DE102010017027B3

DE102010017027B3 - Verfahren zum Betrieb von Anlagen zur Erzeugung von anthropogenen und/oder biogenen, methanhaltigen Gasen am Erdgasnetz

Info

Publication number: DE102010017027B3
Application number: DE102010017027A
Authority: DE
Inventors: Ralf 76275 Biehl
Original assignee: Erdgas Suedwest GmbH
Current assignee: Erdgas Suedwest GmbH
Priority date: 2009-10-23
Filing date: 2010-05-19
Publication date: 2011-06-22
Anticipated expiration: 2030-05-20

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb von Anlagen zur Erzeugung von anthropogenen und/oder biogenen, methanhaltigen Gasen am Erdgasnetz sowie ein dazu einzusetzendes Verbundsystem. Insbesondere soll es durch das Verfahren ermöglicht werden, unter Berücksichtigung eines wechselnden Brennwertes des Rohgases eine Versorgung der Abnehmer mit einer konstanten Brenngasqualität vorzunehmen. Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb von Anlagen zur Erzeugung von anthropogenen und/oder biogenen, methanhaltigen Gasen im Verbund mit Blockheizkraftwerken am Erdgasnetz beinhaltet die Schritte Erzeugung von Rohbrenngas in mindestens einer Anlage zur Erzeugung von anthropogenen und/oder biogenen, methanhaltigen Gasen; Grobreinigung des erzeugten Rohbrenngases; Feinreinigung des erzeugten Rohbrenngases; Zuführung des Gasstroms in eine Einspeisungseinheit; Odorierung des Gasstroms in der Einspeisungseinheit und Herstellen eines Brenngasstroms mit einem gewünschten Brennwert, wobei zum Herstellen des gewünschten Brennwertes in der Einspeisungseinheit in Abhängigkeit des gemessenen Brennwertes des odorierten Gasstroms der mindestens einen Anlage zur Erzeugung von anthropogenen und/oder biogenen, methanhaltigen Gasen entweder bei Unterproduktion dem odorierten Gasstrom Erdgas aus dem Erdgasnetz beigemischt wird oder bei Überproduktion der überschüssige Anteil des odorierten Gasstroms in das Erdgasnetz eingespeist wird; Zuführen des Brenngasstroms in mindestens ein Blockheizkraftwerk, das mindestens einem Wärmenutzer Wärme liefert, wobei der Abstand zwischen der Einspeisungseinheit und den Blockheizkraftwerken jeweils größer ist als der Abstand zwischen den Blockheizkraftwerken und den jeweiligen Wärmenutzern; Einspeisung der in dem mindestens einen Blockheizkraftwerk erzeugten elektrischen Energie in das Stromnetz.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb von Anlagen zur Erzeugung von anthropogenen und/oder biogenen, methanhaltigen Gasen am Erdgasnetz sowie ein dazu einzusetzendes Verbundsystem. Insbesondere soll es durch das Verfahren ermöglicht werden, unter Berücksichtigung eines wechselnden Brennwertes des Rohgases eine Versorgung der Abnehmer mit einer konstanten Brenngasqualität vorzunehmen.
Zu den Anlagen zur Erzeugung von anthropogenen und/oder biogenen, methanhaltigen Gasen zählen insbesondere Biogasanlagen, Kläranlagen und Deponiegasanlagen. In diesen wird in Abhängigkeit von den eingesetzten Ausgangsstoffen ein mehr oder minder methanhaltiges Gas erzeugt, das nach entsprechender Aufbereitung als CO₂-neutraler Brennstoff zur Wärme- und Energiegewinnung eingesetzt werden kann.
In Biogasanlagen wird durch anaerobe Fermentation von organischen Stoffen ein Rohbiogas erzeugt, das bezüglich der Inhaltsstoffe dem Erdgas ähnelt. Wesentlicher Unterschied zu letzterem ist im Allgemeinen der höhere CO₂-Gehalt. Je nach Gärtemperatur und eingesetztem Substrat werden Methangehalte im Biogas von ca. 40 bis 75% erreicht. Daneben finden sich im Biogas noch Wasser, Stickstoff, Sauerstoff, Schwefelwasserstoff sowie einige weitere Spurenkomponenten. Da der Brennwert des Gases in erster Gases in erster Linie vom Methangehalt abhängt, ist einer der wesentlichsten und auch kostenintensivsten Aufarbeitungsschritte des Rohbiogases die Methananreicherung durch Entfernung von CO₂.
In weiteren Bearbeitungsschritten, die der Gaszusammensetzung dienen, werden die korrosiven oder auf eine andere Art die folgenden Anlagen schädigenden Bestandteile aus dem Rohbiogas entfernt oder deren Gehalt zumindest minimiert. Namentlich sind dies Wasser, Schwefelwasserstoff und gegebenenfalls Siloxane, die über die Substrate eingebracht werden können (z. B. Körperpflegemittelrückstände in Klärschlämmen). Findet die Fermentation nicht unter vollständigem Luftausschluss statt, können ebenso der Sauerstoff- und Stickstoffgehalt des Biogases kritisch sein, da sie zu einer Brennwertreduzierung beitragen.
Für die Klärgase und Deponiegase gelten die vorgenannten Betrachtungen analog. Unterschiede ergeben sich in erster Linie bei der Zusammensetzung der erzeugten Rohgase. Daher soll die vorliegende Erfindung im Folgenden nur anhand des Biogases näher erläutert werden. Die hierbei getroffenen Aussagen sind entsprechend auf die anderen anthropogenen und/oder biogenen, methanhaltigen Gase, insbesondere Klärgas und Deponiegas, übertragbar.
Die nach dem Stand der Technik übliche Nutzung des Biogases bei Projekten aus der Landwirtschaft ist dergestalt, dass die meist kleinen Biogasanlagen direkt dort betrieben werden, wo das eingesetzte Substrat vorliegt. Somit können entweder biogene Reststoffe oder nachwachsende Rohstoffe gewinnbringend weiterverarbeitet werden. Bei diesem Verfahren wird das erzeugte Rohbiogas direkt in einem Blockheizkraftwerk verstromt und der erzeugte Strom in das Stromnetz eingespeist.
Der entscheidende Nachteil ist hierbei, dass die bei der Stromgewinnung erzeugte Wärme meist lediglich für die Fermenterheizung genutz werden kann, da in den häufig dünn besiedelten ländlichen Regionen keine große Wärmeabgabe z. B. an Haushalte oder Industriebetriebe möglich ist. Ein Großteil der Wärme – etwa 80 bis 90% – muss in die Atmosphäre abgegeben werden. Das heißt, das Blockheizkraftwerk wird stromgeführt betrieben. Als Vorteil erweist sich nur die Tatsache, auf die recht teurere Technik einer Gasaufbereitung verzichten zu können.
Um die Biogasnutzung effizienter zu gestalten, wird im Stand der Technik zudem der Ansatz verfolgt, das Biogas auf Erdgasqualität aufzubereiten, um es anschließend in das Erdgasnetz einspeisen zu können. Wichtigste Aufbereitungsschritte sind hierbei, wie oben genannt, die Trocknung, die Entschwefelung und die Methananreicherung durch das Entfernen von CO₂.
In 1 ist das Verfahren schematisch dargestellt. In einem Fermenter (1) wird Rohbiogas erzeugt, das in der Rohbiogasaufbereitung (2) auf Erdgasqualität gebracht wird. Da die Verstromung des aufbereiteten Biogases nicht in der Nähe zur Biogasanlage stattfindet, muss der Wärmebedarf der Fermentation entweder über ein kleineres Blockheizkraftwerk zur Versorgung des Eigenbedarfs (3) oder über eine elektrische Heizung (7), die über das Stromnetz (5) gespeist wird, vor Ort erzeugt werden. Dazu wird dem aufbereiteten Biogasstrom, der in ein Blockheizkraftwerk zur Versorgung von Wärmenutzern (4) geführt wird, ein Teilstrom entnommen. Die im Blockheizkraftwerk zur Versorgung von Wärmenutzern (4) erzeugte elektrische Energie wird in das Stromnetz (5) eingespeist und die erzeugte Wärme den Wärmenutzern (6) zur Verfügung gestellt.
Der entscheidende Vorteil dieses Verfahrens liegt darin, dass das Biogas in dem bereits vorhandenen Erdgasnetz dorthin transportiert werden kann, wo ein ausreichend großer Wärmebedarf besteht. Dort kann das Biogas in einem Blockheizkraftwerk unter Nutzung der anfallenden Wärme verstromt werden. Somit ist der Betrieb des Blockheizkraftwerks wärmegeführt. Es wird also nur dann Strom erzeugt, wenn auch die Wärme an entsprechende Verbraucher abgegeben werden kann. Es ist dabei auch möglich, nicht die gesamte Menge an Biogas in einem einzelnen Blockheizkraftwerk zu nutzen, sondern sie auf mehrere Blockheizkraftwerke aufzuteilen, um die vollständige Wärmeabnahme sicherzustellen.
Nachteilig ist an diesem Verfahren jedoch, dass die Biogasaufbereitung sehr aufwendig und teuer ist. Insbesondere die Methananreicherung stellt einen erheblichen Kostenfaktor dar. Bei allen hierzu gängigen Techniken sind neben den benötigten Verbrauchsmaterialien bzw. Betriebsmitteln auch noch zusätzliche Verfahrensschritte wie beispielsweise die Kompression des Rohbiogases auf den Betriebsdruck des Reinigungsschrittes notwendig.
Ausgehend von diesen bekannten Verfahren war es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Betrieb von Anlagen zur Erzeugung von anthropogenen und/oder biogenen, methanhaltigen Gasen sowie ein Verbundsystem aus Anlagen dafür zur Verfügung zu stellen, die die Vorteile einer dezentralen Nutzung des aufbereiteten Brenngases mit den geringeren Kosten einer direkten unaufbereiteten Verstromung kombinieren. Daneben sollte das verbesserte Verfahren auch eine erhöhte Flexibilität in der Nutzung des Brenngases ermöglichen.
Gelöst wird die Aufgabe durch das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb von Anlagen zur Erzeugung von anthropogenen und/oder biogenen, methanhaltigen Gasen in einem Verbund mit Blockheizkraftwerken an einem Erdgasnetz und Wärmenutzern, wobei sich unterschiedliche Gasqualitäten für eine Eigenversorgung als ersten Bereich und kleineren Teil sowie für die Blockheizkraftwerke als zweiten Bereich und größeren Teil ergeben, wobei mindestens eines der Blockheizkraftwerke mindestens einem der Wärmenutzer Wärme liefert und elektrische Energie für ein Stromnetz erzeugt, beinhaltend die Schritte

– Erzeugung von Rohbrenngas in mindestens einer der Anlagen;
– Grobreinigung des erzeugten Rohbrenngases;
– Feinreinigung des größeren Teils des erzeugten grobgereinigten Rohbrenngases;
– Zuführung dieses Gasstroms in eine Einspeisungseinheit, wobei die Einspeisungseinheit eine Gasdruckregelanlage enthält, von der aus das mindestens eine Blockheizkraftwerk beschickt wird und die mit dem Erdgasnetz verbunden ist;
– Odorierung des Gasstroms in der Einspeisungseinheit;
– Herstellen eines Brenngasstroms mit einem gewünschten Brennwert für das mindestens eine Blockheizkraftwerk, wobei der Brennwert gemessen wird und zum Herstellen des gewünschten Brennwertes eine Brennwertkompensation derart erfolgt, dass in der Einspeisungseinheit in Abhängigkeit des gemessenen Brennwertes des odorierten Gasstroms der mindestens einen Anlage zur Erzeugung von anthropogenen und/oder biogenen, methanhaltigen Gasen entweder bei Unterproduktion dem odorierten Gasstrom Erdgas aus dem Erdgasnetz beigemischt wird oder bei Überproduktion der überschüssige Anteil des odorierten Gasstroms in das Erdgasnetz eingespeist wird, wobei die Zumischung des Erdgases und die Einspeisung in das Erdgasnetz in einer Gasdruckregelanlage erfolgt;
– Zuführen des resultierenden Brenngasstroms in das mindestens eine Blockheizkraftwerk, das mindestens einem Wärmenutzer Wärme liefert, wobei der Abstand zwischen der Einspeisungseinheit und den Blockheizkraftwerken jeweils größer ist als der Abstand zwischen den Blockheizkraftwerken und den jeweiligen Wärmenutzern;
– Einspeisung der in dem mindestens einen Blockheizkraftwerk erzeugten elektrischen Energie in das Stromnetz.

Vorzugsweise handelt es sich bei den Anlagen zur Erzeugung von anthropogenen und/oder biogenen, methanhaltigen Gasen um Biogasanlagen und/oder Deponiegasanlagen und/oder Kläranlagen. Besonders bevorzugt umfassen die Anlagen zur Erzeugung von anthropogenen und/oder biogenen, methanhaltigen Gasen mindestens eine Biogasanlage und nach der Grobreinigung erfolgt eine Aufteilung des Gasstroms in einen kleineren Volumenstrom, der mindestens einem Blockheizkraftwerk, das die mindestens eine Biogasanlage mit Wärme versorgt, zugeführt wird, und einen größeren Volumenstrom, der der Feinreinigung zugeführt wird.
In 2 ist das erfindungsgemäße Verfahren am Beispiel einer Biogasanlage schematisch dargestellt. Durchgezogene Linien symbolisieren in der Abbildung Gasströme, gestrichelte Linien Wärmeströme und punktierte Linien elektrische Ströme. Das Rohbiogas wird in mindestens einer Biogasanlage (8) hergestellt und durchläuft anschließend eine Grobreinigung (9). Aus dem grob gereinigten Biogasstrom wird ein kleinerer Teil abgezweigt, der in das Blockheizkraftwerk zur Versorgung des Eigenbedarfs (3) geführt wird und dort die für die mindestens eine Biogasanlage (8) benötigte Wärme produziert. Die dabei erzeugte elektrische Energie wird in das Stromnetz (5) eingespeist. Der größere Teil des grob gereinigten Biogasstroms strömt in die Feinreinigung (10) und von dort aus in die Einspeisungseinheit (11). Hier findet zunächst die Odorierung des Biogases statt. Um den mit den Wärmenutzern (6) vereinbarten Brennwert zur Verfügung stellen zu können, erfolgt dann eine Messung des Brennwerts des odorierten Biogases. Die Einspeisungseinheit (11) verfügt ferner über eine Gasmischvorrichtung und ist mit dem Erdgasnetz (12) verbunden. Je nach gemessenem Brennwert mischt sie entweder bei Unterproduktion dem odorierten Gasstrom Erdgas aus dem Erdgasnetz (12) bei oder speist bei Überproduktion den überschüssigen Anteil des odorierten Gasstroms in das Erdgasnetz (12) ein. Der resultierende Brenngasstrom wird dann mindestens einem Blockheizkraftwerk zur Versorgung von Wärmenutzern (4), das mindestens einem Wärmenutzer (6) Wärme liefert, zugeführt. Die Blockheizkraftwerke zur Versorgung von Wärmenutzern (4) sind dabei in der Nähe der Wärmenutzer (6), die sie jeweils versorgen, angeordnet. Zumindest ist der Abstand zwischen der Einspeisungseinheit (11) und den Blockheizkraftwerken zur Versorgung von Wärmenutzern (4) jeweils größer ist als der Abstand zwischen den Blockheizkraftwerken zur Versorgung von Wärmenutzern (4) und den jeweiligen Wärmenutzern (6). Die bei der Wärmeerzeugung in dem mindestens einen Blockheizkraftwerk zur Versorgung von Wärmenutzern (4) anfallende elektrische Energie wird ebenfalls in das Stromnetz (5) eingespeist.
Zur Abrechnung mit den Wärmenutzern (6) wird vorzugsweise der ermittelte Brennwert des bereit gestellten Brenngases herangezogen, der in der Einspeisungseinheit (11) protokolliert wird, und nicht – wie sonst üblich – der Volumenstrom.
Dadurch ist es möglich, auf einen Teil der Aufbereitungsschritte zu verzichten. Die Reinigungsoperationen am Rohbiogas können abgestimmt auf die jeweiligen Anforderungen durchgeführt werden. Daraus ergeben sich unterschiedliche Gasqualitäten für die einzelnen Verfahrensstufen. Der erste Bereich ist die Eigenversorgung der Biogasanlage mit Wärme aus einer ersten Gruppe von Blockheizkraftwerken. Hier genügt eine Grobreinigung des Rohgases in Bezug auf Feuchte und Schwefel sowie gegebenenfalls siliziumhaltige Verbindungen, insbesondere Siloxane. Der zweite Bereich umfasst die Blockheizkraftwerke, die die Wärmenutzer mit Wärme versorgen. Da diese nicht mehr im direkten Biogasanlagenbereich angesiedelt sind, ist hier zusätzlich eine Feinreinigung auf die für die Einspeisung in das Erdgasnetz nötigen Schwefel- und Feuchtigkeitswerte und eine Odorierung des Biogases erforderlich.
Optional kann bei der Grobreinigung auch eine geringfügige Methananreicherung durchgeführt werden. Diese braucht jedoch nich bis auf Erdgasqualität geführt zu werden, da ein zu niedriger Brennwert des Brenngases durch die Mischung mit Erdgas aus dem Netz kompensiert werden kann. Diese Maßnahme ist insbesondere dann von Vorteil, wenn durch die CO₂-Entfernung auch gleichzeitig eine Reduktion der Feuchtigkeit und des Schwefelgehaltes erzielt werden. Somit werden zwei wesentliche Vorteile erzielt: Der bei weitem am kostenintensivste Verfahrensschritt der Methananreicherung kann durch die Brennwertkompensation mittels Erdgas minimiert werden oder ganz entfallen, wobei gleichzeitig sicher gestellt ist, dass der Abnehmer auch in Spitzenlastzeiten seinen zugesicherten Brennwert erhält.
In 3 ist das erfindungsgemäße Einspeisungskonzept wiederum am Beispiel einer Biogasanlage in seinen vier Hauptabschnitten schematisch abgebildet. Aus der Abbildung ist ersichtlich, welche Messungen im Verlaufe des Verfahrens notwendig sind, um die Prozessführung zu kontrollieren undeine regelkonforme Einspeisung und Abrechnung zu gewährleisten.
Der Abschnitt der Rohbiogaserzeugung enthält die Biogasanlage (8) mit den Messeinrichtungen für den Volumenstrom (18) und die Gaszusammensetzung (19). Die Messung der Gaszusammensetzung dient zur Überwachung des Fermentationsprozesses. Besonders wichtige Kennwerte der Zusammensetzung sind an dieser Stelle der Feuchte- und der Schwefelwasserstoffgehalt des Biogases. Eine Messung der Hauptbestandteile wie Methan und CO₂ kann ebenfalls durchgeführt werden. Sollten sich die Werte für Methan und CO₂ außerhalb tolerierbarer Werte bewegen, müsste die Übernahme des Gases aus dem Fermenter gestoppt werden, da das Gas dann für eine Einspeisung ungeeignet wäre.
Der Abschnitt der Aufbereitung enthält den Gasspeicher (13), die Trocknung (14), die Entschwefelung (15) und das Gebläse (16). In diesem Abschnitt befinden sich zur Sicherung der Prozessqualität an mehreren Stellen Messeinrichtungen für die Temperatur (20) und den Druck (21).
Im Abschnitt Biogaseinspeisung sind als Hauptbestandteil der Einspeisungseinheit (11) die Gasdruckregelanlage (17) sowie das Erdgasnetz (12) enthalten. Die Messeinrichtungen umfassen Messeinrichtungen für den Volumenstrom (18), die Gaszusammensetzung (19) und den Brennwert (22). In der Gasdruckregelanlage (17) findet die Odorierung des Biogases statt. Ebenso wird im Falle einer Erdgaszuführung ein perfektes Mischen beider Gase gewährleistet. Die vom DVGW-Regelwerk geforderten Messungen des Brennwertes und des Gasvolumenstroms werden vor bzw. in der Gasdruckregelanlage (17) durchgeführt. Die Messung der Gaszusammensetzung dient der Gewährleistung der korrekten Aufbereitung des Gases.
Der Abschnitt Nutzung enthält schließlich das Blockheizkraftwerk zur Versorgung von Wärmenutzern (4), vor dem Messeinrichtungen für den Volumenstrom (18) und den Brennwert (22) angeordnet sind. Vor der Nutzung kommt es wegen der zeitweisen Vermischung des Biogases mit Erdgas nochmals zu einer volumetrischen und kalorimetrischen Messung, damit die vom Verbraucher bezogene Energiemenge für die Abrechnung korrekt erfasst werden kann.
In einer bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung beinhaltet die Grobreinigung des erzeugten Rohbiogases eine Grobentschwefelung und/oder eine Trocknung.
Besonders bevorzugt wird die Grobentschwefelung bereits in der mindestens einen Biogasanlage durchgeführt. Dabei ist es vorteilhaft, wenn die Grobentschwefelung auf chemischem Wege durch Zugabe von schwefelbindenden Substanzen erfolgt. Als schwefelbindende Substanzen eignen sich ganz besonders Eisenverbindungen, insbesondere Eisen(III)hydroxid.
Vorzugsweise beinhaltet die Grobreinigung des erzeugten Rohbiogases zusätzlich eine Methananreicherung mittels Membrandiffusion. Dieses Verfahren ermöglicht bei relativ geringen Kosten eine Methananreicherung auf wirtschaftlich maximal sinnvolle 70 Vol.-%.
Die Feinreinigung beinhaltet bevorzugt eine Feinentschwefelung und/oder eine Trocknung und/oder eine Entfernung von siliziumhaltigen Verbindungen, insbesondere Siloxanen. Die Feinentschwefelung erfolgt dabei besonders bevorzugt auf einen Restgehalt an Schwefelwasserstoff von maximal 5 mg/m³. Die Trocknung erfolgt vorzugsweise in der Grobreinigung auf eine Taupunkttemperatur von 0 bis 10°C, bevorzugt 2 bis 8°C, besonders bevorzugt 4 bis 6°C und in der Feinreinigung auf eine Taupunkttemperatur von –30 bis 0°C, bevorzugt –25 bis –5°C, besonders bevorzugt –20 bis –10°C.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist zur Sicherstellung einer gleichmäßigen Rohbiogasversorgung der Grobreinigung ein Gasspeicher als Pufferbehälter vorgeschaltet.
Der dem mindestens einen Blockheizkraftwerk aus der Einspeisungseinheit zugeführte Brenngasstrom weist bevorzugt einen Brennwert zwischen 6 und 12 kWh/m³ auf.
Die Lösung der Aufgabe der vorliegenden Erfindung erfolgt ferner durch ein Verbundsystem aus Anlagen zur Erzeugung von anthropogenen und/oder biogenen, methanhaltigen Gasen und Blockheizkraftwerken zum Betrieb an einem Erdgasnetz und an Wärmenutzern zur Durchführung des obigen Verfahrens, bei dem

– mindestens eine Anlage zur Erzeugung von anthropogenen und/oder biogenen, methanhaltigen Gasen mit einer Grobreinigungseinheit verbunden ist,
– sich an die Grobreinigungseinheit Mittel zum Aufteilen des die Grobreinigungseinheit verlassenden Gasstromes in einen kleineren Volumenstrom und einen größeren Volumenstrom anschließen,
– der größere Volumenstrom in eine Feinreinigungseinheit eingeleitet wird,
– der gereinigte Gasstrom anschließend in eine Einspeisungseinheit eingeleitet wird,
– die Einspeisungseinheit eine Vorrichtung zur Odorierung des Gasstroms, Mittel zum Messen des Brennwertes des odorierten Gasstroms und mit dem Erdgasnetz verbundene Mittel zum Mischen und Dosieren von Gasen enthält,
– die Einspeisungseinheit mit mindestens einem der Blockheizkraftwerke verbunden ist, das mindestens einem Wärmenutzer Wärme liefert, wobei der Abstand zwischen der Einspeisungseinheit und den Blockheizkraftwerken jeweils größer ist als der Abstand zwischen den Blockheizkraftwerken und den jeweiligen Wärmenutzern, und
– die Blockheizkraftwerke zur Einspeisung der erzeugten elektrischen Energie mit dem Stromnetz verbunden sind.

Höchst bevorzugt handelt es sich bei den Anlagen zur Erzeugung von anthropogenen und/oder biogenen, methanhaltigen Gasen um Biogasanlagen und/oder Deponiegasanlagen und/oder Kläranlagen. Wenn die Anlagen zur Erzeugung von anthropogenen und/oder biogenen, methanhaltigen Gasen mindestens eine Biogasanlage umfassen, wird der abgeteilte kleinere Volumenstrom des grobgereinigten Rohbrenngases mindestens einem Blockheizkraftwerk, das die mindestens eine Biogasanlage mit Wärme versorgt, zugeführt.
Besonders bevorzugt beinhaltet die Grobreinigungseinheit Vorrichtungen zur Grobentschwefelung und/oder Trocknung des Rohbiogases. Die Grobreinigungseinheit beinhaltet ferner vorzugsweise zusätzlich eine Vorrichtung zur Membrandiffusion.
Die Feinreinigungseinheit des Verbundsystems beinhaltet bevorzugt Vorrichtungen zur Feinentschwefelung, zur Trocknung und/oder zur Entfernung von siliziumhaltigen Verbindungen, insbesondere Siloxanen. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des Verbundsystems umfasst die Vorrichtung zur Feinentschwefelung mindestens zwei mit mit Kaliumiodid imprägnierter Aktivkohle beschickte Reaktoren, die wechselweise betrieben werden können. Sie werden so ausgelegt, dass die verbleibenden Reaktoren bei Abschaltung eines der Reaktoren den gesamten Volumenstrom bewältigen können. Dadurch ist es möglich, die Aktivkohle eines Behälters, die mit Schwefel gesättigt ist und erneuert werden muss, auszutauschen und dennoch stetig Biogas einzuspeisen. Sehr von Vorteil ist die deutlich höhere Beladungskapazität der Aktivkohle für Schwefel durch die Imprägnierung mit Kaliumiodid. So sind bei relativ niedrigen Prozesstemperaturen von 50 bis 70°C H₂S-Gehalte unter 5 mg/m³ möglich.
4 zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens. Dieses soll lediglich den bevorzugten Einsatz der Komponenten veranschaulichen und ist nicht als einschränkend zu verstehen. Die Mess- und Regeltechnik zur Ansteuerung der Ventile und deren Verschaltung untereinander sind zeichnerisch nicht erfasst.
Die Grobentschwefelung findet bereits im Fermenter (1) der Biogasanlage statt. Dazu werden der Biomasse bei der Befüllung des Fermenters auch Eisensalze beigegeben. Der Fermenter (1) ist mit einem Sicherheitsventil ausgerüstet, das bei Überdruck eine Druckentlastung in die Fackel (26) ermöglicht. Ebenso kann über ein Ventil ein Überdruck aus dem Gasspeicher (13), der auf den Fermenter (1) folgt und das Rohbiogas zwischenpuffert, in die Fackel (26) entweichen.
Aus dem Gasspeicher (13) wird das Rohbiogas über einen Wärmetauscher (23) geführt, der an einen nicht dargestellten Kühler angeschlossen ist. Der abgekühlte Gasstrom gelangt anschließend in den Trockner (14). Das hier abgeschiedene Wasser wird in den Fermenter (1) zurückgeführt. Im Anschluss an den Trockner (14) erfolgt die optionale Abzweigung eines kleinen Teils des grobgereinigten Biogasstroms als Brenngas für ein Blockheizkraftwerk zur Versorgung des Eigenbedarfs (3), welches der Wärmeversorgung des Fermenters (1) dient (aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht in 4 dargestellt).
Über einen weiteren Wärmetauscher (23), der im Querstrom von dem feinentschwefelten warmen Gasstrom durchströmt wird, das vorgewärmte Biogas in einen der beiden Feinentschwefelungsreaktoren (24) geführt. Das feingereinigte Biogas wird anschließend von dem Gebläse (16) verdichtet und je nach Bedarf über den oben genannten Wärmetauscher (23) oder einen Bypass mit Kühler (25) geleitet.
In der Gasdruckregelanlage (17) erfolgt dann die Odorierung des Biogases, Druckanpassung und die Zumischung von Erdgas bzw. die Einspeisung von Überschüssen in das Erdgasnetz. Von der Gasdruckregelanlage (17) aus wird das Blockheizkraftwerk zur Versorgung von Wärmenutzern (4) mit Biogas beschickt, das dem Wärmenutzer (6) die benötigte Wärme zur Verfügung stellt. Der dabei erzeugte Strom wird in das Stromnetz eingespeist (nicht in der Zeichnung dargestellt).
Die Gasdruckregelanlage (17) verfügt neben der Odorierungsanlage über je ein direktwirkendes Gasdruckregelgerät für Erdgas bzw. Biogas mit integriertem Sicherheitsabsperrventil und vorgeschaltetem Filter. Die Regelung des Betriebsdrucks der Leitungen stellt den vorrangigen Einsatz von Biogas als Brenngas für das Blockheizkraftwerk zur Versorgung von Wärmenutzern (4) sicher. In einer typischen Konfiguration wird beispielsweise für beide Stränge ein Druck von 500 mbar für die Sicherheitsabsperrventile eingestellt, wobei der Betriebsdruck im Erdgasstrang auf 170 mbar und im Biogasstrang auf 200 mbar geregelt wird. Die Regelung zur Brennwertanpassung erfolgt dann in Abhängigkeit von dem gemessenen Brennwert des odorierten Biogasstrangs.
Bezugszeichenliste

1: Fermenter
2: Rohbiogasaufbereitung
3: Blockheizkraftwerk zur Versorgung des Eigenbedarfs
4: Blockheizkraftwerk zur Versorgung von Wärmenutzern
5: Stromnetz
6: Wärmenutzer
7: Elektrische Heizung
8: Biogasanlage
9: Grobreinigung
10: Feinreinigung
11: Einspeisungseinheit
12: Erdgasnetz
13: Gasspeicher
14: Trocknung
15: Entschwefelung
16: Gebläse
17: Gasdruckregelanlage
18: Messeinrichtung Volumenstrom
19: Messeinrichtung Gaszusammensetzung
20: Messeinrichtung Temperatur
21: Messeinrichtung Druck
22: Messeinrichtung Brennwert
23: Wärmetauscher
24: Feinentschwefelungsreaktor
25: Kühler
26: Fackel
27: Siloxanentfernungsreaktor

Claims

Verfahren zum Betrieb von Anlagen zur Erzeugung von anthropogenen und/oder biogenen, methanhaltigen Gasen in einem Verbund mit Blockheizkraftwerken an einem Erdgasnetz und Wärmenutzern, wobei sich unterschiedliche Gasqualitäten für eine Eigenversorgung als ersten Bereich und kleineren Teil sowie für die Blockheizkraftwerke als zweiten Bereich und größeren Teil ergeben, wobei mindestens eines der Blockheizkraftwerke mindestens einem der Wärmenutzer Wärme liefert und elektrische Energie für ein Stromnetz erzeugt, beinhaltend die Schritte – Erzeugung von Rohbrenngas in mindestens einer der Anlagen; – Grobreinigung des erzeugten Rohbrenngases; – Feinreinigung des größeren Teils des erzeugten grobgereinigten Rohbrenngases; – Zuführung dieses Gasstroms in eine Einspeisungseinheit, wobei die Einspeisungseinheit eine Gasdruckregelanlage enthält, von der aus das mindestens eine Blockheizkraftwerk beschickt wird und die mit dem Erdgasnetz verbunden ist; – Odorierung des Gasstroms in der Einspeisungseinheit; – Herstellen eines Brenngasstroms mit einem gewünschten Brennwert für das mindestens eine Blockheizkraftwerk, wobei der Brennwert gemessen wird und zum Herstellen des gewünschten Brennwertes eine Brennwertkompensation derart erfolgt, dass in der Einspeisungseinheit in Abhängigkeit des gemessenen Brennwertes des odorierten Gasstroms der mindestens einen Anlage zur Erzeugung von anthropogenen und/oder biogenen, methanhaltigen Gasen entweder bei Unterproduktion dem odorierten Gasstrom Erdgas aus dem Erdgasnetz beigemischt wird oder bei Überproduktion der überschüssige Anteil des odorierten Gasstroms in das Erdgasnetz eingespeist wird, wobei die Zumischung des Erdgases und die Einspeisung in das Erdgasnetz in einer Gasdruckregelanlage erfolgt; – Zuführen des resultierenden Brenngasstroms in das mindestens eine Blockheizkraftwerk, das mindestens einem Wärmenutzer Wärme liefert, wobei der Abstand zwischen der Einspeisungseinheit und den Blockheizkraftwerken jeweils größer ist als der Abstand zwischen den Blockheizkraftwerken und den jeweiligen Wärmenutzern; – Einspeisung der in dem mindestens einen Blockheizkraftwerk erzeugten elektrischen Energie in das Stromnetz.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Anlagen zur Erzeugung von anthropogenen und/oder biogenen, methanhaltigen Gasen um Biogasanlagen und/oder Deponiegasanlagen und/oder Kläranlagen handelt.
Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlagen zur Erzeugung von anthropogenen und/oder biogenen, methanhaltigen Gasen mindestens eine Biogasanlage umfassen und nach der Grobreinigung eine Aufteilung des Gasstroms in einen kleineren Volumenstrom, der mindestens einem Blockheizkraftwerk, das die mindestens eine Biogasanlage mit Wärme versorgt, zugeführt wird, und einen größeren Volumenstrom, der der Feinreinigung zugeführt wird, erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Grobreinigung des erzeugten Rohbrennbiogases eine Grobentschwefelung und/oder eine Trocknung beinhaltet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Grobentschwefelung bereits in der mindestens einen Biogasanlage durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Grobentschwefelung auf chemischem Wege durch Zugabe von schwefelbindenden Substanzen erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die schwefelbindenden Substanzen Eisenverbindungen, insbesondere Eisen(III)hydroxid, sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass die Grobreinigung des erzeugten Rohbrennbiogases zusätzlich eine Methananreicherung mittels Membrandiffusion beinhaltet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Feinreinigung eine Feinentschwefelung und/oder eine Trocknung und/oder eine Entfernung von siliziumhaltigen Verbindungen, insbesondere Siloxanen, beinhaltet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Trocknung in der Grobreinigung auf eine Taupunkttemperatur von 0 bis 10°C, bevorzugt 2 bis 8°C, besonders bevorzugt 4 bis 6°C und in der Feinreinigung auf eine Taupunkttemperatur von –30 bis 0°C, bevorzugt –25 bis –5°C, besonders bevorzugt –20 bis –10°C erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Feinentschwefelung auf einen Restgehalt an Schwefelwasserstoff von maximal 5 mg/m³ erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zur Sicherstellung einer gleichmäßigen Rohbrennbiogasversorgung der Grobreinigung ein Gasspeicher als Pufferbehälter vorgeschaltet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der dem mindestens einen Blockheizkraftwerk aus der Einspeisungseinheit zugeführte Brenngasstrom einen Brennwert zwischen 6 und 12 kWh/m³ aufweist.
Verbundsystem aus Anlagen zur Erzeugung von anthropogenen und/oder biogenen, methanhaltigen Gasen und Blockheizkraftwerken zum Betrieb an einem Erdgasnetz und an Wärmenutzern zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass – mindestens eine Anlage zur Erzeugung von anthropogenen und/oder biogenen, methanhaltigen Gasen mit einer Grobreinigungseinheit verbunden ist, – sich an die Grobreinigungseinheit Mittel zum Aufteilen des die Grobreinigungseinheit verlassenden Gasstromes in einen kleineren Volumenstrom und einen größeren Volumenstrom anschließen, – der größere Volumenstrom in eine Feinreinigungseinheit eingeleitet wird, – der gereinigte Gasstrom anschließend in eine Einspeisungseinheit eingeleitet wird, – die Einspeisungseinheit eine Vorrichtung zur Odorierung des Gasstroms, Mittel zum Messen des Brennwertes und des Volumenstroms des odorierten Gasstroms und mit dem Erdgasnetz verbundene Mittel zum Mischen und Dosieren von Gasen enthält, – die Einspeisungseinheit mit mindestens einem der Blockheizkraftwerke verbunden ist, das mindestens einem Wärmenutzer Wärme liefert, wobei der Abstand zwischen der Einspeisungseinheit und den Blockheizkraftwerken jeweils größer ist als der Abstand zwischen den Blockheizkraftwerken und den jeweiligen Wärmenutzern, und – die Blockheizkraftwerke zur Einspeisung der erzeugten elektrischen Energie mit dem Stromnetz verbunden sind.
Verbundsystem nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Anlagen zur Erzeugung von anthropogenen und/oder biogenen, methanhaltigen Gasen um Biogasanlagen und/oder Deponiegasanlagen und/oder Kläranlagen handelt.
Verbundsystem nach Anspruch 14 und 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlagen zur Erzeugung von anthropogenen und/oder biogenen, methanhaltigen Gasen mindestens eine Biogasanlage umfassen und der abgeteilte kleinere Volumenstrom des grobgereinigten Rohbrenngases mindestens einem Blockheizkraftwerk, das die mindestens eine Biogasanlage mit Wärme versorgt, zugeführt wird.
Verbundsystem nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Grobreinigungseinheit Vorrichtungen zur Grobentschwefelung und/oder Trocknung des Rohbrennbiogases beinhaltet.
Verbundsystem nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Grobreinigungseinheit zusätzlich eine Vorrichtung zur Membrandiffusion beinhaltet.
Verbundsystem nach einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Feinreinigungseinheit Vorrichtungen zur Feinentschwefelung, Trocknung und/oder Entfernung von siliziumhaltigen Verbindungen, insbesondere Siloxanen, beinhaltet.
Verbundsystem nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Feinentschwefelung mindestens zwei mit mit Kaliumiodid imprägnierter Aktivkohle beschickte Reaktoren umfasst, die wechselweise betrieben werden können.