-
Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Energiegewinnung aus Biomasse,
insbesondere zur Erzeugung von Biogas aus Biomasse, nach dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1.
-
Weiter
betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Energiegewinnung aus
Biomasse, insbesondere einen Bioreaktor oder Fermenter zur Erzeugung
von Biogas aus Biomasse, gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 4.
-
Zudem
betrifft die Erfindung eine Biogasanlage zur Energiegewinnung und/oder
Energieversorgung aus Biomasse, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs
9.
-
Bekannt
sind Biogasanlagen zur Umwandlung von Rückständen aus Kläranlagen, zur Jaucheumwandlung
oder zur Umwandlung von angebauten Energiepflanzen. Diese Anlagen
sind großtechnischer
Natur und erfordern entsprechend ihrer Auslegung einen Mindesteinsatz
umzuwandelnder Biomasse von 200 Tonnen/Jahr und mehr. Das mit den
Biogasanlagen gemäß dem Stand
der Technik erzeugte Biogas dient dazu, Motoren anzutreiben, die
wiederum die von ihnen erzeugte Energie in elektrische und thermische
Netze speisen.
-
Aus
dem Stand der Technik ist für
die Gewinnung von Energie aus Biomasse ein sogenanntes Fed-Batch-Verfahren
oder ein Fed-Batch-Prozess bekannt.
-
Der
Fed-Batch-Prozess kommt hauptsächlich
in der Biotechnologie und Verfahrenstechnik zum Einsatz. Hierbei
wird mit einer gezielten Steuerung einer Eduktzufuhr die Erzeugung
der Produkte optimiert, um Nachteile, welche bei einer direkten
Zugabe einer maximalen notwendigen Menge an Edukten auftreten können, zu
vermeiden. Bei dem Fed-Batch-Prozess
handelt es sich um ein chemisch-biologisches Verfahren.
-
Hierbei
laufen alle Prozesse in einem Behälter ab. Dabei steht eine Steuerung
und Kontrolle der Abbauprozesse durch die Mikroorganismen im Vordergrund.
Ein erster Schritt des Fed-Batch-Prozesses dient dazu, eine Grundsubstanz
(Nährboden)
für die
späteren
Prozesse zu erzeugen. Der Fed-Batch-Prozess dient dabei vorwiegend
der Prozesskontrolle. In einem weiteren Schritt des Fed-Batch-Prozesses
wird kein weiteres Substrat zugeführt. Die Verweilzeit in diesem
Schritt ist nicht vorgegeben; der Schritt dient dem Abbau der Edukte.
Hierbei können
Schwankungen in der Gasentwicklung auftreten.
-
Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren
zur Energiegewinnung aus Biomasse, insbesondere zur Erzeugung von
Biogas aus Biomasse, zu schaffen, welche die Nachteile überwinden
und die insbesondere eine kontinuierliche Betriebsweise mit einer
einfachen, möglichst
schwankungsfreien Prozessführung
realisieren.
-
Weiter
liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Biogasanlage zur
Energiegewinnung und/oder Energieversorgung aus Biomasse zu schaffen,
welche einfach aufgebaut ist und eine kontinuierliche Gasentwicklung
bei einfacher Prozessführung
realisiert.
-
Erfindungsgemäß wird dies
durch die Gegenstände
mit den Merkmalen des Patentanspruches 1, des Patentanspruchs 4
und des Patentanspruchs 9 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
-
Das
erfindungsgemäße Verfahren
zur Energiegewinnung aus Biomasse, insbesondere zur Erzeugung von
Biogas aus Biomasse, umfassend die Schritte: Zuführen von Edukten, insbesondere
Biomasse, Umwandeln der Edukte in Produkte und Abführen der
Produkte, ist dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren nach einem
Speicher-Batch-Verfahren durchgeführt wird, bei dem die Schritte
Zuführen,
Umwandeln und Abführen der
festen und flüssigen
Produkte zumindest räumlich
getrennt durchgeführt
werden, und bei dem die gasförmigen
Produkte im Sinne eines quasikontinuierlichen Verfahrens während mindestens
zwei der vorgenannten Schritte abgeführt werden.
-
In
einer Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist vorgesehen, dass das Zuführen
zeitlich parallel zu einem Abführen
und/oder einem Umwandeln durchgeführt wird.
-
In
einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung ist vorgesehen, dass der Schritt Zuführen von
Edukten ds Zuführen
von unfermentierter Biomasse und das Zuführen eines fermentierten Biomasserestes
(Gärrestes)
aus einem nachgeordneten Schritt umfasst, um einen Fermentationsprozess
zu starten.
-
Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
zur Energiegewinnung aus Biomasse, insbesondere ein Bioreaktor oder
Fermenter zur Erzeugung von Biogas aus Biomasse, umfassend mindestens
eine Zuführeinrichtung, mindestens
eine Abführeinrichtung
und einen mit der Zuführeinrichtung
und der Abführeinrichtung
gekoppelten Fermenterraum zum Aufnehmen und Umwandeln von Biomasse,
ist dadurch gekennzeichnet, dass der Fermenterraum, die Zuführeinrichtung
und/oder die Abführeinrichtung
zumindest paarweise relativ zueinander bewegbar ausgebildet sind.
-
Bei
einer weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass der Fermenterraum
mindestens drei Kammern umfasst, welche jeweils wahlweise durch
eine Relativbewegung von Fermenterraum, Zuführeinrichtung und/oder Abführeinrichtung
zueinander mit der Zuführeinrichtung
und/oder der Abführeinrichtung
koppelbar sind.
-
In
noch einer weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass der Fermenterraum,
die Zuführeinrichtung
und/oder die Abführeinrichtung
rotatorisch und/oder translatorisch zueinander bewegbar ausgebildet
sind.
-
In
einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung ist vorgesehen, dass mindestens zwei der Kammern des
Fermenterraums in ihren oberen Bereichen gasführend miteinander in Verbindung
stehen. Das kann beispielsweise durch einen die oberen Kammerbereiche überwölbenden
gemeinsamen Raum oder aber auch durch eine leitungsgebundene Verbindung
realisiert sein. Dadurch ist gewährleistet,
dass das in den verschiedenen Kammern anfallende Biogas zusammen
abgeführt
werden kann.
-
Ein
Ausführungsbeispiel
der Vorrichtung sieht auch vor, dass die Kammern derart angeordnet
sind, dass, wenn eine der Kammern mit der Zuführeinrichtung gekoppelt ist,
eine andere der Kammern mit der Abführeinrichtung gekoppelt ist.
-
Die
erfindungsgemäße Biogasanlage
zur Energiegewinnung und/oder Energieversorgung aus Biomasse, ist
dadurch gekennzeichnet, dass eine erfindungsgemäße Vorrichtung vorgesehen ist.
-
Ein
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass ein gasdichtes System
vorgesehen ist.
-
Noch
ein weiteres Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass ein Überwachungs- und Sicherheitssystem
für zumindest
einen Druck im Fermenter, insbesondere im Fermenterraum, und/oder
in einem Gasspeicher vorgesehen ist.
-
Weiter
sieht ein anderes Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung vor, dass ein Wärmesystem zur Beheizung des
Fermenters, insbesondere der Fermenterräume, vorgesehen ist.
-
Noch
ein weiteres Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass mindestens eine Schnittstelle
zur Anbindung an ein Energienetz und/oder ein Wassernetz vorgesehen
ist.
-
Mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren,
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
und der erfindungsgemäßen Biogasanlage
werden insbesondere die folgenden Vorteile realisiert:
Durch
die vereinfachte Prozessführung
wird der benötigte
Eigenenergiebedarf der Anlage reduziert. Der Biogasentstehungsprozess
findet ohne Stofftransportvorgänge
jeweils in einer Fermenterkammer statt, wodurch die Anzahl der notwendigen
Aggregate, wie beispielsweise Transporteinrichtungen zwischen den
Kammern, Steuerungseinrichtungen und dergleichen, reduziert wird.
So wird auch der Strombedarf durch die Reduktion der Anzahl der
Aggregate verringert. Durch den Betrieb der Anlage auf einem relativ
niedrigen Temperaturniveau wird weniger Wärme für die Fermenterbeheizung benötigt. Die
erfindungsgemäße Anlage
verfügt
vorzugsweise über
eine integrierte Abreinigungseinrichtung, welche sich biologische
Abbauprozesse zu Nutzen macht, sodass keine externe, technische
Einrichtung zur Schwefelwasserstoffabtrennung erforderlich ist.
Dadurch ist der apparative Aufwand reduziert und es wird Energie
eingespart. Biologische Schwefelwasserstoffabtrennungseinrichtungen
werden beispielsweise erfolgreich in großen Biogasanlagen eingesetzt.
Durch die kompakte Bauweise der Anlage und die Reduktion der peripheren
Fermenteraggregate wird der Platzbedarf der Anlage reduziert. Dies
ist von besonderer Bedeutung, da ein bevorzugter Aufstellungsort
der häusliche Keller
ist. Durch eine erfindungsgemäße Neukonzeptionierung
der Biogasanlage wird eine deutliche Senkung der Investitions-,
Betriebs- und Wartungskosten erreicht, was einen wirtschaftlichen
Betrieb der Anlage gewährleistet.
-
Durch
eine gezielte Steuerung der Eduktzufuhr lässt sich die Erzeugung der
Produkte optimieren, da Nachteile, welche bei einer direkten Zugabe
der maximalen notwendigen Menge an Edukten auftreten können, vermieden
werden. Mit dem Speicher-Batch-Verfahren
sind ein einfacher Aufbau und eine kontinuierliche Gasentwicklung
realisierbar. Die Behälter
des Speicher-Batch-Verfahrens erfüllen unterschiedliche Aufgaben.
Der zu befüllende
Behälter
dient der Pufferung, Speicherung und Vergärung des Substrates. Eine konstante
Gasausbeute aus diesem Behälter
kann durch eine quasikontinuierliche Substratzufuhr erreicht werden.
Hierbei steht aber nicht die Steuerung und Kontrolle der Abbauprozesse
durch die Mikroorganismen im Vordergrund sondern die Homogenisierung
der Biogaserzeugung. Im Idealfall kann der Biogasanlage täglich Substrat
zugeführt
werden. Aber es können
auch größere Zeiträume ohne
Substratzufuhr überbrückt werden,
ohne den gesamten Prozess zu gefährden.
Ebenfalls ist es möglich
die Anlage mit mehr Substrat zu beaufschlagen, als die Mikroorganismen
momentan umsetzen können.
Auch hier bleibt der Prozess der Biogaserzeugung kontrollierbar.
-
Im
Speicher-Batch-Verfahren ist es nicht erforderlich, eine Grundsubstanz – zum Beispiel
einen Nährboden – für die späteren Prozesse
zu erzeugen. Der Fermentationsprozess wird bei der Befüllung durch
die Rückführung von
Gärresten
aus einer anderen Kammer gestartet. Beim Speicher-Batch-Verfahren
wird Substrat mit rückgeführten Gärresten
durchmischt und einer anderen Kammer zugegeben. Durch die regelmäßige Substratzugabe
wird ein gleichmäßiger Gasoutput
gewährleistet.
-
Beim
Speicher-Batch-Verfahren hat das Substrat in den von der Befüllungsphase
verschiedenen Phasen mindestens dieselbe Verweilzeit wie in der
Befüllungsphase.
Dadurch verlängern
beim Speicher-Batch-Verfahren diese anderen Phasen die Verweilzeit
und garantieren die Ausgärung
des Substrats. Somit werden beim Speicher-Batch-Verfahren Schwankungen der Gasentwicklung
möglichst
gering gehalten, was durch häufige,
möglichst
tägliche
Substratzufuhr erreicht wird. Des Weiteren verweilt das gesamte
Substrat möglichst
lange im Fermenter. Daher werden mehrere Behälter versetzt betrieben, um
eine längere
Verweilzeit garantieren zu können.
Außerdem
wird die Animpfung des frischen Substrats durch eine Gärrestrückführung realisiert,
sofern der Fermenter nicht gerührt
werden soll. Das wird im Speicher-Batch-Verfahren durch die Gärrestrückführung aus
einem hinteren Behälter
ermöglicht.
Das Speicher-Batch-Verfahren
benötigt
gegenüber
einem kleintechnisch genutzten Durchflussverfahren weniger Strom
und Platz. Zudem ist das Speicher-Batch-Verfahren speziell für die kleintechnische
Anwendung konzipiert.
-
Die
Zeichnungen stellen mehrere Ausführungsbeispiele
der Erfindung dar und zeigen in den Figuren:
-
1 schematisch
Stoff-, Gas- und Wärmeströme einer
Biogasanlage, die gemäß einem
Speicher-Batch-Verfahren betrieben wird,
-
2 schematisch
das Verfahrensprinzip des Speicher-Batch-Verfahrens in einem Fermenterraum mit
drei als Behältern
ausgebildeten Kammern in einer ersten Phase,
-
3 schematisch
das Verfahrensprinzip des Speicher-Batch-Verfahrens in einem Fermenterraum mit
drei als Behältern
ausgebildeten Kammern in einer zweiten Phase und
-
4 schematisch
das Verfahrensprinzip des Speicher-Batch-Verfahrens in einem Fermenterraum mit
drei als Behältern
ausgebildeten Kammern in einer dritten Phase.
-
1 zeigt
schematisch Stoff-, Gas- und Wärmeströme einer
Biogasanlage 10, die gemäß einem erfindungsgemäßen Speicher-Batch-Verfahren
betrieben wird. Die Biogasanlage 10 umfasst eine Vorrichtung 1 zur
Energiegewinnung aus Biomasse, die gemäß dem Ausführungsbeispiel nach 1 als
ein Bioreaktor oder ein Fermenter ausgebildet, zur Erzeugung von
Biogas aus Biomasse. Der Fermenter ist gemäß 1 als ein stehender
Zylinder ausgebildet, der in drei gleich große Kammern 4a–4c untereilt
ist, die zusammen den Fermenterraum bilden. In den Kammern 4a–4c laufen
unterschiedliche Phasen des Speicher-Batch-Verfahrens ab. Die Kammern 4a–4c sind,
wie schematisch durch einen Pfeil dargestellt, relativ zu einer
Zuführeinrichtung 2 und
einer Abführeinrichtung 3 rotierbar.
Eine Zugabe eines Substrats S in die Kammern 4a–4c erfolgt
gemäß dem Ausführungsbeispiel
nach 1 von oben und die Entnahme von unten. In dem
Fermenter ist eine Möglichkeit
zur Durchmischung des Substrats S in den Kammern 4a–4c vorgesehen.
Die Vorrichtung 1 umfasst mindestens eine Zuführeinrichtung 2,
die wiederum verschiedene Zuführeinheiten
aufweist. Eine erste Zuführeinheit 2a umfasst
eine Substrataufgabeeinheit, die bevorzugt einen Häcksler aufweist.
Die Aufgabe des Substrats S durch die Substrataufgabeeinheit erfolgt über einen
Aufgabetrichter, der das Substrat S in eine Mischeinrichtung 2b führt. In
der Mischeinrichtung 2b wird das Substrat S zerkleinert,
der Luftanteil im Substrat S verringert und ein rückgeführter Gärrest G
untergemischt. Über
eine Schnecke oder eine Kolbenpresse wird das Gemisch dem Fermenter,
genauer dem Fermenterraum 4 zugeführt. Das Substrat S wird dann
in eine erste Kammer 4a gefüllt, wobei die anderen Kammern 4b, 4c dicht
verschlossen bleiben. Über
einen Mechanismus lassen sich die Kammern 4a–4c öffnen und
verschließen.
Durch den Mechanismus ist sicher gestellt, dass auch während der
Substrataufgabe keine Luft in den Fermenter 1 eintritt
oder Gas aus dem Fermenter 1 austritt. Insbesondere ist
vor einer Fermenteraufgabe eine Vorrichtung vorgesehen, die die
noch verbleibende Luft aus dem Substrat S herauspresst. Beispielsweise
kann die Kolbenpresse zunächst
das Substrat S zusammenpressen, bevor sich eine Klappe zum Fermenter 1 öffnet und
der Eintrag in den Fermenter 1 erfolgt. Um alle Kammern 4a–4c mit
einer Presse beschicken zu können,
kann diese schwenkbar ausgeführt
sein oder die Öffnungen
der einzelnen Kammern 4a–4c werden dicht nebeneinander
angeordnet.
-
Eine
Abführeinheit 3 umfasst
eine erste Einheit, die als Gärrestrückführung 3a ausgebildet
ist. Die Entnahme des Gärrestes
G erfolgt an einem Fermenterboden. Mittels einer Schnecke wird ein
Teil des Gärrests G
zu der auch als Befüllungseinrichtung
bezeichneten ersten Zuführeinrichtung 2a geführt und
mit dem frischen Substrat S vermischt, beispielsweise über die
Mischeinrichtung 2b, dem Fermenter 1 wieder zugegeben.
-
Ein
Austrag des nicht zurückgeführten Gärrests G
erfolgt ebenfalls am Fermenterboden. Zunächst gelangt der nicht zurückgeführte Gärrest G
in eine von der Abführeinrichtung 3 umfasste
Entwässerungseinrichtung 3b,
in der der Gärrest
G mittels einer Presse entwässert
wird, etwa mit einer Schneckenpresse. Über eine Austragsöffnung wird
der Gärrest
G abgezogen und beispielsweise in einen Eimer gefüllt, um
ihn weiterzuverwerten. Die anfallende Flüssigkeit F kann als Flüssigdünger verwendet
werden, der feste Gärrest
Gf wird durch Mischung mit Strukturmaterial kompostiert oder über beispielsweise
eine Biotonne entsorgt.
-
Für eine Durchmischung
des Inhalts der einzelnen Fermenterkammern 4 ist eine Durchmischungseinheit
vorgesehen, um den Gärrest
G zu homogenisieren, bevor er rückgeführt oder
ausgetragen wird. Eine Durchmischung erfolgt beispielsweise über die
Schnecken zur Gärrestrückführung, indem
diese den Fermenterinhalt unten entnimmt und oben wieder zuführt und
somit den Gärrest
umwälzt.
-
Bei
dem Biogasanlagentyp gemäß dem Ausführungsbeispiel
nach 1 sind verschiedenste Aufgaben zu erfüllen. Für den reibungslosen
Ablauf wird bevorzugt eine Prozessüberwachung vorgesehen. Zusätzlich sind
weitere Mess- und Steuertechnikeinheiten vorgesehen. Die Messtechnikeinheiten
umfassen folgende Einheiten:
- • eine Einheit
zur Füllstandsmessung
in allen Behältern
oder Kammern 4a–4c,
die insbesondere analog ausgeführt
ist und eine Ableseeinheit aufweist,
- • eine
Einheit zur Volumenmessung und/oder Gewichtsmessung des dem Fermenter 1 zugeführten Substrats
S und/oder des ausgetragenen und rückgeführten Gärrests G,
- • eine
Einheit zur Messung der gebildeten Gasmenge,
- • eine
Einheit zur Messung des Sauerstoffgehalts des Biogases,
- • eine
Einheit zur Temperaturmessung im Fermenter 1,
- • eine
Einheit zur Messung des Füllstands
im Gasspeicher und
- • eine
Einheit zur pH-Wert-Messung im Fermenter 1.
-
In
Beziehung mit der oben genannten Messtechnik erfolgt eine Steuerung
der Biogasanlage 10. Die Steuerung umfasst bevorzugt folgende
Einheiten:
- • eine
Einheit zur durchflussabhängigen
Zudosierung von Mineralstoffen zum zugeführten Substrat S,
- • eine
Einheit zum Einblasen von Luft für
die Entschwefelung in Abhängigkeit
der entstehenden Biogasmenge und des Sauerstoffgehalts,
- • eine
Einheit zur Verbrennung des Biogases, wenn sich Füllstand
des Gasspeichers dem maximal zulässigen
Wert nähert
und
- • eine
Einheit zum Halten der Fermentertemperatur über ein Thermostat.
-
Die
Substratzugabe zum Fermenter 1 erfolgt durch einen Bediener.
In einem Steuerprogramm „Substratzufuhr” laufen
die notwendigen Einrichtungen, Einheiten und Aggregate an und die
Zufuhr kann erfolgen. Die Füllmengenüberwachung
kann ebenfalls durch den Bediener erfolgen, beispielsweise anhand
von Anzeigen.
-
Die
Biogasanlage 10 nach 1 erfordert
nicht zwingend ein Substrat- oder Gärrestlager, da eine Lagerung
im Fermenter 1 erfolgt. Eine Beschickung und Steuerung
kann vom Bediener selbst durchgeführt werden. Die zugegebene
Substratmenge muss nicht konstant sein, jedoch ist in diesem Fall
auch die resultierende Gasmenge nicht konstant. Durch den erfindungsgemäßen Aufbau
können
alle Wartungsarbeiten von außen durchgeführt werden.
-
Weiter
umfasst die Biogasanlage 10 eine Wärmeversorgungseinrichtung,
welche sowohl Einheiten 2 für eine Zuführung und Einheiten für eine Abführung 3 umfasst.
Eine Beheizung des Fermenters 1 erfolgt bei dem in 1 beispielhaft
dargestellten System über
in einer Fermenterwand verlegte Heizschläuche. Die benötigte Wärme wird
einem Warmwasserspeicher oder einem Heizungsrücklauf entnommen. Alternativ
oder in Kombination ist auch die Nutzung eines Restwärmepotenzials
aus zum Beispiel häuslichem
Abwasser von Duschen etc. möglich.
Das Substrat S kann zusätzlich
während der
Mischung mit Gärrest
G in der Mischeinrichtung 2b vorgewärmt werden. Über einen
Thermostat lässt
sich die Temperatur im Fermenter 1 regeln, die möglichst
stabil bei 35°C
liegen sollte.
-
Da
in der Biogasanlage 10 Gas transportiert wird, ist ein
gasführendes
System erforderlich. Das gasführende
System einer beispielweise kleintechnischen Biogasanlage 10 muss
zwingend gasdicht sein. Nachfolgend werden notwendige Einrichtungen
der Biogasanlage 10 beschrieben.
-
Es
werden Gasleitungen vom Fermenter 1 und dem eventuell vorhandenen
Gärrestlager
zum Gasspeicher 6 und zur Therme 7 benötigt. Die
Gasleitungen werden mit Rückschlagsicherungen
ausgestattet. In den Gasleitungen sind Überdruckventile angebracht.
Wenn der Druck im Fermenter 1 einen festgelegten Wert erreicht, öffnen die
Ventile sich und Gas strömt
in den Gasspeicher 6 oder wird direkt verbrannt.
-
Zudem
ist eine Gasaufbereitung vorgesehen. Vor der Verbrennung des Biogases
in herkömmlichen Brennern
muss es aufbereitet werden. Die erforderlichen Schritte Entschwefelung
und Trocknung werden nachfolgend beschrieben.
-
Die
Entschwefelung erfolgt über
eine Entschwefelungseinrichtung 2d. Die Entschwefelung
wird beispielsweise über
Eindüsung
von geringen Luftmengen in den Gasraum des Fermenters 1 oder
in das Gärrestlager
oder über
eine gesonderte Reinigungsstufe durchgeführt. Für die Eindüsung der Luft zur biologischen Entschwefelung
wird der Sauerstoffgehalt des Biogases oder zumindest die Menge
des entstehenden Biogases gemessen. Über die Steuerung wird die
benötigte
Luftmenge dosiert. Es sind Flächen
für die
Siedlung der Schwefelbakterien, beispielsweise ein Holzgerüst, vorgesehen
und optional ist eine Befeuchtungseinrichtung vorzusehen.
-
Weiter
ist eine Gastrocknungseinheit vorgesehen. Die Gastrocknung ist notwendig
und erfolgt nach der Entschwefelung. Das Gas wird durch eine Kondensationsfalle
geleitet, in der Wasser ausfällt.
Das Kondensat wird in die Kanalisation abgeleitet. Es kann leicht
schwefelsauer sein.
-
Zudem
ist ein Gasspeicher 6 vorgesehen, der auch als Gaspufferspeicher
ausgebildet ist. Er ist bevorzugt so ausgelegt, dass mindestens
die Biogasmenge eines Tages gespeichert werden kann. Der Gasspeicher 6 kann
als einfacher Gasspeicher ausgebildet sein. Der einfache Gasspeicher
wird drucklos ausgeführt,
das heißt,
im Gasspeicher 6 stellt sich der Gasdruck des Fermenters 1 ein.
Um den Druck unabhängig
vom Füllstand
stabil zu halten, befindet sich im Inneren des festen Speicherbehälters ein
Folienspeicher. Darüber
lässt sich
der Füllstand
im Gasspeicher 6 bestimmen. Um die Sicherheit zu erhöhen, wird
die äußere Hülle des
Gasspeichers 6 aus einem festen Material wie Stahl ausgeführt. Sicherheitsventile
sind vorgesehen, um einen Explosionsschutz zu gewährleisten.
-
Der
Gasspeicher 6 kann auch als Gasspeicher mit Kompressor
ausgebildet sein. Zur Reduktion des benötigten Speichervolumens kann
beispielsweise ein Druckspeicher eingesetzt werden. Dafür wird ein
Kompressor benötigt
und der Speicher muss für
das höhere
Druckniveau aufwendiger ausgeführt
sein. Die Sicherheitsanforderungen steigen damit an.
-
Entsprechend
sind Sicherheitseinrichtungen vorgesehen.
-
Die
Sicherheitseinrichtungen können über eine
Verbrennung des Gases über
die Therme 7 realisiert sein. Es wird damit sicher gestellt,
dass das entstehende Gas immer über
die Therme 7 verbrannt werden kann. Ist der Gaspeicher 6 bis
zu einem bestimmten Grad gefüllt,
springt die Therme 7 an und ein Teil des Gases wird zur
Erwärmung
eines Warmwasserspeichers verbrannt. Wird dieser zu heiß, muss
Wärme verworfen werden,
indem ein Teil des Warmwassers aus dem Speicher durch Frischwasser
ersetzt wird.
-
Zudem
sind Gassensoren vorgesehen. Im die Biogasanlage 10 umgebenden
Raum werden Gassensoren installiert, die die Durchlüftung des
umgebenden Raumes oder die Absaugung des Gases auslösen können.
-
Der
Fermenterraum 4, die Zuführeinrichtung 2 und/oder
die Abführeinrichtung 3 sind
zumindest paarweise relativ zueinander bewegbar ausgebildet, wobei
auch einzelne Einheiten der Zuführeinrichtung 2 oder der
Abführeinrichtung 3 relativ
bewegbar ausgebildet sein können.
-
Anhand
der nachfolgenden 2 bis 4 ist das
Funktionsprinzip der vorliegenden Erfindung beschrieben. Dabei zeigt 2 schematisch
das Verfahrensprinzip des Speicher-Batch-Verfahrens in einem Fermenterraum
mit drei als Behältern
ausgebildeten Kammern in einer ersten Phase, 3 schematisch
das Verfahrensprinzip des Speicher-Batch-Verfahrens in einem Fermenterraum
mit drei als Behältern
ausgebildeten Kammern in einer zweiten Phase und 4 schematisch
das Verfahrensprinzip des Speicher-Batch-Verfahrens in einem Fermenterraum mit
drei als Behältern
ausgebildeten Kammern in einer dritten Phase.
-
Die
Biogasanlage
10 umfasst ein aus mindestens drei Kammern
4a bis
4c bestehenden
Fermenter
1. Während
eine der Kammern
4a über
mehrere Tage befüllt
wird, befindet sich die zweite Kammer
4b in der Hauptgärphase und
aus der dritten Kammer
4c wird der Gärrest zum Animpfen des frischen
Substrats S entnommen. In der nachfolgenden Tabelle sind beispielhafte
Verweilzeiten in den verschiedenen Stufen oder Phasen dargestellt.
| Wechselryhthmus | Verweilzeit
des Substrats in Tagen pro Phase | Gesamtverweilzeit |
| | | Phase
1 | Phase
2 | Phase
3 | | Durchschnitt |
| 14
tägig | Min | 0
Tage | 14
Tage | 14
Tage | 28
Tage | 35 Tage |
| | Max | 14
Tage | 14
Tage | 14
Tage | 42
Tage |
| 20
tägig | Min | 0
Tage | 20
Tage | 20
Tage | 40
Tage | 50 Tage |
| | Max | 20
Tage | 20
Tage | 20
Tage | 60
Tage |
-
Wird
beispielsweise ein Wechselrhythmus von 14 Tagen gewählt, beginnt
in jedem Behälter
oder jeder Kammer 4 nach 14 Tagen die nächste Phase. Die Gesamtverweilzeit
bei einem 14-tägigen
Wechselrhythmus liegt bei mindestens 28 Tagen, in dieser Zeit würde ein
ausreichender Abbaugrad erreicht werden. Bei einer Verweilzeit von
20 Tagen in jeder Phase erreicht man bereits mindestens 40 Tage
bis zum Austrag.
-
In
der nachfolgenden Tabelle 2 ist der Ablauf der Phasen dargestellt.
| Behälter | Phase
1 | Phase
2 | Phase
3 |
| 4a | Befüllen | Gären | Entleeren |
| 4b | Gären | Entleeren | Befüllen |
| 4c | Entleeren | Befüllen | Gären |
-
Zunächst wird
eine Kammer 4a oder ein Behälter zwei Wochen lang mit Substrat
S befüllt,
wie in 2 dargestellt. Die Zugabe der Substrate S erfolgt
unter Beimischung von Gärresten
aus der Kammer 4c über
eine luftdichte Fördereinrichtung,
um keine Luft in den Behälter 4a einzutragen.
Sobald das Substrat S mit den Bakterien aus dem Gärrest in
Berührung
kommt, beginnt die Gärung.
Während
der Befüllungsphase
findet daher schon eine Methanentwicklung statt. Die Verweilzeit
der Substrate S in dieser Phase liegt zwischen 0 und 14 Tagen, anschließend werden
keine weiteren Substrate S mehr zugegeben und der Fermenterinhalt
gärt weiter, wie
in 3 dargestellt. Während dessen wird Behälter 4c mit
frischem Substrat und Gärresten
aus Behälter 4b beschickt.
Erfindungsgemäß werden
die Kammern 4a–4c relativ
zu den Zuführ-
und Abführeinrichtungen bewegt.
In der letzen Phase, die in 4 dargestellt
ist, wird Behälter 4a nach
und nach entleert, indem sein Inhalt, mit frischem Substrat vermischt,
in Behälter 4b eingebracht
wird. Der nach 14 Tagen Gärrestrückführung noch
in Behälter 4a übrige Gärrest G
wird wiederum entnommen und weiter verwertet. Die Verweilzeit in der
letzen Phase sind daher auch 14 Tage, sodass sich eine Gesamtverweilzeit
von mindestens 28 Tagen ergibt. Die tatsächlich nach 28 Tagen ausgetragene
Gärrestmenge
entspricht der zuletzt in den Behälter eingebrachten Substratmenge,
also nur der Zufuhr eines Tages. Der übrige Gärrest G ist bis zu 14 Tage älter. Bei 25%
Gärrestrückführung würden die
unteren 25% des Gärrests
G zurückgeführt. Der
schließlich
ausgetragene Gärrest
G befände
sich zum Zeitpunkt des Austrages schon 28 bis 38 Tage im Fermenter.
Mit Hilfe der Kombination von Speicher- und Batch-Verfahren lässt sich
das benötigte
Volumen im Vergleich zum herkömmlichen
Batch-Verfahren verringern, da kein Substratlager notwendig ist
und auf ein Gärrestlager
verzichtet werden kann. Die Zahl der benötigten Aggregate lassen sich
im Vergleich zum kontinuierlichen Durchflussverfahren reduzieren.
-
Mit
dem erfindungsgemäßen, in
den Figuren dargstellten, Verfahren zur Energiegewinnung aus Biomasse,
insbesondere zur Erzeugung von Biogas aus Biomasse, werden die Schritte
Zuführen
von Edukten, insbesondere Biomasse, Umwandeln der Edukte in Produkte
und Abführen
der Produkte duchgeführt.
Dabei wird das Verfahren nach dem Speicher-Batch-Verfahren derart
durchgeführt,
dass die Schritte Zuführen,
Umwandeln und Abführen
zumindest räumlich
getrennt durchgeführt
werden, um ein quasikontinuierliches Verfahren zu realisieren. Entsprechend
sind für
jeden Verfahrensschrit separate Kammern 4a–4c vorgesehen.
So kann jede Phase – Zuführen, Umwandeln
und Abführen – in einer
unterschiedlichen Kammer, also räumlich getrennt
voneinander, durchgeführt
werden.