DE102008038040A1 - Biogas plant for supplying power to small-scale system such as household system, comprises converting device having multi-chamber device for controlled small-scale conversion of biomass into biogas, sucking device and quantity monitor - Google Patents

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Abstract

The biogas plant (2) comprises a converting device having a multi-chamber device for controlled small-scale conversion of biomass that is in the range of below 20 tons of biomass per year into biogas, a sucking device to avoid an unintentional leakage of gas from an interior of the biogas plant by using a negative pressure, and a quantity monitor to monitor a minimum quantity of biomass. The multi-chamber device has a processing chamber for small-scale processing of the biomass, a liquefaction chamber for small-scale execution of hydrolysis, and/or a gas production chamber. The biogas plant (2) comprises a converting device having a multi-chamber device for controlled small-scale conversion of biomass that is in the range of below 20 tons of biomass per year into biogas, a sucking device to avoid an unintentional leakage of gas from an interior of the biogas plant by using a negative pressure, and a quantity monitor to monitor a minimum quantity of biomass. The multi-chamber device has a processing chamber for small-scale processing of the biomass, a liquefaction chamber for small-scale execution of hydrolysis, a gas production chamber for small-scale production of gas, and/or a homogenizing device to small-scale process of the supplied biomass to a homogeneous mass. The homogenizing device has a cutting tool for homogeneously cutting the filled biomass. The biogas plant is formed as continuously operating biogas plant with a pressure vessel loaded with biogas by using a pump and a unit for simultaneously cooling the pressure vessel, and is formed as an anaerobic small reactor, which converts the biomass into biogas enclosed by air. An independent claim is included for a power supply system.

Description

Die Erfindung betrifft eine Biogasanlage zur Energieversorgung nach Patentanspruch 1.The The invention relates to a biogas plant for energy supply Claim 1.

Weiter betrifft die Erfindung ein Energieversorgungssystem für kleintechnische Anlagen wie Hausanlagen, insbesondere ein Gasheizungssystem, mit einer Biogasanlage nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 8.Further The invention relates to a power supply system for small-scale Installations such as house equipment, in particular a gas heating system, with a biogas plant according to the preamble of claim 8.

Bekannt sind Biogasanlagen zur Umwandlung von Rückständen aus Kläranlagen, zur Jaucheumwandlung oder zur Umwandlung von angebauten Energiepflanzen. Diese Anlagen sind großtechnischer Natur und erfordern entsprechend ihrer Auslegung einen Mindesteinsatz umzuwandelnder Biomasse von 200 Tonnen/Jahr und mehr. Das mit den Biogasanlagen gemäß dem Stand der Technik erzeugte Biogas dient dazu, Motoren anzutreiben, die wiederum die von ihnen erzeugte Energie in elektrische und thermische Netze speisen.Known are biogas plants for the conversion of residues from sewage treatment plants, for liquid manure conversion or for the conversion of cultivated energy plants. These plants are large-scale Nature and require a minimum use according to their interpretation Biomass of 200 tons / year and more to be converted. That with the Biogas plants according to the state Biogas produced by technology serves to drive engines that turn the energy they generate into electrical and thermal Feed nets.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Biogasanlage sowie ein Energieversorgungssystem zu schaffen, bei denen ein effizienterer Wirkungsgrad erzielbar ist und welche sich auch für Biomasseneinsätze unter 200 Tonnen/Jahr effektiv nutzen lassen.Of the Invention is the object of a biogas plant and a Energy supply system to create a more efficient Efficiency is achievable and which also for biomass applications under 200 tons / year can be effectively used.

Erfindungsgemäß wird dies durch die Gegenstände mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 und des Patentanspruchs 8 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.According to the invention this is through the objects with the features of claim 1 and the claim 8 solved. Advantageous developments can be found in the dependent claims.

Die erfindungsgemäße Biogasanlage zur Energieversorgung einer kleintechnischen Anlage wie einer Hausanlage umfasst Mittel zur Umwandlung von Biomasse im Bereich unter 20 Tonnen Biomasse pro Jahr. Kleintechnische Anlagen, das heißt Anlagen mit Einsätzen unter 200 Tonnen Biomasse pro Jahr, insbesondere zur Nutzung der Energie für private Zwecke und/oder für Wohnungen und kleinere Häuser wie Einfamilienhäuser oder Zweifamilienhäuser, zur kontinuierlichen Umwandlung von Mengen unterhalb von 20 Tonnen Biomasse pro Jahr sind im Stand der Technik nicht bekannt. Die Mittel zu einem Betreiben einer entsprechenden Biogasanlage umfassen entsprechende Regelungsmittel für die einzelnen Umwandlungsschritte, für welche ein hoher regelungstechnischer Aufwand erforderlich ist, um den Umwandlungsprozess über ein ganzes Jahr verteilt in Gang zu halten.The Biogas plant according to the invention for the energy supply of a small-scale plant such as a house plant includes biomass conversion equipment below 20 tonnes Biomass per year. Small technical plants, that is plants with inserts less than 200 tons of biomass per year, in particular for the use of Energy for private Purposes and / or for Apartments and smaller houses like family houses or two-family houses, for the continuous conversion of quantities below 20 tons Biomass per year are not known in the art. The means to operate a corresponding biogas plant include appropriate Regulatory means for the individual conversion steps, for which a high regulatory technical Effort is required to complete the conversion process to keep it running throughout the year.

In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Mittel eine Mehrkammervorrichtung zur geregelten kleintechnischen Umwandlung von Biomasse in Biogas umfassen.In an embodiment The present invention provides that the means a Multi-chamber device for controlled small-scale conversion from biomass to biogas.

Bei einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Mehrkammervorrichtung mindestens eine Aufbereitungskammer zum kleintechnischen Aufbereiten von Biomasse aufweist.at a further embodiment The present invention provides that the multi-chamber device at least one processing chamber for small-scale processing of biomass.

In noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Mehrkammervorrichtung mindestens eine Verflüssigungskammer zur kleintechnischen Durchführung einer Hydrolyse aufweist.In yet another embodiment The present invention provides that the multi-chamber device at least one liquefaction chamber for small-scale implementation having a hydrolysis.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung sieht zudem vor, dass die Mehrkammervorrichtung mindestens eine Gaserzeugungskammer zur kleintechnischen Erzeugung von Gas aufweist.One another embodiment The present invention also provides that the multi-chamber device at least one gas generating chamber for small-scale production of gas.

Noch ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass die Aufbereitungskammer eine Homogenisierungseinrichtung aufweist, um kleintechnisch die zugeführte Biomasse zu einer homogenen Masse aufzubereiten.Yet another embodiment The present invention provides that the treatment chamber a homogenizing device to the small scale the supplied Make biomass into a homogeneous mass.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel sieht vor, dass die Biogasanlage mindestens eine Absaugeinrichtung aufweist, um insbesondere mittels Unterdruck ein ungewolltes Entweichen von Gas aus einem Inneren der Biogasanlage zu vermeiden.One another embodiment provides that the biogas plant at least one suction device has, in particular by means of negative pressure an unwanted escape to avoid gas from inside the biogas plant.

Noch ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass die Biogasanlage mindestens eine Mengenüberwachung aufweist, um insbesondere eine Mindestmenge an Biomasse zu überwachen.Yet another embodiment The present invention provides that the biogas plant at least a quantity monitoring In particular, to monitor a minimum amount of biomass.

Weiter sieht ein anderes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung vor, dass die Homogenisierungseinrichtung mindestens ein Schneidwerkzeug zum homogenen Zerkleinern von eingefüllter Biomasse aufweist.Further sees another embodiment the present invention that the homogenizer at least one cutting tool for the homogeneous comminution of filled biomass having.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Biogasanlage als kontinuierlich arbeitende Biogasanlage ausgebildet ist mit Mitteln zum Durchführen eines kontinuierlichen Umwandlungsprozesses, insbesondere mit einem mittels einer Pumpe mit Biogas beladbaren Druckgefäß und Mitteln zum gleichzeitigen Kühlen des Druckgefäßes.In a further embodiment The present invention provides that the biogas plant is designed as a continuously operating biogas plant with funds to perform a continuous conversion process, in particular with a by means of a pump with biogas loadable pressure vessel and means for simultaneous cooling of the pressure vessel.

In noch einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Biogasanlage als ein anaerober Kleinreaktor ausgebildet ist, welcher Biomasse von Luft abgeschlossen in Biogas umwandelt.In Yet another embodiment of the present invention provides that the biogas plant as an anaerobic small reactor is formed, which biomass of Air is converted into biogas.

Das erfindungsgemäße Energieversorgungssystem für kleintechnische Anlagen wie Hausanlagen, insbesondere ein Gasheizungssystem, mit einer erfindungsgemäßen Biogasanlage, ist dadurch gekennzeichnet, dass das Energieversorgungssystem mindestens eine Regeleinrichtung zur kleintechnischen Regelung der Biogasanlage, insbesondere eines darin durchgeführten Umwandlungsprozesses von Kleinmengen an Biomasse, umfasst.The energy supply system according to the invention for small-scale installations such as domestic installations, in particular a gas heating system, with a biogas plant according to the invention, is characterized in that the energy supply system comprises at least one control device for small-scale control of the biogas plant, in particular a conversion process carried out therein of small amounts of biomass.

Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung sieht weiter vor, dass das Energieversorgungssystem mindestens eine Heizungsanlage zur Erzeugung von Wärmeenergie aus der von der Biogasanlage bereitgestellten Energie, insbesondere nach Art einer Gastherme umfasst.One embodiment The present invention further provides that the power supply system at least one heating system for generating heat energy from the energy provided by the biogas plant, in particular according to Type of gas boiler includes.

In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Heizungsanlage mindestens einen Energiespeicher, insbesondere mindestens einen Wärmespeicher umfasst, um Energie zu speichern und aus dem Speicher bei Bedarf abzurufen.In an embodiment The present invention provides that the heating system at least an energy storage, in particular at least one heat storage includes to store energy and retrieve from memory when needed.

Mit der erfindungsgemäßen Biogasanlage sowie dem erfindungsgemäßen Energieversorgungssystem werden insbesondere die folgenden Vorteile realisiert:
Durch die kleintechnische Umsetzung kann eine Biomaterialeinbringung aus insbesondere privaten Haushalten direkt in eine kleintechnische Hausanlage erfolgen, wodurch eine effiziente Energienutzung erfolgt.With the biogas plant according to the invention and the energy supply system according to the invention, in particular the following advantages are realized:
Due to the small-scale implementation, biomaterial input from, in particular, private households can be made directly into a small-scale building for private use, resulting in efficient use of energy.

Entsprechend erfolgt in der erfindungsgemäßen Biogasanlage eine direkte Vor-Ort Biomaterialaufbereitung ohne lange Transportwege, sodass hier ein effizienter Umgang mit Energieträgern realisierbar ist.Corresponding takes place in the biogas plant according to the invention a direct on-site biomaterial preparation without long transport routes, so that an efficient use of energy sources can be realized here.

Eine aufwendige Biomateriallagerung an entfernten Orten kann entfallen, da die Biomaterialien direkt in Energie Vor-Ort umwandelbar sind.A expensive biomaterial storage at remote locations can be omitted because the biomaterials are directly convertible into energy on-site.

Eine Einbringung des Biomaterials oder der Biomasse erfolgt nach einer (kurzfristigen) Lagerung direkt in den Umwandlungsprozess ohne den Umwandlungsprozess zu unterbinden.A Incorporation of biomaterial or biomass occurs after a (short-term) storage directly into the conversion process without the To prevent the conversion process.

Eine erfindungsgemäße Umwandlungsprozessregelung, insbesondere hinsichtlich der Parameter Temperatur, Druck, elektrischer Leitwert, pH-Wert und Gasentwicklung, ermöglicht eine effiziente Energiegewinnung aus der Biomasse.A inventive conversion process control, in particular with regard to the parameters temperature, pressure, electrical Conductivity, pH and gas evolution, enables efficient energy production from the biomass.

Zudem ist mit der erfindungsgemäßen Biogasanlage und dem erfindungsgemäßen Energieversorgungssystem eine kleintechnische Gastrennung in Nutzgas (z. B. Methangas) und Abgas (z. B. Kohlendioxid, Schwefelwasserstoff) vor Ort möglich.moreover is with the biogas plant according to the invention and the power supply system according to the invention a small-scale gas separation in useful gas (eg methane gas) and Exhaust gas (eg carbon dioxide, hydrogen sulfide) possible on site.

Dabei entstehender Schwefelwasserstoff wird direkt neutralisiert und muss nicht erst weiter transportiert werden, beispielsweise über ein Kanalsystem.there resulting hydrogen sulfide is directly neutralized and must not be transported further, for example via a Channel system.

Eine Regelung der unterschiedlichen Anforderungen an die Prozesswärme und der Abgabe von Nutzwärme kann individuell für eine Heizungsunterstützung sowie eine Gaslagerung erfolgen.A Control of the different requirements for process heat and the release of useful heat can be customized for a heating support as well as a gas storage.

Insbesondere wird mit der Erfindung ein kombiniertes System aus Heizung und Energiebereitstellung und Speicherung auf Basis der Biogaserzeugung realisiert, welches für kleintechnische Hausanlagen abgestimmt ist. Hierdurch wird eine Regelung und Aufrechterhaltung eines Umwandlungsprozesses für Kleinmengen an Biomasse umgesetzt. Das Energieversorgungssystem bzw. die Biogasanlage lässt sich als wartungsfreies System durch intelligente Regelungs- und Steuerungsprozesse ausführen.Especially With the invention, a combined system of heating and energy supply and storage based on biogas production realized, which for small-scale House equipment is matched. This will be a regulation and maintenance a conversion process for Small amounts of biomass implemented. The energy supply system or the biogas plant leaves as a maintenance-free system through intelligent regulatory and Execute control processes.

Die Zeichnungen stellen zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung dar und zeigen in den Figuren:The Drawings represent two embodiments of the invention and show in the figures:

1 schematisch ein Übersichts-Blockschaltbild eines Energieversorgungssystems, 1 2 is a schematic block diagram of a power supply system.

2 schematisch ein Energieversorgungssystem nach 1 mit einer Biogasanlage und einer Heizungsanlage, 2 schematically a power supply system according to 1 with a biogas plant and a heating system,

3 schematisch eine Biogasanlage mit einer Mehrkammervorrichtung und 3 schematically a biogas plant with a multi-chamber device and

4 schematisch ein Temperaturprofil von eingesetzter Biomasse in verschiedenen Arbeitsphasen der Biogasanlage. 4 schematically a temperature profile of biomass used in different phases of the biogas plant.

1 zeigt schematisch ein Übersichts-Blockschaltbild eines Energieversorgungssystem 1. Das Energieversorgungssystem 1 ist als „black box” dargestellt, wobei auf deren linker Seite durch die Pfeile E Eingänge oder Input und auf deren rechter Seite durch die Pfeile A Ausgänge oder Output in bzw. aus dem Energieversorgungssystem 1 dargestellt sind. Auf der Eingangsseite E stellt ein erster Eingangspfeil E1 einen Wassereingang dar. Ein zweiter Eingangspfeil E2 stellt einen Stromeingang dar. Ein dritter Eingangspfeil E3 stellt einen Biomasseeingang dar. Auf der Ausgangsseite A stellt ein erster Ausgangspfeil A1 einen Abgasausgang dar. Ein zweiter Ausgangspfeil A2 stellt einen Wärmeausgang dar. Ein dritter Ausgangspfeil A3 stellt einen Abwasserausgang dar. Das Energieversorgungssystem 1 ist als ein System zur Biogaserzeugung und Heizungsunterstützung ausgebildet. In 2 ist das Energieversorgungssystem 1 detaillierter dargestellt. 1 schematically shows an overview block diagram of a power supply system 1 , The energy supply system 1 is shown as a "black box", on its left side by the arrows E inputs or input and on the right side by the arrows A outputs or output in or out of the power system 1 are shown. A first input arrow E2 represents a current input. A third input arrow E3 represents a biomass input. On the output side A, a first output arrow A1 represents an exhaust gas outlet. A second output arrow A2 represents a Heat output is a third output arrow A3 represents a wastewater outlet. The power supply system 1 is designed as a biogas production and heating support system. In 2 is the energy supply system 1 shown in more detail.

2 zeigt schematisch das Energieversorgungssystem 1 nach 1 mit einer Biogasanlage 2 und einer Heizungsanlage 3. In die Biogasanlage 2 gehen Strom und Wasser ein, wie durch einen Pfeil E4 dargestellt. Zudem wird der Biogasanlage 2 Biomasse, zum Beispiel in Form von Biomüll und Gartenabfällen zugeführt, wie durch den Pfeil E3 dargestellt. Als Ausgang geht aus der Biogasanlage Kohlendioxid (CO2) und Abwasser mit den Gärrückständen heraus, wie durch einen Pfeil A4 dargestellt. Die Heizungsanlage 3 besitzt zudem für höheren Energiebedarf eine Brenngaszuführung (E6). 2 schematically shows the energy supplier supply system 1 to 1 with a biogas plant 2 and a heating system 3 , In the biogas plant 2 enter electricity and water, as shown by an arrow E4. In addition, the biogas plant 2 Biomass, for example, supplied in the form of organic waste and garden waste, as shown by the arrow E3. The output of the biogas plant is carbon dioxide (CO 2 ) and waste water containing the digestate, as shown by an arrow A4. The heating system 3 also has a fuel gas supply (E6) for higher energy requirements.

Mit der Biogasanlage 2 gekoppelt ist die Heizungsanlage 3. Aus der mittels der Biogasanlage 2 erzeugten Energie stellt die Heizungsanlage 3 Energie in Form von Wärme und/oder Kälte bereit, was durch die beiden Linien bei T dargestellt ist. Eine obere Linie T1 kann dabei für eine Wärmeleitung stehen. Eine untere Linie T2 kann eine Kälteleitung repräsentieren. In einer alternativen Ausführungsform kann die obere Leitung den Vorlauf, die untere Leitung den Rücklauf einer Heizungsanlage darstellen.With the biogas plant 2 coupled is the heating system 3 , From the means of biogas plant 2 Energy generated represents the heating system 3 Energy in the form of heat and / or cold ready, which is represented by the two lines at T. An upper line T1 can stand for a heat conduction. A lower line T2 may represent a refrigerant line. In an alternative embodiment, the upper line may represent the flow, the lower line the return of a heating system.

3 zeigt schematisch die Biogasanlage 2 mit einer Mehrkammervorrichtung 4. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Mehrkammervorrichtung 4 fünf Kammern 5 auf. Eine erste Kammer 5a ist als mechanische Aufbereitungskammer ausgebildet. Eine zweite Kammer 5b ist als Biomasse-Lagerungskammer ausgebildet. Eine dritte Kammer 5c ist als Hydrolyse- oder Verflüssigungskammer ausgebildet. Eine vierte Kammer 5d ist als Acidogenese- oder Gaserzeugungskammer ausgebildet. Eine fünfte Kammer 5e ist als Gastrennungskammer ausgebildet. Die erste Kammer 5a weist einen durch den Eingangspfeil E3 repräsentierten Eingang für Biomüll und Gartenabfälle auf. Die zweite Kammer 5b weist einen durch einen Eingangspfeil E5 repräsentierten Eingang für eine Wärmeenergie auf, insbesondere für ein negative Wärmeenergie –ΔT. Ein weiterer Pfeil P1 in einem Übergangsbereich von der zweiten Kammer 5b zu der dritten Kammer 5c repräsentiert eine Wärmeenergieweitergabe, insbesondere von positiver Wärmeenergie +ΔT. Im Übergangsbereich von der dritten Kammer 5c zu der vierten Kammer 5d repräsentiert ein Pfeil P2 eine Wärmeenergieweitergabe, insbesondere von positiver Wärmeenergie +ΔT. Ein weiterer Pfeil P3 in einem Übergangsbereich von der vierten Kammer 5d zu der fünften Kammer 5e repräsentiert ebenfalls eine Wärmeenergieweitergabe, insbesondere von positiver Wärmeenergie +ΔT. Die vierte Kammer 5d weist zudem einen Ausgang für Abwasser auf, gekennzeichnet durch den Ausgangspfeil A3. Die fünfte Kammer 5e weist zwei Ausgänge auf. Ein Ausgang, gekennzeichnet durch einen Ausgangspfeil A5, liefert CH4 und eine positive Wärmemenge +ΔT. Ein anderer Ausgang, gekennzeichnet durch den Ausgangspfeil A6, liefert CO2, H2S und eine negative Wärmemenge –ΔT. 3 schematically shows the biogas plant 2 with a multi-chamber device 4 , In the illustrated embodiment, the multi-chamber device 4 five chambers 5 on. A first chamber 5a is designed as a mechanical treatment chamber. A second chamber 5b is designed as a biomass storage chamber. A third chamber 5c is designed as a hydrolysis or liquefaction chamber. A fourth chamber 5d is designed as Acidogenese- or gas generating chamber. A fifth chamber 5e is designed as a gas separation chamber. The first chamber 5a has an input represented by the input arrow E3 for organic waste and garden waste. The second chamber 5b has an input represented by an input arrow E5 for a heat energy, in particular for a negative heat energy -ΔT. Another arrow P1 in a transition region of the second chamber 5b to the third chamber 5c represents a heat energy transfer, in particular of positive heat energy + ΔT. In the transition area of the third chamber 5c to the fourth chamber 5d an arrow P2 represents a heat energy transfer, in particular of positive heat energy + ΔT. Another arrow P3 in a transition region of the fourth chamber 5d to the fifth chamber 5e also represents a heat energy transfer, in particular of positive heat energy + ΔT. The fourth chamber 5d also has an outlet for wastewater, characterized by the exit arrow A3. The fifth chamber 5e has two outputs. An output, indicated by an output arrow A5, provides CH 4 and a positive heat quantity + ΔT. Another output, indicated by the output arrow A6, provides CO 2 , H 2 S and a negative heat quantity -ΔT.

4 zeigt schematisch ein Temperaturprofil von eingesetzter Biomasse in verschiedenen Arbeitsphasen der Biogasanlage 2. Das Temperaturprofil der Biomasse ist in einem x-y-Diagramm aufgetragen, wobei auf der x-Achse vier Arbeitsphasen AP1 bis AP4 aufgetragen sind. Auf der y-Achse sind die entsprechenden Temperaturen der Biomasse in °C aufgetragen. Das Temperaturprofil umfasst in dem Diagramm Temperaturbereiche, die als Rechtecke gekennzeichnet sind. 4 schematically shows a temperature profile of biomass used in different phases of the biogas plant 2 , The temperature profile of the biomass is plotted in an xy-diagram, wherein four working phases AP1 to AP4 are plotted on the x-axis. The corresponding biomass temperatures in ° C are plotted on the y-axis. The temperature profile in the diagram comprises temperature ranges which are identified as rectangles.

Die vier Arbeitsphasen AP1 bis AP4 sind von links nach rechts, das heißt, in ihrer chronologischen Abfolge bei einem entsprechenden Prozess in der Biogasanlage 2: Befüllungsphase der Biomasse (AP1, Biomasse bei Ausgangstemperatur), Lagerung der Biomasse (AP2), Hydrolyse- oder Verflüssigungsphase (AP3) und Acidogenese oder Gaserzeugungsphase (AP4). In der ersten Arbeitsphase AP1 liegt die Temperatur der Biomasse etwa in einem Bereich von etwas über 0°C bis etwa 50°C. In der zweiten Arbeitsphase AP2 liegt die Temperatur der Biomasse etwa in dem Bereich von knapp über 0°C bis etwa knapp unter 5°C. In der dritten Arbeitsphase AP3 liegt die Temperatur der Biomasse etwa in einem Bereich von knapp über 15°C bis etwas über 20°C. In der vierten Arbeitsphase AP4 liegt die Temperatur der Biomasse etwa in einem Bereich von etwas über 50°C bis etwas über 60°C. Je nach Bedingungen können die Bereiche verändert werden.The four work phases AP1 to AP4 are from left to right, that is, in their chronological order in a corresponding process in the biogas plant 2 Filling phase of biomass (AP1, biomass at initial temperature), storage of biomass (AP2), hydrolysis or liquefaction phase (AP3) and acidogenesis or gas generation phase (AP4). In the first working phase AP1, the temperature of the biomass is approximately in a range of slightly above 0 ° C to about 50 ° C. In the second working phase AP2, the temperature of the biomass is approximately in the range of just above 0 ° C to approximately just below 5 ° C. In the third working phase AP3, the temperature of the biomass is approximately in the range of just over 15 ° C to just over 20 ° C. In the fourth working phase AP4, the temperature of the biomass is approximately in a range of slightly above 50 ° C to just above 60 ° C. Depending on the conditions, the areas can be changed.

Im Folgenden werden der Aufbau und die Funktionsweise detaillierter beschrieben:
Die Biogasanlage 2 umfasst eine Mehrgefäß- oder Mehrkammervorrichtung zur geregelten Umwandlung von Biomaterial in Biogas, eine Heizungsanlage, bevorzugt mit Gas als Heizbasis, sowie einen Speicher zum Speichern von Gas und Wärme. Der Teil des Energieerzeugungssystems 1 zur Gaserzeugung umfasst die Aufbereitungskammer, insbesondere die zweite Kammer 5b zur Aufbereitung des eingeführten Biomaterials, die Verflüssigungskammer (Hydrolysekammer) und eine Kammer zur Gaserzeugung. Der Aufbereitungsbereich weist insbesondere die Komponenten zur Biomaterialbeladung mit einer Absaugung, zur Biomaterialaufbereitung sowie zur Biomateriallagerung auf. Die Verflüssigungskammer oder der entsprechende Systemteil, in welchem die Hydrolyse stattfindet, umfasst eine Temperaturanpassungseinheit zur Anpassung der Temperatur auf eine optimale Hydrolysetemperatur, einen Mechanismus zur Beladung eines entsprechenden Hydrolysegefäßes und das Hydrolysegefäß.The following describes the structure and operation in more detail:
The biogas plant 2 comprises a multi-vessel or multi-chamber device for the controlled conversion of biomaterial into biogas, a heating system, preferably with gas as a heating base, and a storage for storing gas and heat. The part of the power generation system 1 for gas generation comprises the processing chamber, in particular the second chamber 5b for processing the introduced biomaterial, the liquefaction chamber (hydrolysis chamber) and a gas generating chamber. The treatment area has in particular the components for biomaterial loading with a suction, for biomaterial processing and for biomaterial storage. The liquefaction chamber or the corresponding system part in which the hydrolysis takes place comprises a temperature adaptation unit for adjusting the temperature to an optimum hydrolysis temperature, a mechanism for loading a corresponding hydrolysis vessel and the hydrolysis vessel.

Zur Gaserzeugung umfasst die Gaserzeugungskammer eine Temperaturanpassungseinheit zur Anpassung der Temperatur auf eine optimale Acidogenesetemperatur, einen Raum zur Gasumwandlung sowie eine Einrichtung zur physikalisch-technischen Gastrennung.to Gas generation, the gas generating chamber comprises a temperature adjusting unit for Adaptation of the temperature to an optimal acidogenesis temperature, a space for gas conversion and a facility for physical-technical Gas separation.

Die Auslegung des Energieerzeugungssystems ist derart gestaltet, dass jede Art von Biomaterial oder Biomasse nutzbar ist. Hierdurch ist es erforderlich, mögliche Sporen, zum Beispiel durch Keimbildung, und/oder etwaige Geruchsbelästigungen, zum Beispiel beim Öffnen des Systems, beispielsweise zum Beladen, nicht in einen örtlich davor liegenden Raum oder eine Umgebung entweichen zu lassen. Hierzu ist eine Unterdruckabsaugung vorgesehen, die bei zum Beispiel einem Öffnen einer Ladeklappe aktiviert wird. Die Unterdruckabsaugung kann mittels eines Lüfters erfolgen. In Betrieb entlüftet die Unterdruckabsaugung beispielsweise über einen Kamin. Bei ausreichendem Unterdruck durch den Kamin kann auf den Lüfter oder andere Luftfördermittel verzichtet werden. Für die Absaugung wird vor einer Entriegelung der Ladeklappe die angekoppelte Heizungsanlage abgeschaltet. Ein optionales Sporensieb dient dazu, die im Laderaum befindliche Luft vor Eintritt in den Kamin zu reinigen. Die Reinigung des Sporensiebes erfolgt thermisch. Als Sporensieb kann auch ein Gasverteilungssieb genutzt werden. Für eine O2-Regelung ist ein Luftventiltor vorgesehen. Dieser kann zudem für eine Ladeklappenabsaugung verwendet werden, wodurch entweder die Luft für ein Gasgemische einer geregelten Verbrennung oder die Ladeklappenabsaugung entsprechend geregelt wird.The design of the power generation system is designed so that any type of biomaterial or biomass is usable. This makes it possible to escape possible spores, for example by nucleation, and / or any odor nuisance, for example, when opening the system, for example, for loading, not in a space in front of it or an environment. For this purpose, a vacuum suction is provided, which is activated when, for example, opening a loading flap. The vacuum extraction can be done by means of a fan. In operation, the vacuum extraction vented, for example via a fireplace. With sufficient vacuum through the chimney, the fan or other air conveyor can be dispensed with. For the extraction, the docked heating system is switched off before unlocking the tailgate. An optional Sporensieb is used to clean the air in the hold before entering the chimney. The cleaning of the spore sieve takes place thermally. As Sporensieb also a gas distribution can be used. For an O 2 control , an air valve is provided. This can also be used for a silt extraction, whereby either the air for a gas mixture of a controlled combustion or the tailgate extraction is regulated accordingly.

Zur Umwandlung des Biomaterials in Biogas ist es insbesondere bei Kleinmengenumwandlung erforderlich, dass ein einzubringendes Eingangsprodukt, nämlich die Biomasse, möglichst homogen ausgebildet ist. Dies gilt sowohl für die Oberfläche des Biomaterials als auch für dessen Zusammensetzung. Um die Oberfläche möglichst gleich und auch mit einer großen Angriffsfläche zu gestalten, wird das in die Ladeklappe gegebene Bio-Ausgangsmaterial (Biomasse) mittels eines Schneidewerkzeuges püriert. Weiterhin wird das pürierte Biomaterial mittels eines Rührwerks in der Aufbewahrungskammer oder dem Aufbewahrungsteil mit ggf. schon vorhandenem Material vermengt, wodurch homogene Übergänge zwischen den unterschiedlichen Ausgangsprodukten (Biomasse) erreicht werden.to Conversion of the biomaterial into biogas is particularly in the case of small-volume conversion required that an input product to be introduced, namely the Biomass, if possible is formed homogeneously. This applies both to the surface of the biomaterial as well as for its composition. To the surface as equal as possible and also with a big one attack surface To design, is the given in the tailgate bio-starting material (Biomass) pureed using a cutting tool. Furthermore, the pureed biomaterial by means of a stirrer in the storage chamber or the storage part with possibly already existing material mixed, creating homogeneous transitions between the different Starting products (biomass) can be achieved.

Zur Unterbindung einer ungewollten Umsetzung des aufbereiteten Biomaterials wird dieses im Aufbewahrungsbereich auf eine Temperatur nahe 0°C gekühlt. Hierdurch wird der ungewollte Umwandlungsprozess unterbunden. Die für diesen Arbeitsschritt notwendige Kälte wird aus einer Gasentspannungseinrichtung (CO2-Entspannung) innerhalb des Gastrennungsprozesses gewonnen. Zur Abtötung von Kleinlebewesen, die bei dieser Temperatur noch existieren und sich weiterentwickeln könnten, beispielsweise Maden und dergleichen, ist ein Aufbewahrungsgefäß aus einem elektrisch isolierenden Material aufgebaut, in dem auf zwei, vorzugsweise gegenüberliegenden, Bereichen jeweils eine Edelstahlplatte oder dergleichen angebracht ist. Mit dieser Platte wird entweder eine elektrische Abtötung der Kleinlebewesen vorgenommen oder über eine Leitwertbestimmung die aktuelle Menge am vorhandenen Biomaterial gemessen (Mindestmengenüberwachung).To prevent unwanted conversion of the processed biomaterial, it is cooled in the storage area to a temperature close to 0 ° C. As a result, the unwanted conversion process is prevented. The cold required for this step is obtained from a gas expansion device (CO 2 -reducing) within the gas separation process. To kill small creatures that still exist at this temperature and could evolve, such as maggots and the like, a storage vessel made of an electrically insulating material is constructed in which on two, preferably opposite, areas each have a stainless steel plate or the like. With this plate, either an electrical kill of the microorganisms is made or measured by a Leitwertbestimmung the current amount of existing biomaterial (minimum quantity monitoring).

Um das gekühlte und pürierte Bioausgangsmaterial der ersten Stufe der Gasumwandlung zuzuführen, muss eine thermische Anpassung unter Luftabschluss erfolgen. Hierzu ist im Boden des Aufbewahrungsgefäßes eine Förderschnecke integriert, die über eine thermisch zum Aufbewahrungsgefäß entkoppelte Heizstrecke das Biomaterial in die erste Umwandlungsstufe schiebt. Der Volumenstrom des Fördervorgangs wird bezüglich Menge und Temperatur überwacht. Eine Regelung sorgt dafür, dass für den ersten Umwandlungsprozess eine optimale Temperatur erreicht wird. Der Luftabschluss ist durch eine Mindestmengenüberwachung im Aufbewahrungsgefäß durch das pürierte Ausgangsmaterial gewährleistet.Around the cooled and pureed First stage bio-feedstock must be gas-fed a thermal adjustment takes place under exclusion of air. This is in the bottom of the storage container one Auger integrated, over a thermally decoupled to the storage vessel heating the Push biomaterial into the first conversion stage. The volume flow the funding process is re Monitored quantity and temperature. A regulation ensures that for the first conversion process an optimal temperature is reached. The air seal is by a minimum quantity monitoring in the storage vessel by that pureed Guaranteed starting material.

In der ersten Umwandlungsstufe in einem entsprechenden Gefäß (zweite Kammer 5b) wird der Vorgang der Hydrolyse (Verflüssigungsphase) durchgeführt. Der Umwandlungsprozess wird mittel einer Temperatur- und pH-Wert-Sensorik sowie einer Leitwert- und Füllstandsmessung überwacht.In the first stage of conversion in a corresponding vessel (second chamber 5b ), the process of hydrolysis (liquefaction phase) is performed. The conversion process is monitored by means of a temperature and pH sensor as well as conductivity and level measurement.

Eine kleintechnische Trennung des erzeugten Biogases unter der Randbedingung, dass man einen Fremdmaterialeinsatz wie Wasser, Kalk, Eisen vermeiden will, wird auf physikalisch-technischer Basis durchgeführt. Hierfür wird über eine geregelte Veränderung des Temperatur-Druckverhältnisses des Biogases zuerst Kohlendioxid und anschließend Schwefelwasserstoff vom Methangas durch Verflüssigung abgeschieden. Die bei der Erhöhung des Druckes entstehende Temperatur wird gewinnbringend entweder zur Temperaturanpassung des Biomaterials zwischen den einzelnen Phasen, zur Nachheizung insbesondere innerhalb der Acidogenesephase oder zur Heizungsunterstützung eingesetzt. Die bei der Entspannung entstehende Kälte wird zur Kühlung der Lagermasse (Biomasse, Ausgangsprodukt) verwendet. Der Prozess arbeitet kontinuierlich, indem ein Druckgefäß mit dem erstehenden Biogas mittels einer Kleinpumpe beladen und dabei gleichzeitig gekühlt wird. Über entsprechende Expansionsventile werden dann flüssiger Kohlendioxid und Schwefelwasserstoff sowie gasförmiges Methan abgelassen. Die Neutralisation des Schwefelwasserstoffes erfolgt über das Abwasser des Systems.A small-scale separation of the generated biogas under the boundary condition, that you avoid a foreign material such as water, lime, iron wants, is carried out on a physical-technical basis. For this is about a regulated change the temperature-pressure ratio of Biogas first carbon dioxide and then hydrogen sulfide from Methane gas by liquefaction deposited. The at the increase the temperature arising from the pressure becomes profitable either for temperature adaptation of the biomaterial between the individual Phases, for reheating in particular within the Acidogenesephase or for heating support used. The cold created by the relaxation becomes for cooling the storage mass (biomass, starting product) used. The process works continuously by a pressure vessel with the biogas produced by means of loaded a small pump while it is cooled. About appropriate Expansion valves then become more fluid Discharged carbon dioxide and hydrogen sulfide and gaseous methane. The Neutralization of the hydrogen sulphide takes place via the Wastewater of the system.

Mit dieser Erfindung lassen sich Bioabfall und, bei einem Grundstück auf dem Land, Abfälle wie Gras für effiziente Energienutzung verwenden.With This invention can be biowaste and, in the case of a plot on the Land, waste like grass for use efficient energy use.

Energetisch betrachtet werden aus dem Bioabfall pro Tonne ca. 100 m3 Biogas mit einem Methananteil von ca. 61% und bei Gras pro Tonne ca. 172 m3 Biogas mit einem Methananteil von ca. 54% erzeugt.From an energy point of view, biowaste per tonne is about 100 m 3 of biogas with a metha of about 61% and grass per ton of about 172 m 3 produced biogas with a methane content of about 54%.

Mit der Erfindung lässt sich Biomaterial in einem von der Luft abgeschlossenen Kleinreaktorsystem (anaerobes System) in Biogas und flüssig gebundene Stoffe umwandeln. Das Biogas wird in einer geregelten Verbrennung verbrannt, die flüssigen Reststoffe können über die Abwasserentsorgung entsorgt werden.With of the invention biomaterial in an air-sealed small reactor system (anaerobic system) into biogas and convert liquid-bound substances. The biogas is burned in a controlled combustion, the liquid residues can over the Wastewater disposal be disposed of.

Das Energieerzeugungssystem umfasst somit eine Kombination aus Heizungsanlage, zum Beispiel Gastherme, einem (Wasser-)Speicher, optional einem Gasspeicher und einem Bioreaktor zur Methangasherstellung mit mindestens drei Kammern, sowie einen Anschluss an die Zu- und Abwasserleitung, eine Gasversorgung zum Beispiel zu einer Nachheizung, einem Kamin und an eine Stromversorgung.The Power generation system thus comprises a combination of heating system, for example, gas boiler, a (water) storage, optional one Gas storage and a bioreactor for methane gas production with at least three chambers, as well as a connection to the inflow and sewer, a gas supply, for example, to a reheating, a fireplace and to a power supply.

Die Kammern des Biogasreaktors dienen der Aufbewahrung des Ausgangsprodukts (Bioabfall), dem Vorgang der Hydrolyse (Verflüssigungsphase) und dem Vorgang der Acidogenese (Versäuerungs- und Methanerzeugungsphase). Nach einer Vergärung der Biomasse können, wie oben beschrieben, die flüssigen Reststoffe mit der Abwasserentsorgung abtransportiert werden.The Chambers of the biogas reactor serve to store the starting product (Biowaste), the process of hydrolysis (liquefaction phase) and the process Acidogenesis (Acidification and Methane production phase). After a fermentation of the biomass can, how described above, the liquid Residues are transported with the wastewater disposal.

Für die Biogaserstellung finden thermophile Bakterien vorzugsweise Verwendung. Der Grund hierzu liegt in der automatischen Sterilisation und Abtötung gesundheitsschädlicher Keime in den verwendeten Produkten (Küchenabfalle). Weiterhin wird bei der Verwendung thermophiler Bakterien eine höhere Methangasgewinnung für die eingesetzte Ausgangsmasse erreicht. Der thermophile Prozess arbeitet innerhalb eines Temperaturbereichs von 50°C bis 57°C. Die Eigenerwärmung durch die Methangasentwicklung ist geringer als die benötigte Wärme, weshalb für den Prozess Wärme zuzuführen ist. Eine Pufferung und Zuführung der Wärme ist über den Wasserspeicher vorgesehen.For the biogas production Thermophilic bacteria are preferably used. The reason for this is more harmful in automatic sterilization and killing Germs in the products used (kitchen waste). Continue when using thermophilic bacteria a higher methane gas production for the used Output mass reached. The thermophilic process works within a temperature range of 50 ° C up to 57 ° C. The self-heating due to the methane gas evolution is lower than the required heat, which is why for the Process heat supply is. A buffering and feeding the heat is over provided the water storage.

Für die geregelte Verbrennung wird vor der Verbrennung der Methangasanteil des Gasgemisches ermittelt. Hierzu kann mit einer einfachen Infrarot Absorptionsmessung der Methangasgehalt auf wenige Prozentpunkte genau ermittelt werden. Ist der Methangasanteil, weil auf eine Gastrennung verzichtet wurde, für eine Verbrennung zu gering, wird für die Verbrennung ein Brenngas zugemischt (zugeführt). Der Brennwertanteil und somit die mögliche Verbrennungstemperatur wird für das Gasgemisch bestimmt. Das Gasgemisch wird der Verbrennung zugeführt. Während der Verbrennung erfolgt eine Überprüfung der Flamme und des Verbrennungsvorgangs mittels Verbrennungsregelung, beispielsweise SCOT-Verfahren, und/oder Temperatursensor. In Abhängigkeit der ermittelten Werte wird die Luftzuführung und Gaszuführung und somit der Verbrennungsprozess auf optimale Werte geregelt.For the regulated Combustion is done before burning the methane gas portion of the gas mixture determined. This can be done with a simple infrared absorption measurement the methane gas content can be accurately determined to a few percentage points. Is the methane gas fraction because gas separation has been dispensed with, for one Combustion is too low for the combustion mixed a fuel gas (supplied). The calorific value and thus the possible combustion temperature is for the gas mixture determined. The gas mixture is fed to the combustion. During the Combustion takes place a review of the Flame and the combustion process by means of combustion control, For example, SCOT method, and / or temperature sensor. Dependent on The values determined are the air supply and gas supply and thus the combustion process is regulated to optimal values.

Claims (11)

Biogasanlage (2) zur Energieversorgung einer kleintechnischen Anlage, wie einer Hausanlage, mit Mitteln zur Umwandlung von Biomasse im Bereich unter 20 Tonnen Biomasse pro Jahr.Biogas plant ( 2 ) for the energy supply of a small-scale plant, such as a home plant, with means for the conversion of biomass in the range below 20 tons of biomass per year. Biogasanlage (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel eine Mehrkammervorrichtung (4) zur geregelten kleintechnischen Umwandlung von Biomasse in Biogas umfassen, wobei insbesondere die Mehrkammervorrichtung (4) mindestens eine Aufbereitungskammer (5a, 5b) zum kleintechnischen Aufbereiten von Biomasse aufweist und/oder mindestens eine Verflüssigungskammer (5c) zur kleintechnischen Durchführung einer Hydrolyse aufweist und/oder mindestens eine Gaserzeugungskammer (5e) zur kleintechnischen Erzeugung von Gas aufweist und/oder mindestens eine Homogenisierungseinrichtung aufweist, um kleintechnisch die zugeführte Biomasse zu einer homogenen Masse aufzubereiten.Biogas plant ( 2 ) according to claim 1, characterized in that the means comprise a multi-chamber device ( 4 ) for the controlled small-scale conversion of biomass into biogas, wherein in particular the multi-chamber device ( 4 ) at least one processing chamber ( 5a . 5b ) for small-scale processing of biomass and / or at least one liquefaction chamber ( 5c ) for the small-scale performance of a hydrolysis and / or at least one gas generating chamber ( 5e ) for the small-scale production of gas and / or has at least one homogenizing device in order to process the small scale feed biomass to a homogeneous mass. Biogasanlage (2) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Biogasanlage (2) mindestens eine Absaugeinrichtung aufweist, um insbesondere mittels Unterdruck ein ungewolltes Entweichen von Gas aus einem Inneren der Biogasanlage (2) zu vermeiden.Biogas plant ( 2 ) according to claim 1 or 2, characterized in that the biogas plant ( 2 ) has at least one suction device, in particular by means of negative pressure an unintentional escape of gas from an interior of the biogas plant ( 2 ) to avoid. Biogasanlage (2) nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Biogasanlage (2) mindestens eine Mengenüberwachung aufweist, um insbesondere eine Mindestmenge an Biomasse zu überwachen.Biogas plant ( 2 ) according to one of the preceding claims 1 to 3, characterized in that the biogas plant ( 2 ) has at least one quantity monitoring, in particular to monitor a minimum amount of biomass. Biogasanlage (2) nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Homogenisierungseinrichtung mindestens ein Schneidwerkzeug zum homogen Zerkleinern von eingefüllter Biomasse aufweist.Biogas plant ( 2 ) according to one of the preceding claims 1 to 4, characterized in that the homogenizing device has at least one cutting tool for the homogeneous comminution of filled biomass. Biogasanlage (2) nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Biogasanlage (2) als kontinuierlich arbeitende Biogasanlage (2) ausgebildet ist mit Mitteln zum Durchführen eines kontinuierlichen Umwandlungsprozesses, insbesondere mit einem mittels einer Pumpe mit Biogas beladbaren Druckgefäß und Mitteln zum gleichzeitigen Kühlen des Druckgefäßes.Biogas plant ( 2 ) according to one of the preceding claims 1 to 5, characterized in that the biogas plant ( 2 ) as a continuously operating biogas plant ( 2 ) is formed with means for performing a continuous conversion process, in particular with a loadable by means of a pump with biogas pressure vessel and means for simultaneously cooling the pressure vessel. Biogasanlage (2) nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Biogasanlage (2) als ein anaerober Kleinreaktor ausgebildet ist, welcher Biomasse von Luft abgeschlossen in Biogas umwandelt.Biogas plant ( 2 ) according to one of the preceding claims 1 to 6, characterized in that the biogas plant ( 2 ) is designed as an anaerobic small reactor, which biomass of air abgeschlossen converted into biogas. Energieversorgungssystem (1) für kleintechnische Anlagen wie Hausanlagen, insbesondere ein Gasheizungssystem, mit einer Biogasanlage (2) nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Energieversorgungssystem (1) mindestens eine Regeleinrichtung zur kleintechnischen Regelung der Biogasanlage (2), insbesondere eines darin durchgeführten Umwandlungsprozesses von Kleinmengen an Biomasse, umfasst.Energy supply system ( 1 ) for small-scale installations such as domestic installations, in particular a gas heating system, with a biogas plant ( 2 ) according to one of the preceding claims 1 to 7, characterized in that the energy supply system ( 1 ) at least one control device for small-scale control of the biogas plant ( 2 ), in particular a conversion process of small amounts of biomass carried out therein. Energieversorgungssystem (1) nach Anspruch 8 umfassend: eine Heizungsanlage (3) zur Erzeugung von Wärmeenergie aus der von der Biogasanlage (2) bereitgestellten Energie, insbesondere nach Art einer Gastherme.Energy supply system ( 1 ) according to claim 8 comprising: a heating system ( 3 ) for generating heat energy from the biogas plant ( 2 ) provided energy, in particular in the manner of a gas boiler. Energieversorgungssystem (1) Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizungsanlage (2) mindestens einen Speicher, insbesondere mindestens einen Energie und/oder Wärmespeicher umfasst, um Energie zu speichern und aus dem Speicher bei Bedarf abzurufen.Energy supply system ( 1 ) Claim 9, characterized in that the heating system ( 2 ) comprises at least one memory, in particular at least one energy and / or heat storage to store energy and retrieve from the memory when needed. Energieversorgungssystem (1) nach einem der vorherigen Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Energieversorgungssystem (1) mindestens eine Schnittstelle zur Anbindung an ein Energienetz und/oder ein Wassernetz umfasst.Energy supply system ( 1 ) according to one of the preceding claims 8 to 10, characterized in that the energy supply system ( 1 ) comprises at least one interface for connection to a power grid and / or a water network.
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