DE202007015520U1

DE202007015520U1 - Biogasteststand

Info

Publication number: DE202007015520U1
Application number: DE202007015520U
Authority: DE
Original assignee: STIRL ANLAGENTECHNIK GmbH
Current assignee: STIRL ANLAGENBAU GMBH, DE
Priority date: 2007-11-07
Filing date: 2007-11-07
Publication date: 2008-06-05
Anticipated expiration: 2017-11-08

Abstract

Biogasteststand (1) zur Ermittlung von Gärausbeuten aus Biomasse durch Messung der Volumina der in Biomassebehältern entstehenden Gasströme sowie optional weiterer bei der Gewinnung von Biogas aus Biomasse relevanter Parameter, dadurch gekennzeichnet, dass der Biogasteststand (1) mindestens zwei zur parallelen Messung der Parameter in mindestens zwei Biomassebehältern (2) geeignete Messvorrichtungen (4, 5) aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen neuartigen Biogasteststand, insbesondere für den mobilen Einsatz, zur Optimierung der Verfahrenseinstellungungen in einer Biogasanlage. Dabei dient der Biogasteststand in erster Linie zur Ermittlung von Gärausbeuten aus vergärbarer Biomasse, wobei hauptsächlich das Volumen des aus mindestens zwei Biomassebehältern abgehenden Gasstroms ermittelt wird, um eine bessere Aussagekraft über im Vorfeld getätigte Vorbehandlungen treffen zu können. Dabei kann auch eine qualitative und quantitative Analyse des abgehenden Gasstroms durchgeführt werden. In weiteren Ausführungsformen können verschiedene Randparameter wie pH-Wert, Redoxpotential und Temperatur gemessen werden und über eine Probenahme der Fermenterbrühe aus den Biomassebehältern die gelösten Inhaltsstoffe (flüchtige Fettsäuren und Zuckergehalt) extern bestimmt werden.
In den letzten Jahrzehnten ist weltweit der Bedarf an Formen der Energiegewinnung gestiegen, die eine Alternative zu Kernkraft und der Verwendung fossiler Brennstoffe bilden. Eine dieser Alternativen ist die Gewinnung von Biogas aus wasser- und lignocellulosehaltiger Biomasse (feuchter Biomasse). Als Rohstoff können beispielsweise Energiegräser, Silagen aus Mais, Gras- oder Getreidepflanzen, aber auch Stroh oder Dung dienen. Dieses Biogas wird dann in Strom umgewandelt oder zur Wärmegewinnung eingesetzt. Gerade diese Nutzung nachwachsender Rohstoffe bzw. von Nebenprodukten aus der Landwirtschaft bietet damit interessante wirtschaftliche Möglichkeiten für den ländlichen Raum. Darüber hinaus hat die Erzeugung erneuerbarer Energien (Biogas) klimarelevante Bedeutung.
Es sind im Laufe der letzten Jahre verschiedene Biogasproduktions-Anlagen vorgeschlagen und in Betrieb genommen worden. Allerdings treten häufig Problem bei der Optimierung der Verfahrenseinstellungen der vorliegenden Geräte vor.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen neuartigen Biogasteststand mit einer hohen satistischen Datenerhebungssicherheit insbesondere auch zum mobilen Einsatz und mit hoher Bedienungssicherheit zur Verfügung zu stellen.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch einen Biogasteststand, welcher die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen 2 bis 12 abgeleitet.
Der erfindungsgemäße Biogasteststand zeigt eine Reihe von Vorteilen gegenüber den bisher angebotenen Lösungen, insbesondere bei der realen Beurteilung von Gärversuchen verschiedenster Art. Das liegt zum einen an den gewählten Abmessungen der Elemente. So erlaubt der Biogasteststand die Aufnahme von großen Volumina an Fermenterbrühe, bzw. Biomasse, die erlauben statistisch repräsentative Ergebnisse zum biologischen Prozess zu gewinnen, was in den vergleichbar deutlich kleineren Biogastestständen nicht der Fall ist. Diese höhere statistische Sicherheit wird weiter durch die zeitgleiche Wiederholung in den mindestens zwei und meist mehr Messplätzen begünstigt, durch die sich auch ein möglicher Systemfehler schnell erkennen lässt. Dabei bleibt der erfindungsgemäße Biogasteststand trotz seiner Größe mobil und dies – natürlich etwas begrenzt – auch im Arbeitszustand, wobei hinzukommt, dass der Stand weiterhin autark benutzt werden kann, da er lediglich eine Stromquelle benötigt, wobei ein standardmässiger 220 V Anschluss hier ausreichen würde. Außerdem kann und wird bevorzugterweise der erfindungsgemäße Biogasteststand so konstruiert, dass er vollständig verschlossen werden kann, was einen unerwünschten Fremdzugriff verhindert.
1) zeigt eine abstrahierte Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung, in der die Möglichkeit, mehr als zwei Biomassebehälter (2) und damit zusammenhängende Messvorrichtungen (4), (5) etc. zu verwenden, durch gestrichelte Formen angedeutet ist.
2) zeigt systematisch eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung mit 6 Biomassebehältern (2).
3 bis 5) sind Dreiseitenrisse und zeigen den konstruktive Grundaufbau einer beispielhaften Ausführungsform.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung anhand der Abbildungen näher erläutert. Der Biogasteststand dient in erster Linie zur Ermittlung von Gärausbeuten aus vergärbarer Biomasse. Hierbei wird hauptsächlich der abgehende Gasstrom ermittelt, um eine bessere Aussagekraft über im Vorfeld getätigte Vorbehandlungen treffen zu können. Des Weiteren können verschiedene Randparameter wie pH-Wert, Redoxpotential und Temperatur genommen werden. Durch die Probenahme der Fermenterbrühe können des Weiteren die gelösten Inhaltsstoffe (flüchtige Fettsäuren und Zuckergehalt) extern bestimmt werden. Zur besseren Handhabung besteht der mobile Biogasstand im wesentlichen aus drei Zonen:

A) Der isolierten Zone (A) zur Aufbewahrung der Biomassebehälter (2), um diese kontinuierlich auf eine Temperatur von 30–40°C temperieren zu können.
B) Der Ersten unisolierten Zone (B) zur Aufbewahrung der Mess- (4, 5), Rühr- (9, 10), und Auswertetechnik (16).
C) Der Zweiten unisolierten Zone (C) zur Aufnahme der Rechen- und Steuerungstechnik (13) mit dem Zugang für die zentrale Stromversorgung (17).

Im Biogasteststand (1) wird die Biomasse als Fermenterbrühe in die Biomassebehälter (2) überführt. Mit Hilfe der Heizung (15) und der zur Regelung eingestzten Messvorrichtung (6), einem Thermofühler, werden die Biomassebehälter (2) auf eine Temperatur von 30–40°C temperiert. Dabei wird der Energieeinsatz optimiert, da sich die Biomassebehälter (2) in der (wärme)-isolierten Zone (A) befinden. Diese Zone (A) wird weiter durch Lüfter (18) belüftet.
Der Gärungsvorgang der Biomasse/Fermenterbrühe in den Biomassebehältern (2) wird durch ein in den jeweiligen Biomassebehälter (2) hineinragendes Rührwerk (9) erleichtert, wobei der das Rührwerk antreibende Motor (10) sich – zum Schutz vor unkontrollierter Wärmeentwicklung in der (wärme)-isolierten Zone (A) – in der Ersten nicht-isolierten Zone (B) befindet. Der pH der Fermenterbrühe in den jeweiligen Biomassebehältern (2) wird kontinuierlich durch die pH-Elektrode (11) gemessen und in der Messvorrichtung (5), einem pH-Meter, erfasst. Die von den pH-Metern (5) erfassten Daten werden in einer Datensammeleinheit (16) gesammelt. Das durch den Gärungsvorgang der Biomas se/Fermenterbrühe in den Biomassebehältern (2) entstehende Gas wird über eine Gasableitungsvorrichtung 1 (7) über die Verbindung durch eine Trennkupplung (12) in eine Messvorrichtung (4), einen Gasvolumen-/Durchflussmesser (beispielsweise einen Trommelgaszähler), geleitet und der Gasdurchfluß gemessen. Die von den Gasvolumen-/Durchflussmessern (5) erfassten Daten werden in einer Datensammeleinheit (16) gesammelt. Alle in der Datensammeleinheit (16) gesammelten Daten werden mit Hilfe einer Rechnereinheit (13) gespeichert und interpretiert. Die Rechnereinheit (13) befindet sich dabei in einer Zweiten Unisolierten Zone (C). Das in die Messvorrichtungen (4), Gasvolumen-/Durchflussmessern, geleitete und bezüglich der durchfliessenden Volumina gemessene Gas wird gesammelt und über einen Gasabgang (14) aus dem Biogasteststand (1) abgegeben. Soweit eine Gasanalyse vorgenommen werden soll, kann ein Biogasanalysator zur quantitativen und qualitativen Bestimmung der Gasparameter CH₄, CO₂, O₂, H₂S des durch den Gärungsvorgang der Biomasse/Fermenterbrühe in den Biomassebehältern (2) entstehenden Gases eingesetzt werden. Dabei wird das Gas über eine Gasableitungsvorrichtung (8) über die Trennkupplung (12) in den Biogasanalysator geleitet. Der Biogasstand (1) ist in den meisten Ausführungsformen mobil gestaltet und weist daher am Boden mehrere bewegliche Rollen (3), insbesondere Schwerlastrollen, auf. Um außerdem eine mobile Wahl des Standorts zu erlauben, verfügt der Biogasteststand (1) in den meisten Beispielen über einen zenralen Stromversorgungsanschluß (17) – üblicherweise für 220 V Wechselstrom.
Generell kann der erfindungsgemäße Biogasstand (1) in mehreren Varianten aufgebaut werden. So sind beispielsweise folgende Varianten möglich:

Variante Vorgeschlagene Abmessungen [cm]

2 Biomassebehälter-Variante 120 × 75 × 120

4 Biomassebehälter-Variante 210 × 75 × 120

6 Biomassebehälter-Variante 300 × 75 × 120
Eine weitere Variante mit 8 Biomassebehältern (2) ist ebenfalls möglich, da die rechentechnisch zur Verfügung stehenden Messplatzmöglichkeiten bis auf 8 ausgebaut werden können. Dieser Stand hat dann Ausmaße von knapp 4 Metern und ein max. Arbeitsgewicht von knapp 800 kg.
Aus den Dreiseitenrissen 3, 4 und 5 kann der konstruktive Grundaufbau einer beispielhaften Ausführungsform entnommen werden.
Die Grundkonstruktion des mobilen Biogasstandes (1) ist eine geschweißte Rahmenkonstruktion aus Kasten- und Winkelprofil. Der untere Grundrahmen besteht aus Winkelprofil und einer Grundplatte aus 50 mm starken Holzbohlen. Das obere Grundgerüst ist aus einem Kastenprofil gefertigt, an welchem, insbesondere in der isolierten Zone (A), eine Verkleidung aus OSB (Oriented Strand Board)- und Purschaum-Platten befestigt ist. An der unteren Rahmenkonstruktion sind bei der 6-Biomassebehälter-Variante sechs Rollen (3) angebracht, von denen zwei feststellbar sind. Somit ist gewährleistet, dass der Biogasteststand (1) auch im befüllten Zustand beweglich bleibt.
Die Außenverkleidung, insbesondere in der isolierten Zone (A), besteht im Wesentlichen aus einer Sandwichbauweise aus OSB-Platten und Purschaumplatten. Damit ist eine sehr gute Wärmedämmung und Stoßfestigkeit des Dämmmaterials gewährleistet.
In dem vorliegenden Beispiel einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Biogasteststands ist die Anlage so aufgebaut, dass während des Gärversuches kontinuierlich/permanent die Daten für den Volumenstrom des in den Biomassebehältern (2) entstehenden Gases (über Gasableitungsvorrichtung 1 (7) und den Gasvolumen-/Durchflussmesser (4)) und der pH-Wert der Biomasse/Fermenterbrühe in den Biomassebehältern (2) (über die pH-Elektrode (11) und das pH-Meter (5)) erfasst wird. Die Gasanalyse erfolgt manuell einmal täglich mit Hilfe eines tragbaren Gasanalysators, der an die Trennkupplung (12) einer Gasableitungsvorrichtung 2 (8) angeschlossen wird. Die Gasleitungen (7), (8) haben eine Dimension von 6 mm (PVC Aquariumspumpenschlauch für Luft). Diese wird mit Druckluftschnelltrennkupplungen (12) versehen um ein schnelles Auskoppeln der Geräte zu ermöglichen. Für die Messdatenerfassung braucht der untere beheizte Teil nicht geöffnet werden. Des Weiteren befinden sich die Motoren (10) für das Rührwerk (9) in der Ersten Unisolierten Zone des Biogasteststands (1), um ein Überhitzen zu verhindern. Für die Gasanalyse wird ein tragbarer Biogasanalysator GA 45 Plus zur täglichen Analyse der Gasparameter CH₄, CO₂, O₂, H₂S eingesetzt. Für die Volumenstromerfassung wird ein Trommelgaszähler (4) der Firma Ritter (TG 01) eingesetzt, der seine Daten an eine Mehrkanalschnittstelle abgibt. Die pH-Werterfassung erfolgt über sechs pH-Messgeräte (5) PCE 228 mit RS 232 Schnittstelle. Zur Auswertung und Visualisierung der Signale wird eine Rechnereinheit (13) eingesetzt.

1: Biogasteststand
2: Biomassebehälter
3: Rolle
4: Gasvolumen-/Durchflussmesser
5: pH-Meter
6: Thermofühler
7: Gasableitungsvorrichtung 1
8: Gasableitungsvorrichtung 2
9: Rührwerk
10: Motor
11: pH-Elektrode
12: Trennkupplung
13: Rechnereinheit
14: Gasabgang
15: Heizung
16: Datensammeleinheit
17: Stromversorgung
18: Lüfter
19: Gasanalysegerät
A: Isolierte Zone
B: Erste Unisolierte Zone
C: Zweite Unisolierte Zone

Claims

Biogasteststand (1) zur Ermittlung von Gärausbeuten aus Biomasse durch Messung der Volumina der in Biomassebehältern entstehenden Gasströme sowie optional weiterer bei der Gewinnung von Biogas aus Biomasse relevanter Parameter, dadurch gekennzeichnet, dass der Biogasteststand (1) mindestens zwei zur parallelen Messung der Parameter in mindestens zwei Biomassebehältern (2) geeignete Messvorrichtungen (4, 5) aufweist.
Biogasteststand gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen der Biomassebehälter (2) 10 bis 80 Liter beträgt.
Biogasteststand gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das maximale Arbeitsvolumen der Biomassebehälter (2) bis zu 60 Liter, vorzugsweise bis zu 50 Liter, besonders bevorzugt bis zu 45 Liter beträgt.
Biogasteststand gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Biogasteststand mobil ist, vorzugsweise mit Rollen (3) zur Fortbewegung des Biogasstands versehen ist.
Biogasteststand gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Biomassebehälter (2) in einem wärme-isolierten Bereich (A) des Biogasteststands (1) angeordnet sind.
Biogasteststand gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die weiteren bei der Gewinnung von Biogas aus Biomasse relevanten Parameter ausgewählt sind aus: pH, Redoxpotential, Temperatur.
Biogasteststand gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messvorrichtungen (4, 5), geeignet sind, die Bestimmung der Volumina der in den Biomassebehältern (2) entstehenden Gasströme sowie optional weiterer bei der Gewinnung von Biogas aus Biomasse relevanten Parameter, insbesondere des pH, kontinuierlich zu erfassen.
Biogasteststand gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Biomassebehälter (2) 2 bis 12, vorzugsweise 2 bis 10, besonders bevorzugt 2 bis 8, insbesondere 2 bis 6 beträgt.
Biogasteststand gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messvorrichtungen (4, 5) geeignet sind, Bestandteile der in den Biomassebehältern (2) entstehenden Gasströme quantitativ und qualitativ zu bestimmen.
Biogasteststand gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Biomassebehälter (2), mindestens eine optional eine Trennkuppling (12) aufweisende Gasableitungsvorrichtung (7), (8) sowie ein mit einem Motor (10) versehenes Rührwerk (9) und gegebenenfalls eine pH-Elektrode (11) aufweist.
Biogasteststand gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Biogasteststand – mindestens zwei Biomassebehälter (2) mit mindestens einer optional eine Trennkuppling (12) aufweisenden Gasableitungsvorrichtung (7), (8) sowie einem mit einem Motor (10) versehenen Rührwerk (9) und gegebenenfalls einer pH-Elektrode (11), – Messvorrichtungen (4), (5), (6) zur Bestimmung der Volumina der in den Biomassebehältern (2) entstehenden Gasströme sowie optional weiterer bei der Gewinnung von Biogas aus Biomasse relevanten Parameter, optional mit einer mit den Messvorrichtungen (4), (5) oder (6) elektronisch verbundenen Datensammeleinheit (16) und gegebenenfalls – eine Rechnereinheit (13) zur Auswertung und Erfassung der in den Messvorrichtungen (4), (5), (6) gewonnen Parameter; aufweist.
Biogasteststand gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Messvorrichtungen (4), (5), (6) zusätzlich zur Bestimmung der Volumina und weiterer Parameter auch geeignet sind, die Bestandteile der in den Biomas sebehältern (2) entstehenden Gasströme quantitativ und qualitativ zu bestimmen.