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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Biogaskraftwerkes,
sowie ein Biogaskraftwerk selbst, gemäß Oberbegriff
der Patentansprüche 1 und 11.
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Biogaskraftwerke
verwenden Biogas entweder als Direkt-Brennstoff oder nutzen aus
dem Biogas zumindest aufbereitete Gaskomponenten wie Methan als
Eingangsstoff für Brennstoffzellen.
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Unter
dieser Thematik sind im Stand der Technik unter anderem sogenannte
Blockheizkraftwerke mit der gebräuchlichen Abkürzung
BHKW bekannt. Hierbei werden Technologien nach dem Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung
umgesetzt.
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Prinzipien
dieser Art sind aus der Internetseite www.bhkw-info.de bekannt.
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Vielfach
wird das Biogas in Tanks oder Leitungen angeliefert bzw eingespeist.
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Im
Hinblick auf die Energiebilanz sind solche bekannten logistischen
Prozesse energieaufzehrend und unwirtschaftlich.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der gattungsgemäßen
Art sowie eine Biogaskraftwerk selbst dahingehend weiterzuentwickeln,
dass weniger anfallende Wärme vergeudet und der Prozess
insgesamt im Wirkungsgrad deutlich erhöht wird.
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Die
gestellte Aufgabe wird bei einem Verfahren der gattungsgemäßen
Art erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden
Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen
Verfahrens sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Im
Hinblick auf ein Biogaskraftwerk ist die gestellte Aufgabe erfindungsgemäß durch
die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 11 gelöst.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den übrigen abhängigen
Patentansprüchen angegeben.
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Kern
der verfahrensgemäßen Erfindung ist dabei, dass
die Verbrennungsstufe des Biogaskraftwerkes zunächst aus
einem Gasvorrat gestartet und warmgefahren wird und im Anlauf dieser
Startphase zumindest aus einem Teil der erzeugten Wärme
ein ortsnah betriebener Biogaserzeugungsprozess thermisch angeschoben
wird.
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Das
Wesen der Erfindung besteht hierbei in der Verbindung von im wesentlichen
zwei Maßnahmen, nämlich der Abwärmenutzung
des Biogaskraftwerkes für den Anschub und die Unterhaltung
einer Biogaserzeugungsanlage einerseits, sowie die dementsprechend
erheblich vorteilhafte ortsnahe Platzierung der Biogaserzeugungsanlage.
Dadurch kann die entstehende Abwärme optimal und energetisch verlustarm
dem Biogaserzeugungsprozess zugeführt werden. Dadurch wiederum
wird der Biogaserzeugung ohne Fremdenergienutzung betrieben. Wird bspw
Biogas ortsfern zum Kraftwerk erzeugt, so muss zusätzliche
Wärmeenergie aufgewendet werden.
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Durch
den Anschub des Kraftwerkes aus einem Gasvorrat läuft nicht
nur das Biogaskraftwerk an sondern zeitgleich auch der Biogaserzeugungsprozess,
weil er aus dieser erzeugten Wärme angeschoben wird, der
das Biogas zum weiteren Betrieb des Biogaskraftwerkes liefert.
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Da
der Biogaserzeugungsprozess insbesondere in dem Biomassefermenter
Wärmeenergie zur Fermentierung und Biogaserzeugung benötigt,
und das Kraftwerk auch Abwärme liefert, steht diese durch
die ortsnahe Kopplung von Biogaserzeugungsanlage und Biogaskraftwerk
nun optimal und verlustarm zur Verfügung.
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In
vorteilhafter Ausgestaltung ist vorgesehen, dass von der anfallenden
Abwärme der Startphase zumindest ein Wärmeanteil
von der gesamt zur Verfügung stehenden Abwärme
dem Fermenter der Biogaserzeugungsanlage zugeführt wird. Übrige Abwärme
kann zusätzlich noch anderweitig, d. h. gemäß der
weiteren Ausgestaltungen genutzt werden.
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In
weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass nach Anschub
des Biogaserzeugungsprozesses vom Gasvorratsbetrieb auf Biogasbetrieb
aus aktuell erzeugtem Biogas umgeschaltet wird. Eine solche Umschaltung
kann durch eine z. B temperaturgeführte Steuerung automatisiert
werden.
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In
vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass die Umschaltung
stufenweise durch kontinuierlich steigende Zumischung von aktuell
erzeugtem Biogas zum entnommenen Gasvorrat vorgenommen wird. Hierdurch
ist ein arbeitspunktgenauer und wirkungsgradoptimierter Betrieb
sowohl des Biogaskraftwerkes als auch der Biogaserzeugungsanlage möglich.
Auch dies kann durch eine Steuerung wie oben beschrieben automatisch
vorgenommen werden, indem hierbei entsprechende Ventilsteuerungen diese
Zumischung bewirken. Eine diskontinuierliche Umschaltung ist natürlich
auch möglich.
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In
weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist vorgesehen, dass im Betrieb
des Biogaskraftwerkes die neben der Verstromung im Prozess überschüssige
Wärmeenergie in den Biogaserzeugungsprozess und/oder ein
Nahwärmenetz zum Betrieb von z. B. direkter Heißwasserheizung
eingespeist wird. Hierdurch wird sämtliche anfallende Abwärme
genutzt. Dabei wird berücksichtigt, dass der Prozess so
optimiert betrieben wird, dass nicht alle Abwärme im Fermentierungsprozess
platziert werden kann, sondern dass weitere Abwärme entsteht,
die aber einer weiteren Nutzung, nämlich der kombinierten
Einspeisung ins Nahwärmenetz zugeführt wird.
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Hinsichtlich
der Wärmebilanz wird die Abwärme nun nicht nur
ins Nahwärmenetz gespeist, sondern vordringlich in den
Biogaserzeugungsprozess, und erst bei weiterem Wärmeüberschuß ins Nahwärmenetz
eingespeist. Durch die Automatisierung dieser Wärmezufuhrregelung
wird eine optimale Nutzung der Wärme erzielt. Ungenutze
Abwärme entsteht näherungsweise quasi nicht mehr.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird die nunmehr vorhandene
Regelung auch dazu genutzt, dass stetig ein Teil der sowohl im Biogaskraftwerk
als auch in der Biogaserzeugungsanlage anfallenden Restwärme
in den Fermentierungsprozess zurückgeleitet wird. Das heisst,
dass nicht nur die Abwärme aus dem Biogaskraftwerk in den
Fermenter zurückgeleitet wird, sondern sogar die in den weiteren
Stufen der Biogaserzeugung entstehende weitere Abwärme
wird ebenfalls in den Fermenter zurückgeleitet. Dabei können
im Fermenter ebenso Wärmeüberschüsse
entstehen, die dann wiederum genutzt und bspw ins Nahwärmenetz
mit eingespeist oder nachverstromt wird.
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In
weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass dem auf
Biomasse betriebenen Biogaserzeugungsprozess nach Abzug eines dabei
anfallenden Gärsubstrates demselben auch Holzbestandteile
von außen beigemischt und hernach das Gärsubstrat/Holz-Gemisch
aus der überschüssigen Abwärme bzw Teilabwärme
des Biogaskraftwerkes oder des Fermenters getrocknet wird.
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In
besonders vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass das durch
Abwärme getrocknete Gärsubstrat/Holz-Gemisch hernach
einem Biomassevergaser nach Art eines Holzvergasers zugeführt wird,
dessen Gas ebenso dem Verbrennungsprozess zugeführt und
die anfallende Asche als Dünger für landwirtschaftliche
Nutzung ausgebracht wird. Auf diese Weise werden die restlichen
Bestandteile in dem an sich energetisch noch wertvollen Gärsubstrat des
Fermeters genutzt. Auch hierbei wird die im gekoppelten System „Biogaskraftwerk-Biogaserzeugungsanlage"
insgesamt entstehende Wärme, bzw Abwärme genutzt
um weitere Prozesse zur Energiegewinnung anzuschieben bzw zu betreiben.
Als Biomasse können zum Gärsubstrat Holz oder
auch Biomassepflanzen als schnell nachwachsender Rohstoff beigemischt
werden. Die anschließende Biomassevergasung gleicht den
bekannten Holzvergasungsprozessen, mit dem Unterschied, dass sie
nunmehr sowohl in diesen wärmebilanztechnischen als auch brennstoff-
oder massemäßigen Kreislauf mit eingeschlossen
sind.
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Nach
der letztendlichen Vergasung bleibt ein restliches Substrat übrig,
und in weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass
dieser Dünger auf diejenigen Biomasse-Anbauflächen
zurückgeführt werden, auf denen die zur Biogaserzeugung und/oder
Holzvergasung eingebrachte Biomasse nachhaltig angebaut wird. Ökologisch
entsteht hiermit nun auch ein geschlossenes Rohstoff/Wärme-System.
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Zuzüglich
oder auch anstatt, kann die Abwärme aus einigen oder allen
Prozesstufen sowohl des Biogaskraftwerkes als auch der Biogaserzeugungsanlage
in einer Wärmeturbine nachverstromt wird.
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In
Bezug auf ein Biogaskraftwerk besteht der Kern der Erfindung darin,
dass dem Biogaskraftwerk eine ortsnahe oder baulich direkt implementierte
Biogaserzeugungsanlage beigeordnet ist.
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Dies
bedeutet, dass solche Anlagen quasi ineinander integriert sind und
so ein geschlossenes Biogaserzeugs- und Biogaskraftwerksmodul ergeben, welches
nicht nur mit Kraft-Wärme-Kopplung arbeitet, sondern den
Biogasprozess sogleich mitbeinhaltet.
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Auf
diese Weise lassen sich sogar Kleinanlagen mit einem enorm hohen
Wirkungsgrad betreiben.
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In
weiterer anlagenspezifischer Ausgestaltung ist angegeben, dass das
Biogaskraftwerk ein mit der Biogasanlage zusammengeschlossenes Wärmenetz
aufweist, über welches über geregelte Ventile, anfallende
Wärme vom Verbrennungs- und/oder Verstromungsprozess dem
Biogaserzeugungsprozess rückgeführt werden kann,
und dass überschüssige Wärme aus dem
Biogaserzeugungsprozess so automatisch auch zur Nachverstromung
und/oder ins externe Wärmenetz speisbar ist.
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In
weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass eine Systemsteuerung
vorgesehen ist, in welcher Mittel zur Regelung der Wärmebilanz sowohl
im Biogaserzeugungsprozess als auch im Biogaskraftwerksprozess implemetiert
sind, dass hierüber die Wärmeträger über
steuerbare Ventile gemäß der betriebsweise der
Patentansprüche 1 bis 10 distributierbar sind. Die besagten
Mittel können verteilt in den Anlagen platzierte Temperaturfühler
sein, die mit einem zentral angeordneten Regler verbunden sind.
Der Regler kann dabei elektronische Mittel enthalten, mit denen
er eine Art Wärmebilanz errechnet und gemäß der
obigen Verfahrensweise dann die Stellsignale für die besagten
Ventile generiert. Die Ventile oder zumindest ein Teil der Ventile
sind dabei in den speziellen Verteilerpunkten integriert.
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In
diesem Zusammenhang ist es daher vorteilhaft, dass sowohl das Biogaskraftwerk
als auch die Biogaserzeugungsanlage über eine zusammenhängende
Steuerung gesteuert bzw geregelt wird. Durch die auch bauliche oder
ortsnahe Zusammenführung von Biogaserzeugungsanlage und
Biogaskraftwerk ist es nunmehr möglich, diese beiden Komponenten
vorteilhaft und optimiert über eine gemeinsame Steuerung
zu betreiben.
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In
weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass das Biogaskraftwerk
als kombiniertes Strom/Wärme Kraftwerk ausgestaltet ist.
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Ebenso
vorteilhaft ist eine modulare Bauweise, indem das Biogaskraftwerk
und die Biogaserzeugungsanlage jeweils als Module ausgebildet sind, und
dass die besagten Module von einer gemeinsamen Steuerung steuer-/regelbar
sind.
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In
letzter vorteilhafter Ausgestaltung ist eine Brennstoffzelle vorgesehen,
die entweder anstatt des BHKW oder auch parallel dazu betrieben
wird, derart, dass am Verteilerpunkt A der Brennstoffzelle Gas zugeführt
wird, und über den Verteilerpunkt B die erzeugte elektrische
Energie ins elektrische Netz am Einspeisepunkt einspeisbar ist,
und optional die überschüssige Wärme über
die Verteilerpunkte C und D in den Prozess rückgespeisbar
ist.
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Ein
Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung
dargestellt und nachfolgend näher erläutert.
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Es
zeigt:
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1:
Darstellung eines Ausführungsbeispieles
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2:
Darstellung mit zentraler Steuerung
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1 zeigt
in einem Ausführungsbeispiel die prinzipielle Darstellung
aller zusammenwirkenden Elemente. Hieraus sind aber auch alternative
Funktionsweisen des Verfahrens ersichtlich.
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Zentrales
Element ist das Blockheizkraftwerk 1, Abkürzung
BHKW. Dieses wird über den Verteilerpunkt A mit Gas aus
einer Biogasanlage 3 gespeist, was innerhalb des BHKW 1 verbrannt
und daraus thermische Energie gewonnen wird. Da die Biogasanlage
aber nicht ab initio Biogas liefert wird das BHKW zunächst
aus einem hier nicht weiter dargestellten Gasreservoir gespeist
und warmgefahren. Sobald das BHKW Wärme erzeugt, wird diese über den
Verteilerpunkt C bspw mittels eines thermische Energie transportierenden
Mediums Wärme in die Biogasanlage 3 zurückgeführt.
Diese besteht im Wesentlichen aus einem Fermenter, der die thermische Energie
zum Anschub und zur Unterhaltung der Gärprozesse und damit
der Biogasproduktion benötigt.
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Das
dann erzeugte Biogas wird über den Verteilerpunkt A dann
dem BHKW 1 zugeführt. Dabei wird die Zufuhr von
Gas aus einem Reservoir entweder ganz gestoppt, oder es findet eine
ventilgesteuerte Zumischung statt, mit dem Regelziel, schrittweise oder
kontinuierlich auf in situ produziertes Biogas umzustellen.
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Die
Biogasanlage wiederum erzeugt durch den Gärprozess mit
der Zeit weitere Abwärme, die ausserdem über bspw
einen Wärmetauscher zum thermischen Verteilerpunkt C geführt
und von dort in ein Nahwärmenetz und/oder in eine Wärmeturbine zur
Nachverstromung gespeist wird.
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Am
Ende des Biogasprozesses in der Biogasanlage 3 fällt
ein Gärsubstrat 4 an. Dieses wird in eine Filterkammerpresse 5 transportiert,
wo es gepresst wird. Dort fällt sodann flüssiger
Dünger an, der wiederum auf die landwirtschaftliche Nutzfläche
aufgebracht wird, und der feste Rest des Gärsubstrates wird
einem Biomassemischer 6 zugeführt. In dieser Stufe
kann nunmehr auch Holz, oder Biomassepflanzen als solche mit beigemischt
werden. Hernach wird das Gemisch einem Trockner, hier einem Trommeltrockner
zugeführt. Dieser wird ebenfalls mit Abwärme aus
dem BHKW 1 und/oder der Biogasanlage 3 gespeist,
die über den thermischen Verteilerpunkt D eingespeist wird.
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Am
Ende wird das so getrocknete Gärsubstrat/Holz-Gemisch in
einem Biomassevergaser nach der Art eines Holzvergasers so behandelt,
dass ebenfalls brennbares Gas als Energieträger entsteht. Dieses
Gas wird wiederum über den Gas-Verteilerpunkt A direkt
dem BHKW 1 zugeführt und dort zur thermischen
Energiegewinnung verbrannt.
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Überschüssige
Abwärme des Trommeltrockeners wird dabei auch wieder über
den thermischen Verteilerpunkt D zum Verteilerpunkt C geführt und
kann dort dem BHKW 1 und/oder dem Nahwärmenetz 30 und/oder
der Biogasanlage zugeführt werden.
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Die
bei der Biomassevergasung entstehende Asche wird dabei wieder als
Festdünger auf die landwirtschaftliche Nutzfläche 12 gebracht.
Dort wächst wieder die Biomasse und das Holz der Biomassepflanzen
nach.
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Neben
dem Stoffkreislauf ist die gesamte Anlage so gestaltet, dass sich
ein geschlossener Wärme-Kreislauf ergibt, so dass Energie
optimal genutzt und im Umlauf ist.
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Zusätzlich
zum BHKW 1 oder auch anstelle desselben kann eine Brennstoffzelle
(hier nicht gesondert dargestellt) vorgesehen sein, die ebenfalls am
Verteilerpunkt A mit Gas gespeist wird. Die dabei anfallende Elektrische
Energie wird wie beim BHKW über den Verteilerpunkt B ins
elektrische Netz am Einspeisepunkt 20 eingespeist. Die
anfallende Wärmeenergie wird wie beim BHKW über
die Wärmeverteilerpunkte C und D in einer Wärmeturbine
nachverstromt und/oder in den Biogaserzeugungsprozess eingespeist.
Hierzu befindet sich dann die Brennstoffzelle ebenfalls im Modul 100.
Die Brennstoffzelle kann sowohl eine wasserstoff- als auch methangespeiste
Brennstoffzelle sein.
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Im
Ergebnis werden hierdurch überraschend hohe Wirkungsgrade
erzielt.
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Ein
weiteres besonderes Augenmerk liegt auf der Gestaltung der Module.
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Im
dargestellten Ausführungsbeispiel sind bestimmte Baugruppen
zusammengefasst. Dies geschieht dabei nicht willkürlich
sondern mit dem Ziel einer optimierten Wärmenutzung und
damit Wirkungsgradsteigerung.
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In
einem ersten Modul sind die Biogasanlage 3 als solche und
die Gärsubstratsammlung und/oder -abführung 4 in
einem Modul 101 zusammengefasst.
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Die
Komponenten BHKW 1, Wärmepumpe 2, Filterkammerpresse 5,
Biomassemischer 6, Trommeltrockner 7 und Biomassevergaser 8,
sowie die Wärme-Verteilerpunkte C und D, sowie der elektrische
Verteilerpunkt B sind im Modul 100 zusammengefasst.
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Der
Biogas-Verteilerpunkt A kann dabei innerhalb des Moduls 100 oder
innerhalb des Moduls 101 implementiert sein, oder bewussterweise
auch in keinem der beiden. Insofern wäre der Biogasverteilerpunkt
A zwischen den Modulen 101 und 100 zu platzieren.
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Darüber
hinaus gibt es noch das imaginäre Modul der landwirtschaftlichen
Nutzfläche 12, auf der Biomasse angebaut und für
diesen Prozess geerntet wird, und ausserdem auch Holz entnommen
wird, welches an besagter Stelle dem Biomassemischer 6 zugeführt
wird. Auf der zu diesem Kreislauf gehörenden landwirtschaftlichen
Nutzfläche 12 werden aber auch im Massekreislauf
aus der Filterpresse 5 Flüssigdünger
aufgebracht und aus dem Biomassevergaser die Asche als Festdünger.
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Neben
der dargestellten erfindungsgemäßen Wärmenutzung
und Rückführung werden auch Massekreisläufe
erhalten, die den Wachstums- und damit Masseschaffungsprozess mit
unterhalten.
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Die
Gärsubstratnachbereitungskomponenten 5 bis 8 in
das BHKW-Modul mit zu integrieren, hat den enormen Vorteil, die überall
entstehende Abwärme unterschiedlichen energetischen Nachverwertungsstufen
optimal und in einem geschlossenen gut isolierbaren System umlaufen
zu lassen.
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Dies
gilt bspw für den Biomassen-Trommeltrockner, der sowohl
die einzutragende Energie als auch die Überschußenergie über
den Wärmeverteilerpunkt D sowohl mit dem Wärmenetz
als auch mit der elektrischen Energiekomponenten 2 und 1 verbindet.
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Es
ist daher von großem Vorteil, zumindest die Module 101 und 100 räumlich
eng benachbart zu platzieren, um Verluste bei dem Wärmetransport
zwischen dem Modul 100 und 101 zu vermeiden. Es
besteht jedoch auch die Möglichkeit die Module 101 und 100,
das heisst die Biogasanlage 3 samt Fermenter und Gärsubstratabzug 4 mit
in einer Baugruppe mit dem BHKW 1 und den zum Modul 100 gehörenden weiteren
Komponenten zusammenzufassen.
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Idealerweise
ist auch die Biomasseanbaufläche d. h. die landwirtschaftliche
Nutzfläche dicht beieinander platziert. Dies ist vorteilhaft,
jedoch nicht zwingend notwendig.
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2 zeigt
das Ausführungsbeispiel bei der Verwendung einer gemeinsamen
Steuerung 200.
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Hierbei
ist die bauliche Zusammenfassung der Module 101 und 100 von
erheblichem Vorteil. Innerhalb der so aus den Modulen 101 und 100 zusammengefassten
Anlage ist ein Netzwerk von Temperaturfühlern 201 angeordnet.
Dies besteht aus einzelnen Temperaturfühlern, die in der
Biogasanlage 3 im Gärsubstratabzug 4,
im Trommetrockner 7, im Biomasevergaser, in der Wärmeturbine 2,
im BHKW 1 und an den Einspeisepunkten sowie den Verteilerpunkten
A, B, C, und D platziert sein können.
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Die
Temperaturfühler bilden somit ein räumliches Bild
der thermischen Verteilung in den Modulen ab und lassen in der Steuerung
eine optimierte Auswertung von lokal definierbarer und verfügbarer Abwärme
zu. Mit diesem Temperaturfeld können dann die in den Verteilerpunkten
angeordneten, hier nicht weiter dargestellten Ventil- und Transportmittel, sowie
Wärmetauschmittel angesteuert werden.
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Über
die zentrale Steuerung lässt sich jede verfügbare
Wärme optimiert im System verteilen und bei Überschuss
sogar optimiert der Nachverstromung zuführen. Insgesamt
unterstützt die zentrale Steuerung somit die wikungsgradoptimierte
Arbeitsweise der Anlage und interne Wärmebedarfs- und Wärmeüberschußbilanzierung,
mit entsprechendem automatischen Eingriff über die Ventile
bzw Verteilerpunkte, zur Verteilung der jeweils lokalen Abwärme
in andere Prozesse innerhalb der Module, oder zur Nachverstromung
oder zur direkten Einspeisung in das anlagenexterne Wärmenetz.
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- 1
- BHKW,
Blockheizkraftwerk (ggfs mit zusätzlicher Brennstoffzelle
oder Brennstoffzelle anstatt des BHKW)
- 2
- Wärmeturbine
- 3
- Biogasanlage
- 4
- Gärsubstrat
- 5
- Filterkammerpresse
- 6
- Biomassemischer
- 7
- Trommeltrockner
- 8
- Biomassevergaser
- 10
- Biomasse
- 11
- Holz
- 12
- Landwirtschaftliche
Nutzfläche
- 20
- Einspeisepunkt
- 30
- Nahwärmenetz
- A
- Verteilerpunkte
(ggfs mit Ventil)
- B
- dito
- C
- dito
- D
- dito
- 100
- Modul
- 101
- Modul
- 200
- Steuerung
- 201
- Temperaturfühlernetzwerk
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - www.bhkw-info.de [0004]