DE102007058548A1

DE102007058548A1 - Verfahren zum Aufreinigen von Biogas

Info

Publication number: DE102007058548A1
Application number: DE102007058548A
Authority: DE
Inventors: Tobias Assmann
Original assignee: LANDWAERME GbR VERTRETUNGSBERE; Landwarme GbR (vertretungsberechtigter Gesellschafter Tobias Assmann 80638 Muenchen)
Current assignee: LANDWAERME GMBH, DE
Priority date: 2007-12-05
Filing date: 2007-12-05
Publication date: 2009-06-10
Anticipated expiration: 2027-12-06
Also published as: EP2227524A1; DE102007058548B4; WO2009071593A1; US20110023497A1

Abstract

Die Erfindung betrifft Verfahren und Vorrichtungen zum Erzeugen und Aufreinigen von Biogas. Hierbei wird grundsätzlich Biogas in einem Fermenter aus Biomasse erzeugt, das Biogas mittels einer Trennstufe in einen Methangasstrom und in einen Schwachgasstrom aufgeteilt und der Schwachgasstrom in einem Blockheizkraftwerk in Wärme und elektrischen Strom umgesetzt. Die Erfindung zeichnet sich einerseits dadurch aus, dass als Trennstufe eine Membran verwendet wird, die derart eingestellt ist, dass der Schwachgasstrom einen erheblichen Anteil von Methan aufweist. Die Erfindung zeichnet sich weiterhin dadurch aus, dass mittels einer Bypassleitung, die die Trennstufe umgeht, ein variabler Anteil des Rohgasstroms direkt dem Blockheizkraftwerk zuführbar ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufreinigen von Biogas.
Biogas wird aus der Vergärung von organischen Stoffen gewonnen. Es enthält die Gase Methan, Kohlendioxid, und Wasserdampf, dazu Spuren von Schwefelwasserstoff, Ammoniak, HCl, Wasserstoff, flüchtigen organischen Säuren und Siloxane/Silane.
Die energetische Verwertung des Biogases geschieht heute zum großen Teil in Blockheizkraftwerken, d. h. es werden nahe der Biogasanlage große Mengen an Strom und Niedertemperaturwärme produziert. Während der Strom ins Netz eingespeist werden kann, ist ein Niedertemperaturwärmeabnehmer nicht immer lokal vorhanden, so dass die Wärme im ungünstigsten Fall unter zusätzlichem Energieaufwand weggekühlt werden muss.
Die Aufbereitung des Biogases auf Erdgasqualität, das Verdichten und Fördern des Methans zu einem Blockheizkraftwerk nahe eines Wärmeverbrauchers, ist daher eine immer mehr an Bedeutung gewinnende Alternative zu den lokalen Blockkeizkraftwerken (BHKW).
Anders als Stromnetze verfügen lokale Gasnetze nur über eine geringe Puffer- oder Ausgleichskapazität bei einem temporären Überangebot an Biomethan. Bei Erreichen des Maximaldrucks im Erdgasnetz ist es in der Regel notwendig, das anfallende Biogas teilweise oder komplett abzufackeln.
Es besteht daher ein erheblicher Bedarf, Methan aus Biogas auf Erdgasqualität aufzubereiten, ohne dass bei schwankenden Abnahmekapazitäten Biogas abgefackelt werden muss.
Bekannte Verfahren zur Biogasaufbereitung greifen teilweise auf Verfahren der Erdgasaufbereitung zurück. Sie lassen sich nach Adsorptionsverfahren, Absorptionsverfahren und Membranverfahren ordnen.
Das Standard-Adsorptionsverfahren ist die Druckwechseladsorption (Pressure Swing Adsorption, PSA), wie es zum Beispiel in der CH 692 653 A5 beschrieben ist. Hierbei werden bei hohem Druck Kohlendioxid und polare Begleitgase an einer Aktivkohle- oder Molekularsieboberfläche gebunden. Methan adsorbiert deutlich schlechter als Kohlendioxid und die Begleitgase. Nachdem das Adsorbens beladen ist, wird der Druck abgesenkt und die Verunreinigung desorbieren wieder und werden als Schwachgas abgeleitet. Das Verfahren ist also nicht kontinuierlich, es kann quasi kontinuierlich mit mehreren parallel verschalteten Kolonnen betrieben werden. Mit der PSA werden hochreine Methanströme erzeugt. Geringe Mengen an Methan (im einstelligen Prozentbereich) finden sich jedoch im Schwachgas wieder. Da Methan ein sehr schädliches Klimagas ist, darf es nicht in die Umwelt gelangen.
Ein grundsätzlicher Nachteil der PSA ist neben den hohen Investitionskosten, dass die Anlage nicht energieautark betrieben werden kann. Sowohl die elektrische Energie für die Biogasanlage, als auch die Kompressionsenergie zur Erzeugung des Netzdrucks müssen von einer externen Energiequelle bereitgestellt werden.
In der EP 1 634 946 A1 ist ein Verfahren zur Gewinnung von Bioerdgas beschrieben, das schematisch in 2 in einem Blockschaltbild dargestellt ist. Bei diesem Verfahren wird zunächst in einem Fermenter 1 Rohbiogas aus Biomasse erzeugt. Das Rohbiogas wird einer Aufbereitungsstufe 2 zugeführt, in welcher aus dem Rohbiogas Bioerdgas erzeugt wird, wobei ein zusätzlicher Abgasstrom mit einem Methangehalt von 17 Vol.-% anfällt. Die Aufreinigungsstufe arbeitet mittels eines Molekularsiebes auf Kohlenstoffbasis ohne Rezirkulation. Das Methan des Abgasstroms wird mittels eines Schwachgasbrenners zur Wärmeerzeugung verbrannt. Die hierbei anfallende Wärme wird im Fermenter zur Biogasproduktion genutzt. Es wird davon ausgegangen, dass Abgase mit weniger als 40 Vol.-% Methan nicht zum Betreiben eines Blockheizkraftwerkes geeignet sind.
Als Alternative zu Adsorptionsverfahren gibt es Absorptionsverfahren, die die gute Löslichkeit der Methanbegleitgase in Wasser ausnutzen, um Methan zu separieren. So lösen sich Kohlendioxid, Schwefelwasserstoff und Ammoniak – in Abhängigkeit vom pH-Wert – bis zu 100.000 mal besser in Wasser als Methan. Standardverfahren sind die kalte Aminwäsche (MEA-Wäsche) und die Laugenwäsche. Hier wird das Biogas in einer ersten Trennkolonne von den sauren Gasen befreit. In einer zweiten Kolonne wird das gelöste Gas ausgetrieben. Das Waschmittel kann wieder in die erste Kolonne zurückgeführt werden.
Neben den klassischen Absorptionsverfahren sind noch einige exotische Absorptionsverfahren bekannt. In der DE 44 19 766 A1 , der DE 103 46 471 A1 und in der DE 10 2005 010 865 A1 werden photosynthetische Systeme beschrieben, die CO₂ und H₂S unter großem Einsatz von Lichtenergie in Biomasse speichern. In der US 2003/0143719 A1 wird vorgeschlagen, speziell CO₂ mit einer Lösung aus dem Gas zu waschen, welche eine Carboanhydrase enthält. Dieses Enzym beschleunigt die Einstellung des Kohlensäuregleichgewichtes und verringert so Hystereseeffekte bei der Absorption/Desorption des CO₂ in Wasser.
Die Gaspermeation ist ein vergleichsweise neues Verfahren. Ein Beispiel für die Aufbereitung von Biogas mit einer Gaspermeationsanlage ist in DE 100 47 264 A1 beschrieben. Das Rohbiogas wird über eine Membran geleitet. CO₂ und H₂S lösen sich in der Membran und diffundieren durch diese hindurch. Sie bilden ein Permeat. Um das notwendige treibende Gefälle bereit zu stellen, wird der nicht durch die Membran hindurch tretende Gasstrom, das Retentat, unter Druck gesetzt, so dass es ein Druckgefälle zwischen dem Retentat und dem Permeat gibt. Im Idealfall wird die Membran jedoch nicht konvektiv durchströmt. Der Vorteil dieses Verfahrens ist der einfache Aufbaus. Es werden nur ein Verdichter und ein Membranmodul benötigt. Besonders bei kleinen Anlagen rentieren sich somit die im Vergleich geringen Investitionskosten sehr schnell. Daneben ist dieses Verfahren ein kontinuierliches Verfahren und kommt ohne Prozesschemikalien oder andere Hilfsstoffe aus. Der Nachteil dieses Verfahren ist, dass mehrere Membranstufen zur kompletten Abtrennung des Methans benötigt werden.
Bei der Einspeisung von aufbereitetem Biogas in Erdgasnetze wird häufig eine dauerhafte Verfügbarkeit der Netze als Gasspeicher angenommen. Eine konventionelle Biogasanlage mit Einspeisung ist nicht in der Lage auf eine Sättigung des Erdgasnetzes zu reagieren. Das Projekt Kombikraftwerk (www.kombikraftwerk.de) speichert beispielsweise Überschussmethan lokal in Gasspeichern oder im Gasnetz. Eine Anpassung der Substratmenge an den Energie- oder Gasbedarf ist nicht möglich, da zumindest bei Hochlastbiogasanlagen die Biologie empfindlich auf Schwankungen bei der Fütterung reagiert.
Aus einem am 5. Januar 2006 veröffentlichten Final Project Report „Gas Separations using Ceramic Membranes" von Paul K. T. Liu, Media and Process Technology, Inc., U.S.A., sind keramische Membrane bekannt. Diese Membrane werden zum Trennen von bestimmten Komponenten aus Gasströmen verwendet. Ein Beispiel zeigt eine Anwendung, mit welcher CO₂ aus einem Gasstrom getrennt wird.
Weiterhin ist die Verwendung von Polymermembranen zur Abtrennung von Kohlendioxid aus Gasströmen bekannt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erzeugen und Aufreinigen von Biogas zu schaffen, die auf einfache Art und Weise eine sehr effiziente Erzeugung und Aufreinigung von Biogas erlauben.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1 oder des Anspruchs 2 und durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 11 oder Anspruches 12 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Erzeugen und Aufreinigen von Biogas umfasst folgende Schritte:

– Erzeugen von Biogas aus Biomasse,
– Aufreinigen des Biogases mittels einer Membran, welche den Rohgasstrom in zwei Ströme aufteilt, wobei der eine Strom durch die Membran hindurchtritt und als Schwachgasstrom bezeichnet wird und der andere Strom von der Membran zurückgehalten wird und als Methangasstrom bezeichnet wird, und die Membran derart eingestellt ist, dass der Schwachgasstrom einen Anteil von zumindest 10 Vol.-% Methan aufweist, und
– der Schwachgasstrom in einem Blockheizkraftwerk in Wärme und elektrischen Strom umgesetzt wird.

Da mit dem erfindungsgemäßen Verfahren der Anteil von Methan im Schwachgasstrom relativ hoch eingestellt ist, vereinfacht sich die Aufreinigung des Biogases erheblich, wobei gleichzeitig eine hohe Qualität an Bioerdgas erzielt wird. Die erforderliche Trennstufe ist also einfach in Form einer Membran ausgebildet und es ist möglich, mit dem Schwachgasstrom ein Blockheizkraftwerk zu betreiben. Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird entgegen herkömmlicher Praxis die Trennstufe nicht dahingehend optimiert, möglichst viel Methan zu extrahieren, sondern die Trennstufe wird dahingehend optimiert, den Kohlendioxid-Anteil möglichst vollständig in den Schwachgasstrom zu überführen, wobei ein großer Methananteil im Schwachgasstrom nicht nur hingenommen sondern sogar erwünscht ist, da hierdurch die im Schwachgasstrom enthaltene Energie effizient mittels eines Blockheizkraftwerkes genutzt werden kann.
Die eine Membran aufweisende Trennstufe ist zum einen einfach und kostengünstig ausgebildet und erlaubt zum anderen einen kontinuierlichen Betrieb.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Erzeugen und Aufreinigen von Biogas vorgesehen, das folgende Schritte umfasst:

– Erzeugen von Biogas aus Biomasse,
– Aufreinigen des Biogases mittels zumindest einer Trennstufe, welcher das Biogas in Form eines Rohgasstromes zugeführt wird und welche den Rohgasstrom in einen Methanstrom und einen Schwachgasstrom aufteilt, und
– der Schwachgasstrom in einem Blockheizkraftwerk in Wärme und elektrischen Strom umgesetzt wird, wobei

Bei diesem Verfahren ist eine die Trennstufe umgebende Bypassleitung derart vorgesehen, dass ein variabler Anteil des Rohgasstroms direkt dem Blockheizkraftwerk zugeführt wird. Hierdurch kann schnell auf einen wechselnden Bedarf bei den Abnehmern (Erdgasnetzwerk, Stromnetzwerk) reagiert werden. Wenn die Pufferkapazitäten des Erdgasnetzwerkes ausgeschöpft sind, wird der Anteil des dem Blockheizkraftkwerk direkt zugeführten Rohgasstromes erhöht, wodurch mehr elektrischer Strom erzeugt wird. In Stromnetzwerken gibt es keine Beschränkung bezüglich der Einspeisung des Stromes. In Stromnetzwerken besteht hingegen Bedarf an schnell und kurzzeitig verfügbarer elektrischer Leistung. Dies kann auch durch Erhöhen des direkt dem Blockheizkraftwerk zugeführten Rohgasstromes befriedigt werden. Gibt ein Betreiber einer derartigen Anlage zum Erzeugen und Aufreinigen von Biogas die Kontrolle über die Produktion derartiger schnell und kurzzeitig abrufbarer Stromleistung direkt an einen Betreiber eines Stromnetzwerkes ab, so wird dieser Strom als Regelstrom bezeichnet, der sehr hoch vergütet wird.
Bei diesem Verfahren kann die Trennstufe mit einer Membran ausgebildet sein. Sie kann jedoch auf einer anderen Technologie, wie zum Beispiel dem Druckwechseladsorptionsverfahren oder einem Absorptionsverfahren beruhen.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen beispielhaft erläutert. Diese zeigen schematisch in:
1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Erzeugen von Biogas in einem Blockschaltbild, und
2 eine Vorrichtung zum Erzeugen von Biogas nach dem Stand der Technik in einem Blockschaltbild.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Erzeugen und Aufreinigen von Biogas umfasst einen Fermenter 1 zum Erzeugen von Biogas aus Biomasse, eine Trennstufe 2 zum Aufreinigen des Biogases, und ein Blockheizkraftwerk 4 zum Erzeugen von Wärme und elektrischem Strom. Der Fermenter 1 ist mit der Trennstufe 2 über eine Rohgasleitung 5 verbunden. In der Trennstufe 2 wird das Rohgas in einen Methangasstrom und einen Schwachgasstrom aufgeteilt. Der Methangasstrom wird über eine Methangasleitung von der Trennstufe 2 zu einem Kompressor 7 geführt. Der Kompressor 7 verdichtet das Methangas derart, dass es in ein Erdgasnetz eingespeist werden kann. Das Schwachgas wird mittels einer Schwachgasleitung 8 von der Trennstufe 2 dem Blockheizkraftwerk 4 zugeführt. Das Blockheizkraftwerk weist einen Motor, z. B. eine Mikrogasturbine, und einen mit dem Motor verbundenen Generator zur Stromerzeugung auf. Das Blockheizkraftwerk 4 ist über einen Wärmetauscherkreis 9 thermisch an den Fermenter 1 gekoppelt, um die im Blockheizkraftwerk erzeugte Wärme dem Fermenter 1 zur Produktion von Biogas zuzuführen.
In der Rohgasleitung 5 ist optional ein Zwei-Wege-Ventil 10 angeordnet, an das eine zum Blockheizkraftwerk 4 führende Bypass-Leitung 11 angeschlossen ist.
Das Blockheizkraftwerk 4, der Kompressor 7 und das Ventil 10 sind über Steuerleitungen 12 mit einer Steuereinheit 13 verbunden. Die Steuereinheit 13 kann an ein Datennetzwerk 14, wie zum Beispiel dem Internet, angeschlossen sein.
Das Blockheizkraftwerk 4 weist einen elektrischen Ausgang 15 auf, um elektrische Energie in ein Stromnetzwerk einzuspeisen. Weiterhin weist es einen thermischen Ausgang 16 auf, mit dem überschüssige Wärme abgeleitet werden kann.
Die Trennstufe weist vorzugsweise eine Membran (nicht dargestellt) als Trennmittel auf. Derartige Membranen können von der Firma Membrane Technology and Research, Inc., Menlo-Park, Kalifornien, USA erhalten werden. Hierbei wird die unter schiedliche Permeabilität des Membranmaterials für die verschiedenen Gasmoleküle genutzt. Mit solchen Membranen kann daher sowohl die gemeinsame Abtrennung von Kolendioxid und Schwefeldioxid als auch die selektive Abtrennung von Schwefelwasserstoff und Kolendioxid in mehrstufigen Anlagen durchgeführt werden. An der Membran wird ein bestimmter Anteil des Rohgasstromes zurückgehalten und bildet einen Methangasstrom, der auch als Retentat bezeichnet wird. Der durch die Membran hindurchtretende Anteil des Rohgasstromes bildet einen Schwachgasstrom, der auch als Permeat bezeichnet wird.
Die Membrane sind vorzugsweise keramische Membrane. Es ist jedoch auch möglich, Polymermembrane zu verwenden.
Vorzugsweise wird die Abtrennung lediglich einstufig ausgeführt, d. h., dass der Rohgasstrom zum Abtrennen einer bestimmten Komponente lediglich über eine einzige Membran geführt wird. Hierbei ist es jedoch möglich, mehrere Membranen in Reihe geschaltet vorzusehen, die jeweils für eine bestimmte Komponente selektiv sind. Vorzugsweise wird der Rohgasstrom unter Druck gesetzt, so dass ein Druckgefälle an der Membran anliegt, das die Trennung in den Methanstrom und den Schwachgasstrom unterstützt.
Das Druckgefälle an der Membran und das Membranmaterial werden derart aufeinander abgestimmt, dass im Schwachgasstrom ein Methangehalt von etwa 30 Vol.-% bis 35 Vol.-% enthalten ist. Es kann auch ein Methananteil von etwa 25 Vol.-% bis weniger als 40 Vol.-% bzw. sogar bis zu 50 Vol.-% zweckmäßig sein.
Ein solcher Schwachgasstrom kann in einem Blockheizkraftwerk direkt in Wärme und Strom umgesetzt werden, wobei das darin enthaltene Methan verbrannt wird. Ein zur Verwertung eines für Schwachgasstrom geeignetes Blockheizkraftwerk weist vorzugsweise eine Mikrogasturbine auf. Eine solche Mikrogasturbine ist beispielsweise von der Firma Capstone Turbine Corporation, USA, unter dem Handelsnamen C65 bzw. C60-ICHP erhältlich. Derartige Mikroturbinen können wirtschaftlich effizient mit einem Schwachgas betrieben werden. Die konstante Verbrennung des Gases in einer Turbine ist vorteilhaft für die Verwendung von Schwachgas.
Die Membranen enthalten beispielsweise Hohlfasern. Die Verwendung derartiger Membrane zur Aufbereitung von Biogas ist in Schell, William J. P., "Use of Membranes for Biogas Treatment" Energy Progress, im Juni 1983, Ausgabe 3, Nr. 2, Seiten 96–100 beschrieben. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die Verfahrensparameter derart eingestellt, dass fast das gesamte Kohlendioxid durch die Membrane hindurchtritt. Hierdurch wird ein Methangasstrom mit einem Methananteil von mehr als 99 Vol.-% Methan erhalten. Es ist somit ein sehr reiner Methangasstrom, der den üblichen Anforderungen an Bioerdgas genügt. Als Bioerdgas wird Biogas bezeichnet, das Erdgasqualität besitzt. Die Erdgasqualität ist beispielsweise in DVGW G 260, 261 und 262 geregelt und fordert einen Methangehalt von zumindest 96 Vol.-%.
Da die Parameter an der Membran derart eingestellt werden, dass Kohlendioxid fast vollständig hindurchtritt, wird folglich dem sehr reinen Methangasstrom erhalten. Der Schwachgasstrom enthält einen relativ hohen Methananteil, was bei herkömmlichen Verfahren unerwünscht ist. Im vorliegenden Verfahren stellt dies jedoch einen Vorteil dar, da der Schwachgasstrom direkt zum Betreiben des Blockheizkraftwerkes verwendet werden kann.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil der Optimierung der Trennstufe im Hinblick auf das zu trennende Kohlendioxid liegt darin, dass die Trennung einstufig erfolgen kann. Eine einstufige Trennung ohne Rezirkulation oder Rückkopplung ist sehr einfach und kostengünstig durchführbar.
Die Erhöhung des Methananteils im Schwachgasstrom im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren bewirkt somit gleichzeitig die drei Vorteile, dass ein reiner Methangasstrom in Erdgasqualität erzielt wird, dass die Trennstufe einfach ausgebildet und als Membran kontinuierlich betrieben werden kann, und der Schwachgasstrom zum Betreiben eines Blockheizkraftwerkes geeignet ist.
Am Ventil 10 kann ein Teil des Rohgasstromes über die Bypassleitung 11 direkt zumn Blockheizkraftwerk 4 geführt werden. Da Mikrogasturbinen mit einem breiten Spektrum an Gaszusammensetzungen betrieben werden können, kann das Blockheizkraftwerk 4 bei Bedarf direkt mit Rohbiogas bzw. einem Gemisch aus Rohbiogas und Schwachgas betrieben werden.
Ein solcher Bedarf besteht beispielsweise dann, wenn im Erdgasnetz keine weiteren Kapazitäten zum Einspeisen von Bioerdgas vorhanden sind. Gasnetze verfügen in der Regel über geringe Puffer- und Ausgleichskapazitäten. Zudem gibt es oftmals kurzzeitige Überangebote an Bioerdgas. Bei Erreichen des Maximaldrucks im Erdgasnetz ist es daher oftmals nicht möglich, weiteres Bioerdgas einzuspeisen. Das überschüssige Bioerdgas muß dann bei herkömmlichen Verfahren abgefackelt werden. Vorrichtungen zur Erzeugung von Bioerdgas werden deshalb meistens an Standorten gebaut, bei welchen das Erdgasnetz relativ hohe Ausgleichskapazitäten besitzt, um ein Abfackeln zu vermeiden. Diese Standorte sind jedoch begrenzt und schränken den örtlichen Einsatzbereich herkömmicher Vorrichtungen zum Erzeugen von Bioerdgas beträchtlich ein. Alternativ wäre es möglich, einen größeren Gasspeicher vorzusehen. Aufgrund von Kosten und Platz ist jedoch meistens die Größe des Gasspeichers begrenzt und nur zur Aufnahme einer Gasproduktion von typischerweise 6 Stunden ausgelegt. Wenn man mit einer solchen Vorrichtung schnell viel elektrische Leistungen bereitstellen möchte, dann könnte man grundsätzlich den Motor und den Generator entsprechend größer auslegen. Hierzu müßte dann auch ein entsprechender Vorrat an Biogas bereit gestellt werden. Hierfür müßte man den Gasspeicher nochmals vergrößern. Da dies nicht praktikabel ist, sind herkömmliche Vorrichtungen zum Erzeugen von Bioerdgas sehr begrenzt in ihren Ausgleichskapazitäten beim Abgeben von Bioerdgas und die erzeugte elektrische Leistung kann in der Regel nicht frei variiert werden. Durch das Vorsehen der Bypassleitung 11 ist es möglich, überschüssiges Bioerdgas im Blockheizkraftwerk in Strom und Wärme umzusetzen. Der Strom kann dann in das Stromnetz eingespeist werden und wird zumindest in Deutschland zu einem festen Tarif vergütet.
Somit ist es auf einfache Art und Weise möglich, die Menge des erzeugten Bioerdgases gezielt zu steuern, ohne dass bei schwankenden Abnahmekapazitäten Bioerdgas abgefackelt werden muss. Eine Steuerung im Bereich des Fermenters ist praktisch nicht möglich, da dies viel zu träge im Vergleich zu den Anforderungen der Erdgasnetze ist.
Ein weiterer Vorteil der Bypassleitung 11 liegt darin, dass bei Bedarf der Netzbetreiber des Stromnetzes sehr schnell größere Mengen an elektrischem Strom zur Verfügung gestellt werden können. Ein Netzbetreiber von Stromnetzwerken muss oftmals sehr kurzfristig auf Strombedarfspitzen reagieren. Stromerzeuger, die schnell abrufbaren Strom bereitstellen, übergeben die Kontrolle ihrer Stromproduktion zumindest zum Teil den Netzbetreibern des Stromnetzwerkes. Dies wird mittels einer Fernüberwachung realisiert, die über das Datennetz 14 auf die Steuereinheit 13 zugreift. Bei Bedarf kann der Betreiber des Stromnetzwerkes die elektrische Leistung direkt abfragen. Ein derartiger Strom wird als Regelstrom bezeichnet. Dieser Regelstrom wird sehr hoch vergütet. Durch das Vorsehen der Bypassleitung 11 ist es möglich, einen derartigen Regelstrom bereitzustellen, da im Bedarfsfall schnell ein kontinuierlicher Rohgasstrom dem Blockheizkraftwerk 4 zugeleitet werden kann, um die Menge an produzierter elektrischer Leistung zu steigern. Da die Turbine des Blockheizkraftwerkes kontinuierlich in Betrieb ist, gibt es keine Anfahrzeit, sondern es kann innerhalb von wenigen Sekunden die elektrische Leistung hochgefahren werden. Aufgrund der hohen Entgelte für Regelstrom ist dies für den Betreiber einer derartigen Vorrichtung zur Herstellung und Aufbereitung von Bioerdgas sehr lukrativ. Selbstverständlich ist es während der Bereitstellung des Regelstromes nicht möglich, gleichzeitig eine große Menge an Bioerdgas in das Gasnetz einzuspeisen. Da jedoch das Erdgasnetz sehr träge ist, stellt dies für den Betrieb einer solchen Vorrichtung kein Problem dar, wenn für kurze Zeit die Produktion des Bioerdgases abgesenkt bzw. vollständig eingestellt wird.
Nachfolgend wird die Energie- und Massenbilanz des oben beschriebenen Ausführungsbeispieles der Vorrichtung zum Erzeugen und Aufbereiten von Biogas erläutert.
Mit dem Fermenter werden 470 Nm³/h Rohbiogas mit einem Methangehalt von etwa 65 Vol.-% hergestellt und der Trennstufe 2 zugeführt. Die thermische Energie des Rohbiogases beträgt 3379,1 KW.
In der Trennstufe wird ein Methangasstrom mit 235 Nm³/h und einem Methangehalt von 99 Vol.-% und einer thermischen Energie von 2599 KW abgetrennt und in das Erdgasnetz eingespeist. Gleichzeitig fällt ein Schwachgasstrom mit 235 Nm³/H und einem Methangehalt von 35 Vol.-% und einem Gehalt an thermischer Energie von 780 KW an.
Im Blockheizkraftwerk 4 wird dieser Schwachgasstrom mit einer Mikrogasturbine in Wärme und elektrischen Strom umgesetzt. Der thermische Wirkungsgrad beträgt 56%, womit 548,6 KW thermisch nutzbare Wärme vorliegen. Die Verwendung einer Mikrogasturbine hat zudem den Vorteil, dass die Abgastemperatur sehr hoch ist (zum Beispiel 309°C), weshalb die thermische Energie sehr effizient weiter genutzt werden kann. Der elektrische Wirkungsgrad des Blockheizkraftwerkes liegt bei 29%, womit elektrischer Strom mit einer Leistung von 284 KW erzeugt wird.
Da sowohl im Schwachgasstrom als auch im Methangasstrom das Methan vollständig genutzt wird, wird eine Methanausbeute von 100 Vol.-% erzielt.
Im Vergleich hierzu wird die Energie- und Massenbilanz der Erzeugung und Aufbereitung des Biogases mit der in 2 gezeigten Anlage erläutert. Auch hier wird von einer Biogaserzeugung von 470,0 Nm³/h Rohbiogas mit einem Methangehalt von etwa 65 Vol.-% ausgegangen. Die Biogasaufbereitung erfolgt nach dem Druckwechselabsorptionsverfahren. Dazu wird das Rohbiogas auf etwa 6 × 105 Pa (6 Bar) verdichtet, Wasser abgeführt und der verdichtete Rohbiogasstrom bei etwa 20°C in die Trennstufe 2 gepresst. Die Trennstufe enthält einen Adsorberbehälter mit einem Molekularsieb auf Kohlenstoffbasis. Das mit Methan angereicherte Gas wird in das Gasnetzwerk eingespeist. Das bei der Druckentspannung desorbierte Kohlenstoffdioxid und andere gasförmige Verunreinigungen werden unter Anlegen eines Vakuums abgesaugt und in die Atmosphäre abgeführt. Bei dieser Verfahrensweise erfolgt keine Rezirkulation des in der Trennstufe anfallenden Abgases. Bei dieser Verfahrensweise ohne Rezirkulation wird eine Methanausbeute von 90 Vol.-% erzielt. Der Strombedarf für die Biogasaufbereitung beträgt 88 KW, der von außen zugeführt werden muß. Mit dieser Trennstufe wird ein Schwachgasstrom mit 184,3 Nm³/h und einem Methangehalt von 17 Vol.-% und einer thermischen Leistung von 345,69 KW abgeführt. Die Wärme dient der Erwärmung von Wasser in einem Warmwasserkessel. Der thermische Wirkungsgrad der Wassererwärmung beträgt 88 Vol.-%, d. h., 304,20 KW werden als Kesselnutzwärme in der Fermentation eingebracht. Die Kesselnutzwärme macht somit einen Anteil von 12 Vol.-% bzw. 41,48 KW aus. Die Kesselnutzwärme (hier 304,2 KW) wird in die Biogasproduktion überführt und dort zum Aufrechterhalten der Fermentationstemperatur zwischen 30°C und 40°C verwendet.
Es werden 285,7 Nm³/h Bioerdgas mit einer Methankonzentration von 96 Vol.-% und einem Energieinhalt von 3033,4 KW erzielt. Der gesamte energetische Wirkungsgrad liegt somit bei 96,3%.

In der folgenden Tabelle sind die wesentlichen Werte der Energiebilanz des Verfahrens nach dem Stand der Technik und des erfindungsgemäßen Verfahrens nebeneinander aufgeführt:

	Erfindungsgemäßes Verfahren	Stand der Technik
Energieinput Rohbiogas [KW]	3379	3379
Zusätzlicher Energieinput Strom [KW]	52	88
Gesamtenergieinput [KW]	3379	3467
Bioerdgas [KW]	2399	3033,4
Nutzbare Wärme [KW]	549	304,2
Erzeugter Strom [KW]	284	0
Gesamtenergieoutput [KW]	3232	3337,6
Verluste [KW]	147	41,5
Energetischer Wirkungsgrad in [%]	95,6%	96,3%

Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass Wärme und Strom für den Eigenbedarf (= Erzeugung und Aufbereitung von Biogas) bzw. für vorhandene Abnehmer bereitgestellt wird. Das erfindungsgemäße Verfahren ist vollständig energieautark, d. h., es muss weder Wärme noch Strom von außen zugeführt werden. Im Einzelfall kann es jedoch sinnvoll sein, den erzeugten Strom in ein Stromnetzwerk einzuspeisen und den Strombedarf aus einem Stromnetzwerk zu beziehen, da die Einspeisevergütung oftmals höher als die Kosten für den zu beziehenden Strom sind. Die Produktion des Bioerdgases und des Stromes ist hierdurch günstig. Zudem ist die Trennstufe sehr einfach ausgebildet und kann kontinuierlich betrieben werden.
Die Erfindung ist oben anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert worden, bei dem ein Blockheizkraftwerk mit einer Mikrogasturbine eingesetzt wird. Eine derartige Mikrogasturbine ist der bevorzugte Motor, da eine Mikrogasturbine mit einem breiten Spektrum an Gaszusammensetzung arbeiten kann und so ein unterschiedlicher Methangehalt in dem der Mikrogasturbine zugeführten Gasstrom zu keiner Beeinträchtigung des Betriebes führt. Jedoch erfordert eine Mikrogasturbine einen Mindest-Methangehalt von ca. 30 Vol.-%. Vorteilhaft bei einer Mikrogasturbine ist weiterhin die hohe Abgastemperatur, die eine sehr effiziente Nutzung der Abwärme ermöglicht.
Anstelle einer Mikrogasturbine kann auch ein für Schwachgas geeigneter Zündstrahlmotor verwendet werden. Ein solcher Zündstrahlmotor ist ein Hubkolbenmotor, in dessen Hubraum neben dem Schwachgas auch ein Zündstrahl eingespritzt wird, der beispielsweise ein Ölstrahl aus Pflanzenöl ist. Derartige Zündstrahlmotoren werden von der Firma Schnell Zündstrahlmotoren AG und Co. KG, Amtzell/Deutschland hergestellt und vertrieben (www.schnellmotor.de). Mit einem solchen Zündstrahlmotor kann grundsätzlich Schwachgas mit einem beliebigen Methananteil in thermische und elektrische Energie umgesetzt werden. Jedoch ist hier die zusätzliche Zuführung eines weiteren Energieträgers, wie zum Beispiel Pflanzenöl, notwendig. Aber auch mit einem solchen Zündstrahlmotor ist es möglich, das Blockheizkraftwerk im Dauerbetrieb zu betreiben und schnell auf Bedarfsänderungen (Überkapazität bei Bioerdgas; Regelstrom) zu reagieren.
Bei obigem Ausführungsbeispiel wird in der Trennstufe eine Membran verwendet. Eine Membran ist die bevorzugte Ausführungsform einer Trennstufe, da sie einfach ausgebildet ist und kontinuierlich und kostengünstig betrieben werden kann. Das Vorsehen der Bypassleitung 11 stellt einen eigenständigen Erfindungsgedanken dar, der auch unabhängig vor einer Trennstufe mit Membran realisiert werden kann. Die Bypassleitung 11 ist auch für Vorrichtungen zum Erzeugen und Aufreinigen von Biogas geeignet, die als Trennstufe ein Adsorptions- oder ein Absorptionsmittel verwenden. Auch derartige Trennstufen können so eingestellt sein, dass das im Rohgasstrom enthaltene Kohlendioxyd fast vollständig in den Schwachgasstrom überführt wird und der Schwachgasstrom einen erheblichen Anteil an Methan enthält.

1: Fermenter
2: Trennstufe
3: Schwachgasbrenner
4: Blockheizkraftwerk
5: Rohgasleitung
6: Methangasleitung
7: Kompressor
8: Schwachgasleitung
9: Wärmetauscher-Kreis
10: Zwei-Wege-Ventil
11: Bypassleitung
12: Steuerleitung
13: Steuereinheit
14: Datennetzwerk
15: elektrischer Ausgang
16: thermischer Ausgang

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- CH 692653 A5 [0008]
- EP 1634946 A1 [0010]
- DE 4419766 A1 [0012]
- DE 10346471 A1 [0012]
- DE 102005010865 A1 [0012]
- US 2003/0143719 A1 [0012]
- DE 10047264 A1 [0013]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- www.kombikraftwerk.de [0014]
- 5. Januar 2006 veröffentlichten Final Project Report „Gas Separations using Ceramic Membranes" von Paul K. T. Liu, Media and Process Technology, Inc., U.S.A. [0015]
- Schell, William J. P., "Use of Membranes for Biogas Treatment" Energy Progress, im Juni 1983, Ausgabe 3, Nr. 2, Seiten 96–100 [0037]
- www.schnellmotor.de [0055]

Claims

Verfahren zum Erzeugen und Aufreinigen von Biogas, umfassend folgende Schritte: – Erzeugen von Biogas aus Biomasse, – Aufreinigen des Biogases mittels einer Membran, welche den Rohgasstrom in zwei Ströme aufteilt, wobei der eine Strom durch die Membran hindurchtritt und als Schwachgasstrom bezeichnet wird und der andere Strom von der Membran zurückgehalten wird und als Methangasstrom bezeichnet wird, und die Membran derart eingestellt ist, dass der Schwachgasstrom einen Anteil von zumindest 10 Vol.-% Methan aufweist, und – der Schwachgasstrom in einem Blockheizkraftwerk (4) in Wärme und elektrischen Strom umgesetzt wird.
Verfahren zum Erzeugen und Aufreinigen von Biogas, umfassend folgende Schritte: – Erzeugen von Biogas aus Biomasse, – Aufreinigen des Biogases mittels zumindest einer Trennstufe (2), welcher das Biogas in Form eines Rohgasstromes zugeführt wird und welche den Rohgasstrom in einen Methanstrom und einen Schwachgasstrom aufteilt, und – der Schwachgasstrom in einem Blockheizkraftwerk (4) in Wärme und elektrischen Strom umgesetzt wird, wobei mit einer die Trennstufe (2) umgehenden Bypassleitung (11) ein variabler Anteil des Rohgasstroms direkt dem Blockheizkraftwerk (4) zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der Trennstufe (2) eine Membran zum Aufteilen des Rohgasstroms verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran derart eingestellt ist, dass der Schwachgasstrom einen Anteil von zumindest 20 Vol.-% und vorzugsweise 25 Vol.-% bzw. 30 Vol.-% Methan aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Biogas lediglich mit einer einzigen Stufe aufgereinigt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Blockheizkraftwerk (4) eine Mikrogasturbine verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Blockheizkraftwerk (4) ein Zündstrahlmotor verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass im Blockheizkraftwerk (4) bereit gestellte Wärme zum Erzeugen von Biogas verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass im Blockheizkraftwerk (4) bereitgestellt Strom zum Komprimieren des Biogasstromes verwendet wird, damit dieser in ein Erdgasnetz eingespeist werden kann, und/oder zum Betreiben der Biogaserzeugung verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil des im Blockheizkraftwerk (4) bereit gestellten Stromes in ein Stromnetz eingespeist wird.
Vorrichtung zum Erzeugen und Aufreinigen von Biogas, umfassend: – einen Fermenter (1) zum Erzeugen von Biogas aus Biomasse, – eine Trennstufe (2) zum Aufreinigen des Biogases mittels einer Membran, welche den Rohgasstrom in zwei Ströme aufteilt, wobei der eine Strom durch die Membran hindurchtritt und als Schwachgasstrom bezeichnet wird und der andere Strom von der Membran zurückgehalten wird und als Methangasstrom bezeichnet wird, und die Membran derart eingestellt ist, dass der Schwachgasstrom einen Anteil von zumindest 10 Vol.-% Methan aufweist, und – ein Blockheizkraftwerk (4) zum Umsetzen des Schwachgasstroms in Wärme und elektrischen Strom.
Vorrichtung zum Erzeugen und Aufreinigen von Biogas, umfassend: – einen Fermenter (1) zum Erzeugen von Biogas aus Biomasse, – eine Trennstufe (2) zum Aufreinigen des Biogases, welcher das Biogas in Form eines Rohgasstromes zugeführt wird und welche den Rohgasstrom in einen Methanstrom und einen Schwachgasstrom aufteilt, und – ein Blockheizkraftwerk (4) zum Umsetzen des Schwachgasstroms in Wärme und elektrischen Strom, wobei eine die Trennstufe (2) umgehende Bypassleitung (11) derart vorgesehen ist, dass ein variabler Anteil des Rohgasstroms direkt dem Blockheizkraftwerk (4) zuführbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennstufe (2) eine Membran aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran eine keramische Membran ist.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran eine Polymermembran ist. 16 Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass lediglich eine einzige Trennstufe (2) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Blockheizkraftwerk (4) eine Mikrogasturbine aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Blockheizkraftwerk (4) einen Zündstrahlmotor aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kompressor (7) zum Komprimieren des Methangasstromes vorgesehen ist, der mit einer vom Blockheizkraftwerk (4) angetriebenen Welle verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zum Ausführen eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10 verwendet wird.