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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schwachgasanlage mit den Merkmalen a) bis g) des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Verwertung von Schwachgas nach dem Oberbegriff des Anspruchs 7.
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Schwachgas ist ein brennbares Gasgemisch mit einem im Vergleich zu hochwertigen Brennstoffen wie Erdgas (Methan) geringem Heizwert. Ein Beispiel für Schwachgas ist das bei der Fermentation von Biomasse entstehendes „Biogas“, ein Gasgemisch im Wesentlichen aus Methan (CH
4) und Kohlendioxid (CO
2). Als Schwachgas kommen auch Faulgase aus der Klärschlammvergärung, aus Müllkippen emporsteigendes Deponiegas oder Grubengas aus abgeworfenen Bergwerken in Betracht. Typische Zusammensetzungen von Schwachgasen zeigt Tabelle 1.
| Komponente | Konzentrationsbereich |
| Methan | 15%–75% |
| Kohlenstoffdioxid | 25%–75% |
| Schwefelwasserstoff | 0,01%–15% |
| Wasserstoff | 0,1%–20% |
| Sauerstoff | 0,1%–30% |
| Stickstoff | 0,1%–30% |
Tabelle 1: Typische Zusammensetzung von Schwachgasen
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Ein im Sinne der Erfindung gut nutzbares Schwachgas sollte einen Methan-Gehalt von 30 Vol-% bis 75 Vol-% haben.
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Ein erfindungsgemäßes Schwachgas muss nicht trocken sein. Es kann auch kondensierte Bestandteile wie Wasserdampf oder Ethanol-Tropfen enthalten.
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Biogas wird heute in Deutschland zu 90 % aus landwirtschaftlich erzeugten Edukten mittels Fermentation gewonnen und in Blockheizkraftwerken (BHKW) verstromt.
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Blockheizkraftwerke verbrennen Gas und setzen die dabei frei werdende thermische Energie teilweise in mechanische Energie um, welche wiederum in elektrische Energie umgesetzt wird. Insbesondere die bei der Umwandlung in mechanische Energie prinzipbedingt anfallende Abwärme wird zu Heizzwecken, beispielsweise als Prozesswärme in einer Produktionsanlage oder – via Nah- oder Fernwärmenetz verteilt – zur Gebäudebeheizung verwendet. Die Umwandlung in mechanische Energie erfolgt in der Regel über einen Motor mit interner Verbrennung (Gasturbine oder Kolbenmotor). Gelegentlich wird auch ein Motor mit externer Verbrennung (Stirling-Motor) genutzt. Auch ist die Umsetzung mittels Kessel und Dampfturbine denkbar. Insgesamt kennt der Fachmann viele Bauarten von Blockheizkraftwerken, welche Gase verstromen und zugleich Heizwärme zu liefern vermögen.
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Eine Anlage der eingangs genannten Gattung und das zugehörige Verfahren sind aus
DE 10 2007 058 548 B4 bekannt.
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Hier wird ein in einem Fermenter gewonnenes Biogas wahlweise in einem Blockheizkraftwerk verstromt oder mit Hilfe einer Membran in einen methanreichen und einen methanarmen Strom getrennt. Der methanreiche Strom wird mittels Kompressor verdichtet und in ein Erdgasnetz eingespeist. Der methanarme Strom wird im Blockheizkraftwerk verfeuert.
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Des Weiteren beschreibt
DE 10 2007 058 548 B4 die Idee, die Biogasanlage zur Bereitstellung von positiver Regelleistung zu nutzen:
Das Bereitstellen von Regelleistung ist eine Maßnahme zur Stabilisierung von elektrischen Netzen. Da sich elektrische Energie kaum speichern lässt, sollte die Menge der pro Zeiteinheit in ein Stromnetz eingespeisten Energie der Summe der in der Zeiteinheit abgerufenen Energie entsprechen, um Instabilitäten zu vermeiden.
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Da der Strombedarf eines Netzes nie konstant ist (Lastspitzen am Morgen und am Abend, kaum Bedarf am Sonntag) muss die Gesamtleistung aller das Netz bedienenden Kraftwerke stets an den aktuellen Leistungsbedarf angepasst werden. Da nicht alle Kraftwerke die dafür erforderliche Dynamik aufweisen (Kernkraftwerke und Steinkohlekraftwerke sind träge und bedienen nur die Grundlast), sind an ein Netz auch schnell anlaufende Kraftwerke wie Gas- oder Pumpspeicherkraftwerke angeschlossen. In Spitzenlastzeiten werden diese Kraftwerke angeschaltet und decken den erhöhten Energiebedarf. Insoweit spricht man von positiver Regelleistung, da Elektrizität in das Netz eingespeist wird.
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Unter negativer Regelleistung versteht man hingegen das gezielte Anschalten von Großverbrauchern bei einem Überangebot von Strom oder das Trennen von Erzeugern vom Stromnetz. Als schaltbare Großverbraucher werden oft Pumpen eines Pumpspeicherkraftwerkes verwendet, welche in Schwachlastzeiten das Wasser aus dem Tal in das höher gelegene Reservoir befördern.
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Die Regelleistung ist in Deutschland in drei Instanzen aufgeteilt, nämlich Primärregelung, Sekundärregelung, Minutenreserve. Blockheizkraftwerke beteiligen sich an der Minutenreserve oder an der Sekundärreserve.
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Auch
DE 10 2007 058 548 B4 führt aus, dass mit dem biogasbetriebenen Blockheizkraftwerk schnell auf Bedarfsänderungen reagiert werden könne. Da es sich bei Blockheizkraftwerken aber stets um Stromlieferanten handelt, vermögen diese nur positive Regelleistung bereitzustellen, sofern keine Zwischenspeichermöglichkeit des anfallenden Schwachgases vorgesehen wurde. Dies hat den Nachteil, dass die Vermarktungsmöglichkeiten der Regelleistung begrenzt sind, was die Wirtschaftlichkeit der Anlage einschränkt. Ist eine Nutzung der erzeugten Wärme vorgesehen, fällt beim Abschalten des BHKW in der Regel auch die Wärmelieferung an die Abnehmer aus.
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DE 10 2009 018 026 A1 hat die Speicherung erneuerbar erzeugten Stromes als Fokus. Als Speicher wird das Gasnetz benutzt. Dabei wird Strom z.B. einer Elektrolyse zugeführt, um so Wasserstoff zu erzeugen. Der erzeugte Wasserstoff wird in einer Methanisierung zu Methan umgesetzt, welches dann im Gasnetz gespeichert wird. Mit allen Verschaltungen, die in
DE 10 2009 018 026 A1 beschrieben sind, ist grundsätzlich nur negative Regelenergie abbildbar. In
6 der
DE 10 2009 018 026 A1 wird die Einbeziehung einer Biogasanlage skizziert. Das Biogas wird dort aber nicht aufbereitet, sondern das im Biogas befindliche CO
2 wird mit Wasserstoff aus der Elektrolyse zu CH
4 umgesetzt.
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Im Lichte dieses Standes der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, die Wirtschaftlichkeit einer Schwachgasanlage zu erhöhen.
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Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, dass die Schwachgastrenneinrichtung elektrisch betrieben wird.
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Gegenstand der Erfindung ist mithin eine Schwachgasanlage umfassend:
- a) eine ein Schwachgas liefernde Schwachgasquelle;
- b) eine Schwachgasverstromungseinrichtung, mittels welcher Schwachgas verstrombar ist;
- c) eine Schwachgastrenneinrichtung, mittels welcher Schwachgas in ein Abgas und ein Heizgas trennbar ist;
- d) ein Stromübergabemittel zum Einspeisen von in der Schwachgasverstromungseinrichtung erzeugten Elektrizität in ein Stromnetz;
- e) ein Gasübergabemittel zum Einspeisen von aus der Schwachgastrenneinrichtung erhaltenem Heizgas in ein Gasnetz;
- f) ein Stellglied zur wahlweisen Beaufschlagung der Schwachgasverstromungseinrichtung und/oder der Schwachgastrenneinrichtung mit von der Schwachgasquelle geliefertem Schwachgas;
- g) und eine Steuerung, mittels welcher zumindest das Stellglied in Abhängigkeit von dem Leistungsbedarf des Stromnetzes steuerbar ist;
- h) wobei die Schwachgastrenneinrichtung elektrisch betrieben ist.
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Eine Grundidee der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Trennung des Schwachgases unter Aufwand von elektrischer Energie durchzuführen und somit einen Verbraucher zu schaffen, welcher die Bereitstellung von negativer Regelleistung ermöglicht.
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Auf eine überraschend einfache Weise gelingt es, die Regelleistung gegenüber dem Stand der Technik zu verdoppeln: Zusätzlich zu der positiven Leistungsspanne, die durch Zu- und Abschalten des Blockheizkraftwerks an das Stromnetz erzielt wird, erschließt die Erfindung durch Zu- und Abschalten der elektrischen Schwachgastrennung eine negative Leistungsspanne, welche sich ebenfalls vermarkten lässt. Die Wirtschaftlichkeit der Schwachgasanlage steigt dadurch stark an, insbesondere vor dem Hintergrund der derzeitigen Gesetzeslage in Deutschland, nach welcher die aus erneuerbarer Energiequellen genutzte Energie (auch Regelleistung) bevorzugt abgenommen werden muss, was zu einer erhöhten Auslastung der Schwachgasanlage führt.
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Die Bereitstellung einer elektrisch betriebenen Schwachgastrennung geschieht einfachstenfalls mit Hilfe einer elektrisch betriebenen Kompressorstufe und einer Membrantrennstufe, wobei die Kompressorstufe das anströmende Schwachgas verdichtet und die Membrantrennstufe das verdichtete Schwachgas in Abgas und Heizgas trennt. Der Kompressor ist also vor der Membran anzuordnen und nicht hinter der Membran wie bei
DE 10 2007 058 548 B4 . Auch ist der Kompressor mit einem Elektromotor zu betrieben, welcher seine Energie aus dem Stromnetz bezieht, in welchem die Regelleistung angeboten werden soll. Ein Antrieb des Kompressors über die Motorwelle des Blockheizkraftwerks, wie in
DE 10 2007 058 548 B4 vorgeschlagen, macht insoweit keinen Sinn. In der Membrantrennstufe wird das Schwachgas mittels Gaspermeationsverfahren auf Erdgasqualität (Heizgas) aufbereitet. Die den Heizwert minderende Komponenten des Schwachgases fallen als Abgas an.
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In der Regel wird man für diese Trennaufgabe eine Membran wählen, welche für die nicht brennbaren Stoffe des Schwachgases durchlässiger ist als für die brennbaren Bestandteile. Ein besonders geeigneter Membranwerkstoff ist Polyimid, welches eine besonders hohe Permeabilität für Kohlenstoffdioxid aufweist. Mithin liegt an der Retentatseite der Membran das Heizgas an, permeatseitig das Abgas. Zur Auslegung der Membrantrennstufe kann auf das allgemeine Fachwissen der Membrantechnologie zurückgegriffen werden, welches in
Melin/Rautenbach: Membranverfahren. Grundlagen der Modul- und Anlagenauslegung. Springer, Berlin Heidelberg 2004.
dokumentiert ist.
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Als Membranen kommen in der Regel Hohlfasermembranen zum Einsatz, allerdings ist auch die Verwendung von Flachmembranen denkbar. Beide Membrantypen können aus Polyimid oder anderen geeigneten Polymeren hergestellt werden. Das Polymer muss sich durch hohe Mischgasselektivitäten, insbesondere von Methan und Kohlenstoffdioxid, auszeichnen. Die Selektivität nimmt bei der vorliegenden Anwendung gegenüber der Permeabilität eine vorstehende Rolle ein, da insbesondere aus regulatorischen und wirtschaftlichen Gründen die Methanausbeute zu maximieren ist. Die Membranen lassen sich in Membranmodule überführen, welche als Bauteil einfach in den Prozess zu integrieren sind. Hierbei handelt es sich um Hohlfaserbündelmodule (Hohlfasermembranen), Taschenmodule oder Spiralwickelmodule (Flachmembranen).
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Sofern das Heizgas als Retentat anfällt, ist die Kompressorstufe so auszulegen, dass die Membran mit einem Druck beaufschlagt wird, welcher zumindest der Summe aus dem Druck des Gasnetzes und dem Druckverlust der Membrantrennstufe entspricht. Auf diese Weise ist es möglich, das Heizgas direkt in das Gasnetz einzuspeisen. Sofern die Schwachgasanlage über keine Odorierungseinrichtung verfügt, kann das Heizgases nur in das Ferntransportnetz (84 bar) eingespeist werden, da eine Einspeisung in das Netz der mittleren Netzebene (16 bar) und das Nahnetz(1 bar) stets eine Odorierung voraussetzt.
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Alternativ zur Schwachgasaufbereitung mittels Gaspermeationsverfahren an der Membran kann für die Trennung des Schwachgases in Abgas und Heizgas prinzipiell jedes Verfahren mit primär elektrischem Energiebedarf, z.B. Druckwechseladsorption oder Druckwasserwäsche mit anschließender Kompression vorgesehen sein. Bei der Druckwechseladsorption wird das Schwachgas unter Druck auf eine poröse Schicht aus Zeolithen oder Aktivkohle geleitet. Auf Grund von Unterschieden im chemischen Potential adsorbieren die Komponenten unterschiedlich an der Oberfläche des Feststoffes. Das mit Methan angereicherte Heizgas verlässt den Adsorber, während das Kohlenstoffdioxid und andere minore Komponenten auf der Oberfläche des Adsorbens zurückbleiben. Ist die Sättigung erreicht, muss der Druck abgelassen werden und die adsorbierten Komponenten werden wieder freigesetzt. Durch das permanente Aufbauen und Ablassen des Druckes wird ein signifikanter Teil der Druckenergie vernichtet, auch kann die Trennung nie vollständig erfolgen so dass mit Methanschlupf von 2%–3% zu rechnen ist. Bei Gaspermeationsverfahren bleibt die als Druck im Heizgas gespeicherte Energie vollständig bis zur Einspeisung erhalten und es ist ein Methanschlupf von unter 0,5% zu realisieren. Die Druckwasserwäsche arbeitet nach dem Prinzip der unterschiedlichen Löslichkeit von Gasen in Flüssigkeiten. Im Falle der Schwachgastrennung lösen sich hauptsächlich das Kohlenstoffdioxid und der Schwefelwasserstoff im Wasser des Absorbers, das mit Methan angereicherte Heizgas wird entnommen. Sowohl das Schwachgas, als auch die Waschflüssigkeit müssen auf einen Druck von ca. 20 bar verdichtet werden. Um die Waschflüssigkeit wieder zu regenerieren muss diese in mehreren Stufen auf ein niedrigeres Druckniveau gebracht werden, wobei die gelösten Gase wieder austreten. Dies und die zum Umpumpen der Waschflüssigkeit verwendete Energie sind für den Verbrauch an elektrischer Energie verantwortlich. Mit der Druckwasserwäsche erreicht man auf Grund der geringen Löslichkeit von Methan in Wasser ebenfalls nur Methanverluste von 1%–3%. Tabelle 2 zeigt den typischen Bedarf an elektrischer Energie und den Methanverlust bei der Aufarbeitung von 1 Nm
3 Schwachgas auf Heizqualität
| Verfahren | Energiebedarf [kWh/Nm3] | Methanverlust [%] |
| Druckwechseladsorption | 0,47 | 2–3 |
| Druckwasserwäsche | 0,45 | 1–3 |
| Gaspermeationsverfahren | 0,35 | 0,1–0,5 |
Quelle:
Fraunhofer Umsicht, Band 4: Technologien und Kosten der Biogasaufbereitung und Einspeisung in das Erdgasnetz. Ergebnisse der Markterhebung 2007–2008.
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Es ist auch denkbar, einen Gasspeicher zur Speicherung des Heizgases vor Einspeisen in das Netz vorzusehen.
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Vorzugsweise wird als Schwachgasquelle ein Fermenter verwendet, in welchem Bakterien Biomasse durch anaerobe Fermentation in ein methanhaltiges Biogas umsetzen. Ein solcher Fermenter kann im gewissen Umfang zugleich als Gasspeicher dienen.
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Eine ausführliche Darstellung der Biogasgewinnung mittels anaerober Fermentation findet sich in:
Siegfried Bajohr, Frank Graf (Hrsg.): BIOGAS – Erzeugung, Aufbereitung, Einspeisung; Oldenbourg Industrieverlag; München; 2010
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Vorzugsweise handelt es bei der Schwachgasverstromungseinrichtung um ein Blockheizkraftwerk, welches das Schwachgas verbrennt, die dabei anfallende Wärmeenergie teilweise in mechanische Energie umsetzt und die mechanische Energie teilweise in Elektrizität umsetzt, wobei im Blockheizkraftwerk anfallende Abwärme zum Heizen verwendbar ist.
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Eine für die Bereitstellung von positiver Regelleistung optimale Bauweise eines BHKW ist ein Gasmotor mit oder ohne Zündstrahl mit angeschlossenem Generator.
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Das Blockheizkraftwerk sollte die Abwärme auf einem brauchbaren Temperaturniveau abgeben (etwa 75–120 °C), damit der Abwärmestrom noch zum Heizen von Gebäuden oder als Prozesswärme in einer (chemischen) Produktionsanlage verwertbar ist. Niederkalorische Wärmeströme (< 75 °C) sind heute kaum wirtschaftlich direkt nutzbar und müssen entweder über einen Kühler in die Umgebung abgeführt oder mit einer Wärmepumpe auf ein höheres Temperaturniveau gebracht werden. Da mit steigender Wärmeauskopplung der elektrische Wirkungsgrad des BHKW sinkt, ist bei der Prozessauslegung eine energetische Gesamtschau notwendig.
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Um die Abwärme in einem industriellen Prozess oder in einer Gebäudeheizung zu nutzen können, sollte die Schwachgasanlage Mittel zum Einspeisen der Abwärme in ein Wärmenetz aufweisen. Bei dem Wärmenetz kann es sich um ein Nahwärmenetz an einem Produktionsstandort oder ein Fernwärmenetz zum Versorgen von Wohnsiedlungen handeln.
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Die Abwärme des BHKW kann auch zum Beheizen des Fermenters verwendet werden; vgl. hierzu auch
DE 10 2004 044 645 B3 .
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Schließlich kann mit der Abwärme auch ein chemischer oder physikalischer Wärmespeicher aufgeladen werden.
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Der Vorteil der erfindungsgemäßen Schwachgasanlage besteht darin, dass es sich zur Bereitstellung von negativer Regelleistung eignet und daher eine höhere Rendite erzielt. Gegenstand der Erfindung ist daher auch die Verwendung einer solchen Schwachgasanlage zur Bereitstellung von negativer Regelleistung.
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Die erfindungsgemäße Verwendung geschieht im Zuge eines Verfahrens zur Verwertung von Schwachgas, bei welchem Schwachgas verstromt und/oder zu einem Heizgas aufbereitet in ein Gasnetz eingespeist wird, wobei zur Bereitstellung von Regelleistung für ein Stromnetz der Leistungsbedarf des Stromnetzes erfasst und bei positiven Leistungsbedarf Schwachgas verstromt in das Stromnetz eingespeist wird und bei welchem bei negativem Leistungsbedarf Elektrizität aus dem Stromnetz abgerufen und zur Aufbereitung von Schwachgas in Heizgas genutzt wird. Ein solches Verfahren ist daher ebenfalls Gegenstand der Erfindung.
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Die Erfindung soll nun anhand einer erfindungsgemäßen Schwachgasanlage näher erläutert werden. Hierfür zeigen:
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1: Schwachgasanlage bei der Bereitstellung von positiver Regelleistung;
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2: Schwachgasanlage bei der Bereitstellung von negativer Regelleistung.
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Die erfindungsgemäße Schwachgasanlage 0 umfasst eine Schwachgasquelle 1 in Gestalt eines Fermenters, eine Schwachgasverstromungseinrichtung 2 in Gestalt eines Blockheizkraftwerkes und eine Schwachgastrenneinrichtung 3. Über ein Stromübergabemittel 4 ist die Anlage 0 an ein Stromnetz 5 angeschlossen; ein Gasübergabemittel 6 stellt die Schnittstelle zu einem Gasnetz 7 dar.
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Der Fermenter 1 erzeugt kontinuierlich ein Schwachgas (Biogas) S enthaltend hauptsächlich Methan und Kohlendioxid. Mittels eines Stellglieds 8 kann das Schwachgas wahlweise zum BHKW 2 und/oder zur Trenneinrichtung 3 geleitet werden. Bei dem Stellglied handelt es sich vorzugsweise um ein Proportionalventil, welches eine stufenlose Aufteilung des anströmenden Schwachgases S in einen Strom zum BHKW 9 und in einen Strom zur Trenneinrichtung 10 gestattet. Es ist daher sowohl möglich, das im Fermenter 1 anfallende Biogas S komplett in das BHKW 2 zu fahren oder der Trenneinrichtung 3 zuzuführen, als auch einen Teil in Leitung 9 und einen anderen Teil in Leitung 10 zu geben.
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In der in 1 dargestellten Betriebsweise wird das Schwachgas S vollumfänglich via Leitung 9 in das BHKW 2 gefahren und dort verstromt. Die dabei gewonnene Elektrizität E wird über das Stromübergabemittel 4 in das Stromnetz 5 eingespeist. Die bei der Verstromung anfallende Abwärme Q wird durch ein Mittel zum Einspeisen der Abwärme 11 in ein Wärmenetz 12 eingespeist und i.d.R. außerhalb der Anlage zum Heizen verwendet.
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In der in 2 dargestellten Betriebsweise wird das Schwachgas S vollumfänglich via Leitung 10 zur Trenneinrichtung 3 gefahren. Die Trenneinrichtung 3 umfasst einen elektromotorisch angetriebenen Kompressor 13 und dem nachgeschaltet eine Membrantrennstufe 14. Der Kompressor 13 bezieht seine elektrische Antriebsenergie aus dem Stromnetz 5, er ist dazu über eine Stromleitung 15 an das Stromübergabemittel 4 angeschlossen.
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Der Kompressor 13 beaufschlagt die Membrantrennstufe 14 mit verdichtetem Schwachgas. Die Membrantrennstufe 14 enthält eine Membran, welche für das Kohlendioxid im Schwachgas eine höhere Durchlässigkeit besitzt als für das Methan.
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Mithin fällt als Retentat ein methanreiches Heizgas G an; das Kohlendioxid entfällt hauptsächlich auf das Permeat und wird als Abgas A, ggf. nach einer Nachbehandlung, verworfen. Der Kompressordruck ist so eingestellt, dass das Heizgas G trotz des Druckverlustes im Membranmodul via das Gasübergabemittel 6 in das Gasnetz 7 eingespeist werden kann. Dort vermischt es sich mit dem im Gasnetz transportierten Erdgas. Zum Zwecke der Bereitstellung von Regelleistung empfängt eine Steuerung 16 über eine Datenleitung 17 kontinuierlich Vorgaben zum Leistungsbedarf des Stromnetzes 5.
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Bei einem erhöhten Leistungsbedarf versetzt die Steuerung 16 die Anlage 0 in die in 1 gezeigte Betriebsweise, indem sie das Stellglied 8 in Richtung Leitung 9 öffnet, das BHKW 2 hoch fährt, Stromübergabemittel 4 zum Stromnetz 5 hin öffnet, Kompressor 13 abschaltet und Gasübergabemittel 6 schließt. Auf diese Weise wird das anfallende Biogas S verstromt und als positive Regelleistung in das Stromnetz 5 eingespeist.
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Bei einem Überangebot von elektrischer Leistung im Stromnetz 5 versetzt die Steuerung 16 die Anlage 0 in die in 2 gezeigte Betriebsweise, indem sie das Stellglied 8 in Richtung Leitung 10 öffnet, das BHKW 2 herunter fährt und über das Stromübergabemittel 4 überschüssige Elektrizität aus dem Stromnetz 5 entnimmt und via Stromleitung 15 zum Kompressor 13 leitet. Der Kompressor 13 setzt die überschüssige Elektrizität in Verdichtungsarbeit am Biogas S um, welches nun in der Membrantrennstufe 14 getrennt und das dabei gewonnene Heizgas G in das Gasnetz 7 eingespeist wird. Auf diese Weise wird negative Regelleistung für das Stromnetz 5 angeboten.
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In beiden Fällen addieren sich die Leistungen des BHKW 2 und des Kompressor 13 zu einer Gesamtregelleistung, die der installierten Leistung beider Einzelkomponenten entspricht.
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Selbstverständlich ermöglicht die Steuerung 16 auch Betriebsweisen zwischen den beiden in 1 und 2 dargestellten Extremen. Durch stetige Verteilung des Schwachgases S auf Schwachgasverstromungseinrichtung 2 und Schwachgastrenneinrichtung 3, sowie durch Leistungsanpassung von BHKW 2 und Kompressor 13 ist es möglich, eine breite Spanne von positiver und negativer Regelleistung anzubieten. Dabei können BHKW 2 und Kompressor 13 durchaus auch gleichzeitig laufen. Weitere Stellgrößen sind die Menge der ausgeschleusten Abwärme Q und die Fermenterleistung.
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Die Wirkungsweise und Vorteile der Erfindung sollen noch einmal zusammenfassend dargestellt werden:
Eine Grundidee der Erfindung besteht darin, dass das Anlagenkonzept gezielt für die Bereitstellung von Regelenergie gedacht ist und nicht allein auf die bisher übliche, ununterbrochene Nutzung des anfallenden Biogases abzielt.
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Eine weitere Idee besteht überdies darin, dass sowohl die Stromerzeugung, als auch die Gasproduktion, binnen kürzester Zeit komplett abgestellt werden können, ohne dass es einer Abfackelung von Biogas bedarf.
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Des Weiteren besteht eine Idee darin, einen Erzeuger und einen Verbraucher von elektrischem Strom dergestalt zu koppeln, dass die auf das Netz wirkende Regelleistung eine Addition der Nennleistungen beider Komponenten ist, und dass diese Addition in beide Richtungen wirkt (positive und negative Regelenergie).
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Der Vorteil gegenüber heute technisch ausgeführten Biogasanlagen besteht darin:
Bei der konventionellen Verstromung von Biogas wird anfallendes Biogas direkt in einem BHKW verstromt. Soll eine solche Anlage vom Netz genommen werden, bleibt nach kurzer Pufferzeit nur die Möglichkeit, anfallendes Biogas abzufackeln, da eine Gasspeicherung in der Regel nicht vorgesehen ist. Dabei ist unerheblich, ob die im BHKW anfallende Wärme ebenfalls genutzt wird oder nicht. Ist die Biogasanlage mit Wärmenutzung ausgestattet, so wird auch die Wärmeerzeugung ausgesetzt, wenn das BHKW aus Regelgründen abgeschaltet werden muss. Bei der vorliegenden Erfindung besteht die Möglichkeit, dann anfallendes Biogas weiterhin ohne Stromerzeugung zu verwerten.
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Bei der konventionellen Einspeisung wird anfallendes Biogas direkt in einer Aufbereitungsanlage auf Erdgasqualität aufgereinigt (so genanntes „Biomethan“). Solche Anlagen nehmen in der Regel nicht am Regelenergiemarkt teil. Anfallendes Biogas wird kontinuierlich aufbereitet. Das bei vorliegendem Verfahren zum Einsatz kommende Gaspermeationsverfahren zur Biomethanproduktion lässt sich problemlos innerhalb kürzester Zeit an- und abfahren, ohne dass die Qualität des erzeugten Biomethans schwankt. Eine kontinuierliche Betriebsweise ist daher aus technischen und wirtschaftlichen Gründen nicht zwingend erforderlich.
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Bezugszeichenliste
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- 0
- Schwachgasanlage
- 1
- Schwachgasquelle // Fermenter
- 2
- Schwachgasverstromungseinrichtung // Blockheizkraftwerk
- 3
- Schwachgastrenneinrichtung
- 4
- Stromübergabemittel
- 5
- Stromnetz
- 6
- Gasübergabemittel
- 7
- Gasnetz
- 8
- Stellglied
- 9
- Strom zum BHKW
- 10
- Strom zur Trenneinrichtung
- 11
- Mittel zum Einspeisen der Abwärme
- 12
- Wärmenetz
- 13
- Kompressor
- 14
- Membrantrennstufe
- 15
- Stromleitung
- 16
- Steuerung
- 17
- Datenleitung
- S
- Schwachgas // Biogas
- E
- Elektrizität
- Q
- Abwärme
- G
- Heizgas
- A
- Abgas
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007058548 B4 [0007, 0009, 0013, 0020, 0020]
- DE 102009018026 A1 [0014, 0014, 0014]
- DE 102004044645 B3 [0032]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Melin/Rautenbach: Membranverfahren. Grundlagen der Modul- und Anlagenauslegung. Springer, Berlin Heidelberg 2004 [0021]
- Fraunhofer Umsicht, Band 4: Technologien und Kosten der Biogasaufbereitung und Einspeisung in das Erdgasnetz. Ergebnisse der Markterhebung 2007–2008 [0024]
- Siegfried Bajohr, Frank Graf (Hrsg.): BIOGAS – Erzeugung, Aufbereitung, Einspeisung; Oldenbourg Industrieverlag; München; 2010 [0027]
