DE102012108893A1

DE102012108893A1 - Verfahren zum Betrieb einer Biogasanlage sowie Biogasanlage

Info

Publication number: DE102012108893A1
Application number: DE201210108893
Authority: DE
Inventors: Helmut Wolf; Hans Fetzer; Manuel Zak
Original assignee: RENERGON INTERNAT AG; Renergon International AG
Current assignee: RENERGON INTERNAT AG; Renergon International AG
Priority date: 2012-09-20
Filing date: 2012-09-20
Publication date: 2014-03-20

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Biogasanlage (1), welche mindestens einen Feststofffermenter (2, 2‘, 2‘‘) zur Vergärung stapelbarer Biomasse und mindestens eine mit einem Fermentergasraum (20, 20‘, 20‘‘) des Feststofffermenters (2, 2‘, 2‘‘) verbundene Gasleitung (3, 3‘, 3‘‘) zum Ableiten von Biogas aus dem Fermentergasraum (20, 20‘, 20‘‘) des Feststofffermenters (2, 2‘, 2‘‘) umfasst, wobei eine Inertisierung des Fermentergasraums (20, 20‘, 20‘‘) und/oder der Gasleitung (3, 3‘, 3‘‘) durchgeführt wird.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Biogasanlage, umfassend mindestens einen Feststofffermenter und eine Biogasanlage, welche mindestens einen Feststofffermenter umfasst.
Stand der Technik
Es ist bekannt, organische Feststoffe und insbesondere stapelbare Biomasse in so genannten Feststofffermentern zu fermentieren, um hieraus Biogas zu gewinnen. Das Biogas wird nachfolgend üblicherweise zur Wärmeerzeugung und/oder über Blockheizkraftwerke zur gekoppelten Strom- und Wärmegewinnung verwertet. Nach einer Aufreinigung kann das Biogas auch als Biomethan vertrieben werden und kann beispielsweise in das Erdgasnetz eingespeist werden oder zum Betrieb von Fahrzeugen verwendet werden.
In der bekannten Feststofffermentation werden die organischen Feststoffe in einen Feststofffermenter eingebracht und dann periodisch von einem Perkolatstrom durchströmt. Der Feststofffermenter ist üblicher Weise garagenartig ausgebildet und weist gasdichte Wände, Decke und Boden auf, welche häufig aus Beton gegossen sind, sowie ein gasdichtes Tor. Durch das Tor kann der Feststofffermenter mit den organischen Feststoffen beladen werden und der Gärrest kann nach Abschluss des Fermentationsvorgangs durch das Tor wieder ausgeräumt werden. Der Perkolatstrom wird von der Decke des Feststofffermenters aus auf die Biomasse aufgebracht, um den Gärprozess zu starten und in Gang zu halten.
Die entsprechenden Feststofffermenter sind gasdicht mittels Tore verschlossen und das Biogas wird über entsprechende Leitungsvorrichtungen aus den Feststofffermentern abgezogen.
Nachdem der Vergärprozess einer Beladung eines Feststofffermenters mit organischen Feststoffen abgeschlossen ist, also ungefähr nach 4–5 Wochen, wird der Gärrest aus dem entsprechenden Feststofffermenter ausgetragen.
Bei der Fermentierung von stapelbarer Biomasse in Feststofffermentern ist es bekannt, dass die jeweilige Gasproduktion unterschiedliche Phasen durchläuft. Insbesondere ist es bekannt, dass zu Beginn des Fermentationsprozesses, beispielsweise nach der Neubeladung des jeweiligen Feststofffermenters, zunächst Schwachgas produziert wird, also Gas mit einem geringen Heizwert. Nach dem Erreichen einer maximalen Gasproduktion nimmt im Fermentationszyklus das produzierte Gasvolumen bei immer noch hohem Methangehalt wieder ab. Aus dem Stand der Technik, beispielsweise der DE 10 2009 025 329 A1 , ist es bekannt, in einer Biogasanlage das produzierte Gas von mindestens zwei Feststofffermentern miteinander zu vermischen. Auf diese Weise kann ein Schlechtgas mit einem höher qualitativen Gas eines sich in einer anderen Fermentationsphase befindlichen Feststofffermenters so gemischt werden, dass bestimmte Grenzwerte eingehalten werden können.
In frühen Biogasanlagen wurde das Schwachgas, welches zu Beginn der Fermentationsphase entsteht, sowie das restliche Biogas, welches zum Ende der Vergärung hin entsteht, in die Atmosphäre abgelassen. In aktuellen Anlagen werden das Schwachgas und das restliche Biogas auch in einem Blockheizkraftwerk oder über eine Gasfackel verbrannt.
Weiterhin ist es bekannt, dass in bestimmten Konzentrationen aus Methan und Luft beziehungsweise Methan und Luftsauerstoff explosionsgefährdete Gasgemische resultieren können. Entsprechend ist es üblich, vor der Öffnung eines Feststofffermenters nach Abschluss der Fermentation eine langsame, aber ausführliche und sorgfältige Belüftung des Fermenters mit Umgebungsluft so durchzuführen, dass der Methangehalt in dem sich im Feststofffermenter befindlichen Gas so weit verdünnt wird beziehungsweise so weit abgesenkt wird, dass ein explosionsgefährdetes Gasgemisch nicht mehr vorliegt.
Darstellung der Erfindung
Ausgehend von dem Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Sicherheit einer Biogasanlage bezüglich des Explosions- und Feuerschutzes weiter zu verbessern.
Diese Aufgabe wird mittels eines Verfahrens zum Betrieb einer Biogasanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Entsprechend wird ein Verfahren zum Betrieb einer Biogasanlage vorgeschlagen, welche mindestens einen Feststofffermenter zur Vergärung stapelbarer Biomasse und mindestens eine mit einem Fermentergasraum des Feststofffermenters verbundene Gasleitung zum Ableiten von Biogas aus dem Fermentergasraum des Feststofffermenters umfasst. Erfindungsgemäß wird eine Inertisierung des Fermentergasraums und/oder der Gasleitung durchgeführt.
Dadurch, dass eine Inertisierung des Fermentergasraums und/oder der Gasleitung durchgeführt wird, kann, besonders vor Beginn des Vergärungsprozesses nach einer Neubefüllung des Feststofffermenters, zu Beginn des Vergärprozesses und/oder zum Ende des Vergärungsprozesses hin innerhalb des Feststofffermenters sowie innerhalb der jeweiligen Gasleitungen eine Atmosphäre beziehungsweise ein Gasmischung erzeugt werden, welche nicht explosionsgefährdet ist. Die auf diese Weise hergestellten Gasgemische sind durch die Inertisierung nicht mehr explosionsgefährdet, können aber dennoch einem zu verbrennenden Gasstrom zugemischt werden, so dass ein sicherer Betrieb der Biogasanlage gewährleistet wird und aber gleichzeitig eine Freisetzung von klimawirksamen Gasen vermieden werden kann.
Durch die Inertisierung des Schwachgases nach dem Schließen des Tores des Feststofffermenters und die Inertisierung des restlichen Biogases mit hohem Methangehalt vor dem erneuten Öffnen des Tores des Feststofffermenters können auch diese in den Anfangs- und Endphasen des Verwertungsprozesses entstehenden Gase verwertet werden, ohne dass explosionsgefährdete Gasgemische entstehen können. Damit lässt sich das gesamte in dem jeweiligen Feststofffermenter produzierte Biogas verwerten, ohne dass eine Gefährdung für die Mitarbeiter oder die Anlage entsteht. Auf diese Weise wird auch erreicht, dass kein klimawirksames Gas aus dem jeweiligen Feststofffermenter austritt.
Hierbei wird die Inertisierung bevorzugt vor einer Produktion von Schwachgas in dem Feststofffermenter durchgeführt, also bevorzugt nach einer Neubefüllung eines Feststofffermenters und vor dem Einsetzen der Perkolation, wenn der Vergärungsprozess noch nicht vollständig im Gange ist. Die Inertisierung wird auch bevorzugt zum Ende der Vergärung hin durchgeführt, wenn die Methangasproduktion im Vergärungsprozess aufgrund des abnehmenden Angebots an vergärbarer Substanz wieder abnimmt.
Unter Schwachgas wird in diesem Zusammenhang ein Biogasgemisch verstanden, welches nur einen reduzierten Heizwert von unter 8,5 MJ/m³ aufweist. Das Schwachgas wird auch als LCV – low calorific value – gas bezeichnet. In einem Biogasgemisch, welches als Schwachgas vorliegt, sind brennbaren Gase wie Methan oder andere gasförmige Kohlenwasserstoffe, Wasserstoff und/oder Kohlenmonoxid mit nicht brennbaren Komponenten, wie z. B. Stickstoff (aus der Luft), Wasserdampf oder Kohlendioxid verdünnt, so dass der reduzierte Heizwert zustande kommt.
Besonders bevorzugt wird die Inertisierung durchgeführt, bevor die Perkolation der stapelbaren Biomasse beginnt. Auf diese Weise wird erreicht, dass vor Beginn der Schwachgasproduktion am Anfang des Vergärungszyklus bereits eine Inertisierung des Feststofffermenters durchgeführt wurde, so dass eine Ausbildung von explosionsgefährdeten Gasen im Feststofffermenter von Beginn an vermieden werden kann und das entstehende Biogas von Anfang an verwertet werden kann.
Die Inertisierung kann durch das Einleiten eines Inertgases, beispielsweise Stickstoff, Argon oder Kohlendioxid, beziehungsweise Gemischen aus diesen und anderen Inertgasen durchgeführt werden, wobei die Einleitung von Stickstoff den Vorteil hat, dass der Verbrennungsprozess beispielsweise in einem Blockheizkraftwerk beziehungsweise in einem Motor eines Blockheizkraftwerkes durch den Stickstoffanteil nicht beeinträchtigt wird.
Die Durchführung der Inertisierung des Fermentergasraums und/oder der Gasleitung wird bevorzugt so durchgeführt, dass der verbleibende Sauerstoffgehalt innerhalb des Fermentergasraums beziehungsweise innerhalb der Gasleitung unter 12% absinkt und der Luftsauerstoff durch das Inertgas verdrängt wird. Entsprechend dem bekannten Explosionsdreieck für Methan, welches nachfolgend auch zu 2 beschrieben wird, wird durch eine solche Einleitung eines Inertgases und die damit einhergehende Reduktion des Sauerstoffgehaltes erreicht, dass das entstehende Gasgemisch nicht mehr explosionsgefährdet ist. Entsprechend wird das entstehende Gasgemisch unter die Explosionsgrenze von 12% Sauerstoff an dem Gasgemisch gedrückt, was ungefähr einem Prozentsatz von 60% Luft innerhalb des jeweiligen Gasgemisches entspricht.
In einer bevorzugten Ausgestaltung wird das Volumen des Fermentergasraums unter Berücksichtigung der jeweiligen individuellen Füllhöhe der eingebrachten stapelbaren Biomasse bestimmt und entsprechend ein Inertgasvolumen in den Fermentergasraum so eingeleitet, dass eine Inertisierung des entstehenden Gasgemisches erreicht wird. Durch das Einleiten des Inertgases in den Fermentergasraum wird Luft beziehungsweise Luftsauerstoff so verdrängt, dass das resultierende Gasgemisch unterhalb der Explosionsgrenze liegt. Mittels der vorhergehenden Bestimmung des Volumens des Fermentergasraums kann ein effizienter und wirtschaftlicher Umgang mit dem Inertgas erreicht werden.
Das in den Feststofffermenter einzubringende Inertgasvolumen wird bevorzugt auch über eine Analyse des im Feststofffermenter vorliegenden Gasgemisches bestimmt. Besonders bevorzugt wird dabei das aus dem Feststofffermenter über die Gasleitung abgezogene Gasgemisch auf seinen Inertgasanteil hin analysiert. Die Einleitung des Inertgases in den Feststofffermenter wird dann beendet, wenn die gewünschte Inertgaskonzentration im Feststofffermenter erreicht ist. Diese Analyse kann zusätzlich oder anstelle der Bestimmung des Volumens des Feststofffermenters durchgeführt werden. Da das Inertgas den im Feststofffermenter nach der Neubeladung vorliegenden Luftsauerstoff verdrängt und der Feststofffermenter gasdicht abgeschlossen ist, kann die Zufuhr von Inertgas bei Erreichen der gewünschten Inertgaskonzentration im Feststofffermenter gestoppt werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung wird die Sauerstoffkonzentration und/oder die Methankonzentration in dem Feststofffermenter und/oder in dem über die Gasleitung abgezogenen Gasgemisch gemessen, und das Einbringen des Inertgasvolumens so geregelt, dass die Ausbildung eines explosionsgefährdeten Gasgemischs vermieden wird. Dabei ist nach der Neubeladung des Feststofffermenters zunächst der Sauerstoffanteil durch das Einleiten des Inertgasstromes so zu regeln, dass das entstehende Gasgemisch nicht mehr explosionsgefährdet ist, bevorzugt durch Reduktion des Sauerstoffanteils unter 12%. Vor der geplanten Öffnung des Feststofffermenters wird hingegen der Inertgasstrom so geregelt, dass die Methangaskonzentration unter einen vorgegebenen Wert gedrückt wird, bevorzugt unter 2%, so dass bei Öffnung des Feststofffermenters ebenfalls kein explosionsgefährdetes Gasgemisch vorliegt und eine gefahrlose Öffnung durchgeführt werden kann.
Weiterhin bevorzugt ist es, mindestens einen zweiten Feststofffermenter in der Biogasanlage vorzusehen, welcher sich in einer anderen Vergärungsphase befindet als der erste, und wobei das inertisierte Gasgemisch aus dem ersten Feststofffermenter dem Gasstrom aus dem zweiten Feststofffermenter zugeführt wird und mit diesem vermischt wird. Hierbei wird besonders bevorzugt die Mischung so geführt, dass die Methankonzentration in dem resultierenden Biogasstrom mindestens 45% beträgt.
Durch die Kombination von mindestens zwei Feststofffermentern, bei welchen in einem ersten Feststofffermenter eine Inertisierung des Fermentergasraums beziehungsweise der Gasleitung durchgeführt wird, und einem zweiten Feststofffermenter, welcher bevorzugt in einem produktiven Bereich des Fermentationsprozesses derart betrieben wird, dass eine hohe Methanausbeute erreicht wird, kann auch durch eine Kombination der resultierenden Gasströme ein Abbau beziehungsweise eine Verbrennung des Methans aus dem Schwachgas produzierenden Feststofffermenter erreicht werden. Damit findet eine effektive Umsetzung des gesamten Methangases, also auch des in Schwachgasphasen erzeugten Methangases, statt.
Bevorzugt wird die Methankonzentration in dem Fermentergasraum vor der Öffnung des Fermenters so gesteuert, dass ein Methangehalt unter 2% erreicht wird. So kann ein sicheres Öffnen erreicht werden, ohne dass eine Explosionsgefahr besteht.
Bevorzugt ist mindestens ein zweiter Feststofffermenter vorgesehen und die Inertisierung des jeweiligen Fermentergasraumes der Feststofffermenter wird für jeden Feststofffermenter individuell gesteuert, um eine optimale Prozessführung zu erreichen.
Die oben gestellte Aufgabe wird weiterhin durch eine Biogasanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 14 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Entsprechend wird eine Biogasanlage vorgeschlagen, welche mindestens einen Feststofffermenter zur Vergärung stapelbarer Biomasse, und mindestens eine, mit jedem Feststofffermenter in Fluidverbindung stehende Gasleitung zur Ableitung eines in dem Feststofffermenter erzeugten Biogases umfasst. Erfindungsgemäß ist eine Inertisierungsvorrichtung zum Inertisieren des Fermentergasraums des Fermenters und/oder der Gasleitung vorgesehen.
Mit einer solchen Biogasanlage können die oben beschriebenen vorteilhaften Wirkungen erreicht werden.
Bevorzugt sind mindestens zwei Feststofffermenter vorgesehen und es kann mittels der Inertisierungsvorrichtung eine selektive Inertisierung jedes Feststofffermenters vorgenommen werden. Auf diese Weise kann in jedem Feststofffermenter eine individuelle Inertisierung auf Grundlage des jeweiligen Verfahrenszustandes des Vergärungsprozesses vorgenommen werden.
Kurze Beschreibung der Figuren
Bevorzugte weitere Ausführungsformen und Aspekte der vorliegenden Erfindung werden durch die nachfolgende Beschreibung der Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Biogasanlage in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel; und
2 ein Explosionsdreieck für Methan nach Tabasaran und Rettenberger 1982 (UBA-Forschungsbericht 12/1982, Nr. 10302207, Teil 1).
Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele anhand der Figuren beschrieben. Dabei werden gleiche, ähnliche oder gleichwirkende Elemente in den unterschiedlichen Figuren mit identischen Bezugszeichen bezeichnet und auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente wird in der nachfolgenden Beschreibung teilweise verzichtet, um Redundanzen zu vermeiden.
In 1 ist schematisch eine Biogasanlage 1 gezeigt, welche schematisch dargestellte Feststofffermenter 2, 2‘, 2‘‘ aufweist, die zur Beladung mit stapelbarer Biomasse vorgesehen sind. Die Feststofffermenter 2, 2‘, 2‘‘ sind in herkömmlicher Weise als sogenannte Garagenfermenter aufgebaut und weisen insbesondere einen gasdichten Innenraum auf, welcher schematisch als Fermentergasraum 20, 20‘, 20‘‘ dargestellt ist.
Die Feststofffermenter 2, 2‘, 2‘‘ weisen neben dem gegenüber der Umgebung gasdicht abgeschlossenen Fermentergasraum 20, 20‘, 20‘‘ hier nicht gezeigte Perkolationsvorrichtungen zum Aufbringen eines entsprechenden Perkolats auf die in die Feststofffermenter 2, 2‘, 2‘‘ eingebrachte stapelbare Biomasse auf.
Zum Ableiten des in den jeweiligen Feststofffermentern 2, 2‘, 2‘‘ erzeugten Biogases sind Gasleitungen 3, 3‘, 3‘‘ vorgesehen. Die Gasleitungen 3, 3‘, 3‘‘ stehen in Fluidverbindung mit den jeweiligen Fermentergasräumen 20, 20‘, 20‘‘ in den Feststofffermentern 2, 2‘, 2‘‘. In bekannter Weise wird das erzeugte Biogas einem Blockheizkraftwerk 4 mit einem entsprechenden Motor 40 sowie einem angeflanschten Generator 42 zugeführt. Über das Blockheizkraftwerk 4 kann die in dem Biogas gespeicherte Energie in Elektrizität und Heizwärme umgewandelt werden.
Eine Inertisierungsvorrichtung 5 ist vorgesehen, welche zur Inertisierung mindestens eines Fermentergasraums 20, 20‘, 20‘‘ beziehungsweise einer Gasleitung 3, 3‘, 3‘‘ dient. Die Inertisierungsvorrichtung 5 umfasst einen Inertgasspeicher 50, welcher hier schematisch durch Gasflaschen angedeutet ist, eine Steuerung 52, über welche entsprechend einzelne Gasräume 20, 20‘, 20‘‘ selektiv und individuell angesteuert und mit Inertgas beaufschlagt werden können. Weiterhin sind entsprechende Inertgasleitungen 54, 54‘, 54‘‘ vorgesehen, mittels welchen das über die Steuerung 52 gesteuerte Inertgas in den jeweiligen Fermentergasraum 20, 20‘, 20‘‘ eingebracht werden kann.
Weiterhin kann das Inertgas auch einem Gasstrom zugemischt werden, welcher über die Gasleitungen 3, 3‘, 3‘‘ ausströmt. Entsprechend sind weitere Inertgasleitungen 56, 56‘, 56‘‘ vorgesehen, mittels welchem ein Inertgasstrom direkt dem Gasstrom aus dem jeweiligen Feststofffermenter 2, 2‘, 2‘‘ zugemischt werden kann.
Durch die Zumischung des Inertgases über die Inertisierungsvorrichtung 5 entweder in einen Fermentergasraum 20, 20‘, 20‘‘ eines Feststofffermenters 2, 2‘, 2‘‘ oder in eine entsprechende Gasleitung 3, 3‘, 3‘‘ kann erreicht werden, dass eine Sauerstoffkonzentration innerhalb des jeweiligen Feststofffermenters 2, 2‘, 2‘‘ beziehungsweise innerhalb der entsprechenden Gasleitung 3, 3, 3‘‘ so abgesenkt wird, dass das entstehende Gasgemisch nicht mehr explosionsgefährdet ist.
Nach dem Befüllen eines individuellen Feststofffermenters 2, 2‘, 2‘‘ mit stapelbarer Biomasse und nach dem Verschließen dieses Feststofffermenters wird der jeweilige Vergärungsprozess gestartet. Die Vergärung wird dabei durch ein Aufbringen von Perkolat in bekannter Weise begünstigt und ermöglicht.
Zu Beginn des jeweiligen Vergärungsprozesses wird zunächst so genanntes Schwachgas produziert, also Gas mit einem reduzierten Heizwert. Dieses Schwachgas kann nicht direkt im Blockheizkraftwerk 4 verbrannt werden, da der Heizwert zu gering ist. Es bildet sich durch den niedrigen Methangehalt des Schwachgases jedoch in dem jeweiligen Fermentergasraum 20, 20‘, 20‘‘ beziehungsweise in den jeweiligen Gasleitungen 3, 3‘, 3‘‘ unter Umständen ein explosionsgefährdetes Gasgemisch aus, wenn ein Gas-Luft-Gemisch mit einer Methankonzentration zwischen 6 und 12% vorliegt. Ein solches Luft-Methan-Gemisch mit einem Methananteil von 6 bis 12% kann sich unter Einwirkung einer externen Feuerquelle einfach entzünden.
Um eine Explosion in dieser Anfangsphase des Verwertungsprozesses zu vermeiden, insbesondere bevor der eigentliche Vergärungsvorgang durch den Beginn der Perkolierung einsetzt, wird über die Inertisierungsvorrichtung 5 ein Inertgas in den jeweiligen Fermentergasraum eingeleitet. Auf diese Weise gelingt es, unter Zugabe des Inertgases, beispielsweise Stickstoff, Argon oder Kohlendioxid, den Luftsauerstoff aus dem Fermentergasraum 20, 20‘, 20‘‘ und/oder der Gasleitung 3, 3’, 3’’ so weit zu verdrängen, dass er unter die Explosionsgrenze von 12% Sauerstoffanteil an dem Gasgemisch verdünnt beziehungsweise reduziert wird. Entsprechend sinkt der Anteil der Luft an dem Gasgemisch auf 60% ab. Auf diese Weise kann in der Anfangsphase des Vergärungsprozesses ein wirksamer Explosionsschutz erreicht werden und das gesamte in dieser Anfangsphase des Verwertungsprozesses erzeugte Biogas verwertet werden, ohne dass eine Explosionsgefahr bestehen würde.
Die verdrängte Luft aus dem jeweiligen Fermentergasraum 20, 20‘, 20‘‘ kann zumindest in der Anfangsphase der Vergärung auch problemlos über eine entsprechende Bewetterungsleitung 6, welche über entsprechende Bewetterungsklappen 60, 60‘, 60‘‘ ebenfalls mit dem jeweiligen Fermentergasraum 20, 20‘, 20‘‘ verbunden ist, abgeleitet werden. Da der Vergärungsvorgang vor dem Aufbringen des Perkolats noch nicht gestartet wurde und dadurch die Methanproduktion ebenfalls noch nicht begonnnen hat, wird entsprechend auf diese Weise auch kein klimawirksames Gas in die Atmosphäre abgegeben.
Bevorzugt wird auf Grundlage der Dimensionen des Feststofffermenters 2, 2‘, 2‘‘ sowie unter Berücksichtigung der jeweiligen Füllhöhe der stapelbaren Biomasse innerhalb der jeweiligen Feststofffermenter 2, 2‘, 2‘‘ das individuelle Gasvolumen jedes Fermentergasraums 20, 20‘, 20‘‘ bestimmt. Auf dieser Grundlage kann über die Inertisierungsvorrichtung 5 und insbesondere die Steuerung 52 dem jeweiligen individuellen Fermentergasraum 20, 20‘, 20‘‘ ein entsprechendes Inertgasvolumen derart zugeführt werden, dass ein wirksamer Explosionsschutz gegeben ist.
Besonders bevorzugt wird auch eine Analyse des sich im Fermentergasraum 20, 20‘, 20‘‘ vorliegenden Gasgemischs auf den Inertgasanteil hin vorgenommen. Auf diese Weise lässt sich die Inertgaskonzentration im Fermentergasraum 20, 20‘, 20‘‘ genau verfolgen und beim Erreichen einer vorbestimmten Inertgaskonzentration kann entsprechend die Zufuhr von Inertgas gestoppt werden. Die Analyse des im Fermentergasraum 20, 20‘, 20‘‘ vorliegenden Gasgemischs kann entweder über einen im Fermentergasraum 20, 20‘, 20‘‘ angeordneten Sensor und/oder über die Analyse des über die Gasleitungen 3, 3‘, 3‘‘ abgezogenen Gases durchgeführt werden. Auf diese Weise lässt sich ein effizienter und wirtschaftlicher Umgang mit dem Inertgas erreichen.
In einer besonders bevorzugten Weiterbildung wird weiterhin eine Analyse des sich im Fermentergasraum 20, 20‘, 20‘‘ vorliegenden Gasgemischs auf den Sauerstoffanteil und/oder den Methangasanteil hin vorgenommen. Dabei wird nach der Neubeladung des Feststofffermenters 2, 2‘, 2‘‘ zunächst der Sauerstoffanteil durch das Einleiten des Inertgasstromes so geregelt, dass das entstehende Gasgemisch nicht mehr explosionsgefährdet ist, bevorzugt durch Reduktion des Sauerstoffanteils unter 12%. Vor der geplanten Öffnung des Feststofffermenters 2, 2‘, 2‘‘ wird hingegen der Inertgasstrom so geregelt, dass die Methangaskonzentration unter einen vorgegebenen Wert gedrückt wird, bevorzugt unter 2%, so dass bei Öffnung des Feststofffermenters 2, 2‘, 2‘‘ ebenfalls kein explosionsgefährdetes Gasgemisch vorliegt und eine gefahrlose Öffnung durchgeführt werden kann. Auf diese Weise lassen sich die im Fermentergasraum 20, 20‘, 20‘‘ entstehenden Gasgemische genau bezüglich ihres Gefährdungspotentials verfolgen und beim Erreichen einer vorbestimmten Konzentration an Sauerstoff oder Methangas kann entsprechend die Zufuhr von Inertgas gestoppt werden. Die Analyse des im Fermentergasraum 20, 20‘, 20‘‘ vorliegenden Gasgemischs kann entweder über einen im Fermentergasraum 20, 20‘, 20‘‘ angeordneten Sensor und/oder über die Analyse des über die Gasleitungen 3, 3‘, 3‘‘ abgezogenen Gases durchgeführt werden. Auf diese Weise lässt sich ein effizienter und wirtschaftlicher Umgang mit dem Inertgas erreichen und gleichzeitig ein effizienter Explosions- und Feuerschutz erreichen.
Beispielsweise kann bei einem ermittelten Gasraumvolumen eines Fermentergasraumes 20, 20’, 20’’ von beispielweise 150 m³ bei einer Inertisierungsleistung der Inertisierungsvorrichtung 5 von 30 m³/Stunde eine initiale Inertisierung des jeweiligen Feststofffermenters 2, 2‘, 2‘‘ in etwa 5 Stunden erreicht werden.
Das dann entsprechend erzeugte und über die Gasleitungen 3, 3‘, 3‘‘ abgezogene Gas aus dem Fermentergasraum der jeweiligen Feststofffermenter ist als Schwachgas weitestgehend frei von Sauerstoff, wodurch die Ausbildung von explosionsgefährdeten Zonen zu Beginn der Vergärung vermieden wird.
Über entsprechende Ventile 30, 30‘, 30‘‘, welche in den Gasleitungen 3, 3‘, 3‘‘ angeordnet sind, kann das Schwachgas dem Biogasstrom aus den anderen Feststofffermentern 2, 2‘, 2‘‘, welche bevorzugt im produktiven Betrieb arbeiten, hinzudosiert werden. Über entsprechende Messungen des dem Blockheizkraftwerk 4 zugeführten Gasstroms wird hier sichergestellt, dass der Methananteil, welcher dem Blockheizkraftwerk 4 zugeführt wird, 45% nicht unterschreitet, um hier eine effiziente Verbrennung und eine ausreichende Energiezufuhr bereitzustellen.
Entsprechend ist es bevorzugt, während der Inertisierung eines Fermentergasraums 20, 20‘, 20‘‘ ein Fermentergasraum mindestens eines weiteren Feststofffermenters 20, 20‘, 20‘‘ zur Produktion von Biogas mit einem hohen Anteil an Methangas zu verwenden, um dem Blockheizkraftwerk 4 einen entsprechend gut verbrennbaren Gasmix zuzuführen.
Zum Ende des Vergärungsprozesses hin, wenn die Methangasproduktion innerhalb eines individuellen Feststofffermenters 2, 2‘, 2‘‘ wieder abnimmt, wird ebenfalls zur Vermeidung von explosionsgefährdeten Zonen innerhalb des jeweiligen Feststofffermenters 2, 2‘, 2‘‘ beziehungsweise innerhalb der jeweiligen Gasleitungen 3, 3‘, 3‘‘, sowie zur Vermeidung von Emissionen von Methan an die Umgebung, eine Inertisierung vorgenommen. Auf diese Weise wird wiederum vermieden, dass bei der Öffnung des Feststofffermenters ein Methan-Luft-Gemisch entsteht, welches explosionsgefährdet ist, also insbesondere einen Methangehalt von 6 bis 12% aufweist.
Weiterhin wird zum Ende des Vergärungsprozesses hin durch einen Aufbau der Inertisierung beziehungsweise eine Erhöhung der Zufuhr von Inertisierungsgas in den Feststofffermenter erreicht, dass die Methankonzentration auf etwa 2% des Gasgemisches zum Zeitpunkt der Öffnung des jeweiligen Feststofffermenters 2, 2‘, 2‘‘ reduziert wird. Auf diese Weise kann eine gefahrlose Öffnung des Feststofffermenters so erreicht werden, dass eine Explosion beim Öffnen und Neubeladen des Fermenters ausgeschlossen wird.
Insbesondere wird es bevorzugt, etwa 1 bis 3 Tage vor der geplanten Öffnung des Feststofffermenters mit einer Zudosierung des Inertgases zu beginnen, bis durch die langsam ansteigende Konzentration die genannte Konzentration von etwa 2% Methan in dem Luft-Gas-Methan-Gemisch erreicht wird.
Beim Einleiten der Gase aus dem Feststofffermenter wird über die Steuerung der Ventile 30, 30‘, 30‘‘ erreicht, dass die Methankonzentration in dem dem Blockheizkraftwerk 4 zugeführten Gasstrom niemals unter 45% abfällt.
2 zeigt ein so genanntes Explosionsdreieck für Methan nach Tabasaran und Rettenberger 1982 (UBA-Forschungsbericht 12/1982, Nr. 10302207, Teil 1).
Das in der linken unteren Ecke des Explosionsdreiecks angeordnete Dreieck zeigt den Bereich, in welchem eine explosive Mischung aus Methan und Luft vorliegt. Aus dem Explosionsdreieck ergibt sich sofort, dass ein Anteil zwischen 6% und 12% an Methan in einem Methan-Luft-Gemisch zu einer explosiven Gasmischung führen können. Mit fallendem Luftanteil und entsprechend steigendem Anteil an Inertgas, beispielsweise CO₂ oder N₂, engt sich die kritische Methankonzentration immer weiter ein, um dann bei ca. 60% Luftanteil beziehungsweise 40% Inertgasanteil vollständig zu verschwinden. Entsprechend kann bei einer Verdünnung des Methan-Luft-Gemisches durch Inertgas derart, dass höchstens 60% Luft vorhanden sind, beziehungsweise entsprechend maximal 12% Sauerstoff in dem Gasgemisch vorhanden sind, ein Gasgemisch hergestellt werden, welches außerhalb der Explosionsgrenze liegt und entsprechend eine sichere Handhabung ermöglicht. Als Inertgase können Stickstoff, Argon oder Kohlendioxid, beziehungsweise Gemische aus diesen und anderen Inertgasen, verwendet werden.
Soweit anwendbar, können alle einzelnen Merkmale, die in den einzelnen Ausführungsbeispielen dargestellt sind, miteinander kombiniert und/oder ausgetauscht werden, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen.
Bezugszeichenliste

1: Biogasanlage
2, 2’, 2’’: Feststofffermenter
20, 20’, 20’’: Fermentergasraum
3, 3’, 3’’: Gasleitung
30, 30’, 30’’: Ventil
4: Blockheizkraftwerk
40: Motor
42: Generator
5: Inertisierungsvorrichtung
50: Inertgasspeicher
52: Steuerung
54, 54’, 54’’: Inertgasleitung
56, 56’, 56’’: Inertgasleitung
6: Bewetterungsleitung
60, 60’, 60’’: Bewetterungsklappe

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009025329 A1 [0006]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Explosionsdreieck für Methan nach Tabasaran und Rettenberger 1982 (UBA-Forschungsbericht 12/1982, Nr. 10302207, Teil 1) [0032]
Explosionsdreieck für Methan nach Tabasaran und Rettenberger 1982 (UBA-Forschungsbericht 12/1982, Nr. 10302207, Teil 1) [0055]

Claims

Verfahren zum Betrieb einer Biogasanlage (1), welche mindestens einen Feststofffermenter (2, 2‘, 2‘‘) zur Vergärung stapelbarer Biomasse und mindestens eine mit einem Fermentergasraum (20, 20‘, 20‘‘) des Feststofffermenters (2, 2‘, 2‘‘) verbundene Gasleitung (3, 3‘, 3‘‘) zum Ableiten von Biogas aus dem Fermentergasraum (20, 20‘, 20‘‘) des Feststofffermenters (2, 2‘, 2‘‘) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass eine Inertisierung des Fermentergasraums (20, 20‘, 20‘‘) und/oder der Gasleitung (3, 3‘, 3‘‘) durchgeführt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Inertisierung in Phasen einer Produktion von Schwachgas, bevorzugt von Schwachgas mit einem reduzierten Heizwert von unter 8,5 MJ/m³, durchgeführt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Inertisierung vor und/oder in der Anfangsphase eines Vergärungsprozesses in einem Feststofffermenter (2, 2‘, 2‘‘) durchgeführt wird, bevorzugt nach einer Neubefüllung des Feststofffermenters (20, 20‘, 20‘‘) mit stapelbarer Biomasse.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Inertisierung vor dem Aufbringen eines Perkolats auf die stapelbare Biomasse durchgeführt wird, bevorzugt nach einer Neubefüllung des Feststofffermenters (20, 20‘, 20‘‘) mit stapelbarer Biomasse und vor dem Aufbringen eines Perkolats.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Inertisierung am Ende des Vergärungsprozesses durchgeführt wird, bevorzugt in einem vorbestimmten Zeitraum vor einer Öffnung des Feststofffermenters (2, 2‘, 2‘‘).
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Inertisierung durch Einleiten eines Inertgases in den Fermentergasraum (20, 20‘, 20‘‘) und/oder die Gasleitung (3, 3‘, 3‘‘) eines Feststofffermenters (2, 2‘, 2‘‘) durchgeführt wird, bevorzugt durch Einleiten von Stickstoff, Argon und/oder Kohlendioxid.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Inertisierung so durchgeführt wird, dass der Sauerstoffgehalt im Fermentergasraum (20, 20‘, 20‘‘) und/oder in der Gasleitung (3, 3‘, 3‘‘) kleiner als 12 % ist und/oder der Anteil an Luft im Fermentergasraum (20, 20‘, 20‘‘) und/oder in der Gasleitung (3, 3‘, 3‘‘) unter 60% liegt.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Fermentergasraum (20, 20‘, 20‘‘) unter Berücksichtigung der Füllhöhe der eingefüllten stapelbaren Biomasse bestimmt wird, und zur Inertisierung ein entsprechendes Inertgasvolumen in den Fermentergasraum (20, 20‘, 20‘‘) eingeleitet wird.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das in dem Fermentergasraum (20, 20‘, 20‘‘) vorliegende Gasgemisch und/oder das in der Gasleitung (3, 3‘, 3‘‘) zum Ableiten des Biogases aus dem Fermentergasraum (20, 20‘, 20‘‘) vorliegende Gasgemisch analysiert wird und die Einleitung des Inertgases entsprechend gesteuert oder geregelt wird, bevorzugt eine Einleitung von Inertgas beim Erreichen einer vorbestimmten Inertgaskonzentration, einer vorbestimmten Sauerstoffkonzentration und/oder einer vorbestimmten Methangaskonzentration gestoppt wird.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein zweiter Feststofffermenter vorgesehen ist, welcher in einem anderen Verfahrenszustand betrieben wird, als der erste Feststofffermenter, und inertisiertes Schwachgas aus dem ersten Fermenter dem Gasstrom aus dem zweiten Feststofffermenter beigemischt wird und die Gasmischung dann verbrannt wird, bevorzugt in einem Blockheizkraftwerk (4).
Verfahren gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischung aus dem inertisierten Schwachgas und dem Gasstrom des zweiten Feststofffermenters so geführt wird, dass eine Gasmischung mit mindestens 45% Methangasgehalt erreicht wird.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Öffnung eines Feststofffermenters (2, 2‘, 2‘‘) zur Neubefüllung des Feststofffermenters mit stapelbarer Biomasse die Methangaskonzentration in dem Feststofffermenter durch Einleiten eines Inertgases auf unter 2% verdünnt wird.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein zweiter Feststofffermenter vorgesehen ist und die Inertisierung des jeweiligen Fermentergasraumes der Feststofffermenter für jeden Feststofffermenter individuell gesteuert wird.
Biogasanlage (1), umfassend mindestens einen Feststofffermenter (2, 2‘, 2‘‘) zur Vergärung stapelbarer Biomasse und mindestens eine, mit jedem Feststofffermenter (2, 2‘, 2‘‘) in Fluidverbindung stehende Gasleitung (3, 3‘, 3‘‘) zur Ableitung eines in dem Feststofffermenter (2, 2‘, 2‘‘) erzeugten Biogases, gekennzeichnet durch eine Inertisierungsvorrichtung (5) zum Inertisieren des Fermentergasraums (20, 20‘, 20‘‘) des Fermenters (2, 2‘, 2‘‘) und/oder der Gasleitung (3, 3‘, 3‘‘).
Biogasanlage (1) gemäß Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Feststofffermenter (2, 2‘, 2‘‘) vorgesehen sind und mittels der Inertisierungsvorrichtung (5) eine selektive Inertisierung jedes Feststofffermenters (2, 2‘, 2‘‘) vorgenommen werden kann.