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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer einen chemischen Energieträger erzeugenden und dazu thermische Energie benötigenden Anlage, wobei der chemische Energieträger dazu geeignet ist, durch Umwandlung diese thermische Energie bereitzustellen, sowie eine zur Ausführung dieses Verfahrens geeignete Anlage.
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Derartige Verfahren sind gut bekannt, beispielsweise durch Biogasanlagen, in denen zunächst aus Biomasse unter Wärmezufuhr ein Methan mit einem Anteil von ca. 40%–70% enthaltendes Rohbiogas erzeugt wird, welches optional in einer Biogasaufbereitung durch Kohlendioxidabscheidung zu einem hohen Methangehalt aufgewertet wird. Dieses aufgewertete Gas, auch als Biomethan bezeichnet, lässt sich anschließend in ein bestehendes Gasnetz einspeisen und dadurch gut speichern.
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Der besondere Vorteil solcher Anlagen ist es, dass sie die benötigte thermische Energie selbst bereitstellen können, indem ein Teil des Rohbiogases abgezweigt und einer Verbrennung zugeführt wird, beispielsweise einem einfachen Gasbrenner oder auch einem Blockheizkraftwerk, aus deren Wärmeerzeugung die benötigte thermische Energie gezogen wird. Somit ist die Anlage bezüglich des Bedarfs an thermischer Energie selbstversorgend und autark.
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Dieses Prinzip ist in 3 nochmals graphisch dargestellt. Darin bezeichnet das Bezugszeichen 100 eine schematisch dargestellte Biogasanlage mit Biogaserzeugung 110, in der das Rohbiogas erzeugt wird, und von der eine Leitung 112 zu einer Biogasaufbereitung 120 führt. Das darin aufbereitete Rohbiogas wird (als Biomethan) über die Leitung 5 nach den üblichen Einspeisemaßnahmen in das Gasnetz 50 eingespeist. Die sowohl von der Biogaserzeugung 110 als auch von der Biogasaufbereitung 120 benötigte Wärme wird über Leitungen 131 bzw. 132 zugeführt, welche in dem skizzierten einfachsten Fall von einem Rohbiogasbrenner 130 gespeist werden. Der Rohbiogasbrenner 130 erzeugt diese erforderliche Wärme durch Verbrennung eines Anteils des von der Biogaserzeugung 110 erzeugten Rohbiogases, welches ihm über eine Leitung 111 zugeführt wird. Beispielsweise wird der in der Biogaserzeugung 110 erzeugte Rohbiogasstrom in einem Mengenverhältnis geteilt, gemäß dem 10% des Gases dem Rohbiogasbrenner 130 zugeführt werden und die verbleibenden 90% des Rohbiogases der Biogasaufbereitung 120 und der späteren Einspeisung in das Gasnetz 50 vorbehalten bleiben.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art hinsichtlich eines gesamtheitlichen Energiekonzeptes zu verbessern.
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Diese Aufgabe wird von der Erfindung in verfahrenstechnischer Hinsicht durch eine Weiterbildung des eingangs genannten Verfahrens gelöst, die im wesentlichen dadurch gekennzeichnet ist, dass wenigstens zeitweise wenigstens ein Anteil der benötigten thermischen Energie durch Umwandlung von elektrischer Energie bereitgestellt wird.
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Mit der erfindungsgemäßen Lehre wird somit das Prinzip der autarken Anlage aufgegeben, da diese für die Umwandlung in thermische Energie herangezogene elektrische Energie von außen bezogen werden muss, insbesondere aus dem elektrischen Versorgungsnetz oder einem lokalen externen Erzeuger elektrischer Energie. Desweiteren verlässt die erfindungsgemäße Lehre das grundlegende energetische Prinzip, niemals die höchstwertige Energieform, nämlich elektrische Energie, in die energetisch minderwertigste Energieform, nämlich Wärme umzuwandeln, wenn dafür auch eine energetisch minderwertigere Energieform, nämlich der chemische Energieträger zur Verfügung steht.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird jedenfalls zeitweise wenigstens ein Anteil des anderweitig für die Verbrennung herangezogenen Rohbiogases nicht zur Verbrennung eingesetzt. Dieser eingesparte Anteil steht somit zusätzlich für die Biogasaufbereitung und ggf. späteren Einspeisung ins Gasnetz zur Verfügung, allerdings als gegenüber elektrischer Energie in anderweitiger Form.
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Im Rahmen der Erfindung ist aber erkannt worden, dass mit einer für ein solches Verfahren ausgelegten Anlage dem elektrischen Verbrauchernetz ein zusätzlicher Verbraucher als Last aufgeschaltet werden kann. Dadurch wird die Kapazität des elektrischen Versorgungsnetzes, in Zeiten einer hohen Stromeinspeisung, beispielsweise durch hohe Einspeisung durch Wind- und/oder Solaranlagen erneuerbaren Energien (EE), diese EE-Leistungen überhaupt aufzunehmen, erhöht. Durch diese Ankoppelbarkeit an das elektrische Verbrauchernetz (oder ggf. unmittelbar an einen Erzeuger erneuerbarer Energien) gelingt in gesamtenergetischer Betrachtung effektiv eine Energieeinsparung, auch unter Berücksichtigung von ebenfalls in die Energiebilanz einzurechnenden Investitionen für die Bereitstellung der erforderlichen Anlagenkomponenten in Form eines elektrischen Heizers und eines erweiterten Wärmeverteilungsnetzes.
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In einer bevorzugten Verfahrensgestaltung ist der chemische Energieträger gasförmig und insbesondere ein Methan enthaltendes Gas. Dadurch wird die spätere Speicherung erleichtert, für die das Gasnetz zur Verfügung steht.
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In einer bevorzugten Variante weist die Anlage eine Biogasanlage auf, und die thermische Energie dient insbesondere für die Rohbiogaserzeugung und/oder die Aufwertung des Rohbiogases zu Biomethan.
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Desweiteren wird, wie oben bereits angemerkt, in einer besonders bevorzugten Verfahrensvariante die elektrische Energie dem elektrischen Versorgungsnetz als Regelleistung abgenommen. So können aus erneuerbaren Energien stammende Überschussleistungen besonders günstig abgenommen werden.
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In einer nochmals weiter bevorzugten Verfahrensgestaltung wird wenigstens zeitweise wenigstens ein Teil des erzeugten chemischen Energieträgers durch Umwandlung die benötigte thermische Energie oder einen Anteil davon liefern. Die mit dem Verfahren betriebene Anlage ist somit in der Lage, in wenigstens einer Betriebsart die benötigte thermische Energie wie oben unter Bezug auf 3 erläutert, auch durch Verbrennung des chemischen Energieträgers zu erzeugen. Diese Betriebsart wird bevorzugt gewählt, wenn keine Überschussleistungen erneuerbarer Energien im elektrischen Versorgungsnetz zur Verfügung stehen.
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Ebenfalls wie bereits oben angedeutet, wird in einer bevorzugten Verfahrensgestaltung wenigstens ein Teil des erzeugten chemischen Energieträgers ggf. nach Aufwertung für einen späteren Nutzen gespeichert, insbesondere durch Einspeisung in ein bestehendes Gasnetz.
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In einer möglichen Betriebsart wird der erzeugte chemische Energieträger ggf. nach Aufwertung vollständig in das bestehende Gasnetz eingespeist. Die erforderliche thermische Energie wird in dieser Betriebsart entweder durch die Umwandlung der elektrischen Energie bereitgestellt oder muss aus aus einer weiteren Quelle bezogen werden.
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In der Betriebsart, in der wenigstens ein Anteil der benötigten thermischen Energie durch Umwandlung von elektrischer Energie bereitgestellt wird, kann bevorzugt vorgesehen werden, dass dadurch die benötigte Energie vollständig bereitgestellt wird und keine weitere Energiequelle mehr erforderlich ist.
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In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird wenigstens zeitweise ein Anteil der benötigten thermischen Energie aus der exothermen katalytischen Methanisierung eines Wasserstoff und Kohlendioxid aufweisenden Eduktgases in ein überwiegend Methan enthaltendes Produktgas erhalten. Als eine dritte Quelle thermischer Energie steht somit die Abwärmeleistung eines katalytischen Methanisierungsreaktors zur Verfügung. Diese dritte Quelle kann variabel eingesetzt werden, so kann dauerhaft während der Betriebszeit des Methanisierungsreaktors die Abwärme für die Bereitstellung der thermischen Energie genutzt werden, unabhängig davon, ob die Anlage gerade in einer Betriebsart geschaltet ist, in welcher elektrische Energie thermisch umgewandelt wird oder nicht.
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In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung wird die dem elektrischen Versorgungsnetz entnommene elektrische Energie auch zur Wasserstofferzeugung mittels Elektrolyse herangezogen, und der erzeugte Wasserstoff insbesondere der Methanisierung zugeführt. Auf diese Weise kann der katalytische Methanisierungsreaktor insbesondere dann in den Betriebszustand versetzt werden, wenn sich aus energetischen Gründen die Entnahme elektrischer Energie aus dem elektrischen Versorgungsnetz als Regelleistung ohnehin günstig erweist.
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In einer besonders bevorzugten Verfahrensgestaltung wird in einer Betriebsart ein aus der Abwärme der katalytischen Methanisierung stammender Anteil der benötigten thermischen Energie maximiert, und der benötigte verbleibende Anteil thermischer Energie wird aus der umgewandelten elektrischen Energie bereitgestellt. Auf diese Weise kann bei möglichst hohem Verbrauch elektrischer Energie für die Gaserzeugung über die Methanisierung der Anteil des für die thermische Energie genutzten chemischen Energieträgers minimiert werden.
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In vorrichtungstechnischer Hinsicht stellt die Erfindung bereit eine Anlage zur Erzeugung eines chemischen Energieträgers unter Zuführung von dazu benötigter thermischer Energie, wobei der chemische Energieträger dazu geeignet ist, durch Umwandlung diese thermische Energie bereitzustellen, wobei die Anlage einen elektrischen Heizer zur Umwandlung bereitgestellter elektrischer Energie in zuführbare thermische Energie aufweist, sowie eine Steuereinrichtung, die wenigstens zeitweise eine Zuführung der Anlage mit wenigstens z. T. aus der umgewandelten elektrischen Energie stammender thermischer Energie steuert und insbesondere zur weiteren Steuerung der Anlage nach einer oder mehrerer der vorstehend genannten Verfahrensvarianten betreibbar ist.
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Die Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich aus den oben erläuterten Vorteilen des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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So kann die Anlage mehr als eine Senke thermischer Energie aufweisen und ein die Senken und wenigstens eine Quelle der thermischen Energie verbindendes Netz aufweisen, wobei insbesondere neben der durch die Umwandlung der elektrischen Energie gebildeten ersten Quelle noch eine zweite Quelle vorgesehen ist, die durch die Umwandlung von einem Teil des erzeugten chemischen Energieträgers gebildet ist. Als Senken der thermischen Energie ist beispielsweise die Biogaserzeugung einerseits und die Biogasaufbereitung andererseits zu nennen.
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In einer Ausgestaltung ist eine dritte Quelle thermischer Energie der Anlage durch die Abwärmeerzeugung eines Methanisierungsreaktors gebildet, der ein Wasserstoff und Kohlendioxid enthaltendes Eduktgas in ein überwiegend Methan enthaltendes Produktgas katalytisch methanisiert. Der Methanisierungsreaktor kann auch in die Anlage im Sinne einer lokalen Nähe oder jedenfalls einer konzeptionellen Ankopplung integriert werden.
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In einer speziellen Ausgestaltung der Anlage weist die Anlage eine Biogasanlage auf, insbesondere nebst einer Biogasaufbereitung zur Aufwertung des erzeugten Rohbiogases in Biomethan unter Kohlendioxidabscheidung, wobei die Anlage eine das abgeschiedene Kohlendioxid zum Eingang des Methanisierungsreaktors führende Leitung, eine von dem elektrischen Versorgungsnetz zum elektrischen Heizer und/oder zu einem den Wasserstoff für die Methanisierung erzeugenden Elektrolyseur führende Leitung aufweist. Die Beaufschlagung der einzelnen Leitungen mit den elektrischen Strömen bzw. Gasströmen ist über eine Steuervorrichtung steuerbar, welche insbesondere ein Steuerprogramm zur Steuerung der Anlage nach einem der oben genannten Verfahrensgestaltungen aufweist. Insoweit betrifft die Erfindung auch ein Computerprogrammprodukt mit derartig ausgestalteter Steuersoftware.
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Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beiliegenden Figuren, von denen
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1 eine schematische Ansicht einer ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt,
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2 eine schematische Ansicht einer zweiten Ausführungsform der Erfindung zeigt, und
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3 eine schematische Darstellung eines aus dem Stand der Technik bekannten Verfahrens zeigt.
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Die in 1 gezeigte Anlage 10 weist eine Biogaserzeugung 11 auf, in der aus Biomasse ein Rohbiogas erzeugt wird. Das erzeugte Rohbiogas kann vollständig über eine Leitung 112 einer Biogasaufbereitung 12 zugeführt werden. Die Anlage ist aber auch dazu ausgelegt, einen Teil des erzeugten Rohbiogases über eine Leitung 1 einer Einrichtung 13 zuführen zu können, welche das zugeführte Rohbiogas verbrennt und eine erste Quelle thermischer Energie bildet. Die Einrichtung 13 könnte etwa ein einfacher Rohbiogasbrenner sein, oder in einer anderen Ausgestaltung ein Blockheizkraftwerk, das zusätzlich elektrische Energie zu anderweitiger Verfügung erzeugt. Von der Einrichtung 13 geht eine Wärmeleitung 3 aus, die über einen Zweig 31 zur Biogaserzeugung 11 und über einen Zweig 32 zur Biogasaufbereitung 12 führt, ähnlich wie die in 3 bereits erläuterten Leitungen 131 und 132.
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Desweiteren weist die Anlage 10 eine Einrichtung 14 auf, die zugeführte elektrische Energie in thermische Energie umwandelt. Die erzeugte Wärme ist über einen Abzweig 41 einer Ausgangsleitung 4 der Biogaserzeugung 11 zuführbar, und über einen Abzweig 42 der Biogasaufbereitung 12. In der schematischen Darstellung von 1 sind zu Erläuterungszwecken für die nachstehend angeführten Beschreibungen möglicher Betriebsarten der Anlage die Wärmeleitungen 31 und 41 sowie 42 und 32 getrennt eingezeichnet. In einer konstruktiven technischen Ausgestaltung müssen keine getrennten Leitungen vorgesehen werden, vielmehr kann ein Wärmeverteilungsnetz vorgesehen werden, das die verschiedenen Quellen und verschiedenen Senken der in der Anlage 10 umverteilten thermischen Energie verbindet.
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Das von der Biogasaufbereitung 12 erzeugte Biomethan kann wiederum über Leitung 5 in das Gasnetz 50 eingespeist werden, während der Elektroheizer 14 in dieser Ausführungsform in seinem Betrieb elektrische Energie aus dem elektrischen Energieversorgungsnetz 20 über Leitung 2 bezieht.
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Vorrichtungstechnisch unterscheidet sich die Anlage 10 von der in 3 beschriebenen Anlage 100 somit durch den Elektroheizer 14 als zusätzliche Quelle thermische Energie des Wärmeverteilungsnetzes der Anlage.
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In einer Betriebsart, die im folgenden als Standardbetrieb bezeichnet wird, wird die Anlage 10 betrieben wie die in 3 beschriebene Anlage 100. Im Standardbetrieb bezieht der Elektroheizer 14 keine Leistung aus dem Versorgungsnetz 20 und speist entsprechend keine thermische Leistung in das Wärmeverteilnetz ein. Die für die Biogaserzeugung 11 und die Biogasaufbereitung 12 über das Wärmeverteilungsnetz bereitgestellte thermische Energie wird nur von der Einrichtung 13 erzeugt, wozu p%, z. B. 10% des Rohbiogasstroms der Biogaserzeugung 11 über Leitung 1 abgezweigt wird, und nur noch q% = (1 – p)%, also beispielsweise 90% des erzeugten Rohbiogases der Biogasaufbereitung 12 zugeführt werden. Entsprechend entspricht die Einspeisung in das Gasnetz 50 nur q% der maximal möglichen Einspeisung.
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Erhält eine nicht gezeigte Steuervorrichtung der Anlage 10 jedoch eine Information, gemäß der elektrische Leistung aus dem elektrischen Versorgungsnetz 20 als Regelleistung abzunehmen ist, steuert sie den Elektroheizer 14 zur Aufnahme des Betriebs und dieser übernimmt so wenigstens einen Teil der Erzeugung der benötigten thermischen Energie, ggf. auch deren vollständige Bereitstellung. In dem Maße, wie die thermische Energie vom Elektroheizer 14 bereitgestellt wird, steuert die Steuereinrichtung den Anteil p des über Leitung 1 abgezweigten Rohbiogasstroms auf geringere Werte, insbesondere auf Null und schaltet ggf. die Einrichtung 13 ab. Die Anlage wird so in eine zweite Betriebsart gesteuert, die im folgenden Regelbetrieb genannt wird.
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Im Regelbetrieb erhöht sich der Anteil q des der Biogasaufbereitung 12 zugeführten Rohbiogasstromes und entsprechend der bezogen auf die maximale dortige Biomethanerzeugung bezogene Anteil insbesondere bis auf 100%. Das gegenüber dem Standardbetrieb eingesparte Gas kann somit zusätzlich in das Gasnetz 50 eingespeist werden.
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Desweiteren stellt im Regelbetrieb die dem elektrischen Versorgungsnetz 20 abgenommene elektrische Leistung energetisch betrachtet keinen Verbrauch an elektrischer Energie bei im elektrischen Versorgungsnetz 20 höherer gesamter Verbraucherlast als gesamter Einspeiseleistung dar, sondern die Abnahme einer Leistung bei höherer, insbesondere durch erneuerbare Energien verursachter Gesamteinspeisung in das Versorgungsnetz 20 gegenüber der aktuellen Gesamtverbraucherlast. Bilanziell ist die abgenommene Energie somit einer anderweitig durch Herunterfahren einer Anlage zur Erzeugung erneuerbarer Energien verlorengegangenen Energie zuzuordnen.
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In einer weiteren in 2 beschriebenen Ausführungsform weist eine Anlage 60 zunächst alle Komponenten der anhand von 1 beschriebenen Anlage 10 auf, in der jedoch das Wärmeverteilungsnetz kompakter als ein Knoten 6 dargestellt ist, in den Leitungen von den Quellen thermischer Energie eingehen und von dem Leitungen zu den Senken thermischer Energie ausgehen. Die Anlage 60 weist jedoch noch einen Elektrolyseur 16 und einen Methanisierungsreaktor 17 auf. Der Methanisierungsreaktor 17 wandelt auf katalytischer Basis ein Wasserstoff und Kohlendioxid enthaltendes Eduktgas in ein überwiegend Methan enthaltendes Produktgas um, welches wie dargestellt ebenfalls in das Gasnetz 50 einspeisbar ist. Der Wasserstoff wird von dem Elektrolyseur 16 bereitgestellt, der wiederum elektrische Leistung aus dem elektrischen Versorgungsnetz 20 bezieht, bevorzugt dann, wenn die Steuereinrichtung die Anlage in den Regelbetrieb steuert, also auch der Elektroheizer 14 Regelleistung abnimmt. Das für die katalytische Methanisierung benötigte Kohlendioxid wird beispielsweise über eine Leitung 27 aus dem bei der Biogasaufbereitung 12 abgetrennten Kohlenstoffdioxid bezogen.
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Der Methanisierungsreaktor 17 erzeugt aufgrund der exothermen Methanisierungsreaktion Abwärme und stellt somit eine dritte Quelle thermischer Energie bereit, die über Leitung 7 an das Wärmeverteilungsnetz 6 angeschlossen ist.
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Aufgrund der drei vorhandenen Quellen thermischer Energie wird die Variabilität der Gesamtanlage 60 weiter erhöht. Idealerweise kann somit im Regelbetrieb die von den Senken der thermischen Energie angeforderte thermische Leistung zunächst soweit möglich von der Abwärme des Methanisierungsreaktors 17 bereitgestellt werden, ggf. unter zusätzlicher Heizleistung des Elektroheizers 14. In einer weiteren Betriebsart könnte man je nach Verfügbarkeit elektrischer Energie im Netz den Elektrolyseur 16 und den Methanisierungsreaktor 17 weiter in Betrieb halten, den Elektroheizer 14 aber abschalten und den erforderlichen Restbedarf an thermischer Energie über die Einrichtung 13 bereitstellen und dazu einen wenn auch möglichst geringen Anteil p des erzeugten Rohbiogases über Leitung 1 abzweigen. Soll dagegen auch für den Elektrolyseur 16 und den nachgeschalteten Methanisierungsreaktor 17 aufgrund geringer Verfügbarkeit elektrischer Leistung der Betrieb eingestellt werden und diese Komponenten in einen Standby-Modus versetzt werden, ist die Anlage 60 immer noch in der Lage, den Betrieb der Biogaserzeugung 11 und Biogasaufbereitung 12 unter Bereitstellung sämtlicher benötigter thermischer Energie über Einrichtung 13 aufrechtzuerhalten. Letztere Betriebsart entspricht den mit Bezug auf 1 beschriebenen Standardbetrieb.
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Prinzipiell und insbesondere je nach Anlagengröße ist es durchaus denkbar, dass auch im Regelbetrieb ein Teil der erforderlichen thermischen Energie über die Einrichtung 13 bereitgestellt wird. Dann wird der Anteil p des abgezweigten Rohbiogases nicht auf Null gestellt, aber immerhin vermindert, um den Anteil q des zusätzlich eingespeisten Gases entsprechend zu erhöhen. Insbesondere kann auch daran gedacht werden, die Einrichtung 13 in jedem Fall auf einem erforderlichen Minimalgasumsatz immer im Betriebszustand zu lassen, um Aus- und Einschaltvorgänge der Einrichtung 13 zu vermeiden, insbesondere bei häufigem Wechsel zwischen den beschriebenen Betriebsarten.
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Die Erfindung ist nicht auf die anhand der Figuren beschriebenen speziellen Ausführungsformen eingeschränkt. Vielmehr können die Merkmale der nachstehenden Ansprüche sowie der obigen Beschreibung einzeln oder in Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein.
