DE102012004164A1

DE102012004164A1 - Verfahren und Anlage zur Erzeugung von Biogas

Info

Publication number: DE102012004164A1
Application number: DE201210004164
Authority: DE
Inventors: Udo Hölker
Original assignee: BIOREACT GmbH
Current assignee: BIOREACT GmbH
Priority date: 2012-03-05
Filing date: 2012-03-05
Publication date: 2013-09-05

Abstract

Verfahren zur Erzeugung von Biogas aus einer bei Stalltemperatur bereitgestellten Schweinegülle oder anderen Suspension von Tierfäkalien mit einem geringen Trockensubstanzgehalt, bei dem die Suspension zu einer pumpfähigen Suspension mit einem erhöhten Trockensubstanzgehalt aufkonzentriert wird, die aufkonzentrierte Suspension in einen Fermenter geleitet wird, die aufkonzentrierte Suspension auf Fermentertemperatur erwärmt wird und durch Vergärung der erwärmten, aufkonzentrierten Suspension im Fermenter Biogas erzeugt wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und auf eine Anlage zur Erzeugung von Biogas aus einer bei Stalltemperatur bereitgestellten Schweinegülle oder einer anderen Suspension von Tierfäkalien mit einem geringen Trockensubstanzgehalt. Die Erfindung betrifft insbesondere Verfahren zur Erzeugung von Biogas in Kleinanlagen mit Blockheizkraftwerk mit einer elektrischen Leistung von bis zu 100 kW.
Die Erzeugung von Biogas aus Schweinegülle durch Mikroorganismen in einem Fermenter ist bekannt. Schweinegülle hat nur einen geringen Trockensubstanzgehalt (TS). Schweinegülle aus Großställen ist besonders dünnflüssig. Gemäß offiziellen Datenbanken (KTBL (Kuratorium für Technik und Bauwesen in der Landwirtschaft), Gasausbeuten in landwirtschaftlichen Biogasanlagen, Heft 88) ist der Richtwert für den Trockensubstanzgehalt in Schweinegülle 6% der Frischmasse. 80% der TS sind dabei organische TS (oTS). Die KTBL gibt für eine durchschnittliche Schweinegülle einen Biogasertrag von 20 m³/t Frischmasse (FM), mit einer Methankonzentration von 60%, also eine durchschnittliche Methanmenge von 12 m³/t FM, an. In der Verordnung des Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) in der ab 1. Januar 2012 geltenden Fassung wird von einer durchschnittlichen Methanmenge von 13 m³/t FM ausgegangen.
Für die Biogaserzeugung muss die Schweinegülle von Stalltemperatur (ca. 15°C) auf Fermentertemperatur (ca. 40°C) gebracht werden. Bereits bekannt ist, den Gärbehälter mit einem Heizsystem auszustatten, das mit der Abwärme eines Blockheizkraftwerks (BHKW) beheizt wird, welches mit dem erzeugten Biogas betrieben wird. Überschüssige Wärme soll zur Heizung von Wohn- und Wirtschaftsgebäuden genutzt werden. Der erzeugte elektrische Strom wird in das Leitungsnetz eingespeist.
Die Leistung bekannter Anlagen zur Erzeugung von Biogas aus Schweinegülle bleibt vielfach hinter den Erwartungen zurück.
Ferner ist die dezentrale Separation von Gülle bekannt. Dabei wird Flüssigkeit von Gülle abgetrennt, um ein festes transportwürdiges Gut mit einem hohen TS von über 20% und einem guten Gasertrag zu schaffen. Der Festanteil separierter Schweinegülle wird zu zentralen Biogasanlagen transportiert, um daraus Biogas zu erzeugen.
Bei der Gärrest-Aufarbeitung wird die Fest-/Flüssigtrennung mittels Dekanter oder Pressschnecken eingesetzt, um eine Fraktion mit niedrigem TS und eine transportfähige Fraktion mit hohem TS zu gewinnen. Die Dünnfraktion wird z. B. auf dem Feld ausgebracht und die Dickfraktion z. B. als Humus verwendet.
Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Anlage zur Erzeugung von Biogas aus einer bei Stalltemperatur bereitgestellten Suspension von Tierfäkalien mit einem geringen Trockensubstanzgehalt zur Verfügung zu stellen.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Erzeugung von Biogas aus einer bei Stalltemperatur bereitgestellten Schweinegülle oder anderen Suspension von Tierfäkalien mit einem geringen Trockensubstanzgehalt wird die Suspension zu einer pumpfähigen Suspension mit einem erhöhten Trockensubstanzgehalt aufkonzentriert, die aufkonzentrierte Suspension in einen Fermenter geleitet, die aufkonzentrierte Suspension auf Fermentertemperatur erwärmt und durch Vergärung der erwärmten, aufkonzentrierten Suspension im Fermenter Biogas erzeugt.
Eigene Untersuchungen der Anmelderin an Schweinegüllen, die über ganz Deutschland verteilt genommen wurden, haben ergeben, dass Schweinegüllen im Durchschnitt einen Trockensubstanzgehalt und einen Anteil organischer Trockensubstanz haben, die deutlich unter den offiziellen Werten liegen. Dies geht mit einer nur geringen Raumbelastung des Fermenters mit organischer Trockensubstanz einher, welche die Effizienz der Biogaserzeugung stark mindert. Daraus ergibt sich, dass die offiziellen Gasertragswerte in der Praxis nicht erreicht werden können. Gärteste mit den untersuchten Güllen haben dies bestätigt. Infolgedessen produzieren die mit Biogas aus Schweinegülle betriebenen Blockheizkraftwerke regelmäßig erheblich weniger Strom und Wärme als bei der Auslegung der Biogasanlage erwartet wurde. Die produzierte Wärme reicht mitunter nicht dazu aus, die Gülle auf Betriebstemperatur zu erwärmen, geschweige denn, eventuelle Wärmeverluste des Fermenters zu decken.
Zudem muss für einen stabilen Gärprozess eine bestimmte durchschnittliche hydraulische Verweilzeit des Gärsubstrats im Fermenter sichergestellt werden, so dass infolge einer Erhöhung der Güllemenge das benötigte Fermentervolumen stark ansteigt.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Schweinegülle oder eine andere Suspension von Tierfäkalien mit einem geringen Trockensubstanzgehalt vor dem Vergären aufkonzentriert. Die Suspension wird jedoch nur soweit aufkonzentriert, dass sie noch eine pumpfähige Konsistenz hat. Dies hat den Vorteil, dass das Gärsubstrat durch Leitungen hindurch von Mitteln zum Aufkonzentrieren der bereitgestellten Suspension aus in den Fermenter geleitet oder gepumpt werden kann. Dies erfordert im Vergleich mit Fördereinrichtungen für ein festes Gärsubstrat einen geringeren Investitions- und Energiebedarf. Der Einsatz von Pumpen kann sogar entfallen, wenn die Leitungen ein hinreichendes Gefälle zum Fermenter haben. Für die Erwärmung der aufkonzentrierten Suspension auf Fermentertemperatur ist erheblich weniger Wärmeenergie erforderlich als für die Erwärmung der ursprünglich bereitgestellten Suspension. Die erforderliche Wärmeenergie kann mit Hilfe eines Blockheizkraftwerks bereitgestellt werden, das mit dem erzeugten Biogas betrieben wird. Zudem ist das erforderliche Fermentervolumen zum Vergären der aufkonzentrierten Suspension in einer vorgegebenen Verweilzeit beträchtlich geringer als das erforderliche Fermentervolumen zum Vergären der ursprünglich bereitgestellten Suspension über dieselbe Verweilzeit. Die Raumbelastung mit organischer Trockensubstanz im Fermenter ist bei der aufkonzentrierten Suspension wesentlich höher als bei der Vergärung der ursprünglich bereitgestellten Suspension bei derselben Verweilzeit. Es kann davon ausgegangen werden, dass durchschnittlich rund 20% des aus Schweinegülle gebildeten Biogases aus flüchtigen organischen Säuren stammt. Durch das Aufkonzentrieren der Suspension gehen zwar mit der abgetrennten flüssigen Phase flüchtige organische Säuren verloren. Dennoch ist das erfindungsgemäße Verfahren bereits wegen der Reduzierung der für das Erwärmen auf Fermentertemperatur benötigten Wärmemenge und der erhöhten Raumbelastung im Fermenter gegenüber dem herkömmlichen Verfahren wirtschaftlich. Der Verlust an Energie kann gegebenenfalls durch etwas erhöhte Zufuhr von Gülle kompensiert werden. Das Verfahren ist insbesondere für die Anwendung in Kleinanlagen vorteilhaft, die typischerweise eine Leistung von bis zu 100 kW haben. Eine Kleinanlage kann auf einem landwirtschaftlichen Betrieb betrieben werden, um aus der dort und gegebenenfalls in Nachbarbetrieben anfallenden Suspension von Tierfäkalien Biogas zu erzeugen.
Es versteht sich, dass das Verfahren Ausgestaltungen einbezieht, bei denen die bei Stalltemperatur bereitgestellte Gülle mit einer von Stalltemperatur abweichenden Temperatur aufkonzentriert wird, z. B. aufgrund einer zeitweiligen Lagerung unter Umgebungsbedingungen mit einer höheren oder tieferen Temperatur als Stalltemperatur.
Unter Tierfäkalien werden in dieser Anmeldung Fäkalien von Tieren oder von Menschen verstanden.
Bei dem Verfahren wird bevorzugt ausschließlich Suspension aus Tierfäkalien als Gärsubstrat eingesetzt. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung enthält oder besteht die Suspension aus mindestens einer der Suspensionen Schweinegülle, Rindergülle oder Braunwasser. Rindergülle ist gemäß einer Ausgestaltung Milchviehgülle, Kälbergülle oder Rindermastgülle oder ein Gemisch aus Milchviehgülle und Rindermastgülle. Braunwasser ist der Teil des Abwassers, der nur Fäzes, Spülwasser und Toilettenpapier enthält.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung wird die Suspension auf einen Trockensubstanzgehalt von maximal 15 Gew.-% aufkonzentriert. Aufkonzentrierte Schweinegülle oder Suspension von anderen Tierfäkalien ist bis zu diesem Trockensubstanzgehalt pumpfähig.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung wird die Suspension auf einen Trockensubstanzgehalt von mindestens 7 Gew.-%, vorzugsweise von mindestens 10 Gew.-%, vorzugsweise von etwa 11 Gew.-% aufkonzentriert. Bei den genannten Trockensubstanzgehalten werden die vorteilhaften Wirkungen der Aufkonzentrierung der Gülle und ein gut pumpfähiges Gärsubstrat erzielt.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung wird die Suspension auf einen vorgegebenen Ziel-Trockensubstanzgehalt aufkonzentriert und fortwährend mit dem vorgegebenen Ziel-Trockensubstanzgehalt in den Fermenter geleitet. Die Durchführung des Verfahrens mit einem vorgegebenen Ziel-Trockensubstanzgehalt der aufkonzentrierten Suspension, der fortwährend eingehalten wird, ist vorteilhaft für die Prozessstabilität, die Auslegung der Pumpen, Rohre, Rührwerke und anderer Anlagenkomponenten.
Das Gärsubstrat kann sogleich auf den vorgegebenen Trockensubstanzgehalt aufkonzentriert werden. Alternativ wird das Gärsubstrat zunächst auf einen definierten erhöhten Trockensubstanzgehalt aufkonzentriert und anschließend auf den definierten Trockensubstanzgehalt herunterverdünnt. Die erste Alternative ermöglicht den Einsatz von Mitteln zum Aufkonzentrieren, welche die Suspension so aufkonzentrieren, dass sie pumpfähig ist. Die zweite Alternative ermöglicht den Einsatz von Mitteln zum Aufkonzentrieren, welche die Suspension so aufkonzentrieren, dass sie nicht mehr pumpfähig ist.
Gemäß einer Ausgestaltung wird die aufkonzentrierte Suspension durch Wärmeaustausch mit den Gärresten aus dem Fermenter erwärmt. Bei dieser Ausgestaltung wird die Wärme der Gärreste für das Erwärmen des Gärsubstrats auf Fermentertemperatur genutzt.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung wird das Biogas für die Strom- und Wärmeerzeugung genutzt, die erzeugte Wärme zur Erwärmung der aufkonzentrierten Suspension und/oder zur Gebäudeheizung und/oder zur Warmwassererzeugung verwendet, und der erzeugte elektrische Strom in ein elektrisches Leitungsnetz eingespeist und/oder zum Betrieb einer Anlage zur Durchführung des Verfahrens verwendet.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung wird mit dem erzeugten Biogas ein Blockheizkraftwerk betrieben. Das Blockheizwerk erzeugt Wärme und elektrischen Strom.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung wird das erzeugte Methan in das Gasnetz eingeleitet.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung werden aus der flüssigen Fraktion, die von den Mitteln zum Aufkonzentrieren aus der Suspension abgetrennt wird, die flüchtigen organischen Säuren gewonnen und dem Fermenter zugeführt. Hierdurch werden die flüchtigen organischen Säuren für die Erzeugung von Biogas genutzt.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung werden die flüchtigen organischen Säuren durch Umkehrosmose aus der flüssigen Fraktion zurück gewonnen.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung wird die aufkonzentrierte Suspension auf eine Temperatur von 30°C bis 60°C erwärmt. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung wird sie von 40°C bis 50°C erwärmt.
Ferner wird die Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 11 gelöst.
Die erfindungsgemäße Anlage zur Erzeugung von Biogas aus einer bei Stalltemperatur bereitgestellten Suspension von Tierfäkalien mit einem geringen Trockensubstanzanteil hat

– Mittel zum Aufkonzentrieren der Suspension zu einer pumpfähigen Suspension und
– eine Verbindungsleitung, welche den Dickstoffaustrag der Mittel zum Aufkonzentrieren mit einem Eingang für Gärsubstrat des Fermenters verbindet.

Durch das Aufkonzentrieren zu einer pumpfähigen Suspension wird der Einsatz von Fördereinrichtungen mit geringem Investitions- und Energiebedarf ermöglicht. Durch das Aufkonzentrieren der Suspension werden Wärmebedarf und Fermentvolumen reduziert und die Raumbelastung erhöht. Hierdurch wird die Erzeugung von Biogas verbessert. Die Anlage ist besonders vorteilhaft als Kleinanlage ausführbar.
Die vorteilhaften Wirkungen der Anlage entsprechen den oben erläuterten vorteilhaften Wirkungen des Verfahrens von Anspruch 1. Die nachfolgenden Ausgestaltungen der Vorrichtung weisen Vorteile entsprechend den oben erläuterten Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens auf.
Gemäß einer Ausgestaltung der Vorrichtung sind die Mittel zum Aufkonzentrieren ausgewählt aus mindestens einem der nachfolgenden Mittel: Siebbandpresse, Gülleseparator mit Siebtrommel, Pressschnecke oder Dekanter. Diese Mittel zum Aufkonzentrieren haben einen geringen Energieverbrauch. Die Siebbandpresse und der Gülleseparator sind geeignet, sogleich eine pumpfähige aufkonzentrierte Suspension zu liefern.
Eine weitere Ausgestaltung hat eine den Gärrestaustrag des Fermenters mit einem Gärrestlager verbindende Gärrestleitung und einen einerseits an die Gärrestleitung und andererseits an die Verbindungsleitung angeschlossenen Wärmeaustauscher.
Dies ermöglicht einen vollautomatischen Betrieb. Bei dieser Ausgestaltung wird die Wärme des Gärrestes für das Erwärmen der aufkonzentrierten Suspension auf Fermentertemperatur genutzt.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist der Fermenter über eine Gasleitung an ein Blockheizkraftwerk angeschlossen, welches über Wärmeübertragungsmittel mit der Verbindungsleitung oder dem Fermenter verbunden ist. Bei dieser Ausgestaltung wird die vorn Blockheizkraftwerk gelieferte Wärme für das Erwärmen der aufkonzentrierten Suspension auf Fermentertemperatur genutzt.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung umfassen die Wärmeübertragungsmittel einen Wärmetauscher.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist die Anlage über die Verbindungsleitung direkt mit einer Fäkalienanlage eines Stalles verbunden. Hierfür ist die Verbindungsleitung mit der Fäkalienanlage und dem Zulauf der Mittel zum Aufkonzentrieren verbunden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der anliegenden Zeichnungen von Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
1 eine herkömmliche Anlage zum Erzeugen von Biogas aus Schweinegülle in einem Anlagenschema;
2 Trockensubstanzgehalte in 62 untersuchten Schweinegüllen;
3 Anteil der organischen Trockensubstanz an der Trockensubstanz in 62 untersuchten Schweinegüllen;
4 Biogaserträge (gemäß VDI 4630) aus 35 untersuchten Schweinegüllen;
5 eine erfindungsgemäße Anlage zur Erzeugung von Biogas aus Schweinegülle in einem Anlagenschema;
6 Gaserträge aus 120 Gärversuchen mit Schweine- und Rindergülle;
7 Zusammenhang zwischen organischer Trockensubstanz und gaschromatisch nachweisbaren organischen Säuren (C₂-C₆) in 61 untersuchten Schweinegüllen;
8 direkte Korrelation zwischen oTS, organischen Säuren und der Summe beider mit der Biogasbildung.
Gemäß 1 ist bei einer herkömmlichen Kleinanlage zur Biogaserzeugung aus Schweinegülle eine Verbindungsleitung 1 für Schweinegülle von einem Stall 2 über einen Wärmetauscher 3 zu einem Eingang 4 für Gärsubstrat eines Fermenters 5 geführt. Eine Gärrestleitung 6 für Gärrest ist von einem Gärrestaustrag 7 des Fermenters 5 über den Wärmetauscher 3 zu einem Gärrestlager 8 geführt.
Von einem Gasauslass 9 des Fermenters 5 verläuft eine Gasleitung 10 über einen Gasspeicher 11 zu einem Blockheizkraftwerk 12. Das Blockheizkraftwerk 12 ist über Wärmeübertragungsmittel 13, 14 an den Fermenter 5 und an die Verbindungsleitung 1 angeschlossen.
Das Gärsubstrat wird im Fermenter 5 von einem Rührwerk 15 durchmischt.
Schweinegülle aus dem Stall 2 wird durch die Verbindungsleitung 1 in den Fermenter 5 eingespeist, wobei sie im Wärmetauscher 3 mittels der Wärme der Gärreste erwärmt wird. Zusätzlich wird die Schweinegülle durch Wärme vom Blockheizkraftwerk 12 erwärmt.
Nach den Untersuchungen der Anmelderin erfüllt die Monovergärung von Schweinegülle in herkömmlichen Anlagen aus folgenden Gründen nicht die Erwartungen:
Offizielle Datenbanken (KTBL, Gasausbeuten in landwirtschaftlichen Biogasanlagen, Heft 88) geben als Richtwert für den Trockensubstanzgehalt (TS) in Schweinegülle 6% der Frischmasse an. 80% der TS sind dabei organische TS (oTS).
Eigene Untersuchungen an 62 Schweinegüllen, die über ganz Deutschland verteilt genommen wurden, zeigen ein deutlich anderes Bild. In der Praxis enthalten Schweinegüllen im Durchschnitt lediglich einen TS Gehalt von 3,8%. 85% der untersuchten Güllen lagen unter den offiziellen Werten (2).
Auch der Anteil oTS ist mit durchschnittlich 64% deutlich niedriger, als die KTBL-Vorhersage. Nur in einer von 62 Anlagen wurde der offizielle Wert erreicht (3).
Die folgerichtige Konsequenz daraus ist, dass auch die offiziellen Gasertragswerte in der Praxis nicht erreicht werden können. Die KTBL gibt für eine durchschnittliche Schweinegülle einen Biogasertrag von 20 m³/t Frischmasse (FM), mit einer Methankonzentration von 60%, also eine durchschnittliche Methanmenge von 12 m³/t FM, an. In der Verordnung des neuen EEG wird sogar von einer Methanmenge von 13 m³/t FM ausgegangen.
Diese Gaserträge werden mit in der Praxis anfallender Schweinegülle bei weiten nicht erreicht, wie 35 VDI 4630 konforme Gärteste an den untersuchten Güllen zeigten: Durchschnittlich wurden 9,1 Liter Biogas mit einer Methankonzentration von 60,18% aus einem kg FM, also 5,48 m³ Methan/t FM erzeugt (4).
Der Gesetzgeber geht folglich von einem durchschnittlichen Energiegehalt einer Gülle von 120 kWh aus, in der Praxis werden aber nur 54,6 kWh erreicht (Heizwert Methan = 9,97 kWh/m³).
Dies hat immense Auswirkungen auf den Betrieb einer Kleinanlage gemäß EEG. Bei einem elektrischen Wirkungsgrad des Blockheizkraftwerkes (BHKW) von 40% produziert die Praxisanlage nicht 48 kWh Strom/m³ Gülle, sondern nur noch 21,84 kWh Strom/m³ Gülle. Zum Betrieb einer 75 kW Anlage (657.000 kWh/a) benötigt ein durchschnittlicher Schweinehalter nicht mehr 13.688 m³/Gülle im Jahr sondern 30.082 m³ Gülle/a. Bei einer Güllemenge pro Tier von 5m³/a also nicht 2738 Tiere im Stalldurchschnitt sondern 6016. Der Markt für Biogas-Kleinanlagen im Schweinebereich ist deshalb relativ klein (bei reiner Güllevergärung im 75 kW-Segment).
Da davon auszugehen ist, dass viele Anbieter von Biogasanlagen die Wirtschaftlichkeit der von ihnen angebotenen Biogasanlage basierend auf den offiziellen Werten rechnen werden, stehen viele Schweinebetriebe, die eine Anlage betreiben, vor einem gravierenden Problem.
Selbst Betriebe, die über ausreichend große Schweinebestände verfügen, können bei dem in eigenen Untersuchungen ermittelten realen Energiegehalt von Schweinegüllen nicht wirtschaftlich Biogas produzieren. Die bei der Verbrennung im BHKW anfallende Wärmemenge beträgt ebenfalls ca. 40% des Heizwertes von Methan, also rund 22 kWh/m³ Schweinegülle. Zur Erwärmung von 1 m³ Gülle von Stalltemperatur (15°C) auf Fermentertemperatur (40°C) müssten hingegen 29 kWh Wärme zur Verfügung stehen. Bei einer thermophilen Betriebsweise mit einer Fermentertemperatur von 50°C, wie sie z. T. für die Güllevergärung vorgeschlagen wird, wären das 41 kWh/m³ Gülle. Basierend auf den offiziellen Daten stünde hierfür genügend Energie zur Verfügung, basierend auf den realen Daten würde das BHKW nicht einmal genügend Wärme produzieren, um die Gülle auf Betriebstemperatur bringen zu können.
In der Wärmebetrachtung zusätzlich zu berücksichtigen, ist der Wärmeverlust des Fermenters, der auf einer Betriebstemperatur von mindestens 40°C, auch bei niedrigen Außentemperaturen, gehalten werden muss. In der Praxis aufgenommene Daten (Gülzower Fachgespräche Band 32) gehen von einem Wärmebedarf von 450.000 bis 620.000 kWh/a (Abhängig von der Isolierung) bei einem Fermenter mit einem Durchmesser von 18 m und einer Höhe von 6 Meter aus (1500 m³).
Selbst wenn man gemäß 1 die Wärme der Gärreste für die Erwärmung der Gülle nutzt, reicht dies zur Deckung des Wärmebedarfs zur Erwärmung der Gülle auf Betriebstemperatur und Deckung des Wärmeverlustes des Fermenters nicht aus. Dies zeigt die nachfolgende Beispielsrechnung für den an sich günstigeren Fall der Erwärmung von Stalltemperatur auf 40°C Fermentertemperatur:

Rohstoffanfall: 100 m³ durchschnittliche Schweinegülle/Tag

TS: 39,5 g/Liter Gasertrag: 9 m³/m³ Gülle Methankonzentration: 60 Vol.%

Durchschnittliche hydraulische Verweilzeit im Fermenter: 40 Tage

Benötigte Fermentervolumen: 40 Tage = 4.000 m³

Gasertrag: 900 m³ Biogas mit 540 m³ Methan (Heizwert Methan 9,97 kWh/m³)

Heizwert: 5383,8 kWh
Nutzung im BHKW

Elektrischer Wirkungsgrad (38%): 2045,8 kWh_el/Tag = 85,24 KW_el Thermischer Wirkungsgrad (41%): 2207,4 kWh_th/Tag = 91,98 KW_th
Benötigte Wärme (Gülle von T1 = 15°C auf T2 = 40°C) = 29,03 kWh/m³ Bei 100 m³/Tag = – 2903 kWh/Tag
Wärmetauscher (60% Wärmerückgewinnung): 1741,8 kWh/Tag
Fermenterheizung: (150 kWh/m³ Fermentervolumen·Jahr) bei 4000 m³ = 600.000 kWh/Jahr = 1643,8 kWh/Tag

Wärmebilanz Wärmegewinnung:

Aus BHKW	2207,4 kWh
Aus Wärmetauscher	1741,8 kWh
	3949,2 kWh

Wärmebedarf:

Für Gülleerwärmung:	2903 kWh/Tag
Für Fermenterheizung:	1643,8 kWh/Tag
	4546,8 kWh/Tag
Saldo –597,6 kWh/Tag	(= 58,591 Biodiesel (Heizwert 10,2 kWh/l), bei € 0,6/l
	= –€ 35,15/Tag,
	–€ 12.830/Jahr).

Dabei würde das reale Defizit höher ausfallen, da der Bedarf an Wärmeenergie in den kalten Monaten durch das große Fermentervolumen erheblich ansteigt – und in warmen Monaten möglicherweise anfallende überschüssige Wärme nicht genutzt werden kann.
Berechnet mit der in der Realität im BHKW anfallenden Wärmemenge ist klar, dass eine Biogasanlage mit einer durchschnittlichen Schweinegülle als Substrat nicht betrieben werden kann.
Eine zusätzliche Wärmenutzung ist nicht möglich, denn selbst mit den offiziellen Gasertragswerten berechnet, muss die gesamte im BHKW anfallende Wärmemenge für die Biogasanlage verwendet werden.
Selbst unter Nichtberücksichtigung der fehlenden Wärme, stellen sich aufgrund der hohen Volumenströme und der niedrigen organischen Fracht im Substrat „Schweinegülle” weitere Probleme.
Als gravierend für die Wirtschaftlichkeit einer Anlage würde sich die benötigte hydraulische Verweilzeit heraus stellen. Bei einem nötigen Einsatz von 30.000 t Schweinegülle/a für eine 75 kW-Anlage, würden täglich 82 m³ Gülle in die Anlage eingebracht werden müssen. Um einen stabilen biologischen Prozess durchführen zu können und den im Batch-Test ermittelten Gasertrag der Substrate im volldurchmischten Fermenter zumindest zu 80% nutzen zu können, sollte die durchschnittliche hydraulische Verweilzeit zwischen 20 und 50 Tagen betragen. Das hierfür benötigte Fermentervolumen läge demzufolge zwischen unwirtschaftlichen 1.640 und 4.100 m³.
Da eine durchschnittliche Schweinegülle nur über einen oTS-Gehalt von knapp 26 kg/m³ FM verfügt (bei einem hohen Anteil nicht nutzbarer oTS), beträgt die Raumbelastung selbst in dem „kleinen” 1640 m³ Fermenter nur 1,3 kg oTS/m³·Tag. Die Mikrobiologie würde vermutlich unter einem konstant chronischen Mangel leiden.
Die erfindungsgemäße Anlage von 5 unterscheidet sich von der Anlage von 1 dadurch, dass die Verbindungsleitung 1 über den Zulauf 16 und den Dickstoffaustrag 17 einer Siebbandpresse 18 mit dem Wärmetauscher 3 verbunden ist. Der Dünnstoffaustrag 19 der Siebbandpresse 18 ist über eine Dünnstoffleitung 20 mit dem Gärrestlager 8 verbunden.
In der Siebbandpresse 18 wird die Gülle aus dem Stall 2 auf einen Ziel TS aufkonzentriert und über den Wärmetauscher 3 dem Fermenter 5 zugeführt. Die Dünnstofffraktion der Gülle gelangt aus der Siebbandpresse 18 in das Gärrestlager 8.
Die Siebbandpresse 18 oder alternativ ein Gülleseparator mit Siebtrommel wird so eingestellt, dass die aufkonzentrierte Suspension einen Ziel-Trockensubstanzanteil hat, der kleiner oder gleich 15 Gewichtsprozent ist. Durch die so erreichte Standardisierung des Substrates wird eine Standardisierung der Biogasanlage ermöglicht.
Die nachfolgende Beispielsrechnung zeigt, dass beim Betrieb dieser Anlage eine zusätzliche Wärmemenge bereitgestellt wird. Konzentration der Gülle auf einen Ziel TS von 11%

100 m³ Rohgülle auf 29,50 m³ mit 110 g/(3245 kg TS) zur Fermentation

und 70,50 m³ mit 10 g/l(705,5 kg/TS) ins Endlager

TS Verlust = Gasverlust = Energieverlust = 17,8%

Benötigte Fermentervolumen: 40 Tage = 1.180 m³

Gasertrag: 739,36 m³ Biogas mit 443,6 m³ Methan (Heizwert Methan 9,97 kWh/m³)

Heizwert: 4422,9,3 kWh
Nutzung im BHKW

Elektrischer Wirkungsgrad (38%): 1680,7 kWh_el/Tag = 70,03 kW_el Thermischer Wirkungsgrad (41%): 1813,1 kWh_th/Tag = 75,54 kW_th
Benötigte Wärme (Gülle von T1 = 15°C auf T2 = 40°C) = 29,03 kWh/m³ Bei 29,5 m³/Tag = – 856,4 kWh/Tag
Wärmetauscher (60% Wärmerückgewinnung): 513,8 kWh/Tag
Fermenterheizung: (150 kWh/m³ Fermentervolumen·Jahr) bei 1.180 m³ = 177.000 kWh/Jahr = 484,9 kWh/Tag

Wärmebilanz Wärmegewinnung:

Aus BKKW 1813,1 kWh

Aus Wärmetauscher 513,6 kWh

2326,9 kWh

Wärmebedarf:

Für Gülleerwärmung: 856,4 kWh/Tag

Für Fermenterheizung: 484,9 kWh/Tag

1341,3 kWh/Tag

Saldo + 986 kWh/Tag (bei € 0,05/kWh für genutzte Wärme = + € 45,05/Tag = + € 16443,25/Jahr).
Dabei würde der reale Überschuss niedriger ausfallen, da der Bedarf an Wärmeenergie in den kalten Monaten auch im kleineren Fermenter ansteigt – und in warmen Monaten möglicherweise anfallende überschüssige Wärme nicht genutzt werden kann.
Die Konzentration auf einen Ziel-Trockensubstanzgehalt von 15% (oder den höchstmöglichen pumpbaren Trockensubstanzgehalt) oder darunter gilt bevorzugt für Schweinegülle, aber auch für andere Güllen, z. B. Milchvieh- und Rindermastgülle, da bei allen Güllen der Gasertrag pro Tonne Frischmasse stark schwankt. Dies wird durch 6 belegt.
Die Konzentration von Schweinegülle hat zudem den Vorteil, dass z. B. im oben angegebenen Beispiel die Konzentration des wasserlöslichen NH₄ ebenfalls um 70,5% gesenkt wird und so eine mögliche Ammoniak-Hemmung des Biogasprozesses vermieden wird.
Bei Güllen mit sehr hohen Säurewerten können zusätzlich aus der Dünnstofffraktion die flüchtigen organischen Säuren gewonnen werden, um diese dem Prozess wieder zuzuführen. Hierfür kann eine Umkehrosmose zum Einsatz kommen. Hierdurch können der Vergärung im Fermenter weitere organische Bestandteile der Gülle zugeführt werden. Hierzu ist folgendes anzumerken:
Organische Bestandteile der Gülle setzen sich zusammen aus der nichtflüchtigen Organik und flüchtigen organischen Säuren.
Untersuchungen an 62 Schweinegüllen zeigten, dass zur, nach TS-Bestimmung und Veraschung als Differenz zwischen TS und Asche bestimmten oTS-Konzentration (durchschnittlich 25,85 g/l, im Mittel 15,8 Gew.-% an der oTS), gaschromatisch nachweisbare flüchtiger organischer Säuren (C₂ bis C₆) 4,08 g/l) hinzugerechnet werden müssen. Dabei korrelieren diese Säuren nicht mit der jeweiligen oTS-Konzentration der Güllen (7). „SuS” bedeutet Summe der organischen Säuren (C₂ bis C₆).
Weitere Untersuchungen ergaben, dass der Biogasertrag zum einen mit der oTS-Konzentration und – wenn auch schwächer – mit der Konzentration an organischen Säuren verbunden ist (8).
Da die bestimmte oTS, anders als die bestimmten Säuren, nicht komplett abgebaut werden kann (z. B. bedingt durch das anaerob inerte Lignin), kann davon ausgegangen werden, dass durchschnittlich rund 20% des aus der Gülle gebildeten Biogases aus organischen Säuren stammt. Diese werden gemäß der vorbeschriebenen Ausgestaltung des Verfahrens der Vergärung zugeführt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

VDI 4630 [0041]
KTBL, Gasausbeuten in landwirtschaftlichen Biogasanlagen, Heft 88 [0050]
VDI 4630 [0054]

Claims

Verfahren zur Erzeugung von Biogas aus einer bei Stalltemperatur bereitgestellten Schweinegülle oder anderen Suspension von Tierfäkalien mit einem geringen Trockensubstanzgehalt, bei dem die Suspension zu einer pumpfähigen Suspension mit einem erhöhten Trockensubstanzgehalt aufkonzentriert wird, die aufkonzentrierte Suspension in einen Fermenter geleitet wird, die aufkonzentrierte Suspension auf Fermentertemperatur erwärmt wird und durch Vergärung der erwärmten, aufkonzentrierten Suspension im Fermenter Biogas erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Suspension eine oder mehrere der folgenden Suspensionen enthält oder daraus besteht: Schweinegülle, Rindergülle oder Braunwasser.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Suspension auf einen Trockensubstanzgehalt von maximal 15 Gewichtsprozent aufkonzentriert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Suspension auf einen Trockensubstanzgehalt von mindestens 7 Gewichtsprozent, vorzugsweise von mindestens 14 Gewichtsprozent, vorzugsweise von etwa 11 Gewichtsprozent aufkonzentriert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Suspension auf einen vorgegebenen Ziel-Trockensubstanzgehalt aufkonzentriert wird und fortwährend mit dem vorgegebenen Trockensubstanzgehalt in den Fermenter gepumpt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die aufkonzentrierte Suspension durch Wärmeaustausch mit den Gärresten aus dem Fermenter erwärmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem das Biogas für die Strom- und Wärmeerzeugung genutzt, die erzeugte Wärme zur Erwärmung der aufkonzentrierten Suspension und/oder Gebäudeheizung und/oder Warmwassererzeugung verwendet wird und der erzeugte Strom in ein elektrisches Leitungsnetz eingespeist und/oder zum Betrieb einer Anlage zur Durchführung des Verfahrens verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem die aufkonzentrierte Suspension auf eine Temperatur von 30°C bis 60°C, vorzugsweise von 40°C bis 50°C erwärmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem aus der flüssigen Fraktion, die von den Mitteln zum Aufkonzentrieren aus der Suspension abgetrennt wird, die flüchtigen organischen Säuren gewonnen und dem Fermenter zugeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem die flüchtigen organischen Säuren durch Umkehrosmose aus der flüssigen Fraktion gewonnen werden.
Anlage zur Erzeugung von Biogas aus einer bei Stalltemperatur bereitgestellten Suspension von Tierfäkalien mit einem geringen Trockensubstanzanteil mit – Mitteln zum Aufkonzentrieren (18) der Suspension zu einer pumpfähigen Suspension und – einer Verbindungsleitung (1), welche den Dickstoffaustrag (17) der Mittel zum Aufkonzentrieren (18) mit einem Eingang (4) für Gärsubstrat des Fermenters (5) verbindet.
Anlage nach Anspruch 11, bei der die Mittel zum Aufkonzentrieren (18) ausgewählt sind aus mindestens einem der nachfolgenden Mittel: Siebbandpresse, Gülleseparator mit Siebtrommel, Pressschnecke oder Dekanter.
Anlage nach Anspruch 11 oder 12 mit einer den Gärrestaustrag (7) des Fermenters (5) mit einem Gärrestlager (8) verbindenden Ausgangsleitung (6) und einem einerseits an die Ausgangsleitung (6) und andererseits an die Verbindungsleitung (1) angeschlossenen Wärmetauscher (3).
Anlage nach einem der Ansprüche 11 bis 13, bei der der Fermenter (5) über eine Gasleitung (10) an ein Blockheizkraftwerk (12) angeschlossen ist, welches über Wärmeübertragungsmittel (13, 14) mit der Verbindungsleitung (1) oder dem Fermenter (5) verbunden ist.
Anlage nach einem der Ansprüche 11 bis 14, bei der die Verbindungsleitung (1) mit einer Fäkalienanlage eines Stalles (2) und dem Zulauf (16) der Mittel zum Aufkonzentrieren (18) verbunden ist.