DE102008015609A1 - Biogasanlage und Verfahren zur Erzeugung von Biogas - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Biogas, insbesondere von Methangas in einem mehrstufigen Prozess, umfassend zumindest einen Hydrolysevorgang (12) und einen Methanbildungsprozess (14). Dabei ist vorgesehen, dass der Hydrolysevorgang (12) räumlich getrennt vom Methanbildungsprozess (14) erfolgt. Die Erfindung betrifft zudem eine Biogasanlage zur Herstellung von Biogas in einem mehrstufigen Prozess, umfassend zumindest zwei Hydrolysebehälter (22, 24) und einen Gärbehälter bzw. Fermenter (16) für einen Methanbildungsprozess. Die wenigstens zwei Hydrolysebehälter (22, 24) sind räumlich getrennt vom nachgeordneten Fermenter (16).

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Behandlung von Biomasse und/oder zur Erzeugung von Biogas mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 und eine Biogasanlage zur Erzeugung von Biogas mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 26.
  • Stand der Technik
  • Bei Biogasprozessen soll die in organischen Abfall- und/oder Nutzstoffen gebundene Energie durch Vergärung und Gasbildung der Stoffe nutzbar gemacht werden. Die Ausgangsbasis jedes herkömmlichen Biogasprozesses wird durch den sog. Methanbildungsprozess gebildet, der eine erste Stufe der Vergärung darstellt. Dieser Methanbildungsprozess bei der Vergärung umfasst typischerweise vier verschiedene, aufeinander folgenden Stufen. Nach einer ersten Stufe, der Hydrolyse, folgt eine zweite Stufe, die sog. Acidogenese, wonach eine dritte Stufe, die sog. Acitogenese, und eine vierte Stufe, die eigentliche Methanbildung, folgen.
  • Konventionelle Biogassysteme und Verfahren zur Biogasbildung weisen das bekannte einstufige Vergärungsverfahren und zudem mehrstufige Verfahren mit sog. Durchflussfermentern und kontinuierlicher Beschickung auf. Die kontinuierliche Beschickung der Behälter bedingt auch eine weitgehend kontinuierlich ablaufende Hydrolyse und weitgehend kontinuierlich ablaufende weitere Prozessstufen. Der Methanbildungsprozess läuft bei diesen Biogassystemen normalerweise in einem Behälter ab. Die zu behandelnde und zu vergärende Biomasse wird bei der Beschickung in diesen Behälter eingebracht und unter Einfluss von erhöhter Temperatur über einen längeren Zeitraum von in der Regel zwischen 40 und ca. 100 Tagen vergoren. Die verschiedenen Stufen des Abbaus bei der Vergärung der Biomasse erfolgen zeitgleich und kontinuierlich, da für den Ausgleich der in die nachfolgenden Prozessstufen abgeführten Biomasse ständig neue, frische Biomasse in den Behälter eingebracht werden muss. Bei diesem Prozess entsteht Biogas.
  • Zugleich gibt es beim bekannten einstufigen Vergärungsverfahren das System einer kontinuierlichen Hydrolyse, d. h. es wird ständig und weitgehend kontinuierlich frische Biomasse in den Behälter gegeben und gleichzeitig kontinuierlich aus demselben Behälter Gärsubstrat entnommen und in einen weiteren Gärbehälter gepumpt. Dieses Verfahren der kontinuierlichen Beschickung der Behälter und der kontinuierlichen Entnahme aus dem Behälter wird als kontinuierliche Hydrolyse bezeichnet.
  • Die bekannten Vergärungsverfahren zur Erzeugung von Biogas sind zwar hinsichtlich ihrer Überwachung und Steuerung relativ unkompliziert. Sie weisen jedoch einige Nachteile auf, insbesondere hinsichtlich ihrer Ausbeute an verwertbarem Biogas, bezogen auf die zugegebene Menge an Biomasse, weshalb sie hinsichtlich ihrer Wirtschaftlichkeit als verbesserungsfähig angesehen werden können.
  • Ein Verfahren zur Biogaserzeugung aus feststoffreicher Biomasse geht aus der DE 195 32 359 C2 hervor. Hierbei sind mehrere separate, Sickersaft abgebende Container-Module vorgesehen, die jeweils einen eigenständigen Biogasreaktor bilden. Die Module werden zeitversetzt nacheinander gestartet und befinden sich dadurch in unterschiedlichen Reaktionsphasen. Die Sickersäfte aus mindestens vier Container-Modulen werden taktweise abgezogen und über einen gemeinsamen Sammelkanal einem Säurepuffer zugeführt, in dem sich durch Vermischung der Sickersäfte ein Mischprodukt bildet, welches als Perkolationsmedium durch ein Verteilersystem über dem Inhalt der einzelnen Container-Module versprüht wird.
  • Ein Abbauverfahren für biogenes Material ist weiterhin in der DE 10 2004 053 615 B3 offenbart. Bei diesem Verfahren wird ein Perkolator mit biogenem Material beschickt, eine Perkolationsflüssigkeit durch Sieben abgetrennt und wieder auf das biogene Material gesprüht. Überschüssige Perkolationsflüssigkeit wird in einen Puffer gepumpt, von dort in einen Biogasreaktor verbracht und zu Biogas vergärt. Die gereinigte Perkolationsflüssigkeit wird als Abwasser in einen Speicherpuffer und von dort wieder in den Perkolator überführt.
  • Ein Verfahren zum Betreiben einer Feststofffermenteranlage sowie eine entsprechende Vorrichtung hierzu geht aus der DE 10 2005 029 306 B4 hervor. Die Anlage weist mindestens zwei diskontinuierlich und zeitlich zueinander versetzt betreibbare garagenartige Feststofffermenter auf, die von oben nach unten mit einem Perkolat durchströmt werden. Das abfließende Perkolat aller Feststofffermenter wird in einem als kontinuierlicher Regenerationsfermenter arbeitenden Perkolatbehälter zusammengeführt und erneut den Feststofffermentern zugeführt. Es wird ein solcher Perkolatstrom je Feststofffermenter eingestellt, dass in den Feststofffermentern entstehende Säure mit dem Perkolatstrom insoweit ausgeschwemmt wird, dass keine Versauerung der Feststofffermenter eintritt. In diesem Zusammenhang wird dafür gesorgt, dass der minimale pH-Wert eines neu angesetzten Feststofffermenters nicht unter 2,5 sinkt, und der Perkolatstrom eine solche Beladung mit Mikroorganismen aufweist, dass er zum Starten der Fermentation in einem neu angesetzten Feststofffermenter einsetzbar ist, so dass als zusätzliche Starterkultur ein Gärrest bis zu 30 Gew.-% notwendig ist, und wobei Biogas aus allen Fermentern entnommen und aufgefangen wird.
  • Beschreibung der Erfindung
  • Als vorrangiges Ziel der vorliegenden Erfindung wird es gesehen, eine Anlage und ein Verfahren zur Verarbeitung von Biomasse und zur Erzeugung von Biogas zur Verfügung zu stellen, welche die Nachteile des bekannten Standes der Technik vermeiden und die eine insgesamt deutlich wirtschaftlichere Erzeugung von Biogas ermöglichen.
  • Diese Ziele der Erfindung werden mit den Gegenständen der unabhängigen Ansprüche dadurch erreicht, dass der Methanbildungsprozess nicht mehr in einem einzigen, kontinuierlich beschickten Behälter erfolgt, sondern dass eine Trennung des Methanbildungsprozesses in separate Behälter vorgesehen ist. Das erfindungsgemäße Hydrolyse- und Versauerungssystem eignet sich damit in vorteilhafter Weise insbesondere zur Vergärung von relativ faserreichen Stoffen, die in herkömmlichen Biogasanlagen oftmals nur unter Schwierigkeiten verarbeitet werden können.
  • Das erfindungsgemäße Biogassystem umfasst ein technisches System, das eine Trennung des Methanbildungsprozesses in separaten Behältern ermöglicht. Das System sieht mindestens zwei separate Hydrolyse- und Versauerungsbehälter und einen Fermenter vor. Mit der Erfindung wird ein sog. Batch-Verfahren zur Verfügung gestellt, das in besonderer Weise auf für die Hydrolysebakterien günstige Bedingungen abgestimmt ist. Mit Hilfe dieses erfindungsgemäßen Batch-Verfahrens werden den Hydrolysebakterien insgesamt sehr günstige Bedingungen ermöglich, wodurch die Ausbeute an Biogas deutlich erhöht werden kann. Die Hydrolyse- und Versauerungs behälter können bspw. durch an sich bekannte geschlossenen Stahlbetonbehältern gebildet sein.
  • Die bekannten wissenschaftlichen Grunddaten aus der Vergärungspraxis sind nachfolgend für Hydrolysebakterien und für Methanbakterien gegenüber gestellt. Während die Reproduktionszeit für Hydrolysebakterien nur zwischen drei Stunden und drei Tagen beträgt, muss bei Methanbakterien von einer typischen Reproduktionszeit von ca. 14 Tagen ausgegangen werden. Ein günstiger Temperaturbereich für Hydrolysebakterien liegt bei ca. 30 bis 60°C. Das Temperaturoptimum für (enzymatische) Hydrolysereaktionen liegt bei ca. 53°C, während für Methanbakterien zwei günstige Temperaturbereiche bei ca. 37°C und bei ca. 55°C existieren. Der Temperaturbereich, bei dem eine Hydrolyse abläuft, ist also relativ weit, während für die Methanbakterien keine Temperaturschwankungen auftreten sollten.
  • Der pH-Wert für sollte für Hydrolysebakterien kleiner als 7 bis ca. 4 betragen, während der pH-Wert für Methanbakterien idealer Weise über 7 bis ca. 8 betragen sollte. Die aerobe Sensibilität von Hydrolysebakterien ist weitaus geringer als die von Methanbakterien. Während diese bei einem Sauerstoffeintrag sofort absterben, arbeiten die Hydrolysebakterien auch bei einem Eintrag von Sauerstoff, wie es beim Beschicken der Hydrolysebehälter meist unvermeidlich ist. Die Biogasausbeute und der CH4-Gehalt von Hydrolysebakterien sind weitaus geringer als die von Methanbakterien.
  • Die Anforderungen der jeweiligen Bakterienstämme wurden bei der Entwicklung des erfindungsgemäßen Hydrolyse- und Versauerungssystems berücksichtigt. In der Hydrolyse- und Versauerungseinheit wird ein Zustand geschaffen, der optimal ist für die Hydrolysebakterien. Die Hydrolyse kann im abgeschlossenen System ablaufen.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich durch die folgenden neuen Merkmale aus: Während bei den bisher bekannten Verfahren nur ein Behälter für die Hydrolysestufe und die Methanbildungsstufe vorgesehen war, läuft bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Hydrolysestufe im Methanbildungsprozess in einem separaten Behälter ab.
  • Die Hydrolyse- und Versauerung wird im sog. Batch-Verfahren durchgeführt, d. h. die Befüllung des Behälters erfolgt in einem Vorgang, es wird eine komplette Füllung des Behälters vorgenommen. Das Batch-Verfahren liefert die Möglichkeit, den Hydrolyse- und Versauerungsprozess zu kontrollieren und zu steuern.
  • Nach kompletter Befüllung wird der Inhalt des Behälters erhitzt und dann auf konstanter Temperatur gehalten. Dieser gesamte Prozess dauert normalerweise ca. zwei und i. d. R. nicht mehr als vier Tage.
  • Nach Abschluss des Hydrolyse- und Versauerungsprozesses wird das flüssige Material im Hydrolysebehälter in den Fermenter gepumpt, je nach Größe (Volumen) des Fermenters dauert die Entleerung ca. zwei Tage. Eine derartige Entleerung kann jedoch je nach Auslegung der Anlage auch kürzer als zwei Tage dauern.
  • Die beiden Behälter werden im Wechsel befüllt, um ca. alle zwei Tage fertig hydrolisiertes Material für die Fütterung des Fermenters (Methangasbildung) bereit zu haben.
  • Neu ist auch, dass dieses Verfahren (Batch) zum ersten Mal für nachwachsende Rohstoffe (Nawaros), insbesondere für stark faserhaltiges Material angewendet wird.
  • Das erfindungsgemäße System wird nachfolgend in seinen Einzelheiten beschrieben. Die Hydrolyse- und der Versauerungsbehälter werden im Batch-Verfahren befüllt. Der Hydrolyse- und Versauerungsbehälter kann bspw. ein Volumen von ca. 300 m3 für eine erzielbare Leistung von ca. 0,5 MWel oder mehr für höhere Leistungen aufweisen. Wahlweise kann der Behälter jedoch auch kleiner gewählt werden. Der Behälter wird mit der Biomasse in einem Vorgang komplett gefüllt und durchmischt. Die Durchmischung erfolgt bspw. mittels Rührwerkstechnik. Mit einer geeigneten Heizung wird der Inhalt auf eine Temperatur von vorzugsweise ca. 30 bis 60°C erhitzt. Der Inhalt wird mindestens zwei Tage auf dieser konstanten Temperatur gehalten. Mit diesem Verfahren ist es möglich, dass der Hydrolyse- und Versauerungsprozess mit Hilfe der Hydrolysebakterien separat abläuft. Der pH-Wert im Behälter zeigt je nach Zusammenstellung der Befüllung einen Wert zwischen 3,8 und 6,5.
  • Diese Behandlung ermöglicht und begünstigt den separaten Ablauf der Hydrolyse und Versauerung der eingebrachten Stoffe. Für Methanbakterien wären diese Bedingungen so ungünstig, dass sie weitestgehend absterben würden.
  • Nach ungefähr zwei Tagen ist der Hydrolyse- und Versauerungsprozess abgeschlossen. Die so vorbereitete hydrolisierte Ware wird dann in regelmäßigen Zeitabständen und in definierten Mengen automatisch in den Fermenter (Gärbehälter) ge pumpt. In diesem Fermenter erfolgt dann durch die dort vorhandenen Methangasbakterien die Methanbildung (d. h. die Biogasbildung). Der Inhalt eines Hydrolysebehälters reicht normalerweise für ca. zwei bis drei Tage. Nach vollständiger Leerung kann der Behälter neu mit Biomasse gefüllt werden und ein neuer Hydrolyse-Vorgang gestartet werden.
  • Während ein Hydrdolyse- und Versauerungbehälter komplett gefüllt ist und mit dem Hydrolyseprozess beschäftigt ist, kann separat ein zweiter Behälter für die Hydrolyse- und Versauerung vorbereitet werden. Das Verfahren ist identisch zum ersten Behälter.
  • Zu den bereits bestehenden, bekannten Biogassystemen lassen sich einige wesentliche Unterschiede ausmachen. Während die herkömmlichen Biogasanlagen nach dem derzeitigen Stand der Technik einen Behälter aufweisen, in dem eine mehr oder weniger kontinuierliche Hydrolyse und gleichzeitige Methanbildung abläuft, wobei sich diese Prozesse gegenseitig stören, sieht die vorliegende Erfindung getrennte Behälter für die Hydrolyse und Versauerung und eine nachgeordnete Methanbildung (Fermenter) vor. Da die bekannten Verfahren keine Prozesstrennung, sondern eine gemeinsame Hydrolyse und Methanbildung in den Behältern vorsehen, sind diese Verfahren hinsichtlich ihrer biologischen Reaktion relativ unflexibel und gleichzeitig sehr empfindlich, insbesondere pH-empfindlich. Der Gesamtprozess läuft zudem auch relativ langsam ab.
  • Die Behältervolumina richten sich nach dem gewünschtem Durchsatz und der gewünschten Leistung, die mit der Biogasanlage erzielt werden soll. So können bspw. bei der Erfindung Behältervolumina für die Hydrolyse von jeweils ca. 300 m3 für eine elektrische Leistung von ca. 0,5 MWel ausreichen. Das Volumen des nachgeordneten Fermenters kann bei dieser Dimensionierung etwa 1200 m3 betragen.
  • Durch die vorgeschaltete Hydrolyse wird bei der vorliegenden Erfindung die Biomasse optimal für die Methanbakterien aufbereitet und durch die räumliche Trennung werden starke Methanbakterienstämme im Fermenter gebildet, weil die Antagonisten (die Hydrolysebakterien) fehlen. Das führt zu dem wesentlichen Vorteil, dass bei schneller Erhöhung der Fütterungsmenge (ca. 30 min. bis eine Stunde) die Biogasproduktion von einem niedrigeren Niveau nahezu verdoppelt werden kann. Bei einer der artigen Vorgehensweise wird bei einer herkömmlichen Anlage die Biogasproduktion im Fermenter unmittelbar unterbrochen.
  • Ein zusätzlicher Vorteil dieser schnellen Steuerungsmöglichkeit ist, dass damit auch sehr schnell auf unterschiedliche Bedarfszeiten für das produzierte Biogas reagiert werden kann. Wird dieses bspw. zur Verstromung und/oder Biogaseinspeisung genutzt, können günstige Tarifzeiten optimal genützt werden. Mit einer herkömmlichen Anlage ist eine derart flinke Steuerung nicht möglich.
  • Ein Nachgärbehälter ist bei der erfindungsgemäßen Anlage nicht erforderlich, während er bei den bekannten Anlagen unverzichtbar ist.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich besonders gut für alle Arten von sog. nachwachsenden Rohstoffen, aber auch für alle anderen Arten von faserreichen und/oder zellulosereichen Stoffen mit hohen Strohanteilen wie bspw. Rindermist, Entenmist, Altgras etc. Bei den bekannten Verfahren nach dem Stand der Technik besteht dagegen das grundsätzliche Problem, dass viele Arten von nachwachsenden Rohstoffen nicht verarbeitet werden können. Faserreiches Material wie bspw. strohhaltiger Mist etc. kann nicht vergoren werden, da bei einem pH-Wert von 7 bis 8 die Cellulosestrukturen nicht aufgeschlossen werden können. Faserreiches Material verlässt den Fermenter weitest gehend im selben Zustand wie es zuführt wurde.
  • Beim erfindungsgemäßen Verfahren beträgt die Temperatur im Hydrolysebehälter ca. 30 bis 60°C, während bei herkömmlichen Biogasanlagen mit kontinuierlicher Hydrolyse eine Temperatur von ca. 25 bis 30°C im Hydrolysebehälter herrscht. Bei herkömmlichen Biogasanlagen nach bisher bekanntem Stand der Technik ist dagegen kein Hydrolysebehälter vorhanden; hier beträgt die Temperatur im Fermenter entweder ca. 37°C (mesophiles Klima) oder ca. 55°C (thermophiles Klima). Der pH-Wert in diesem Fermenter liegt bei ca. 7 bis 8.
  • Bei der erfindungsgemäßen Biogasanlage werden die Hydrolysebehälter abwechselnd im sog. Batch-Verfahren jeweils vollständig mit Biomasse befüllt, während bei einem herkömmlichen Biogasanlagensystem ein kontinuierlich arbeitendes Einbringsystem vorgesehen ist, mit dem die Biomasse direkt in den Fermenter eingebracht wird. Bei einer herkömmlichen Biogasanlage mit kontinuierlicher Hydrolyse erfolgen eine kontinuierliche Befüllung und eine zeitgleiche Entnahme aus dem gleichen Behälter.
  • Die Entnahme der Biomasse erfolgt bei der erfindungsgemäßen Anlage derart, dass nach einer Verweilzeit von ca. zwei Tagen aus dem Hydrolyse-Behälter der Fermenter kontinuierlich beschickt wird. Sobald der erste von mindestens zwei parallel arbeitenden Behältern geleert ist, steht der zweite, bereits fertig vorbereitete Behälter für die weitere Beschickung des Fermenters bereit. Die Befüllung des ersten Behälters kann nun wieder gestartet werden. Der zyklische Befüllung und Entleerung kann im Batch-Verfahren im Wechsel von ca. zwei Tagen erfolgen.
  • Bei der herkömmlichen Anlage mit kontinuierlicher Hydrolyse erfolgen dagegen eine kontinuierliche Entnahme und eine zeitgleiche Wiederbefüllung des jeweils selben Behälters. Dagegen liefert das erfindungsgemäße Verfahren eine nahezu vollständige Hydrolysierung der Biomasse, so dass jederzeit anhand einer kontinuierlichen und/oder regelmäßigen Gasanalyse festgestellt werden kann, wann der Hydrolyse- und Versauerungsprozess vollständig abgeschlossen ist.
  • Die durchschnittliche Verweilzeit der Biomasse im Hydrolysebehälter liegt bei der erfindungsgemäßen Anlage bei ungefähr zwei Tagen, während bei der herkömmlichen Anlage aufgrund des kontinuierlichen Durchlaufs keine typische Verweilzeit angegeben werden kann.
  • Die durchschnittliche Verweilzeit der Biomasse im Fermenter liegt bei der erfindungsgemäßen Anlage bei ungefähr zehn Tagen, während bei der herkömmlichen Anlage eine Verweilzeit von ca. 40 bis zu 100 Tagen typisch ist.
  • Während die erfindungsgemäße Biogasanlage ein Raumbelastung im Fermenter in Höhe von ca. 6 bis 8 kg oTS/m3/d (Einheit oTS – zugeführte organische Fracht je cubikmeter pro Tag) verarbeiten kann, ist bei einer herkömmlichen Biogasanlage eine Raumbelastung des Fermenters in Höhe von maximal 3,5 kg oPS/m3/d möglich. Bei einer höheren Raumbelastung besteht die Gefahr, dass die Biologie versauert und dass die Methanbakterien abgetötet werden. Dabei bricht das biologische System zusammen, was auch als „Systemabsturz” bezeichnet werden kann. Die Folge ist ein absoluter Stopp der Gasproduktion, da keine Methanbakterien mehr vorhanden sind, um die Fettsäuren abzubauen.
  • Auch bei herkömmlichen Biogasanlagen mit kontinuierlich arbeitender Hydrolyse ist eine nur geringfügig höhere Raumbelastung im Fermenter in Höhe von max. 3,5 bis 4 kg oTS/m3/d möglich. Die Situation ist hier ähnlich wie bei herkömmlichen Biogassystemen ohne kontinuierlicher Hydrolyse; es findet auch weiterhin im Fermenter ein Hydrolyseprozess statt. Sobald die Konzentration der Fettsäuren zu hoch ist, sinkt der pH-Wert, wodurch auch hier die Methanbakterien absterben und in dieser Folge die Gasproduktion gestoppt wird.
  • Die mögliche Raumbelastung der Hydrolysebehälter kann bei der erfindungsgemäßen Anlage Werte von bis zu 80 bis 90 kg oTS/m3/d je Befüllung annehmen.
  • Nachfolgend wird im Einzelnen beschrieben, worin die wesentlichen Aspekte bei der Hydrolyse liegen und weshalb eine Hydrolyse durchgeführt wird. Der Biogasbildungsprozess findet prinzipiell in vier Stufen statt. Die erste Stufe ist die Hydrolyse. Dabei werden Kohlenhydrate, Fette und Eiweiße durch Enzyme in kleinere und damit für die Bakterien besser verwertbare Moleküle aufgespalten. Die gebildeten Verbindungen werden anschließend aufgenommen und in der zweiten, acetogenen (sauren) Phase oder Versäuerungsphase zu organischen Säuren und Alkoholen sowie zu Wasserstoff, Kohlendioxid, Ammoniak und Schwefelwasserstoff vergoren. Diese organischen Säuren und Alkohole werden von den essigsäurebildenden Bakterien weiter abgebaut und schließlich durch die methanbildenden Bakterien zur Biogasproduktion genutzt.
  • Die Hydrolyse ist der kritische und limitierende Prozess bei der einstufigen Vergärung. Versauernde Bakterien und die Essigsäure- bzw. Methanbildner haben unterschiedliche Anforderungen an ihre Umgebung, wie z. B. die Temperatur. Deshalb wird die Hydrolyse abgetrennt von der Vergärung in den Fermentern und in einer separaten Einheit durchgeführt. Damit wird der Hydrolyse-Prozess kontrollierbar. Bei der vollständigen Hydrolyse ist im Anschluss die Biomasse in den Fermentern für die Methanbakterien besser verfügbar.
  • Oft wird argumentiert, dass eine Hydrolyse viel zu aufwendig und zu teuer für eine Nawaro-Biogasanlage ist. Wir vom Rottaler Modell sehen das anders. Hier einige Gründe im Detail dafür:
    Hydrolyse- und Methanbakterien stören sich gegenseitig bei Hochleistungsanlagen.
  • Der bereits oben skizzierte Vergleich zeigt, dass Hydrolyse und Methanbakterien ganz unterschiedliche Lebensraumbedingungen bevorzugen. Das spielt keine Rolle, wenn die Biogasanlage nur wenig belastet wird; mit steigenden Herstellungspreisen steigt der ökonomischen Druck, eine Biogasanlage muss an die Kapazitätsgrenzen gehen. Während die Hydrolysebakterien nur eine Reproduktionszeit von drei Stunden bis zu drei Tagen benötigen, reproduzieren sich die Methanbakterien erst in ca. sechs bis 14 Tagen. Das Temperaturoptimum der Hydrolysebakterien ist relativ variabel und liegt bei ca. 30 bis 65°C, während es für die Methanbakterien weitgehend konstant gehalten werden muss, entweder bei 37°C oder bei 55°C. Der pH-Wert kann bei der Hydrolyse auf Werte von ca. 4,5 fallen, während er für die Methanbakterien bei ca. 7 bis 8 gehalten werden muss. Die Hydrolysebakterien können generell als robust gelten, da sie auf Störungen hinsichtlich Schwankungen der Temperatur und des pH-Wertes unempfindlich reagieren. Die Methanbakterien sind dagegen sehr empfindlich gegenüber jeder Art von Störungen im pH-Wert und in der Temperatur. Die aerobe Sensibilität der Hydrolysebakterien ist nicht sehr stark ausgeprägt, so dass sie auch bei Eintrag von Sauerstoff weiterarbeiten, wie es beim Beschicken der Hydrolysebehälter der Fall ist. Die Methanbakterien sterben dagegen bei einem Eintrag von Sauerstoff unmittelbar ab. Dagegen weisen die Methanbakterien eine weit höhere Biogasausbeute auf als Hydrolysebakterien, so dass es von Vorteil ist, beide Prozessstufen in geeigneter Weise miteinander zu kombinieren.
  • Hydrolyse-Bakterien sind sehr robust – sie sind die „Rabauken” und vertragen auch Betreiberfehler. Methanbakterien sind wie „Diven” – hochempfindlich bei jeder Störung. Deshalb werden diese Bakterienstämme getrennt.
  • Auch der Vermischung des Gärsubstrates mit der neuen Biomasse ist besondere Beachtung zu schenken. Wenn die Biomasse in den Fermenter kommt, dann kann sie meist nicht vollständig untergerührt werden; schnell kommt es zu Schwimmschichten. Der Rühraufwand und der Strombedarf steigen. In der kleineren Hydrolyseeinheit kann die frisch zugeführte Biomasse besser untergerührt werden. Auf Grund der im Vergleich zu den eigentlichen Fermentern geringeren Volumen ist der Energieaufwand dafür geringer. Die Hydrolyseeinheit vermindert auch deutlich die Gefahr von Schwimmschichten in den Fermentern.
  • Mit der vorgeschalteten Hydrolyse mit ihren niedrigen pH-Werten kann die Biomasse – insbesondere die zellulosehaltige Biomasse – besser aufgeschlossen werden als dies im Fermenter möglich ist. Das erhöht die Biogasausbeute und damit die Wirtschaftlichkeit der Biogasanlage.
  • Dem Zelluloseabbau kommt im vorliegenden Zusammenhang besondere Bedeutung zu. Die Zellulose ist der Hauptbestandteil von pflanzlichen Zellwänden. Der Massenanteil der Zellulose an der Pflanze kann bei 50% oder mehr liegen. Wiederkäuer können Zellulose und andere Polysaccharide, die anders als die durch Monogastrier verdaulichen Bindungen α-1,4 oder α-1,6 verbunden sind, im Pansen verdauen, da die Bindungen hier durch die Pansenmikroorganismen aufgeschlossen werden. Die Zellulose kann durch starke Säuren gespalten werden, mit konzentrierten Säuren bei erhöhter Temperatur kann die Zellulose zu Glucose abgebaut werden. Zellulose kann bei einem pH-Wert von 7,5 (= optimaler Bereich für Methanbildung) kaum abgebaut werden. Ein optimaler Zellulose-Abbau ist nur über eine Versauerung möglich.
  • Nach der Hydrolyse können die Fermenter thermophil betrieben werden. Durch die thermophile Betriebsweise läuft die Methanisierung schneller ab und die Biogasausbeute im Zeitvergleich ist höher. Dadurch ist die Kapazität der Biogasanlage größer. Die Flexibilität der Biogasanlage wird größer.
  • Auch die Flüssigbeschickung der Fermenter weist deutliche Vorteile auf. Durch die Verflüssigung der Biomasse können die Fermenter mit Pumpen und Rohrleitungen aus der Hydrolyseeinheit gefüttert werden. Es ist eine genaue Dosierung möglich. Mechanische Störungen treten nicht auf, weil es keine Schnecken gibt. Die Fermenter werden ausschließlich über die Hydrolyseeinheit beschickt; somit können separate Beschickungsaggregate für die Fermenter komplett entfallen.
  • Fermenter werden immer mit vorgewärmter Biomasse beschickt. Die Temperatur in der Hydrolyse beträgt mind. 30 oC; mit dieser warmen Biomassesuspension werden die Fermenter beschickt. Damit kommt es zu keinerlei Temperaturstörungen im Fermenter und die Biogas produzierenden Methanbakterien werden nicht beeinträchtigt.
  • Die Hydrolyse sorgt in vorteilhafter Weise für eine pH-Pufferung, was notwendig ist, da die Methanbakterien sehr empfindlich auf Änderungen des pH-Werte reagieren.
  • Im Fermenter beträgt der pH-Wert ca. 7,5, ist also im neutralen Bereich. Eine gute Silage hat einen pH-Wert von 3,5, ist also sauer. Wenn die Silage in größeren Mengen in den Fermenter direkt eingebracht wird, dann mögen das die Methanbakterien überhaupt nicht. In der Hydrolyse wird die eingebrachte Silage von einem pH-Wert von 3,5 auf ca. 6,5 erhöht. Wird das Hydrolysat dann in den Fermenter gepumpt, dann sind die Störungen für die Methanbakterien weit geringer als bei direkter Silagebeschickung in den Fermenter.
  • Mit der fermenterexternen Hydrolyse sind die Methanbakterien ungestört und verstetigen damit die Biogasproduktion. Durch die geringen Schwankungen bei der Gasproduktion kann auch der Biogasspeicher kleiner ausgelegt sein.
  • Verschiedene wissenschaftliche Untersuchungen zeigen, dass mit dem Einsatz einer gesteuerten Hydrolyse die Biogasausbeute je nach Substrat um 5 bis 15% steigt. Der Grund liegt im Voraufschluss der Biomasse bei niedrigerem pH-Wert als es im Fermenter der Fall ist. Unsere praktischen Ergebnisse zeigen eine um über 30% höhere Biogasausbeute bei zellulosehaltiger Biomasse im Vergleich zu bekannten KTBL-Laborwerten.
  • Alle positiven Effekte durch die externe Hydrolyse erhöhen die Betriebssicherheit der Biogasanlage.
  • Die Biomassebereitstellung erfolgt nur alle 2–3 Tage. Da die Hydrolysebehälter so dimensioniert sind, dass mit dem Inhalt die Fermenter 2 bis 3 Tage gefüttert werden können, braucht die Hydrolyse-Einheit nur jeden 2ten oder 3ten Tag befüllt werden. Das erhöht die zeitliche Flexibilität für den Anlagenbetreiber.
  • Wenn Probleme auftreten, dann in der Regel in der Hydrolyse-Einheit. Die Hydrolysebehälter sind relativ klein und damit leichter beherrschbar. Probleme, wie Schwimmschichten sind recht einfach zu beheben. Das Versauern des gesamten Fermenterinhaltes ist eine Katastrophe, bei der Hydrolyse in der Hydrolyseeinheit aber gewollt.
  • Die Beschickung der Hydrolysebehälter erfolgt alle 2–3 Tage. Die mindestens zwei Hydrolysebehälter werden abwechselnd beschickt. Während in einem Hydrolysebehälter die Hydrolyse abläuft, wird aus dem zweiten Hydrolysebehälter die bereits versauerte Biomasse ab- und zur weiteren Vergärung in die Fermenter geleitet. Der Hydrolysebehälter wird vollständig geleert.
  • Aus dem Endlager wird ausgegorenes Gärsubstrat mit einem TS-Gehalt von 6 bis 8% zum Separator gepumpt. Dort wird das Gärsubstrat in eine Flüssigfraktion mit 1 bis 4% TS und eine Festfraktion mit 20 bis 35% TS getrennt. Die Flüssigfraktion läuft vom Separator in den Hydrolysebehälter zum Aufmischen der „neuen” Biomasse. Wahlweise kann ein Teil dieser Flüssigfraktion auch zwischengelagert werden. Die Festfraktion wird in einem Bunker zwischengelagert. Dies ist ein automatisch ablaufender Prozess, der unterbrochen wird, wenn genügend Flüssigkeit im Hydrolysebehälter vorhanden ist. Ein Vorteil für die Vergärung ist, dass durch das Abseparieren der Feststoffe das Gärsubstrat verdünnt wird. Das reduziert Technikprobleme und Rührzeiten.
  • Die Biomasse (Silomais, Festmist, etc.) wird aus einem Silo in einen Dosierer angeliefert; von dort wird mit einer Fördereinrichtung wie bspw. einem Förderband, einer Förderschnecke o. dgl. der Hydrolysebehälter mit der geplanten Biomassemenge befüllt. Die Mischung aus Biomasse und flüssigem Gärrest hat einen TS-Gehalt von 12 bis 14%.
  • Die Hydrolyse ist sehr einfach und zweckmäßig, weil sie alternierend in mindestens zwei Behältern abläuft.
  • Mit einem Rührwerk wird die Suspension soweit vermischt, dass es keine Schwimmdeckenbildung gibt.
  • Innerhalb weniger Stunden bei mindestens 30°C beginnt die Hydrolyse und dauert ca. zwei Tage. Die Suspension versauert bis zu einem pH-Wert bis zu 4,5. Mit zwei Tagen Verweilzeit in der Hydrolyse ist man auf der sicheren Seite.
  • Nach der Hydrolyse wird die versauerte Suspension in die Fermenter zur Methanvergärung gepumpt. Dieser Pumpvorgang läuft automatisch gesteuert ab. In der Regel wird jeder Fermenter mindestens zweimal pro Stunde beschickt; je geringer die Teilmengen für die Beschickung aus der Hydrolyseeinheit sind, desto geringer ist die Störung der Methanbakterien in den Fermentern.
  • Mit einer speziell für die RM-Hydrolyse entwickelten Messtechnik lässt sich die Hydrolyse kontrollieren und steuern.
  • Der bei dem erfindungsgemäßen Verfahren anfallende Gärrest kann in eine Flüssigfraktion und in eine Festfraktion separiert werden. Die Festfraktion besteht vorwiegend aus Lignocellulose. Überwiegend in der Flüssigfraktion befinden sich die Mineralien in gelöster Form, die vorher im Celluloseverband gebunden waren. Die Festfraktion eignet sich nach der Trocknung daher sehr gut als Brennstoff. Der wesentliche Vorteil besteht darin, dass auch strohhaltiges, heuhaltiges und anderes derartiges Material mit hohem Mineralienanteil als Brennstoff genutzt werden kann, der in herkömmlichen Feuerungsanlagen aufgrund einer ausgeprägten Schlackebildung nicht verbrannt werden könnte. Die nun fehlenden Mineralien im Brennstoff führen zu einer Erhöhung des Schmelzpunktes, so dass dieser Brennstoff weitgehend rückstandsfrei in herkömmlichen Feuerungsanlagen verwertet werden kann.
  • Nachfolgend werden nochmals die wesentlichen Aspekte der vorliegenden Erfindung, bezogen auf das Verfahren und auf die Anlage zur Herstellung von Biogas. Es sei an dieser Stelle erwähnt, dass sich alle Aspekte, die im Zusammenhang mit dem Verfahren genannt sind, in gleicher Weise auf die erfindungsgemäße Biogasanlage beziehen. Gleiches gilt umgekehrt für alle Aspekte der Erfindung, die im Zusammenhang mit der Biogasanlage genannt sind; diese beziehen sich in gleicher Weise auch auf das Verfahren gemäß vorliegender Erfindung. So betrifft die Erfindung in ihrer allgemeinen Form ein Verfahren zur Herstellung von Biogas, insbesondere von Methangas in einem mehrstufigen Prozess. Das Verfahren umfasst zumindest einen Hydrolysevorgang und einen Methanbildungsprozess. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass der Hydrolysevorgang räumlich getrennt vom Methanbildungsprozess erfolgt. Der Hydrolysevorgang erfolgt getrennt vom Methanbildungsprozess und kann in einem separaten Behälter ablaufen. Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Zuführung von Biomasse zum Prozess und/oder die Entnahme von Gärsubstrat aus dem Prozess diskontinuierlich erfolgen. Vorzugsweise wird die Hydrolyse und die Versauerung in einem sog. Batch-Verfahren durchgeführt. Weiterhin kann vorgesehen sein, dass dem Hydrolysevorgang ein räumlich getrennter Versauerungsprozess nachgeschaltet ist. Dieser Hydrolysevorgang und der Versauerungsprozess können wahlweise in einem gemeinsamen Behälter stattfinden. Weiterhin ist dem Versauerungsprozess ein Gärprozess in einem Fermenter nachgeschaltet. Hier erfolgt die Methanbildung.
  • Es kann vorgesehen sein, dass die Befüllung eines Hydrolysebehälters in einem einzigen Vorgang erfolgt. Nach Befüllung des Hydrolysebehälters wird der Behäl ter vorzugsweise für mindestens zwei Tage auf einem Temperaturniveau, vorzugsweise auf einem Niveau mit weitgehend konstanter Temperatur gehalten. Der pH-Wert im Hydrolyseprozess kann dabei vorzugsweise zwischen ca. 3,5 und 6,5 liegen. Dagegen liegt der pH-Wert im Hydrolyseprozess vorzugsweise zwischen ca. 3,5 und weniger als ca. 5. Nach Abschluss des Hydrolyse- und Versauerungsprozesses kann das flüssige Material aus dem Hydrolysebehälter in den Fermenter bzw. Gärbehälter gefördert. Die Entleerung des Hydrolysebehälters und die Förderung der Biomasse in den Fermenter kann insbesondere über eine Zeitdauer von ca. zwei Tagen erfolgen.
  • Eine weitere Variante der Erfindung sieht vor, dass zwei parallele Vorstufen, umfassend jeweils zumindest einen Hydrolysebehälter und einen Versauerungsbehälter, vorgesehen sind. Diese beiden Hydrolysebehälter können dann jeweils im Wechsel befüllt werden. Die fertig hydrolysierte Biomasse kann nach einem definierten Zeitraum und in definierten Mengen in den nachgeordneten Gärbehälter bzw. Fermenter gefördert werden. Weiterhin kann vorgesehen sein, dass alle ca. zwei Tage fertig hydrolysiertes Material für die Versorgung des Fermenters zur Methangasbildung bereit gestellt wird.
  • Besonders geeignet für die Verwendung als Biomasse sind sog. nachwachsende Rohstoffe. Das Gärsubstrat kann in vorteilhafter Weise als Brennstoff verwendet werden, da es einen Brennwert ähnlich von Holz, insbesondere von Hackschnitzeln aufweist. Als Biomasse kann auch ein hoher Anteil von Festmist, Gras, kleehaltigem Gras und/oder Gras aus der Landschaftspflege eingesetzt werden. Dieses Material kann bis zu einem Anteil von ca. 80% verwendet werden.
  • Der Versauerungsbehälter kann bspw. ein Volumen von ca. 200 m3 oder mehr aufweisen. Eine Durchmischung der in den Versauerungsbehälter geförderten Biomasse kann mittels eines Rührwerks oder auch mittels mehrerer Rührwerke erfolgen.
  • Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass die Biogasproduktion durch Erhöhung der Zuführung von hydrolysiertem Material vom Hydrolysebehälter zum Fermenter innerhalb sehr kurzer Zeit stark erhöht werden kann. So kann die Biogasproduktion durch ungefähre Verdoppelung der Zuführung von hydrolysiertem Material vom Hydrolysebehälter zum Fermenter innerhalb von weniger als ca. zwei Stunden nahezu verdoppelt werden.
  • Die Erfindung betrifft zudem eine Biogasanlage zur Herstellung von Biogas in einem mehrstufigen Prozess, die zumindest zwei Hydrolysebehälter und einen Gärbehälter bzw. Fermenter für einen Methanbildungsprozess aufweist. Die wenigstens zwei Hydrolysebehälter sind räumlich getrennt sind vom nachgeordneten Fermenter. Den wenigstens zwei Hydrolysebehältern kann ein Versauerungsbehälter nachgeordnet und diesem der Fermenter nachgeordnet sein. Die Biomasse ist dem Prozess diskontinuierlich zuführbar. Zudem können die Hydrolyse und die Versauerung jeweils in einem Batch-Verfahren betrieben werden. Es können zwei parallele Vorstufen, umfassend jeweils zumindest einen Hydrolysebehälter und einen Versauerungsbehälter, vorgesehen sein. Diese beiden Hydrolysebehälter können jeweils im Wechsel befüllt und/oder betrieben werden. Für den Versauerungsbehälter kommt bspw. ein Volumen von ca. 200 m3 oder mehr in Frage. Zudem kann im Versauerungsbehälter mindestens ein Rührwerk zur Durchmischung der Biomasse vorgesehen sein. Meist sind mehrere solcher Rührwerke vorgesehen, so dass eine sehr schnelle Homogenisierung ermöglicht ist, die zudem vermeidet, dass innerhalb der Biomasse unterschiedliche Temperaturniveaus herrschen können.
  • Merkmale weiterer vorteilhafter Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele.
  • Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
  • Weitere Merkmale, Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus der nun folgenden detaillierten Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung hervor, die als nicht einschränkendes Beispiel dient und auf die beigefügten Zeichnungen Bezug nimmt. Gleiche Bauteile weisen dabei grundsätzlich gleiche Bezugszeichen auf und werden teilweise nicht mehrfach erläutert.
  • 1 zeigt die wesentlichen Verfahrensschritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Erzeugung von Biogas aus Biomasse anhand eines schematischen Fließdiagramms.
  • 2 zeigt ein weiteres Fließbild einer erfindungsgemäßen Biogasanlage mit Hydrolyse- und Versauerungssystem.
  • 3 zeigt eine schematische Plandarstellung einer möglichen Gruppierung der Komponenten einer Biogasanlage.
  • 4 zeigt in einem schematischen Fließbild die Biogasproduktion in der Landwirtschaft vom Input zum Output.
  • 5 zeigt in einem weiteren schematischen Fließbild eine beispielhafte Biogasproduktion mit Nutzung weitgehend aller in der Biomasse enthaltenen Energieformen.
  • Das schematische Blockschaltbild der 1 verdeutlicht den Ablauf des erfindungsgemäßen Biogasgewinnungsverfahrens. Eine Biomasse 10 nahezu beliebiger Zusammensetzung wird einem ersten Verarbeitungsschritt 12 zugeführt, nämlich der Hydrolyse und Versauerung. In einem nachgeschalteten zweiten Verarbeitungsschritt 14 erfolgt die Methanbildung, die im Gärbehälter 16 bzw. im sog. Fermenter erfolgt. Nach Beendigung des Gärverfahrens im Fermenter 16 wird das Material aus dem Fermenter 16 entnommen und als vergorenes Substrat 18 einer Lagerung 20 zugeführt.
  • Das Fließbild der 2 zeigt eine weitere Darstellung einer erfindungsgemäßen Biogasanlage 8 mit Hydrolyse- und Versauerungssystem. Wie anhand der Darstellung erkennbar ist, umfasst der erste Verarbeitungsschritt 12 zwei parallel angeordnete Hydrolyse- und Versauerungsbehälter 22 und 24. Die beiden Hydrolyse- und Versauerungsbehälter 22 und 24 werden im sog. Batch-Verfahren befüllt. Der Hydrolyse- und Versauerungsbehälter 22 und 24 können bspw. jeweils ein Volumen von ca. 300 m3 (für eine Leistung von 0,5 MWel) oder bspw. auch 471 m3 (für eine Leistung von 1 MWel) aufweisen. Selbstverständlich sind auch andere Behältervolumina möglich, je nachdem, welche Verarbeitungsleistung und/oder Lieferenergiemenge vom Anwender gewünscht bzw. benötigt wird.
  • Die beiden Behälter 22 und 24 werden mit der Biomasse 10 in einem Vorgang komplett gefüllt und durchmischt. Die Durchmischung erfolgt vorzugsweise mittels einer geeigneten Rührwerkstechnik. Mit einer Heizung wird der Inhalt auf bis zu 60–70 °C erhitzt. Der Inhalt wird mindestens zwei Tage auf dieser konstanten Temperatur gehalten. Mit diesem Verfahren ist es möglich, dass der Hydrolyse- und Versauerungsprozess 12 mit Hilfe der Hydrolysebakterien separat abläuft. Der pH-Wert im jeweiligen Behälter 22 bzw. 24 beträgt bedingt durch die spezielle Zusammenstellung der Futterration einen Wert zwischen 3,8–5,5.
  • Diese Behandlung garantiert den separaten Ablauf der Hydrolyse und Versauerung der eingebrachten Stoffe. Methanbakterien können dagegen bei diesen Bedingungen nicht überleben.
  • Nach zwei Tagen ist der Hydrolyse- und Versauerungsprozess abgeschlossen. Die so vorbereitete hydrolisierte Ware wird dann in regelmäßigen Zeitabständen und definierten Mengen in den zweiten Verarbeitungsschritt 14 überführt und hierzu automatisch in den Fermenter 16 (Gärbehälter) gepumpt. In diesem Fermenter 16 erfolgt dann durch die dort vorhandenen Methangasbakterien die Methanbildung, d. h. die eigentliche Biogasbildung. Der Inhalt eines Hydrolysebehälters 22 bzw. 24 reicht für ca. zwei bis drei Tage. Nach vollständiger Leerung kann der Behälter 22 bzw. 24 neu mit Biomasse 10 gefüllt werden und ein neuer Hydrolyse-Vorgang gestartet werden.
  • Während bspw. ein erster Hydrolyse- und Versauerungbehälter 22 komplett gefüllt ist und mit dem Hydrolyseprozess beschäftigt ist, kann separat der zweite Behälter 24 für die Hydrolyse- und Versauerung vorbereitet werden. Das Verfahren in den beiden Behältern 22 und 24 ist jeweils identisch und läuft lediglich zeitversetzt im gegenseitigen Wechsel ab.
  • Die Ansicht der 3 verdeutlicht in einer schematischen Plandarstellung eine mögliche Gruppierung der Komponenten einer Biogasanlage. Die zu verarbeitende Biomasse 10 wird mit einem Lieferfahrzeug auf einen Verladeplatz 26 angeliefert und zum jeweils passenden Zeitpunkt in einen der beiden Hydrolyse- und Versauerungsbehälter 22 und 24 überführt. Nach der Verweilzeit in diesen Behältern wird die Biomasse in den Fermenter 16 überführt, was durch eine Rohrleitungsverbindung 28 angedeutet ist. Auch zwischen den beiden Behältern 22 und 24 ist eine solche Leitungsverbindung vorgesehen. Nach abgeschlossener Fermentierung wird das vergorene Substrat 18 in den Lagerbehälter 20 überführt, der bei der Anlage als Endlager dient. Der Lagerbehälter 20 muss in regelmäßigen Abständen geleert werden, bspw. durch Verbringen des vergorenen Substrats in eine Deponie oder zur anderweitigen Verwertung.
  • Die 4 zeigt schließlich in einem schematischen Fließbild die Biogasproduktion in der Landwirtschaft vom Input zum Output. Der Input wird durch Biomasse von landwirtschaftlichen Betrieben geliefert, die sich vorzugsweise in unmittelbarer Nachbarschaft zur Biogasproduktion befinden sollten, um unnötige Transportwege zu vermeiden. Bei der Biogasproduktion erfolgt die zunächst die Anmaische und Versauerung, bevor die Biomasse in den Fermenter überführt wird. Das gewonnene Biogas wird einem Separator zugeführt und eine Flüssigfraktion und eine Festfraktion abgeschieden. Während das Biogas energetischen Zwecken zugeführt werden kann, bspw. dem Betrieb eines Blockheizkraftwerks, wird die Flüssigfraktion in die Hydrolysestufe zurückgeleitet. Die Festfraktion kann dem landwirtschaftlichen Betrieb als Dünger dienen, ebenso wie das im Endlager gelagerte vergorene Substrat. Auch dieses kann als Dünger dienen, sofern es nicht deponiert oder für andere Zwecke verwendet wird. Das über das Endlager geleitete vergorene Substrat bildet neben dem gewonnenen Biogas den Output der Biogasproduktion.
  • Die 5 zeigt in einem weiteren schematischen Fließbild eine beispielhafte Biogasproduktion mit Nutzung weitgehend aller in der Biomasse enthaltenen Energieformen. Auch hier ist die Biogasproduktion in der Landwirtschaft vom Input zum Output beispielhaft dargestellt. Der Input wird durch Biomasse geliefert, die nicht unbedingt aus der laufenden Produktion landwirtschaftlicher Betrieben stammen muss, wie dies bei herkömmlichen Wirtschaftsgrünland zutrifft. Die Biomasse kann jedoch auch von extensiv genutztem Grundland oder sogar von Naturschutzflächen stammen, die anderweitig kaum wirtschaftlich genutzt werden könnten. Auch hier gilt jedoch wiederum das oben Gesagt, nach dem sich die genutzten Flächen vorzugsweise in unmittelbarer Nachbarschaft zur Biogasproduktion befinden sollten, um unnötige Transportwege zu vermeiden.
  • Das in der Biogasanlage vergorene Substrat wird in ein Endlager überführt, wo es mittels eines Separators in eine flüssige und in eine feste Fraktion getrennt wird. Die Flüssigfraktion wird in die Biogasanlage zurückgeführt, während die weitgehend entfeuchtete Festfraktion als feste Gärreste gepresst und zu Briketten verarbeitet werden; d. h. sie werden brikettiert. Diese Briketts können problemlos in Feststofffeuerungsanlagen verbrannt werden, bspw. in Brennern, die normalerweise für Festholz geeignet sind. Diese Feuerungsanlagen können bspw. durch einen externen Brennstoffkessel gebildet sein, mit dem die in den Briketts enthaltene Brennstoffenergie zur Erwärmung von Schulen, Turnhallen o. dgl. Einrichtungen genutzt werden können. Die Briketts müssen zu diesem Zweck normalerweise an einen von der Biogasanlage entfernten Ort transportiert werden. Wahlweise oder zusätzlich ist auch eine interne Nutzung durch Befeuerung eines Brennstoffkessels für die Gärbriketts möglich, dessen Abwärme ebenfalls zur Beheizung der bereits mit der Abwärme aus dem BHKW belieferten Einrichtungen genutzt wird. Somit können die Gärbriketts auch zur Wärmeversorgung der erwähnten Gewächshäuser, Verkaufsstellen und/oder der Blumenzucht etc. verwendet werden.
  • Es sei an dieser Stelle erwähnt, dass mit Hilfe der erfindungsgemäßen Biogasproduktion ein hervorragend als Brennstoff geeigneter Gärrest zur Verfügung gestellt werden kann. Der bei dem erfindungsgemäßen Verfahren anfallende Gärrest wird in eine Flüssigfraktion und in eine Festfraktion separiert. Die Festfraktion besteht vorwiegend aus Lignocellulose. Überwiegend in der Flüssigfraktion befinden sich die Mineralien in gelöster Form, die vorher im Celluloseverband gebunden waren. Die Festfraktion eignet sich nach der Trocknung und/oder Brikettierung daher sehr gut als Brennstoff. Der wesentliche Vorteil besteht darin, dass auch strohhaltiges, heuhaltiges und anderes derartiges Material mit hohem Mineralienanteil als Brennstoff genutzt werden kann, der in herkömmlichen Feuerungsanlagen aufgrund einer ausgeprägten Schlackebildung nicht verbrannt werden könnte. Die nun fehlenden Mineralien im Brennstoff führen zu einer Erhöhung des Schmelzpunktes, so dass dieser Brennstoff weitgehend rückstandsfrei in herkömmlichen Feuerungsanlagen verwertet werden kann, die ansonsten zur Verbrennung von Fest- und/oder Stückholz oder auch von anderen Brennmaterialien vorgesehen sind.
  • Es sei an dieser Stelle schließlich erwähnt, dass die Erfindung nicht auf die vorstehenden Ausführungsbeispiele beschränkt ist. Vielmehr ist eine Vielzahl von Varianten und Abwandlungen denkbar, die von dem erfindungsgemäßen Gedanken Gebrauch machen und deshalb ebenfalls in den Schutzbereich fallen.
  • Bezugszeichenliste
  • 8
    Biogasanlage
    10
    Biomasse
    12
    erster Verarbeitungsschritt
    14
    zweiter Verarbeitungsschritt
    16
    Fermenter
    18
    vergorenes Substrat
    20
    Lagerung, Lagerbehälter
    22
    erster Behälter
    24
    zweiter Behälter
    26
    Verladeplatz
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 19532359 C2 [0006]
    • - DE 200401053615 B3 [0007]
    • - DE 102005029306 B4 [0008]

Claims (33)

  1. Verfahren zur Herstellung von Biogas, insbesondere von Methangas in einem mehrstufigen Prozess, umfassend zumindest einen Hydrolysevorgang (12) und einen Methanbildungsprozess (14), dadurch gekennzeichnet, dass der Hydrolysevorgang (12) räumlich getrennt vom Methanbildungsprozess (14) erfolgt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hydrolysevorgang (12) getrennt vom Methanbildungsprozess (14) und in einem separaten Behälter erfolgt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführung von Biomasse (10) zum Prozess und/oder die Entnahme von Gärsubstrat aus dem Prozess diskontinuierlich erfolgen.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Hydrolyse und Versauerung in einem Batch-Verfahren durchgeführt wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass dem Hydrolysevorgang ein räumlich getrennter Versauerungsprozess nachgeschaltet ist.
  6. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Hydrolysevorgang und der Versauerungsprozess in einem gemeinsamen Behälter stattfinden.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass dem Versauerungsprozess ein Gärprozess in einem Fermenter (16) nachgeschaltet ist.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Befüllung eines Hydrolysebehälters (22, 24) in einem einzigen Vorgang erfolgt.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass nach Befüllung des Hydrolysebehälters (22, 24) der Behälter (22, 24) für mindestens zwei Tage auf einem Temperaturniveau gehalten wird.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der pH-Wert im Hydrolyseprozess zwischen ca. 3,5 und 6,5 liegt.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der pH-Wert im Hydrolyseprozess zwischen ca. 3,5 und weniger als ca. 5 liegt.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass nach Abschluss des Hydrolyse- und Versauerungsprozesses das flüssige Material im Hydrolysebehälter (22, 24) in den Fermenter (16) bzw. Gärbehälter gefördert wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 9 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Entleerung des Hydrolysebehälters (22, 24) und die Förderung in den Fermenter (16) über eine Zeitdauer von ca. zwei Tagen erfolgen.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass zwei parallele Vorstufen, umfassend jeweils zumindest einen Hydrolysebehälter (22, 24) und einen Versauerungsbehälter, vorgesehen sind.
  15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Hydrolysebehälter (22, 24) jeweils im Wechsel befüllt werden.
  16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die fertig hydrolysierte Biomasse nach einem definierten Zeitraum und in definierten Mengen in den nachgeordneten Gärbehälter bzw. Fermenter (16) gefördert wird.
  17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass alle ca. zwei Tage fertig hydrolysiertes Material für die Versorgung des Fermenters (16) zur Methangasbildung bereit gestellt wird.
  18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass als Biomasse (10) nachwachsende Rohstoffe verwendet werden.
  19. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Gärsubstrat als Brennstoff verwendet wird, das einen Brennwert ähnlich von Holz, insbesondere von Hackschnitzeln aufweist.
  20. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass als Biomasse (10) ein hoher Anteil von Festmist, Gras, kleehaltiges Gras und/oder Gras aus der Landschaftspflege eingesetzt wird.
  21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Material bis zu einem Anteil von ca. 80% verwendet werden kann.
  22. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Versauerungsbehälter (22, 24) ein Volumen von ca. 200 m3 oder mehr aufweist.
  23. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass eine Durchmischung der in den Versauerungsbehälter (22, 24) geförderten Biomasse (10) mittels mindestens eines Rührwerks erfolgt.
  24. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Biogasproduktion durch Erhöhung der Zuführung von hydrolysiertem Material vom Hydrolysebehälter zum Fermenter innerhalb sehr kurzer Zeit stark erhöht werden kann.
  25. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Biogasproduktion durch ungefähre Verdoppelung der Zuführung von hydrolysiertem Material vom Hydrolysebehälter zum Fermenter innerhalb von weniger als ca. zwei Stunden nahezu verdoppelt werden kann.
  26. Biogasanlage zur Herstellung von Biogas in einem mehrstufigen Prozess, umfassend zumindest zwei Hydrolysebehälter (22, 24) und einen Gärbehälter bzw. Fermenter (16) für einen Methanbildungsprozess, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei Hydrolysebehälter (22, 24) räumlich getrennt sind vom nachgeordneten Fermenter (16).
  27. Biogasanlage nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass den wenigstens zwei Hydrolysebehältern (22, 24) ein Versauerungsbehälter nachgeordnet und diesem der Fermenter (16) nachgeordnet ist.
  28. Biogasanlage nach Anspruch 26 oder 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Biomasse (10) dem Prozess diskontinuierlich zuführbar ist.
  29. Biogasanlage nach einem der Ansprüche 26 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Hydrolyse und die Versauerung jeweils in einem Batch-Verfahren betreibbar sind.
  30. Biogasanlage nach einem der Ansprüche 26 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass zwei parallele Vorstufen, umfassend jeweils zumindest einen Hydrolysebehälter (22, 24) und einen Versauerungsbehälter, vorgesehen sind.
  31. Biogasanlage nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Hydrolysebehälter (22, 24) jeweils im Wechsel befüllbar und/oder betreibbar sind.
  32. Biogasanlage nach einem der Ansprüche 26 bis 31, dadurch gekennzeichnet, dass der Versauerungsbehälter ein Volumen von ca. 200 m3 oder mehr aufweist.
  33. Biogasanlage nach einem der Ansprüche 26 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass im Versauerungsbehälter mindestens ein Rührwerk zur Durchmischung der Biomasse vorgesehen ist.
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