasserstoff in mikrofein verteilter und/oder metastabil gebundener Form (6c) enthält (siehe 1 + 2), d) Einsatz einer intelligenten Prozessregelung (9, 10a–10f), wie in 3 dargestellt, die auch bei hohen Beladungsraten (OLR > 2,5 kg_TS m^–3 d^–1) eine stabile Mikrobiologie und damit eine hohe spezifische Gasbildungsrate (GPR > 0,5 m³/kg_TS) ermöglicht, e) Einsatz einer intelligenten Prozessregelung (10a–10f), vorzugsweise einer adaptiven Regelung wie in 4 und 5 dargestellt, die Organikzufuhr (2a, 2b, 2c, 5a, 5b, 6e), Mikroorganismenzuführung (6d), Additivzufuhr (7a, 7b) und Wasserstoffeinleitung (6b, 6c) aufeinander abstimmt und damit eine stabile mikrobiologische Situation gewährleistet, f) Einsatz eines kombinierten gepackt-gerührten anaeroben Spezialwasserstofffermenters zur anaeroben Vergärung (siehe 9).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung auf Grundlage sog. adaptiver Algorithmen erfolgt, vorzugsweise wird dabei ein Model-Referenzverfahren (MRAC, 4) verwendet, noch vorzugsweiser wird dabei ein Self-Tuning-Regulator (STR) verwendet, siehe 5.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–2, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung als Eingangsgrößen die Messwerte (Ist-Werte) von pH (53b, 54b, 55b), Organikzufuhr (2a, 5a, 5b, 2c, 6e), H₂-Gaseinleitung (6b, 6d) in den Methanfermenter (4), H₂-Gaskonzentration (53d) im Wasserstofffermenter (3) und CH₄-Gaskonzentration (54d) im Methanfermenter (4) verwendet.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als zusätzliche Eingangsgrößen die Messwerte (Ist-Werte) von Temperatur (53a, 54a, 55a) oder Gasdruck (53c, 54c, 55c) verwendet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung als vorrangige Zielgröße die Methankonzentration (54d) und die Gesamtgasmenge (54e) am Ausgang des Methanfermenters (4) bzw. des Nachgärerers (8) verwendet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–5, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung als vorrangige Stellgrößen die Menge und Zeitintervalle der Organikzuführung (2a, 2b, 2c, 5a, 5b, 5c, 6e) und der H₂-Einleitung (6b, 6c) verwendet. Die Zuführung von Additiven (7a, 7b) in die Fermenter (3) und (4) wird als nachgeordnete (sekundäre) Stellgröße verwendet, die mit einem Gewichtungsfaktor < 1 in die Fehlerberechnung der Regelabweichung eingeht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–6, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Hybrid-Fermenter eine hohe spezifische Biogasbildungsrate GPR_spez erreicht wird bei gleichzeitig niedriger Verweilzeit HRT, hoher Beladungsrate OLR und stabiler mikrobiologischer Situation indiziert durch den pH-Wert, der zwischen 7,0 und 8,0 liegt. Vorzugsweise kann der pH-Wert zwischen 7,2 und 7,7 liegen. Für Mais-GPS liegen die zuvor genannten Werte bei GPR_spez > 0,45 m³/kg_oTS, HRT < 25 d (Summe Fermenter (4) und Nachgärer (8)) und OLR > 2,5 kg_oTS m^–3 d^–1, vorzugsweise bei GPR_spez > 0,5 m³/kg_oTS, HRT < 20 d (Summe Fermenter (4) und Nachgärer (8)) und OLR > 3,0 kg_oTS m^–3 d^–1.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–7, dadurch gekennzeichnet, dass als Wasserstoff-produzierende Mikroorganismen bevorzugt E. Coli und/oder Lactobacilli-haltige Mischkulturen verwendet werden, die durch spezielle Konditionierungsverfahren selektiert, angereichert bzw. aufkonzentriert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–7, dadurch gekennzeichnet, dass als Wasserstoff-produzierende Mikroorganismen bevorzugt Chlostridienhaltige Mischkulturen verwendet werden, die durch spezielle Konditionierungsverfahren selektiert, angereichert bzw. aufkonzentriert werden.
Verfahren und Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1–9, dadurch gekennzeichnet, dass die H₂-produzierenden Mikroorganismen in einem speziellen Wasserstoff-Fermenter (siehe 2 (3) bzw. 9 (81–89)) gezüchtet werden.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der erfindungsgemäße Wasserstoff-Fermenter (9) über eine in der unteren Behälterhälfte befindliche Fließbettkonstruktion (87) verfügt, die von unten mit Gas durchströmt werden kann, das über eine Einbiasvorrichtung (88) eingeleitet wird. Zusätzlich verfügt der Wasserstoff-Fernenter über ein oder mehrere Paddelrührwerksblätter (83a, 83b), die auf einer vertikal angeordneten Rührwerksachse (82b) sitzen. Mindestens eines der Rührwerkspaddel (83a, 83b) ist oberhalb des Fließbettes (87) angebracht.
Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der erfindungsgemäße Wasserstoff-Fermenter (9) einen im Bodenbereich des Behälters befindlichen Zulauf (85a) verfügt, über den das Substrat zugeführt wird und so das Fließbett (87) von unten durchströmt. Der Ablauf befindet sich entsprechend im oberen Drittel des Behälters (81).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um ein Nassvergärungsverfahren handelt.
Nassvergärungsverfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der H₂-Fermenter (3) und der Methanfermenter (4) hinsichtlich der Substratströme miteinander gekoppelt werden; diese Kombination wird als Hybridfermenter bezeichnet (siehe 1 + 2).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Wasserstofffermenter (3) in Reihe geschaltet werden, wobei die Ausgangsstoffe (6d) und (6e) ganz oder zum Teil in den nachfolgenden Wasserstofffermenter eingeleitet werden.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die unterschiedlichen Wasserstofffermenter mit unterschiedlichen Betriebsparametem (eingestellter pH-Wert, Temperatur, OLR, HRT) über die Regelung (10b) gefahren werden.
Trockenvergärungsverfahren mit Perkulat nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der H₂-Fermenter (3) und der Methanfermenter (4) gekoppelt werden. Diese Kombination wird als Hybridtrockenfermenter bezeichnet (siehe 1 + 2).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das in den Methanfermenter (4) zugegebene organische Material (6e) aus einer Mischung von organischen Säuren oder reinen Carbonsäuren – wie Essigsäure und Milchsäure – besteht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die zugegebenen organischen Säuren fermentativ erzeugt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass das zugegebene organische Material (6e) aus einer Mischung von organischen Säuren und Cellulosen besteht (letztere liegen vorzugsweise in flüssigphasengebundener Form vor).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die zugegebenen organischen Säuren aus pflanzlichen Roh- und Reststoffen erzeugt werden, z. B. durch Fermentation von Biomasse.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass der eingeleitete Wasserstoff aus regenerativen Quellen erzeugt wird, z. B. durch Fermentation von Biomasse.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Einleitung des Wasserstoffs in die Methanfermentation (4) in flüssigphasengebundener Form (6c) erfolgen kann.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Einleitung des Wasserstoffs in die Methanfermentation (4) im gasförmigen Zustand (6b) erfolgen kann.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass die mikrobiologischen Prozeßstabilität über einen laseroptischen IR-Sensor zur online-Messung von organischen Säuren und Trockensubstanzgehalt (TS-Wert) kontrolliert wird.