DE102008007423A1

DE102008007423A1 - Verfahren zur Erzeugung von Biogas

Info

Publication number: DE102008007423A1
Application number: DE102008007423A
Authority: DE
Inventors: Alfons Dr. Schulte-Schulze-Berndt; Ralf Schneider
Original assignee: Schmack Biogas GmbH
Current assignee: Schmack Biogas GmbH
Priority date: 2008-02-01
Filing date: 2008-02-01
Publication date: 2009-08-06
Anticipated expiration: 2028-02-02
Also published as: DE102008007423B4

Abstract

Beschrieben wird ein Verfahren zur Erzeugung von Biogas durch Vergärung von Biomasse in einer Biogasanlage mit den Schritten: Vergärung der Biomasse in zumindest zwei Stufen, nämlich in einer Hydrolysestufe und einer Methanisierungsstufe, Umsetzung eines Teils des erzeugten Biogases in thermische Energie und Einsatz der thermischen Energie zur Deckung zumindest eines Teils des Energiebedarfs der Biogasanlage. Bei dem in thermische Energie umgesetzten Teil des Biogases handelt es sich zumindest zum Teil um das in der Hydrolysestufe erzeugte Hydrolysegas.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung von Biogas.
Stand der Technik
Biogasanlagen erzeugen Methan durch einen mikrobiellen Abbauprozess von organischen Substanzen. Das Biogas entsteht dabei in einem mehrstufigen Prozess der Vergärung oder Faulung durch die Aktivität von anaeroben Mikroorganismen, d. h. unter Ausschluss von Luft.
Das in der Biogasanlage abgebaute organische Material besitzt aus chemischer Sicht einen hochmolekularen Aufbau, der in den einzelnen Verfahrensschritten einer Biogasanlage durch Stoffwechseltätigkeit der Mikroorganismen zu niedermolekularen Bausteinen abgebaut wird. Der Abbau der Biopolymere zu den Endprodukten Methan und Kohlendioxid kann dabei in einen vierstufigen Prozess unterteilt werden. Man unterscheidet zwischen Hydrolyse, Acidogenese, Acetogenese und Methanogenese.
In der Hydrolyse werden hochmolekulare, oft partikulär vorliegende, organische Verbindungen durch Exoenzyme (z. B. Cellulasen, Amylasen, Proteasen, Lipasen) fermentativer Bakterien in lösliche Spaltprodukte überführt. Die dabei gebildeten gasförmigen Produkte bestehen überwiegend aus Kohlendioxid. Fakultativ und obligat anaerob lebende Bakterien, oftmals identisch mit den hydrolysierenden Bakterien, verstoffwechseln in der Acidogenese die Hydrolyseprodukte (z. B. Mono-, Disaccharide, Di-, Oligopeptide, Aminosäuren, Glycerin, langkettige Fettsäuren) intrazellular zu kurzkettigen Fettsäuren, Alkoholen, Wasserstoff und Kohlendioxid.
In der sich anschließenden Acetogenese werden diese organischen Säuren und Alkohole von den acetogenen Bakterien aufgenommen und nach β-Oxidation als Essigsäure, Wasserstoff und Kohlendioxid wieder ausgeschieden. In der Methanogenese schließlich reduzieren die methanogenen Bakterien Kohlendioxid mit Wasserstoff zu Methan und setzen Essigsäure zu Methan und Kohlendioxid um.
In der Praxis kommerzieller Biogasanlagen werden einstufige und zweistufige Prozesse durchgeführt. Naturgemäß laufen die vier oben beschriebenen Stufen des Abbauprozesses, also Hydrolyse, Acidogenese, Acetogenese und Methanogenese, bei einem einstufigen Prozess nebeneinander in einem Reaktor ab. Bei einem zweistufigen Prozess werden die Schritte Hydrolyse und Acidogenese getrennt von den Schritten Acetogenese und Methanogenese durchgeführt. Diese beiden Prozessstufen werden als Hydrolysestufe bzw. als Methanisierungsstufe bezeichnet.
In der Hydrolysestufe fällt ein sogenanntes Hydrolysegas an, das im wesentlichen aus CO₂ besteht und geringere Anteile an H₂O, H₂, H₂S und CH₄ enthält. Das Hydrolysegas hat für eine energetische Nutzung meist einen zu geringen Heizwert und enthält geruchsintensive Begleitstoffe (z. B. H₂S, Buttersäure). Daher wird das Hydrolysegas üblicherweise über einen Biofilter abgeleitet.
In der Methanisierungsstufe verstoffwechseln acetogene und methanogene Bakterien die Spaltprodukte zu einem methanreichen Biogas mit Methan-Gehalten von bis zu 80%.
Um die immer häufiger geforderte Erdgas-Qualität des erzeugten Biogases zu erreichen, müssen Kohlendioxid und weitere störende Bestandteile wie Schwefelwasserstoff und Wasser aus dem Biogas entfernt werden. Zur Abtrennung des Kohlendioxids sind aus dem Stand der Technik zahlreiche Verfahren bekannt. Dazu zählen

– Gaswäsche mittels Wasser, Laugen, Aminen, Selexol (Polyglykolether) etc.,
– trockene Gasadsorption mittels Aktivkohlen und Molekularsieben,
– trockene Membranseparation mittels CO₂-selektiver Permeationsmembranen und
– Tieftemperaturseparation mittels CO₂-Verflüssigung.

Insgesamt stellt der energetische Aufwand für den Betrieb einer Biogasanlage weiterhin ein Problem dar. Neben der bereits angesprochenen energieintensiven Aufreinigung des Biogases auf Erdgas-Qualität muss selbstverständlich darauf geachtet werden, dass die Temperatur im Hydrolysereaktor und im Methanisierungsreaktor in einem für einen schnellen und effektiven Abbau des organischen Materials vorteilhaften Bereich zwischen 35°C und 55°C gehalten wird.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Herstellung von Biogas bereitzustellen, das eine verbesserte Energieeffizienz aufweist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Verfahren zur Erzeugung von Biogas gemäß Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Details, Aspekte und Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den Beispielen.
Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zur Erzeugung von Biogas durch Vergärung von Biomasse in einer Biogasanlage zu Verfügung. Das Verfahren umfasst die Schritte Vergärung der Biomasse in zumindest zwei Stufen, nämlich in einer Hydrolysestufe und einer Methanisierungsstufe, Umsetzung eines Teils des erzeugten Biogases in thermische Energie und Einsatz der thermischen Energie zur Deckung zumindest eines Teils des Energiebedarfs der Biogasanlage. Bei dem in thermische Energie umgesetzten Teil des Biogases handelt es zumindest zum Teil um das in der Hydrolysestufe erzeugte Hydrolysegas.
Im dem zweistufigen Vergärungsprozess wird in der Hydrolysestufe ein Gas mit geringem Methananteil aber hohen H₂S-Gehalt produziert, während die Methanisierungsstufe ein Gas mit hohem Methan- bzw. geringem CO₂-Anteil und gleichzeitig geringem H₂S-Gehalt liefert. Die Vergärung in einem zweistufigen Prozess bringt also so gut wie keine Vorteile in Bezug auf die Gesamtausbeute an Methan aus einer bestimmten Substratmenge, es ergibt sich die gleiche Energieausbeute in Form von produziertem Methan wie bei einem herkömmlichen Biogasprozess.
Erst durch die Umsetzung des üblicherweise als Abgas in die Umwelt abgelassenen Hydrolysegases in thermische Energie, welche dann zur Deckung des Energiebedarfs der Biogasanlage verwendet wird, verbessert sich die Energiebilanz des Gesamtprozesses deutlich. Das erfindungsgemäße Verfahren führt daher zu einer deutlichen Steigerung der Energieeffizienz einer Biogasanlage.
Zudem wird mit der Verwendung des Hydrolysegases zur Umsetzung in thermische Energie ein großer Teil des Schwefelwasserstoffs aus dem Gesamtsystem entfernt. Aufgrund des dadurch geringeren H₂S-Gehalts in dem Methanisierungsgas kann die Feinentschwefelung dieses Gases aus der Methanisierungsstufe in einfacher und kostengünstiger Weise mittels Aktivkohle durchgeführt werden.
Bevorzugt weist der in thermische Energie umgesetzte Teil des Biogases einen Methan-Gehalt von maximal 30 Vol.-% auf. Besonders bevorzugt liegt der Methangehalt zwischen 10 und 30 Vol.-%.
Ebenfalls bevorzugt wird das Hydrolysegas vor der Umsetzung in thermische Energie mit zumindest einem Teil des in der Methanisierungsstufe erzeugten Methanisierungsgases angereichert. Durch den Zusatz von Methanisierungsgas wird der Methan-Gehalt des zur Umsetzung in thermische Energie vorgesehenen Gases angehoben. Damit wird der Heizwert des Hydrolysegases positiv beeinflusst, eine verbesserte Verbrennung des Gases erreicht und ein erhöhter Wirkungsgrad erzielt.
Es soll darauf hingewiesen werden, dass in jedem Fall, in dem nachfolgend von der durch „Umsetzung des Hydrolysegases gewonnenen thermischen Energie" die Rede ist, immer auch eine Umsetzung von mit Methanisierungsgas angereichertem Hydrolysegas verstanden wird. Der Ausdruck „Umsetzung des Hydrolysegases" soll also nicht auf den Fall beschränkt verstanden werden, dass ausschließlich Hydrolysegas umgesetzt wird.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird das erzeugte Biogas zumindest einem Reinigungsschritt unterzogen. Durch eine Reinigung des Biogases bis hin zur Erdgas-Qualität wird die Möglichkeit eröffnet, das Biogas direkt in das Erdgas-Netz zur Versorgung der Endverbraucher einzuspeisen. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird daher durch die Reinigung Biogas in einer Qualität zur Verfügung gestellt, die eine Einspeisung in das Ergasnetz möglich macht.
Besonders bevorzugt wird durch den Reinigungsschritt eine Verminderung des Kohlendioxid-Gehalts des Biogases erreicht. Die CO₂-Abtrennung kann durch ein beliebiges, aus dem Stand der Technik bekanntes Waschverfahren erfolgen. In Frage kommen beispielsweise eine Wasserwäsche, eine Wäsche mit Natronlauge oder auch eine Wäsche unter Verwendung des Adsorptionsmittels Selexol^TM, das auf der Basis von Polyglykolen aufgebaut ist. Besonders bevorzugt erfolgt die CO₂-Abtrennung durch eine Aminwäsche (z. B. MEA/DEA). Der thermische Energiebedarf der genannten Waschverfahren und insbesondere der Aminwäsche wird im wesentlichen durch den CO₂-Gehalt des zu reinigenden Gases bestimmt, da zur Regeneration des Amin-Carbonats, also zur Abspaltung des in der Aminwäsche gebundenen Kohlendioxids, eine hoher Energieaufwand erforderlich ist. Zur Senkung des Energiebedarfs wäre es daher wünschenswert, dass das zu reinigende Gas einen möglichst geringen Gehalt an CO₂ aufweist.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die durch Umsetzung des Biogases gewonnene thermische Energie zur Deckung des Energiebedarfs der Hydrolysestufe eingesetzt. Dadurch kann die im Hydrolysereaktor gewünschte Temperatur problemlos ohne Einsatz externer Energie aufrecht erhalten werden.
Ebenso bevorzugt sind Ausführungsformen, wonach die durch Umsetzung des Biogases gewonnene thermische Energie zur Deckung des Energiebedarfs der Methanisierungsstufe eingesetzt wird. Dadurch kann die im Methanisierungsreaktor gewünschte Temperatur problemlos ohne Einsatz externer Energie aufrecht erhalten werden.
Daneben wird die durch Umsetzung des Biogases gewonnene thermische Energie bevorzugt zur Deckung des Energiebedarfs von zumindest einem Reinigungsschritt eingesetzt. Die zur Reinigung des Biogases notwendigen Maßnahmen sind mit einem sehr hohen Energiebedarf verbunden. So ist beispielsweise die Abtrennung des Kohlendioxids durch eine Wäsche und insbesondere durch eine Amin-Wäsche mit einem hohen Energieaufwand verbunden. Der Einsatz der aus dem Biogas gewonnenen thermischen Energie führt in diesem Fall zu einer besonders ausgeprägten Steigerung der Energieeffizienz des gesamten Prozesses.
Durch die erfindungsgemäße Umsetzung des Hydrolysegases in thermische Energie stellt sich zudem der Vorteil ein, dass das Gas aus der Methanisierungsstufe einen deutlich geringeren CO₂-Gehalt aufweist. Dadurch muss weniger CO₂ aus dem Gas abgetrennt werden, wodurch bei der Abtrennung des CO₂ deutliche geringere Mengen an Chemikalien anfallen, die anschließend wieder regeneriert werden müssen. Bei Anwendung einer Amin-Wäsche entsteht beispielsweise wesentlich weniger Amin-Carbonat. In Konsequenz ergibt sich für die Regenerierung des Amin-Carbonats ein geringerer Wärme- und somit auch ein geringerer Energiebedarf. Die durch Umsetzung des Hydrolysegases gewonnene thermische Energie reicht daher zumindest aus, den Energiebedarf für die Regeneration der Amin-Wäsche zu decken. Die bei der Regeneration anfallende Abfallwärme, welche ca. 30–40% der zugeführten Wärme ausmacht, kann wieder ausgeschleust und dem Fermenter zugeführt werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die durch Umsetzung des Hydrolysegases gewonnene thermische Energie zur Deckung des Energiebedarfs der Verminderung des Kohlendioxid-Gehalts des Biogases durch eine Wasser-Wäsche, eine Wäsche mit Natronlauge, einer Selexol^TM-Wäsche oder einer Amin-Wäsche wie beispielsweise einer Ethanolamin-Wäsche eingesetzt. Wie bereits angesprochen stellt die Regeneration der zur Abtrennung des Kohlendioxids eingesetzten Chemikalien den energieintensivsten Schritt der Reinigung des Biogases dar. Die durch Umsetzung des Hydrolysegases gewonnene thermische Energie wird daher bevorzugt in diesen Regenerationsschritten eingesetzt.
Gemäß einer ganz besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird daher die durch Umsetzung des Hydrolysegases gewonnene thermische Energie zur Deckung des Energiebedarfs der Regeneration der zur Reinigung des Methanisierungsgases verwendeten Chemikalien eingesetzt. Insbesondere wird die thermische Energie zur Regeneration der bei den oben genannten Wasch-Verfahren zur Abtrennung des Kohlendioxids eingesetzt Chemikalien verwendet. Besonders bevorzugt wird die thermische Energie zur Regeneration der bei einer Amin-Wäsche eingesetzten Amine aus den durch Reaktion mit CO₂ entstehenden Amin-Carbonaten verwendet. Durch die thermische Energie kann der Energieaufwand zur Spaltung der in der Amin-Wäsche gebildeten Amin-Carbonate gedeckt werden.
Ganz besonders bevorzugt wird der zur Umsetzung in thermische Energie vorgesehene Teil des Biogases vor der Umsetzung in thermische Energie mit 1 bis 5 Vol.-% Luft versetzt. Dadurch ergibt sich der besondere Vorteil, dass das Hydrolysegas durch das Einleiten von Luft in den Gasraum des Hydrolysereaktors biologisch entschwefelt wird.
Die Umsetzung des Hydrolysegases, welches einen geringen CH₄- aber hohen H₂S-Gehalt aufweist, in thermische Energie bringt also einen weiteren Vorteil mit sich. Die Entschwefelung des Gases kann in sehr effizienter und kostengünstiger Weise durch eine Luftentschwefelung erfolgen. Diese kann im stark überstöchimetrischen Bereich durchgeführt werden, da ein Überschuss an Sauerstoff in der anschließenden Verbrennung eher förderlich ist als dass er Nachteile mit sich bringt.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Erzeugung von Biogas durch Vergärung von Biomasse in einer Biogasanlage zu Verfügung, umfassend die Schritte Vergärung der Biomasse in zumindest zwei Stufen, nämlich in einer Hydrolysestufe zur Gewinnung von Hydrolysegas und einer Methanisierungsstufe zur Gewinnung von Methanisierungsgas, Umsetzung von zumindest dem in der Hydrolysestufe erzeugten Hydrolysegas in thermische Energie, Reinigung des in der Methanisierungsstufe erzeugten Methanisierungsgases zur Verminderung des in dem Methanisierungsgas enthaltenen Gehalts an Kohlendioxid und Einsatz der thermischen Energie zur Deckung von zumindest einem Teil des Energiebedarfs, der zur Reinigung des Methanisierungsgases aufgewendet werden muss.
In dem Methanisierungsreaktor verbleibt nach der Herstellung des Biogases als Fermentationsrückstand eine Mischung aus Wasser, nicht abgebautem organischen Material und anorganischen Bestandteilen. Nicht abgebaut werden in der Regel stark ligninhaltige, holzige Materialien und cellulosereiche Stoffe. Anorganische Bestandteile sind Minerale in Form von Sand und Steinen, aber auch kristallisierte Salze. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird dieses Rest-Biomasse-Substrat nach der Gärung aus der Methanisierungsstufe entfernt und teilweise in die Hydrolysestufe eingespeist.
Durch die Rückführung von ausgefaultem Rest-Biomasse-Substrat aus der Methanisierungsstufe wird eine Anhebung des pH-Wertes und somit eine Pufferung der Hydrolysestufe erreicht. Durch die Variation der Rückführmenge kann also der pH-Wert im Hydrolysereaktor gesteuert werden. Die vorliegende Erfindung umfasst daher auch ein Verfahren zur Einstellung des pH-Wertes des Substrates der Hydrolysestufe einer Biogasanlage umfassend die Schritte Bestimmung des pH-Wertes des Substrates der Hydrolysestufe, Rückführung von Rest-Biomasse-Substrat aus der Methanisierungsstufe in die Hydrolysestufe, Bestimmung des pH-Wertes des Substrates der Hydrolysestufe, Variation der rückgeführten Menge an Rest-Biomasse-Substrat zur Einstellung des gewünschten pH-Wertes.
Bevorzugt wird der pH des Biomasse-Substrates in der Hydrolysestufe auf einen Wert zwischen 4,0 und 7,0 eingestellt. Besonders bevorzugt wird der pH des Biomasse-Substrates in der Hydrolysestufe auf einen Wert zwischen 5,5 und 7,0 eingestellt. Ganz besonders bevorzugt wird der pH des Biomasse-Substrates in der Hydrolysestufe auf einen Wert größer 6,0 eingestellt. Wie bereits erwähnt kann die Regelung des pH-Wertes der Hydrolysestufe besonders vorteilhaft durch Variation der aus der Hydrolysestufe rückgeführten Menge an Rest-Biomasse-Substrat geregelt werden. Durch die Erhöhung des pH-Wertes wird die chemische Aggressivität des Substrat vermindert. Dadurch wird es möglich, den Fermenter aus einfachen klassischen Beton herzustellen und Einbauten aus schwarzem Stahl vorzusehen, wodurch teures Edelstahl vermieden wird.
Besondere Vorteile ergeben sich, wenn aus dem Rest-Biomasse-Substrat vor der Einspeisung in die Hydrolysestufe zumindest ein Teil der darin enthaltenen Feststoffe entfernt wird. Dadurch kann erreicht werden, dass der Trockensubstanzgehalt in der Hydrolysestufe zwischen 10 und 25% beträgt, wodurch ein effizienter Abbau des Biomasse-Substrats gewährleistet wird.
Idealerweise werden die Gasströme einschließlich der Konzentrationen der darin enthaltenen Bestandteile sowie die Wärmeströme so eingestellt, dass das Gesamtsystem bestehend aus Biogaserzeugung und -aufbereitung wärmeautark gestaltet werden kann. Die aus der Hydrolysestufe abgezweigte Gasmenge reicht nach ihrer Umsetzung in thermische Energie aus, um den Wärmebedarf der Regeneration zu decken. Zusammen mit der ausgekoppelten Abwärme nach der Regeneration kann sogar auch der Wärmebedarf des Fermenters bereitgestellt werden.
Die vorliegende Erfindung umfasst auch eine Vorrichtung zur Durchführung eines der oben beschriebenen Verfahren. Bei der Vorrichtung handelt es sich um eine Biogasanlage mit zumindest einem Hydrolysereaktor, zumindest einem Methanisierungsreaktor, zumindest einem Mittel zur Umsetzung von Biogas in thermische Energie und zumindest einer Vorrichtung zum Transport von thermischer Energie. Die Vorrichtung zum Transport von thermischer Energie ermöglicht einen Transport der thermischen Energie von dem Mittel zur Umsetzung von Biogas in thermische Energie zu einem anderen Bestandteil der Biogasanlage.
Bevorzugt handelt es sich bei dem Mittel zur Umsetzung von Biogas in thermische Energie um einen Gaskessel, besonders bevorzugt um einen Schwachgasbrenner. Solche Brenner sind für die Verbrennung von Hydrolysegasen besonders gut geeignet.
Besonders bevorzugt umfasst die Vorrichtung zum Transport von thermischer Energie ein Heizmedium, wobei das Heizmedium die thermische Energie transportiert. Ganz besonders bevorzugt handelt es sich bei dem Heizmedium um Wasser oder um Thermoöl. Bei einer entsprechenden Temperatur liegt das Wasser als Wasserdampf vor, welcher aber ebenfalls als Heizmedium für den Transport thermischer Energie geeignet ist.
Besonders bevorzugt handelt es sich bei dem Hydrolysereaktor um einen Pfropfenstromfermenter, der insbesondere bevorzugt aus Beton gefertigt ist.
Daneben ist bevorzugt zusätzlich zumindest ein Mittel zur Rückführung von aus dem Methanisierungsreaktor entferntem Rest-Biomasse-Substrat in den Hydrolysereaktor vorgesehen.
Gemäß einer weiteren, besonders bevorzugten Ausführungsform ist zusätzlich ein Mittel zur Entfernung von Feststoffen aus dem Rest-Biomasse-Substrat vorgesehen. Bevorzugt wird zur Abtrennung der Feststoffe ein Pressschneckenseparator eingesetzt.
Besonders bevorzugt ermöglicht die Vorrichtung zum Transport von thermischer Energie einen Transport der thermischen Energie von dem Mittel zur Umsetzung von Biogas in thermische Energie zu einem Hydrolysereaktor.
Ebenfalls bevorzugt sind Ausführungsformen, wonach die Vorrichtung zum Transport von thermischer Energie einen Transport der thermischen Energie von dem Mittel zur Umsetzung von Biogas in thermische Energie zu einem Methanisierungsreaktor ermöglicht.
Daneben sind auch Ausführungsformen bevorzugt, gemäß denen zusätzlich ein Mittel zur Reinigung des Biogases vorgesehen ist. Ganz besonders bevorzugt handelt es sich bei dem Mittel zur Reinigung des Biogases um ein Mittel zur Verminderung des Kohlendioxid-Gehalts des Biogases.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ermöglicht die Vorrichtung zum Transport von thermischer Energie einen Transport der thermischen Energie von dem Mittel zur Umsetzung von Biogas in thermische Energie zu einem Mittel zur Reinigung des Biogases.
Die mit den bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Biogasanlage verbundenen Vorteile wurden bereits im Zusammenhang mit den bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben. So entsprechen beispielsweise die mit dem Verfahrensschritt „Rückführung von aus dem Methanisierungsreaktor entferntem Rest-Biomasse-Substrat in den Hydrolysereaktor" verbundenen Vorteile den mit der Anwesenheit eines „Mittels zur Rückführung von aus dem Methanisierungsreaktor entferntem Rest-Biomasse-Substrat in den Hydrolysereaktor" verbundenen Vorteilen. Auf die entsprechenden Ausführungen wird in diesem Zusammenhang verwiesen.
Wege zur Ausführung der Erfindung
In der Praxis kann das erfindungsgemäße Verfahren beispielsweise zur Erzeugung und Aufbereitung von ca. 700 m³ Biogas aus nachwachsenden Rohstoffen, entsprechend einem Verbrauch von ca. 2,5 t Maissilage pro Stunde, eingesetzt werden.
Dazu wird in einem Hydrolysereaktor mit einem Volumen von ca. 600 m³ die Hydrolyse des Biomasse-Substrats durchgeführt. Durch die Rezyklierung von 1 bis 10 m³/h ausgefaultem und von Feststoffen befreitem Material wird ein Methangehalt bis 30 Vol.-% im Hydrolysegas erzielt. Die Menge des Hydrolysegases liegt zwischen 100 und 200 m³. Der Hydrolysereaktor wird als Pfropfenstromfermenter mit horizontalen, langsam drehenden Rührwerk ausgeführt.
Das Hydrolysegas wird durch Zugabe von 1 bis 5 Vol.-% Luft in den Gasraum des Hydrolysereaktors biologisch entschwefelt und in einem Gaskessel verbrannt.
In der zweiten Prozessstufe, der Methanisierungsstufe, werden 300–500 m³ Biogas/h mit einem Methangehalt von > 70 Vol.-% erhalten.
Das Biogas wird mittels einer Ethanolaminwäsche vom CO₂ befreit und nach gegebenenfalls weiteren Reinigungsschritten (Restentschwefelung, Wasserabscheidung) auf Erdgas-Qualität aufgereinigt. Bedingt durch den reduzierten CO₂-Gehalt vermindert sich der thermische Energieaufwand für die CO₂-Abscheidung im Vergleich zu einem einstufigen Referenzsystem auf ein Drittel.

Claims

Verfahren zur Erzeugung von Biogas durch Vergärung von Biomasse in einer Biogasanlage umfassend die Schritte – Vergärung der Biomasse in zumindest zwei Stufen, nämlich in einer Hydrolysestufe und einer Methanisierungsstufe, – Umsetzung eines Teils des erzeugten Biogases in thermische Energie und – Einsatz der thermischen Energie zur Deckung zumindest eines Teils des Energiebedarfs der Biogasanlage, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem in thermische Energie umgesetzten Teil des Biogases zumindest zum Teil um das in der Hydrolysestufe erzeugte Hydrolysegas handelt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der in thermische Energie umgesetzte Teil des Biogases einen Methan-Gehalt von maximal 30 Vol.-% aufweist.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Hydrolysegas vor der Umsetzung in thermische Energie mit zumindest einem Teil des in der Methanisierungsstufe erzeugten Methanisierungsgases angereichert wird.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das erzeugte Biogas zumindest einem Reinigungsschritt unterzogen wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass durch den Reinigungsschritt eine Verminderung des Kohlendioxid-Gehalts des Biogases erreicht wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verminderung des Kohlendioxid-Gehalts des Biogases durch eine chemische Wäsche erfolgt.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass durch den Reinigungsschritt Biogas in Erdgas-Qualität erhalten wird.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Energie zur Deckung des Energiebedarfs der Hydrolysestufe eingesetzt wird.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Energie zur Deckung des Energiebedarfs der Methanisierungsstufe eingesetzt wird.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Energie zur Deckung des Energiebedarfs von zumindest einem Reinigungsschritt eingesetzt wird.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Energie zur Deckung des Energiebedarfs der Verminderung des Kohlendioxid-Gehalts des Biogases eingesetzt wird.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Energie zur Deckung des Energiebedarfs der Verminderung des Kohlendioxid-Gehalts des Biogases durch eine Wasser-Wäsche, eine Wäsche mit Natronlauge, einer Selexol^TM-Wäsche oder einer Amin-Wäsche, insbesondere einer Ethanolamin-Wäsche, eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Energie zur Deckung des Energiebedarfs der Regeneration der bei Verminderung des Kohlendioxid-Gehalts des Biogases durch eine Amin-Wäsche verwendeten Chemikalien eingesetzt wird.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der zur Umsetzung in thermische Energie vorgesehene Teil des Biogases vor der Umsetzung in thermische Energie mit 1 bis 5 Vol.-% Luft versetzt wird.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass Rest-Biomasse-Substrat nach der Gärung aus der Methanisierungsstufe entfernt und in die Hydrolysestufe eingespeist wird.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Rest-Biomasse-Substrat vor der Einspeisung in die Hydrolysestufe zumindest ein Teil der darin enthaltenen Feststoffe entfernt wird.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der pH des Biomasse-Substrates in der Hydrolysestufe zwischen 4,0 und 7,0 beträgt.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der pH des Biomasse-Substrates in der Hydrolysestufe zwischen 5,5 und 7,0 beträgt.
Biogasanlage zur Durchführung eines Verfahrens nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 18 umfassend – zumindest einen Hydrolysereaktor, – zumindest einen Methanisierungsreaktor, – zumindest ein Mittel zur Umsetzung von Biogas in thermische Energie und – zumindest eine Vorrichtung zum Transport von thermischer Energie, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zum Transport von thermischer Energie einen Transport der thermischen Energie von dem Mittel zur Umsetzung von Biogas in thermische Energie zu einem anderen Bestandteil der Biogasanlage ermöglicht.
Biogasanlage nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Mittel zur Umsetzung von Biogas in thermische Energie um einen Schwachgasbrenner handelt.
Biogasanlage nach zumindest einem der Ansprüche 19 und 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zum Transport von thermischer Energie ein Heizmedium umfasst, wobei das Heizmedium die thermische Energie transportiert.
Biogasanlage nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Heizmedium um Wasser oder Thermoöl handelt.
Biogasanlage nach zumindest einem der Ansprüche 19 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Hydrolysereaktor um einen Pfropfenstromfermenter handelt.
Biogasanlage nach zumindest einem der Ansprüche 19 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zumindest ein Mittel zur Rückführung von aus dem Methanisierungsreaktor entferntem Rest-Biomasse-Substrat in den Hydrolysereaktor vorgesehen ist.
Biogasanlage nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich ein Mittel zur Entfernung von Feststoffen aus dem Rest-Biomasse-Substrat vorgesehen ist.
Biogasanlage nach zumindest einem der Ansprüche 19 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zum Transport von thermischer Energie einen Transport der thermischen Energie von dem Mittel zur Umsetzung von Biogas in thermische Energie zu einem Hydrolysereaktor ermöglicht.
Biogasanlage nach zumindest einem der Ansprüche 19 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zum Transport von thermischer Energie einen Transport der thermischen Energie von dem Mittel zur Umsetzung von Biogas in thermische Energie zu einem Methanisierungsreaktor ermöglicht.
Biogasanlage nach zumindest einem der Ansprüche 19 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich ein Mittel zur Reinigung des Biogases vorgesehen ist.
Biogasanlage nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Mittel zur Reinigung des Biogases um ein Mittel zur Verminderung des Kohlendioxid-Gehalts des Biogases handelt.
Biogasanlage nach zumindest einem der Ansprüche 28 und 29, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zum Transport von thermischer Energie einen Transport der thermischen Energie von dem Mittel zur Umsetzung von Biogas in thermische Energie zu einem Mittel zur Reinigung des Biogases ermöglicht.