DE102008059803A1

DE102008059803A1 - Verfahren zur Verminderung von Methanschlupf beim Anfahren und Abschalten von Biogasfermentern sowie Biogasanlage zur Durchführung dieses Verfahrens

Info

Publication number: DE102008059803A1
Application number: DE102008059803A
Authority: DE
Inventors: Peter Lutz
Original assignee: Bekon Energy Technologies GmbH and Co KG
Current assignee: Bekon Energy Technologies GmbH and Co KG
Priority date: 2008-12-01
Filing date: 2008-12-01
Publication date: 2010-06-02
Also published as: JP2012510264A; WO2010063709A3; CN102232108A; WO2010063709A2; EA018254B1; US8408293B2; US8272436B2; US20120329120A1; EP2370562A2; CN102232108B; US20110236947A1; EA201170733A1; JP5442753B2

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Verminderung von Methanschlupf beim Betrieb von Biogasanlagen mit wenigstens einem Biogasfermenter sowie eine Biogasanlage zur Durchführung dieses Verfahrens angegeben. Beim Anfahren eines frisch beladenen Fermenters ist zunächst der Methananteil in dem erzeugten Biogas so gering und die Anteile an Kohlendioxid und Stickstoff sind so hoch, dass eine unmittelbare Nutzung des Biogases in einem BHKW nicht möglich ist. Während dieser Anfahrphase eines frisch beladenen Fermenters wird das erzeugte Biogas mit geringem Methananteil daher unmittelbar an die Atmosphäre abgegeben oder bei höherem Methananteil abgefackelt. Damit wird ein Teil des erzeugten Methans nicht genutzt - Methanschlupf. Um dies zu vermeiden wird das in der Anfahrphase erzeugte Biogas mit geringem Methananteil einer Gasaufbereitungseinrichtung zugeführt. In der Gasaufbereitungseinrichtung werden Nicht-Methanbestandteile des Gasgemisches teilweise abgetrennt und das verbleibende Gasgemisch mit höherem Methananteil wird solange wieder zu dem Biogasfermenter zurückgeführt, bis der Methananteil hoch genug ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verminderung von Methanschlupf beim Betrieb von Biogasanlagen mit wenigstens einem Biogasfermenter.
Die so genannte ”Trockenfermentation” erlaubt es, schüttfähige Biomassen aus der Landwirtschaft, aus Bioabfällen und kommunalen Pflegeflächen zu methanisieren, ohne die Materialien in ein pumpfähiges, flüssiges Substrat zu überführen. Es können Biomassen mit bis zu 50% Trockensubstanzanteil vergoren werden. Dieses Trockenfermentations-Verfahren ist beispielsweise in der EP 0 934 998 beschrieben.
Bei der ”trockenen” Vergärung wird das zu vergärende Material nicht in eine flüssige Phase eingerührt, wie das zum Beispiel bei der Flüssigvergärung von Bioabfällen der Fall ist. Stattdessen wird das in den Fermenter eingebrachte Gärsubstrat ständig feucht gehalten, indem das Perkolat am Fermenterboden abgezogen und über der Biomasse wieder versprüht wird. So werden optimale Lebensbedingungen für die Bakterien erreicht. Bei der Rezirkulation des Perkolats kann zusätzlich die Temperatur reguliert werden, und es besteht die Möglichkeit, Zusatzstoffe für eine Prozessoptimierung zuzugeben.
Aus der WO 02/06439 ist ein Bioreaktor bzw. ein Fermenter in Form einer Fertiggarage bekannt, der nach dem Prinzip der Trockenfermentation im sogenannten Batch-Verfahren betrieben wird. Hierbei wird nach einer Animpfung mit bereits vergorenem Material wird das Gärsubstrat mit Radladern in den Fermenter gefüllt. Der garagenförmig aufgebaute Gärbehälter wird mit einem gasdichten Tor verschlossen. Die Biomasse wird unter Luftabschluss vergoren, dabei erfolgt keine weitere Durchmischung und es wird kein zusätzliches Material zugeführt. Das aus dem Gärgut sickernde Perkolat wird über eine Drainagerinne abgezogen, in einem Tank zwischengespeichert und zur Befeuchtung wieder über dem Gärsubstrat versprüht. Der Gärprozess findet im mesophilen Temperaturbereich bei 34–37°C statt, die Temperierung erfolgt mittels einer Boden- und Wandheizung.
Das entstehende Biogas kann in einem Blockheizkraftwerk zur Gewinnung von Strom und Wärme genutzt werden. Damit immer genug Biogas für das Blockheizkraftwerk zur Verfügung steht, werden in der Trockenfermentationsanlage mehrere Gärbehälter zeitlich versetzt betrieben. Am Ende der Verweilzeit wird der Fermenterraum vollständig entleert und dann neu befüllt. Das vergorene Substrat wird einer Nachkompostierung zugeführt, so dass ein konventionellen Komposten vergleichbarer organischer Dünger entsteht.
Bedingt durch den Batch-Betrieb müssen die einzelnen Fermenter von Zeit zu Zeit abgeschaltet werden, d. h. die Biogasproduktion muss gestoppt werden, die vergorene Biomasse muss aus dem jeweiligen Fermenter entnommen und frische Biomasse muss in den Fermenter eingefüllt und die Biogasproduktion muss wieder aufgenommen werden. Beim Anfahren eines frische beladenen Fermenters ist zunächst der Methananteil in dem erzeugten Biogas so gering und die Anteile an Kohlendioxid und Stickstoff sind so hoch, dass eine unmittelbare Nutzung des Biogases in einem BHKW nicht möglich ist. Auch die Zumischung zu bereits im Batch-Betrieb laufenden parallelen Fermentern ist nicht möglich, da die Qualität des in dem frisch beladenen Fermenters erzeugten Biogases zu schlecht ist und dazu führen würde, dass die Qualität des Gesamtgasstroms nicht mehr ausreichen würde um in einem BHKW genutzt zu werden. Es dauert je nach Größe des Behälters und Art und Qualität der Biomasse zwischen 5 und 12 Stunden bis das in dem frisch beladenen Fermenter erzeugte Biogas eine Qualität erreicht hat, die die Nutzung in einem BHKW bzw. die Zumischung zu Biogas aus bereits länger laufenden Fermentern ermöglicht. Während dieser Anfahrphase eines frisch beladenen Fermenters wird das erzeugte Biogas mit geringem Methananteil daher unmittelbar an die Atmosphäre abgegeben oder bei höherem Methananteil abgefackelt. Damit wird ein Teil des erzeugten Methans nicht genutzt – Methanschlupf.
Aus den vom Anmelder hinterlegten Patentanmeldungen DE 10 2007 024 911.1 und EP 08 156 915.4 , die Stand der Technik nach § 3(2) PatG darstellen, ist es bekannt, bei einer Mehrzahl von parallel betriebenen Fermentern die gemeinsame Biogasleitung zunächst mit einer Gasaufbereitungsanlage zu verbinden. In der Gasaufbereitungsanlage wird der Methananteil durch Wegfiltern von Stickstoff und Kohlendioxid erhöht. Da die Gasaufbereitungsanlage in die gemeinsame Biogasleitung geschaltet ist, kann nur die Gasqualität des Mischbiogases in der gemeinsamen Biogasleitung verbessert werden, nicht jedoch die Qualität des Biogases, das unmittelbar in den einzelnen Fermentern erzeugt wird. Folglich kann damit der insbesondere beim Anfahren von frisch beladenen Fermentern auftretende Methanschlupf nicht vermindert werden.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Verminderung von Methanschlupf sowie eine Biogasanlage, die dieses Verfahren nutzt, anzugeben.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale der Ansprüche 1, 5, 6, 8, 9 bzw. 13.
Beim Anfahren von mit frischer Biomasse beladenen Biogasfermentern steigt der Methananteil in dem aus dem Biogasfermenter entweichenden Gasgemisch über einen Zeitraum von einigen Stunden an bis er hoch genug ist, dass das erzeugte Biogas seiner bestimmungsgemäßen Verwendung zugeführt werden kann. Anstatt das Gasgemisch mit zu geringem Methananteil abzufackeln oder direkt an die Umwelt abzugeben, wird es einer Gasaufbereitungseinrichtung zugeführt. In der Gasaufbereitungseinrichtung werden Nicht-Methanbestandteile des Gasgemisches teilweise abgetrennt und das verbleibende Gasgemisch mit höherem Methananteil wird solange wieder zu dem Biogasfermenter zurück geführt, bis der Methananteil hoch genug ist.
Die Unteransprüche beziehen sich auf vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung zeigt die nachfolgende Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen anhand der Zeichnungen:
Es zeigt:
1 schematisch eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung einem Biogasfermenter;
2 schematisch eine zweite Ausführungsform der Erfindung mit einem Biogasfermenter;
3 bis 5 verschieden Phasen des Anfahrens eines mit frischer Biomasse beladenen Biogasfermenters;
6 bis 14 schematische Darstellungen einer dritten Ausführungsform der Erfindung mit einer Mehrzahl von parallel betriebenen Biogasfermentern in verschiedenen Betriebszuständen.
1 zeigt eine grundlegende erste Ausführungsform einer Biogasanlage gemäß der vorliegenden Erfindung mit einem einzelnen Fermenter 2. Der Fermenter 2 ist quaderförmig und besitzt in etwa den Aufbau einer Fertiggarage. Über eine Be- und Entladeöffnung 4, die sich über eine der Stirnseiten des quaderförmigen Fermenters 2 erstreckt, lässt sich Biomasse 6 mittels eines Radladers in den Fermenter 2 einfüllen und wieder entnehmen. Hinsichtlich des genauen Aufbaus des Fermenters 2 wird auf die WO 02/06439 verwiesen.
Der Fermenter 2 umfasst weiter einen Biogasauslass 8, der mit dem Eingang einer Gasaufbereitungseinrichtung 20 verbunden ist. Der Ausgang der Gasaufbereitungseinrichtung 20 ist mit einer Biogasleitung 12 verbunden, die in einem Dreiwege-Ventil 13 endet. Das Dreiwege-Ventil 13 ist über eine Biogasrückführleitung 14 mit einem Gaseinlass 16 in dem Biogasfermenter 2 und mit einer Biogasverwertungs- oder einer Biogasverarbeitungseinrichtung 18, z. B. einem BHKW, verbindbar. Der Gaseinlass 16 mündet in den Bodenbereich des Biogasfermenters 2. Eine Mess- und Steuereinrichtung 22 ist mit einem Messfühler 32 zur Erfassung der Methankonzentration am Ausgang der Gasaufbereitungseinrichtung 20 und mit dem Dreiwege-Ventil 13 verbunden. Zwischen dem Dreiwege-Ventil 13 und dem Ausgang der Gasaufbereitungseinrichtung 20 ist eine Gasfördereinrichtung 24, z. B. in Form eines Gebläses angeordnet.
Durch die Gasaufbereitungseinrichtung 20 wird mittels Druckwasserwäsche, Filtern oder Membranen die Qualität des erzeugten Biogases erhöht, in dem Nicht-Methanbestandteile, insbesondere Kohlendioxid teilweise abgetrennt werden. Hierdurch erhöht sich die Methankonzentration in dem Gasgemisch am Ausgang der Gasaufbereitungseinrichtung 20. Die abgetrennten Nicht-Methanbestandteile werden über einen Auspuff 25 an die Umwelt abgegeben.
Beim Anfahren des mit frischer Biomasse beladenen Biogasfermenters 2 wird die frische Biomasse 6 mit Perkolat besprüht und es befindet sich nur sehr wenig Biogas in dem Biogasfermenter 2. Das über den Biogasauslass 8 aus dem Biogasfermenter 2 entweichende Gasgemisch wird in der Gasaufbereitungseinrichtung 20 hinsichtlich Methan aufkonzentriert. Solange die durch den Messfühler 32 am Ausgang der Gasaufbereitungseinrichtung 20 gemessene Methankonzentration unter dem vorbestimmten Grenzwert (C_Mo) liegt, wird das Dreiwege-Ventil 13 durch die Mess- und Steuereinrichtung 22 so geschaltet, dass der Ausgang der Gasaufbereitungseinrichtung 20 mit der Biogasrückführleitung 14 verbunden ist. Damit wird das Biogas mit zu geringem Methananteil über die Biogasrückführleitung 14 und den Gaseinlass 16 zurück in den Biogasfermenter 2 geführt. Erst wenn die Methankonzentration in dem Biogas am Ausgang der Biogasaufbereitungseinrichtung 20 über dem Grenzwert C_Mo liegt, wird das Biogas über das Dreiwege-Ventil 13 dem BHKW 18 zugeführt. Auf diese Weise wird der sogenannte Methanschlupf verringert.
Nachfolgend wird eine zweite Ausführungsform der Erfindung anhand der 2 bis 4 beschrieben. Einander entsprechende Komponenten sind mit identischen Bezugszeichen versehen. Mit Ausnahme des Dreiwege-Ventils 13 sind sämtliche Komponenten der ersten Ausführungsform auch bei der zweiten Ausführungsform vorhanden.
Das Dreiwege-Ventil ist bei der zweiten Ausführungsform der Erfindung durch eine Anordnung von drei Ventilen 10-1, 10-2 und 10-3 ersetzt. Von der Biogasleitung 12 zweigt nach der Gasfördereinrichtung 24 eine Biogas/Abgas-Leitung 11 ab. Das Ventil 10-1 ist in der Biogasleitung 12 vor dem BHKW 18 angeordnet. Das Ventil 10-2 ist in der Biogasrückführleitung 14 angeordnet. Das Ventil 10-3 ist in der Biogas/Abgas-Leitung 11 angeordnet. Die Biogas/Abgas-Leitung 11 mündet in einen Abgaskamin 19.
Weiter umfasst der Fermenter 2 einen Spülgaseinlass 16', der im Gegensatz zu dem Gaseinlass 16 im Deckenbereich des Biogasfermenters 2 mündet. Der Spülgaseinlass 16' ist über Ventile 10 mit einer Abgasleitung 26 oder einer Frischluftleitung 28 verbindbar. In der Abgasleitung 26 ist ein Abgasgebläse 27 angeordnet, mittels dem Abgas in den Fermenter 2 gepumpt werden kann. In der Frischluftleitung 28 ist ein Frischluftgebläse 29 zum Ansaugen von Frischluft aus der Umgebung angeordnet. Über die Abgasleitung 26 wird kohlendioxidhaltiges Abgas als Spülgas und über die Frischluftleitung 28 wird Frischluft in den Fermenter 2 geführt.
Die Ventile 10 in der Abgasleitung 26 und der Frischluftleitung 28 sind mit der Mess- und Steuereinrichtung 22 verbunden und werden durch diese geöffnet oder geschlossen. Die Mess- und Steuereinrichtung 22 ist neben dem Messfühler 32 für Methankonzentration auch mit einem Messfühler 34 zur Erfassung der Kohlendioxidkonzentration und mit einem Messfühler 36 zur Erfassung der Gasdurchflussmenge verbunden. Sowohl der Messfühler 34 als auch der Messfühler 36 sind ebenfalls am Ausgang der Gasaufbereitungseinrichtung 20 angeordnet.
In den 3 bis 5 sind verschieden Phasen des Anfahrens des mit frischer Biomasse 6 beladenen Biogasfermenters 2 dargestellt, wobei aktive Leitungen und Stellungen von Komponenten breit markiert dargestellt sind.
3 zeigt die erste Phase des Anfahrens des mit frischer Biomasse 6 beladenen Biogasfermenter 2. Be- und Entladeöffnung 4 wird geschlossen, die Verbindung zwischen Biogasauslass 8 und Abgaskamin 19 über die Biogas/Abgas-Leitung 11 wird durchgeschaltet. Die Biogasaufbereitungseinrichtung 20 ist in dieser Phase nicht aktiv und leitet das Gasgemisch lediglich durch. Die Mess- und Steuereinrichtung 22 öffnet das Ventil 10 in der Abgasleitung 26, so das kohlendioxidhaltiges Abgas in den Biogasfermenter 2 gepumpt wird. Dies wird solange fortgesetzt, bis die durch den zweiten Messfühler 34 erfasste Kohlendioxidkonzentration am Ausgang der inaktiven Gasaufbereitungseinrichtung 20 einen Grenzwert C_KD erreicht bzw. übersteigt. Zusätzlich wird durch den Messfühler 32 die Methankonzentration am Ausgang der inaktiven Gasaufbereitungseinrichtung 20 erfasst. Erreicht oder übersteigt die erfasste Methankonzentration einen unteren Grenzwert C_Mu, so wird die Gasaufbereitungseinrichtung 20 aktiviert, das Ventil 10-3 geschlossen und das Ventil 10-2 geöffnet, so dass das in der Gasaufbereitungseinrichtung hinsichtlich Methan aufkonzentrierte Gasgemisch über die Biogasrückführleitung 14 und den Gaseinlass 16 zurück in den Biogasfermenter 2 geführt wird.
Dies Biogas-Rückführung wird solange fortgesetzt, bis die durch den Messfühler 32 am Ausgang der Gasaufbereitungseinrichtung 20 erfasste Methankonzentration eine oberen Grenzwert C_Mo erreicht und übersteigt. Das Ventil 10-1 wird geöffnet und das Ventil 10-2 wird geschlossen, so dass das in der Gasaufbereitungseinrichtung aufkonzentrierte Biogas dem BHKW 18 zugeführt wird – 5. Die „normale” Biogasproduktionsphase ist erreicht.
Das Abschalten des Biogasfermenters 2 erfolgt in gleicher Weise wie dies in der Patentanmeldung EP 08 156 915.4 beschrieben ist. Diesbezüglich wird auf die EP 08 156 915.4 vollinhaltlich Bezug genommen.
Die 6 bis 14 zeigen eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der drei Fermenter 2-1, 2-2 und 2-3 im Parallelbetrieb zur Biogaserzeugung genutzt werden. Einander entsprechende Komponenten sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Bei der Biogasanlage nach den 6 bis 14 ist jeder der drei Fermenter 2-1, 2-2, 2-3 mit einem Spülgaseinlass 16'-1, 16'-2 und 16'-3 sowie mit einem Gaseinlass 16-1, 16-2 und 16-3 versehen, die jeweils mit einem Ventil 10 absperrbar sind. Die drei Spülgaseinlässe 16'-i sind zu einem gemeinsamen Spülgaseinlass 42 zusammengefasst. In den gemeinsamen Spülgaseinlass 42 mündet eine Abgasleitung 26 und eine Frischluftleitung 28, die jeweils durch ein Ventil 10 absperrbar sind. Die Spülgaseinlässe 16-i und 16'-i können auch zu einem Spülgaseinlass zusammengefasst werden – nicht dargestellt.
Jeder der drei Fermenter 2-1, 2-2, 2-3 ist mit einem Biogasauslass 8-1, 8-2 und 8-3 versehen, die jeweils mit einem Ventil 10 absperrbar sind. Die einzelnen Biogasauslässe 3-i werden nach den Ventilen 10 zu einer gemeinsamen Biogasleitung 12 zusammengefasst, die in ein BHKW 18 als Biogasverbraucher mündet. Zwischen den Ventilen 10 und dem Biogasfermentern 2-i zweigt von den Biogasauslässen 8-i jeweils eine Teil-Biogas/Abgas-Leitung 40-1, 40-2 bzw. 40-3 ab, die jeweils durch ein Ventil 10 absperrbar und nach den Ventilen 10 zu einer gemeinsamen Biogas/Abgas-Leitung 40 zusammengefasst sind. Die Biogas/Abgas-Leitung 40 ist mit dem Einlass einer Gasaufbereitungseinrichtung 20 verbunden, deren Auslass mit einer Gasfördereinrichtung 24 verbunden ist. Die Gasfördereinrichtung 24 mündet in eine Vierwegeventil 30, das mittels einer Steuereinrichtung 22 geschaltet wird. Auch die übrigen Ventile 10 werden durch die Steuereinrichtung 22 betätig, auch wenn dies in den 6 bis 14 nicht explizit dargestellt ist. Nach dem Vierwegeventil 30 führt die Biogas/Abgas-Leitung 40 zu einem Abgaskamin 19. Von dem Vierwegeventil 30 zweigt eine Biogasrückführleitung 14 ab, die in die Gaseinlässe 16-i der einzelnen Biogasfermenter 2-i zurückführt. Von dem Von dem Vierwegeventil 30 zweigt eine Biogaszuführleitung 38, die in die gemeinsame Biogasleitung 12 mündet.
Eine Auspuffleitung 44 aus dem BHKW 18 mündet einen zweiten Abgaskamin 46. Die Abgasleitung 26 ist über ein 3-Wege-Ventil 48 mit der Auspuffleitung 44 verbunden, d. h. das in dem BHKW 18 anfallende kohlendioxidhaltige Abgas wird zum Spülen eines abzuschaltenden Fermenters 2-i verwendet. Durch das 3-Wege-Ventil kann der Volumenstrom des Abgases, der zum Spülen eines Fermenters 2-i über die Abgasleitung 26 geschickt wird und die Menge des Abgases, die über den zweiten Abgaskamin 46 an die Umgebung abgegeben wird, geregelt werden.
Ein erster Messfühler 32 ist zur Erfassung der Methankonzentration in der gemeinsamen Biogasleitung 12 angeordnet. Ein zweiter Messfühler 34 zur Erfassung der Kohlendioxidkonzentration, ein dritter Messfühler 36 zur Erfassung des Volumenstroms und vierter Messfühler 50 zur Erfassung der Methankonzentration ist in der gemeinsamen Biogas/Abgas-Leitung 40 in Strömungsrichtung nach der Gasaufbereitungseinrichtung 20 und nach dem Gebläse 24 angeordnet. Die vier Messfühler 32, 34, 36 und 50 sind mit einer Steuereinrichtung 22 verbunden. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind diese Steuerleitungen nicht in den 6 bis 14 eingezeichnet.
In den 6 bis 14 sind verschieden Phasen für das Abschalten und wieder Anfahren des zweiten Fermenters 2-2 dargestellt. Die Biogasproduktion des ersten und dritten Fermenters 2-1 und 2-3 läuft während des Abschaltens und wieder Anfahrens des zweiten Fermenters 2-2 kontinuierlich weiter.
6 zeigt die erste Phase des Abschaltens des Fermenters 2-2 bei der kohlendioxidhaltiges Abgas aus dem BHKW 18 über das 3-Wege-Ventil 48 und die Abgasleitung 26, das Abgasgebläse 27 und den zweiten Spülgaseinlass 16'-2 in das Innere des Fermenters 2-2 gepumpt wird. Der zweite Biogasauslass 8-2 ist nach wie vor mit der gemeinsamen Biogasleitung 12 verbunden, so dass das Biogas/Abgas-Gemisch weiter dem BHKW 18 zugeführt wird.
Erst wenn die durch den ersten Messfühler 32 in der gemeinsamen Biogasleitung 12 erfasste Methankonzentration unter einen oberen Grenzwert C_Mo abgesunken ist, wird das Ventil 10 im zweiten Biogasauslass 8-2 durch die Steuereinrichtung 22 geschlossen und das Ventil 10 in der zweiten Teil-Biogas/Abgas-Leitung 40-2 wird geöffnet, wie dies in 7 dargestellt ist. Das Biogas/Abgas-Gemisch wird in der Gasaufbereitungseinrichtung 20 hinsichtlich Methan aufkonzentriert und über das Vierwegeventil 30 und die Biogaszuführleitung 38 der gemeinsamen Biogasleitung 12 zugeführt, solange die durch den fünften Messfühler 50 am Ausgang der Gasaufbereitungseinrichtung Methankonzentration über dem oberen Grenzwert C_Mo liegt. In dieser zweiten Phase des Abschaltens des Fermenters 2-2 wird in der Gasaufbereitungseinrichtung 20 das kohlendioxidhaltige Abgas zum Teil aus dem Biogas/Abgas-Gemisch in der Teil-Biogas/Abgas-leitung 40-2 entfernt und das verbleibende Biogas/Abgas-Gemisch mit ausreichender Methankonzentration wird zusammen mit dem Biogas aus den Biogasfermentern 2-1 und 2-3 weiter dem BHKW 18 zugeführt.
Wenn die durch den vierten Messfühler 50 in der gemeinsamen Biogas/Abgas-Leitung 40 nach der Gasaufbereitungseinrichtung 20 erfasste Methankonzentration unter den oberen Grenzwert C_Mo abgesunken ist, verbindet das Vierwegeventil 30 die gemeinsam Biogas/Abgas-Leitung 40 mit der Biogasrückführleitung 14 und das Biogas/Abgas-Gemisch wird in die beiden anderen Biogasfermenter 2-1 und 2-3 über die Gaseinlässe 16-1 und 16-3 zugeführt – 8. Dies dritte Phase des Abschaltens wird solange durchgeführt, die durch den ersten Messfühler 32 erfasste Methankonzentration unter den oberen Grenzwert C_Mo absinkt.
Wenn die durch den ersten Messfühler 32 erfasste Methankonzentration unter den oberen Grenzwert C_Mo abgesunken ist oder wenn die durch den vierten Messfühler 50 erfasste Methankonzentration am Ausgang der Gasaufbereitungseinrichtung 20 unter den unteren Grenzwert die durch den ersten Messfühler 32 erfasste Methankonzentration unter den oberen Grenzwert C_Mu absinkt abgesunken ist, wird das Ventil 10 in der Abgasleitung 26 geschlossen und das Ventil 10 in der Frischluftleitung 29 wird durch Steuereinrichtung 22 geöffnet. Die Steuereinrichtung 22 verbindet mittels dem Vierwegeventil 30 die gemeinsame Biogas/Abgas-Leitung 40 mit dem ersten Abgaskamin 19 und die Gasaufbereitungseinrichtung 20 wird deaktiviert. Das Biogas/Abgas/Luft-Gemisch mit sehr geringem Methangehalt wird über den ersten Abgaskamin 19 direkt an die Umgebung abgegeben. Diese vierte Phase des Abschaltens wird solange durchgeführt, bis die durch den zweiten Messfühler 34 in der gemeinsamen Biogasleitung 40 erfasste Kohlendioxidkonzentration unter einen ersten Grenzwert C_KD1 abgesunken ist.
Wenn die durch den zweiten Messfühler 34 in der gemeinsamen Biogasleitung 40 erfasste Kohlendioxidkonzentration unter den ersten C_KD1 Grenzwert abgesunken ist, wird das Ventil 10 in der Frischluftleitung 28 durch die Steuereinrichtung 22 geschlossen und das Frischluftgebläse 29 abgeschaltet, wie dies in 10 dargestellt ist. Die in den 6 bis 14 nicht dargestellte Be- und Entladeöffnung wird geöffnet. Gleichzeitig wird über das Gebläse 24 in die gemeinsamen Biogas/Abgas-Leitung 40 Frischluft über die offene Be- und Entladeöffnung angesaugt und über den Abgaskamin 19 an die Umgebung abgegeben. Auf diese Weise wird verhindert, dass noch in der vergorenen Biomasse enthaltene Biogasreste während des Entladens eine Gefahr für das Bedienungspersonal darstellen. Auch Abgase eines zum Be- und Entladen verwendeten Radladers werden damit abgesaugt.
Ist der Fermenter 2-2 wieder mit frischer Biomasse beladen, wird die Be- und Entladeöffnung geschlossen, die Verbindung zwischen zweiten Biogasauslass 8-2 und Abgaskamin 20 über die zweite Teil-Biogas/Abgas-Leitung 40-2 und die gemeinsame Biogas/Abgas-Leitung 40 zu dem ersten Abgaskamin 19 wird aufrecht erhalten und die Steuereinrichtung 22 öffnet das Ventil 10 in der Abgasleitung 26 und schaltet das 3-Wege-Ventil 48 in der Auspuffleitung 44 des BHKW 18, so das kohlendioxidhaltiges Abgas in den Fermenter 2-2 gepumpt wird – siehe 11. Die Gasaufbereitungseinrichtung ist nicht aktiv. Dies erste Phase des Wiederanfahrens des Biogasfermenters 2 wird solange fortgesetzt, bis die durch den vierten Messfühler 50 erfasste Methankonzentration in der gemeinsamen Biogas/Abgas-Leitung 40 den unteren Grenzwert C_Mu erreicht.
Ist dieser untere Grenzwert C_Mu erreicht, wird die Zufuhr von Abgas über die Abgasleitung 26 gestoppt, die Gasaufbereitungseinrichtung 20 aktiviert und die gemeinsame Biogas/Abgas-Leitung 40 wird über das Vierwegeventil 30 und die Steuereinrichtung 22 mit der Biogasrückführleitung 14 verbunden. Das in der Gasaufbereitungseinrichtung 20 aufkonzentrierte Biogas/Abgas-Gemisch wird über die Biogasrückführleitung 14 in den anzufahrenden Biogasfermenter 2 zurückgeführt. Diese zweite Phase – 12 – des Anfahrens wird solange beibehalten, bis die durch den vierten Messfühler 50 am Ausgang der Gasaufbereitungseinrichtung 20 erfasste Methankonzentration den oberen Grenzwert C_Mo erreicht.
Erreicht die durch den vierten Messfühler 50 erfasste Methankonzentration den oberen Grenzwert C_Mo wird mittels der Steuereinrichtung 22 und dem Vierwegeventil 30 die gemeinsame Biogas/Abgas-Leitung 40 mit der Biogaszuführleitung 38 verbunden. Zusätzlich werden auch die Teil-Biogas/Abgas-Leitungen 40-1 und 40-3 mit der gemeinsamen Biogas/Abgas-Leitung 40 verbunden, so dass das Biogas aus allen Biogasfermentern 2-i nunmehr in der Gasaufbereitungseinrichtung 20 aufkonzentriert wird – 13.
Alternativ kann das in den Biogasfermenter 2-i erzeugte Biogas auch über die einzelnen Biogasauslässe 8-i direkt der gemeinsamen Biogasleitung 12 zugeführt und die Gasaufbereitungseinrichtung 20 deaktiviert werden, wie dies in 14 dargestellt ist.
Das Ventil 10 in der Abgasleitung 26 kann entfallen, da dessen Funktion auch durch das 3-Wege-Ventil 48 übernommen werden kann.
Statt die Biogasleitung 12 direkt mit dem BHKW 18 zu verbinden, kann dem BHKW 18 vorzugsweise eine Gasaufbreitungseinrichtung (nicht dargestellt) vorgeschaltet werden. Durch die Gasaufbereitungseinrichtung wird mittels Druckwasserwäsche, Filtern oder Membranen die Qualität des erzeugten Biogases auf die Qualitätsstufe von Erdgas angehoben, d. h. es wird insbesondere der Methananteil erhöht und der Kohlendioxidanteil wird verringert.

Nachfolgend sind beispielhafte Zahlenwerte für die verschiedenen Grenzwerte angegeben:

Methankonzentration:	oberer Grenzwert 30% bis 50%
	mittlerer Grenzwert 10% bis 20%
	unterer Grenzwert 0% bis 3%
	vierter Grenzwert 30% bis 50%

Kohlendioxidkonzentration:	erster Grenzwert 0,5% bis 2%
	zweiter Grenzwert 5% bis 15%

Der Abgasvolumenstrom in der Abgasleitung 26 beträgt je nach Größe der Fermenter und der Menge des zur Verfügung stehenden Abgases zwischen 150 und 1000 m³/h. Der Frischluftvolumenstrom in der Frischluftleitung 28 beträgt zwischen 1000 und 5000 m³/h.

2: Fermenter
4: Be- und Entladeöffnung
6: Biomasse
8: Biogasauslass
10: Ventil
11: Biogas/Abgas-Leitung
12: Biogasleitung
13: Dreiwege-Ventil
14: Biogasrückführleitung
16: Gaseinlass
16': Spülgaseinlass
18: Biogasverwertungs- oder einer Biogasverarbeitungseinrichtung
19: Abgaskamin
20: Gasaufbereitungseinrichtung
22: Mess- und Steuereinrichtung
24: Gasfördereinrichtung
25: Auspuff
26: Abgasleitung
27: Abgasgebläse
28: Frischluftleitung
29: Frischluftgebläse
30: Vierwegeventil
32: Messfühler für Methankonzentration
34: Messfühler für Kohlendioxidkonzentration
36: Messfühler für Volumenstrom
38: Biogaszuführleitung
40: gemeinsame Biogas/Abgas-Leitung
40-1: erste Teil-Biogas/Abgas-Leitung
40-2: zweite Teil-Biogas/Abgas-Leitung
40-3: dritte Teil-Biogas/Abgas-Leitung
42: gemeinsame Spülgaseinlass
44: Auspuffleitung
46: zweiter Abgaskamin
48: 3-Wege-Ventil
50: vierter Messfühler (Methankonzentration)

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

- EP 0934998 [0002]
- WO 02/06439 [0004, 0018]
- DE 102007024911 [0007]
- EP 08156915 [0007, 0029, 0029]

Claims

Verfahren zur Verminderung von Methanschlupf beim Anfahren von Biogasfermentern (2) durch folgende Verfahrensschritte: a) Zuführung des in einem frisch beladenen Biogasfermenter (2) erzeugten Biogases zu einer Gasaufbereitungseinrichtung (20), b) Erhöhung des Methananteils in dem Biogas durch teilweise Abtrennung von Nicht-Methanbestandteilen in dem Biogas in der Gasaufbereitungseinrichtung (20), c) Messung der Methankonzentration in dem aufbereiteten Biogas, und d) Rückführung des aufbereiteten Biogases in den Biogasfermenter (2) falls die gemessene Methankonzentration unter einem vorbestimmten Grenzwert (C_Mo) liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Biogas aus der Biogasaufbereitungseinrichtung (20) einer Biogasverwertungseinrichtung (18) zugeführt wird, falls die in Schritt c) gemessene Methankonzentration den vorbestimmten Grenzwert (C_Mo) erreicht hat.
Verfahren nach Anspruch 2, dass der vorbestimmte Grenzwert (C_Mo) für die in Schritt c) gemessene Methankonzentration im Bereich zwischen 30% und 50% und vorzugsweise im Bereich zwischen 40% und 50% liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Biogasfermentern (2-1, 2-2, 2-3) parallel betrieben werden.
Biogasanlage zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit wenigstens einem nach dem Prinzip der Trockenfermentation arbeitenden Fermenter (2) zur Erzeugung von Biogas im Batch-Betrieb mit einem Biogasauslass (8) und einem Gaseinlass (16); einer Gasaufbereitungseinrichtung (20), die eingangsseitig mit dem Biogasauslass (8) des Biogasfermenters (2) verbunden ist, und die einen Biogasauslass aufweist, einer Gasrückführleitung (14), die über eine Ventileinrichtung (13) mit dem Biogasauslass der Gasaufbereitungseinrichtung (8) verbindbar ist und mit dem Gaseinlass (16) des Biogasfermenters (2) verbunden ist, einer Mess- und Steuereinrichtung (14) zur Erfassung der Methankonzentration im Biogasauslass der Gasaufbereitungseinrichtung (20) und Verbindung der Gasrückführleitung (14) mit dem Biogasauslass der Gasaufbereitungseinrichtung (20) solange die Methankonzentration im Biogasauslass der Gasaufbereitungseinrichtung (20) unter einem vorbestimmten Grenzwert (C_Mo) liegt.
Verfahren zur Verminderung von Methanschlupf beim Anfahren von Biogasfermentern durch folgende Verfahrensschritte: a) Schließen des mit frischer Biomasse beladenen Biogasfermenters (2), b) Spülen des geschlossenen Biogasfermenters (2) mit kohlendioxidhaltigem Abgas bis die Kohlendioxidkonzentration im Biogasfermenter (2) einen vorbestimmten Grenzwert (C_KD) erreicht hat, c) Beenden der Zufuhr von Abgas in den Biogasfermenter (2) und Zuführung des Gasgemisches aus dem Biogasfermenter (2) zu einer Gasaufbereitungseinrichtung (20), wenn der Grenzwert für die Kohlendioxidkonzentration (C_KD) überschritten ist, d) Erhöhung des Methananteils in dem Gasgemisch durch teilweise Abtrennung von Nicht-Methanbestandteilen in der Gasaufbereitungseinrichtung (20), e) Messung der Methankonzentration in dem aufbereiteten Gasgemisch, f) Rückführung des aufbereiteten Gasgemisches in den Biogasfermenter (2) falls die in Schritt e) gemessene Methankonzentration unter einem vorbestimmten oberen Grenzwert (C_Mo) liegt, und g) Zuführung des Gasgemisches zu einer Biogasweiterverarbeitungseinrichtung (18), falls die in Schritt e) gemessene Methankonzentration über dem oberen Grenzwert (C_Mo) liegt.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Biogasfermentern (2-1, 2-2, 2-3) parallel betrieben werden.
Biogasanlage zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 6 oder 7, mit wenigstens einem nach dem Prinzip der Trockenfermentation arbeitenden Fermenter (2) zur Erzeugung von Biogas im Batch-Betrieb mit einem Biogasauslass (8) und einem Gaseinlass (16, 16'); einer Gasaufbereitungseinrichtung (20), die eingangsseitig mit dem Biogasauslass (8) des Biogasfermenters (2) verbunden ist, und die einen Biogasauslass aufweist, einer Messeinrichtung (32) zur Erfassung der Methankonzentration im Ausgang der Gasaufbereitungseinrichtung (20), einer Gasrückführleitung (14), die mit dem Biogasauslass der Gasaufbereitungseinrichtung (20) verbindbar ist und mit dem Gaseinlass (16, 16') des Biogasfermenters (2) verbunden ist, einer Spülgaszuführung (26, 27) für kohlendioxidhaltiges Abgas, einem Abgaskamin (19), der über eine Biogas/Abgas-Leitung (11) mit dem Ausgang der Gasaufbereitungseinrichtung (20) verbindbar ist, einer Steuereinrichtung (22), die mit der Messeinrichtung (32) verbunden ist, zur Verbindung des Gaseinlasses (16, 16') des Biogasfermenters (2) mit der Spülgaszuführung (26, 27) oder dem Biogasauslass der Gasaufbereitungseinrichtung (20), zur Verbindung des Biogasauslasses des Biogasfermenters (2) mit dem Abgaskamin, solange die Methankonzentration im Biogasauslass der Gasaufbereitungseinrichtung (20) oder im Biogasauslass des Biogasfermenters unter einem vorbestimmten unteren Grenzwert (C_Mu) liegt, und zur Verbindung der Gasrückführleitung () mit dem Biogasauslass (12) der Gasaufbereitungseinrichtung (20) solange die Methankonzentration im Biogasauslass () der Gasaufbereitungseinrichtung (20) über dem unteren Grenzwert (C_Mu) und unter einem oberen Grenzwert (C_Mo) liegt.
Biogasanlage nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch eine Frischluftzuführung (26, 27), die mittels der Steuereinrichtung (22) mit dem Gaseinlass (16, 16') des Biogasfermenters (2) verbindbar ist.
Biogasanlage zur Erzeugung von Biogas mit einer Mehrzahl nach dem Prinzip der Trockenfermentation arbeitenden Biogasfermentern (2) zur Erzeugung von Biogas im Batch-Betrieb, die jeweils einen Biogasauslass (8-i) und einem Spülgaseinlass (16'-i) umfassen; einer Biogasleitung (12) in die die Biogasauslässe (8-i) der einzelnen Biogasfermenter (2-i) münden; einer Abgasleitung (26) mittels der kohlendioxidhaltiges Abgas dem Spülgaseinlässen (16'-i) der einzelnen Biogasfermenter (2-i) zuführbar ist; einer Gasaufbereitungseinrichtung (20), die mit den Biogasauslässen (8-i) der einzelnen Biogasfermenter verbindbar ist; einer Ventileinrichtung (30), die mit dem Ausgang der Gasaufbereitungseinrichtung (20) verbunden ist einer Biogaszuführleitung (38), die mit der gemeinsamen Biogasleitung (12) und der Ventileinrichtung (30) verbunden ist; einer Biogasrückführleitung (14), die mit der Ventileinrichtung (30) verbunden ist, und die mit den Spülgaseinlässen (16-i) der einzelnen Biogasfermenter (2-i) verbindbar ist; einem Abgaskamin (19), der über eine Biogas/Abgas-Leitung (40) mit der Ventileinrichtung verbunden ist; einer Frischluftleitung (28), die mit den Spülgaseinlässen (16'-i) der einzelnen Biogasfermenter (2-i) verbindbar ist; einer Steuereinrichtung (22) zur Verbindung der einzelnen Biogasauslässe (8-i) mit der gemeinsamen Biogasleitung (12) oder mit dem Eingang der Gasaufbereitungseinrichtung (20) und zur Verbindung der einzelnen Spülgaseinlässe (16'-i) mit der Abgasleitung (26) oder mit der Frischluftleitung (28); und einer Messeinrichtung (32, 34, 36, 50), die mit der Steuereinrichtung (22) verbunden ist und einen ersten Messfühler (32) zur Erfassung der Methankonzentration und einen zweiten Messfühler (34) zur Erfassung der Kohlendioxidkonzentration in dem aus dem wenigstens einen Fermenter (2) austretenden Gasgemisch umfasst.
Biogasanlage nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (32) zur Erfassung der Methankonzentration in der gemeinsamen Biogasleitung (12) angeordnet ist.
Biogasanlage nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (50) zur Erfassung der Methankonzentration zwischen Ventileinrichtung (30) und Gasaufbereitungseinrichtung (20) angeordnet ist.
Verfahren zur Verminderung von Methanschlupf beim Anfahren von einem aus einer Mehrzahl von Biogasfermentern in einer Biogasanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche 10 bis 12 mit den Verfahrensschritten: a) Schließen des mit frischer Biomasse beladenen Biogasfermenters (2-2), b) Spülen des geschlossenen Biogasfermenters (2-2) mit kohlendioxidhaltigem Abgas über die Abgasleitung (26) und den Gaseinlass (16'-2) des anzufahrenden Biogasfermenters (2-2) bis die Kohlendioxidkonzentration in dem Biogasfermenter (x-i) einen unteren Grenzwert (C_KDu) und/oder bis die Methankonzentration in dem Biogasfermenter (2-2) einen unteren Grenzwert (C_Mu) erreicht hat, c) Zuführung des Gasgemisches aus dem anzufahrenden Biogasfermenter (2-2) zu der Gasaufbereitungseinrichtung (20), wenn der untere Grenzwert (C_KDu) für die Kohlendioxidkonzentration und/oder der untere Grenzwert für die Methankonzentration (C_Mu) überschritten ist, d) Erhöhung des Methananteils in dem Gasgemisch durch teilweise Abtrennung von Nicht-Methanbestandteilen in der Gasaufbereitungseinrichtung (20), e) Messung der Methankonzentration in dem aufbereiteten Gasgemisch mittels der Messeinrichtung (50), f) Rückführung des aufbereiteten Gasgemisches in den anzufahrenden Biogasfermenter (2-2) falls die in Schritt e) gemessene Methankonzentration unter einem vorbestimmten oberen Grenzwert (C_Mo) liegt, und g) Zuführung des aufbereiteten Gasgemisches über die Biogaszuführleitung (38) in die gemeinsame Biogasleitung (12), falls die in Schritt e) gemessene Methankonzentration über dem oberen Grenzwert (C_Mo) liegt.
Verfahren zur Verminderung von Methanschlupf beim Abschalten von einem aus einer Mehrzahl von Biogasfermentern in einer Biogasanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche 10 bis 12 mit den Verfahrensschritten: a) Verbinden des Biogasauslasses (8-2) des abzuschaltenden Biogasfermenters (2-2) mit dem Eingang der Gasaufbereitungseinrichtung; b) Verbinden der Abgasleitung (26) mit dem Gaseinlass (16'-2) des abzuschaltenden Biogasfermenters (2-2); c) Verbinden der Biogaszuführleitung (38) mit dem Ausgang der Gasaufbereitungseinrichtung (20) über die Ventileinrichtung (30); d) Zuführen von Abgas in den abzuschaltenden Biogasfermenters (2-2) über die Abgasleitung (26) bis die durch die Messeinrichtung (50) erfasste Methankonzentration am Auslass der Gasaufbereitungseinrichtung (20) auf einen vorbestimmten oberen Grenzwert (C_Mo) abgesunken ist; e) Trennen der Biogaszuführleitung (38) von dem Auslass der Gasaufbereitungseinrichtung (20); f) Verbinden der Biogasrückführleitung (14) mit der Biogas/Abgas-Leitung (40) mittels der Ventileinrichtung (30); g) Verbinden der Biogasrückführleitung (14) mit den Spülgaseinlässen (16-1, 16-3) der anderen noch Biogas produzierenden Biogasfermenter (2-1, 2-3); h) Weiterzuführung von Abgas in den abzuschaltenden Biogasfermenter (2-2) bis die Methankonzentration in der Biogas/Abgas-Leitung (40) einen unteren Grenzwert (C_Mu) erreicht; i) Trennen der Abgasleitung (26) von der Spülgasleitung (16'-2) des abzuschaltenden Biogasfermenters (2-2); j) Trennen der Biogasrückführleitung (14) von der Biogas/Abgas-Leitung (40) und Verbinden der Biogas/Abgas-Leitung (40) mit dem Abgaskamin (19); f) Verbinden der Frischluftleitung (28) mit dem Gaseinlass (16'-2) des abzuschaltenden Biogasfermenters (2-2) und Zufuhr von Frischluft in den abzuschaltenden Biogasfermenter (2-2), bis die durch die Messeinrichtung (34) erfasste Kohlendioxidkonzentration in dem abzuschaltenden Biogasfermenter (2-2) auf einen vorbestimmten Grenzwert (C_KD) abgesunken ist; und g) Öffnen des abgeschalteten Biogasfermenters (2-2).