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Die Erfindung betrifft ein neues Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung für die Umwandlung von Kohlendioxid und Wasserstoff zu Methan. Mögliche Anwendungsgebiete sind die Steigerung des Methan-Anteils in Biogasanlagen auf über 85% Methan.
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Stand der Technik
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Der Sabatier-Prozess oder die Sabatier-Reaktion, benannt nach dem französischen Chemiker Paul Sabatier und von diesem 1902 mit Jean Baptiste Senderens erfunden, [Sabatier, Senderens Compte Rendu Acad. Sci., Band 134, 1902, S. 689] beschreibt eine chemische Reaktion, bei der Kohlenstoffdioxid und Wasserstoff in Methan und Wasser umgewandelt werden. Die Reaktion wird durch folgende Reaktionsgleichung beschrieben:
CO2 + 4 H2 → CH4 + 2 H2O ΔH° = -165 kJ / mol Gl. 1
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Die Reaktion verläuft stark exotherm.
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Bei erhöhter Temperatur und erhöhtem Druck läuft die Reaktion unter Verwendung eines Nickel-Katalysators ab, effektiver ist die Verwendung von Ruthenium auf einem Aluminiumoxid-Substrat. Oft ist auch ein Sabatier-Prozess in Verbindung mit einer Wasserstoff-Elektrolyse technisch relevant, da sich so Methan und Sauerstoff erzeugen lassen
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Die Reaktionsgleichung lautet dann
CO2 + 4H2 → CH4 + 2 H2O → CH4 + 2 H2 +O2. Gl. 2
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Ein neuer Ansatz ist die Umwandlung von Strom zu synthetischem Erdgas. Dabei wird mit überschüssigem Strom zunächst Wasserstoff durch Elektrolyse mit einem Wirkungsgrad von 57 bis 73 Prozent erzeugt. Mit dem Sabatier-Prozess wird anschließend Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid zu Methan umgewandelt, wobei das Methan (CH4) vor Ort gespeichert oder in Erdgasleitungen eingespeist und in großen Erdgasspeichern zwischengelagert werden kann. Beim Verbrennen in der z. Z. (2011) modernsten Gasturbine SGT5-8000H, ist der Wirkungsgrad 60,3 % und somit der Verlust in diesem Prozessabschnitt 39,7 %. [Matthias Brake: Erdgasleitungen als Speicher für Windenergie. In: Telepolis. Abgerufen am 18. April 2011].
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Wege der Methanogenese sind bekannt und von Costa and Leigh 2014 zusammengefasst worden (1). Die Reaktionen von hydrogenotropher (feste schwarze Linien), methylotropher (gestrichelte schwarze Linien) und acetiklastischer (graue Linien) Methanogenese sind dargestellt. (Costa K und Leigh A. Metabilic versatility in methanogens, current option in Biotechnology 2014, 29:70-75).
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Zum Stand der Technik gehört auch die Veröffentlichung von Nuri Azbar et al., die am 28. November 2017 online auf der Web-Seite https://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/09593330.2017.1406537?scroll=top&needAcc ess=true veröffentlicht wurde. In dieser Studie wurde die anaerobe Biokonversion von CO2 in Biomethan mittels einer neuartigen Bioprozesskonfiguration (HYBRID-Bioreaktor) unter mesophilen Bedingungen untersucht. Eine Abbildung des dort beschriebenen HYBRID-Bioreaktors ist in 2 dargestellt.
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Dieser HYBRID-Bioreaktor besteht aus gemäß 2 aus einem Granulatschlamm, der die anaeroben Bakterien für die Methanisierung enthält und darüber befindet sich ein Stahlkorb mit Ringen zur Immobilisierung. Dieser Reaktor stellt aber nur einen Prototyp dar und ist nicht für eine technische Anwendung geeignet.
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Nachteil der bekannten technischen Lösungen
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Die bekannten technischen Lösungen arbeiten bei hohen Drücken und hohen Temperaturen mit Katalysatoren. Gemäß Gleichung 2 (siehe oben) kann es dabei zur elektrolytischen Spaltung von Wasser kommen und damit zur Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff in einer Vorrichtung, wobei es zur Knallgas-Explosion kommen kann.
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Die Nachteile des oben beschriebenen HYBRID-Bioreaktors sind folgende:
- - Die Ausbeute an CH4 aus den Einsatzstoffen erreicht nicht mehr als 85%
- - Der realisierte Volumenstrom führt zu einem riesigen Volumenbedarf
- - Für die erforderlichen Volumina in üblichen Kolonnenreaktoren ergeben sich Probleme bzgl. der Durchdringung ausgehend vom bakteriellen Granulat-Katalysator
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Aufgabe der Erfindung
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Die Aufgabe der Erfindung bestand darin, die Nachteile der im Stand der Technik beschriebenen technischen Lösungen zu beseitigen.
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Lösung der Aufgabe
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Die Aufgabe wurden gemäß den Merkmalen der Patentansprüche gelöst. Erfindungsgemäß wird ein verbessertes Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung zur Methanisierung von Kohlendioxid bereitgestellt. Das Verfahren läuft bei sowohl bei normalen als auch bei erhöhten Temperaturen ab.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist schematisch in 3 abgebildet.
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Im Unterschied zum oben beschriebenen HYBRID-Bioreaktor werden die Reaktorräume in der Kombination Granulat-Katalysator/Mikrobieller-Siedlung-Reaktionsraum mehrfach in einer Mikro-Kolonne zu einem Mehrfach-Reaktor aufgeschichtet. Die Schichtung erfolgt senkrecht übereinander in wechselbaren Einfüllschächten als Füllkörbe mit Flüssigkeits- und gasdurchlässigem Boden. Die Mikro-Kolonne besteht aus vorzugsweise rechteckigen oder zylindrischen Bauteilen.
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Die Mikro-Kolonnen werden - gemäß einer bevorzugten Ausführungsform - als Einschub-System und mit Gleiteinrichtungen ausgestattetes Grundmodul hergestellt. Mit diesem Grundmodul können ein containerartiges Behältnis ausgefüllt oder auch kleinere Einheiten errichtet werden. Mit diesen Grundmodulen entsteht ein variables System zur Container-Beschickung und -entnahme.
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Das Containergefäß ist vorzugsweise mit öffenbaren, gas- und flüssigkeitsdichten Wandbauteilen versehen, wodurch eine Regeneration und Erneuerung der installierten Bauteile ermöglicht wird. Mit diesen Grundmodulen entsteht ein variables System zur Container-Beschickung und -entnahme.
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Das Container Gefäß kann aus korrosionsfestem und H2-dichtem verschweißbaren Kunststoffmaterial Verbundwerkstoffen (Folien) hergestellt werden.
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In einer speziellen Ausführungsvariante der Erfindung kann für die Erhöhung der Effizienz des Systems der Druck im Systems durch die senkrechte Schichtung der Basisreaktoreinheiten je Containereinheit auf ca. 1,2 bar abs. erhöht werden.
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Für die Reaktionseffizienz sind nicht nur die Druckerhöhung, die Feinperligkeit des einströmenden Gases, sondern auch die Verweilzeit in der Kolonne entscheidend. Hierdurch wird die Löslichkeit bzw. der Lösungsgrad der Gase in der wässrigen Suspension als Reaktionsraum beeinflusst.
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Die Feinperligkeit wird durch den Einsatz von vorgemischtem Gas aus einer Vormischkammer sowie die anschließende Verteilung durch Membran-Diffusoren unterhalb des durchlässigen Kolonnenbodens erzielt. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform dienen dafür Membran-Tellerbelüfter gemäß 8.
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Durch den Einsatz von Gasleiteinsätzen (entspricht in der Form einer Förderschnecke d.h. kurze Segmente davon senkrecht in die Kolonne gestapelt siehe Anlage angepasste Zeichnung kommt) in den Kolonnen wird die Verweilzeit des aufsteigenden Gases bestimmt und verlängert. Die Löslichkeit der Gase wird hiermit zusätzlich zum erhöhten Druck verbessert.
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Mit diesen Maßnahmen wird ein variabler Umsetzungsgrad der Ausgangsgase CO2 und H2 auch größer als 85% Methananteil erzielt.
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Die Containerbehälter mit ihren inhaltlich platzierten Grundmodulen der Mehrfach-Reaktoren und der integrierten Mikro-Kolonnen des Hybrid-Reaktors können zu Verbünden in diverser Anzahl zu einem Makro-Reaktor (diverse Containerbehälter, wie oben beschrieben) zusammengeschaltet werden.
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Durch gezielte Reihenschaltung und die Gasmengen- und qualitätsabhängige Umschaltung der Container-Behälter-Verbände wird ein Maximum des CH4 Gehaltes im das System verlassenden Reaktionsendprodukt-Gas bis nahezu 99% igem Anteil erzielt.
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Dadurch ist das System geeignet, wechselnden Gasmengen, wechselnden Gasqualitäten des Eingangsgemisch Gases auf der Beschickungsseite durch entsprechende Umschaltungsmaßnahmen anzupassen.
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Das System ist durch diesen Aufbau mit variablen Schaltungsmöglichkeiten geeignet, bei Bedarf auch einen definierten CH4-CO2- Gehalt im Ausgangs-Gas herzustellen. Hiermit entsteht eine Möglichkeit, unterschiedliche Gaskonzentrationen der Reaktionsgase im Zustrom Bereich an verschiedene Anwendungsbereiche mit unterschiedlichen CH4-Gehaltsanforderungen anzupassen.
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Der Kern der Erfindung ist, den Reaktor mehrstufig und parallel in einem containerartigen Gehäuse zu realisieren. Das heißt es werden mehrere Körbe der beiden Komponenten übereinandergestellt und das in diversen parallel im Gehäuse aufgestellten Einheiten (also nicht nur die „Container“ übereinander). Darüber hinaus wird die Gaszufuhr ebenfalls mehrstufig vorgenommen, zwischen den Körben, vorzugsweise nach jedem zweiten Einsatzkorb.
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Die Erfindung soll anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben werden, ohne sie auf diese Beispiele zu reduzieren.
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Ausführungsbeispiele
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In 3 ist das Verfahren zur Anwendung des oben beschriebenen Generators Turbo-Methan beschrieben.
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Hierbei handelt es sich um die Einkoppelung des Generators in den Gasweg der bestehenden Biogasanlagen auf dem Weg des Gases direkt zum BHKW bzw. über einen Zwischengasspeicher zum BHKW. Gasreinigung und Trocknung aus dem Bestand der Anlage bleiben auf diesem Wege vor dem BHKW integriert.
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Das Biogas aus dem Fermenterprozeß wird hierbei entsprechend der Anforderung an den Methangehalt des BHKW(<= 75%) mit Wasserstoff aus einer beliebigen externen Quelle gemischt, so dass es dem Turbo Methan Generator zugeführt wird.
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Herkömmliche BHKW in bestehenden Biogasanlagen können unter Berücksichtigung der erforderlichen Motormanagement Einstellungen bis zu einem Methan Gehalt von 75% im Brenngas arbeiten. Der Turbo Methan Generator stellt Brenngas mit einem Methangehalt von ca. 85% zur Verfügung. Um den Grenzwert von 75% Methan am BHKW nicht zu überschreiten wird das Brenngas aus Turbo Methan und das Fermentergas dementsprechend gemischt bzw. abgeglichen.
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Mit der Bereitstellung von 75% Methan haltigem Gas am BHKW ist die Effizienzsteigerung an bestehenden Anlagen um ca. 50% möglich, wobei ca. 50% des üblichen CO2 Gases aus dem Fermentergas in zusätzliches Methan umgewandelt wird. Durch die Koppelung mit weiteren Effizienz erhöhenden Maßnahmen s. 3 kann für bestehende Biogasanlagen mit überschaubarem anlagentechnischen Aufwand durch Einsatz des Turbo Methan Generators in Koppelung mit einer sekundären Wasserstoffquelle eine Anlagen-Effizienz-Steigerung von mehr als 60% erzielt werden.
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In der 4 wird ein Horizontal- und ein Vertikal-Schnitt durch den als Container gestalteten Turbo-Methan-Reaktor dargestellt. Die so genannten reaction bascet genannten Mikrokolonnen sind hier schematisch dargestellt.
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In der 5 sind unterschiedliche Varianten zur Anpassungen des Grundbauteils der Mikrokolonnen oder auch gleichermaßen schaltbaren bspw. als 20 Fuß Container gefertigten Turbo Methan Reaktors an verschiedene Bedarfe der Gasmengen als auch der Gasqualität dargestellt.
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Zur Anpassung an die Gasmengen werden die Mikrokolonnen oder die Container parallelgeschaltet.
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Zur Anpassung an die Gasqualität, den Methangehalt werden die Mikrokolonnen bzw. die Container in Reihe geschaltet.
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Zur Anpassung an beide Parameter, Gasmenge und Gasqualität, Methangehalt, wird eine kombinierte Parallel- und Reihenschaltung der Mikrokolonnen oder der Container vorgenommen.
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In der 6 ist die maximale Anpassung durch Parallelschaltung an maximale Gasmengen dargestellt.
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In der 7 ist die Parallelschaltungsvariante aus Abbildung vergrößert dargestellt.
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Die Bakterien, die zur Anwendung kommen können, sind - ohne den Anspruch auf Vollständigkeit zu erheben - in der folfgenden Tabelle 1 aufgelistet.
Tabelle 1
| Am engsten verwandter Organismus | Ähnlichkeit (%) und NCBI Zugangsnummer |
| Methanosaeta concilii strain X16932 | %96 / KM408635.1 |
| Methanosaeta sp. | %96 / KP205578.1 |
| Unidentified archaeon clone | %93 / AJ831011.1 |
| Uncultured archaeon isolate | %92 / KC305601.1 |
| Uncultured Methanosarcinales archaeon clone | %93 / KF198727.1 |
| Uncultured archaeon clone | %97 / GU892615.1 |
| Methanofollis formosanus | %92 / NR042767.1 |
| Methanosphaerula palustris | %92 / NR074167.1 |
| Uncultured archaeon isolate | %98 / KC513450.1 |
| Uncultured Methanoculleus sp | %91 / GU583804.1 |
| Uncultured Methanofollis sp. | %93 / KP343676.1 |
| Uncultured Methanoculleus sp. | %93 / KC533587.1 |
| Uncultured archaeon clone | %96 / 4B700446.1 |
| Uncultured Methanoculleus sp. | %96 / LC036210.1 |
| Uncultured archaeon isolate DGGE gel band | %98 / KC305610.1 |
| Methanobacterium petrolearium strain | %99 / NR113044.1 |
| Methanobacterium sp. enrichment culture clone | %98 / FJ984757.1 |
| Methanobacterium palustre strain | %99 / DQ649333.1 |
| Methanobacterium sp. enrichment culture clone | %99 / FJ984757.1 |
| Methanobacterium aarhusense strain | %94 / NR042895.1 |
| Uncultured Methanosaeta sp. | %98 / KJ522706.1 |
| Uncultured Methanosarcinales archaeon clone | %100 / EU586108.1 |
| Uncultured archaeon clone | %99 / KM213862.1 |
| Uncultured Methanolinea sp. | %99 / AB479405.1 |
| Uncultured Methanomicrobiales archaeon clone | %99 / JN394650.1 |
| Uncultured archaeon gene | %99 / LC108820.1 |
| Uncultured archaeon clone | %99 / KC736154.1 |
| Uncultured Methanomicrobiales archaeon clone | %95 / FN679176.1 |
| Uncultured Methanomicrobiales archaeon clone | %99 / FN679176.1 |
| Uncultured archaeon clone | %99 / LC108820.1 |
