DE102008015240B4

DE102008015240B4 - Kombinierte Anlage zur Erzeugung von Biogas und Kompost sowie Verfahren zum Umschalten eines Fermenters in einer solchen Anlage zwischen Biogaserzeugung und Kompostierung

Info

Publication number: DE102008015240B4
Application number: DE200810015240
Authority: DE
Inventors: Peter Lutz
Original assignee: Bekon Energy Technologies GmbH and Co KG
Current assignee: Bekon Energy Technologies GmbH and Co KG
Priority date: 2008-03-20
Filing date: 2008-03-20
Publication date: 2010-05-20
Anticipated expiration: 2028-03-21
Also published as: PL2103681T3; EP2103681A2; DE102008015240A1; CN101538176A; US20090239209A1; EP2103681A3; BRPI0900889A2; ES2447943T3; US8440437B2; JP2009256194A; CN101538176B; EA015484B1; EA200900331A1; EP2103681B1

Abstract

Kombinierte Anlage zur Erzeugung von Biogas und Kompost, mit wenigstens einem nach dem Prinzip der Trockenfermentation arbeitenden Fermenter (2) zur Erzeugung von Biogas im Batch-Betrieb mit einer Bodenplatte, in der Spülgaskanäle (52) vorgesehen sind, einem Biogasauslass (8), einem ersten Spülgaseinlass (24) und einem zweiten Spülgaseinlass (25), der mit den Spülgaskanälen (52) verbunden ist;
einer Biogasleitung (12) die mit dem Biogasauslass (8) verbindbar ist;
einer Abgasleitung (26) mittels der kohlendioxidhaltiges Abgas dem wenigstens einen Spülgaseinlass (24, 25) zuführbar ist;
einem Abgaskamin (20), der über eine erste Biogas/Abgas-Leitung (14) mit dem Biogasauslass (8) verbindbar ist;
einer Abgasfackel (22), die über eine zweite Biogas/Abgas-Leitung (16) mit dem Biogasauslass (8) verbindbar ist;
einer Frischluftleitung (28), die mit dem wenigstens einen Spülgaseinlass (24, 25) verbindbar ist;
einer Steuereinrichtung (30) zur Verbindung des Biogasauslasses (8) mit der Biogasleitung (12) oder mit dem Bioabgaskamin (20) über die erste Biogas/Abgas-Leitung (14) oder...

Description

Die Erfindung betrifft eine kombinierte Anlage zur Erzeugung von Biogas und Kompost aus Biomasse mit wenigstens einem Fermenter nach dem Prinzip der Trockenfermentation gemäß Anspruch 1, sowie ein Verfahren zum Umschalten eines Fermenters in einer solchen Anlage zwischen Biogaserzeugung und Kompostierung gemäß Anspruch 12.
Die so genannte ”Trockenfermentation” erlaubt es, schüttfähige Biomassen aus der Landwirtschaft, aus Bioabfällen und kommunalen Pflegeflächen zu methanisieren, ohne die Materialien in ein pumpfähiges, flüssiges Substrat zu überführen. Es können Biomassen mit bis zu 50% Trockensubstanzanteil vergoren werden. Dieses Trockenfermentationsverfahren ist beispielsweise in der EP 0 934 998 A2 beschrieben.
Bei der ”trockenen” Vergärung wird das zu vergärende Material nicht in eine flüssige Phase eingerührt, wie das zum Beispiel bei der Flüssigvergärung von Bioabfällen der Fall ist. Stattdessen wird das in den Fermenter eingebrachte Gärsubstrat ständig feucht gehalten, indem das Perkolat am Fermenterboden abgezogen und über der Biomasse wieder versprüht wird. So werden optimale Lebensbedingungen für die Bakterien erreicht. Bei der Rezirkulation des Perkolats kann zusätzlich die Temperatur reguliert werden, und es besteht die Möglichkeit, Zusatzstoffe für eine Prozessoptimierung zuzugeben.
Aus der WO 02/06439 A2 ist ein Bioreaktor bzw. Fermenter in Form einer Fertiggarage bekannt, der nach dem Prinzip der Trockenfermentation im so genannten Batch-Verfahren betrieben wird. Hierbei wird nach einer Animpfung mit bereits vergorenem Material das Gärsubstrat mit Radladern in den Fermenter gefüllt. Der garagenförmig aufgebaute Gärbehälter wird mit einem gasdichten Tor verschlossen. Die Biomasse wird unter Luftabschluss vergoren, dabei erfolgt keine weitere Durchmischung und es wird kein zusätzliches Material zugeführt. Das aus dem Gärgut sickernde Perkolat wird über eine Drainagerinne abgezogen, in einem Tank zwischengespeichert und zur Befeuchtung wieder über dem Gärsubstrat versprüht. Der Gärprozess findet im mesophilen Temperaturbereich bei 34–37°C statt, die Temperierung erfolgt mittels einer Boden- und Wandheizung. Beim Überschreiten eines Schwellwertes für den Sauerstoffpartialdruck wird die Entnahme von Biogas durch die Biogasleitung gestoppt und der Fermenter wird mit Kohlendioxid geflutet, um die Explosionsgefahr zu reduzieren.
Das entstehende Biogas kann in einem Blockheizkraftwerk zur Gewinnung von Strom und Wärme genutzt werden. Damit immer genug Biogas für das Blockheizkraftwerk zur Verfügung steht, werden in der Trockenfermentationsanlage mehrere Gärbehälter zeitlich versetzt betrieben. Am Ende der Verweilzeit wird der Fermenterraum vollständig entleert und dann neu befüllt. Das vergorene Substrat wird anschließend einer Kompostierung zugeführt, so dass ein konventionellen Komposten vergleichbarer organischer Dünger entsteht.
Bedingt durch den Batch-Betrieb müssen die einzelnen Fermenter von Zeit zu Zeit, d. h. nachdem die in dem Fermenter befindliche Biomasse vollständig anaerob umgesetzt ist, abgeschaltet werden, d. h. die Biogasproduktion muss gestoppt, die vergorene Biomasse aus dem jeweiligen Fermenter entnommen, frische Biomasse in den Fermenter eingefüllt und die Biogasproduktion wieder aufgenommen werden. Nachteilig hierbei ist, dass aus sicherheitstechnischen Gründen verhindert werden muss, dass während des Ent- und Beladens der einzelnen Fermenter ein explosives Biogas/Luft-Gemisch entsteht.
Hierzu ist es aus der EP 1301583 B1 bekannt, einen laufenden Fermenter im Falle von Explosionsgefahr, d. h. wenn Luft in den Fermenter eingedrungen ist, mit kohlendioxidhaltigem Abgas aus dem mit Biogas betriebenen Blockheizkraftwerk zu fluten. Anschließend kann die vergorene Biomasse gefahrlos aus dem Fermenter entfernt und einer Kompostieranlage zugeführt werden.
Die EP 1 997 875 A1 beschreibt eine Biogasanlage zur Erzeugung von Biogas aus Biomasse. Vor dem Öffnen des Fermenters zum Entladen der vergorenen Biomasse wird der Fermenter über einen Spülgaseinlass mit kohlendioxidhaltigem Abgas geflutet. Während dessen wird das Biogas/Abgas-Gemisch so lange dem Verbraucher zugeführt, bis die Methankonzentration unter einen bestimmten Grad absinkt. Unterhalb dieses Grenzwertes wird das Biogas/Abgas-Gemisch über einen Abgaskamin bzw. eine Abgasfackel abgelassen.
Die DE 203 19 847 U1 offenbart einen Fermenter zur Erzeugung von Biogas aus Biomasse mittels Trockenfermentation. Mit dem über eine Biogasleitung entnommenen Biogas wird in einem Biogasverbraucher elektrische Energie erzeugt. Nach der Verweilzeit wird die vergorene Biomasse einer Nachkompostierung zugeführt.
Die EP 1 681 274 A2 offenbart einen Fermenter, in dem Biomasse auf einem flüssigkeitsdurchlässigen Boden gelagert wird. Die Biomasse kann dabei über Rohrleitungen befeuchtet werden. Um die Explosionsgefahr durch Bildung einer Methangasmischung beim Öffnen des Fermenters zu reduzieren, kann dem Fermenter mittels einer von oben in den Fermenter führenden Spülleitung ein Spülgas zugeführt werden.
Die DE 34 38 057 A1 offenbart ein Verfahren zur Aufbereitung von Biomasse, das aus einer ersten Phase zur Züchtung anaerober Bakterien zur Erzeugung von Methan in einem ersten Fermenter und aus einer zweiten Phase zur Züchtung aerober Bakterien zur Erzeugung von Kompost in einem zweiten Fermenter besteht.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Biogasanlage, wie sie aus der EP 1 997 875 A1 bekannt ist, derart weiter zu bilden, dass sich die Nachkompostierung der verbrauchten Biomasse vereinfacht.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 12.
Dadurch, dass die verbrauchte Biomasse im Fermenter durch Umschalten von anaerober Vergärung auf aerobe Kompostierung kompostiert wird, erübrigt sich das Umsetzen der verbrauchten Biomasse in einen separaten Komposter. Die kombinierte Anlage nach Anspruch 1 umfasst die notwendigen Komponenten um ein sicheres Umschalten, Abschalten und Entladen und ebenso ein sicheres Anfahren eines Fermenters zu ermöglichen. Der erfindungsgemäße Fermenter ist so gestaltet, dass der gesamte Fermentierungsprozess, der sich aus einer anaeroben Vergärung und einer aeroben Kompostierung zusammensetzt, in ihm ablaufen kann, bevor eine Entnahme der verbrauchten Biomasse und eine erneute Beladung des Fermenters mit frischer Biomasse vorgenommen werden muss. Um die anschließende Kompostierung zu ermöglichen, umfasst der Fermenter eine Bodenplatte, in der Spülgaskanäle vorgesehen sind, die mit einem weiteren Spülgaseinlass verbunden sind.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 10 mündet im Bereich über der Biomasse in den Fermenter ein erster Spülgaseinlass.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 11 sind die Spülgaskanäle zur Abführung von aus der Biomasse während der Erzeugung von Biogas austretenden Sickerflüssigkeiten ausgelegt.
Durch die Maßnahmen nach Anspruch 12 wird die Biogasproduktion und – verwertung auch während des Beendens des Gärprozesses durch Spülen mit kohlendioxidhaltigem Abgas solange wie möglich aufrecht erhalten, d. h. das Biogas/Abgas-Gemisch des Fermenters wird solange weiter dem Biogasverbraucher zugeführt, bis die Qualität dieses Gemisches unter einen vorbestimmten Grad abnimmt, bevor dann der Fermenter zur Kompostierung der darin enthaltenen vergorenen Biomasse umgeschaltet wird. Erst wenn die Methankonzentration im Biogasauslass unter einen oberen Grenzwert absinkt, wird die zum Biogasverbraucher führende Biogasleitung von dem Biogasauslass getrennt. Danach wird das nur noch wenig Methan enthaltende Biogas/Abgas-Gemisch über einen Abluftkamin abgeführt. Dies erfolgt solange, bis die Methankonzentration auf einen unteren Grenzwert abgesunken ist, bei dem nahezu kein Methan mehr in dem Biogas/Abgas-Gemisch enthalten ist. Danach wird der Fermenter statt mit kohlendioxidhaltigem Abgas mit Frischluft gespült, und das Abgas/Biogas/Frischluft-Gemisch wird solange über den Abluftkamin abgeführt, bis die Kohlendioxidkonzentration in dem Abgas/Biogas/Frischluft-Gemisch auf einen ersten Grenzwert abgesunken ist. Erst dann wird der Fermenter zur Kompostierung umgeschaltet. Nach Beenden des Kompostierungsvorgangs kann der Fermenter geöffnet werden, um die verbrauchte Biomasse zu entladen und den Fermenter erneut mit frischer Biomasse zu beladen. Durch die sich an die Vergärung anschließende Kompostierung ist das Öffnen zum Ent- und erneuten Beladen des Fermenters gefahrlos möglich.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 13 wird das Biogas/Abgas-Gemisch bei Erreichen des oberen Grenzwertes der Methankonzentration nicht über den Abluftkamin an die Umwelt abgegeben, sondern einer Abgasfackel zugeführt und dort abgefackelt. Gegebenfalls kann die Abgasfackel mit zusätzlichem Brennstoff versorgt werden, so dass in jedem Fall eine Verbrennung statt findet. Das Abfackeln des Biogas/Abgas-Gemisches erfolgt solange, bis die Methankonzentration in dem Biogas/Abgas-Gemisch einen mittleren Grenzwert unterschreitet, der zwischen dem oberen und dem unteren Grenzwert liegt.
Gemäß bevorzugten Ausgestaltungen der Erfindung nach den Ansprüchen 14 und 15 wird der Kompostiervorgang durch Einstellen der Menge und/oder der Temperatur der über die Frischluftleitung zugeführten Frischluft gesteuert, um so ein optimales Prozessmilieu zu erreichen.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 16 werden die aus dem Fermenter abgeführten Gasgemische gefiltert. Durch die Filterung werden die Verbraucher möglicherweise schädigende Substanzen weitestgehend beseitigt, welche zum Beispiel zu Verstopfungen von Ventilen führen könnten.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 17 und 18 wird sicher verhindert, dass beim Anfahren ein explosives Biogas/Luft-Gemisch entsteht.
Das Aufschalten dieses wieder angefahrenen Fermenters auf die Biogasleitung erfolgt bei einem vierten Grenzwert der Methankonzentration, der gleich dem oberen Grenzwert ist – Anspruch 19.
Das Abgas zur Spülung des Fermenters wird beispielsweise von einer Verbrennungskraftmaschine bereit gestellt – Anspruch 20.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung nach Anspruch 21 wird das kohlendioxidhaltige Abgas aus einer dem wenigstens einen Fermenter nachgeschalteten Biogasaufbereitungseinrichtung bereitgestellt.
Die übrigen Unteransprüche beziehen sich auf vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung zeigt die nachfolgende Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen anhand der Zeichnungen:
Es zeigt:
1 bis 7 schematische Darstellungen verschiedener Betriebszustände während des Beendens des Gärungsprozesses in einem Fermenter einer kombinierten Anlage und während des (wieder) Anfahrens des Fermenters gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
8 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der Erfindung mit einem Fermenter;
9 bis 15 schematische Darstellungen verschiedener Betriebszustände einer kombinierten Anlage mit drei Fermentern während des Beendens des Gärungsprozesses in einem Fermenter einer kombinierten Anlage und während des (wieder) Anfahrens eines Fermenters;
16 eine 1 entsprechende Darstellung einer dritten Ausführungsform der Erfindung mit Abgas- bzw. Frischluftzufuhr aus der Bodenplatte des Fermenters;
17A eine Aufsicht auf die Bodenplatte des Fermenters gemäß der Ausführungsform nach 16 mit Spülgaskanälen;
17B eine Schnittdarstellung entlang der Line B-B in 17A mit Querkanal und den Spülgaskanälen; und
17C eine Schnittdarstellung entlang der Line C-C in 17A mit den Spülgaskanälen.
Die 1 bis 7 zeigen eine erste Ausführungsform einer kombinierten Anlage gemäß der vorliegenden Erfindung mit einem einzelnen Fermenter 2. Der Fermenter 2 ist quaderförmig und besitzt in etwa den Aufbau einer Fertiggarage. Über eine Be- und Entladeöffnung 4, die sich über eine der Stirnseiten des quaderförmigen Fermenters 2 erstreckt, lässt sich Biomasse 6 mittels eines Radladers in den Fermenter 2 einfüllen und wieder entnehmen. Hinsichtlich des genauen Aufbaus des Fermenters 2 wird auf die WO 02/06439 verwiesen.
Der Fermenter 2 umfasst weiter einen Biogasauslass 8, der über Ventile 10 mit einer Biogasleitung 12, einer ersten Biogas/Abgas-Leitung 14 und einer zweiten Biogas/Abgas-Leitung 16 verbindbar ist. Die Biogasleitung 12 führt zu einem Blockheizkraftwerk 18 als Biogasverwertungseinrichtung. Die erste Biogas/Abgas-Leitung 14 führt zu einem Bioabgaskamin 20. Die zweite Biogas/Abgas-Leitung 16 führt zu einer Abgasfackel 22. Weiter umfasst der Fermenter 2 einen Spülgaseinlass 24, der über Ventile 10 mit einer Abgasleitung 26 oder einer Frischluftleitung 28 verbindbar ist. In der Abgasleitung 26 ist ein Abgasgebläse 27 angeordnet, mittels dessen Abgas in den Fermenter 2 gepumpt werden kann. In der Frischluftleitung 28 ist ein Frischluftgebläse 29 zum Ansaugen von Frischluft aus der Umgebung angeordnet. Über die Abgasleitung 26 wird kohlendioxidhaltiges Abgas als Spülgas und über die Frischluftleitung 28 Frischluft in den Fermenter 2 geführt.
Die Ventile 10 sind mit einer Steuereinrichtung 30 verbunden und werden durch die Steuereinrichtung 30 geöffnet oder geschlossen. Die Steuereinrichtung 30 ist auch mit einem ersten Messfühler 32 verbunden, der im Biogasauslass 8 angeordnet ist und die Methankonzentration in dem jeweiligen Gasgemisch erfasst. Die Steuereinrichtung 30 ist weiter mit einem zweiten Messfühler 34 verbunden, der ebenfalls im Biogasauslass 8 angeordnet ist und die Kohlendioxidkonzentration in dem jeweiligen Gasgemisch erfasst. Die Steuereinrichtung 30 ist auch mit einem dritten Messfühler 36 verbunden, der im Biogasauslass 8 angeordnet ist und den Gasvolumenstrom in dem Biogasauslass erfasst. Über ein in dem Biogasauslass angeordnetes Gebläse 38 kann der Abzug von Gas aus dem Fermenter 2 gegebenenfalls unterstützt werden.
In den 1 bis 7 sind verschieden Phasen des Beendens des Gärungsprozesses in dem Fermenter 2 und des Anfahrens des Fermenters 2 dargestellt, wobei aktive Leitungen und Stellungen von Komponenten durchgezogen dargestellt sind, während nicht-aktive bzw. abgesperrte Leitungen und Stellungen von Komponenten strichliert dargestellt sind. Erfindungsgemäß folgt direkt im Anschluss an den Gärungsprozess die aerobe Umsetzung der vergorenen Biomasse in demselben Fermenter, in dem dieser in geeigneter Weise zur Kompostierung umgeschaltet wird, bevor dann der Fermenter geöffnet, entladen, neu beladen und wieder angefahren wird.
1 zeigt die erste Phase des Beendens des Gärungsprozesses in dem Fermenter 2, in der kohlendioxidhaltiges Abgas über die Abgasleitung 26 und den Spülgaseinlass 24 in das Innere des Fermenters 2 gepumpt wird. Der Biogasauslass 8 ist nach wie vor mit der Biogasleitung 12 verbunden, so dass das Biogas/Abgas-Gemisch weiter dem BHKW 18 zugeführt wird.
Erst wenn die durch den ersten Messfühler 32 in dem Biogasauslass 8 erfasste Methankonzentration unter einen oberen Grenzwert abgesunken ist, wird in einer zweiten Phase durch die Steuereinrichtung 30 das Ventil 10 in der Biogasleitung 12 geschlossen und das Ventil 10 in der zweiten Biogas/Abgas-Leitung 16 geöffnet, wie dies in 2 dargestellt ist. In dieser zweiten Phase des Beendens des Gärungsprozesses in dem Fermenter 2 wird das Biogas/Abgas-Gemisch in der Abgasfackel 22 verbrannt. Gegebenenfalls kann dieser Verbrennungsprozess durch Zugabe von zusätzlichem Brennstoff unterstützt werden.
Wenn die durch den ersten Messfühler 32 in dem Biogasauslass 8 erfasste Methankonzentration unter einen mittleren Grenzwert abgesunken ist, wird in einer dritten Phase durch die Steuereinrichtung 30 das Ventil 10 in der zweiten Biogas/Abgas-Leitung 16 geschlossen und das Ventil 10 in der ersten Biogas/Abgas-Leitung 14 geöffnet, wie dies in 3 dargestellt ist. In dieser dritten Phase des Beendens des Gärungsprozesses in dem Fermenter 2 wird das Biogas/Abgas-Gemisch über den Abgaskamin 20 an die Umgebung abgegeben.
Wenn die durch den ersten Messfühler 32 in dem Biogasauslass 8 erfasste Methankonzentration unter einen unteren Grenzwert abgesunken ist, wird in einer vierten Phase durch die Steuereinrichtung 30 das Ventil 10 in der Abgasleitung 26 geschlossen und das Ventil 10 in der Frischluftleitung 28 geöffnet, wie dies in 4 dargestellt ist. In dieser vierten Phase des Beendens des Gärungsprozesses in dem Fermenter 2 wird über die Frischluftleitung 28 und den Spülgaseinlass 24 Frischluft in den Fermenter 2 gepumpt. Das Abgas/Luft-Gemisch wird weiter über den Biogasauslass 8 und die erste Biogas/Abgas-Leitung 14 in dem Abgaskamin 20 an die Umgebung abgegeben.
Wenn die durch den zweiten Messfühler 34 in dem Biogasauslass 8 erfasste Kohlendioxidkonzentration unter einen ersten Grenzwert abgesunken ist, wird der Fermenter auf aerobe Prozessführung umgeschaltet, so dass die sich im nach wie vor geschlossenen Fermenter befindliche, vergorene Biomasse kompostiert wird. Am Ende der Kompostierung wird das Ventil 10 in der Frischluftleitung 28 durch die Steuereinrichtung 30 geschlossen und die Be- und Entladeöffnung 4 geöffnet, wie dies in 5 dargestellt ist.
Ist der Fermenter 2 wieder mit frischer Biomasse beladen, wird die Be- und Entladeöffnung 4 geschlossen, die Verbindung zwischen Biogasauslass 8 und Abgaskamin 20 über die erste Biogas/Abgas-Leitung 14 wird aufrecht erhalten, und die Steuereinrichtung 30 öffnet das Ventil 10 in der Abgasleitung 26, so dass kohlendioxidhaltiges Abgas in den Fermenter 2 gepumpt wird – siehe 6. Dies wird solange fortgesetzt, bis die durch den zweiten Messfühler 34 erfasste Kohlendioxidkonzentration in dem Biogasauslass 8 einen zweiten Grenzwert erreicht bzw. übersteigt.
Ist dieser zweite Grenzwert für die Kohlendioxidkonzentration erreicht, wird durch die Steuereinrichtung 30 das Ventil 10 in der Abgasleitung 26 und in der ersten Biogas/Abgas-Leitung 14 geschlossen und das Ventil 10 in der Biogasleitung 12 geöffnet, wie dies in 7 dargestellt ist. Damit ist die Phase der Biogasproduktion wieder erreicht und das in dem Fermenter 2 erzeugte Biogas wird über die Biogasleitung 12 dem BHKW 18 zugeführt.
Bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform sind alle Messfühler 32, 34, 36 in dem Biogasauslass 8 angeordnet. Alternativ können gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung der zweite und dritte Messfühler 24, 36 auch in der ersten bzw. zweiten Biogas/Abgas-Leitung 14, 16 angeordnet sein. 8 zeigt eine alternative Ausgestaltung der Erfindung, die sich von der Ausführungsform nach den 1 bis 7 dadurch unterscheidet, dass die erste und zweite Biogas/Abgas-Leitung 14, 16 zu einer gemeinsamen Biogas/Abgas-Leitung 40 zusammengefasst sind, bevor sie in den Biogasauslass 8 münden. Der zweite Messfühler zur Erfassung der Kohlendioxidkonzentration ist in der gemeinsamen Biogas/Abgas-Leitung 40 angeordnet, und der dritte Messfühler 36 ist in der ersten Biogas/Abgas-Leitung 14 angeordnet. Ansonsten stimmt diese zweite Ausführungsform der Erfindung mit der ersten Ausführungsform überein. Auch die Funktionsweise ist identisch.
Die 9 bis 15 zeigen eine dritte Ausführungsform einer kombinierten Anlage gemäß der vorliegenden Erfindung, bei der drei Fermenter 2-1, 2-2 und 2-3 (im Folgenden zusammenfassend mit „2-1” bezeichnet) im Parallelbetrieb vorgesehen sind. Einander entsprechende Komponenten sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Bei der kombinierten Anlage nach den 9 bis 15 ist jeder der drei Fermenter 2-i mit einem Spülgaseinlass 24-1, 24-2 bzw. 24-3 versehen, die jeweils mit einem Ventil 10 absperrbar sind. Die drei Spülgaseinlässe 24-i sind zu einem gemeinsamen Spülgaseinlass 42 zusammengefasst. In den gemeinsamen Spülgaseinlass 42 münden eine Abgasleitung 26 und eine Frischluftleitung 28, die jeweils durch ein Ventil 10 absperrbar sind.
Jeder der drei Fermenter 2-i ist mit einem Biogasauslass 8-1, 8-2 bzw. 8-3 versehen, die jeweils mit einem Ventil 10 absperrbar sind. Die erste Biogas/Abgas-Leitung 14 zu dem Abgaskamin 20 und die zweite Biogas/Abgas-Leitung 16 zu der Abgasfackel 22 sind zu einer gemeinsamen Biogas/Abgas-Leitung 40 zusammengefasst, in der ein Gebläse 38 angeordnet ist. Nach dem Gebläse 38 spaltet sich die gemeinsame Biogas/Abgas-Leitung 40 in eine erste, eine zweite und eine dritte Teil-Biogas/Abgas-Leitung 40-1, 40-2 bzw. 40-3 auf. Die erste Teil-Biogas/Abgas-Leitung 40-1 mündet zwischen Ventil 10 und dem ersten Fermenter 2-1 in den ersten Biogasauslass 8-1. Die zweite Teil-Biogas/Abgas-Leitung 40-2 mündet zwischen Ventil 10 und dem zweiten Fermenter 2-2 in den zweiten Biogasauslass 8-2. Die dritte Teil-Biogas/Abgas-Leitung 40-3 mündet zwischen Ventil 10 und dem dritten Fermenter 2-3 in den dritten Biogasauslass 8-3. Die drei Teil-Biogas/Abgas-Leitungen 40-1, 40-2 und 40-3 sind jeweils durch ein Ventil 10 absperrbar. Die drei Biogasauslässe 8-1, 8-2 und 8-3 münden in eine gemeinsame Biogasleitung 12, die zu einem Blockheizkraftwerk 18 führt. Eine Auspuffleitung 44 aus dem BHKW 18 mündet einen zweiten Abgaskamin 46. Die Abgasleitung 26 ist über ein 3-Wege-Ventil 48 mit der Auspuffleitung 44 verbunden, d. h. das in dem BHKW 18 anfallende kohlendioxidhaltige Abgas wird zum Spülen eines Fermenters 2-i verwendet, dessen Gärprozess beendet und der in den Kompostierungsprozess umgeschaltet werden soll. Durch das 3-Wege-Ventil kann der Volumenstrom des Abgases, der zum Spülen eines Fermenters 2-i über die Abgasleitung 26 geschickt wird, und die Menge des Abgases, die über den zweiten Abgaskamin 46 an die Umgebung abgegeben wird, geregelt werden.
Ein erster Messfühler 32 ist zur Erfassung der Methankonzentration in der gemeinsamen Biogasleitung 12 angeordnet. Ein zweiter Messfühler 34 zur Erfassung der Kohlendioxidkonzentration, ein dritter Messfühler 36 zur Erfassung des Volumenstroms und ein vierter Messfühler 50 zur Erfassung der Methankonzentration sind in der gemeinsamen Biogas/Abgas-Leitung 40 in Strömungsrichtung nach dem Gebläse 38 angeordnet. Die vier Messfühler 32, 34, 36 und 50 sind mit einer Steuereinrichtung 30 verbunden. Ebenfalls mit der Steuereinrichtung verbunden sind die jeweiligen Ventile 10. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind die entsprechenden Steuerleitungen nicht in den 9 bis 15 eingezeichnet.
In den 9 bis 15 ist das Beenden des Gärungsprozesses in dem Fermenter 2-2 und das wieder Anfahren des zweiten Fermenters 2-2 nach dem Kompostierungsprozess, der sich direkt an den Gärungsprozess anschließt und durch Umschalten des Fermenters 2-2 eingeleitet wird, dargestellt, wobei die 9 bis 15 die gleichen Phasen und Betriebszustände wie die 1 bis 7 darstellen. Die Biogasproduktion des ersten und dritten Fermenters 2-1 bzw. 2-3 läuft während des Beendens des Gärungsprozesses und des Kompostierungsprozesses in dem zweiten Fermenter 2-2 und des wieder Anfahrens des zweiten Fermenters 2-2 kontinuierlich durch.
9 zeigt die erste Phase des Beendens des Gärungsprozesses in dem Fermenter 2-2, in der kohlendioxidhaltiges Abgas aus dem BHKW 18 über das 3-Wege-Ventil 48 und die Abgasleitung 26, das Abgasgebläse 27 und den zweiten Spülgaseinlass 24-2 in das Innere des Fermenters 2-2 gepumpt wird. Der zweite Biogasauslass 8-2 ist nach wie vor mit der gemeinsamen Biogasleitung 12 verbunden, so dass das Biogas/Abgas-Gemisch weiter der Gasaufbereitungseinrichtung 44 zugeführt wird.
Erst wenn die durch den ersten Messfühler 32 in der gemeinsamen Biogasleitung 12 erfasste Methankonzentration unter einen oberen Grenzwert abgesunken ist, wird in einer zweiten Phase durch die Steuereinrichtung 30 das Ventil 10 im zweiten Biogasauslass 8-2 geschlossen und das Ventil 10 in der zweiten Teil-Biogas/Abgas-Leitung 40-2 und in der zweiten Biogas/Abgas-Leitung 16 geöffnet, wie dies in 10 dargestellt ist. In dieser zweiten Phase des Beendens des Gärungsprozesses in dem Fermenter 2-2 wird das Biogas/Abgas-Gemisch in der Abgasfackel 22 verbrannt. Gegebenenfalls kann dieser Verbrennungsprozess durch Zugabe von zusätzlichem Brennstoff unterstützt werden.
Wenn die durch den vierten Messfühler 50 in der gemeinsamen Biogas/Abgas-Leitung 40 erfasste Methankonzentration unter einen mittleren Grenzwert abgesunken ist, wird in einer dritten Phase durch die Steuereinrichtung 30 das Ventil 10 in der zweiten Biogas/Abgas-Leitung 16 geschlossen und das Ventil 10 in der ersten Biogas/Abgas-Leitung 14 geöffnet, wie dies in 11 dargestellt ist. In dieser dritten Phase des Beendens des Gärungsprozesses in dem Fermenter 2-2 wird das Biogas/Abgas-Gemisch über den Abgaskamin 20 an die Umgebung abgegeben.
Wenn die durch den vierten Messfühler 50 in der gemeinsamen Biogas/Abgas-Leitung 40 erfasste Methankonzentration unter einen unteren Grenzwert abgesunken ist, wird in einer vierten Phase durch die Steuereinrichtung 30 das Ventil 10 in der Abgasleitung 26 geschlossen, das 3-Wege-Ventil 48 entsprechend geschaltet und das Ventil 10 in der Frischluftleitung 28 geöffnet, wie dies in 12 dargestellt ist. In dieser vierten Phase des Beendens des Gärungsprozesses in dem Fermenter 2-2 wird über die Frischluftleitung 28 und den Spülgaseinlass 24 durch das Frischluftgebläse 29 Frischluft in den Fermenter 2-2 gepumpt. Das Abgas/Luft-Gemisch wird weiter über den zweiten Biogasauslass 8-2, die zweite Teil-Biogas/Abgas-Leitung 40-2, die gemeinsame Biogas/Abgas-Leitung 40 und die erste Biogas/Abgas-Leitung 14 in dem Abgaskamin 20 an die Umgebung abgegeben. Gegebenenfalls kann dies durch das Gebläse 38 unterstützt werden.
Wenn die durch den zweiten Messfühler 34 in der gemeinsamen Biogas/Abgas-Leitung 40 erfasste Kohlendioxidkonzentration unter einen ersten Grenzwert abgesunken ist, wird der Fermenter 2-2 umgeschaltet und die Kompostierung eingeleitet und das Ventil 10 in der Frischluftleitung 28 durch die Steuereinrichtung 30 geschlossen. Nach Beenden der Kompostierung kann der Fermenter 2-2 geöffnet, die verbrauchte Biomasse entnommen und frische Biomasse eingebracht werden.
Ist der Fermenter 2-2 wieder mit frischer Biomasse beladen, wird die Be- und Entladeöffnung geschlossen, die Verbindung zwischen zweiten Biogasauslass 8-2 und Abgaskamin 20 über die zweite Teil-Biogas/Abgas-Leitung 40-2, die gemeinsame Biogas/Abgas-Leitung und die erste Biogas/Abgas-Leitung 14 wird aufrecht erhalten, und die Steuereinrichtung 30 öffnet das Ventil 10 in der Abgasleitung 26 und schaltet das 3-Wege-Ventil 48 in der Auspuffleitung 44 des BHKW 18, so das kohlendioxidhaltiges Abgas in den Fermenter 2-2 gepumpt wird – siehe 14. Dies wird solange fortgesetzt, bis die durch den zweiten Messfühler 34 erfasste Kohlendioxidkonzentration in der gemeinsamen Biogas/Abgas-Leitung 40 einen zweiten Grenzwert erreicht bzw. übersteigt.
Ist dieser zweite Grenzwert für die Kohlendioxidkonzentration erreicht, wird durch die Steuereinrichtung 30 das Ventil 10 in der Abgasleitung 26 geschlossen, das 3-Wege-Ventil 38 geschalten, das Ventil 10 in der zweiten Teil-Biogas/Abgas-Leitung 40-2 wird geschlossen, und das Ventil 10 in dem zweiten Biogasauslass 8-2 geöffnet, wie dies in 15 dargestellt ist. Damit hat auch der zweite Fermenter 2-2 wieder die Phase der Biogasproduktion erreicht, und das in dem Fermenter 2-2 erzeugte Biogas wird über die Biogasleitung 12 der Gasaufbereitungseinrichtung 44 und dem BHKW 18 zugeführt. Die Zuschaltung des Biogasauslasses 8-2 zu der gemeinsamen Biogasleitung 12 erfolgt erst dann, wenn die durch den vierten Messfühler 50 erfasste Methankonzentration einen vierten Grenzwert erreicht. Dieser vierte Grenzwert stimmt mit dem oberen Grenzwert überein.
Das Ventil 10 in der Abgasleitung 26 kann entfallen, da dessen Funktion auch durch das 3-Wege-Ventil 48 übernommen werden kann.

Nachfolgend sind beispielhafte Zahlenwerte für die verschiedenen Grenzwerte angegeben:

Methankonzentration:	oberer Grenzwert 30% bis 50%
	mittlerer Grenzwert 10% bis 20%
	unterer Grenzwert 0% bis 3%
	vierter Grenzwert 30% bis 50%
Kohlendioxidkonzentration:	erster Grenzwert 0,5% bis 2%
Kohlendioxidkonzentration:	zweiter Grenzwert 5% bis 15%

Der Abgasvolumenstrom in der Abgasleitung 26 beträgt je nach Größe der Fermenter und der Menge des zur Verfügung stehenden Abgases zwischen 150 und 1000 m³/h.
Der Frischluftvolumenstrom in der Frischluftleitung 28 beträgt zwischen 1000 und 5000 m³/h.
16 zeigt eine 1 entsprechende Darstellung einer kombinierten Anlage gemäß einer vierten Ausführungsform, die sich von der ersten Ausführungsform nach 1 bis 7 dadurch unterscheidet, dass das Spülgas in Form von Abgas oder Frischluft in den verschiedenen Betriebszuständen nicht nur über den ersten Spülgaseinlass 24 im Bereich über der Biomasse 6, sondern zusätzlich oder alternativ über einen zweiten Spülgaseinlass 25 im Bereich der Bodenplatte des Fermenters 2 zugeführt wird.
Hierdurch wird erreicht, dass auch in der Biomasse 6 befindliches Biogas sicher „ausgespült” wird. Hierdurch wird zudem erreicht, dass der Methanschlupf während des Be- und Entladens des Fermenters weiter vermindert wird.
17A zeigt eine Aufsicht auf die Bodenplatte des Fermenters 2 in der Ausführungsform nach 16. In der Bodenplatte des Fermenters 2 sind in Längsrichtung Spülgaskanäle 52 vorgesehen, die durch einen flüssigkeits- und gasdurchlässigen Rost 54 abgedeckt sind. Die verschiedenen, parallel verlaufenden Spülgaskanäle 52 werden an einer oder an mehreren Stellen durch einen quer zur Längsrichtung der Spülgaskanäle 52 verlaufenden Querkanal 56 miteinander verbunden. In diesen Querkanal 56 mündet der zweite Spülgaseinlass 25. 17B zeigt eine Schnittdarstellung entlang der Line B-B in 17A mit dem Querkanal 56 und den Spülgaskanälen 52. 17C zeigt eine Schnittdarstellung entlang der Line C-C in 17A mit den Spülgaskanälen 52.
Auch bei den Ausführungsformen der Erfindung nach den 8 und 9 bis 15 kann die Zuführung von Spülgas über Spülgaskanäle 52 im Boden des Fermenters 2 erfolgen.
Bei den verschiedenen Ausführungsformen ist die Be- und Entladeöffnung jeweils auf der linken Seite des Fermenters 2 vorgesehen. Die Be- und Entladeöffnung kann auch auf der gegenüberliegenden Seite vorgesehen werden.

2: Fermenter
4: Be- und Entladeöffnung
6: Biomasse
8: Biogasauslass
10: Ventile
12: Biogasleitung
14: erste Biogas/Abgas-Leitung
16: zweite Biogas/Abgas-Leitung
18: Blockheizkraftwerk
20: Abgaskamin
22: Abgasfackel
24: Spülgaseinlass
25: zweiter Spülgaseinlass
26: Abgasleitung
27: Abgasgebläse
28: Frischluftleitung
29: Frischluftgebläse
30: Steuereinrichtung
32: erster Messfühler (Methankonzentration)
34: zweiter Messfühler (Kohlendioxidkonzentration)
36: dritter Messfühler (Volumenstrom)
38: Gebläse
40: gemeinsame Biogas/Abgas-Leitung
40-1: erste Teil-Biogas/Abgas-Leitung
40-2: zweite Teil-Biogas/Abgas-Leitung
40-3: dritte Teil-Biogas/Abgas-Leitung
42: gemeinsamer Spülgaseinlass
44: Auspuffleitung
46: zweiter Abgaskamin
48: 3-Wege-Ventil
50: vierter Messfühler (Methankonzentration)
52: Spülgaskanäle
54: Abdeckrost
56: Querkanal

Claims

Kombinierte Anlage zur Erzeugung von Biogas und Kompost, mit wenigstens einem nach dem Prinzip der Trockenfermentation arbeitenden Fermenter (2) zur Erzeugung von Biogas im Batch-Betrieb mit einer Bodenplatte, in der Spülgaskanäle (52) vorgesehen sind, einem Biogasauslass (8), einem ersten Spülgaseinlass (24) und einem zweiten Spülgaseinlass (25), der mit den Spülgaskanälen (52) verbunden ist; einer Biogasleitung (12) die mit dem Biogasauslass (8) verbindbar ist; einer Abgasleitung (26) mittels der kohlendioxidhaltiges Abgas dem wenigstens einen Spülgaseinlass (24, 25) zuführbar ist; einem Abgaskamin (20), der über eine erste Biogas/Abgas-Leitung (14) mit dem Biogasauslass (8) verbindbar ist; einer Abgasfackel (22), die über eine zweite Biogas/Abgas-Leitung (16) mit dem Biogasauslass (8) verbindbar ist; einer Frischluftleitung (28), die mit dem wenigstens einen Spülgaseinlass (24, 25) verbindbar ist; einer Steuereinrichtung (30) zur Verbindung des Biogasauslasses (8) mit der Biogasleitung (12) oder mit dem Bioabgaskamin (20) über die erste Biogas/Abgas-Leitung (14) oder mit der Abgasfackel (22) über die zweite Biogas/Abgas-Leitung (16) und zur Verbindung des Spülgaseinlasses (24, 25) mit der Abgasleitung (26) oder mit der Frischluftleitung (28); und einer Messeinrichtung (32, 34), die mit der Steuereinrichtung (30) verbunden ist und einen ersten Messfühler (32) zur Erfassung der Methankonzentration und einen zweiten Messfühler (34) zur Erfassung der Kohlendioxidkonzentration in dem aus dem wenigstens einen Fermenter (2) austretenden Gasgemisch aufweist.
Kombinierte Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (32, 34) in dem Biogasauslass (8) angeordnet ist.
Kombinierte Anlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Fermentern (2-i) vorgesehen sind, deren Biogasauslässe (8-i) in die gemeinsamen Biogasleitung (12) münden und dass der erste Messfühler zur Erfassung der Methankonzentration in der gemeinsamen Biogasleitung (12) angeordnet ist.
Kombinierte Anlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Biogasauslässe (8-i) selektiv über eine gemeinsame Biogas/Abgas-Leitung (40) mit dem Abgaskamin (20) oder der Abgasfackel (22) verbindbar sind und dass der zweite Messfühler zur Erfassung der Kohlendioxidkonzentration in der gemeinsamen Biogas/Abgas-Leitung (40) angeordnet ist.
Kombinierte Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasleitung (26) Abgas aus einer Verbrennungskraftmaschine zuführt.
Kombinierte Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Biogasleitung (12) die Verbindung zu einer Biogasverwertungseinrichtung herstellt, die kohlendioxidhaltiges Abgas erzeugt.
Kombinierte Anlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Biogasverwertungseinrichtung ein Blockheizkraftwerk (18) aufweist.
Kombinierte Anlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Biogasverwertungseinrichtung eine Brennstoffzelle aufweist.
Kombinierte Anlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Biogasverwertungseinrichtung eine Gasaufbereitungseinrichtung (44) aufweist.
Kombinierte Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Spülgaseinlass (24) im Bereich über der Biomasse (6) in den Fermenter (2) mündet.
Kombinierte Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spülgaskanäle (52) zur Abführung von aus der Biomasse während der Erzeugung von Biogas austretenden Sickerflüssigkeiten ausgelegt sind.
Verfahren zum Umschalten eines Fermenters (2) in einer kombinierten Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche zwischen Biogaserzeugung und Kompostierung mit den Verfahrensschritten: a) Beibehalten der Verbindung zwischen Biogasauslass (8) und Biogasleitung (12); b) Verbinden der Abgasleitung (26) mit dem wenigstens einen Spülgaseinlass (24, 25) des umzuschaltenden Fermenters (2); c) Spülen des umzuschaltenden Fermenters (2) mit Abgas aus der Abgasleitung (26) bis die durch den ersten Messfühler (32) erfasste Methankonzentration auf einen oberen Grenzwert abgesunken ist; d) Trennen der Biogasleitung (12) von dem Biogasauslass (8) des umzuschaltenden Fermenters (2); e) Verbinden des Biogasauslasses (8) des umzuschaltenden Fermenters (2) mit der ersten Biogas/Abgas-Leitung (14) und Zufuhr des Abgas/Biogas-Gemisches zu dem Bioabgaskamin (20) bis die durch den ersten Messfühler (32) erfasste Methankonzentration auf einen unteren Grenzwert abgesunken ist; f) Trennen der Abgasleitung (26) von dem Spülgaseinlass (24, 25) des umzuschaltenden Fermenters (2); g) Verbinden der Frischluftleitung (28) mit dem Spülgaseinlass (24, 25) des umzuschaltenden Fermenters (2) und Zufuhr von Frischluft in den umzuschaltenden Fermenter (2) bis die durch den zweiten Messfühler (34) erfasste Kohlendioxidkonzentration auf einen ersten Grenzwert abgesunken ist; und h) Kompostieren der verbrauchten Biomasse in dem Fermenter (2).
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Verfahrensschritt d) und dem Verfahrensschritt e) folgende Verfahrensschritte ausgeführt werden: d1) Verbinden des Biogasauslasses (8) des umzuschaltenden Fermenters (2) mit der zweiten Biogas/Abgas-Leitung (16) und Zufuhr des Abgas/Biogas-Gemisches zu der Abgasfackel (22) bis die durch den ersten Messfühler (32) erfasste Methankonzentration auf einen mittleren Grenzwert abgesunken ist, der zwischen dem oberen und dem unteren Grenzwert liegt; und d2) Trennen des Biogasauslasses (8) des umzuschaltenden Fermenters (2) von der zweiten Biogas/Abgas-Leitung (16).
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die über die Frischluftleitung (28) zugeführte Frischluft vorgewärmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Kompostiervorgang durch die zugeführte Frischluftmenge gesteuert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die aus dem Fermenter (2) abgeführten Gasgemische gefiltert werden.
Verfahren zum Anfahren eines frisch mit Biomasse beladenen Fermenters (2) in einer kombinierten Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 11 mit den Verfahrensschritten: a) Schließen der Be- und Entladeöffnung (4); b) Verbinden des Biogasauslasses (8) mit der ersten Biogas/Abgas-Leitung (14); c) Verbinden der Abgasleitung (26) mit dem Spülgaseinlass (24, 25) des anzufahrenden Fermenters (2) und Zufuhr von Abgas zu dem anzufahrenden Fermenter (2) bis die durch den zweiten Messfühler (34) erfasste Kohlendioxidkonzentration einen zweiten Grenzwertwert erreicht; d) Trennen der Abgasleitung (26) von dem Spülgaseinlass (24, 25); e) Trennen der ersten Biogas/Abgas-Leitung (14) von dem Biogasauslass (8); f) Verbinden der Biogasleitung (12) mit dem Biogasauslass (8).
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Verfahrensschritt f) ausgeführt wird, wenn die durch den ersten oder vierten Messfühler (32; 50) erfasste Methankonzentration einen vierten Grenzwert überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der vierte Grenzwert der Methankonzentration gleich dem oberen Grenzwert der Methankonzentration ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 12 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasleitung (26) mit dem Auspuff einer Verbrennungskraftmaschine verbunden wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 12 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasleitung (26) mit dem Auspuff (48) einer kohlendioxidhaltiges Abgas erzeugenden Biogasaufbereitungsseinrichtung (44) verbunden ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 12 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasleitung (26) mit dem Auspuff einer Brennstoffzelle verbunden ist.