DE102012014151B4

DE102012014151B4 - Verfahren zur Biogaserzeugung in einer Biogasanlage

Info

Publication number: DE102012014151B4
Application number: DE102012014151.3A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Pries
Original assignee: Mega Wave GmbH
Current assignee: Mega Wave GmbH
Priority date: 2012-07-18
Filing date: 2012-07-18
Publication date: 2019-02-14
Anticipated expiration: 2032-07-19
Also published as: DE102012014151A1

Abstract

Verfahren zur Biogaserzeugung in einer Biogasanlage, wobei in einem Fermenterbehälter (2) der Biogasanlage (1) Biomassen als organische Substrate (5) in einem anaeroben, kontinuierlichen einstufigen Nassvergärungsprozess zur Gewinnung von Biogas vergoren werden, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der organischen Substrate (5) im Nassvergärungsprozess mittels wenigstens einer Befeldungsvorrichtung (17) mit einer Hochfrequenzenergie befeldet wird, wobei dazu ein Hochfrequenz-Signal (HF-Signal) von 100MHz bis 200MHz verwendet wird, das mit einem Niederfrequenz-Signal (NF-Signal) von 1 Hz bis 1.000Hz moduliert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Biogaserzeugung in einer Biogasanlage nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
In einem Fermenterbehälter einer allgemein bekannten Biogasanlage werden Biomassen als organische Substrate in einem anaeroben, kontinuierlichen einstufigen Nassvergärungsprozess zur Gewinnung von Biogas vergoren.
Eine solche Biogasanlage sowie ein Verfahren zu derem kontinuierlichen, einstufigen Betrieb zur Erzeugung von Biogas durch anaerobe Nassvergärung ist beispielsweise aus der Schrift „Handreichung, Biogasgewinnung und - nutzung, Bundesministerium für Verbraucherschutz, Ernährung und Landwirtschaft, Fachagentur nachwachsende Rohstoffe, e.V.“ bekannt.
Die Erzeugung von Biogas erfolgt bei der anaeroben Nassvergärung in vier Verfahrensschritten:
Hydrolyse
In diesem ersten Verfahrensschritt werden komplexe Verbindung im organischen Substrat in einfachere organische Verbindungen auf biochemischem Weg durch von Bakterien freigesetzten Enzymen zerlegt.
Versäuerungsphase (Acidogenese)
In diesem zweiten Verfahrensschritt werden die gebildeten Zwischenprodukte durch säurebildende Bakterien weiter zu niederen Fettsäuren sowie Kohlendioxid und Wasserstoff abgebaut.
Essigsäurebildung (Acetogenese)
In diesem dritten Verfahrensschritt werden die vorstehenden Produkte durch Bakterien zu Vorläufersubstanzen des Biogases umgesetzt.
Methanbildung (Methanogenese)
Im vierten und letzten Verfahrensschritt wird aus den Produkten der Acetogenese von Methanbakterien Methan gebildet.
Bei dem in der Praxis üblichen einstufigen Verfahren laufen die vier vorstehenden Verfahrensschritte gemeinsam und zeitgleich in einem Fermenterbehälter ab. Damit ergibt sich im geschlossenen Fermenterbehälter oberhalb des Substratspiegels Biogas mit etwa 50Vol.-% bis 75Vol.-% Methan und mit weiteren Gaskomponenten, wobei insbesondere der Energieinhalt von Methan bei einer Verbrennung von Biogas genutzt wird. Üblicherweise wird dazu das erzeugte Biogas in einem Gasmotor eines Blockheizkraftwerks verbrannt und in mechanische Drehenergie sowie anschließend durch einen Generator in elektrische Energie zur weiteren Verwendung umgewandelt. Biogas kann nach einer Aufbereitung auch in Gasnetzwerke eingespeist werden.
Im Zuge der Energiewende gewinnt die Biogaserzeugung insbesondere im landwirtschaftlichen Bereich weiter an Bedeutung. Damit ist eine umweltfreundliche und bedingt durch staatlich festgelegte Vergütungssätze für elektrischen Strom aus regenerativen Energien auch eine wirtschaftlich lukrative Energieerzeugung möglich. Ersichtlich stellt sich damit die Aufgabe durch Maßnahmen bei der vorstehenden anaeroben Nassvergärung eine möglichst hohe Biogasausbeute mit einem möglichst hohen Methangehalt zu erreichen:
Eine wesentliche Steigerung der Biogaserzeugung wurde mit der Einführung von allgemein bekannten effektiven Rührtechnik in den Behältern und Fermentern erreicht. Weitere Verbesserungen der Erzeugungsraten wurden mit zeit- und volumen- oder gewichtsgesteuerten Zudosiervorrichtungen in Verbindung mit Aufbereitungen von Substratbestandteilen erhalten. Zudem ist es allgemein bekannt, in den Biogasanlagen verfahrensrelevante Parameter, welche die Gasausbeute beeinflussen, wie beispielsweise der pH-Wert, Temperaturbereiche, etc. zu überwachen und gegebenenfalls mittels eines Regeleingriffs zu korrigieren. Diese bekannten Maßnahmen sind weitgehend optimiert und ausgereizt, so dass hier durch eventuelle Variationen nur mehr geringe Steigerungsraten zu erwarten sind.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren vorzuschlagen, mit dem eine wesentliche Steigerung der verwertbaren Energie bei der Biogaserzeugung insbesondere durch eine Steigerung der Methanausbeute möglich ist.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass zumindest ein Teil der organischen Substanz im Nassvergärungsprozess mittels wenigstens einer Befeldungsvorrichtung mit einer Hochfrequenzenergie befeldet wird, wobei dazu ein Hochfrequenz-Signal (HF-Signal) von 100MHz bis 200MHz verwendet wird, das mit einem Niederfrequenz-Signal (NF-Signal) von 1Hz bis 1.000Hz moduliert wird.
Besonders bevorzugt und in einer Reihe von Versuchen erprobt wird ein Hochfrequenzsignal von 150MHz als Trägerfrequenzsignal verwendet, welches mit einem Niederfrequenzsignal von 10Hz oder 16Hz gegebenenfalls auch mit 108Hz moduliert wird.
Mit einer solchen Befeldung wird die Biogasausbeute insgesamt etwas erhöht, wobei jedoch besonders vorteilhaft eine wesentliche Steigerung des Methangehalts in Biogas im Vergleich zu einem Verfahren ohne Befeldung feststellbar ist. Während die Steigerung der gesamten Biogasausbeute vergleichsweise gering im einstelligen Prozentbereich liegt, ergibt sich eine große Steigerung des Methangehalts vergleichsweise im zweistelligen Prozentbereich.
In einem beispielhaften Versuchsaufbau mit zwei gleichen Versuchs-Biogasanlagen wurden parallel gleiche Versuchsmischungen aus Pferdemist und Impfgülle vergoren. In einer ersten Versuchs-Biogasanlage wurde das Substrat täglich vier Stunden befeldet, was zu einer Erhöhung der Methanausbeute von 15% gegenüber der anderen zweiten Versuchs-Biogasanlage ohne Befeldung geführt hat. Zudem wurde eine geringe Beschleunigung der Biogasbildung festgestellt: Das Biogasvolumen, welches in der zweiten Versuchs-Biogasanlage ohne Befeldung nach elf Tagen erreicht wurde, ist in der ersten Versuchs-Biogasanlage mit Befeldung bereits nach zehn Tagen erhalten worden.
Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt somit in der eklatanten Steigerung des Energieinhalts im erzeugten Biogas durch die wesentliche Steigerung des Methangehalts
Detaillierte Untersuchungen, welche der vier eingangs geschilderten Verfahrensschritte beim anaeroben Nassvergärungsprozess einzeln oder im Zusammenwirken durch die erfindungsgemäße Befeldung zur Steigerung des Methangehalts beeinflusst werden, liegen ebenso wie fundierte Erklärungen dazu noch nicht vor. Es sind lediglich aus dem Medizinbereich Befeldungsvorrichtungen zur Erzielung therapeutischer Effekte bekannt, welche niederfrequent modulierte Hochfrequenz-Signale zur Behandlung von lebendem Gewebe einsetzen ( EP 0 136 530 A1 ) und bezüglich einer Biogasgewinnung nicht relevant sind.
Es hat sich gezeigt, dass für die Steigerung der Methangasrate keine zeitlich durchgehende Befeldung erforderlich ist, sondern durch eine Befeldung in nacheinander folgenden, vorgebbaren Zeitabschnitten, vorzugsweise in Stundenabschnitten, von beispielsweise vier Stunden, eine Optimierungsmöglichkeit liegt.
Die Befeldung kann und soll mit relativ niedrigen sogenannten athermischen Feldstärken erfolgen, womit einerseits dafür nur geringe Energie aufzuwenden ist und andererseits keine schädliche Wirkung durch erhöhten Temperatureintrag auf die Bakterien erfolgt.
In einer konkreten Anordnung kann eine Befeldung dadurch erfolgen, dass am Fermenterbehälter ein vorzugsweise vertikal ausgerichtetes Bypass-Rohr angebracht wird, durch das Substrat aus dem Fermenterbehälter mittels einer Umwälzpumpe umgepumpt wird. An oder in dem Bypass-Rohr wird eine Befeldungsspule/-elektrode der Befeldungsvorrichtung angebracht, welche mit dem niederfrequent modulierten Hochfrequenzsignal beaufschlagt wird.
Der Durchsatz im Bypass-Rohr ist an den Fermenterinhalt anzupassen, um einen möglichst großen Volumenanteil des Fermenterinhalts einer Befeldung zuzuführen. Zweckmäßig werden dazu etwa zwei bis fünf Kubikmeter pro Stunde mit einer Fließgeschwindigkeit von ca. 0,3 bis 0,5 Meter pro Sekunde im Bypass-Rohr mittels einer Umwälzpumpe gefördert.
Eine Befeldung kann einzeln oder gegebenenfalls in Kombination auch an anderen Rohrleitungen durchgeführt werden, in denen Substrat prozessbedingt transportiert wird. Beispielsweise ist dazu eine Leitung zwischen einem Hydrolysebehälter und einem nachgeordneten Fermenterbehälter oder eine Transportleitung zwischen dem Fermenterbehälter und einem nachgeordneten Nachfermenter geeignet. Gegebenenfalls kann auch eine entsprechende Befeldung in einer Rezyklierungsleitung durchgeführt werden, die beispielsweise von einem Nachfermenterausgang zu einem Hydrolysebehälter verläuft.
Anhand einer Zeichnung wird die Erfindung weiter erläutert.
In 1 ist schematisch und beispielhaft eine Biogasanlage 1 dargestellt mit einem Fermenterbehälter 2, dem ein Hydrolysebehälter 3 vorgeschaltet ist und mit einem den Fermenterbehälter 2 nachgeordneten Nachfermenter 4 (eine Zudosiervorrichtung vor dem Hydrolysebehälter 3 ist nicht explizit gezeigt).
Erfindungsgemäß soll zumindest ein Teil des organischen Substrates 5 (schraffiert in den Behältern dargestellt), das in der Biogasanlage 1 vergoren wird einer Befeldung unterzogen werden.
Nach 2 erfolgt eine Befeldung dadurch, dass zwei Befeldungsspulen 6, 7 gegenüberliegend an einem Rohrabschnitt 8 angebracht sind, wobei durch den Rohrabschnitt 8 organisches Substrat 5 strömt (Pfeile 9, 10).
In einem Hochfrequenzgenerator 11 wird ein Hochfrequenzsignal von 150MHz erzeugt und in einem Niederfrequenzgenerator 12 wird gleichzeitig ein Niederfrequenzsignal mit 16Hz erzeugt. In einer Modulationseinheit 13 werden die beiden Signale zusammengeführt. Von dort wird das modulierte HF-Signal einem Leistungsverstärker 14 zugeführt, an den die beiden Befeldungsspulen 6, 7 für die Befeldung des durchströmenden organischen Substrats 5 angeschlossen sind. Weiter ist ein Schalter 15 schematisch dargestellt, mit dem die Befeldungsvorrichtung 17 ein- und ausschaltbar ist. In Verbindung mit dem Schalter 15 ist strichliert zudem eine Zeitsteuereinheit 16 eingezeichnet, mit der gegebenenfalls die Befeldung automatisch stunden- oder tageweise ein- und ausschaltbar ist.
Nach 1 wird eine Befeldung vorzugsweise in einem vertikal ausgerichteten Bypass-Rohr 18 am Fermenterbehälter 2 durchgeführt, in dem der Rohrabschnitt 8 entsprechend 2 sowie eine Umwälzpumpe 19 liegen.
Alternativ oder zusätzlich kann eine Befeldungsstelle 20 an der Substratleitung zwischen dem Hydrolysebehälter 3 und dem Fermenterbehälter 2 sowie eine Befeldungsstelle 21 an der Substratleitung zwischen dem Fermenterbehälter 2 und dem Nachfermenter 4 angebracht sein.
Am Ausgang des Nachfermenters 4 führt eine Förderleitung 22 zu einem (nicht dargestellten) Gärrestelager. Von dieser Förderleitung 22 zweigt eine Rezyklierungsleitung 23 zum Hydrolysebehälter 3 ab, wodurch im Hydrolysebehälter 3 Rezyklat zugemischt wird. Auch in der Rezyklierungsleitung 23 kann gegebenenfalls eine Befeldungsstelle 24 vorgesehen werden.

Claims

Verfahren zur Biogaserzeugung in einer Biogasanlage, wobei in einem Fermenterbehälter (2) der Biogasanlage (1) Biomassen als organische Substrate (5) in einem anaeroben, kontinuierlichen einstufigen Nassvergärungsprozess zur Gewinnung von Biogas vergoren werden, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der organischen Substrate (5) im Nassvergärungsprozess mittels wenigstens einer Befeldungsvorrichtung (17) mit einer Hochfrequenzenergie befeldet wird, wobei dazu ein Hochfrequenz-Signal (HF-Signal) von 100MHz bis 200MHz verwendet wird, das mit einem Niederfrequenz-Signal (NF-Signal) von 1 Hz bis 1.000Hz moduliert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein mit 10Hz oder 16Hz oder 108Hz moduliertes Hochfrequenzsignal von 150MHz verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Befeldung nacheinander in vorgebbaren Zeitabschnitten vorzugsweise in mehreren Stundenabschnitten durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Befeldung mit relativ niedrigen athermischen Feldstärken erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass am Fermenterbehälter (2) ein vorzugsweise vertikal ausgerichtetes Bypass-Rohr (18) angebracht wird, durch das Substrat (5) aus dem Fermenterbehälter (2) umgepumpt wird und an oder in dem Bypass-Rohr (18) wenigstens eine Befeldungsspule/- elektrode (6, 7) der Befeldungsvorrichtung (17) angebracht ist, womit das vorbeiströmende Substrat (5) befeldet wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass etwa 2 bis 5m³/Stunde mit einer Fließgeschwindigkeit von ca. 0,3 bis 0,5m/s im Bypass-Rohr (18) mittels einer Umwälzpumpe (19) gefördert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass dem Fermenterbehälter (2) eine ZudosierVorrichtung und gegebenenfalls ein Hydrolysebehälter (3) vorgeschaltet sind, und dass eine Befeldung des Substrats (5) auf dem Leitungsweg zwischen dem Hydrolysebehälter (3) und dem Fermenterbehälter (2) durchgeführt wird (Befeldungsstelle 20).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass dem Fermenterbehälter (2) ein Nachfermenter (4) und ein Gärrestelager nachgeordnet sind, und eine Befeldung des Substrats in der Förderleitung zwischen Fermenterbehälter (2) und Nachfermenter (4) durchgeführt wird (Befeldungsstelle 21).
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass vom Nachfermenterausgang ein Gärresteanteil als Rezyklat über eine Rezyklierungsleitung (23) zurück zum Hydrolysebehälter (3) geführt wird und in der Rezyklierungsleitung (23) eine Befeldung durchgeführt wird (Befeldungsstelle 24).