DE102014001933A1 - Verfahren und Anlage zum Erzeugen von Biomethan - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anlage zum Erzeugen von Biomethan, mit einer Methanisierungseinheit (4), in der Kohlenstoffdioxid, Kohlenmonoxid und Wasserstoff in Methan und Wasser umgewandelt werden. Ferner ist eine Elektrolyseeinrichtung (14) vorgesehen, in der der Elektrolyseeinrichtung (14) zugeführtes Wasser durch elektrischen Strom in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten wird, wobei der mittels der Elektrolyseeinrichtung (14) erzeugte Wasserstoff wenigstens zum Teil der Methanisierungseinheit (4) zugeführt wird. Zudem ist eine Biogasanlage (7) vorgesehen, in der durch Vergärung von vergärbaren Stoffen in wenigstens einem Fermenter der Biogasanlage (7) ein wenigstens Methan und Kohlendioxid enthaltendes Biogas erzeugt wird, das wenigstens zum Teil der Methanisierungseinheit (4) zugeführt wird. Weiter ist eine Vergasungseinrichtung (2) vorgesehen, in der durch Vergasung von vergasbaren Stoffen mittels eines Vergasungs- und/oder Oxidationsmittels in wenigstens einem Reaktor der Vergasungseinrichtung (2) ein wenigstens Kohlenmonoxid, Wasserstoff, Kohlendioxid und Methan enthaltendes Synthesegas erzeugt wird, das wenigstens zum Teil der Methanisierungseinheit (4) zugeführt wird, wobei das in der Methanisierungseinheit (4) gebildete Biomethan einer Verwertungs- und/oder Speichereinrichtung, insbesondere einem Gasspeicher und/oder einem Gasnetz, zugeführt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen von Biomethan nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Anlage zur Erzeugung von Biomethan nach dem Oberbegriff des Anspruchs 16.
  • Es ist allgemein bekannt, zum Beispiel Biomasse und/oder Abfälle in Vergasungseinrichtungen mittels eines Vergasungs- und/oder Oxidationsmittels (zum Beispiel Luft, Sauerstoff oder Wasserdampf) thermisch zu vergasen. Das im Rahmen einer derartigen thermischen Vergasung erzeugte Gas bezeichnet man oftmals als „Holzgas”, als Synthesegas, als Syngas oder kurz als SNG (die Abkürzung SNG steht für den englischen Begriff: Synthetic Natural Gas). Nachfolgend wird für das durch thermische Vergasung erzeugte Gas der Einfachheit halber stets der Begriff Synthesegas verwendet.
  • Des Weiteren ist es allgemein bekannt, Biogas durch Vergärung bzw. biologische Vergasung von Biomasse bzw. organischen Abfällen in Biogasanlagen zu erzeugen.
  • Insbesondere das mittels einer biologischen Vergasung erzeugte Biogas wird regelmäßig vor Ort in BHKWs verstromt, wobei der so erzeugte Strom dann in ein Stromnetz eingespeist wird.
  • Das mittels der thermischen bzw. biologischen Vergasung erzeugte Rohgas kann aber auch, nach einer entsprechenden Aufbereitung und Reinigung, als Biomethan in ein Gasnetz, zum Beispiel in ein Erdgasnetz, eingespeist werden oder zum Beispiel auch als Biokraftstoff verwendet werden. Ein Großteil dieses in das Gasnetz eingespeisten Biomethans wird dann zum Beispiel in Blockheizkraftwerken (BHKW) zur Strom- und Wärmeerzeugung genutzt.
  • Ein Problem, das bei der Biomethanerzeugung auf der Basis von Synthesegas und/oder Biogas somit regelmäßig auftritt, ist, dass das bei der thermischen als auch bei der biologischen Vergasung entstehende Rohgas neben dem eigentlichen Methan (CH4) noch in einem erheblichen Maße verunreinigt ist und weitere Gasbestandteile aufweist. So weist das durch Vergärung bzw. biologische Vergasung erzeugte Biogas neben anderen Verunreinigungen, wie zum Beispiel Ammoniak (NH3), Schwefelwasserstoff (H2S), einen sehr großen Kohlendioxid(CO2)-Anteil auf, während das bei der thermischen Vergasung gebildete Synthesegas neben dem Methan auch noch erhebliche Mengen an Stickstoff (N2; nur bei der Vergasung mit Luft als Oxidationsmittel), Kohlenmonoxid (CO), Wasserstoff (H2), Kohlendioxid (CO2) und Wasser (H2O) aufweist. Zudem weist das Synthesegas oftmals auch Spuren von Ammoniak (NH3) und Teer auf.
  • Dementsprechend muss das in der Biogasanlage bzw. in der Vergasungseinrichtung gebildete Rohgas vor dessen Zuführung zum Gasnetz relativ aufwendig aufbereitet bzw. gereinigt werden, um den für die Einspeisung in das Gasnetz erforderlichen Reinheitsgrad, bezogen auf Methan (CH4), zu erhalten. Der hierfür erforderliche Reinigungsaufwand erfordert darüber hinaus einen erheblichen Aufwand an elektrischer Energie, zum Beispiel den Einsatz von Gas, Elektrofiltern etc., was sich letztendlich auch negativ auf die gesamte Ökobilanz einer derartigen Biomethangewinnung bzw. negativ auf den Gesamtwirkungsgrad einer derartigen Biomethanerzeugung auswirkt.
  • Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erzeugen von Biomethan zur Verfügung zu stellen, mittels dem bzw. mittels der insbesondere der apparative und energetische Aufwand bei der Erzeugung von Biomethan, insbesondere im Hinblick auf die Einspeisung in ein Gasnetz, auf Ressourcen schonende Weise erzielt werden kann.
  • Diese Aufgabe wird gelöst mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen hierzu sind Gegenstand der darauf rückbezogenen Unteransprüche.
  • Gemäß Patentanspruch 1 wird ein Verfahren zur Erzeugung von Biomethan vorgeschlagen, bei dem eine Methanisierungseinheit vorgesehen ist, in der Kohlenstoffdioxid, Kohlenmonoxid und Wasserstoff gemäß der nachstehenden Reaktionsgleichungen in Methan und Wasser umgewandelt werden: CO2 + 4H2 → 2H2O + CH4 CO + 3H2 → H2O + CH4
  • Diese auch Sabatier-Reaktionen genannten Reaktionsgleichungen zeigen, wie Kohlenmonoxid und Kohlendioxid unter Anwesenheit von Wasserstoff zu Methan und Wasser (als Nebenprodukt) umgewandelt werden.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst weiter eine Elektrolyseeinrichtung, in der der Elektrolyseeinrichtung zugeführtes Wasser durch elektrischen Strom in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten wird, wobei der mittels der Elektrolyseeinrichtung erzeugte Wasserstoff wenigstens zum Teil der Methanisierungseinheit zugeführt wird.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst weiter eine Biogasanlage, in der durch biologische Vergasung bzw. Vergärung von biologisch vergasbaren bzw. vergärbaren Stoffen, insbesondere von Biomasse und/oder organischen Abfällen, in wenigstens einem Fermenter der Biogasanlage ein wenigstens bzw. vor allem Methan und Kohlendioxid enthaltendes Biogas erzeugt wird, das (ohne vorherige CO2-Abtrennung) wenigstens zum Teil der Methanisierungseinheit zugeführt wird, um dort das für die Sabatier-Reaktionen benötigte Kohlendioxid (CO2) zur Verfügung zu stellen.
  • Ferner umfasst die erfindungsgemäße Verfahrensführung eine Vergasungseinrichtung, in der durch thermische Vergasung von thermisch vergasbaren Stoffen, insbesondere von Biomasse und/oder organischen Abfällen, mittels eines Vergasungs- und/oder Oxidationsmittels, zum Beispiel Luft, Sauerstoff oder Wasserdampf, in wenigstens einem Reaktor der Vergasungseinrichtung ein unter anderem bzw. wenigstens Kohlenmonoxid, Wasserstoff, Kohlendioxid und Methan enthaltendes Synthesegas erzeugt wird, das wenigstens zum Teil der Methanisierungseinheit zugeführt wird, um dort für die Sabatier-Reaktionen erforderlichen Edukte Kohlenmonoxid und Kohlendioxid zur Verfügung zu stellen.
  • Das so in der Methanisierungseinheit gebildete Biomethan, kann dann mit der erforderlichen Reinheit einer definierten Verwertungs- und/oder Speichereinrichtung, insbesondere einem Gasspeicher und/oder einem Gasnetz, bevorzugt einem öffentlichen Gasnetz, zugeführt werden.
  • Mit der erfindungsgemäßen Lösung wird somit lediglich durch den Einsatz einer Methanisierungseinheit auf einfache und funktionssichere Weise sichergestellt, dass das von der thermischen Vergasungseinrichtung und von der Biogasanlage erzeugte Rohgas so gereinigt bzw. aufbereitet wird, dass dieses eine Qualität aufweist, das als Biomethan ohne Weiteres in das Gasnetz eingespeist werden kann. Mit der erfindungsgemäßen Lösung kann somit der apparatetechnische Aufwand zur Aufbereitung des von der Vergasungseinrichtung bzw. von der Biogasanlage erzeugten Rohgases deutlich reduziert und verringert werden.
  • Das so erzeugte Biomethan kann zum Beispiel durch Verbrennung in einem Gaskraftwerk zur Stromerzeugung genutzt werden, welcher Strom dann auch wiederum mittelbar über das Stromnetz zum Betreiben der Elektrolyseeinrichtung verwendet werden kann. Dadurch lässt sich der energetische Aufwand beim Betreiben der Elektrolyseeinrichtung vorteilhaft reduzieren, was hilft, den Wirkungsgrad zum Erzeugen von Biomethan deutlich zu erhöhen.
  • Vergast bzw. vergärt wird hier in erster Linie Biomasse, wobei dieser Begriff ausdrücklich umfassend zu verstehen ist, das heißt zum Beispiel dergestalt, dass darunter im weiteren Sinne Phyto- und/oder Zoomasse sowie daraus resultierende Folge-, Nebenprodukte, Rückstände und Abfälle zu verstehen ist. Im abfallwirtschaftlichen Zusammenhang betrifft dies insbesondere die Abfallfraktionen Altholz, kompostierbare Abfälle aus Haushalten, pflanzliche und tierische Abfälle aus der Land-, Forst- und Fischwirtschaft sowie Abfälle aus der Produktion und Verwendung von Nahrungs- und Genussmitteln. Außerhalb der Abfallwirtschaft stellen die nachwachsenden Rohstoffe (NawaRo) eine relevante Biomassegruppe dar.
  • Ein weiterer wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Verfahrensführung liegt darin, dass das im Rahmen der Methanisierung in der Methanisierungseinheit anfallende Wasser gegebenenfalls auch wiederum der Elektrolyseeinrichtung zugeführt werden kann, um von diesem Wasser den Wasserstoff abzuspalten, der dann in der Methanisierungseinheit zur Methanisierung benötigt wird. Auch mit dieser besonders bevorzugten Ausführungsvariante lässt sich somit der Wirkungsgrad der erfindungsgemäßen Verfahrensführung nochmals wesentlich erhöhen.
  • Je nach den vorherrschenden Betriebsbedingungen kann aber selbstverständlich, alternativ oder zusätzlich, vorgesehen sein, dass der Elektrolyseeinrichtung eine definierte Menge an Frischwasser zugeführt wird.
  • Zusätzlich oder alternativ kann auch das in der Vergasungseinrichtung und/oder in der Biogasanlage anfallende Wasser, insbesondere Kondenswasser, wenigstens zum Teil der Elektrolyseeinrichtung zugeführt werden.
  • Besonders vorteilhaft ist des Weiteren eine Verfahrensführung, bei der wenigstens ein Teil oder lediglich ein Teil des in der Biogasanlage im Rahmen einer Hydrolyse erzeugten Wasserstoffes der Elektrolyseinrichtung zugeführt wird. Die Biogasanlage kann hierzu zum Beispiel wenigstens eine gezielt zur Wasserstofferzeugung ausgelegte bzw. ausgebildete Hydrolysestufe aufweisen, in der der Wasserstoff (H2) erzeugt wird. Grundsätzlich kann der Wasserstoff aber auch im Rahmen der „normalen” Hydrolyse in einem Fermenter der Biogasanlage erzeugt und von dort abgezogen werden.
  • Insbesondere in Verbindung mit einer Biogasanlage die eine Trocknungseinrichtung, zum Beispiel eine Trocknungseinrichtung zur Trocknung von Gärresten, aufweist, kann es vorteilhaft sein, das in der Trocknungseinrichtung anfallende Wasser wenigstens zum Teil der Elektrolyseeinrichtung zuzuführen. Auch hierdurch ergibt sich eine optimale Ausnutzung der innerhalb des Systems anfallenden Wertstoffe im Rahmen der erfindungsgemäßen Biomethanerzeugung.
  • Die der Elektrolyseeinrichtung zugeführte Wassermenge, insbesondere eine Frischwassermenge und/oder eine Trocknungswassermenge und/oder eine Kondenswassermenge aus der Biogasanlage und/oder eine Kondenswassermenge aus der Vergasungseinrichtung, wird, bevorzugt mittels einer Steuer- und/oder Regeleinrichtung, in Abhängigkeit von der in der Methanisierungseinheit gebildeten und der Elektrolyseeinrichtung zugeführten Wassermenge vorgegeben. Hier, wie auch insgesamt und damit ganz allgemein, gilt, dass bei der erfindungsgemäßen Verfahrensführung wenigstens eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung vorgesehen ist, mittels der die Stoffströme zu den einzelnen Anlagen, Bauteilen etc. in Abhängigkeit von definiert vorgegebenen Betriebsparametern gesteuert und/oder geregelt werden.
  • Grundsätzlich besteht jedoch auch die Möglichkeit, das in der Methanisierungseinheit gebildete Wasser wenigstens zum Teil dem wenigstens einen Fermenter der Biogasanlage zuzuführen bzw. alternativ oder zusätzlich wenigstens zum Teil, vorzugsweise in erhitzter Form als Wasserdampf, dem wenigstens einen Reaktor der Vergasungseinrichtung zuzuführen. In letzterem Fall dient dann der Wasserdampf zum Beispiel als Vergasungs- und/oder Oxidationsmittel der Vergasungseinrichtung.
  • Des Weiteren handelt es sich bei den in der Methanisierungseinheit ablaufenden Reaktionen um stark exotherme Reaktionen. Dadurch besteht die Möglichkeit, die in der Methanisierungseinheit anfallende Wärme aus dieser auszukoppeln und innerhalb des Systems dort einzukoppeln, wo Wärme benötigt wird, zum Beispiel der Biogasanlage und/oder der Vergasungseinrichtung zuzuführen.
  • Es versteht sich, dass wenigstens ein Teil des in der Biogasanlage erzeugten Biogases und/oder wenigstens ein Teil des in der Vergasungseinrichtung erzeugten Synthesegases selbstverständlich auch wenigstens einem Blockheizkraftwerk zugeführt werden kann, in dem Strom erzeugt wird. Dieser Strom kann dann zum Beispiel in ein Stromnetz eingespeist werden. Besonders effektiv und im Hinblick auf den Gesamtwirkungsgrad vorteilhaft ist jedoch eine Ausführungsform, bei der der erzeugte Strom wenigstens zum Teil auch der Elektrolyseeinrichtung zugeführt wird, die elektrische Energie benötigt, um das Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff aufzuspalten.
  • Das in der Biogasanlage gewonnene kohlendioxidhaltige Biogas und das in der Vergasungseinrichtung erhaltene Synthesegas können grundsätzlich unabhängig und separat voneinander der Methanisierungseinheit zu vorgegebenen Zeiten und in vorgegebener Menge zugeführt werden. Grundsätzlich besteht jedoch auch die Möglichkeit, wenigstens einen Teil des zur Methanisierungseinheit geführten Biogases mit wenigstens einem Teil des zur Methanisierungseinheit geführten Synthesegases stromauf der Methanisierungseinheit zusammenzuführen und zu vermischen, was zweckmäßigerweise in einer Mischeinrichtung geschieht, so dass dann der Methanisierungseinheit ein Gemisch aus den beiden Gasen zugeführt wird. Dies hat den Vorteil, dass der Methanisierungseinheit dann ein im Wesentlichen gleichbleibendes homogenes Gasgemisch zugeführt werden kann, was sich vorteilhaft auf den Reaktionsablauf in der Methanisierungseinheit auswirkt.
  • Das in der Vergasungseinrichtung erzeugte Synthesegas wird der Methanisierungseinheit vorzugsweise kontinuierlich und ohne Zwischenspeicherung zugeführt. Der Grund hierfür liegt insbesondere darin, dass eine Speicherung des Synthesegases zum einen relativ aufwendig ist und dass der Reaktor der Vergasungseinrichtung relativ einfach hinsichtlich der Gasausbeute mittels einer Steuer- und/oder Regeleinrichtung steuer- bzw. regelbarbar ist, das heißt die Gasausbeute und damit der Gasabzug mittels einer Steuer- und/oder Regeleinrichtung relativ gut und einfach gedrosselt bzw. erhöht werden kann. Letzteres ist dagegen bei einer Biogasanlage schwieriger, während hier aber das entstehende Biogas relativ leicht gespeichert werden kann. Dementsprechend weist die Biogasanlage bevorzugt einen Gasspeicher auf, in dem das der Methanisierungseinheit zugeführte kohlendioxidhaltige Biogas zwischengespeichert und dann mittels einer Steuer- und/oder Regeleinrichtung bedarfsweise abgezogen wird. Hierdurch wird somit ein Aufbau zur Verfügung gestellt, mittels dem das Gasmanagment für Zuführung von Gas zur Methanisierungseinheit einfach zu bewerkstelligen ist.
  • Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass ein nicht der Methanisierungseinheit zuführbarer Teil des kohlendioxidhaltigen Biogases einer Aufbereitungseinrichtung zugeführt wird, in der das Kohlendioxid aus dem Biogas abgetrennt wird, wobei das abgetrennte Kohlendioxid der Methanisierungseinheit zugeführt wird. Auch hierdurch wird zum Beispiel insbesondere in Verbindung mit sehr großen Mengen von anfallendem Biogas zum einen sichergestellt, dass ein möglichst reines Methan dem Gasnetz zugeführt wird. Das abgetrennte Kohlendioxid braucht dann zum anderen aber nicht einfach verworfen werden, sondern kann vorteilhaft der Methanisierungseinheit zugeführt werden, in der das Kohlendioxid als Edukt für die dort ablaufenden Sabatier-Reaktionen benötigt wird.
  • Ferner wird gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform vorgeschlagen, dass wenigstens ein Teil des in der Elektrolyseeinrichtung erzeugten Sauerstoffs der Vergasungseinrichtung zugeführt wird. Dies hat den Vorteil, dass der Sauerstoff dann dort, insbesondere als Vergasungs- bzw. Oxidationsmittel, verwendet werden kann. Dies hilft ebenfalls, den Gesamtwirkungsgrad der erfindungsgemäßen Verfahrensführung zu erhöhen.
  • Ferner wird eine Anlage zur Erzeugung von Biomethan beansprucht, deren Vorteile identisch zu den zuvor in Verbindung mit der Verfahrensführung genannten Vorteilen sind. Insofern wird auf die zuvor gemachten Ausführungen verwiesen.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer Zeichnung näher erläutert.
  • Die einzige Figur zeigt schematisch ein Fließbild einer beispielhaften Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erzeugung von Biomethan. Diese Vorrichtung 1 umfasst zum einen eine Vergasungseinrichtung 2, in der durch thermische Vergasung von zum Beispiel Biomasse (im Sinne der vorstehenden Definition) mittels eines Vergasungs- und/oder Oxidationsmittels in wenigstens einem Reaktor der Vergasungseinrichtung ein wenigstens bzw. unter anderem Kohlenmonoxid (CO), Kohlendioxid (CO2), Wasserstoff (H2) und Methan (CH4) enthaltendes Synthesegas erzeugt wird. Ein Teil dieses Synthesegas 3 wird, gesteuert bzw. geregelt über eine hier nicht dargestellte Steuer- und/oder Regeleinrichtung, zu vorgegebenen Zeiten und in vorgegebener Menge einer Methanisierungseinheit 4 zugeführt. Ein anderer Teil dieses in der Vergasungseinrichtung 2 erzeugten Synthesegases 5 wird hier beispielhaft einem BHKW 6 zugeführt.
  • Weiter umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zur Erzeugung von Biomethan eine Biogasanlage 7, in der durch biologische Vergasung bzw. Vergärung von zum Beispiel Biomasse (im Sinne der vorstehenden Definition) in wenigstens einem Fermenter der Biogasanlage 7 ein wenigstens bzw. vor allem Methan und Kohlendioxid enthaltendes Biogas erzeugt wird. Die Biogasanlage 7 kann zudem zum Beispiel wenigstens eine gezielt zur Wasserstofferzeugung ausgelegte bzw. ausgebildete Hydrolysestufe aufweisen, in der Wasserstoff (H2) erzeugt wird, der dann Bestandteil des Biogases 8 bildet. Dieser Wasserstoff kann grundsätzlich aber auch im Rahmen der „normalen” Hydrolyse in einem Fermenter der Biogasanlage 7 erzeugt werden. Ein Teil dieses vorzugsweise auch Wasserstoff aufweisenden Biogases 8 wird von der Biogasanlage 7 ausgehend wiederum gesteuert bzw. geregelt der Methanisierungseinheit 4 zugeführt. Ein anderer Teil dieses Biogases 9 wird hier beispielhaft einem weiteren BHKW 10 zugeführt.
  • Optional kann, wie in der 1 schematisch und strichliert mittels des BHKWs 11 dargestellt, aber auch nur ein einziges BHKW 11 vorhanden sein, mittels dem ein Gemisch aus Synthesegas 5 und Biogas 9 verbrannt wird. Dies hat den Vorteil, dass der Motor des BHKWs stabiler gefahren werden kann und damit der Wirkungsgrad höher ist, weil reines Synthesegas eine starke Klopfneigung aufweist bzw. zum Rückzünden neigt. Ebenso könnte dieses BHKW 11 auch zusätzlich zu den BHKWs 6 und 10 vorgesehen sein.
  • Der in den BHKWs erzeugte Strom wird dann in ein, vorzugsweise öffentliches, Stromnetz 12 eingespeist werden.
  • Aus dem Stromnetz 12 wird dann Strom abgezogen (Bezugszeichen 19) und einer Elektrolyseeinrichtung 14 zugeführt, die Strom benötigt, um der Elektrolyseeinrichtung 14 zugeführtes Wasser 15 durch den elektrischen Strom in Wasserstoff H2 und Sauerstoff O2 zu spalten, wobei, wie in der 1 dargestellt, der mittels der Elektrolyseeinrichtung 14 erzeugte Wasserstoff wenigstens zum Teil der Methanisierungseinheit 4 zugeführt wird. Auch hier werden die Stoffströme wieder mittels einer bzw. der bereits vorhin erwähnten Steuer- und/oder Regeleinrichtung gesteuert bzw. geregelt.
  • Wie in der 1 weiter dargestellt (Bezugszeichen 13), kann wenigstens ein Teil des in der Elektrolyseeinrichtung 14 erzeugten Sauerstoffs O2 der Vergasungseinrichtung 2 zugeführt werden, in der der Sauerstoff dann als Oxidationsmittel fungieren kann.
  • Im vorliegenden Beispielfall der 1 ist ferner gezeigt, dass ein gegebenenfalls überschießender Teil des erzeugten Wasserstoffs 17 auch einem, zum Beispiel öffentlichen, Gasnetz 18 zugeführt werden, kann.
  • Das von der Vergasungseinrichtung 2 kommende Synthesegas 3 und das von der Biogasanlage 7 kommende Biogas 8 können grundsätzlich, wie in der 1 dargestellt, separat und unabhängig voneinander der Methanisierungseinheit 4 zugeführt werden. Wie in der 1 schematisch und strichliert dargestellt, können diese beiden Gasströme jedoch auch stromauf der Methanisierungseinheit 4 einer Mischeinrichtung 20 zugeführt werden, in der die beiden Gasströme dann miteinander vermischt und als Gasgemisch der Methanisierungseinheit 4 zugeführt werden.
  • In der Methanisierungseinheit 4 selbst finden dann die nachfolgenden beiden Sabatier-Reaktionen statt: CO2 + 4H2 → 2H2O + CH4 CO + 3H2 → H2O + CH4
  • Mit anderen Worten wird in der Methanisierungseinheit 4 das Kohlenstoffdioxid, das Kohlenmonoxid und der Wasserstoff in Methan (CH4) und Wasser (H2O) umgewandelt. Das einen hohen Reinheitsgrad aufweisende CH4 kann dann als Biomethan 21 dem Gasnetz 18 zugeführt werden.
  • Das im Rahmen der Sabatier-Reaktionen weiter anfallende Reaktionsprodukt Wasser kann zum Beispiel, wie bereits zuvor ausgeführt mittelbar oder wie hier gezeigt unmittelbar der Elektrolyseeinrichtung 14 zugeführt werden (Wasser 15).
  • Das in der Methanisierungseinheit 4 gebildete Wasser kann alternativ oder zusätzlich aber auch, wie mit den Pfeilen 22 und 23 angedeutet, der Vergasungseinrichtung 2 und/oder der Biogasanlage 7 zugeführt werden.
  • Alternativ oder zusätzlich zu der Zuführung von Wasser 15 aus der Methanisierungseinheit 4 zur Elektrolyseeinrichtung 14 kann auch vorgesehen sein, der Elektrolyseeinrichtung 14 Frischwasser 24 zuzuführen.
  • Auch hier gilt wieder, dass die Menge und der Zeitpunkt bzw. die Zeitdauer der Strom-, Wasser- und Wasserstoff-Stoffströme mittels der Steuer- und/oder Regeleinrichtung gesteuert bzw. geregelt wird.
  • In Verbindung mit der Wasserversorgung der Elektrolyseeinrichtung 14 ist es ebenso denkbar, dass im Falle einer Trocknungseinrichtung 25 als Bestandteil der Biogasanlage 7, zum Beispiel im Falle einer Gärreste-Trocknungseinrichtung, dort anfallendes Wasser 26 wenigstens zum Teil der Elektrolyseeinrichtung 14 zugeführt wird.
  • Ebenso könnte alternativ oder zusätzlich Kondenswasser 37 aus der Vergasungseinrichtung 2 bzw. aus der Biogasanlage 7 (analog Bezugszeichen 26) wenigstens zum Teil der Elektrolyseeinrichtung 14 zugeführt werden.
  • Wie bereits zuvor ausgeführt, kann das Wassermanagement, das heißt die Zuführung von Frischwasser und/oder von Produktwasser aus der Methanisierungseinheit 4 und/oder von in einer Trocknungseinrichtung der Biogasanlage anfallendes Wasser 26 und/oder von Kondenswasser 37 aus der Vergasungseinrichtung 2 zur Elektrolyseeinrichtung 14 mittels einer Steuer- und/oder Regeleinrichtung gesteuert werden, und zwar in Abhängigkeit von den jeweils vorgegebenen Betriebsparametern.
  • Wie dies der 1 weiter zu entnehmen ist, kann ein Teil des in der Biogasanlage erzeugten kohlendioxidhaltigen Biogases 8 einer Aufbereitungseinrichtung 27, zum Beispiel einem Gaswäscher, zugeführt werden, in dem das Kohlendioxid abgetrennt wird. Dieses abgetrennte Kohlendioxid kann dann zum Beispiel optional der Methanisierungseinheit 4 zugeführt werden kann (Bezugszeichen 28). In der Methanisierungseinheit 4 dient das Kohlendioxid dann als Edukt bei der Methanisierung von Wasserstoff, während das so gereinigte Biogas 29 dann als Biomethan dem öffentlichen Gasnetz 18 zugeführt werden kann.
  • Wie in der 1 weiter dargestellt, kann dem Gasnetz 18 auch Gas entnommen und einem Gaskraftwerk 30 zugeführt werden, in dem dann Strom 31 erzeugt wird, der dem Stromnetz 12 zugeführt wird.
  • Grundsätzlich wäre es denkbar, das in der Methanisierungseinheit 4 erzeugte Biomethan 21 direkt bzw. wenigstens zum Teil dem Gaskraftwerk 30 zuzuführen.
  • Ebenso kann dem Stromnetz 12 von Windkraftanalagen 32 bzw. von Solaranlagen 33 erzeugter Strom zugeführt werden.
  • Die aufgrund der stark exothermen Reaktionen in der Methanisierungseinheit 4 zur Verfügung stehende Abwärme 34 kann dann zum Beispiel der Vergasungseinrichtung 2 und/oder der Biogasanlage 7 zugeführt werden, wie dies in der 1 weiter schematisch dargestellt ist. (Wärmezuführung 35, 36).
  • Bei einer derartigen Verfahrensführung besteht der Vorteil gegenüber einer klassischen Biogasaufbereitung vor allem darin, dass das Kohlendioxid nicht abgetrennt wird und somit verloren geht, sondern weiter aufbereitet wird und das gesamte produzierte Biogas in Form von Methan letztendlich in das einen hohen Gasreinheitsgrad erfordernde Gasnetz 18 eingespeist werden kann. Der Vorteil in Verbindung mit Vergasungseinrichtungen 2 besteht darin, dass das entstehende Schwachgas aufgewertet wird und ebenfalls in das Gasnetz 18 eingespeist werden kann.
  • Die Stoffströme selbst werden mittels zwischen den einzelnen Anlagenteilen verlegten Rohrleitungen vorgenommen. Zur Stromversorgung sind Stromleitungen vorgesehen. Stell- bzw. Steuersignale können funktionstechnisch als auch mittels Leitungen übertragen werden.

Claims (16)

  1. Verfahren zum Erzeugen von Biomethan, mit einer Methanisierungseinheit (4), in der Kohlenstoffdioxid, Kohlenmonoxid und Wasserstoff in Methan und Wasser umgewandelt werden, mit einer Elektrolyseeinrichtung (14), in der der Elektrolyseeinrichtung (14) zugeführtes Wasser durch elektrischen Strom in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten wird, wobei der mittels der Elektrolyseeinrichtung (14) erzeugte Wasserstoff wenigstens zum Teil der Methanisierungseinheit (4) zugeführt wird, mit einer Biogasanlage (7), in der durch Vergärung von vergärbaren Stoffen in wenigstens einem Fermenter der Biogasanlage (7) ein wenigstens Methan und Kohlendioxid enthaltendes Biogas erzeugt wird, das wenigstens zum Teil der Methanisierungseinheit (4) zugeführt wird, mit einer Vergasungseinrichtung (2), in der durch thermische Vergasung von thermisch vergasbaren Stoffen mittels eines Vergasungs- und/oder Oxidationsmittels in wenigstens einem Reaktor der Vergasungseinrichtung (2) ein wenigstens Kohlenmonoxid, Wasserstoff, Kohlendioxid und Methan enthaltendes Synthesegas erzeugt wird, das wenigstens zum Teil der Methanisierungseinheit (4) zugeführt wird, wobei das in der Methanisierungseinheit (4) gebildete Biomethan einer Verwertungs- und/oder Speichereinrichtung, insbesondere einem Gasspeicher und/oder einem Gasnetz (18), zugeführt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das in der Methanisierungseinheit (4) gebildete Wasser wenigstens zum Teil der Elektrolyseeinrichtung (14) zugeführt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolyseeinrichtung (14) eine definierte Menge an Frischwasser zugeführt wird.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das in der Vergasungseinrichtung (2) und/oder in der Biogasanlage (7) anfallende Wasser, insbesondere Kondenswasser, wenigstens zum Teil der Elektrolyseeinrichtung (14) zugeführt wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Teil oder lediglich ein Teil des in der Biogasanlage (7) im Rahmen einer Hydrolyse, insbesondere in wenigstens einer Hydrolysestufe, erzeugten Wasserstoffes der Elektrolyseinrichtung (14) zugeführt wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Biogasanlage (7) eine Trocknungseinrichtung (25), insbesondere zur Trocknung von Gärresten, aufweist, wobei das in der Trocknungseinrichtung (25) anfallende Wasser wenigstens zum Teil der Elektrolyseinrichtung (14) zugeführt wird.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die der Elektrolyseeinrichtung (14) zugeführte Wassermenge, insbesondere eine Frischwassermenge und/oder eine Trocknungswassermenge und/oder eine Kondenswassermenge aus der Biogasanlage (7) und/oder eine Kondenswassermenge aus der Vergasungseinrichtung (2), mittels einer Steuer- und/oder Regeleinrichtung in Abhängigkeit von der in der Methanisierungseinheit (4) gebildeten und der Elektrolyseeinrichtung (14) zugeführten Wassermenge vorgegeben wird.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das in der Methanisierungseinheit (4) gebildete Wasser wenigstens zum Teil dem wenigstens einem Fermenter der Biogasanlage (7) zugeführt wird und/oder wenigstens zum Teil in erhitzter Form als Wasserdampf dem wenigstens einen Reaktor der Vergasungseinrichtung (2) zugeführt wird.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die in der Methanisierungseinheit (4) anfallende Wärme aus der Methanisierungseinheit (4) ausgekoppelt und der Biogasanlage (7) und/oder der Vergasungseinrichtung (2) zugeführt wird.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil des in der Biogasanlage (7) erzeugten Biogases und/oder ein Teil des in der Vergasungseinrichtung (2) erzeugten Synthesegases wenigstens einem Blockheizkraftwerk (6, 10, 11) zugeführt wird, in dem Strom erzeugt wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der erzeugte Strom in ein Stromnetz (12) eingespeist wird.
  12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Teil des der Methanisierungseinheit (4) zugeführten Biogases mit wenigstens einem Teil des der Methanisierungseinheit (4) zugeführten Synthesegases in einer Mischeinrichtung (20) zusammengeführt und vermischt sowie anschließend der Methanisierungseinheit (4) zugeführt wird.
  13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das die Biogasanlage (7) einen Gasspeicher aufweist, in dem das der Methanisierungseinheit (4) zugeführte kohlendioxidhaltige Biogas zwischengespeichert und bedarfsweise abgezogen wird.
  14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein nicht der Methanisierungseinheit (4) zuführbarer Teil des kohlendioxidhaltigen Biogases einer Aufbereitungseinrichtung (27) zugeführt wird, in der Kohlendioxid aus dem Biogas abgetrennt wird, wobei das abgetrennte Kohlendioxid der Methanisierungseinheit (4) zugeführt wird.
  15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Teil des in der Elektrolyseeinrichtung (14) erzeugten Sauerstoffs der Vergasungseinrichtung (2) zugeführt wird.
  16. Anlage zur Erzeugung von Biomethan, insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer Methanisierungseinheit (4), in der Kohlenstoffdioxid, Kohlenmonoxid und Wasserstoff in Methan und Wasser umwandelbar ist, mit einer Elektrolyseeinrichtung (14), in der der Elektrolyseeinrichtung zugeführtes Wasser durch elektrischen Strom in Wasserstoff und Sauerstoff spaltbar, wobei von der Elektrolyseeinrichtung (14) wenigstens eine Wasserstoff-Zuführleitung zu der Methanisierungseinheit (4) führt, mittels der eine definierte Menge eines mittels der Elektrolyseeinrichtung (14) erzeugten Wasserstoffes der Methanisierungseinheit (4) zuführbar ist, mit einer Biogasanlage (7), in der durch Vergärung von vergärbaren Stoffen in wenigstens einem Fermenter der Biogasanlage (7) ein wenigstens Methan und Kohlendioxid enthaltendes Biogas erzeugbar ist, wobei von der Biogasanlage wenigstens eine Biogas-Zuführleitung zu der Methanisierungseinheit (4) geführt ist, mittels der eine definierte Menge des Biogases der Methanisierungseinheit (4) zuführbar ist, mit einer Vergasungseinrichtung (2), in der durch thermische Vergasung von vergasbaren Stoffen mittels eines Vergasungs- und/oder Oxidationsmittels in wenigstens einem Reaktor der Vergasungseinrichtung (2) ein wenigstens Kohlenmonoxid, Wasserstoff, Kohlendioxid und Methan enthaltendes Synthesegas erzeugbar ist, wobei von der Vergasungseinrichtung (2) wenigstens eine Synthesegas-Zuführleitung zu der Methanisierungseinheit (4) geführt ist, mittels der eine definierte Menge des Synthesegases der Methanisierungseinheit (4) zuführbar ist, und mit wenigstens einer zu einer Verwertungs- und/oder Speichereinrichtung, insbesondere zu einem Gasspeicher und/oder zu einem Gasnetz (18), geführten Biomethan-Zuführleitung, mittels der das in der Methanisierungseinheit (4) gebildete Biomethan der Verwertungs- und/oder Speichereinrichtung, insbesondere dem Gasspeicher und/oder dem Gasnetz (18), zuführbar ist.
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