DE102009024287A1

DE102009024287A1 - Verfahren der Biogasgewinnung

Info

Publication number: DE102009024287A1
Application number: DE102009024287A
Authority: DE
Inventors: Hans-Günter Prof. Dr.-Ing. Ramke; Dennis Blöhse
Original assignee: Hochschule Ostwestfalen Lippe
Current assignee: RAMKE, HANS-GUETER, PROF. DR.-ING., DE
Priority date: 2008-06-21
Filing date: 2009-06-05
Publication date: 2009-12-24
Anticipated expiration: 2029-06-06
Also published as: DE102009024287B4

Abstract

Bei einem Verfahren der Biogasgewinnung werden Gärreste und/oder Gärsubstrate aus einer Biogasanlage einer thermischen Nachbehandlung in einer Flüssigphase unterzogen, in der durch Erhitzung das in den Gärresten vorhandene Gaspotential erschlossen wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren der Biogasgewinnung.
Biogasanlagen, die der Erzeugung von Biogas aus Biomasse, insbesondere aus nachwachsenden Rohstoffen, aber auch aus Güllen, Schlämmen, Fetten oder dergleichen dienen, sind in vielfältigen Ausführungsformen bekannt und bewährt. In einem Reaktor, zumeist einem Fermenter, entsteht durch einen anaeroben Gär- oder Fäulnisprozess aus einem Gärsubstrats das Biogas, das je nach Ausgangsstoffen 40–75% Methan, 25–55% Kohlendioxid, bis zu 10% Wasserdampf sowie darüber hinaus geringe Anteile von Stickstoff, Sauerstoff, Wasserstoff, Ammoniak und Schwefelwasserstoff aufweisen kann. Nach Beendigung der Gär- oder Fäulnisprozess in dem Reaktor werden die angefallenen Gärreste zumeist in einem Nachgärbehälter weiter entgast und daran anschließen als Düngemittel in der Landwirtschaft verwendet.
Vorrangig ist jedoch die Nutzung des Methangases. Um die Methangasausbeute zu optimieren, sind unterschiedliche Behandlungen der Ausgangsmaterialien sowie Umgebungsbedingungen des Gärsubstrats in den Fermentern bekannt geworden. Dabei stellt organisches, faseriges Material ein Problem dar, da diese von den die Biomasse abbauenden Bakterienstämmen nur unzureichend aufgeschlossen werden können.
Für ein Aufbrechen chemisch stabiler Verbindungen wird die grundsätzlich bekannte Thermodruckhydrolyse regelmäßig herangezogen, so beispielsweise für eine Depolymerisation von Proteinen in ihre Aminosäuren und somit in ihre flüssige Phase.
Auch die Hydrothermale Carbonisierung ist grundsätzlich bekannt. Bei einer solchen werden organische Materialien analog der Inkohlung in der Natur in einem mehrstufigen Prozess, abhängig von der Prozessdauer und der Prozessart, in humus-, torf- oder braunkohleartige Produkte und Nebenprodukte überführt. Dabei kann ein gewisser Teil der Ausgangsmaterialien in eine mikrobiologisch umsetzbare flüssige Phase überführt werden.
Vor diesem technischen Hintergrund macht die Erfindung es sich zur Aufgabe, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, durch das das Gaspotential von Bioabfällen, insbesondere von organischen, faserigen Materialien aus nachwachsenden Rohstoffen, organischen Reststoffen und/oder organischen Abfällen bestens aufgeschlossen wird und das derart wirtschaftlich arbeitet, dass der Betrieb einer Biogasanlage insgesamt optimiert wird.
Gelöst wird diese technische Problematik gemäß des Anspruchs 1 durch die Maßnahmen, dass Gärreste und/oder Gärsubstrate aus einer Biogasanlage einer thermischen Nachbehandlung in einer flüssigen Phase unterzogen werden, in der durch Erhitzung das in den Gärresten vorhandene Gaspotential erschlossen wird.
Es hat sich bei Versuchen gezeigt, dass die beiden eingangs genannten Verfahren, die Thermodruckhydrolyse und die Hydrothermale Carbonisierung, bei einer thermische Nachbehandlung der Gärreste und/oder Gärsubstrate teilweise fließend ineinander übergehen können und unter zumeist gleichen Verfahrensparametern auch vergleichbare Ergebnisse liefern, so das die beiden Verfahren hier zumeist gleichwertig nebeneinander stehen.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die Gärreste und/oder Gärsubstrate aus den Reaktoren oder Fermentern einer Biogasanlage einer solchen thermischen Nachbehandlung in einer flüssigen, zumeist überwiegend wässrigen Phase unterzogen, durch die die Zellmatrix von Pflanzenzellen, insbesondere auch die von langfaserigen Materialien, in ihre Bausteine wie Pektine, Hemmizellulose und Proteine aufgeschlossen werden können.
Solches kann bei einer Thermodruckhydrolyse verbessert werden, wenn die Erhitzung mit einer Verdampfung der flüssigen Phase einhergeht, insbesondere in Verbindung mit einer Steam Explosion, bei der es zu einem plötzlichen Verdampfen der vorhandener Flüssigkeit kommt. Bei einer Hydrothermalen Carbonisierung wird dagegen in der Regel ein Verdampfen nicht erforderlich sein.
Die bislang in herkömmlichen Gär- oder Fäulnisprozessen kaum aufschließbare Gasanteile eines Gärsubstrats oder der noch in Gärresten vorhandenen, die aus einer mesophilen und/oder einer thermophilen Vergärung stammen, insbesondere aus einer mesophilen Nassvergärung, die weiter bevorzugt aus einer Trockenvergärung oder Nassvergärung nachwachsender Rohstoffe, organischen Reststoffen und/oder organischen Abfällen herrühren, stehen gemäß des Verfahrens nach der Erfindung nun ebenfalls für die Gasgewinnung zur Verfügung.
In Versuchen zur Bestimmung der Gasbildung hat es sich gezeigt, dass Proben der einer thermischen Nachbehandlung in einer flüssigen Phase unterzogenen Gärresten und/oder Gärsubstraten ein deutlich höheres Gaspotential aufweisen als vergleichbare, unbehandelte Referenzproben. Es lassen sich damit in vorteilhafter Weise die einer thermischen Nachbehandlung nach der Erfindung unterzogenen Gärreste und/oder Gärsubstrate einem Fermenter oder einem Nachgärbehälter zuführen, womit sich die Gasausbeute der Biogasanlage ohne wesentliche Eingriffe in die Gär- oder Fäulnisprozesse deutlich steigern lässt.
Abhängig von der Zusammensetzung der Gärreste bzw. Gärsubstrate findet die thermische Nachbehandlung bei einer Temperatur zwischen 130° und 220°C, gegebenenfalls 250°C statt. Dabei liegt der Druck bevorzugt zwischen 2,5 bar und 20 bar, gegebenenfalls 100 bar. Die notwendige Haltezeit, die Zeitdauer der Maximaltemperatur ohne Aufheiz- und Abkühlphasen, der Thermodruckhydrolyse nach Erreichen des Betriebsdrucks beträgt weniger als 1,5 Stunden, häufig sogar weniger als 1 Stunde, die Haltezeit der Hydrothermalen Carbonisierung beträgt hingegen 1,5 Stunden bis 12 Stunden.
Im Zuge der thermischen Nachbehandlung nach der Erfindung, davor und/oder danach kann vorgesehen sein, dass die Gärreste und/oder Gärsubstrate einer Flashbehandlung unterzogen werden, bei der diese Gärreste und/oder Gärsubstrate kurzzeitig, im Vergleich zu der Haltezeit, einer hohen Erhitzung von bis zu einer Temperatur von 250°C unterzogen werden. Aufgrund dieser Maßnahme kann die Haltezeit bei der Durchführung der Thermodruckhydrolyse noch weiter reduziert werden, je nach verwendeter Vorrichtung auf bspw. ca. 0,5 h.
Zum Ende der thermischen Nachbehandlung erfolgt eine Druckentlastung, bspw. eine vergleichsweise langsame Druckentlastung mit einer Geschwindigkeit von unter 1 bar/min. oder eine vergleichsweise schnelle Druckentlastung mit einer Geschwindigkeit von mehr als 3 bar/min.
Unabhängig hiervon sollte es durch die Druckentlastung zu einem plötzlichen Verdampfen vorhandenen Wassers kommen, zu einer Steam Explosion. Hierdurch wird die Zellmatrix von Pflanzenzellen durch ein explosionsartig verdampfendes Zellenwassers gesprengt und es werden die gewünschten, in den üblichen Gär- oder Fäulnisprozess abbaubaren Bestandteile freigesetzt.
Das Verfahren nach der Erfindung kann problemlos in herkömmlichen Druckreaktoren durchgeführt werden, an denen bauliche Veränderungen kaum von Nöten sind.
Bei der Thermodruckhydrolyse können die Verfahrensparameter auch in einem Extruder nachgebildet werden.
Abhängig von der vorhandenen Gerätschaft kann das Verfahren nach der Erfindung kontinuierlich, bspw. in einem Strömungsrohr, oder diskontinuierlich, bspw. in einem Rührkessel, durchgeführt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird anhand von Beispielen und der Zeichnung weiter erläutert. In der Zeichnung sind hierzu weiter zwei Tabellen wiedergegeben und zeigt 1 die spezifische Gasbildung [ml i. N. tr/G oTS] dreier Proben und zweier Referenzproben über der Zeit in Tagen [d].
Für Untersuchen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wurden Proben eins Gärsubstrats und eines separierten Gärrests aus einer landwirtschaftlichen Biogasanlage genommen, die eine hohe Konzentration an schwer abbaubarer Biomasse, beispielsweise Faserstoffe, aufwiesen.
Der nachstehend wiedergegebenen Tabelle 1 sind die wesentlichen Parameter der drei durchgeführten Versuche zu entnehmen.
Mit Abschluss der Thermodruckhydrolyse wurden Proben für eine Feststoffanalyse entnommen, um den TS-Gehalt und oTS-Gehalt zu bestimmen. Weitere Proben wurden als Prüfsubstrat für einen Gärtest in Anlehnung an die VDI-Richtlinie 4630 entnommen, um den Gasertrag des einer Thermodruckhydrolyse unterzogenen Gärrests bzw. der Gärsubstrate zu ermitteln.
Die Ergebnisse der Gärtests der drei Proben sind in 1 im Vergleich zu zwei unbehandelten Referenzproben aufgetragen.
Die Gärtests wurden gemäß des Abbruchkriteriums der VDI-Richtlinie 4630 am 34. Versuchstag beendet. Da der ph-Wert zu Beginn der Gärtests zwischen 7,4 für die einer Thermodruckhydrolyse unterzogenen Proben und 7,6 für die unbehandelten Referenzproben lag, kann eine Hemmung der Gasbildung aufgrund einer Versauerung weitestgehend ausgeschlossen werden.
1 zeigt, dass die beiden unbehandelten Referenzproben eine mittlere Gasbildung von ca. 125 ml i. N. tr/G oTS aufwiesen, während bei den einer Thermodruckhydrolyse unterzogenen Proben ein starker Anstieg der Gasbildung beobachtet werden konnte. Die mittlere Gasbildung bei den Proben 1 und 3 betrug etwa 525 ml i. N. tr/G oTS, während die mittlere Gasbildung bei der Probe 2 immerhin noch 460 ml i. N. tr/G oTS erreicht. Dies entspricht etwa einer vierfachen Gasertragssteigerung nach der erfindungsgemäßen Behandlung der Gärreste bzw. Gärsubstrate.
Die Tabelle 2 zeigt die korrigierten Methangehalte der Proben am 16. und 28. Versuchstag. Wie auch 1 kann der Tabelle 2 entnommen werden, dass der Methangehalt jeder Probe im Zuge des stattfindenden Umsatzes der Biomasse mit fortlaufender Zeit ansteigt, was auch den fortlaufend stabilen Abbau der Probe wieder spiegelt.

Die Versuchsergebnisse zeigen auf, dass die Methangasausbeute bei Biogasanlagen durch mit einer Thermodruckhydrolyse behandelten Gärresten und/oder Gärsubstraten, insbesondere einer mesophilen Nassvergärung, wie sie in landwirtschaftlichen Biogasanlagen vorwiegend anzutreffen ist, um etwa das vierfache bei gleichbleibender Gasqualität gesteigert werden kann. Mit einer spezifischen Gasbildung von im Mittel 525 ml i. N. tr/G oTS liegen die einer Thermodruckhydrolyse unterzogenen Proben in dem Gasertragsbereich der üblicherweise in landwirtschaftlichen Biogasanlagen eingesetzten Rohstoffe, die ca. 450–860 ml i. N. tr/G oTS liefern, so die Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e. V., Handreichung, Biogasgewinnung und -nutzung, Gülzow, 2006.

Probe:		1	2	3
Material		Gärrest	Gärsubstrat	Gärsubstrat
Dauer der Aufheizphase	[h]	3,6	2,1	2,7
Temperatur	[°C]	170	160	200
Haltezeit	[°C]	1,25	1	< 1
Erreichtes Druckniveau	[bar]	> 11	11,5	> 17
Druckentlastung	[bar]	> 6	11,5	16
Entlastungsgeschwindigkeit auf < 1 bar	[bar/min]	-	3,77	0,45

Tabelle 1

Probe	Versuchstag	Mittelwert CH₄ _korr ^tr[%]	Mittelwert CH₄/CO₂
Probe 1	16	55,5	1,3
Gärrest	28	64,4	1,9
Referenzprobe 1	16	45,6	0,9
Gärrest	28	64,7	1,9
Probe 2	16	56,3	1,3
Gärsubstrat	28	64,8	1,9
Probe 3	16	50,2	1,0
Gärsubstrat	28	64,4	1,9
Referenzprobe 2	16	45,4	0,8
Gärsubstrat	28	64,9	1,9

Tabelle 2

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

- VDI-Richtlinie 4630 [0023]
- VDI-Richtlinie 4630 [0025]

Claims

Verfahren der Biogasgewinnung, dadurch gekennzeichnet, dass Gärreste und/oder Gärsubstrate aus einer Biogasanlage einer thermischen Nachbehandlung in einer flüssig Phase unterzogen werden, in der durch Erhitzung das in den Gärresten vorhandene Gaspotential erschlossen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhitzung mit einer Verdampfung der flüssigen Phase einhergeht.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gärreste und/oder Gärsubstrate aus einer mesophilen und/oder einer thermophilen Vergärung stammen.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dass die Gärreste und/oder Gärsubstrate aus einer Vergärung von nachwachsenden Rohstoffen, pflanzlichen Reststoffen und/oder organischen Abfällen stammen.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die einer thermischen Nachbehandlung unterzogen Gärreste und/oder Gärsubstrate einem Fermenter oder einem Nachgärbehälter zugeführt werden.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Nachbehandlung bei einer Temperatur zwischen 130°C und 250°C stattfindet.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die thermischen Nachbehandlung bei einem Druck zwischen 2,5 bar und 100 bar stattfindet.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Haltezeit einer Thermodruckhydrolyse als thermische Nachbehandlung nach bis zu 1,5 h oder dass die Haltezeit einer Hydrothermalen Carbonisierung als thermische Nachbehandlung nach 1,5 h bis 12 h beendet ist.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gärreste und/oder Gärsubstrate vor, während und/oder nach der thermischen Nachbehandlung einer kurzzeitigen Erhitzung in der flüssigen Phase von bis zu 250°C unterzogen werden.
Verfahren nach einem oder mehreren vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Ende der thermischen Nachbehandlung eine Druckentlastung erfolgt.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Nachbehandlung in einem Druckreaktor erfolgt.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Thermodruckhydrolyse in einem Extruder erfolgt.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Nachbehandlung kontinuierlich erfolgt.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Nachbehandlung diskontinuierlich erfolgt.