DE102018117281A1 - Vorrichtung und Verfahren zur biologischen Methanisierung von Kohlenstoffdioxid beispielsweise in Biogasanlagen und Faultürmen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur biologischen Methanisierung von Kohlenstoffdioxid mittels methanogener Mikroorganismen durch Umsetzung von Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid die Folgendes aufweist: (a) einen Reaktor; (b) ein in dem Reaktor bereitgestelltes Medium mit methanogenen Mikroorganismen; (c) eine Zuführeinrichtung zum Zuführen eines H-enthaltenden Gases in das Medium; wobei (d) die Zuführeinrichtung eine Mehrzahl an Gasführungseinheiten umfasst, wobei jede der Gasführungseinheiten eine Mehrzahl an Begasungseinheiten aufweist, die jeweils eine Vielzahl an Auslassöffnungen zum Zuführen des H-enthaltenden Gases in das Medium aufweist, wobei die Zuführeinrichtung derart ausgestaltet ist, dass das Zuführen des H-enthaltenden Gases durch sukzessive Beaufschlagung der Gasführungseinheiten erfolgen kann. Weiterhin betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zur biologischen Methanisierung von Kohlenstoffdioxid in einer Reaktorvorrichtung mittels methanogener Mikroorganismen als Teil eines in einem Reaktor bereitgestellten Mediums, dadurch gekennzeichnet, dass ein H-enthaltendes Gas über eine Mehrzahl an Gasführungseinheiten dem Medium zugeführt wird, wobei jede der Gasführungseinheiten eine Mehrzahl an Begasungseinheiten aufweist, die jeweils eine Vielzahl an Auslassöffnungen aufweisen, wobei das Zuführen des H-enthaltenden Gases durch sukzessive Beaufschlagung der Gasführungseinheiten erfolgt. Dem H-enthaltenden Medium kann nach Bedarf Kohlenstoffdioxid beigemischt werden.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur biologischen Methanisierung von Kohlenstoffdioxid mittels methanogener Mikroorganismen mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur biologischen Methanisierung von Kohlenstoffdioxid in einer Reaktorvorrichtung mittels methanogener Mikroorganismen mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8.
• Alternativ zur Speicherung von elektrischer Energie in Akkumulatoren, wird aus Gesichtspunkten des einfacheren Transports und längerfristiger Speicherung großer Mengen von Energie das Konzept „power-to-gas“ immer wichtiger. Nach diesem Konzept wird beispielsweise überschüssiger elektrischer Strom zur elektrolytischen Spaltung von Wasser in Wasserstoff verwendet, der dann chemisch oder biologisch durch Reaktion mit Kohlenstoffdioxid in speicherbares Methan umgewandelt werden kann. Die chemische Reaktion wird bei Temperaturen von über 180 °C und hohen Drücken erzwungen und nur durch relativ anspruchsvolle Katalysatoren ermöglicht. Dagegen kann die biologische Umwandlung von Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid in Methan durch spezielle Mikroorganismen schon bei Normaldruck und Temperaturen im Bereich von 25-70 °C erfolgen. In natürlichen, anaeroben, wässrigen Ökosystemen, wie Sümpfen, Gewässersedimenten oder überfluteten Böden wird von Konsortien mehrerer Mikroorganismen über eine Abbaukette Methan aus organischem Material, wie Pflanzen- und Tierresten gebildet. In einer 1. Reaktion findet hier eine Hydrolyse von Polymeren zu Oligomeren oder Monomeren statt. In einem 2. Schritt, der Acidogenese, entstehen neben Carbonsäuren, Ethanol, Schwefelwasserstoff und Ammoniak auch Essigsäure, Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid. Im 3. Schritt, der Acetogenese, werden niedere Fett- und Carbonsäuren sowie Alkohole zu Essigsäure umgesetzt. Im 4. Schritt, der Methanogenese, wird Essigsäure und/oder Kohlenstoffdioxid und Wasserstoff durch methanogene Mikroorganismen, den Archaeen, zu Methan umgesetzt.
• Dieser 4. Schritt kann gezielt zur Speicherung von Energie in Form von Methan genutzt werden, wenn dem entsprechendem Medium, das methanogene Mikroorganismen enthält, Kohlenstoffdioxid und Wasserstoff beigesetzt werden. Damit wird das entstehende Kohlenstoffdioxid größtenteils zu Methan umgesetzt. Eine noch größere Methanausbeute kann erzielt werden, wenn darüber hinaus weiteres Kohlenstoffdioxid zugegeben wird. Hier können beispielsweise Reaktoren von Biogasanlagen oder deren Gärrestebehälter verwendet werden, die entsprechende methanogene Mikroorganismen enthalten.
• Solche Vorrichtungen, bei denen der genannte 4. Schritt zur Energiespeicherung in Form von Methan genutzt wird, sind bereits bekannt. Problematisch hat sich hier immer die homogene Verteilung von Wasserstoff im in der Regel wässrigen Medium herausgestellt, das die methanogenen Mikroorganismen enthält. Gleiches gilt auch für eventuell zuzuführende Mengen an Kohlenstoffdioxid. Ist die Menge der Zufuhr dieser beiden Reaktionsedukte größer als deren Umwandlung durch die Mikroorganismen, so enthält das abgeschöpfte Biogas eine zu geringe Menge an Methan.
• Weiterhin ist der pH-Wert des wässrigen Mediums abhängig von der Menge an gelöstem Kohlenstoff im System. Eine Erhöhung des Kohlenstoffdioxidgehalts erniedrigt den pH-Wert des wässrigen Mediums, während ein Absinken des Kohlenstoffdioxidgehalts den pH-Wert erhöht. Beides kann den für die Mikroorganismen geeigneten pH-Wertbereich ungünstig beeinflussen.
• Die Anwesenheit von Kohlenstoffdioxid im System ist aber insbesondere dann wichtig, wenn dem System Wasserstoff zugeführt wird, da dieser dann sofort von den Mikroorganismen verstoffwechselt werden kann. Ist der Kohlenstoffdioxidgehalt zu niedrig, kommt es zur Wasserstoffakkumulation, die ebenso problematisch für die Bakterien ist. Es ist deshalb wichtig, die Kohlenstoffdioxidkonzentration im System auf den idealen Bereich einzustellen.
• Eine weitere große Herausforderung bei der biologischen Methanisierung ist die geringe Löslichkeit von Wasserstoff in wässrigen Medien. Beim Einsatz konventioneller Begasungstechniken kann der eingebrachte Wasserstoff aufgrund des unzureichenden Gas-/Flüssig-Transfers nicht vollständig von der Mikrobiologie umgesetzt werden und geht weitgehend ungenutzt ins Biogas über. Dies ist nicht nur energetisch ungünstig, sondern kann auch bei einer Einspeisung ins Erdgasnetz problematisch sein, da ein Grenzwert von typischerweise 2 Vol.-% Wasserstoff nicht überschritten werden darf.
• Um eine homogene Verteilung von Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid in solchen wässrigen Medien zu ermöglichen, wird im Stand der Technik zumeist eine mechanische Umwälzung des Substrats während der Begasung vorgeschlagen. Durch die mechanische Umwälzung wird jedoch auch eine erhebliche Menge an Energie verbraucht. Weiterhin sind Reaktoren mit Umwälzungsvorrichtungen aufgrund ihres komplizierteren Aufbaus schwieriger zu reinigen.
• Es war deshalb die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zur biologischen Methanisierung von Kohlenstoffdioxid bereitzustellen, bei denen in dem erzeugten Biogas ausreichende Mengen an Methan vorliegen. Zudem soll während der Umsetzung von Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid zu Methan im wässrigen Medium weniger Energie als mit herkömmlichen Anlagen benötigt und eine Vereinfachung hinsichtlich bekannter Vorrichtungen und Verfahren erreicht werden. Dennoch muss die Zufuhr des Wasserstoffs derart erfolgen, dass er ausreichend im Medium gelöst wird. Weiterhin sollte der Kohlenstoffdioxidgehalt so einstellbar sein, dass er im für die Mikroorganismen optimalen Bereich liegt, und dass es zu keiner Wasserstoffakkumulation kommt.
• Die vorliegende Erfindung stellt hierfür eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 bereit. Die erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich zur biologischen Methanisierung von Kohlenstoffdioxid mittels methanogener Mikroorganismen durch Umsetzung von Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid. Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist einen Reaktor, ein in dem Reaktor bereitgestelltes Medium mit methanogenen Mikroorganismen und eine Zuführeinrichtung zum Zuführen eines H₂-enthaltenden Gases in das Medium auf. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführeinrichtung eine Mehrzahl an Gasführungseinheiten umfasst, wobei jede der Gasführungseinheiten eine Mehrzahl an Begasungseinheiten aufweist, die jeweils eine Vielzahl an Auslassöffnungen zum Zuführen des H₂-enthaltenden Gases in das Medium aufweisen, wobei die Zuführeinrichtung derart ausgestaltet ist, dass das Zuführen des H₂-enthaltenden Gases durch sukzessive Beaufschlagung der Gasführungseinheiten erfolgen kann.
• Der Reaktor kann der Reaktor einer Biogasanlage, der Gärrestebehälter einer Biogasanlage oder ein Faulturm sein. Vorzugsweise wird erfindungsgemäß als Reaktor der Gärrestebehälter verwendet. Dies hat den Vorteil, dass der in einer Biogasanlage übrig bleibende Gärrest einer nützlichen Verwendung zugeführt werden kann. Der Reaktor hat vorzugsweise eine Höhe von mehr als 5 m, stärker bevorzugt von mehr als 8 m und noch stärker bevorzugt von mehr als 12 m. Eine ausreichende Höhe ist wichtig, um die Löslichkeit des Wasserstoffs im Substrat zu erhöhen. Der Durchmesser des Reaktors kann in Abhängigkeit vom benötigten Reaktorvolumen und den baulichen Gegebenheiten festgelegt sein.
• Das Medium ist vorzugsweise ein (komplexes) wässriges Medium und enthält neben Wasser und Substrat methanogene Mikroorganismen, insbesondere hydrogenotrophe methanogene Mikroorganismen. Das Substrat umfasst vorzugsweise Kohlenstoffdioxid und Wasserstoff als Hauptkomponenten für die Energiegewinnung der methanogenen Mikroorganismen und kann daneben noch weitere komplexe Zusätze, wie bspw. Jauche, enthalten. Methanogene Mikroorganismen im Sinne der vorliegenden Erfindung sind solche Mikroorganismen, die aus Kohlenstoffdioxid und Wasserstoff oder aus Essigsäure Methan herstellen können, d. h. Methanbildner oder methanbildende Mikroorganismen sind. Hydrogenotrophe methanogene Mikroorganismen im Sinne der vorliegenden Erfindungen sind solche methanogene Mikroorganismen, die aus Kohlenstoffdioxid- und Wasserstoff Methan bilden. Methanogene Mikroorganismen gehören zur Domäne Archaea und darin zum Stamm Euryarchaeota. Methanogene Mikroorganismen gehören u. a. zu den Ordnungen Methanobacteriales, Methanococcales, Methanomicrobiales, Methanocellales, Methanosarcinales und Methanopyrales. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass methanogene Mikroorganismen aus allen Ordnungen stammen können, aber nicht müssen. Es ist daher bevorzugt, dass die methanogenen Mikroorganismen ein Gemisch verschiedener Mikroorganismen des Stamms Euryarchaeota sind. Das Medium kann neben den genannten Mikroorganismen aber auch sämtliche Mikroorganismen enthalten, die in einem Reaktor einer Biogasanlage enthalten sind.
• Unter „sukzessiver Beaufschlagung der Gasführungseinheiten“ versteht man erfindungsgemäß, dass immer nur eine Gasführungseinheit über ihre Begasungseinheiten zur selben Zeit H₂-enthaltendes Gas an das Medium abgibt, d.h. es wird zu keiner Zeit durch alle Gasführungseinheiten gleichzeitig H₂-enthaltendes Gas dem Medium zugeführt. Es kann auch von zeitlich sequenzieller Zuführung des H₂- (und ggf. CO₂-) enthaltenden Gases durch die Gasführungseinheiten gesprochen werden. Auf diese Weise kann in bestimmten zeitlichen Abständen durch unterschiedliche Gasführungseinheiten an unterschiedlichen Punkten dem Medium das H₂-enthaltende Gas zugeführt werden. Weiterhin wird das Gas durch die Mehrzahl an Begasungseinheiten an zwei oder mehr Stellen an das Medium abgegeben. Durch diese Ausgestaltung der Zuführeinrichtung wird die homogene Verteilung des H₂enthaltenden Gases im Medium sichergestellt. Die Vielzahl an Auslassöffnungen der Begasungseinheiten ermöglichen eine Zuführung des Gases in Form winziger Gasblasen. Durch die damit verbundene zeitlich und räumlich unterschiedliche Beaufschlagung des Mediums mit Gas ist eine mechanische Umwälzung mit einem Rührorgan nicht notwendig. Damit ermöglicht die erfindungsgemäße Vorrichtung ein energiearmes Verfahren zur Methanisierung von Kohlenstoffdioxid. Weiterhin ist aufgrund der Abwesenheit eines mechanischen Rührorgans der Reaktor einfach gestaltet und dadurch leicht zu warten bzw. zu säubern.
• Die Begasungseinheiten befinden sich vorzugsweise an der Bodenfläche des Reaktors. Die Begasungseinheiten sind vorzugsweise an verschiedenen Stellen verteilt an der Bodenfläche des Reaktors angebracht. Auch auf diese Weise kann eine homogenere Verteilung des Wasserstoffs im Medium erreicht werden. Die Begasungseinheiten weisen eine Vielzahl von Auslassöffnungen auf, die vorzugsweise Bestandteil einer Membran sein können. Die Begasungseinheiten sind vorzugsweise Membranbelüfter, insbesondere Membrantellerbelüfter.
• Jede der Gasführungseinheiten kann zwei, drei oder mehr Begasungseinheiten aufweisen.
• Die Zuführeinrichtung weist vorzugsweise eine Hauptzuführleitung für das H₂-enthaltende Gas auf. Diese Hauptzuführleitung spaltet sich vorzugsweise in die Mehrzahl an Zuführleitungen auf, die Bestandteil der Gasführungseinheiten sind. Jede der Mehrzahl an Zuführleitungen versorgt vorzugsweise eine der Begasungseinheiten. Jede der Zuführleitungen für die Begasungseinheiten weist vorzugsweise ein ansteuerbares Ventil zum Zuführen des H₂-enthaltenden Gases auf. Alternativ dazu kann auch an dem Punkt, an dem sich die Hauptzuführleitung in die einzelnen Zuführleitungen für die Gasführungseinheiten aufspaltet, ein ansteuerbares Mehrwegventil vorhanden sein, das die sequenzielle Zuführung von dem H₂-enthaltenden Gas durch immer nur eine der Zuführleitungen für die Gasführungseinheiten ermöglicht.
• Die Zuführeinrichtung weist vorzugsweise eine Steuereinheit auf, die derart ausgestaltet ist, dass sie die sukzessive Beaufschlagung jeweils nur eines Teils der Gasführungseinheiten mit H₂-enthaltendem Gas steuern kann. Die Steuereinheit ist vorzugsweise derart ausgestaltet, dass sie die Intervalle steuert, in denen die Zuführung des H₂-enthaltenden Gases erfolgt. Hier wird auf die entsprechende Beschreibung des untenstehenden Verfahrens verwiesen. Die Steuereinheit für die ansteuerbaren Ventile kann unabhängig von einer gemessenen Zusammensetzung des erhaltenen Biogases sein. Sie kann die Ventile aber auch in Abhängigkeit der Menge an Substrat, der Menge an Biogas und der Zusammensetzung des Biogases regeln. Ist diesem Fall ist die Steuereinheit eine Regelungseinheit.
• Das H₂-enthaltende Gas kann nur Wasserstoff enthalten, es kann aber auch zusätzlich zum Wasserstoff Kohlenstoffdioxid beigemischt werden, um bei Bedarf den Gehalt an Kohlenstoffdioxid im Medium zu erhöhen.
• Die zuzuführende Menge an H₂-enthaltendem Gas oder die Menge des dem H₂-enthaltenden Gas beizumischendem Kohlenstoffdioxid wird vorzugsweise ebenso durch eine Regelungseinheit geregelt, die dieselbe Regelungseinheit wie die zuvor Genannte sein kann. Die Regelungseinheit(en) kann/können (eine) analoge Regelungseinheit(en) oder ein oder mehrere Recheneinheiten sein.
• Die Menge des dem H₂-enthaltenden Gases beizumischendem Kohlenstoffdioxid ist abhängig von der gemessenen Menge an Kohlenstoffdioxid im Reaktor. Wichtig ist, dass die Menge an Kohlenstoffdioxid im Biogas immer mindestens 2 Vol.-%, vorzugsweise mindestens 5 Vol.-% ist. In anderen Worten ist die Regelungseinheit derart ausgestaltet, dass sie spätestens bei einem Absinken des Gehalts an Kohlenstoffdioxid im Biogas auf 2 Vol.-%, vorzugsweise auf 5 Vol.-% den Gehalt an Kohlenstoffdioxid im H₂- enthaltenden Gas erhöht und /oder den Gehalt an H₂ im H₂-enthaltenden Gas erniedrigt. Falls es sich bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung um eine umzubauende Biogasanlage, einen Gärrestbehälter oder Faulturm handelt, dem sowieso eine Kohlenstoffdioxid-Abscheideanlage zugeordnet ist, kann die Regelungseinheit auch so parametriert werden, dass ein höherer Kohlenstoffdioxidgehalt im Biogas eingeregelt wird. Damit kann eine insgesamt höhere Biogasproduktion erreicht werden.
• Zur Messung der Menge an Kohlenstoffdioxid im Reaktor weist die erfindungsgemäße Vorrichtung ein Kohlenstoffdioxidmessgerät auf, das die entsprechende Information an die Regelungseinheit weitergibt. Ebenso weist die erfindungsgemäße Vorrichtung ein oder mehrere Messgeräte zur Messung des Gehalts an Wasserstoff und Methan im Biogas auf. Das/die zuletzt genannte(n) Messgerät(e) liefern/liefert die entsprechende Information ebenso an die Regelungseinheit. Das/die Messgerät(e) zur Messung des Gehalts an Kohlenstoffdioxid, Wasserstoff und Methan sind Messgeräte, die auf Basis gaschromatographischer oder sonstiger Messungen arbeiten.
• Die Menge der Zufuhr des Wasserstoffs an das wässrige Medium kann auf verschiedene Weise geregelt werden: Es kann der Volumenstrom des H₂-enthaltenden Gases reduziert oder erhöht werden. Es kann aber auch bei gleichbleibendem Volumenstrom der Anteil an Kohlenstoffdioxid verändert werden. Die Menge des beizumischenden Kohlenstoffdioxids hängt wiederum von dem gemessenen Gehalt an Kohlenstoffdioxid im Biogas ab (siehe weiter oben). Damit das H₂-enthaltende Gas sowohl Wasserstoff als auch Kohlenstoffdioxid enthalten kann, sind jeweils eine Wasserstoffquelle und eine Kohlenstoffdioxidquelle an die Hauptzuführleitung angeschlossen. Die Abgabe von Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid aus diesen Quellen in die Hauptzuführleitung wird mittels weiterer Ventile ermöglicht, die ebenso von der Regelungseinheit geregelt werden können. In anderen Worten ist die Regelungseinheit auch derart ausgestaltet, dass sie in Abhängigkeit von der gemessenen Menge an Kohlenstoffdioxid im Biogas die Menge an Kohlenstoffdioxid im H₂-enthaltenden Gas regeln kann.
• Weiterhin kann die erfindungsgemäße Vorrichtung auch eine Zuführleitung für das Medium aufweisen. Die zugeführte Menge an Medium kann mit einem Durchflussmengenmesser gemessen werden. Die damit erhaltene Information wird vorzugsweise ebenso an die Regelungseinheit weitergegeben, die gegebenenfalls in Abhängigkeit der Messung der Zusammensetzung des Biogases die Durchflussmenge an Medium erhöhen oder erniedrigen kann. Hierfür weist die erfindungsgemäße Vorrichtung vorzugsweise ein ansteuerbares Ventil zur Zuführung des Mediums in den Reaktor auf. Dieses Ventil kann von der Regelungseinheit gesteuert oder geregelt werden. Die Zuführleitung für das Medium ist vorzugsweise am unteren Ende des Reaktors, d.h. in der Nähe des Bodens angeordnet. Es ist nämlich wichtig, dass die Aufnahmekapazität des Mediums von Wasserstoff von oben nach unten im Reaktor zunimmt, da dann eine maximale Löslichkeit von Wasserstoff im Medium gewährleistet ist, und der Methangehalt im Biogas möglichst hoch ist.
• Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist vorzugsweise auch eine Abführleitung für das Medium auf, die sich vorzugsweise am oberen Ende des Reaktors befindet. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass das Medium aus dem Reaktor entfernt wird, das die geringste Aufnahmekapazität an Wasserstoff aufweist.
• Weiterhin weist die erfindungsgemäße Vorrichtung vorzugsweise eine Abführleitung für das entstandene Biogas auf, die sich vorzugsweise mittig an den Reaktordeckel anschließt. Die Messgeräte zur Messung des Gehalts an Kohlenstoffdioxid, Wasserstoff und Methan im Biogas sind vorzugsweise mit dieser Abführleitung verbunden.
• Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann auch eine Einrichtung zum elektrolytischen Spalten von Wasser aufweisen, die das H₂-enthaltende Gas mit Wasserstoff versorgt.
• Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann weiterhin eine Aufbereitungsanlage für das damit erhaltene Biogas aufweisen. Hier wird Kohlenstoffdioxid von dem Biogas abgetrennt und damit die Methankonzentration im Biogas erhöht. Das ist dann wichtig, wenn eine hohe Produktionsrate angestrebt wird. Eine direkte Einspeisung ins Erdgasnetz kann in vielen Fällen bereits erfolgen, wenn der Kohlenstoffdioxidgehalt geringfügig über 2% liegt. Die Aufbereitungsanlage ist mit dem Reaktor vorzugsweise derart verbunden, dass das abgetrennte Kohlenstoffdioxid der Zuführeinrichtung für das H₂-enthaltende Gas zugeführt werden kann.
• Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung auch ein Verfahren zur biologischen Methanisierung von Kohlenstoffdioxid in einer Reaktorvorrichtung mittels methanogener Mikroorganismen als Teil eines in einem Reaktor bereitgestellten wässrigen Mediums, dadurch gekennzeichnet, dass ein H₂-enthaltendes Gas über eine Mehrzahl an Gasführungseinheiten dem Medium zugeführt wird, wobei jede der Gasführungseinheiten eine Mehrzahl an Begasungseinheiten aufweist, die jeweils eine Vielzahl an Auslassöffnungen aufweisen, wobei das Zuführen des H₂-enthaltenden Gases durch sukzessive Beaufschlagung jeweils nur eines Teils der Gasführungseinheiten erfolgt.
• Vorzugsweise wird für das erfindungsgemäße Verfahren eine erfindungsgemäße Vorrichtung verwendet. Alle verfahrensgemäßen Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind somit auch Bestandteil des erfindungsgemäßen Verfahrens. Ebenso sind die oben genannten Bestandteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung derart ausgestaltet, dass sie alle erfindungsgemäßen Verfahrensschritte ermöglichen.
• Wie schon weiter oben genannt, erfolgt die Zuführung des H₂-enthaltenden Gases sequenziell durch Gasführungseinheiten, vorzugsweise so, dass immer nur durch eine Gasführungseinheit zeitgleich Gas zugeführt wird. Die Begasungszeit durch eine Gasführungseinheit wird als Begasungsintervall bezeichnet. Das Begasungsintervall jeder Gasführungseinheit ist vorzugsweise gleich groß. Das Begasungsintervall hängt von der Größe des Reaktors, der Anzahl der Gasführungseinheiten, der Anzahl der Begasungseinheiten und der Menge des im Reaktor befindlichen Mediums sowie der Menge an methanogenen Mikroorganismen im Medium ab. Aus Gründen der vorteilhaften und gleichmäßigen Verteilung von Wasserstoff im Medium liegt das Begasungsintervall vorzugsweise in einem Bereich von 1 bis 3 Sekunden. Zwischen jedem Begasungsintervall wird vorzugsweise eine Pausenzeit von mindestens 10 s, stärker bevorzugt im Bereich von 10 s bis 1 min eingelegt, um eine ausreichende Löslichkeit des Wasserstoffs im Medium zu erreichen.
• Zugeführt wird das H₂-enthaltende Gas durch die Auslassöffnungen, die beispielsweise Teil einer Membran sind, vorzugsweise feinporig. Die durchschnittliche Blasengröße des zugeführten H₂-enthaltenden Gases ist vorzugsweise kleiner als 2 mm, stärker bevorzugt kleiner als 1 mm. Das wird nur dadurch erreicht, dass der Volumenstrom hoch ist. Wird der Volumenstrom zu niedrig, werden die Blasen zu groß. Dadurch wird keine ausreichende Löslichkeit des Wasserstoffs im Medium erreicht. Um dennoch bei einem hohen Volumenstrom keine zu hohen Konzentrationen an Wasserstoff im Medium zu erreichen, wird vorzugsweise die Einschaltzeit des Ventils der Gasführungseinheit, d.h. das Begasungsintervall verkürzt. Durch Einhaltung der angegebenen Pausenzeiten wird sichergestellt, dass keine zu hohe Menge an Wasserstoff an das Medium abgegeben wird.
• Die Temperatur des Mediums im Reaktor liegt während dem erfindungsgemäßen Verfahren vorzugsweise in einem Bereich von 30 °C bis 70 °C, stärker bevorzugt in einem Bereich von 30 °C bis 40 °C. Das erfindungsgemäße Verfahren läuft vorzugsweise bei Umgebungsdruck an der Flüssigkeitsoberfläche ab.
• In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird von dem erhaltenen Biogas in einem Aufbereitungsschritt Kohlenstoffdioxid abgetrennt. Dies erfolgt vorzugsweise in einer nachgeschalteten Aufbereitungsanlage, wie sie auch weiter oben in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung genannt ist. Das so erhaltene Kohlenstoffdioxid kann dem H₂-enhaltenden Gas bei Bedarf zugeführt werden.
• Das erfindungsgemäße Verfahren wird vorzugsweise zur Speicherung von elektrischer Energie in Form von Methan eingesetzt. Hierfür wird Wasser elektrolytisch in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten. Dafür wird vorzugsweise im Netz überschüssiger Strom verwendet. Da das Stromnetz großen Schwankungen und somit das erfindungsgemäße Verfahren einem Lastwechsel unterliegen kann, war es notwendig, das Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Vorrichtung so zu entwickeln, dass selbst bei größeren Lastwechseln im Stromnetz Methan langfristig stabil produziert werden kann. Es hat sich bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt, dass das erfindungsgemäß verwendete System mit einer schnellen Anpassung der Methanbildung reagiert, sodass ein Lastwechsel durch Netzschwankungen gut toleriert bzw. aufgefangen werden kann.
• Die vorliegende Erfindung soll nun anhand der folgenden 1 und des Ausführungsbeispiels erläutert werden, ist jedoch nicht auf diese spezielle Ausführungsform beschränkt.
• 1: 1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung, die in dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendet werden kann.
• 2: 2 zeigt schematisch den Aufbau einer Anlage zur Herstellung von Biogas, wie sie im Vergleichsbeispiel verwendet wird.
• 3: 3 zeigt schematisch den Aufbau einer Anlage zur Herstellung von Biogas, wie sie im erfindungsgemäßen Beispiel 1 verwendet wird.
• 4: 4 zeigt schematisch den Aufbau einer Anlage zur Herstellung von Biogas, wie sie im erfindungsgemäßen Beispiel 2 verwendet wird.
• 5: 5 zeigt schematisch den Aufbau einer Anlage zur Herstellung von Biogas, wie sie im erfindungsgemäßen Beispiel 3 verwendet wird.
• 1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung. Die Vorrichtung enthält einen Reaktor 1, der ein Fermenter, ein Biogasreaktor oder ein Gärrestelager sein kann. Der Reaktor 1 kann eine Zuführleitung 2 für Medium und eine Abführleitung 3 für Medium aufweisen. Die Zuführleitung 2 ist vorzugsweise in Bodennähe und die Abführleitung 3 im oberen Bereich des Reaktors 1 angebracht. An der Zuführleitung kann ein Regelorgan FIC1 zur Messung und Regelung der zugeführten Substratmenge angebracht sein. Diese Regelorgan FIC1 kann ein ansteuerbares Ventil an der Zuführleitung 2 regeln und weist vorzugsweise einen Durchflussregler für das wässrige Medium auf. Vorzugsweise an der höchsten Stelle des Reaktors 1 befindet sich eine Abführleitung 4 für Biogas. Diese Abführleitung kann Messgeräte QIC/FIC2 zur Messung der Menge und der Zusammensetzung des Biogases aufweisen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann ebenso eine Steuerungs-/Regelungseinheit UIC aufweisen, die beispielsweise eine Recheneinheit ist. Die Einheit UIC wird vorzugsweise mit den durch FIC1, QIC und FIC2 erhaltenen Daten gefüttert. Daraus werden das optimale Begasungsintervall, die Menge des zuzuführenden H₂-enthaltenden Gases, der Anteil des darin beizumengenden Kohlenstoffdioxids und die Menge des dem Reaktor 1 zuzuführenden Mediums ermittelt. Dafür kann die Einheit UIC mit einem Ventil der Einheit FIC1, mit einem ansteuerbaren Ventil 101 zur Zuführung von Wasserstoff und einem ansteuerbaren Ventil 102 zur Zuführung von Kohlenstoffdioxid in Verbindung stehen. Über die Ventile 101 und 102 kann die Einheit UIC den Volumenstrom des zuzuführenden H₂-enthaltenden Gases und den Anteil an Kohlenstoffdioxid in diesem Gas regeln. Die Durchflussrate bei den Ventilen 101 und 102 wird über die Durchflussmengenmesser FIC3 und FIC4 abgegriffen. Über das Ventil der Einheit FIC1 kann die Menge des zuzuführenden Mediums geregelt werden. Die Zuführleitungen 5 und 6 speisen vorzugsweise eine Hauptzuführleitung, die sich in eine Mehrzahl an Nebenzuführleitungen (in 1 beispielsweise 5 Leitungen) aufspaltet. Jede dieser Nebenzuführleitungen weist ein ansteuerbares Ventil 110 bis 114 auf, die in Intervallen betätigt werden können. Die Ventile 110 bis 114 können von der Einheit UIC gesteuert bzw. geregelt werden. Jede der Nebenzuführleitungen kann eine Mehrzahl an Begasungseinheiten 201 bis 210 aufweisen (in 1 weist jede Nebenzuführleitung 2 Begasungseinheiten auf). Die Begasungseinheiten 201 bis 210 weisen eine Vielzahl an Auslassöffnungen auf, die zu Blasenschwärmen 301 bis 310 führen.
• Die 2 bis 5 sind anhand der folgenden Beispiele erläutert.
• Beispiele:
• Vergleichsbeispiel:
• 2 zeigt schematisch den Aufbau einer Anlage zur Herstellung von Biogas, wie sie in diesem Vergleichsbeispiel verwendet wird. Hier wird als Reaktor der Fermenter 8a einer Biogasanlage verwendet In den Fermenter wird das wässrige Medium 7 eingebracht. Der Fermenter 8a hat eine Höhe von 12 m und einen Durchmesser von 20 m. In den Fermenter wird kein zusätzliches Gas eingespeist. In diesem Fermenter 8a entsteht 264 Nm³/h Biogas 9 mit einer Konzentration von 50 Vol.-% Kohlenstoffdioxid und 50 Vol.-% Methan. Dieses Biogas 9 wird in einer nachgeschalteten Aufbereitungsanlage 10 in einen ersten Gasstrom 11 mit 99,5 Vol.-% Kohlenstoffdioxid und 0,5 Vol.-% Methan (128,5 Nm³/h) und in einen zweiten Gasstrom 12 mit 97 Vol.-% Methan und 3 Vol.-% Kohlenstoffdioxid (135,5 Nm³/h) aufgetrennt. Der Kohlenstoffdioxidgehalt des zweiten Gasstroms 12 ist hier ausreichend gering, um in ein Erdgasnetz eingespeist zu werden. Der erste Gasstrom 11 wird allerdings nicht weiter genutzt und an die Umgebung abgegeben,
• Erfindungsgemäßes Beispiel 1:
• 3 zeigt schematisch den Aufbau einer Anlage zur Herstellung von Biogas 9, wie sie in diesem Beispiel verwendet wird. Die Anlage enthält einen Fermenter 8a und eine Aufbereitungsanlage 10 zur Aufbereitung des Biogases 9. Es wird ein Fermenter 8a und ein Medium 7 wie aus dem Vergleichsbeispiel verwendet. Jedoch wird in den Fermenter 8a eine Zuführvorrichtung für Wasserstoff 13 eingebaut. Diese Variante eignet sich beispielsweise zur Nachrüstung bestehender Biogasanlagen, bei der die Aufbereitungsanlage schon vorhanden ist. In den Fermenter 8a werden 80 Membrantellerbelüfter als Begasungseinheiten eingebaut (ca. 1 Einheit/ 4 m²). Dabei werden jeweils 10 Begasungseinheiten zusammengefasst, so dass der Fermenter 8a acht Gasführungseinheiten mit insgesamt acht ansteuerbaren Ventilen aufweist. Die Gasführungseinheiten werden nacheinander jeweils 2 s mit H₂- und CO₂-enthaltendem Gas beaufschlagt. Ein Begasungsintervall beträgt 16 s (2 s Beaufschlagung, dann 14 s Pause, usw.). In dem Fermenter 8a werden 311 Nm³/h Biogas 9 erhalten, das 85 Vol.-% CH₄ und 15 Vol.-% CO₂ aufweist. Dieses Biogas wird der nachgeschalteten Aufbereitungsanlage 10 zugeführt. Hier wird das Biogas 9 in einen ersten Gasstrom 11 (38 Nm³/h) aus 99,5 Vol.-% CO₂ und 0,5 Vol.-% CH₄ und einen zweiten Gasstrom 12 (272 Nm³/h) aus 97 Vol.-% CH₄ und 3 Vol.-% CO₂ aufgetrennt. Der zweite Gasstrom 12 kann in ein Erdgasnetz eingespeist werden. Der erste Gasstrom 11 wird zusammen mit 595 Nm³/h Wasserstoff über die Begasungseinheiten dem Medium im Fermenter 8a zugeführt. Auf diese Weise kann die CO₂-Bilanz verbessert werden.
• Erfindungsgemäßes Beispiel 2:
• Die in diesem Beispiel verwendete Verfahrensführung ist in 4 gezeigt. Hier wird ein Fermenter 8a und ein Medium 7 wie im Beispiel 1 eingesetzt. Da keine Aufbereitungsanlage nachgeschaltet ist, muss zur Produktion von Biogas, das in das Erdgasnetz eingespeist werden kann, ein erhöhter Aufwand zur Begasung betrieben werden. Nur so kann der Wasserstoff gleichmäßiger und feiner verteilt werden. In diesem Fall werden 320 Membrantellerbelüfter als Begasungseinheiten in den Boden des Fermenters 8a eingebaut (ca. 1 Einheit/ 1 m²). Dabei werden jeweils 10 Begasungseinheiten zusammengefasst, so dass 32 Schaltventile benötigt werden. Die Begasungseinheiten werden nacheinander 1 s mit Gas beaufschlagt. Das Begasungsintervall beträgt 32 s (d.h. 1 s Begasung und 31 s Pause). Es wird insgesamt mit einem Volumenstrom von 472 Nm³/h Wasserstoff begast. Es werden 278 Nm³/h Biogas mit einem Methananteil von 95 Vol.-% erhalten.
• Erfindungsgemäßes Beispiel 3:
• Anstelle eines Fermenters wird ein Gärrestelager 8b als Reaktor verwendet. Da der Gärrest sehr wenig Kohlenstoffdioxid enthält, muss in dieser Variante Kohlenstoffdioxid aus externen Quellen in das Gärrestlager gegeben werden. Der Aufbau einer solchen Anlage ist in 5 gezeigt.
• Bezugszeichenliste

1

Reaktor

2

Zuführleitung für Medium

3

Abführleitung für Medium

4

Abführleitung für Biogas

5

Zuführleitung für Wasserstoff

6

Zuführleitung für Kohlenstoffdioxid

7

Medium

8a

Fermenter

8b

Gärrestelager

9

Biogas

10

Aufbereitungsanlage

11

erster Gasstrom

12

zweiter Gasstrom/Gasstrom zum Einspeisen ins Erdgasnetz

13

Wasserstoff

101

ansteuerbares Ventil zur Zuführung von Wasserstoff

102

ansteuerbares Ventil zur Zuführung von Kohlenstoffdioxid

110 bis 114

ansteuerbare Ventile

201 bis 210

Begasungseinheiten mit einer Vielzahl an Auslassöffnungen

301 bis 310

Blasenschwärme des zugeführten H2-enthaltenden Gases

FIC1

Regelorgan zur Regelung der zugeführten Substratmenge

QIC/FIC2

Messgeräte zur Messung der Menge und Zusammensetzung des Biogases

UIC

Steuerungs-/Regelungseinheit

FIC3

Durchflussmengenmesser für Kohlenstoffdioxid

FIC4

Durchflussmengenmesser für Wasserstoff

Claims (15)

1. Vorrichtung zur biologischen Methanisierung von Kohlenstoffdioxid mittels methanogener Mikroorganismen durch Umsetzung von Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid die Folgendes aufweist: (a) einen Reaktor (1); (b) ein in dem Reaktor (1) bereitgestelltes Medium mit methanogenen Mikroorganismen; (c) eine Zuführeinrichtung zum Zuführen eines H₂-enthaltenden Gases in das Medium; dadurch gekennzeichnet, dass (d) die Zuführeinrichtung eine Mehrzahl an Gasführungseinheiten umfasst, wobei jede der Gasführungseinheiten eine Mehrzahl an Begasungseinheiten (201 bis 210) aufweist, die jeweils eine Vielzahl an Auslassöffnungen zum Zuführen des H₂-enthaltenden Gases in das Medium aufweist, wobei die Zuführeinrichtung derart ausgestaltet ist, dass das Zuführen des H₂-enthaltenden Gases durch sukzessive Beaufschlagung der Gasführungseinheiten erfolgen kann.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, worin die Zuführeinrichtung eine Hauptzuführleitung für das H₂-enthaltende Gas aufweist, die sich in eine Mehrzahl an Zuführleitungen für jede Gasführungseinheit aufspaltet.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, worin jede der Zuführleitungen für jede Gasführungseinheit ein ansteuerbares Ventil (110 bis 114) zum Steuern des Zuführens des H₂-enthaltenden Gases aufweist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, worin die Zuführeinrichtung eine Steuerungs-/Regelungseinheit (UIC) aufweist, die derart ausgestaltet ist, dass sie die sukzessive Beaufschlagung jeweils nur einer der Gasführungseinheiten mit H₂-enthaltendem Gas steuern/regeln kann.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, worin die Steuerungs-/Regelungseinheit derart ausgestaltet ist, dass sie in Abhängigkeit der Menge an Substrat, der Menge an Biogas und der Zusammensetzung des Biogases die ansteuerbaren Ventile (110 bis 114) regeln kann.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, worin die Hauptzuführleitung eine Zuführleitung für Wasserstoff und eine Zuführleitung für Kohlenstoffdioxid aufweist, wobei diese Zuführleitungen jeweils ein ansteuerbares Ventil (101, 102) aufweisen.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, worin mithilfe der ansteuerbaren Ventile (101, 102) in Abhängigkeit der Menge an Substrat, der Menge an Biogas und der Zusammensetzung des Biogases dem H₂-enthaltenden Gas Kohlenstoffdioxid beigemengt werden kann.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, die zusätzlich eine Aufbereitungsanlage zur Abtrennung von Kohlenstoffdioxid und zur Erhöhung der Methankonzentration aufweisen kann.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, worin die Aufbereitungsanlage mit dem Reaktor derart verbunden ist, dass das abgetrennte Kohlenstoffdioxid der Zuführeinrichtung zugeführt werden kann.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, worin die Begasungseinheiten Membranen aufweisen, die die Auslassöffnungen aufweisen.
11. Verfahren zur biologischen Methanisierung von Kohlenstoffdioxid in einer Reaktorvorrichtung mittels methanogener Mikroorganismen als Teil eines in einem Reaktor bereitgestellten Mediums, dadurch gekennzeichnet, dass ein H₂-enthaltendes Gas über eine Mehrzahl an Gasführungseinheiten dem Medium zugeführt wird, wobei jede der Gasführungseinheiten eine Mehrzahl an Begasungseinheiten aufweist, die jeweils eine Vielzahl an Auslassöffnungen aufweisen, wobei das Zuführen des H₂-enthaltenden Gases durch sukzessive Beaufschlagung der Gasführungseinheiten erfolgt.
12. Verfahren nach Anspruch 11, worin als Reaktorvorrichtung eine Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 verwendet wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, worin von dem mit dem Verfahren erhaltenen Biogas in einem Aufbereitungsschritt Kohlenstoffdioxid abgetrennt wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, worin dem H₂-enhaltenden Gas Kohlenstoffdioxid zugeführt wird.
15. Verfahren nach Anspruch 14, worin das Kohlenstoffdioxid aus dem Aufbereitungsschritt stammt.

Images