DE10113879A1 - Verfahren und System zur Gewinnung von Energie - Google Patents

Verfahren und System zur Gewinnung von Energie

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Energiegewinnung, bei dem Biogas und Ammoniak durch Vergärung von organischen Stoffen oder Reststoffen aus der Landwirtschaft, aus Kläranlagen, der Nahrungsmittelindustrie oder dergleichen und/oder durch Verwertung von Energiepflanzen erzeugt und gemeinsam in einer Brennstoffzelle verbrannt wird. Demgemäß umfasst das Energieerzeugungssystem einen Fermenter zur Erzeugung des Biogases sowie eine Brennstoffzelle.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zur Gewinnung von Energie aus Biogas.
Die Vergärung von organischen Rückständen aus der Landwirtschaft, aus Kläranlagen und der Nahrungsmittelindustrie sowie die energetische Nutzung von Energiepflanzen in Anaerobverfahren (Biogasanlagen) zur Gewinnung von Methan hat mittlerweile einen bedeutenden Stellenwert bei der Erzeugung erneuerbarer Energien. Aufgrund der weltweiten CO2-Problematik beim Einsatz fossiler Brennstoffe und dem Ausstieg aus der Kernenergie wird die Energiegewinnung aus Biogas in Zukunft weiter massiv an Bedeutung gewinnen.
Vorhandene Biogasanlagen nutzen Blockheizkraftwerke (BHKW) zur Verbrennung des Biogases aus dem Fermentationsprozess zur Erzeugung von Strom und Wärme. Dabei liegt der elektrische Wirkungsgrad in Abhängigkeit vom Typ BHKW und der Biogas-Qualität zwischen 25 und 35%. Nur in seltenen Fällen kann die erzeugte Abwärme wirtschaftlich sinnvoll genutzt werden (z. B. in Gewächshäusern oder in Nahwärmenetzen). Es ist daher von besonderem Interesse, den elektrischen Wirkungsgrad bei Biogasnutzung zu erhöhen.
In der BR Deutschland emittieren jährlich ca. 600.000 to NH3, vornehmlich aus der Landwirtschaft. NH3 schädigt und beeinträchtigt naturnahe Ökosysteme durch Immissionen mineralischen Stickstoffes. NH3 trägt hauptsächlich zur Bodenversauerung und damit zum Waldsterben bei und schädigt durch seine Korrosivität Gebäude und Baudenkmäler.
NH3 ist Bestandteil von Biogasfaulschlämmen. Durch den Fermentationsprozess erhöht sich in Biogasanlagen durch Abbau organischer Substanz der Anteil von ammoniakalischem N gegenüber unbehandeltem Substrat. Bei gleichzeitiger Erhöhung des pH-Wertes durch Abbau organischer Säuren und damit einhergehender Erniedrigung der Pufferkapazität des Gärgutes erhöht sich die Gefahr von Ammoniakemissionen durch die Biogasgewinnung; ein bisher ungelöstes Problem. Überschüssiger ammoniakalischer Stickstoff wird in Kläranlagen durch Nitrifikation/Denitrifikation abgebaut, damit er nicht in Vorfluter oder ins Grundwasser gelangt. Dieser Prozess vernichtet den unter Einsatz von ca. 40 kWh/kg NH3-N erzeugten mineralischen Stickstoff unter Freisetzung eines Anteils (1-5%) des Treibhausgases Lachgas. Die Emissionen von Klima- und Schadgasen belasten schon heute unsere Umwelt weltweit in starkem Maße. Der bisherige Stand der Technik kann hier keine Abhilfe schaffen; teilweise wird sich die Situation bei Anwendung herkömmlicher BHKW-Technik durch Steigerung des Anteils von Energie aus Anaerobfermentation in Bezug auf NOx und NH3 noch verschärfen.
Es ist deshalb Sinn der vorliegenden Erfindung ein Verfahren bzw. ein System bereitzustellen, bei dem bei der Energieerzeugung aus Biogas effektiver erfolgt und insbesondere dazu beiträgt Belastungen der Umwelt zu vermeiden.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie einem Energieerzeugungssystem mit den Merkmalen des Anspruchs 13. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Wesentlich bei der Erfindung ist, dass erkannt worden ist, dass an Stelle eines BHKW auch eine Brennstoffzelle, vorzugsweise vom TYP Karbonatschmelzen-Brennstoffzelle (MCFC) zur Stromerzeugung genutzt werden kann. Vorteil dieses Brennstoffzellentyps ist der hohe Zellwirkungsgrad (bis 65%) und die weitgehende Unempfindlichkeit gegenüber der Gaszusammensetzung.
Insbesondere wird der Wirkungsgrad der MCFC durch die Anwesenheit von CO2 im Biogas von ca. 10 bis 60 Vol.-%, insbesondere 25 bis 50 Vol.% sogar erhöht. Allein durch die Verwendung der MCFC wird daher der elektrische Wirkungsgrad um bis zu 100% ggü. einem BHKW erhöht.
Vorzugsweise kann das im Biogasfaulschlamm vorliegende NH3 zudem nach einer Strippung direkt zusammen mit dem erzeugten Biogas in der MCFC-Brennstoffzelle zusätzlich zur Erzeugung elektrischer Energie genutzt werden. Abbauprodukt ist reiner Luftstickstoff (N2), damit werden schädliche NH3- und NOx-Emissionen vollständig unterbunden.
Vorteilhafterweise werden je nach N-Gehalt des Ausgangssubstrates anteilig zwischen 10 und 40 Vol.-%, insbesondere 20 und 30 Vol-% NH3 zusätzlich zum Methan in der MCFC zu el. Strom umgewandelt werden. Der el. Wirkungsgrad ggü. herkömmlicher BHKW-Technik, welche die Energie des NH3 nicht nutzen kann, steigt um bis zu 150%. Die umweltschädigende Wirkung des NH3 und des NOx wird nicht nur aufgehoben, sondern durch die Stromerzeugung, auch unter dem Gesichtspunkt des CO2-Bilanz, in einen ökonomischen und ökologischen Nutzen umgewandelt.
Durch den Einsatz der MCFC-Brennstoffzelle zur Verstromung von Biogas und Ammoniak aus anaerober Fermentation von biogenen Substraten werden zusammengefasst folgende Vorteile erzielt:
  • - Erhöhung des elektrischen Wirkungsgrades durch die Brennstoffzelle allein bei der Methan- Verwertung um bis zu ca. 100%.
  • - Gleichzeitige elektrische Verwertung von Ammoniak, das bei BHKW ungenutzt bleibt und bisher aufgrund seiner Korrosivität maßgeblich zum Verschleiß der Motoren beiträgt.
  • - Umwandlung von umweltschädigendem Ammoniak zu umweltneutralem Luftstickstoff unter Vermeidung von NOx-Bildung, damit massiver Abbau von bisherigen Umweltbeeinträchtigungen
  • - MCFC ist gegenüber der Gasqualität unempfindlich; die Zugabe von Zündölen o. ä. entfällt.
  • - Die Technologie kann in kurzer Zeit in kommunalen, kommerziellen und landwirtschaftlichen Biogasanlagen anstelle des BHKW integriert werden
  • - Die Kombination von Anaerobbehandlung und MCFC eignet sich insbesondere für die bisher problematische Verwertung von Reststoffen aus der Nahrungsmittelindustrie mit hohen N- Gehalten.
  • - Das Verfahren kann weltweit die Emissionen der Treibhausgase NOx, CH4 und des Schadgases NH3 wesentlich reduzieren bei gleichzeitig positiver Energie- und CO2-Bilanz, und trägt damit maßgeblich zur Entlastung der Umwelt bei.
Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels Stufe 1 Anaerob-Fermentation zur Gewinnung von Methan aus Biogas und Mineralisierung des organisch gebundenen Stickstoffs
Bei der Anaerobbehandlung im entsprechenden Fermenter wird durch biologische Abbauprozesse unter Sauerstoffabschluss durch Abbau organischer Substanz CH4 gebildet, das gasförmig freigesetzt und in Gaslagern gespeichert wird. Das erzeugte Biogas enthält neben CH4 auch noch CO2 (20-50 Vol-%) und Anteile weiterer Spurengase; z. B. H2S. Dabei kann je nach Substrat zwischen 150 bis 1000 l Methan pro kg organischer Trockensubstanz entstehen. Durch den weitgehenden Abbau organischer Substanz erhöht sich zudem der Anteil ammoniakalischen Stickstoffs im Substrat um ca. 50 bis 100% bei gleichzeitiger Erhöhung des pH-Wertes von 6,5 bis 7 auf 8 bis 8,5. In diesem pH- Wert-Bereich liegt ammoniakalischer Stickstoff bereits vorwiegend als gasförmiges Ammoniak vor.
Stufe 2 Ammoniak-Strippung
Durch Zugabe von Wasserdämpf (Restwärme der MCFC) oder Kalkmilch wird der pH-Wert weiter erhöht (pH-Wert bis 10), so dass der gesamte ammoniakalische Stickstoff aus dem Substrat gasförmig entweicht. Das Ammoniakgas im Gasspeicher zusammen mit dem in Stufe 1 erzeugten Biogas vermischt und gelagert. Pro Tonne durchschnittlich zusammen gesetzter organsicher Substanz im Substrat können rechnerisch ca. 13 m3 Ammoniakgas gewonnen werden. Das Verhältnis zwischen Ammoniak und CH4 liegt rechnerisch zwischen 1 : 3 bis 1 : 50, abhängig von den Fermentationsbedingungen und der Substratzusammensetzung.
Stufe 3 Gasreinigung
Das Gasgemisch enthält bis zu 4 Vol-% H2S. H2S ist schädlich für die MCFC und muss daher entfernt werden. Hierzu eignet sich ein zweistufiges Verfahren (biologisch/chemisch), welche das Gasgemisch nahezu vollständig von H2S befreit. Die biologische Stufe wird bereits im Fermenter integriert; die chemische Reinigungsstufe betrifft das Gasgemisch.
Stufe 4 Die MCFC
Das gereinigte Gasgemisch wird über einen integrierten Reformer der MCFC zugeführt und kann dort direkt in elektrische Energie und Wärme umgewandelt werden. Die erzeugte Abwärme wird zur Darstellung der Prozesswärme im Fermenter und zur Ammoniakstrippung genutzt. Die elektrische Energie wird über einen Umrichter direkt ins öffentliche Stromnetz eingespeist. Ammoniak wird unter Energiegewinnung in der MCFC vollständig zu N2 abgebaut. CH4 wird zu H2O und CO2 plus Energie abgebaut. Die CO2-Bilanz bei CH4 ist ausgeglichen, da das gebildete CO2 aus nachwachsenden Rohstoffen stammt und daher vorher der Atmosphäre durch Photosynthese in gleicher Menge entzogen wurde. Die CO2-Bilanz des NH3 ist rein positiv, da hier Energie ohne Bildung von CO2 gewonnen wird, die anderenfalls ungenutzt und unter Freisetzung von Schadgasen in die Atmosphäre entweicht.
Der energetische Wirkungsgrad von Ammoniak erreicht in der MCFC 75% dessen von Methan. Es steht also durch die Verstromung von Ammoniak zusätzlich insgesamt 5 bis 25% mehr Energie zur Stromerzeugung durch die zusätzliche Nutzung von Ammoniak zur Verfügung. Der elektrische Wirkungsgrad bezogen auf CH4 erhöht sich durch die Kombination von MCFC einmal durch den höheren elektrische Wirkungsgrad und der zusätzlichen Energie von 32% (nur CH4 im BHKW) auf bis zu 83% (MCFC + NH3-Nutzung)!
Vorteilhaft bei der Erfindung ist somit die Kombination der Anaerobbehandlung biogener Reststoffe zur Biogaserzeugung, die Ammoniakstrippung aus dem Biogasfaulschlamm und dessen energetischen Nutzung mittels der MCFC-Brennstoffzelle zur Erzeugung von elektrischem Strom aus Biogas-Ammoniak-Gemisch und die dadurch bedingte Erhöhung des elektrischen Wirkungsgrades gegenüber herkömmlichen BHKW um bis zu 150% und dem damit verbundenen umweltneutralen Abbau der Schad- und Klimagase Ammoniak und NOx zu Luftstickstoff bei positiver CO2-Bilanz.

Claims (18)

1. Verfahren zur Energiegewinnung mit folgenden Schritten:
  • - Erzeugung von Biogas durch Vergärung von organischen Stoffen oder Reststoffen aus der Landwirtschaft, aus Kläranlagen, der Nahrungsmittelindustrie oder dergleichen und/oder durch Verwertung von Energiepflanzen
  • - Verbrennung des Biogases in einer Brennstoffzelle.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Biogas neben Spurengasen im wesentlichen Methan und Kohlendioxid umfasst.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kohlendioxidanteil zwischen 10 und 60 Vol.%, insbesondere 25 und 50 Vol% ist.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelle vom Typ MCFC ist.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Biogas vor dem Verbrennungsschritt Ammoniak zugegeben wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Ammoniakanteil 5 bis 40 Vol%, insbesondere 10 bis 30 Vol% beträgt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Ammoniak aus Rückständen beim Erzeugen des Biogases gewonnen wird.
8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Rückstand beim Erzeugen des Biogases Biogasfaulschlamm entsteht, dem durch Strippung Ammoniak gasförmig entzogen wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Verbrennungsschritt das Gas von schädlichen Bestandteilen gereinigt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas von für den betreib der MCFC schädlichen Spurengasen, insbesondere Schwefelwasserstoff, gereinigt wird.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Verbrennungsschritt das Gas einen integrierten Reformer durchläuft.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abwärme der Brennstoffzelle für einzelne oder mehrere der Verfahrenschritte der vorhergehenden Ansprüche verwendet wird.
13. Energieerzeugungssystem, insbesondere für ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem Fermenter zur Umsetzung von organischen Stoffen in Biogas und einer Brennstoffzelle zur Verbrennung des im Fermenter erzeugten Biogases.
14. Energieerzeugungssystem nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das System weiterhin einen Gasspeicher zur Speicherung des Biogases umfasst.
15. Energieerzeugungssystem nach einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass das System weiterhin einen integrierten Reformer umfasst.
16. Energieerzeugungssystem nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das System weiterhin eine Gasreinigungsanlage umfasst.
17. Energieerzeugungssystem nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das System weiterhin eine Gasmischanlage umfasst.
18. Energieerzeugungssystem nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das System weiterhin einen Wärmetauscher umfasst, der die Wärmeabgabe von der Brennstoffzelle zum Fermenter ermöglicht.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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EP2017223A3 (de) * 2007-01-11 2010-12-15 Silicon Fire AG Verfahren und Vorrichtung zur Energiegewinnung und Meerwasserentsalzung mit kontrolliertem Einsatz von Treibhausgasen sowie zur Bereitstellung von Holzkohleartigen Düngern mit negativem CO2-Beitrag
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