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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Behandlung von
Biomasse und/oder zur Erzeugung von Biogas mit den Merkmalen des
Oberbegriffs des Anspruchs 1 und eine Biogasanlage zur Erzeugung
von Biogas mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs
26.
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Stand der Technik
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Bei
Biogasprozessen soll die in organischen Abfall- und/oder Nutzstoffen
gebundene Energie durch Vergärung und Gasbildung der Stoffe
nutzbar gemacht werden. Die Ausgangsbasis jedes herkömmlichen
Biogasprozesses wird durch den sog. Methanbildungsprozess gebildet,
der eine erste Stufe der Vergärung darstellt. Dieser Methanbildungsprozess
bei der Vergärung umfasst typischerweise vier verschiedene,
aufeinander folgenden Stufen. Nach einer ersten Stufe, der Hydrolyse,
folgt eine zweite Stufe, die sog. Acidogenese, wonach eine dritte
Stufe, die sog. Acitogenese, und eine vierte Stufe, die eigentliche
Methanbildung, folgen.
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Konventionelle
Biogassysteme und Verfahren zur Biogasbildung weisen das bekannte
einstufige Vergärungsverfahren und zudem mehrstufige Verfahren
mit sog. Durchflussfermentern und kontinuierlicher Beschickung auf.
Die kontinuierliche Beschickung der Behälter bedingt auch
eine weitgehend kontinuierlich ablaufende Hydrolyse und weitgehend kontinuierlich
ablaufende weitere Prozessstufen. Der Methanbildungsprozess läuft
bei diesen Biogassystemen normalerweise in einem Behälter
ab. Die zu behandelnde und zu vergärende Biomasse wird
bei der Beschickung in diesen Behälter eingebracht und unter
Einfluss von erhöhter Temperatur über einen längeren
Zeitraum von in der Regel zwischen 40 und ca. 100 Tagen vergoren.
Die verschiedenen Stufen des Abbaus bei der Vergärung der
Biomasse erfolgen zeitgleich und kontinuierlich, da für
den Ausgleich der in die nachfolgenden Prozessstufen abgeführten
Biomasse ständig neue, frische Biomasse in den Behälter
eingebracht werden muss. Bei diesem Prozess entsteht Biogas.
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Zugleich
gibt es beim bekannten einstufigen Vergärungsverfahren
das System einer kontinuierlichen Hydrolyse, d. h. es wird ständig
und weitgehend kontinuierlich frische Biomasse in den Behälter
gegeben und gleichzeitig kontinuierlich aus demselben Behälter
Gärsubstrat entnommen und in einen weiteren Gärbehälter
gepumpt. Dieses Verfahren der kontinuierlichen Beschickung der Behälter
und der kontinuierlichen Entnahme aus dem Behälter wird
als kontinuierliche Hydrolyse bezeichnet.
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Die
bekannten Vergärungsverfahren zur Erzeugung von Biogas
sind zwar hinsichtlich ihrer Überwachung und Steuerung
relativ unkompliziert. Sie weisen jedoch einige Nachteile auf, insbesondere
hinsichtlich ihrer Ausbeute an verwertbarem Biogas, bezogen auf
die zugegebene Menge an Biomasse, weshalb sie hinsichtlich ihrer
Wirtschaftlichkeit als verbesserungsfähig angesehen werden
können.
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Ein
Verfahren zur Biogaserzeugung aus feststoffreicher Biomasse geht
aus der
DE 195 32
359 C2 hervor. Hierbei sind mehrere separate, Sickersaft abgebende
Container-Module vorgesehen, die jeweils einen eigenständigen
Biogasreaktor bilden. Die Module werden zeitversetzt nacheinander
gestartet und befinden sich dadurch in unterschiedlichen Reaktionsphasen.
Die Sickersäfte aus mindestens vier Container-Modulen werden
taktweise abgezogen und über einen gemeinsamen Sammelkanal
einem Säurepuffer zugeführt, in dem sich durch
Vermischung der Sickersäfte ein Mischprodukt bildet, welches
als Perkolationsmedium durch ein Verteilersystem über dem
Inhalt der einzelnen Container-Module versprüht wird.
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Ein
Abbauverfahren für biogenes Material ist weiterhin in der
DE 10 2004 053 615
B3 offenbart. Bei diesem Verfahren wird ein Perkolator
mit biogenem Material beschickt, eine Perkolationsflüssigkeit
durch Sieben abgetrennt und wieder auf das biogene Material gesprüht. Überschüssige
Perkolationsflüssigkeit wird in einen Puffer gepumpt, von
dort in einen Biogasreaktor verbracht und zu Biogas vergärt.
Die gereinigte Perkolationsflüssigkeit wird als Abwasser
in einen Speicherpuffer und von dort wieder in den Perkolator überführt.
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Ein
Verfahren zum Betreiben einer Feststofffermenteranlage sowie eine
entsprechende Vorrichtung hierzu geht aus der
DE 10 2005 029 306 B4 hervor.
Die Anlage weist mindestens zwei diskontinuierlich und zeitlich
zueinander versetzt betreibbare garagenartige Feststofffermenter
auf, die von oben nach unten mit einem Perkolat durchströmt
werden. Das abfließende Perkolat aller Feststofffermenter wird
in einem als kontinuierlicher Regenerationsfermenter arbeitenden
Perkolatbehälter zusammengeführt und erneut den
Feststofffermentern zugeführt. Es wird ein solcher Perkolatstrom
je Feststofffermenter eingestellt, dass in den Feststofffermentern
entstehende Säure mit dem Perkolatstrom insoweit ausgeschwemmt
wird, dass keine Versauerung der Feststofffermenter eintritt. In
diesem Zusammenhang wird dafür gesorgt, dass der minimale
pH-Wert eines neu angesetzten Feststofffermenters nicht unter 2,5 sinkt,
und der Perkolatstrom eine solche Beladung mit Mikroorganismen aufweist,
dass er zum Starten der Fermentation in einem neu angesetzten Feststofffermenter
einsetzbar ist, so dass als zusätzliche Starterkultur ein
Gärrest bis zu 30 Gew.-% notwendig ist, und wobei Biogas
aus allen Fermentern entnommen und aufgefangen wird.
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Beschreibung der Erfindung
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Als
vorrangiges Ziel der vorliegenden Erfindung wird es gesehen, eine
Anlage und ein Verfahren zur Verarbeitung von Biomasse und zur Erzeugung von
Biogas zur Verfügung zu stellen, welche die Nachteile des
bekannten Standes der Technik vermeiden und die eine insgesamt deutlich
wirtschaftlichere Erzeugung von Biogas ermöglichen.
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Diese
Ziele der Erfindung werden mit den Gegenständen der unabhängigen
Ansprüche dadurch erreicht, dass der Methanbildungsprozess nicht
mehr in einem einzigen, kontinuierlich beschickten Behälter
erfolgt, sondern dass eine Trennung des Methanbildungsprozesses
in separate Behälter vorgesehen ist. Das erfindungsgemäße
Hydrolyse- und Versauerungssystem eignet sich damit in vorteilhafter
Weise insbesondere zur Vergärung von relativ faserreichen
Stoffen, die in herkömmlichen Biogasanlagen oftmals nur
unter Schwierigkeiten verarbeitet werden können.
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Das
erfindungsgemäße Biogassystem umfasst ein technisches
System, das eine Trennung des Methanbildungsprozesses in separaten
Behältern ermöglicht. Das System sieht mindestens
zwei separate Hydrolyse- und Versauerungsbehälter und einen Fermenter
vor. Mit der Erfindung wird ein sog. Batch-Verfahren zur Verfügung
gestellt, das in besonderer Weise auf für die Hydrolysebakterien
günstige Bedingungen abgestimmt ist. Mit Hilfe dieses erfindungsgemäßen
Batch-Verfahrens werden den Hydrolysebakterien insgesamt sehr günstige
Bedingungen ermöglich, wodurch die Ausbeute an Biogas deutlich
erhöht werden kann. Die Hydrolyse- und Versauerungs behälter
können bspw. durch an sich bekannte geschlossenen Stahlbetonbehältern
gebildet sein.
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Die
bekannten wissenschaftlichen Grunddaten aus der Vergärungspraxis
sind nachfolgend für Hydrolysebakterien und für
Methanbakterien gegenüber gestellt. Während die
Reproduktionszeit für Hydrolysebakterien nur zwischen drei
Stunden und drei Tagen beträgt, muss bei Methanbakterien
von einer typischen Reproduktionszeit von ca. 14 Tagen ausgegangen
werden. Ein günstiger Temperaturbereich für Hydrolysebakterien
liegt bei ca. 30 bis 60°C. Das Temperaturoptimum für
(enzymatische) Hydrolysereaktionen liegt bei ca. 53°C,
während für Methanbakterien zwei günstige
Temperaturbereiche bei ca. 37°C und bei ca. 55°C
existieren. Der Temperaturbereich, bei dem eine Hydrolyse abläuft,
ist also relativ weit, während für die Methanbakterien
keine Temperaturschwankungen auftreten sollten.
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Der
pH-Wert für sollte für Hydrolysebakterien kleiner
als 7 bis ca. 4 betragen, während der pH-Wert für
Methanbakterien idealer Weise über 7 bis ca. 8 betragen
sollte. Die aerobe Sensibilität von Hydrolysebakterien
ist weitaus geringer als die von Methanbakterien. Während
diese bei einem Sauerstoffeintrag sofort absterben, arbeiten die
Hydrolysebakterien auch bei einem Eintrag von Sauerstoff, wie es beim
Beschicken der Hydrolysebehälter meist unvermeidlich ist.
Die Biogasausbeute und der CH4-Gehalt von
Hydrolysebakterien sind weitaus geringer als die von Methanbakterien.
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Die
Anforderungen der jeweiligen Bakterienstämme wurden bei
der Entwicklung des erfindungsgemäßen Hydrolyse-
und Versauerungssystems berücksichtigt. In der Hydrolyse-
und Versauerungseinheit wird ein Zustand geschaffen, der optimal
ist für die Hydrolysebakterien. Die Hydrolyse kann im abgeschlossenen
System ablaufen.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich durch
die folgenden neuen Merkmale aus: Während bei den bisher
bekannten Verfahren nur ein Behälter für die Hydrolysestufe
und die Methanbildungsstufe vorgesehen war, läuft bei dem
erfindungsgemäßen Verfahren die Hydrolysestufe
im Methanbildungsprozess in einem separaten Behälter ab.
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Die
Hydrolyse- und Versauerung wird im sog. Batch-Verfahren durchgeführt,
d. h. die Befüllung des Behälters erfolgt in einem
Vorgang, es wird eine komplette Füllung des Behälters
vorgenommen. Das Batch-Verfahren liefert die Möglichkeit,
den Hydrolyse- und Versauerungsprozess zu kontrollieren und zu steuern.
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Nach
kompletter Befüllung wird der Inhalt des Behälters
erhitzt und dann auf konstanter Temperatur gehalten. Dieser gesamte
Prozess dauert normalerweise ca. zwei und i. d. R. nicht mehr als
vier Tage.
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Nach
Abschluss des Hydrolyse- und Versauerungsprozesses wird das flüssige
Material im Hydrolysebehälter in den Fermenter gepumpt,
je nach Größe (Volumen) des Fermenters dauert
die Entleerung ca. zwei Tage. Eine derartige Entleerung kann jedoch
je nach Auslegung der Anlage auch kürzer als zwei Tage
dauern.
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Die
beiden Behälter werden im Wechsel befüllt, um
ca. alle zwei Tage fertig hydrolisiertes Material für die
Fütterung des Fermenters (Methangasbildung) bereit zu haben.
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Neu
ist auch, dass dieses Verfahren (Batch) zum ersten Mal für
nachwachsende Rohstoffe (Nawaros), insbesondere für stark
faserhaltiges Material angewendet wird.
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Das
erfindungsgemäße System wird nachfolgend in seinen
Einzelheiten beschrieben. Die Hydrolyse- und der Versauerungsbehälter
werden im Batch-Verfahren befüllt. Der Hydrolyse- und Versauerungsbehälter
kann bspw. ein Volumen von ca. 300 m3 für
eine erzielbare Leistung von ca. 0,5 MWel oder mehr
für höhere Leistungen aufweisen. Wahlweise kann
der Behälter jedoch auch kleiner gewählt werden.
Der Behälter wird mit der Biomasse in einem Vorgang komplett
gefüllt und durchmischt. Die Durchmischung erfolgt bspw.
mittels Rührwerkstechnik. Mit einer geeigneten Heizung
wird der Inhalt auf eine Temperatur von vorzugsweise ca. 30 bis
60°C erhitzt. Der Inhalt wird mindestens zwei Tage auf
dieser konstanten Temperatur gehalten. Mit diesem Verfahren ist
es möglich, dass der Hydrolyse- und Versauerungsprozess
mit Hilfe der Hydrolysebakterien separat abläuft. Der pH-Wert
im Behälter zeigt je nach Zusammenstellung der Befüllung
einen Wert zwischen 3,8 und 6,5.
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Diese
Behandlung ermöglicht und begünstigt den separaten
Ablauf der Hydrolyse und Versauerung der eingebrachten Stoffe. Für
Methanbakterien wären diese Bedingungen so ungünstig,
dass sie weitestgehend absterben würden.
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Nach
ungefähr zwei Tagen ist der Hydrolyse- und Versauerungsprozess
abgeschlossen. Die so vorbereitete hydrolisierte Ware wird dann
in regelmäßigen Zeitabständen und in
definierten Mengen automatisch in den Fermenter (Gärbehälter)
ge pumpt. In diesem Fermenter erfolgt dann durch die dort vorhandenen
Methangasbakterien die Methanbildung (d. h. die Biogasbildung).
Der Inhalt eines Hydrolysebehälters reicht normalerweise
für ca. zwei bis drei Tage. Nach vollständiger
Leerung kann der Behälter neu mit Biomasse gefüllt
werden und ein neuer Hydrolyse-Vorgang gestartet werden.
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Während
ein Hydrdolyse- und Versauerungbehälter komplett gefüllt
ist und mit dem Hydrolyseprozess beschäftigt ist, kann
separat ein zweiter Behälter für die Hydrolyse-
und Versauerung vorbereitet werden. Das Verfahren ist identisch
zum ersten Behälter.
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Zu
den bereits bestehenden, bekannten Biogassystemen lassen sich einige
wesentliche Unterschiede ausmachen. Während die herkömmlichen Biogasanlagen
nach dem derzeitigen Stand der Technik einen Behälter aufweisen,
in dem eine mehr oder weniger kontinuierliche Hydrolyse und gleichzeitige
Methanbildung abläuft, wobei sich diese Prozesse gegenseitig
stören, sieht die vorliegende Erfindung getrennte Behälter
für die Hydrolyse und Versauerung und eine nachgeordnete
Methanbildung (Fermenter) vor. Da die bekannten Verfahren keine Prozesstrennung,
sondern eine gemeinsame Hydrolyse und Methanbildung in den Behältern
vorsehen, sind diese Verfahren hinsichtlich ihrer biologischen Reaktion
relativ unflexibel und gleichzeitig sehr empfindlich, insbesondere
pH-empfindlich. Der Gesamtprozess läuft zudem auch relativ
langsam ab.
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Die
Behältervolumina richten sich nach dem gewünschtem
Durchsatz und der gewünschten Leistung, die mit der Biogasanlage
erzielt werden soll. So können bspw. bei der Erfindung
Behältervolumina für die Hydrolyse von jeweils
ca. 300 m3 für eine elektrische
Leistung von ca. 0,5 MWel ausreichen. Das
Volumen des nachgeordneten Fermenters kann bei dieser Dimensionierung
etwa 1200 m3 betragen.
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Durch
die vorgeschaltete Hydrolyse wird bei der vorliegenden Erfindung
die Biomasse optimal für die Methanbakterien aufbereitet
und durch die räumliche Trennung werden starke Methanbakterienstämme
im Fermenter gebildet, weil die Antagonisten (die Hydrolysebakterien)
fehlen. Das führt zu dem wesentlichen Vorteil, dass bei
schneller Erhöhung der Fütterungsmenge (ca. 30
min. bis eine Stunde) die Biogasproduktion von einem niedrigeren
Niveau nahezu verdoppelt werden kann. Bei einer der artigen Vorgehensweise
wird bei einer herkömmlichen Anlage die Biogasproduktion
im Fermenter unmittelbar unterbrochen.
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Ein
zusätzlicher Vorteil dieser schnellen Steuerungsmöglichkeit
ist, dass damit auch sehr schnell auf unterschiedliche Bedarfszeiten
für das produzierte Biogas reagiert werden kann. Wird dieses
bspw. zur Verstromung und/oder Biogaseinspeisung genutzt, können
günstige Tarifzeiten optimal genützt werden. Mit
einer herkömmlichen Anlage ist eine derart flinke Steuerung
nicht möglich.
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Ein
Nachgärbehälter ist bei der erfindungsgemäßen
Anlage nicht erforderlich, während er bei den bekannten
Anlagen unverzichtbar ist.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren eignet sich besonders
gut für alle Arten von sog. nachwachsenden Rohstoffen,
aber auch für alle anderen Arten von faserreichen und/oder
zellulosereichen Stoffen mit hohen Strohanteilen wie bspw. Rindermist,
Entenmist, Altgras etc. Bei den bekannten Verfahren nach dem Stand
der Technik besteht dagegen das grundsätzliche Problem,
dass viele Arten von nachwachsenden Rohstoffen nicht verarbeitet
werden können. Faserreiches Material wie bspw. strohhaltiger
Mist etc. kann nicht vergoren werden, da bei einem pH-Wert von 7
bis 8 die Cellulosestrukturen nicht aufgeschlossen werden können.
Faserreiches Material verlässt den Fermenter weitest gehend
im selben Zustand wie es zuführt wurde.
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Beim
erfindungsgemäßen Verfahren beträgt die
Temperatur im Hydrolysebehälter ca. 30 bis 60°C, während
bei herkömmlichen Biogasanlagen mit kontinuierlicher Hydrolyse
eine Temperatur von ca. 25 bis 30°C im Hydrolysebehälter
herrscht. Bei herkömmlichen Biogasanlagen nach bisher bekanntem Stand
der Technik ist dagegen kein Hydrolysebehälter vorhanden;
hier beträgt die Temperatur im Fermenter entweder ca. 37°C
(mesophiles Klima) oder ca. 55°C (thermophiles Klima).
Der pH-Wert in diesem Fermenter liegt bei ca. 7 bis 8.
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Bei
der erfindungsgemäßen Biogasanlage werden die
Hydrolysebehälter abwechselnd im sog. Batch-Verfahren jeweils
vollständig mit Biomasse befüllt, während
bei einem herkömmlichen Biogasanlagensystem ein kontinuierlich
arbeitendes Einbringsystem vorgesehen ist, mit dem die Biomasse
direkt in den Fermenter eingebracht wird. Bei einer herkömmlichen
Biogasanlage mit kontinuierlicher Hydrolyse erfolgen eine kontinuierliche
Befüllung und eine zeitgleiche Entnahme aus dem gleichen
Behälter.
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Die
Entnahme der Biomasse erfolgt bei der erfindungsgemäßen
Anlage derart, dass nach einer Verweilzeit von ca. zwei Tagen aus
dem Hydrolyse-Behälter der Fermenter kontinuierlich beschickt wird.
Sobald der erste von mindestens zwei parallel arbeitenden Behältern
geleert ist, steht der zweite, bereits fertig vorbereitete Behälter
für die weitere Beschickung des Fermenters bereit. Die
Befüllung des ersten Behälters kann nun wieder
gestartet werden. Der zyklische Befüllung und Entleerung
kann im Batch-Verfahren im Wechsel von ca. zwei Tagen erfolgen.
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Bei
der herkömmlichen Anlage mit kontinuierlicher Hydrolyse
erfolgen dagegen eine kontinuierliche Entnahme und eine zeitgleiche
Wiederbefüllung des jeweils selben Behälters.
Dagegen liefert das erfindungsgemäße Verfahren
eine nahezu vollständige Hydrolysierung der Biomasse, so
dass jederzeit anhand einer kontinuierlichen und/oder regelmäßigen Gasanalyse
festgestellt werden kann, wann der Hydrolyse- und Versauerungsprozess
vollständig abgeschlossen ist.
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Die
durchschnittliche Verweilzeit der Biomasse im Hydrolysebehälter
liegt bei der erfindungsgemäßen Anlage bei ungefähr
zwei Tagen, während bei der herkömmlichen Anlage
aufgrund des kontinuierlichen Durchlaufs keine typische Verweilzeit
angegeben werden kann.
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Die
durchschnittliche Verweilzeit der Biomasse im Fermenter liegt bei
der erfindungsgemäßen Anlage bei ungefähr
zehn Tagen, während bei der herkömmlichen Anlage
eine Verweilzeit von ca. 40 bis zu 100 Tagen typisch ist.
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Während
die erfindungsgemäße Biogasanlage ein Raumbelastung
im Fermenter in Höhe von ca. 6 bis 8 kg oTS/m3/d
(Einheit oTS – zugeführte organische Fracht je
cubikmeter pro Tag) verarbeiten kann, ist bei einer herkömmlichen
Biogasanlage eine Raumbelastung des Fermenters in Höhe
von maximal 3,5 kg oPS/m3/d möglich.
Bei einer höheren Raumbelastung besteht die Gefahr, dass
die Biologie versauert und dass die Methanbakterien abgetötet werden.
Dabei bricht das biologische System zusammen, was auch als „Systemabsturz” bezeichnet
werden kann. Die Folge ist ein absoluter Stopp der Gasproduktion,
da keine Methanbakterien mehr vorhanden sind, um die Fettsäuren
abzubauen.
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Auch
bei herkömmlichen Biogasanlagen mit kontinuierlich arbeitender
Hydrolyse ist eine nur geringfügig höhere Raumbelastung
im Fermenter in Höhe von max. 3,5 bis 4 kg oTS/m3/d möglich. Die Situation ist hier ähnlich
wie bei herkömmlichen Biogassystemen ohne kontinuierlicher
Hydrolyse; es findet auch weiterhin im Fermenter ein Hydrolyseprozess
statt. Sobald die Konzentration der Fettsäuren zu hoch
ist, sinkt der pH-Wert, wodurch auch hier die Methanbakterien absterben
und in dieser Folge die Gasproduktion gestoppt wird.
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Die
mögliche Raumbelastung der Hydrolysebehälter kann
bei der erfindungsgemäßen Anlage Werte von bis
zu 80 bis 90 kg oTS/m3/d je Befüllung annehmen.
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Nachfolgend
wird im Einzelnen beschrieben, worin die wesentlichen Aspekte bei
der Hydrolyse liegen und weshalb eine Hydrolyse durchgeführt
wird. Der Biogasbildungsprozess findet prinzipiell in vier Stufen
statt. Die erste Stufe ist die Hydrolyse. Dabei werden Kohlenhydrate,
Fette und Eiweiße durch Enzyme in kleinere und damit für
die Bakterien besser verwertbare Moleküle aufgespalten.
Die gebildeten Verbindungen werden anschließend aufgenommen und
in der zweiten, acetogenen (sauren) Phase oder Versäuerungsphase
zu organischen Säuren und Alkoholen sowie zu Wasserstoff,
Kohlendioxid, Ammoniak und Schwefelwasserstoff vergoren. Diese organischen
Säuren und Alkohole werden von den essigsäurebildenden
Bakterien weiter abgebaut und schließlich durch die methanbildenden
Bakterien zur Biogasproduktion genutzt.
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Die
Hydrolyse ist der kritische und limitierende Prozess bei der einstufigen
Vergärung. Versauernde Bakterien und die Essigsäure-
bzw. Methanbildner haben unterschiedliche Anforderungen an ihre
Umgebung, wie z. B. die Temperatur. Deshalb wird die Hydrolyse abgetrennt
von der Vergärung in den Fermentern und in einer separaten
Einheit durchgeführt. Damit wird der Hydrolyse-Prozess
kontrollierbar. Bei der vollständigen Hydrolyse ist im
Anschluss die Biomasse in den Fermentern für die Methanbakterien
besser verfügbar.
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Oft
wird argumentiert, dass eine Hydrolyse viel zu aufwendig und zu
teuer für eine Nawaro-Biogasanlage ist. Wir vom Rottaler
Modell sehen das anders. Hier einige Gründe im Detail dafür:
Hydrolyse-
und Methanbakterien stören sich gegenseitig bei Hochleistungsanlagen.
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Der
bereits oben skizzierte Vergleich zeigt, dass Hydrolyse und Methanbakterien
ganz unterschiedliche Lebensraumbedingungen bevorzugen. Das spielt
keine Rolle, wenn die Biogasanlage nur wenig belastet wird; mit
steigenden Herstellungspreisen steigt der ökonomischen
Druck, eine Biogasanlage muss an die Kapazitätsgrenzen
gehen. Während die Hydrolysebakterien nur eine Reproduktionszeit von
drei Stunden bis zu drei Tagen benötigen, reproduzieren
sich die Methanbakterien erst in ca. sechs bis 14 Tagen. Das Temperaturoptimum
der Hydrolysebakterien ist relativ variabel und liegt bei ca. 30
bis 65°C, während es für die Methanbakterien
weitgehend konstant gehalten werden muss, entweder bei 37°C
oder bei 55°C. Der pH-Wert kann bei der Hydrolyse auf Werte
von ca. 4,5 fallen, während er für die Methanbakterien
bei ca. 7 bis 8 gehalten werden muss. Die Hydrolysebakterien können
generell als robust gelten, da sie auf Störungen hinsichtlich Schwankungen
der Temperatur und des pH-Wertes unempfindlich reagieren. Die Methanbakterien
sind dagegen sehr empfindlich gegenüber jeder Art von Störungen
im pH-Wert und in der Temperatur. Die aerobe Sensibilität
der Hydrolysebakterien ist nicht sehr stark ausgeprägt,
so dass sie auch bei Eintrag von Sauerstoff weiterarbeiten, wie
es beim Beschicken der Hydrolysebehälter der Fall ist.
Die Methanbakterien sterben dagegen bei einem Eintrag von Sauerstoff
unmittelbar ab. Dagegen weisen die Methanbakterien eine weit höhere
Biogasausbeute auf als Hydrolysebakterien, so dass es von Vorteil
ist, beide Prozessstufen in geeigneter Weise miteinander zu kombinieren.
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Hydrolyse-Bakterien
sind sehr robust – sie sind die „Rabauken” und
vertragen auch Betreiberfehler. Methanbakterien sind wie „Diven” – hochempfindlich
bei jeder Störung. Deshalb werden diese Bakterienstämme
getrennt.
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Auch
der Vermischung des Gärsubstrates mit der neuen Biomasse
ist besondere Beachtung zu schenken. Wenn die Biomasse in den Fermenter kommt,
dann kann sie meist nicht vollständig untergerührt
werden; schnell kommt es zu Schwimmschichten. Der Rühraufwand
und der Strombedarf steigen. In der kleineren Hydrolyseeinheit kann
die frisch zugeführte Biomasse besser untergerührt
werden. Auf Grund der im Vergleich zu den eigentlichen Fermentern
geringeren Volumen ist der Energieaufwand dafür geringer.
Die Hydrolyseeinheit vermindert auch deutlich die Gefahr von Schwimmschichten
in den Fermentern.
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Mit
der vorgeschalteten Hydrolyse mit ihren niedrigen pH-Werten kann
die Biomasse – insbesondere die zellulosehaltige Biomasse – besser
aufgeschlossen werden als dies im Fermenter möglich ist. Das
erhöht die Biogasausbeute und damit die Wirtschaftlichkeit
der Biogasanlage.
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Dem
Zelluloseabbau kommt im vorliegenden Zusammenhang besondere Bedeutung
zu. Die Zellulose ist der Hauptbestandteil von pflanzlichen Zellwänden.
Der Massenanteil der Zellulose an der Pflanze kann bei 50% oder
mehr liegen. Wiederkäuer können Zellulose und
andere Polysaccharide, die anders als die durch Monogastrier verdaulichen
Bindungen α-1,4 oder α-1,6 verbunden sind, im
Pansen verdauen, da die Bindungen hier durch die Pansenmikroorganismen
aufgeschlossen werden. Die Zellulose kann durch starke Säuren
gespalten werden, mit konzentrierten Säuren bei erhöhter
Temperatur kann die Zellulose zu Glucose abgebaut werden. Zellulose kann
bei einem pH-Wert von 7,5 (= optimaler Bereich für Methanbildung)
kaum abgebaut werden. Ein optimaler Zellulose-Abbau ist nur über
eine Versauerung möglich.
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Nach
der Hydrolyse können die Fermenter thermophil betrieben
werden. Durch die thermophile Betriebsweise läuft die Methanisierung
schneller ab und die Biogasausbeute im Zeitvergleich ist höher. Dadurch
ist die Kapazität der Biogasanlage größer. Die
Flexibilität der Biogasanlage wird größer.
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Auch
die Flüssigbeschickung der Fermenter weist deutliche Vorteile
auf. Durch die Verflüssigung der Biomasse können
die Fermenter mit Pumpen und Rohrleitungen aus der Hydrolyseeinheit
gefüttert werden. Es ist eine genaue Dosierung möglich.
Mechanische Störungen treten nicht auf, weil es keine Schnecken
gibt. Die Fermenter werden ausschließlich über
die Hydrolyseeinheit beschickt; somit können separate Beschickungsaggregate
für die Fermenter komplett entfallen.
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Fermenter
werden immer mit vorgewärmter Biomasse beschickt. Die Temperatur
in der Hydrolyse beträgt mind. 30 oC; mit dieser warmen
Biomassesuspension werden die Fermenter beschickt. Damit kommt es
zu keinerlei Temperaturstörungen im Fermenter und die Biogas
produzierenden Methanbakterien werden nicht beeinträchtigt.
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Die
Hydrolyse sorgt in vorteilhafter Weise für eine pH-Pufferung,
was notwendig ist, da die Methanbakterien sehr empfindlich auf Änderungen
des pH-Werte reagieren.
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Im
Fermenter beträgt der pH-Wert ca. 7,5, ist also im neutralen
Bereich. Eine gute Silage hat einen pH-Wert von 3,5, ist also sauer.
Wenn die Silage in größeren Mengen in den Fermenter
direkt eingebracht wird, dann mögen das die Methanbakterien überhaupt
nicht. In der Hydrolyse wird die eingebrachte Silage von einem pH-Wert
von 3,5 auf ca. 6,5 erhöht. Wird das Hydrolysat dann in
den Fermenter gepumpt, dann sind die Störungen für
die Methanbakterien weit geringer als bei direkter Silagebeschickung
in den Fermenter.
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Mit
der fermenterexternen Hydrolyse sind die Methanbakterien ungestört
und verstetigen damit die Biogasproduktion. Durch die geringen Schwankungen
bei der Gasproduktion kann auch der Biogasspeicher kleiner ausgelegt
sein.
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Verschiedene
wissenschaftliche Untersuchungen zeigen, dass mit dem Einsatz einer
gesteuerten Hydrolyse die Biogasausbeute je nach Substrat um 5 bis
15% steigt. Der Grund liegt im Voraufschluss der Biomasse bei niedrigerem
pH-Wert als es im Fermenter der Fall ist. Unsere praktischen Ergebnisse
zeigen eine um über 30% höhere Biogasausbeute
bei zellulosehaltiger Biomasse im Vergleich zu bekannten KTBL-Laborwerten.
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Alle
positiven Effekte durch die externe Hydrolyse erhöhen die
Betriebssicherheit der Biogasanlage.
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Die
Biomassebereitstellung erfolgt nur alle 2–3 Tage. Da die
Hydrolysebehälter so dimensioniert sind, dass mit dem Inhalt
die Fermenter 2 bis 3 Tage gefüttert werden können,
braucht die Hydrolyse-Einheit nur jeden 2ten oder 3ten Tag befüllt
werden. Das erhöht die zeitliche Flexibilität
für den Anlagenbetreiber.
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Wenn
Probleme auftreten, dann in der Regel in der Hydrolyse-Einheit.
Die Hydrolysebehälter sind relativ klein und damit leichter
beherrschbar. Probleme, wie Schwimmschichten sind recht einfach
zu beheben. Das Versauern des gesamten Fermenterinhaltes ist eine
Katastrophe, bei der Hydrolyse in der Hydrolyseeinheit aber gewollt.
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Die
Beschickung der Hydrolysebehälter erfolgt alle 2–3
Tage. Die mindestens zwei Hydrolysebehälter werden abwechselnd
beschickt. Während in einem Hydrolysebehälter
die Hydrolyse abläuft, wird aus dem zweiten Hydrolysebehälter
die bereits versauerte Biomasse ab- und zur weiteren Vergärung
in die Fermenter geleitet. Der Hydrolysebehälter wird vollständig
geleert.
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Aus
dem Endlager wird ausgegorenes Gärsubstrat mit einem TS-Gehalt
von 6 bis 8% zum Separator gepumpt. Dort wird das Gärsubstrat
in eine Flüssigfraktion mit 1 bis 4% TS und eine Festfraktion mit
20 bis 35% TS getrennt. Die Flüssigfraktion läuft vom
Separator in den Hydrolysebehälter zum Aufmischen der „neuen” Biomasse.
Wahlweise kann ein Teil dieser Flüssigfraktion auch zwischengelagert werden.
Die Festfraktion wird in einem Bunker zwischengelagert. Dies ist
ein automatisch ablaufender Prozess, der unterbrochen wird, wenn
genügend Flüssigkeit im Hydrolysebehälter
vorhanden ist. Ein Vorteil für die Vergärung ist,
dass durch das Abseparieren der Feststoffe das Gärsubstrat
verdünnt wird. Das reduziert Technikprobleme und Rührzeiten.
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Die
Biomasse (Silomais, Festmist, etc.) wird aus einem Silo in einen
Dosierer angeliefert; von dort wird mit einer Fördereinrichtung
wie bspw. einem Förderband, einer Förderschnecke
o. dgl. der Hydrolysebehälter mit der geplanten Biomassemenge
befüllt. Die Mischung aus Biomasse und flüssigem
Gärrest hat einen TS-Gehalt von 12 bis 14%.
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Die
Hydrolyse ist sehr einfach und zweckmäßig, weil
sie alternierend in mindestens zwei Behältern abläuft.
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Mit
einem Rührwerk wird die Suspension soweit vermischt, dass
es keine Schwimmdeckenbildung gibt.
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Innerhalb
weniger Stunden bei mindestens 30°C beginnt die Hydrolyse
und dauert ca. zwei Tage. Die Suspension versauert bis zu einem
pH-Wert bis zu 4,5. Mit zwei Tagen Verweilzeit in der Hydrolyse
ist man auf der sicheren Seite.
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Nach
der Hydrolyse wird die versauerte Suspension in die Fermenter zur
Methanvergärung gepumpt. Dieser Pumpvorgang läuft
automatisch gesteuert ab. In der Regel wird jeder Fermenter mindestens
zweimal pro Stunde beschickt; je geringer die Teilmengen für
die Beschickung aus der Hydrolyseeinheit sind, desto geringer ist
die Störung der Methanbakterien in den Fermentern.
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Mit
einer speziell für die RM-Hydrolyse entwickelten Messtechnik
lässt sich die Hydrolyse kontrollieren und steuern.
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Der
bei dem erfindungsgemäßen Verfahren anfallende
Gärrest kann in eine Flüssigfraktion und in eine
Festfraktion separiert werden. Die Festfraktion besteht vorwiegend
aus Lignocellulose. Überwiegend in der Flüssigfraktion
befinden sich die Mineralien in gelöster Form, die vorher
im Celluloseverband gebunden waren. Die Festfraktion eignet sich
nach der Trocknung daher sehr gut als Brennstoff. Der wesentliche
Vorteil besteht darin, dass auch strohhaltiges, heuhaltiges und
anderes derartiges Material mit hohem Mineralienanteil als Brennstoff
genutzt werden kann, der in herkömmlichen Feuerungsanlagen aufgrund
einer ausgeprägten Schlackebildung nicht verbrannt werden
könnte. Die nun fehlenden Mineralien im Brennstoff führen
zu einer Erhöhung des Schmelzpunktes, so dass dieser Brennstoff
weitgehend rückstandsfrei in herkömmlichen Feuerungsanlagen
verwertet werden kann.
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Nachfolgend
werden nochmals die wesentlichen Aspekte der vorliegenden Erfindung,
bezogen auf das Verfahren und auf die Anlage zur Herstellung von
Biogas. Es sei an dieser Stelle erwähnt, dass sich alle
Aspekte, die im Zusammenhang mit dem Verfahren genannt sind, in
gleicher Weise auf die erfindungsgemäße Biogasanlage
beziehen. Gleiches gilt umgekehrt für alle Aspekte der
Erfindung, die im Zusammenhang mit der Biogasanlage genannt sind; diese
beziehen sich in gleicher Weise auch auf das Verfahren gemäß vorliegender
Erfindung. So betrifft die Erfindung in ihrer allgemeinen Form ein
Verfahren zur Herstellung von Biogas, insbesondere von Methangas
in einem mehrstufigen Prozess. Das Verfahren umfasst zumindest einen
Hydrolysevorgang und einen Methanbildungsprozess. Das Verfahren
ist dadurch gekennzeichnet, dass der Hydrolysevorgang räumlich
getrennt vom Methanbildungsprozess erfolgt. Der Hydrolysevorgang
erfolgt getrennt vom Methanbildungsprozess und kann in einem separaten Behälter
ablaufen. Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Zuführung
von Biomasse zum Prozess und/oder die Entnahme von Gärsubstrat
aus dem Prozess diskontinuierlich erfolgen. Vorzugsweise wird die
Hydrolyse und die Versauerung in einem sog. Batch-Verfahren durchgeführt.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass dem Hydrolysevorgang ein räumlich
getrennter Versauerungsprozess nachgeschaltet ist. Dieser Hydrolysevorgang
und der Versauerungsprozess können wahlweise in einem gemeinsamen
Behälter stattfinden. Weiterhin ist dem Versauerungsprozess
ein Gärprozess in einem Fermenter nachgeschaltet. Hier
erfolgt die Methanbildung.
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Es
kann vorgesehen sein, dass die Befüllung eines Hydrolysebehälters
in einem einzigen Vorgang erfolgt. Nach Befüllung des Hydrolysebehälters
wird der Behäl ter vorzugsweise für mindestens
zwei Tage auf einem Temperaturniveau, vorzugsweise auf einem Niveau
mit weitgehend konstanter Temperatur gehalten. Der pH-Wert im Hydrolyseprozess
kann dabei vorzugsweise zwischen ca. 3,5 und 6,5 liegen. Dagegen
liegt der pH-Wert im Hydrolyseprozess vorzugsweise zwischen ca.
3,5 und weniger als ca. 5. Nach Abschluss des Hydrolyse- und Versauerungsprozesses
kann das flüssige Material aus dem Hydrolysebehälter
in den Fermenter bzw. Gärbehälter gefördert.
Die Entleerung des Hydrolysebehälters und die Förderung
der Biomasse in den Fermenter kann insbesondere über eine
Zeitdauer von ca. zwei Tagen erfolgen.
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Eine
weitere Variante der Erfindung sieht vor, dass zwei parallele Vorstufen,
umfassend jeweils zumindest einen Hydrolysebehälter und
einen Versauerungsbehälter, vorgesehen sind. Diese beiden
Hydrolysebehälter können dann jeweils im Wechsel
befüllt werden. Die fertig hydrolysierte Biomasse kann nach
einem definierten Zeitraum und in definierten Mengen in den nachgeordneten
Gärbehälter bzw. Fermenter gefördert
werden. Weiterhin kann vorgesehen sein, dass alle ca. zwei Tage
fertig hydrolysiertes Material für die Versorgung des Fermenters
zur Methangasbildung bereit gestellt wird.
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Besonders
geeignet für die Verwendung als Biomasse sind sog. nachwachsende
Rohstoffe. Das Gärsubstrat kann in vorteilhafter Weise
als Brennstoff verwendet werden, da es einen Brennwert ähnlich von
Holz, insbesondere von Hackschnitzeln aufweist. Als Biomasse kann
auch ein hoher Anteil von Festmist, Gras, kleehaltigem Gras und/oder
Gras aus der Landschaftspflege eingesetzt werden. Dieses Material
kann bis zu einem Anteil von ca. 80% verwendet werden.
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Der
Versauerungsbehälter kann bspw. ein Volumen von ca. 200
m3 oder mehr aufweisen. Eine Durchmischung
der in den Versauerungsbehälter geförderten Biomasse
kann mittels eines Rührwerks oder auch mittels mehrerer
Rührwerke erfolgen.
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Ein
besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens
besteht darin, dass die Biogasproduktion durch Erhöhung
der Zuführung von hydrolysiertem Material vom Hydrolysebehälter
zum Fermenter innerhalb sehr kurzer Zeit stark erhöht werden
kann. So kann die Biogasproduktion durch ungefähre Verdoppelung
der Zuführung von hydrolysiertem Material vom Hydrolysebehälter
zum Fermenter innerhalb von weniger als ca. zwei Stunden nahezu verdoppelt
werden.
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Die
Erfindung betrifft zudem eine Biogasanlage zur Herstellung von Biogas
in einem mehrstufigen Prozess, die zumindest zwei Hydrolysebehälter und
einen Gärbehälter bzw. Fermenter für
einen Methanbildungsprozess aufweist. Die wenigstens zwei Hydrolysebehälter
sind räumlich getrennt sind vom nachgeordneten Fermenter.
Den wenigstens zwei Hydrolysebehältern kann ein Versauerungsbehälter nachgeordnet
und diesem der Fermenter nachgeordnet sein. Die Biomasse ist dem
Prozess diskontinuierlich zuführbar. Zudem können
die Hydrolyse und die Versauerung jeweils in einem Batch-Verfahren betrieben
werden. Es können zwei parallele Vorstufen, umfassend jeweils
zumindest einen Hydrolysebehälter und einen Versauerungsbehälter,
vorgesehen sein. Diese beiden Hydrolysebehälter können
jeweils im Wechsel befüllt und/oder betrieben werden. Für
den Versauerungsbehälter kommt bspw. ein Volumen von ca.
200 m3 oder mehr in Frage. Zudem kann im
Versauerungsbehälter mindestens ein Rührwerk zur
Durchmischung der Biomasse vorgesehen sein. Meist sind mehrere solcher
Rührwerke vorgesehen, so dass eine sehr schnelle Homogenisierung
ermöglicht ist, die zudem vermeidet, dass innerhalb der Biomasse
unterschiedliche Temperaturniveaus herrschen können.
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Merkmale
weiterer vorteilhafter Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich
aus den abhängigen Ansprüchen sowie aus der nachfolgenden
Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele.
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Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
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Weitere
Merkmale, Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus
der nun folgenden detaillierten Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung hervor, die als nicht einschränkendes Beispiel
dient und auf die beigefügten Zeichnungen Bezug nimmt.
Gleiche Bauteile weisen dabei grundsätzlich gleiche Bezugszeichen
auf und werden teilweise nicht mehrfach erläutert.
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1 zeigt
die wesentlichen Verfahrensschritte eines erfindungsgemäßen
Verfahrens zur Erzeugung von Biogas aus Biomasse anhand eines schematischen
Fließdiagramms.
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2 zeigt
ein weiteres Fließbild einer erfindungsgemäßen
Biogasanlage mit Hydrolyse- und Versauerungssystem.
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3 zeigt
eine schematische Plandarstellung einer möglichen Gruppierung
der Komponenten einer Biogasanlage.
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4 zeigt
in einem schematischen Fließbild die Biogasproduktion in
der Landwirtschaft vom Input zum Output.
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5 zeigt
in einem weiteren schematischen Fließbild eine beispielhafte
Biogasproduktion mit Nutzung weitgehend aller in der Biomasse enthaltenen
Energieformen.
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Das
schematische Blockschaltbild der 1 verdeutlicht
den Ablauf des erfindungsgemäßen Biogasgewinnungsverfahrens.
Eine Biomasse 10 nahezu beliebiger Zusammensetzung wird
einem ersten Verarbeitungsschritt 12 zugeführt,
nämlich der Hydrolyse und Versauerung. In einem nachgeschalteten
zweiten Verarbeitungsschritt 14 erfolgt die Methanbildung,
die im Gärbehälter 16 bzw. im sog. Fermenter
erfolgt. Nach Beendigung des Gärverfahrens im Fermenter 16 wird
das Material aus dem Fermenter 16 entnommen und als vergorenes
Substrat 18 einer Lagerung 20 zugeführt.
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Das
Fließbild der 2 zeigt eine weitere Darstellung
einer erfindungsgemäßen Biogasanlage 8 mit
Hydrolyse- und Versauerungssystem. Wie anhand der Darstellung erkennbar
ist, umfasst der erste Verarbeitungsschritt 12 zwei parallel
angeordnete Hydrolyse- und Versauerungsbehälter 22 und 24.
Die beiden Hydrolyse- und Versauerungsbehälter 22 und 24 werden
im sog. Batch-Verfahren befüllt. Der Hydrolyse- und Versauerungsbehälter 22 und 24 können
bspw. jeweils ein Volumen von ca. 300 m3 (für eine
Leistung von 0,5 MWel) oder bspw. auch 471
m3 (für eine Leistung von 1 MWel) aufweisen. Selbstverständlich
sind auch andere Behältervolumina möglich, je
nachdem, welche Verarbeitungsleistung und/oder Lieferenergiemenge
vom Anwender gewünscht bzw. benötigt wird.
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Die
beiden Behälter 22 und 24 werden mit der
Biomasse 10 in einem Vorgang komplett gefüllt und
durchmischt. Die Durchmischung erfolgt vorzugsweise mittels einer
geeigneten Rührwerkstechnik. Mit einer Heizung wird der
Inhalt auf bis zu 60–70 °C erhitzt. Der Inhalt
wird mindestens zwei Tage auf dieser konstanten Temperatur gehalten.
Mit diesem Verfahren ist es möglich, dass der Hydrolyse-
und Versauerungsprozess 12 mit Hilfe der Hydrolysebakterien
separat abläuft. Der pH-Wert im jeweiligen Behälter 22 bzw.
24 beträgt bedingt durch die spezielle Zusammenstellung
der Futterration einen Wert zwischen 3,8–5,5.
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Diese
Behandlung garantiert den separaten Ablauf der Hydrolyse und Versauerung
der eingebrachten Stoffe. Methanbakterien können dagegen bei
diesen Bedingungen nicht überleben.
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Nach
zwei Tagen ist der Hydrolyse- und Versauerungsprozess abgeschlossen.
Die so vorbereitete hydrolisierte Ware wird dann in regelmäßigen Zeitabständen
und definierten Mengen in den zweiten Verarbeitungsschritt 14 überführt
und hierzu automatisch in den Fermenter 16 (Gärbehälter)
gepumpt. In diesem Fermenter 16 erfolgt dann durch die
dort vorhandenen Methangasbakterien die Methanbildung, d. h. die
eigentliche Biogasbildung. Der Inhalt eines Hydrolysebehälters 22 bzw. 24 reicht
für ca. zwei bis drei Tage. Nach vollständiger
Leerung kann der Behälter 22 bzw. 24 neu
mit Biomasse 10 gefüllt werden und ein neuer Hydrolyse-Vorgang
gestartet werden.
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Während
bspw. ein erster Hydrolyse- und Versauerungbehälter 22 komplett
gefüllt ist und mit dem Hydrolyseprozess beschäftigt
ist, kann separat der zweite Behälter 24 für
die Hydrolyse- und Versauerung vorbereitet werden. Das Verfahren
in den beiden Behältern 22 und 24 ist
jeweils identisch und läuft lediglich zeitversetzt im gegenseitigen
Wechsel ab.
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Die
Ansicht der 3 verdeutlicht in einer schematischen
Plandarstellung eine mögliche Gruppierung der Komponenten
einer Biogasanlage. Die zu verarbeitende Biomasse 10 wird
mit einem Lieferfahrzeug auf einen Verladeplatz 26 angeliefert
und zum jeweils passenden Zeitpunkt in einen der beiden Hydrolyse-
und Versauerungsbehälter 22 und 24 überführt.
Nach der Verweilzeit in diesen Behältern wird die Biomasse
in den Fermenter 16 überführt, was durch
eine Rohrleitungsverbindung 28 angedeutet ist. Auch zwischen
den beiden Behältern 22 und 24 ist eine
solche Leitungsverbindung vorgesehen. Nach abgeschlossener Fermentierung
wird das vergorene Substrat 18 in den Lagerbehälter 20 überführt,
der bei der Anlage als Endlager dient. Der Lagerbehälter 20 muss
in regelmäßigen Abständen geleert werden,
bspw. durch Verbringen des vergorenen Substrats in eine Deponie
oder zur anderweitigen Verwertung.
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Die 4 zeigt
schließlich in einem schematischen Fließbild die
Biogasproduktion in der Landwirtschaft vom Input zum Output. Der
Input wird durch Biomasse von landwirtschaftlichen Betrieben geliefert,
die sich vorzugsweise in unmittelbarer Nachbarschaft zur Biogasproduktion
befinden sollten, um unnötige Transportwege zu vermeiden.
Bei der Biogasproduktion erfolgt die zunächst die Anmaische
und Versauerung, bevor die Biomasse in den Fermenter überführt
wird. Das gewonnene Biogas wird einem Separator zugeführt
und eine Flüssigfraktion und eine Festfraktion abgeschieden.
Während das Biogas energetischen Zwecken zugeführt
werden kann, bspw. dem Betrieb eines Blockheizkraftwerks, wird die
Flüssigfraktion in die Hydrolysestufe zurückgeleitet.
Die Festfraktion kann dem landwirtschaftlichen Betrieb als Dünger
dienen, ebenso wie das im Endlager gelagerte vergorene Substrat.
Auch dieses kann als Dünger dienen, sofern es nicht deponiert
oder für andere Zwecke verwendet wird. Das über
das Endlager geleitete vergorene Substrat bildet neben dem gewonnenen
Biogas den Output der Biogasproduktion.
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Die 5 zeigt
in einem weiteren schematischen Fließbild eine beispielhafte
Biogasproduktion mit Nutzung weitgehend aller in der Biomasse enthaltenen
Energieformen. Auch hier ist die Biogasproduktion in der Landwirtschaft
vom Input zum Output beispielhaft dargestellt. Der Input wird durch
Biomasse geliefert, die nicht unbedingt aus der laufenden Produktion
landwirtschaftlicher Betrieben stammen muss, wie dies bei herkömmlichen
Wirtschaftsgrünland zutrifft. Die Biomasse kann jedoch
auch von extensiv genutztem Grundland oder sogar von Naturschutzflächen
stammen, die anderweitig kaum wirtschaftlich genutzt werden könnten.
Auch hier gilt jedoch wiederum das oben Gesagt, nach dem sich die genutzten
Flächen vorzugsweise in unmittelbarer Nachbarschaft zur
Biogasproduktion befinden sollten, um unnötige Transportwege
zu vermeiden.
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Das
in der Biogasanlage vergorene Substrat wird in ein Endlager überführt,
wo es mittels eines Separators in eine flüssige und in
eine feste Fraktion getrennt wird. Die Flüssigfraktion
wird in die Biogasanlage zurückgeführt, während
die weitgehend entfeuchtete Festfraktion als feste Gärreste
gepresst und zu Briketten verarbeitet werden; d. h. sie werden brikettiert.
Diese Briketts können problemlos in Feststofffeuerungsanlagen
verbrannt werden, bspw. in Brennern, die normalerweise für
Festholz geeignet sind. Diese Feuerungsanlagen können bspw.
durch einen externen Brennstoffkessel gebildet sein, mit dem die
in den Briketts enthaltene Brennstoffenergie zur Erwärmung
von Schulen, Turnhallen o. dgl. Einrichtungen genutzt werden können.
Die Briketts müssen zu diesem Zweck normalerweise an einen
von der Biogasanlage entfernten Ort transportiert werden. Wahlweise
oder zusätzlich ist auch eine interne Nutzung durch Befeuerung
eines Brennstoffkessels für die Gärbriketts möglich,
dessen Abwärme ebenfalls zur Beheizung der bereits mit
der Abwärme aus dem BHKW belieferten Einrichtungen genutzt
wird. Somit können die Gärbriketts auch zur Wärmeversorgung
der erwähnten Gewächshäuser, Verkaufsstellen
und/oder der Blumenzucht etc. verwendet werden.
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Es
sei an dieser Stelle erwähnt, dass mit Hilfe der erfindungsgemäßen
Biogasproduktion ein hervorragend als Brennstoff geeigneter Gärrest
zur Verfügung gestellt werden kann. Der bei dem erfindungsgemäßen
Verfahren anfallende Gärrest wird in eine Flüssigfraktion
und in eine Festfraktion separiert. Die Festfraktion besteht vorwiegend
aus Lignocellulose. Überwiegend in der Flüssigfraktion
befinden sich die Mineralien in gelöster Form, die vorher im
Celluloseverband gebunden waren. Die Festfraktion eignet sich nach
der Trocknung und/oder Brikettierung daher sehr gut als Brennstoff.
Der wesentliche Vorteil besteht darin, dass auch strohhaltiges, heuhaltiges
und anderes derartiges Material mit hohem Mineralienanteil als Brennstoff
genutzt werden kann, der in herkömmlichen Feuerungsanlagen
aufgrund einer ausgeprägten Schlackebildung nicht verbrannt
werden könnte. Die nun fehlenden Mineralien im Brennstoff
führen zu einer Erhöhung des Schmelzpunktes, so
dass dieser Brennstoff weitgehend rückstandsfrei in herkömmlichen
Feuerungsanlagen verwertet werden kann, die ansonsten zur Verbrennung
von Fest- und/oder Stückholz oder auch von anderen Brennmaterialien
vorgesehen sind.
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Es
sei an dieser Stelle schließlich erwähnt, dass
die Erfindung nicht auf die vorstehenden Ausführungsbeispiele
beschränkt ist. Vielmehr ist eine Vielzahl von Varianten
und Abwandlungen denkbar, die von dem erfindungsgemäßen
Gedanken Gebrauch machen und deshalb ebenfalls in den Schutzbereich
fallen.
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Bezugszeichenliste
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- 8
- Biogasanlage
- 10
- Biomasse
- 12
- erster
Verarbeitungsschritt
- 14
- zweiter
Verarbeitungsschritt
- 16
- Fermenter
- 18
- vergorenes
Substrat
- 20
- Lagerung,
Lagerbehälter
- 22
- erster
Behälter
- 24
- zweiter
Behälter
- 26
- Verladeplatz
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 19532359
C2 [0006]
- - DE 200401053615 B3 [0007]
- - DE 102005029306 B4 [0008]