DE19532359C2 - Verfahren zur Biogaserzeugung aus feststoffreicher Biomasse - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Erzeugung von Biogas in dezentralen, hofeigenen Biogasanlagen aus feststoffreicher Biomasse, wie Mais und Gras- Kleegemischen in Verbindung mit Gülle. Die Anlage besteht aus mindestns vier Gärreaktoren, die mit einem Säurepuffer verbunden sind. Die Gärreaktoren befinden sich durch zeitversetztes Starten in jeweils anderen Prozeßstufen. Im Säurepuffer wird aus dem Sickersaft der Gärreaktoren ein Mischprodukt hergestellt. Dieses wird dann taktweise den Gärreaktoren zugeführt. Durch diese Vorgehensweise wird erreicht, daß der jeweils neu gestartete Gärreaktor in kurzer Zeit in die stabile Methanbildungsphase überführt werden kann. Der bei hohen Feststoffgehalten typische Übersäuerungseffekt tritt nicht ein. Durch die Kopplung von mindestens vier Gärreaktoren und die gemeinsame Vergärung von Gülle mit feststoffreicher Biomasse wird ein sehr homogener Biogasfluß mit sehr stabiler Biogaszusammensetzung erreicht. Für den dezentralen bäuerlichen Anwender heißt dies, geringer Steuer- und Regelaufwand, geringer Wartungsaufwand, geringe Störanfälligkeit insbeosndere hinsichtlich der Güllevergärung und ein geringer Arbeitszeitaufwand zum Betreiben der Anlage.

Description

Verfahren zur Vergärung von feststoffreicher Biomasse haben das Defizit, daß sie in der Regel zur Übersäuerung im Biogasreaktor neigen, als Folge unterschiedlicher Reaktionsgeschwindigkeiten bei Hydrolyse, Acetatbildung und Methanisierung. Die Methanisierung mit der geringsten Reaktionsgeschwindigkeit stellt hierbei den prozeßbestimmenden Schritt dar. Ohne zusätzliche Beimpfung mit Methanbildnern werden nur geringe Abbauraten für Kohlenstoff und damit geringe Biogasausbeuten realisiert. Hinzu kommt, daß die Vermehrungsrate bei den Methanbildnern am geringsten ist. Aus der Offenlegungsschrift DE 44 09 487 A1 ist ein Verfahren zur Vergärung von biogen-organischen Abfällen bekannt, bei dem die Verzögerung mit Hilfe einer Mehrzahl von Sickerwasser abgebenden Biogasreaktoren erfolgt, die zeitlich nacheinander mit den Rohabfällen beschickt werden, wobei die Rohabfälle in jedem Biogasreaktor nach der Beschickung eine aerobe Einlaufphase mit Bildung von saurem Sickerwas­ ser und im Anschluß daran eine Methanproduktionsphase mit Bildung von basischem Sickerwasser durchlaufen. Die saueren Sickerwasser werden einem Reaktor in Methanisierungsphase zugeführt, die basischen einem Reaktor in der aeroben Einlaufphase.

Das Verfahren entsprechend Anspruch 1 stellt eine Lösung dar, wie feststoffreiche Biomasse bei hohen Kohlenstoffabbauraten und damit verbundenen hohen Biogas­ ausbeuten vergoren werden kann. Sie bietet damit die Möglichkeit einer kostengün­ stigen und damit wirtschaftlichen Energieträgerbereitstellung aus nachwachsenden Rohstoffen. Als Beispiele seien hierfür Mais und Gras.-Kleegemische genannt. Einer Vielzahl von Stellungnahmen und Veröffentlichungen ist zu entnehmen, daß der Anteil der landwirtschaftlichen Nutzflächen für die Nahrungsmittelproduktion immer geringer wird. D. h. das Potential an Flächen für den gezielten Anbau von Biomasse zu Energieerzeugungszwecken wächst. Grundvoraussetzungen sind jedoch, daß die Biomasse gut vergärbar ist (Kohlenstoff-Stickstoffverhältnis bei 15 bis 35 zu 1 und geringer Ligninanteil), daß das zur Anwendung kommende Verfah­ ren einfach ist und eine hohe Dezentralität ermöglicht.

In den Unteransprüchen 2-5 werden bevorzugte Ausführungsformen des Verfahrens nach Anspruch 1 dargestellt.

Im folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung stellt das Verfahrensprinzip dar, hinsicht­ lich der Geometrie der Container-Module werden keine verfahrenstechnischen Anforderungen gestellt, sie könnten also auch rund sein.

Die mit C1-C4 bezeichneten Container-Module werden einstufig, diskontinuierlich und mesophil (ca. 35°C) bei einem Trockensubstanzgehalt von 20-40% betrieben. Der Sickersaft der einzelnen Container-Module wird taktweise, in Abhängigkeit von der Struktur und der Konsistenz des Haufwerkes abgezogen. Über einen gemeinsa­ men Sammelkanal werden die Sickersäfte dem Säurepuffer zugeführt. Hier erfolgt die Einstellung eines Mischgehaltes an Nährstoffen und Methanbildnern. Dieses Mischprodukt dient als Perkolationsmedium und wird durch ein Verteilersystem über dem Inhalt der Container-Module C1 bis C4 versprüht. Der Container-Modul C1 wird durch diese Vorgehensweise in seinem Nährstoffangebot reduziert und in seiner Methanbildneranzahl erhöht. Zugleich wird das ökologische Fenster, das bedingt durch das Starten der biochemischen Reaktion geöffnet wurde, durch die Methan­ bildnerspezies belegt, die sich in den Container-Modulen C2 bis C4 durchgesetzt hat. Eine zügige Überführung in einen stabilen Methanbildungsvorgang wird initiiert. Die Container-Module C2 und C3 befinden sich in der Phase der stabilen Methanbil­ dung, d. h. die Nährstoffbereitstellung und die Methanisierung befinden sich hinsicht­ lich der Reaktionsgeschwindigkeit in einem ausgewogenen Verhältnis. Im Container-Modul C3 erreicht die Methanbildneranzahl ihr Maximum. Der Sickersaft aus den Container-Modulen C2 und C3 entspricht hinsichtlich seiner Zusammenset­ zung, Nährstoffgehalt und Methanbildneranzahl dem des Säurepuffers. Im Contai­ ner-Modul C4 wird das Nährstoffangebot durch das Perkolationsmedium erhöht, da die Nährstoffbereitstellung bereits abklingt. Die Gesamtverweilzeit der Biomasse im Reaktor wird hierdurch erhöht, ohne dass dabei wesentlich die Gasproduktionsrate (m³ Biogas/m³ Faulraum) sinkt. Dies führt zwangsläufig dazu, daß der Kohlenstof­ fumsatz im Container-Modul C4 erhöht wird.

Abhängig von den eingesetzten Biomassen kann der Säurepuffer als inaktiver Tank oder als eigenständige Biogasanlage im thermophilen Temperaturbereich bei ca. 55°C betrieben werden. Dies hat zur Folge, daß ein höherer Nährstoffumsatz bei geringerer Biogasqualität (Methangehalt) in Kauf genommen werden muß.

Diese Vorgehensweise führt bei Feststoffvergärverfahren dazu, daß das startbe­ dingte Defizit der zu schnellen Nährstoffbereitstellung durch das prozeßbedingte allmähliche Abklingen der biochemischen Reaktion kompensiert wird. Die Größe des Säurepuffers und die Zeitintervalle in denen die einzelnen Reaktoren gestartet werden, ist in erster Linie von der zu vergärenden Biomasse abhängig. Das beispielhaft angegebene Intervall von 7 Tagen gilt für ein Mais/Grasgemisch. Eine gezielte Einflußnahme auf den Methanbildungsvorgang in den Container-Modulen C1 bis C4 erfolgt lediglich über den Durchfluß an Perkolationsmedium bei konstan­ tem Füllstand. Hierdurch kann schneller Nährstoff reduziert bzw. angereichert werden.

Ein zusätzlicher positiver Effekt ist der, daß die Gasverfügbarkeit trotz des diskonti­ nuierlichen Betriebs der Container-Module C1 bis C4 nie unter 3/4 der Maximalver­ fügbarkeit sinkt. Hierdurch wird erreicht, daß die nachgeschaltete Verbrauchseinrichtung BHKW zur Strom- und Wärmebereitstellung ohne große Speichervorhaltung betrieben werden kann.

Durch dieses einfache Verfahrensprinzip ist es möglich, den technischen Aufwand (Anzahl und Leistung von Pumpen, Ausgestaltung mit Prozeß-, Meß- und Regel­ technik) zu reduzieren.

Claims (5)

1. Verfahren zur Gewinnung von Biogas aus Biomasse mit hohem Feststoffge­ halt, mit Hilfe einer Mehrzahl von separaten, Sickersaft abgebenden Contai­ ner-Modulen, die jeder für sich ein eigenständiger Biogasreaktor sind, zeitversetzt nacheinander gestartet werden und sich in unterschiedlichen Reaktionsphasen befinden, dadurch gekennzeichnet, daß die Sickersäfte aus mindestens 4 Container-Modulen taktweise abgezogen und über einen gemeinsamen Sammelkanal einem Säurepuffer zugeführt werden, in dem sich durch Vermischung der Sickersäfte ein Mischprodukt bildet, welches als Perkolationsmedium durch ein Verteilersystem über dem Inhalt der einzelnen Container-Module versprüht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß 4 separate Container-Module zeitversetzt nacheinander gestartet werden und sich dadurch in 4 unterschiedlichen Reaktionsphasen der Biogaserzeugung befinden.

3. Verfahren nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß trotz diskontinuierlichen Betriebs des einzelnen Containers mindestens 3/4 der maximal erzeugbaren Biogasmenge kontinuierlich verfügbar ist.

4. Verfahren nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Überführung in die stabile Methanbildungsphase des jeweiligen Startcontai­ ner-Moduls über die Durchflußmenge an Perkolationsmedium bei gleichblei­ bendem Flüssigkeitsstand gesteuert wird.

5. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Säurepuffer sowohl als inaktiver Tank, als auch als Biogasreaktor im thermo­ philen Temperaturbereich ausgeführt sein kann.